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(43) Veröffentlichungstag:
1 2.03.1 997 Patentblatt 1 997/1 1 (21) Anmeldenummer: 96114127.2 (22) Anmeldetag: 04.09.1996
European Patent Office
Office europeen des brevets (11) E P 0 7 6 2 0 6 4 A 1 EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
igstag: (51) Int. Cl.6: F25B 41/06, F25B 30/02
(84) Benannte Vertragsstaaten: (72) Erfinder: Weider, Fritz, Ing.
AT CH DE FR LI NL SE 6900 Bregenz (AT)
(30) Prioritat: 08.09.1995 AT 1494/95 (74) Vertreter: Hefel, Herbert, Dipl.-lng.
Egelseestrasse 65a
(71) Anmelder: Weider, Fritz, Ing. Postfach 61
6900 Bregenz (AT) 6800 Feldkirch (AT)
(54) Durchsatzregelung für das Kältemittel einer Wärmepumpe und Verfahren (57) Durchsatzregelung für das Kältemittel einer
Wärmepumpe mit mindestens einem Verdampfer (1), einem Kompressor (2), einem Verflüssiger (3), der zwei getrennte Kanalsysteme aufweist, von welchen das eine vom Kältemittel und das andere von einem Medium eines Heizkreises (6) durchströmt ist, einem gesteuerten Expansionsventil (4) und mindestens zwei Temperaturfühlern (21, 23) zur Regelung des Expansi- onsventiles (4), die mit einer Steuereinheit (5) verbun- den sind, welche direkt oder indirekt mit einem das Expansionsventil (4) betätigenden Stellglied, beispiels- Z.
weise einem Stellmotor verbunden ist, wobei der eine Temperaturfühler (23) im Bereich des Einganges des Mediums des Heizkreises (6) des Verflüssigers (3) vor- gesehen ist und wobei der andere Temperaturfühler (21) im Bereich zwischen dem Kältemittelausgang des Verflüssigers (3), oder gegebenenfalls zwischen dem Kältemittelausgang eines dem Verflüssiger (3) nachge- schalteten Flüssigkeitsunterkühlers und dem Expansi- onsventil (4) vorgesehen ist.
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Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchsatzrege- lung für das Kältemittel einer Wärmepumpe mit minde- stens einem Verdampfer, einem Kompressor, einem 5 Verflüssigen der zwei getrennte Kanalsysteme auf- weist, von welchen das eine vom Kältemittel und das andere von einem Medium eines Heizkreises durch- strömt ist, einem gesteuerten Expansionsventil und mindestens zwei Temperaturfühlern zur Regelung des 10 Expansionsventiles, die mit einer Steuereinheit verbun- den sind, welche direkt oder indirekt mit einem das Expansionsventil betätigenden Stellglied, beispiels- weise einem Stellmotor verbunden ist, wobei der eine Temperaturfühler im Bereich des Einganges des Medi- is ums des Heizkreises des Verflüssigers vorgesehen ist und auf das Verfahren zur Durchsatzregelung.
Eine Durchsatzregelung dieser Art ist aus der US- PS 4 498 310 bekannt, wenn die dort gezeigte Einrich- tung in der einen Stellung des 4-Wegeventils als Wär- 20 mepumpe geschaltet ist. Die Temperatur des ersten Temperaturfühlers soll dabei den Zustand auf der Hoch- druckseite des Systems reflektieren. Der zweite Tempe- raturfühler dieser Einrichtung mißt die Eingangstemperatur des den Verdampfer durchsetzen- 25 den Mediums einer Wärmequelle. Diese Temperatur entspricht somit einem Zustand der Niederdruckseite des Systems. Anhand dieser beiden Temperaturen wird das Expansionsventil durch einen Vergleich mit gespei- cherten Kennwerten geregelt. Es liegt bei diesem 30 System immer (und zwar unabhängig von der Stellung des 4-Wegeventils) ein Sensor auf der Hochdruckseite und ein Sensor auf der Niederdruckseite des Systems.
Eine Durchsatzregelung, bei der zur Regelung des Expansionsventils zwei Temperaturfühler vorgesehen 35 sind, ist auch aus der EP-PS 133 512 bekannt. Hierbei ist der Regler als Proportionalintegralregler ausgebil- det, dessen Temperaturfühler die Temperatur der Kälte- mittelleitung zwischen dem Expansionsventil und dem Eingang des Verdampfers abfühlt. Ein weiterer Eingang 40 des Pl-Reglers ist an eine Meßleitung angelegt, die mit einem Außentemperaturfühler verbunden ist. Ein Aus- gang des Pl-Reglers ist über ein Spannungs-/Zeitum- formglied mit einer Stelleitung für den Elektromagneten des Expansionsventils verbunden. Ferner ist ein Zwei- 45 punktregier vorgesehen, dessen eine Eingang mit einer zu einem Temperaturfühler gehenden Meßleitung ver- bunden ist, wobei dieser Temperaturfühler an eine Käl- temitteldampfleitung zwischen dem Ausgang des Verdampfers und einem Kältetauscher angeschlossen so ist, wobei ein Ausgang des Zweipunktreglers über ein Zeitglied mit einem Steuerteil verbunden ist, das in den Ausgang des Pl-Reglers geschaltet ist. Der Zweck die- ser Maßnahme liegt darin, eine Durchsatzregelung für ein pulspausentaktgesteuertes Expansionsventil zu 55 schaffen, die in Abhängigkeit von der Außentemperatur und dem Wärmebedarf des Verbrauchers dafür sorgt, daß dem Verdampfer innerhalb der Grenzen, die sich aus einem Überfüllen des Verdampfers mit nicht ver-
dampfbarem Kältemittel und einem zu starken Überhit- zen des Kältemittels ergeben, ein optimaler Kältemitteldurchsatz zugeführt wird.
Aus der US-PS 5 415 008 ist eine Kältemaschine bekannt, bei der die Temperatur auf der Niederdruck- seite des Systems zwischen Verdampfer und Kompres- sor direkt oder indirekt gemessen wird und das Expansionsventil aufgrund der Temperatur des Kälte- mittels auf der Niederdruckseite geregelt wird.
Die EP-PS 158 581 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit einem Verdampfer. Am Verdampfer, der zwei getrennte Kanalsysteme aufweist, von denen das eine vom Kältemittel durchströmt ist und das andere vom Medium der Wärmequelle, sind zwei Temperaturfühler angeordnet, die die Eingangstempe- ratur und die Ausgangstemperatur des Mediums der Wärmequelle messen. Ist die Temperatur des Mediums im Verdampfer niedriger als die Temperatur des den Verdampfer verlassenden Mediums, so wird die Kälte- anlage abgeschaltet. Dadurch soll der Verdampfer vor Vereisung geschützt werden.
Schlußendlich ist noch die EP-OS 78 928 zu erwähnen, die ein Verfahren zur Regelung der umlau- fenden Kältemittel in einem Kältemittelkreislauf beschreibt. In der aus Verdampfer, Kompressor, Kon- densator und zwischen Kondensator und Verdampfer angeordneten Drosselorgan bestehenden Vorrichtung wird die Temperatur des noch flüssigen Kältemittels im Endbereich der Verdampfungszone und die Temperatur des gasförmigen Kältemittels im Bereich der Überhit- zungszone gemessen und die Temperaturdifferenz mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Bei Abwei- chung der ermittelten Temperaturdifferenz vom Sollwert wird das Drosselorgan geöffnet oder geschlossen, um das Gleichgewicht herzustellen. Die Temperaturmes- sungen erfolgen durch Thermofühler, die mit einem Dif- ferenzbildner verbunden sind, dem ein mit einem Sollwertgeber ausgerüsteter Vergleicher nachgeschal- tet ist. Dieser Vergleicher ist über ein Stellungsbefehls- gerät an einem das Drosselorgan betätigenden Motor angeschlossen. Damit kann das Drosselorgan für unter- schiedliche Kältemittel bzw. Kältemittelgemische und für unterschiedliche Verdampfungstemperaturen ver- wendet werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik zielt die Erfindung darauf ab, die Effizienz einer Wärmepumpe zu erhöhen durch eventuelle Unterkühlung des Kälte- mittels im Verflüssiger (Kondensator), was erfindungs- gemäß dadurch gelingt, daß der andere Temperaturfühler im Bereich zwischen dem Kältemittel- ausgang des Verflüssigers, oder gegebenenfalls zwi- schen dem Kältemittelausgang eines dem Verflüssiger nachgeschalteten Flüssigkeitsunterkühlers und dem Expansionsventil vorgesehen ist. Das mit dieser Ein- richtung durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, daß der eine Temperatur- fühler die Temperatur des den Verflüssiger verlassen- den bzw. des im Ausgangsbereich des Verflüssigers befindlichen Kältemittels mißt und der andere Tempera-
turfühler die Temperatur des in den Verflüssiger einströ- menden Mediums des Heizkreises. Mit steigender Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des den Verflüssiger verlassenden bzw. des im Ausgangsbe- reich des Verflüssigers befindlichen Kältemittels einer- seits und der Temperatur des in den Verflüssiger einströmenden Mediums des Heizkreises wird der Durchlaßquerschnitt des Expansionsventiles verkleinert und bei abnehmender Temperaturdifferenz vergrößert.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders vorteil- hafter Weise auf den Zustand auf der Hochdruckseite des Systems reagiert werden. Dem gerade kondensier- ten, jetzt flüssigen Kältemittel, das zu diesem Zeitpunkt eine ganz bestimmte, vom Arbeitsdruck abhängige Kondensationstemperatur hat, kann weiter Wärme ent- zogen werden, so daß es unterkühlt wird. Gemäß der Erfindung öffnet das Expansionsventil erst dann, wenn das verflüssigte Kältemittel entsprechend stark unter- kühlt wird, wobei die Öffnungsstellung des Ventils umso größer ist, je tiefer die Unterkühlung ist. Wenn die bei- den Fühler eine Temperaturdifferenz von nahezu 0 °C erreicht haben, ist die maximale Öffnung erreicht und das Ventil wird nicht mehr weiter geöffnet.
Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungs- beispiel der Erfindung.
Die Wärmepumpe besitzt einen Verdampfer 1, einen Kompressor 2, einen Verflüssiger 3, ein Expansi- onsventil 4 mit einem Stellmotor M und eine Steuerein- heit 5.
Der Verdampfer 1 ist als Plattenwärmetauscher ausgebildet mit zwei getrennten Kanalsystemen, von welchen das eine vom Kältemittel durchströmt ist und das andere Kanalsystem hier beispielsweise vom Was- ser einer Wärmequelle, das über die Leitung 7 dem Ver- dampfer 1 zugeführt und das über die am Verdampfer 1 oben angeschlossene Leitung abgeleitet wird. Die Fluß- richtung dieses Mediums ist durch die Pfeile 9 angedeu- tet.
Der Verdampfer 1 ist ferner über die Kältemittellei- tung 1, die am oberen Anschluß 10 angeschlossen ist, mit dem Kompressor 2 verbunden, der hochdruckseitig über die Leitung 12 mit dem oberen Anschluß des Ver- flüssigers 3 verbunden ist. Die Kältemittelrückführlei- tung 14, in der das gesteuerte Expansionsventil 4 angeordnet ist, verbindet den unteren Anschluß 16 des Verflüssigers 3 mit dem unteren Anschluß 13 des Ver- dampfers 1 .
Der Verflüssiger 3, der hier ebenfalls als Platten- wärmetauscher ausgebildet ist, ist über die Leitung 1 7 (Vorlauf leitung) und über die Leitung 18 (Rücklauf lei- tung) mit einem hier nicht näher dargestellten Heizkreis 6 verbunden. Die Pfeile 19 und 20 veranschaulichen die Strömungsrichtungen der den Verflüssiger 3 durchset- zenden Medien.
Im Bereich des unteren Anschlusses 16 der Kälte- mittelrückführleitung 14 ist ein erster Temperaturfühler 21 angeordnet. Im Bereich des unteren Anschlusses 22 der Rückführleitung 18 des Heizkreises 6 ist ein zweiter
Temperaturfühler 23 vorgesehen. Diese beiden Tempe- raturfühler 21 und 23 sind mit einem in der Steuerein- heit 5 vorgesehenen Differenzbildner verbunden, der seinerseits eventuell über weitere Schaltglieder auf den 5 Stellmotor M des Expansionsventiles 4 einwirkt. Das Expansionsventil 4 wird über die Differenz der von den beiden Temperaturfühlern 21 und 23 gemessenen Tem- peratur gesteuert, und zwar in der Weise, daß mit stei- gender Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur w des den Verflüssiger verlassenden bzw. des im Aus- gangsbereich des Verflüssigers befindlichen Kältemit- tels einerseits und der Temperatur des in den Verflüssiger einströmenden Mediums des Heizkreises andererseits der Durchlaßquerschnitt des Expansions- 15 ventiles verkleinert und bei abnehmender Temperatur-
differenz vergrößert wird.
Dank des erfindungsgemäßen Vorschlages arbeitet die Wärmepumpe mit hoher Effizienz, da dem Kältemit- tel im Verflüssiger die ihm innewohnende Wärmeener- 20 gie soweit wie möglich über das Medium des Heizkreises entzogen wird und erst dann, wenn das flüssige Kältemittel eine hinreichend niedere Tempera- tur im Vergleich zur Temperatur des rücklaufenden Mediums des Heizkreises 6 im Verflüssiger 3 erreicht 25 hat, vergrößert das Expansionsventil 4 seinen Durch- laßquerschnitt und ermöglicht so einen ausreichenden Zufluß des verflüssigten Kältemittels zum Verdampfer 1 . Die vorstehend näher beschriebenen Wärmetau- scher können auch anders als beschrieben ausgebildet 30 sein. Auch kann in der Kältemittelleitung 11, die den Verdampfer 1 und den Kompressor 2 verbindet, ein Flüssigkeitsabscheider angeordnet sein. Die Wärme- pumpe kann auch mehrere unterschiedlich aufgebaute Verdampfer besitzen, und ebenso können mehrere Ver- 35 flüssiger parallel oder hintereinander geschaltet sein.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel führt die Kältemit- telrückführleitung 14 vom Verflüssiger 3 direkt zum Expansionsventil 4. Es ist möglich, in diesen Leitungs- zug einen Flüssigkeitsunterkühler anzuordnen, der als 40 Wärmetauscher ausgebildet ist und der dem Verflüssi- ger 3 nachgeschaltet ist. In diesem Fall ist der Tempera- turfühler 21 zwischen dem Kältemittelausgang dieses Flüssigkeitsunterkühlers und dem Expansionsventil 4 anzuordnen.
45 Patentansprüche
1. Durchsatzregelung für das Kältemittel einer Wär- mepumpe mit mindestens einem Verdampfer (1), so einem Kompressor (2), einem Verflüssiger (3), der zwei getrennte Kanalsysteme aufweist, von wel- chen das eine vom Kältemittel und das andere von einem Medium eines Heizkreises (6) durchströmt ist, einem gesteuerten Expansionsventil (4) und 55 mindestens zwei Temperaturfühlern (21, 23) zur Regelung des Expansionsventiles (4), die mit einer Steuereinheit (5) verbunden sind, welche direkt oder indirekt mit einem das Expansionsventil (4) betätigenden Stellglied, beispielsweise einem Stell-
motor verbunden ist, wobei der eine Temperatur- fühler (23) im Bereich des Einganges des Mediums des Heizkreises (6) des Verflüssigers (3) vorgese- hen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Temperaturfühler (21) im Bereich zwischen dem 5 Kältemittelausgang des Verflüssigers (3), oder gegebenenfalls zwischen dem Kältemittelausgang eines dem Verflüssiger (3) nachgeschalteten Flüs- sigkeitsunterkühlers und dem Expansionsventil (4)
vorgesehen ist. ro
Durchsatzregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (5) einen Differenzbildner zur Bildung der Differenz der von den beiden Temperaturfühlern (21, 23) gemesse- 1s nen Temperaturen aufweist.
Verfahren zur Durchsatzregelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Temperaturfühler (23) die Temperatur des in den 20 Verflüssiger (3) einströmenden Mediums des Heiz- kreises (6) mißt und der andere Temperaturfühler (21) die Temperatur des den Verflüssiger (3) bzw.
den Flüssigkeitsunterkühler verlassenden bzw. des im Ausgangsbereich des Verflüssigers (3) bzw. des 25 Flüssigkeitsunterkühlers befindlichen Kältemittels mißt.
Verfahren nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß mit steigender Temperaturdifferenz zwischen 30 der Temperatur des den Verflüssiger (3) bzw. den Flüssigkeitsunterkühler verlassenden bzw. des im Ausgangsbereich des Verflüssigers (3) bzw. des Flüssigkeitsunterkühlers befindlichen Kältemittels einerseits und der Temperatur des in den Verflüssi- 35 ger (3) einströmenden Mediums des Heizkreises (6) der Durchlaßquerschnitt des Expansionsventi- les (4) verkleinert und bei abnehmender Tempera- turdifferenz vergrößert wird.
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Europäisches EUROpXlsCHER RECHERCHENBERICHT " " T T *
Patentamt EP 96 11 4127
EINSCHLAGIGE DOKUMENTE
Kategorie Kennzeichnung des Dokuments mit Angabe, soweit erforderlich, der maßgeblichen Teile Betrim
Anspruch lkLA33iri&AllU^ ULK ANMELDUNG (Int.C1.6)
A A A
:R-A-2 539 855 (COMPAGNIE GENERALE ) ' ELECTRICITE)
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\bbil düngen 1-4 * JS-A-5 224 354 (ITO)
* Spalte 3, Zeile 25 - Spalte 6, Zeile 16;
Abbildungen 1-5 *
PATENT ABSTRACTS 0F JAPAN
/ol. 18, no. 62 (M-1553), 2. Februar 1994 1 JP-A-05 280808 (DAIKIN IND LTD),
19. Oktober 1993,
* Zusammenfassung * ÜS-A-5 077 983 (DUDLEY) EP-A-0 325 163 (LINDE) DE-A-24 51 361 (JAKOB)
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F25B41/06 F25B30/02
SACHGEBIETE (lnt.CI.6)
Der vorliegende Recherchenbericht wurde für alle Patentansprüche erstellt RechercfceBort
DEN HAAG ADscnioKUiun der Keaterow
30. Dezember 1996 Boets, A KATEGORIE DER GENANNTEN DOKUMENTE
X : von besonderer Bedeutung allein betrachtet Y : von besonderer Bedeutung in Verbindung mit einer A : technologischer Hintergrund anderen Veröffentlichung derselben Kategorie O : nichtschriftliche Offenbarung
P : Zwischenliteratur
1 : der Erfindung zugrunde liegende 1 heonen ooer urunosatze E : älteres Patentdokument, das jedoch erst am oder nach dem Anmeldedatum veröffentlicht worden ist D : in der Anmeldung angeführtes Dokument L : aus andern Gründen angeführtes Dokument
& : Mitglied der gleichen Patentfamilie, Ubereinstimmendes Dokument
