DE3609337A1 - Motorisch betriebene waermepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine motorisch betriebene Wärmepumpe ent­ sprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei Wärmepumpen ändert sich verfahrensbedingt bei Veränderung der Außenlufttemperatur die Kälteleistung des Kältekreislaufes und somit auch die erforderliche Antriebsleistung des Verdichters. Zur wirtschaftlichen Auslegung von Komponenten des Wärmepumpen­ kreislaufes ist es erforderlich, die Wärmequelle auf einen Be­ reich der häufigsten Außentemperaturen von -3°C bis +3°C auszule­ gen. Eine Auslegung des Antriebsmotors auf diesen Leistungsbedarf bewirkt, daß bei steigender Außenlufttemperatur durch den Anstieg der Kälteleistung eine unerwünschte Überlastung des Antriebsmo­ tors erfolgt.

Zur Begrenzung der Kälteleistung und somit der Antriebsleistung des Antriebsmotors ist es bekannt, einen Saugdruckbegrenzer als Proportionalregler in die Ansaugleitung vor dem Verdichter einzu­ bauen. Ebenso ist die Verwendung eines Expansionsventiles mit Be­ grenzung des Saugdruckes auf einen festen Punkt bekannt. Diese Verfahren sind insofern nachteilig, als bei höheren Außentempera­ turen, also bei hohen Verdampfungs- und Kondensationstemperatu­ ren, eine Verschlechterung der Leistungszahl des Kälteprozesses durch die Begrenzung des Saugdruckes eintritt. Insbesondere über die Wärmepumpen-Jahresbetriebsdauer betrachtet, bedeutet dies ei­ nen relativ starken Abfall der Leistungsziffer und damit der Heizzahl. Nachteilig sind ferner die Kosten für diese Bauteile und deren Einbau, wobei im Kältekreislauf Drosselstellen, welche Geräusche verursachen, gebildet werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmepumpe, welche die Nachteile der bekannten Konstruktionen vermeidet und mit möglichst geringem Bauaufwand in allen Betriebsbedingungen eine einwandfreie Anpassung der Antriebsmotorleistung an die Käl­ teleistung ermöglicht, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einem Reg­ ler, welcher mit Organen zur Änderung der den Verdampfer durch­ strömenden Luftmenge in Verbindung steht, Sensorsignale zugeführt werden, wobei eine Anpassung des Saugdruckes an die zulässige An­ triebsleistung des Antriebsmotors erfolgt. Durch Änderung der den Verdampfer durchströmenden Luftmenge wird die Wärmeenergieaufnah­ me des Verdampfers auf einfache Weise gesteuert, ohne daß durch Drosselorgane in den Kältekreislauf eingegriffen werden muß. Dem­ entsprechend ist es möglich, den Saugdruck gleitend an die vor­ handene Antriebsleistung des Antriebsmotors anzupassen.

Das Organ zur Luftmengenänderung ist entsprechend der Erfindung eine stufenlos querschnittsveränderbare Drosseljalousie oder merkmalsgemäß ein gesteuerter Ventilator.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform wird gemäß einem Merkmal der Erfindung dadurch geschaffen, daß als Sensor am Verdampfer ein druck- bzw. Temperatursensor angeordnet ist. Derartige Senso­ ren sind üblicherweise ohnehin vorgesehen, so daß sie eine Mehr­ fachfunktion übernehmen. Beispielsweise wird die Temperaturmes­ sung am Verdampfer im Bereich, in dem noch keine Überhitzung des Kältemitteldampfes auftritt, angeordnet, wobei der Temperatursen­ sor eine Mehrfachfunktion aufweist, da er beispielsweise auch zur Steuerung einer Heißgasabtauung bzw. zur Saugdrucküberwachung dient.

Weitere vorteilhafte Möglichkeiten zur Anpassung des Saugdruckes an die zulässige Antriebsleistung des Antriebsmotors werden da­ durch erhalten, daß entsprechend der Erfindung der Sensor ein Drehzahlmesser einer Brennkraftmaschine ist, wobei der Drehzahlab­ fall bei der höchst zulässigen Leistungsabgabe eine Drosselung der den Verdampfer durchströmenden Luftmenge bewirkt. Wird als Antriebsmotor ein Elektromotor verwendet, so wird erfindungsgemäß die Stromaufnahme als Sensorsignal dem Regler zugeführt, der dann die Organe zur Änderung der den Verdampfer durchströmenden Luft­ menge ansteuert.

Die Regelung selbst kann als konventionelle Analogregelung, als Digitalregelung oder als mikroprozessorgesteuerte Regelung ausge­ führt sein. Bei den heute ohnehin elektronisch gesteuerten Wärme­ pumpen ist es sehr vorteilhaft, wenn die Sensorsignale einem mikroprozessorgesteuerten Regler zugeführt werden, welcher über das Organ zur Luftmengenänderung den Saugdruck des Verdampfers einer vorgegebenen Saugdruckkurve anpaßt. Auf diese Weise ist ei­ ne sehr feinfühlige Anpassung des Saugdruckes an die vorhandene Antriebsleistung des Antriebsmotors gewährleistet und der An­ triebsmotor wird sicher vor Überlastung geschützt.

Wie die Erfindung zeigt, weist die Ansteuerung des Ventilators eine Einrichtung zur stufenlosen Drehzahleinstellung auf. Ent­ sprechend weiterer Merkmale der Erfindung wird diese Einrichtung zur stufenlosen Drehzahleinstellung durch eine Phasenanschnitts­ steuerung oder durch eine Frequenzumformung gebildet. Derartige Ansteuerungen des Ventilators sind insbesondere bei höheren Tem­ peraturen der Umgebungsluft, also in der wärmeren Jahreszeit, be­ sonders vorteilhaft, da hierdurch die Geräuschentwicklung wesent­ lich vermindert wird. Zur Änderung der denVerdampfer durchströ­ menden Luftmenge ist es ohne weiteres möglich, auch eine Polum­ schaltung für den Ventilator vorzunehmen oder diesen im Ein- Ausschaltbetrieb zu fahren.

An Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Wärmepumpe in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine Ausführungsform der Wärmepumpe, bei welcher eine Brennkraftmaschine als Antriebsmotor angeordnet ist;

Fig. 3 eine von einem Elektromotor angetriebene Wärmepumpe in schematischer Darstellung;

Fig. 4 eine Ansteuerung des Ventilators mittels einer Phasenan­ schnittsteuerung;

Fig. 5 eine Ansteuerung des Ventilators mittels Frequenzumfor­ mung.

Die in Fig. 1 dargestellte Wärmepumpe weist einen mit einem Ver­ dichter 2 gekuppelten Antriebsmotor 1 auf. Saugseitig ist der Verdichter 2 über eine Ansaugleitung 3 mit einem Verdampfer 4 verbunden. Die Druckseite des Verdichters 2 steht über eine Druck­ leitung 5 mit einem Verflüssiger 6 in Verbindung, wobei in diesem Verflüssiger 6 Wärmeenergie an das Heiznetz abgegeben wird. Der Ausgang des Verflüssigers 6 steht über eine Verbindungsleitung 8, in welcher ein Expansionsventil 7 eingebaut ist, mit dem Eingang des Verdampfers 4 in Verbindung. Dieser Verdampfer 4 weist ein Gehäuse, welches in Durchlaßöffnungen angeordnete Ventilatoren 9 aufweist, auf, wobei diese Ventilatoren 9 Umgebungsluft durch den Verdampfer 4 fördern. Vom Verdampfer 4 wird aus der Umgebungsluft Wärmeenergie aufgenommen und dem Kreislauf der Wärmepumpe zuge­ führt. Ein Temperatursensor 10 ist am Verdampfer 4 in dem Bereich, in dem noch keine Überhitzung des Kältemitteldampfes auftritt, vorgesehen, welcher über die Eingangsleitung 11 Sensorsignale ei­ nem mikroprozessorgesteuerten Regler 12 zuführt. Im Regler 12 werden die analogen Eingangssignale in Digitalsignale umgewan­ delt, dort verarbeitet und über eine weitere Umwandlung von digi­ talen Werten in analoge Ausgangssignale umgewandelt und über die Ausgangsleitung 13 zur Änderung der den Verdampfer 4 durchströmen­ den Luftmenge den Ventilatoren 9 zugeführt. Bei den aus Kosten­ gründen vorzugsweise eingesetzten Motoren der Ventilatoren 9 han­ delt es sich um Asynchronmotoren in STEINMETZ-Schaltung. Zur Ver­ änderung der den Verdampfer 4 durchströmenden Luftmenge kann die Drehzahl dieser Ventilatoren stufenlos durch eine Phasenan­ schnittsteuerung, eine Frequenzumformung oder eine Polumschal­ tung eingestellt werden. Ferner ist es möglich, durch einen Ein- Ausschaltbetrieb der Ventilatoren 9 eine Änderung der den Verdamp­ fer 4 durchströmenden Luftmenge zu erreichen.

Der Temperatursensor 10 gibt über die Eingangsleitung 11 ein dem Druck proportionales Signal an den mikroprozessorgesteuerten Reg­ ler 12. Dort wird durch Vergleich mit einer Saugdruck-Sollkurve ein Ausgangssignal, welches zur Drehzahlsteuerung der Ventilato­ ren 9 dient, erzeugt, d. h., bei zu hohem Saugdruck wird über die Ventilatoren 9 durch Verringerung deren Drehzahl die durch den Verdampfer 4 strömende Luftmenge vermindert. Dadurch sinkt der Saugdruck und der Antriebsmotor 1 wird sicher vor Überlastung ge­ schützt. Ein Absenken der Drehzahl für die Ventilatoren 9, die bei höheren Temperaturen der Umgebungsluft, also in der wärmeren Jahreszeit, erfolgt, bewirkt eine wesentlich geringere Geräusch­ entwicklung durch die Ventilatoren 9.

Anstelle des Temperatursensors 10 kann ohne weiteres ein gestri­ chelt eingezeichneter Drucksensor 14 angeordnet sein, der ein dem Saugdruck in der Ansaugleitung 3 proportionales Signal über die Eingangsleitung 11 an den Regler 12 gibt. Die Einregelung des Saugdruckes erfolgt über die Ventilatoren 9 in der bereits be­ schriebenen Weise.

Die Ausführungsform gem. Fig. 2 unterscheidet sich von der gem. Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß der Verdichter 2 von einer Brennkraftmaschine 15 angetrieben wird. Zur Einregelung des Saug­ druckes im Verdampfer 4 wird dem Regler 12 über die Eingangslei­ tung 11 ein drehzahlabhängiges Signal von einem Drehzahlmesser 16 der Brennkraftmaschine 15 zugeführt. Ein Drehzahlabfall bei vorge­ gebener Leistung der Brennkraftmaschine 15 wird im Regler 12 in ein Signal umgewandelt, welches über die Ausgangsleitung 13 einer Stelleinrichtung für eine Drosseljalousie 17 des Verdampfers 4 zugeführt wird. Eine Verringerung des von der Drosseljalousie 17 gebildeten Durchlaßquerschnittes bewirkt, daß eine geringere Luft­ menge durch den Verdampfer 4 strömt und dadurch vom Verdampfer 4 weniger Wärmeenergie aufgenommen wird, so daß der Saugdruck ab­ nimmt und der Verdichter 2 einen geringeren Leistungsbedarf hat. Auf diese Weise wird die Brennkraftmaschine 15 vor Überlastung ge­ schützt.

In Fig. 3 ist der Verdichter 2 von einem Elektromotor 18 ange­ trieben, wobei die von einem Amperemeter 19 gemessene Stromauf­ nahme als Signal über die Eingangsleitung 11 dem Regler 12 zuge­ führt wird. Durch Vergleich mit vorgegebenen Werten wird im Reg­ ler 12 ein Ausgangssignal gebildet, welches über die Ausgangslei­ tung 13 zur Veränderung der Drehzahl der Ventilatoren 9 und damit zur Änderung der den Verdampfer 4 durchströmenden Luftmenge dient.

In Fig. 4 ist schematisch die stufenlose Drehzahleinstellung des Ventilators 9 mittels einer Phasenanschnittssteuerung 20 gezeigt. Dabei wird der von einem Sensor dem Regler 12 über die Eingangs­ leitung 11 zugeführte Wert verarbeitet und als Ausgangssignal der Phasenanschnittssteuerung 20 zugeführt, die wiederum über die Aus­ gangsleitung 13 den Elektromotor des Ventilators 9 ansteuert. Auf diese Weise wird eine stufenlose Drehzahleinstellung in einem weiten Bereich ermöglicht.

Eine weitere stufenlose Drehzahleinstellung des Ventilators 9 zeigt Fig. 5. Hierbei wird das über die Eingangsleitung 11 zuge­ führte Sensorsignal im Regler 12 verarbeitet und als Signal einer Frequenzumformung 21 zugeführt. Über diese Frequenzumformung 21 wird zur Drehzahlveränderung der Ventilator 9 über die Ausgangs­ leitung 13 angesteuert.

Sämtliche vorbeschriebenen Ausführungsformen bewirken, daß der Saugdruck einer motorisch betriebenen Wärmepumpe stufenlos an die vorhandene Antriebsleistung des Verdichters angepaßt werden kann, ohne über Drosselorgane in den Kältekreislauf einzugreifen. Der Antriebsmotor wird auf diese Weise sicher vor Überlastung ge­ schützt, wobei der Antriebsmotor im günstigen Wirkungsgradbereich arbeitet, so daß eine Verschlechterung der Leistungsziffer ver­ mieden wird. Die erfindungsgemäße Wärmepumpe weist einen Verdamp­ fer auf, welcher Wärmeenergie aus der diesen durchströmenden Umgebungsluft aufnimmt. Um den Saugdruck des Kältemittels an die vorhandene Antriebsleistung des Antriebsmotors stufenlos anpassen zu können und ohne Verschlechterung der Leistungszahl des Kälte­ kreisprozesses zu erhalten, wird eine entsprechend angepaßte Wär­ meenergieaufnahme des Verdampfers vorgeschlagen. Dies wird dadurch erreicht, daß Sensorsignale einem Regler zugeführt werden, welcher mit Organen zur Änderung der den Verdampfer durchströmenden Luft­ menge in Verbindung steht. Auf diese Weise wird eine sehr ein­ fache Anpassung des Saugdruckes an die zulässige Antriebsleistung des Antriebsmotors geschaffen, ohne daß hierfür zusätzliche Sen­ soren im Kältekreislauf anzuordnen sind.

Claims (10)

1. Motorisch betriebene Wärmepumpe, bestehend aus einem mit einem Antriebsmotor gekuppelten Verdichter, welcher über eine Ansaug­ leitung mit einem Wärmeenergie aufnehmenden Verdampfer und über eine Druckleitung mit einem Wärmeenergie abgebenden Ver­ flüssiger verbunden ist, wodurch der aus dem Verdampfer ange­ saugte Kältemitteldampf verdichtet und dem Verflüssiger zuge­ führt wird, während am verdichterseitigen Ausgang des Verdamp­ fers ein Druck- oder Temperatursensor angeordnet ist und der Verdampfer von einem durch mindestens einen Ventilator erzeug­ ten Luftstrom durchströmt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Sensorsignale einem Regler (12) zugeführt werden, welcher mit Organen (Ventilator 9, Drosseljalousie 17) zur Änderung der den Verdampfer (4) durch­ strömenden Luftmenge in Verbindung steht, wodurch eine Anpas­ sung des Saugdruckes an die zulässige Antriebsleistung des an­ triebsmotors (1, 15, 18) erfolgt.

2. Motorisch betriebene Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Organ zur Luftmengenänderung eine stufen­ los querschnittsveränderbare Drosseljalousie (17) angeordnet ist.

3. Motorisch betriebene Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Organ zur Luftmengenänderung mindestens ein gesteuerter Ventilator (9) angeordnet ist.

4. Motorisch betriebene Wärmepumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Temperatursensor (10) bzw. ein Drucksensor (14) am Verdampfer (4) angeordnet ist.

5. Motorisch betriebene Wärmepumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Drehzahlmesser (16) einer Brennkraftmaschine (15) angeordnet ist.

6. Motorisch betriebene Wärmepumpe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein die Stromaufnahme eines Elektromotors (18) messendes Amperemeter (19) angeordnet ist.

7. Motorisch betriebene Wärmepumpe nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsignale einem mikropro­ zessorgesteuerten Regler (12) zugeführt werden, welcher über das Organ zur Luftmengenänderung (Ventilator 9, Drosseljalou­ sie 17) den Saugdruck des Verdampfers (4) einer vorgegebenen Saugdruckkurve anpaßt.

8. Motorisch betriebene Wärmepumpe nach den Ansprüchen 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Venti­ lators (9) eine Einrichtung zur stufenlosen Drehzahleinstel­ lung aufweist.

9. Motorisch betriebene Wärmepumpe nach den Ansprüchen 1 und 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur stufen­ losen Drehzahleinstellung durch eine Phasenanschnittsteuerung (20) gebildet ist.

10. Motorisch betriebene Wärmepumpe nach den Ansprüchen 1 und 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur stufen­ losen Drehzahleinstellung durch eine Frequenzumformung (21) gebildet ist.