CN108458479A - 热泵热水器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热泵热水器。该热水器包括用于储存待加热水的水箱和位于所述水箱中的热虹吸管。所述热虹吸管具有位于所述水箱的底部中的第一端以及位于所述水箱的顶部中的第二端。热泵的冷凝器管的至少一部分被所述热虹吸管包围以限定位于所述热虹吸管和所述冷凝器管之间的水流通道。由于所述热泵的制冷剂循环，所述冷凝器管的温度相比于所述水流通道的水温而升高。水泵被配置成使水流过所述水流通道以加热所述水流通道中的水并且经由所述热虹吸管的所述第二端将加热的水输送到所述水箱的所述顶部中。

Description

热泵热水器
技术领域
本发明涉及一种具有内部冷凝器、热虹吸管和泵的热泵热水器。
背景技术
具有内部冷凝器的箱式热泵热水器(HPWH)是公知的。在这样的已知HPWH中，冷凝器延伸穿过水箱的顶部进入水箱而到达位于水箱底部内的盘绕部分。然后，冷凝器穿过水箱的顶部往回延伸。在这样的内部盘绕式冷凝器设计中，冷凝器竖直延伸穿过水箱而到达盘绕部分。冷凝器传递来自制冷剂的热经过冷凝器，作为制冷循环的一部分。由于冷凝器位于水箱内侧，水箱的储存容积减小。由于低水侧传热，通常冷凝器需要很长时间来实现更高的效率，从而进一步减小储存容积。更长的冷凝器也需要更大的制冷剂充注量来操作。因此，有益的是具有较短的冷凝器管。然而，较短的冷凝器管也降低了传热效率。因此，期望创建一种冷凝器长度较短且传热效率较高的热泵热水器。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供一种热水器，该热水器包括：水箱，用于储存待加热的水；热虹吸管，所述热虹吸管位于所述水箱中并且具有位于所述水箱的底部中的第一端以及位于所述水箱的顶部中的第二端；热泵系统，所述热泵系统包括蒸发器、压缩器、膨胀装置和冷凝器管以移动制冷剂通过制冷剂循环，所述冷凝器管的至少一部分被所述热虹吸管包围以限定所述热虹吸管和所述冷凝器管之间的水流通道，所述水流通道具有位于所述热虹吸管的所述第一端处的第一端以及位于所述热虹吸管的所述第二端处的第二端，由于所述制冷剂循环，所述冷凝器管的温度与所述水流通道的水温相比升高；以及水泵，所述水泵被配置成使水流过所述水流通道以加热所述水流通道中的水并且经由所述热虹吸管的所述第二端将加热的水输送到所述水箱的所述顶部中。
本发明还提供一种加热水的方法，该方法包括以下步骤：提供水箱以储存待加热的水，所述水箱中的热虹吸管具有位于所述水箱的底部中的第一端以及位于所述水箱的顶部中的第二端，以及提供所述水箱中的冷凝器管，所述冷凝器管的至少一部分被所述热虹吸管包围以限定所述热虹吸管和所述冷凝器管之间的水流通道，所述水流通道具有位于所述热虹吸管的所述第一端处的第一端以及位于所述热虹吸管的所述第二端处的第二端；移动制冷剂通过制冷循环的步骤包括通过所述冷凝器管，由于所述制冷剂循环，所述冷凝器管的温度与所述水流通道中的水温相比升高；使水流过所述水流通道；经由所述冷凝器管的热交换将所述水流通道内的水加热；以及经由所述热虹吸管的所述第二端将加热的水从所述水流通道输送到所述水箱的所述顶部中。
本发明的其他方面将考虑具体实施方式和附图而变得明显。
附图说明
图1是根据本发明包括内部冷凝器和热虹吸管组件的箱式热泵热水器(HPWH)的立体图。
图2是图1的冷凝器和热虹吸管组件的立体图。
图3是冷凝器和热虹吸管组件的竖直部的放大立体图。
图4是沿着图3中的线4-4截取的冷凝器和热虹吸管组件的横截面。
图5是沿着图3中的线5-5截取的冷凝器和热虹吸管组件的横截面。
图6是图1的箱式HPWH的示意图。
图7是图示用于图1的箱式HPWH的控制逻辑的流程图。
图8是根据本发明的另一实施方式包括内部冷凝器和热虹吸管组件的箱式HPWH的立体图。
图9是图8的冷凝器和热虹吸管组件的立体图。
具体实施方式
在详细说明本发明的任何实施方式之前，应理解的是，本发明在其应用中并不限于以下描述阐述或以下附图图示的部件的构造和布置细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或进行。另外，应理解的是，这里使用的措辞和术语出于描述的目的并且不应该被认为是限制性的。本文中使用“包括(including)”、“包括(comp上升ing)”或“具有(having)”及其变型意在涵盖下文中陈列的条目及其等同物以及附加条目。除非另有指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型被广泛地使用并且涵盖直接安装和间接的安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械的连接或联接。
图1图示了根据本发明的箱式热泵热水器(HPWH)10的第一实施方式。以下是对热水器10的详细描述，接着描述本发明的另选实施方式。为了简洁起见，应理解的是，每个实施方式的各方面可并入其他实施方式中，反之亦然，而在该书面描述中没有具体参照每个实施方式的各方面。实际上，在各种实施方式中要素类似的情况下，图中使用相同的附图标记，但是针对所有实施方式，在书面描述中并不总是引用这样的元件。
参照图1，热水器10包括用于储存待加热的水的水箱14、用于加热水的热泵18、热虹吸管22、水泵26和控制系统30(参见图6)。水箱14以及水箱14内的所有部件可被封闭在隔离体和护套中。在图示的实施方式中，水箱14是立式水箱。在另选实施方式中，水箱14可以是水平水箱或另一种类型的水箱。
水箱14包括限定竖直纵向轴线A的柱形侧壁38、顶部集箱42和底部集箱46。水箱14限定冷水入口50和热水出口54。冷水供应管(未示出)经由冷水入口50在水箱14和自来水公司或其他冷水源之间连通。冷水的供应是在压力下并且向水箱14的内部空间提供正压。热水供应管(未示出)经由热水出口54在水箱14和将热水投入使用的水龙头、淋浴、洗碗机或其他管道固定装置之间连通。图1图示了在水箱14的底部半部中限定在底部58的侧壁38中的冷水入口50以及限定在顶部集箱42中的热水出口54。在其他配置中，热水出口54可以在水箱14的顶部半部中限定在顶部62的侧壁38中。汲取管可从热水出口54延伸到水箱14的顶部62中以策略性地从水箱14的顶部62抽取热水。在其他配置中，冷水入口50可限定在顶部集箱42中，并且汲取管可从冷水入口50延伸到水箱14中以将水策略性地引入到水箱14的底部58中。
在水箱14的底部58中，水箱14进一步限定热虹吸入口66和泵入口70。图1图示了位于热虹吸入口66下面的泵入口70。水泵26被布置成在操作水泵26期间经由泵入口70使水流出水箱14的底部58并到达热虹吸入口66。
图1半示意性地图示了热泵18；不一定图示各部件的所有细节。在图中为了清楚起见，未图示诸如马达和电力线之类的一些部件。热泵18的主要部件是蒸发器78、压缩器82、膨胀装置86和冷凝器90。制冷剂移动经过制冷剂循环中的这些主要部件，以吸收来自热水器10周围的环境空气的热并且将热传递到水箱14中的水。风扇94使相对温暖的环境空气移动到蒸发器78之上，蒸发器78可例如是在管内侧具有制冷剂的翅片管式热交换器。例如，风扇94可由电动马达驱动。制冷剂被引入到蒸发器78作为冷的两相(液体与蒸气混合)制冷剂。相对温暖的环境空气使蒸发器78中的冷的两相制冷剂变暖以将液体部分转换为蒸气制冷剂，使得变暖的全蒸气制冷剂流出蒸发器78。环境空气由于向蒸发器78中的制冷剂传递热而被冷却，并且在风扇94的影响下移出蒸发器78。冷却空气能被导引到期望冷却空气的空间。
变暖的蒸气制冷剂在压缩器82的抽吸影响下从蒸发器78移向压缩器82，并且带走从蒸发器78中的环境空气吸收的热量。例如，压缩器82也可由电动马达驱动。压缩器82压缩变暖的蒸气制冷剂，这使制冷剂的温度和压力上升以产生过热的蒸气制冷剂。过热的蒸气制冷剂移动经过冷凝器90并且导致冷凝器90变热。热的冷凝器90加热水箱14中的水以产生热水。随着热量从过热的蒸气制冷剂交换至经过冷凝器90的水，使过热的制冷剂冷却。随着过热的制冷剂冷却，形成液滴。随着制冷剂沿着冷凝器管移动并进一步冷却，形成越来越多的液滴。最后，制冷剂在冷凝器90的端部处变成全部液体并伴有一些过冷。过冷的液体制冷剂流过膨胀装置86，造成上述两相冷却制冷剂。例如，膨胀装置86可以是TXV(热膨胀阀)、EXV(电动膨胀阀)、毛细管，或者毛细管和其他装置(诸如TXV)的某种组合。两相冷却制冷剂流向蒸发器78并且循环重复进行。
图1图示了示意性地远离水箱14的蒸发器78、压缩器82、膨胀装置86和冷凝器90的一部分。然而，在一些实施方式中，热泵18的这些部件可支撑在顶部集箱42的顶部之上或上面并且被也由顶部集箱42支撑的壳体封闭。壳体可包括通风口，以允许空气被风扇94抽取到壳体中并经过蒸发器78。在这方面，热水器10可被配置成使得热泵装配在水箱的占用面积内，这可能在用根据本发明的热水器替换现有热水器时是有用的并且可用空间限于现有热水器的占用面积。在其他实施方式中，热泵18可支撑在水箱14的侧壁38上并被封闭在与水箱14的侧壁38附接的壳体中。
冷凝器90的至少一部分浸入在水箱14中的水内。取决于使用热水器10的地域的规定，冷凝器90可具有双壁配置。冷凝器90包括竖直入口区段102、出口区段106和连通于入口区段102和出口区段106之间的盘绕区段110(图2)。竖直入口区段102穿过水箱14的顶部集箱42和顶部62而到达定位在水箱14的底部58中的盘绕区段110。在其他构造中，入口区段102可延伸穿过水箱14的顶部62的侧壁38(例如，入口区段102可穿过侧壁38水平延伸到水箱14的顶部62中，然后形成直角弯折并向下竖直延伸到盘绕区段110；另选地，入口区段102可穿过侧壁38或底部集箱46中的任一者延伸到水箱14的底部58中，在再次向下延伸之前延伸到顶部62中。图1图示了穿过热虹吸入口66延伸出水箱14之外的出口区段106。在其他实施方式中，出口区段106可经由水箱14的侧壁38中的分离端口延伸出去，如图8的实施方式所示。出口区段106还包括延伸到水箱14外侧的外部部分。在一些实施方式中，出口区段106的外部部分旁靠着水箱14朝向顶部集箱42延伸并被封闭在外壳内。冷凝器90的入口区段102从压缩器82接收过热的蒸气制冷剂，并且冷凝器90的出口区段106将过冷的液体制冷剂输送到膨胀装置86。制冷剂和水之间的大部分热交换沿着盘绕区段110发生，盘绕区段110是水箱14内的最长区段。
自然对流(即，天然水箱水温分层)导致水箱14中较暖的水上升到水箱14的顶部62，并且较冷的水下沉到水箱14的底部58。因此，水箱14中的水的温度梯度为：顶部62中的水最热，并且水的温度沿着水箱14的纵向轴线A朝着底部58的水箱14中的水最冷的底层降低。这在冷水被引入到水箱14的底部58中并且热水从水箱14的顶部62去除的热水效能提取之后尤其如此。入口区段102穿过水箱14中的最热的水(在水箱14的顶部62中)竖直地延伸。因为不期望将热量(经由冷凝器的热入口区段102)添加到水箱14的顶部62中的热水，入口区段102的暴露于水箱14的顶部62中的水的总传热表面积因直线竖直的运行而被最小化。出口区段106延伸出水箱14的底部58之外(即，穿过水箱14中的最冷水)以减少或最小化(经由冷凝器90的冷出口区段106)从水箱14中的水的热量提取。
参照图1至图2，热虹吸管22被定位在水箱14内并且包围水箱14内的冷凝器90的至少一部分。在这方面，水箱14可以说包括冷凝器和热虹吸管组件(是热交换器组件)。热虹吸管22具有位于水箱14的底部58中的第一端118以及位于水箱14的顶部62中的第二端122。热虹吸管22遵循冷凝器90的形状，因此包括水平入口区段126，水平入口区段126从第一端118延伸并且包围水箱14内的冷凝器90的出口区段106。热虹吸管22进一步包括盘绕区段130，盘绕区段130从水平入口区段126经由联接件134延伸并且包围冷凝器90的盘绕区段110。热虹吸管22进一步包括竖直出口区段138，竖直出口区段138从热虹吸管22的盘绕区段130延伸到第二端122并且部分地包围冷凝器90的竖直区段102。在图示的实施方式中，热虹吸管22的第二端122与顶部集箱42间隔开，但在其他实施方式中可抵接或连接到顶部集箱42。竖直出口区段138从盘绕区段130延伸，使得竖直区段130覆盖水箱14的从盘绕区段130朝向顶部集箱42的大部分高度。这样允许在操作热泵18期间改善热水输送并且较长时间地维持水泵的低入口水温以提高效率。如图1所示，配件142在热虹吸入口66处将热虹吸管22的第一端118连接到水箱14。在一些实施方式中，热虹吸管22和冷凝器90由于其固有的刚性而被自支撑。在其他实施方式中，框架或支架可设置在水箱14内以将热虹吸管22和冷凝器90支撑在水箱14的底部集箱46上，并且在热虹吸管22和冷凝器90的盘绕区段130、110的各匝之间维持适当的间隔。支架可由塑料或适于永久浸入热水中的另一材料制成。
如图3至图5最佳示出的，冷凝器90沿着热虹吸管22的长度同心地延伸穿过热虹吸管22。环形水流通道150(参见图4至图5)被限定在冷凝器90和热虹吸管22之间。环形水流通道150具有位于热虹吸管22的第一端118处的第一开口端154(参见图2)以及位于热虹吸管22的第二端122处的第二开口端158(参见图3)。用于冷凝器90的合适材料包括镀层钢、不锈钢、铜、镀层铝和高传导性塑料或聚合物材料。用于热虹吸管22的合适材料包括塑料、聚合物、镀层钢、不锈钢、镀层铝或铜。热虹吸管22和冷凝器90可通过挤压或另一合适方法制成。不管是在操作泵26期间还是在待机期间，热虹吸管22内的压力与水箱14内的压力基本上相同。因此，热虹吸管22不一定需要承受高的水压。因此，热虹吸管22可由较薄材料(例如，薄壁塑料)制成。因为热虹吸管22被浸入到水箱14内并与水箱14流体连通，所以当泵26不工作时水箱14和热虹吸管22内的压力是相同的。在泵26工作时，热虹吸管22内的压力增加，但压力变化相对于水箱14内的总压力是最小的。因此，即使当泵26工作以迫使水流过热虹吸管22时，热虹吸管22和水箱14内的压力可以说是基本上相同的。
在一些实施方式中，间隔件(未示出)可定位在热虹吸管22和冷凝器90之间以在冷凝器90的外表面和热虹吸管22的内表面之间沿着热虹吸管22的长度保持一致的间隔。间隔件可与热虹吸管22和冷凝器90两者分离，或者与热虹吸管22和冷凝器90中的任一者一体地形成。在一些实施方式中，热虹吸管22可具有另一横截面形状。热虹吸管22还可包括内部翅片、凹槽、凹坑或类似特征。在一些实施方式中，冷凝器90可被分开，使得两个或更多个冷凝器管延伸穿过热虹吸管22以增加冷凝器90的表面积。在其他实施方式中，多个平行的管90可以被绞合在一起(例如，以螺旋的方式)以形成各种横截面。挤出的冷凝器管90还可以设置有非圆形横截面。例如，在一些构造中，冷凝器90可包括内部翅片、凹槽、凹坑或类似特征以增加冷凝器90的表面积，从而改进与水之间的传热。
盘绕区段110、130的位置和形状能被修改以实现期望的热水器效果。盘绕区段110、130可包括非恒定盘绕直径，借此使盘绕区段110、130的直径增大或减小。盘绕直径可在水箱14的策略性选择的部分处增大或减小，可在水箱14内线性地或者根据纵向位置(即，沿着纵向轴线A的位置)而增大或减小，或者可以是沙漏状，这仅仅是为了说明少数潜在的配置和形状。在图示的实施方式中，盘绕区段110、130位于水箱14的底部58中。在其他实施方式中，盘绕区段110、130可定位在沿着轴线A的任何位置(例如，位于水箱14的顶部62中，或者部分地位于水箱14的顶部62和底部58两者中)。在一些实施方式中，盘绕区段110、130的位置可基于冷凝器90进入和离开水箱14的位置而被优化。
如图3至图4中最佳示出的，热虹吸管22的竖直出口区段138限定多个开口170。开口170在八个组166中沿着纵向轴线A均匀地间隔。每个组166均具有围绕热虹吸管22周向均匀地间隔的四个开口170(参见图5)。在一些实施方式中，每个组166可存在多于或少于八个组166和/或多于或少于四个开口170。在一些实施方式中，开口170的组166的数目以及每个组166中开口170的数目可取决于泵26的流速。在一些实施方式中，开口的组166的数目和开口170的数目以及其沿着热虹吸管22的相对位置可基于总水箱容积和/或水箱直径来确定。参照图6，水箱14内的水包括位于顶部集箱42和热虹吸管22的第二端122之间的第一容积V1。水箱14进一步包括从顶部到底层沿着纵向轴线A轴向地限定在开口170的相邻组166之间的第二至第八容积V2、V3…V8。第九容积V9在水箱14的底部58中被轴向地限定在最下组开口170的下方。容积V1-V9中的每者均具有平均温度。由于天然水箱水温分层和抽水，平均温度在第一容积V1内最高并且在每个容积中沿着纵向轴线A朝着第九容积V9降低，如上所述。
返回参照图1，过热的蒸气制冷剂进入圆形横截面冷凝器入口区段102。过热的蒸气制冷剂移动穿过入口区段102并进入盘绕区段110的顶部。过热的蒸气制冷剂向下移动穿过冷凝器盘绕区段110，沿着路途并朝向盘绕区段110的底层向水流通道150中的水放热，从而成为过冷的液体制冷剂。从盘绕区段110的底层，过冷的液体制冷剂进入出口区段106并且在水箱14外侧移向膨胀装置86。过热的蒸气制冷剂被引入到盘绕区段110的顶部处而非底层，以遵循水流通道150和水箱14中的水的温度梯度。最热制冷剂向处于热虹吸管22的竖直区段138内的水流通道150中的变暖的水传递热，并且在热虹吸管22的盘绕区段130中的下部的较冷制冷剂向水流通道150中的逐渐较冷的水传递热。
参照图1，配件142使水流通道150的第一开口端154与热虹吸入口66流体地连通。
在操作水泵26期间，水泵26从水箱14的底部58经由泵入口70向热虹吸入口66生成受迫水流。水流过配件142并进入位于热虹吸管22内的水流通道150。由于通过冷凝器90的盘绕区段110向水传递热，水流过位于热虹吸管22的盘绕区段130内的水流通道150。水流通道150内的水以升高的温度离开热虹吸管22的盘绕区段130并且进入热虹吸管22的竖直出口区段138。参照图6，加热的水进入竖直出口区段138，沿着竖直出口区段138流动，并被分配到水箱14到达容积V1-V9中的一者，使温度对应(即，近似等于)于经由第二开口端158或开口170的对应一个组166的加热的水。水沿与冷凝器90内的制冷剂相反的方向流过水流通道150，从而起到逆流式热交换器的作用。
更具体地，如果水流通道150中的加热的水在离开盘绕区段130之后的温度等于或大于第一容积V1内的水温，则加热的水在竖直出口区段138内向上流动并且在第二开口端158处离开水流通道150而进入第一容积V1。如果加热的水的温度小于第一容积V1内的水温但大于或等于第二容积V2内的水温，则至少一些加热的水经由轴向定位在第二容积V2内的开口170的组166(即，开口170的最上面的组166)被直接输送到第二容积V2。如果加热的水的温度小于第二容积V2内的水温但大于或等于第三容积V3内的水温(即，大于第四容积V4内的温度)，则至少一些加热的水经由定位在第三容积V3内的那组开口170被输送到第三容积V3。加热的水可类似地经由开口170的对应一个组166输送到每个容积V4-V9(即，如果至少一些加热的水的温度小于容积V4-V9中的一者紧上方的容积的温度，但大于容积V4-V9中的所述一者紧下方的容积，则所述至少一些加热的水被输送到容积V4-V9中的所述一者)。热虹吸管22用作在紧靠冷凝管的水泵26的影响下引导水流向顶部62的引导器，而不会向水箱14内的周围水快速地损失热量。由于开口170的每个组沿着轴线A间隔开，至少一些水然后可基于水箱14中的温度分布在开口170的对应组166处离开热虹吸管22，使得较低温度的水被输送到水箱14中的下部而较热的水被输送到水箱14中的上部。热虹吸管22允许水在水流通道150内有效地被加热并且直接输送到具有对应温度的容积，使得热水能输送到水箱14的顶部62而不需要加热水箱14的底部58内的大量冷水。在一些实施方式中，可仅存在第二开口端158中的开口，而没有沿着热虹吸管22的竖直出口区段138的长度的开口170。更接近盘绕区段130定位的开口170(例如，紧邻盘绕区段130的第九容积V9中的开口)允许冷水在水箱14的较低冷水容积中逸出并且阻止冷水输送到水箱14的顶部62而水在水箱14的底部62中是冷的，从而阻止冷水与顶部62内的温水混合，这样会降低热泵热水器10的整体恢复效率。在一些实施方式中，可存在与盘绕区段130相邻的开口170的第一组166和位于第二开口端158处的开口(或者另选地，沿着竖直出口区段138且更接近第二端158的开口170的第二组166)，以在将热水引导出第二开口端158的同时允许冷水经由与盘绕区段130相邻的开口170的第一组166逸出。在一些实施方式中，第二开口端158可定位成紧接在盘绕区段130之后，而没有竖直出口区段138或开口170。
在正常操作下，水泵26与热泵18一致地操作，使得水在输送到水箱14的顶部62内的相应容积之前被泵送经过水流通道150并且被冷凝器90同时加热。
如图6中最佳图示的，控制系统30包括监测水箱14内的水温的控制器(未示出)。控制系统30进一步包括：顶部温度传感器178，其监测水箱14的顶部62中的水温；以及底部温度传感器182，其监测水箱14的底部58中的水温。顶部温度传感器178和底部温度传感器182均生成分别与水箱14的顶部和底部中的水温相关的信号。控制器还与热泵18和水泵26通信以与设定温度比较而基于温度传感器178、182的测量温度来控制热泵18和水泵26的操作，如下面更详细地描述。控制器还与延伸到水箱14的顶部62中的顶部电加热元件186和延伸到水箱14的底部58中的底部电加热元件190通信，以根据需要启动加热元件186、190而向水箱14中的水提供附加传热，来快速恢复或降低环境操作。控制器与设定温度比较而基于温度传感器178、182的测量温度来启动顶部电加热元件186和底部电加热元件190，如下面更详细地描述。在一些实施方式中，可存在更多或更少的电加热元件(例如，仅顶部电加热元件186可延伸到水箱14的顶部62中)。在一些实施方式中，可存在更多或更少的温度传感器来监测水箱14内的水的各种容积。
在一些实施方式中，控制器可控制水泵26以改变经过水流通道150且进入水箱14的顶部62中的水的流速。另选地，控制器可控制流量控制阀，流量控制阀(即，如果水泵26在启动时具有固定流量，则)可变地限制经过水流通道150的流量，由此减小或增大经过水流通道150并进入水箱14的顶部62的水流。因此，可控制经过水流通道150的水的流量以在增大(即，更高)的水流量下提供更高的效率恢复，或者在减小(即，更低)的水流量下提供较快速的热水输送。对于较低的水流量，由于水流通道150内的水的停留时间增加并且压缩器排放压力较高，水能沿着水流通道150被加热至较高温度。因此，较热的水能更快地输送到水箱14的顶部62。
热水器可处于待机模式(包括初始启动，此时整个系统原来填充有冷水)或效能提取模式中的任一模式下。在效能提取期间，热水经由热水出口54被抽出水箱14之外并被输送到固定装置(例如，水龙头)。当固定装置打开时，来自冷水供应部的压力将冷水从冷水源经由冷水入口50推入水箱14的底部58以从水箱14的顶部62排出热水。随着效能提取继续，更多冷水进入水箱14的底部58，并且水箱14的水温降低。在待机操作期间，热水未被抽出热水出口54。在热泵18未启动时，由于热损失，水箱14中的水缓慢降温。
在待机操作和效能提取两者期间，响应于感测到水箱14的降温，控制器生成加热的呼叫。通常，响应于加热的呼叫，控制器将热水器10从其中热泵18和水泵26停用的非加热模式切换到热泵18和水泵26同时被控制器启动的加热模式。一旦水箱14中的水上升超过预定第一温度极限T设定(例如，125华氏度)，控制器将热水器10切换回非加热模式。
参照图7，更具体地，在框1000处，控制器逻辑利用顶部温度传感器178连续地监测水箱14的顶部62中的水的温度T顶部，并且用底部温度传感器182连续地监测水箱14的底部58中的水的温度T底部。如果底部温度传感器182检测到底部58中的水的温度T底部下降到第二温度极限之下，第二温度极限比第一温度极限T设定小了选定差值(例如，10华氏度)，则在框1010处，控制器将检查热泵18是否启动。如果热泵18未启动，则控制器将进入框1020并且生成加热的呼叫并启动热泵18。在框1020处，控制器也可同时启动水泵26。另选地，水泵26可与热泵18的启动关联，使得当热泵18被启动时，水泵26跟随，反之亦然。在一些实施方式中，如果由顶部温度传感器178监测的顶部62内的水的温度T顶部下降到预定温度极限之下，则可生成加热的呼叫。在其他实施方式中，可基于监测温度T顶部、顶部温度传感器178和底部温度传感器182或一个或更多个其他温度传感器的T底部的组合而生成加热的呼叫。
在启动热泵18之后或者如果热泵18已经启动，控制逻辑移向框1030：将水箱14的底部58中的水的温度T底部与第三温度极限XX比较。如果水箱14的底部58中的水的温度T底部低于第三温度极限XX，则控制逻辑移向框1040：启动底部电加热元件190；然后移向框1050：将水箱14的顶部62中的水的温度T顶部与第四温度极限XX1比较。如果水箱14的顶部62中的水的温度T顶部低于第四温度极限XX1，则控制逻辑移向框1060：停用底部电加热元件190并启动顶部电加热元件186。通常，第三温度极限XX和第四温度极限XX1小于第二温度极限，使得电加热元件186、190仅在水箱14内的水温显著降低时启动(例如，由于运行长时间的效能提取，直到热水显著耗尽)。
如果水箱14的底层58和顶部62内的温度T底部、T顶部中的任一者超过其相应的第三温度极限XX和第四温度极限XX1，则控制器然后移向框1070并且执行对蒸发器表面温度T蒸发器表面的检查，并且在框1070处执行对压缩器82的排放温度T排放的检查。如果蒸发器表面温度T蒸发器表面和排放温度T排放中的一者或两者在相应的预定极限之外(例如，如果蒸发器表面温度低于32华氏度，则该控制逻辑用于无自动除霜系统的热泵；然而，控制逻辑可包括附加逻辑以容纳具有自动除霜系统的热泵)，控制逻辑移向框1080，其中热泵18被停用并且控制逻辑返回至框1030以针对第三温度极限XX来监测水箱14的底部58内的水的温度T底部。然而，如果蒸发器表面温度T蒸发器表面和排放温度T排放两者在相应的预定极限内，则控制逻辑移向框1090，其中其检查底部58内的水的温度T底部现在是否超过第一温度极限T设定。如果是的话，则控制逻辑移向框1100，其中结束对于加热的呼叫并且控制器停用所有当前启动的部件(例如，热泵18、水泵26、顶部电加热元件186和/或底部电加热元件190)并且返回以经由温度传感器178、182来监测水箱14的顶部62和底部58的温度T顶部、T底部。另外，控制器返回至框1030并且将水箱14的底部58内的水的温度T底部与第三温度极限XX比较。在一些实施方式中，控制器可利用各种控制参数的变化率来控制热泵18或加热元件178、182的启动(例如，控制器可基于由底部温度传感器182在水箱14的底部58中测量的温度T底部的变化率来控制底部电加热元件190的启动)。在一些实施方式中，热泵18可包括智能控制装置，使得在用户不具有大量热水需求的时间段期间，热泵18可在减少的输入下操作以具有更长但更高的能量效率恢复。
图8至图9图示了根据本发明的箱式热泵热水器10a的第二实施方式。热水器10a的构造和操作基本类似于图1至图6所示的热水器10。因此，类似特征用相同的附图标记加上“a”来标识，仅差别在于下面描述详细的构造和操作。
水泵26a通过接管66a安装在水箱14a上，使得泵26a的推进器(未示出)的轴延伸到水箱14a的底部58a中，使得推进器位于热虹吸管22a的第一端118a内。经由轴来旋转推进器的泵26a的马达位于水箱14a外侧。热虹吸管22a的第一端118a定位在水箱14a的底部58a内侧并且与水箱14a的底部58a流体连通。泵26a的推进器直接从水箱14a的底部58a抽取水经由热虹吸管22a的第一端118a进入水流通道150a，而不必首先在水箱14a外侧抽取冷水。
在图8至图9的热水器10a的实施方式中，冷凝器90a的出口区段106a在接管66a上方穿过水箱14a的侧壁38a离开热水器10a(与经由热虹吸入口66相反，如图1至图6的实施方式所示)。压缩配件202设置在这样的地方，即冷凝器90a的出口区段106a离开水箱14a的侧壁38a以阻止在该连接处泄露。热虹吸管22a进一步包括第一入口区段206和第二入口区段210(代替图1至图2的水平入口区段126)，其从热虹吸管22a的第一端118a延伸到盘绕区段130a，并且经由第一联接件214流体连通。冷凝器90a并不延伸穿过第一入口区段206和第二入口区段210或热虹吸管22a的第一端118a。冷凝器90a离开热虹吸管22a的与第一联接件214相邻的盘绕区段130a(即，盘绕区段130a的入口)。这样允许泵26a的推进器定位在第一入口区段206内。热虹吸管22a被密封在冷凝器90a离开的部位周围，以阻止从水流通道150a泄露到水箱14a的底部58中。
图8至图9的热水器10a的热虹吸管22a进一步包括定位在水箱14a的底部58a内的止回阀218。止回阀218设置在第二联接件222中，其与热虹吸管22a的第一入口区段206和第二入口区段210连接并流体连通。止回阀218是常开阀，使得当水泵26a关闭时止回阀218处于打开位置以使水流通道150a与水箱14a的底部58a中的水连通。在正常操作下，当水泵26a开启时，被泵送经过水流通道150a的水和水箱14a内的水之间的压差导致止回阀218移向关闭位置，从而防止水在流过水流通道150a之前离开止回阀218。在打开位置，即使当水泵26a不工作时，由于在水流通道150a内被加热的水的自然热对流，止回阀218也允许水在操作热泵18a期间从水箱14a的底部58a流过水流通道150。更具体地，水流通道150a内的水由于来自冷凝器90a的热量而升温，由于自然对流导致的浮力，导致水流通道150a内的水开始向上经过水流通道150a朝向第二开口端158a流动。加热的水离开热虹吸管22a的竖直出口区段138a到达对应的容积，如上所述。随着加热的水上升并离开热虹吸管22a，相对较冷的水由于自然对流经由止回阀218被抽取到热虹吸管22a中。因此，即使当水泵26a不工作时，热虹吸管22a也执行热水回收。但是当水泵26a工作时，回收具有较高的效率。
在图8至图9图示的实施方式中，止回阀218更接近热虹吸管22a的位于水箱14a的底部58a内的第一端118a(在热虹吸管22a的盘绕区段130a之前)，使得水在自然对流下流过大部分水流通道150a。在一些实施方式中，止回阀218可定位在沿着热虹吸管22a的长度的任何位置。
根据本发明的热泵热水器可包括优于已知箱式热泵热水器的改进的加热效率。本发明将箱式热泵热水器的冷凝器定位在水箱14内部，用热虹吸管22包围冷凝器90，并且将水沿着冷凝器90泵送至水箱14的顶部62。在冷凝器90的盘绕区段110在水箱14内侧位于热虹吸管22的盘绕区段130内的情况下，水不必被加热通过水箱壁38。冷凝器90的盘绕区段110在水箱14内能完全浸入水流通道150内的水中，与外部冷凝器(必要地具有其潜在传热表面积背离水箱14的部分)比较，这本质上能完全利用冷凝器90的盘绕区段110和水流通道150内的待加热水之间的传热表面。另外，因为冷凝器90的盘绕区段110位于水箱14内侧，护套和水箱14之间的被冷凝器90占用的空间(针对外部冷凝器设计)能被附加泡沫隔离体占用以减少待机热损失。
HPWH通常在水箱的外侧设计有冷凝器以避免降低水箱的储存容积。针对具有外部冷凝器管套设计的传统HPWH，水箱内的水面仅在自然对流下流动，其具有低传热系数，使得水面成为实现更高效率的限制性因素。因此，在这样的HPWH中改进效率的唯一方法是增加冷凝器管长度以增加传热表面积，但这受限于总水箱外表面积，在沿着水箱14的顶部62传递热方面也不是非常有效。然而，本发明通过由泵26生成的受迫水流沿着冷凝器90穿过水流通道150而提高了冷凝器90的传热效率，使得冷凝器90能显著变短并且减少由冷凝器90排出的水的容积。本发明通过以下手段提高了传热效率：提供热虹吸管22以包围冷凝器90而将加热的水从水箱14的底部58(或冷水供应部)输送到顶部62。热虹吸管22允许水沿着冷凝器90流动，而冷凝器90在最终输送到水箱14的顶部62内的热水容积之前加热水。这样在顶部62中的水显著升温之前减少了对于加热底部58中的水的大容积的需要。这样还允许有效地操作热泵18而不管多少热水在水箱14内(例如，如果水箱14在热水效能提取之后充满冷水，或者如果水箱14的顶部62仍含有热水)。因此，冷凝器90能具有非常短的管长度(相比于外部管缠绕，或者无热虹吸管的内部管盘绕)。这样减少了制冷剂充注量(例如，从约750g到约250g)。这样还减少了在操作热泵18期间的压缩器82的平均排放压力，从而增加压缩器82的寿命。
与现有设计比较，该冷凝器和热虹吸管组件设计允许热泵18以较高效率操作更长回收时间。与现有的内部和外部冷凝器设计比较，该设计还可以切割冷凝器管长度并且使用较低成本材料。从而，该设计可以容易制造，并且由于材料使用和成本减少可能降低成本。本发明能用于具有更多盘绕匝的高效能HPWH；或具有较少盘绕匝的低成本HPWH。
从而，本发明尤其提供了一种HPWH，其具有内部冷凝器和包围冷凝器的同心热虹吸管以促进将加热的水传热和输送至储存水箱内的适当热水容积。本发明的各种特征和优点在随附权利要求书中阐述。

Claims (23)

1.一种热水器，该热水器包括：
水箱，用于储存待加热水；
热虹吸管，所述热虹吸管位于所述水箱中并且具有位于所述水箱的底部中的第一端以及位于所述水箱的顶部中的第二端；
热泵系统，所述热泵系统包括蒸发器、压缩器、膨胀装置和冷凝器管以移动制冷剂通过制冷剂循环，所述冷凝器管的至少一部分被所述热虹吸管包围以限定位于所述热虹吸管与所述冷凝器管之间的水流通道，所述水流通道具有位于所述热虹吸管的所述第一端处的第一端以及位于所述热虹吸管的所述第二端处的第二端，由于所述制冷剂循环，所述冷凝器管处于比所述水流通道中的水温升高的温度；以及
水泵，所述水泵被配置成使水流过所述水流通道以加热所述水流通道中的水并且经由所述热虹吸管将加热的水输送到所述水箱的所述顶部中。
2.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述热虹吸管限定了在所述水流通道和所述水箱的所述顶部之间连通的高开口和低开口，其中，所述高开口和低开口均使所述水流通道与所述水箱连通，所述低开口定位在所述高开口下方。
3.根据权利要求2所述的热水器，其中，所述热虹吸管限定了在所述水流通道和所述水箱的所述顶部之间连通的中间开口，所述中间开口定位在所述高开口与所述低开口之间。
4.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述水泵在所述水箱的所述底部与所述水流通道之间连通，以在所述水箱中的水温下降到设定点之下时将水提供给所述水流通道。
5.根据权利要求4所述的热水器，其中，所述水泵在将水泵送到所述水流通道中之前使水在所述水箱外侧流动。
6.根据权利要求4所述的热水器，其中，所述水泵的推进器延伸到所述水流通道内，以使水从所述水箱的所述底部流入所述水流通道中，而不是首先使水在所述水箱外侧流动。
7.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述热虹吸管包括定位在所述水箱的所述底部内的盘绕区段。
8.根据权利要求7所述的热水器，其中，所述热虹吸管包括直线区段，所述直线区段从所述盘绕区段向上延伸到位于所述水箱的所述顶部内的所述第二端。
9.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述热水器进一步包括延伸到所述水箱中的电加热元件。
10.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述热水器进一步包括止回阀，所述止回阀被配置成当所述水泵不工作时处于打开构造中，以使所述水箱的所述底部的水与所述水流通道连通。
11.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述制冷剂在与流过所述水流通道的水相反的方向上移动穿过所述冷凝器管。
12.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述水泵是可控的以改变经过所述水流通道的水的流速。
13.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述水流通道内的压力和所述水箱内的压力是基本相同的。
14.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述热虹吸管由薄壁塑料材料制成。
15.一种加热水的方法，该方法包括以下步骤：
提供用于储存待加热水的水箱、所述水箱中的热虹吸管以及所述水箱中的冷凝器管，所述热虹吸管具有位于所述水箱的底部中的第一端以及位于所述水箱的顶部中的第二端，所述冷凝器管的至少一部分被所述热虹吸管包围以限定位于所述热虹吸管与所述冷凝器管之间的水流通道，所述水流通道具有位于所述热虹吸管的所述第一端处的第一端以及位于所述热虹吸管的所述第二端处的第二端；
移动制冷剂通过制冷循环，包括移动制冷剂通过所述冷凝器管，由于制冷剂循环，所述冷凝器管处于比所述水流通道中的水温升高的温度；
使水流过所述水流通道；
经由所述冷凝器管的热交换将所述水流通道内的水加热；以及
将加热的水从所述水流通道经由所述热虹吸管输送到所述水箱的所述顶部中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，基于加热的水的温度将加热的水输送到所述水箱内的对应容积，所述容积是基于所述水箱内的水的热分层来分布的多个容积中的一个。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述热虹吸管限定多个开口，其中，每个开口对应于所述多个容积中的一个以使所述水流通道与所述容积中的每个容积连通，并且其中，加热的水经由所述开口中的对应一个开口进入所述容积。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，加热的水的温度等于或大于所述加热的水被输送到的所述容积内的水的温度。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：使水从所述水箱的所述底部流入所述水流通道中，以在所述水箱中的水温下降到设定点之下且未从所述水箱抽取水时将水提供给所述水流通道。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，使水流过所述水流通道的步骤包括：使水流过所述热虹吸管的位于所述水箱的所述底部内的盘绕区段。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，使水流过所述水流通道的步骤包括：使水流过所述热虹吸管的从所述盘绕区段朝向所述第二端延伸的直线区段。
22.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：如果所述水箱内的水温下降到设定点之下，则用电加热元件加热所述水箱内的水。
23.根据权利要求15所述的方法，其中，在与流过所述水流通道的水的相反方向上使所述制冷剂移动穿过所述冷凝器管。
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