DE10246004B4

DE10246004B4 - Überkritisches Kühlkreislaufsystem und dieses verwendender Warmwasserbereiter

Info

Publication number: DE10246004B4
Application number: DE10246004.3A
Authority: DE
Inventors: Hisayoshi Sakakibara
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-10-03
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: US7076964B2; US20030061827A1; DE10246004A1

Abstract

Überkritisches Kühlkreislaufsystem, mit einem Kühlmittelkompressor (3) zum Komprimieren eines Kühlmittels auf einen Druck gleich einem oder größer als ein kritischer Druck des Kühlmittels; einem heizenden Wärmetauscher (4) zum Erwärmen eines Fluids durch Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und dem aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittel; einem Kühlmittelverdampfapparat (7) zum Verdampfen des Kühlmittels; einem inneren Wärmetauscher (5) zum Wärmeaustausch zwischen dem aus dem heizenden Wärmetauscher strömenden Kühlmittel und dem von dem Kühlmittelverdampfapparat zu dem Kühlmittelkompressor strömenden Kühlmittel; und einem Dekompressionsventil (6) zum Dekomprimieren des Kühlmittels aus dem inneren Wärmetauscher und zum Zuleiten des dekomprimierten Kühlmittels zu dem Kühlmittelverdampfapparat; dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (10) vorgesehen ist, welche einen Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils zum Steuern eines Drucks eines Kühlmittels auf der Hochdruckseite vor der Dekomprimierung derart steuert, dass eine Differenz (TKout – TWin) zwischen einer Kühlmittelauslasstemperatur (TKout) und einer Fluideinlasstemperatur (Twin) in dem heizenden Wärmetauscher in einem vorgegebenen Temperaturbereich (Y) eingestellt ist; wobei der innere Wärmetauscher einen ersten Kühlmittel-Wärmetauschteil (13), der zwischen einem Auslass des heizenden Wärmetauschers und dem Dekompressionsventil angeordnet ist, und einen zweiten Kühlmittel-Wärmetauschteil (14), der zwischen einem Auslass des Kühlmittelverdampfapparats und einem Sauganschluss des Kühlmittelkompressors angeordnet ist, enthält, wobei das System weiter aufweist: eine erste Kühlmitteltemperatur-Erfassungseinrichtung (25) zum Erfassen einer Einlasstemperatur (TWin) des in den zweiten Kühlmittel-Wärmetauschteil des inneren Wärmetauschers strömenden Kühlmittels; ...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein überkritisches Kühlkreislaufsystem, in dem der Druck eines aus einem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels höher als der kritische Druck des Kühlmittels ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Verbesserung der Wärmetauschleistung in einem Wärmepumpen-Warmwasserbereiter mit einem Wasserkühlmittel-Wärmetauscher, bei dem zu verwendendes Wasser durch einen Wärmeaustausch mit dem aus dem Kühlmittelkompressor an der Hochdruckseite ausgegebenen Kühlmittel erwärmt wird.
Derartige Kühlkreislaufsysteme sind beispielsweise in DE 689 08 181 T2 , DE 199 55 339 A1 oder JP 2001-082803 A beschrieben.
Beschreibung des Standes der Technik
Wie in der JP-A-2001-82803 offenbart, enthält ein herkömmlicher Wärmepumpen-Warmwasserbereiter einen Wasserkühlmittel-Wärmetauscher zum Heizen von zu verwendendem Wasser durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Wasser und einem aus einem Kühlmittelkompressor an der Hochdruckseite ausgegebenem Kühlmittel. Als Wärmequelleneinheit zum Heizen des Wassers wird ein überkritischer Wärmepumpenkreislauf verwendet. In dem überkritischen Wärmepumpenkreislauf wird Kohlendioxid (CO₂) als Kühlmittel verwendet, und der Druck des aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels ist höher als der kritische Druck des Kühlmittels. Der überkritische Wärmepumpenkreislauf ist so konstruiert, dass das aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebene Kühlmittel durch den Wasserkühlmittel-Wärmetauscher, ein Expansionsventil, einen Kühlmittelverdampfapparat und einen Druckspeicher in dieser Reihenfolge zu dem Kühlmittelkompressor zurückgeführt wird. Es ist bekannt, dass eine Warmwasserbereitungsleistung des überkritischen Wärmepumpenkreislaufs durch Hinzufügen eines inneren Wärmetauschers verbessert wird. Der innere Wärmetauscher dient dem Wärmeaustausch zwischen dem aus dem Wasserkühlmittel-Wärmetauscher strömenden Kühlmittel und dem aus dem Kühlmittelverdampfapparat strömenden Kühlmittel.
Wenn jedoch der innere Wärmetauscher hinzugefügt wird, wird die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels unnatürlich erhöht, wodurch die Lebensdauern von Bauteilen des Wärmepumpenkreislaufs extrem verringert werden. Deshalb muss eine Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers gesteuert werden, und ein zum Steuern der Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers bestimmtes Bauteil muss hinzugefügt werden, wodurch die Herstellkosten des Wärmepumpenkreislaufs steigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des obigen Problems gemacht, und ihre Aufgabe ist es, ein überkritisches Kühlkreislaufsystem vorzusehen, das Verhindern kann, dass eine Temperatur eines aus einem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels unnatürlich ansteigt, ohne ein zum Steuern einer Wärmetauschmenge eines inneren Wärmetauschers bestimmtes Bauteil hinzuzufügen.
Diese Aufgabe wird mit einem überkritischen Kühlkreislaufsystem gemäß Anspruch 1 und Anspruch 3 gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung komprimiert in einem überkritischen Kühlkreislaufsystem ein Kühlmittelkompressor ein gasförmiges Kühlmittel auf einen Druck gleich dem oder höher als den kritischen Druck des Kühlmittels, ein heizender Wärmetauscher ist zum Heizen eines Fluids durch Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und dem aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels angeordnet, und ein innerer Wärmetauscher ist zum Wärmeaustausch zwischen einem aus dem heizenden Wärmetauscher strömenden Kühlmittel und einem zu dem Kühlmittelkompressor aus einem Kühlmittelverdampfapparat strömenden Kühlmittel angeordnet, und ein Dekompressionsventil ist zum Dekomprimieren des Kühlmittels aus dem inneren Wärmetauscher und zum Zuführen des dekomprimierten Kühlmittels zu dem Kühlmittelverdampfapparat angeordnet. In dem überkritischen Kühlkreislaufsystem steuert eine Steuerung einen Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils zum Steuern eines Drucks des Kühlmittels auf der Hochdruckseite derart, dass ein Unterschied zwischen einer Kühlmittelauslasstemperatur und einer Fluideinlasstemperatur in dem heizenden Wärmetauscher in einem vorgegebenen Temperaturbereich eingestellt wird. So wird der Druck des an der Hochdruckseite aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels durch den Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils eingestellt. Wenn ein Fluid niedriger Temperatur in den heizenden Wärmetauscher strömt, d. h. wenn die Wärmetauschkapazität des inneren Wärmetauschers nicht so groß sein muss, kann die Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers beschränkt werden. Da hier der Unterschied zwischen der Fluideinlasstemperatur und der Kühlmittelauslasstemperatur in dem heizenden Wärmetauscher in dem vorgegeben Bereich eingestellt ist, wird die Auslasstemperatur des Kühlmittels in dem heizenden Wärmetauscher niedriger. So wird ein Unterschied zwischen der Kühlmittelauslasstemperatur in dem heizenden Wärmetauscher und der Temperatur des aus dem Kühlmittelverdampfapparat strömenden Kühlmittels kleiner, wodurch die Wärmeaustauschmenge des inneren Wärmetauschers beschränkt wird.
Wenn dagegen ein Fluid hoher Temperatur in den heizenden Wärmetauscher strömt, d. h. wenn eine große Wärmetauschkapazität in dem inneren Wärmetauscher benötigt wird, wird die Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers erhöht. D. h. hier wird die Kühlmittelauslasstemperatur in dem heizenden Wärmetauscher höher, und der Unterschied zwischen der Kühlmittelauslasstemperatur in dem heizenden Wärmetauscher und der Temperatur des aus dem Kühlmittelverdampfapparat strömenden Kühlmittels wird größer, wodurch die Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers erhöht wird. So wird der innere Wärmetauscher derart gesteuert, dass die Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers nur erhöht wird, wenn die Wirkung des inneren Wärmetauschers durchgeführt werden kann. Deshalb kann die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels an einer unnötigen Erhöhung gehindert werden, wodurch die Lebensdauern von Bauteilen des Kühlkreislaufsystems erhöht werden, während dessen Herstellkosten beschränkt werden.
Der innere Wärmetauscher enthält ein erstes Kühlmittel-Wärmeaustauschteil, das zwischen dem Auslass des heizenden Wärmetauschers und dem Dekompressionsventil angeordnet ist, und ein zweites Kühlmittel-Wärmeaustauschteil, das zwischen einem Auslass des Kühlmittelverdampfapparats und einem Sauganschluss des Kühlmittelkompressors angeordnet ist. Vorzugsweise steuert die Steuerung den Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils derart, dass ein Unterschied zwischen einer Auslasstemperatur des Kühlmittels im zweiten Kühlmittel-Wärmeaustauschteil des inneren Wärmetauschers und einer Einlasstemperatur des Kühlmittels in dem zweiten Kühlmittel-Wärmeaustauschteil kleiner als eine vorgegebene Temperatur eingestellt wird. Demgemäß kann verhindert werden, dass die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels übermäßig ansteigt.
Vorzugsweise besitzt ein Druckspeicher, der zwischen dem Kühlmittelverdampfapparat und dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauschteil des inneren Wärmetauschers angeordnet ist, eine Speicherkammer zum vorübergehenden Speichern des aus dem Kühlmittelverdampfapparat strömenden Kühlmittels und ein in den Druckspeicher eingesetztes Auslassrohr, um das gasförmige Kühlmittel hauptsächlich von der Speicherkammer zu dem Kühlmittelkompressor durch das zweite Kühlmittel-Wärmetauschteil des inneren Wärmetauschers zuzuleiten. Ferner weist das Auslassrohr eine Öffnung an seinem oberen Ende in der Speicherkammer, von der das gasförmige Kühlmittel aus der Speicherkammer in das Auslassrohr eingeleitet wird, und an seinem unteren Abschnitt in der Speicherkammer ein Ölrückführloch zum Einleiten eines Öls in das Kühlmittel aus der Speicherkammer in das Auslassrohr, und ein Flüssigkühlmittel-Rückführloch an seinem oberen Abschnitt oberhalb des Ölrückführloches in der Speicherkammer zum Einleiten von flüssigem Kühlmittel aus der Speicherkammer in das Auslassrohr auf. Hierbei kann das Flüssigkühlmittel-Rückführloch durch wenigstens ein einzelnes Loch ausgebildet sein. Ferner ist das Flüssigkühlmittel-Rückführloch an einer Position vorgesehen, die gleich einer oder niedriger als eine Flüssigkühlmitteloberfläche in der Speicherkammer wird, wenn die Temperatur des in den heizenden Wärmetauscher strömenden Fluids niedrig ist, und die höher als die Flüssigkühlmitteloberfläche in der Speicherkammer wird, wenn die Temperatur des in den heizenden Wärmetauscher strömenden Fluids hoch ist. Demgemäß kann die Flüssigkühlmittel-Rückführmenge passend eingestellt werden, und die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels kann einfach eingestellt werden.
KURZBESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Wärmepumpen-Warmwasserbereiters mit einem überkritisches Kühlkreislauf gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Flussdiagramm einer Drucksteuerung des Kühlmittels auf der Hochdruckseite in dem überkritischen Wärmepumpenkreislauf gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 eine Graphik einer Beziehung zwischen einer ermittelten Temperaturdifferenz X und einer Wassereinlasstemperatur TWin eines Wasserkühlmittel-Wärmetauschers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine Graphik einer Beziehung zwischen der bestimmten Temperaturdifferenz X und einer Außenlufttemperatur TAM gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
5 ein Mollier-Diagramm des Wärmepumpenkreislaufs, wenn die Wassereinlasstemperatur TWin niedrig ist, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
6 ein Mollier-Diagramm des Wärmepumpenkreislaufs, wenn die Wassereinlasstemperatur TWin hoch ist, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
7 eine Graphik einer Beziehung zwischen einer Wärmetauschmenge eines inneren Wärmetauschers und der Wassereinlasstemperatur TWin gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und
8A eine schematische Perspektivdarstellung eines Druckspeichers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 8B eine Graphik einer Beziehung zwischen der Außenlufttemperatur TAM und einer Kühlmittelmenge in dem in 8A dargestellten Druckspeicher gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Ein Wärmepumpen-Warmwasserbereiter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein elektrischer Warmwasserbereiter, der zum Beispiel hauptsächlich nachts unter Verwendung von Nachtstrom, der billiger ist, betrieben wird. Wie in 1 dargestellt, enthält der Wärmepumpen-Warmwasserbereiter eine Wärmepumpeneinheit 1, die als Wärmequelle zur Warmwasserbereitung verwendet wird, ein Warmwasserrohr 2 und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 10 zum elektronischen Steuern von Stellgliedern der Wärmepumpeneinheit 1 und des Warmwasserrohres 2. Das Warmwasserrohr 2 dient der Zuführung von Wasser (Fluid), das durch die Wärmepumpeneinheit 1 geheizt wird, zu einem Warmwasserbehälter (nicht dargestellt) oder zu einem Badezimmer oder einem Waschraum. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Wärmepumpen-Warmwasserbereiter durch ein überkritisches Dampfkompressions-Kühlkreislaufsystem aufgebaut.
Die Wärmepumpeneinheit 1 enthält einen Kühlmittelkompressor 3, einen Wasserkühlmittel-Wärmetauscher (Kühler) 4, einen inneren Wärmetauscher 5, ein Dekompressionsventil 6, einen Kühlmittelverdampfapparat 7, einen Druckspeicher 8 und ein Kühlmittelrohr, das mit diesen Komponenten ringförmig verbunden ist.
Der Kühlmittelkompressor 3 wird durch einen darin enthaltenen Elektromotor (nicht dargestellt) angetrieben und gedreht, um das Kühlmittel zu komprimieren und auszugeben. Insbesondere komprimiert der Kühlmittelkompressor 3 im Betriebszustand der Wärmepumpeneinheit 1 ein gasförmiges Kühlmittel, das aus dem Kühlmittelverdampfapparat 7 angesaugt wird, auf einen hohen Druck gleich dem oder höher als den kritischen Druck des Kühlmittels. Der Kühlmitteikompressor 3 wird betrieben, wenn er eingeschaltet wird, und er wird angehalten, wenn er ausgeschaltet wird. Der Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 ist ein Wärmetauscher zum Erwärmen von Wasser unter Verwendung des auf der Hochdruckseite aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels. Ein Kühlmittel-Wärmetauscher 11 des Wasserkühlmittel-Wärmetauschers 4 enthält ein Kühlmittelrohr, durch welches das auf der Hochdruckseite aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebene Kühlmittel strömt, um mit dem Wasser einen Wärmeaustausch durchzuführen. Der Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 besitzt eine zweistufige Wärmetauschkonstruktion, wobei eine Endfläche des Kühlmittel-Wärmetauschers 11 eine Endfläche eines Wasser-Wärmetauschers 12 kontaktiert, so dass ein Wärmeaustausch dazwischen effektiv durchgeführt werden kann.
Der innere Wärmetauscher 5 ist ein Kühlmittelkühlmittel-Wärmetauscher zum weiteren Verdampfen des Kühlmittels, damit es in den Kühlmittelkompressor 3 gesaugt wird, indem ein Wärmeaustausch zwischen dem an der Hochdruckseite aus dem Kühlmittel-Wärmetauscher 11 des Wasserkühlmittel-Wärmetauschers 4 strömenden Kühlmittels und dem aus dem Kühlmittelverdampfapparat 7 durch den Druckspeicher 8 strömenden Niederdruck-Kühlmittels durchgeführt wird. Der innere Wärmetauscher 5 besitzt einen zweistufigen Wärmetauschaufbau, wobei eine Endfläche eines ersten Kühlmittel-Wärmetauschers 13 eine Endfläche eines zweiten Kühlmittel-Wärmetauschers 14 kontaktiert, so dass der Wärmeaustausch dazwischen effektiv durchgeführt werden kann. Der erste Kühlmittel-Wärmetauscher 13 enthält ein Kühlmittelrohr, durch das das aus dem Kühlmittel-Wärmetauscher 11 des Wasserkühlmittel-Wärmetauschers 4 strömende Kühlmittel strömt. Der zweite Kühlmittel-Wärmetauscher 14 enthält ein Kühlmittelrohr, durch welches das aus dem Druckspeicher 8 strömende Kühlmittel strömt. Der innere Wärmetauscher 5 ist so aufgebaut, dass das Kühlmittel in dem ersten Kühlmittel-Wärmetauscher 13 und das Kühlmittel in dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 entlang der gesamten Länge jedes Kühlmittelrohres des ersten und des zweiten Kühlmittel-Wärmetauschers 13, 14 in Wärmeaustausch stehen können.
Das Dekompressionsventil 6 ist eine Dekompressionsvorrichtung zum Dekomprimieren des aus dem Kühlmittel-Wärmetauscher 11 des Wasserkühlmittel-Wärmetauschers 5 strömenden Kühlmittels entsprechend seinem Öffnungsgrad. Ein elektrisches Expansionsventil, das durch die ECU 10 elektrisch gesteuert wird, wird als das Dekompressionsventil 6 verwendet. Der Kühlmittelverdampfapparat 7 ist ein Luftkühlmittel-Wärmetauscher (Wärmeabsorber) zum Verdampfen des durch das Dekompressionsventil 6 dekomprimierten Kühlmittels und zum Zuführen des verdampften Kühlmittels zu dem Kühlmittelkompressor 3 durch den Druckspeicher 8. Insbesondere verdampft der Kühlmittelverdampfapparat 7 das dekomprimierte Kühlmittel mittels eines Wärmeaustausches mit der durch einen Lüfter (nicht dargestellt) geblasenen Außenluft (zu kühlendem Fluid). Der Druckspeicher 8 besitzt eine Speicherkammer, in der das aus dem Kühlmittelverdampfapparat 7 strömende Kühlmittel vorübergehend gespeichert wird.
In der Wärmepumpeneinheit 1 wird zum Beispiel Kohlendioxid (CO₂) mit einer niedrigen kritischen Temperatur als Hauptbestandteil des Kühlmittels verwendet. Die Wärmepumpeneinheit 1 ist durch einen überkritischen Wärmepumpenkreislauf (entsprechend einem Kühlkreislauf der vorliegenden Erfindung) aufgebaut, wobei der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite gleich dem oder höher als der kritische Druck des Kühlmittels ist. In dem überkritischen Wärmepumpenkreislauf kann die Temperatur des Kühlmittels an einem Einlass des Kühlmittel-Wärmetauschers 11, d. h. die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels, durch Erhöhen des Drucks des Kühlmittels auf der Hochdruckseite auf etwa 120°C erhöht werden. Da hier das in den Kühlmittel-Wärmetauscher 11 strömende Kühlmittel durch den Kühlmittelkompressor 3 auf den oder höher als der kritische Druck komprimiert wird, kann das in dem Kühlmittel-Wärmetauscher 11 gekühlte Kühlmittel nicht kondensiert und verflüssigt werden.
Das Warmwasserrohr 2 enthält eine Wasserpumpe 15, ein Temperatureinstellventil (nicht dargestellt) und dergleichen. Der Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 ist so aufgebaut, dass das Kühlmittel in dem Kühlmittel-Wärmetauscher 11 und das Wasser in dem Wasser-Wärmetauscher 12 entlang der gesamten Länge des Kühlmittelrohres des Kühlmittel-Wärmetauschers 11 in Wärmeaustausch stehen können. Deshalb kann Warmwasser mit einem gewünschten Temperaturbereich (65–90°C) aus dem Wasser-Wärmetauscher 12 entnommen werden. Die Wasserpumpe 15 ist in dem Warmwasserohr 2 angeordnet und dient dem Zirkulieren des in dem Wasser-Wärmetauscher 12 erwärmten Wassers in den Warmwasserbehälter. Der Warmwasserbehälter dient der vorübergehenden Speicherung des Warmwassers aus dem Wasser-Wärmetauscher 12. Der Warmwasserbehälter enthält eine Wasserzuleitung und eine Wasserableitung an seinem unteren Abschnitt und einen Warmwassereinlass und einen Warmwasserauslass an seinem oberen Abschnitt. Die Wasserzuleitung ist mit einem Wasserzuführrohr zum Zuführen von Leitungswasser und dergleichen in den Warmwasserbehälter verbunden, und die Wasserableitung dient dem Zirkulieren von Wasser im Warmwasserbehälter in den Wasser-Wärmetauscher 12. In dem Wasser-Wärmetauscher 12 erzeugtes Warmwasser strömt aus dem Warmwassereinlass in den Warmwasserbehälter, und der Warmwasserauslass ist mit dem Warmwasser-Zuführrohr verbunden.
Das Temperatureinstellventil ist in dem Warmwasserrohr 2 angeordnet und dient der Einstellung der Temperatur des Warmwassers auf eine gewünschte Temperatur durch Einstellen eines Mischverhältnisses zwischen dem in dem Wasser-Wärmetauscher 12 erwärmten Warmwasser hoher Temperatur oder dem Warmwasser hoher Temperatur in dem Warmwasserbehälter und dem Leitungswasser niedriger Temperatur aus dem Wasserzuführrohr. Das Temperatureinstellventil enthält ein Ventilgehäuse zum Einstellen des obigen Mischverhältnisses, das durch einen Stellantrieb wie beispielsweise einen Motor angetrieben wird. Das Temperatureinstellventil ist so konstruiert, dass die Temperatur des Warmwassers durch automatisches Einstellen einer Stellung des Ventilgehäuses basierend auf der Temperatur des Warmwassers, die durch einen Wassertemperatursensor erfasst wird, auf einer Solltemperatur gehalten werden kann. Die ECU 10 enthält einen Mikrocomputer, der durch eine Zentraleinheit (CPU), einen Festspeicher (ROM), einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Eingabe/Ausgabe-Anschluss (E/A-Anschluss) und dergleichen aufgebaut ist. Die ECU 10 steuert elektrisch die Wasserpumpe 15 und das in dem Warmwasserrohr 2 angeordnete Temperatureinstellventil, während sie elektrisch den Kühlmittelkompressor 3, das Dekompressionsventil 6 und den Lüfter der Wärmepumpeneinheit 1 basierend auf Betriebssignalen und Sensorsignalen steuert. Zum Beispiel werden Betriebssignale von Fernsteuerungen eingegeben, die an einer Wandfläche eines Badezimmers oder einer Wandfläche eines Waschraums vorgesehen sind.
Ein Kühlmittelausgabetemperatursensor 21 (entsprechend einer Ausgabetemperatur-Erfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung) dient der Erfassung der Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels, und ein Kühlmitteltemperatursensor (entsprechend einer Kühlmitteltemperatur-Erfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung) 22 dient der Erfassung der Temperatur des aus einem Auslass des Kühlmittel-Wärmetauschers 11 strömenden Kühlmittels. Analoge Sensorsignale von den Sensoren 21, 22 werden durch eine Analog/Digital-Umsetzschaltung (A/D-Umsetzschaltung, nicht dargestellt) in digitale Sensorsignale umgesetzt, und anschließend werden die digitalen Sensorsignale dem Mikrocomputer der ECU 10 eingegeben. Der Ausgabetemperatursenor 21 ist eine Kühlmitteleinlasstemperatur-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des in den Kühlmittel-Wärmetauscher 11 strömenden Kühlmittels. Ein Kühlmitteltemperatursensor 23 dient der Erfassung der Temperatur des in das Dekompressionsventil 6 aus dem ersten Kühlmittel-Wärmetauscher 13 des inneren Wärmetauschers 5 strömenden Kühlmittels, und ein Kühlmitteltemperatursensor 24 dient der Erfassung einer Temperatur des aus dem Kühlmittelverdampfapparat 7 strömenden Kühlmittels. Analoge Sensorsignale von den Sensoren 23, 24 werden durch die A/D-Umsetzschaltung in digitale Sensorsignale umgesetzt, und anschließend werden die digitalen Sensorsignale in den Mikrocomputer der ECU 10 eingegeben.
Ein Kühlmitteleinlasstemperatursensor 25 (entsprechend einer Kühlmitteleinlasstemperatur-Erfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung) dient der Erfassung der Temperatur des in den zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 des inneren Wärmetauschers 5 strömenden Kühlmittels, und ein Kühlmittelauslasstemperatursensor 26 (entsprechend einer Kühlmittelauslasstemperatur-Erfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung) dient der Erfassung der Temperatur des aus dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauschers 14 des inneren Wärmetauschers 5 strömenden Kühlmittels. Ein Kühlmitteldrucksensor 27 dient der Erfassung des Drucks des Kühlmittels auf der Hochdruckseite. Analoge Sensorsignale von den Sensoren 26–28 werden durch die A/D-Umsetzschaltung in digitale Sensorsignale umgesetzt, und anschließend werden die digitalen Sensorsignale dem Mikrocomputer der ECU 10 eingegeben. Der Kühlmittelauslasstemperatursensor 26 ist eine Kühlmittelansaugtemperatur-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des in den Kühlmittelkompressor 3 zu saugenden Kühlmittels. Ein Wassereinlasstemperatursensor 28 (entsprechend einer Fluidtemperatur-Erfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung) dient der Erfassung der Temperatur des in den Wasser-Wärmetauscher 12 des Wasserkühlmittel-Wärmetauschers 4 strömenden Wassers, und ein Wasserauslasstemperatursensor 29 dient der Erfassung der Temperatur des aus dem Wasser-Wärmetauscher 12 strömenden Warmwassers. Analoge Sensorsignale von den Sensoren 28, 29 werden durch die A/D-Umsetzschaltung in digitale Sensorsignale umgesetzt, und anschließend werden die digitalen Sensorsignale in den Mikrocomputer der ECU 10 eingegeben.
Die ECU 10 steuert elektrisch einen Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils 6, d. h. den Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite, um einen Unterschied zwischen der durch den Wassereinlasstemperatursensor 28 erfassten Wassertemperatur und der durch den Kühlmitteltemperatursensor 22 erfassten Kühlmitteltemperatur in einem vorgegeben Temperaturbereich (z. B. 10°C) einzustellen. So wird die Wärmetauschleistung (Wärmetauschmenge) des inneren Wärmetauschers 5 in einem vorgegebenen Bereich justiert. Um zu verhindern, dass die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels übermäßig ansteigt, steuert die ECU 10 den Öffnungsgrad des Dekompressionsventils 6, um einen Unterschied zwischen der durch den Kühlmitteleinlasstemperatursensor 25 erfassten Kühlmitteltemperatur und der durch den Kühlmittelauslasstemperatursensor 26 erfassten Kühlmitteltemperatur gleich einer oder niedriger als eine Solltemperaturdifferenz X (vorgegebene Temperaturdifferenz) einzustellen. Alternativ kann anstelle der durch die Kühlmitteltemperatursensoren 25, 26 erfassten Temperaturdifferenz direkt der Ausgabetemperatursensor 21 verwendet werden. D. h. die ECU 10 kann den Öffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 durch Einstellen der durch den Ausgabetemperatursensor 21 erfassten Kühlmitteltemperatur gleich der oder niedriger als die Solltemperaturdifferenz X steuern.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Steuerverfahren zum Steuern des Wärmepumpen-Warmwasserbereiters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie in 2 dargestellt, wird in Schritt S1 bestimmt, ob ein Siedevorgang (Warmwasser-Zuführvorgang) durch Betätigen der an der Wand der Badezimmers oder des Waschraums vorgesehenen Fernbedienung gestartet ist oder nicht. Wenn die Bestimmung in Schritt S1 „N” ist, wird Schritt S1 wiederholt. Wenn die Bestimmung in Schritt S1 „Y” ist, d. h. wenn der Siedevorgang als gestartet bestimmt wird, wird der Betrieb des Kühlmittelkompressors 3 der Wärmepumpeneinheit 1 gestartet und der Betrieb der in dem Warmwasserrohr 2 vorgesehenen Wasserpumpe 15 wird gestartet.
In Schritt S2 wird bestimmt, ob eine Differenz (TWout – TWin) zwischen einer Auslasstemperatur (TWout) des aus dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 des inneren Wärmetauschers 5 strömenden Kühlmittels und einer Einlasstemperatur (TWin) des in den zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 des inneren Wärmetauschers 5 strömenden Kühlmittels größer als die Solltemperaturdifferenz X (z. B. 20°C) ist oder nicht. Die Einlasstemperatur (TWin) wird durch den Kühlmitteleinlasstemperatursensor 25 erfasst, und die Auslasstemperatur (TWout) wird durch den Kühlmittelauslasstemperatursensor 26 erfasst. Wenn die Bestimmung in Schritt S2 „Y” ist, wird bestimmt, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 13, 14 in dem inneren Wärmetauscher 5 ein übermäßiger Wärmeaustausch durchgeführt wird. Deshalb wird in Schritt S3 der Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 um einen vorgegebenen Öffnungsgrad vergrößert, wodurch der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite in dem überkritischen Wärmepumpenkreislauf um einen vorgegebenen Druck verringert wird. Zum Beispiel wird der Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 um eine Stufe vergrößert. Wie in 3 dargestellt, kann, wenn die Einlasstemperatur (TWin) des in den zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 des inneren Wärmetauschers 5 strömenden Kühlmittels erhöht wird, die Solltemperaturdifferenz X der Kühlmitteltemperaturdifferenz (TWout – TWin) so verändert werden, dass sie größer wird. Die Wärmepumpeneinheit 1 und der Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 sind im allgemeinen außen vorgesehen, und das den Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 und eine innen vorgesehene Wasserzuführeinheit verbindende Warmwasserrohr 2 ist nach außen gelegt. Deshalb kann, wenn eine Außenlufttemperatur (TAM) steigt, die Solltemperaturdifferenz X so geändert werden, dass sie ansteigt.
Wenn die Bestimmung in Schritt S2 „N” ist, wird in Schritt S4 bestimmt, ob eine Differenz (TKout – TWin) zwischen einer Auslasstemperatur (TKout) des aus dem Kühlmittel-Wärmetauscher 11 des Wasserkühlmittel-Wärmetauschers 4 strömenden Kühlmittels und einer Einlasstemperatur (TWin) des in den Wasser-Wärmetauscher strömenden Wassers größer als eine vorgegebene Temperatur Y (z. B. 10°C) ist oder nicht. Die Auslasstemperatur (TKout) wird durch den Kühlmitteltemperatursensor 22 erfasst und die Einlasstemperatur (TWin) wird durch den Wassereinlasstemperatursensor 28 erfasst. Wenn die Bestimmung in Schritt S4 „Y” ist, wird bestimmt, dass der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite in dem Wärmepumpenkreislauf übermäßig niedrig ist. Deshalb wird in Schritt S5 der Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 um einen vorgegebenen Öffnungsgrad verkleinert, wodurch der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite in dem überkritischen Wärmepumpenkreislauf um einen vorgegebenen Druck steigt. Zum Beispiel wird in Schritt S5 der Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 um eine Stufe verkleinert.
Wenn die Bestimmung in Schritt S4 „N” ist, wird in Schritt S6 bestimmt, ob die Temperaturdifferenz (TKout – TWin) niedriger als die vorgegebene Temperatur Y ist. Wenn die Bestimmung in Schritt S6 „Y” ist, wird bestimmt, dass der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite in dem Wärmepumpenkreislauf übermäßig hoch ist. Deshalb wird in Schritt S7 der Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 um einen vorgegebenen Öffungsgrad (z. B. um eine Stufe) vergrößert, wodurch der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite in dem überkritischen Wärmepumpenkreislauf um einen vorgegebenen Druck verringert wird. Anschließend kehrt die Steuerung zurück zu Schritt S1. Wenn die Bestimmung in Schritt S6 „N” ist, d. h. wenn die Temperaturdifferenz (TKout – TWin) gleich der oder größer als die vorgegebene Temperatur Y bestimmt wird, wird der Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 so gesteuert, dass er auf dem vorherigen Ventilöffnungsgrad gehalten wird, und die Steuerroutine kehrt zurück zu Schritt S1. Die vorgegebene Temperatur Y kann auf eine Temperatur in einem Bereich von 5–15°C eingestellt werden oder entsprechend der Außenlufttemperatur TAM verändert werden. In den Schritten S4 und S6 kann die vorgegebene Temperatur Y auf unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden. Ferner wird in diesem Ausführungsbeispiel der Öffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 derart gesteuert, dass die Temperaturdifferenz (TKout – TWin) in einem eine vorgegebene Temperatur enthaltenden Temperaturbereich eingestellt werden kann.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 die Funktionsweise des Wärmepumpen-Warmwasserbereiters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die 5 und 6 sind Mollier-Diagramme, die jeweils Zustände des Kühlmittels in einem Kühlkreis des überkritischen Wärmepumpenkreislaufs zeigen. Die Kühlmittelzustände A bis D in 1 entsprechen den in 5 bzw. 6 gezeigten Kühlmittelzuständen A bis D. Wenn der Betrieb der Wasserpumpe 15 gestartet wird, wird Wasser in den Wasser-Wärmetauscher 12 zirkuliert. Wenn das Kühlmittel durch den Kühlmittelkompressor 3 komprimiert wird, wird der Kühlmittelzustand überkritisch und die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressors 3 ausgegebenen Kühlmittels wird hoch. Ein gasförmiges Hochdruck-Kühlmittel, das aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegeben wird, befindet sich in dem Kühlmittelzustand A in den 1, 5 und 6 und strömt in den Kühlmittel-Wärmetauscher 11 des Wasser-Kühlmittel-Wärmetauschers 4. Dann wird Wärme von dem in den Kühlmittel-Wärmetauscher 11 strömenden gasförmigen Kühlmittel zu dem in dem Wasser-Wärmetauscher 12 strömenden Wasser übertragen, so dass das gasförmige Kühlmittel gekühlt wird, d. h. der Kühlmittelzustand A in den Kühlmittelzustand B' geändert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird andererseits die Temperatur des durch den Wasser-Wärmetauscher 12 strömenden Wassers auf etwa 65–90°C erwärmt und dem Warmwasserrohr 2 zugeführt.
Das Kühlmittel strömt aus dem Kühlmittel-Wärmetauscher 11 des Wasserkühlmittel-Wärmetauschers 4 in den ersten Kühlmittel-Wärmetauscher 13 des inneren Wärmetauschers 5. Demzufolge wird in dem inneren Wärmetauscher 5 Wärme von dem in dem ersten Kühlmittel-Wärmetauscher 13 strömenden Kühlmittel zu dem in dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 strömenden Kühlmittel übertragen, so dass das in dem ersten Kühlmittel-Wärmetausches 13 strömende Kühlmittel gekühlt wird, d. h. der Kühlmittelzustand B' in den Kühlmittelzustand B geändert wird. Dann strömt das Kühlmittel aus dem ersten Kühlmittel-Wärmetauscher 13 in das Dekompressionsventil 6, wo das Kühlmittel beim Durchlaufen einer Ventilöffnung auf ein Gas-Flüssigkeit-Kühlmittel dekomprimiert wird, d. h. der Kühlmittelzustand B in den Kühlmittelzustand C geändert wird. Anschließend strömt das Gas-Flüssigkeit-Kühlmittel in den Kühlmittelverdampfapparat 7, wo das Gas-Flüssigkeit-Kühlmittel mit der Außenluft in Wärmeaustausch steht und verdampft wird, um zu einem gasförmigen Kühlmittel zu werden, d. h. der Kühlmittelzustand C in den Kühlmittelzustand D' geändert wird.
Das Kühlmittel strömt aus dem Kühlmittelverdampfapparat 7 in den Druckspeicher B. Da nicht das gesamte in den Druckspeicher 8 strömende Kühlmittel verdampft ist, wird in dem Druckspeicher 8 flüssiges Kühlmittel vorübergehend gespeichert, und nur das gasförmige Kühlmittel wird in den zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 des inneren Wärmetauschers 5 zugeführt. Demzufolge wird Wärme von dem in dem ersten Kühlmittel-Wärmetauscher 13 strömenden Kühlmittel zu dem in dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 strömenden Kühlmittel übertragen, so dass das in dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 strömende gasförmige Kühlmittel ein überhitztes gasförmiges Kühlmittel wird, d. h. der Kühlmittelzustand D' in den Kühlmittelzustand D geändert wird. Das Kühlmittel strömt aus dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 des inneren Wärmetauschers 5 und wird in den Kühlmittelkompressor 3 gesaugt. Das in den Kühlmittelkompressor 3 gesaugte Kühlmittel wird wieder komprimiert.
Als nächstes werden die Arbeitswirkungen des Wärmepumpen-Warmwasserbereiters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. In dem Wärmepumpen-Warmwasserbereiter kann der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite in dem überkritischen Wärmepumpenkreislauf durch Steuern des Ventilöffnungsgrades des Dekompressionsventils 6 eingestellt werden, so dass die Temperaturdifferenz (TKout – TWin) in dem vorgegebenen Temperaturbereich Y eingestellt werden kann. Deshalb kann die Wärmetauschleistung des inneren Wärmetauschers 5 in dem vorgegebenen Bereich justiert werden. Wenn das Wasser niedriger Temperatur in den Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 strömt, d. h. wenn die Wärmetauschleistung für den inneren Wärmetauscher 5 nicht so groß sein muss, wird die Temperatur des aus dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 strömenden Kühlmittels durch Einstellen der Temperaturdifferenz (TKout – TWin) in den vorgegebenen Temperaturbereich Y erniedrigt. Deshalb wird, wie in 5 dargestellt, wenn das Wasser niedriger Temperatur in den Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 strömt, eine Differenz zwischen einer Kühlmittelverdampftemperatur und einer Temperatur des aus dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 strömenden Kühlmittels klein, wodurch die Wärmetauschleistung (Wärmetauschmenge) des inneren Wärmetauschers 5 reduziert wird.
Wenn dagegen Wasser hoher Temperatur in den Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 strömt, d. h. wenn eine große Wärmetauschleistung für den inneren Wärmetauscher 5 erforderlich ist, wird die Temperatur des aus dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 strömenden Kühlmittels erhöht. Deshalb wird, wie in 6 dargestellt, wenn das Wasser hoher Temperatur in den Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 strömt, eine Differenz zwischen der Kühlmittelverdampftemperatur und der Temperatur des aus dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 strömenden Kühlmittels groß, wodurch die Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers 5 steigt. Demgemäß wird, nur wenn die Wirkung des inneren Wärmetauschers 5 erwartet werden kann, die Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers 5 auf ein Niveau eingestellt, bei dem die Wärmetauschleistung des inneren Wärmetauschers 5 erzielt werden kann, wodurch die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels an einer unnötigen Erhöhung gehindert wird. Deshalb können die Lebensdauern der Bauteile des Wärmepumpenkreislaufs ohne Hinzufügen einer für die Einstellung der Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers bestimmten Komponente erhöht werden. Demgemäß kann eine Erhöhung der Produktionskosten verhindert werden, während die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels an einer unnötigen Erhöhung gehindert wird.
Ferner wird der Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 so gesteuert, dass die Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen der Auslass- und der Einlassseite des zweiten Kühlmittel-Wärmetauschers 14, welche durch die Kühlmitteltemperatursensoren 25, 26 erfasst wird, gleich der oder niedriger als die Solltemperaturdifferenz X ist. D. h. die Temperatur des Kühlmittels am Auslass des zweiten Kühlmittel-Wärmetauschers 14 und eine Temperatur des Kühlmittels an dessen Einlass werden erfasst, und die Differenz zwischen den erfassten Temperaturen wird gleich der oder niedriger als die vorgegebene Temperatur justiert, um zu verhindern, dass die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels übermäßig ansteigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird, wie in den 2 und 7 dargestellt, die Temperaturdifferenzsteuerung am Auslass und Einlass des zweiten Kühlmittel-Wärmetauschers 14 vorzugsweise bezüglich der Temperaturdifferenzsteuerung zwischen der Kühlmittelauslasstemperatur (TKout) und der Wassereinlasstemperatur (TWin) in den Wasserkühlmittel-Wärmetauscher 4 durchgeführt.
Demzufolge kann die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels reduziert werden, und der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite kann erniedrigt werden. Hier kann die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels anstelle der Temperaturdifferenz zwischen der Kühlmittelauslasstemperatur und der Kühlmitteleinlasstemperatur des zweiten Kühlmittel-Wärmetauschers 14 direkt erfasst werden. Dann können der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite in dem überkritischen Wärmepumpenkreislauf und die Wärmetauschmenge des inneren Wärmetauschers 5 durch Steuern des Ventilöffnungsgrades des Dekompressionsventil 6 justiert werden.
Zweites Ausführungsbeispiel
In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Aufbau des in 1 dargestellten Druckspeichers 8 näher beschrieben. Wie in 8A dargestellt, enthält der Druckspeicher 8 ein Behältergehäuse 30 mit einem elliptischen Querschnitt, ein Einlassrohr 31 zum Einleiten eines Kühlmittels in das Behältergehäuse 30 von dem Kühlmittelverdampfapparat 7, eine Speicherkammer 32 zum vorübergehenden Speichern des in das Behältergehäuse 30 strömenden Kühlmittels, ein Auslassrohr 33 zum Zuführen des in der Speicherkammer 32 gespeicherten Kühlmittels zu der Ansaugseite des Kühlmittelkompressors 3, und dergleichen. Das Auslassrohr 33 ist mit der Ansaugseite des Kühlmittelkompressors 3 außerhalb der Speicherkammer 32 des Druckspeichers 8 verbunden.
Eine Öffnung (Rückführöffnung des gasförmigen Kühlmittels) 34 ist an dem Auslassrohr 33 an seinem oberen Ende innerhalb der Speicherkammer 32 des Druckspeichers 8 vorgesehen. Ein Ölrückführloch 35 zum Einleiten von Schmieröl (z. B. Kältemaschinenöl wie beispielsweise PAG) in das Auslassrohr 33 von der Speicherkammer 32 ist an dem Auslassrohr 33 an seiner Bodenseite innerhalb der Speicherkammer 32 des Druckspeichers 8 vorgesehen. Das Öl (Schmieröl) zum Schmieren von Gleitabschnitten des Kühlmittelkompressors 3 wird in der Speicherkammer 32 im Bodenbereich gespeichert. Deshalb ist das Ölrückführloch 35 im Auslassrohr 33 an seiner Bodenseite in der Speicherkammer 32 vorgesehen, um das Öl zu dem Kühlmittelkompressor 3 zurückzuführen. Hier ist ein Durchmesser des Auslassrohres 33 innerhalb der Speicherkammer 32 größer als derjenige außerhalb der Speicherkammer 32 eingestellt. D. h. das Auslassrohr 33 ist aus einem Kupferrohr mit unterschiedlichen Durchmessern innerhalb und außerhalb der Speicherkammer 32 gebildet. Demgemäß kann ein Druckverlust im Auslassrohr 33 passend eingestellt werden, und eine Menge des aus dem Ölrückführloch 35 gesaugten Öles kann geeignet gesteuert werden. Andererseits ist das Auslassrohr 33 außerhalb der Speicherkammer 32 aus einem Kupferrohr mit einem Durchmesser gebildet, der basierend auf einem Gleichgewicht zwischen dem Druckwiderstand des Auslassrohres 33, einem Druckverlust darin und dessen Fertigungskosten eingestellt ist.
Ein Rückführloch für flüssiges Kühlmittel 36 mit einer etwa Kreisform zum Einleiten eines flüssigen Kühlmittels in das Auslassrohr 33 aus der Speicherkammer 32 ist in dem Auslassrohr 33 an seinem oberen Abschnitt in der Speicherkammer 32 vorgesehen. Eine Ablenkpatte (Abschirmplatte) 37 zum Abschirmen einer Kühlmittelströmung von dem Kühlmittelverdampfapparat 7 zu dem Behältergehäuse 30 ist vorgesehen, um eine direkte Einleitung des Kühlmittels von der Öffnung 34 in das Auslassrohr 33 zu verhindern. Die Ablenkplatte 37 ist an einer Oberseite in der Speicherkammer 32 vorgesehen und enthält mehrere Verbindungslöcher 39, durch welche eine Einlasskammer 38 an der oberen Seite des Behältergehäuses 30 oberhalb der Ablenkplatte 37 und die Speicherkammer 32 unterhalb der Ablenkplatte 37 miteinander in Verbindung stehen. Das Rückführloch des flüssigen Kühlmittels 36 ist in dem Auslassrohr 33 an einer Position vorgesehen, die von dem flüssigen Kühlmittel bedeckt ist, wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist, und welche nicht von dem flüssigen Kühlmittel bedeckt ist, wenn die Außenlufttemperatur hoch ist. Hier ist eine Ölrückführfunktion erforderlich, wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist, und sie ist nicht erforderlich, wenn die Außenlufttemperatur hoch ist. Ein offener Bereich des Rückführloches des flüssigen Kühlmittels 36 ist kleiner als derjenige der Öffnung 34 eingestellt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 1 und 8A–8B die Funktionsweise des Wärmepumpen-Warmwasserbereiters gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Das Kühlmittel strömt aus dem Kühlmittelverdampfapparat 7 heraus und strömt in die Einlasskammer 38 des Druckspeichers 8 aus dem Einlassrohr 31. Dann stößt das Kühlmittel gegen die Ablenkplatte 37 und strömt durch die Verbindungslöcher 39 der Ablenkplatte 37 in die Speicherkammer 32. Da das Kühlmittel gasförmiges Kühlmittel und flüssiges Kühlmittel enthält, wird das flüssige Kühlmittel vorübergehend in der Speicherkammer 32 gespeichert, und nur das gasförmige Kühlmittel strömt aus der Öffnung 34 in das Auslassrohr 33. Dann wird das gasförmige Kühlmittel zu dem Kühlmittelkompressor 3 gesaugt, um wieder komprimiert zu werden.
Wenn die Temperatur der (zu kühlenden) Außenluft, welche mit dem Kühlmittel in dem Kühlmittelverdampfapparat 7 in Wärmeaustausch steht, niedrig ist, wird der Druck (Verdampfungsdruck) des Niederdruck-Kühlmittels reduziert und eine größere Menge des flüssigen Kühlmittels wird in der Speicherkammer 32 gespeichert. Deshalb steigt das Niveau der Flüssigkeitsoberfläche in der Speicherkammer 32 gegenüber einem Normalzustand und wird höher als das Rückführloch des flüssigen Kühlmittels 36. In diesem Fall wird eine geeignete, Menge des flüssigen Kühlmittels aus dem Rückführloch des flüssigen Kühlmittels 36 zu dem Kühlkreislauf zurückgeführt, und die Temperatur des in den Kühlmittelkompressor 3 gesaugten Kühlmittels wird niedriger. Deshalb wird die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels durch Komprimieren des Kühlmittels mit einer relativ niedrigen Temperatur niedriger, wodurch die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels auf eine geeignete Temperatur beschränkt wird.
Falls hier der Durchmesser des Rückführlochs des flüssigen Kühlmittels 36 größer als derjenige der Öffnung 34 gemacht ist, weist ein hochdichtes flüssiges Kühlmittel, das in das Auslassrohr 33 aus dem Rückführloch des flüssigen Kühlmittels 36 strömt, aufgrund einer Kontraktionsströmung einen kleineren Druckverlust als das aus der Öffnung 34 hineinströmende gasförmige Kühlmittel auf. Deshalb ist der Großteil des in das Auslassrohr 33 strömenden Kühlmittels ein flüssiges Kühlmittel und kann nicht durch den Kühlmittelkompressor 3 komprimiert werden, wodurch der Energieverbrauch des Kühlmittelkompressors 3 steigt und sein Leistungskoeffizient sinkt. Demzufolge ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Öffnungsbereich des Rückführlochs des flüssigen Kühlmittels 36 so eingestellt, dass er ausreichend kleiner als derjenige der Öffnung 34 ist. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung des Rückführlochs des flüssigen Kühlmittels 36 auf 2% derjenigen der Öffnung 34 eingestellt. Wenn die Temperatur der Außenluft, welche mit dem Gas-Flüssigkeit-Kühlmittel in dem Kühlmittelverdampfapparat 7 in Wärmeaustausch steht, noch niedriger ist, wird eine Flüssigkeitsoberfläche noch höher als das Rückführloch des flüssigen Kühlmittels 36. Da in diesem Fall ein Abstand zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem Rückführloch des flüssigen Kühlmittels 36 größer wird, wird die Menge des in das Auslassrohr 33 zurückgeführten Kühlmittels größer, wodurch die Temperatur des in den Kühlmittelkompressor 3 gesaugten Kühlmittels weiter reduziert wird. Deshalb wird die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels durch Komprimieren des Kühlmittels mit einer noch niedrigeren Temperatur weiter reduziert, wodurch die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels noch effektiver reduziert wird.
Als nächstes werden die Arbeitswirkungen des Wärmepumpen-Warmwasserbereiters gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. In dem Wärmepumpen-Warmwasserbereiter wird, wenn die Außenlufttemperatur TAM niedriger wird, die Temperatur des in den Wasser-Wärmetauscher 12 strömenden Wassers niedriger, wodurch die Menge des in der Speicherkammer 32 des Speichers 8 gespeicherten flüssigen Kühlmittels steigt, d. h. das Niveau der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen Kühlmittels steigt. Unter Verwendung der Eigenschaft, dass das Niveau der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen Kühlmittels steigt, wenn die Außenlufttemperatur niedriger wird, kann die in dem überkritischen Wärmepumpenkreislauf zirkulierende Kühlmittelmenge, d. h. die Menge flüssigen Kühlmittels in der Speicherkammer 32 des Speichers 8 eingestellt werden. Deshalb kann, wie durch den Pfeil S1 in 8B gezeigt, eine größere Menge des flüssigen Kühlmittels in der Speicherkammer 32 gespeichert werden, wenn die Außenlufttemperatur TAM niedrig ist. Andererseits ist das Öl beinahe hauptsächlich in der Speicherkammer 32 gespeichert, wenn die Außenlufttemperatur TAM hoch ist.
So kann, wenn die Außenlufttemperatur TAM niedrig ist, das eine große Menge des flüssigen Kühlmittels enthaltende Kühlmittel aus der Speicherkammer 32 des Speichers 8 durch das Auslassrohr 33 zu dem Kühlmittelkompressor 3 zurückgeführt werden. Hierbei wird das flüssige Kühlmittel vorzugsweise in dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauscher 14 des inneren Wärmetauschers 5 verdampft, wodurch die Temperatur des in den Kühlmittelkompressor 3 gesaugten Kühlmittels reduziert wird. Als Ergebnis kann, wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist, die Temperatur des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels an einer Erhöhung gehindert werden. In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Menge des aus der Speicherkammer 32 des Speichers 8 in den Kühlmittelkompressor 3 zurückgeführten flüssigen Kühlmittels durch Verwenden der Eigenschaft, dass die Menge flüssigen Kühlmittels bei niedrig werdender Außenlufttemperatur steigt, erhöht, wie durch den Pfeil SI in 8B gezeigt. Wenn weiter ein Kompressor mit variabler Ausgabekapazität als Kühlmittelkompressor 3 verwendet wird, kann der Druck des aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegebenen Kühlmittels auf der Hochdruckseite durch Verändern der Ausgabekapazität des Kühlmittelkompressors variabler Ausgabekapazität eingestellt werden.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die übrigen Bauteile ähnlich jenen des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels und auf ihre detaillierte Beschreibung wird verzichtet.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig in Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf den beiliegenden Zeichnungen beschrieben wurde, wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen für den Fachmann offensichtlich sind.
Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung auf einen Direktzufuhr-Warmwasserbereiter mit dem Warmwasserrohr 2 zum direkten Zuführen des durch die Wärmepumpeneinheit 1 geheizten Warmwassers zu einem Badezimmer und einem Waschraum ohne Verwendung des Warmwasserbehälters wie bei den obigen Ausführungsbeispielen angewendet werden. Ferner kann die vorliegende Erfindung auf einen Warmwasserbereiter angewendet werden, bei dem das zuzuführende Wasser unter Verwendung eines in einem Fluid-Kühlmittel-Wärmetauscher strömenden Fluids (Wasser) erwärmt wird, wobei das Fluid und das Kühlmittel, die aus dem Kühlmittelkompressor 3 ausgegeben werden, in Wärmeaustausch stehen.
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils 6 so gesteuert, dass die Temperaturdifferenz (TKout – TWin) zwischen der Kühlmitteltemperatur am Auslass des Wasserkühlmittel-Wärmetauschers 4 und der Wassertemperatur an seinem Einlass in dem vorgegebenen Temperaturbereich X (z. B. 10°C) eingestellt ist. Jedoch kann der vorgegebene Temperaturbereich Y gemäß Wärmebelastungen wie beispielsweise der Außentemperatur und einer Zufuhrwassertemperatur verändert werden.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel kann das Rückführloch des flüssigen Kühlmittels 36 durch mehrere Löcher ausgebildet sein. In diesem Fall ist ein Gesamtöffnungsbereich der Rückführlöcher des flüssigen Kühlmittels 36 kleiner als der Öffnungsbereich der Öffnung 34 eingestellt.
Derartige Veränderungen und Abwandlungen fallen selbstverständlich in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Überkritisches Kühlkreislaufsystem, mit einem Kühlmittelkompressor (3) zum Komprimieren eines Kühlmittels auf einen Druck gleich einem oder größer als ein kritischer Druck des Kühlmittels; einem heizenden Wärmetauscher (4) zum Erwärmen eines Fluids durch Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und dem aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittel; einem Kühlmittelverdampfapparat (7) zum Verdampfen des Kühlmittels; einem inneren Wärmetauscher (5) zum Wärmeaustausch zwischen dem aus dem heizenden Wärmetauscher strömenden Kühlmittel und dem von dem Kühlmittelverdampfapparat zu dem Kühlmittelkompressor strömenden Kühlmittel; und einem Dekompressionsventil (6) zum Dekomprimieren des Kühlmittels aus dem inneren Wärmetauscher und zum Zuleiten des dekomprimierten Kühlmittels zu dem Kühlmittelverdampfapparat; dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (10) vorgesehen ist, welche einen Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils zum Steuern eines Drucks eines Kühlmittels auf der Hochdruckseite vor der Dekomprimierung derart steuert, dass eine Differenz (TKout – TWin) zwischen einer Kühlmittelauslasstemperatur (TKout) und einer Fluideinlasstemperatur (Twin) in dem heizenden Wärmetauscher in einem vorgegebenen Temperaturbereich (Y) eingestellt ist; wobei der innere Wärmetauscher einen ersten Kühlmittel-Wärmetauschteil (13), der zwischen einem Auslass des heizenden Wärmetauschers und dem Dekompressionsventil angeordnet ist, und einen zweiten Kühlmittel-Wärmetauschteil (14), der zwischen einem Auslass des Kühlmittelverdampfapparats und einem Sauganschluss des Kühlmittelkompressors angeordnet ist, enthält, wobei das System weiter aufweist: eine erste Kühlmitteltemperatur-Erfassungseinrichtung (25) zum Erfassen einer Einlasstemperatur (TWin) des in den zweiten Kühlmittel-Wärmetauschteil des inneren Wärmetauschers strömenden Kühlmittels; eine zweite Kühlmitteltemperatur-Erfassungseinrichtung (26) zum Erfassen einer Auslasstemperatur (TKout) des aus dem zweiten Kühlmittel-Wärmetauschteil des inneren Wärmetauschers strömenden Kühlmittels; wobei die Steuerung den Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils derart steuert, dass eine Differenz (TKout – TWin) zwischen der Auslasstemperatur des Kühlmittels und der Einlasstemperatur des Kühlmittels im zweiten Kühlmittel-Wärmetauschteil kleiner als eine vorgegebene Temperaturdifferenz (X) eingestellt ist.
Überkritisches Kühlkreislaufsystem nach Anspruch 1, ferner mit einer Fluidtemperatur-Erfassungseinrichtung (28) zum Erfassen der Fluideinlasstemperatur (TWin) an einer Einlassseite des Fluids in den heizenden Wärmetauscher; und einer Kühlmittelauslasstemperatur-Erfassungseinrichtung (22) zum Erfassen einer Kühlmittelauslasstemperatur (TKout) an einer Auslassseite des Kühlmittels in dem heizenden Wärmetauscher.
Überkritisches Kühlkreislaufsystem, mit einem Kühlmittelkompressor (3) zum Komprimieren eines Kühlmittels auf einen Druck gleich einem oder größer als ein kritischer Druck des Kühlmittels; einem heizenden Wärmetauscher (4) zum Erwärmen eines Fluids durch Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und dem aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittel; einem Kühlmittelverdampfapparat (7) zum Verdampfen des Kühlmittels; einem inneren Wärmetauscher (5) zum Wärmeaustausch zwischen dem aus dem heizenden Wärmetauscher strömenden Kühlmittel und dem von dem Kühlmittelverdampfapparat zu dem Kühlmittelkompressor strömenden Kühlmittel; und einem Dekompressionsventil (6) zum Dekomprimieren des Kühlmittels aus dem inneren Wärmetauscher und zum Zuleiten des dekomprimierten Kühlmittels zu dem Kühlmittelverdampfapparat; dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (10) vorgesehen ist, welche einen Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils zum Steuern eines Drucks eines Kühlmittels auf der Hochdruckseite vor der Dekomprimierung derart steuert, dass eine Differenz (TKout – TWin) zwischen einer Kühlmittelauslasstemperatur (TKout) und einer Fluideinlasstemperatur (Twin) in dem heizenden Wärmetauscher in einem vorgegebenen Temperaturbereich (Y) eingestellt ist; und dass eine Kühlmittelausgabetemperatur-Erfassungseinrichtung (21) zum Erfassen einer Ausgabetemperatur des aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittels vorgesehen ist, wobei die Steuerung den Ventilöffnungsgrad des Dekompressionsventils derart steuert, dass die Ausgabetemperatur des Kühlmittels niedriger als eine vorgegebene Temperatur wird.
Überkritisches Kühlkreislaufsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einem Speicher (8), der eine Speicherkammer (32) zum vorübergehenden Speichern des aus dem Kühlmittelverdampfapparat strömenden Kühlmittels und ein in den Speicher eingesetztes Auslassrohr (33) hauptsächlich zum Zuführen des gasförmigen Kühlmittels aus der Speicherkammer zu dem Kühlmittelkompressor durch den inneren Wärmetauscher enthält, wobei das Auslassrohr (33) aufweist: eine Öffnung (34) an seinem oberen Ende in der Speicherkammer, aus der das gasförmige Kühlmittel aus der Speicherkammer in das Auslassrohr eingeleitet wird; ein Ölrückführloch (35) an seinem unteren Abschnitt in der Speicherkammer zum Einleiten eines Öls in das Kühlmittel aus der Speicherkammer in das Auslassrohr; und ein Rückführloch für flüssiges Kühlmittel (36) an seinem oberen Abschnitt oberhalb des Ölrückführloches in der Speicherkammer zum Einleiten des flüssigen Kühlmittels aus der Speicherkammer in das Auslassrohr.
Überkritisches Kühlkreislaufsystem nach Anspruch 4, bei welchem das Rückführloch des flüssigen Kühlmittels (36) an einer Position vorgesehen ist, die gleich einer oder niedriger als eine Oberfläche des flüssigen Kühlmittels in der Speicherkammer wird, wenn die Temperatur des in den heizenden Wärmetauscher strömenden Fluids niedrig ist, und welche höher als die Oberfläche des flüssigen Kühlmittels in der Speicherkammer wird, wenn die Temperatur des in den heizenden Wärmetauscher strömenden Fluids hoch ist.
Überkritisches Kühlkreislaufsystem nach Anspruch 4, bei welchem der Kühlmittelverdampfapparat zum Verdampfen des Kühlmittels durch Absorbieren von Wärme aus der Luft ausgebildet ist; und das Rückführloch des flüssigen Kühlmittels an einer Position vorgesehen ist, welche gleich einer oder niedriger als eine Oberfläche des flüssigen Kühlmittels in der Speicherkammer wird, wenn die Temperatur der zu dem Kühlmittelverdampfapparat strömenden Luft niedrig ist, und welche höher als die Oberfläche des flüssigen Kühlmittels in der Speicherkammer wird, wenn die Temperatur der zu dem Kühlmittelverdampfapparat strömenden Luft hoch ist.
Überkritisches Kühlkreislaufsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welchem ein offener Bereich des Rückführlochs des flüssigen Kühlmittels kleiner als derjenige der Öffnung am oberen Ende des Auslassrohres eingestellt ist.
Überkritisches Kühlkreislaufsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welchem das Öl ein für den Kühlmittelkompressor verwendetes Schmieröl ist, welches in dem Flüssigen Kühlmittel in der Speicherkammer unlösbar ist; und das Kältemaschinenöl eine Dichte größer als diejenige des flüssigen Kühlmittels aufweist.
Überkritisches Kühlkreislaufsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem der heizende Wärmetauscher zum Heizen von zuzuführendem Wasser durch Verwendung des Fluids als Wärmequelle ausgebildet ist.
Überkritisches Kühlkreislaufsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem das Fluid zuzuführendes Wasser ist; und der heizende Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen dem Wasser und dem aus dem Kühlmittelkompressor ausgegebenen Kühlmittel zum Heizen des zuzuführenden Wassers ausgebildet ist.