DE102005028405B4

DE102005028405B4 - Überkritisches Wärmepumpenkreissystem

Info

Publication number: DE102005028405B4
Application number: DE102005028405.1A
Authority: DE
Inventors: Hiromi Ohta
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2019-08-29
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: DE102005028405A1; US20050284164A1; JP2006010136A; JP4613526B2; US7559206B2

Abstract

Überkritisches Wärmepumpenkreissystem, mit
einem Kompressor (11) zum Komprimieren eines Kältemittels;
einem Kältemittelkühler (12) mit einem Innendruck höher als ein kritischer Druck des Kältemittels, in dem das vom Kompressor (11) ausgegebene Kältemittel mit einem durch den Kältemittelkühler (12) strömenden Fluid in Wärmeaustausch steht, um das Fluid in einem Heizbetrieb zu heizen;
einer Dekompressionseinheit (13), die das aus dem Kältemittelkühler (12) strömende Kältemittel dekomprimiert;
einem Kältemittelverdampfapparat (14) zum Verdampfen des Kältemittels aus der Dekompressionseinheit (13);
einer Solltemperatureinstelleinrichtung zum Einstellen einer Solltemperatur (TAO) des Fluids;
einer Solldruckbestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines Heiz-Sollsteuerdrucks in dem Kältemittelkühler (12) basierend auf der Solltemperatur (TAO) des Fluids während des Heizbetriebs,
einer Niederdruckbestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines Drucks eines Niederdruckkältemittels nach der Dekompression in der Dekompressionseinheit (13),
wobei die Dekompressionseinheit (13) so gesteuert wird, dass ein Kältemitteldruck im Kältemittelkühler (12) zum Sollsteuerdruck wird, und
wobei die Druckbestimmungseinrichtung den Heiz-Sollsteuerdruck im Kältemittelkühler (12) basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels und der Solltemperatur (TAO) des Fluids während des Heizbetriebs bestimmt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein überkritisches Wärmepumpenkreissystem mit einem Heizbetrieb zum Heizen eines Fluids (z.B. Luft) mittels eines Kältemittelkühlers, in welchem ein Innendruck höher als der kritische Druck des Kältemittels ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuerung einer Dekompressionsvorrichtung im Heizbetrieb.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einem überkritischen Wärmepumpenkreissystem, das in der WO 93/06423 ( JP-B2-2931668 ) beschrieben ist, wird eine Kältemitteltemperatur an einem Kältemittelauslass eines Kältemittelkühlers erfasst. Ferner wird ein Öffnungsgrad einer Dekompressionsvorrichtung basierend auf der Kältemitteltemperatur gesteuert, um den Druck des Hochdruckkältemittels so zu steuern, dass ein Wirkungsgrad (COP) des Kühlkreises maximal wird.
Im Allgemeinen wirken sich in einem Heizbetrieb zum Heizen von Luft (Fluid) mittels eines Kältemittelkühlers eine durch den Kältemittelkühler geheizte Lufttemperatur, eine Temperaturschwankung der aus dem Kältemittelkühler strömenden Luft sowie eine Lufttemperaturverteilung stark auf eine angenehme Durchführung des Heizens aus. Weiter ändert sich die Kältemitteltemperatur am Auslass des Kältemittelkühlers basierend auf einer in dem Kältemittelkühler strömenden Luftmenge, einer in den Kältemittelkühler gesaugten Lufttemperatur und einer Drehzahl des Kompressors stark. Deshalb ändert sich im Heizbetrieb auch die Temperatur der aus dem Kältemittelkühler strömenden Luft stark.
Die zum Kältemittelkühler strömende Luftmenge kann mittels eines Verstellkompressors gesteuert werden. Wenn jedoch die Temperatur der Saugluft im Heizbetrieb niedrig ist (z.B. 0°C), ist es schwierig, die Kapazität des Verstellkompressors stabil zu steuern. Wenn zum Beispiel die vom Kompressor ausgegebene Kältemittelmenge mittels des Verstellkompressors kleiner geregelt wird, sinkt der Hochdruck-Kältemitteldruck. In diesem Fall wird, falls der Öffnungsgrad der Dekompressionsvorrichtung kleiner geregelt wird, um den Hochdruck-Kältemitteldruck aufrechtzuerhalten, die Kältemittelzirkulationsmenge und auch die Kältemittelausgabekapazität verändert. Demgemäß können der Hochdruck-Kältemitteldruck oder die Kältemittelausgabekapazität des Kompressors nicht stabil geregelt werden.
US 5 890 370 A beschreibt ein Kühlsystem eines Dampfkompressionstyps, welches aus einem Kompressor, einem Wärmestrahler, einem Expansionsventil, einem Verdampfapparat und einem Speicher aufgebaut ist, die miteinander durch Rohre verbunden sind, sodass ein geschlossener Kreislauf für ein Kältemittel (CO 2) aufgebaut wird. Ferner ist ein Lüfter zum Erzeugen einer Luftströmung vorgesehen und der Verdampfapparat ist so angeordnet, dass er einem Lüfter zugewandt ist, der eine mit dem Verdampfapparat kontaktierte und in eine Kabine eines Fahrzeugs eingeleitete Luftströmung erzeugt.
DE 100 53 203 A1 beschreibt ein Kühlmittelzyklus-System, umfassend einen Kompressor zum Komprimieren von Kühlmittel und zum Abgeben des Kühlmittels mit einem Druck höher als der kritische Druck, einen Kühler zum Kühlen des von dem Kompressor abgegebenen Kühlmittels, und ein Druckregelungsventil zum Dekomprimieren des von dem Kühler aus strömenden Kühlmittels, das derart angeordnet ist, dass es den Druck des hochdruckseitigen Kühlmittels von dem Kompressor zu einer Position vor dem Dekomprimieren regelt. Ein Verdampfer dient zum Verdampfen des in dem Druckregelungsventil dekomprimierten Kühlmittels und eine Regelungseinheit, dient zum Regeln von der von dem Kompressor abgegebene Kühlmittelmenge und dem Öffnungsgrad des Druckregelungsventils.
DE 199 17 048 A1 beschreibt ein superkritisches Kältekreislaufsystem mit einem Verdichter variabler Kapazität. Wenn ermittelt wird, dass die Kühlmittelförderkapazität des Verdichters sich nicht geändert hat, wird die Öffnung des Ventils, das auf der Auslassseite des Wärmetauschers zum Kühlen des Kühlmittels angeordnet ist, das von dem Verdichter gefördert wird, gesteuert. Das Ventil wird auf Grundlage eines ersten voreingestellten Programms entsprechend der Kühlmitteltemperatur auf der Auslassseite des Wärmetauschers, ermittelt durch einen Kühlmitteltemperaturdetektor, gesteuert. Wenn ermittelt wird, dass die Kühlmittelförderkapazität sich geändert hat, wird die Öffnung des Ventils auf Grundlage eines sich vom ersten Programm unterscheidenden zweiten Programms gesteuert. Wenn ermittelt wird, dass die Kühlmittelförderfähigkeit sich geändert hat, kann eine Steuereinrichtung die Ventilöffnung über das zweite Programm fixieren.
DE 689 08 181 T2 beschreibt eine Regulierung der spezifischen Enthalpie an einem Verdampfereinlass durch Verwendung des Drucks vor dem Entspannen für die Kapazitätssteuerung. Die Kapazität wird durch Verändern der Kältemittelenthalpiedifferenz in dem Verdampfer durch Verändern der spezifischen Enthalpie des Kältemittels vor dem Entspannen gesteuert. Im überkritischen Zustand können dazu der Druck und die Temperatur unabhängig voneinander verändert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein überkritisches Wärmepumpenkreissystem vorzusehen, das einen Heizbetrieb mittels eines Kältemittelkühlers stabil durchführt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein überkritisches Wärmepumpenkreissystem vorzusehen, das einen Heizbetrieb mittels eines Kältemittelkühlers stabil durchführt und gleichzeitig eine Schwankung der durch den Kältemittelkühler geheizten Fluidtemperatur beschränkt.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein überkritisches Wärmepumpenkreissystem vorzusehen, das eine Heizleistung des Kältemittelkühlers effektiv erhöht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein überkritisches Wärmepumpenkreissystem einen Kompressor zum Komprimieren eines Kältemittels, einen Kältemittelkühler mit einem höheren Innendruck als ein kritischer Druck des Kältemittels, eine Dekompressionseinheit, die das aus dem Kältemittelkühler strömende Kältemittel dekomprimiert, und einen Kältemittelverdampfapparat zum Verdampfen des Kältemittels aus der Dekompressionseinheit. Im Kältemittelkühler steht das vom Kompressor ausgegebene Kältemittel mit einem durch den Kältemittelkühler strömenden Fluid in Wärmeaustausch, um das Fluid in einem Heizbetrieb zu heizen. Im Kreissystem bestimmt eine Niederdruckbestimmungseinheit einen Druck eines Niederdruckkältemittels nach der Dekompression in der Dekompressionseinheit, eine Solltemperatureinstelleinheit stellt eine Solltemperatur des Fluids ein, und eine Solldruckbestimmungseinheit bestimmt einen Heiz-Sollsteuerdruck im Kältemittelkühler basierend auf dem Solldruck des Kältemittels oder der Solltemperatur des Fluids oder basierend auf sowohl dem Druck des Niederdruckkältemittels als auch der Soll temperatur des Fluids während des Heizbetriebs. Ferner wird die Dekompressionseinheit so gesteuert, dass ein Kältemitteldruck im Kältemittelkühler zum Sollsteuerdruck wird.
Deshalb wird die Temperatur des durch den Kältemittelkühler geheizten Fluids einfach auf die Solltemperatur erhöht, während das Kreissystem stabil gesteuert werden kann. Als ein Beispiel ist das Fluid eine durch den Kältemittelkühler strömende Luft.
Vorzugsweise enthält die Solldruckbestimmungseinheit eine Speichereinrichtung zum Speichern einer Beziehung zwischen dem Druck des Niederdruckkältemittels und einer Heizkapazität zum Erhalten der Solltemperatur des Fluids und bestimmt den Heiz-Sollsteuerdruck mittels der Beziehung.
Das überkritische Wärmepumpenkreissystem kann mit einer Schalteinheit zum Schalten zwischen dem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb zum Kühlen eines Fluids versehen sein. In diesem Fall bestimmt die Solldruckbestimmungseinheit einen Kühl-Sollsteuerdruck, bei dem ein Wirkungsgrad (COP) während des Kühlbetriebs maximal wird, wobei die Solldruckbestimmungseinheit den Heiz-Sollsteuerdruck basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels und der Solltemperatur des Fluids bestimmt. Deshalb können sowohl die Kühlfunktion im Kühlbetrieb als auch die Heizfunktion im Heizbetrieb verbessert werden.
Alternativ enthält ein überkritisches Kühlkreissystem eine erste Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines ersten Sollsteuerdrucks, der ein Druck des Hochdruckkältemittels vor der Dekompression ist, bei dem eine Temperatur des mit dem Kältemittel im Kältemittelkühler in Wärmeaustausch stehenden Fluids eine Solltemperatur erreicht, und eine zweite Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines zweiten Sollsteuerdrucks, der ein Druck des Hochdruckkältemittels vor der Dekompression durch die Dekompressionseinheit ist, bei dem der Kältemittelkühler eine maximale Heizleistung hat, entsprechend einem Druck des Niederdruckkältemittels nach der Dekompression durch die Dekompressionseinheit. In diesem Fall wird ein Öffnungsgrad der Dekompressionseinheit so gesteuert, dass ein Kältemitteldruck im Kältemittelkühler zu einem kleineren Druck zwischen dem ersten und dem zweiten Sollsteuerdruck wird. In diesem Fall kann die Temperatur des Fluids schnell geheizt werden, und die Heizleistung des Kältemittelkühlers kann effektiv erhöht werden, während das Kreissystem stabil betrieben werden kann.
Zum Beispiel berechnet die Berechnungseinrichtung den Sollsteuerdruck zu einem oberen Grenzwert, bei dem der Kältemittelkühler eine maximale Heizleistung besitzt. Alternativ berechnet die Berechnungseinrichtung den Sollsteuerdruck auf einen oberen Grenzwert, bei dem eine Kältemitteltemperatur des Kompressors niedriger als eine zulässige Ausgabetemperatur des Kompressors wird.
Ferner kann die Ausgabekapazität des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels so gesteuert werden, dass ein Temperaturunterschied zwischen einer Temperatur des im Kältemittelkühler in Wärmeaustausch stehenden Fluids und einer Kältemitteltemperatur an einem Kältemittelauslass des Kältemittelkühlers eine Solltemperaturdifferenz erreicht.
Alternativ kann die Ausgabekapazität des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels so gesteuert werden, dass eine Kältemitteltemperatur am Kältemittelauslass des Kältemittelkühlers zu einer Sollkältemitteltemperatur wird, bei welcher ein Wirkungsgrad des Kreissystems bezüglich des Innendrucks des Kältemittelkühlers maximal wird. Ferner kann die Ausgabekapazität des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels so gesteuert werden, dass eine Kältemitteltemperatur an einem Kältemittelauslass des Kältemittelkühlers zu einer Sollkältemitteltemperatur wird, die bezüglich des Innendrucks des Kältemittelkühlers eingestellt ist. Die Ausgabekapazität des vom Kompressor ausgegebenen Kältemittels wird auf 100% gesetzt, wenn eine Strömungsmenge des im Kältemittelkühler strömenden Kältemittels kleiner als ein Wert ist oder wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist. In diesem Fall kann der Druck des Hochdruckkältemittels stabil gesteuert werden, selbst wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist oder die Strömungsmenge des im Kältemittelkühler strömenden Kältemittels klein ist.
Zum Beispiel kann die Strömungsmenge des im Kältemittelkühler strömenden Kältemittels basierend auf einer Temperatur der Außenluft und einer Drehzahl des Kompressors geschätzt werden.
Figurenliste
Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:

1A eine schematische Darstellung eines überkritischen Wärmepumpenkreissystems gemäß einem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1B ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung des überkritischen Wärmepumpenkreissystems in 1A;
2 ein Flussdiagramm eines Steuerprozesses einer Klimasteuerung gemäß dem ersten beispielhaften Ausführungsbeispiel;
3 ein Kennliniendiagramm von Beziehungen zwischen einem Hochdruckkältemitteldruck, einer Heizkapazität HC eines Innenwärmetauschers und einer Ausgabetemperatur eines von einem Kompressor ausgegebenen Kältemittels, wenn sich eine Außenlufttemperatur als Parameter ändert;
4 ein Kennliniendiagramm von Beziehungen zwischen einem Sollsteuerhochdruck (Ph) eines Hochdruckkältemittels und einer Solltemperatur (Tout) des Kältemittels an einem Auslass des Innenwärmetauschers auf Steuerlinien A, B, C;
5 ein Kennliniendiagramm von Beziehungen zwischen einem Hochdruckkältemitteldruck und einem Wirkungsgrad (COP), wenn sich eine Kältemitteltemperatur am Auslass eines Kältemittelkühlers verändert;
6A eine schematische Darstellung eines überkritischen Wärmepumpenkreissystems in einem Kühlbetrieb gemäß einem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6B ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung des überkritischen Wärmepumpenkreissystems in 6A;
7 eine schematische Darstellung eines überkritischen Wärmepumpenkreissystems in einem Heizbetrieb gemäß dem zweiten beispielhaften Ausführungsbeispiel;
8A eine schematische Darstellung eines überkritischen Wärmepumpenkreissystems gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
8B ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung des überkritischen Wärmepumpenkreissystems in 8A.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN (Erstes beispielhaftes Ausführungsbeispiel)
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein in 1A und 1B dargestelltes überkritisches Wärmepumpenkreissystem typischerweise für eine Fahrzeug-Klimaanlage verwendet.
Wie in 1A dargestellt, enthält das überkritische Wärmepumpenkreissystem einen Kompressor 11 zum Komprimieren eines Kältemittels, einen Innenwärmetauscher 12 (Innengaskühler), der als ein Kältemittelkühler in einem Heizbetrieb benutzt wird, ein elektrisches Expansionsventil 13, das als eine Dekompressionseinheit benutzt wird, einen Außenwärmetauscher 14, der als ein Kältemittelverdampfapparat im Heizbetrieb benutzt wird, und einen Sammler 15. Diese Komponenten des Wärmepumpenkreissystems sind verbunden, um einen geschlossenen Kühlkreis zu bilden. Als ein Beispiel wird Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel in dem überkritischen Kühlkreissystem verwendet.
Der Kompressor 11 saugt ein Niedertemperatur- und Niederdruck-Gaskältemittel an und komprimiert das angesaugte Kältemittel zu einem überkritischen Zustand mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck. Der Kompressor 11 wird mittels eines Fahrzeugmotors als Antriebsquelle durch eine aus einer Riemenscheibe und einem V-Riemen aufgebauten Kraftübertragungseinheit angetrieben. Der Kompressor 11 ist mit der Antriebsquelle über eine Kupplung verbunden.
Ein Verstellmechanismus 11a steuert eine Kapazität eines Zylinders und dergleichen in dem Kompressor 11 von außen, um so eine Kältemittelausgabekapazität des Kompressors 11 zu verändern. Der Verstellmechanismus 11a ist elektrisch mit einer Klimasteuervorrichtung (ECU) 30 verbunden und wird durch die Klimasteuervorrichtung 30 gesteuert.
Der Innenwärmetauscher 12 ist ein Kältemittelkühler in einem Heizbetrieb zum Abstrahlen eines in dem Kompressor 11 komprimierten Hochtemperatur- und Hochdruckkältemittels. Im Heizbetrieb steht durch ein Gebläse 12a geblasene Luft mit dem im Innenwärmetauscher 12 strömenden Hochtemperaturkältemittel in Wärmeaustausch und wird geheizt, um zu warmer Luft zu werden. Der Innenwärmetauscher 12 und das Gebläse 12a sind in einem Klimagehäuse mit einem Luftkanal, durch welchen Luft in eine Fahrgastzelle strömt, angeordnet. Das Klimagehäuse ist in einem an einem vorderen Teil in der Fahrgastzelle montierten Armaturenbrett angeordnet. Weiter ist in diesem Ausführungsbeispiel der Innendruck des Innenwärmetauschers 12 auf einen Druck höher als der überkritische Druck des Kältemittels eingestellt.
Das elektrische Expansionsventil 13 ist ein Druckregelventil zum Dekomprimieren eines Kältemittels nach dem Kühlen im Innenwärmetauscher 12. Ein Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 wird so gesteuert, dass der Innendruck des Innenwärmetauschers einen Sollsteuerhochdruck erreicht. Hierbei kann der Sollsteuerhochdruck aus einem Hochdruck berechnet werden, bei dem die Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 maximal wird. Das elektrische Expansionsventil 13 ist elektrisch mit der Klimasteuervorrichtung 30 verbunden und wird durch die Klimasteuervorrichtung 30 gesteuert.
Der Außenwärmetauscher 14 ist ein Kältemittelverdampfapparat im Heizbetrieb, in dem das in dem elektrischen Expansionsventil 13 dekomprimierte Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenkältemittel mit einer durch ein Außengebläse 14a geblasene Außenluft in Wärmeaustausch steht und verdampft wird. Der Sammler 15 ist eine Gas / Flüssigkeit-Trennvorrichtung, in der das im Außenwärmetauscher 14 verdampfte Kältemittel in ein flüssiges Kältemittel und ein gasförmiges Kältemittel getrennt wird. Der Sammler 15 ist mit einer Saugseite des Kompressors 11 verbunden, sodass das im Sammler 15 getrennte gasförmige Kältemittel zum Kompressor 11 gesaugt wird.
Ein Kältemitteltemperatursensor 16 ist an einer Ausgabeseite des Kompressors 11 angeordnet, um eine vom Kompressor 11 ausgegebene Kältemitteltemperatur (Kältemittelausgabetemperatur) zu erfassen. Ferner ist ein Kältemitteltemperatursensor 17 an einer Kältemittelauslassseite des Innenwärmetauschers 12 angeordnet, um eine Kältemitteltemperatur (Kältemittelauslasstemperatur) an einem Auslass des Innenwärmetauschers 12 zu erfassen. Zusätzlich ist ein Drucksensor 18 an einer Kältemittelauslassseite des Innenwärmetauschers 12 angeordnet, um den Innendruck des Innenwärmetauschers 12 zu erfassen. Das heißt, der Drucksensor 18 erfasst den Druck des Hochdruckkältemittels vor seiner Dekompression im elektrischen Expansionsventil 13.
Ein Lufttemperatursensor 19 ist an einer luftstromabwärtigen Seite des Innenwärmetauschers 12 im Klimagehäuse angeordnet, um eine Lufttemperatur nach dem Wärmeaustausch mit dem Kältemittel im Innenwärmetauscher 12 zu erfassen. Ferner ist ein Außenlufttemperatursensor 21 angeordnet, um eine Temperatur einer in den Außenwärmetauscher 14 eingeleiteten Außenluft zu erfassen. Allgemein ist der Außenwärmetauscher 14 vorne am Fahrzeug positioniert, und der Außenlufttemperatursensor 21 ist um einen Frontkühler an einer Vorderseite des Außenwärmetauschers 14 in einem Fahrzeug angeordnet.
Diese Sensoren 16 - 19 und 21 sind elektrisch mit der Klimasteuervorrichtung 30 verbunden, um der Steuervorrichtung 30 Sensorsignale einzugeben. Zusätzlich zu den Sensorsignalen von diesen Sensoren 16 - 19 und 21 werden der Klimasteuervorrichtung 30 auch Sensorsignale von weiteren Sensoren, wie beispielsweise einem Innenlufttemperatursensor und einem Sonnenlichtsensor eingegeben. Ferner werden der Klimasteuervorrichtung 30 auch Schaltsignale von einer Bedientafel eingegeben. Die Klimasteuervorrichtung 30 steuert den Verstellmechanismus 11a, das elektrische Expansionsventil 13 und die Gebläse 12a, 14a gemäß einem Steuerprogramm basierend auf den Sensorsignalen und den Schaltsignalen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Heizbetrieb zum Heizen der in die Fahrgastzelle zu blasenden Luft mittels des Innenwärmetauschers 12 durchgeführt. 2 zeigt einen Steuerprozess der Klimasteuervorrichtung 30 im Heizbetrieb. Wenn ein Schalter des Heizbetriebs eingeschaltet wird, startet der in 2 dargestellte Steuerprozess.
Zuerst wird in Schritt 310 das elektrische Expansionsventil 13 um einen vorbestimmten Startöffnungsgrad geöffnet, die Kupplung wird betätigt, um den Kompressor 11 anzutreiben, und das Außengebläse 14a wird betätigt. Hierbei wird ein Timer gestartet, sodass das elektrische Expansionsventil 13 für eine Zeitdauer um den Startöffnungsgrad geöffnet wird. Deshalb strömt ein vom Kompressor 11 ausgegebenes Hochtemperatur- und Hochdruck-Gaskältemittel in den Innenwärmetauscher 12. In Schritt 320 wird der Betrieb des Innengebläses 12a gestartet, wenn die durch den Kältemitteltemperatursensor 16 erfasste Kältemitteltemperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht. Dann wird die Luftblasmenge des Innengebläses 12a entsprechend einem Temperaturanstieg der durch den Innenwärmetauscher 12 geheizten Luft erhöht. Zum Beispiel kann die Luftblasmenge des Innengebläses 12a entsprechend dem Temperaturanstieg der durch den Innenwärmetauscher 12 geheizten Luft allmählich oder stufenweise erhöht werden. Die im Innenwärmetauscher 12 geheizte Luft wird in die Fahrgastzelle geblasen.
Als nächstes wird in Schritt 330 bestimmt, ob eine Haltezeit „t“ vorüber ist, für welche das elektrische Expansionsventil 13 kontinuierlich um den vorbestimmten Startöffnungsgrad geöffnet ist. In Schritt 330 kann jedoch auch bestimmt werden, ob ein durch den Kältemitteldrucksensor 18 erfasster Hochdruckkältemitteldruck oder eine durch den Kältemittelausgabetemperatursensor 16 erfasste Kältemitteltemperatur höher als ein bestimmter Wert wird. In diesem Fall wird, wenn der durch den Kältemitteldrucksensor 18 erfasste Kältemitteldruck oder die durch den Kältemittelausgäbetemperatursensor 16 erfasste Kältemitteltemperatur höher als ein vorbestimmter Wert wird, der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventil 13 um einen Öffnungsgrad in einer normalen Heizsteuerung gesteuert.
Wenn die Haltezeit „t“ verstreicht, nachdem das elektrische Expansionsventil 13 um den Startöffnungsgrad in Schritt 310 geöffnet wird, wird der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventil 13 in Schritt 340 um einen Öffnungsgrad in der normalen Heizsteuerung gesteuert. Außerdem werden in Schritt 340 Sensorsignale von den Sensoren 16 - 19 und 21, usw. sowie Schaltsignale wie beispielsweise eine Einstelltemperatur der Luft als Eingangsdaten gelesen.
Dann werden in Schritt 350 Sollsteuerhochdrücke Pa, Pb, Pc und Pd basierend auf den Eingangsdaten berechnet. Als nächstes wird in Schritt 360 der kleinste von den Sollsteuerhochdrücken Pa, Pb , Pc und Pd als Endsollsteuerhochdruck Ph bestimmt. Der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 wird in Schritt 370 so gesteuert, dass der durch den Kältemitteldrucksensor 18 erfasste Hochdruckkältemitteldruck zum Sollsteuerhochdruck Ph wird.
In Schritt 350 kann der kleinere von wenigstens zweien von den Sollsteuerhochdrücken Pa, Pb, Pc und Pd als Endsollsteuerhochdruck Ph gesetzt werden. Ferner kann einer des Sollsteuerhochdrucks Pa, Pb als Sollsteuerhochdruck Ph gesetzt werden. Ferner kann ein kleinerer zwischen den SollsteuerhochdrückePa, Pb als der Sollsteuerhochdruck Ph gesetzt werden.
Es werden nun die Sollsteuerhochdrücke Pa, Pb, Pc und Pd im Detail beschrieben. Der Sollsteuerhochdruck Pa ist ein Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die durch den Lufttemperatursensor 19 erfasste Lufttemperatur zu einer aus dem Innenwärmetauscher 12 geblasenen Solllufttemperatur TAO wird. Die Solllufttemperatur TAO wird durch die Klimasteuervorrichtung 30 basierend auf einer Außenlufttemperatur Tam, einer Innenlufttemperatur, einer in die Fahrgastzelle gelangenden Sonnenlichtmenge und einer Einstelltemperatur der durch den Innenwärmetauscher 12 geheizten Luft berechnet. Wenn der Hochdruckkältemitteldruck entsprechend dem Sollsteuerhochdruck Pa gesteuert wird, kann eine Lufttemperatur entsprechend der Solllufttemperatur TAO erzielt werden, und ein angenehmes Heizen kann erreicht werden. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Klimasteuervorrichtung 30 den Druck des im elektrischen Expansionsventil 13 dekomprimierten Niederdruckkältemittels basierend auf der durch den Außenlufttemperatursensor 21 erfassten Außenlufttemperatur abschätzen. In diesem Fall bestimmt die Klimasteuervorrichtung 30 den Sollsteuerhochdruck Pa basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels und der Solllufttemperatur TAO entsprechend in der Steuervorrichtung 30 gespeicherter Heizkennlinien. Hierbei zeigen die Heizkennlinien die Beziehung zwischen dem Druck des Niederdruckkältemittels und einer Heizleistung zum Erzielen der Solllufttemperatur TAO.
Der Sollsteuerhochdruck Pb ist ein Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 maximal wird. Der Sollsteuerhochdruck Pb kann basierend auf dem Kennliniendiagramm von 3 berechnet werden. 3 zeigt Beziehungen zwischen einer Heizleistung HC des Innenwärmetauschers 12, einem Hochdruckkältemitteldruck im Innenwärmetauscher 12 und einer Ausgabekältemitteltemperatur Td aus dem Kompressor 11. In diesem Ausführungsbeispiel werden der Hochdruckkältemitteldruck Ph und die Kältemittelausgabetemperatur Td durch einen Niederdruckkältemitteldruck bestimmt, und der Niederdruckkältemitteldruck kann basierend auf der Außenlufttemperatur Tam bestimmt werden.
In 3 zeigt die durchgezogene Linie X die Beziehung zwischen der Kältemittelausgabetemperatur Td und dem Hochdruckkältemitteldruck, wenn die Außenlufttemperatur Tam -20°C beträgt, und die durchgezogene Linie Y zeigt die Beziehung zwischen der Kältemittelausgabetemperatur Td und dem Hochdruckkältemitteldruck, wenn die Außenlufttemperatur Tam 0°C beträgt. Weiter zeigt in 3 die gestrichelte Linie X1 die Beziehung zwischen der Heizleistung HC und dem Hochdruckkältemitteldruck, wenn die Außenlufttemperatur Tam -20°C beträgt, und die gestrichelte Linie Y1 zeigt die Beziehung zwischen der Heizleistung HC und dem Hochdruckkältemitteldruck Ph, wenn die Außenlufttemperatur Tam 0°C beträgt.
Der Sollsteuerhochdruck Pb ist ein Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die maximale Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 bezüglich der Außenlufttemperatur Tam erzielt werden kann. Das heißt, in der gestrichelten Linie Y1 beträgt der Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die maximale Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 erzielt werden kann, 14 MPa, wenn die Außenlufttemperatur 0°C beträgt. Dagegen beträgt in der gestrichelten Linie X1 der Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die maximale Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 erzielt werden kann, 10 MPa, wenn die Außenlufttemperatur 0°C beträgt.
Die durchgezogenen Linien X und Y in 3 können durch einen Niederdruckkältemitteldruck berechnet werden, der basierend auf der Außenlufttemperatur Tam bestimmt wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist kein Drucksensor zum Erfassen eines Niederdruckkältemitteldrucks vorgesehen. Als ein Beispiel kann ein Schätzwert des Niederdruckkältemitteldrucks unter Verwendung einer durch den Außenlufttemperatursensor 21 erfassten Außenlufttemperatur Tam berechnet werden, weil der Niederdruckkältemitteldruck ein Sättigungsdruck bei der Außenlufttemperatur Tam ist.
Der Sollsteuerhochdruck Pc ist ein Hochdruckkältemitteldruck, bei dem die Kältemittelausgabetemperatur Td gleich oder niedriger als eine zulässige Kältemittelausgabetemperatur im Kreissystem gesteuert werden kann. Wenn zum Beispiel die zulässige Kältemittelausgabetemperatur des Kompressors 11 auf 120°C gesetzt ist, wird der Sollsteuerhochdruck Pc so eingestellt, dass die Kältemittelausgabetemperatur Td gleich oder niedriger als 120°C wird.
Zum Beispiel beträgt in der durchgezogenen Linie Y von 3 der Sollsteuerhochdruck Pc 13,6 MPa, wenn die Außenlufttemperatur 0°C beträgt. In der durchgezogenen Linie X von 3 beträgt der Sollsteuerhochdruck Pc 10,0 MPa, wenn die Außenlufttemperatur -20°C beträgt. Außerdem ist der Sollsteuerhochdruck Pd ein Hochdruck kleiner als ein zulässiger oberer Grenzdruck.
In einem Heizbetrieb, in dem der Kompressor 11 mit dem Verstellmechanismus 11a zum Verändern der Heizleistung benutzt wird, können die Sollsteuerhochdrücke Pa, Pb, Pc und Pd durch eine Veränderung der Ausgabekapazität des Kompressors 11 verändert werden. Als ein Beispiel wird, wenn die Außenlufttemperatur Tam gleich oder niedriger als 0°C ist, ein Verdampfungsdruck des außen vorgesehenen Außenwärmetauschers 14 verringert, und ein Saugkältemitteldruck des Kompressors 11 wird verringert. In diesem Fall sinkt die Kältemittelströmungsmenge im Kreissystem im Heizbetrieb im Vergleich zu jener im Kühlbetrieb. In diesem Zustand wird, falls der Hochdruckkältemitteldruck steigt, um eine hohe Lufttemperatur zu erzielen, ein Kompressionsverhältnis des Kompressors im Vergleich zu jenem in einem Kühlbetrieb größer.
Außerdem wird, falls die Kältemittelausgabekapazität mittels des Verstellkompressors 11 kleiner gemacht wird, die Kältemittelströmungsmenge geringer und der Hochdruckkältemitteldruck geringer. In diesem Fall wird, falls der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 kleiner gesteuert wird, um den Hochdruckkältemitteldruck zu halten, die Kältemittelströmungsmenge geringer und die Kältemittelausgabekapazität wird verändert. Demgemäß wird eine Größe des Hochdruckkältemitteldrucks oder der Kältemittelausgabekapazität nicht stabil. In diesem Ausführungsbeispiel können, selbst wenn die Kältemittelströmungsmenge klein ist oder die Außenlufttemperatur niedrig ist, die Kältemittelströmungsmenge und der Hochdruckkältemitteldruck stabil gesteuert werden.
Insbesondere wird in Schritt S390 bestimmt, ob eine Kältemittelströmungsmenge F höher als eine stabile Grenzströmungsmenge Fs ist, und in Schritt 400 wird bestimmt, ob eine Außenlufttemperatur Tam höher als eine vorbestimmte Temperatur Tam1 ist oder nicht.
Als ein Beispiel wird ein Niederdruckkältemitteldruck basierend auf der Außenlufttemperatur geschätzt, und die Kältemittelströmungsmenge wird basierend auf der Drehzahl des Kompressors 11 und dem Niederdruckkältemitteldruck berechnet und geschätzt. In diesem Fall wird bestimmt, ob der Schätzwert der Kältemittelströmungsmenge F größer als die Strömungsmenge Fs ist oder nicht. Wenn der Schätzwert der Kältemittelströmungsmenge F kleiner als die Strömungsmenge Fs ist, wird die Kompressorkapazität in Schritt 430 auf 100% festgelegt, ohne geändert zu werden.
Wenn der Schätzwert der Kältemittelströmungsmenge F größer als die Strömungsmenge Fs ist, wird bestimmt, ob die Außenlufttemperatur Tam gleich oder höher als eine vorbestimmte Temperatur Tam1 ist oder nicht. Wenn die Außenlufttemperatur Tam gleich oder niedriger als die vorbestimmte Temperatur Tam1 ist, wird die Kompressorkapazität in Schritt 430 auf 100% festgelegt, ohne geändert zu werden. Wenn die Außenlufttemperatur Tam höher als die vorbestimmte Temperatur Tam1 ist, wird eine Sollkältemittelauslasstemperatur Tout nach Durchführen eines Wärmeaustausches im Innenwärmetauscher 12 basierend auf dem Sollsteuerhochdruck Ph berechnet.
Dann wird in Schritt 420 der Verstellmechanismus 11a so gesteuert, dass die durch den Kältemitteltemperatursensor 17 erfasste Kältemittelauslasstemperatur die in Schritt 410 berechnete Sollkältemittelauslasstemperatur Tout erreicht. In Schritt 420 kann der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert werden, dass der Sollsteuerhochdruck Ph erzielt werden kann, während die Kapazität des Kompressors 11 verändert wird. In diesem Fall kann auch die Kältemittelströmungsmenge verändert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel kann die Sollkältemittelauslasstemperatur Tout relativ zum Sollsteuerhochdruck Ph basierend auf den Diagrammen in 4 berechnet werden.
In 4 ist die Sollkältemittelauslasstemperatur Tout basierend auf irgendeiner der Steuerlinien B und C im Heizbetrieb eingestellt. Die Steuerlinie C ist so eingestellt, dass sich die Kältemittelströmungsmenge im Vergleich zu einer Veränderung durch die Öffnungsgradänderung nach der Ausgabekapazitätssteuerung des Kompressors 11 stark verändert. Die Steuerlinie B ist so eingestellt, dass sich die Kältemittelströmungsmenge im Vergleich zu einer Änderung durch die Öffnungsgradveränderung nach der Kapazitätssteuerung des Kompressors 11 relativ weniger ändert. Ferner ist, wie in 4 dargestellt, beim gleichen Sollsteuerhochdruck Ph die Sollkältemittelauslasstemperatur Tout auf der Steuerlinie T höher als jene auf der Steuerlinie B.
Wenn die Kältemittelströmungsmenge auf der Steuerlinie C größer wird, steigt der Energieverbrauch im Kompressor 11. In diesem Fall kann jedoch, weil ein Lufttemperaturunterschied zwischen dem Einlass und dem Auslass des Innenwärmetauschers 12 reduziert wird, die vom Innenwärmetauscher 12 zu blasende Lufttemperatur in einem kleinen Temperaturbereich verteilt werden. Demgemäß wird, wenn ein Temperaturunterschied zwischen einer tatsächlichen Luftblastemperatur und der Solllufttemperatur TAO größer als ein Wert ist, in Schritt 420 die Ausgabekapazität des Kompressors 11 so gesteuert, dass eine tatsächliche Kältemittelauslasstemperatur des Innenwärmetauschers 12 eine Sollkältemittelauslasstemperatur Tout erreicht, die basierend auf dem Sollsteuerhochdruck Ph unter Verwendung der Steuerlinie C in 4 eingestellt ist.
In diesem Fall wird eine Schwankung des Hochdruckkältemitteldrucks bezüglich einer Veränderung des Öffnungsgrades des elektrischen Expansionsventils 13 kleiner. Deshalb kann eine Schwankung der Luftblastemperatur kleiner gemacht werden.
Im Gegensatz dazu ist die Steuerlinie B so eingestellt, dass die Kältemittelströmungsmenge im Vergleich zur Veränderung durch die Öffnungsgradveränderung nach der Kapazitätssteuerung des Kompressors 11 kleiner verändert wird. Das heißt, in der Steuerlinie B wird der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert, dass die tatsächliche Kältemittelauslasstemperatur die Sollkältemittelauslasstemperatur Tout erreicht, die eingestellt ist, um COP relativ zum Sollsteuerhochdruck Ph zu erhöhen. Zum Beispiel wird die Steuerlinie B verwendet, wenn das Heizen durchgeführt wird und die Luftblastemperatur nahe der Solllufttemperatur TAO ist.
In 4 zeigt die Steuerlinie A die Beziehung zwischen einer Sollkältemittelauslasstemperatur Tout und einem Sollsteuerhochdruck Ph, wenn der Kühlbetrieb mittels des Innenwärmetauschers 12 als ein Kältemittelverdampfapparat durchgeführt wird.
5 zeigt die Beziehung zwischen COP und einem Hochdruckkältemitteldruck, wenn die Kältemitteltemperatur am Auslass des Innenwärmetauschers 12 auf 35°C, 37°C und 41°C verändert wird. In einem Steuerbeispiel A wird ein Kühlbetrieb durchgeführt, vorausgesetzt, dass der Innenwärmetauscher 12 als ein Verdampfapparat benutzt wird und der Außengaskühler 14 als ein Kältemittelkühler benutzt wird. Im Steuerbeispiel A des Kühlbetriebs kann COP in einem Hochdruckbereich von 8 - 10 MPa in einer Größenordnung der Kältemittelauslasstemperatur einfach erhöht werden. Allgemein kann ein Außenwärmetauscher einfach größer als der Innenwärmetauscher eingestellt werden. Deshalb kann das Kreissystem, falls der Sollsteuerdruck basierend auf der Kältemittelauslasstemperatur des Außenwärmetauschers (Kältemittelkühler) im Kühlbetrieb eingestellt wird, mit einem hohen COP betrieben werden.
Dagegen ist im Heizbetrieb der Innenwärmetauscher 12 in einem begrenzten Raum des Armaturenbretts in der Fahrgastzelle angeordnet, die Größe des Innenwärmetauschers 12 ist begrenzt. Demgemäß ändert sich die Kältemitteltemperatur am Auslass des Innenwärmetauschers 12 bezüglich der Kältemittelströmungsmenge stark.
Im Steuerbeispiel B des Heizbetriebs in 5 kann jedoch COP erhöht werden, wenn die Kompressorkapazität von einem ersten Zustand, in dem der Hochdruckkältemitteldruck 10 MPa beträgt, die Kältemittelauslasstemperatur 41 °C beträgt und die Ausgabekapazität des Kompressors 11 100% beträgt, zu einem zweiten Zustand, in dem der Hochdruckkältemitteldruck 12 MPa beträgt, die Kältemittelauslasstemperatur 35 °C beträgt und die Ausgabekapazität des Kompressors 11 80% beträgt, verändert werden. Demgemäß wird in einem Fall, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der Luftblastemperatur und Solllufttemperatur TAO in einem vorbestimmten Bereich liegt, die Ausgabekapazität des Kompressors 11 so gesteuert, dass die Kältemittelauslasstemperatur des Innenwärmetauschers 12 eine Sollkältemittelauslasstemperatur erreicht, bei welcher COP bezüglich des Sollsteuerhochdrucks maximal wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert werden, dass der Hochdruckkältemitteldruck zu einem Sollsteuerhochdruck Pa wird. Der Sollsteuerhochdruck Pa kann basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels und einer Solllufttemperatur TAO bestimmt werden. In diesem Fall kann die Solllufttemperatur TAO im Heizbetrieb selbst bei einer niedrigen Außenlufttemperatur erzielt werden.
Alternativ wird der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert, dass das Hochdruckkältemittel zu einem Sollsteuerhochdruck Pb wird, bei dem im Heizbetrieb die maximale Heizleistung erzielt werden kann. Demgemäß kann, selbst wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der in den Innenwärmetauscher 12 strömenden Lufttemperatur und der durch den Innenwärmetauscher 12 zu heizenden Solllufttemperatur TAO größer ist, die durch den Innenwärmetauscher 12 strömende Luft mittels des Innenwärmetauschers 12 schnell geheizt werden. Ferner kann die Heizleistung, selbst wenn die Heizleistung des Wärmepumpenkreissystems bezüglich der aus dem Innenwärmetauscher 12 geblasenen Solllufttemperatur TAO klein ist, maximal erhöht werden, während eine übermäßige Erhöhung des Hochdruckkältemitteldrucks verhindert wird.
Wenn die tatsächliche Luftblastemperatur die Solllufttemperatur TAO erreicht, d.h. wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der tatsächlichen Luftblastemperatur und der Solllufttemperatur TAO kleiner als ein Wert wird, kann der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 größer eingestellt werden. In diesem Fall wird der Sollsteuerhochdruck Ph kleiner und eine Temperaturdifferenz zwischen der Sollkältemittelauslasstemperatur Tout und einer tatsächlichen Kältemittelauslasstemperatur nach Durchführen eines Wärmeaustausches im Innenwärmetauscher 12 wird kleiner. Weil jedoch die Kompressorkapazität entlang der Steuerlinie B von 4 gesteuert wird, kann COP im Kreissystem relativ erhöht werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird als Sollsteuerhochdruck Pa ein Hochdruckkältemitteldruck derart berechnet, dass die Lufttemperatur nach dem Wärmeaustausch im Innenwärmetauscher 12 im Heizbetrieb zur Solllufttemperatur TAO wird. Dann wird der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert, dass der Druck des Kältemittels im Innenwärmetauscher 12 den Sollsteuerhochdruck Pa erreicht. In diesem Fall kann die durch den Innenwärmetauscher 12 geheizte Lufttemperatur schnell die Solllufttemperatur TAO erreichen.
In diesem Ausführungsbeispiel kann eine Beziehung zwischen dem Druck des Niederdruckkältemittels und einer Heizleistung zum Erzielen der Solllufttemperatur in einer Speichereinheit der Steuervorrichtung 30 gespeichert werden, und der Sollsteuerhochdruck Ph kann unter Verwendung der Beziehung bestimmt werden.
Als Sollsteuerhochdruck Pb wird ein Hochdruckkältemitteldruck so berechnet, dass die maximale Heizleistung im Innenwärmetauscher 12 entsprechend dem Niederdruckkältemitteldruck erzielt werden kann. Dann wird der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert, dass der Druck des Kältemittels im Innenwärmetauscher 12 den Sollsteuerhochdruck Pb erreicht. In diesem Fall kann die Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 effektiv verbessert werden.
Alternativ kann ein kleinerer Wert von den Sollsteuerhochdrücken Pa, Pb als Hochdruckkältemitteldruck verwendet werden, und der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 wird so gesteuert, dass der Druck des Kältemittels im Innenwärmetauscher 12 den kleineren zwischen den Sollsteuerhochdrücken Pa, Pb erreicht. In diesem Fall kann die Heizleistung des Innenwärmetauschers 12 effektiver verbessert werden.
Die obere Grenze jedes Sollsteuerhochdrucks Pa, Pb ist so eingeschränkt, dass die Kältemittelausgabetemperatur des Kompressors 11 niedriger als die zulässige Kältemittelausgabetemperatur des Kompressors 11 wird. Demgemäß kann der Kompressor 11 normal betrieben werden, während er geschützt ist.
Ferner gibt es, falls ein Verstellkompressor als Kompressor 11 verwendet wird, wenn die Ausgabekapazität des Kompressors 11 geregelt wird, einen Fall, dass eine tatsächliche Kältemittelauslasstemperatur des Innenwärmetauschers 12 nicht die Sollkältemitteltemperatur Tout erreicht, die basierend auf dem Druck im Innenwärmetauscher 12 eingestellt wird. In diesem Fall wird die Kältemittelausgabekapazität des Kompressors 11 auf 100% gehalten.
Falls die Luftblastemperatur des Innenwärmetauschers 12 die Solllufttemperatur TAO erreicht und die Heizlast des Innenwärmetauschers 12 klein wird, wird die Ausgabekapazität des Kompressors 11 reduziert, sodass die Sollkältemittelauslasstemperatur entsprechend dem Sollsteuerhochdruck sinkt und COP größer wird. Deshalb ist es möglich, COP kontinuierlich zu erhöhen, wenn die Luftblastemperatur des Innenwärmetauschers 12 die Solllufttemperatur erreicht.
Wenn die durch den Innenwärmetauscher 12 strömende Kältemittelströmungsmenge niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, wird die Kältemittelausgabekapazität des Kompressors 11 auf 100% gesetzt, sodass verhindert werden kann, dass sich der Hochdruckkältemitteldruck stark ändert. Außerdem wird, wenn die Außenlufttemperatur niedriger als eine vorbestimmte niedrige Temperatur ist, die Kältemittelausgabekapazität des Kompressors 11 auf 100% gesetzt.
Zum Beispiel kann die Kältemittelströmungsmenge basierend auf der Saugkältemitteltemperatur des Kompressors 11 und der Drehzahl des Kompressors 11 berechnet werden. Ferner kann, weil die Kältemittelsaugtemperatur des Kompressors 11 in Beziehung zur Außenlufttemperatur steht, die Kältemittelströmungsmenge basierend auf der Außenlufttemperatur und der Drehzahl des Kompressors 11 berechnet werden.
In diesem Beispiel ist kein Drucksensor zum Erfassen eines Niederdruckkältemitteldrucks vorgesehen, und der Niederdruckkältemitteldruck wird basierend auf der Außenlufttemperatur abgeschätzt. Demgemäß kann der Sollsteuerhochdruck Ph durch Abschätzen des Niederdruckkältemitteldrucks basierend auf der erfassten Außenlufttemperatur berechnet werden.
(Zweites beispielhaftes Ausführungsbeispiel)
Im oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird der Innenwärmetauscher 12 während eines Heizbetriebs als Kältemittelkühler zum Heizen eines Fluids (z.B. Luft) in dem überkritischen Kühlkreissystem verwendet. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung auf ein überkritisches Kühlkreissystem angewendet, bei dem ein Kühlbetrieb und ein Heizbetrieb selektiv geschaltet werden können.
6A zeigt den Kühlbetrieb des Kreissystems, und 7 zeigt den Heizbetrieb des Kreissystems. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Schaltventil 25 zum Schalten zwischen einer Kältemittelsaugseite und einer Kältemittelausgabeseite des Kompressors 11 vorgesehen, und ein Kältemitteltemperatursensor 22 zum Erfassen einer Kältemitteltemperatur an einem Auslass des Innenwärmetauschers 14 ist vorgesehen. Im Kühlbetrieb strömt das Hochdruckkältemittel in den Außenwärmetauscher 14.
Weiter ist ein Innenwärmetauscher 24 vorgesehen. Im Kühlbetrieb stehen ein in den Kompressor 11 zu saugendes gasförmiges Kältemittel und ein im Außenwärmetauscher 14 abgestrahltes Hochdruckkältemittel in Wärmeaustausch. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Drucksensor 18 an einer Ausgabeseite des Kompressors 11 vorgesehen, um einen Hochdruckkältemitteldruck sowohl im Kühlbetrieb als auch im Heizbetrieb zu erfassen.
Im Kühlbetrieb strömt das vom Kompressor 11 ausgegebene Hochdruck / Hochtemperatur-Kältemittel in den Außenwärmetauscher 14 und strahlt im Außenwärmetauscher 14 Wärme ab. Das Hochdruckkältemittel aus dem Außenwärmetauscher 14 steht mit dem Niederdruckkältemittel im Innenwärmetauscher 24 in Wärmeaustausch und wird im elektrischen Expansionsventil 13 dekomprimiert. Das Niederdruck- und Niedertemperatur-Kältemittel wird in einem Innenwärmetauscher 12 verdampft, sodass ein Fluid wie beispielsweise Luft im Innenwärmetauscher 12 gekühlt wird. Das Kältemittel aus dem Innenwärmetauscher 12 wird einer Saugseite des Kompressors 11 durch den Sammler 15 und einen Niederdruckkanal im Innenwärmetauscher 24 zugeleitet.
Im Kühlbetrieb wird der Öffnungsgrad des elektrischen Expansionsventils 13 so gesteuert, dass die durch den Kältemitteltemperatursensor 22 erfasste Kältemittelauslasstemperatur einen Sollsteuerhochdruck erreicht, bei dem COP maximal wird. Außerdem wird die Ausgabekapazität des Kompressors 11 so gesteuert, dass die durch den Lufttemperatursensor 19 erfasste Lufttemperatur zu einer Solllufttemperatur TAO wird.
Dagegen strömt im Heizbetrieb das vom Kompressor 11 ausgegebene Hochdruck / Hochtemperatur-Kältemittel in den Innenwärmetauscher 12 (Kältemittelkühler) und wird im elektrischen Expansionsventil 13 dekomprimiert. Dann strömt das Kältemittel aus dem elektrischen Expansionsventil 13 zum Außenwärmetauscher 14, um verdampft zu werden, und wird durch den Sammler 15 und den Niederdruckkanal des Innenwärmetauschers 24 zur Saugseite des Kompressors 11 geleitet. Im Heizbetrieb ist, obwohl das im elektrischen Expansionsventil 13 dekomprimierte Kältemittel mit dem zum Kompressor 11 zu saugenden gasförmigen Kältemittel im Innenwärmetauscher 24 in Wärmeaustausch steht, die Wärmetauschleistung im Innenwärmetauscher 24 im Heizbetrieb klein.
Der Heizbetrieb kann ähnlich dem in 2 dargestellten Steuerprozess gesteuert werden. In diesem Ausführungsbeispiel kann, weil der Kältemitteltemperatursensor 22 vorgesehen ist, der Druck des zum Kompressor 11 gesaugten Niederdruckkältemittels im Heizbetrieb exakt bestimmt werden. In diesem Fall ist es unnötig, den Druck des Niederdruckkältemittels basierend auf der Außenlufttemperatur abzuschätzen.
(Weitere beispielhafte Ausführungsbeispiele)
Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit einigen beispielhaften Ausführungsbeispielen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden ist, ist zu beachten, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sind.
Zum Beispiel wird im oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Niederdruckkältemitteldruck aus der Außenlufttemperatur abgeschätzt. Jedoch kann ein Kältemitteltemperatursensor 22 zum Erfassen einer Kältemitteltemperatur am Kältemittelauslass des Außenwärmetauschers 14 vorgesehen sein, wie in 8A und 8B dargestellt. In diesem Fall kann der Niederdruckkältemitteldruck basierend auf der durch den Kältemitteltemperatursensor 22 erfassten Kältemitteltemperatur exakt berechnet werden. Ferner kann, wie in 8A und 8B dargestellt, ein Drucksensor 23 zum Erfassen des Drucks des Niederdruckkältemittels vorgesehen sein. In diesem Fall kann der Druck des Niederdruckkältemittels noch genauer erfasst werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird in Schritt 420 der Verstellmechanismus 11a so gesteuert, dass die durch den Kältemitteltemperatursensor 17 erfasste Kältemitteltemperatur zur Sollkältemittelauslasstemperatur Tout wird. In Schritt 420 kann der Verstellmechanismus 11a jedoch auch so gesteuert werden, dass die aus dem Innenwärmetauscher 12 strömende Lufttemperatur und die Kältemitteltemperatur am Auslass des Innenwärmetauschers 12 zu einer Solltemperaturdifferenz werden.
Im Heizbetrieb werden die Steuerlinien B, C in 4 benutzt. Jedoch können auch andere Steuerlinien, wie beispielsweise die Steuerlinie A im Kühlbetrieb verwendet werden. Ferner kann anstelle des Kompressors 11 ein elektrischer Kompressor verwendet werden, bei dem die Kältemittelausgabekapazität durch eine Wechselrichtersteuerung verändert werden kann. Ferner wird in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Innenwärmetauscher 12 des überkritischen Wärmepumpenkreissystems für eine Fahrzeug-Klimaanlage verwendet. Der Innenwärmetauscher 12 kann jedoch auch zum Durchführen eines Wärmeaustausches mit einem Fluid in einer Vorrichtung verwendet werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsbeispiele davon beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele und Konstruktionen beschränkt ist. Die Erfindung soll verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken. Außerdem liegen, während die verschiedenen Elemente der Ausführungsbeispiele in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen, welche beispielhaft sind, dargestellt sind, weitere Kombinationen und Konfigurationen mit mehr, weniger oder nur einem einzelnen Element ebenfalls im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.

Claims

Überkritisches Wärmepumpenkreissystem, mit einem Kompressor (11) zum Komprimieren eines Kältemittels; einem Kältemittelkühler (12) mit einem Innendruck höher als ein kritischer Druck des Kältemittels, in dem das vom Kompressor (11) ausgegebene Kältemittel mit einem durch den Kältemittelkühler (12) strömenden Fluid in Wärmeaustausch steht, um das Fluid in einem Heizbetrieb zu heizen; einer Dekompressionseinheit (13), die das aus dem Kältemittelkühler (12) strömende Kältemittel dekomprimiert; einem Kältemittelverdampfapparat (14) zum Verdampfen des Kältemittels aus der Dekompressionseinheit (13); einer Solltemperatureinstelleinrichtung zum Einstellen einer Solltemperatur (TAO) des Fluids; einer Solldruckbestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines Heiz-Sollsteuerdrucks in dem Kältemittelkühler (12) basierend auf der Solltemperatur (TAO) des Fluids während des Heizbetriebs, einer Niederdruckbestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines Drucks eines Niederdruckkältemittels nach der Dekompression in der Dekompressionseinheit (13), wobei die Dekompressionseinheit (13) so gesteuert wird, dass ein Kältemitteldruck im Kältemittelkühler (12) zum Sollsteuerdruck wird, und wobei die Druckbestimmungseinrichtung den Heiz-Sollsteuerdruck im Kältemittelkühler (12) basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels und der Solltemperatur (TAO) des Fluids während des Heizbetriebs bestimmt.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 1, bei welchem die Solldruckbestimmungseinrichtung eine Speichereinrichtung zum Speichern einer Beziehung zwischen dem Druck des Niederdruckkältemittels und einer Heizleistung zum Erzielen der Solltemperatur des Fluids enthält und den Heiz-Sollsteuerdruck mittels der Beziehung bestimmt.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Schalteinheit (24 , 25) zum Schalten zwischen dem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb zum Kühlen eines Fluids, bei welchem die Solldruckbestimmungseinrichtung einen Kühl-Sollsteuerdruck bestimmt, bei dem ein Wirkungsgrad (COP) im Kühlbetrieb maximal wird; und die Solldruckbestimmungseinrichtung den Heiz-Sollsteuerdruck basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels und der Solltemperatur bestimmt.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Solldruckbestimmungseinrichtung den Heiz-Sollsteuerdruck auf einen oberen Grenzwert berechnet, bei dem der Kältemittelkühler (12) eine maximale Heizleistung besitzt.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Solldruckbestimmungseinrichtung den Heiz-Sollsteuerdruck auf einen oberen Grenzwert berechnet, bei dem eine Kältemitteltemperatur des Kompressors (11) niedriger als eine zulässige Ausgabetemperatur des Kompressors (11) wird.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Kompressor (11) ein Verstellkompressor ist, bei dem eine Ausgabekapazität des Kältemittels variabel ist; und die Ausgabekapazität des vom Kompressor (11) ausgegebenen Kältemittels so gesteuert wird, dass eine Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur des im Kältemittelkühler (12) in Wärmeaustausch stehenden Fluids und einer Kältemitteltemperatur an einem Kältemittelauslass des Kältemittelkühlers (12) eine Solltemperaturdifferenz erreicht.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Kompressor (11) ein Verstellkompressor ist, in dem eine Ausgabekapazität des Kältemittels variabel ist; und die Ausgabekapazität des vom Kompressor (11) ausgegebenen Kältemittels so gesteuert wird, dass eine Kältemitteltemperatur an einem Kältemittelauslass des Kältemittelkühlers (12) zu einer Sollkältemitteltemperatur wird, bei welcher ein Wirkungsgrad des Kreissystems bezüglich des Innendrucks des Kältemittelkühlers (12) maximal wird.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Kompressor (11) ein Verstellkompressor ist, bei dem eine Ausgabekapazität des Kältemittels variabel ist; und die Ausgabekapazität des vom Kompressor (11) ausgegebenen Kältemittels so gesteuert wird, dass eine Kältemitteltemperatur an einem Kältemittelauslass des Kältemittelkühlers (12) zu einer Sollkältemitteltemperatur wird, die bezüglich des Innendrucks des Kältemittelkühlers (12) eingestellt ist.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Kompressor (11) ein Verstellkompressor ist, bei dem eine Ausgabekapazität des Kältemittels variabel ist; und die Ausgabekapazität des vom Kompressor (11) ausgegebenen Kältemittels auf 100% gesetzt wird, wenn eine Strömungsmenge des im Kältemittelkühler (12) strömenden Kältemittels kleiner als ein Wert ist.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 9, bei welchem die Strömungsmenge des im Kältemittelkühler (12) strömenden Kältemittels basierend auf einer Temperatur der Außenluft und einer Drehzahl des Kompressors (11) abgeschätzt wird.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem der Kältemittelverdampfapparat (14) im Heizbetrieb einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und Außenluft durchführt; und eine Ausgabekapazität des Kompressors (11) auf 100% gesetzt wird, wenn eine Temperatur der Außenluft niedriger als ein Wert ist.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 1, bei welchem der Kältemittelverdampfapparat (14) im Heizbetrieb einen Wärmeaustausch zwischen dem Niederdruckkältemittel und Außenluft durchführt; und der Druck des Niederdruckkäitemittels basierend auf einer Temperatur der Außenluft bestimmt wird.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Kältemitteltemperaturerfassungseinheit (17), die eine Kältemitteltemperatur an einer Stelle eines Kältemitteleinlasses und eines Kältemittelauslasses des Kältemittelverdampfapparats (14) erfasst, wobei der Druck des Niederdruckkältemittels basierend auf der erfassten Kältemitteltemperatur bestimmt wird.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 12, ferner mit einer Außenlufttemperaturerfassungseinheit (21), welche die Temperatur der Außenluft erfasst.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Kältemitteldruckerfassungseinheit (23), welche den Druck des Niederdruckkältemittels erfasst.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem, mit einem Kompressor (11) zum Komprimieren eines Kältemittels; einem Kältemittelkühler (12) mit einem Innendruck höher als ein kritischer Druck des Kältemittels, in dem das vom Kompressor (11) ausgegebene Kältemittel mit einem durch den Kältemittelkühler (12) strömenden Fluid in Wärmeaustausch steht, um das Fluid in einem Heizbetrieb zu heizen; einer Dekompressionseinheit (13), die das aus dem Kältemittelkühler (12) strömende Kältemittel dekomprimiert; einem Kältemittelverdampfapparat (14) zum Verdampfen des Kältemittels aus der Dekompressionseinheit (13); einer Solltemperatureinstelleinrichtung zum Einstellen einer Solltemperatur (TAO) des Fluids; einer Niederdruckbestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines Drucks eines Niederdruckkältemittels nach der Dekompression in der Dekompressionseinheit (13); wobei die Druckbestimmungseinrichtung den Heiz-Sollsteuerdruck im Kältemittelkühler (12) basierend auf dem Druck des Niederdruckkältemittels und der Solltemperatur (TAO) des Fluids während des Heizbetriebs bestimmt; wobei die Druckbestimmungseinrichtung enthält einer ersten Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines ersten Sollsteuerdrucks (Pa), der ein Druck des Hochdruckkältemittels vor der Dekompression ist, bei dem eine Temperatur des mit dem Kältemittel im Kältemittelkühler (12) in Wärmeaustausch stehenden Fluids eine Solltemperatur (TAO) erreicht; und einer zweiten Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines zweiten Sollsteuerdrucks (Pb), der ein Druck des Hochdruckkältemittels vor der Dekompression durch die Dekompressionseinheit (13) ist, bei dem der Kältemittelkühler (12) eine maximale Heizleistung entsprechend einem Druck des Niederdruckkältemittels nach der Dekompression durch die Dekompressionseinheit (13) besitzt, und wobei ein Öffnungsgrad der Dekompressionseinheit (13) so gesteuert wird, dass ein Kältemitteldruck im Kältemittelkühler (12) zu einem kleineren zwischen dem ersten und dem zweiten Sollsteuerdruck wird.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 16, bei welchem die erste und die zweite Berechnungseinrichtung den ersten und den zweiten Sollsteuerdruck auf einen oberen Grenzwert berechnen, bei dem der Kältemittelkühler (12) eine maximale Heizleistung besitzt.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 16, bei welchem die erste und die zweite Berechnungseinrichtung den ersten und den zweiten Sollsteuerdruck auf einen oberen Grenzwert berechnen, bei dem eine Kältemitteltemperatur des Kompressors (11) niedriger als eine zulässige Ausgabetemperatur des Kompressors (11) wird.
Überkritisches Wärmepumpenkreissystem nach Anspruch 16, ferner mit einer Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung (15), in welcher das Kältemittel aus dem Kältemittelverdampfapparat (14) in ein gasförmiges Kältemittel und ein flüssiges Kältemittel getrennt wird, wobei die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung (15) mit einer Saugseite des Kompressors (11) verbunden ist.