DE3313429A1

DE3313429A1 - Waermepumpenvorrichtung

Info

Publication number: DE3313429A1
Application number: DE19833313429
Authority: DE
Inventors: Hideyuki Ibaraki Kimura; Mituo Tsuchiura Kudo; Taketoshi Shimizu Mochizuki; Takao Shizuoka Senshu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-04-14
Filing date: 1983-04-13
Publication date: 1983-10-20
Also published as: JPS58178158A; US4528823A

Description

WÄRMEPUMPENVORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenvorrichtung mit einem Kühlkreislauf, bei welchem komprimiert wird, und insbesondere eine Wärmepumpenvorrichtung mit einer Vielzahl von Kompressoren und zugeordneten Heizkondensatoren.

Bei der Erzeugung von Warmwasser oder Warmluft durch eine Wärmepumpenvorrichtung mit einem komprimierenden Kühlkreislauf treten verschiedene Probleme auf. So wird beispielsweise der Leistungskoeffizient des Kompressors aufgrund einer zu großen Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kühlkreislaufs verringert. Häufig wird auch die Erfahrung gemacht,'daß die Temperatur des gasförmigen aus dem Kompressor abgeführten Kühlmittels extrem weit angestiegen ist, und zwar über die Zersetzungstemperatur des Kühlmittels hinaus.

Bekannt sind bereits Vorrichtungen zum Erzeugen einer hohen Temperatur, bei denen ein Kühlmittelkreislauf mit Kompression als Wärmepumpe verwendet wird (JP-OSn 114033/75, 118342/75, 29934/72). Bekannt sind außerdem Vorrichtungen zur Erzeugung von Warmwasser, die Klimaanlagen zugeordnet sind, bei denen ein Kondensator zur Erzeugung von Warmwasser auf der Abgabeseite des Kompressors gesondert vom Kondensator der Klimaanlage angeordnet ist, so daß das Warmwasser von der gasförmigen Kühlmittelkomponente aus dem Kompressor aufbereitet wird, das die Überhitzungstemperatur aufweist (JP-OSn 114033/75, 118342/75). Gewöhnlich wird die Klimaanlage bei einem vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich, beispielsweise 50° C, verglichen mit der Kondensationstemperatur betrieben, um Schwierig-

keiten zu vermeiden, wie eine Beschädigung des Kompressors durch Wärme- und thermische Zersetzung des Kühlmittels und Schmiermittels. Bei einem derartigen Warmwassererzeugungssystem ist jedoch die Wärme der Komponente mit überhitzungstemperatur vergleichsweise gering. Das Temperaturniveau, bei dem diese Wärme vorliegt, ist ziemlich niedrig. Deshalb muß eine zusätzliche Erwärmung durch eine hilfsweise elektrische Beheizung oder einen Boiler vorgesehen werden, um eine große Menge Warmwasser oder um warmes Wasser mit hoher Temperatur zu erhalten.

Zur Erzeugung von Warmwasser ist bereits ein System bekannt, daß zwei Wärmepumpenkuhlkrexsläufe verwendet (JP-OS 29934/72). In diesem System wird das warme Wasser, das in dem Kondensator des als Wärmepumpe laufenden Kühlkreislaufs,der bei niedriger Temperatur arbeit, erzeugt wird, als Wärmequelle des Wärmepumpenkühlmittelkreislaufs verwendet/ der bei höherer Temperatur arbeitet, so daß in dem zweiten Kühlkreislauf zur Erzeugung von Warmwasser mit hoher Temperatur eine Kondensationstemperatur erreicht wird, die beträchtlich höher ist als die des ersten Kühlkreislaufs. Der bei höherer Temperatur arbeitende Kühlkreislauf benutzt ein Kühlmittel, dessen Dampf druck auch bei einer hohen Temperatur nicht derart ,hoch ist. Es ist deshalb möglich, warmes Wasser mit hoher Temperatur zu erhalten, wobei diese Temperatur gut 80° C erreicht. Dieses System hat jedoch den Nachteil, daß der Leistungskoeffizient verglichen mit anderen System, die nur einen Kühlmittelkreislauf aufweisen, sehr niedrig ist.

Zum Stand der Technik gehören auch Systeme mit einem mehrstufigen Kompressor oder einer Vielzahl von Kompressoren (JP-GM 78849/74, 60154/79). Diese Systeme verwenden jedoch kein Wärmemedium mit hoher Temperatur, sondern nur ein Wärmemedium mit niedriger Tempe-

·■ —■ ·· _ 7 _ - · ratur, das vom Verdampfer gekühlt wird.

Dabei hat das eine bekannte System (JP-GM 78849/74) einen Verbundkompressor mit zwei Stufen. Das aus dem Kompressor der Niederdruckstufe abgeführte Kühlmittelgas wird in einen Behälter eingeführt, wo es in das flüssige Kühlmittel eintritt, das in dem Kondensator der Hochdruckstufe kondensiert hat, wodurch ein nahezu gesättigtes gasförmiges Kühlmittel gebildet wird, das vom Kompressor der Hochdruckstufe angesaugt wird.

Die dem Wärmemedium mit niedriger Temperatur im Verdampfer der Niederdruckstufe entzogene Wärme wird nach außen über den Kondensator der Hochdruckstufe abgeführt. Zwischen der Außenseite und dem Zwischendruckabschnitt, der mit der Abgabeseite des Kompressors zur Niederdruckstufe verbunden ist, besteht keine Wärmeaustauschbeziehung. In dem Zwischendruckabschnitt wird Wärme nur zwischen den Kühlmittelfraktionen im Kühlmittelsystem ausgetauscht, d.h. nur zwischen dem gasförmigen Kühlmittel mit hoher Temperatur, das vom Kompressor der Hochdruckstufe abgeführt wird, und dem flüssigen Kühlmittel in der Hochdruckstufe· Wenn dieses System zur Erzeugung eines Wärmemediums mit hoher Temperatur verwendet wird, ist der Leistungs- -■*·*·■ koeffizient unvermeidbar niedrig verglichen mit einem

einstufigen Kühlsystem, da das zweistufige System nicht mehr Wärme erzeugen kann, als von dem Einstufenkühlsystem erzeugt wird, da es die Wärme des gasförmigen Kühlmittels, das vom Kompressor der Niederdruckstufe abgeführt wird, nicht nutzen kann. Jedoch treten bei diesem System Probleme, wie eine Beschädigung des Kompressors durch übermäßige Erwärmung und eine thermische Zusammensetzung des Schmiermittels und Kühlmittels nicht auf, und zwar wegen der vergleichsweise niedrigen Temperatur des vom Kompressor der Hochdruckstufe abgeführten Gases, weil dieser nahezu gesättigtes gasförmiges Kühlmittel ansaugt.

Das System nach dem JP-GM 60754/79 unterscheidet sich demgegenüber nur dadurch, daß zwei Kompressoren verwendet werden und daß das aus dem Kompressor der Niederdruckseite abgeführte Gas nicht in das flüssige Kühlmittel der Hochdruckseite eintritt, sondern damit in Wärmeaustausch steht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Wärmepumpenvorrichtung mit einem Kühlkreislauf mit Kompression zu schaffen, die einen hohen Arbeitswirkungsgrad aufweist und in der Lage ist, Luft oder Wasser mit hoher Temperatur zu liefern, wobei der Temperaturbereich des Warmwassers oder der Warmluft wählbar und somit die Abgabe von Warmluft oder Warmwasser mit einer gewünschten Temperatur möglich sein soll. Außerdem soll mit der Wärmepumpenvorrichtung nicht nur Warmluft oder Warmwasser sondern auch ein Heizmedium mit niedriger Temperatur, wie Kaltluft oder kaltes Wasser erzeugt werden können. Schließlich soll sich die Wärmepumpenvorrichtung wirksam bei einer Klimaanlage nutzen lassen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Wärmepumpenvorrichtung mit einem Hauptkühlkreislauf, der einen Kompressor, einen Kondensator, einen Gas-Flüssigkeits-Separator, eine druckreduzierende Einrichtung (Expansionsventil) und einen Verdampfer aufweist, die zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs miteinander verbunden sind, erfindungsgemäß durch eine zusätzliche Kühlmittelleitung gelöst, welche von dem Gasphasenabschnitt des Gas-Flüssigkeits-Separators abzweigt und zu dem Verdampfer über einen Kompressor,

einen Kondensator und eine druckreduzierende Einrichtung führt, die gesondert von denen des Hauptkühlkreislaufs . vorgesehen werden.

In Betrieb wird das gasförmige Kühlmittel mit hoher Temperatur und hohem Druck, das vom Kompressor abgegeben wird, in den Kondensator eingeführt, um ein Wärmeabführmedium, wie Wasser, Luft oder dergleichen zu erwärmen, das durch den Kondensator zirkuliert. Als Ergebnis dieses Wärmeaustausches kondensiert das Kühlmittel zu Flüssigkeit und strömt dann in den Gas-Flüssigkeits-Separator, wo die Gasphase des Kühlmittels von der flüssigen Phase getrennt wird. Das flüssige Kühlmittel strömt dann durch die druckreduzierende Einrichtung, nämlich ein Expansionsventil, in den Verdampfer, wo das Kühlmittel durch den Wärmeaustausch mit einer äußeren Wärmequelle verdampft wird. Das durch den Wärmeaustausch mit der äußeren Wärmequelle verdampfte Kühlmittel wird zur Ansaugseite des Kompressors zurückgeführt.

Das gasförmige Kühlmittel, das sich im Sättigungszustand befindet und im oberen Teil des Gas-Flüssigkeits-Separators gesammelt wird, wird dem Kompressor der parallelen Kühlmittelleitung zugeführt und in diesem Kompressor komprimiert. Das von diesem Kompressor abgeführte gasförmige Kühlmittel mit hoher Temperatur und hohem Druck wird in den Kondensator der parallelen

. Kühlmittelleitung eingeführt und bei einer Temperatur kondensiert, die höher ist als die Kondensationstemperatur im Hauptkühlkreislauf, wobei das Wärmeabführmedium zusätzlich erwärmt wird, das bereits im Kondensator des Hauptkühlmittelkreislaufs erwärmt worden ist. Alternativ kann die Kondensation im Kondensator der parallelen Kühlmittelleitung durch die von einem anderen Wärmeabführmedium abgezweigte Wärme erfolgen, so daß die Wärmeabführmedien mit unterschiedlichen Temperaturen bei der Wärmepumpenvorrichtung als Ganzes benutzt werden. Es ist auch möglich, ein nicht azeotropisches Kühlmittelgemisch zu verwenden. In diesem

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Fall wird der größte Teil der Kühlmittelkomponente mit höherem Siedepunkt in dem Kondensator des Hauptkühlmittelkreislaufs kondensiert, während die Kühlmittelkomponente mit niedrigerem Siedepunkt in der Gasphase in dem Gas-Flüssigkeits-Separator abgetrennt wird. Dieses gasförmige Kühlmittel wird in den Kondensator der parallelen Kühlmittelleitungen eingeführt und bei einer Temperatur kondensiert, die höher ist als die Kondensationstemperatür des Hauptkühlkreislaufs, wobei zusätzlich das Wärmeabführmedium auf eine höhere Temperatur erhitzt wird. Erfindungsgemäß ist es möglich, die Anzahl der parallelen Kühlmittelleitungen entsprechend dem Bedarf unterschiedlicher Temperaturniveaus des Wärmeabführmediums zu steigern. So ist es insbesondere möglich, gewünschte Temperaturniveaus zu erhalten, deren Zahl der der parallelen Kühlmittelleitungen entspricht.

Wenn eine Vielzahl von parallelen Kühlmittelleitungen vorgesehen ist, kann ein Wärmeabführmedium mit höherer Temperatur erhalten werden, und zwar durch Verwendung eines nicht azeotropen Kühlmittels, welches aus drei Komponenten mit einer hohen, niedrigen und mittleren Siedetemperatur besteht, wobei die Anordnung so getroffen wird, daß diese Komponenten in dem Kondensator des Hauptkühlkreislaufs, dem Kondensator der ersten parallelen Kühlmittelleitung bzw. dem Kondensator der zweiten parallelen Kühlmittelleitung kondensiert werden.

So saugt bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung der Kompressor der parallelen Kühlmittelleitung fast nur gesättigtes gasförmiges Kühlmittel an, das von dem Gas-Flüssigkeits-Separator abgetrennt worden ist, und führt das komprimierte gasförmige Kühlmittel mit einer Temperatur ab, die wesentlich niedriger als die Zersetzungstemperatur des Kühlmittels ist, wo-5 durch der Arbeitsbereich der Wärmepumpenvorrichtung

erheblich beschränkt wird. Deshalb kann die Kondensationstemperatur in der parallelen Kühlmittelleitung auf ein Niveau angehoben werden, das höher ist als das des Kühlkreislaufs mit einem einzigen Kompressor, d.h. des Kühlmittelkreislaufs mit einer einzigen Kompressionsstufe, wodurch eine höhere Temperatur beim Wärmeabführmedium, wie Wasser oder Luft, erreicht werden kann. Zusätzlich wird insgesamt der Wirkungsgrad der Wärmepumpenvorrichtung merklich verbessert, da es nicht nötig ist, daß ganze Kühlmittel auf den hohen Kondensationsdruck zu komprimieren.

Es ist auch möglich, ein Wärmemedium mit niedriger Temperatur im Verdampfer der erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung zu erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der jede parallele Kühlmittelleitung einen Verdampfer hat, ist es möglich, Wärmemedien in den jeweiligen Verdampfern unabhängig abzukühlen, oder alternativ ein Wärmemedium zuerst in dem Verdampfer mit hoher Verdampfungstemperatur über einen Wärmetauscher mit Kühlmittelkomponenten eines höheren Siedepunkts und dann in einem weiteren Verdampfer von niedrigerer Verdampfungstemperatur über einen Wärmeaustausch mit der Kühlmittelkomponente eines niedrigeren Siedepunkts zu kühlen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Gas-Flüssigkeits-Separator mit einer Heizeinrichtung versehen. Bei dieser Anordnung ist es möglich, die Kapazität der Wärmepumpenvorrichtung in drei Stufen durch geeignete Wahl einer der drei Arbeitsweisen zu steuern. Dabei arbeitet bei der ersten Arbeitsweise nur der Hauptkühlkreislauf, bei der zweiten Arbeitsweise nur die parallele Kühlmittelleitung und bei einer dritten Arbeitsweise sowohl der Hauptkühlkreislauf als auch die parallele Kühlmittelleitung.

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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat die eine Pumpenvorrichtung ein Vierwegeventil zum Umschalten des Kühlmittelstroms, ein Expansionsventil zum Erwärmen, ein Expansionsventil zum Kühlen und an den jeweiligen Expansionsventilen angeordnete Rückschlagventile, so daß die Wärmepumpenvorrichtung selektiv im Heizmodus oder Kühlmodus arbeiten kann. Bei dieser Anordnung ist es möglich, eine größere Heizkapazität und somit eine höhere Temperatur der erwärmten Luft zu erhalten, während beim Kühlmodus der Hauptkühlkreislauf allein arbeitet. Somit kann die erfindungsgemäße Wärmepumpenvorrichtung als Klimaanlage verwendet werden, die für den Einsatz in kalten Gegenden geeignet ist, wo der Wärmebedarf größer als der Kühlbedarf ist.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Kühlmittelkreislauf einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit zwei abgezweigten bzw. parallelen Kühlmittelleitungen,

Fig. 2 das Schaltbild eines Kühlmittelkreislaufs einer zweiten Ausführungsform mit einer parallelen Kühlmittelleitung,

Fig. 3 das Schaltbild eines Kühlmittelkreislaufs einer dritten Ausführungsform mit zwei

parallelen Kühlmittelleitungen,

Fig. 4 das Schaltbild einer vierten Ausführungsform mit zwei parallelen Kühlmittelleitungen, von denen jede einen Verdampfer aufweist,

Fig. 5 das Schaltbild des Kühlmittelkreislaufs einer fünften Ausführungsform mit einer parallelen Kühlmittelleitung, die einen Verdampfer aufweist,

Fig. 6 das Schaltbild des Kühlmittelkreislaufs

einer sechsten Ausführungsform mit zwei parallelen Kühlmittelleitungen und einem Erhitzer in dem einen Gas-Flüssigkeits-Separator ,

10" Fig. 7 das Schaltbild des Kühlmittelkreislaufs

einer siebten Ausführungsform mit einer parallelen Kühlmittelleitung und einem Erhitzer in dem Gas-Flüssigkeits-Separator,

Fig. 8 das Schaltbild eines Kühlkreislaufs einer achten Ausführungsform mit zwei

parallelen Kühlmittelleitungen und einem Vierwegeventil zum Umschalten des Kühlmittelstroms und

Fig. 9 das Schaltbild eines Kühlmittelkreislaufs einer neunten Ausführungsform mit einer

parallelen Kühlmittelleitung und einem Vierwegeventil.

Die in Fig. 1 gezeigte Wärmepumpenvorrichtung hat einen Kompressor 1, einen ersten Kondensator 2, einen ersten Gas-Flüssigkeits-Separator 3, eine druckreduzierende Einrichtung 4, beispielsweise ein Expansionsventil, und einen Verdampfer 5, die zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs miteinander verbunden sind, der den Hauptkühlkreislauf bildet. An den Gasphasenabschnitt im oberen Teil des ersten-Flüssigkeits-Separators 3 ist eine parallele bzw. abzweigende Rohrleitung 19 angeschlossen. Das

Abzweigrohr 19 führt zu der Saugseite eines zweiten Kompressors 6, der an seiner Abgabeseite mit einem zweiten Kondensator 7 verbunden ist, an den hintereinander ein zweiter Gas-Flüssigkeits-Separator 8 und eine zweite druckreduzierende Einrichtung 9, beispielsweise ein druckreduzierendes Ventil angeschlossen sind. Die zweite druckreduzierende Einrichtung 9 ist mit einem Flüssigkeitsrohr 15 auf der Einlaßseite des Expansionsventils 5 des Hauptkühlkreislaufs verbunden, wodurch die zweite Kühlmittelleitung vervollständigt wird. Eine dritte Kühlmittelleitung wird von einem parallelen bzw. abzweigenden Rohr 22 gebildet, das mit dem Gasphasenabschnitt des zweiten Gas-Flüssigkeits-Separators 8, einem dritten Kompressor 10, einem dritten Kondensator und einer dritten druckreduzierenden Einrichtung 12, beispielsweise einem druckreduzierenden Ventil, verbunden ist, das mit der Flüssigkeitsleitung 15 auf der Einlaßseite des Expansionsventils 4 des Hauptkühlkreislaufs verbunden ist. Der Hauptkühlkreislauf, die zweite Kühlmittelleitung und die dritte Kühlmittelleitung bilden zusammen ein Kühlsystem. In dem System zirkuliert ein nicht azeotropes Kühlmittelgemisch, welches Kühlmittelkomponenten mit unterschiedlichen Sättigungstemperaturen enthält, d.h. in dem Kühlsystem läuft ein Gemisch von Kühlmitteln um, die zum sogenannten System der Freone gehören, nämlich R114., R12 und R22.

Die beschriebene Wärmepumpenvorrichtung arbeitet folgendermaßen: Das gasförmige Kühlmittel mit hoher Temperatur, das vom ersten Kompressor 1 abgegeben wird, wird in den ersten Kondensator 2 durch das Rohr 13 eingeführt. Im ersten Kondensator 2 wird das Kühlmittel R114, nämlich die Kühlmittelkomponente mit dem höchsten Siedepunkt kondensiert, wobei ein Wärmeabführmedium, wie Wasser oder Luft, erwärmt wird. Das Kühlmittel wird 5 dann in den ersten Gas-Flüssigkeits-Separator 3 eingeführt, wo die Gasphase und die Flüssigkeitsphase des

zusammengesetzten Kühlmittels voneinander getrennt werden. Die flüssige Phase des zusammengesetzten Kühlmittels wird über die Flüssigkeitsleitung 15 zum Expansionsventil 4 und dann zum Verdampfer 5 geführt, wo die flüssige Phase des zusammengesetzten Kühlmittels Wärme von einer äußeren Wärmequelle absorbiert und von der absorbierten Wärme verdampft wird. Das verdampfte Kühlmittel wird dann zur Ansaugseite des ersten Kompressors 1 zurück geführt. Die Gasphase des Kühlmittels, welches die Kühlmittelkomponenten mit mittlerem und niedrigem Siedepunkt, wie R12 und R22 enthält, wird in dem oberen Abschnitt des ersten Gas-Flüssigkeits-Separators 3 gespeichert. Diese Gasphase des Kühlmittels wird der Ansaugseite des zweiten Kompressors 6 über die parallele bzw. abzweigende Leitung 19 zugeführt. Die Gasphase des zusammengesetzten Kühlmittels, die vom zweiten Kompressor 6 auf höheren Druck und höhere Temperatur komprimiert worden ist, wird dem zweiten Kondensator 7 zugeführt, in welchem die Kühlmittelkomponente mit mittlerem Siedepunkt, die reich an R12 ist, bei einer Kondensationstemperatur kondensiert wird, die höher ist als die im ersten Kondensator 2, wobei das Wärmeabführmedium, das bereits im ersten Kondensator 2 erwärmt worden ist, zusätzlich erwärmt wird. Das kondensierte Kühlmittel strömt dann in den zweiten Gas-Flüssigkeits-Separator 8 ein, wo die Gasphase und die Flüssigkeitsphase des Kühlmittels voneinander getrennt werden. Die im unteren Abschnitt des Separators 8 gespeicherte Flüssigkeitsphase wird über die zweite druckreduzierende Einrichtung in das Flüssigkeitsrohr 15 des Hauptkühlkreislaufs eingeführt, während die Gasphase des Kühlmittels, die im oberen Teil des zweiten Gas-Flüssigkeits-Separators 8 gespeichert wird und hauptsächlich aus R22 mit niedrigem Siedepunkt besteht, vom dritten Kompressor 10 angesaugt und auf einen höheren Druck und eine höhere Tempe-

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ratur komprimiert wird. Das vom Kompressor 10 abgegebene Kühlmittel wird in den dritten Kondensator 11 eingeführt, wo es kondensiert, während es das Wärmeabführmedium, das bereits im zweiten Kondensator 7 erwärmt worden ist, weiter erwärmt. Das in dem dritten Kondensator 11 vollständig kondensierte Kühlmittel wird durch die dritte druckreduzierende Einrichtung 12 in das Flüssigkeitsrohr 15 des Hauptkühlkreislaufs zurückgeführt, wo es mit der flüssigen Kühlmittelkomponente mit hohem Siedepunkt aus dem ersten Gas-Flüssigkeits-Separator 3 und der flüssigen Kühlmittelkomponente mit mittlerem Siedepunkt, die aus dem zweiten Gas-Flüssigkeits-Separator 8 kommt, zusammengebracht wird. Das Gemisch der flüssigen Kühlmittelkomponenten wird dann über das Expansionsventil 4 und den Verdampfer 5 auf der Saugseite des ersten Kompressors 1 zurückgeführt, wodurch der Kühlkreisprozess abgegeschlossen ist. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch.

Bei dieser Arbeitsweise der Wärmepumpenvorrichtung saugen der zweite Kompressor 6 und der dritte Kompressor 10 Kühlmittelkomponenten in nahezu gesättigtem Zustand an, so daß die Abgabetemperaturen auf der Abgabeseite der Kompressoren 6 und 10 auf vergleichsweiße niedrigen Höhen gehalten werden. Es ist deshalb möglich, Schwierigkeiten, wie thermische Zersetzung des Schmiermittels und des Kühlmittels, eine Beschädigung des Kompressors und dergleichen, auszuschließen. Das bedeutet, daß die Wärmepumpenvorrichtung bei einem höheren Druck arbeiten kann, d.h. bei einer höheren Kondensationstemperatur. Da das Wärmeabführmedium in drei Stufen bei drei verschiedenen Kondensationstemperaturen erwärmt wird, ist es außerdem nicht erforderlich, die Kühlmittelkomponenten auf die höchsten Kondensationstemperaturen zu komprimieren. Deshalb kann der Energie- verbrauch der Kompressoren verringert werden, wodurch die Wärmepumpenvorrichtung mit einem höheren Leistungs-

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koeffizienten arbeiten kann.

Mit der beschriebenen Ausführungsform wird eine ausreichende Erzeugung von Wärmeabführmedium, wie Wasser und Luft, von hoher Temperatur und in ausreichend großer Menge gewährleistet.

Obwohl ein nicht azeotropes Kühlmittelgemisch bestehend aus Kühlmittelkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten, wie R114, R12 und R22 als Kühlmittel bei der beschriebenen Ausführungsform verwendet wird,kann die beschriebene Wärmepumpe auch mit einem Kühlmittel arbeiten, daß nur aus einer einzigen Komponenten besteht. In diesem Fall ist es erforderlich, den Betrieb genauer zu steuern, um beim ersten und zweiten Kondensator 2 bzw. 7 Kondensationsgeschwindigkeiten in Übereinstimmung mit dem Auslegungsverhältnis des Wärmetauschers zu erhalten. Beispielsweise wird der Betrieb so gesteuert, daß der erste und der zweite Kondensator 2 bzw. 7 jeweils einen gleichen Teil von 33 % der gesamten ausgetauschten Wärmemenge der Wärmepumpenvorrichtung abgeben.

Wenn für eine Erwärmung des Wärmeabführmediums auf eine besonders hohe Temperatur kein Bedarf mehr besteht, wird der dritte Kompressor 10 abgeschaltet, wodurch die dritte Kühlmittelleitung stillgelegt ist. Die Wärmepumpenvorrichtung arbeitet dann wie das Kühlsystem von Figur 2, das aus dem Hauptkühlkreislauf und der zweiten Kühlmittelleitung besteht, dessen Gas-Flüssigkeits-Separator fehlt. Das Wärmeabführmedium wird nur in zwei Stufen, nämlich durch den ersten Kondensator und den zweiten Kondesator 7 erwärmt. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung entspricht im wesentlichen der anhand von Figur 1 beschriebenen, mit der Ausnahme, daß die Gasphase des Kühlmittels vollständig im zweiten Kondensator 7 kon-

densiert wird. Wenn die Temperatur des Wärmeabführmediums weiter reduziert werden soll, wird der zweite Kompressor 6 abgeschaltet, so daß das Kühlmittel nur noch durch den Hauptkühlkreislauf zirkuliert. In diesem Fall wird das vom ersten Kompressor abgeführte gasförmige Kühlmittel vom ersten Kondensator vollständig verflüssigt.

Wenn im Gegensatz dazu eine höhere Temperatur des Wärmeabführmediums als bei der Ausführungsform von Figur 1 erreicht werden soll,' ist es möglich, das Wärmeabführmedium dadurch weiter zu erwärmen, daß eine nicht gezeigte vierte parallele Kühlmittelleitung angeschlossen wird, die dann einen vierten Kompressor, einen vierten Kondensator und eine vierte druckreduzierende Einrichtung aufweisen würde, wobei dieser Kreis zwischen einem dritten Gas-Flüssigkeits-Separator, der an der Auslaßseite des dritten Kondensators 11 der dritten parallelen Kühlmittelleitung angeordnet ist, und dem Flüssigkeitsrohr 15 des Hauptkühlkreises anzuordnen wäre. Bei dieser Anordnung würde das Wärmeabführmedium vom ersten Kondensator, dann vom zweiten und dritten Kondensator und schließlich vom vierten Kondensator erwärmt. Auf diese Weise ist es möglich, den Kühlkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung auf ein System η parallelen Kühlmittelleitungen zu erweitern.

Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform wird eine hohe Temperatur des Wärmeabführmediums dadurch erreicht, daß das Wärmeabführmedium in Stufen erwärmt wird. Die Anordnung von Figur 1 kann jedoch so modifiziert werden, daß die Kondensatoren so angeordnet sind, daß das Wärmeabführmedium oder die Wärmeabführmedien unabhängig erwärmt werden können,-wodurch man ein Wärmeabführmedium bzw. Wärmeabführmedien mit unterschiedlicher Abführtemperatur erhäli^.

Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform sind die Flüssigkeitsauslaßrohre der zweiten druckreduzierenden Einrichtung 9 und der dritten druckreduzierenden Einrichtung 12 gemeinsam mit dem Flüssigkeitsrohr 15 des Hauptkühlkreislaufs verbunden. Diese Flüssigkeitsauslaßrohre können jedoch auch mit dem ersten Gas-Flüssigkeits-Separator oder alternativ mit dem Rohr zwischen der druckreduzierenden Einrichtung 4 und dem Verdampfer 5 verbunden werden, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Die übrigen Abschnitte entsprechen der Ausführungsform von Figur 1. Die Arbeitsweise der Ausführungsform von Figur 3 braucht nicht,beschrieben zu werden, da sie im wesentlichen der von Figur 1 entspricht.

Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind gesonderte Verdampfer 105 und 205 an den Auslaßseiten der zweiten druckreduzierenden Einrichtung 109 und der dritten druckreduzierenden Einrichtung 212 vorgesehen. Das Kühlmittel aus verschiedenen Leitungen wird miteinander auf den Auslaßseiten der Verdampfer 105 und 205 zusammengeführt. Die übrigen Abschnitte der Anordnungen entsprechen der Ausführungsform von Figur

Bei der Anordnung von Figur 5 ist das Kühlsystem vereinfacht und besteht aus einem Hauptkühlkreislauf und aus einer zweiten parallelen Kühlmittelleitung. Bei dieser Ausführungsform wird ein Expansionsventil 23 als druckreduzierende Einrichtung der zweiten Kühlmittelleitung verwendet. Diese ermöglicht die Nutzung der in den Verdampfern erzeugten niedrigen Temperatur. Zur Nutzung dieser niedrigen Temperatur wird ein Wärmeabführmedium oder werden Wärmeabführmedien unabhängig in den gesonderten Verdampfern 5 und 24 erwärmt. Alternativ wird zunächst ein Wärmeabführmedium im Verdampfer 5, in welchem die Kühlmittelkomponente mit höherem Siedepunkt verdampft wird, gekühlt und dann auf

die niedrigere Temperatur im Verdampfer 24 abgekühlt, in dem die Kühlmittelkomponente mit der niedrigeren Siedetemperatur verdampft wird.

Figur 6 zeigt in einer weiteren Ausführungsform ein Kühlsystem, das dem von Figur 1 entspricht, jedoch eine Heizeinrichtung im ersten Gas-Flüssigkeits-Separator 3 und ein Elektromagnetventil 25 aufweist, das auf der Einlaßseite des Expansionsventils 4 des Hauptkühlkreislaufs vorgesehen ist.

Dieses Kühlsystem arbeitet genauso wie das von Figur 1, vorausgesetzt, daß das Magnetventil 25 offen ist, wenn die Heizeinrichtung 26 abgeschaltet ist. Das Kühlsystem arbeitet jedoch nur dann mit dem Hauptkühlkrexslauf, der vom ersten Kompressor 1, dem ersten Kondensator 2, dem ersten Gas-Flüssigkeits-Separator 3, dem Expansionsventil 4 und dem Verdampfer 6 gebildet wird, wenn das Magnetventil 25 offen gehalten ist, während der zweite Kompressor 6 und der dritte Kompressor 10 sowie die Heizeinrichtung 26 abgeschaltet sind.

Bei einer anderen Betriebsweise ist das Magnetventil geschlossen, der erste Kompressor 1 abgeschaltet, während der zweite Kompressor 6 und der dritte Kompressor 10 sowie die Heizeinrichtung 26 arbeiten. Das Kühlsystem arbeitet somit nur mit der zweiten Kühlmittelleitung und der dritten Kühlmittelleitung. Die zweite Kühlmittelleitung wird vom zweiten Kompressor 6, vom zweiten Kondensator 7, von dem zweiten Gas-Flüssigkeits-Separator 8, der zweiten druckreduzierenden Einrichtung 9, dem Rohr 15, dem ersten Gas-Flüssigkeits-Separator 3 und der Abzweigleitung 19 gebildet, während die dritte Kühlmittelleitung aus dem dritten Kompressor 10, dem dritten Kondensator 11 und der dritten druckreduzierenden Einrichtung 12 besteht. Bei dieser Betriebsweise arbeitet der erste Gas-Flüssigkeits-Separator 3 als Ver-

dämpfer, da Wärme extern der Heizeinrichtung 26 zugeführt wird. Die in dem ersten Gas-Flüssigkeits-Separator 3 erzeugte Gasphase des Kühlmittels wird in den zweiten Kompressor 6 geführt. Der darauffolgende Fluß des Kühlmittels durch die zweite und dritte Kühlmittelleitung entspricht dem Fluß von Figur 1.

Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Kapazitätskontrolle durch, selektive Benutzung von einer der beiden Arbeitsweisen zu bewirken. Es ist auch möglich,

ΙΟ Abwärme als der Heizeinrichtung zugeführte Wärme zu benutzen.· Bei der Betriebsweise, bei der der Hauptkühlmittelkreislauf allein wirksam ist, ist es möglich, die Kühlleistung dadurch zu steigern, daß das flüssige Kühlmittel durch Zuführung von Kühlwassser zur Heizeinrichtung unterkühlt wird. Die Heizeinrichtung kann eine elektrische Heizeinrichtung sein, wenn sie nur für den Zweck des Heizens vorgesehen wird.

Die Ausführungsform von Figur 7 wird dann eingesetzt, wenn der Bedarf an Wärmeleistung nicht so groß ist und die gewünschte Temperatur des Wärmeabführmediums nicht so hoch sein soll. Bei dieser Ausführungsform fehlen der zweite Gas-Flüssigkeits-Separator 8 der zweiten Kühlmittelleitung sowie alle Bestandteile der dritten Kühlmittelleitung. Im Gegensatz dazu ist es möglich, das Kühlmittelsystem auf η Kühlmittelleitungen auszudehnen.

Bei der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform sind zusätzlich zum Kühlkreislauf von Figur 1 ein Vierwegeventil zum Umschalten des KühlmittelStroms, eine Parallelschaltung eines Expansionsventils 4 und eines Rückschlagventils 30 am Einlaß des Verdampfers 5 und eine Kombination aus einem Expansionsventil 28 und einem Rückschlagventil 29 vorgesehen, die zwischen dem

ersten Kondensator 2 und dem Gas-Flüssigkeits-Separator 3 angeordnet sind. Dieses Kühlsystem kann im Heizmodus zum Erwärmen von Luft oder Wasser oder im Kühlmodus zum Kühlen von Luft oder Wasser eingesetzt werden. Der Verdampfer 5 dient als Verdampfer beim Heizmodus, jedoch als Kondensator beim Kühlmodus. Im Gegensatz dazu arbeitet der Kondensator 2 als Kondensator beim Heizmodus und als Verdampfer im Kühlmodus. Bei einem Betrieb im Heizmodus ist das Vierwegeventil so geschaltet, wie'es durch die ausgezogenen Linien dargestellt ist, wobei das Abführrohr 13 des ersten Kompressors 1 mit dem Rohr 31 verbunden ist, das zum ersten Kondensator 2 führt.

Beim Betrieb im Kühlmodus sind der zweite Kompressor 6 und der dritte Kompressor 10 abgeschaltet. Das Vierwegeventil ist so geschaltet, wie es durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, wodurch eine Verbindung zwischen dem Abführrohr 13 des ersten Kompressors 1 und dem Rohr 32 hergestellt wird, die zum Verdampfer 5 führt, der als Kondensator im Kühlmodus arbeitet. Das gasförmige Kühlmittel mit hoher Temperatur und hohem Druck, das vom ersten Kompressor 1 abgegeben wird, wird über das Vierwegeventil 27 dem Verdampfer 5 zugeführt, der als Kondensator im Kühlmodus dient, wodurch das Kühlmittel zur flüssigen Phase kondensiert. Das nun in der flüssigen Phase vorliegende Kühlmittel wird über den ersten Gas-Flüssigkeits-Separator 3 und das Expansionsventil 28 in den Kondensator 2 eingeführt, der im Kühlmodus als Verdämpfer arbeitet, so daß das Kühlmittel verdampft wird, während es ein Wärmeabführmedium kühlt. Das verdampfte Kühlmittel wird dann zum ersten Kompressor 1 über das Vierwegenventil 27 zurückgeführt und diese Arbeits-. weise wird für ein wirksames Abkühlen des Wärmeabführmediums wiederholt.

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Wenn das Kühlsystem dieser Ausführungsform für eine Klimaanlage verwendet wird, arbeiten der erste Kompressor 1, der zweite Kompressor 6 und der dritte Kompressor 10 so, daß die Heizleistung erhöht wird. Dabei wird die Luft als Wärmeabführmedium auf eine hohe Temperatur in drei Stufen erwärmt, um ein angenehmes Gefühl bei der Luftheizung zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu arbeitet beim Kühlmodus nur der erste Kompressor 1. Dieses Kühlsystem ist deshalb besonders für kalte Gegenden geeignet, wo die Heizleistung oder der Heizungsbedarf größer ist als die Kühlleistung oder derKühlbedarf. Beim Heizmodus wird die Feuchtigkeit in der angesaugten Umgebungsluft gewöhnlich auf dem Verdampfer 5 ausgefroren. In diesem Fall wird für eine Entfrostung gesorgt; vorausgesetzt, daß der erste Gas-Flüssigkeits-Separator 3 mit einer Heizeinrichtung versehen ist, wie sie in Figur 7 gezeigt ist, wobei der Hauptkühlkreislauf im Kühlmodus durch Umschalten des Vierwegeventils arbeitet.

Bei dieser Arbeitsweise wird die von der Heizeinrichtung 26 abgeführte Wärme wirksam für die Enteisung verwendet.

Wenn der Bedarf an Heizleistung nicht so groß ist und die angestrebte Lufttemperatur nicht so hoch sein muß, ist es möglich, einen Kühlkreislauf ohne zweiten Gas-Flüssigkeits-Separator in der zweiten Kühlmittelleitung und ohne die Bestandteile der dritten Kühlmittelleitung zu verwenden, was in Figur 9 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu kann die Anzahl der Kühlmittelleitungen kombiniert mit dem Hauptkühlkreislauf bei zunehmendem Wärmebedarf gesteigert werden.

Claims

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13. April 1983

WÄRMEPUMPENVORRICHTÜNG Patentansprüche

Wärmepumpenvorrichtung mit einem Hauptkühlkreislauf, der in einer geschlossenen Schleife einen Kompressor (1), einen Kondensator (2), einen Gas-Flüssigkeits-Separator (3)', eine druckreduzierende Einrichtung (4) und einen Verdampfer (5) aufweist, gekennzeichnet durch wenigstens eine parallele Kühlmittelleitung (19, 17, 18; 22, 20, 21), die von dem Gasphasenabschnitt wenigstens eines Gas-Flüssigkeits-Separators (3, 8) abzweigt und zu wenigstens einem Verdampfer (5, 24, 105, 205) über wenigstens einen weiteren Kompressor (6, 10), Kondensator (7, 13) und druckreduzierende Einrichtung (9, 12; 23; 109, 212) führt, die nicht zum Hauptkühlkreislauf (13, 14, 15, 16) gehören.
2. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Umlauf eines Kühlmittels in Form einer einzigen Kühlmittelkomponente in dem Hauptkühlkreislauf (13, 14, 15, 16) und Jj_n wenigstens einer parallelen Kühlmittelleitung (19, 17, 18; 22, 20, 21).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Umlauf eines nicht azeotropen Kühlmittelgemisches mit Kühlmittelkomponenten unterschiedlicher Siedetemperaturen in dem Hauptkühlkreislauf (13, 14, 15, 16) und in wenigstens einer parallelen Kühlmittelleitung (19, 17, 18; 22, 20, 21).
4. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallele Kühlmittelleitung (19, 17, 18) eine Kompressionsstufe (6) aufweist.
5. Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallele Kühlmittelleitung (19, 17, 18; 22, 20, 21) eine Vielzahl von Kompressionsstufen (6, 10) aufweist.
6. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Erwärmung desselben Tiärmeabführmediums im Kondensator (2) des Hauptkühlkreislaufs (13, 14, 15, 16) und im Kondensator (7, 11) wenigstens einer parallelen Kühlmittelleitung (19, 17, 18; 22, 20, 21) .
7. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche bis 5, gekennzeichnet durch die Erwärmung von verschiedenen Wärmeabführmedien durch den Kondensator (2) des Hau,ptkühlmittelkreislaufs (13, 14, 15, 16) und den Kondensator (7, 11) wenigstens einer parallelen Kühlmittelleitung (19, 17, 18; 22, 20, 21).
8. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das Auslaßrohr der druckreduzierenden Einrichtung (9, 12) wenigstens einer parallelen Kühlmitelleitung (19,J7, 18; 22, 20, 21) mit einem Flüssigkeitsrohr (15) verbunden ist, daß zwischen den Gas-Flüssigkeits-Separator (3) und die druckreduzierende Einrichtung (4) des Hauptkühlkreislaufs (13, 14, 15, 16) geschaltet ist.
9. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 4 und 5, dadurch gekenn ze ichnet, daß das Auslaßrohr der druckreduzierenden Einrichtung (9,12) wenigstens einer parallelen Kühlmittelleitung (19, 17, 18; 22, 20, 21) mit dem Rohr (15) zwischen der druckreduzierenden Einrichtung (4) und dem Verdampfer (5) des Hauptkühlkreislaufs (13, 14, 15, 16) verbunden ist.
10. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkühlkreislauf (13, 14, 15, 16) und wenigstens eine parallele Kühlmittelleitung (19, 17, 18; 22, 20, 21) jeweils mit Verdampf er (5, 24, 105, 205) versehen sind.
11. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine in dem Gas-Flüssigkeits-Separator (3) des Hauptkühlkreislaufs (13, 14, 15, 16) angeordnete Heizeinrichtung (26) und durch ein auf der Einlaßseite der druckreduzierenden Einrichtung (4) des Hauptkühlkreislaufs (13, 14, 15, 16) angeordnetes Absperrventil .
12. Wärmepumpenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und 11, gekennzeichnet durch ein Vierwegeventil (27) zum wahlweisen Verbinden des

-A-

Korapressors (1) des Kühlkreislaufs (13, 14, 15, 16, 31, 32) mit dem Kondensator (2) oder dem Verdampfer (5) des Hauptkühlkreislaufs, durch ein Rückschlagventil (30), das parallel zur druckreduzierenden Einrichtung (4) des Hauptkühlkreislaufs (13, 14, 15, 16, 31, 32) geschaltet ist, und durch eine Kombination einer weiteren druckreduzierenden Einrichtung (28) und eines dazu parallel geschalteten Rückschlagventils (29), wobei die Kombination zwischen den Kondensator (2) und den Gas-Flüssigkeits-Separator (3) geschaltet ist,

15' so daß der HauptkühlmittelkieLslauf (13, 14, 15, 16, 31, 3 2) entweder zur Wärmeerzeugung oder zur Kälteerzeugung entsprechend der Stellung des Vierwegeventils (27) verwendbar ist.