CN102095295B - 一种基于霜层厚度的除霜探测器及除霜控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于霜层厚度的除霜探测器及除霜控制方法，属于空气源热泵控制领域，本发明为解决现有对空气源热泵的除霜采有间接法存在的除霜判断不准确；成本太高的问题。本发明加热电阻的外表面涂有绝缘层，第一电极对A-A’设置在加热电阻的左右，除霜控制方法为：除霜探测器不工作状态：所有开关断开；除霜探测器启动状态：在温度处于-12℃～1℃时，除霜探测器启动开关闭合，间歇开关间歇性闭合，除霜探测器启动；除霜启动状态：加热电阻工作，霜融化的水膜使第一电极对A-A’导通，输出除霜信号；空气源热泵的除霜状态：翅片表面的霜熔化使第二电极对B-B’导通；除霜探测器停止除霜状态：当输出电压信号为0时，判定为除霜结束。

Description

一种基于霜层厚度的除霜探测器及除霜控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于霜层厚度的除霜探测器及除霜控制方法，属于空气源热泵控制领域。

背景技术

现有对空气源热泵的除霜控制策略分为两种：间接法和直接法。现有除霜方法大多为间接法，主要包括以下几种：

1、定时控制法、时间温度法。该类方法除霜时间设定为定值，不能兼顾环境温度高低和湿度的变化，不能准确的把握除霜切入点，容易产生误操作，而且这种方法对温度传感器的安装位置较敏感。常见的中部位置安装，易造成结霜结束的判断不准确，除霜不净。

2、自修正除霜控制法。虽然能够根据结构参数和运行环境等，结合除霜效果对盘管温度与室外温度的最大差值Δt修正。但是这种除霜方法涉及因素多，检测自控复杂，Δt修正实际操作困难。

3、空气压差除霜控制法。通过检测蒸发器两侧的空气压差，确定是否需要除霜。这种方法可实现根据需要除霜，但在蒸发器表面有异物、严重积灰或室外机使用变速风机时，会出现误操作。

4、最大平均供热量法、最佳除霜时间控制法、最大周期供热系数法。该类方法理论上很漂亮，但实际操作时，某些参数很难准确全面的获得，实际应用有困难。

5、模糊智能控制除霜法。这种控制方法的关键在于怎样得到合适的模糊控

制规则和采用什么样的标准对控制规则进行修改，根据一般经验得到的控制规则有局限性和片面性。若根据实验制定控制规则又存在工作量太大的问题。

6、室内、室外双传感器除霜法。室外双传感器除霜法通过检测室外环境温度和蒸发器盘管温度及两者之差作为除霜判断依据，该方法未考虑湿度的影响，除霜判断不准确；室内双传感器除霜法通过检测室内环境温度和冷凝器盘管温度及两者之差作为除霜判断依据，该方法在室内负荷出现波动时易出现误操作，而且在除霜结束的判断中，依然采用时间法，致使除霜结束的判断不准确。

7、光电、电容传感器法。蒸发器的结霜情况可由光电或电容探测器直接检测，这种方法原理简单，但涉及高增益信号放大器及昂贵的传感器，作为实验方法可行，实际应用经济性较差。光电传感器的敏感元件长期受室外换热器剧烈温度波动的影响，性能降低，且长时间暴露在室外光路易受污染，可靠性降低。

上述间接法是指根据结霜引起***参数的变化来判断除霜的启动和停止，热泵***因为各部件的耦合性高，影响参数多，在没有结霜的情况下，环境或***参数的变化也有可能对***产生跟结霜相同的影响，因此间接法很难避免误除霜。间接法除霜判断不准确；理论漂亮但实际应用困难；成本太高，致使难以推广；某些敏感元件易受室外环境影响，长期使用可靠性降低。

直接法是指直接测量霜层厚度并以此为依据来判断除霜的启动和停止。该方法不受室内外环境参数及***参数的影响，准确性高，但是目前的方法成本比较高，体积较大，不便于在密集的翅片缝隙里安装，且传感器的敏感元件易受室外温度波动的影响，长期使用可靠性低。因此开发一种结构简单，体积小，成本低廉，对室外环境不敏感的直接测量霜层厚度的方法是解决除霜控制的有效途径。

发明内容

本发明目的是为了解决现有对空气源热泵的除霜采有间接法存在的除霜判断不准确；理论漂亮但实际应用困难；成本太高，致使难以推广；某些敏感元件易受室外环境影响，长期使用可靠性降低等一系列问题；采用直接法存在成本比较高、体积较大、不便于安装的问题，提供了一种基于霜层厚度的除霜探测器及除霜控制方法。

本发明所述一种基于霜层厚度的除霜探测器，它包括加热电阻、保温塑料本体、温度传感器、第一电极对A-A’、第二电极对B-B’、电源、除霜探测器启动开关、除霜启动开关、间歇开关、除霜启动电阻和除霜判定完成电阻，加热电阻的外表面涂有绝缘层，第一电极对A-A’分别设置在加热电阻的左右端面上，加热电阻和第二电极对B-B’都位于保温塑料本体的一个侧面外，并与其机械连接，加热电阻设置在该侧面的顶端，第二电极对B-B’设置在该侧面的底部，

加热电阻和第二电极对B-B’之间的设置温度传感器，温度传感器用于获取室外空气温度和结霜时的霜层温度，

电源、除霜探测器启动开关、除霜启动开关、间歇开关、除霜启动电阻和除霜判定完成电阻设置在保温塑料本体内，

电源的负极与除霜探测器启动开关的一端相连，除霜探测器启动开关的另一端与间歇开关的一端相连，间歇开关的另一端与加热电阻的一端相连，加热电阻的另一端与电源的正极相连；

除霜探测器启动开关的另一端还与除霜启动电阻的一端相连，除霜启动电阻的另一端与第一电极对A-A’的一个电极相连，第一电极对A-A’的另一个电极与电源的正极相连；

除霜探测器启动开关的另一端还与除霜启动开关的一端相连，除霜启动开关的另一端与除霜判定完成电阻的一端相连，除霜判定完成电阻的另一端与第二电极对B-B’的一个电极相连，第二电极对B-B’的另一个电极与电源的正极相连。

基于上述基于霜层厚度的除霜探测器的除霜控制方法，该方法为：

除霜探测器不工作状态：在空气源热泵制冷运行时，除霜探测器不工作，除霜探测器启动开关和除霜启动开关、间歇开关断开；

除霜探测器启动状态：在温度传感器的检测到的温度处于-12℃～1℃时，除霜探测器启动开关闭合，间歇开关间歇性闭合，除霜探测器启动；

空气源热泵的除霜启动状态：间歇开关闭合状态时，加热电阻处于闭合回路中，加热电阻工作时产生的热量使加热电阻外的绝缘层表面的霜融化，形成的水膜使第一电极对A-A’的两个电极实现电连接，使除霜启动电阻处于闭合回路中，除霜启动电阻两端输出电压信号作为空气源热泵的除霜信号，闭合除霜启动开关，令空气源热泵的除霜装置工作，开始除霜工作；

空气源热泵的除霜状态：空气源热泵的除霜装置熔化翅片表面的霜，第二电极对B-B’附近的霜在不断的熔化为水膜，进而使第二电极对B-B’的两个电极实现电连接，除霜判定完成电阻处于闭合回路中，除霜判定完成电阻两端输出电压信号；

除霜探测器停止除霜状态：当除霜判定完成电阻两端输出电压信号为0时，判定为除霜结束，使除霜启动开关断开，除霜探测器输出停止除霜信号，使得空气源热泵的除霜装置停止工作，完成除霜控制。

本发明的优点：

1、材料便宜，成本低廉。

2、材料对室外环境敏感度低，受室外换热器在除霜过程中产生剧烈温度波动的影响小，长期使用可靠性高。

3、当有少量灰尘附着在探头上时不影响该装置的使用。

4、结构简单，体积小，对换热器换热效率影响小，在室外换热器表面安装方便。

5、直接探测霜层厚度，不受***参数和环境参数的影响，准确判断除霜的启动和停止的时刻，避免误除霜的发生。

6、采用两位控制，控制算法简单。

附图说明

图1为除霜探测器的结构示意图；

图2为图1的D方向的视图；

图3是图1的C方向的视图；

图4是除霜探测器在室外安装在翅片上的示意图；

图5是除霜探测器电路连接示意图；

图6是图5的等效电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于霜层厚度的除霜探测器，它包括加热电阻1、保温塑料本体3、温度传感器4、第一电极对A-A’、第二电极对B-B’、电源、除霜探测器启动开关K1、除霜启动开关K2、间歇开关K3、除霜启动电阻R1和除霜判定完成电阻R2，加热电阻1的外表面涂有绝缘层2，第一电极对A-A’分别设置在加热电阻1的左右端面上，加热电阻1和第二电极对B-B’都位于保温塑料本体3的一个侧面外，并与其机械连接，加热电阻1设置在该侧面的顶端，第二电极对B-B’设置在该侧面的底部，

加热电阻1和第二电极对B-B’之间的设置温度传感器4，温度传感器4用于获取室外空气温度和结霜时的霜层温度，

电源、除霜探测器启动开关K1、除霜启动开关K2、间歇开关K3、除霜启动电阻R1和除霜判定完成电阻R2设置在保温塑料本体3内，

电源的负极与除霜探测器启动开关K1的一端相连，除霜探测器启动开关K1的另一端与间歇开关K3的一端相连，间歇开关K3的另一端与加热电阻1的一端相连，加热电阻1的另一端与电源的正极相连；

除霜探测器启动开关K1的另一端还与除霜启动电阻R1的一端相连，除霜启动电阻R1的另一端与第一电极对A-A’的一个电极相连，第一电极对A-A’的另一个电极与电源的正极相连；

除霜探测器启动开关K1的另一端还与除霜启动开关K2的一端相连，除霜启动开关K2的另一端与除霜判定完成电阻R2的一端相连，除霜判定完成电阻R2的另一端与第二电极对B-B’的一个电极相连，第二电极对B-B’的另一个电极与电源的正极相连。

除霜探测器安装在翅片上，如图4所示，霜E的厚度为加热电阻1至第二电极对B-B’的距离，图中F表示绝缘涂层，G表示翅片。当霜积累到加热电阻1的位置时，且温度传感器4的检测到的温度处于-12～1℃时，除霜探测器才会启动工作，这样会节省能源，而且效率也高。

第二电极对B-B’的电极表面积为第一电极对A-A’的电极表面积的10～30倍。

由图1可以看出，电极BB’的表面积比大的多，这是因为，电极AA’只需要瞬间导通即可，所以体积较小，而且为了减少加热电阻向空气中的散热，也需要把电极AA’做的很小。电极BB’需要连续导通直到除霜结束，这要求BB’间一直有水膜连通BB’电极，为了提高可靠性，所以把BB’表面积做的较大。

考虑到水的导电性不是很好，所以选用的定值电阻的阻值较大(10⁵Ω以上)，这样也有一个好处，它使得信号电路的电流很小，节约了电能。

间歇开关K3的间歇开关周期为：闭合3分钟～5分钟，再断开8分钟～12分钟。

当除霜探测器启动时，间歇开关K3间歇闭合的作用有三个：1、节约加热电阻1的电阻丝所消耗的电能，2、在间歇时间段，绝缘层表面温度低，霜可以很顺利的在绝缘层2表面凝结，3、在没有结霜时，加热电阻1可以起到干燥绝缘层2的作用。

为了便于自动控制，本实施方式中所述的除霜探测器启动开关K1、除霜启动开关K2和间歇开关K3选用电子开关。

电源和加热电阻的选择要考虑在最不利情况下(室外温度为-12℃)输出的加热功率能保证霜层融化。

为了避免该装置做不必要的动作和避免因结露或下雨引起误操作，限制该装置在温度传感器4的温度位于-12～1℃时才启动。

如果要求控制的霜层厚度很薄，温度传感器4不方便和电极安装在同一侧，这时可以将温度传感器4安装在另外三侧。

本发明提出一种满足上述要求的直接测量室外换热器霜层厚度的除霜控制方法和装置。该装置安装在离室外换热器翅片表面上，装置在翅片表面一定高度(除霜时霜层的厚度)设置一根被绝缘层包裹的电阻丝。当室外温度传感器的温度位于-12～1℃(该温度段进入了结霜区域)时，表明可能结霜或已经结霜但霜层未达指定厚度，此时装置启动，开始检测霜层。随着霜层的生长，其厚度逐渐增加，当增加到电阻丝的高度时，由于电阻丝通电发热使得霜层融化形成水膜附着在绝缘层表面，水膜就如同一根导线把信号电路导通，使得信号电路上有电压输出，发出除霜信号开始除霜。当除霜开始后，紧贴着换热器管壁的霜层首先融化，融化形成的水膜使得另一个信号电路导通并输出电压信号至控制器，当霜融化完毕时，翅片表面的水被蒸发干净使得第二个信号电路断开，这时输出电压为零，控制器接收到这个信号后发出终止除霜的指令，然后恢复供热运行。

具体实施方式二：本实施方式是基于实施方式一所述的基于霜层厚度的除霜探测器的除霜控制方法，该方法为：

除霜探测器不工作状态：在空气源热泵制冷运行时，除霜探测器不工作，除霜探测器启动开关K1和除霜启动开关K2、间歇开关K3断开；

除霜探测器启动状态：在温度传感器4的检测到的温度处于-12℃～1℃时，除霜探测器启动开关K1闭合，间歇开关K3间歇性闭合，除霜探测器启动；

空气源热泵的除霜启动状态：间歇开关K3闭合状态时，加热电阻1处于闭合回路中，加热电阻1工作时产生的热量使加热电阻1外的绝缘层2表面的霜融化，形成的水膜使第一电极对A-A’的两个电极实现电连接，使除霜启动电阻R1处于闭合回路中，除霜启动电阻R1两端输出电压信号U1作为空气源热泵的除霜信号，闭合除霜启动开关K2，令空气源热泵的除霜装置工作，开始除霜工作；

空气源热泵的除霜状态：空气源热泵的除霜装置熔化翅片表面的霜，第二电极对B-B’附近的霜在不断的熔化为水膜，进而使第二电极对B-B’的两个电极实现电连接，除霜判定完成电阻R2处于闭合回路中，除霜判定完成电阻R2两端输出电压信号U2；

除霜探测器停止除霜状态：当除霜判定完成电阻R2两端输出电压信号U2为0时，判定为除霜结束，使除霜启动开关K2断开，除霜探测器输出停止除霜信号，使得空气源热泵的除霜装置停止工作，完成除霜控制。

现在详细分析一下工作过程

制冷运行时，不会结霜，此时K1、K2、K3断开。

制热运行时，当温度传感器4的温度小于-12℃时，表明没有进入结霜区；当温度传感器4的温度大于1℃时，表明没有结霜或霜层未达指定的厚度不需要除霜，此时除霜探测器启动开关K1、除霜启动开关K2、间歇开关K3断开；当温度传感器4的温度位于-12～1℃(该温度段进入了结霜区域)时，表明可能结霜或已经结霜但霜层未达指定厚度。此时除霜探测器启动开关K1闭合，装置进入工作状态。初始时刻，除霜启动开关K2断开，间歇开关K3间歇闭合(如闭合五分钟，断开十分钟)。初始时刻，U1＝0，U2＝0；如果结霜，当霜层生长到AA’位置时，遇到加热的电阻丝融化，化霜水在加热电阻绝缘层的表面形成水膜，水膜相当于导线使AA’导通，U1输出电压，该电压可以作为除霜启动的信号。当除霜开始后，除霜启动开关K2闭合，BB’处的霜开始融化，形成的水膜使BB’导通，输出电压U2，当霜除净时，BB’处的水膜被蒸发干净，使得BB’断开，U2＝0，根据U2在这段时间内的变化(U2＝0→U2＞0→U2＝0)可以作为结束除霜并恢复供热的信号。除霜完毕恢复供热后，除霜启动开关K2断开，间歇开关K3间歇闭合，探测器恢复到工作的初始状态。

Claims (4)

1.一种基于霜层厚度的除霜探测器，其特征在于，它包括加热电阻(1)、保温塑料本体(3)、温度传感器(4)、第一电极对A-A’、第二电极对B-B’、电源、除霜探测器启动开关(K1)、除霜启动开关(K2)、间歇开关(K3)、除霜启动电阻(R1)和除霜判定完成电阻(R2)，加热电阻(1)的外表面涂有绝缘层(2)，第一电极对A-A’分别设置在加热电阻(1)的左右端面上，加热电阻(1)和第二电极对B-B’都位于保温塑料本体(3)的一个侧面外，并与其机械连接，加热电阻(1)设置在该侧面的顶端，第二电极对B-B’设置在该侧面的底部，

加热电阻(1)和第二电极对B-B’之间设置温度传感器(4)，温度传感器(4)用于获取室外空气温度和结霜时的霜层温度，

电源、除霜探测器启动开关(K1)、除霜启动开关(K2)、间歇开关(K3)、除霜启动电阻(R1)和除霜判定完成电阻(R2)设置在保温塑料本体(3)内，

电源的负极与除霜探测器启动开关(K1)的一端相连，除霜探测器启动开关(K1)的另一端与间歇开关(K3)的一端相连，间歇开关(K3)的另一端与加热电阻(1)的一端相连，加热电阻(1)的另一端与电源的正极相连；

除霜探测器启动开关(K1)的另一端还与除霜启动电阻(R1)的一端相连，除霜启动电阻(R1)的另一端与第一电极对A-A’的一个电极相连，第一电极对A-A’的另一个电极与电源的正极相连；

除霜探测器启动开关(K1)的另一端还与除霜启动开关(K2)的一端相连，除霜启动开关(K2)的另一端与除霜判定完成电阻(R2)的一端相连，除霜判定完成电阻(R2)的另一端与第二电极对B-B’的一个电极相连，第二电极对B-B’的另一个电极与电源的正极相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于霜层厚度的除霜探测器，其特征在于，第二电极对B-B’的电极表面积为第一电极对A-A’的电极表面积的10～30倍。

3.根据权利要求1所述的一种基于霜层厚度的除霜探测器，其特征在于，间歇开关(K3)的间歇开关周期为：闭合3分钟～5分钟，再断开8分钟～12分钟。

4.基于权利要求1所述的基于霜层厚度的除霜探测器的除霜控制方法，其特征在于，该方法为：

除霜探测器不工作状态：在空气源热泵制冷运行时，除霜探测器不工作，除霜探测器启动开关(K1)和除霜启动开关(K2)、间歇开关(K3)断开；

除霜探测器启动状态：在温度传感器(4)的检测到的温度处于-12℃～1℃时，除霜探测器启动开关(K1)闭合，间歇开关(K3)间歇性闭合，除霜探测器启动；

空气源热泵的除霜启动状态：间歇开关(K3)闭合状态时，加热电阻(1)处于闭合回路中，加热电阻(1)工作时产生的热量使加热电阻(1)外的绝缘层(2)表面的霜融化，形成的水膜使第一电极对A-A’的两个电极实现电连接，使除霜启动电阻(R1)处于闭合回路中，除霜启动电阻(R1)两端输出电压信号U1作为空气源热泵的除霜信号，闭合除霜启动开关(K2)，令空气源热泵的除霜装置工作，开始除霜工作；

空气源热泵的除霜状态：空气源热泵的除霜装置熔化翅片表面的霜，第二电极对B-B’附近的霜在不断的熔化为水膜，进而使第二电极对B-B’的两个电极实现电连接，除霜判定完成电阻(R2)处于闭合回路中，除霜判定完成电阻(R2)两端输出电压信号U2；

除霜探测器停止除霜状态：当除霜判定完成电阻(R2)两端输出电压信号U2为0时，判定为除霜结束，使除霜启动开关(K2)断开，除霜探测器输出停止除霜信号，使得空气源热泵的除霜装置停止工作，完成除霜控制。

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