專利名稱：熱泵和加熱流體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱泵和加熱流體的方法。更具體地，然而非排斥 性地，本發(fā)明涉及一種熱虹吸泵和利用大氣熱量來加熱水的熱虹吸方 法。
背景技術(shù)：
生產(chǎn)熱水的成本較高，該成本因熱水器的高成本而增大。電、太 陽能、氣和熱泵熱水器都存在一定的缺點(diǎn)。由于電熱水器的運(yùn)行成本 相對(duì)較高并且會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的污染物，因此電加熱系統(tǒng)并不受歡迎。 而太陽能熱水器非常昂貴，并且在許多國(guó)家存在大量限制，出于美觀等原因在小商店住宅群(houtique housing development)等場(chǎng)所不能使 用。太陽能熱水器通常需要輔助能源，例如會(huì)產(chǎn)生污染的電和天然氣 等不可再生能源。天然氣是電熱水器的另一種替代品，然而這些系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生有害 的溫室空氣并使用不可再生能源。提供熱水的另一種方法是熱泵，利用制冷劑氣體和壓縮機(jī)吸收周 圍大氣中的熱量。現(xiàn)有技術(shù)中的熱泵成本昂貴，并且依靠電能為泵提 供動(dòng)力。而且，由于熱泵在大氣溫度低于10。C時(shí)不能工作，使熱泵在 許多場(chǎng)所都不適用，因此現(xiàn)有技術(shù)中熱泵的實(shí)用性降低或者增大對(duì)上 述不可再生能源、電能和天然氣等輔助能源的依賴。在家庭和其它建筑物中使用的大多數(shù)熱水器是通過電、氣或太陽 能，或其組合提供動(dòng)力的。更換所有現(xiàn)存熱水箱需要一筆高額的費(fèi)用， 并且需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間來獲得有利的能源和污染成本/經(jīng)濟(jì)效益。因 此需要一種能夠以較低成本提供熱水的替代品，其具有與現(xiàn)存水箱相 適配的能力。在本說明書中，術(shù)語"包括"、"包含"或類似術(shù)語意圖指非排斥 性的包含，從而包括一個(gè)列表的部件的裝置、方法或系統(tǒng)不僅僅包括這些部件，而是還可以包括其它未列出的部件。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種包含熱虹吸管的熱泵，其是現(xiàn)有 熱泵的有效商業(yè)替換品。本發(fā)明的其它目的通過下面的描述將會(huì)更加 顯而易見。在一種形式中，盡管不需要是僅有的形式為或?qū)嶋H上最寬的形式， 本發(fā)明涉及一種熱泵，其包括將熱量從吸入空氣傳遞給第一流體并將 溫度低于環(huán)境溫度的吸入空氣排出的蒸發(fā)器，用于壓縮和泵送第一流 體的壓縮機(jī)，和改進(jìn)的熱交換器，其中改進(jìn)在于該改進(jìn)的熱交換器 包括用于由壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)加熱壓縮第一流體的第一通道和用于由熱 對(duì)流驅(qū)動(dòng)的第二流體的第二通道。發(fā)明人新穎地利用熱虹吸技術(shù)來驅(qū)動(dòng)第二流體的流通，因此不再 需要泵來泵送第二流體，這樣具有降低成本、減小能源利用和減小噪 音和溫室氣體污染等優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)方面中，吸入空氣由蒸發(fā)器的正常操作所產(chǎn)生的熱量加熱 到高于環(huán)境溫度，熱量從經(jīng)加熱的吸入空氣傳遞給第一流體。在另一個(gè)方面中，熱泵還包括第二熱交換器，其包括用于來自壓 縮機(jī)的經(jīng)加熱壓縮的第一流體的第三通道，和用于來自熱交換器的已 經(jīng)與第二流體進(jìn)行熱交換的經(jīng)壓縮第一流體的第四通道。在又一個(gè)方面中，本發(fā)明還包括裝滿第二流體的存儲(chǔ)箱。與現(xiàn)有熱泵不同，本發(fā)明的熱泵能夠在低于10°C甚至低于0°C的 情況下工作。本發(fā)明的第二方面涉及一種熱水器，其包括水箱和熱泵，所述熱 泵包括將熱量從吸入空氣傳遞給第一流體并將處于較低溫度的吸入空 氣排出的蒸發(fā)器，用于壓縮和泵送經(jīng)加熱的第一流體的壓縮機(jī)，和改 進(jìn)的熱交換器，其改進(jìn)在于熱交換器包括用于由壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)加 熱壓縮的第一流體的第一通道和用于由熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)的第二流體的第二 通道。在另一種形式中，本發(fā)明涉及一種加熱水的方法，包括下列步驟 通過蒸發(fā)器吸入環(huán)境空氣；在蒸發(fā)器中利用吸入空氣加熱第一流體；將吸入空氣作為較冷氣休排出；壓縮經(jīng)加熱的第一流體；通過熱交換 器泵送經(jīng)加熱壓縮的第一流體；和通過將熱量從經(jīng)加熱壓縮的第一流 體熱交換至水，而加熱熱交換器中的水，借此由熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)水的流通。 通過下面的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征將會(huì)更加明顯。


下文屮，僅僅通過實(shí)例的方式，參考附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明 的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中類似的附圖標(biāo)記表示類似的部件，其中 圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱泵的示意圖； 圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱交換器的局部的示意圖； 圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱交換器的局部的剖視圖； 圖4示出本發(fā)明熱交換器的一個(gè)實(shí)施例，示出不同長(zhǎng)度和寬度的 熱交換器的特征；圖5示出根據(jù)本發(fā)明熱交換器的實(shí)施例的第一和第二通道的并排 布置；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的熱交換器的實(shí)施例的第一和第二通道的上 下布置；圖7示出根據(jù)本發(fā)明熱交換器的實(shí)施例的第一和第二通道的另一 種上下布置；圖8示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱交換器的第一和第二通道同軸布 置的；圖9示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的熱交換器內(nèi)管的透視圖；圖10示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包含冰凍管理系統(tǒng)的熱泵的示意圖；圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的裝配到水箱上的熱泵的示意圖； 圖12示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的包含冰凍管理系統(tǒng)的熱泵的示 意圖；圖13示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的包含電氣元件的熱泵的示意圖；圖14示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的包含膨脹裝置的熱泵的示意圖。7具體實(shí)施例參考圖l，提供了熱泵l，其包括蒸發(fā)器2、壓縮機(jī)3和熱交換器 4。如圖2中清晰可見，熱交換器4包括第一通道5和第二通道6。第 一流體通過第一通道5循環(huán)，第二流體流過第二通道6。結(jié)合第一通道 5是外管7而第二通道6是內(nèi)管8的實(shí)施例來描述熱交換器4，然而本 發(fā)明并不局限于該實(shí)施例。圖2示出改進(jìn)熱交換器4的實(shí)施例，其中外管7和內(nèi)管8是同軸 的。在該同軸實(shí)施例中，內(nèi)管8是芯，而外管7是包圍同軸芯的外殼。如圖3中清晰可見，蒸發(fā)器2包括進(jìn)氣口 9和排氣口 10。圖3的 實(shí)施例所示出的進(jìn)氣口 9還包括風(fēng)扇11，該風(fēng)扇11幫助空氣通過熱泵 l循環(huán)，但是風(fēng)扇11不是蒸發(fā)器2的必備部件?？諝馔ㄟ^進(jìn)氣口9被 吸入到蒸發(fā)器2中。吸入空氣處于環(huán)境溫度并用于加熱位于蒸發(fā)器2 中的第一流體。然后通過壓縮機(jī)3將被加熱的第一流體從蒸發(fā)器2中 泵送給壓縮機(jī)3。當(dāng)已與第一流體進(jìn)行熱交換的環(huán)境空氣作為相對(duì)較冷 空氣從蒸發(fā)器2中排出時(shí)，空氣被吸入到蒸發(fā)器2中。有利地，在一個(gè)實(shí)施例中，與圖3所示類似，蒸發(fā)器2被配置成 使得吸入蒸發(fā)器2中的處于環(huán)境溫度的空氣流經(jīng)或通過蒸發(fā)器2的在 正常工作過程中變熱的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。以此方式，被吸入的環(huán)境空 氣被加熱到高于環(huán)境溫度的溫度。利用工作熱量來加熱環(huán)境空氣不會(huì) 產(chǎn)生額外的能源成本，與現(xiàn)有熱泵相比，還會(huì)增大熱泵1的效率和可 工作溫度范圍。以與環(huán)境空氣相同的方式使用被加熱的環(huán)境空氣來加 熱第一通道5中的第一流體。壓縮機(jī)3壓縮被加熱的第一流體，這樣具有進(jìn)一步加熱第一流體 的效果。然后通過壓縮機(jī)3將經(jīng)加熱壓縮的第一流體從壓縮機(jī)3泵送 到熱交換器4中。應(yīng)該理解第一流體可以是氣體或液體，其相態(tài)取決于壓力和溫度。 因此，第一流體的相態(tài)取決于在熱泵1中每一點(diǎn)上的溫度和壓力。然 而，為了簡(jiǎn)化說明，從壓縮機(jī)3排出到進(jìn)入蒸發(fā)器2中，將第一流體 稱作"經(jīng)壓縮的第一流體"，從對(duì)其進(jìn)行減壓的蒸發(fā)器2排出直到進(jìn)入 壓縮機(jī)3為止，將第一流體稱作"第一流體"。流體是制冷劑。圖2中所示的外管7與內(nèi)管8的同軸布置，允許第一流體與第二 流體之間可以進(jìn)行有效的熱交換。外管7的空心結(jié)構(gòu)允許第一流休可 以在由壓縮機(jī)3驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下流通。內(nèi)管8也是空心結(jié)構(gòu)，并構(gòu)成允 許第二流體通過第二通道6流通的對(duì)流路徑，以被熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)。由熱 對(duì)流引起的第二流體的運(yùn)動(dòng)被稱作熱虹吸，是進(jìn)入外管7中的經(jīng)加熱 壓縮的第一流體與流經(jīng)內(nèi)管8的第二流體之間熱交換的結(jié)果。進(jìn)入外管7的經(jīng)加熱壓縮的第一流體與第二流體進(jìn)行熱交換，并 作為冷的經(jīng)壓縮第一流體排出外管7。第二流體作為相對(duì)較冷的第二流 體進(jìn)入內(nèi)管8，并作為被加熱的第二流體而排出內(nèi)管8。將冷的經(jīng)壓縮第一流體從外管7泵出并返回到對(duì)其進(jìn)行減壓的蒸 發(fā)器2中。在減壓之后，冷的第一流體在蒸發(fā)器2中利用吸入空氣再 次被加熱，繼續(xù)循環(huán)進(jìn)行上述熱交換處理，在循環(huán)中壓縮機(jī)3驅(qū)動(dòng)第 一流體循環(huán)，對(duì)流驅(qū)動(dòng)第二流體流通。與吸入空氣類似，在對(duì)被加熱的相對(duì)較冷的第一流體進(jìn)行減壓的 過程中所產(chǎn)生的蒸汽通過排氣口 10排出。本發(fā)明的熱泵1用以通過從環(huán)境空氣中吸收熱量以加熱由泵驅(qū)動(dòng) 的第一流體例如制冷劑，接著通過將熱量從第一流體交換給第二流體 來加熱由熱虹吸驅(qū)動(dòng)的第二流體例如水。熱泵1的一個(gè)形式是制冷劑 加熱系統(tǒng)。將第一流體通過熱泵1泵出所需的泵送力由壓縮機(jī)3提供。 然而，有利地，在一個(gè)實(shí)施例中，熱泵1還可以包括泵(未示出)以 提供附加的泵送力。上述的和圖2中所示的第一通道5與第二通道6同軸布置，對(duì)于 從第一流休到第二流體的熱交換特別有效。圖4示出了熱交換器4其 它特征的同軸實(shí)施例，其中內(nèi)管長(zhǎng)度12全部位于外管7內(nèi)，而內(nèi)管入 口 13和內(nèi)管出口 14都位于外管7的外部。上面已經(jīng)參考第一流體被泵送通過熱交換器4的第一通道5和第 二流休由熱虹吸驅(qū)動(dòng)流過熱交換器4的第二通道6，描述了上述制冷劑 加熱系統(tǒng)。應(yīng)該理解第一和第二流體的通道可以對(duì)換，其中第一流休 被泵送通過熱交換器4的第二通道6，而第二流體在熱對(duì)流作用下流過 熱交換器4的第一通道5。在此可選配置中，第一流體和第二流體的流動(dòng)必須被設(shè)計(jì)成第二流體被加熱時(shí)由于熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)而上升。同樣地，熱交換器4的同軸實(shí)施例中也包含另一種同軸配置，其中熱交換器4 的第一通道5是內(nèi)管8而熱交換器4的第二通道6是外管7。圖2所示的外管7與內(nèi)管8的同軸布置允許第一流體與第二流體 之間進(jìn)行冇效的熱交換。第一通道5與第二通道6不要求被同軸布置， 允許熱量從第一流休傳遞到第二流體和允許第二流體的熱對(duì)流(熱虹 吸)的第一通道5與第二通道6的任何配置均包含其中。圖5-8中示ffi 了第一通道5與第二通道6相鄰或靠近布置的另外一些實(shí)例。圖5示出熱交換器4的并排實(shí)施例，其中第一通道5包括左側(cè)管 15，且第二通道6包括右側(cè)管16。圖6示出熱交換器4的另一個(gè)實(shí)施 例，其中第一通道5包括上管18，且第二通道6包括下管19。圖7示 出類似的上下配置的熱交換器4，其中第一通道5包括上管21，且第 二通道6包括下管22。圖6和圖7所示實(shí)施例的區(qū)別在于圖6示出的 上下配置中與豎直方向的角度大于卯。，而圖7示出的上下配置與豎 直方向的角度成小于90° 。圖8中示出了另一種合適的配置，其中第一通道5與第二通道6 同軸并且外部的第一通道包括環(huán)繞外管24，該外管24形成纏繞在包含 內(nèi)芯管25的第二通道周圍的多個(gè)同心環(huán)。為進(jìn)一步提高某些實(shí)施例中熱交換器的效率，進(jìn)行熱交換的表面 為直接接觸。圖8中示出了這樣的實(shí)施例，其中環(huán)繞外管24的表面與 內(nèi)芯管25的表面直接接觸。為進(jìn)一步提高熱交換器的效率，在某些實(shí)施例中，第一通道5與 第二通道6共用壁，如圖2和5-7所示。圖2示出構(gòu)成外管7內(nèi)表面和 內(nèi)管8外表面的共用壁26。類似地，圖5、 6、 7中分別示出共用壁17、 共用壁20和共用壁23。共用壁26、 17、 20和23是進(jìn)行從第一流體到 第二流體的熱交換的壁。在共用壁的實(shí)施例中，第一流體與第二流體 流經(jīng)共用壁26、 17、 20、 23的相反表面。有利地，共用壁實(shí)施例的有 效熱交換還可以通過圖5所示的并排配置和圖6和圖7所示的上下配 置中獲得。為進(jìn)--歩提高熱交換器的效率，熱交換器4的第一通道5和第二 通道6被構(gòu)造成整體，第一通道5和第二通道6上的進(jìn)行熱交換的表面被構(gòu)造成能夠增大進(jìn)行熱交換表面面積的形狀。增大第一通道5和 第二通道6表面面積的適宜形狀是圖2所示的肋形27，和圖9中所示 的凸起螺旋形28。為有效的熱虹吸，第二通道6被設(shè)置成以使第二通道6豎直地或 接近豎直地運(yùn)行。圖5屮示出了這種豎直的實(shí)施例。在其它實(shí)施例中， 第二通道6被設(shè)置成與豎直方向的角度在±45°角度范圍內(nèi)。圖6和 圖7中示出了第二通道與豎直方向成±45°角的實(shí)施例。在優(yōu)選實(shí)施例中，為增大第一流體與第二流休之間的熱交換，流 體沿相反方向流動(dòng)，即第一和第二流體反向流動(dòng)。在該反向流動(dòng)實(shí)施 例中，第二通道'6必須被設(shè)置成沿著允許第二流體僅僅由熱對(duì)流驅(qū)動(dòng) 的方向。現(xiàn)有技術(shù)熱泵的缺點(diǎn)是在低于10。C熱泵蒸發(fā)器結(jié)冰情況下不能有 效工作。除冰的常規(guī)方法，是如空調(diào)中所采用的進(jìn)行逆循環(huán)。然而， 這在水加熱中由于會(huì)使水變冷，并且在例如如下所述的熱泵被裝配到 水箱上的實(shí)施例中，會(huì)將冷水循環(huán)到儲(chǔ)水箱中，因此是不希望出現(xiàn)的。圖10中示出熱泵101，該熱泵101帶有冰凍管理系統(tǒng)129，其使 得可以在低于IO。C時(shí)工作。冰凍管理系統(tǒng)129包括第二熱交換器130，其包括第三通道131, 從壓縮機(jī)103中排出的經(jīng)加熱壓縮的第一流體在壓縮機(jī)103的泵送作 用下驅(qū)動(dòng)通過該第三通道131 。第二熱交換器130還包括第四通道132， 已經(jīng)從熱交換器104排出的冷的經(jīng)壓縮的第一流體流過該通道，且也 由壓縮機(jī)103泵送。在第二熱交換器130中，經(jīng)加熱壓縮的第一流體與冷的經(jīng)壓縮第 一流體進(jìn)行熱交換。因此，從第三通道131排出的第一流體是相對(duì)冷 的經(jīng)加熱壓縮的第一流體，而從第四通道132排出的第一流體是相對(duì) 暖的冷的經(jīng)壓縮第一流體。應(yīng)該理解相對(duì)冷的經(jīng)加熱壓縮的第一流體 本身并不冷，只是與經(jīng)加熱壓縮的第一流體相比相對(duì)較冷。相對(duì)冷的 經(jīng)加熱壓縮的第一流體可在熱交換器104中與第二流體進(jìn)行熱交換以 產(chǎn)生經(jīng)加熱的第二流體。在第三通道〗31中將冷的經(jīng)壓縮第一流體加熱至相對(duì)暖的冷的經(jīng) 壓縮第一流體，可減小生成冰的機(jī)率，并具有使熱泵101在低至0°C至4°C溫度時(shí)可以有效工作的顯著效果。在另一個(gè)實(shí)施例中，冰凍管理系統(tǒng)129還包括檢測(cè)蒸發(fā)器102入口處第一流體溫度的恒壓/恒溫閥(未示出)。恒壓/恒溫閥用于在進(jìn)入 蒸發(fā)器102的正在循環(huán)的第一流體的溫度低于設(shè)定壓力/溫度時(shí)操作冰 凍管理系統(tǒng)129。在一個(gè)實(shí)施例屮，怛壓/恒溫閥用于在進(jìn)入蒸發(fā)器102 的經(jīng)壓縮的第一流體在大約300-25000千帕壓力時(shí)，操作冰凍管理系統(tǒng) 129。在另一個(gè)實(shí)施例中，恒壓/怛溫閥用于在進(jìn)入蒸發(fā)器102的經(jīng)壓縮 的第一流體在溫度小于10° C或在大約0° C到10° C范圍時(shí)，操作 冰凍管理系統(tǒng)129。熱泵1和101以及下文中描述的熱泵的效率和低溫操作性，可以 通過將低沸點(diǎn)制冷劑作為第一流體而得到進(jìn)一步的提升?，F(xiàn)有熱泵利 用空調(diào)制冷劑作為第一流休，提供大約55° C的熱水。熱泵1和101 以及下文中描述的熱泵被設(shè)計(jì)成使用空調(diào)制冷劑等常規(guī)制冷劑或使用 低沸點(diǎn)制冷劑。使用低沸點(diǎn)制冷劑會(huì)產(chǎn)生較高的冷凝溫度并有利于產(chǎn) 生熱水。熱泵1在55° C時(shí)的預(yù)期平均性能系數(shù)(COP)是3至3.2,這與 其它家用熱水熱泵等值。熱泵1在65° C時(shí)的預(yù)期COP大約是2。由本發(fā)明人做出的進(jìn)一步的重要進(jìn)步是防止現(xiàn)有技術(shù)熱泵中發(fā)生 的第一流體過熱?，F(xiàn)有技術(shù)熱泵在裝配到水箱上時(shí)使第一流休從熱交 換器返回到與最熱第二流體直接相鄰的壓縮機(jī)屮，其將給比預(yù)期更熱 的第一流體傳送蒸發(fā)器中，且是低效率的。發(fā)明人通過冇利地將熱泵l 和101以及下文中描述的熱泵布置在水箱外部并且使第一流體的路徑 隔離，以防止第一流體過熱。圖11示出熱泵1位于水箱34外的實(shí)施 例。熱泵1和101以及下文中描述的熱泵非常有益的特征在于它們適 于簡(jiǎn)單地改裝在例如家用水箱等現(xiàn)有儲(chǔ)水箱上，并包括具有例如80、 125、 160、 180和250升或更大容量的家用水箱。熱泵1和101以及下 文中描述的熱泵易于利用T形接頭等改裝到帶有分開的流動(dòng)出口和返 回入口的水箱上。當(dāng)與水箱一起使用吋，熱泵1和101以及后面描述熱泵會(huì)從水箱 中抽出例如水等笫二流體。如圖11所示，水箱34包括水箱入口35和水箱出口 36。水箱入口 35和水箱出口 36連接到熱交換器4的第二通 道6。存儲(chǔ)在水箱34中的例如水等第二流體通過水箱出口 36從水箱 34排出，進(jìn)入熱交換器4的第二通道6，流體在此被加熱并通過水箱 入口 35返回到水箱34中作為經(jīng)加熱的第二流體。如上所述，當(dāng)?shù)诙?流體穿過第二通道6時(shí)，被通過熱交換器4的第一通道5循環(huán)的經(jīng)加 熱壓縮第一流體加熱，且第二流體的流動(dòng)由對(duì)流驅(qū)動(dòng)。閔此，返回水箱34的第二流體已經(jīng)由來向第一流休的熱量加熱r。第二流體從水箱34通過熱交換器4返回到水箱34中的循環(huán)加熱 運(yùn)動(dòng)由熱對(duì)流來驅(qū)動(dòng)，從而熱交換器4中水與水箱34中水的溫差越大， 則二者之間的流動(dòng)越快。如圖ll所示，為了使熱虹吸效率達(dá)到最大，水箱34優(yōu)選地具冇 位于水箱34底部的水箱出口 36和位于水箱34頂部的水箱入口 35。在 此配置中，熱交換器4可以方便地安裝在水箱34的側(cè)面上，第二通道 6被定位成豎直地或接近豎直，即在與豎直方向成±45°的范圍內(nèi)。圖12示出另外一個(gè)實(shí)施例的熱泵201，其包括冰凍管理系統(tǒng)229。 與上述熱泵l、 101相同，第一流體在熱泵201中的通道是循環(huán)的。下 文中描述第一流體在熱泵201中的循環(huán)。在與熱交換器204中的第二流體進(jìn)行熱交換之后，第一流體在蒸 發(fā)器202的冷卻回路240中冷卻。為了有效地冷卻第二流休，冷卻回 路240可以被布置成以使已經(jīng)與第一流體進(jìn)行熱交換的較冷氣體流過。 第一空氣的該冷卻將熱量從熱泵201中吸收并增大在蒸發(fā)器202中加 熱第一流體的效率。在從蒸發(fā)器202排出之后，第一流體流過冰凍管理系統(tǒng)229，其與 冰凍管理系統(tǒng)29功能類似,也可以根據(jù)環(huán)境溫度的波動(dòng)而打開和關(guān)閉。 當(dāng)冰凍管理系統(tǒng)229運(yùn)行時(shí)，已從蒸發(fā)器202排出的第一流體在冰凍 管理系統(tǒng)229中被從壓縮機(jī)203中排出的第一流體加熱。第一流體從冰凍管理系統(tǒng)229中排出，在蒸發(fā)器202的加熱回路 242中被吸入的環(huán)境空氣加熱，然后通過壓縮機(jī)203泵出。接下來，如果冰凍管理系統(tǒng)運(yùn)行，則熱氣旁路閥245將引導(dǎo)一部 分經(jīng)加熱壓縮的第一流休通過冰凍管理系統(tǒng)229與從冷卻回路240排 出的第一流體混合并對(duì)其進(jìn)行加熱。經(jīng)加熱混合的第一流休然后繼續(xù)進(jìn)入到加熱回路242中。木領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地選擇恰當(dāng)比例的 經(jīng)加熱壓縮第一流休來引導(dǎo)通過冰凍管理系統(tǒng)229。該部分可以是，例 如，1%、 2%、 3%、 4%、 5%、 60/。、 7%、 8%、 9%、 10%、 11%、 120/0、 13%、 14%、 15%、 16%、 17%、 18%、 19%、 20%、 30%、 40%或50%。 在一個(gè)實(shí)施例中，使用比例達(dá)到20%的。沒有被閥245引導(dǎo)至冰凍管理系統(tǒng)229的經(jīng)加熱壓縮第一流體流 過熱交換器204，在此加熱來自水箱234的第二流體。本領(lǐng)域U術(shù)人員:夠很容易地選;恰當(dāng)數(shù)量的縱^部和橫向部。B "圖13中示出的冰凍管理系統(tǒng)329包括低瓦數(shù)電氣元件350，在環(huán) 境空氣溫度《5。C時(shí)接通并加熱。通過利用溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境空氣 溫度，可以電氣控制和自動(dòng)控制電氣元件350的接通和斷開。加熱的 電氣元件350會(huì)加熱冰凍管理系統(tǒng)329中的第一流體。在一個(gè)實(shí)施例中，電氣元件350的存在允許省略旁路閥245。 在溫度《5。C時(shí)，還可以加大蒸發(fā)器302中的風(fēng)扇(未示出)的 速度。圖14所示的熱泵201包括膨脹裝置460，其工作以減小第一流體 的壓力因而冷卻第一流體。第一氣體的該冷卻將熱量從熱泵401中吸 出同吋增大第一流體在蒸發(fā)器442中的加熱效率。在一個(gè)實(shí)施例中， 膨脹裝置460是Tx閥，而在另外一個(gè)實(shí)施例中為毛細(xì)管。 木發(fā)明人已示出熱泵201在一1。C時(shí)可有效工作。 發(fā)明人的其它試驗(yàn)也已經(jīng)示出僅300瓦的電氣元件350在熱泵301 中可以有效工作。這與需要3000—3600瓦來工作的現(xiàn)有熱泵相比非常 有利。本發(fā)明還包括一種利用上述用于加熱水的熱泵1、 10和201來加 熱水的方法。除了包括加熱水的方法之外，本發(fā)明還包括一種水加熱系統(tǒng)，其 包括吸入環(huán)境空氣的裝置；利用吸入空氣加熱第一流體并將吸入空氣 作為相對(duì)較冷的空氣排出；用于B 縮經(jīng)加熱的第一流體并將經(jīng)加熱壓 縮的第一流體泵出流過熱交換器的裝置；和用于加熱水的改進(jìn)裝置， 其中改進(jìn)在于利用熱虹吸使水通過經(jīng)改進(jìn)的熱交換器排出，并利用經(jīng)加熱壓縮的第一流體來加熱水。在此，通過本發(fā)明人新穎地利用熱虹吸技術(shù)的自然熱對(duì)流，以使例如水等的流體通過的優(yōu)點(diǎn)，熱泵1、 101和201和使用熱泵1、 101 和201的方法和系統(tǒng)提供一種解決減小對(duì)不可再生能源的依賴，減小 污染并提供低成本熱水等問題的方案。此外，熱泵、101和201和本發(fā)明的方法及系統(tǒng)可以在比現(xiàn)有熱 泵工作溫度更低的環(huán)境屮工作，這樣可將熱泵的使用延伸到至今不能 工作的場(chǎng)所。本發(fā)明的改進(jìn)方面還具有更多的優(yōu)點(diǎn)由于無需更換儲(chǔ)水箱而減 小更換成本；由于本發(fā)明的熱泵l、 101和201可以安裝在現(xiàn)有水箱上 而可以節(jié)省空間。在整個(gè)說明書中，對(duì)本發(fā)明的目的進(jìn)行了描述，而不將本發(fā)明限 制在任何一個(gè)實(shí)施例上或具體特征的集合。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解 對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的各種變形，無論如何都落在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱泵，包括將熱量從吸入空氣傳遞給第一流體并將已經(jīng)交換熱量的溫度低于環(huán)境溫度的所述吸入空氣排出的蒸發(fā)器，用于壓縮和泵送所述第一流體的壓縮機(jī)，和改進(jìn)的熱交換器，其特征在于所述改進(jìn)的熱交換器包括用于由所述壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)加熱壓縮的第一流體的第一通道和用于由熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)的第二流體的第二通道。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中所述吸入空氣被所述蒸發(fā)器的 正常操作所產(chǎn)生的熱量加熱到高于環(huán)境溫度，且熱量從經(jīng)加熱的吸入 空氣傳遞到所述第一流體。
3. 如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中所述第一通道和第二通道同軸。
4. 如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中所述第一通道和第二通道并排 布置。
5. 如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中所述第一通道和第二通道共用 公共壁。
6. 如權(quán)利要求5所述的熱泵，其中所述公共壁帶有助。
7. 如權(quán)利要求5所述的熱泵，其中所述公共壁包括凸起螺旋。
8. 如權(quán)利要求1所述的熱泵，其中所述蒸發(fā)器還包括冷卻回路。
9. 如權(quán)利耍求8所述的熱泵，其中所述冷卻回路被設(shè)置成暴露在 已經(jīng)交換熱量的空氣中。
10. 如權(quán)利耍求]所述的熱泵，還包括第二熱交換器，其從所述壓 縮機(jī)接收經(jīng)加熱壓縮的第一流休，并從所述熱交換器接收經(jīng)壓縮的第 一流體。
11.如權(quán)利要求10所述的熱泵，其中閥控制所述第一流體從所述壓縮機(jī)到所述第二熱交換器的流動(dòng)。
12. 如權(quán)利要求10所述的熱泵，其中所述第二熱交換器還包括用 于來自所述壓縮機(jī)的經(jīng)加熱壓縮的第一流體的第三通道，和用于來自 所述熱交換器的已經(jīng)與所述第二流體進(jìn)行熱交換的經(jīng)壓縮的第一流體 的第四通道。
13. 如權(quán)利要求10所述的熱泵，其中來自所述壓縮機(jī)的所述經(jīng)加 熱壓縮的第一流體與來自所述熱交換器的所述經(jīng)壓縮的第一流體在所 述第二熱交換器中混合。
14. 如權(quán)利耍求10所述的熱泵，其中所述第二熱交換器還包括電 氣元件。
15. 如權(quán)利要求10所述的熱泵，其中在所述第一熱交換器與所述 蒸發(fā)器之間設(shè)置閥，以允許所述第一流體的壓力被降低。
16. 如權(quán)利要求15所述的熱泵，其中所述閥是Tx閥。
17. 如權(quán)利要求10所述的熱泵，其中在所述第一熱交換器與所述 蒸發(fā)器之間設(shè)置毛細(xì)管，以允許所述第一流體的壓力被降低。
18. 如權(quán)利要求1所述的熱泵，還包括充滿所述第二流體的存儲(chǔ)箱。
19. 一種熱水器，包括水箱和熱泵，所述熱泵包括將熱量從吸入空 氣傳遞給第一流體并將已經(jīng)進(jìn)行熱交換的較低溫度吸入空氣排出的蒸 發(fā)器，用于對(duì)經(jīng)加熱的第一流體進(jìn)行壓縮和泵送的壓縮機(jī)，和改進(jìn)的 熱交換器，其特征在于所述熱交換器包括用于由所述壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的經(jīng) 加熱壓縮的第一流體的第一通道，和用于由熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)的第二流體的
20. —種加熱水的方法，包括下列步驟-通過蒸發(fā)器吸入環(huán)境空氣； 在所述蒸發(fā)器中利用吸入空氣加熱第一流體； 將所述吸入空氣作為相對(duì)較冷的空氣排出； 壓縮經(jīng)加熱的第一流體；泵送經(jīng)加熱壓縮的第一流體通過熱交換器；和 在所述熱交換器中通過從經(jīng)加熱壓縮的第一流體到所述水的熱交 換來對(duì)所述水進(jìn)行加熱，借此通過熱對(duì)流來驅(qū)動(dòng)所述水的流通。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括利用所述經(jīng)加熱壓縮的第 一流體加熱所述第一流體的步驟。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，還包括降低所述第一流體的壓力。
23. —種加熱水的系統(tǒng)，包括用于吸入環(huán)境空氣，利用吸入空氣來加熱第一流體并將所述吸入 空氣作為相對(duì)較冷的空氣排出的裝置；用于壓縮經(jīng)加熱的第一流體并泵送經(jīng)加熱壓縮的第一流體通過熱 交換器的裝置；和用于加熱水的裝置；其中所述水被所述經(jīng)加熱壓縮的第一流體加熱，并且所述水被熱 對(duì)流推動(dòng)。
24. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，還包括利用所述經(jīng)加熱壓縮的第 一流體來加熱所述第一流體的裝置。
25. 如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，還包括用于降低所述第一流體壓 力的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包含蒸發(fā)器、壓縮機(jī)和熱交換器的熱泵。蒸發(fā)器將熱量從吸入空氣傳遞給第一流體并將溫度低于環(huán)境溫度的吸入空氣排出。壓縮機(jī)用于壓縮和泵送第一流體。熱交換器包括用于由壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)加熱壓縮第一流體的第一通道和用于由熱對(duì)流驅(qū)動(dòng)的第二流體的第二通道。本發(fā)明的熱泵還包括從壓縮機(jī)接收經(jīng)加熱壓縮的第一流體的第二熱交換器，加熱來自熱交換器的經(jīng)壓縮的第一流體。此外，本發(fā)明還提供了用于加熱流體的方法和系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F25B30/02GK101263346SQ200680033297
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2006年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月2日
發(fā)明者M·麥克尼爾, S·羅林森, S·菲奇 申請(qǐng)人:索拉克伊私人有限公司