DE3220335A1

DE3220335A1 - Waermepumpen-kuehlsystem

Info

Publication number: DE3220335A1
Application number: DE19823220335
Authority: DE
Inventors: Sigeaki Shimizu Kuroda; Kensaku Shimizu Oguni; Hiromu Shizuoka Yasuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1982-05-28
Publication date: 1983-02-10
Also published as: DE3220335C2; US4423603A; JPH0333985B2; JPS57198968A

Description

Beschrei hing

Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpen-Kühlsystem für eine Klimaanlage oder dgl. mit einem ein Kühlmittelgemisch einschliessenden Wärmepumpen-Kühlkreis.

Ein Wärmepumpen-Kühlsystem für Klimaanlagen besteht grundsätzlich aus einem Kompressor, einem Vierwegeventil, einem Innenwärmetauscher, einem Druckminderer zum Kühlen, einem Druckminderer zum Heizen und einem Aussenwärmetauscher, die in Reihe geschaltet sind. Das Umschalten zwischen dem Kühlbetrieb und dem Heizbetrieb erfolgt durch Umkehren des Kühlmittelstroms im Kühlkreis durch geeignetes Betätigen des Vierwegeventils. Während des Kühlbetriebs wird das vom Kompressor geförderte Kühlmittel zum Kompressor rezirkuliert über das Vierwegeventil, den Aussenwärmetauscher, den kühlenden Druckminderer, den Innenwärmetauscher und dann das Vierwegeventil. In diesem Fall dient der Aussenwärmetauscher als Kondensator, während der Innenwärmetauscher als Verdampfer dient. Während des Heizbetriebs wird dagegen das vom Kompressor geförderte Kühlmittel zum Kompressor rezirkuliert über das Vierwegeventil, den Innenwärmetauscher, den kühlenden Druckminderer, den Aussenwärmetauscher und das Vierwegeventil. In diesem Fall arbeitet der Innenwärmetauscher als Kondensator, während der Aussenwärmetauscher als Verdampfer arbeitet. Wenn während des Heizbetriebs die Umgebungslufttemperatur gering und die Feuchtigkeit hoch sind, besteht die Neigung, dass die Oberfläche des Aussenwarmetauschers sich mit Eis überzieht, den Luftdurchtritt behindert und den Strömungsdurchsatz der Luft herabsetzt, woraus sich eine verringerte Heizleistung ergibt. Es ist daher erforderlich, das Eis zu entfernen, d. h. ein Entfrosten auszuführen. Der Entfrostungsbetrieb erfolgt durch Umschalten des Vierwegeventils für den Umlauf des Kühlmittels in derselben Weise wie beim Kühlbetrieb.

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Eines der Probleme der Wärmepumpen-Klimaanlage dieser Bauart besteht darin, dass die Heizleistung herabgesetzt '«'.irc, ytöjan die Umgebungslufttemperatur während des Heizbetriebs abgesenkt wird. Als Gegenmassnahme zur Überwindung dieses Problems wurde vorgeschlagen, die Heizleistung durch Erhöhen der theoretischen Fördermenge des Kompressors zu erhöhen. Dies erhöht aber unnötigerweise die Entfrostungsleistung, wodurch die Kosten des Geräts erhöht werden.

Das der Auslassdruck und der Saugdruck während des Entfrostens herabgesetzt sind, besteht ein weiteres Problem darin, dass der Eingang zum Kompressor ebenfalls verringert wird zum Herabsetzen der für das Entfrosten erforderlichen Wärme, so dass die Entfrostungszeit in unpraktischer Weise erhöht wird. Zur Überwindung dieses Problems wurde die Verwendung eines Zweikomponentenkühlmittels vorgeschlagen, das zwei Kühlmittelkomponenten mit unterschiedlichen Siedetemperaturen hat, wodurch der Energiewirkungsgrad verbessert wird.

Ein der Erfindung vorangehendes Wärmepumpen-Kühlsystem gemäss der japanischen Offenlegungsschrift 698/81 hat eine Vielzahl von Behältern an der Einlass- oder Auslasseite des Innenwärmetauschers des Kühlkreises, wobei im Kühlkreis ein Zweikomponentenkühlmittel eingeschlossen ist, das aus zwei Kühlmittelkomponenten mit unterschiedlichen Siedetemperaturen besteht. Das Zweikomponentenkühlmittel wird während des Kühlens im Kühlkreis umgewälzt, während während des Heizens die Kühlmittelkomponente mit dem höheren Siedepunkt in den Behältern gespeichert und allein die Kühlmittelkomponente mit der niedrigeren Siedetemperatur umgewälzt wird.

In diesem Kühlsystem wird nur die Kühlmittelkomponente mit dem niedrigem Siedepunkt im Kühlkreis umgewälzt und arbeitet während des Heizbetriebs als Arbeitsfluid, so dass die Heizleistung in vorteilhafter Weise erhöht wird, jedoch der Wirkungsgrad beim Kühlbetrieb in unerwünschter Weise verringert wird.

Z. U

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Wärmepumpen-Kühlsystems mit einem Kühlmittel, das zwei Kühlmittelarten mit unterschiedlichen Siedetemperaturen einschliesst, wobei während des Heizens das Zweikomponentenkühlmittel mit der grösseren Kühlmittelkonzentration und dem höheren Druck als das andere bei derselben Temperatur umgewälzt wird, während während des Kühlens das Zweikomponentenkühlmittel mit der grösseren Kühlmittelkonzentration und dem geringeren Druck als das andere bei derselben Temperatur umgewälzt wird, so dass der Wirkungsgrad und die Heizleistung erhöht werden, ohne dass die Kühlleistung unnötig erhöht wird bei gleichzeitiger Verkürzung der Entfrostungszeit.

Hierzu sind erfindungsgemäss die saugseitige Leitung und die auslasseitige Leitung eines Kompressors über ein Vierwegeventil umschaltbar mit einem Aussenwärmetauseher und einem Innenwärmetauscher verbunden, während die anderen Seiten dieser Wärmetauscher über einen ersten Druckminderer, einen Gas-Flüssigkeit-Separator und einen zweiten Druckminderer verbunden sind. Ein Kühlmittelbehälter befindet sich im Wärmeaustausch in der das Vierwegeventil mit dem Innenwärmetauscher verbindenden Leitung, während das Oberteil des Gas-Flüssigkeit-Separators und der Kühlmittelbehälter durch eine Leitung miteinander verbunden sind zur Bildung eines Wärmepumpen-Kühlkreises. Ein Zweikomponentenkühlmittel, das aus zwei Arten von Kühlmitteln mit unterschiedlichen Druck-Temperatur-Eigenschaften besteht, ist in diesem Kreis eingeschlossen. Während des Heizens wird das Zweikomponentenkühlmittel im Kühlkreis umgewälzt, das die grössere Konzentration an Kühlmittel mit niedrigem Siedepunkt, ein hohes spezifisches Dampfgewicht und einen höheren Druck bei derselben Temperatur als das andere Kühlmittel hat. Während des Kühlens wird dagegen das Zweikomponentenkühlmittel im Kühlmittelkreis umgewälzt, das die höhere Konzentration an Kühlmittel mit hohem Siedepunkt, ein geringes spezifisches Dampfgewicht und

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den höheren Druck bei derselben Temperatur als das andere Kühlmittel hat. Diese beiden Kühlmittel sind zum Beispiel Monochlordifluormethan (R22) und Monobromtrifluormethan (R13B1), das bei derselben Temperatur einen höheren Druck, ein höheres spezifisches Dampfgewicht und einen geringeren Siedepunkt als R22 hat. Während des Kühlbetriebs wird das im Aussenwärmetauscher kondensierte flüssige Kühlmittel im Druckminderer dekomprimiert und im Gas-Flüssigkeit-Separator getrennt in ein flüssiges Kühlmittel mit höherer Konzentration an R22 und ein gasförmiges Kühlmittel mit höherer Konzentration an R13B1. Da andererseits der Kühlmittelbehälter durch das vom Innenwärmetauscher entleerte Kühlmittel geringer Temperatur gekühlt wird, wird das im Gas-Flüssigkeit-Separator abgetrennte gasförmige Kühlmittel in den Kühlmittelbehälter bewegt und in diesem kondensiert. Es wird nämlich ein flüssiges Kühlmittel mit höherer Konzentration an R13B1 im Kühlmittelbehälter gesammelt. Folglich hat das im Kühlkreis umgewälzte Kühlmittel eine höhere Konzentration an R22, so dass das Kühlmittelsystem mit an die Kühlbelastung angepasstem normalem Kühlleistungsniveau arbeitet. Andererseits wird während des Heizens der Kühlkreis so umgesteuert, dass der Kühlmittelbehälter durch das heisse Kühlmittel auf hohe Temperatur erhitzt wird. Daher wird das Kühlmittel im Kühlmittelbehälter nicht kondensiert, sondern liegt in Form von gasförmigem Kühlmittel vor. Daher hat.während des Heizens das im Kühlmittelkreis umgewälzte Zweikomponentenkühlmittel eine höhere Konzentration an R13B1 als beim Kühlbetrieb, so dass eine erhöhte Heizleistung erzielbar ist. Beim Entfrostungsbetrieb des Kühlsystems wird das Kühlmittel durch dieselbe Leitung v/ie beim Kühlbetrieb umgewälzt. Da aber der Kühlmittelbehälter während des Heizbetriebs auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, wird das gasförmige Kühlmittel im Gas-Flüssigkeit-Separator selbst dann nicht im Kühlmittelbehälter kondensiert, wenn der Betrieb vom Heizbetrieb auf den Entfrostungsbetrieb umgeschaltet wird. Folglich wird dasselbe Zweikomponentenkühlmittel wie beim Heizbetrieb umgewälzt zur Erzeugung eines höheren Förderdrucks und

eines höheren Ansaugdrucks des Kompressors, was seinerseits eine Erhöhung des Strömungsdurchsatzes an Kühlmittel und folglich einen höheren elektrischen Leistungseingang zum Kompressor ermöglicht. Es ist folglich möglich, die Entfrostungszeit zu verkürzen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Wärmepumpen-Kühlsystems, das die Heizleistung erhöhen und die Entfrostungszeit verringern kann, ohne die Kühlleistung in unnötiger Weise zu erhöhen, bei gleichzeitiger Optimierung des Strömungsdurchsatzes an Kühlmittel, das während des Kühlens und Heizens im Kühlkreis umgewälzt wird.

Hierzu ist erfindungsgemäss ein zweiter Kühlmittelbehälter in Wärmeaustauschbeziehung in einer Leitung zwischen dem Vierwegeventil und dem Aussenwärmetauscher angeordnet und mit einem am Unterteil des Gas-Flüssigkeit-Separators vorgesehenen Flüssigkeitsbehälter verbunden.

Während des Kühlens wird das beim Kühlen im Aussenwärmetauscher kondensierte flüssige Kühlmittel im zweiten Druckminderer dekomprimiert und aufgeteilt in flüssiges Kühlmittel mit höherer Konzentration an R22 und gasförmiges Kühlmittel mit höherer Konzentration an R13B1. Da zusätzlich der erste Kühlmittelbehälter durch das vom Innenwärmetauscher abgegebene Kühlmittel mit niedriger Temperatur gekühlt wird, wird das gasförmige Kühlmittel im Gas-Flüssigkeit-Separator im ersten Kühlmittelbehälter unter der Voraussetzung kondensiert, dass der Druck im Gas-Flüssigkeit-Separator geeignet bestimmt wird. Folglich wird ein flüssiges Kühlmittel mit höherer R13B1-Konzentration im ersten Kühlmittelbehälter gesammelt, so dass das im Kühlmittelkreis umgewälzte Kühlmittel eine höhere Konzentration an R22 hat. Somit arbeitet das System mit normaler Kühlleistung, die an den Kühlbedarf oder die Kühlbelastung angepasst ist. Beim tatsächlichen Kühlkreis jedoch wird die Menge an Kühlmittel im Kühlkreis nicht optimal, wenn das flüssige Kühl-

mittel im ersten Kühlmittelbehälter gesammelt wird, so dass eine Neueinstellung der Kühlmittelmenge erforderlich wird. Der zweite Kühlmittelbehälter dient zur Neueinstellung der Kühlmittelmenge. Beim Kühlbetrieb wird der zweite Kühlmittelbehälter durch das vom Kompressor 1 abgegebene heisse Kühlmittel auf hohe Temperatur erhitzt/ so dass sich kein flüssiges Kühlmittel ansammeln kann, obwohl es mit dem unterteil des Gas-Flüssigkeit-Separators verbunden ist. Das während des Heizens im zweiten Kühlmittelbehälter gespeicherte flüssige Kühlmittel mit der grösseren Konzentration an R22 wird zum Kühlmittelkreis zurückgeleitet.

Andererseits wird beim Heizbetrieb der erste Kühlmittelbehälter durch das heisse Kühlmittel auf hohe Temperatur erhitzt, so dass das gasförmige Kühlmittel nicht kondensiert wird, sondern als Dampf vorliegt. Inzwischen wird das flüssige Kühlmittel im Gas-Flüssigkeit-Separator im zweiten Kühlmittelbehälter gesammelt, da letzterer durch das Kühlmittel mit der niedrigen Temperatur gekühlt wird.

Wie beschrieben, werden gasförmiges und flüssiges Kühlmittel im ersten bzw. zweiten Kühlmittelbehälter gesammelt, so dass der Umwälzdurchsatz des Kühlmittels im Kühlkreis optimiert werden kann. Verglichen mit dem Kühlen ist es ferner möglich, während des Heizens das Kühlmittel mit der höheren Konzentration an R13B1 umzuwälzen.

Beim Entfrostungsbetrieb wird der erste Kühlmittelbehälter durch die während des Heizbetriebs erzeugte Wärme auf eine hohe Temperatur erhitzt und kann das gasförmige Kühlmittel nicht im ersten Kühlmittelbehälter kondensiert werden, so dass die Konzentration an R13B1 im Kühlmittel erhöht werden kann, das in der anfänglichen Entfrostungszeit im Kühlmittelkreis umgewälzt wird.

Der zweite Kühlmittelbehälter wird während des Entfrostens all-

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mählich erhitzt, so dass das flüssige Kühlmittel in ihm niemals gespeichert wird. Dies gewährleistet in Verbindung mit dem Betrieb des ersten Kühlmittelbehälters einen grösseren Umwälzdurchsatz an Kühlmittel im Kühlmittelkreis. Folglich werden der Förderdruck und der Saugdruck des Kompressors erhöht zur Erhöhung des elektrischen Leistungseingangs zum Kompressor, so dass die zum Entfrosten verfügbare Wärme erhöht wird und die Entfrostungszeit merklich verkürzt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Wärmepumpen-Kühlsystems, das zusätzlich zu den angegebenen Merkmalen der erhöhten Heizleistung und der Verkürzung der Entfrostungszeit ohne unnötige Zunahme der Kühlleistung das weitere Merkmal aufweist, dass die Zusammensetzung des Zweikomponentengemischs zwischen dem Kühl- und Heizbetrieb weiter verändert wird, um weiter die Trennung des Zweikomponentenkühlmittels während des Kühlens und eine Erhöhung der Heizleistung während des Heizens sicherzustellen.

Hierzu ist der Gas-Flüssigkeit-Separator in zwei Stufen vorgesehen und ist zwischen zwei Separatoren ein Wärmetauscher angeschlossen. Dieser Wärmetauscher kann durch das aus dem Aussenwärmetauscher ausströmende gasförmige Kühlmittel mit niedriger Temperatur und durch das aus dem Innenwärmetauscher ausströmende gasförmige Kühlmittel mit niedriger Temperatur gekühlt werden. Zusätzlich ist der zweite Gas-Flüssigkeit-Separator mit dem Kühlmittelbehälter verbunden. Beim Kühlbetrieb wird das im ersten Gas-Flüssigkeit-Separator abgetrennte gasförmige Kühlmittel mit der höheren Konzentration an R13B1 im oben angegebenen Wärmetauscher abgekühlt und kondensiert und im zweiten Gas-Flüssigkeit-Separator einer weiteren Gas-Flüssigkeit-Trennung unterworfen. Das gasförmige Kühlmittel mit noch höherer Konzentration ans R13B1 wird in den Kühlbehälter eingeführt, so dass flüssiges Kühlmittel mit extrem hoher Konzentration an R13B1 im Kühlmittelbehälter gespeichert wird. Folglich wird Kühlmittel mit hoher Konzentration an R22 im Kühlkreis umgewälzt, so dass

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eine optimale Kühlleistung bei gleichzeitiger Verbesserung des Wirkungsgrads erzielt werden kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung besehrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kühlmittelkreisdiagramm einer Wärmepumpen-Klimaanlage gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Konzentration an Zweikomponentenkühlmittel im Kühlmittelkreis von Fig. 1 über der Temperatur;

Fig. 3 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des Kühlmittelgemischs;

Fig. 4 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Kühlmittelkonzentration und dem Wirkungsgrad;

Fig. 5 ein Kühlmittelkreisdiagramm eines Kühlmittelsystems einer weiteren Ausführungsform mit einem zweiten Kühlmittelbehälter;

Fig. 6 ein Kühlmittelkreisdiagramm einer weiteren Ausführungsform mit zwei Stufen von Gas-Flüssigkeit-Separatoren mit einem dazwischen angeschlossenen Wärmetauscher;

Fig. 7 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Konzentration und der Temperatur des im Kühlmittelkreis von Fig. 6 eingeschlossenen Zweikomponentenkühlmittels.

Gemäss Fig. 1 besteht ein Kühlmittelkreis aus einem Kompressor 1, einem Innenwärmetauscher 2, einem Aussenwärmetauscher 3, einem Vierwegeventil 4, einem ersten Druckminderer 9, einem zweiten Druckminderer 10, einem Gas-Flüssigkeit-Separator 11 und einem Kühlmittelbehälter 12, die in Reihe geschaltet sind. Das Vierwegeventil 4 wird in zwei Arten geschaltet: einem voll ausgezogen dargestellten Kühlbetrieb und einem gestrichelt

dargestellten Heizbetrieb.

Der Kühlmittelbehälter 12 ist so angeordnet, dass er mit der Leitung in Wärmeaustausch steht, die das Vierwegeventil 4 und den Innenwärmetauscher 2 verbindet. Der Kühlmittelbehälter 12 ist nämlich an der Leitung beispielsweise durch Schweissen befestigt oder umgibt alternativ die Aussenumfangsflache der Leitung. Der Kühlmittelbehälter 12 ist mit dem Oberteil des Gas-Flüssigkeits-Separators 11 verbunden. Das aus zwei Kühlmitteln mit unterschiedlichen Drucksättigung-Temperatureigenschaften bestehende Zweikomponentenkühlmittel ist in diesem Kühlmittelkreis eingeschlossen. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform sei angenommen, dass diese Kühlmittel aus R22 und R13B1 bestehen, das bei derselben Temperatur einen höheren Druck als R22, ein grösseres spezifisches Dampfgewicht und eine niedrigere Siedetemperatur hat. Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Konzentration und Temperatur, während Fig. 3 die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des Zweikomponentenkühlmittels zeigt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass bei gleichem Druck und gleicher Temperatur ein flüssiges Kühlmittel mit hoher R22-Konzentration (Punkt B) und ein gasförmiges Kühlmittel mit höherer R13B1-Konzentration (Punkt C) gleichzeitig vorliegen. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass der Druck zunimmt, wenn die R13B1-Konzentration grosser wird, vorausgesetzt, dass die Temperatur unverändert bleibt. Fig. 4 zeigt den Wirkungsgrad und die Kühlleistung bei Verwendung des Zweikomponentenkühlmittels. Der Wirkungsgrad wird vermindert, wenn die R13B1-Konzentration erhöht wird, wobei aber die Kühlleistung erhöht wird.

Die Ausführungsform von Fig. 1 arbeitet in folgender Weise. Beim Kühlbetrieb wird das vom Kompressor 1 geförderte flüssige Kühlmittel umgewälzt durch das Vierwegeventil 4, den Aussenwärmetauscher 3, den zweiten Druckminderer 10, den Gas-Flüssigkeit-Separator 11 , den ersten Druckminderer 9, den

Innenwärmetauscher 2, das Vierwegeventil 4 und den Kompressor Der Betrieb des Gas-Flüssigkeit-Separators 11 wird in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben. Das durch den Aussenwärmetauscher 3 kondensierte flüssige Kühlmittel ist bei A angegeben. Das flüssige Kühlmittel wird im zweiten Druckminderer 10 so dekomprimiert und aufgeteilt in flüssiges Kühlmittel mit höherer R22-Konzentration (bei B) und gasförmiges Kühlmittel mit höherer R13B1-Konzentration (bei C). Da andererseits der Kühlmittelbehälter 12 durch das aus dem Innenwärmetauscher 2 stammende Kühlmittel mit niedriger Temperatur gekühlt wird, wird das gasförmige Kühlmittel im Gas-Flüssigkeit-Separator 11 im Kühlmittelbehälter 12 kondensiert, vorausgesetzt dass der Druck im Gas-Flüssigkeit-Separator 11 geeignet gewählt wird, so dass das flüssige Kühlmittel mit der hohen R13B1-Konzentration im Kühlmittelbehälter 12 gesammelt wird. Daher hat das im Kühlkreis umgewälzte Zweikomponentenkühlmittel eine hohe R22-Konzentration, so dass das Kühlsystem insgesamt unter im wesentlichen gleichen Bedingungen wie das herkömmliche Kühlsystem arbeiten kann und eine im wesentlichen gleichwertige Kühlwirkung wie das herkömmliche Kühlsystem liefert.

Beim Heizbetrieb des Wärmepumpen-Kühlsystems dieser Ausführungsform wird dagegen das vom Kompressor 1 geförderte Kühlmittel zum Kompressor umgewälzt durch das Vierwegeventil 4, den Innenwärmetauscher 2, den ersten Druckminderer 9, den Gas-Flüssigkeit-Separator 11, den zweiten Druckminderer 10,den Aussenwärmetauscher 3 und das Vierwegeventil 4. Das Kühlmittel wird wie beim Kühlbetrieb im Gas-Flüssigkeit-Separator 11 aufgeteilt in flüssiges Kühlmittel mit höherer R22-Konzentration und gasförmiges Kühlmittel mit höherer R13B1-Konzentration. Der Kühlmittelbehälter 12 wird durch die vom heissen Kühlmittel abgeleitete Wärme auf hohe Temperatur erhitzt, so dass das Kühlmittel im Kühlmittelbehälter niemals kondensiert wird, sondern in Form von Dampf vorliegt. Daher hat beim Heizbetrieb das im Kühlkreis umgewälzte Zweikomponentenkühlmittel eine höhere R13B1-Konzentration als beim Kühlbetrieb, so dass die Heizleistung in vorteilhafter Weise erhöht wird.

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Beim Entfrostungsbetrieb wird das Vierwegeventil 4 umgeschaltet und gestattet ein Umwälzen des Kühlmittels in derselben Leitung wie beim Kühlbetrieb. Da aber der Kühlmittelbehälter während des Heizbetriebs auf hohe Temperatur erhitzt wird, wird der Dampf im Gas-Flüssigkeit-Separator 11 niemals kondensiert, auch wenn die Betriebsart vom Heizbetrieb auf den Entfrostungsbetrieb umgeschaltet wird. Daher wird während des Entfrostens das Zweikomponentenkühlmittel umgewälzt, das eine gleich hohe R13B1-Konzentration wie beim Heizbetrieb hat. Folglich werden der Förderdruck und der Saugdruck des Kompressors, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 dargestellt, erhöht und wird auch der Strömungsdurchsatz an Kühlmittel erhöht, wodurch für den Kompressor ein höherer elektrisches Energieeingang erforderlich wird. Folglich wird die Zeitdauer für den Entfrostungsbetrieb in vorteilhafter Weise verkürzt. Diese Wirkung wird weiter erhöht durch Versehen des Kühlmittelbehälters 12 mit einer geeigneten Wärmekapazität .

Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass erfindungsgemäss in vorteilhafter Weise die Heizleistung erhöht und die Entfrostungszeit verkürzt werden, wobei die Kühlleistung gleich derjenigen des normalen Betriebs mit einem Einkomponentenkühlmittel erhalten wird. Folglich ist es erfindungsgemäss möglich, einen verbesserten Komfort zu erzielen und elektrische Leistung einzusparen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform darin abweicht, dass ein zweiter Kühlmittelbehälter 13 in Wärmeaustausch stehend an der Leitung angeordnet ist, die zwischen dem Vierwegeventil 4 und dem Aussenwärmetauscher 3 angeschlossen ist. Der Kühlmittelbehälter 13 ist an den am Unterteil des Gas-Flüssigkeit-Separators vorgesehenen Flüssigkeitsbehälter angeschlossen. Andere Teile, einschliesslich des Einschlusses des Zweikomponentenkühlmittels aus zwei Kühlmitteln mit unterschiedlichen

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Siedetemperaturen/ sind mit denjenigen der Ausführungsform von Fig. 1 identisch.

Beim Kühlbetrieb dieser Ausführungsform wird das vom Kompressor 1 geförderte Kühlmittel zum Kompressor rezirkuliert über das Vierwegeventil 4, den Aussenwärmetauscher 3, den zweiten Druckminderer 10, den Gas-Flüssigkelt-Separator 11, den ersten Druckminderer 9, den Innenwärmetauscher 2 und das Vierwegeventil 4. Im folgenden wird der Betrieb des Gas-Flüssigkeit-Separators 11 in Verbindung mit Fig. 2 erläutert. Das im Aussenwärmetauscher 3 kondensierte flüssige Kühlmittel ist bei A angegeben und wird seinerseits im zweiten Druckminderer getrennt in flüssiges Kühlmittel mit höherer R22-Konzentration (B) und gasförmiges Kühlmittel mit höherer R13B1-Konzentration (C). Da andererseits der erste Kühlmittelbehälter 12 durch das vom Innenwärmetauscher 2 stammende Kühlmittel mit niedriger Temperatur gekühlt wird, wird das im Gas-Flüssigkeit-Separator 11 befindliche gasförmige Kühlmittel im ersten Kühlmittelbehälter 12 kondensiert durch geeignetes Wählen des Drucks im Gas-Flüssigkeit-Separator Folglich wird flüssiges Kühlmittel mit höherer R13B1-Konzentration im ersten Kühlmittelbehälter 12 gesammelt. Dies bedeutet, dass das im Kühlkreis umgewälzte Zweikomponentenkühlmittel eine hohe R22-Konzentration hat, so dass das Kühlsystem im wesentlichen unter denselben Bedingungen und mit im wesentlichen gleicher Kühlleistung und gleichem Wirkungsgrad wie das herkömmliche System arbeiten kann, das ein Einkomponentenkühlmittel verwendet.

Beim tatsächlichen Kühlzyklus, wird die Menge des Kühlmittels im Kühlzyklus nicht optimal, da das flüssige Kühlmittel im ersten Kühlmittelbehälter 12 gesammelt wird, so dass eine geeignete Nachstellung erforderlich wird. Der zweite Kühlmittelbehälter dient zu dieser Nachstellung. Das Verhältnis des Innenvolumens des zweiten Kühlmittelbehälters 13 zu demjenigen des ersten Kühlmittelbehälters 12 kann für die jewei-

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ligen Systeme optimal bestimmt werden. Beim Kühlbetrieb kann der zweite Kühlmittelbehälter 13 niemals das flüssige Kühlmittel sammeln, auch wenn er mit dem Unterteil des Gas-Flüssigkeit-Separators 11 verbunden ist, da er durch das vom Kompressor 1 geförderte heisse Kühlmittel auf hohen Temperatur erhitzt wird. Folglich wird das flüssige Kühlmittel mit hoher R22-Konzentration, das während des Erhitzens im zweiten Kühlmittelbehälter gespeichert wurde,zum Kühlkreis zurückgeleitet.

Beim Heizbetrieb wird das vom Kompressor 1 entleerte Kühlmittel zum Kompressor rezirkuliert über das Vierwegeventil 4 , den Innenwärmetauscher 2, den ersten Druckminderer 9, den Gas-Flüssigkeit-Separator 11, den zweiten Druckminderer 10, den Aussenwärmetauscher 3 und das Vierwegeventil 4. Wie im Fall des Kühlbetriebs wird das Kühlmittel im Gas-Flüssigkeit-Separator 11 getrennt in flüssiges Kühlmittel mit höherer R22-Konzentration und gasförmiges Kühlmittel mit höherer R13B1-Konzentration. Da der Kühlmittelbehälter 12 durch das heisse Kühlmittel auf hohe Temperatur erhitzt wird, wird das Kühlmittel im Kühlmittelbehälter 12 niemals kondensiert, sondern liegt in Form von Dampf vor. Inzwischen empfängt der zweite Kühlmittelbehälter 13 flüssiges Kühlmittel mit hoher R22-Konzentration. Wie beschrieben, speichern beim Wärmepumpen-Kühlsystem der beschriebenen Ausführungsform der erste und der zweite Kühlmittelbehälter 12 bzw. 13 das gasförmige bzw. das flüssige Kühlmittel, so dass die Kühlmittelmenge im Kühlzyklus optimiert werden kann. Zusätzlich kann die Heizleistung erhöht werden, da das umgewälzte Kühlmittel, verglichen mit dem beim Kühlbetrieb verwendeten Kühlmittel eine hohe R13B1-Konzentration hat.

Beim Entfrostungsbetrieb wird durch geeignete Betätigung des Vierwegeventils 4 das Kühlmittel in derselben Leitung wie beim Kühlbetrieb umgewälzt. Da aber der erste Kühlmittelbehälter 12 während des Heizbetriebs auf hohe Temperatur erhitzt wurde, wird der Dampf im Gas-Flüssigkeit-Separator 11 niemals im

Kühlmittelbehälter kondensiert, so dass zu Beginn des Entfrostens eine hohe R13B1-Konzentration im Kühlzyklus erzielbar ist. Der zweite Kühlmittelbehälter 13 wird während des Entfrostens allmählich erhitzt, so dass er zur Speicherung von flüssigem Kühlmittel brauchbar wird. Dies dient zusammen mit der Wirkung des ersten Kühlmittelbehälters 12 zur Erhöhung der Kühlmittelmenge im Kühlzyklus. Da ferner während des Entfrostens die R13B1-Konzentration hoch und die Kühlmittelmenge gross sind, werden der Auslassdruck und der Ansaugdruck des Kompressors sowie der elektrische Leistungseingang zum Kompressor erhöht, was eine bemerkenswerte Verkürzung der Entfröstungszeit ermöglicht.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Zusammensetzung des Zweikomponentenkühlmittels zwischen dem Kühlbetrieb und dem Heizbetrieb weiter verändert ist, wodurch eine grossere Wirkung erhielt wird.

Der im Oberteil des Gas-Flüssigkeit-Separators 11 befindliche Gasphasenteil ist über eine Leitung mit einem Wärmetauscher verbunden. Der Wärmetauscher 15 befindet sich in Wärmeaustauschbeziehung mit der Leitung, die das Vierwegeventil 4 mit dem Innenwärmetauscher 2 verbindet. Das andere Ende des Wärmetauschers 1 ist mit einem dritten Druckminderer 16 verbunden, dessen anderes Ende mit einem Oberteil des zweiten Gas-Flüssigkeit-Separators 11 verbunden ist. Eine mit dem unterteil des zweiten Gas-Flüssigkeit-Separators 14 verbundene Leitung ist an ihrem Mittelteil mit einem vierten Druckminderer 17 und einem Abschaltventil 18 versehen und mit einer Leitung verbunden, die den Innenwärmetauscher 2 mit dem ersten Druckminderer 1 verbindet. Der Kühlmittelbehälter 12 steht in Wärmeaustausch mit der Leitung zwischen dem Vierwegeventil 4 und dem Innenwärmetauscher 2. Das Unterteil des Kühlraittelbehälters 12 ist mit dem Oberteil des zweiten Gas-Flüssigkeit-Separators 14 verbunden.

Das Abschaltventil 18 kann während des Heizbetriebs geöffnet und während des Kühlbetriebs geschlossen werden, wenn der Kühlmittelbehälter 12 mit flüssigem Kühlmittel gefüllt wird. Die weiteren Teile sind im wesentlichen mit denjenigen der Ausführungsform von Fig. 1 identisch, so dass sich eine Detailbeschreibung dieser Teile erübrigt und diese Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Der Kühlbetrieb dieses Kühlsystems wird im einzelnen in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben, die ein Diagramm der Beziehung zwischen der Konzentration des Zweikomponentenkühlmittels und der Temperatur darstellt. Das im Aussenwärmetauscher 3 verflüssigte Kühlmittel wird im zweiten Druckminderer 10 dekomprimiert und aufgeteilt in ein flüssiges Kühlmittel mit hoher R22-Konzentration (B) und gasförmiges Kühlmittel mit hoher R13B1-Konzentration (C). Das gasförmige Kühlmittel C wird durch den Wärmetauscher 15 kondensiert, nimmt den bei D angegebenen Zustand an und wird durch den dritten Druckminderer 16 weiter dekomprimiert. Das kondensierte Kühlmittel wird dann aufgeteilt in flüssiges Kühlmittel mit hoher R22-Konzentration und gasförmiges Kühlmittel (F) mit höherer R13B1-Konzentration als am Punkt C. Das gasförmige Kühlmittel F wird im Kühlmittelbehälter 12 kondensiert und wird zum flüssigen Kühlmittel bei G. Das flüssige Kühlmittel bei E wird über das Abschaltventil 18 in die Einlasseite des Innenwärmetauschers 2 eingeführt. Wenn bei diesem Vorgang bei Füllung des Kühlmittelbehälters 12 mit dem flüssigen Kühlmittel das Abschaltventil 18 geschlossen wird, wird ein Zweikomponentenkühlmittel mit höherer R22-Konzentration als bei der Ausführungsform von Fig. 1 im Kühlmittelkreis umgewälzt. Daher kann der Zustand und Betrieb des Kühlsystems erzielt werden, der im wesentlichen mit demjenigen identisch ist, der mit reinem R22-Kühlmittel erzielt werden kann. Da der Wärmetauscher 15 und der Kühlmittelbehälter 12 in gleicher Weise wie im Fall von Fig. 1 erhitzt werden, wird beim Heizvorgang das gasförmige Kühlmittel umgewälzt und gestattet eine

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Zunahme der Heizleistung. Zusätzlich wird beim Entfrostungsbetrieb eine gleichwertige Wirkung wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 erzielt.

Gemäss Fig. 7 kann flüssiges Kühlmittel mit extrem hoher ;3¹⁷.^{; !}- Konaeritration gespeichert werden durch Erhöhen der Anzahl von Wärmeaustauschschritten gemäss Fig. 6.

Wenn auch einige bevorzugte Äusführungsformen der Erfindung unter der Annahme beschrieben wurden, dass die beiden das Zweikomponentenkühlmittel· biidenden Kühlmittel R22 und R13B1 sind, kann offensichtlich im wesentlichen eine gleichartige Wirkung mit anderen Kühlmittelarten erzielt werden.

Claims

Patentanwälte

BEETZ & PARTNER

Steinsdoristr. 1.0,8000 München 22

S 1-33..7^: 3¹P (33.7^911) 28. Mai 1982

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Wärmepumpen-Kühlsystem

Ansprüche

./ Wärmepumpen-Kühlsystem mit einem Wärmepumpen-Kühlkreis, gekennzeichnet

- durch einen Kompressor (1) mit einer saugseitigen Leitung und einer auslasseitigen Leitung,

- durch ein Vierwegeventil (4),

- durch einen Aussenwärmetauscher (3) und einen Innenwärmetauscher (2), an die die saugseitige Leitung und die auslasseitige Leitung über das Vierwegeventil (4) umschaltbar angeschlossen sind, während die anderen Seiten der Wärmetauscher (2, 3) über einen ersten Druckminderer (9), das unterteil eines Gas-Flüssigkeit-Separators (11) und einen zweiten Druckminderer (10) miteinander verbunden sind,

- durch einen Kühlmittelbehälter (12), der in einer das Vierwegeventil (4) mit dem Innenwärmetauscher (2) verbindenden Leitung angeordnet ist und einen Wärmeaustausch zwischen dieser Leitung und einer das Oberteil des Gas-Flüssigkeit-Separators (11) mit dem Kühlmittelbehälter (12) verbindenden Leitung herstellt, und

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- durch ein Zweikomponentenkühlmittelgemisch, das im Kühlkreis eingeschlossen ist und aus zwei Kühlmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen besteht.
2. System nach Anspruch 1,
gekennzeichnet

- durch einen zweiten Kühlmittelbehälter (13), der in der das Vierwegeventil (4) mit dem Aussenwärmetauscher (3) verbindenden Leitung angeordnet ist und einen Wärmeaustausch mit dieser Leitung herstellt.
3. System nach Anspruch 1,
gekennzeichnet

- durch einen gesonderten Wärmetauscher (15), einen dritten Druckminderer (16) und einen zweiten Gas-Flüssigkeit-Separator (14), die in einer Leitung angeordnet sind, die das Oberteil des zweiten Gas-Flüssigkeit-Separators (14) mit dem Kühlmittelbehälter (12) verbindet,

- wobei der gesonderte Wärmetauscher (15) in einer Leitung angeordnet ist, die das Vierwegeventil (4) mit dem Innenwärmetauscher (2) verbindet, und einen Wärmeaustausch mit dieser Leitung herstellt, und

- durch eine Leitung, die sich vom Unterteil des zweiten Gas-Flüssigkeit-Separators (14) erstreckt und einen vierten Druckminderer (17) und ein Abschaltventil (18) aufweist,

- wobei die sich vom Unterteil des zweiten Gas-Flüssigkeit-Separators (14) erstreckende Leitung mit einer Leitung verbunden ist, die zwischen dem Innenwärmetauscher (2) und dem ersten Druckminderer (19) angeschlossen ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- dass die das Zweikomponentenkühlmittel bildenden Kühlmittel aus R22 und R13B1 bestehen.

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5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Kühlmittel behälter (12; 13) die Leitung berührt
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Kühlmittelbehälter (12; 13) den Aussenumfang der Leitung umgibt.