CN102032704B - 热泵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热泵装置，包括：制冷剂回路，其包括压缩机、用于在水与制冷剂之间交换热的利用侧热交换器、电子膨胀阀、以及室外热交换器；控制装置，用于控制压缩机和电子膨胀阀；过冷值计算装置，用于计算制冷剂回路的过冷值；冷凝压力检测装置，用于检测压缩机的冷凝压力；压缩机转数检测装置，用于检测压缩机的转数；以及，目标过冷值提取装置，用于根据冷凝压力和压缩机的转数，选择并提取预先存储的目标过冷值。控制装置调节电子膨胀阀的开度，使得计算出的制冷剂回路的过冷值达到目标过冷值。
Description
技术领域
本发明涉及一种热泵装置，诸如热泵式地板加热器、热水器等，以及，更具体地，涉及适用于产生热水的制冷剂回路操作中的有效控制，这种制冷剂回路用于通过热交换将水转变成热水。
背景技术
作为热泵装置，空调器是一种典型装置。为了有效执行空调器的制热运转，日本专利申请公报No.JP-A-H03-217767披露了一种在制冷循环中控制过冷度(过冷值)的方法。下文说明中，过冷值称为SC值。
JP-A-H03-217767披露了现有技术的热泵式制冷剂回路，其中，通过管路顺序连接压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、以及蒸发器。在现有技术的制冷剂回路中，冷凝器设有冷凝温度检测器和排出温度检测器，冷凝温度检测器用于检测冷凝器中的制冷剂温度，而排出温度检测器则用于检测冷凝器出口处的制冷剂温度。控制此制冷剂回路所用的控制部，根据由冷凝温度检测器和排出温度检测器所检测出的制冷剂温度来计算过冷度，并控制电子膨胀阀的开度，使得计算的结果可以达到目标值。
此外，控制部还控制电子膨胀阀的开度，使得在每次由冷凝温度检测器检测出的温度、或压缩机中制冷剂的排出温度超过确定的限定值时，都可以按确定量降低目标过冷度。以这种方式，可以遏制运行效率的劣化，并且可以实现稳定运转。
另一方面，在作为热泵装置示例的热泵式地板加热器中，利用在地板加热板中循环的水来实现热交换，这与空调器有很大差别，空调器中室内机的热交换器使用空气作为热交换的对象。然而，因为在这两种情形下制冷剂回路大致具有相同的结构，而空调器的室外机有时也常用作热泵式地板加热器的室外机。所以，有些情形下，采用相同的方法来控制SC值。
然而，关于过冷度与性能系数(COP)之间的关系，当SC值改变时，与空调器相比，热泵式地板加热器中COP以更大的比率变化。所以，除非严格控制SC值，否则会劣化COP，并且，在某些情形下，可能导致无效运转。
参照图2中的过冷-性能系数特性的曲线图，下文通过比较空调器与常规热泵式地板加热器，说明过冷度与COP之间的关系。图2至图10中的曲线图和数据值，是通过实验获得的值，或以这些值为基础确定的值。
图2示出SC值(过冷度)与COP之间关系的曲线图，其中在室外温度为7℃的情况下，将热泵式地板加热器与空调器进行比较。如图2所示，可以看到，与空调器相比，在现有技术的热泵式地板加热器中，SC值的变化对COP施加更大的影响。
图2中，曲线图的X轴表示热交换器出口处的SC值(单位：℃)，而曲线图的Y轴则表示分别在热泵式地板加热器情况下和在空调器情况下那个时刻对最高COP的比值。图2中，COP越高，可以实现越有效的运转，因此，可以维持对最高COP高比值的SC值是运转的目标。“对最高COP的比值”指对各装置中测得的COP最高值的比值。
例如，在热泵式地板加热器中，当COP最高(对最高COP的比值为：1.0)时，SC值是5.0℃，另一方面，当COP最低(对最高COP的比值为：0.87)时，SC值为10.9℃，比COP最高时的情形降低13％。
这意味着存在发生效率劣化到这一程度的可能性，即在这样的情形下，其中按照控制压缩机1和电子膨胀阀4开度的方法控制热泵式地板加热器，以获得根据由排出热水温度传感器12检测出的水温所确定的目标排出温度，以及对SC值未加干预(the SC value is left asit goes)。在特定操作状态下COP最高时的SC值，称为相关操作的最优SC。
另一方面，在空调器中，当COP最高(与最高COP的比值为：1.0)时，SC值是8.4℃，反之，当COP最低(与最高COP的比值为：0.977)时，SC值是16.2℃，这比COP最高时的情形降低2.3％。
这意味着在空调器的情形下，即使没有实施特别的过冷控制，效率最多也只劣化2.3％。所以，与空调器相比，在热泵式地板加热器中，除非实施精细过冷控制，否则，可能劣化性能系数。
因为与制冷剂热交换的对象彼此不同，所以，在热泵式装置与空调器之间出现这种特性上的差异。特别地，水是热泵装置中热交换的对象，而空气则是空调器中热交换的对象。因为水的导热率比空气的导热率高，所以，用于水的热交换器可以设计得更为紧凑。这是因为在用于水的热交换器中，较短的通路足够水与制冷剂之间进行热交换。
为此，与具有相同能力的用于空气的热交换器相比，用于水的热交换器在热交换器内部用于制冷剂的管路具有较小容量，并且使具有高COP的过冷范围较小。据此，在热泵装置中，需要精细地控制制冷剂。
发明内容
本发明用作示例说明的的各方面，提供了一种热泵装置，通过按照不同运转条件实施过冷控制，提高了这种热泵装置的运转效率。
根据本发明的第一方面，提供一种热泵装置，包括：制冷剂回路，其包括压缩机、用于在水与制冷剂之间交换热的利用侧热交换器、电子膨胀阀、以及室外热交换器；控制装置，用于控制压缩机和电子膨胀阀；过冷值计算装置，用于计算制冷剂回路的过冷值；冷凝压力检测装置，用于检测压缩机的冷凝压力；压缩机转数检测装置，用于检测压缩机的转数；以及，目标过冷值提取装置，用于根据冷凝压力和压缩机的转数，选择并提取预先存储的目标过冷值。控制装置调节电子膨胀阀的开度，使得计算出的制冷剂回路的过冷值达到目标过冷值。
根据本发明的第二方面，在冷凝压力值和压缩机转数的各区域中，目标过冷值提取装置存储预先确定的多个目标过冷值。多个目标过冷值的每一个，随着冷凝压力升高而减小，并随着转数升高而增大。
根据下述说明、附图及所附权利要求，本发明的其它方面和优点会更加明了。
本发明的优点
在根据本发明权利要求1所述的热泵装置中，通过使用上述装置，不仅考虑冷凝压力，而且考虑压缩机转数来确定目标过冷值(SC值)，并且执行过冷控制以达到目标SC值。以这种方式，在热泵装置诸如热泵式地板加热器、热水器等中，能够获得高效运转。
根据本发明的第二方面，目标SC值以这样的方式预先存储在目标过冷表中，随着冷凝压力升高，目标SC值减小，随着压缩机转数升高，目标SC值增大。然后，冷凝压力值和压缩机转数值由区域控制。由于目标SC值存储在区域的各组合中，可以根据冷凝压力和压缩机转数这两个条件提取目标SC值。
附图说明
图1是图示根据本发明示范实施例的热泵装置的制冷剂回路的图；
图2是图示SC值与COP之间关系的曲线图；
图3是图示冷凝压力与最优SC值之间关系的曲线图；
图4是图示冷凝压力与目标SC值之间关系的说明图；
图5是图示关于压缩机转数变化的SC值与COP之间关系的曲线图；
图6是图示最优SC值与压缩机转数之间关系的曲线图；
图7是图示冷凝压力、压缩机转数、以及目标SC值之间关系的说明图；
图8是图示最优SC值与室外气温之间关系的曲线图；
图9是图示最优SC值与配管长度之间关系的曲线图；
图10是图示目标过冷表(下文称为目标SC表)的说明图，其中在表中列出了冷凝压力、压缩机转数、以及目标SC值；以及
图11A和图11B是图示根据本发明的控制操作的流程图。
具体实施方式
下面，参照图1至图10，通过本发明的示范实施例说明实现本发明的方式。
图1是图示根据示范实施例的热泵装置中的制冷剂回路的图。在根据示范实施例的热泵装置的制冷剂回路中，压缩机1、四通阀2、用于在制冷剂与水之间交换热的利用侧热交换器3、电子膨胀阀4、室外热交换器5、以及蓄液器6顺序连接，以及，如此构造制冷剂回路，使得通过切换四通阀2，就可以转变循环制冷剂的方向。此外，用于检测排出压力的压力传感器10设置在压缩机1的排出侧，而用于检测电子膨胀阀4附近的制冷剂温度的制冷剂温度传感器11，则设置在利用侧热交换器3与电子膨胀阀4之间。
另一方面，在利用侧热交换器3中，使与制冷剂热交换之后的水循环，以及，通过顺序连接利用侧热交换器3、内部含有曲流管8a的地板加热板8、以及用于热水的泵9，形成循环路径。此外，用于检测排出热水温度的排出热水温度传感器12，设置在循环路径中利用侧热交换器3的出水口处。
另外，设置有控制装置7，根据压力传感器10、排出热水温度传感器12、以及制冷剂温度传感器11的检测值，控制装置7启动并控制压缩机1、四通阀2、泵9、以及电子膨胀阀4。接着，说明由控制器7实施的控制。
在热泵式地板加热器中，当开始运转时，控制装置7使泵9转动，使水在利用侧热交换器3与地板加热板8之间循环。
已成为高温高压气体的制冷剂，经过四通阀2，由利用侧热交换器3使其放热而液化。然后，由电子膨胀阀4使液化的制冷剂压力减小，由室外热交换器5使制冷剂蒸发以与室外空气进行热交换，从而使制冷剂气化，并由压缩机1再次进行压缩。重复上述过程。在除霜操作期间，四通阀2用于反转循环制冷剂的方向。
用于执行适合于示范实施例的控制的程序，存储在与控制装置7成一体的微型计算机中，以及，通过根据该程序操作此微型计算机，实现下列控制和各种装置。
在图1中，用于计算制冷剂回路SC值的SC值计算装置14，由控制装置7、压力传感器10、以及制冷剂温度传感器11组成。此外，用于检测排出压力并用作冷凝压力的冷凝压力检测装置13，由控制装置7和压力传感器10组成。此外，控制装置7在其中包括：压缩机转数检测装置7b，用于根据控制装置7控制的压缩机1的转数控制数据来提取当前转数；以及，目标SC值提取装置7a，用于根据冷凝压力和压缩机1的转数得到目标SC值。下文具体说明这些装置。
[实施例1]
首先，为了根据不同运转条件控制SC值，说明根据各运转条件变化的最优SC值的特性。其中的曲线图和数据通过实验方式测得，并且取决于测量条件，诸如各类装置、用于制冷剂的配管长度等等而有所不同。本发明的目的是，根据通过改变这些测量条件所检测出的实验数据，得出热泵装置的特性，掌握其趋势，并通过将该趋势应用于装置的实际控制而提高COP。
图3是图示冷凝压力与最优SC值之间关系的曲线图，其中X轴表示冷凝压力(单位：MPaG，兆帕表压)，而Y轴表示最优SC值(单位：℃)。因为冷凝压力与图1中压力传感器10所检测出的压力大致相同，在示范实施例中将它们按相同处理。据此，排出压力示为冷凝压力。此外，在室外温度7℃、压缩机1的转数固定在65rps(每秒转数)的情况下，最优SC值体现由冷凝压力的变化所导致的最优SC值的变化。在固定压缩机1转数的情况下，电子膨胀阀4的开度也随之固定。在此情况下冷凝压力的最优SC值的变化，受作为负荷循环至利用侧热交换器3的水温影响。
如图3所示，随着冷凝压力上升，最优SC值趋于逐渐下降。所以，在制冷循环的实际控制中，当由压力传感器10检测出的冷凝压力按一定量升高时，需要按一定量降低目标SC值，也就是，需要按一定量降低最优SC值。
在图示冷凝压力与目标SC值之间关系的图4的说明图中，示意性示出这种概念。在图4中，冷凝压力分成三个区域，并在各区域中设定目标SC值。出于在控制中减少波动的目的，根据冷凝压力的升降，在各区域的门限值中形成滞后量。
具体地，在压力具有上升趋势时，冷凝压力分成低于3.00MPaG区域、3.00MPaG至3.60MPaG区域、和高于3.6MPaG区域，以及，按照从具有较低压力的区域开始的次序，目标SC值分别设定为10℃、8℃和6℃。相反，在压力具有下降趋势时，冷凝压力分成低于2.8MPaG区域、2.8MPaG至3.4MPaG区域、和高于3.4MPaG区域，以及，按照从具有较低压力的区域开始的次序，目标SC值分别设定为10℃、8℃和6℃。按这种方式，即使冷凝压力改变，目标SC值也对应地转变。所以，即使冷凝压力改变，也能维持较高的COP。
图5是SC-COP特性的曲线图，示出就压缩机1转数而论的SC值与COP之间的关系。图5中，Y轴表示COP，而X轴表示SC值(单位：℃)。在压缩机1转数为20rps、65rps、和90rps的情况下，分别示出SC-COP特性。
如图5所示，在各转数处都示出有最高COP的点。在20rps转数处，当SC值为4.2℃时，COP峰值为4.38；在65rps转数处，当SC值为10.5℃时，COP峰值为4.2；以及，在90rps转数处，当SC值为12.3℃时，COP峰值为3.42。各COP的这些峰值是在各转数的最优SC值。
图6是图示最优SC值与压缩机转数之间关系的曲线图。图6中，Y轴表示在图5中各转数的最优SC值(单位：℃)，而X轴表示压缩机转数(rps)。如图6所示，随着压缩机转数上升，最优SC值也大致线性上升。
除了如图4所示的设定目标SC值的方法之外，图7是图示与如图6所示的压缩机1转数特性相关的冷凝压力、压缩机转数、以及目标SC值之间的关系的说明图。在图7的冷凝压力的各区域中，随着压缩机转数逐步升高，目标SC值也设定为逐步增大。
具体地，在上升趋势时冷凝压力为低于3.00MPaG、或者在下降趋势时冷凝压力为低于2.8MPaG的情况下，在转数为低于40rps、40rps至70rps之间、以及高于70rps的各区域中，按照从具有较小压力的区域开始的次序，目标SC值分别设定为6℃、10℃、以及12℃。在冷凝压力的其他区域中也形成转数的类似区域，并分别设定SC值。
图10是目标SC表，其中将图7中的目标SC值列在表中，以应用于实际控制。在图10所示的目标SC表中，左栏从上到下示出的项目是：“冷凝压力状态”、“冷凝压力门限值”(单位：MPaG)、以及“转数”(单位：rps)。“转数”分成3个区域，具体而言是高于70rps、40rps至70rps之间、以及低于40rps。图10中的目标SC值基于通过实验所获得的值确定，并将这些确定的值预先存储为表格。
“冷凝压力状态”用于区分冷凝压力是上升还是下降。实际上，取决于由控制装置7的压力传感器10间歇方式检测出的压力值，相对于门限值是从下到上、还是从上到下改变，确定冷凝压力是上升还是下降。
接着，说明利用目标SC表控制SC值的方法。
按照冷凝压力是上升还是下降、来自压力传感器10的最新检测值、以及压缩机1的最新转数，控制装置7提取冷凝压力的最新状态。接着，根据目标SC表的“冷凝压力状态”、“冷凝压力门限值”、以及“转数”列中的各区域，控制装置7提取目标SC表中所描述的目标SC值。
用于执行存储目标SC表以及提取目标SC值过程的装置，是上述的目标SC值提取装置7a。用于检测压缩机1转数的装置是压缩机转数检测装置7b。检测装置7b提取当前转数，该当前转数作为压缩机1的数据被存储和控制，而压缩机1则由控制装置7进行控制。
之后，控制装置7利用SC值计算装置14计算当前SC值，并将计算的SC值与已经提取出的目标SC值进行比较，并且，基于它们之差调节电子膨胀阀4的开度。例如，利用SC值计算装置14计算得到SC值，并且是通过从液化温度中减去由制冷剂温度传感器11检测出的温度而得到SC值，液化温度是相对于当前所使用的制冷剂的莫里尔图中的饱和液线根据当前冷凝压力(排出压力)算出的。
控制装置7从当前SC值中减去目标SC值。当此减除的结果为正时，控制装置7控制电子膨胀阀4的开度，以根据此减除的结果打开阀4，以及，当此减除的结果为负时，控制装置7控制电子膨胀阀4的开度，以根据此减除的结果关闭阀4。通过以这种方式控制开度，对装置进行控制，使得当前SC值总是达到目标SC值，因此，将COP维持在较高水平。
作为实际控制，控制装置7使压缩机1转动，使得排出热水的当前温度(由排出热水温度传感器12检测出)也就是经过利用侧热交换器3加热的水的温度，可以达到预先设定的排出热水的目标温度。在这种场合，控制电子膨胀阀4以与压缩机1的转数相对应。另一方面，根据示范实施例的电子膨胀阀4的调节，是通过在相对较小范围内控制开度实施的。具体而言，电子膨胀阀4开度的相对较大控制，与排出热水的当前温度与目标温度之差确定的压缩机1转数相对应。实施根据示范实施例的电子膨胀阀4的调节以修正开度。
接着，说明其他特性。图8是图示示于Y轴的最优SC值(单位：℃)与示于X轴的室外气温(℃)之间关系的曲线图。如图8所示，当室外气温超过20℃时，最优SC值趋于急剧下降，所以，优选地，对图10的目标SC表中的值进行修正。按这种方式，即使室外气温较高，COP也可以维持在相对较高水平。
图9是图示示于Y轴的最优SC值(单位：℃)与示于X轴的配管长度之间关系的曲线图。这里所述的配管长度是利用侧热交换器3与室外热交换机5之间的配管长度，也就是，例如，在空调器的情况下，连接室内装置与室外装置的配管长度。
如图9所示，尽管特定的最优SC值彼此不同，但具有不同能力的两种型号的装置其曲线图具有大致相同的趋势。随着配管长度变长，最优SC值趋于下降。所以，在安装热泵式加热器之后，配管长度的数据最好存储在控制装置7中，以及，图10中目标SC表的值，最好根据此配管长度进行修正。即使配管长度根据安装条件有所改变，但按这种方式，COP仍能维持在较高水平。
另一方面，在配管长度设定为标准长度、并且利用与配管长度相对应的最优SC值实行控制的这样一种装置中，因为制冷剂的循环量减小，即使为了安装工作的方便使配管长度更长，控制装置7也控制电子膨胀阀4打开。在这种情况下，排出压力变得非常高，但根据本示范实施例，可以避免这种不便。
如上所述，通过精细设置目标SC值，不仅考虑到冷凝压力，而且考虑到压缩机1转数，在诸如热泵式地板加热器、热水器等热泵式装置中，可以将COP维持在较高水平。
此外，如图10所示，通过实验预先得到的目标SC值以这样一种方式存储在目标SC表中，使得随着压缩机1冷凝压力升高，目标SC值减小，以及，随着压缩机1转数增大，目标SC值增大。然后，在各区域中控制冷凝压力值和转数，并将目标SC值存储在区域的各组合中。所以，根据压缩机1的转数和冷凝压力值这两个条件，可以提取目标SC值。
图11A和图11B是流程图，图示控制装置7中用于控制热泵式地板加热器的过程。图11A图示热泵式地板加热器的主程序，而图11B图示根据示范实施例的SC值控制程序。SC值控制程序与主程序并行运行，并由定时中断(timer intrusion)每隔固定时间激活，以精细调节(修正)由主程序控制的电子膨胀阀4的开度。
在图11A和图11B中，ST表示步骤，跟在ST之后的数字表示步骤号。在图11A和图11B中，主要说明根据示范实施例的处理，但相关通用处理诸如用户的设定操作、排出热水温度的具体控制等说明从略。
如图11A所示，当控制装置7开始控制时，开始热水泵9的转动，从而使水在利用侧热交换器3与地板加热板8之间循环(ST1)。然后，控制装置7输入自排出热水温度传感器12循环的水温，也就是排出热水的温度(ST2)。接着，控制装置7确定压缩机1转数，使得由排出热水温度传感器12所检测出的值可以达到预先设定的排出热水温度，并使压缩机1转动，从而使热泵式地板加热器运转(ST3)。如上所述，由压缩机1转数粗略控制电子膨胀阀4的开度。之后，跳转到ST2，重复上述处理。
另一方面，如图11B所示，与上述主程序并行，控制装置7输入刚好在电子膨胀阀4之前来自制冷剂温度传感器11的制冷剂的温度(ST10)。然后，从压力传感器10输入压缩机1的排出压力(冷凝压力)(ST11)。接着，提取压缩机1的当前转数(ST12)。控制装置7还控制压缩机1，使得当前转数可以达到目标转数，所以，还存储当前转数。这里，提取当前转数。
接着，如上所述，取决于在多个时刻周期性获取的压力传感器10的值在时间序列上是变大还是变小，控制装置判断压缩机1冷凝压力的上升或下降。之后，使用在ST11至ST13中得到的冷凝压力、压缩机1转数、以及冷凝压力升降等各参数，从图10中所示的目标SC表中提取目标SC值(ST14)。
接着，根据ST10中检测出的制冷剂温度、以及ST11中检测出的压缩机1的排出压力，也就是冷凝温度，计算当前SC温度(ST15)。之后，根据步骤ST14中提取的目标SC值、以及ST15中计算出的当前SC值，精细调整电子膨胀阀4的开度(ST16)。
具体地，从当前SC值中减去目标SC值，以及，当减除的结果为正时，控制电子膨胀阀4打开，而减除的结果为负时，则控制电子膨胀阀4关闭。然后，完成此处理。
尽管在示范实施例中冷凝压力检测装置13由压力传感器10和控制装置7组成，但本发明并不局限于这种结构。可选择地，可以使用制冷剂温度传感器取代压力传感器10，并由控制装置7将制冷剂温度转换为制冷剂压力。此外，尽管控制装置7在这里包括压缩机转数检测装置7b，但本发明并不局限于这种结构。可选择地，转数可以利用压缩机1所用驱动电机的转动位置传感器直接获得。此外，尽管SC值计算装置14在本示范实施例中由压力传感器10、控制装置7和制冷剂温度传感器11组成，但本发明并不局限于这种结构。可选择地，SC值计算装置14可以由设置在利用侧热交换器3中的冷凝温度传感器、控制装置7和制冷剂温度传感器11组成。
尽管参照其某些示范实施例图示并说明了本发明的概念，但本领域技术人员应当理解，可以在形式和细节上对本发明进行不同的变更，而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神及其范围。
Claims (2)
1.一种热泵装置，包括：
制冷剂回路，其包括压缩机、用于在水与制冷剂之间交换热的利用侧热交换器、电子膨胀阀、以及室外热交换器；
控制装置，用于控制所述压缩机和所述电子膨胀阀；
过冷值计算装置，用于计算所述制冷剂回路的过冷值；
冷凝压力检测装置，用于检测所述压缩机的冷凝压力；
压缩机转速检测装置，用于检测所述压缩机的转速；以及
目标过冷值提取装置，用于根据所述冷凝压力和所述压缩机的转速，选择并提取预先存储的目标过冷值，
其中：所述控制装置调节所述电子膨胀阀的开度，使得计算出的所述制冷剂回路的过冷值达到所述目标过冷值。
2.根据权利要求1所述的热泵装置，其中：在所述冷凝压力的数值和所述压缩机的转速的各区域中，所述目标过冷值提取装置存储预先确定的多个目标过冷值，以及
其中：所述多个目标过冷值的每一个，随着所述冷凝压力升高而减小，并随着所述转速升高而增大。
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