專利名稱：空氣源熱泵熱水器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種熱水器，更具體地說是涉及一種空氣源熱泵熱水器。
背景技術：
目前市面銷售的熱水器有燃氣熱水器、電熱水器、太陽能熱水器以及空氣源熱泵熱水器等幾種熱水器。燃氣熱水器是能過燃燒液化氣、天然氣、酒精等有機燃料來加熱熱水的一種熱水器，該類熱水器容易受水壓、燃氣等因素影響從而導致水溫波動較大，而且容易產生一氧化碳等有毒氣體，危害人們的健康，同時需要消耗大量的不可再生能源，使成本偏高，對環境也會造成嚴重污染。電熱水器是通過消耗電能來加熱水的熱水器，雖然無污染， 但能量轉換效率低，能耗高，而且還有漏電帶來的安全隱患。太陽能熱水器利用真空管收集太陽能來加熱水溫，雖然在節能、環保方面有燃氣熱水器和電熱水器無法比擬的優點，但受天氣影響大，夜晚或陰雨天氣就很難正常使用。空氣源熱泵熱水器是一種目前比較理想的熱水器，它利用逆卡諾循環原理，以極少的耗電量從環境中獲取大量的熱量來加熱水，其效率是電熱水器的3-5倍，所以其運行費用經濟，另外，因熱泵熱水器的水、電是隔離開的，無安全隱患，對環境也無污染。但目前所使用的空氣源熱泵熱水器也還存在不少缺陷1)目前的空氣源熱泵熱水器大多使用的是定速壓縮機，用電高峰輸入電壓下降的情況下，定速機無法正常制熱水，甚至不能正常啟動。而且它只能以固定的轉速運轉，傳送的制冷劑量基本恒定，水溫控制能力差，當進出水溫與設定溫度溫差較小時容易出現壓縮機頻繁開停的現象，而在水溫溫差大的時候，壓縮機不能提供更多的冷媒循環，制熱水能力又顯得不足。2)由于壓縮機轉速固定，當在室外高溫環境下制熱水時，容易引起排氣壓力過高， 排氣溫度過高等現象，同時運行電流大，功率大，極易產生過載，影響壓縮機的使用壽命。而在低溫環境下(-10°C以下)運行時，則蒸發溫度降低，壓縮機吸氣比容增大，吸氣量減少， 出現回氣壓力低而冷凝壓力高的現象，高壓縮比容易導致壓縮機排氣溫度過高，出現頻繁保護甚至影響壓縮機的使用壽命。3)壓縮機的啟動電流大，對電網以及其它用電器存在沖擊。電機以及室外側風扇電機均為普通交流異步電機，交流電機效率只有45 %左右。
實用新型內容本實用新型目的在于克服現有技術的不足，提供一種適用范圍廣、能夠在較寬的溫度帶及較寬的電壓范圍下高效工作的空氣源熱泵熱水器，它恒溫效果好，熱效率高，能在 150V-260V寬電壓下正常工作，對電網無沖擊，使用壽命長。本實用新型的技術方案是這樣的一種空氣源熱泵熱水器，包括主制冷回路、熱水回路及電氣控制系統，所述主制冷回路包括依次連接的壓縮機、四通閥、熱水換熱器、節流裝置、室外換熱器；所述電氣控制系統包括電源電路、輸入模塊、主控板、負載及負載驅動電路，在所述熱水換熱器出口和室外換熱器出口間設置有旁通回路，所述旁通回路上設有電磁閥和電加熱器；所述壓縮機是變頻壓縮機，所述電氣控制系統還包括與主控板連接的變頻控制模塊，所述電源電路還包括升壓型穩壓電路。優選地，所述四通閥的D 口連接變頻壓縮機的排氣口，四通閥的C 口連接熱水換熱器，四通閥的S 口連接儲液器，四通閥的E 口連接室外換熱器；所述的熱水回路包括水箱、進水管路和出水管路，所述熱水換熱器設置在水箱內。優選地，所述變頻壓縮機的排氣管路上設有排氣溫度傳感器；所述壓縮機回氣管路上設有吸氣溫度傳感器；優選地，所述水箱進水管路和出水管路各布置了有進水溫度傳感器和出水溫度傳感器。優選地，所述旁通回路上還設有單向閥。優選地，所述升壓型穩壓電路包括橋式整流電路、電感Li、脈寬調節信號驅動電路、晶體管穩壓電路；所述橋式整流電路連接電感Li，電感Ll與脈寬調節信號驅動電路連接晶體管穩壓電路。優選地，室外風扇電機是直流永磁同步電機或交流異步電機。優選地，所述變頻壓縮機的電機為為直流永磁同步電機。優選地，所述的節流裝置，可以是電子膨脹閥或毛細管。本實用新型的有益效果在于1)本實用新型采用變頻壓縮機和升壓型PFC控制，能將低電壓自動升壓并穩定輸出供變頻壓縮機正常運轉，以適應寬廣的電壓范圍。2)本實用新型增加一輔助加熱的旁通回路，當環境溫度過低時，讓一小部分冷媒通過單向閥，經電磁閥節流后進入電加熱器，冷媒在電加熱器中被加熱成高溫的氣態制冷劑，然后再與主回路的室外換熱器出口的冷媒混合，來提高制冷劑溫度與壓力，即提高回氣溫度，從而提高制熱量和C0P，并降低壓縮機的壓縮比，使得壓縮機的排氣溫度下降，從而提高了壓縮機系統的可靠性。該旁通回路受主控板控制，只在低溫制熱水的狀態動作。3)本實用新型的空氣源熱泵熱水器變頻壓縮機的電機為直流永磁同步電機，效率可高達75%以上，相對定頻壓縮機電機可以節能25-30%。其次直流變頻壓縮機啟動時采用低頻軟啟動技術，啟動電流很小，對電網無沖擊。而且直流變頻壓縮機采用目前最先進的 180度正弦波驅動技術，達到高效節能、低振動低噪音的運行效果。
圖1是本實用新型空氣源熱泵熱水器的制冷系統結構示意圖；圖2是本實用新型空氣源熱泵熱水器的控制原理框圖；圖3是本實用新型空氣源熱泵熱水器的升壓型PFC電路圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種空氣源熱泵熱水器，包括主制冷回路、熱水回路及電氣控制系統，由依次連接的變頻壓縮機1、四通閥2、熱水換熱器3、節流裝置(電子膨脹閥幻、室外換熱器6構成本實用新型的主制冷回路，在熱水換熱器3的出口和室外換熱器6出口間設置有旁通回路，該旁通回路上設有電磁閥8和電加熱器9。[0024]熱水換熱器3放置在水箱4內，由水箱4、進水管路和出水管路組成了熱水回路。 水源從在水箱4的進水口進入，與熱水換熱器3內的制冷劑交換熱量，吸熱升溫后從水箱的出水口流走。如圖1所示，變頻壓縮機1的排氣口與四通閥2的D 口連接，四通閥2的C 口與熱水換熱器3的入口連接，室外換熱器6的出液口與四通閥2的E 口連接，在變頻壓縮機1旁還設有儲液器7，四通閥2的S 口經儲液器7與所述的壓縮機1的吸氣口連接。在旁通回路的電磁閥8前還設有單向閥10。主制冷回路的制冷劑是R410a。變頻壓縮機1的排氣管路上設有一排氣溫度傳感器15，變頻壓縮機1回氣管路上設置有回氣溫度傳感器16，在室外換熱器6的進口設換熱器入口溫度傳感器17，在室外換熱器6附近設置環境溫度傳感器 18。由回氣溫度傳感器16、換熱器入口溫度傳感器17的參數值控制電子膨脹閥5的開度。 由環境溫度傳感器18的參數值控制電磁閥8的啟閉。由排氣溫度傳感器15的參數值控制變頻壓縮機1的頻率大小，當排氣溫度大于一定值時(如120°C )，主控板降低變頻壓縮機 1的運行頻率。在水箱4的進水口和出水口處設置有進水溫度傳感器14和出水溫度傳感器13，兩溫度傳感器的溫度參數差作為壓縮機1頻率的控制輸出的依據。出水溫度與進水溫度的溫差決定壓縮機1的運行頻率，溫差越大變頻壓縮機1運行頻率越高，提供的熱量越多，水溫升得越快，反之溫差低則壓縮機運1行頻率低，產生的熱量少，水溫上升慢，當溫差接近時，壓縮機1以極低頻率運行，維持水溫恒定。在正常制熱水情況下，當水箱出水溫度低于設定值時，由主控板控制變頻壓縮機1 開始啟動制熱水運行，此時四通閥2的D、C 口接通，高溫高壓的制冷劑氣體進入熱水換熱器 3中與水箱4內的水進行熱交換使水溫升高，與水進行熱交換后的制冷劑成為低溫高壓液體經電子膨脹閥5節流后流入室外換熱器6中，并在其中通過室外風扇12與空氣進行熱交換，吸收空氣中的熱量轉變成高溫低壓的氣體，然后從壓縮機1的回氣口回到壓縮機1中， 不斷循環。當運行在低溫環境中，如測得的環境溫度在-12°C以下時，為了獲得較高的制熱水能力，直流變頻壓縮機1以高速運行，冷媒的流量增大，但回氣溫度與回氣壓力還是比較低，壓縮機1的壓縮比升高會導致排氣溫度激增，甚至會超出120°C的保護范圍，因此，本熱水器在熱水換熱器3的出口增加旁通回路，讓一小部分冷媒通過單向閥10并通過小口徑電磁閥8節流后進入電加熱器9，冷媒在電加熱器9中被加熱成相對高溫的氣態制冷劑，與主回路低溫氣態制冷劑混合后使到整個流回變頻壓縮機1的制冷劑溫度與壓力提高，從而提高制熱量和C0P，并降低壓縮機1壓縮比，使排氣溫度下降，提高壓縮機1系統的可靠性。在一般環境溫度下制熱水時，無需對壓縮機1回氣進行升溫補氣，所以旁通回路的電加熱器9不工作，電磁閥8關閉。R410a制冷劑全部流向室外換熱器6。當環境溫度極低(一般低于_12°C)時，才打開電磁閥8，同時開啟電加熱9。參見圖2，電氣控制系統包括電源電路21、輸入模塊22、主控板(DSP) 23、負載沈及負載驅動電路25、變頻控制模塊(IPM)M。圖2是本實用新型空氣源熱泵熱水器的控制原理框圖。交流220V電源經過 EMC濾波處理后進行橋式整流，整流后濾波并進行升壓功率因數校正(PFC)和濾波，生成 300-360V直流電，供給變頻控制模塊(IPM) 24進行壓縮機頻率變換，同時300-360V直流經過開關電源產生+15V和+5V低壓直流電供驅動電路以及主控板(DSP) 23工作。[0031]主控板(DSP) 23連接操作顯示、溫度傳感等輸入模塊22的元件，包括環境溫度傳感器18、排氣溫度傳感器15，回氣溫度傳感器16、換熱器入口溫度傳感器17、進水溫度傳感器14和出水溫度傳感器13等。室外換熱器中部根據采集的溫度點以及輸入的設定水溫等參數控制壓縮機1運行頻率、電子膨脹閥5開度、室外風機、電加熱器以及四通閥的動作。主控板(DSP) 23還連接變頻控制模塊(IPM) 24，變頻控制模塊(IPM)M用于變頻壓縮機1的運行頻率控制。主控板(DSP)23還連接負載驅動電路25，負載驅動電路25用于驅動負載 26 (加熱器、風扇電機、四通閥、電子膨脹閥)的動作。電源電路21包括PFC功率因數校正電路，使得當輸入電壓較低時或較高時，如150V或260V，在P、N端都能輸出穩定的高壓，使系統得以穩定高效運行。電抗器Li、二極管D3、電解電容El在通斷過程的充電、放電過程， 輸出端的直流電壓能被提升到300V以上。當輸入電壓正常時，IGBT晶體管截止，此時輸出直流電壓為正常值。若輸入電壓下降，PFC控制信號輸出PWM驅動信號驅動IGBT晶體管Q1。如圖3所示，本實用新型空氣源熱泵熱水器的升壓型PFC電路原理如下交流電壓輸入經橋式整流電路Dm整流后，通過電抗器Ll以及快恢復二極管D3以及El濾波后輸出直流電壓，Rl串聯在橋式整流電路IMl負極與接地之間，通過采樣電阻Rl兩端電壓降來獲取回路上的電流，該電壓值經過放大電路放大后以及A/D轉換后與單片機內部標準信號進行比較處理產生PWM信號，該信號經由驅動電路控制I GBT晶體管Ql的通斷，從而達到讓電流波形跟蹤電壓的效果。當Ql導通時，橋式整流電路IMl輸出電壓對Ll進行充電，Ll儲能。當Ql截止時， Ll上儲能通過D3疊加到輸出端。如此，只要控制Ql的導通與截止時間，就可以實現輸出端P、N之間電壓值。同時，Ll的電感特性可以使輸出電流波形始終跟蹤電壓波形，達到提高功率因數的效果。從而實現對輸出端P、N之間直流電壓的調節。本實用新型并不局限于以上實施方式，在上述實施方式公開的技術內容下，還可以進行各種變化。凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。
權利要求1.一種空氣源熱泵熱水器，包括主制冷回路、熱水回路及電氣控制系統，所述主制冷回路包括依次連接的壓縮機、四通閥、熱水換熱器、節流裝置、室外換熱器；所述電氣控制系統包括電源電路、輸入模塊、主控板、負載及負載驅動電路，其特征在于在所述熱水換熱器出口和室外換熱器出口間設置有旁通回路，所述旁通回路上設有電磁閥和電加熱器；所述壓縮機是變頻壓縮機，所述電氣控制系統還包括與主控板連接的變頻控制模塊，所述電源電路還包括功率因數校正電路。
2.根據權利要求1所述的空氣源熱泵熱水器，其特征在于所述四通閥的D口連接變頻壓縮機的排氣口，四通閥的C 口連接熱水換熱器，四通閥的S 口連接儲液器，四通閥的E 口連接室外換熱器；所述的熱水回路包括水箱、進水管路和出水管路，所述熱水換熱器設置在水箱內。
3.根據權利要求2所述的空氣源熱泵熱水器，其特征在于所述變頻壓縮機的排氣管路上設有排氣溫度傳感器；所述壓縮機回氣管路上設有吸氣溫度傳感器；
4.根據權利要求3所述的空氣源熱泵熱水器，其特征在于所述水箱進水管路和出水管路各布置了有進水溫度傳感器和出水溫度傳感器。
5.根據權利要求4所述的空氣源熱泵熱水器，其特征在于所述旁通回路上還設有單向閥。
6.根據權利要求1至5任一項所述的空氣源熱泵熱水器，其特征在于所述功率因數校正電路包括橋式整流電路、電感Li、脈寬調節信號驅動電路、晶體管穩壓電路；所述橋式整流電路連接電感Li，電感Ll與脈寬調節信號驅動電路連接晶體管穩壓電路。
7.根據權利要求6所述的空氣源熱泵熱水器，其特征在于室外風扇電機是直流永磁同步電機或交流異步電機。
8.根據權利要求6所述的空氣源熱泵熱水器，其特征在于所述變頻壓縮機的電機為為直流永磁同步電機。
9.根據權利要求1所述的空氣源熱泵熱水器，其特征在于所述的節流裝置，可以是電子膨脹閥或毛細管。
專利摘要本實用新型公開一種空氣源熱泵熱水器，包括主制冷回路、熱水回路及電氣控制系統，所述主制冷回路包括依次連接的壓縮機、四通閥、熱水換熱器、節流裝置、室外換熱器；所述電氣控制系統包括電源電路、輸入模塊、主控板、負載及負載驅動電路，在所述熱水換熱器出口和室外換熱器出口間設置有旁通回路，所述旁通回路上設有電磁閥和電加熱器；所述壓縮機是變頻壓縮機，所述電氣控制系統還包括與主控板連接的變頻控制模塊，所述電源電路還包括功率因數校正電路。本實用新型的空氣源熱泵熱水器可以在高低溫環境以及寬電壓范圍下高效工作，制熱水效果好，是一款節能、環保、恒溫能力強、使用范圍廣的熱水器產品。
文檔編號F24H4/04GK202188633SQ20112030208
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者張敏, 張賢硅 申請人:Tcl空調器(中山)有限公司