DE102016010254A1

DE102016010254A1 - Wärmepumpenvorrichtung

Info

Publication number: DE102016010254A1
Application number: DE102016010254.3A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Golüke; Nikolaj Merkl; Michael Schaumlöffel
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung (1), die einen Kältemittelkreislauf (10) mit einem Verdampfer (12), einem drehzahlregelbaren Verdichter (16), einem Verflüssiger (14), der mit einem Sekundärkreislauf (30), insbesondere einem Heizungs- und/oder Brauchwassersystem, gekoppelt ist, einem Expansionsventil (18) und einer Leistungselektronikeinheit (15), aufweist. Die Wärmepumpenvorrichtung (1) weist ferner eine Leistungselektronikkühleinheit (20) zum Kühlen der Leistungselektronikeinheit (15) und ein Mengenregulierventil (24) zum Regeln des Volumenstroms (36) durch ein Wärmeaustauschelement (22) der Leistungselektronikkühleinheit (20) auf, wobei eine Steuerung (50) der Wärmepumpenvorrichtung (1) eingerichtet ist, das Mengenregulierventil (24) zu schließen, solange eine Temperatur der Leistungselektronikeinheit (15) einen bestimmten Schwellwert unterschreitet. Die Wärmepumpenvorrichtung (1) und ein zugehöriges Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenvorrichtung (1) stellen eine verbesserte Kühlung der Leistungselektronikeinheit (15) bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Wärmepumpenvorrichtung, die einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer, einem drehzahlregelbaren Verdichter, einem Verflüssiger, der mit einem Sekundärkreislauf, insbesondere einem Heizungs- und/oder Brauchwassersystem, gekoppelt ist, einem Expansionsventil und einer Leistungselektronikeinheit, aufweist. Die Wärmepumpenvorrichtung weist ferner eine Leistungselektronikkühleinheit zum Kühlen der Leistungselektronikeinheit auf.
Es ist bekannt, Verdichter von Wärmepumpenvorrichtungen drehzahlregelbar auszugestalten, um die Drehzahl des Verdichters an die benötigte Heizleistung anzupassen. Dies ist vorteilhaft im Hinblick auf eine verbesserte Effizienz. Die Regelung der Drehzahl des Verdichters erfolgt mittels der Leistungselektronikeinheit, die sich im Betrieb aufgrund ihrer Verlustleistung erwärmt und durch die Leistungselektronikkühleinheit gekühlt werden muss. Die Kühlung der Leistungselektronikeinheit ist Voraussetzung für einen langen und sicheren Betrieb der Wärmepumpenvorrichtung.
Verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen zur Kühlung von Leistungselektronikeinheiten weisen unterschiedliche Nachteile auf.
Bei einer Luftkühlung wird die Verlustleistung der Leistungselektronikeinheit in die Umwelt abgegeben, kann somit nicht als Energie im Heizkreis nutzbar gemacht werden und verringert dadurch den Gesamtwirkungsgrad der Wärmepumpenvorrichtung.
Alternativ ist bekannt, eine Kühlung der Leistungselektronikeinheit mittels eines Abschnittes des Kältemittelkreislaufs umzusetzen, wodurch die Verlustleistung der Wärmepumpenvorrichtung nicht verlorengeht. Wenn der Abschnitt des Kältemittelkreislaufs auf dem niedrigeren Druckniveau des Verdampfers liegt, kann die Verlustleistung nicht direkt in den Sekundärkreislauf bzw. Heizkreis abgegeben werden. Außerdem ist das Temperaturniveau sehr niedrig, so dass Betauung an der Elektronik möglich ist. Wenn der Abschnitt des Kältemittelkreislaufs auf dem hohen Druckniveau des Verflüssigers liegt kann die Verlustleistung auf der Heißgasseite nicht direkt in den Heizkreis eingekoppelt werden. Außerdem ist das Temperaturniveau unter Umständen so hoch, dass eine ausreichende Kühlung nicht mehr möglich ist. In Fließrichtung des Kältemittels kann die Verlustleistung dann nur mit einem separaten, in Reihe geschalteten Wärmeaustauscher in den Heizkreis eingekoppelt werden, wobei die Wärmeabgabe nicht regelbar ist.
Diese Unannehmlichkeiten werden vermieden, wenn die Kühlung der Leistungselektronikeinheit durch direkten Wärmeaustausch mit dem Sekundärkreislauf bzw. Heizkreis erfolgt. Insbesondere kann die Leistungselektronikeinheit mit einem im Heizkreis bereitgestellten Wärmeaustauscher, der in Reihe mit dem Verflüssiger geschaltet ist, gekühlt werden. Hierbei kann es jedoch, insbesondere im Kühlbetrieb, wenn die Wärmepumpenvorrichtung zum Kühlen verwendet wird, zur Betauung der Leistungselektronikeinheit kommen, da der Leistungselektronikeinheit durch den Volumenstrom zu stark abgekühlt wird. Betauung hat negative Folgen für die Funktion und Lebensdauer der Leistungselektronikeinheit und ist somit zu vermeiden.
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmepumpenvorrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenvorrichtung mit verbesserter Kühlung der Leistungselektronikeinheit bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 5 gelöst.
In einem Aspekt wird eine Wärmepumpenvorrichtung bereitgestellt, die (i) einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer, einem drehzahlregelbaren Verdichter, einem Verflüssiger, der mit einem Sekundärkreislauf, insbesondere einem Heizungs- und/oder Brauchwassersystem gekoppelt ist, einem Expansionsventil und einer Leistungselektronikeinheit, wobei die Leistungselektronikeinheit zum Regeln der Drehzahl des Verdichters eingerichtet ist, (ii) eine Leistungselektronikkühleinheit mit einem Wärmeaustauschelement, das parallel zu einem Hauptvolumenstrom in dem Sekundärkreislauf angeordnet ist und in thermischem Kontakt mit der Leistungselektronikeinheit steht, und einem Mengenregulierventil zum Regeln des Volumenstroms durch das Wärmeaustauschelement der Leistungselektronikkühleinheit, und (iii) eine Steuerung zum Steuern der Wärmepumpenvorrichtung, insbesondere zum Steuern des Mengenregulierventils, aufweist. Die Wärmepumpenvorrichtung weist ferner einen Temperatursensor zum Bestimmen einer Temperatur der Leistungselektronikeinheit auf. Die Steuerung ist eingerichtet, das Mengenregulierventil zu schließen, solange die Temperatur der Leistungselektronikeinheit einen bestimmten Schwellwert unterschreitet.
Der Hauptvolumenstrom des Sekundärkreislaufs ist der Volumenstrom, der den Verflüssiger durchströmt. Indem die Leistungselektronikkühleinheit parallel zu dem Hauptvolumenstrom angeordnet ist, wird der Volumenstrom zwischen einem Hauptvolumenstrom durch den Verflüssiger und einem Volumenstrom durch die Leistungselektronikkühleinheit aufgeteilt. Durch den aufgeteilten Volumenstrom kann die Kühlleistung reduziert werden ohne den Hauptvolumenstrom signifikant zu verändern.
Vorzugsweise kann das Mengenregulierventil eingerichtet sein zu steuern, welcher Volumenstrom durch die Leistungselektronikkühleinheit strömt. Das Mengenregulierventil kann ein Ventil mit zwei Zuständen, offen und geschlossen, oder mit einem oder mehreren Zwischenzuständen sein. In anderen Ausführungsformen sind stufenlose Mengenregulierventile vorgesehen.
Indem die Steuerung das Mengenregulierventil schließt, solange die Temperatur der Leistungselektronikeinheit einen bestimmten Schwellwert unterschreitet, findet in diesem Zeitraum keine aktive Kühlung statt.
In einer Ausführungsform verhindert das geschlossene Mengenregulierventil einen Fluidstrom durch das Wärmeaustauschelement. In einer anderen Ausführungsform verringert das geschlossene Mengenregulierventil den Fluidstrom derart, dass keine bzw. keine nennenswerte Kühlwirkung der Leistungselektronikeinheit folgt.
In einer Ausführungsform ist die Steuerung eingerichtet, zu Beginn eines Kühlbetriebs der Wärmepumpenvorrichtung das Mengenregulierventil zu schließen und erst zu öffnen, wenn die Temperatur der Leistungselektronikeinheit den bestimmten Schwellwert erreicht. Damit kann Kondensationsbildung insbesondere nach einem Beginn eines Kühlbetriebs vermieden werden.
In einer Ausführungsform beträgt der bestimmte Schwellwert etwa 40°C. Gerade in warmen Umgebungen, bei denen die Raumtemperatur und auch die Temperatur der die Leistungselektronikeinheit umgebenden Luft bei 30°C und darüber liegt, bietet dieser Schwellwert einen ausreichenden Puffer, wonach eine Kühlung nicht unmittelbar dazu führt, dass die Temperatur der Leistungselektronikeinheit unter das Umgebungsniveau fällt. Insbesondere wenn die Temperatur der Leistungselektronikeinheit verglichen mit der die Leistungselektronikeinheit umgebenden Luft niedrig ist, d. h. die Leistungselektronikeinheit durch Kühlung rasch auf eine Temperatur unterhalb der umgebenden Luft absinkt, besteht die Gefahr der Kondensatbildung an der Leistungselektronikeinheit.
In anderen Ausführungsformen kann der bestimmte Schwellwert auch höher oder niedriger sein. Ein höherer Schwellwert wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn dieser höhere Wert für die Leistungselektronikeinheit unkritisch ist, also nicht zu Beschädigungen führt. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Schwellwert durch einen Benutzer einstellbar und/oder von der Temperatur der umgebenden Luft abhängig.
Typischerweise befindet sich die Flüssigkeit in dem Sekundärsystem in dem Fall, in dem das Sekundärsystem zur Kühlung eingesetzt wird, in einem Bereich um 20°C. Eine hohe Umgebungstemperatur, beispielsweise im Bereich von über 30°C, bietet eine hohe Kapazität der Luft für Feuchte, die bei Abkühlung der Luft nicht gehalten werden kann und sich dann als Kondensat niederschlägt. Ebenfalls typischerweise liegt die Temperatur der Raumluft einige Grad unter der Luft, welche die Leistungselektronikeinheit umgibt.
In einer Ausführungsform ist die Steuerung eingerichtet, das Mengenregulierventil basierend auf der Temperatur der Leistungselektronikeinheit zu öffnen bzw. zu schließen. Vorzugsweise ist die Steuerung eingerichtet, das Mengenregulierventil partiell, d. h. in Stufen oder auch stufenlos, zu öffnen bzw. zu schließen. Je nach Temperatur der Leistungselektronikeinheit kann somit eine passende Menge an Kühlung bzw. Leistung zur Kühlung bereitgestellt werden, indem der Volumenstrom durch die Leistungselektronikkühleinheit angepasst wird, ohne dass durch zu viel bereitgestellte Kühlungsenergie die Gefahr von Kondensatbildung besteht.
In einer Ausführungsform ist die Steuerung eingerichtet, das Mengenregulierventil derart zu steuern, dass die Temperatur der Leistungselektronikeinheit eine Umgebungstemperatur nicht unterschreitet. Somit kann verhindert werden, dass es dadurch, dass die Temperatur der Leistungselektronikeinheit unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, zu Kondensation an der Leistungselektronik kommt.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenvorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: (i) Bestimmen einer Temperatur einer Leistungselektronikeinheit zum Regeln eines drehzahlregelbaren Verdichters, und (ii) Schließen eines Mengenregulierventils zum Regeln eines Volumenstroms durch ein Wärmeaustauschelement einer Leistungselektronikkühleinheit, um der Leistungselektronikeinheit keinen Kühlstrom bereitzustellen, solange die Temperatur der Leistungselektronikeinheit einen bestimmten Schwellwert unterschreitet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die gleichen Vorteile wie mit der erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung erreicht werden. Insbesondere wird eine Kondensatbildung dadurch vermieden, dass der Leistungselektronikeinheit ein geringer oder kein Kühlvolumenstrom bereitgestellt wird, wenn die Temperatur unterhalb des bestimmten Schwellwertes ist.
Der bestimmte Schwellwert kann voreingestellt sein, beispielsweise von einem Hersteller der Wärmepumpenvorrichtung oder von einem Installateur. Alternativ kann der bestimmte Schwellwert von einem Benutzer vorgegeben oder festgelegt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der bestimmte Schwellwert auch von Umgebungsbedingungen, wie insbesondere einer Umgebungstemperatur und/oder einer Luftfeuchtigkeit der umgebenden Luft bestimmt sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter ein Öffnen des Mengenregulierventils, um der Leistungselektronikeinheit einen Kühlstrom bereitzustellen, wenn die Temperatur der Leistungselektronikeinheit einen bestimmten Schwellwert erreicht.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter ein Schließen des Mengenregulierventils bei Inbetriebnahme der Wärmepumpenvorrichtung in einem Kühlmodus.
Weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt schematisch und exemplarisch ein Blockschaltbild einer Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt schematische und exemplarisch ein Blockschaltbild einer Wärmepumpenvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Wärmepumpenvorrichtung 1 umfasst einen Kältemittelkreislauf 10. Der Kältemittelkreislauf 10 umfasst einen Verdampfer 12, auch als Außenwärmetauscher bezeichnet, zur Gewinnung von Umweltwärme, insbesondere aus Luft- und/oder Wasser, auf einem niedrigen Temperaturniveau, und einen Verflüssiger 14. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Verdampfer 12 mit einem Erdwärmekreis 40 gekoppelt, wobei eine Pumpe 44 Wasser durch einen tiefer gelegenen Punkt 42 pumpt, um Erdwärme aufzunehmen. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist anstelle des Erdwärmekreises 40 Außenluft oder ein anderer bekannter Umweltwärmeträger mit dem Verdampfer 12 gekoppelt. Der Verflüssiger 14, auch als Innenwärmetauscher bekannt, ist zur Abgabe von Energie mit einem Sekundärkreislauf 30, insbesondere einem Heizungs- oder Warmwassersystem, gekoppelt.
Der Kältemittelkreislauf 10 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ferner ein 4/2-Wegeventil 11 zur Steuerung der Betriebsrichtung des Kältemittelkreislaufs 10 als Heiz- bzw. Kühlkreislauf, einen drehzahlregelbaren Verdichter 16, dessen Drehzahl von einer Leistungselektronikeinheit 15, insbesondere einem Inverter, geregelt wird, und ein motorgesteuertes Expansionsventil 18. Zwischen den einzelnen Elementen strömt ein Kältemittel.
Die Leistungselektronikeinheit 15 produziert im Betrieb Abwärme, die von einer Leistungselektronikkühleinheit 20, die ein Wärmeaustauschelement 22 aufweist, abgeleitet wird.
Der Sekundärkreislauf 30 ist in diesem Fall ein Heizkreis mit Heizungsvorlauf HL und Heizungsnachlauf NL, wobei eine Pumpe 32 Kühlwasser durch den Sekundärkreislauf 30 pumpt. Zu einem Hauptvolumenstrom 34, der durch den Verflüssiger 14 strömt, wird ein erster Volumenstrom 36 parallel ausgelegt, der durch die Leistungselektronikkühleinheit 20 beziehungsweise das Wärmeaustauschelement 22 strömt. Ein verbleibender Volumenstrom 38 strömt nicht durch die Leistungselektronikkühleinheit 20. Der erste Volumenstrom 36 wird von einem Mengenregulierventil 24 geregelt, das in diesem Ausführungsbeispiel motorgesteuert ist und von einer Steuerung 50 gesteuert wird.
Die Wärmepumpenvorrichtung 1 weist ferner in diesem Beispiel drei Temperatursensoren 52, 54 und 56 auf, die die Temperatur der Leistungselektronikeinheit 15, des Heizungsvorlaufs VL beziehungsweise des Heizungsrücklauf RL bestimmen. Die Steuerung 50 erhält die Signale von den Temperatursensoren 52, 54 und 56 und kann die Wärmepumpenvorrichtung 1 in Abhängigkeit von den erfassten Temperaturwerten steuern, insbesondere das Mengenregulierventil 24 schließen, wenn der Temperatursensor 52 eine Temperatur der Leistungselektronikeinheit 15 bestimmt, die einen bestimmten Schwellwert unterschreitet. Damit wird eine Kondensation an der Leistungselektronikeinheit 15 und eine mögliche Beschädigung der Elektronik vermieden.
Somit wird durch die vorliegende Erfindung eine Wärmepumpenvorrichtung 1 bereitgestellt, die einen Kältemittelkreislauf 10 mit einem Verdampfer 12, einem drehzahlregelbaren Verdichter 16, einem Verflüssiger 14, der mit einem Sekundärkreislauf 30, insbesondere einem Heizungs- und/oder Brauchwassersystem, gekoppelt ist, einem Expansionsventil 18 und einer Leistungselektronikeinheit 15, aufweist. Die Wärmepumpenvorrichtung 1 weist ferner eine Leistungselektronikkühleinheit 20 zum Kühlen der Leistungselektronikeinheit 15 und ein Mengenregulierventil 24 zum Regeln des Volumenstroms 36 durch ein Wärmeaustauschelement 22 der Leistungselektronikkühleinheit 20 auf, wobei eine Steuerung 50 der Wärmepumpenvorrichtung 1 eingerichtet ist, das Mengenregulierventil 24 zu schließen, solange eine Temperatur der Leistungselektronikeinheit 15 einen bestimmten Schwellwert unterschreitet. Die Wärmepumpenvorrichtung 1 und ein zugehöriges Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenvorrichtung 1 stellen eine verbesserte Kühlung der Leistungselektronikeinheit 15 bereit.

Claims

Wärmepumpenvorrichtung (1), die aufweist: – einen Kältemittelkreislauf (10) mit einem Verdampfer (12), einem Verflüssiger (14), der mit einem Sekundärkreislauf (30), insbesondere einem Heizungs- und/oder Brauchwassersystem, gekoppelt ist, einem drehzahlregelbaren Verdichter (16), einem Expansionsventil (18) und einer Leistungselektronikeinheit (15), wobei die Leistungselektronikeinheit (15) zum Regeln der Drehzahl des Verdichters (16) eingerichtet ist, – eine Leistungselektronikkühleinheit (20) mit einem Wärmeaustauschelement (22), das parallel zu einem Hauptvolumenstrom (34) in dem Sekundärkreislauf (30) angeordnet ist und in thermischem Kontakt mit der Leistungselektronikeinheit (15) steht, und einem Mengenregulierventil (24) zum Regeln des Volumenstroms (36) durch das Wärmeaustauschelement (22) der Leistungselektronikkühleinheit (20), und – eine Steuerung (50) zum Steuern der Wärmepumpenvorrichtung (1), insbesondere zum Steuern des Mengenregulierventils (24), wobei die Wärmepumpenvorrichtung (1) ferner einen Temperatursensor (52) zum Bestimmen einer Temperatur der Leistungselektronikeinheit (15) aufweist, wobei die Steuerung (50) eingerichtet ist, das Mengenregulierventil (24) zu schließen, solange die Temperatur der Leistungselektronikeinheit (15) einen bestimmten Schwellwert unterschreitet.
Wärmepumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das geschlossene Mengenregulierventil (24) eingerichtet ist, einen Fluidstrom durch das Wärmeaustauschelement (22) zu verhindern.
Wärmepumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung (50) eingerichtet ist, zu Beginn eines Kühlbetriebs der Wärmepumpenvorrichtung (1) das Mengenregulierventil (24) zu schließen und erst zu öffnen, wenn die Temperatur der Leistungselektronikeinheit (15) den bestimmten Schwellwert erreicht.
Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der bestimmte Schwellwert etwa 40°C beträgt.
Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (50) eingerichtet ist, das Mengenregulierventil (24) basierend auf der Temperatur der Leistungselektronikeinheit (15) zu öffnen beziehungsweise zu schließen.
Wärmepumpenvorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (50) eingerichtet ist, das Mengenregulierventil (24) derart zu steuern, dass die Temperatur der Leistungselektronikeinheit (15) eine Umgebungstemperatur nicht unterschreitet.
Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenvorrichtung (1), insbesondere einer Wärmepumpenvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend – Bestimmen einer Temperatur einer Leistungselektronikeinheit (15) zum Regeln eines drehzahlregelbaren Verdichters (16), – Schließen eines Mengenregulierventils (24) zum Regeln eines Volumenstroms (36) durch ein Wärmeaustauschelement (22) einer Leistungselektronikkühleinheit (20), um der Leistungselektronikeinheit (15) keinen Kühlstrom bereitzustellen, solange die Temperatur der Leistungselektronikeinheit (15) einen bestimmten Schwellwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 7, das weiter umfasst – Öffnen des Mengenregulierventils (24), um der Leistungselektronikeinheit (15) einen Kühlstrom bereitzustellen, wenn die Temperatur der Leistungselektronikeinheit (15) einen bestimmten Schwellwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, das weiter umfasst: – Schließen des Mengenregulierventils (24) bei Inbetriebnahme der Wärmepumpenvorrichtung (1) in einem Kühlmodus.