本發(fā)明涉及熱泵空調(diào)領域，更具體地說，涉及一種防凍系統(tǒng)、防凍換熱器及應用。

背景技術(shù)：

空調(diào)使用的套管換熱器都是冷媒與水之間的換熱來實現(xiàn)其功能的?，F(xiàn)有熱泵熱水器的套管式換熱器均由冷媒管和套管構(gòu)成，冷媒管設置在套管內(nèi)，冷媒管外壁與套管內(nèi)壁之間共同圍成水加熱腔，套管與冷媒管一起繞制成盤管狀，盤管狀的套管表面設有保溫層。使用過程中，由于套管式換熱器安裝在室外，當室外溫度低于0℃時，套管內(nèi)的水即有可能結(jié)冰，致使套管及冷媒管容易凍裂。因套管換熱器內(nèi)有水，就自然而然存在凍壞的危險，冬季在空調(diào)機組晚上停機或長期不用時，在機組斷電、防凍保護失效情況下，如沒把換熱器中的水放凈，則將由于環(huán)境溫度過低而凍壞?，F(xiàn)有技術(shù)大多通過冷卻液對熱泵和空調(diào)的換熱器進行防凍，但防凍液成本高，且有一定使用壽命，配置較復雜，污染巨大。

中國專利申請，申請?zhí)?01410527136.8，公開日2015年1月21日，公開了一種套管式換熱器防凍結(jié)構(gòu)及其防凍方法，其結(jié)構(gòu)包括冷媒管、套管、儲水箱和控制電路，冷媒管設置在套管內(nèi)，冷媒管外壁與套管內(nèi)壁之間共同圍成水加熱腔，水加熱腔一端與儲水箱連通；其特征在于：還包括分別與控制電路電氣連接的循環(huán)水泵、室外溫度傳感器和水位開關(guān)；所述循環(huán)水泵設有進水口和出水口，進水口通過電動三通調(diào)節(jié)閥分別與進水管和儲水箱連接，出水口與水加熱腔另一端連通；所述水位開關(guān)位于儲水箱內(nèi)，且儲水箱內(nèi)對應水位開關(guān)所處高度位置的儲水量大于或等于水加熱腔儲水量。此款套管式換熱器防凍結(jié)構(gòu)能通過循環(huán)水泵驅(qū)使水加熱腔內(nèi)的水流動，從而在一定輕度下放緩其結(jié)冰的速度。此方式防凍要求是在需要在水加熱的情況下進行的，在停電或者其他惡劣情況下，無法使用。

中國專利申請，申請?zhí)?01420804459.2，公開日2015年7月18日，公開了一種防凍型套管換熱器，該防凍型套管換熱器，包括冷媒進口、分液器、加強管、換熱器主體銅管、端蓋、出水口、及主體鋼管，所述加強管置于換熱器主體銅管內(nèi)，兩根加強管之間通過分液器連接，分液器連接著冷媒進口。所述防凍型套管換熱器還包括防凍感溫盲管，所述防凍感溫盲管插入主體鋼管內(nèi)，防凍感溫盲管固定在端蓋上；所述防凍感溫盲管一端封閉，另一端開口，防凍感溫盲管內(nèi)部設置有防凍感溫頭。該防凍型套管換熱器通過防凍感溫頭的實時監(jiān)測，確保對換熱器的防凍保護。此種換熱器主要是通過探頭進行檢測，保證防護，但是依舊需要電，在停電或者其他惡劣情況下，無法使用。且并沒有給出如何在低溫情況下做出相應的改進。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

1.要解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的現(xiàn)有使用防凍液成本高、污染大，其他方式無法斷電運行的問題，本發(fā)明提供了一種防凍系統(tǒng)、防凍換熱器及應用。它可以實現(xiàn)斷電時候?qū)艿肋M行防凍，成本低，防凍效果好，易于安裝。

2.技術(shù)方案

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

一種防凍系統(tǒng)，包括外管，外管內(nèi)部設置有內(nèi)管，所述的內(nèi)管為中空的彈性軟管。在通水的情況下，結(jié)冰通過內(nèi)管的收縮，抵消結(jié)冰的膨脹體積，防止外管因為結(jié)冰增大導致破裂。

更進一步的，所述的內(nèi)管為硅膠管、橡膠管或珍珠棉管。成本低，容易制作。

更進一步的，所述的內(nèi)管中空部位充滿氣體，此氣體為空氣或惰性氣體。密封且充滿氣體，此氣體為空氣或惰性氣體；氣密性和水密性好，惰性氣體安全穩(wěn)定性好。惰性氣體可以為氮氣等。

還可以內(nèi)管設計如下，內(nèi)管中空部位非密封并與管外空氣聯(lián)通，此時不需要對內(nèi)管進行密封。

一種防凍換熱器，包括上述任一所述的外管和內(nèi)管，其中內(nèi)管一端為固定接頭，另一端為密閉端，固定接頭固定在外管上，密閉端伸入外管內(nèi)部。固定接頭為包括連接口，內(nèi)管套于連接口上，連接口為密封或中間為連通，連通的連接口將內(nèi)管中空空間與外部的大氣相聯(lián)通。

更進一步的，所述的外管一端側(cè)壁設置有帶有內(nèi)螺紋的通孔，內(nèi)管的固定接頭設置有外螺紋，且與外管通孔內(nèi)螺紋相匹配。方便內(nèi)管進行固定，穩(wěn)定，且不會泄漏。

更進一步的，密閉端為直接成型密封端或者為中空的內(nèi)管端部塞有密封塞?？梢苑奖銉?nèi)管體積進行壓縮，保證相對固定的內(nèi)部體積。

更進一步的，內(nèi)管在水結(jié)冰時膨脹條件需要滿足條件如下：v1≧1/10v2，其中v1為內(nèi)管完全變形可壓縮體積，v1＝(r2/2)²*3.14*l1其中，r2為內(nèi)管中空內(nèi)徑，l1為內(nèi)管長度，v2為外管內(nèi)部體積，v2＝(r3/2)²*3.14*l2，r3為外管內(nèi)徑，l2為外管長度。保證可壓縮體積大于冰膨脹的體積，保證外管不會破裂。

更進一步的，內(nèi)管還需要滿足如下：p1>p2，其中p1內(nèi)管最大環(huán)向應力，p2為內(nèi)管完全變形設計壓力，p1＝p2d/2δ，d為內(nèi)管外徑，δ為內(nèi)管壁厚。由于內(nèi)管收縮體積需要控制，對于壁厚也需要進行限制。

更進一步的，基于換熱器流量，管徑尺寸還需要滿足:q＝cm△t,其中q為換熱器制熱量，c表示性能參數(shù)1.162，m表示流量，△t表示換熱器進出水溫差，流量m與管徑關(guān)系為m＝(v2-v1)/l1*(2/3)v1，v1為設計流速。由于換熱器需要控制流量，這樣內(nèi)部軟管的尺寸不能太大，防止流量過小，也不能過小，防止無法抵消冰膨脹的體積。

一種防凍換熱器的應用，包含上述任一所述的防凍換熱器的空調(diào)、熱泵。

3.有益效果

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本方案使用可以收縮的內(nèi)管作為外管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，故障率小，在通水的情況下，結(jié)冰通過內(nèi)管的收縮，抵消結(jié)冰的膨脹體積，防止外管因為結(jié)冰增大導致破裂，不需要外界提供熱量防凍；

(2)本方案采用的內(nèi)管為硅膠管、橡膠管或珍珠棉管，具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，氣密性和水密性好，適應換熱器的水和熱環(huán)境，成本低，容易制作，結(jié)構(gòu)簡單，加工成本較低；

(3)本方案采用充滿惰性氣體的內(nèi)管，氣密性和水密性好，惰性氣體安全穩(wěn)定性好，可控性強；

(4)本方案采用一種防凍換熱器防止套管換熱器因管內(nèi)結(jié)冰，造成水體積膨大使套管換熱器凍裂，使整個機組損壞，在熱泵主機斷電情況依然具有結(jié)冰防凍功能，為熱泵主機起到最后一道防凍功能；

(5)使用了彈性中空管在水體結(jié)冰時會體積收縮避免水體結(jié)冰體積增大造成套管換熱器凍裂，結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)管的固定接頭設置有外螺紋，且與外管通孔內(nèi)螺紋相匹配。采用快擰直通鎖母式接頭封閉，在進行安裝時，不發(fā)生移動，安裝精確，可控性好，方便內(nèi)管進行固定，穩(wěn)定，且不會泄漏；

(6)該彈性中空管采用硅膠、橡膠、珍珠棉管等一些類似材質(zhì)，具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，氣密性和水密性好，適應換熱器的水和熱環(huán)境；

(7)密閉端為直接成型密封端或者為中空的內(nèi)管端部塞有密封塞?？梢砸淮涡猿尚停部梢愿鶕?jù)需求在后添加，可以方便內(nèi)管體積進行壓縮，保證相對固定的內(nèi)部體積；

(8)通過對于內(nèi)外管道尺寸的限制，保證可壓縮體積大于冰膨脹的體積，保證外管不會破裂，由于換熱器需要控制流量，這樣內(nèi)部軟管的尺寸不能太大，防止流量過小，也不能過小，防止無法抵消冰膨脹的體積，保證了內(nèi)外管的設置在流量限定的范圍之內(nèi)，順利進行防凍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的防凍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的換熱器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為固定接頭連接內(nèi)管結(jié)構(gòu)示意圖。

1、外管；2、內(nèi)管；3、密閉端；4、固定接頭；401、連接口。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體的實施例，對本發(fā)明作詳細描述。

實施例1

如圖1所示，一種防凍系統(tǒng)，包括外管1，外管1內(nèi)部設置有內(nèi)管2，所述的內(nèi)管2為中空的彈性管。彈性管中空部分通過管壁與外部的液體隔離，如外部為水，則外部的水由于彈性管道的隔水作用，保證了不會進入內(nèi)部中空部位，保證了中空部位的空間，此處的彈性軟管可以為軟管，內(nèi)管2方便穿入外管1中，當然根據(jù)需求可以符合要求的其他類型的彈性管道，在通水的情況下，結(jié)冰通過內(nèi)管的收縮，抵消結(jié)冰的膨脹體積，防止外管因為結(jié)冰增大導致破裂，所述的內(nèi)管2為硅膠管、橡膠管或珍珠棉管，成本低，容易制作。

內(nèi)管2中空部位密封且充滿氣體，此氣體為空氣或惰性氣體；充滿空氣時候成本低，且方便充入，當內(nèi)管2中空部位充滿惰性氣體，氣密性和水密性好，惰性氣體安全穩(wěn)定性好。

也可以選用內(nèi)管2中空部位非密封的情況，非密封的內(nèi)管2在進水口出通過聯(lián)通的接頭，使得內(nèi)管2內(nèi)的空氣與管外空氣聯(lián)通。

本方案不需要使用帶電的加熱系統(tǒng)，防止對管道進行防凍，直接在管道中設置相應尺寸的可壓縮軟管皆可完成對管道的防凍，方便快捷，成本低。

實施例2

換熱器一般使用于熱泵或空調(diào)領域冷媒和水，當在除霜、制冷及冬季溫度較低時，可能造成換熱器水側(cè)端因水結(jié)冰體積膨脹造成換熱器凍壞。在換熱器內(nèi)部增加充氣的硅膠或可壓縮的珍珠棉管及其他類似材料。當換熱器水側(cè)內(nèi)部因結(jié)冰體積膨脹時，可壓縮充氣硅膠管或珍珠棉管及其他類似材料。使換熱器水側(cè)受到的壓強減小，從而防止換熱器脹裂。

上述防凍系統(tǒng)用于換熱器領域中，如圖2所示，同心的內(nèi)管和外套管組成的套管式換熱器，此為外管1，外管1設置一根密封可壓縮的中空彈性管，即內(nèi)管2，其中內(nèi)管2一端為固定接頭4，另一端為密閉端3，固定接頭4包括連接口401，內(nèi)管2套于連接口401上，連接口401為密封，固定接頭4固定在外管1上，密閉端3伸入外管1內(nèi)部。內(nèi)管2為密封可壓縮的中空硅膠管，內(nèi)部為空氣或者惰性氣體。惰性氣體可以保證硅膠中空管的穩(wěn)定性，在各種環(huán)境下不會損壞，氣密性和水密性好，氣體穩(wěn)定，氣密性和水密性好，惰性氣體安全穩(wěn)定性好。此處的硅膠管也可以為橡膠管或珍珠棉管。

所述的外管1一端側(cè)壁設置有帶有內(nèi)螺紋的通孔，內(nèi)管2的固定接頭4設置有外螺紋，且與外管1通孔內(nèi)螺紋相匹配。形成快擰直通鎖母式接頭封閉，方便內(nèi)管進行固定，穩(wěn)定，且不會泄漏。

密閉端3為直接成型密封端或者為中空的內(nèi)管2端部塞有密封塞?？梢苑奖銉?nèi)管體積進行壓縮，保證相對固定的內(nèi)部體積。本方案的換熱器管，通過內(nèi)部設置的內(nèi)管，通過簡單的彈性壓縮的設置，使得水管不會發(fā)生形變而破損所述內(nèi)管2抵消換熱器水管結(jié)冰時膨脹的體積，又能滿足換熱時所需的流量。

實施例3

實施例3與實施例2基本相同，不同之處在于，如圖3所示，固定接頭4包括連接口401，內(nèi)管2套于連接口401上，連接口401中間為連通，連通的連接口401將內(nèi)管2中空空間與外部的大氣相聯(lián)通。工作時候，正常情況下，內(nèi)管2由于水壓不大，內(nèi)管2由于管子的由一定強度，中部保持中空，中空的空氣與外部的空氣聯(lián)通，當溫度降低，管內(nèi)的水凍住時候，水由于結(jié)冰體積增大，增大的體積擠壓內(nèi)管2，內(nèi)管2的空氣，通過連接口401的中空口，排出到大氣中，內(nèi)管2縮小，保證了外管1不會被擠壓。

實施例4

由于換熱器需要對流量和換熱量進行限制和保證，對于內(nèi)外管的尺寸和體積也需要進行相應的設置和限定，才能滿足換熱器換熱量和流量的充足，還能保證結(jié)冰的體積達到所需的要求。內(nèi)管2在水結(jié)冰時膨脹條件需要滿足條件如下：v1≧1/10v2，其中v1為內(nèi)管完全變形可壓縮體積，v1＝(r2/2)²*3.14*l1其中，r2為內(nèi)管2中空內(nèi)徑，l1為內(nèi)管長度，v2為外管1內(nèi)部體積，v2＝(r3/2)²*3.14*l2，r3為外管1內(nèi)徑，l2為外管1長度，管壁厚度可以設定為h。

內(nèi)管2還需要滿足如下：p1>p2，其中p1內(nèi)管最大環(huán)向應力，p2為內(nèi)管2完全變形設計壓力，p1＝p2d/2δ，d為內(nèi)管2外徑，δ為內(nèi)管2壁厚。p1>p2情況下當套管式換熱器管內(nèi)完全結(jié)冰時，硅膠中空管可以完全變形。還需要滿足：q＝cm△t,其中q為換熱器制熱量，c表示性能參數(shù)1.162，c的性能參數(shù)1.162是根據(jù)水的比熱容確定的，不同的液體此處的c值根據(jù)其液體的比熱容進行改變，m表示流量，△t表示換熱器進出水溫差，流量m與管徑關(guān)系為m＝(v2-v1)/l1*(2/3)v1，v1為設計流速?！鱰可以設定為如下：△t＝5℃，換熱器設計流速可以v1為0.8-2m/s。

根據(jù)公式q＝cm△t，m＝(v2-v1)/l1*(2/3)v1，求得v1是否滿足設計流速，綜上所述外徑фr1，中空內(nèi)徑фr2的硅膠管是否可以滿足фr3套管換熱器。通過對于內(nèi)外管道尺寸的限制，保證可壓縮體積大于冰膨脹的體積，保證外管不會破裂，由于換熱器需要控制流量，這樣內(nèi)部軟管的尺寸不能太大，防止流量過小，也不能過小，防止無法抵消冰膨脹的體積，保證了內(nèi)外管的設置在流量限定的范圍之內(nèi)，順利進行防凍。

實施例5

實施例2-4中一種防凍換熱器制造方法，步驟如下：

a、根據(jù)所需要套管換熱器的型號確定所需要外管1的長度；

b、根據(jù)外管1內(nèi)壁管徑計算出內(nèi)管2的外管徑及中空直徑；

c、將內(nèi)管2密封一端沿著套管式換熱器進水口塞進換熱器水管中，另一端部通過快擰直通鎖母式固定接頭4封閉于銅管上。此處的接頭可以在外管1上焊接成所需結(jié)構(gòu)。此處可以設定為固定于套管式換熱器的進水口處。

其中，內(nèi)管2的彈性軟管制作工藝如下：

(1)硅膠中空管一頭端部為封閉，可以直接一次成型，也可以在一頭端部塞入密封塞，保證其密封；

(2)另外一頭端部通過快擰直通鎖母式接頭封閉；

通過計算和結(jié)構(gòu)的設計，保證套管換熱器設置有可伸縮的內(nèi)管2，在沒有電的情況下依舊可以簡單方便的進行防凍。

實施例6

根據(jù)實施例2-5實際設計一種套管式換熱器，其中，內(nèi)管2為硅膠管，內(nèi)管2中間中空，軟管尺寸選擇如下：內(nèi)管2外徑尺寸為ф8mm；中空內(nèi)徑：ф6mm，內(nèi)管2與套管式換熱器等長，長度為1000mm；彈性中空管完全變形壓縮體積：v1＝(6/2)²*3.14*1000＝28260mm³；套管式換熱器內(nèi)管管徑ф19mm，管壁厚度為h＝1mm，設計壓力p1＝10mpa，則套管式換熱器內(nèi)管體積為：

v2＝(19/2)²*3.14*1000＝226865mm³

滿足水結(jié)冰時膨脹條件v1≧1/10v2；

彈性軟管最大環(huán)向應力為p1＝10mpa，即設計壓力環(huán)向應力公式p1＝p2d/2δ(公式中p2-完全變形設計壓力，d為硅膠管外徑，δ為硅膠管壁厚)p2＝2.5mpa。

即p1>p2，當套管式換熱器管內(nèi)完全結(jié)冰時，硅膠中空管可以完全變形；

換熱器熱量與流量關(guān)系：q＝cm△t，流量與管徑關(guān)系：m＝(v2-v1)/l*(2/3)v1，其中q表示換熱器熱量，設計換熱器制熱量為q＝5kw，c表示性能參數(shù)1.162，m表示流量，△t表示換熱器進出水溫差△t＝5℃，換熱器設計流速v1為0.8-2m/s，此處的設計流速依據(jù)換熱器的設計規(guī)范來進行設定，在其他領域需要滿足冷卻的場合，可以根據(jù)需求設定設計流速；根據(jù)公式q＝cm△t，m＝(v2-v1)/l*(2/3)v1，求得v1＝1.98m/s滿足設計流速。綜上所述外徑ф8mm，中空內(nèi)徑ф6mm的內(nèi)管2硅膠管可以滿足ф19mm套管換熱器。本方案采用此內(nèi)管2既滿足流量的要求，保證了換熱效率，又保證了在冰凍狀態(tài)下?lián)Q熱器不會被撐破，安全性好。

實施例7

上述實施例1-6所述的防凍系統(tǒng)和防凍換熱器，可以應用于多種熱能領域，一種防凍換熱器的應用，包括使用了本方案的防凍換熱器的空調(diào)、熱泵。

以上示意性地對本發(fā)明創(chuàng)造及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，在不背離本發(fā)明的精神或者基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。附圖中所示的也只是本發(fā)明創(chuàng)造的實施方式之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此，權(quán)利要求中的任何附圖標記不應限制所涉及的權(quán)利要求。所以，如果本領域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設計出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應屬于本專利的保護范圍。此外，“包括”一詞不排除其他元件或步驟，在元件前的“一個”一詞不排除包括“多個”該元件。產(chǎn)品權(quán)利要求中陳述的多個元件也可以由一個元件通過軟件或者硬件來實現(xiàn)。第一，第二等詞語用來表示名稱，而并不表示任何特定的順序。