CN113074457A - 热泵类型热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了热泵类型热水器，涉及热泵热水器领域，包括水箱，所述水箱的顶部设有热泵系统；所述热泵系统包括壳体和设于壳体内部的风机、蒸发器、压缩机和节流装置；所述风机包括至少两个进风口和至少两个出风口；所述进风口分别一一连通于所述出风口，以形成至少两组排气通道；本发明的设计为一体类型的热泵热水器，在这种前提下热泵系统的布局设计将存在着必然性的局限，热泵系统的空间布局将非常狭小，在此种条件下对于大制热量的实现将很大程度地依赖于热泵系统的部件合理布局，尤其是对于整个系统的风场优化，实现风机和蒸发器的合理配置是非常必要的，本发明可以在局限的空间下实现高能效、大制热量以及低噪音等效果。

Description

热泵类型热水器

技术领域

本发明涉及热泵类型热水器，涉及热泵热水器领域。

背景技术

随着生活水平的提高，越来越多的人注重更高的生活品质，也越来越关注获得相同收益需要多少能源的消耗，能源的利用也逐渐成为人们生活品质的追求和目标。热泵类型热水器作为一种新型的热水器，其实际能效更高，相比于电热水器，其消耗1kW的电能将产生多于1kW的热量，这也使得将其用于热水器的实际应用中，可以体现出生活品质以及对于低碳生活号召的响应。热泵热水器的工作原理为利用逆卡诺循环将环境中的热量集中，形成类似于热量泵的效应，抽取环境中的热量来对水箱中的水进行加热从而实现热水供应的目的。

逆卡诺循环一般包含了四大元件，动力核心部件一般采用压缩机(包含了离心转子压缩机，涡旋类型压缩机等等)，压缩机用于对介质(包含了R134a、R404A、R22等类型的冷媒)进行压缩，形成高温高压类型的气体冷媒(例如，不同的冷媒可以形成高达几十度甚至近百度的过热冷媒介质)；其被输送至冷凝器中与水箱或者水进行换热，最终实现了过热度释放发生相态变化，利用冷媒介质的潜热和显热对于水进行加热，转变为过冷态的冷媒液态介质；在经过节流元件(可以为热力膨胀阀、毛细管或电子膨胀阀等等)节流之后重新成为具有较大过热度的低压液态介质，最终在蒸发器中进行蒸发，与流过蒸发器的空气换热，从而将空气中的热量吸收。由于节流元件的作用，此时低压的液态冷媒蒸发温度实际可以做到比较低，因此其可以适应环境温度在一定范围内的变化，可以实现对于空气中热量吸收以完成整个循环的效果。

为了保证热水器的制热量、能效等综合要求，热泵类型的热水器一般采用分体式设计，但这种设计存在安装困难、维护成本较高等缺陷。为了保证整个热泵系统的美观，越来越多的热泵类型热水器采用整体式设计，这种设计具有安装简便、占用空间小等优势。然而，真正能够实现高能效、大制热量、一体化设计的热泵热水器却少之又少，亟需一种创新型的设计来解决美观空间与制热量能效之间所存在的矛盾。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，提供一种热泵类型热水器，以解决现有技术在美观度、空间要求以及安装便捷等要求下，系统制热量不足、系统风场设计不合理导致的与空气换热低效所引起的制热量不足，以及系统整体布局不合理导致的系统标况下实际能效过低等技术问题，甚至会将导致热泵系统设计严重偏离直至无法实现热泵热水器能效所带来的节能优势。

为了解决以上缺陷，本发明采用的技术方案：

热泵类型热水器，包括冷凝器和水箱，所述水箱的顶部设有热泵系统；

所述热泵系统包括壳体和设于壳体内部的风机、蒸发器、压缩机和节流装置；

所述风机包括至少两个进风口和至少两个出风口；所述进风口分别一一连通于所述出风口，以形成至少两组排气通道。

优选的，所述风机包括至少两组蜗壳，相邻蜗壳之间设有间隔板，以使排气通道相互独立。所述风机为双进风类型风机，双进风类型风机最优选择为离心类型风机；中间的间隔板包含风机驱动电机，所述电机设置在流经蒸发器的换热后的空气流道中，也能保证电机的散热可靠有效；最优地，所述电机对称地安装于所述间隔板中心部位，所述间隔板两边的空气并不相互干扰。

优选的，所述蜗壳采用渐开线结构设计；风机的叶轮与所述蜗壳之间的间隙满足渐开线方程关系。

优选的，所述蜗壳的蜗舌设计为开口部逐渐增大的结构。

优选的，所述至少两个出风口为并列同向设置，以使出风方向相互平行。

优选的，风机倒装在水箱上部空间内，出风口的高度低于进风口的高度。

优选的，风机的轴线与水箱的轴线之间的夹角为90°。

优选的，所述蒸发器为并联设置的两组，且对称设于所述风机的两侧。为了更充分地利用换热面积，当蒸发器为两组时，除了竖直对称设置的蒸发器，还包含其它结构例如双L型、双C型和

型等等。

优选的，所述进风口与蒸发器之间设有间隙。所述间隙与所述蜗壳的壁面组成入风均布腔室。间隙的间距宽度范围为30～90mm。

优选的，风机和压缩机之间设有格挡板，所述格挡板的两端分别连接于风机两侧的蒸发器。所述格挡板的厚度为0.8～1.5mm。所述格挡板的形状可以依据压缩机和风机的相对位置关系做适应性调整即可。

优选的，蒸发器的中心面与间隔板平行，蒸发器的中心面的轴线包括垂直轴和水平轴，所述垂直轴与风机的轴线的垂直距离为0-125mm，所述水平轴与风机的轴线的垂直距离为0-50mm。中心面为蒸发器中心的垂直面，平行于间隔板，此时中心面的轴线也就是该矩形面的垂直中心线(垂直轴)和水平中心线(水平轴)，当然在其它场景下其可能只是对称分布的部分蒸发器的中心面(如C型，L型等等的蒸发器)。

优选的，所述壳体上设有进口和出口，所述进口设于靠近蒸发器处，所述出口设于靠近出风口处。

优选的，所述冷凝器设于水箱内部或者贴合与水箱壁面即可，其包含于水箱外围空间所构建的范围之内。

优选的，所述热泵系统在标况下COP不低于4.0。

本发明的有益效果：

1)本发明以一体式热水器为蓝本设计出了一种高能效、大制热量、低噪音的热泵类型热水器，同时也满足了系统安装简便、生产维护性好等特性。

2)本发明的热泵类型热水器，可有效提高蒸发器的换热效率，并降低噪音。

3)本发明的热泵类型热水器，可以实现标况下能效不低于COP4.0的高能效指标(满足二级能效要求)，制热量不小于2500W的大制热量，并且整机噪音还能维持在接近40dB(A)的水平上。

附图说明

图1为现有技术的热泵类型热水器原理示意图；

图2为本发明实施例提供的热泵类型热水器外部示意图；

图3为本发明实施例提供的部分热泵系统布置示意图；

图4为本发明实施例提供的风机俯视图；

图5为本发明实施例提供的蜗壳示意图；

图6为图3所示热泵系统的正视图；

图7为图3所示热泵系统的俯视图；

图8为图3所示热泵系统的放大图；

图9为本发明实施例提供的风机和蒸发器的轴线间距设置示意图；

图10为本发明实施例提供的热泵类型热水器性能测试结果示意图；

图中：1、水箱；2、壳体；3、风机；4、蒸发器；5、压缩机；6、进风口；7、出风口；8、蜗壳；9、间隔板；10、进口；11、出口；12、格挡板；13、蜗舌，14、节流装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1所示，压缩机5一方面提供了整个系统内冷媒(此处当然不限定冷媒种类，可以为R134a、R404A、R22甚至是超临界状态工作的CO₂等等)循环的动力，另一方面对于气态的冷媒压缩做功，使得冷媒的能量提升了W做功能量，此处不考虑过程中耗散效应，冷媒吸收压缩机5做功之后由于自身温度升高变成高温高压的气态冷媒，在水箱1位置处，其可以通过盘管或者微盘管设置于水箱1的外部壁面上，当然盘管和微盘管与壁面之间可以涂敷导热性能好的辅助导热层，也可以通过盘管的形式设置于水箱1内，当然对于特殊类型的热水器，也可能以板式换热器实现水与冷媒的间壁式换热，此处并不限定。在冷凝器中高温高压状态的冷媒与低温的水换热之后，其被冷凝为温度较低的液态形式，也就是在冷凝器内冷媒所包含的潜热和显热被传递给水，此处假定总共吸收的热量为Qw，当然吸收完热量的水可以被循环多次加热以使水箱1内的水提升至设定温度，冷凝之后的冷媒经过节流装置14(此处可以为热力膨胀阀、毛细管、电子膨胀阀等等)，变为具有一定过热度的过热冷媒，进入蒸发器4之后相当于进入了一个充分发展的大范围空间，因此冷媒会吸收热量，此时通过风机3使得蒸发器4所接触的空气被实时抽送，由此实现了从周围空气获得源源不断能量补给的效果，当然为了满足制热量需求风机3的转速可以被精确控制，从而实现了精确升温的效果，此时假定从周围空气中所汲取的能量为Qa，在整个循环过程中我们很清楚地可以依据能量守恒原理获得Qw＝W+Qa，其中W为压缩机5所做的功，其与耗电量强相关，甚至能占据整个系统耗电量的80％以上，此处也并不限定于此，而实际水所获得的能量包含了两部分，即压缩机5做功部分和从周围空气中抽取的部分，其中从空气中抽取的部分能量往往几倍于压缩机5做功的部分，因此这也是热泵类型热水器能够获得更高的能效和更高产出比的原因，这也是热泵系统相比于传统的电热水器更节能的最基础原因，因此热泵类型热水器在后续的生产生活中也将成为一种高能效的新趋势，但是传统类型的热泵热水器在大制热量和高能效场景下，其一般设计为分体类型的热水器，也就是冷凝器和水箱1作为一部分，而压缩机5风机3等等作为另外的一部分，形成室内室外两部分，类似目前空调的安装方案，但是这种方案需要的安装场景较为复杂，并且系统整体占用的空间特别大，而且对于用户来说，分体式热泵热水器的外观并不能设计的特别漂亮，本发明以一体式热水器为蓝本设计出了一种高能效、大制热量、低噪音的热泵类型热水器，同时也满足了系统安装简便、生产维护性好等特性。

实施例1

热泵类型热水器，包括冷凝器和水箱1，所述水箱1的顶部设有热泵系统；

所述热泵系统包括壳体2和设于壳体2内部的风机3、蒸发器4、压缩机5和节流装置14；

所述风机3包括两个进风口6和两个出风口7；所述进风口6分别一一连通于所述出风口7，以形成至少两组排气通道；

水箱1内部设置或者贴合壁面的冷凝器并未示出，其包含于水箱1外围空间所构建的范围之内。

所述壳体2上设有进口10和出口11，所述进口10设于靠近蒸发器4处，所述出口11设于靠近出风口7处。

压缩机5为系统动力元件，其可以选择涡旋类型压缩机、离心类型压缩机等形式，在热泵热水器系统中，由于系统对于过热度的特殊要求，压缩机5的设计也与普通的空调用压缩机有所差异，此处不进行限定。

如图2所示，本发明的热泵类型热水器在一体式热水器的框架下，将水箱1外筒与热泵系统按照相同的范围设计，实现了系统的一体化效果，整体并不包含位于预设范围之外的多余部分，保证了整个系统的美观和一体化效果，在空间上也实现了最优化的利用，不会存在突变的转折部位，图示预设范围为具有一定直径的圆，当然预设范围为了满足美观度要求可以做出其它异形造型，此处并不限定，但是此处的预设范围设计需要平衡两方面的需求，一个为热泵系统空间需求，一个是水箱1容量需求(水箱1不宜过大，过大会造成能源浪费的问题；也不宜过小，热水容量太小会造成不实用的问题)。

实施例2

基于实施例1，所述风机3包括两组蜗壳8，蜗壳8之间设有间隔板9，以使排气通道相互独立。

所述两个出风口7为并列同向设置，以使出风方向相互平行；所述出风口7的高度低于进风口6的高度。

所述风机3轴线与水箱1轴线的夹角为90°。

如图3-5所示，风机3采用双进风类型的风机，可以保证进风量满足需求，风机3之间设置间隔板9保证两侧进风与后续的出风之间基本不干扰，双进风风机设计可以从对称侧建立负压区以实现更大制热量的效果，当然进风口6也可以设置为多于两个的结构，此处并不限定。风机3的出风口7与进风口6对应地设置，此处为了保证进风口6与蒸发器4能够形成最优化的负压场。图4为以双进风和双出风类型的风机3为示例所表示的风机3工作状态下空气流动示意图，双进双出风机最优选择为离心类型风机，如此可以保证风机3与蒸发器4之间的负压更大，也能保证整个系统在安装位置局限的条件下依旧能有足够的进风量，中间的间隔板9最优地包含风机3的驱动电机，所述电机设置在流经蒸发器4的换热后的空气流道中，也能保证电机的散热可靠。最优地，所述电机对称地安装于所述间隔板9中心部位，所述间隔板9两边的空气并不相互干扰，在电机的驱动下，离心风机3的两个风叶发生转动，在风叶和蜗壳8之间由于空气所受到的离心力作用，空气的静压能被部分转化为速度能，此时在风机3的进风口6将形成负压状态，为了保证整个平衡，周围空气在负压的作用下流过蒸发器4产生持续的热源供应。所述风机3的蜗壳8最优地采用渐开线结构设计，所述风机3的蜗舌13最优地设计为开口部逐渐增大的结构，另外风机3的叶轮与所述风机3的蜗壳8之间的间隙需要满足设定的渐开线方程关系，如此保证了负压足够的前提下，风机3运行噪音也较小，双进双出结构的离心风机3的应用保证了在大制热量高能效和体积局限的要求下依然能够保证更低的噪音。风机3最优地倒装在水箱1上部空间内，也就是要求风机3的出风口7的平均位置低于风机3的进风口6的平均位置。

实施例3

基于实施例1，所述蒸发器4为两组，对称设于所述风机3的两侧；两组蒸发器4为并联设置。

风机3的进风口6与蒸发器4之间设有间隙，所述间隙与所述蜗壳8的壁面组成入风均布腔室。

如图6所示，为了保证风机3与蒸发器4之间构建出均匀且扰动较小的负压场，所述风机3进风口6与蒸发器4之间包含用于均压的间隙，此处风机3依然以双进风类型的风机为示例，蒸发器4包含对称分布在风机3两侧的部分，当然为了更充分地利用换热面积，还包含其它结构例如双L型、双C型和

型等等，对称布置的蒸发器4部分与风机3入风口之间包含用于均压的间隙，所述间隙的间距宽度范围为30～90mm，由于风机3入风口尺寸与蒸发器4的孔隙率与风阻等参数综合影响该间隙范围，为了保证入风口构建的负压场更均匀、扰动特性更小，优化地选择间隙的间距宽度为上述范围，风机3的出风口7依然位于更靠近水箱1的位置处，此处也不限定。

实施例4

基于实施例1，风机3和压缩机5之间设有格挡板12，所述格挡板12的两端分别连接于风机3两侧的蒸发器4。所述格挡板12的厚度为0.8～1.5mm。

如图7所示，蒸发器4和风机3组成了热泵系统的第一部分，在压缩机5和热泵系统的第一部分之间设置有格挡板12，所述格挡板12为具有一定厚度范围的钣金件，其与水箱1组件相连接组成缓震的强阻尼结构，例如需要满足的厚度范围为0.8～1.5mm，一方面可以满足强度要求，另一方面也可以保障整个系统的刚度和振动衰减效果，当然格挡板12最优地设置为由钢等金属材料所组成的板件结构，为了进一步保证风机3与压缩机5两个运动部件相互不干扰，其上可以设置降噪材料等等，为了进一步利用压缩机5产生的热量所述格挡板12可以设置通风口以将压缩机5产生的废热更有效地利用，此处并不限定。

如图8所示，压缩机5可以设置在独立的空间范围内，其通过缓冲垫等元件与所述水箱1相连接，格挡板12也连接在水箱1上并连接蒸发器4，蒸发器4包含至少部分对称分布于风机3的进风口6两侧的蒸发器4，蒸发器4采用并联的方式连接，也就是冷媒被基本均匀地分配给两个对称分布的蒸发器4中，如此两个对称布置的蒸发器4产生的换热量也基本相等，如此整个系统对于所构建风场中的环境热量利用也更高，当然将两个蒸发器4部分串联也就是冷媒先流经一部分蒸发器4再流经另外一部分蒸发器4也不排除，但是整体的制热量会稍小。

实施例5

基于实施例1，蒸发器4的中心面与间隔板9平行，蒸发器4的中心面的轴线包括垂直轴和水平轴，所述垂直轴与风机3的轴线的垂直距离为0-125mm，所述水平轴与风机3的轴线的垂直距离为0-50mm。中心面为蒸发器4中心的垂直面，平行于间隔板9，此时中心面的轴线也就是该矩形面的垂直中心线(垂直轴)和水平中心线(水平轴)。

优选的，所述热泵系统在标况下COP不低于4.0。

如图9所示，蒸发器4对称布置的部分，其中心面的轴线与风机3的轴线需要在预设的范围内，例如在一种特殊的场景中对称布置的蒸发器4包含至少两个平面的部分，如图9所示，其中心面为蒸发器4中心的垂直面，此时中心面的轴线也就是该矩形面的中心线，当然在其它场景下其可能只是对称分布的部分蒸发器4的中心面(如C型，L型等等的蒸发器)，所述垂直轴与风机3的轴线的垂直距离最优的尺寸为0mm，所述水平轴与风机3的轴线的垂直距离最优的尺寸为0mm，如此可以实现风场在整个蒸发器4的分布上更为均匀，且所构建的风场平均速度更合理，保证了蒸发器4对于环境能量的更有效的利用。最终利用本发明的热泵类型热水器，可以实现标况下能效不低于COP4.0的高能效指标(满足二级能效要求)，制热量不小于2500W的大制热量，并且整机噪音还能维持在接近40dB(A)的水平上，在不同的测试工况下利用本申请的方案所实现的热泵性能示意图如图10所示，也就是本申请所提出的设计结构能够解决空间与能效制热量等矛盾问题，对于后续的热泵推广使用具有极其重大的价值。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.热泵类型热水器，包括冷凝器和水箱(1)，其特征在于，所述水箱(1)的顶部设有热泵系统；

所述热泵系统包括壳体(2)和设于壳体(2)内部的风机(3)、蒸发器(4)、压缩机(5)和节流装置(14)；

所述风机(3)包括至少两个进风口(6)和至少两个出风口(7)；所述进风口(6)分别一一连通于所述出风口(7)，以形成至少两组排气通道。

2.根据权利要求1所述的热泵类型热水器，其特征在于，所述风机(3)包括至少两组蜗壳(8)，相邻蜗壳(8)之间设有间隔板(9)，以使排气通道相互独立。

3.根据权利要求1所述的热泵类型热水器，其特征在于，所述至少两个出风口(7)为并列同向设置，以使出风方向相互平行；所述出风口(7)的高度低于进风口(6)的高度。

4.根据权利要求1所述的热泵类型热水器，其特征在于，风机(3)的轴线与水箱(1)的轴线之间的夹角为90°。

5.根据权利要求1所述的热泵类型热水器，其特征在于，所述蒸发器(4)为并联设置的两组，且对称设于所述风机(3)的两侧。

6.根据权利要求5所述的热泵类型热水器，其特征在于，所述进风口(6)与蒸发器(4)之间设有间隙。

7.根据权利要求5所述的热泵类型热水器，其特征在于，风机(3)和压缩机(5)之间设有格挡板(12)，所述格挡板(12)的两端分别连接于风机(3)两侧的蒸发器(4)。

8.根据权利要求5所述的热泵类型热水器，其特征在于，蒸发器(4)的中心面与间隔板(9)平行，蒸发器(4)的中心面的轴线包括垂直轴和水平轴，所述垂直轴与风机(3)的轴线的垂直距离为0-125mm，所述水平轴与风机(3)的轴线的垂直距离为0-50mm。

9.根据权利要求3所述的热泵类型热水器，其特征在于，所述壳体(2)上设有进口(10)和出口(11)，所述进口(10)设于靠近蒸发器(4)处，所述出口(11)设于靠近出风口(7)处。

10.根据权利要求1所述的热泵类型热水器，其特征在于，所述热泵系统在标况下COP不低于4.0。

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