摘 要:概述了国内空调除霜技术的发展历程和研究现状,分析了空调除霜技术现有的技术构成和应用方法,综述了空调除霜技术的专利申请量、申请人分布的特点,总结并预测了空调除霜的发展热点和趋势。
关键词： 除霜；旁通；蓄热；舒适性；节能
1.前言
近年来，随着生活水平的提高，空调已经进入了千千万万的普通百姓家庭，成为使用最为频繁的家用电器之一。但是，在实际使用过程中，特别是在温度偏低并且相对湿度较大的地区使用时，空调室外换热器的表面会产生结霜现象，进而导致空调机组的制热效果恶化，空调室外机结霜的主要原因是在低温工况下制热运行时，随着室外环境温度的下降，室外机换热器表面的温度降低到空气露点温度以下并且低于0℃，此时空气中的水蒸气在室外机换热器表面凝结成霜，时间长了霜层逐渐加厚，进而导致蒸发温度降低、风机电流加大，使得空调的制热性能下降；压缩机排气温度随着压缩比的增大而不断提高，当温度超过防止过热的上限值时，压缩机进入停机保护状态，机组无法正常工作；压缩机长期过热运行，影响压缩机的使用寿命；除霜技术因此应运而生。
2.专利技术分析
基于上述情况，对国内外相关专利进行检索，关键词主要选取：除霜，化霜，融霜，分类号采用“F25B47”检索到的相关专利申请约为2569件，以下对空调除霜技术的年代、主要申请人和主要分类号等的分布情况进行统计和分析。
2.1国内外专利申请量变化分析
除霜专利技术最早出现于二十世纪四十年代，研究初期发展较慢，在七十年代以前仅有少数专利申请，从七十年代开始，对除霜技术的研究有了很快发展，相关专利申请量稳步提升，近50年国外和国内专利申请量变化如图1和图2所示。
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图1国内除霜技术申请量变化趋势
由图1可以看出，国内关于除霜技术的专利申请起步比较晚，在二十世纪九十年代末才出现相关专利申请，并且一直持续到2008年专利申请量一直较低，在2008年后申请量呈明显增长的趋势，因为我国逐渐由技术引进型向自主研发型转变，同时也得益于国内研究人员知识产权意识的逐渐加强，可以看到，在2015年之后，国内空调除霜技术的专利申请量处于比较多的状态，说明我国近些年对空调除霜的研究发展比较迅速。
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图2 国外除霜技术申请量变化趋势
从上图可以看出，国外除霜技术专利申请起步较早，从二十世纪七十年代开始，其专利申请量稳步上升，在八十年代末专利申请量达到最高值，这也标志着这一时期除霜技术不断成熟与发展，进入二十世纪九十年代之后，国外除霜技术的专利申请量呈现逐步下降趋势，进入二十一世纪后，国外除霜技术的专利申请量又开始提升，这是由于进入二十一世纪后，在提高舒适性及节能前提下的除霜技术大量涌现，同时中国除霜技术的专利大量涌现，同样刺激了国外公司进行专利布局。
综合分析图1和图2不难发现，国外对除霜技术的专利申请起步较早，且国外的专利申请量比较大，而国内关于除霜技术的专利申请起步较晚，基本在国外发展相对成熟之后开始出现相关专利申请，同时国外除霜专利技术明显经过两个申请峰值，在第一个申请峰值出现时，标志着除霜技术逐渐成熟，同时，由于人们对空调舒适性的要求逐渐提高，基于舒适性及节能要求的除霜技术涌现，我国虽然在第一个申请峰值出现时未能抢占技术高地，但在第二个申请峰值出现时涌现大量专利申请，逐渐有引领技术发展的趋势。
2.2主要申请人申请量分析
参见图3，对除霜技术申请人进行分析，在全球申请人中申请量居于前三位均为日本的老牌加点公司，分别为三菱、大金和松下；进入二十一世纪以来，我国逐渐由技术引进型向自主研发型转变，同时也得益于国内企业的崛起及知识产权意识的逐渐加强，我国空调行业中的龙头企业：格力和美的的申请量紧随其后，位列第四、五位；之后是第六位和第八位的日本企业日立和夏普，及前八位中的唯一一家韩国公司LG。全球申请人申请量居于前八位的公司中，五位均为日本公司，可见日本在空调除霜方面的研究以及其技术发展相对较成熟，同时，由于中国企业的不断努力，我国对于空调除霜技术的研究也可以在世界上占据一席之地。
图3专利申请人构成
3空调除霜技术研究方向分析
3.1电加热除霜法
电加热除霜是在空调室外机换热器上设置电加热装置，利用电加热装置提供除霜的热量。常用的电加热装置包括电热阻丝、电热管、电热膜等，电加热除霜的结构简单，化霜彻底，在小型的空调装置上得到了广泛的应用。但是电加热除霜的耗电量大，效率低，不适合在大型空调装置上使用。
3.2四通阀换向除霜法
不同于电加热除霜这种从换热器外部进行除霜的方式，四通阀换向除霜是利用空调系统内部制冷剂的热量进行除霜的技术，通过四通阀切换制冷剂流向实现，这种除霜方式不增加空调器成本，实现起来最简单，所以得到广泛应用。换向除霜法主要存在下列缺点：1.除霜时无法继续对房间供热，舒适性差。2. 除霜时间长，采用换向除霜，压缩机一般需要停机处理，除霜完成后，又需要经历防冷风阶段才可以重新得到热风。
3.3旁通除霜法
旁通除霜作为一种可以在不间断制热的同时进行除霜的技术，受到了广泛关注。在该种除霜方式下，室内机的制热并没有被中断，同时部分由压缩机流出的高温高压冷媒直接进入室外换热器，提高室外换器温度，进而实现除霜，解决了四通阀换向除霜舒适性差的问题。
3.4蓄能除霜法
旁通除霜法虽然满足了在除霜的过程中制热不间断，但是旁通除霜由于使压缩机排出的一部分高温制冷剂蒸汽通过旁通支路进入室外机换热器，使得参与制热的制冷剂流量减少，造成除霜时空调系统热量不足，供热不稳定，在满足除霜需求时可能会牺牲舒适性，而为满足舒适性时，则需要增加空调负荷，浪费能源同时减少空调寿命。蓄能除霜法中除霜所需的热量为压缩机工作时所散发的热量，通过相变储热材料将这部分废热积蓄起来，在需要除霜时释放，在达到不间断制热除霜的基础上，节约了能源，保证了供热效果。
3.5混合除霜法
混合除霜法是采用两种或两种以上的除霜方法混合，运行，这种方法能够综合多种除霜方法的优点，克服单独一种除霜方法的不足，提高除霜效果。常见的混合除霜法包括电加热和旁通混合除霜法、电加热和四通阀换向混合除霜法，当热量不足时采用电加热辅助除霜，可以有效解决旁通除霜造成的空调系统热量不足及供热不稳定的问题。
3.6除霜控制方法
基础的除霜控制方法为按时除霜控制法，按时除霜控制法是最简单的除霜控制方法，即不管外界环境条件如何变化，空调系统始终按照预定的时间进行除霜，只要到达设定的除霜时间，不管有没有霜以及霜层有多厚，系统都会切换到除霜状态运行。
时间－温度控制法中在判断时间的基础上，还增加了对冷凝器管温的判断，可以达到精确除霜，无霜不除的效果，进而保证了用户的舒适性，同时节约能源。
霜层厚度检测方法中通过特定的传感器检测霜层厚度，可以很好的判断是否需要除霜及霜层是否除尽，但由于传感器成本问题，较难推广。
蒸发温度与大气温度差除霜控制法中利用在蒸发器表面结霜严重时，蒸发温度与大气温度的差值会增加这一现象控制除霜，但仅根据一个量的变化进行判断也会有误动作产生。
不同的除霜系统中，一般采用不同的控制方法与除霜装置结合，只要考虑了所有实际使用环境下，有可能对冷凝温度产生影响的因素，使得冷凝温度真正反映室外机的结霜情况条件下，以制热运行时间进行修正，就能保证在适当的结霜情况下进入除霜。
4.结语
空调作为能耗较大的家用电器，如果因为除霜不及时或者频繁误除霜造成能源浪费，对国家和生产厂家来说都是一场巨大的损失，也会影响用户的使用体验。同时，全球空调制造厂商今年来对空调除霜技术的研究力度也逐渐增大，我国企业不能放松发展进度，应加大研究力度，保持世界先进水平。空调除霜技术逐渐发展为注重空调使用者舒适性，和空调节能效果上，未来技术的发展应着重于舒适性的除霜方式，在除霜时不间断制热，不能使除霜影响制热效果，同时减少除霜的能量消耗；而除霜方式的发展其实已经相对成熟和饱和，但除霜控制方法上仍有进步空间，是生产厂家提高产品竞争力的努力方向。