CN111801534B - 混合热水器 - Google Patents

Abstract

一种热泵热水器，具有水箱、热源和热泵系统。该热泵系统具有制冷剂路径，所述制冷剂路径的至少一部分与水箱容积热连通，使得热量从制冷剂传递到水箱容积。风扇使空气流过壳体，并且制冷剂路径的另一部分包括位于壳体中的蒸发器。风扇在壳体内，而且可以进一步在第二壳体内。第一壳体可以包括导流板以引导空气流动。风扇可以是与控制器通信的变速风扇，使得控制器根据制冷剂的温度来控制风扇速度。

Description

混合热水器

背景技术

已经提出了各种设备和方法，用于借助于热泵补充施加到热水器水箱中的水的热量，该热泵从环境空气和热水器获取热量并且将所获取的热量经由换热器传送给水箱水。

例如，在图1A所示的现有技术系统中，热水器10包括水箱12，该水箱由金属(例如钢)、聚合物或陶瓷的箱壁形成，该箱壁中包封有一定量的水，并且该箱壁则被金属外部壳体18包封。水箱12从冷水入口14接收冷水并且从热水出口16排出热水。两个加热元件(未示出)固定在附接到并延伸穿过外部壳体18的线束(未示出)内并且延伸穿过并附接到水箱12的外表面。每个加热元件均附接到相应的线束并且延伸穿过水箱12的壁进入到水箱的内部容积中。电源在热水器的控制系统的控制作用下向每个加热元件提供电流，使得电流流经电阻元件，从而使电阻元件的温度升高，从而使电阻元件向水箱内部容积中的水贡献热量。该控制系统响应于附接到水箱12的外部或延伸穿过其的一个或多个温度传感器的输出来致动电阻加热元件(即，向它们提供电力)，所述温度传感器向控制系统提供指示水箱容积内的水温的信号。特别地，当水箱水温低时，控制系统致动加热元件，而当水箱水温达到预定的上设定点时，控制系统停用所述一个或多个加热元件。

来自入口14的冷水被附接到私人或公共水系统，所述私人或公共水系统在压力作用下将水提供给诸如热水器10的终端用户水系统。热水出口16被附接到住宅或商业建筑内的热水管道系统，所述热水管道系统将热水输送到水龙头、器具和其他设备，所述水龙头、器具和其他设备在致动相关阀时会抽取热水。当打开那些阀时，在热水出口16处引起低压，水箱12内的水压(由冷水入口14处的水源施加的压力维持所述水压)通过出口16排出热水。

制冷剂导管20引导制冷剂通过制冷剂路径，该制冷剂路径包括冷凝器盘管部分22、膨胀阀24、蒸发器盘管26和压缩机28。冷凝器盘管22包括制冷剂导管20的一部分，所述一部分在水箱外部壳体18的外罩内围绕水箱12的外部缠绕。在冷凝器盘管22之后，制冷剂导管20通向膨胀阀24。应该理解的是，膨胀阀在高压下接收流体输入，并且取决于阀内的设置，在更低压力下输出流体，从而允许进入阀的加压制冷剂使蒸发器26的盘管中的压力下降并且从液相改变为气相。还应该理解的是，压缩机28是泵，所述泵额外向流过制冷剂路径的制冷剂提供压力，从而保持制冷剂流过由该路径所限定的完全闭合的回路。

更具体地说，压缩机28向前泵送从蒸发器26接收的气态制冷剂，从而增加制冷剂的压力和温度并且使当前更热的制冷剂气体流经冷凝器盘管22。制冷机导管管线壁和水箱12的壁将热制冷剂与水箱12内的水分离开，所述制冷机导管管线壁和水箱12的壁二者都可以是金属的并且因此是相对导热的。因此，当制冷剂行进通过冷凝器盘管22的长度时，制冷剂通过这些壁将热量传递到内部水箱容积内的更冷的水。由此制冷剂用作补充电阻加热元件的热源。

当制冷剂流过冷凝器盘管22时，制冷剂从气相变为液相。然而，仍然在压缩机28提供的压力作用下，当前为液体的制冷剂从冷凝器22流向膨胀阀24，当所述液体制冷剂进入蒸发器盘管26时，膨胀阀使液体制冷剂压力下降。风扇30与压缩机28同时被致动并且所述风扇邻近壳体18中的孔设置，使得风扇将来自壳体18的上部部分内的容积34的输出空气流32推动穿过蒸发器盘管26，经过孔，排出到水箱周围的外部区域。外部壳体18在容积34的与风扇30和蒸发器26相邻的孔相对的侧上限定了第二组孔36，使得风扇30也将输入空气流38吸入到容积34中。因此，风扇30从热水器10外部将空气抽入容积34中，并且使空气穿过压缩机28，通过蒸发器盘管26，在空气流32处离开热水器10。特别是在热水器10设置在建筑物中的情况下，环境空气38处于相对温暖的温度，但是当空气流在压缩机运行期间流经压缩机28时，空气流进一步抽吸压缩机产生的热量。在蒸发器26中，当前压力较低的制冷剂从盘管26上的空气流抽吸热能并且转变为气相。从蒸发器盘管26排出的当前较热的气态制冷剂随后经由制冷剂管线20的吸入部分40返回到压缩机28，并且当前较冷的空气流32通过蒸发器风扇前面的壳体中的孔流出热水器壳体，然后重复该循环。

从以上关于图1A所示的水箱10的讨论中可以明显看出，冷凝器22形成换热器的一部分，所述换热器在导管管线20的制冷剂和储存在水箱12的内部容积中的水之间传递热量。在图1B所示的现有技术构造中，冷凝器22是与水箱12分离开的换热器的一部分。在这种布置中，水箱12、压缩机28、蒸发器26、风扇30、空气流和导管管线20如上文关于图1A所讨论地那样操作，不同之处在于，形成冷凝器盘管22的导管管线20的那部分不缠绕在水箱12的外部上之外。而是，盘管22容纳在中间腔室42中，该中间腔室布置在上部容积34和包封水箱12的下部容积之间。水管管线42从水箱12的内部容积延伸到换热器并且从换热器延伸，所述换热器中还布置有冷凝器盘管22。在管线42中设置有泵(未示出)，以将水箱水泵送到换热器中以及从换热器中泵出。盘管22的制冷剂管线和盘管42的水管管线在换热器中彼此相邻，使得流过盘管22的制冷剂向流过管线42穿过导管20和导管42的壁的水贡献热量。在其他方面，图1B所示的系统以与图1A所示的系统相同的方式运行。

由于离开壳体的空气流32已通过其流过蒸发器而被冷却，因此尝试将建筑物供暖、通风和空调(HVAC)系统的管道附接到热水器的出口处的扁平侧，从而获取冷却空气，以有助于建筑物的空气调节的空间。但是，由于管道会引入空气流阻力，这种做法会增加蒸发器风扇产生的空气流所觉察的流动阻力，从而增加不从热水器壳体流出并进入管道、而是径向地(相对于远离风扇的前向空气流方向)流动离开风扇且仍处于热水器壳体内的空气流的量。这转而会增加热水器上部腔室中的压力，从而降低上部腔室中的温度并降低风扇将温暖空气从热水器外部抽吸到空气流中的能力，进而降低热水器的效率。

特别地，已知在出口孔口外的热水器外部上附接凸缘，使得管道能够附接到该凸缘。这样的布置需要对改造装置的一部分作用以附接凸缘，并且改型构造会引入压降。当流体离开孔口进入横截面面积大于孔口的横截面面积的空间时(例如，沿着空气流动方向，横截面面积从孔口到空间的台阶式增加)，空气流流线和再循环流在紧邻孔口下游处扩散可能导致压降，这增加了流阻。在改造中，由于难以在孔口上密封管道，因此与孔(或多个孔)的横截面面积相比，管道系统尺寸过大，从而完全覆盖出口，进而形成具有这种压降的孔口。

其他换热布置也是可能的，例如在A.Hepbasli和Y.Kalinci，A Review of Heat Pump Water Heating Systems,Renew.Sustain.Energy Rev.(2008)中所讨论的那样。

如果侧立运输混合热水器，则混合热水器由于多种原因可能会遭受损坏。首先，众所周知的是，如果油通过其排出管从压缩机泄漏出并且没有沿着相反的方向返回到压缩机，则泄漏的油在某些情况下可能导致压缩机就由于缺乏润滑而故障。其次，压缩机通常会“浮动”在隔离垫上以便减轻振动并使噪音最小化。也就是说，压缩机通过非刚性联接器安装到水箱。因此，压缩机在悬挂成悬臂并从其安装座侧向延伸时可能会经受相当大的运动。这可能会在制冷剂导管管线的管道上造成应力，该管道通常是刚性的，并且进一步导致压缩机将撞击蒸发器盘管从而损坏蒸发器盘管或其换热器翅片并且降低性能的风险。

发明内容

根据本发明的一实施例，一种热泵热水器具有第一壳体和用于将水保持在第一壳体内的水箱，所述水箱具有限定容积的壁。相对于容积布置有热源，以将热量传送到水箱中的水。制冷剂导管限定了闭合的制冷剂路径的至少一部分。泵布置在水箱附近并且与流体导管流体连通，使得泵成为制冷剂路径的一部分并且在运行时泵将制冷剂泵送通过封闭的制冷剂路径。导管的第一部分与容积热连通，使得流过制冷剂路径的制冷剂将热量传递给容积中的水。风扇邻近水箱并且相对于导管的第二部分布置，使得风扇的运行使空气流移动穿过导管的第二部分。风扇布置在第二壳体内，使得从风扇输出的空气流被接收在第二壳体内，而没有流到第二壳体外部的第一壳体的内部。第二壳体具有突出部分，所述突出部分延伸通过第一壳体并且超过第一壳体进入第一壳体外部的区域中。

在另一个实施例中，一种热泵热水器具有：水箱，所述水箱具有限定容积的箱壁；和相对于该容积布置的热源，以将热量传送给水箱中的水。制冷剂导管限定了闭合的制冷剂路径的至少一部分。泵布置在水箱附近并且与流体导管流体连通，使得泵成为制冷剂路径的一部分并且在运行时泵将制冷剂泵送通过闭合的制冷剂路径。导管的一部分与容积热连通，使得流经制冷剂路径的制冷剂将热量传递给容积中的水。风扇邻近水箱并且相对于由导管限定的盘管布置，使得风扇的运行使空气流移动穿过盘管。温度传感器与导管热连通，从而检测导管中制冷剂的温度。控制器与温度传感器通信，使得控制器从温度传感器接收与制冷剂温度相对应的信号。控制器构造成响应制冷剂的温度来控制风扇的速度。

在另一个实施例中，一种热泵热水器具有：水箱，所述水箱具有限定容积的箱壁；和相对于该容积布置的热源，以将热量传送给水箱中的水。制冷剂导管限定了闭合的制冷剂路径的至少一部分。泵布置在水箱附近并且与流体导管流体连通，使得泵成为制冷剂路径的一部分，并且在运行时泵将制冷剂泵送通过闭合的制冷剂路径。导管的第一部分与容积热连通，使得流过第一部分中的制冷剂路径的制冷剂将热量传递给容积中的水。风扇邻近水箱并且相对于导管的第二部分布置，使得风扇的运行使空气流移动穿过第二部分。泵、第二部分和风扇在水箱附近布置在第一壳体中。第一壳体限定通向第一壳体周围的区域的开口，空气流过所述开口以形成空气流。第一壳体内的至少一个导流板在相对于空气流的导管的第二部分的上游布置在开口和导管的第二部分之间并且被形成为使得导流板将空气流朝向导管的第二部分并且远离第一壳体的内表面引导。

在又一个实施例中，一种热泵热水器具有：壳体；水箱，所述水箱用于将水保持在壳体内并且具有限定容积的箱壁；热源，所述热源相对于该容积布置以将热量传送到水箱中的水；制冷剂导管，所述制冷剂导管限定了闭合的制冷剂路径的至少一部分；和泵，所述泵布置在水箱附近并且与流体导管流体连通，使得所述泵成为所述制冷剂路径的一部分并且在运行时将制冷剂泵送通过闭合的制冷剂路径。导管的第一部分与容积热连通，使得流过制冷剂路径的制冷剂将热量传递给容积中的水。风扇邻近水箱相对于导管的第二部分布置，使得风扇的运行使空气流移动穿过导管的第二部分。制冷剂导管限定第三部分，所述第三部分与泵的内部容积流体连通并且从泵延伸到制冷剂路径中的至少一个预定位置。在壳体、水箱和泵的直立位置中，第三部分在所述至少一个预定位置和泵之间的第三部分的整个长度上从所述至少一个预定位置向下倾斜到泵。在壳体、水箱和泵的横向于直立位置的至少一个水平位置中，所述至少一个预定位置高于泵和第三部分之间的流体连接部。

在设计热泵热水器的方法的实施例中，该热泵热水器具有：第一壳体；水箱，所述水箱用于将水保持在壳体内并且具有限定容积的箱壁；热源，所述热源相对于该容积布置，以将热量传送到水箱中的水；制冷剂导管，所述制冷剂导管限定了闭合制冷剂路径的至少一部分；泵，所述泵布置在水箱附近并且与流体导管流体连通，使得该泵成为制冷剂路径的一部分并且在运行时将制冷剂泵送通过闭合的制冷剂路径，其中，导管的第一部分与该容积热连通，使得流过制冷剂路径的制冷剂将热量传递给该容积中的水，并且其中，风扇邻近水箱并且相对于导管的第二部分布置，使得风扇的运行使空气流移动穿过导管的第二部分，限定用于在泵和风扇运行期间将热量从空气流贡献给流经闭合的制冷剂路径的制冷剂的最小热容量。限定在风扇运行期间通过第二部分的最小空气流速。限定在风扇运行期间风扇产生的最大噪音水平。基于壳体内部件的部署，估算由空气流引起的静态损失。基于壳体内部件的部署和所估算的静态损失，选择风扇，使之具有至少提供最小空气流速的能力，同时产生的噪音不大于最大噪音水平。基于所选择的风扇的能力，选择第二部分的构造，使得第二部分具有的表面积和空气流阻力使空气流的流速保持等于或大于最小空气流速并且致使热容量等于或大于最小热容量。

结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的一个或多个实施例。

附图说明

参照以下附图可以更好地理解本发明的各个方面。附图中的部件不必按比例绘制。在参照附图的说明书中阐述了本发明的能够实现的公开内容，包括其最佳模式，其中：

图1A是现有技术的热泵热水器系统的示意图；

图1B是现有技术的热泵热水器系统的示意图；

图2是本发明实施例的热泵热水器系统的示意图；

图3是图2中的热泵热水器系统的局部俯视图；

图4是根据本发明实施例的热泵热水器的示意图；

图5是图2的热泵热水器的第二壳体的局部示意图；和

图6是用于控制图2-5的热泵热水器的控制系统的示意图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。每个示例都是通过解释而非限制的方式提供。实际上，对于本领域技术人员而言显然的是，可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下对这样的示例进行修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一实施例以产生又一实施例。因此，意图是本发明覆盖落入所附权利要求及其等同的范围内的这些修改和变型。

如本文中所用，指代有关热水器的取向的方向或位置的术语，诸如但不限于“竖直”、“水平”、“上”、“下”、“上方”或“下方”是指有关热水器在预期正常运行状态中的取向的方向和相对位置，如图2所示。因此，例如，术语“竖直”和“上”是指在图2的观察角度中的竖直取向和相对上部位置，并且应该在该上下文中理解，即使是针对可以以不同取向布置的热水器。

此外，在本申请和所附权利要求书中使用的术语“或”旨在表示包含性“或”而不是排他性“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中清楚，否则短语“X采用A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，以下任何一种情况都满足短语“X采用A或B”：X采用A；X采用B；或者X采用A和B。另外，除非另有说明或从上下文中清楚地指向单数形式，否则本申请和所附权利要求书中使用的冠词“a”和“an”通常应解释为表示“一个或多个”。贯穿说明书和权利要求书中，除非上下文另外指出，否则以下术语至少具有本文明确关联的含义。下面标识的含义不一定限制术语，而仅仅是提供术语的说明性示例。“a”和“an”以及“该”的含义可以包括复数引述，并且“在......中”的含义可以包括“在......中”和“在......上”。尽管在本文中使用的短语“在一个实施例中”可以指代同一实施例，但不一定是这样。

现在参照图2和图3，热水器50包括由外部壳体54包封的竖直取向的大体上圆柱形的水箱主体52。主体52由穹顶式顶壁部分或头部部分55、圆柱形侧壁部分56和底壁部分58限定。主体侧壁56、顶壁55和底壁58通常限定内部容积60，用于在其中存储水。侧壁56、顶壁55和底壁或底板58可以由对于热水器的构造而言常见的材料形成，例如具有玻璃或陶瓷内表面的碳钢外壁层或未涂覆的不锈钢。

外部壳体54也由合适的金属制成，例如碳钢。外部壳体完全包围水箱主体52并且由主圆柱形部分62、上圆柱形裙部部分66和封闭盘状顶部部分68构成。外部壳体54还包括盘状内部隔架72，所述盘状内部隔架坐置于外部壳体的中心主体部段62的顶部上并且提供用于热水器50的热泵系统的某些部件的平台，如下所述。隔架72由此将包封热水器主体52的外部壳体54的内部下部容积与包封外部壳体54的上部容积74的第一壳体分开，所述上部容积包封这样的热泵部件并且进一步限定了空气流通道。

冷水入口管51在圆柱形部分62处延伸穿过热水器外部壳体的侧部，穿过侧壁56，并且在靠近容积60的底部的位置处延伸到内部水箱容积60中。管51附接到配件(未示出)，所述配件将管51连接到冷水源，例如连接至市政供水管线的建筑物冷水管。热水出口管53在靠近水箱容积60的顶部的位置处从内部水箱容积60延伸穿过侧壁56和主圆柱形部分62。热水管53的外端部附接到建筑物热水管线(未示出)，所述建筑物热水管线进而通往传导或使用热水的建筑物内的器具、水龙头或其他装置的阀。与热水出口管53相比，冷水入口管51在水箱内部中更下方进入容积60。应当理解，较温的水比较冷的水密度低，因此倾向于上升到水箱内部容积的上部部分。因此，水箱上相对较高的出口53比放置得较低的情况抽取较热的水一较长的时间段，而入口51位于较低位置防止冷水入口不期望地在水箱顶部处冷却温水。然而，应当理解的是，可以实施其他入口和出口构造，例如具有汲取管的顶部入口。参照图2的实施例，当从水箱52中抽取热水时，冷水置换热水，但是出水口的上部位置使高于阈值温度(例如120℉)的水量最大化，该水量可以在给定的时间内(例如，一小时)从水箱连续抽取。

一对竖直间隔开的顶部和底部电阻加热组件150和152穿过箱壁52向内延伸到内部容积60中。这两个电阻加热元件在其端部处具有相应的电气配件(未示出)，所述电气配件布置在水箱52和外部壳体54之间的相应壳体(未示出)中，该相应壳体在水箱和外部壳体之间延伸并且保护电气配件，例如保护电气配件免于泡沫绝缘，所述泡沫绝缘可安装在水箱52与外部壳体54之间的间隙中。加热元件壳体包括相应的覆盖物(未示出)或与相应的覆盖物(未示出)协作，这些覆盖物覆盖外部壳体54中的孔，所述孔用以允许访问电气配件。电源通过电气配件和相应的继电器向加热元件提供电流，所述电气配件和相应的继电器由热水器控制板(未示出)处的控制器控制，该控制器与容纳在电气配件中或者以其他方式布置通过水箱52的壁或布置在水箱的壁上的相应温度传感器进行通信。

在热水器50的典型运行期间，来自加压市政水源的冷水流入热水器内部容积60中，在热水器内部容积中水被电阻加热元件150和152加热并存储以备以后使用。当其内安装了热水器50并且热水器50通过热水出口53连接到其的建筑物或其他设施内的卫生洁具(未示出)被致动以允许热水经由热水出口管53从水箱流出时，如本领域中应当理解的那样，存储在热水器50的内部容积60内的热水向外流经热水出口管53通过热水供应管道(未示出)抵达卫生洁具。通过热水出口管53向外排出的热水在容积60内产生了该容积60相应地由通过入口51的加压冷水填充的能力。这降低了水箱中的水温，水箱中的水又被电阻加热组件150和152加热。控制板控制器基于从相应加热元件附近的箱壁处或箱壁上的温度传感器中的一个或多个接收到的信号来监测水箱中的水温，使得来自温度传感器的信号对应于水箱中加热元件附近的水温，并且当控制器检测到水温低于预定低阈值(或低设定点)时致动加热元件150和/或152(通过致动相应的继电器，从而将电源连接到加热元件)，并且保持加热元件处于致动状态，直到处理器检测到水温高于预定高阈值(或高阈值)为止，其中，如应当理解的那样，高设定点大于低设定点。一旦控制器检测到给定加热元件周围的水温已加热到等于或高于高设定点的点，控制器便会停用流向该加热元件的电流(通过停用对应的继电器)并且将加热元件保持在其非作用状态，直到加热元件的温度传感器再次报告温度等于或低于低设定点，然后重复该循环。

布置在容积74内的热泵的部件包括压缩机122、膨胀阀11、蒸发器120以及风扇124/风扇马达134。由制冷剂管线108构成的冷凝器盘管从容积108向下延伸到水箱隔室中。在该示例中，制冷剂管线108由铝导管管线制成，所述铝导管管线从压缩机122向下延伸穿过中间搁架72，以紧密缠绕在水箱52的侧主体56的至少一部分上，从而形成盘管/冷凝器116。在一个或多个实施例中，制冷剂管线的表面可形成有平坦的表面，使得管线具有大体“D”形的横截面，使得大体上平坦的管线表面基本上符合侧主体56的表面，与管线具有大体圆形横截面的情况相比，所述表面具有更大的表面积，不过应当理解的是，管线横截面可以是大体圆形的或者可以限定其他构造。从盘管116开始，制冷剂管线108在蒸发器盘管120上游继续至膨胀阀118，其构造应被理解并且可以变化。在一个示例中，蒸发器是一段盘绕管道，其中翅片附接到管道上，以将从在翅片上流动的温空气获得的热量散发到盘管。然而，在任何构造中，通过蒸发器的制冷剂路径可以被认为是制冷剂管线108的一部分。在一个实施例中，制冷剂管线的从盘管116回流的回流管线部分在该盘管和水箱52的外侧之间延伸，但是它也可能在盘管之外延伸。制冷剂管线108从蒸发器120继续到热泵系统的压缩机122。

风扇124布置在蒸发器盘管120和壳体壁中的开口、例如出口孔126之间的容积74中，使得风扇124引起空气流过蒸发器盘管120。风扇124是变速风扇，其运行由控制器控制以响应于引发更高或更低的压力以及对应的更高或更低的空气流速的需要而在两个交替的(更高或更低)速度之间改变风扇的速度，如下文更详细地公开的那样。风扇124也布置在第二壳体125内，该第二壳体完全包封风扇124和开口126，除了分别在图2中在风扇124的左边和开口126的右边指示的开放输入端和输出端。如图所示，第二壳体125的向内部分布置在上部容积74内，而其余部分从开口126延伸到外部壳体54之外。由于风扇124布置在第二壳体125内，因此第二壳体125从左开口向内(以图2的观察角度)将由风扇124引起的全部或基本上全部空气流引向出口126。在没有第二壳体125的情况下，风扇124将推动由运动的风扇叶片产生的空气流的一部分通过出口126，但是空气流的其余部分将从风扇通过出口126的流动方向径向地在上部容积74内扩散，从而在上部容积74内再循环回来。换句话说，在没有第二壳体125的情况下，由风扇124引起的空气流的一部分循环回上部容积74内而不是离开出口126。因此，在不包括第二壳体125的实施例中，具有与第二壳体125内的风扇相同的能力的风扇必须以高于该壳体包封的风扇速度的速度运行，才能迫使相等的质量流速的空气流过容积74，从而导致比风扇以较低速度运行时更大的风扇噪音。在所示的实施例中，风扇的输出空气流被完全接收在第二壳体内。第二壳体125的一部分具有截头圆锥形的渐缩部，该渐缩部的横截面面积在空气流的方向上减小，以便容纳风扇叶片直径大于出口孔126的直径或其他宽度的风扇。如应当理解的那样，与直径立即改变90°的情况相比，截头圆锥形的渐缩部通过更加逐渐地减小气流的横截面面积而进一步最小化风扇和出口之间的压降。

虽然在所示实施例中蒸发器盘管布置在风扇124的上游(相对于由风扇125产生的空气流)并且位于由第二壳体125限定的外罩的外部，但是在另一个实施例中，沿着空气流动方向保持在风扇的上游的蒸发器盘管也被布置在第二壳体的外罩内，使得蒸发器盘管和风扇二者都布置在第二壳体内。在又一个实施例中，风扇和蒸发器盘管位于第二壳体的外罩内，但是它们在第二壳体中的位置是颠倒的，使得风扇在蒸发器盘管的上游(相对于空气流方向)。因此，在风扇位于蒸发器盘管的下游或上游的构造中，风扇和蒸发器盘管可同时布置在第二壳体内。

第二壳体125突出穿过上部裙部部分66，使得圆柱形突出部分130从外部壳体54延伸。突出部分130离开上部裙部部分66延伸的距离足以附接建筑物HVAC系统的管道135。将管道附接到混合热水器可能由于各种原因是有利的。例如，如果将热水器放置在较小的房间中，则热水器的热泵产生的冷输出空气可能足以将室温降低到混合热水器的效率受损的点。因此，将冷输出空气从房间引导出去可以提高系统效率，不过由管道产生的空气流阻力增加。另外，导管可以将离开热水器的冷却空气引导到远离热水器房间的特定位置，在该位置可能存在过多的热量，或者在该位置处可能以其他方式期望较低的温度，例如厨房或计算机系统服务器机房。突出端部130由于其提供与管道的内径大体相符的表面而有利于管道的附接。突出部分的外径的尺寸例如设定为使得八英寸的管道装配在突出部分130的外部上。在一些实施例中，在使用八英寸管道的情况下，突出部分的外径为7.75英寸，从而提供四分之一英寸的间隙。尽管这里引用了圆形横截面的管道，但是应该理解的是，这仅仅是出于示例的目的。突出部分130的横截面可以是多边形的，例如正方形或矩形，以与管道135的对应形状的内表面相符。管道135可以沿远离该单元的方向笔直地延伸(沿图2所示的箭头方向)，或者可以弯曲以将空气沿着期望方向引导，例如通过方向可调喷嘴。管道可以附接到突出部分并用管道带、螺钉、金属板螺钉、管道密封剂、软管夹137或其他已知的管道系统附接方法密封。

在设置出口以与来自内部容积74的管道配合时(该管道的突出表面具有与出口直径相同的内径)，出口可以形成为使得其直径或横截面面积可以近似等于管道的内径或横截面面积，其中出口126的直径与管道的内径相差为大约第二壳体125的壁厚或根本不相差(图2所示的第二壳体125的外径与管道内径之间的间隙仅出于说明的目的而提供，在实际实施例中该间隙不存在)。因此，尺寸与壳体开口126的横截面面积和第二壳体125的外径相称的管道135附接到突出出口。因此，空气流的量在管道与热水器/第二壳体之间的连接处的流动路径中不会经历突然的不连续性，因此在通过出口时不会显著向外膨胀(使得流线不会扩散)。由于空气流与明显的孔口压降没有关联，因此风扇的运行速度低于在管道附接在大于出口直径的直径周围并且因此被迫克服由此造成的更大的孔口压降的情况下风扇将需要运行以达到相同的质量流速的速度。

还参照图3和图5，附接到热水器壳体外部的第二壳体125的端部处或端部内的开口的线材格栅127防止不希望的物体进入出口孔126，同时最小化空气阻力(与例如代替一个出口孔位于上部裙部部分66中的筛网或多个小孔相比)并因此最小化出口上的压降。线材格栅包括线材“X”框架，所述线材“X”框架提供大体上平坦的表面，同心的圆形线材环焊接在该表面上。线材“X”框架的远端弯曲成具有垂直于线材“X”框架的平坦表面并朝向容积74内部向内延伸的环。环具有大致椭圆形的形状，所述大致椭圆形形状具有较小的内部尺寸，所述较小的内部尺寸的大小设计成容纳且保持3/16英寸盲铆钉。线材格栅127的环在第二壳体125内部延伸并且相对于彼此定位，使得相对的环的外部边缘(在同心线材线圈的径向方向上)间隔开突出端部130的内径的距离。这样，线材框架100靠在突出端部130的内表面上。线材格栅127通过铆钉附接到第二壳体，所述铆钉穿过突出部分130并且穿过线材框架中的线材环，使得铆钉的头部与突出部分130的外表面大致齐平。以这种方式，具有低轮廓的铆钉使得管道能够在突出部分130的外部和铆钉的齐平头部上滑动，使得可以容易地附接管道。

如图2所示，风扇124通过水箱外部壳体54的顶部部分68中的入口开口128将空气抽吸到容积74中。通过将开口128布置穿过顶部部分68(与水箱的侧表面相对)，向上引导压缩机噪音，从而使指向热水器50附近的人员的噪音水平最小化。类似于出口开口126，与线材格栅127相同的线材格栅129覆盖附接到面向外(远离容积74)的凸缘的入口开口128，所述凸缘在入口开口128周围附接到顶部部分68。线材格栅129的环延伸到面向外的凸缘中，并且线材格栅129以类似于上述线材格栅127的方式铆接在适当的位置。

实施为台阶状泡沫部段(但在其它实施例中包括连续过渡表面)的泡沫引导件134将风扇/压缩机噪音以及来自入口128的空气流二者朝向蒸发器盘管120引导。与不存在泡沫引导件134的构造相比，泡沫引导件134通过引导空气流来减小从开口128到蒸发器盘管120的压降。在一实施例中，泡沫引导件134由开孔泡沫片堆叠构成，所述开孔泡沫片堆叠具有大体上半圆柱形的切口，该切口的直径在远离开口128的向下方向上逐渐减小。(在图2中，导流板134示出为横截面，因此显示为从左到右的下降台阶；在图3中，导流板134表示为同心半圆。)所述堆叠产生台阶状(或梯形)截头圆锥形轮廓，该台阶状截头圆锥形轮廓将来自入口的空气引导到蒸发器盘管。在没有泡沫引导件134的情况下，空气流在容积74的相对较深且刚性的边界(例如，上部裙部部分66和搁架72的直角相交部)中经受突然改变。这些突然的方向改变会产生涡流(产生反向流的涡旋流)，涡流阻碍空气流流过容积74。在容积74内包括泡沫引导件/导流板134的情况下，流不会影响边界的突然改变，并且不会产生大量的涡流。而是，导流板134的小的递增式台阶产生更少且更小的涡流，使得较小程度地限制流，从而与在不存在导流板134时需要风扇维持相同的空气流速的情况相比，要求风扇124产生更低的静态压力。在另一实施例中，台阶状泡沫引导件134可替代地被实施为连续件并且可被实施为其他形状，所述其他形状包括连续的(非台阶状的)截头圆锥形轮廓或大致近似抛物面的截面的表面的勺状。在又一实施例中，台阶状泡沫引导件134可以被一个或多个具有各种轮廓的附加导流板代替或补充，所述附加导流板被设计成用于实现相同的导流目的，例如一个或多个金属转向叶片。

一对侧导流板132将空气从蒸发器120引向第二壳体125和风扇124。在没有导流板132的实施例中，未经引导的流将循环到容积74的进一步的范围内，从而引起将产生背压的涡流，由此与具有导流板132的实施例相比需要更高的风扇速度和更高的静压来产生相同的空气流速。导流板132减少了突然的空气流改变并且最小化通过容积74的空气流中的压降，从而最小化风扇速度且优化风扇效率和噪音水平。

为了使噪音进一步最小化，风扇124布置在上部容积74内的第二壳体125的开口端处并且远离出口126，使得风扇不与出口相邻。在给定的实施例中，风扇124(和第二壳体125的入口)与出口126之间的间距平衡了由该间距引起的噪音减小和风扇相对于蒸发器盘管120的布置所产生的效率降低。由于蒸发器的横截面面积大于风扇的横截面面积(垂直于空气流方向考虑)，因此当移动风扇124更靠近蒸发器120时，较少量空气被抽吸通过蒸发器盘管120的外(例如，径向外部，横向于空气流方向)边缘。应当理解的是，空气流线在壳体125的入口处会聚，因此将蒸发器布置成更靠近第二壳体入口，从而更靠近蒸发器盘管，这导致穿过蒸发器中心的流线的密度高于蒸发器布置成更远离第二壳体入口的情况。因此，将风扇布置成更靠近蒸发器可能导致蒸发器的部分被较少利用，从而降低盘管120的效率，并且可能需要更高的风扇速度来补偿较低的效率。此外，风扇124相对于蒸发器120布置得越靠近，导流板132就必须倾斜得越大(例如，导流板132的平面进一步平行于壳体125的开口的平面接近)，以便将空气引导到壳体125中，从而造成比更平缓的倾斜更大的压降。因此，在给定实施例中风扇124和蒸发器盘管120之间可能存在最佳间距，从而一方面，最小化由于风扇124和出口126之间的间距而引起的经由出口126贡献给热水器50周围环境的噪音，另一方面，通过以蒸发器盘管120和风扇之间的间距所允许的较低或最小速度运行风扇来最小化风扇噪音。此外，由此，盘管120的效率增加，并且风扇速度降低，压缩机和风扇所消耗的功率减少。此外，驱动风扇124的马达134在壳体125内部安装在风扇125的叶片与出口126或第二壳体125的出口之间，以便允许风扇124的叶片和出口126或第二壳体125的出口之间的最大距离(在第二壳体125内部)，这是因为风扇叶片引起大部分风扇噪音。在某些示例实施例中，风扇124与蒸发器120(沿空气流方向)间隔开六英寸或大约六英寸或更大。

鉴于本公开应理解的是，本文所述的系统的运行可以通过可用和已知的热传递模拟系统和方法来进行模拟，利用风扇/蒸发器间距(以及在这些或下文所述的其他实施例中的风扇和蒸发器尺寸)作为变量，以获得导致可接受的效率范围的间距的初始范围(在某些实施例中，获得风扇尺寸和蒸发器尺寸的范围)。在那些参数内，系统设计者可以针对效率、噪音水平以及容纳在上部容积74内的能力测试特定的系统构造，从而根据需要选择平衡这些约束的构造。

如上所述，第二壳体125在风扇124和第二壳体的空气流出口之间的空气流中引入静压损失。为了至少部分地抵消这种损失，蒸发器盘管120的尺寸从与风扇124结合以实现期望的空调能力所需的初始尺寸开始增加。应当理解的是，对于给定的空气流速，与流过蒸发器盘管的空气流相关的静压损失与蒸发器盘管的横截面面积(在垂直于行进通过蒸发器盘管的空气流方向的平面中的蒸发器盘管面积)和蒸发器盘管深度(沿着空气流行进方向的蒸发器盘管长度)的比率成反比。即，当蒸发器盘管更宽且更浅时，静压损失减小，而当蒸发器盘管更小且较深时，静压损失增加。还应该理解，空调单元的能力可以根据在给定时间段内能够从已调节空间排出的热量来描述，例如以Btus或吨为单位。在给定期望的空调能力的情况下，可以相对于彼此选择盘管120和风扇124以实现期望的能力。在给定该选择的情况下，为了抵消由第二壳体引起的静压损失，增加针对盘管120的尺寸选择。由于所期望的空调能力保持不变，因此增加的盘管尺寸允许减小风扇的尺寸，而同时维持该能力，从而导致与第二壳体相关的静压损失较小并且风扇噪音较小。因此，选择更大的盘管以抵消由风扇产生的空气流的压力损失导致利用更小风扇的能力，因此导致更低的空气流速和更低的相关损失。因此，给定实施例的特定关系可以通过试验和测试来确定，直到获得可接受的一组部件。

例如，系统设计者最初可以确定热泵系统的最小期望能力(例如以BTU/hr表示)或者通过蒸发器从穿过容积74的空气流移除的以及贡献给流经管线108的制冷剂(少量损失)的热量。设计者还确定在风扇124运行时通过容积74的最小期望的空气流速，例如，以每分钟立方英尺(CFM)为单位。可以基于管道135的期望长度来确定流速，这是因为空气流的静损失与管道长度成正比变化。应当理解的是，可以使用已知的模型和表格，基于系统的几何形状来估算空气流系统的静压。例如，在一实施例中，期望该系统能够与长达约125英尺的管道135一起使用，其中，管道的横截面直径为八英寸。已经发现，在这样的条件下，通过容积74的空气流速介于约135CFM至约165CFM之间，并且在某些实施例中为约150CFM，这提供了足够低的静态损失以维持期望的整体系统效率。

在假定运行条件(例如空气温度)下确定了所期望的空气流速以及与该流速相关的静态损失后，设计人员在给定估算的静态压力条件下选择风扇构造、尺寸(例如，以圆形风扇的叶片外径进行描述)和运行速度范围组合，所述运行速度范围组合至少足以提供所期望的空气流速。应当理解的是，风扇的结构构造(例如风扇叶片的构造)、产生空气流的风扇部分的尺寸大小以及该风扇部分运行的速度决定了给定静压下风扇产生的空气流速。由于上面的设计过程提供了期望的空气流速和估算的静态压力，因此设计人员可以在这三个变量中进行选择，以限定总体风扇构造和速度，该风扇构造和速度在估算的静态压力下至少产生所期望的空气流速。在一些实施例中，可以在选择风扇构造和速度时限定最大期望风扇噪音水平并将其用作设计标准。例如，可以选择风扇构造，使之导致的噪音水平等于或低于风扇以其在系统运行期间系统控制器允许的最大速率运行时的最大噪音水平，或者处于用以产生等于或大于最小期望空气流速的空气流速的水平，所述噪音水平例如在用户可能会站立的位置处在热水器壳体外部的位置处进行测量。应当理解，风扇噪音与风扇尺寸和速度中的每一个成正比变化。因为如上所期望的空气流速相对较低，所以可以限定风扇构造，使之平衡尺寸和速度，以产生相对较低的噪音水平。因此，尽管在某些实施例中风扇构造可以导致等于或近似于如上所述的最小期望空气流速的空气流速，但是在某些实施例中，选择风扇构造以导致大于原始期望空气流速的空气流速。在某些这样的实施例中，选择风扇构造，使得空气流速介于原始期望空气流速的约10％或约15％之内，从而平衡风扇尺寸和风扇速度以实现最小噪音水平(基于以上所述约束)或低于期望阈值的噪音水平。

在限定了风扇构造和期望空气流速后，在估算的静态压力条件下，设计人员限定了蒸发器构造以满足这些标准。应当理解的是，就空气流速而言，蒸发器能力可以是蒸发器的构造和尺寸的函数。例如，在某些实施例中，蒸发器可以包括多个盘管，例如两个盘管，每个盘管均是制冷剂管，所述制冷剂管大体水平(相对于其中心轴线考虑)地延伸穿过蒸发器宽度，当盘管垂直延伸穿过蒸发器的高度时它会重复折回，使得盘管以垂直于空气流通过蒸发器的方向延伸的大体平面容积基本上覆盖蒸发器的横截面。第二盘管布置成邻近第一盘管并且紧邻第一盘管之后。输入歧管将进入制冷剂管线连接到两个盘管的输入部，从而在它们之间分流制冷剂流，输出歧管将盘管输出部与流出制冷剂管线相连，从而使两个制冷剂流重新会合。当多个翅片从蒸发器的底部延伸至其顶部时，多个翅片竖直地延伸穿过蒸发器的高度并被管中断，翅片连接至所述管并且翅片绕过这些管。在翅片之间限定有间隙，使得当空气从前向后通过蒸发器时，空气流在翅片之间(以及在盘管部段之间)通过。盘管和翅片提供了蒸发器表面区域，流动的空气将热量传递到该蒸发器表面区域，其中翅片通过其与盘管互连向盘管贡献热量，由此盘管壁又向流过盘管的制冷剂贡献热量。一般而言，热容量与盘管和翅片的表面积成正比变化，因此可以通过适当地控制蒸发器表面积来增大或减小该热容量。增加蒸发器的表面积而不增加蒸发器的总横截面面积，例如通过增加翅片的密度(例如，以每英寸蒸发器上的翅片的形式表示)和/或盘管的密度可以将静压增加到风扇构造(如上所述)不再满足空气流速要求的程度。即使在维持翅片密度的情况下通过增加翅片和/或盘管深度(沿空气流方向)来增加蒸发器表面积也会具有相同的效果，因为这种设计变化会增加通过蒸发器的空气流阻力。因此，在某些实施例中，增加了蒸发器的横截面面积，同时维持蒸发器表面上的翅片密度并维持了沿空气流方向的翅片深度。尽管表面积的增大增加了空气流阻力(相反，减小了空气流的量)，但该增加小于在翅片密度和/或翅片深度增加到足以提供等同的量增加时的增加。因此，蒸发器设计将翅片深度和密度控制在足以将系统静压维持在一定水平的水平，以使所选择的风扇构造和速度保持期望的空气流速并且控制蒸发器的横截面面积，使得空调系统达到至少期望的热容量。

因为如上所述，由于由如相对于较低空气流速允许的作为设计标准的低风扇噪音，风扇构造成偏向较小的风扇尺寸以利于相对较长的管道，所以利用蒸发器表面积来实现期望的热容量往往会导致蒸发器的表面积大于与风扇尺寸结合的预期表面积。但是，如果容积74可以容纳如此大小的蒸发器，则蒸发器/风扇的组合将使空调系统实现所期望的热容量，同时将风扇维持在期望的噪音水平内。如果由于最初的设计通过而导致容积74无法容纳蒸发器，则可以递增地(incrementally)增加风扇尺寸，或者增加蒸发器深度和/或翅片密度，并且重复进行蒸发器设计，以产生对应的更小的蒸发器面积。重复该过程，直到实现可以容纳在容积74中的蒸发器设计为止。

当风扇124被致动时，风扇从热水器外部的区域通过入口开口128将周围的空气流抽吸到容积74中。空气流过压缩机122，从而从压缩机获取额外的热量，然后通过风扇124到达蒸发器120的盘管并围绕该盘管，并从出口126流出，如132所示。

热泵系统的压缩机122(即泵)从压缩机向前泵送气态制冷剂，例如氢氟碳化合物制冷剂，例如R-410A、R-407C、R-134A或其他合适的制冷剂，从而增加制冷剂的压力和温度并使当前更热的制冷剂气体流过冷凝器盘管116。如上所述，盘管116的制冷剂导管直接抵接水箱主体52的外表面，使得水箱容积60内的水和流过制冷剂导管的制冷剂仅由水箱52和导管108的壁分开。分别由钢和铝制成的水箱52和导管108的壁是良好的热导体。因此，流过盘管116的制冷剂经由水箱和制冷剂导管的壁将热量贡献给水箱52内的水。

当制冷剂流过冷凝器盘管116时，所述制冷剂冷凝成液相。仍处于压缩机122提供的压力下，当前为液体的制冷剂从冷凝器116的输出部流向膨胀阀118。膨胀阀在液体制冷剂进入蒸发器盘管120时降低其压力。在蒸发器内，制冷剂转变为气相，从流过蒸发器盘管的空气中吸收热能，热量由热水器50周围的环境并且由压缩机122提供。如132所示，从流过蒸发器的空气移除热量会冷却从系统输出的空气，并且在某些实施例中，冷空气可以被捕获并通过附接到第二壳体125的管道引导至热水器50所在的建筑物内使用的空调系统，如上所述。从蒸发器120排出的当前较热的气态制冷剂随后经由在蒸发器120和压缩机122之间延伸的制冷剂导管管线108的吸入管线返回到压缩机122，并且重复该循环。

电子控制系统(在图6中部分显示并且存在于图2和图3的系统中)控制热泵热水器的各种功能并且操作其各种受控部件。该控制系统包括可编程逻辑控制器(PLC)、处理器或其他计算机260，所述可编程逻辑控制器、处理器或其他计算机用作热泵热水器50的通用系统控制器。例如被容纳在位于外部壳体54内的隔室内(图2)的控制器与在此描述的可控部件和传感器通信并且控制它们的致动和操作(通过合适的有线或无线电连接、继电器、电源和/或其他机电连接，如本领域应当理解的那样)，所述可控部件和传感器包括但不限于压缩机、风扇、水泵(如果有)、水温传感器、电加热元件以及所有其他电控阀、继电器和部件。这样，控制系统与包括压缩机的热水器50的操作部件通信并对其进行控制，从而控制制冷剂流量。对控制系统与热水器50的部件中的每个之间的连接的引述涵盖这种通信和控制。这种通信还可以涵盖控制系统和温度传感器276之间的通信，该温度传感器测量容积74(图2)内的空气温度。因为空气被从热水器50周围的区域抽吸到容积74中，所以来自传感器276的信号向控制系统提供与热水器50周围的环境温度相对应的信息。

从本公开中将理解，归属于控制系统的功能可以由程序的计算机可执行指令来体现，该程序在作为用于热水器50的通用系统控制器运行的一个或多个PLC或其他计算机上执行。一般而言，程序模块包括执行特定任务和/或实现特定抽象数据类型的例程、程序、部件、数据结构等等。此外，本领域技术人员将理解的是，本文描述的系统/方法可以用各种控制器构造来实践，包括可编程逻辑控制器、简单逻辑电路、单处理器或多处理器系统、以及个人计算机、手持式计算设备、基于微处理器或可编程的消费者或工业电子产品等等。这些功能的各方面也可以在分布式计算环境中实践，例如在所谓的“智能”布置和系统中实践，其中任务由远程处理设备执行，该远程处理设备通过局域网或广域网通信链接到在附图中示出的部件。在分布式计算环境中，编程模块可以位于本地和远程存储器存储装置二者中。因此，控制系统可以包括经由硬线或无线本地或远程网络与本文描述的系统部件进行通信的计算装置。可以实施本文描述的功能的控制器可以包括处理单元、系统存储器和系统总线。系统总线将包括但不限于系统存储器的系统部件耦合到处理单元。处理单元可以是包括微处理器的各种可用的可编程设备中的任何一个，并且应当理解的是，双微处理器、多核和其他多处理器架构可以用作处理单元。

如所描述的那样，在适当的操作环境中，软件应用程序可以充当用户和/或其他计算机与电子控制系统的基本计算机资源之间的媒介。这样的软件应用程序包括系统和应用程序软件之一或两者。系统软件可以包括用于控制和分配控制系统的资源的操作系统。应用程序软件通过程序模型和存储在系统存储器中的数据来利用系统软件对资源的管理。控制系统也可以但不一定包括通过总线通信耦合并且有助于操作员与控制系统的交互的一个或多个接口部件。举例来说，接口部件可以是端口(例如，串行、并行、PCMCIA、USC或FireWire)或接口卡等。接口部件可以接收输入并且提供输出(有线或无线)。例如，可以从以下装置接收输入，所述装置包括但不限于诸如鼠标、跟踪球、手写笔、触摸板、键盘、触摸屏显示器、键盘、麦克风、操纵杆、手柄之类的指针装置、碟形卫星天线、扫描仪、摄像机、机电开关和/或可变电阻器或其他可调部件或其他部件。控制系统也可以通过接口部件将输出提供给输出装置。输出装置可以包括触摸屏或其他形式的显示器(例如，阴极射线管、液晶显示器、发光二极管或等离子显示器)、扬声器、打印机和其他部件。特别地，通过这样的装置，控制系统从与控制系统通信的各个部件接收输入并且将输出引导至与该控制系统通信的各个部件，如本文所述。

一般而言，控制器260响应于来自水容积60内(图2)或附接到与水容积60内的水相对的水箱主体52的外部(图2)的相应温度传感器264和266的信号来操作电加热元件152、152。除了向控制器260供电之外，电源270还通过开关单元268选择性地向电阻加热元件150和152提供电力，该开关单元包括机电或固态继电器，所述机电或固态继电器将电源连接到加热元件并且由来自控制器260的信号控制。如上所述，控制系统存储器(未示出，但是与控制器260通信)存储上设定点和下设定点。当控制器通过来自温度传感器的信号检测到加热元件之一附近的容积60中的水低于高设定点时，控制器不致动开关单元265内的加热元件继电器，直到水温达到低设定点低为止。当水达到低设定点时，控制器致动继电器以将电流从电源270发送到电加热元件，从而通过直接热传导加热水。控制器相应地保持对电加热元件的致动，直到各个元件周围的水温达到高设定点为止，在这种情况下，控制器停用相应的继电器并且因此停用加热元件，从而保持元件不起作用，直到元件周围的水再次达到低设定点。将理解的是，控制器260的编程可以执行用于控制加热元件的各种其他算法。例如，如上所述执行一种这样的算法，除了控制器260另外仅当控制器260没有向上部加热元件150施加电力时或者换句话说当条件是使得控制器260不致动上部加热元件时才致动下部加热元件。因此将理解的是，各种这样的算法均落入本公开的范围内。

在一个或多个实施例中，控制器260构造成(例如，通过使用存储在存储器中并且可由控制器执行的程序指令)以响应于制冷剂的温度来控制风扇124的速度。在这样的实施例中，风扇马达134可以是多速马达，所述多速马达可以通过在马达上设置的各个预定抽头上施加电势来被控制到期望速度。多状态开关272和相关的电路响应于来自控制器260的控制信号控制从电源270施加到一个或多个给定抽头的电力。在其他实施例中，多状态开关272、其对应的继电器以及如本文所讨论的用于控制其他装置的其他继电器被并入到控制器260内。此外，从本公开中应当理解的是，可以通过其他控制方法和设备将风扇124控制为可变速度，并且仅以示例的方式提供了当前描述的实施例。在一个或多个这样的实施例中，温度传感器274与控制器电连通并相对于制冷剂布置，以测量制冷剂的温度，例如，在蒸发器盘管的出口处或在热水器的下部部分中的制冷剂管线处。例如，温度传感器可以通过将传感器安装在制冷剂管线上或邻近制冷剂管线安装而暴露于制冷剂，从而测量通过制冷剂管线传导的热量。在这样的示例中，温度传感器或控制器可以基于先前的测试和校准使用校正因子在传感器记录的测量温度和蒸发器盘管处的制冷剂的实际温度之间进行转换。在一实施例中，如果蒸发器盘管处的制冷剂温度低于与适当系统操作相关联的预定阈值(例如，通过测试确定)，则控制器增加风扇的速度。制冷剂温度下降可能是由于例如环境空气温度下降或降低穿过蒸发器的空气流速的背压下降而引起的。相反，如果需要较低的静压以及相应较低的流速，则控制器260可以以较低的速度驱动风扇124，从而允许风扇在更安静、更有效的设置下运行。应当理解的是，例如在进行过滤器维护或存在相对干燥的空气的情况下，可能会出现低静压条件，这又导致较少的冷凝物沉积在蒸发器上，否则会增加静压降。

在另一实施例中，在风扇能够以多个离散的预定速度运行的情况下，控制器存储器可以存储表格，该表格将制冷剂温度的范围与相应的离散风扇速度相关联，其中每个风扇速度使系统以当制冷剂温度在由系统测试确定的对应范围内时以所期望的效率范围运行。取决于感测到的制冷剂温度，控制器确定风扇的速度。例如，当制冷剂温度从第一温度改变为第二温度(例如，从制冷剂温度范围中的一个经过阈值改变为下一个)并且第一温度低于第二温度时，控制器将风扇速度从离散速度中的一个增加到下一个。

以此方式，控制器可以降低风扇的噪音。此外，风扇速度的变化使热水器能够达到更高的运行效率。当空气温度较高时，与空气温度较低时相比，被拉动穿过蒸发器的空气为制冷剂贡献更多的能量。在这种情况下，风扇速度可能会降低，从而减少空气流以及从空气到制冷剂的对应热量传递，同时仍提供足以向制冷剂提供与空气温度较低时相同或基本相同的热量的空气流。

在某些实施例中，控制器可以执行计算机指令(可以将其存储在存储器中)，使得如果风扇以稳态速度运行，则该计算机指令在从传感器276(下述)输出的空气温度信号指示容积74内的空气温度(图3)并且因此热泵周围的环境温度(其中，风扇124将空气从周围区域抽吸到容积74中)低于45°F或者来自制冷剂温度传感器274的信号指示制冷剂温度下降到低于32°F并且保持低于该阈值至少一预定阈值时间段(例如，十五分钟)时使控制器控制风扇切换到更高的速度。当空气温度高于45°F并且制冷剂温度高于32°F时，控制器使风扇从该高速度返回到稳态。相反，如果风扇速度以稳态速度运行，则当空气温度升高到高于100°F时，计算机指令使控制器将风扇切换到更低的速度。

增加风扇速度会增大静压。过大的静压可能会浪费能量。但是，当空气温度较低时，贡献给制冷剂的热量较少，可能仍需要增加风扇速度。由于空气温度直接影响效率，所以在另一实施例中温度传感器276布置在空气流动路径内，例如，蒸发器上游的容积74(图2)内。温度传感器与控制器通信，使得控制器响应于空气温度而改变风扇速度。例如，如果空气温度降低超过某个阈值，则风扇速度将递增地增加；如果风扇速度增加超过该阈值，则风扇速度将递增地降低。

在一实施例中，控制系统致动热泵，即通过致动压缩机122(图2)以使致冷剂流经闭合的致冷剂路径并且致动风扇124，同时致动在电源和电加热元件之间串联的继电器中的一个或多个。即，当致动电加热元件以向容积60(图2)中的水提供热量时，热泵同时被致动以从制冷剂向水提供热量。但是，应当理解的是，可以在热泵的操作中实施多种变化，从而在控制系统对热泵的控制中实施多种变化。例如，鉴于本公开将理解的是，热泵的效率会随着较冷的环境温度而下降，这是因为在蒸发器上流动的空气流为制冷剂贡献的热量较少。在给定特定的热泵热水器构造的情况下，如果确定热泵效率下降到低于某个环境温度的不希望的水平，则控制系统可以构造成在检测到环境温度低于该阈值时停用热泵。

参照图4，在一实施例中，混合热水器50构造成在具有顶部、底部和四个侧部的矩形箱200(例如，长方体箱)中被运输，使得在底侧中的任一侧或者侧A、侧B、侧C或侧D中的任一侧是箱的最低表面时被运输，这样，箱的该侧搁置在支撑箱的表面上，不会损坏热水器。将热水器设计为使得如果热水器是直立的(这是箱200在其底侧上搁置时的状态)，则压缩机中的油将保持在其预期位置，如应该理解的那样。然而，可替代地，当箱200沿着预定取向接收热水器50使得尽管热水器的外表面形状基本上是圆柱形的，但是当箱的一侧平放在水平支撑表面上时，热水器只能处于四个预定取向之一。在一实施例中，热水器50被用螺栓固定到箱200和运输托盘上(未示出，但是当箱直立时，运输托盘位于箱的底部下方且在热水器的底部和箱的底部之间)。托盘的外周装配在箱的内周内，但与箱的内周充分相符，一旦插入到箱中，托盘就不能在箱内绕热水器的(和箱的)伸长轴线旋转。通过将热水器附接到托盘，热水器相对于箱绕伸长轴线沿着固定的旋转取向。热水器50还通过在热水器的外表面和箱的内表面之间的聚苯乙烯泡沫被支撑在箱200内。在一实施例中，聚苯乙烯泡沫包括与热水器50的突出部件(例如，突出部分130)相对应和相配合的切口，以便进一步在箱中定向热水器。

应当理解的是，诸如压缩机122之类的压缩机经常被构造成使得压缩机内的油(该油在压缩机运行期间润滑压缩机的内部部件)可以与通过压缩机的制冷剂路径流体连通。在正常运行期间，当热水器处于直立位置时，尽管会发生一些混合，但制冷剂和油之间的不同重量通常会保持这些材料基本相互分离。在热水器运输期间，热泵制冷剂路径典型不包含制冷剂，而压缩机典型包含油。当热水器处于直立位置时，作为制冷剂管线108(图2)的一部分的排出管220在压缩机壳体中位于油位上方的位置处与压缩机流体连接，使得几乎没有油从压缩机流出并流入排出管中的风险。但是，如果在其侧面布置热水器，油可能会流入排出管中。如果当热水器稍后返回其直立位置时油没有回流到压缩机中，则压缩机可能没有足够的油有效运行。虽然管220被称为排出管(因为它是压缩机从中将制冷剂泵送到制冷剂管线的盘管/冷凝器区段116的管)，但是应当理解的是，也存在到压缩机的制冷剂输入管线。在当前讨论的实施例中，压缩机被构造成使得其油路与制冷剂管线排出管连通，但是应当理解的是，在其他实施例中，油路可以替代地或者还与输入管段流体连通。因此，应当理解的是，针对排出管段的本布置的讨论仅出于示例的目的，并且本文的管道布置也可以针对输入管段应用。

排出管包括从压缩机122的顶部延伸的第一线性段220a，在所述顶部处，第一线性段220a流体地联接至压缩机。当热水器处于其直立位置时，段220a进入压缩机的含油容积的入口点高于该容积中的油位，使得在正常情况下，没有油流过排出管。段220a朝向侧C和侧D延伸，并远离侧A和侧B；第二线性段220b从段220a的远侧部大体上朝着侧B延伸并且稍微朝向侧A延伸；第三线性段从段220的端部朝向侧C延伸。第一段220a和第二段220b二者都具有朝向压缩机122的连续向下倾斜(相对于在热水器处于其直立运行取向时的水平方向)，使得当热水器恢复其直立取向时，在运输期间泄漏出的任何油都会在重力的作用下偏压回压缩机122中。也就是说，段220a和220b的相交部在段220a与压缩机的顶部连通的位置上方，而段220b和220c的相交部在段220b和220c之间的相交部上方。段220c可以从段220b和220c之间的相交部向下延伸。段220a和220b二者都是线性的，因此没有限定内部流捕集部。因此，倘若油(这种情况下油由于某种原因流入排出管220中)没有流过段220b和220c之间的相交部，则排出管220会在热水器以及因此压缩机再次处于直立位置时将这种油排放回到压缩机中。

当箱在侧A上进行搁置时，箱处于第一取向上。在箱的第一取向上，压缩机内的油位221a在压缩机内部的油容积内的管段220a的入口点上方，但是段220a从压缩机122竖直向上延伸，从而防止油从压缩机并且从排出管进一步向下(远离压缩机)排放。换句话说，当箱在侧A上进行搁置时，线性段220a和220b之间的相交部位置高于油位221a，使得油不会从段220a流到段220b。此外，当加热器返回到其竖直取向时，可能先前已经排放到段220a中的任何油经由段220a的向下倾斜被偏压回到压缩机中。类似地，当箱在侧B上进行搁置时，箱处于第二取向，并且压缩机内的油位221b在压缩机内部的油容积内的管段220a的入口点上方，如油位线223b所示，但是段220a向上延伸以防止油经由管从压缩机中流出。当箱在侧B上进行搁置时，线性段220a和220b之间的相交部位置高于油位221b，使得油不会从段220a流到段220b。当箱沿着第三方向在箱的侧C上进行搁置时，压缩机内的油位221c在压缩机内部的油容积内的管段220a的入口点上方。在管段220a在油位221c下方向下延伸时，段220b从与段221a的相交部延伸超过油位221c的高度，如液位线223c所示。因此，当箱在其侧C上定位时，油可以从压缩机向下排放并流向段220a的远端，但是由于段220b在油位221c上方延伸，因此油仍然被捕集在两个段的相交部处并且不流过段220b进入后一段220c中。当箱在侧C上进行搁置时，线性段220b和220c之间的相交部高于油位221c，使得油不会从段220b流到段220c。当热水器50返回其直立取向时，重力使段220b中的油偏压向段220a并从段220a偏压到压缩机122。类似地，在第四取向上，当箱200在侧D上进行搁置时，压缩机内的油位221d在压缩机内部的油容积内的管段220a的入口点上方。当管段220a在油位221d下方向下延伸时，段220b从与段221a的相交部处延伸超过油位221d的高度。因此，当箱在侧D上定位时，油可以被排放到段220a中，但是由于段220b从段220a向上延伸到油位221d上方，因此油仍然被捕集在段之间直到热水器直立取向为止，然后油返回压缩机。因此，当热水器在侧A、B、C或D中的任一侧上进行搁置时，排出管到压缩机内的油容积的进入点低于压缩机内的油位。但是，在排出管中在该进入点与排出管的排放点之间的至少一个点高于每个搁置位置A、B、C和D处的油位，并且当热水器处于直立位置，该点高于进入点，而排出管中没有介入捕集部。因此，当热水器位于侧搁置位置之一时，油会从压缩机中流出，但当热水器和压缩机直立时，油在排出中不会流动超过高于排出管进入点的预定点，并且当此后将热水器定位在直立位置时，在热水器位于其一侧上时流入排出管的任何油都流回压缩机中。

此外，当在侧C或侧D上运输时，压缩机122的重量使压缩机122远离换热器偏压。但是，当在侧A或侧B上运输时，压缩机122靠向换热器120。此外，当在侧A或侧B上进行搁置时，由于惯性的缘故，对箱200的面向下的侧的任何颠簸或摇晃(例如，来自驶过障碍物的卡车的摇晃)导致压缩机122朝着蒸发器盘管120移动。但是，由于换热器的平面相对于水平面呈锐角，因此压缩机由于重量或摇晃而引起的行进不会导致压缩机直接朝向盘管120行进。而是，行进方向是间接的，从而在压缩机撞击蒸发器盘管之前允许更大的运动范围。例如，当在侧A上时，压缩机必须行进大约距离230才能撞击蒸发器盘管，而当在侧B上运输时，压缩机必须行进大约距离232才能撞击蒸发器盘管。因此，在这种构造中，需要更大的摇晃以使压缩机沿竖直方向(其中竖直是相对于运输箱的那侧向上)行进该距离到达盘管。

在所有取向上，压缩机都延伸到泡沫引导件134的切口中。压缩机122被包裹在闭孔泡沫210的片材中，该泡沫经由粘合剂(诸如双面胶带)附接到压缩机122。闭孔泡沫210的外表面通过粘合剂(诸如双面胶带)附接到泡沫引导件134。以此方式，除了压缩机122的底部部分所附接的隔离安装件之外，压缩机还通过泡沫被支撑在其侧部上，或者搁置在泡沫上并压缩泡沫(当热水器处于第二取向时是这种情况)，或者由泡沫上的张力支撑(当热水器处于第一、第三或第四取向时)。泡沫134和泡沫210提供的支撑限制了运动，既限制了施加到制冷剂导管的应力，又使压缩机撞击盘管120的风险最小化。

尽管以上公开涉及具有电加热元件的混合水箱的运行，但是其他实施例可以涉及具有气体加热的混合水箱。2016年3月29日提交的Jozef Boros名下的美国专利申请号15/084402(“Boros申请”)中说明了可适于结合本公开的元件的混合/气体热水器的实施例，其全部公开内容通过引用并入本文。Boros申请进一步公开了一种方法，通过该方法，热泵热水器可以根据理想的压力-焓曲线运行。此外，Boros申请针对混合/气体热水器示出了如何在各种情况下运行混合热水器以优化诸如效率的参数。本领域技术人员将理解如何用电加热器代替气体加热器并将相同的原理应用于如本文所公开的热水器的运行。

应当理解，可以在本发明的范围内实践各种其他实施例。例如，上述实施例中的每个都将冷凝器定义为缠绕在水箱外部的盘管。然而，在另外的实施例中，制冷剂导管不缠绕水箱，而是作为在空间上从水箱表面移除的换热器的一部分。第二导管管线从水箱内部容积延伸到该换热器并从换热器返回到水箱。即，导管形成闭合的流体路径，以使水从水箱流过换热器，并且可以设置泵以使水移动通过该路径。水管线和制冷剂管线在换热器内足够靠近，使得热的制冷剂将热量传送给通过闭合的水流路径循环的水。在另外的实施例中，制冷剂路径延伸到水箱内部，并且例如水箱容积内的制冷剂管是双壁结构。以这些方式，制冷剂路径与包括水箱容积的水箱热连通，使得当制冷剂流过制冷剂路径时，热量从制冷剂传递到水箱容积。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以对本发明的特定实施例进行修改和变型，这在所附权利要求中更具体地阐述。另外，应当理解，各个实施例的各个方面可以整体或部分互换。此外，本领域普通技术人员将理解，前述描述仅是示例性的并不旨在限制本发明，本发明在所附权利要求中进一步描述。

Claims (7)

1.一种热泵热水器，所述热泵热水器包括：

第一壳体，所述第一壳体包括顶表面，所述顶表面具有用以接收空气流的入口；

水箱，所述水箱用于将水保持在所述第一壳体内并且具有限定容积的箱壁；

热源，所述热源相对于所述容积布置，以将热量传递到所述水箱中的水；

制冷剂导管，所述制冷剂导管限定了闭合的制冷剂路径的至少一部分；和

泵，所述泵布置在所述水箱附近并且与所述制冷剂导管流体连通，使得所述泵成为所述制冷剂路径的一部分，并且所述泵在运行时将制冷剂泵送通过所述闭合的制冷剂路径，

其中，所述制冷剂导管的第一部分与所述容积热连通，使得流过所述制冷剂路径的制冷剂将热量传递给所述容积中的水；

风扇，所述风扇邻近所述水箱并且相对于所述制冷剂导管的第二部分布置，使得所述风扇的运行使所述空气流移动穿过所述制冷剂导管的所述第二部分；

一个或多个导流板，所述一个或多个导流板构造成将所述空气流从所述入口朝向出口引导，其中所述一个或多个导流板具有台阶状漏斗形状；和

第二壳体，所述第二壳体延伸穿过所述第一壳体的侧表面，使得所述第二壳体的第一端部延伸到所述第一壳体内，并且所述第二壳体的第二端部从所述第一壳体的外侧延伸出来，所述风扇布置在所述第二壳体内，

其中，所述第二壳体包括突出部分，所述突出部分延伸穿过所述第一壳体并且超过所述第一壳体进入所述第一壳体外部的区域中。

2.根据权利要求1所述的热泵热水器，其中，所述热源包括至少一个电加热元件。

3.根据权利要求1所述的热泵热水器，其中，所述热泵热水器还包括附接到所述第二壳体的所述突出部分的管道。

4.根据权利要求1所述的热泵热水器，其中，所述制冷剂导管的所述第二部分布置在所述风扇上游的空气流中。

5.根据权利要求4所述的热泵热水器，其中，所述制冷剂导管的所述第二部分布置在所述第一壳体内且在所述第二壳体之外。

6.根据权利要求1所述的热泵热水器，其中，所述风扇具有马达和至少一个风扇叶片，并且其中，所述风扇布置在所述第二壳体中，使得所述马达位于所述至少一个风扇叶片和所述第二壳体中的出口之间。

7.根据权利要求6所述的热泵热水器，其中，所述风扇布置在所述第二壳体中，使得所述马达位于所述至少一个风扇叶片和所述第一壳体之间，所述第二壳体延伸穿过所述第一壳体。

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