CN104034105B - 一种霜层有效感知装置及其除霜控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种霜层有效感知装置及其除霜过程控制方法，属于热泵与空调领域。本发明装置包括带弧形滑道的室外翅片换热器和小球发射循环装置，小球发射循环装置包括底部滑行轨道、自动弹射器、发射器、发射计时器、除霜控制器和小球，其中，弧形滑道、底部滑行轨道、自动弹射器和发射器构成循环通道。本发明基于室外翅片换热器内置的弧形滑道表面霜层厚度对小球自由下滑过程的阻力影响来感知翅片表面霜层的厚度，可有效地感知室外换热器的翅片表面的霜层厚度和分布，通过智能化控制除霜，避免除霜误操作，可靠性高，降低能量损耗，提高制冷效率；且具有易于安装、成本低、可实现批量生产等优点。

Description

一种霜层有效感知装置及其除霜控制方法

技术领域

本发明涉及热泵与空调领域，特别涉及一种霜层有效感知装置及其除霜控制方法。

背景技术

风冷热泵机组是一种空气调节设备，在寒冷高湿度地区的冬季，风冷热泵机组制热运行时，当室外换热器盘管温度低于露点温度时，其表面产生冷凝水，冷凝水一旦低于0℃就结霜，霜层将会增加空气侧阻力，改变盘管几何形状，最终降低机组风量，导致换热器传热性能恶化，蒸发温度降低，压缩机运行压差增大，机组的运行不稳定，因此，进行除霜非常有必要；但是除霜势必会产生热泵能量和时间的消耗。

现有对空气源热泵的除霜控制方法分为间接法和直接法两大类，其中大多数属于间接法。目前常用的除霜控制主要有以下几个方法：

（1）定时除霜法。这是早期采用的方法，在设定时间时往往考虑了最恶劣的环境条件，因此在不同的环境条件下必然产生不必要的能源浪费。

（2）时间-温度控制法。目前普遍采用的一种方法。由于在时间量的基础上考虑了温度量，比单纯的时间法有进步，部分考虑了空调器室外工作环境的影响，但仍不能正确反映结霜对机组性能的影响，会出现多余的除霜运作，也会在需要除霜时而不发出除霜信号。

（3）蒸发温度与大气温度差除霜控制法。在蒸发器表面结霜严重时，蒸发温度下降导致蒸发温度与大气温度的差值加大。该控制方法根据这一差值变化来控制除霜，但仅根据一个量的变化进行判断会产生误操作。

（4）冷凝温度-时间除霜控制法。在蒸发器表面结霜严重时，冷凝温度会增大，根据冷凝温度的变化和制热运行的时间来控制除霜，仅根据一个量的变化进行判断也会产生误操作。

（5）空气压差除霜控制法。当室外换热器积霜严重时，会堵塞盘管，引起管道内压力的增大，换热器进出口处空气的压差变化反映了结霜情况。这种方法可实现根据需要除霜，但在蒸发器表面有异物遮挡和严重积灰时会出现误动作。

（6）风机电流除霜控制法。因为当室外换热器积霜严重时，风机的阻力增大，相应的表现在风机电流的波动上，但引起电流波动的因素很多，以此作为确定除霜时间的指标，容易引起误报。

（7）最佳除霜时间控制法。根据最佳除霜时间与实际除霜时间的差异判断除霜控制是否正确，进而确定机组制热工作时间和除霜控制信号的发出，但难以处理天气突变的情况。

（8）最大平均供热量控制除霜法。该控制方法是一种以最大平均供热量作为衡量依据的除霜控制方法，这一除霜方法具有一定创新性，但具体实施时比较困难。

（9）模糊智能控制除霜法。这种控制方法的关键在于怎样得到合适的模糊控制规则和采用什么样的标准对控制规则进行修改，因此，根据经验设定规则存在局限性，若采用实验方法又缺乏普遍性。

（10）光电、电容传感器法。蒸发器的结霜情况可由光电或电容探测器直接检测，这种方法原理简单，但涉及高增益信号放大器及昂贵的传感器，作为实验测试手段可行，实际应用性不大。另外光电传感器的敏感元器件长期受室外环境的影响，可靠性均将大幅降低。

（11）声音振荡器控制法。基于共鸣频率与质量有关，霜层厚度的变化将引起共鸣平率变化的原理，通过检测安装在蒸发器内的声音振荡器的共鸣频率来推知霜层的厚度，以控制除霜命令，这种装置成本高，且容易受到外界环境的干扰。

（12）霜层图像识别控制法。该方法在室外换热器的外部设置拍摄霜层分布的摄像头，实时拍摄换热器表面结霜情况，通过图像识别技术获取室外换热器表面的结霜面积，从而控制热泵机组的除霜操作。但是摄像头表面和翅片表面的灰尘会影响图像识别的准确性，尤其是在外界环境光线较暗的时候，采用普通摄像头，拍摄图像不清晰。

（13）电阻电压探测霜层厚度控制法。该方法通过加热电阻融化表面霜层形成绝缘体表面液膜，该液膜使得第一电极的两端实现电连接，输出的电压信号作为除霜信号，从而启动除霜操作。但是当环境温度在0℃附近时，翅片表面的初次结露或下雨天形成的冰水将对系统除霜过程第一电极输出电压信号产生严重干扰，导致误判，并且该控制方法以第二电极之间没有液膜存在为依据判定停止融霜，易出现部分翅片的表面仍残留霜层，而除霜操作提前停止的情况，尤其是该霜层检测装置在翅片2-3mm缝隙里安装也存在一定的难度。

综上所述，间接法主要是根据结霜引起热泵系统参数的变化来判断除霜的启停，热泵系统因为各部件之间的彼此关联，影响参数众多，即使在未结霜条件下，环境或者系统参数的波动也可能对系统产生类似于除霜的影响，因此间接法几乎无法避免除霜的误操作。而直接法是通过直接测量厚度或检测霜层分布作为依据来判断除霜的启停，该方法不受室内外环境参数及系统参数的影响，准确性高；但是，目前采用的直接法要么设备成本比较昂贵，要么控制元器件难以在密集的翅片狭缝里安装，难以批量生产，社会效益和经济效益低。因此，非常有必要设计和开发一种结构简单、安装方便、成本低廉和操作性强的新型的可以直接除霜控制装置和方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中的存在的上述不足和缺陷，提供一种霜层有效感知装置，可有效地感知室外侧换热器的翅片表面上的霜层厚度和分布，避免除霜误操作，同时具有可靠性好、成本低和易于安装等特点。本发明的另外一个目的是提供使用该霜层感知装置的除霜控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明装置采用的技术方案是：

一种霜层有效感知装置，包括室外翅片换热器和小球发射循环装置，所述室外翅片换热器内部布置有供小球滑行的弧形滑道；所述小球发射循环装置包括底部滑行轨道、自动弹射器、发射器、发射计时器、除霜控制器和小球，所述弧形滑道、底部滑行轨道、自动弹射器和发射器构成循环通道；所述发射器与除霜控制器连接，所述发射计时器分别与发射器和除霜控制器连接。

所述发射器内置有发射出口和回收入口。

所述弧形滑道由两片带有弧形凹槽的翅片形成，凹槽直接由翅片表面加工而成。

进一步地，所述小球的直径略小于弧形滑道的内径，从而保证小球可以在无霜条件下沿着翅片表面的弧形滑道快速自由下滑。

本发明使用上述装置的除霜控制方法采用的技术方案是：

步骤一、在制热模式下热泵空调机组运行一段时间Δt ₁后，除霜控制器开始每隔Δt ₂时间，自动给发射器发出指令，发射器接到指令后开始发射小球，此时发射计时器开始计时，小球从发射器进入室外翅片换热器的弧形滑道内；

步骤二、当翅片表面霜层厚度达到一定程度时，小球在重力作用下沿弧形滑道表面下滑，由于霜层局部的堆积，弧形滑道内实际流通面积大大缩小，小球下滑过程不能克服霜层的阻碍，最终被卡在弧形滑道内，不能进入底部滑行轨道，循环未完成，发射计时器继续计时，计时达到一定值Δt ₃时，自动停止计时，并同时给除霜控制器发出反馈信号；除霜控制器获得此信号后，停止给发射器发出指令，并同时给热泵空调机组发送开启除霜的指令，热泵空调机组开始除霜；当翅片表面无霜时或者霜层厚度较小时，小球在重力作用下自由下滑进入底部滑行轨道后，在惯性作用下进入自动弹射器内，被自动弹射器送入到发射器，完成一个发射循环，此时发射计时器，则完成计时操作；

步骤三、除霜开始后，翅片表面的霜层逐渐融化，弧形滑道表面的霜层逐渐变薄，其实际流通面积逐渐增大，霜层融化到一定程度后，小球在重力作用下，克服霜层阻碍后，将下滑到底部滑行轨道中，之后在惯性作用下进入自动弹射器内，被自动弹射器送入到发射器，此时发射计时器获得小球返回信号后，将此信号发送给除霜控制器，除霜控制器获得信号后，开始每隔Δt ₂时间，自动给发射器发出指令；

步骤四、发射器接到指令后，此时发射计时器开始计时，小球进入弧形滑道内，在重力作用下克服残余霜层的阻碍，下滑进入底部滑行轨道后，小球由于惯性作用进入自动弹射器内，被自动弹射器送入到发射器内，此时发射计时器完成计时，完成一个发射循环；其中，当发射计时器的完成的计时不小于一定值Δt ₄时，重复步骤四；

步骤五、当发射计时器的计时小于一定值Δt ₄时，发射计时器给除霜控制器发出反馈信号，除霜控制器获得此信号后，停止给发射器发出指令，并隔Δt ₅时间后，发送停止除霜指令，热泵空调机组停止除霜，完成一个除霜循环过程。

现有发明相比，本发明有益效果是：（1）基于室外翅片换热器内置的弧形滑道表面霜层厚度对小球自由下滑过程的阻力影响来感知翅片表面霜层的厚度，不受室外环境变化的干扰，不易产生误判，可靠性高；（2）本发明的霜层感知装置易于在室外翅片换热器上安装，可操作性强；（3）本发明的霜层感知装置制造成本低，容易实现批量生产，具有一定的经济效益和经济效益。

附图说明

图1是带弧形凹槽的翅片结构示意图，其中，1-翅片，2-制冷剂换热管，3-弧形滑道；

图2是室外换热器的翅片结构俯视图；

图3是小球自动发射循环系统的流程示意图；

图4是除霜控制方法的逻辑控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明，需要指出的是本发明的实施例不具有限定本发明的范围的作用。

本发明所述的一种霜层有效感知装置包括带弧形滑道的室外翅片换热器和小球发射循环装置。如图1和2所示，所述室外翅片换热器内设置有弧形滑道3，弧形滑道3由两片带有弧形凹槽的翅片1组成。如图3所示，所述的小球发射循环装置主要由弧形滑道3、底部滑行轨道4、自动弹射器5、发射器6、发射计时器7和除霜控制器8和小球等组成。

结合图4，本发明所述的使用上述霜层有效感知装置的除霜控制方法的具体步骤为：

（1）在制热模式下热泵空调机组运行一段时间Δt ₁后，除霜控制器8开始每隔Δt ₂时间，自动给发射器6发出指令；发射器6接到指令后开始从发射出口61发射小球，小球依次进入弧形滑道3、底部滑行轨道4、自动弹射器5和回收入口62，完成一次循环。

（2）当翅片1表面无霜时，除霜控制器8给发射器6发出指令后，发射器6的发射出口61开启，此时发射计时器7开始计时；发射器6内的小球从发射出口61进入室外翅片换热器的弧形滑道3内，小球在重力作用下自由下滑进入底部滑行轨道4后，在惯性作用下进入自动弹射器5内，被自动弹射器5送入到发射器6的回收入口62，完成一个发射循环，此时发射计时器7完成计时。

（3）当翅片1表面霜层厚度较小时，除霜控制器8给发射器6发出指令后，发射器6的发射出口61开启，发射计时器7开始计时；发射器6内的小球从发射出口进入室外翅片换热器的弧形滑道3内，小球在重力作用下沿弧形滑道3表面下滑。小球下滑过程会受到霜层的阻碍，但最终仍能进入底部滑行轨道4，然后，在惯性作用下进入自动弹射器5内，被自动弹射器5送入到发射器6的回收入口62，完成一个发射循环，发射计时器7完成计时操作。

（4）当翅片1表面霜层厚度达到一定程度时，除霜控制器8给发射器6发出指令后，发射器6的发射出口61开启，发射计时器7开始计时；发射器6内的小球从发射出口61进入室外翅片换热器的弧形滑道3内，小球在重力作用下沿弧形滑道3表面下滑。由于弧形滑道3表面被霜层覆盖，弧形滑道3中间的空隙大大缩小，小球下滑过程会受到霜层的阻碍，小球最终被卡在弧形滑道3内，不能进入底部滑行轨道4，循环未完成；发射计时器7继续计时，计时达到一定值Δt ₃时，自动停止计时，并同时给除霜控制器8发出反馈信号；除霜控制器8获得此信号后，停止给发射器6发出指令，并同时给热泵空调机组发送开启除霜的指令，热泵空调机组开始除霜。

（5）除霜开始后，翅片1表面的霜层逐渐融化，弧形滑道3表面的霜层也在逐渐变薄，其内部中间的空隙越来越大，霜层融化到一定程度后，小球在重力作用下，能克服霜层阻碍时，将下滑到底部滑行轨道4中，然后，在惯性作用下进入自动弹射器5内，被自动弹射器5送入到回收入口62；此时发射计时器7获得小球返回信号后，将此信号发送给除霜控制器8；除霜控制器8获得信号后，除霜控制器8开始每隔Δt ₂时间，自动给发射器6发出指令。

（6）发射器6接到指令后，发射出口61开启，此时发射计时器7开始计时，小球进入室外翅片换热器的弧形滑道3内，在重力作用下自由下滑进入底部滑行轨道4后，小球由于惯性作用进入自动弹射器5内，被自动弹射器5送入到回收入口62，完成一个发射循环，此时发射计时器7完成计时。当发射计时器7的计时小于一定值Δt ₄时，发射计时器7给除霜控制器8发出反馈信号，除霜控制器8获得此信号后，停止给发射器6发出指令，并隔Δt ₅时间后，发送停止除霜指令，热泵空调机组停止除霜，完成一个除霜循环过程。

此外，本发明还可以与其它常用的除霜控制方法（时间-温度控制法、蒸发温度与大气温度差除霜控制法等）联合使用，从而实现直接除霜和间接除霜控制方法的融合。

当然，上述实施例只为说明本发明技术构思与特点，其目的在于让人们能够了解本发明内容并据以实施，不能以此限制本发明的保护范围。对本领域的技术人员来说，在不偏离发明范围内，进行的各种改进和变化，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种霜层有效感知装置，其特征在于，包括室外翅片换热器和小球发射循环装置，所述室外翅片换热器内部布置有供小球滑行的弧形滑道，弧形滑道由两片带有弧形凹槽的翅片形成；所述小球发射循环装置包括底部滑行轨道、自动弹射器、发射器、发射计时器、除霜控制器和小球，所述弧形滑道、底部滑行轨道、自动弹射器和发射器构成循环通道；所述发射器与除霜控制器连接，所述发射计时器分别与发射器和除霜控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种霜层有效感知装置，其特征在于，所述发射器内置有发射出口和回收入口。

3.根据权利要求1或2所述的一种霜层有效感知装置，其特征在于，所述弧形凹槽直接由翅片表面加工而成。

4.根据权利要求3所述的一种霜层有效感知装置，其特征在于，所述小球的直径略小于弧形滑道的内径。

5.一种如权利要求1所述霜层有效感知装置的除霜过程控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在制热模式下热泵空调机组运行一段时间Δt₁后，除霜控制器开始每隔Δt₂时间，自动给发射器发出指令，发射器接到指令后开始发射小球，此时发射计时器开始计时，小球从发射器进入室外翅片换热器的弧形滑道内；

步骤二、当翅片表面霜层厚度达到一定程度时，小球在重力作用下沿弧形滑道表面下滑，由于霜层局部的堆积，弧形滑道内实际流通面积大大缩小，小球下滑过程不能克服霜层的阻碍，最终被卡在弧形滑道内，不能进入底部滑行轨道，循环未完成，发射计时器继续计时，计时达到一定值Δt₃时，自动停止计时，并同时给除霜控制器发出反馈信号；除霜控制器获得此信号后，停止给发射器发出指令，并同时给热泵空调机组发送开启除霜的指令，热泵空调机组开始除霜；

当翅片表面无霜时或者霜层厚度较小时，小球在重力作用下自由下滑进入底部滑行轨道后，在惯性作用下进入自动弹射器内，被自动弹射器送入到发射器，完成一个发射循环，此时发射计时器，则完成计时操作；

步骤三、除霜开始后，翅片表面的霜层逐渐融化，弧形滑道表面的霜层逐渐变薄，其内部流通面积逐渐变大，霜层融化到一定程度后，小球在重力作用下，克服霜层阻碍后，将下滑到底部滑行轨道中，之后在惯性作用下进入自动弹射器内，被自动弹射器送入到发射器，此时发射计时器获得小球返回信号后，将此信号发送给除霜控制器，除霜控制器获得信号后，开始每隔Δt₂时间，自动给发射器发出指令；

步骤四、发射器接到指令后，此时发射计时器开始计时，小球进入弧形滑道内，在重力作用下克服残余霜层的阻碍，下滑进入底部滑行轨道后，小球由于惯性作用进入自动弹射器内，被自动弹射器送入到发射器内，此时发射计时器完成计时，完成一个发射循环；

其中，当发射计时器的完成的计时不小于一定值Δt₄时，重复步骤四；

步骤五、当发射计时器的计时小于一定值Δt₄时，发射计时器给除霜控制器发出反馈信号，除霜控制器获得此信号后，停止给发射器发出指令，并隔Δt₅时间后，发送停止除霜指令，热泵空调机组停止除霜，完成一个除霜循环过程。

6.根据权利要求5所述的除霜过程控制方法，其特征在于，所述发射器内置有发射出口和回收入口。