CN211876358U - 一种co2热泵热水器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种CO2热泵热水器，包括热泵机组，其包括通过冷媒管路顺次连接的压缩机、气体冷却器、节流元件、及蒸发器，蒸发器包括堆叠的多根冷媒管，冷媒管与冷媒管路连通，还包括旁通冷媒支路和设于其上的旁通节流元件，旁通冷媒支路的一端与压缩机的出口端连通、另一端与位于蒸发器底部的冷媒管连通。压缩机排出的部分高温高压冷媒气体流向旁通冷媒支路，经旁通节流元件节流后变为中温低压冷媒气体，中温低压冷媒气体流经位于蒸发器底部的冷媒管、溶解冷媒管外部的结霜。利用旁通节流元件对冷媒进行降压以保护蒸发器底部的冷媒管，利用压缩机的高温排气实现蒸发器底部冷媒管的防冻结，能耗低、可靠性高。

Description

一种CO2热泵热水器

技术领域

本实用新型涉及空调技术领域，尤其涉及一种CO2热泵热水器。

背景技术

CO2热泵热水器把空气中的低温热量吸收进来，经过循环介质气化，然后通过压缩机压缩后增压升温，再通过换热器转化给水加热，压缩后的高温热能以此来加热水温。

空气源热泵热水器在冬季运行时室外换热器易结霜，需要除霜运行，除霜产生的水通过接水盘流出。但是当室外环境温度较低（＜0℃）时，水还未完全流出便发生结冰，并且随着除霜次数的增加，冰层逐渐增厚，最终造成换热器翅片发生堵塞，影响换热器正常换热，系统能力降低，甚至会发生系统故障。

为防止冬季室外换热器化霜后发生底部结冰现象，通常会在室外换热器的底部设置防结冰结构。目前处理方式主要为：在室外换热器底部布置高压中温冷媒液管，或者，在室外换热器底部布置电加热带。

对于CO2热泵热水器而言，由于其工作压力高，为节省材料、提升室外换热器的换热效率等，CO2热泵热水器通常采用高低压侧耐压区分设计，即高压侧设计压力为14 MPa、低压侧设计压力为8MPa。因此，无法在CO2热泵热水器中采用在室外换热器底部布置高压液管的方式，因为此种方式不能够满足CO2热泵热水器的耐压要求，容易产生管路破裂，存在较大的安全风险。

采用电加热带的方式简单可靠，但是其工作效率低、增加系统能耗、易发生安全性问题等，非最佳方案。

发明内容

本申请一些实施例中，提供了一种CO2热泵热水器，通过旁通冷媒支路将压缩机排出的部分高温高压冷媒气体导流向蒸发器底部，同时利用旁通节流元件对这部分冷媒进行降压以保护蒸发器底部的冷媒管，利用压缩机的高温排气实现蒸发器底部冷媒管的防冻结，能耗低、可靠性高。

本申请一些实施例中，提供了一种CO2热泵热水器，包括：热泵机组，其包括通过冷媒管路顺次连接的压缩机、气体冷却器、节流元件、及蒸发器，所述蒸发器包括堆叠的多根冷媒管，所述冷媒管与所述冷媒管路连通；

所述CO2热泵热水器还包括：旁通冷媒支路，其一端与所述压缩机的出口端连通、另一端与位于所述蒸发器底部的所述冷媒管连通；旁通节流元件，设于所述旁通冷媒支路上；所述压缩机排出的部分高温高压冷媒气体流向所述旁通冷媒支路，经所述旁通节流元件节流后变为中温低压冷媒气体，所述中温低压冷媒气体流经位于所述蒸发器底部的所述冷媒管、溶解所述冷媒管外部的结霜。

本申请一些实施例中，所述旁通节流元件的入口端与所述节流元件的出口端之间连通、并设有除霜控制阀，CO2热泵热水器除霜运行的同时，压缩机排出的部分高温高压冷煤气体流向旁通冷媒支路，经旁通节流元件节流后变为中温低压冷媒气体，而后流入到蒸发器底部的冷媒管内加热除霜后产生的低温融解水，进而防止蒸发器底部冻结。

本申请一些实施例中，所述旁通节流元件为毛细管，对流入旁通冷媒支路中的这部分冷媒进行降压以保护蒸发器底部的冷媒管，防止冷媒管破裂。

本申请一些实施例中，所述旁通节流元件为膨胀阀，位于所述蒸发器底部的所述冷媒管的出口端处设有温度传感器，根据冷媒管出口端处的温度调节膨胀阀的开度，从而调节用于防冻结的高温排气旁通量，在时刻满足防冻结可靠性的同时降低旁通量以减少热量浪费。

本申请一些实施例中，所述旁通冷媒支路与位于所述蒸发器底部的一根或多根所述冷媒管连通，提高防冻结效果。

本申请一些实施例中，所述气体冷却器具有冷媒入口和冷媒出口；所述CO2热泵热水器还包括：直热管路，设于所述气体冷却器内，与所述气体冷却器进行热交换；热水出水管路，与所述直热管路连通；冷水入水管路，与所述直热管路连通，向所述直热管路供冷水；温水入水管路，与所述直热管路连通，向所述直热管路供温水；所述CO2热泵热水器保温运行时，所述冷水入水管路和所述温水入水管路中的水在所述直热管路内混合，混合后的低温水吸收所述气体冷却器释放的热量，以降低所述冷媒出口处的冷媒温度，换热后的热水经所述热水出水管路流出。

本申请一些实施例中，所述冷水入水管路与所述直热管路的连通位置处靠近所述冷媒出口；所述热水出水管路与所述直热管路的连通位置处靠近所述冷媒入口；所述温水入水管路与所述直热管路的连通位置处位于所述冷媒入口和所述冷媒出口之间。

本申请一些实施例中，所述CO2热泵热水器还包括水箱，所述冷水入水管路与市政水路连通，所述温水入水管路和所述热水出水管路分别与所述水箱连通。

本申请一些实施例中，所述冷水入水管路上设有第一水泵和第一流量控制阀；所述温水入水管路上设有第二水泵和第二流量控制阀。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据实施例的CO2热泵热水器的原理图；

图2为根据实施例的气体冷却器与直热管路的结构示意图。

附图标记：

01-热泵机组，11-压缩机、12-气体冷却器，121-冷媒入口，122-冷媒出口，13-回热器，14-节流部件，15-蒸发器，151-冷媒管，16-气液分离器；

02-冷水入水管路，21-第一水泵，22-第一流量控制阀，23-第一温度传感器；

03-温水入水管路，31-第二水泵，32-第二流量控制阀，33-第二温度传感器；

04-热水出水管路，41-第三温度传感器；

05-水箱；

06-直热管路，61-冷水入水口，62-温水入水口，63-热水出水口；

07-旁通冷媒支路，71-旁通节流元件，72-温度传感器；

08-除霜控制阀。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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申请中的具体含义。

[CO2热泵热水器基本运行原理]

参照图1，本申请中的CO2热泵热水器包括热泵机组01和水箱05。

热泵机组01使用压缩机11、气体冷却器12、节流部件14、以及蒸发器15来执行制冷循环，各个部件之间通过冷媒管路连通，以实现冷媒的流通。制冷循环包括一系列过程，涉及压缩、冷凝、膨胀和蒸发。

压缩机11压缩处于高温高压状态的冷媒气体并排出压缩后的冷媒气体。所排出的冷媒气体流入气体冷却器12。

气体冷却器12将压缩后的冷媒冷却，并且热量通过冷凝过程释放到周围环境，释放的热量与设于气体冷却器12内的直热管路06进行热量交换，实现对水路的制热，以向用户提供热水。

节流部件14（比如膨胀阀或毛细管）使在气体冷却器12中冷凝的高温高压状态的超临界冷媒膨胀为低压的气液两相冷媒。

蒸发器15蒸发在节流部件14中膨胀的冷媒，并使处于低温低压状态的冷媒气体返回到气液分离器16和压缩机11。

本申请中的热泵机组采用带回热的循环系统，继续参照图1，在气体冷却器12中被降温后的中温高压冷媒再在回热器13中与蒸发后的低温低压冷媒气体换热，然后经节流部件14变为低温低压的气液两相冷媒，低温低压的气液两相冷媒进入蒸发器15内蒸发吸热后变成低温低压的气态冷媒，再经由回热器13与另一侧液态冷媒换热升温后回到气液分离器16和压缩机11，完成整个循环。

本申请一些实施例中，热泵机组还可采用双级压缩、或带补气、或带喷液、或带喷射器的制冷循环系统。

[蒸发器底部防冻结]

蒸发器15包括堆叠的多根冷媒管151，冷媒管151与冷媒管路连通。

室外蒸发器15运行时，当室外温度较低时，蒸发器15外表面容易产生凝水而结霜。蒸发器15除霜时，除霜产生的水通过接水盘流出，当室外环境温度较低（＜0℃）时，水还未完全流出便会发生结冰。

本申请的目的之一就在于防止蒸发器15底部的冷媒管151发生冻结现象，避免管路破裂，提高系统运行可靠性。

本申请中的CO2热泵热水器还包括旁通冷媒支路07和旁通节流元件71，继续参照图1，其中，旁通冷媒支路07的一端与压缩机11的出口端连通、另一端与位于蒸发器15底部的冷媒管151连通，旁通节流元件71设于旁通冷媒支路07上。

CO2热泵热水器制热运行时，压缩机11将低温低压的冷媒气体压缩成高温高压的冷媒气体，高温高压的冷媒气体进入到气体冷却器12中冷却为中温高压的超临界流体，中温高压的流体进入到回热器13中进一步被冷却、而后经过节流元件14节流成低温低压的气液两相流体，气液两相流体在蒸发器15内蒸发成低温低压的气体，低温低压低压的冷媒气体进入到回热器13中被加热后回到气液分离器16，最终回到压缩机11。

制热运行的同时，压缩机11排出的部分高温高压冷媒气体流向旁通冷媒支路07，经旁通节流元件71节流后变为中温低压冷媒气体，中温低压冷媒气体流经位于蒸发器15底部的冷媒管151、进而溶解冷媒管151外部的结霜。

本申请一些实施例中，继续参照图1，旁通节流元件71的入口端与节流元件的出口端之间连通、并设有除霜控制阀08。

CO2热泵热水器除霜运行时，除霜控制阀08开启，压缩机11排出的高温高压的冷煤气体直接经旁通冷媒支路07、除霜控制阀08进入到蒸发器15内，实现除霜，被冷凝后的冷媒经过回热器13加热、气液分离器16分离后回到压缩机11。

除霜运行的同时，压缩机11排出的部分高温高压冷煤气体流向旁通冷媒支路07，经旁通节流元件71节流后变为中温低压冷媒气体，而后流入到蒸发器15底部的冷媒管151内加热除霜后产生的低温融解水，进而防止蒸发器15底部冻结。

本申请CO2热泵热水器通过旁通冷媒支路07将压缩机11排出的部分高温高压冷媒气体导流向蒸发器15底部，同时利用旁通节流元件71对这部分冷媒进行降压以保护蒸发器15底部的冷媒管151，利用压缩机11的高温排气实现蒸发器15底部冷媒管151的防冻结，能耗低、可靠性高。

本申请一些实施例中，除霜控制阀08为电磁阀。

本申请一些实施例中，旁通节流元件71为毛细管。

本申请一些实施例中，旁通节流元件71为膨胀阀，位于蒸发器15底部的冷媒管151的出口端处设有温度传感器72，根据冷媒管151出口端处的温度调节膨胀阀的开度，从而调节用于防冻结的高温排气旁通量，在时刻满足防冻结可靠性的同时降低旁通量以减少热量浪费。

本申请一些实施例中，根据实际情况将旁通冷媒支路07与位于蒸发器15底部的一根或多根冷媒管151连通，提高防冻结效果。

[直热管路、热水出水管路、温水入水管路、冷水入水管路]

参照图1和图2，直热管路06上设有冷水入水口61、温水入水口62、以及热水出水口63，冷水入水口61靠近冷媒出口122，热水出水口63靠近冷媒入口121，温水入水口62位于冷媒出口122和冷媒入口121之间。

入水管路具有两路，分别是冷水入水管路02和温水入水管路03，冷水入水管路02与冷水入水口61连通，温水入水管路03与温水入水口62连通。

热水出水管路04与热水出水口63连通，温水入水管路03和热水出水管路04分别与水箱05连通，冷水入水管路02与市政水路连通。

CO2热泵热水器进行保温运行时，冷水入水管路02和温水入水管路03中不同温度的水在直热管路06内混合，混合后的水温较低，混合后的低温水吸收气体冷却器12释放的热量变为热水，热水从热水出水管路04流出至水箱，以向用户提供热水。

低温水能够大量吸收气体冷却器12释放的热量，进而大大降低冷媒出口122处的冷媒温度，从而大幅度提升系统运行的效率，有助于提高制取热水的速度。

本申请一些实施例中，温水入水口62与冷水入水口61之间的距离为直热管路06长度的1/3，有助于提高系统能效。

本申请一些实施例中，冷水入水管路02上设有第一水泵21和第一流量控制阀22，第一水泵21为冷水的注入提供动力，第一流量控制阀22控制冷水的注入量。

本申请一些实施例中，温水入水管路03上设有第二水泵31和第二流量控制阀32，第二水泵31为温水的注入提供动力，第二流量控制阀32控制温水的注入量。

本申请一些实施例中，冷水入水管路02上设有第一温度传感器23，用于检测冷水入水管路02注入的冷水温度Ti；温水入水管路03上设有第二温度传感器33，用于检测温水入水管路03注入的温水温度Tw，实际上，Tw即为水箱05流入温水入水管路03内的水温；热水出水管路04上设有第三温度传感器41，用于检测热水出水管路04流出的热水温度To。

本申请中的CO2热泵热水器具有保温运行模式和制热运行模式。

[保温运行]

CO2热泵热水器处于保温运行状态时，第一水泵21、第一流量控制阀22、第二水泵31、以及第二流量控制阀32开启，冷水入水管路02和温水入水管路03分别向直热管路06内注水，冷水入水管路02内的冷水流入直热管路06内，冷水与气体冷却器12后段的中温冷媒进行热量交换、而后与温水入水管路03流入的温水混合，混合后的温度较低一些的温水再与气体冷却器12前端的高温冷媒进行热量交换变为热水，热水从热水出水管路04流出。

保温运行时，通过冷水与温水的混合得到温度较低一些的低温水，进而大量吸收气体冷却器12释放的热量，大大降低冷媒出口122处的冷媒温度，从而大幅度提升系统运行的效率，有助于提高制取热水的速度。

[制热运行]

CO2热泵热水器处于制热运行模式时，第一水泵21和第一流量控制阀22开启，第二水泵31和第二流量控制阀32关闭，此时仅冷水入水管路02向直热管路06内注入冷水，冷水流入直热管路06内，冷水与气体冷却器12进行热量交换后变为热水，热水从热水出水管路04流出。

根据第一实用新型构思，通过旁通冷媒支路07将压缩机11排出的部分高温高压冷媒气体导流向蒸发器15底部，同时利用旁通节流元件71对这部分冷媒进行降压以保护蒸发器15底部的冷媒管151，利用压缩机11的高温排气实现蒸发器15底部冷媒管151的防冻结，能耗低、可靠性高。

根据第二实用新型构思，旁通节流元件71为膨胀阀，位于蒸发器15底部的冷媒管151的出口端处设有温度传感器72，根据冷媒管151出口端处的温度调节膨胀阀的开度，从而调节用于防冻结的高温排气旁通量，在时刻满足防冻结可靠性的同时降低旁通量以减少热量浪费。

根据第三实用新型构思，CO2热泵热水器制热运行的同时，压缩机11排出的部分高温高压冷媒气体流向旁通冷媒支路07，经旁通节流元件71节流后变为中温低压冷媒气体，中温低压冷媒气体流经位于蒸发器15底部的冷媒管151、进而溶解冷媒管151外部的结霜。

根据第四实用新型构思，CO2热泵热水器除霜运行的同时，压缩机11排出的部分高温高压冷煤气体流向旁通冷媒支路07，经旁通节流元件71节流后变为中温低压冷媒气体，而后流入到蒸发器15底部的冷媒管151内加热除霜后产生的低温融解水，进而防止蒸发器15底部冻结。

根据第五实用新型构思，CO2热泵热水器保温运行时，冷水入水管路02和温水入水管路03同时向直热管路06内注水，冷水与气体冷却器12后段的中温冷媒进行热量交换、而后与温水入水管路03流入的温水混合，混合后的温度较低一些的温水再与气体冷却器12前端的高温冷媒进行热量交换变为热水，热水从热水出水管路04流出。混合后的低温水能够吸收更多的气体冷却器12热量，降低气体冷却器冷媒出口122处的温度，进而大幅度提升系统运行的效率，有助于提高制取热水的速度。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种CO2热泵热水器，包括：

热泵机组，其包括通过冷媒管路顺次连接的压缩机、气体冷却器、节流元件、及蒸发器，所述蒸发器包括堆叠的多根冷媒管，所述冷媒管与所述冷媒管路连通；

其特征在于，所述CO2热泵热水器还包括：

旁通冷媒支路，其一端与所述压缩机的出口端连通、另一端与位于所述蒸发器底部的所述冷媒管连通；

旁通节流元件，设于所述旁通冷媒支路上；

所述压缩机排出的部分高温高压冷媒气体流向所述旁通冷媒支路，经所述旁通节流元件节流后变为中温低压冷媒气体，所述中温低压冷媒气体流经位于所述蒸发器底部的所述冷媒管、溶解所述冷媒管外部的结霜。

2.根据权利要求1所述的CO2热泵热水器，其特征在于,

所述旁通节流元件的入口端与所述节流元件的出口端之间连通、并设有除霜控制阀。

3.根据权利要求1所述的CO2热泵热水器，其特征在于,

所述旁通节流元件为毛细管。

4.根据权利要求1所述的CO2热泵热水器，其特征在于,

所述旁通节流元件为膨胀阀，位于所述蒸发器底部的所述冷媒管的出口端处设有温度传感器。

5.根据权利要求1所述的CO2热泵热水器，其特征在于,

所述旁通冷媒支路与位于所述蒸发器底部的一根或多根所述冷媒管连通。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的CO2热泵热水器，其特征在于,

所述气体冷却器具有冷媒入口和冷媒出口；

所述CO2热泵热水器还包括：

直热管路，设于所述气体冷却器内，与所述气体冷却器进行热交换；

热水出水管路，与所述直热管路连通；

冷水入水管路，与所述直热管路连通，向所述直热管路供冷水；

温水入水管路，与所述直热管路连通，向所述直热管路供温水；

所述CO2热泵热水器保温运行时，所述冷水入水管路和所述温水入水管路中的水在所述直热管路内混合，混合后的低温水吸收所述气体冷却器释放的热量，以降低所述冷媒出口处的冷媒温度，换热后的热水经所述热水出水管路流出。

7.根据权利要求6所述的CO2热泵热水器，其特征在于,

所述冷水入水管路与所述直热管路的连通位置处靠近所述冷媒出口；

所述热水出水管路与所述直热管路的连通位置处靠近所述冷媒入口；

所述温水入水管路与所述直热管路的连通位置处位于所述冷媒入口和所述冷媒出口之间。

8.根据权利要求6所述的CO2热泵热水器，其特征在于,

所述CO2热泵热水器还包括水箱，所述冷水入水管路与市政水路连通，所述温水入水管路和所述热水出水管路分别与所述水箱连通。

9.根据权利要求6所述的CO2热泵热水器，其特征在于,

所述冷水入水管路上设有第一水泵和第一流量控制阀；

所述温水入水管路上设有第二水泵和第二流量控制阀。

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