-
Hintergrund der Erfindung
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Liefern von heißem
Wasser, das hauptsächlich in einem Privathaushalt verwendet
wird.
-
2. Beschreibung der verwandten Technik
-
Ein
herkömmliches System dieser Art (ein Beispiel ist in
JP-A-2005-164124 gezeigt)
umfasst eine Wärmepumpeneinheit, eine Batterie zum Speichern
elektrischer Energie und einen Behälter zum Speichern von
heißem Wasser. Die Wärmepumpeneinheit wird von
in der Batterie gespeicherter elektrischer Leistung angetrieben.
Es ist in dem System für die effiziente Nutzung der elektrischen
Energie erforderlich, dass die Batterie mit hohem Wirkungsgrad geladen
und entladen wird. Der Lade- und Entladewirkungsgrad wird jedoch
stark durch die Temperatur beeinflusst, bei der die Temperatur geladen
oder entladen wird. Wenn die Temperatur zu hoch oder zu niedrig
ist, z. B. im Sommer oder Winter, wird der Lade- und Entladewirkungsgrad
beträchtlich verringert.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts des vorstehend erwähnten
Problems gemacht, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
es, ein verbessertes System zum Liefern von heißem Wasser
bereitzustellen, in dem der Lade- und Entladewirkungsgrad durch
Steuern der Batterietemperatur unter Verwendung von Wärme
des in dem Behälter gespeicherten heißen Wassers
verbessert wird.
-
Das
System zum Liefern von heißem Wasser gemäß der
vorliegenden Erfindung wird hauptsächlich in einem Privathaushalt
verwendet. Das System umfasst eine Wärmepumpeneinheit zum
Heizen von Wasser, einen Behälter zum Zurückhalten
von Wasser, das von der Wärmepumpeneinheit geheizt wird, eine
Batterie zum Zuführen von Leistung an die Wärmepumpeneinheit
und eine Vorrichtung zum Steuern der Temperatur der Batterie mittels
Wärme des in dem Behälter zurückgehaltenen
Wassers. Der Wirkungsgrad des Ladens und Entladens der Batterie hängt
beträchtlich von der Temperatur der Batterie ab. Daher
wird die Batterietemperatur auf einen Temperaturbereich gesteuert,
in dem ein hoher Lade- und Entladewirkungsgrad realisiert wird.
-
Um
die Batterie auf den gewünschten Temperaturbereich zu kühlen
oder zu heizen, wird das in dem Behälter zurückgehaltene
Wasser als ein Primärfluid durch einen ersten Zirkulationskreis
in einem Wärmetauscher, der die Temperatursteuervorrichtung
bildet, zirkuliert. Sekundärfluid, wie etwa Salzlösung,
wird durch einen zweiten Zirkulationskreis in dem Wärmetauscher
zirkuliert. Wärme wird zwischen dem Wasser (dem Primärfluid)
und dem Sekundärfluid in dem Wärmetauscher ausgetauscht. Das
Sekundärfluid strömt durch einen Fluiddurchgang
in der Batterie, um dadurch die Batterietemperatur zu steuern. Alternativ
kann das in dem Behälter zurückgehaltene Wasser,
ohne den Wärmetauscher zu verwenden, direkt durch den Durchgang
in der Batterie zirkuliert werden, um die Batterietemperatur zu
steuern.
-
Bevorzugt
sind der Behälter und die Batterie in dem gleichen Gehäuse
enthalten, um die von dem Behälter abgestrahlte Wärme
wirksam zum Steuern der Batterietemperatur zu nutzen. Eine Leistungssteuerung
zum Steuern des Ladens und Entladens der Batterie kann ebenfalls
in dem gleichen Gehäuse enthalten sein. Ein Hilfswärmetauscher
kann zu dem System hinzugefügt werden, so dass Wärme
zwischen dem Sekundärfluid, das aus der Batterie strömt,
und dem Wasser, das in den Behälter eintritt, ausgetauscht
wird. Ein Schaltventil kann zu dem System hinzugefügt werden,
um das Wasser, wenn seine Temperatur höher als eine vorgegebene
Höhe ist, an einen oberen Abschnitt des Behälters
oder, wenn die Wassertemperatur niedriger als eine vorbestimmte Höhe
ist, an einen mittleren Abschnitt des Behälters zurück
zu führen.
-
Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die Wärme des in dem Behälter
zurückgehaltenen Wassers wirksam verwendet, um die Temperatur
der Batterie auf einen Bereich zu steuern, in dem ein hoher Lade-
und Entladewirkungsgrad erreicht wird. Andere Aufgaben und Merkmale
der vorliegenden Erfindung werden aus einem besseren Verständnis
der bevorzugten Ausführungsformen, die nachstehend unter
Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben werden, leichter
offensichtlich.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
2 ist
ein schematisches Diagramm, das Ströme von Wasser in dem
System in einem Anfangsstadium des Heizens von Wasser zeigt;
-
3 ist
ein schematisches Diagramm, das Ströme von Wasser in dem
System in einem Stadium des Heizens von Wasser zeigt;
-
4 ist
ein schematisches Diagramm, das Ströme von Wasser und einem
Sekundärfluid in dem System in einem Stadium des Kühlens
einer Batterie zeigt;
-
5 ist
ein schematisches Diagramm, das Ströme von Wasser und Sekundärfluid
in dem System in einem Stadium des Wärmens einer Batterie zeigt;
-
6 ist
ein schematisches Diagramm, das Ströme von Wasser und Sekundärfluid
in dem System in einem Stadium des Kühlens einer Leistungssteuerung
zeigt;
-
7 ist
ein schematisches Diagramm, das Ströme von Wasser und Sekundärfluid
in dem System in einem Stadium zum gleichzeitigen Kühlen
einer Batterie und einer Leistungssteuerung zeigt;
-
8 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern der Temperatur
einer Batterie zeigt;
-
9 ist
ein Flussdiagramm, das ein Unterprogramm in dem in 8 gezeigten
Temperatursteuerungsverfahren zeigt;
-
10 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Kühlen einer Leistungssteuerung
zeigt;
-
11 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
12 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
13 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
14 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
15 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
16 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
17 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
18 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
19 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
20 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
21 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine zwölfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt; und
-
22 ist
ein Blockdiagramm, das eine Gesamtstruktur eines Heißwasserversorgungssystems als
eine dreizehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt.
-
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
-
Eine
erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter
Bezug auf 1–10 beschrieben.
Ein System zum Liefern von heißem Wasser umfasst einen
Wasserversorgungsabschnitt und einen Leistungsquellenabschnitt.
Das System umfasst auch eine Temperatursteuervorrichtung, die die
Temperatur von Komponenten unter Verwendung der Wärme des
in einem Behälter zurückgehaltenen heißen
Wassers steuert. Der Heißwasserversorgungsabschnitt besteht
aus einer Wärmepumpeneinheit 1 zum Heizen von
Wasser, einem Behälter 3 zum Zurückhalten
von heißem Wasser und Funktionskomponenten 5,
die die Durchgänge des heißen Wassers steuern.
Der Leistungsquellenabschnitt besteht aus einer Batterie 4 mit
mehreren Batteriepackungen 4a, die in einem Gestell gehalten
werden. Komponenten, die das Heißwasserversorgungssystem
bilden, sind durch Leitungsrohre und Verbindungsleitungen verbunden.
Der Betrieb des Systems wird von einer Systemsteuerung 100 gesteuert,
die an der gleichen Stelle wie die Funktionskomponenten 5 positioniert
ist. Die Systemsteuerung 100 kann eine einzige Einheit
zum Steuern des gesamten Betriebs des Systems oder eine Steuerung,
die mehrere Steuerungen umfasst, von denen jede jede Funktion steuert,
sein.
-
In
dieser bestimmten Ausführungsform sind alle Komponenten,
die das System bilden, außer die Wärmepumpeneinheit 1,
in dem gleichen Gehäuse 2 enthalten. Wenigstens
müssen der Behälter 3 und die Batterie 4 in
dem gleichen Gehäuse enthalten sein, um die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung zu lösen. Die Batterie speichert
handelsübliche elektrische Energie oder Energie, die von
natürlichen Quellen, wie etwa Solarzellen oder elektrischen
Windenergiequellen geliefert wird. Die in der Batterie 4 gespeicherte
Energie kann neben dem Heizen des Wassers in dem System als eine
Energie für Haushaltsgeräte oder zum Laden einer
Batterie eines Elektroautos verwendet werden. In dem Behälter 3 zurück
gehaltenes heißes Wasser, dessen Temperatur auf eine passende
Höhe gesteuert wird, wird an eine Küche, einen
Waschraum, ein Badezimmer und so weiter geliefert.
-
Die
Temperatursteuervorrichtung umfasst einen Wärmetauscher 7,
durch den Wasser (oder heißes Wasser), das in dem Behälter 3 zurück
gehalten wird, als ein Primärfluid und Salzlösung
als ein Sekundärfluid strömen. Wärme
wird zwischen dem Wasser und der Salzlösung ausgetauscht,
um die Temperatur der Batterie 4 auf eine passende Temperatur
zu steuern, bei der ein hoher Lade- und Entladewirkungsgrad realisiert
wird.
-
Die
Batterie 4 besteht aus mehreren Batteriepackungen 4a,
die in einem Gestell gehalten werden. Jede Batteriepackung 4a ist
eine wiederaufladbare Batterie, wie etwa eine Lithiumakkumulatorbatterie
oder eine Nickelwasserstoffbatterie. Der Temperatursensor 23 (Thermistor)
zum Erfassen einer Temperatur auf einer Oberfläche der
Batteriepackung 4a ist auf der Batteriepackung 4a angeordnet.
Drei Temperatursensoren 23 werden in dieser Ausführungsform
verwendet und sind an drei Stellen in dem Gestell positioniert.
Die Batteriepackungen 4a sind von einem Sekundärfluiddurchgang 4b umgeben.
Der Innenraum des Gestells ist mit dem Sekundärfluid, wie etwa
Salzlösung, gefüllt, um die Temperatur der Batterie 4 durch
Austauschen von Wärme zwischen dem Sekundärfluid
und den Batteriepackungen 4a zu steuern. Die Batterie 4 wird
mit kostengünstiger handelsüblicher elektrischer
Leistung zum Beispiel um Mitternacht geladen. Die elektrische Leistung
um Mitternacht wird zum Laden der Batterie 4 und zum Antreiben
der Wärmepumpe 1 zum Heizen von Wasser verwendet.
-
Die
Wärmepumpeneinheit 1 umfasst einen Kompressor,
einen Wärmetauscher, ein Expansionsventil zum variablen Ändern
des Drucks, einen Verdampfer und einen Gas-Flüssigkeitsabscheider.
Diese Komponenten sind verbunden, um einen geschlossenen Kreis zu
bilden. Wärme wird in dem Wärmetauscher zwischen
Wasser und Kältemittel bei hoher Temperatur und unter hohem
Druck ausgetauscht, um das Wasser zu heizen. Als das Kältemittel
wird in dieser Ausführungsform Kohlendioxid mit einer niedrigen
kritischen Temperatur verwendet. Die Systemsteuerung 100 steuert
den Betrieb des Expansionsventils und des Kompressors entsprechend der
von den verschiedenen Temperatursensoren erfassten Temperatur. Wenn
in der Wärmepumpeneinheit 1 unter Verwendung des
Kohlendioxids ein Wärmepumpenkreislauf als ein überkritischer
Kreislauf gebildet wird, kann heißes Wasser mit der Temperatur
von 85–90°C (was höher als in einem gewöhnlichen
Wärmepumpenkreislauf ist) in dem Behälter 3 zurück
gehalten werden. Die Wärmepumpeneinheit 1 wird
betrieben, um das Wasser unter Verwendung kostengünstiger
elektrischer Energie um Mitternacht zu heizen. Die Wärmepumpeneinheit 1 kann
auch durch Energie betrieben werden, die in der Batterie 4 gespeichert
ist.
-
Der
Behälter 3 ist ein Gefäß zum
Zurückhalten des heißen Wassers darin und ist
aus einem Korrosionsschutzmaterial, wie etwa rostfreiem Stahl, gefertigt.
Wasser (wie etwa städtisches Wasser) bei einer niedrigen
Temperatur wird von seinem unteren Abschnitt durch ein Zuführungsleitungsrohr 301 und ein
in dem Leitungsrohr 301 angeordnetes Druckverringerungsventil 302 an
den Behälter 3 geliefert. Der Behälter 8 ist
in einer ovalen Form ausgebildet, die in einer vertikalen Richtung
verlängert ist, und ist mit einem wärmeisolierenden
Material bedeckt, um heißes Wasser für eine lange
Zeit zurück zu halten. Eine Temperatursensoreinheit 20 mit
fünf Temperatursensoren, die in der vertikalen Richtung
in einer Linie angeordnet sind, ist in dem Behälter 3 angeordnet.
In dem Behälter 3 ist an seinem unteren Abschnitt
kaltes Wasser enthalten, während über dem kalten Wasser
heißes Wasser zurück gehalten wird. Signale von
den fünf Temperatursensoren werden an die Systemsteuerung 100 gesendet,
und die Systemsteuerung 100 erfasst eine Grenze zwischen
dem kalten Wasser und dem heißen Wasser in dem Behälter 3 basierend
auf der von den Temperatursensoren erfassten Temperatur. Auf diese
Weise wird eine Menge des in dem Behälter 3 zurück
gehaltenen heißen Wassers erfasst.
-
Ein
Zirkulationsleitungsrohr 30 ist mit dem Behälter 3 verbunden,
um Wasser in dem Behälter 3 durch den Wärmetauscher
in der Wärmepumpeneinheit 1 zu zirkulieren. Das
kalte Wasser in dem unteren Abschnitt des Behälters 3 wird
durch eine Pumpe 9 an den Wärmetauscher in der
Wärmepumpeneinheit 1 geliefert, um es in dem Wärmetauscher
zu heizen. Das geheizte Wasser wird durch das Zirkulationsleitungsrohr 30 zu
einem oberen Abschnitt des Behälters 3 befördert.
Ein Rückführungsleitungsrohr 31 zum Zurückführen
von Wasser von der Wärmepumpeneinheit 1 an einen
mittleren Abschnitt des Behälters 3 ist mit dem
Behälter 3 verbunden. Ein Zwischenleitungsrohr 32 zum
Entnehmen von Wasser in dem mittleren Abschnitt des Behälters 3 ist
ebenfalls mit dem mittleren Abschnitt des Behälters 3 verbunden.
-
Ein
Schaltventil 12 ist an einem Übergang des Zirkulationsleitungsrohrs 30 und
des Rückführungsleitungsrohrs 31 angeordnet.
Ein Temperatursensor 21 ist stromaufwärtig von
dem Schaltventil 12 angeordnet. Das Schaltventil 12 leitet
das in der Wärmepumpeneinheit 1 geheizte Wasser
entsprechend der von dem Temperatursensor 21 erfassten
Wassertemperatur entweder an das mit dem mittleren Abschnitt des
Behälters 3 verbundene Rückführungsleitungsrohr 31 oder
an das mit der Oberseite des Behälters 3 verbundene
Zirkulationsleitungsrohr 30. Wenn die Wassertemperatur
höher als eine vorbestimmte Höhe ist, wird das
Wasser an den oberen Abschnitt des Behälters 3 geliefert.
Wenn die Wassertemperatur niedriger als die vorbestimmte Höhe ist,
wird das Wasser durch das Rückführungsleitungsrohr 31 an
den mittleren Abschnitt des Behälters 3 zurück
geführt.
-
Ein
Zwischenleitungsrohr 32 zum Entnehmen von Wasser in dem
Behälter 3 aus seinem mittleren Abschnitt ist
mit dem mittleren Abschnitt des Behälters 3 verbunden.
Ein Schaltventil 8 ist an einem Übergang des Zwischenleitungsrohrs 32 und des
Zirkulationsleitungsrohrs 30, das mit dem unteren Abschnitt
des Behälters 3 verbunden ist, angeordnet. Das
Schaltventil 8 leitet das aus dem Behälter entnommene
Wasser entweder von seinem mittleren Abschnitt oder von dem unteren
Abschnitt.
-
(Nicht
gezeigte) Heißwasserzuführungsleitungsrohre zum
Entnehmen von in dem oberen Abschnitt des Behälters 3 zurück
gehaltenem heißem Wasser sind mit dem oberen Abschnitt
des Behälters 3 verbunden. Die Heißwasserzuführungsleitungsrohre
sind mit den Funktionskomponenten 5 verbunden, und ein
Teil der Heißwasserzuführungsleitungsrohre ist
in den Funktionskomponenten 5 enthalten. Die Funktionskomponenten 5 umfassen
ein elektromagnetisches Ventil, einen Strömungsmengenzähler,
ein Einwegeventil, Thermistoren, einen Strömungsschalter,
eine Pumpe und Leitungsrohre zum Verbinden dieser Komponenten.
-
Die
Funktionskomponenten 5 können als eine einzelne
Einheit ausgebildet sein, in der die Leitungsrohre so weit wie möglich
verkürzt sind, um die Druckabfälle und Strömungswiderstände
zu verringern. Die Funktionskomponenten sind in einem ungenutzten
Raum in dem Gehäuse (z. B. an Eckabschnitten) positioniert,
um das Gehäuse 2 kompakt zu machen. Die Leitungsrohre
und andere Teile der Funktionskomponenten 5 können
aus einem Harzmaterial gefertigt sein, um das Gewicht zu verringern und
eine leichte Wartung zu realisieren. Die Funktionskomponenten 5 sind
in Wasserdurchgängen angeordnet, um eine Wasserströmung
zu stoppen, Strömungsrichtungen zu ändern oder
den Wasserdruck zu steuern. Die Funktionskomponenten 5 umfassen
Ventile, Pumpen und andere Vorrichtungen.
-
Der
Wärmetauscher 7, der die Temperatursteuerungsvorrichtung
bildet, umfasst eine erste Zirkulationsschaltung 33 und
eine zweite Zirkulationsschaltung 34. Das aus dem unteren
Abschnitt des Behälters 3 entnommene Wasser (Primärfluid)
strömt durch den ersten Zirkulationskreis 33 und
strömt in die Wärmepumpeneinheit 1. Das
Sekundärfluid (die Salzlösung) strömt
durch den zweiten Zirkulationskreis 34 in dem Wärmetauscher 7 und
den Sekundärfluiddurchgang 4b in der Batterie 4.
Der erste Zirkulationskreis 33 besteht aus dem unteren
Abschnitt des Behälters 3, dem Schaltventil 8,
der Pumpe 9, dem Schaltventil 10, dem Wärmetauscher 7,
einem Schaltventil 11, einem Schaltventil 12 und
dem Behälter 3. Ein Temperatursensor 22 (Thermistor)
ist in dem ersten Zirkulationskreis 33 an einer Position
vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 7 angeordnet. Das
in dem ersten Zirkulationskreis 33 angeordnete Schaltventil 10 leitet
das aus dem Behälter entnommene Wasser entweder zu dem
Wärmetauscher 7 oder zu der Wärmepumpeneinheit 1.
Das Schaltventil 11 leitet das aus dem Wärmetauscher 7 strömende Wasser
entweder zu dem Behälter 3 oder zu der Wärmepumpeneinheit 1.
-
Der
zweite Zirkulationskreis 34 umfasst den Sekundärfluiddurchgang 4b in
der Batterie 4, ein Schaltventil 13, den Wärmetauscher 7,
eine Pumpe 14 und ein Schaltventil 15. Das Sekundärfluid
(die Salzlösung) wird in dem zweiten Zirkulationsdurchgang 34 eingekapselt
und durch den Betrieb der Pumpe 14 zirkuliert. Das aus
dem oberen Abschnitt der Batterie 4 strömende
Fluid kehrt durch den Sekundärzirkulationsdurchgang 34 zu
dem unteren Abschnitt der Batterie 4 zurück. Ein
Temperatursensor 24 zum Erfassen der Temperatur des Sekundärfluids, das
in den Wärmetauscher 7 einritt, ist in dem zweiten
Zirkulationskreis 34 angeordnet. Ein anderer Temperatursensor 25 zum
Erfassen der Temperatur des Sekundärfluids, das aus dem
Wärmetauscher strömt, ist in dem zweiten Zirkulationskreis 34 angeordnet.
-
Eine
Leistungssteuerung 6 zum Steuern des Ladens und Entladens
der Batterie 4 und zum Steuern des Betriebs der anderen
Komponenten ist in dem Gehäuse auf einer Seite des Behälters 3 angeordnet.
Ein Sekundärfluiddurchgang 6a ist in der Leistungssteuerung 6 ausgebildet,
um ihre Temperatur zu steuern. Der Sekundärfluiddurchgang 6a in
der Leistungssteuerung 6 ist durch eine Rohrleitung 35 parallel
mit dem Sekundärfluiddurchgang 4b in der Batterie 4 verbunden.
Ein Temperatursensor 26 zum Erfassen der Temperatur der
Leistungssteuerung 6 ist in der Leistungssteuerung 6 angeordnet.
Da die Leistungssteuerung 6 auf einer Seite der Batterie 4 und
des Behälters 3 positioniert ist, wird Wärme
von dem Behälter 3 und der Batterie 4 (insbesondere Wärme
von dem Behälter 3) leicht an die Leistungssteuerung 6 übertragen.
-
Das
Schaltventil 15 leitet das aus dem Wärmetauscher 7 strömende
Sekundärfluid entweder an die Batterie 4 oder
die Leistungssteuerung 6 oder an beide. Ein Schaltventil 13 ist
an einem Übergang des Sekundärfluiddurchgangs 4b in
der Batterie 4 und des Sekundärfluiddurchgangs 6a in
der Leistungssteuerung 6 angeordnet. Das Schaltventil 13 arbeitet in
Zusammenwirkung mit dem Schaltventil 15. Es erlaubt, dass
das Sekundärfluid entweder von dem Durchgang 4b zu
dem Wärmetauscher 7 oder von dem Durchgang 6a zu
dem Wärmetauscher 7 oder von beiden Durchgängen 4b und 6a zu
dem Wärmetauscher 7 strömt.
-
Die
Systemsteuerung 100 ist hauptsächlich durch einen
Mikrocomputer aufgebaut, und sie umfasst Speichervorrichtungen,
wie etwa einen ROM und RAM. Vorher festgelegte Steuerprogramme und erneuerbare
Steuerprogramme sind in den Speichervorrichtungen gespeichert. Signale
von den Temperatursensoren 20, 21, 22, 23, 24 und 25 werden
in die Programmsteuerung 100 eingespeist. Die Programmsteuerung 100 steuert
die Schaltventile 8, 10, 11, 12, 13, 15 und
die Pumpen 9, 14 basierend auf Ergebnissen der
Berechnung entsprechend den von den Temperatursensoren eingespeisten
Signalen.
-
Nun
werden Ströme des Fluids in dem System in verschiedenen
Stadien unter Bezug auf 2–7 erklärt.
In diesen Zeichnungen sind nur die Komponenten, die die Fluidströme
betreffen, gezeigt. Die Leitungsrohre, in denen das Fluid strömt, sind
mit durchgezogenen Linien gezeigt, während Leitungsrohre,
in denen kein Fluid strömt, mit gestrichelten Linien gezeigt
sind.
-
Ein
Anfangsstadium des Heizens von Wasser ist in 2 gezeigt.
Kaltes Wasser in dem unteren Abschnitt des Behälters 3 wird
durch den Betrieb der Pumpe 9 aus dem Behälter 3 entnommen
und an die Wärmepumpeneinheit 1 gesendet. Das
kalte Wasser wird in der Pumpeneinheit 1 geheizt, und das geheizte
Wasser wird durch das Rückführungsleitungsrohr 31 an
den mittleren Abschnitt des Behälters 3 geliefert.
In diesem Stadium strömt das Wasser aus dem unteren Abschnitt
des Behälters 3 durch das Schaltventil 8,
die Pumpe 9, das Schaltventil 10, die Wärmepumpeneinheit 1,
das Schaltventil 11, das Schaltventil 12 und das
Rückführungsleitungsrohr 31 zu dem mittleren
Abschnitt des Behälters 3. In diesem Stadium wird
kein sekundäres Fluid zirkuliert, da die Pumpe 14 nicht
in Betrieb ist.
-
Ein
Stadium der Wasserheizung ist in 3 gezeigt.
In diesem Stadium wird Wasser nach dem Anfangsheizstadium kontinuierlich
geheizt. Das Wasser in dem unteren Abschnitt des Behälters 3 wird entnommen
und in der Wärmepumpeneinheit 1 geheizt, und das
geheizte Wasser wird an den oberen Abschnitt des Behälters 3 geliefert.
In diesem Stadium strömt das Wasser aus dem unteren Abschnitt des
Behälters 3 durch das Schaltventil 8,
die Pumpe 9, das Schaltventil 10, die Wärmepumpeneinheit 1, das
Schaltventil 11, das Schaltventil 12 und das Zirkulationsleitungsrohr 30 zu
dem oberen Abschnitt des Behälters 3. In diesem
Stadium wird kein Sekundärfluid zirkuliert, da die Pumpe 14 nicht
in Betrieb ist.
-
Ein
Stadium des Kühlens der Batterie 4 ist in 4 gezeigt.
In diesem Stadium kühlt die Systemsteuerung 100 die
Batterie 4 herunter, wenn die Temperatur Tb der Batterie 4 höher
als ein vorbestimmter Temperaturbereich ist. Der vorliegende Temperaturbereich
ist ein Temperaturbereich, in dem die Batterie 4 mit hohem
Wirkungsgrad geladen oder entladen wird. Dieser Temperaturbereich
wird in der Systemsteuerung 100 vorab gespeichert. In diesem
Stadium wird kaltes Wasser in dem unteren Abschnitt des Behälters
durch die Pumpe 9 entnommen und an die Wärmepumpeneinheit 1 zugeführt.
Das kalte Wasser kühlt das Sekundärfluid in dem
Wärmetauscher 7 und kehrt zu dem mittleren Abschnitt
des Behälters 3 zurück. Das Wasser als
das Primärfluid strömt in dem ersten Zirkulationskreis 33 durch
das Schaltventil 8, die Pumpe 9, das Schaltventil 10,
den Wärmetauscher 7, das Schaltventil 11,
das Schaltventil 12 und das Rückführungsleitungsrohr 31.
Wenn die von dem Temperatursensor 21 erfasste Wassertemperatur
höher als 65°C ist, wird das Wasser an den oberen
Abschnitt des Behälters 3 zurück geführt.
Die in dem Durchgang positionierten Schaltventile arbeiten, um die
vorstehend beschriebene Wasserströmung zu realisieren.
-
Andererseits
wird in diesem Batteriekühlstadium das Sekundärfluid
(die Salzlösung) durch den Betrieb der Pumpe 14 in
dem zweiten Zirkulationskreis 34 zirkuliert. Das Sekundärfluid
in dem Durchgang 4b in der Batterie 4 wird aus
der Batterie 4 heraus genommen und an den Wärmetauscher 7 geliefert.
In dem Wärmetauscher 7 wird das Sekundärfluid durch
das kalte Wasser, das durch den Wärmetauscher 7 strömt,
abgekühlt. Dann wird das gekühlte Sekundärfluid
an den Durchgang 4b in der Batterie 4 zurück
geführt. Die Batterie 4 wird durch das Sekundärfluid
auf eine vorbestimmte Höhe gekühlt. Die Schaltventile
in dem Fluiddurchgang werden gesteuert, um die vorstehend beschriebene
Sekundärfluidströmung zu realisieren. Die Wasserströmungen
in dem ersten Zirkulationskreis 33 und die Sekundärfluidströmungen
in dem zweiten Zirkulationskreis 34 werden wiederholt,
und dabei wird die Batterie 4 auf eine vorbestimmte Temperaturhöhe
abgekühlt, um den hohen Lade- und Entladewirkungsgrad der
Batterie 4 zu realisieren.
-
Ein
Stadium des Heizens der Batterie 4 ist in 5 gezeigt.
In diesem Stadium wird das Wasser, wenn die Batterietemperatur Tb
niedriger als ein vorbestimmter Temperaturbereich ist, bei einer
Zwischentemperatur in dem mittleren Abschnitt des Behälters 3 entnommen
und an den Wärmetauscher 7 geliefert. Das Sekundärfluid
wird bei einer relativ niedrigen Temperatur in der Batterie 4 entnommen und
an den Wärmetauscher 7 geliefert. Das Sekundärfluid
wird durch das warme Wasser; das durch den Wärmetauscher 7 strömt,
aufgewärmt. Das Wasser in dem Behälter 3 wird
durch den Betrieb der Pumpe 9 in dem ersten Zirkulationskreis 33 durch das
Zwischenleitungsrohr 32, das Schaltventil 8, die Pumpe 9,
das Schaltventil 10, den Wärmetauscher 7, das
Schaltventil 11, das Schaltventil 12 und das Rückführungsleitungsrohr 31 zirkuliert.
Wenn die von dem Temperatursensor 21 erfasste Wassertemperatur
höher als 65°C ist, wird das Wasser durch das
Zirkulationsleitungsrohr 30 an den oberen Abschnitt des Behälters 3 zurück
geführt. Die in den Wasserströmungsdurchgängen
positionierten Schaltventile werden gesteuert, um die vorstehend
beschriebene Wasserströmung zu realisieren.
-
Andererseits
wird in diesem Batterieheizstadium das Sekundärfluid (die
Salzlake) durch den Betrieb der Pumpe 14 in dem zweiten
Zirkulationskreis 34 zirkuliert. Das Sekundärfluid
in dem Durchgang 4b in der Batterie 4 wird aus
der Batterie 4 heraus genommen und an den Wärmetauscher 7 geliefert.
In dem Wärmetauscher 7 wird das Sekundärfluid
durch das warme Wasser, das durch den Wärmetauscher 7 strömt,
aufgewärmt. Dann wird das aufgewärmte Sekundärfluid
an den Durchgang 4b in der Batterie 4 zurück
geführt. Die Batterie 4 wird durch das Sekundärfluid
auf eine vorbestimmte Höhe aufgewärmt. Die Schaltventile
in dem Fluiddurchgang werden gesteuert, um die vorstehend beschriebene
Sekundärfluidströmung zu realisieren. Die Wasserströmungen
in dem ersten Zirkulationskreis 33 und in dem zweiten Zirkulationskreis 34 werden
wiederholt, und dabei wird die Batterie 4 auf eine vorbestimmte
Temperaturhöhe aufgewärmt, um den hohen Lade-
und Entladewirkungsgrad der Batterie 4 zu realisieren.
-
Ein
Stadium des Kühlens der Leistungssteuerung 6 ist
in 6 gezeigt. Wenn die von dem Temperatursensor 26 erfasste
Temperatur der Leistungssteuerung 6 höher als
eine vorbestimmte Temperatur ist, wird die Leistungssteuerung 6 von
dem Wasser gekühlt, das aus dem mittleren Abschnitt des
Behälters 3 entnommen wird. Dies liegt daran,
dass die Leistungssteuerung 6 verschlechtert wird, wenn
die Leistungssteuerung 6 bei einer höheren Temperatur als
der vorbestimmten Temperatur betrieben wird. Die Strömungsdurchgänge
des Wassers (des Primärfluids) sind die gleichen wie die
in 4 gezeigten. Wenn die Temperatur des Wassers,
das zu dem Behälter 3 zurückkehrt, höher
als 65°C ist, wird das Wasser in der gleichen Weise wie
in 4 gezeigt zu dem oberen Abschnitt des Behälters 3 zurück
geführt.
-
Das
Sekundärfluid in dem Durchgang 6a der Leistungssteuerung 6 wird
durch den Betrieb der Pumpe 14 in dem zweiten Zirkulationskreis 34 zirkuliert.
Das Sekundärfluid wird durch das Leitungsrohr 35 aus
dem oberen Abschnitt der Leistungssteuerung 6 entnommen
und an den Wärmetauscher 7 geliefert. Das Sekundärfluid,
das in dem Wärmetauscher 7 durch Austauschen von
Wärme mit dem in dem Wärmetauscher 7 strömenden
kalten Wasser abgekühlt wird, wird an den unteren Abschnitt
der Leistungssteuerung 6 zurück geführt.
Die Leistungssteuerung 6 wird durch Sekundärfluid,
das durch den Durchgang 6a strömt, abgekühlt.
Insbesondere strömt das Sekundärfluid durch das
Leitungsrohr 35, das Schaltventil 13, den Sekundärzirkulationskreis 34,
den Wärmetauscher 7, die Pumpe 14 und
das Schaltventil 15. Die Schaltventile 13, 15 werden
gesteuert, um die vorstehend beschriebenen Durchgänge zu
realisieren. Durch Wiederholen des Wärmeaustauschs zwischen
dem Wasser und dem Sekundärfluid wird die Leistungssteuerung 6 auf
einen vorbestimmten Temperaturbereich abgekühlt.
-
Ein
Stadium des gleichzeitigen Kühlens der Batterie 4 und
der Leistungssteuerung 6 ist in 7 gezeigt.
Wenn die Temperatur der Batterie 4 höher als die
vorbestimmte Temperatur ist und die Temperatur der Leistungssteuerung 6 höher
als eine für die Leistungssteuerung 6 vorbestimmte
Temperatur ist, werden beide von dem Wasser, das aus dem mittleren
Abschnitt des Behälters 3 entnommen wird, gekühlt.
Das Wasser wird in dem ersten Zirkulationskreis 33 durch
die gleichen Durchgänge wie in 4 gezeigt
zirkuliert. Wenn die Temperatur des Wassers, das zu dem Behälter 3 zurückkehrt,
höher als 65°C ist, wird das Wasser zu dem oberen
Abschnitt des Behälters 3, nicht zu dem mittleren
Abschnitt des Behälters 3 zurück geführt.
-
Andererseits
wird das Sekundärfluid durch den Betrieb der Pumpe 14 in
dem zweiten Zirkulationskreis 34 zirkuliert. Das Sekundärfluid
in dem Batteriedurchgang 4b und in dem Leistungssteuerungsdurchgang 6a wird
aus den oberen Abschnitten sowohl der Batterie 4 und der
Leistungssteuerung 6 entnommen. Das sowohl aus der Batterie 4 als
auch der Leistungssteuerung 6 entnommene Sekundärfluid
vermischt sich an dem Schaltventil 13. Dann strömt es
durch den zweiten Zirkulationskreis 34 und wird an den
Wärmetauscher 7 geliefert. In dem Wärmetauscher 7 wird
das heiße Sekundärfluid durch das Wasser, das
durch den Wärmetauscher 7 strömt, gekühlt. Das
in dem Wärmetauscher 7 abgekühlte Sekundärfluid
verzweigt sich an dem Schaltventil 15, um dadurch das gekühlte
Sekundärfluid sowohl an die Batterie 4 als auch
die Leistungssteuerung 6 zu liefern. Die Batterie 4 und
die Leistungssteuerung 6 werden von dem Sekundärfluid,
das durch die Durchgänge 4b und 6a strömt,
gekühlt. Auf diese Weise wird die Temperatur der Batterie
und der Leistungssteuerung 6 gleichzeitig auf den vorbestimmten
Temperaturbereich gesenkt.
-
Unter
Bezug auf 8 wird ein Verfahren zum Steuern
der Temperatur Tb der Batterie 4 erklärt. 8 zeigt
ein Hauptflussdiagramm des Verfahrens, das von der Systemsteuerung 100 durchgeführt
wird. Der vorbestimmte Temperaturbereich, auf den die Batterietemperatur
Tb gesteuert wird, wird in diesem Flussdiagramm als 25–40°C
beispielhaft gezeigt. Jedoch kann der Temperaturbereich gemäß einer
tatsächlichen Konstruktion und Eigenschaften der Batterie 4 anders
festgelegt werden.
-
Bei
dem Schritt S10 wird bestimmt, ob die Batterie 4 in einem
Zustand vor dem Laden oder Entladen ist. Wenn die Batterie 4 in
dem Zustand vor dem Laden oder Entladen ist, geht das Verfahren
zu dem Schritt S20, in dem geprüft wird, ob die Batterietemperatur
Tb gleich oder niedriger als 20°C ist. Wenn die Batterietemperatur
Tb höher als 20°C ist, kehrt das Verfahren zu
dem Schritt S10 zurück. Wenn die Batterietemperatur Tb
gleich oder niedriger als 20°C ist, geht das Verfahren
weiter zu dem Schritt S30, in dem das Verfahren zum Heizen der Batterie 4 (in 5 gezeigt)
durchgeführt wird. Das heißt, das durch den Wärmetauscher 7 strömende
Sekundärfluid wird von dem Wasser geheizt, das aus dem
mittleren Abschnitt des Behälters 3 entnommen
wird. In diesem Verfahren wird das Wasser an den Behälter 3 zurück
geführt, ohne an die Wärmepumpeneinheit 1 zugeführt
zu werden. Die Drehzahl der Pumpe 9 zum Zirkulieren von
Wasser in dem ersten Zirkulationskreis wird derart gesteuert, dass
die Temperatur des Sekundärfluids, die von dem Temperatursensor 25 erfasst
wird, den höchsten Stand (40°C) in dem vorbestimmten
Bereich erreicht. Durch Erhöhen der Temperatur des Sekundärfluids
wird die Batterietemperatur Tb erhöht. Dieses Heizverfahren
wird fortgesetzt, bis die Batterietemperatur höher als
25°C wird.
-
Bei
dem Schritt S40 wird bestimmt, ob die Batterietemperatur Tb gleich
25°C oder höher ist. Wenn die Batterietemperatur
Tb niedriger als 25°C ist, kehrt das Verfahren zu dem Schritt
S30 zurück. Wenn die Batterietemperatur Tb gleich oder
höher als 25°C ist, geht das Verfahren weiter
zu dem Schritt S50, in dem das Verfahren zum Heizen der Batterie 4 gestoppt
wird, und das Verfahren kehrt zu dem Schritt S10 zurück.
-
Wenn
andererseits bei dem Schritt S10 bestimmt wird, dass die Batterie 4 nicht
in dem Zustand vor dem Laden oder Entladen ist, geht das Verfahren weiter
zu dem Schritt S60, in dem bestimmt wird, ob die Batterie in dem
Zustand des Ladens oder Entladens ist. Wenn bestimmt wird, dass
die Batterie 4 nicht in dem Lade- oder Entladezustand ist,
kehrt das Verfahren zu dem Schritt S60 zurück. Wenn bestimmt
wird, dass die Batterie 4 in dem Lade- oder Entladezustand
ist, geht das Verfahren weiter zu dem Schritt S70, in dem geprüft
wird, ob die Batterietemperatur Tb innerhalb eines vorbestimmten
Bereichs ist (25°C ≤ Tb ≤ 40°C).
Wenn die Batterietemperatur Tb innerhalb des vorbestimmten Bereichs
ist, kehrt das Verfahren zu dem Schritt S10 zurück, ohne
ein Verfahren zum Steuern der Batterietemperatur durchzuführen.
Wenn die Batterietemperatur Tb nicht in dem vorbestimmten Bereich
ist, geht das Verfahren weiter zu dem Schritt S80, in dem das Verfahren zum
Steuern der Batterietemperatur Tb durchgeführt wird. Details
des Schritts S80 sind in 9 gezeigt.
-
Unter
Bezug auf 9 wird das Verfahren zum Steuern
der Batterietemperatur Tb beschrieben. Bei dem Schritt S81 wird
bestimmt, ob die Batterietemperatur Tb niedriger als die niedrigste
Höhe des vorbestimmten Bereichs (Tb < 25°C) ist oder Tb höher
als die höchste Höhe des vorbestimmten Bereichs
(Tb > 40°C)
ist. Wenn die Batterietemperatur Tb höher als 40°C
ist, geht das Verfahren weiter zu den nächsten Schritten,
um das in 4 gezeigte Verfahren zum Kühlen
der Batterie 4 durchzuführen. Das Verfahren zum
Kühlen der Batterie 4 wird in den Schritten S82–S85
durchgeführt.
-
Bei
dem Schritt S82 wird das Wasser in dem Behälter 3 in
dem ersten Zirkulationskreis 33 zirkuliert. Bei dem Schritt
S83 wird das Sekundärfluid in dem zweiten Zirkulationskreis 34 zirkuliert,
wobei die Drehzahl der Pumpe 14 konstant gehalten wird.
Bei dem Schritt S84 wird die Drehzahl der Pumpe 9 gesteuert,
so dass die von dem Temperatursensor 23 erfasste Temperatur
innerhalb den vorbestimmten Temperaturbereich (25–40°C)
kommt, während die von dem Temperatursensor 25 erfasste
Temperatur beobachtet wird. Bei dem Schritt S85 wird bestimmt, ob
die Batterietemperatur Tb in den vorbestimmten Bereich (25–40°C)
gekommen ist. Wenn Tb in dem vorbestimmten Bereich ist, kommt das
Verfahren zum Ende. Wenn nicht, kehrt das Verfahren zu dem Schritt
S84 zurück.
-
Wenn
bei dem Schritt S81 andererseits bestimmt wird, dass die Batterietemperatur
Tb niedriger als 25°C ist, geht das Verfahren weiter zu
dem Schritt S86 und den folgenden Schritten, um das in 5 gezeigte
Verfahren zum Heizen der Batterie 4 durchzuführen.
Das Heizverfahren wird bei den Schritten S86–S89 durchgeführt.
Bei dem Schritt S86 wird das Wasser in dem ersten Zirkulationskreis 33 zirkuliert. Bei
dem Schritt S87 wird das Sekundärfluid in dem zweiten Zirkulationskreis 34 zirkuliert.
Die Wärme wird in dem Wärmetauscher 7 zwischen
dem Wasser und dem Sekundärfluid ausgetauscht, um dadurch das
Sekundärfluid zu erwärmen. Bei dem Schritt S88 wird
die Drehzahl der Pumpe 9 gesteuert, so dass die von dem
Temperatursensor 23 erfasste Temperatur in den vorbestimmten
Temperaturbereich (25–40°C) kommt. Bei dem Schritt
S89 wird bestimmt, ob die Batterietemperatur Tb in den vorbestimmten
Bereich gekommen ist. Wenn die Batterietemperatur in dem vorbestimmten
Bereich ist, kommt das Verfahren zum Ende. Wenn nicht, kehrt das
Verfahren zu dem Schritt S88 zurück.
-
Ein
Verfahren zum Kühlen der Leistungssteuerung 6 wird
unter Bezug auf 10 beschrieben. Die Systemsteuerung 100 führt
das Verfahren zum Kühlen der Leistungssteuerung 6 durch.
Die Batterie 4 wird unter Verwendung von kostengünstiger
elektrischer Leistung um Mitternacht geladen. Der Heizbetrieb des
Wassers kann gleichzeitig mit dem Laden der Batterie 4 durchgeführt
werden, oder es wird getrennt von dem Ladebetrieb der Batterie 4 durchgeführt.
Das Verfahren zum Kühlen der Leistungssteuerung 6 wird,
wie in 7 gezeigt, gleichzeitig durchgeführt
wie das Verfahren zum Steuern der Batterietemperatur durchgeführt
wird, oder es wird, wie in 6 gezeigt,
getrennt von dem Verfahren zum Steuern der Batterietemperatur durchgeführt.
-
Bei
dem Schritt S100 wird geprüft, ob die Temperatur Tb der
Leistungssteuerung 80°C übersteigt oder nicht.
Wenn Tp niedriger als 80°C ist, kommt das Verfahren zum
Ende, weil es nicht notwendig ist, die Leistungssteuerung 6 zu
kühlen. Wenn Tp höher als 80°C ist, geht
das Verfahren weiter zu den folgenden Schritten, um das in 6 gezeigte
Verfahren zum Kühlen der Leistungssteuerung 6 durchzuführen.
Das Verfahren zum Kühlen der Leistungssteuerung 6 wird
bei den Schritten S110–S140 ausgeführt.
-
Bei
dem Schritt S110 wird durch Betreiben der Pumpe 9 Wasser
in dem Behälter 3 in dem ersten Zirkulationskreis 33 zirkuliert.
Bei dem Schritt S120 wird das Sekundärfluid durch Betreiben
der Pumpe 14 mit einer konstanten Drehzahl in dem zweiten
Zirkulationskreis 34 zirkuliert. Das heiße Sekundärfluid wird
in dem Wärmetauscher 7 durch Austauschen von Wärme
zwischen dem Sekundärfluid und dem kalten Wasser gekühlt.
Bei dem Schritt S130 wird die Drehzahl der Pumpe 9 derart
gesteuert, dass die von dem Temperatursensor 26 erfasste
Temperatur in den vorbestimmten Bereich, d. h. 60–80°C
kommt, in dem die Leistungssteuerung 6 nicht durch ihren
Betrieb verschlechtert wird. Bei dem Schritt S140 wird bestimmt,
ob die Temperatur Tp der Leistungssteuerung 6 in den vorbestimmten
Temperaturbereich (60–80°C) gekommen ist. Wenn
Tp in dem vorbestimmten Bereich ist, kommt das Verfahren zum Ende.
Wenn nicht, kehrt das Verfahren zu dem Schritt S130 zurück.
Die Batterietemperatur Tb kann zusammen mit der Temperatur Tp der
Leistungssteuerung 6 gesteuert werden. In diesem Fall wird
die Drehzahl der Pumpe 9 entsprechend der Steuerung von
Tp gesteuert, während die von dem Temperatursensor 25 erfasste
Temperatur beobachtet wird und ein Öffnungsgrad des Schaltventils 13 eingestellt
wird.
-
Das
Heißwasserversorgungssystem gemäß der
vorliegenden Erfindung wird in einem Außenraum eines Privathaushalts,
wie etwa einem Balkon, angeordnet. Daher ist es wünschenswert,
eine Tiefe des Systems dünn zu machen. Das in 1 gezeigte Gehäuse 2 ist
ein Kasten, der andere Hauptkomponenten als die Wärmepumpeneinheit 1 darin
enthält. Das kastenförmige Gehäuse 2 ist
nur auf einer Seite der Wärmepumpeneinheit 1 offen,
und alle anderen Seiten sind geschlossen. Beine 2a sind
mit der Bodenplatte des Gehäuses 2 verbunden und
durch Ankerbolzen oder ähnliches an einem Boden befestigt. Der
Behälter 3, die Batterie 4 und die Leistungssteuerung 6 sind
in dem Innenraum des Gehäuses 2 enthalten. Daher
wird die Wärme des in dem Behälter zurückgehaltenen
heißen Wassers wirksam genutzt, um die Batterie 4 und
die Leistungssteuerung 6 aufzuwärmen. Dies ist
besonders günstig, wenn das System zur kalten Winterzeit
verwendet wird.
-
In
der ersten Ausführungsform erzielte Vorteile, die vorstehend
beschrieben sind, werden nachstehend zusammengefasst. Das Heißwasserversorgungssystem
umfasst einen Wärmetauscher 7 zum Austauschen
von Wärme zwischen dem in dem Behälter 7 zurückgehaltenen
Wasser und dem durch die Batterie 4 und/oder die Leistungssteuerung 6 strömenden
Sekundärfluids. Die Wärme des heißen Wasser
wird zum Steuern der Temperatur der Batterie Tb auf einen passenden
Temperaturbereich verwendet, in dem ein hoher Lade- und Entladewirkungsgrad
realisiert wird.
-
Eine
zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
unter Bezug auf 11 beschrieben. In dieser Ausführungsform
sind das Rückführungsleitungsrohr 31,
das Schaltventil 12 und das Zwischenleitungsrohr 32 aus
der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform entfernt.
Ein oberes Auslassleitungsrohr 32A ist in dieser Ausführungsform anstelle
des Zwischenleitungsrohrs der ersten Ausführungsform bereitgestellt.
Wenn das in 5 gezeigte Verfahren zum Heizen
der Batterie 4 durchgeführt wird, wird das Wasser
mit einer höheren Temperatur in dem oberen Abschnitt des
Behälters 3 an den Wärmetauscher 7 geliefert.
Daher kann die Batterie 4 schneller geheizt werden.
-
Eine
dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
unter Bezug auf 12 beschrieben. In dieser Ausführungsform
ist die Leistungssteuerung 6 aus der in 11 gezeigten
Ausführungsform entfernt. Entsprechend der Beseitigung
der Leistungssteuerung 6 sind auch das mit der Leistungssteuerung 6 verbundene
Leitungsrohr 35 und die Schaltventile 13, 15 entfernt.
Die Batterietemperatur Tb in dieser Ausführungsform wird
in der ähnlichen Weise wie in der zweiten Ausführungsform
gesteuert.
-
Eine
vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 13 gezeigt.
In dieser Ausführungsform sind die Leistungssteuerung 6,
das Leitungsrohr 35 und die Schaltventile 13, 15 aus
der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform entfernt. Die
Batterietemperatur Tb wird in der ähnlichen Weise wie in
der ersten Ausführungsform gesteuert.
-
Eine
fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist in 14 gezeigt. In dieser Ausführungsform
ist der Wärmetauscher 7 aus der in 12 gezeigten
dritten Ausführungsform entfernt. Da der Wärmetauscher 7 entfernt
ist, wird die Batterietemperatur Tb gesteuert, indem Wasser, das
in dem Behälter 3 zurück gehalten wird,
direkt an die Batterie 4 zugeführt wird. Ein durch
durchgezogene Pfeile gezeigter Wasserzirkulationskreis ist ein Kreis
zum Kühlen der Batterie 4, und ein durch gestrichelte
Pfeile gezeigter Zirkulationskreis ist ein Kreis zum Heizen der
Batterie 4.
-
Wenn
die Batterietemperatur einen vorbestimmten Temperaturbereich überschreitet,
wird ein Verfahren zum Kühlen der Batterie 4 durchgeführt.
In diesem Kühlverfahren wird kaltes Wasser in dem unteren
Abschnitt des Behälters 3 durch Betreiben der Pumpe 9 durch
den Wasserdurchgang 4b in der Batterie 4 zirkuliert
und wird an den oberen Abschnitt des Behälters 3 zurück
geführt. Das Wasser, das die Batterie 4 kühlt,
strömt von dem unteren Abschnitt des Behälters 3 durch
das Schaltventil 8A, die Pumpe 9, das Schaltventil 10A,
das erste Temperatursteuerleitungsrohr 36, den Wasserdurchgang 4b' in
der Batterie 4 und das erste Temperatursteuerleitungsrohr 36 zu
dem oberen Abschnitt des Behälters 3. Die Steuerventile 8A, 10A werden
gesteuert, um den vorstehend beschriebenen Durchgang zu realisieren.
Die Batterie 4 wird von dem kalten Wasser, das durch den
Wasserdurchgang 4b' in der Batterie 4 strömt, abgekühlt.
-
Wenn
die Batterietemperatur niedriger als der vorbestimmte Temperaturbereich
ist, wird ein Verfahren zum Wärmen der Batterie 4 durchgeführt. In
diesem Verfahren wird heißes Wasser in dem oberen Abschnitt
des Behälters 3 durch Betreiben der Pumpe 9 durch
den Wasserdurchgang 4b' in der Batterie 4 zirkuliert
und wird an den oberen Abschnitt des Behälters 3 zurück
geführt. Das Wasser, das die Batterie 4 wärmt,
wird durch die folgenden Durchgänge zirkuliert: das erste
Temperatursteuerleitungsrohr 36, den Wasserdurchgang 4b' in
der Batterie 4, das zweite Temperatursteuerleitungsrohr 37,
das Schaltventil 8A, die Pumpe 9, das Schaltventil 10A,
die Wärmepumpeneinheit 1 und den Zirkulationskreis 30.
Die Schaltventile 8A, 10A werden gesteuert, um die
vorstehend beschriebenen Wasserdurchgänge zu realisieren.
Die Batterie 4 wird durch das heiße Wasser, das
durch den Wasserdurchgang 4b' in der Batterie 4 strömt,
aufgewärmt.
-
Die
Temperatur der Batterie 4 in der fünften Ausführungsform
wird von dem in dem Behälter 3 zurück
gehaltenen Wasser ohne Verwendung des Wärmetauschers 7 gesteuert
(gekühlt oder geheizt). Daher kann das System kompakt gemacht
werden.
-
Eine
sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
unter Bezug auf 15 beschrieben. In dieser Ausführungsform
sind Schaltventile 12 und 16 zu der fünften
Ausführungsform hinzugefügt. Das Schaltventil 12 leitet
Rückführungsdurchgänge des Wassers entweder
zu dem mittleren Abschnitt oder zu dem oberen Abschnitt des Behälters 3.
Wenn die von dem Temperatursensor 21 erfasste Wassertemperatur
auf einer Zwischentemperatur (z. B. 30–60°C) ist,
wird das Wasser zu dem Rückführungsleitungsrohr 31 zurück
geführt. Wenn die Wassertemperatur auf einer hohen Temperatur (z.
B. höher als 60°C) ist, wird das Wasser durch
den Zirkulationskreis 30 zu dem oberen Abschnitt des Behälters 3 zurück
geführt.
-
Das
Schaltventil 16 leitet in dem Kühlbetrieb der
Batterie 4 das aus dem Wasserdurchgang 4b' in der
Batterie 4 strömende Wasser entsprechend der von
dem Temperatursensor 23 erfassten Wassertemperatur entweder
so, dass es durch das Leitungsrohr 36 zu dem oberen Abschnitt
oder durch ein mittleres Leitungsrohr 38 zum dem mittleren
Abschnitt des Behälters 3 zurückkehrt.
Das Schaltventil 16 leitet in dem Heizbetrieb der Batterie 4 auch
das von dem Behälter 3 gelieferte Wasser entweder
von dem mittleren Abschnitt durch das mittlere Leitungsrohr 38 oder von
dem oberen Abschnitt durch das Leitungsrohr 36.
-
Der
Strömungsdurchgang des Wassers in dem Verfahren zum Kühlen
der Batterie 4 ist mit durchgezogenen Pfeilen gezeigt.
Das kalte Wasser in dem unteren Abschnitt des Behälters 3 wird
durch den Betrieb der Pumpe 9 entnommen und durch das Leitungsrohr 36 an
den unteren Abschnitt der Batterie 4 geliefert. Das durch
den Wasserdurchgang 4b' strömende kalte Wasser
kühlt die Batterie 4 ab und kehrt zu dem Behälter 3 zurück.
Wenn die von dem Temperatursensor 23 erfasste Wassertemperatur
auf der Zwischentemperatur (30–60°C) ist, kehrt
das Wasser durch das mittlere Leitungsrohr 38 zu dem mittleren
Abschnitt des Behälters zurück. Wenn die Wassertemperatur
höher als 60°C ist, kehrt das Wasser durch das
Leitungsrohr 36 zu dem oberen Abschnitt des Behälters 3 zurück.
Die Schaltventile 8A, 10A und 16 werden
von der Systemsteuerung 100 gesteuert, um die vorstehend
beschriebenen Wasserdurchgänge zu realisieren. Das Wasser
in dem Behälter 3 wird zirkuliert, um keine Schichten
mit jeweiligen Temperaturen in dem Behälter 3 zu
stören. Auf diese Weise wird die latente Wärme
des Wassers wirksam genutzt.
-
Der
Strömungsdurchgang des Wassers in dem Verfahren zum Heizen
der Batterie 4 ist mit gestrichelten Pfeilen gezeigt. Wenn
die Temperatur der Batterie 4 beträchtlich niedriger
als die unterste Höhe des vorbestimmten Temperaturbereichs
ist, muss die Batterietemperatur schnell erhöht werden.
Das heiße Wasser in dem oberen Abschnitt des Behälters 3 wird durch
den Betrieb der Pumpe 9 zu dem oberen Abschnitt der Batterie
befördert. Die Batterie 4 wird durch das heiße
Wasser, das durch den Durchgang 4b' strömt, aufgewärmt.
Das Wasser, das die Batterie 4 aufgewärmt hat,
strömt aus dem unteren Abschnitt der Batterie 4 und
kehrt entsprechend der Temperatur des Rückführungswassers
entweder zu dem mittleren Abschnitt oder dem oberen Abschnitt des
Behälters 3 zurück. Die Schaltventile 16, 8A, 10A und 12 werden
gesteuert, um die vorstehend beschriebenen Wasserdurchgänge
zu realisieren. Wenn die Batterietemperatur ein wenig niedriger
als die unterste Höhe des vorbestimmten Bereichs ist, ist
es ausreichend, die Batterie 4 mit dem heißen
Wasser auf eine Zwischentemperatur aufzuwärmen. In diesem Fall
wird das Wasser aus dem Zwischenabschnitt des Behälters 3 entnommen.
Nach dem Heizen der Batterie 4 kehrt das Wasser durch den
Rückführungsdurchgang 31 zu dem Zwischenabschnitt
des Behälters 3 zurück. Die Schaltventile 16, 8A, 10A und 12 werden
gesteuert, um die vorstehend beschriebenen Wasserdurchgänge
zu realisieren.
-
Eine
siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 16 gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist eine Batterie 4a,
die aus mehreren Batteriepackungen 4a zusammengesetzt ist, über
dem Behälter 3 positioniert, und der zweite Zirkulationsdurchgang 34 ist
mit einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt der Batterie 4A verbunden. Jede
der flachen Batteriepackungen 4a ist vertikal positioniert.
Daher strömt das Sekundärfluid in der vertikalen
Richtung durch den Durchgang 4b, um wirksam Wärme
mit jeder der Batteriepackungen 4a auszutauschen. Andere
Strukturen sind die gleichen wie die der ersten Ausführungsform.
Da die Batterie 4A in dieser siebten Ausführungsform über
dem Behälter 3 positioniert ist, wird erwartet,
dass die von dem Behälter 3 abgestrahlte Wärme
genutzt wird, um die Batterie 4A aufzuwärmen.
-
Eine
achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 17 gezeigt.
In dieser Ausführungsform sind die Leitungsrohre 31, 32,
die in der siebten Ausführungsform mit dem Zwischenabschnitt des
Behälters 3 verbunden sind, entfernt. Entsprechend
der Entfernung des Leitungsrohrs 31 ist das in der siebten
Ausführungsform verwendete Schaltventil 12 ebenfalls
entfernt. Stattdessen ist ein oberes Auslassleitungsrohr 32A mit
dem oberen Abschnitt des Behälters 3 verbunden.
Andere Strukturen sind die gleichen wie die der siebten Ausführungsform.
In dem Verfahren zum Heizen der Batterie 4 und/oder der
Leistungssteuerung 6 wird das Heizen schnell durchgeführt,
weil das Wasser aus dem oberen Abschnitt des Behälters 3 entnommen
wird. Abgesehen davon, dass die Batterie 4A über
dem Behälter 3 positioniert ist, werden in dieser
achten Ausführungsform auch ähnliche Vorteile
wie die der zweiten Ausführungsform erzielt.
-
Eine
neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 18 gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist die Leistungssteuerung 6 von
der siebten Ausführungsform entfernt. Entsprechend der
Entfernung der Leistungssteuerung 6 sind das Leitungsrohr 35 und
die Schaltventile 13, 15 entfernt. Abgesehen davon,
dass die Leistungssteuerung 6 in dieser Ausführungsform
nicht enthalten ist, werden in dieser Ausführungsform ähnliche
Vorteile wie in der siebten Ausführungsform erzielt. Abgesehen
davon, dass die Batterie 4A in dieser Ausführungsform über
dem Behälter 3 positioniert ist, werden in dieser
Ausführungsform ferner ähnliche Funktionen wie
in der vierten Ausführungsform durchgeführt.
-
Eine
zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 19 gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist die Leistungssteuerung 6 von
der achten Ausführungsform entfernt. Entsprechend der Entfernung
der Leistungssteuerung 6 sind auch das Leitungsrohr 35,
die Schaltventile 13, 15 entfernt. Abgesehen davon,
dass in dieser Ausführungsform die Leistungssteuerung 6 entfernt
ist, werden in dieser Ausführungsform ähnliche
Funktionen wie in der achten Ausführungsform durchgeführt.
Abgesehen davon, dass die Batterie 4A in dieser Ausführungsform über
dem Behälter 3 positioniert ist, werden in dieser Ausführungsform
ferner ähnliche Vorteile wie in der dritten Ausführungsform
erzielt.
-
Eine
elfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 20 gezeigt.
In dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscher 7 von
der neunten Ausführungsform entfernt. Entsprechend der
Entfernung des Wärmetauschers 7 wird die Temperatur
der Batterie 4A direkt durch das in dem Behälter 3 zurückgehaltene
Wasser gesteuert. Abgesehen davon, dass die Batterie 4A in
dieser Ausführungsform über dem Behälter 3 positioniert
ist, werden in dieser Ausführungsform ferner ähnliche
Vorteile wie in der sechsten Ausführungsform erzielt.
-
Eine
zwölfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist in 21 gezeigt. In dieser Ausführungsform
ist der Wärmetauscher 7 von der zehnten Ausführungsform
entfernt. Entsprechend der Entfernung des Wärmetauschers 7 wird
die Temperatur der Batterie 4A direkt durch das in dem
Behälter 3 zurückgehaltene Wasser gesteuert.
Abgesehen davon, dass die Batterie 4A in dieser Ausführungsform über dem
Behälter 3 positioniert ist, werden in dieser
Ausführungsform ferner ähnliche Vorteile wie in
der fünften Ausführungsform erzielt.
-
Eine
dreizehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
in 22 gezeigt. In dieser Ausführungsform
ist ein Zusatzwärmetauscher 39 zu der ersten Ausführungsform
hinzugefügt. Der Zusatzwärmetauscher 39 ist
aus einem ersten Durchgang 39a, der in dem Zirkulationskreis 30 zwischen den
beiden Schaltventilen 11, 12 angeordnet ist, und einem
zweiten Durchgang 39b, der in dem zweiten Zirkulationsdurchgang 34 zwischen
dem Wärmetauscher 7 und dem Schaltventil 13 angeordnet
ist, zusammengesetzt. Wärme wird zwischen Wasser, das durch
den ersten Durchgang 39a strömt, und dem Sekundärfluid
(der Salzlösung), das durch den zweiten Durchgang 39b strömt,
ausgetauscht.
-
Wärme
von dem Sekundärfluid, das in dem zweiten Zirkulationskreis 34 strömt,
wird mit Hilfe des Zusatzwärmetauschers 39 an
das Wasser abgegeben, bevor es in den Behälter 3 eintritt.
Daher wird das Wasser durch das Sekundärfluid, das in dem zweiten
Zirkulationskreis 34 zirkuliert, geheizt, wenn das Batterieladen
gleichzeitig mit dem Heizen des Wassers durchgeführt wird.
Folglich unterstützt der Zusatzwärmetauscher 39 die
Wärmepumpeneinheit 1 zum Heizen des Wassers, wobei
Energie zum Heizen des Wassers gespart wird.
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in
vielfältiger Weise modifiziert werden. Zum Beispiel ist
das in der Wärmepumpeneinheit 1 verwendete Kältemittel
nicht auf Kohlendioxid beschränkt. Andere Kältemittel,
wie etwa Flon, können verwendet werden. Obwohl in dem Wärmepumpenkreislauf
in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der überkritische
Kältemitteldruck verwendet wird, kann der Wärmepumpenkreislauf
unter einem Kältemitteldruck verwendet werden, der niedriger
als der kritische Druck ist. In den ersten bis sechsten und der
dreizehnten Ausführungsform ist es möglich, flache
Batteriepackungen 4a entlang der Strömungsrichtung
des durch den Durchgang 4b strömenden Fluids zu
positionieren, um einen besseren Wärmeaustausch zwischen
den Batteriepackungen 4a und dem Fluid zu erzielen.
-
Obwohl
die Temperatur der Leistungssteuerung 6 durch das Sekundärfluid
gesteuert wird, das in einigen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
durch den Wärmetauscher 7 strömt, ist
es auch möglich, die Temperatur der Leistungssteuerung 6 zu
steuern, indem Wasser direkt in die Durchgänge 6a in
der Leistungssteuerung 6 geliefert wird. Es ist auch möglich,
die Steuerung der Temperatur der Batterie 4 und/oder der
Leistungssteuerung 6 eine gewisse Zeit, bevor das Heizen
des Wassers tatsächlich benötigt wird, zu starten,
um ihre Temperatur in einen vorbestimmten Bereich zu bringen. Eine
derartige gewisse Zeit kann basierend auf der Zeit, die benötigt
wird, um die Batterie 4 vollständig zu laden, der
Umgebungstemperatur und/oder der Temperatur, die von einem Temperatursensor
erfasst wird, der sich an einem unteren Abschnitt der Sensoreinheit 20 befindet,
berechnet werden. Obwohl die Batterietemperatur in den vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen durch das Wasser gesteuert
wird, das in dem Behälter 3 zurückgehalten
wird, ist es möglich, die Batterietemperatur durch Luft,
die den Verdampfer in der Wärmepumpeneinheit 1 durchläuft,
zu steuern.
-
Ein
Mischventil, das kaltes Wasser in dem unteren Abschnitt des Behälters 3 und
heißes oder Wasser mit einer Zwischentemperatur in dem
oberen oder Zwischenabschnitt des Behälters 3 vermischt, kann
anstelle des Schaltventils 8 verwendet werden. Ein Mischungsverhältnis
des heißen Wassers und des kalten Wassers wird entsprechend
der von dem Temperatursensor 22 erfassten Wassertemperatur gesteuert.
-
Während
die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die vorangehenden bevorzugten
Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird für Fachleute
der Technik offensichtlich, dass Änderungen in der Form
und im Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom
Bereich der Erfindung, wie in den beigefügten Patentansprüchen
definiert, abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2005-164124
A [0002]