DE60102313T2

DE60102313T2 - Wassererhitzer mit Wärmepumpe

Info

Publication number: DE60102313T2
Application number: DE60102313T
Authority: DE
Inventors: Shinya Kariya-city Noro; Hisayoshi Kariya-city Sakakibara; Jyouji Kariya-city Kuroki; Tomoaki Chiyoda-ku Kobayakawa; Kazutoshi Chiyoda-ku Kusakari; Michiyuki Chiyoda-ku Saikawa
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Tokyo Electric Power Co Inc; Denso Corp
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Denso Corp; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: EP1148307A3; US6430949B2; EP1148307B1; DE60102313D1; US20010048031A1; EP1148307A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmepumpen-Wasserheizer, der Wasser unter Verwendung eines superkritischen (transkritischen) Wärmepumpenkreises als eine Wärmequelle verwendet. Eine Klimaanlage, die einen transkritischen Wärmepumpenkreis verwendet, ist aus EP-A-0 837 291 bekannt.
2. Beschreibung des verwandten technischen Gebiets:
In einem konventionellen Wärmepumpen-Wasserheizer (siehe beispielsweise EP-A-0 762 064) wird Niedrigtemperaturwasser mit Hochtemperatur-Kältemittel einem Wärmetausch in einem Wasserwärmetauscher unterzogen, und Hochtemperaturwasser, das in dem Wasserwärmetauscher erhitzt wird, wird in einem Wassertank gespeichert, um einem Verbraucher zugeführt zu werden, nachdem die Temperatur eingestellt wurde. In dem Wärmepumpen-Wasserheizer wird eine Ziel-Temperaturdifferenz ΔT zwischen Wasser, welches in den Wasserwärmetauscher strömt, und Kältemittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher abgegeben wird, eingestellt, und hochdruckseitiger Kältemitteldruck des Wärmepumpenkreises wird auf der Grundlage der Ziel-Temperaturdifferenz ΔT zur Erhöhung einer Kreiseffizienz des Wärmepumpenkreises gesteuert. Im Allgemeinen wird hochdruckseitiger Kältemitteldruck durch Einstellen eines Ventilöffnungsgrades des Expansionsventils gesteuert.
Jedoch wird, wenn hochdruckseitiger Kältemitteldruck auf der Grundlage der Ziel-Temperaturdifferenz ΔT gesteuert wird, wenn der Wärmepumpen-Wasserheizer unter einer niedrigen Temperatur verwendet wird, ein hochdruckseitiger Kältemitteldruck (z.B. Verdampfungsdruck) des Wärmepumpenkreises gesenkt, und Temperatur von Kältemittel, welches aus einem Kompressor abgegeben wird, kann einen normalen Betriebstemperaturbereich des Kompressors übersteigen.
Wenn andererseits der hochdruckseitige Kältemitteldruck des Wärmepumpenkreises infolge einer Außenlufterhöhung, einer Wassertemperaturerhöhung, einer Drehzahlerhöhung des Kompressors oder einer Störung der Betriebsleistung des Wasserwärmetauschers erhöht wird, steigt die Belastung des Kompressors, und ein normaler Betrieb des Wärmepumpenkreises kann beeinträchtigt werden. In diesem Fall, wenn die Drehzahl des Kompressors zur Verhinderung einer Überlastung des Kompressors gesenkt wird, ist es schwierig, eine nötige Heizkapazität in dem Wasserheizer nur durch Steuerung des Ventilöffnungsgrades des Expansionsventils zu erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der vorgenannten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmepumpen-Fluiderhitzer zum Heizen eines Fluids (z.B. Wasser) unter Verwendung eines Wärmepumpenkreises als Wärmequelle bereitzustellen, in welchem eine Kältemitteltemperatur, die von einem Kompressor abgegeben wird, in einem Betriebstemperaturbereich gesteuert werden kann, selbst wenn der Wärmepumpenkreis unter niedriger Temperatur verwendet wird.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmepumpen-Fluidheizer bereitzustellen, welcher ein Problem eines Wärmepumpenkreises infolge einer Belastungserhöhung eines Kompressors verhindert, während eine erwünschte Wasserheizkapazität in einem Wasserzufuhrsystem erhalten wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung steuert in einem Wärmepumpen-Fluidheizer zum Heizen eines Fluids (z.B. Wasser) unter Verwendung eines Wärmepumpenkreises als Wärmequelle, eine Steuereinheit zur Betriebssteuerung des Wärme pumpenkreises einen hochdruckseitigen Kältemitteldruck aus dem Kompressor und bevor dieser in dem Wärmepumpenkreis dekomprimiert wird, so dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid, welches in einen Wärmetauscher hinein strömt und Kältemittel, welches aus dem Wärmetauscher abgegeben wird, eine eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz annimmt. Des weiteren weist die Steuereinheit ein Erfassungsteil zum Erfassen eines der Werte von Kältemitteltemperatur und einer physikalischen Grösse, die relativ zu der Kältemitteltemperatur ist, welche von dem Kompressor abgegeben wird, auf, und die Steuereinheit ändert die Ziel-Temperaturdifferenz dahingehend, dass diese erhöht wird, wenn ein Erfassungswert des Erfassungsteils mehr als ein vorbestimmter Wert ist. Wenn die Ziel-Temperaturdifferenz geändert wird und größer wird, wird eine Wärmetausch-Effizienz des Wärmetauschers gesenkt, und eine Wärmetauschmenge in dem Wärmetauscher reduziert. Das heißt, in diesem Fall wird, weil der Kältemitteldruck, der von dem Kompressor abgegeben wird, zur Senkung gesteuert wird, die Kältemitteltemperatur, die von dem Kompressor abgegeben wird, gesenkt. Dem gemäß kann, selbst wenn der Wärmepumpenkreis unter einem niedrigen Temperaturzustand verwendet wird, die Kältemitteltemperatur, die von dem Kompressor abgegeben wird, in einem Betriebstemperaturbereich gesteuert werden.
Vorzugsweise stellt die Steuereinheit die Ziel-Temperaturdifferenz größer ein sowie ein hochdruckseitiger Kältemitteldruck nach der Dekompression in dem Wärmepumpenkreis niedriger wird, wenn der hochdruckseitige Kältemitteldruck in dem Wärmepumpenkreis niedriger als ein vorbestimmter Wert ist. Wenn der hochdruckseitige Kältemitteldruck (z.B. Verdampfungsdruck) des Wärmepumpenkreises beispielsweise infolge einer Senkung der Außenlufttemperatur gesenkt wird, wird die Belastung des Kompressors erhöht und die Kältemitteltemperatur, die aus dem Kompressor abgegeben wird, erhöht. Dem gemäß kann, durch größeres Einstellen der Ziel-Temperaturdifferenz sowie der hochdruckseitigen Kältemitteldruck niedriger wird, wirksam die Kältemitteltemperatur von ihrer Erhöhung abgehalten werden, die von dem Kompressor abgegeben wird.
Andererseits bestimmt die Steuereinheit ob oder ob nicht eine Belastung des Kompressors übermäßig ist, und die Steuereinheit ändert die Ziel-Temperaturdifferenz dahingehend, auf einen Wert erhöht zu werden, wenn festgestellt wird, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist. In diesem Fall, wenn die Ziel-Temperaturdifferenz größer gemacht wird, arbeitet der Kompressor kontinuierlich mit einem relativ niedrigeren Hochdruck. Dem gemäß kann ein Problem eines Wärmepumpenkreises infolge einer erhöhten Belastung des Kompressors verhindert werden. Des weiteren kann, wenn das Fluid Wasser in einem Heißwasser-Zufuhrsystem ist, eine erwünschte Wasserheizkapazität erhalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Steuereinheit einen Temperaturerfassungssensor zur Erfassung einer Kältemitteltemperatur, welche von dem Kompressor abgegeben wird, auf, und die Steuereinheit steuert einen hochdruckseitigen Kältemitteldruck aus dem Kompressor und bevor dieser in dem Wärmepumpenkreis dekomprimiert wird, so dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid, welches in den Wärmetauscher hinein strömt, und Kältemittel, welches aus dem Wärmetauscher abgegeben wird, eine Ziel-Temperaturdifferenz annimmt, wenn die Kältemitteltemperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, niedriger als eine vorbestimmte Temperatur wird. Wenn andererseits die Kältemitteltemperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, höher als die vorbestimmte Temperatur ist, steuert die Steuereinheit den hochdruckseitigen Kältemitteldruck des Wärmepumpenkreises, so dass die Kältemitteltemperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, niedriger als die vorbestimmte Temperatur wird. Dem gemäß kann die Kältemitteltemperatur, die von dem Kompressor abgegeben wird, direkt ohne Änderung der Ziel-Temperaturdifferenz gesteuert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen leichter ersichtlich, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen in Betracht gezogen werden, wobei:
1 ein schematisches Diagramm eines Wärmepumpen-Wasserheizers gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Graph (T-H-Diagramm) ist, der eine Beziehung zwischen Temperatur und Enthalpie in einem Wärmepumpenkreis gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, der Kohlendioxid als Kältemittel verwendet;
3 ein Flussdiagramm ist, das einen Steuervorgang einer elektronischen Steuereinheit (ECU) gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
4 ein Flussdiagramm ist, das einen Steuervorgang der ECU gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine Kennlinie ist, welche ein Verhältnis zwischen einer Verdampfungstemperatur Ts von Kältemittel und einer ersten Ziel-Temperaturdifferenz ΔT gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
6 ein Flussdiagramm ist, das einen Steuervorgang der ECU gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7A und 7B jeweils Graphen (T-H-Diagramme) sind, die jeweils ein Verhältnis zwischen Temperatur und Enthalpie in einem Wärmepumpenkreis gemäß der dritten Ausführungsform zeigen, die Kohlendioxid als Kältemittel verwenden;
8 ein Graph ist, der ein Verhältnis zwischen einem Antriebsstrom und einer Belastung eines Kompressors gemäß einer Modifikation der vorliegenden Erfindung zeigt, und
9 ein Graph ist, der eine schrittweise Änderung der ersten Ziel-Temperaturdifferenz ΔT gemäß einer anderen Modifikation der vorliegenden Erfindung zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 1–3 beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Wärmepumpen-Wasserheizer 1 ein Heißwasserzufuhrsystem, in welchem heißes Wasser in einem Tank 2 gespeichert und einem Verbraucher zugeführt wird, nachdem dieses temperatur-eingestellt wurde. Der Wärmepumpen-Wasserheizer enthält einen Tank 2, eine elektrische Pumpe 3, die zwangsweise Wasser in einem Wasserkreislauf zirkuliert, und einen superkritischen (transkritischen) Wärmepumpenkreis 4.
Der Tank 2 ist aus Metall mit Korrosionsbeständigkeit, wie rostfreier Stahl, hergestellt, und weist einen wärme-isolierenden Aufbau auf, so dass Hochtemperatur-Heißwasser für eine lange Zeit gespeichert werden kann. In dem Tank 2 gespeichertes Heißwasser kann einer Küche, einem Bad oder dergleichen zugeführt werden, und kann als eine Wärmequelle für eine Fußbodenheizung oder eine Raumheizung oder dergleichen verwendet werden.
Die elektrische Pumpe 3, der Tank 2 und ein Wärmetauscher 7 des Wärmepumpenkreises 4 sind durch eine Wasserleitung 5 verbunden, um den Wasserkreislauf zu bilden. Deshalb zirkuliert Wasser zwischen dem Tank 2 und dem Wasserwär metauscher 7, und eine Wasserzirkulationsmenge in dem Wasserkreislauf kann in Übereinstimmung mit der Drehzahl eines Motors eingestellt werden, der in der elektrischen Pumpe 3 angeordnet ist.
Der superkritische Wärmepumpenkreis 4 verwendet beispielsweise Kohlendioxid mit niedrig-kritischem Druck als Kältemittel, so dass hochdruckseitiger Kältemitteldruck gleich oder größer dem kritischen Druck des Kohlendioxids wird. Wie in 1 gezeigt ist, enthält der Wärmepumpenkreis 4 einen Kompressor 6, den Wasserwärmetauscher 7, ein Expansionsventil 8, einen Luftwärmetauscher 9 und einen Sammler 10.
Der Kompressor 6 enthält einen elektrischen Motor 6a, welcher durch einen Inverter-Schaltkreis 16 angetrieben wird. Der Kompressor 6 komprimiert angesaugtes gasförmiges Kältemittel durch die Rotation des elektrischen Motors 6a, so dass Kältemittel, welches aus dem Kompressor 6 abgegeben wird, einen Druck gleich oder größer dem kritischen Druck des Kältemittels aufweist. Der Wasserwärmetauscher 7 ist angeordnet, um einen Wärmetausch zwischen Hochdruck-Gaskältemittel, welches aus dem Kompressor 6 abgegeben wird, und Wasser, welches aus der elektrischen Pumpe 3 gepumpt wird, auszuführen. In dem Wasserwärmetauscher 7 ist eine Strömungsrichtung von Kältemittel entgegengesetzt zu einer Strömungsrichtung von Wasser eingestellt.
Das Expansionsventil 8 ist so konstruiert, dass ein Ventilöffnungsgrad elektrisch eingestellt werden kann. Das Expansionsventil 8 ist an einer stromabwärtigen Seite des Wasserwärmetauschers 7 in einer Kältemittelströmungsrichtung angeordnet, und dekomprimiert Kältemittel, welches in dem Wasserwärmetauscher 7 in Übereinstimmung mit einem Ventilöffnungsgrad gekühlt wird. Ein Lüfter 11 zum Blasen von Luft (d.h. Außenluft) zu dem Luftwärmetauscher 9 hin ist so angeordnet, dass Kältemittel, welches in dem Expansionsventil 8 dekomprimiert wird, einem Wärmetausch mit Luft in dem Luftwärmetauscher 9 unterzogen wird. Deshalb wird Kältemittel in dem Luftwärmetauscher 9 durch Wärmeabsorption von Luft verdampft.
Kältemittel aus dem Luftwärmetauscher 9 strömt in den Sammler 10 und wird in dem Sammler 10 in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel getrennt. Nur abgetrenntes gasförmiges Kältemittel in dem Sammler 10 wird in den Kompressor 6 gesaugt, und überschüssiges Kältemittel in dem Wärmepumpenkreislauf 4 wird in dem Sammler 10 gespeichert.
Der Wärmepumpen-Wasserheizer 1 weist eine elektrische Steuereinheit (nachfolgend als ECU bezeichnet) 15 und mehrere Sensoren 12–14 auf. Die mehreren Sensoren 12–14 sind insbesondere ein erster Kältemittel-Temperatursensor 12 zum Erfassen einer Temperatur Td von Kältemittel, welches aus dem Kompressor 6 abgegeben wird, ein Wassertemperatursensor 13 zum Erfassen von Temperatur Tw von in den Wasserwärmetauscher 7 strömendem Wasser, und der zweite Kältemittel-Temperatursensor 14 zum Erfassen von Temperatur Tr von aus dem Wasserwärmetauscher 7 strömendem Kältemittel. Erfassungssignale von den Sensoren 12–14 werden in die ECU 15 eingegeben, und die ECU 15 steuert den Betrieb des Wärmepumpenkreises 4.
Die ECU 15 steuert einen hochdruckseitigen Kältemitteldruck in dem Wärmepumpenkreis 4 auf der Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen Wasser, welches in den Wasserwärmetauscher 7 hineinströmt, und Kältemittel, welches aus dem Wasserwärmetauscher 7 herausströmt, so dass der Wärmepumpenkreis 4 mit hoher Effizienz betrieben werden kann. Das heißt, eine Ziel-Temperaturdifferenz ΔT zwischen in den Wasserwärmetauscher 7 hineinströmendem Wasser und aus dem Wasserwärmetauscher 7 herausströmendem Kältemittel wird als ein Index der Kreiseffizienz festgelegt, und der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 wird elektrisch gesteuert, so dass die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT erhalten wird.
Als nächstes wird der Steuervorgang der ECU 15 gemäß der ersten Ausführungsform nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Als erstes wird im Schritt S10 der hochdruckseitige Kältemitteldruck des Wärmepumpenkreises 4 durch Steuerung des Ventilöffnungsgrades des Expansionsventils 8 gesteuert, so dass eine eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz ΔT (z.B. 10 °C) erhalten wird. Als nächstes wird im Schritt S20 die Kältemitteltemperatur Td, welche von dem Kompressor 6 abgegeben wird, durch den ersten Kältemittel-Temperatursensor 12 erfasst.
In Schritt S30 wird festgestellt, ob oder ob nicht die Kältetemperatur Td, welche von dem Kompressor 6 abgegeben wird, gleich oder größer einem vorbestimmten Wert Tdp ist. In der ersten Ausführungsform ist der vorbestimmte Wert Tdp auf der Grundlage einer zulässigen oberen Grenztemperatur des Kompressors 6 eingestellt. Wenn erfasst wird, dass die Kältemitteltemperatur Td, die von dem Kompressor 6 abgegeben wird, gleich oder höher als der vorbestimmte Wert Tdp in Schritt S30 ist, wird die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT in Schritt S40 erhöht. Anschließend kehrt die Steuerroutine zurück zu Schritt S10. Dem gemäß wird die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT allmählich erhöht, bis die Kältemitteltemperatur Td, die von dem Kompressor 6 abgegeben wird, kleiner als der vorbestimmte Wert Tdp wird. Wenn andererseits festgestellt wird, dass die Kältemitteltemperatur Td, welche von dem Kompressor 6 abgegeben wird, niedriger als der vorbestimmte Wert Tdp in Schritt S30 ist, wird in Schritt S50 festgestellt, ob oder ob nicht eine Wasserheizkapazität eine Ziel-Wasserheizkapazität erreicht. Zum Beispiel kann die Wasserheizkapazität auf der Grundlage einer Wärmemenge von heißem Wasser festgestellt werden, das durch Kältemittel in dem Wasserwärmetauscher 7 erhitzt und in dem Tank 2 gespeichert wird. Hier wird die Wärmemenge von Heißwasser in Übereinstimmung mit einer Heißwassertemperatur und einer Heißwasser-Strömungsmenge berechnet. Insbesondere wird, wenn die Wärmemenge, welche in das Wasser übertragen wird, für eine vorbestimmte Zeit gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, bestimmt, dass die Ziel-Wasserheizkapazität erhalten ist.
Wenn in Schritt S50 festgestellt wird, dass die Wasserheizkapazität die Ziel-Wasserheizkapazität erreicht, ist die Steuerroutine beendet. Wenn andererseits in Schritt S50 festgestellt wird, dass die Wasserheizkapazität nicht die Ziel-Wasser heizkapazität erreicht, wird die Drehzahl des Motors 6a des Kompressors 6 erhöht, um die Ziel-Wasserheizkapazität zu erhalten. Anschließend kehrt die Steuerroutine zurück zu Schritt S10.
Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wenn die Kältemitteltemperatur Td, welche von dem Kompressor 6 abgegeben wird, höher als der vorbestimmte Wert Tdp ist, die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT dahingehend geändert, dass diese erhöht wird, und deshalb wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 8 größer. 2 zeigt beide Zustände des Wärmepumpenkreises 4, bevor und nachdem der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 größer wurde. In 2 bezeichnet Q' eine Heizabstrahlkapazität des Wasserwärmetauschers 7, bevor der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 größer wird, Q bezeichnet die Wärmeabstrahlkapazität des Wasserwärmetauschers 7, nachdem der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 größer wurde, L' bezeichnet eine Kompressionsbetriebsmenge (d.h. verbrauchte Leistung), bevor der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 größer wird, und L bezeichnet die Kompressionsbetriebsmenge, nachdem der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 größer wurde. Bevor der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 größer wird, ist die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT' in einem zulässigen Bereich, aber die Kältemitteltemperatur Td', welche von dem Kompressor 6 abgegeben wird, ist höher als der vorbestimmte Wert Tdp. Dieser Kreiszustand wird leicht bewirkt, wenn die Außenlufttemperatur niedriger wird und der hochdruckseitige Kältemitteldruck des Wärmepumpenkreises 4 niedriger wird.
Nachdem der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 größer wurde, wird, da der hochdruckseitige Kältemitteldruck des Wärmepumpenkreises 4 sinkt, die Kompressionsbetriebsmenge des Kompressors 6 gesenkt (L' → L), und die Wärmeabstrahlmenge des Wasserwärmetauschers 7 wird gesenkt (Q' → Q). Als Ergebnis sinkt die Kältemitteltemperatur Td, welche von dem Kompressor 6 abgegeben wird. Bis die Kältemitteltemperatur Td, die von dem Kompressor 6 abgegeben wird, auf den Betriebstemperaturbereich des Kompressors 6 gesenkt wird, wird die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT dahingehend geändert, dass sie erhöht wird. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel kann, da die Kältemitteltemperatur Td, welche von dem Kompressor 6 abgegeben wird, dahingehend gesenkt werden kann, dass diese in dem Betriebstemperaturbereich ist, ein den Kompressor 6 betreffendes Problem verhindert werden.
Bei der vorbeschriebenen ersten Ausführungsform kann, anstelle der Kältemitteltemperatur Td, die durch den ersten Kältemittel-Temperatursensor 12 erfasst wird, eine physikalische Größe, die mit der Kältemitteltemperatur Td im Verhältnis steht, wie ein Verdampfungsdruck, eine Verdampfungstemperatur und ein Kältemitteldruck, der von dem Kompressor 6 abgegeben wird, verwendet werden.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschrieben. In der zweiten Ausführungsform ist die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT auf der Grundlage einer hochdruckseitigen Kältemitteltemperatur (z.B. Verdampfungstemperatur Ts von Kältemittel) eingestellt. In der zweiten Ausführungsform sind die anderen Teile ähnlich denen der vorbeschriebenen ersten Ausführungsform.
4 ist ein Flussdiagramm, welches einen Steuervorgang der ECU 15 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Zunächst wird in Schritt S110 der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventil 8 dahingehend gesteuert, dass eine eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz ΔT erhalten werden kann. Als nächstes wird eine Verdampfungstemperatur Ts von Kältemittel in Schritt S120 erfasst, und in Schritt S130 wird erfasst, ob oder ob nicht die Verdampfungstemperatur Ts gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur Ts1 (d.h. Schutz-Steuerstarttemperatur) ist. Wenn die Verdampfungstemperatur Ts von Kältemittel gleich oder niedriger der vorbestimmten Temperatur Ts1 in Schritt S130 ist, wird die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT auf der Grundlage der Verdampfungstemperatur Ts von Kältemittel in Übereinstimmung mit dem Graph von 5 bestimmt. In 5 bezeichnet Tp einen Schutz-Steuerstartpunkt. Wenn andererseits die Verdampfungstemperatur Ts von Kältemittel höher als die vorbestimmte Temperatur Ts1 in Schritt S130 ist, geht die Steuerroutine zu Schritt S170.
Nachdem die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT in Schritt S140 erfasst wurde, wird in Schritt S150 eine tatsächliche Temperaturdifferenz ΔT0 erfasst, und in Schritt S160 wird die eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz ΔT mit der tatsächlichen Temperaturdifferenz ΔT0 verglichen. Das heißt, in Schritt S160 wird festgestellt, ob oder ob nicht die eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz ΔT in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Temperaturdifferenz ΔT0 ist. Wenn festgestellt wird, dass die eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz ΔT in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Temperaturdifferenz ΔT0 ist, geht die Steuerroutine auf Schritt S170. Wenn andererseits festgestellt wird, dass die eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz ΔT nicht in Übereinstimmung mit der tatsächlichen Temperaturdifferenz ΔT0 ist, geht die Steuerroutine zu Schritt S110.
In Schritt S170 wird festgestellt, ob oder ob nicht eine Wasserheizkapazität eine Ziel-Wasserheizkapazität erzielt. Wenn festgestellt wird, dass die Wasserheizkapazität die Ziel-Wasserheizkapazität erzielt, ist die Steuerroutine beendet. Wenn andererseits festgestellt wird, dass die Wasserheizkapazität die Ziel-Wasserheizkapazität nicht erzielt, wird die Drehzahl des Motors 6a des Kompressors 6 in Schritt S180 erhöht, um die Ziel-Wasserheizkapazität zu erhalten. Anschließend geht die Steuerroutine zu Schritt S10.
Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, wenn die Kältemittel-Verdampfungstemperatur Ts niedriger als die vorbestimmte Temperatur Ts1 ist, die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT dahingehend eingestellt, dass diese größer als eine allgemeine Steuerung auf der Grundlage der Kältemittel-Verdampfungstemperatur Ts ist. Deshalb wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 8 größer, der Kältemitteldruck, welcher von dem Kompressor 6 abgegeben wird, wird niedriger, und Kältemitteltemperatur Td, welche von dem Kompressor 6 abgegeben wird, kann auf den Betriebstemperaturbereich gesenkt werden. Als Ergebnis kann ein den Kompressor 6 in dem Wärmepumpenkreis 4 betreffendes Problem verhindert werden. In der zweiten Ausführungsform kann, wenn die Kältemitteltemperatur Td, welche von dem Kompressor 6 abgegeben wird, infolge einer Senkung der Wassertemperatur niedriger wird, die vorbestimmte Temperatur Ts1 (Schutz-Steuerstarttemperatur) auf einen niedrigen Wert eingestellt werden.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 6, 7A und 7B beschrieben. In der dritten Ausführungsform wird festgestellt, ob oder ob nicht die Belastung, die auf den Kompressor 6 ausgeübt wird, übermäßig (d.h. größer als ein oberer Grenzwert) ist, und die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT wird größer eingestellt, wenn die Belastung des Kompressors 6 übermäßig ist. In der dritten Ausführungsform wird zur Feststellung der Belastung des Kompressors 6 ein Betriebszustand eines Schutz-Schaltkreises (nicht gezeigt) erfasst, welcher einen Ausgangsstrom zum Schutz des Inverter-Schaltkreises 16 beschränkt. Wenn der Ausgangsstrom durch den Schutz-Schaltkreis beschränkt wird, wird festgestellt, dass die Belastung des Kompressors 6 größer als der obere Grenzwert ist. Das heißt, in diesem Fall wird festgestellt, dass die Belastung des Kompressors 6 übermäßig ist.
6 ist ein Flussdiagramm, welches einen Steuervorgang der ECU 15 gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Zuerst wird in Schritt S210 der hochdruckseitige Kältemitteldruck des Wärmepumpenkreises 4 durch Steuerung des Ventilöffnungsgrades des Expansionsventils 8 gesteuert, so dass eine eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz ΔT erhalten werden kann. Als nächstes wird in Schritt S220 festgestellt, ob oder ob nicht eine Strombeschränkung infolge des Inverter-Schaltkreises 16 in dem Kompressor 6 ausgeführt wird. Wenn die Strombeschränkung in Schritt S220 ausgeführt wird, wird in Schritt S230 die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT dahingehend geändert, größer zu werden (z.B. 15 °C), und anschließend geht die Steuerroutine zu Schritt S210.
Wenn andererseits die Strombeschränkung nicht in Schritt S220 ausgeführt wird, wird in Schritt S240 festgestellt, ob oder ob nicht eine Wasserheizkapazität eine Ziel-Wasserheizkapazität erreicht. Zum Beispiel kann die Wasserheizkapazität auf der Grundlage einer Wärmemenge von Heißwasser festgestellt werden, das durch Kältemittel in dem Wasserwärmetauscher 7 erhitzt und in dem Tank 2 gespeichert wird. Hier wird die Wärmemenge von Heißwasser in Übereinstimmung mit einer Heißwassertemperatur und einer Heißwasserströmungsmenge berechnet. Insbesondere wird, wenn die auf das Wasser übertragene Wärmemenge für eine vorbestimmte Zeit gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, festgestellt, dass die Ziel-Wasserheizkapazität erhalten wird.
Wenn festgestellt wird, dass die Wasserheizkapazität die Ziel-Wasserheizkapazität erreicht, ist die Steuerroutine beendet. Wenn andererseits festgestellt wird, dass die Wasserheizkapazität die Ziel-Wasserheizkapazität nicht erreicht, wird die Drehzahl des Motors 6a des Kompressors 6 in Schritt S250 erhöht, um die Ziel-Wasserheizkapazität zu erhalten. Anschließend geht die Steuerroutine auf Schritt S210.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird in einem normalen Betrieb des Wärmepumpenkreises 4, wie in 7A gezeigt, der hochdruckseitige Kältemitteldruck so gesteuert, dass die eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz ΔT (z.B. 10 °C) erhalten werden kann, und ein geeigneter Wärmetauschzustand des Wärmetauschers 7 kann erhalten werden. Wenn andererseits die Belastung des Kompressors 6 aus einem Grund übermäßig wird, wird die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT (z.B. 10 °C) dahingehend geändert, dass sie um einen Wert (z.B. 5 °C) gegenüber dem normalen Betriebszustand erhöht wird, wie in 7B gezeigt ist. Selbst in diesem Fall arbeitet der Wärmepumpenkreislauf mit einem hochdruckseitigen Kältemitteldruck, der niedriger als in dem normalen Betriebszustand ist.
In der dritten Ausführungsform kann, selbst wenn die Strombeschränkung infolge des Inverter-Schaltkreises 16 ausgeführt wird, die Strombeschränkung durch Erhöhung der Ziel-Temperaturdifferenz ΔT gelöscht werden, und es kann verhindern, dass die Kältemittel-Strömungsmenge infolge einer Minderung der Drehzahl des Kompressors 6 gesenkt wird. Als Ergebnis kann eine erforderliche Wasserheizkapazität in dem Wärmepumpen-Wasserheizer 1 erhalten werden, ohne den Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 mehr als einen erforderlichen Grad zu drosseln.
Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen für Fachleute ersichtlich sind.
Beispielsweise ist in den vorbeschriebenen Ausführungsformen die vorliegende Erfindung typischerweise auf einen Wärmepumpen-Wasserheizer 1 zum Heizen von Wasser angewandt. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auf einen Wärmepumpen-Fluidheizer zum Heizen eines Fluids unter Verwendung des Wärmepumpenkreislaufs 4 als eine Wärmequelle angewandt werden.
In den vorbeschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen wird der Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils 8 dahingehend gesteuert, dass die eingestellte Ziel-Temperaturdifferenz ΔT erhalten werden kann. Jedoch kann eine Wasserabgabemenge der elektrischen Pumpe 3 gesteuert werden, so dass die Strömungsmenge von in den Wasserwärmetauscher 7 strömendem Wasser geändert wird und die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT erhalten wird.
In der vorbeschriebenen dritten Ausführungsform wird die übermäßige Belastung des Kompressors 6 auf der Grundlage der Strombegrenzung infolge des Inverter-Schaltkreises 16 erfasst. Jedoch wird elektrischer Strom, der auf den Motor 6a des Kompressors 6 von dem Inverter-Schaltkreis 16 ausgeübt wird, erfasst und die' Belastung des Kompressors 6 kann auf der Grundlage des ausgeübten elektrischen Stroms festgestellt werden. Zum Beispiel wenn, wie in 8 gezeigt ist, elektrischer Strom, der auf den Motor 6a ausgeübt wird, gleich oder größer als ein Feststellungswert ist, wird festgestellt, dass die Belastung des Kompressors 6 größer oder gleich einem eingestellten oberen Grenzwert ist, und die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT wird dahingehend geändert, größer zu sein.
Des weiteren kann eine übermäßige Belastung des Kompressors 6 auf der Grundlage von zumindest einer physikalischen Größe, die zu der Belastung des Kompressors im Verhältnis steht, festgestellt werden, wie eine Ziel-Heiztemperatur von Wasser, einer Außenlufttemperatur und eine Drehzahl des Kompressors 6.
Des weiteren kann in der dritten Ausführungsform, wenn die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT geändert wird, die Ziel-Temperaturdifferenz schrittweise geändert werden oder allmählich kontinuierlich geändert werden. Zum Beispiel kann, wie in 9 gezeigt ist, die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT schrittweise auf der Grundlage einer Kombination der Außenlufttemperatur und einer zu heizenden Ziel-Wassertemperatur schrittweise geändert werden. In diesem Fall kann ein Feststellungsbereich der Ziel-Temperaturdifferenz ΔT in Übereinstimmung mit der Drehzahl des Kompressors 6 geändert werden. Das heißt, da die Drehzahl des Kompressors 6 höher ist, wird die Ziel-Temperaturdifferenz ΔT dahingehend korrigiert, größer zu sein.
Solche Änderungen und Modifikationen sind dahingehend zu verstehen, dass diese innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die anhängenden Ansprüche festgelegt ist, sind.

Claims

Wärmepumpen-Fluiderhitzer (1) zum Heizen eines Fluids unter Verwendung eines Wärmepumpenkreises als Wärmequelle, umfassend: einen Kompressor (6), welcher angesaugtes Kältemittel auf einen Druck komprimiert, der gleich oder höher einem kritischen Druck von Kältemittel ist, und komprimiertes Kältemittel abgibt; einen Wärmetauscher (7), welcher angeordnet ist, um einen Wärmetausch zwischen Kältemittel aus dem Kompressor und dem Fluid auszuführen, derart, dass eine Strömungsrichtung von Kältemittel einer Strömungsrichtung des Fluids in dem Wärmetauscher entgegengesetzt ist; und eine Steuereinheit (15) zur Steuerung des Betriebs des Wärmepumpenkreises, wobei: die Steuereinheit einen hochdruckseitigen Kältemitteldruck aus dem Kompressor und vor der Dekompression in dem Wärmepumpenkreis steuert, so dass ein Temperaturunterschied zwischen dem Fluid, welches in den Wärmetauscher strömt, und Kältemittel, welches von dem Wärmetauscher abgegeben wird, ein Zieltemperaturunterschied (ΔT) annimmt; die Steuereinheit ein Erfassungselement (12) zur Erfassung eines der Größen aus einer Kältemitteltemperatur (Td) und einer sich auf die Kältemitteltemperatur (Td) beziehenden phy sikalischen Grösse, welche von dem Kompressor abgegeben wird, aufweist; und die Steuereinheit den Zieltemperaturunterschied dahingehend ändert, dass, wenn ein Erfassungswert der Temperatur oder der physikalischen Grösse mehr als ein vorbestimmter Wert ist, der Zieltemperaturunterschied erhöht wird.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit den Zieltemperaturunterschied erhöht, bis der Erfassungswert des Erfassungselements kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 1, wobei: die Steuereinheit den Zieltemperaturunterschied größer einstellt, sowie ein niedrigdruckseitiger Kältemitteldruck nach der Dekompression in dem Wärmepumpenkreis niedriger wird, wenn der niedrigdruckseitige Kältemitteldruck in dem Wärmepumpenkreislauf niedriger als der vorbestimmte Wert ist.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: das Erfassungselement zumindest eine der Größen Kältemitteldruck und Kältemitteltemperatur (Ts) von in den Kompressor gesaugtem Kältemittel erfasst; und ein Erfassungswert des Erfassungselements als die sich auf den hochdruckseitigen Kältemitteldruck beziehende physikalische Grösse verwendet wird.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: das Erfassungselement einen von dem Kompressor abgegebenen Kältemitteldruck erfasst; und der Kältemitteldruck, der durch das Erfassungselement erfasst wird, als die physikalische Grösse verwendet wird.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die Steuereinheit feststellt, ob oder ob nicht eine Belastung des Kompressors übermäßig ist; und die Steuereinheit den Zieltemperaturunterschied steigernd auf einen Wert ändert, wenn festgestellt wird, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 6, wobei: die Steuereinheit einen elektrischen Strom erfasst, der an den Kompressor angelegt wird, und feststellt, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist, wenn der elektrische Strom, der an den Kompressor angelegt ist, größer als ein vorbestimmter Wert ist.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß einem der Ansprüche 6 und 7, des weiteren umfassend: einen Inverterschaltkreis (16) zum Antrieb des Kompressors, wobei der Inverterschaltkreis einen Schutzschaltkreis aufweist, welcher einen Ausgangsstrom zum Schutz des Inverterschaltkreises begrenzt, wobei die Steuereinheit eine Ausgangsbegrenzung in Folge des Schutzschaltkreises erfasst, und feststellt, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist, wenn die Ausgangsbeschränkung in Folge des Schutzschaltkreises erfasst wird.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 6, wobei die Steuereinheit auf der Grundlage zumindest eines der Zustände einer Zielfluidtemperatur eines zu erhitzenden Fluids, einer Außenlufttemperatur und einer Drehzahl des Kompressors feststellt, ob die Belastung des Kompressors übermäßig ist.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 6, wobei: wenn die Steuereinheit feststellt, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist, die Kontrolleinheit irgendeine der Größen aus einer Zieltemperatur eines zu erhitzenden Fluids, und dem Zieltemperaturunterschied, in Übereinstimmung mit der Belastung des Kompressors ändert.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, des weiteren umfassend: ein Expansionsventil (8) zum Dekomprimieren von Kältemittel, welches angeordnet ist, um elektrisch einen Ventilöffnungsgrad einzustellen, wobei die Steuereinheit den Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils auf der Grundlage des Zieltemperaturunterschieds einstellt, um den hochdruckseitigen Kältemitteldruck zu steuern.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 11, wobei die Steuereinheit eine Drehzahl des Kompressors erhöht, um eine Zielheizleistung des Fluids zu erhalten, wenn der Zieltemperaturunterschied steigernd geändert wird.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das zu erhitzende Fluid Wasser in einem Heißwasser-Zufuhrsystem ist.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer zum Erhitzen eines Fluids unter Verwendung eines Wärmepumpenkreises als eine Wärmequelle, umfassend: einen Kompressor (6), welcher angesaugtes Kältemittel auf einen Druck gleich oder höher als einem kritischen Druck von Kältemittel komprimiert, und komprimiertes Kältemittel abgibt; einen Wärmetauscher (7), welcher angeordnet ist, um einen Wärmetausch zwischen Kältemittel aus dem Kompressor und dem Fluid auszuführen, derart, dass eine Strömungsrichtung von Kältemittel einer Strömungsrichtung des Fluids in dem Wärmetauscher entgegengesetzt ist; und eine Steuereinheit (15) zum Steuern des Betriebs des Wärmepumpenkreises, wobei: die Steuereinheit einen hochdruckseitigen Kältemitteldruck aus dem Kompressor und vor der Dekompression in dem Wärmepumpenkreis steuert, so dass ein Temperaturunterschied zwischen dem Fluid, das in den Wärmetauscher strömt, und Kältemittel, das von dem Wärmetauscher abgegeben wird, einen Zieltemperaturunterschied (ΔT) annimmt; die Steuereinheit feststellt, ob oder ob nicht eine Belastung des Kompressors übermäßig ist; und die Steuereinheit den Zieltemperaturunterschied dahingehend ändert, dass, wenn festgestellt wird, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist, der Zieltemperaturunterschied erhöht wird.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 14, wobei: die Steuereinheit einen elektrischen Strom erfasst, der an den Kompressor angelegt wird, und feststellt, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist, wenn der elektrische Strom, der an den Kompressor angelegt ist, größer als ein vorbestimmter Wert ist.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 14, des weiteren umfassend: einen Inverterschaltkreis (16) zum Antreiben des Kompressors, wobei der Inverterschaltkreis einen Schutzschaltkreis aufweist, welcher einen Ausgangsstrom zum Schutz des Inverterschaltkreises begrenzt, wobei die Steuereinheit eine Ausgangsbeschränkung in Folge des Schutzschaltkreises erfasst, und feststellt, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist, wenn die Ausgangsbeschränkung in Folge des Schutzschaltkreises festgestellt wird.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 14, wobei die Steuereinheit auf der Grundlage zumindest eines der Zustände von einer Zieltemperatur eines zu erhitzenden Fluids, einer Außenlufttemperatur und einer Drehzahl des Kompressors feststellt, ob die Belastung des Kompressors übermäßig ist.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 14, wobei: wenn die Steuereinheit feststellt, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist, die Steuereinheit schrittweise irgendeine der Größen von einer Zieltemperatur eines zu erhitzenden Fluids, und den Zieltemperaturunterschied in Übereinstimmung mit der Belastung des Kompressors ändert.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer gemäß Anspruch 14, wobei wenn die Steuereinheit feststellt, dass die Belastung des Kompressors übermäßig ist, die Steuereinheit kontinuierlich irgendeine der Größen von einer Zieltemperatur eines zu erhitzenden Fluids, und dem Zieltemperaturunterschied in Übereinstimmung mit der Belastung des Kompressors ändert.
Wärmepumpen-Fluiderhitzer zum Erhitzen eines Fluids unter Verwendung eines Wärmepumpenkreises als Wärmequelle, umfassend: einen Kompressor (6), welcher angesaugtes Kältemittel auf einen Druck gleich oder höher einem kritischen Druck von Kältemittel komprimiert, und komprimiertes Kältemittel abgibt; einen Wärmetauscher (7), welcher angeordnet ist, um einen Wärmeaustausch zwischen Kältemittel aus dem Kompressor und dem Fluid auszuführen, derart, dass eine Strömungsrichtung von Kältemittel einer Strömungsrichtung des Fluids in dem Wärmetauscher entgegengesetzt ist; und eine Steuereinheit (15) zum Steuern des Betriebs des Wärmepumpenkreises, wobei: die Steuereinheit einen Temperaturerfassungssensor (12) zum Erfassen einer Temperatur von aus dem Kompressor abgegebenem Kältemittel aufweist; die Steuereinheit einen hochdruckseitigen Kältemitteldruck aus dem Kompressor und vor der Dekompression in dem Wärmepumpenkreis steuert, so dass ein Temperaturunterschied zwischen dem Fluid, das in den Wärmetauscher strömt, und Kältemittel, das von dem Wärmetauscher abgegeben wird, einen Zieltemperaturunterschied (ΔT) annimmt, wenn die Kältemitteltemperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, niedriger als eine vorbestimmte Temperatur ist; und wenn die Kältemitteltemperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, höher als die vorbestimmte Temperatur ist, die Steuereinheit den hochdruckseitigen Kältemitteldruck des Wärmepumpenkreislaufs derart steuert, dass die Kältemitteltemperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, niedriger als die vorbestimmte Temperatur wird.