TWI841406B - 大氣熱交換系統 - Google Patents

Abstract

一種大氣熱交換系統，係應用在大氣空氣之冷卻除濕，其包含設於一空氣熱交換機體及一設於機體內之冷媒模組所組成，冷媒模組具有利用複數管路串接形成循環迴路之一冷媒壓縮機、一冷凝器、一膨脹裝置、一蒸發器及一液氣分離桶所組成，冷媒壓縮機為變容量控制技術之壓縮機，冷凝器一側具有一可抽排空氣之變量風機，膨脹裝置是一電子膨脹閥式之膨脹裝置，而機體具有一對應蒸發器之空氣入口及一鄰近冷凝器之空氣出口，藉此，當大氣空氣經熱交換機體內部時，能與冷媒模組進行熱交換，讓系統在不同環境溫度與處理熱量時，可達到良好的熱交換效率。

Description

大氣熱交換系統

本發明隸屬一種熱交換之技術領域，具體而言係指一種利用線性控制之大氣熱交換系統。

按，一般大氣熱交換系統係應用於大氣空氣之冷卻乾燥，如除濕系統，其並能廣泛使用在各種環境溫度下，而現有熱交換系統的構成係如圖1所示，其係一種冷卻壓縮空氣之系統，該系統在一空氣-冷媒熱交換器（100）的兩側分別具有一壓縮空氣側（A）及一冷媒側（B），使得高溫高壓高溼氣的壓縮空氣在經過該空氣-冷媒熱交換器（100）時，能與冷媒側（B）進行熱交換形成中溫高壓低濕的壓縮空氣，而該冷媒側（B）具有成循環迴路之一壓縮機（10）、一散熱片組（12）〔即為冷凝裝置〕、一冷媒節流裝置（15）〔即為膨脹裝置〕、與前述空氣-冷媒熱交換器（100）及一液氣分離桶（18）所組成，其中，該散熱片組（12）對應設有一定風量風機（14），而該定風量風機（14）為定轉速控制模式，而該冷媒節流裝置（15）是以毛細管為主，且該壓縮機（12）的輸出管路另外接設有一能回流該液氣分離桶（18）之導流管路（L1），該導流管路（L1）上並設有一熱氣旁通機械閥（19），另外該流體-冷媒熱交換器（100）具有由一球閥（21）及一自動排水器（22）所組成的一排水組（20），供用於排放該空氣-冷媒熱交換器（100）在熱交換過程中的凝結水氣。

而前述現有系統的運作動作中，該冷媒側（B）之冷媒壓縮機（10）產生定量高溫高壓的氣態冷媒透過冷媒管路進入冷凝裝置（12）之散熱片組（13），使高溫高壓的氣態冷媒與該定風量風機（14）所產生的氣流進行熱交換，並且把熱傳遞給大氣氣流，降溫成常溫高壓的液態冷媒，之後進入以毛細管為主的冷媒節流裝置（15），而當常溫高壓的液態冷媒進入毛細管後，與管壁間的摩擦、加速，使冷媒降壓、降溫，使其形成低溫低壓的氣、液冷媒。如此當低溫低壓的氣、液冷媒進入該空氣-冷媒熱交換器（100）後，在此處冷媒與壓縮空氣側（B）的高溫高壓的壓縮空氣進行熱交換，而低溫低壓的氣、液冷媒經過吸收高壓高溫的壓縮空氣熱量，蒸發成低溫低壓的氣態冷媒。如果系統中的蒸發壓力過低時，從冷媒壓縮機（10）產生的高溫高壓的氣態冷媒會通過熱氣旁通機械閥（19）流至低壓側，將熱從高溫側傳遞至低溫側，以穩定蒸發壓力，可避免造成空氣-冷媒熱交換器（100）因蒸發壓力過低，形成結冰影響整體性能，最後低溫低壓的氣態冷媒透過冷媒管路回流至冷媒壓縮機（10）進行壓縮產出高溫高壓的氣態冷媒而再次循環。

而該壓縮空氣側（B）的作動是當高溫、高壓、高濕氣的壓縮空氣進入空氣-冷媒熱交換器（100）後，與冷媒側（B）之低溫低壓冷媒進行熱交換，而冷卻後的壓縮空氣，產生凝結水排出，以降低壓縮空氣的相對濕度與露點，達到乾燥效果，最後中高溫、高壓、低濕的壓縮空氣從流體-冷媒熱交換器（100）離開供給使用端。

透過前述的架構及運作可知，前述現有系統存在一些設計上的問題，諸如：

首先，其選配設計的動力元件與膨脹裝置均為定量能力輸出〔如冷媒壓縮機、散熱風扇〕或是處理範圍較窄的膨脹裝置〔如以毛細管為主的冷媒節流裝置〕，當被處理熱量有所波動時，現有系統無法維持良好的運轉效率，亦或是產生多餘的電力浪費。

其次，前述現有系統問題的發生係因，若冷媒壓縮機以定冷凍能力輸出，在熱負載減小時，其可能發生：1.蒸發壓力與溫度降低，冷媒壓縮容量減少，使用壓縮機效率降低。2.而使用熱氣旁通機械閥穩定蒸發壓力，雖可使壓縮機與熱負載配合，但效率較差。3.因冷媒壓縮機無冷凍能力輸出控制，故在低負載時，耗電量較大。

另，若散熱風扇以定風量輸出，在熱負載減小時，其可能發生：1.冷媒壓縮機吐出管溫度降低，散熱片的散熱量減小；但散熱風扇的風量不變狀況下，散熱片會冷凝出過多的液態冷媒。2.現有系統中若有過多的液態冷媒，冷媒節流裝置無法有效將冷媒降壓、膨脹使冷媒狀態為氣、液混合；而在進入熱交換器後，因過多的液態冷媒阻礙蒸發效果，可能有過多液態冷媒回流至冷媒壓縮機，產生液壓縮。3.因散熱風扇無轉速控制，故在低負載時，耗電量較大。

再者，以毛細管為主的冷媒節流裝置為一種膨脹裝置，當冷媒通過狹小的毛細管時，因管徑縮小而產生摩擦力，使冷媒降壓、降溫與冷媒容積膨脹，使冷媒進入熱交換器時，有較好的蒸發效果，然毛細管選配設計完成時，就無法因為熱負載的波動，而去調整冷媒的體積流率，可能使整體系統不在最佳的運轉效率上。

換言之，現有熱交換系統無法維持良好的運轉效率，又或是存在耗電量大的現象，故難稱良好之設計，有鑑於此，確有必要提供一種新的技術手段，以解決現有系統的相關問題，此係業界所亟待開發者，亦係本發明所欲討論之課題。

有鑑於上述缺失弊端及需求，本發明人遂以從事相關技術以及產品設計製造之多年經驗，針對以上課題加以研究創作，並積極尋求解決之道，經不斷努力的研究與試作，終於成功開發出一種大氣熱交換系統，以期解決前述的問題與困擾。

本發明之主要目的，係在提供一種大氣熱交換系統，藉以能系統在不同環境溫度與處理熱量時，能有最佳的過熱度，以達到良好的熱交換效率。

本發明之次一主要目的，係在提供一種大氣熱交換系統，其可以利用線性控制方式調節散熱風扇的轉速，以減少在低散熱量時產生多餘的電力消耗。

基於此，本發明主要係透過下列的技術手段，來實現前述之目的及其功效，其包含有設於一空氣熱交換機體及一設於該空氣熱交換機體內之冷媒模組所組成；

該冷媒模組具有利用複數管路串接形成循環迴路之一冷媒壓縮機、一冷凝器、一膨脹裝置、一蒸發器及一液氣分離桶所組成，其中該冷媒壓縮機為變容量控制技術之壓縮機，該冷凝器一側具有一可抽排空氣之變量風機，又該冷凝器具有散熱鰭片，而該膨脹裝置是一種電子膨脹閥式之膨脹裝置，另該蒸發器具有吸熱鰭片，且該冷媒壓縮機的輸出管路另外接設有一能回流該液氣分離桶之第一導流管路，該第一導流管路上並設有一冷媒容量調節電磁閥，另該冷媒壓縮機與該冷凝器間的管路上設有一連接該蒸發器輸入端管路之第二導流管，該第二導流管上設有一個二通閥，且該蒸發器上設有一溫度開關，而該二通閥與該溫度開關並形成訊號連結；

該空氣熱交換機體具有一對應該蒸發器之空氣入口，該空氣入口上設有一濕度感測器，且該空氣熱交換機體具有一鄰近該冷凝器之空氣出口，又該空氣熱交換機體內於該蒸發器下方設有一蓄水盤；

藉以當常溫高溼的大氣空氣在經過該空氣熱交換機體內部時，能與該冷媒模組進行熱交換形成中低溫低濕的大氣空氣排出。

藉此，透過上述技術手段的具體實現，使得本發明大氣熱交換系統可利用該冷媒壓縮機為變容量控制技術之壓縮機，且該冷媒節流裝置為電子膨脹閥之膨脹裝置，以及該變量風機為具有轉速控制器之設計，使系統能在不同環境溫度與處理熱量時，有最佳的過熱度與過冷度，以達到良好的熱交換效率，同時可以利用線性控制方式調節變量風機的轉速，以減少在低散熱量時產生多餘的電力消耗，可以用於大氣空氣之冷卻乾燥，且能大幅提升冷卻效率，大幅增進其使用的實用性，從而增加產品的附加價值，並提升其經濟效益。

為使　貴審查委員能進一步了解本發明的構成、特徵及其他目的，以下乃舉本發明之若干較佳實施例，並配合圖式詳細說明如後，同時讓熟悉該項技術領域者能夠具體實施。

本發明係一種大氣熱交換系統，隨附圖例示之本發明的具體實施例及其構件中，所有關於前與後、左與右、頂部與底部、上部與下部、以及水平與垂直的參考，僅用於方便進行描述，並非限制本發明，亦非將其構件限制於任何位置或空間方向。圖式與說明書中所指定的尺寸，當可在不離開本發明之申請專利範圍內，根據本發明之設計與需求而進行變化。

而本發明大氣熱交換系統之構成，係如圖2所示，其應用在大氣空氣之冷卻乾燥使用，該大氣熱交換系統包含有一空氣熱交換機體（50）及一設於該空氣熱交換機體（50）內之冷媒模組（600）所組成，當常溫高溼的大氣空氣在經過該空氣熱交換機體（50）內部時，能與該冷媒模組（600）進行熱交換形成中常溫低濕的大氣空氣；

而該冷媒模組（600）具有利用複數管路串接形成循環迴路之一冷媒壓縮機（60）、一冷凝器（62）、一膨脹裝置（65）、一蒸發器（66）及一液氣分離桶（67）所組成，其中該冷媒壓縮機（60）為變容量控制技術〔PWM〕之壓縮機，而該冷凝器（62）一側具有一可抽排空氣之變量風機（63），該變量風機（63）並具有一轉速控制器（630），使得該變量風機（63）能具有可操控之變風量功能，使該變量風機（63）之風量可被調節，又該冷凝器（62）具有散熱鰭片，且該冷凝器（62）與該膨脹裝置（65）間之管路上依序設有一冷凝壓力感測器（641）、一凝縮管温度感測器（642）及一冷媒高壓保護開關（645），而該膨脹裝置（65）是一種電子膨脹閥式之膨脹裝置，另該蒸發器（66）具有吸熱鰭片，而該蒸發器（66）與該液氣分離桶（67）間的管路上依序設有一過熱管温度感測器（661）及一蒸發壓力感測器（662），且該冷媒壓縮機（60）的輸出管路另外接設有一能回流該液氣分離桶（67）之第一導流管路（L11），該第一導流管路（L11）上並設有一冷媒容量調節電磁閥（68），另該冷媒壓縮機（60）與該冷凝器（62）間的管路上設有一連接該蒸發器（66）輸入端管路之第二導流管（L12），該第二導流管（L12）上設有一個二通閥（61），且該蒸發器（66）上設有一溫度開關（69），而該二通閥（61）與該溫度開關（69）並形成訊號連結，以透過該溫度開關（69）來操控該二通閥（61）之啟閉；

至於，該空氣熱交換機體（50）具有一對應該蒸發器（66）之空氣入口（51），該空氣入口（51）上設有一濾網（52），且該濾網（52）上設有一濕度感測器（520），且該空氣熱交換機體（50）具有一鄰近該冷凝器（62）之空氣出口（53），又該空氣熱交換機體（50）內於該蒸發器（66）下方設有一蓄水盤（55），供承接該蒸發器（66）之凝結水份，再者該蓄水盤（55）下方連接有一水箱（56）、又或一排水管〔圖中未示〕；

藉此，讓系統在不同環境溫度與處理熱量時，能有最佳的大氣熱交換效率，同時可以減少在低散熱量時產生多餘的電力消耗，而組構成一大氣熱交換系統者。

透過前述的結構設計，本發明於實際使用時，係如圖2所示，該冷媒模組（600）在運作上，當冷媒壓縮機（60）產生定量高溫高壓的氣態冷媒透過冷媒管路進入冷凝器（62），而當該空氣熱交換機體（50）上的濕度感測器（520）回饋濕度值至控制系統，若濕度值低於設定值，將開始降低冷媒壓縮機（60）的冷凍能力，而降低方式以PWM控制冷媒容量調節電磁閥（68）的開閉，搭配冷媒壓縮機（60）完成冷凍能力10%~100%的輸出控制；

而當冷媒進入冷凝器（62）後，高溫高壓的氣態冷媒與變量風機（63）所產生的氣流進行熱交換，並把熱傳遞給空氣熱交換機體（50）內的氣流而降溫成常溫高壓的液態冷媒，氣流在經過冷凝器（62）的散熱鰭片之前，先經過蒸發器（66）的吸熱鰭片，而形成低溫低濕的空氣，再經過冷凝器（62）的散熱鰭片後，透過與冷凝器（62）管路中高溫高壓的冷媒熱交換回溫成常溫低濕的空氣，並經由變量風機（63）回送至使用環境；

接著，冷凝壓力感測器（641）將冷凝壓力值回饋至控制系統，以線性控制的方式，依據不同的冷凝壓力透過該轉速控制器（630）改變變量風機（63）的轉速，穩定系統效率與減少電力浪費。而當常溫高壓的液態冷媒經由冷凝器（62）管路進入以電子膨脹閥為主之膨脹裝置（65）後，透過其閥體〔Valve body〕內的針閥〔Needle valve〕使冷媒節流、膨脹，形成低溫低壓的氣、液冷媒。

之後，當熱負載開始波動時，冷媒壓縮機（60）的輸出能力開始改變，並影響過熱度，則膨脹裝置（65）之電子膨脹閥依據不同過熱度的狀況，調整針閥開度，使整個系統維持在最佳的過熱度，而發揮冷媒壓縮機（60）與系統的最佳性能。且當低溫低壓的氣、液冷媒進入蒸發器（66）鰭片中，在此處冷媒與常溫高濕的大氣進行熱交換。常溫高濕的大氣經過蒸發器（66）之吸熱鰭片，將熱量傳遞給蒸發器（66）管路中的低溫低壓氣、液冷媒，使冷媒蒸發成低溫低壓的氣態冷媒，而當常溫高濕的大氣經過蒸發器（66）的吸熱鰭片熱交換後，凝結冷凝水，形成低溫低濕的大氣。

而如果系統中的蒸發壓力過低時，置入在蒸發器（66）的鰭片中的溫度開關（69）會觸發開啟二通閥（61），將冷媒壓縮機（60）產生的高溫高壓冷媒導入至蒸發器（66）的冷媒管路中，以提升蒸發壓力，以防止蒸發器（66）因蒸發壓力過低，導致蒸發器（66）的鰭片與管路形成結冰或結霜，降低與大氣的熱交換能力。因此低溫、低壓的氣態冷媒從蒸發器（66）管路回流至冷媒壓縮機（60）進行冷媒壓縮產出高溫、高壓的氣態冷媒，而持續循環運作。

至於，大氣空氣在運作上，則係常溫高濕的大氣空氣由該空氣入口（51）經濾網（52）進入空氣熱交換機體（50），並經過蒸發器（66）表面，並與因蒸發器（66）管路中低溫低壓冷媒傳導，而降溫的蒸發器（66）鰭片進行熱交換。而常溫高濕的大氣空氣與低溫的蒸發器（66）鰭片進行熱交換，將熱量傳遞給低溫的蒸發器（66）之鰭片，使得該等鰭片表面凝結出水，低落至蓄水盤（55），並利用水箱（56）集中亦或是由水管排出。

而運用此方式可將原常溫高濕的大氣空氣降至目標的相對濕度，達到對使用環境除濕的效果。在完成凝結除濕的大氣空氣，再經過高溫的冷凝器（62）之散熱鰭片，排放至使用環境中。且透過高溫的冷凝器（62）之散熱鰭片進行熱交換，可將除濕後的大氣空氣近一步的降低相對濕度，以達到更好的除濕效果。同時變量風機（63）可依照除濕狀況的改變，調整所需的風扇轉速，以此達到最佳使用情況，使其具備相對溼度監控回饋至控制系統中進行冷媒壓縮機（60）控制。

經由前述的說明可知，本發明之大氣熱交換系統可以利用該冷媒壓縮機（60）為變容量控制技術〔PWM〕之壓縮機，且該膨脹裝置（65）為電子膨脹閥之膨脹裝置，以及該變量風機（63）為具有轉速控制器（630）之設計，使系統能在不同環境溫度與處理熱量時，有最佳的過熱度與過冷度，以達到良好的熱交換效率，同時可以利用線性控制方式調節變量風機（63）的轉速，以減少在低散熱量時產生多餘的電力消耗，可以用於大氣空氣之除濕與冷卻，且能大幅提升除濕及冷卻效率，而增進其實用性。

藉此，可以理解到本發明為一創意極佳之創作，除了有效解決習用技術所面臨的問題，更大幅增進功效，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，同時具有功效的增進，故本發明已符合發明專利有關「新穎性」與「進步性」的要件，乃依法提出申請發明專利。

A:壓縮空氣側 B:冷媒側 10:壓縮機 12:散熱片組 14:定風量風機 15:冷媒節流裝置 18:液氣分離桶 19:熱氣旁通機械閥 20:排水組 21:球閥 22:自動排水器 100:空氣-冷媒熱交換器 50:空氣熱交換機體 51:空氣入口 52:濾網 520:濕度感測器 53:空氣出口 55:蓄水盤 56:水箱 600:冷媒模組 60:冷媒壓縮機 61:二通閥 62:冷凝器 63:變量風機 630:轉速控制器 641:冷凝壓力感測器 642:凝縮管温度感測器 645:冷媒高壓保護開關 65:冷媒節流裝置 661:過熱管温度感測器 662:蒸發壓力感測器 67:液氣分離桶 68:冷媒容量調節電磁閥 69:溫度開關 L11:第一導流管 L12:第二導流管

圖1：係現有之熱交換系統的架構示意圖。 圖2：係本發明之架構示意圖，供說明其各元件之態樣及其相對關係。

50:空氣熱交換機體

51:空氣入口

52:濾網

520:濕度感測器

53:空氣出口

55:蓄水盤

56:水箱

600:冷媒模組

60:冷媒壓縮機

61:二通閥

62:冷凝器

63:變量風機

630:轉速控制器

641:冷凝壓力感測器

642:凝縮管温度感測器

645:冷媒高壓保護開關

65:冷媒節流裝置

661:過熱管温度感測器

662:蒸發壓力感測器

67:液氣分離桶

68:冷媒容量調節電磁閥

69:溫度開關

L11:第一導流管

L12:第二導流管

Claims (7)

1. 一種大氣熱交換系統，其包含有設於一空氣熱交換機體及一設於該空氣熱交換機體內之冷媒模組所組成； 該冷媒模組具有利用複數管路串接形成循環迴路之一冷媒壓縮機、一冷凝器、一膨脹裝置、一蒸發器及一液氣分離桶所組成，其中該冷媒壓縮機為變容量控制技術之壓縮機，該冷凝器一側具有一可抽排空氣之變量風機，又該冷凝器具有散熱鰭片，而該膨脹裝置是一種電子膨脹閥式之膨脹裝置，另該蒸發器具有吸熱鰭片，且該冷媒壓縮機的輸出管路另外接設有一能回流該液氣分離桶之第一導流管路，該第一導流管路上並設有一冷媒容量調節電磁閥，另該冷媒壓縮機與該冷凝器間的管路上設有一連接該蒸發器輸入端管路之第二導流管，該第二導流管上設有一個二通閥，且該蒸發器上設有一溫度開關，而該二通閥與該溫度開關並形成訊號連結； 該空氣熱交換機體具有一對應該蒸發器之空氣入口，該空氣入口上設有一濕度感測器，且該空氣熱交換機體具有一鄰近該冷凝器之空氣出口，又該空氣熱交換機體內於該蒸發器下方設有一蓄水盤； 藉以當常溫高溼的大氣空氣在經過該空氣熱交換機體內部時，能與該冷媒模組進行熱交換形成中常溫低濕的大氣空氣排出。
2. 如請求項1所述之大氣熱交換系統，其中，該變量風機具有一轉速控制器，使得該變量風機能具有可操控之變風量功能。
3. 如請求項1所述之大氣熱交換系統，其中，該冷凝器與該膨脹裝置間之管路上依序設有一冷凝壓力感測器、一凝縮管温度感測器及一冷媒高壓保護開關。
4. 如請求項1～3中任一項所述之大氣熱交換系統，其中，該蒸發器與該液氣分離桶間的管路上依序設有一過熱管温度感測器及一蒸發壓力感測器。
5. 如請求項1所述之大氣熱交換系統，其中，該空氣熱交換機體之空氣入口上設有一濾網。
6. 如請求項1或5所述之大氣熱交換系統，其中，該空氣熱交換機體之蓄水盤下方連接有一水箱。
7. 如請求項1或5所述之大氣熱交換系統，其中，該空氣熱交換機體之蓄水盤下方連接有一排水管。

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