CN102901156A - 热管型空调器防、除霜系统及其防、除霜方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热管型空调器防、除霜系统及其防、除霜方法，压缩机余热回收通道与室外机通过隔板隔开，压缩机及排气管路位于压缩机余热回收通道中，压缩机余热回收通道内设置压缩机余热回收风扇，水平热管，水平热管与室外换热器的传热管平行且通过换热翅片紧密耦合。该方法将基于热管技术回收压缩机余热除霜和基于热气旁通除霜二者有效结合。冬季制热运行时可实现冬季制热防霜模式、冬季制热周期性双效除霜模式和冬季制热优化运行模式，具有防霜和除霜双重功能，延缓结霜时间、缩短除霜时间、实现室内机连续供热等显著优点；夏季制冷运行时，采用热管技术实现室外换热器双效冷却降低冷凝温度，从而可减少压缩机功耗、提高机组的工作性能。

Description

热管型空调器防、除霜系统及其防、除霜方法

技术领域

本发明涉及一种空调器防、除霜系统，具体是一种采用热管技术来回收热泵型空调器压缩机余热以防止室外换热器结霜并在低温工况下结合热气旁通来除霜的热管型空调器防、除霜系统。

背景技术

在冬季采用热泵型空调器制热是一种节能的供热方式，风冷热泵在室外环境温度低于5℃的工况下运行时，蒸发器表面温度很可能低于0℃，室外换热器表面会发生结霜现象，结霜将会减小翅片间的空气通道，增加换热器的热阻，导致换热器的性能急剧恶化，因此当室外换热器的霜层达到一定厚度后就必须进行除霜。在一般陆用或海洋平台用空调器中使用最为广泛的除霜方法是采用四通阀换向反循环，将室外换热器转换成冷凝器，该方法操作简单，无需增加额外部件，但此种除霜方式的最大缺点是不仅在除霜期间完全暂停向室内供热，且还需要从室内吸收热量用于除霜，严重影响了室内的舒适度；此外，该除霜方法频繁的开停机和压力大幅度波动会对压缩机等设备形成较大的冲击，影响其使用的可靠性。

压缩机压缩过程中产生的部分热量通常经压缩机机壳以自然对流换热的方式直接排放到周围环境，夏季制冷时压缩机外壳在高温工况下其温度能达到100℃以上，冬季制热时其外壳温度也达70～80℃，若充分利用这部分热量可以有效地防止室外换热器的结霜问题，同时可以起到冷却压缩机的作用。

如申请号为03116596.6^[的发明专利“利用压缩机余热的热泵型风冷空调器”，公开了一种利用压缩机余热除霜的方法，在冬季制热运行时室外机风机反向旋转，使得来自环境的空气先流经压缩机，与压缩机壳体进行热交换，空气温度提升后再流过室外换热器与制冷剂进行热交换。该发明通过回收压缩机原本释放给环境的热量，提高了室外换热器的进风温度，改善了热泵型风冷空调器在低温结霜工况下的性能；与传统四通阀换向除霜技术相比，该方法的优点是在除霜期间不会间断向室内的供热，但其缺点是由于压缩机与换热器距离较小，流经压缩机后的热空气分布不均，会导致换热器的某些部位始终无热风，结霜严重；另一方面，由于压缩机余热排放量通常小于除霜所需的供热量，二者能量不匹配会导致室外环境温度较低时无法实现完全除霜。

如申请号为200910193412.0的发明专利“ 一种利用压缩机余热防霜的风冷热泵”，公开了另一种利用压缩机余热除霜的方法，除霜的主要结构是由金属蒸发腔、冷凝部、汽相金属管道、液相金属管道和金属散热翅片组成的平板回路热管，其中金属蒸发腔利用导热硅胶紧贴于压缩机顶部用于余热回收。在冬季制热运行时，无须额外动力的状况下，利用压缩机余热使得紧贴其顶部的金属蒸发腔内热管工质受热蒸发汽化，将热量带到冷凝部加热室外换热器的进口空气，从而实现防止结霜的目的。该方法仅能利用压缩机顶部排出的少部分余热进行除霜，无法利用压缩机外壳其它部分排出的余热；且由于压缩机运行时的长期振动会使得平板热管与压缩机外壳的接触面松动，降低工作可靠性，振动严重时造成导热硅胶和平板热管均会脱离压缩机，热管完全失效，无法起到除霜目的；另一方面，压缩机余热排放量与除霜所需供热量不匹配同样会导致室外环境温度较低时无法完全除霜；特别地，该方法在空调机夏季制冷模式运行时，即室外换热器的工作状态为冷凝器，由于压缩机与室外换热器之间的平板回路热管无法关闭，此时压缩机的余热会造成室外换热器的冷凝温度升高，导致机组的工作性能下降。

如申请号为200810153761.5 ^[3]的发明专利“一种空调器的热气旁通不间断供热除霜循环结构”，公开了一种利用空调器制冷剂热气旁通进行防霜的方法，其实质是消耗原本向室内供热的部分制冷剂的冷凝热进行加热除霜，该专利利用毛细管和电磁阀的简单启停来进行室内供热和室外除霜之间冷媒流量的自动调节，保证了室外除霜的同时室内不间断供热，相对上述利用压缩机余热的除霜方法，该热气旁通技术具有可以实现完全除霜的优点，但其缺点是由于采用制冷剂的冷凝热进行除霜，因而减少了向室内的供热量，将导致机组的工作性能下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种热管型空调器防、除霜系统及其防、除霜方法，该系统利用带吸液芯的水平热管充分回收压缩机外壳和排气管路排放的余热来提高室外换热器的进口空气温度，从而防止室外换热器结霜，并在低温工况下换热器结霜后耦合热气旁通技术进行完全除霜。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种热管型空调器防、除霜系统，包括热泵型空调器室外机、室外换热器、压缩机、室外换热器风扇、室外换热器、四通换向阀、隔板、压缩机余热回收风扇、压缩机余热回收通道、水平热管、热气旁通电磁阀、压缩机、气液分离器、电子膨胀阀、截止阀，室内机、室内换热器，其特点是：压缩机余热回收通道与室外机通过隔板隔开，压缩机及排气管路位于压缩机余热回收通道中，压缩机余热回收通道内设置压缩机余热回收风扇和水平热管，水平热管位于风扇和压缩机之间，水平热管与室外换热器的传热管平行且通过换热翅片紧密耦合。

压缩机、室外换热器、电子膨胀阀、室内换热器、四通换向阀和热气旁通电磁阀组成常规的制冷剂回路，压缩机的高压出口与四通换向阀的H接口相通，四通换向阀的I接口与室外换热器的a端相通，室外换热器的b端和电子膨胀阀的一端连接，电子膨胀阀的另一端经截止阀连接到室内换热器的d端，室内换热器的c端经截止阀与四通换向阀的K接口相通，四通换向阀的J接口与气液分离器的e端连接，气液分离器的f端连接到压缩机的低压入口，热气旁通电磁阀的一端连接到压缩机的高压出口，另一端连接到室外换热器的b端。

一种应用热管型空调器防、除霜系统的防、除霜方法，冬季制热运行：当室外换热器外表面结霜时，启动冬季制热防霜模式或当室外换热器外表面无霜时，启用冬季制热优化模式，开启电子膨胀阀，关闭热气旁通电磁阀，开启室外换热器风扇和压缩机余热回收风扇，通过水平热管回收压缩机的余热防止室外换热器结霜或提高室外换热器的蒸发温度。

一种应用热管型空调器防、除霜系统的防、除霜方法，冬季制热运行，室外换热器结霜时，启用冬季制热周期性双效除霜模式，开启热气旁通电磁阀，关闭室外换热器风扇，开启压缩机余热回收风扇，通过水平热管回收压缩机的余热对室外换热器进行初步除霜，同时，通过热气旁通电磁阀利用压缩机排放的少部分高温制冷剂的冷凝热对室外换热器进行二次除霜。

一种应用热管型空调器防、除霜系统的防、除霜方法，夏季制冷运行时，启用夏季制冷双效冷却模式，开启电子膨胀阀，关闭热气旁通电磁阀，开启室外换热器风扇和压缩机余热回收风扇，且使余热回收风扇的旋转方向与制热时相反，利用水平热管对室外换热器进行初步冷却，同时，利用室外换热器风扇对室外换热器进行二次冷却，实现室外换热器的双效冷却。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点和积极的效果：

第一，本发明在风冷热泵系统制热运行时利用带吸液芯的水平热管有效回收压缩机外壳和排气管路排放的余热，提高了室外换热器进口空气的温度，在一般天气条件下大大降低了结霜的可能性，在低温下也能延缓结霜时间，减少了机组除霜次数，降低霜层的厚度；由于在热管蒸发段与压缩机之间采用专门的余热回收风扇实现二者的换热，可有效解决传统压缩机余热回收过程中采用导热胶粘贴换热时因热管与压缩机壳体之间接触面松动和脱落造成传热恶化的问题，显著提高了可靠性。

第二，本发明耦合压缩机余热除霜技术和热气旁通除霜技术，具有更好的适应性，可根据室外环境温度的高低进行工作模式的切换：在室外环境温度相对较高但长时间运行会造成室外换热器外表面结霜时，启用“基于热管技术回收压缩机余热”的热泵空调防霜模式；在室外环境温度较低会造成室外换热器蒸发温度低于零度时，启用“基于热管技术回收压缩机余热+热气旁通技术”的热泵空调周期性双效除霜模式；在室外环境温度相对较高长时间运行也不会造成室外换热器外表面结霜，启用“基于热管技术回收压缩机余热提高室外换热器蒸发温度”的热泵空调优化模式。相对传统技术，该发明具有防霜和除霜双重功能，在除霜期间可保证向室内的连续供热，除霜时间短，除霜时无需从室内取热，最大程度减小了对室内舒适度的影响，显著提高了工作性能。

第三，本发明与传统空调器热气旁通除霜技术相比，由于采用基于热管技术的压缩机余热除霜技术，可实现室外环境温度较高的热泵空调防霜模式和室外环境温度较低的热泵空调周期性双效除霜模式，具有冬季制热时延缓结霜时间、降低霜层厚度、减少除霜次数、实现室内连续供热、除霜更彻底等显著优点。

第四，本发明解决了传统除霜技术中空调机组冬季制热和夏季制冷模式转化时出现的问题：空调机组冬季制热时采用“基于热管技术回收压缩机余热+热气旁通技术”的热泵空调周期性双效除霜模式；空调机组夏季制冷时采用“基于热管技术余热回收风扇冷却+室外换热器风扇”的室外换热器双效冷却模式，相对传统技术，具有冬季除霜时间短且连续供热、夏季冷凝温度低且压缩机功耗小的显著优点。

附图说明

图1是本发明的系统原理图；

图2 是冬季制热防霜模式示意图；

图3是冬季制热周期性双效除霜模式示意图；

图4是夏季制冷双效冷却模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明的热管型空调器防、除霜系统，由制冷剂循环回路、压缩机余热回收通道、水平热管三大部分组成。制冷剂循环回路与常规的制冷系统循环回路相同，包括热泵型空调器室外机1、室外换热器3、压缩机10、室外换热器风扇2、室外换热器3、四通换向阀4、隔板5、压缩机余热回收风扇6、压缩机余热回收通道7、水平热管8、热气旁通电磁阀9、压缩机10、气液分离器11、电子膨胀阀12、截止阀13，室内机14、室内换热器15等。

压缩机余热回收通道7与室外机1通过隔板5隔开，压缩机10及排气管路位于压缩机余热回收通道7中，压缩机余热回收通道7内设置压缩机余热回收风扇6和水平热管8，水平热管8位于风扇6和压缩机10之间，水平热管8与室外换热器3的传热管平行且通过换热翅片紧密耦合。压缩机10余热的回收通过两排水平热管8实现，水平热管8与室外换热器3的传热管平行且经换热翅片紧密耦合，水平热管8的一端换热面位于压缩机余热回收通道中，水平热管8的另一端换热面位于室外换热器3一侧，水平热管8内壁填充吸液芯，吸液芯材料可为丝网、烧结金属、泡沫金属等，水平热管8所采用的工质可为水或甲醇。冬季制热进行室外换热器的防除霜时，位于压缩机10余热回收通道7的水平热管8换热面为热管的蒸发段，位于室外换热器3一侧的热管换热面为热管的冷凝段；夏季制冷进行室外换热器的双效冷却时：位于压缩机余热回收通道7的水平热管8换热面为热管的冷凝段，位于室外换热器3侧的热管换热面为热管的蒸发段。水平热管8蒸发段与冷凝段的在冬季和夏季的切换通过改变余热回收风扇6的转向进行调节和控制。

压缩机10、室外换热器3、电子膨胀阀12、室内换热器14、四通换向阀4和热气旁通电磁阀9组成常规的制冷剂回路，压缩机10的高压出口与四通换向阀4的H接口相通，四通换向阀4的I接口与室外换热器3的a端相通，室外换热器的b端和电子膨胀阀12的一端连接，电子膨胀阀12的另一端经截止阀连接到室内换热器15的d端，室内换热器的c端经截止阀13与四通换向阀4的K接口相通，四通换向阀4的J接口与气液分离器11的e端连接，气液分离器的f端连接到压缩机10的低压入口，热气旁通电磁阀9的一端连接到压缩机10的高压出口，另一端连接到室外换热器3的b端。

压缩机余热回收通道7的形状及其空气入口和出口形式可根据室外机的具体结构进行进一步的优化设计。

本发明根据热泵空调器的运行情况可实现以下几种工作模式：

冬季制热防霜模式、冬季制热优化模式、冬季制热周期性除霜模式、夏季制冷双效冷却模式。

当空调器在冬季进行制热时，若室外环境温度相对较高，但长时间运行会造成室外换热器外表面结霜时，启用冬季制热防霜模式。该模式下室外换热器3为蒸发器，室内换热器15为冷凝器。运行时热气旁通电磁阀9关闭、电子膨胀阀12开启，室外换热器风扇2和余热回收风扇9开启，且使压缩机余热回收通道7中的空气流动方向与流经室外换热器3的空气流动方向相同。压缩机余热回收通道7中的空气首先流经压缩机10外壳和排气管路，空气被加热升温后再流经水平热管的蒸发段，将热量传给热管中的工质。热管中工质蒸发后进入室外换热器3侧的冷凝段被冷凝成液体。室外换热器3进口空气在热管工质冷凝热的加热作用下温度升高后再流经室外换热器3的翅片与换热管进行热交换，该模式下仅仅通过热管技术回收压缩机的余热就可有效防止室外换热器外表面因温度过低而结霜的问题，防霜期间不会降低对室内的供热量，因而可保证冬季供热时热量的连续性和稳定性。

当空调器在冬季进行制热时，若室外环境温度相对较高，且长时间运行也不会造成室外换热器外表面结霜，此时启用冬季制热优化模式，开启室外换热器风扇2和余热回收风扇6，压缩机余热回收通道7中的空气首先流经压缩机10外壳和排气管路，空气被加热升温后再流经水平热管8的蒸发段，将热量传给热管中的工质。水平热管8中工质蒸发后进入室外换热器3侧的冷凝段被冷凝成液体。室外换热器3进口空气在热管工质冷凝热的加热作用下温度升高后再流经室外换热器3的翅片和换热管进行热交换，该模式通过热管技术回收压缩机的余热来提高室外换热器的蒸发温度，从而改善空调机组的工作工况，减少压缩机功耗，提供机组性能。

当空调器在冬季进行制热时，若室外环境温度较低会造成室外换热器蒸发温度低于零度时，将不可避免的会有结霜现象发生，此时启用冬季制热周期性双效除霜模式。开启热气旁通电磁阀9，开启余热回收风扇6，关闭室外换热器风扇2，由于室外换热器除霜需要的热量与压缩机释放的热量不匹配，仅仅采用热管技术回收压缩机的余热可能无法实现完全除霜，因此在回收压缩机余热进行除霜的同时，还采用热气旁通进行除霜，利用热气旁通电磁阀9通过回收压缩机10排放的少部分高温制冷剂的冷凝热进行除霜，这部分制冷剂经气液分离器后回到压缩机10，其他大部分高温制冷剂经电子膨胀阀12进入室内换热器15进行换热，保证了室外除霜的同时室内不间断供热，该模式采用回收压缩机余热和热气旁通进行双效除霜。

当空调器夏季进行制冷时，利用四通阀4进行换向切换，此时室外换热器3为冷凝器，室内换热器15为蒸发器，空调器进入夏季制冷双效冷却模式。开启电子膨胀阀12，关闭热气旁通电磁阀9，开启室外换热器风扇2和余热回收风扇6，且使余热回收风扇6的旋转方向与制热时相反。在余热回收风扇6的驱动下，进入余热回收通道的室外空气首先流经热管冷凝段，热管冷凝段内工质在室外空气的冷凝作用下被冷凝成液体，然后通过热管的吸液芯流到位于室外换热器3侧的热管蒸发段进行蒸发冷却，利用水平热管8对室外换热器3进行初步冷却来降低空调机组的冷凝温度，改善机组的运行工况；压缩机余热回收通道7内流经水平热管8的空气小幅升温后再流过压缩机10的外壳和排气管路对压缩机进行冷却，由于压缩机10壳体温度远高于室外换热器3的冷凝温度，二者的温度梯度使得这种空气流动形式进行冷却完全可行；同时，利用室外换热器风扇2对室外换热器15进行二次冷却来降低空调机组的冷凝温度，该模式下实现“基于热管技术余热回收风扇+室外换热器风扇”的室外换热器双效冷却，相对传统的仅仅采用室外换热器风扇的冷却方式，该方法可进一步降低室外换热器的冷凝温度，减少压缩机功耗，提高空调器性能。

本发明的实施例运行模式：

如图2所示，当空调器冬季制热时，若室外环境温度相对较高，但长时间运行会造成室外换热器3外表面结霜时，启用冬季制热防霜模式。此时室外换热器3为蒸发器，室内换热器15为冷凝器。开启电子膨胀阀12，关闭热气旁通电磁阀9，开启室外换热器风扇2和压缩机余热回收风扇6，使流经室外换热器3的空气和压缩机余热回收通道7中的空气流动方向相同。压缩机余热回收通道7中的室外空气首先流经压缩机10的外壳和排气管路，空气被加热升温后再流经水平热管8的蒸发段，将热量传给热管中的工质。热管中工质蒸发后流向位于室外换热器3侧的冷凝段并冷凝成液体。室外换热器3进口空气在热管工质冷凝热的加热作用下温度升高后再流经室外换热器3的翅片和换热管进行热交换。该模式下仅仅通过热管8回收压缩机10的余热就可有效防止室外换热器3的结霜问题，防霜期间不会降低对室内的供热量，因而可保证冬季供热时热量的连续性和稳定性。

当空调器在冬季制热运行时，若室外环境温度相对较高长时间运行也不会造成室外换热器3外表面结霜，此时启用冬季制热优化模式。开启室外换热器风扇2和余热回收风扇6，通过热管8回收压缩机10的余热来提高室外换热器3的蒸发温度，从而改善空调机组的工作工况，减少压缩机功耗，提高机组性能。

如图3所示，当空调器在冬季制热运行时，若室外环境温度较低会造成室外换热器3结霜时，启用冬季制热周期性双效除霜模式。开启热气旁通电磁阀9，关闭室外换热器风扇3，开启压缩机余热回收风扇6，利用余热回收风扇6通过热管8回收压缩机10的余热对室外换热器3进行初步除霜，同时，利用热气旁通电磁阀9通过回收压缩机10排放的少部分高温制冷剂的冷凝热对室外换热器3进行除霜，少部分高温制冷剂从压缩机10的排气口经过热气旁通电磁阀9直接进入室外换热器3进行除霜，这部分制冷剂经气液分离器11后回到压缩机10；其他大部分高温制冷剂经四通换向阀4进入室内换热器15进行换热，保证了在室外换热器3除霜的同时室内换热器15的连续供热，该模式采用回收压缩机余热和热气旁通进行室外换热器3的双效除霜。

如图4所示，当空调器夏季制冷时，利用四通换向阀4进行换向切换，此时室外换热器3为冷凝器，室内换热器15为蒸发器，空调器进入夏季制冷双效冷却模式。开启电子膨胀阀12，关闭热气旁通电磁阀9，开启室外换热器风扇2和余热回收风扇6，且使余热回收风扇6的旋转方向与制热时相反。在余热回收风扇6的驱动下，进入余热回收通道7的室外空气首先流经热管8的冷凝段，热管冷凝段内热管工质在室外空气的冷凝作用下冷凝成液体，然后通过热管8的吸液芯流到位于室外换热器3侧的热管蒸发段进行蒸发冷却，利用热管8对室外换热器3进行初步冷却来降低空调机组的冷凝温度，该部分空气小幅升温后再流过压缩机10的外壳和排气管路对压缩机10进行冷却；同时，利用室外换热器风扇2对室外换热器3进行二次冷却来降低空调机组的冷凝温度，从而实现“基于热管8余热回收风扇6+室外换热器风扇2”的室外换热器3的双效冷却，进一步降低冷凝温度，减少压缩机功耗，提高机组性能。

Claims (5)

1. 一种热管型空调器防、除霜系统，包括热泵型空调器室外机（1）、室外换热器（3）、压缩机（10）、室外换热器风扇（2）、室外换热器（3）、四通换向阀（4）、隔板（5）、压缩机余热回收风扇（6）、压缩机余热回收通道（7）、水平热管（8）、热气旁通电磁阀（9）、压缩机（10）、气液分离器（11）、电子膨胀阀（12）、截止阀（13），室内机（14）、室内换热器（15），其特征在于：所述压缩机余热回收通道（7）与室外机（1）通过隔板（5）隔开，压缩机（10）及排气管路位于压缩机余热回收通道（7）中，压缩机余热回收通道（7）内设置压缩机余热回收风扇（6）和水平热管（8），水平热管（8）位于风扇（6）和压缩机（10）之间，水平热管（8）与室外换热器（3）的传热管平行且通过换热翅片紧密耦合。

2. 根据权利要求1所述的热管型空调器防、除霜系统，其特征在于：所述压缩机（10）、室外换热器（3）、电子膨胀阀（12）、室内换热器（14）、四通换向阀（4）和热气旁通电磁阀（9）组成制冷剂回路，压缩机（10）的高压出口与四通换向阀（4）的H接口相通，四通换向阀（4）的I接口与室外换热器（3）的a端相通，室外换热器的b端和电子膨胀阀（12）的一端连接，电子膨胀阀（12）的另一端经截止阀连接到室内换热器（15）的d端，室内换热器的c端经截止阀（13）与四通换向阀（4）的K接口相通，四通换向阀（4）的J接口与气液分离器（11）的e端连接，气液分离器的f端连接到压缩机（10）的低压入口，热气旁通电磁阀（9）的一端连接到压缩机（10）的高压出口，另一端连接到室外换热器（3）的b端。

3. 一种应用权利要求1或2的防、除霜方法，其特征在于，冬季制热运行：当室外换热器（3）外表面结霜时，启动冬季制热防霜模式或当室外换热器（3）外表面无霜时，启用冬季制热优化模式，开启电子膨胀阀（12），关闭热气旁通电磁阀（9），开启室外换热器风扇（2）和压缩机余热回收风扇（6），通过水平热管（8）回收压缩机（10）的余热防止室外换热器（3）结霜或提高室外换热器（3）的蒸发温度。

4. 一种应用权利要求1或2的防、除霜方法，其特征在于，冬季制热运行，室外换热器（3）结霜时，启用冬季制热周期性双效除霜模式，开启热气旁通电磁阀（9），关闭室外换热器风扇（3），开启压缩机余热回收风扇（6），通过水平热管（8）回收压缩机（10）的余热对室外换热器（3）进行初步除霜，同时，通过热气旁通电磁阀（9）利用压缩机（10）排放的少部分高温制冷剂的冷凝热对室外换热器（3）进行二次除霜。

5. 一种应用权利要求1或2的防、除霜方法，其特征在于，夏季制冷运行时，启用夏季制冷双效冷却模式，开启电子膨胀阀（12），关闭热气旁通电磁阀（9），开启室外换热器风扇（2）和压缩机余热回收风扇（6），且使余热回收风扇（6）的旋转方向与制热时相反，利用水平热管（8）对室外换热器（3）进行初步冷却，同时，利用室外换热器风扇（2）对室外换热器（3）进行二次冷却，实现室外换热器（3）的双效冷却。

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