DE69832745T2

DE69832745T2 - Kältemittel-Druckregelung für im Heizmodus arbeitende Wärmepumpe

Info

Publication number: DE69832745T2
Application number: DE69832745T
Authority: DE
Inventors: Richard D. Bridgeport Dennis
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2018-02-07
Also published as: US5782101A; ES2251064T3; DE69832745D1; EP0862031A2; BR9800649A; EP0862031A3; EP0862031B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Wärmepumpensysteme und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Drucks eines Kühlmittels in einem Wärmepumpensystem, das in dem Heizmodus arbeitet.
In diesem Patent werden die Ausdrücke "Verdampfer" und "Kondensor" verwendet. Sie sind beide Wärmetauscher. In einer Wärmepumpe absorbiert ein Verdampfer Wärme, und ein Kondensor gibt Wärme ab. Ein Wärmetauscher, der in dem Wärmepumpenheizzyklusmodus der Verdampfer ist, ist in dem Wärmepumpenkühlzyklusmodus der Kondensor, und ein Wärmetauscher, der in dem Wärmepumpenheizzyklusmodus der Kondensor ist, ist in dem Wärmepumpenkühlzyklusmodus der Verdampfer.
US 5 144 812 offenbart eine Außeneinheit einer Wärmepumpe mit einem Kompressor variabler Drehzahl. Anspruch 1 ist gegenüber dieser Offenbarung abgegrenzt.
Bei einer kleinen häuslichen Wärmepumpe mit einem üblicherweise außerhalb. angeordneten Wärmetauscher ist der außenseitige Wärmetauscher in dem Heizzyklusmodus der Verdampfer.
Eine in ihrem Heizzyklusmodus arbeitende Wärmepumpe kann einen übermäßigen Auslassdruck aufbauen. Am wahrscheinlichsten wird dieser übermäßige Druck durch ein Ungleichgewicht zwischen der vergleichsweise größeren durch ihren Verdampfer absorbierten Wärmemenge gegenüber der durch ihren Kondensor abgegebenen Wärme bewirkt.
Ein mehrfach aufgeteiltes System ist eine Wärmepumpe, die mehr als eine Kondensorrohrschlange hat. In einem mehrfach aufgeteilten System sind die Kondensorrohrschlangen im Allgemeinen nicht örtlich gemeinsam angeordnet. In einem mehrfach aufgeteilten System kann ein Ungleichgewicht zwischen der durch den Verdampfer absorbierten Wärme und der geringeren durch den Kondensor abgegebenen Wärme erzeugt werden, wenn der Kühlmittelfluss zu mindestens einer Kondensorrohrschlange geschlossen ist oder mindestens ein Kondensorrohrschlangengebläse nicht arbeitet. Ferner kann auch ein Ungleichgewicht zwischen der größeren durch den Verdampfer absorbierten Wärme gegenüber der durch den Kondensor abgegebenen Wärme erzeugt werden, wenn die Verdampferumgebungstemperatur (Umgebungstemperatur) warm oder heiß ist.
Bei einer Wärmepumpe, die in ihrem Heizzyklusmodus arbeitet, ist die Möglichkeit, dass der Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur unerwünscht hoch sind, umso größer, je höher die Umgebungstemperatur oder je größer die relative Verdampferkapazität im Gegensatz zu der Kondensorkapazität ist. Dieser Zustand wird als Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht bezeichnet.
Ein Ansatz, um den Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur, die durch ein Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht bewirkt sind, zu senken, ist, den Systemdruckabschaltschalter zu verwenden, um eine Wärmepumpe abzuschalten. Der Systemdruckabschaltschalter nimmt jedoch eine gesamte Wärmepumpe außer Betrieb. Der Systemdruckabschaltschalter schließt auch bei einem Notfalldruck, der unnötigerweise höher ist als der erwünschte Druck zur Entlastung eines Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewichts. Ein Senken des Drucks, bei dem der Systemdruckabschaltschalter schließt, um mit der Anforderung des Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewichts übereinzustimmen, führt zu einem Schließen des Notfallschalters bei einem unnötigerweise geringen Druck.
Ein weiterer Ansatz, um den Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur, die durch ein Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht bewirkt werden, zu senken, ist, ein Heißgas-Bypass-Ventil in der Kühlmittelleitung zwischen der Auslassseite und der Ansaugseite eines Kompressors zu verwenden. Kühlmitteldruck wird durch einen Wandler erfasst, und wenn der Druck an der Auslassseite eines Kompressors zu hoch ist, wird das Heißgas-Bypass-Ventil elektrisch betätigt, um den Kompressor zumindest teilweise Bypass-zu-umströmen und so den Kühlmitteldruck zu senken. Dieser Ansatz fügt einer Wärmepumpe, die das Bypass-Ventil und die Verrohrung aufweist, Komplexität hinzu. Dieser Ansatz fügt einem Wärmepumpensystem auch Design- und Herstellungskosten hinzu und unterliegt Geräusch und mechanischem Versagen.
Noch ein weiterer Ansatz, um den Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur, die durch ein Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht verursacht werden, zu senken, ist, ein mechanisch betätigtes Heißgas-Bypass-Ventil zu verwenden, das eingestellt ist, um bei einem voreingestellten Auslassdruck zu öffnen. Dieser Ansatz fügt einem Wärmepumpensystem die Komplexität, die Kosten, das Geräusch und die Anfälligkeit auf Versagen des oben beschriebenen elektrisch betätigten Heißgas-Bypass-Ventils hinzu.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist, übermäßige Kühlmittelwärme und übermäßigen Kühlmitteldruck, die ein Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht einer in ihrem Heizmodus arbeitenden Wärmepumpe angeben, abzubauen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe gelöst, wie es in Anspruch 1 beschrieben ist. Zumindest in einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet die Wärmepumpe in dem Heizmodus mit einem Kühlmitteldrucksensor und einem in der Drehzahl steuerbaren Verdampfergebläse, wobei die Drehzahl des Verdampfergebläses so gesteuert wird, dass die durch das Kühlmittel absorbierte Wärmemenge gesteuert wird und dementsprechend der Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur gesteuert werden.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die Erfindung ein Abbauen übermäßiger Kühlmittelwärme und übermäßigen Kühlmittel- drucks, die ein Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht angeben, insbesondere in einer mehrfach aufgeteilten Wärmepumpe, die in ihrem Heizmodus arbeitet.
So können übermäßige Kühlmittelwärme und übermäßiger Kühlmitteldruck, die ein Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht einer Wärmepumpe, die in ihrem Heizmodus arbeitet, angeben, abgebaut werden, bevor der Kühlmitteldruck ein Niveau erreicht, bei dem der Systemdruckabschaltschalter die Wärmepumpe außer Betrieb nimmt.
Ferner können übermäßige Kühlmittelwärme und übermäßiger Kühlmitteldruck, die ein Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht in einer in ihrem Heizmodus arbeitenden Wärmepumpe angeben, abgebaut werden, ohne ein Heißgas-By pass-Ventil einzusetzen und ohne die Kosten, die Komplexität, das Geräusch und die Unzuverlässigkeit eines Heißgas-Bypass-Ventils.
Zusätzlich umfasst diese Erfindung das Steuern der Drehzahl eines Heizmodus-Verdampfergebläsemotors fester Drehzahl, dessen Welle durch Gleitlager abgestützt ist, um so den Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur zu steuern und weiterhin für Schmierung der Gleitlager zu sorgen. Die Drehzahl wird durch wiederholtes Einschalten des Motors gesteuert.
Zusätzlich umfasst diese Erfindung das Steuern der Drehzahl eines Heizmodus-Verdampfergebläsemotors variabler Drehzahl, dessen Welle durch Kugellager abgestützt ist, bei einer angestrebten Drehzahl, um den Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur bei einer optimalen Mischung von abgegebener Wärme und elektrischer Effizienz zu steuern.
Für ein besseres Verständnis dieser und anderer Aufgaben der vorliegenden Erfindung wird auf die detaillierte Beschreibung der Erfindung Bezug genommen, die zusammen mit den nachfolgenden Zeichnungen zu lesen ist, wobei:
1 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Wärmepumpe ist, die in ihrem Heizzyklusmodus arbeitet und die nicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist und nur zur Veranschaulichung gezeigt ist.
2 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Wärmepumpensystems mit einem einzelnen Kühlmittelkreislauf mit mehreren Kondensoreinheiten ist, das in seinem Heizzyklusmodus arbeitet.
3 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Wärmepumpensystems mit zwei Kühlmittelkreisläufen mit mehreren Kondensoreinheiten ist, das in seinem Heizzyklusmodus arbeitet.
Diese Erfindung bedingt eine neue Art, den Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur einer Wärmepumpe, die in ihrem Heizzyklusmodus arbeitet, mit einem motorisierten Verdampfergebläse, zu senken. Wie hierin zuvor beschrieben, ist ein Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht eine Ursache übermäßigen Kühlmitteldrucks und übermäßiger Kühlmitteltemperatur. Dieser übermä ßige Druck und diese übermäßige Temperatur können ansteigen, bis sie so hoch sind, dass der Druckabschaltschalter des Wärmepumpensystems öffnet, um den Druck zu entspannen. Diese Erfindung schafft eine Wärmepumpe, die in ihrem Heizzyklusmodus arbeitet, die die Absorption von Wärme durch sie senken kann und somit ein Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht korrigiert, insbesondere in einem mehrfach aufgeteilten System, ohne unnötige Ventile, Verrohrung, Druckaufbau oder ohne die Wärmepumpe außer Betrieb zu nehmen.
Bezugnehmend auf 1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Wärmepumpe gezeigt, die nicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist, sondern an die vorliegende Erfindung angepasst werden kann durch Vorsehen des Sensors 3 an der Auslassseite des Kompressors. Vorgesehen ist eine Wärmepumpe 1, die in ihrem Heizzyklusmodus arbeitet, mit einer Kühlmittelleitung 2, einem Kühlmitteldrucksensor 3, einem Kompressor 4, einer Expansionseinrichtung 5 (um einen Druckabfall zu erzeugen, um das Kühlmittel von einem flüssigen Zustand in einen Zwei-Phasen-Zustand zu ändern), einem Verdampfer 6, einer Verdampfergebläsedrehzahlsteuerung 7, einem Kondensor 8, mindestens einem motorisierten Verdampfergebläse 9 und mindestens einem motorisierten, drehzahlgesteuertes Verdampfergebläse 10, das einen Verdampfergebläsemotor 11 und ein Verdampfergebläse 12 aufweist. Die Verdampfergebläsedrehzahlsteuerung 7 empfängt Eingaben von, dem Kühlmitteldrucksensor 3 und steuert die Geschwindigkeit des mindestens einen motorisierten Gebläses 9. Die Verdampfergebläsedrehzahlsteuerung 7 steuert eine reduzierte Drehzahl des motorisierten Gebläses so, dass eine Verdampferwärmeabsorption und dementsprechend ein Kühlmitteldruck und eine Kühlmitteltemperatur reduziert werden, wenn der Kühlmitteldruck in irgendeinem Kühlmittelkreis zu groß wird, und steuert eine erhöhte Drehzahl des motorisierten Gebläses, um eine Verdampferwärmeabsorption und dementsprechend einen Kühlmitteldruck und eine Kühlmitteltemperatur zu steigern, wenn der Kühlmitteldruck in irgendeinem Kühlmittelkreislauf zu gering wird. Durch Steuern der Drehzahl des motorisierten Gebläses wird die Luftmenge, die über die Verdampferrohrschlange strömt, gesteuert, und dementsprechend wird die durch das Kühlmittel absorbierte Wärme gesteuert. Alternativ kann die Kühlmitteltemperatur anstatt des Kühlmitteldrucks erfasst werden, und die vorbestimmten Grenzwerte können hinsichtlich der Temperatur eingestellt sein. Es gibt eine bekannte Beziehung zwischen dem Kühlmitteldruck und der Kühlmitteltemperatur.
Wiederum bezugnehmend auf 1 wird der Kühlmitteldruck erfasst, um festzustellen, wenn er unter ein vorbestimmtes Niveau fällt und wenn er über ein vorbestimmtes Niveau ansteigt. Die Verdampfergebläsedrehzahlsteuerung 7 weist eine kontaktlose Schalteinrichtung (solid state switching means) auf, die veranlasst wird, in Reaktion darauf zu arbeiten, so dass, wenn der Druck über das vorbestimmte Niveau ansteigt, die Schalteinrichtung die Leistung zu dem mindestens einen Verdampfergebläsemotor 11 abschaltet und das Gebläse 12 seine Drehzahl herunterfährt, und wenn sie anschließend unter das vorbestimmte Niveau fällt, schaltet die Schalteinrichtung die Leistung zu dem Verdampfergebläsemotor 11 an, und das Gebläse 12 erhöht seine Drehzahl. Wenn die Leistung zu einem Motor ausgeschaltet ist, ist dieser Motor in dem ausgeschalteten Zustand. Wenn die Leistung zu einem Motor eingeschaltet ist, ist dieser Motor in dem angeschalteten Zustand. Dies kann durch eine Standardsteuerungschaltung implementiert werden, die eine bekannte Vergleichs-/Bezugsspannungs-/Spannungsteiler-Schaltung aufweist. Die Verdampfergebläsedrehzahlsteuerung 7 kann, statt der kontaktlosen Schalteinrichtung, einen Computer mit einem zugehörigen gespeicherten Programm aufweisen, der veranlasst wird, in Reaktion darauf zu arbeiten, so dass, wenn der Druck über das vorbestimmte Niveau ansteigt, die Verdampfergebläsedrehzahlsteuerung 7 die Leistung zu dem motorisierten Verdampfergebläse ausschaltet und das Gebläse seine Drehzahl herab fährt, und wenn der Druck anschließend unter das vorbestimmte Niveau fällt, die Schalteinrichtung die Leistung zu dem Verdampfergebläsemotor einschaltet und das Gebläse seine Drehzahl hochfährt. Statt des Kühlmitteldrucks kann die Kühlmitteltemperatur erfasst werden und die vorbestimmten Grenzwerte in Bezug auf die Temperatur eingestellt werden. Es gibt eine bekannte Beziehung zwischen dem Kühlmitteldruck und der Kühlmitteltemperatur.
Der Verdampfer kann einen Gebläsemotor aufweisen, der in seiner Drehzahl variabel ist und dessen Welle durch mindestens ein Kugellager gehalten ist. Die Drehzahl des Gebläsemotors 11 wird durch den Computer mit einem zugehörigen gespeicherten Programm gesteuert, der ein Zyklusratensignal an die Verdampfergebläsedrehzahlsteuerung 7 für eine Computer-angestrebte Motordrehzahl ausgibt. Der Kühlmitteldruck wird erfasst, und die Motordrehzahl wird so gesteuert, dass der Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur auf einen Druck zwischen dem, der sich aus voller Motordrehzahl ergibt, und dem, der sich aus keiner Motordrehzahl ergibt, gesteuert sind, wie z.B. einer Motordrehzahl, die die Kombination aus adäquater Wärmeabgabe und bester elektrischer Effizienz bei einer bestimmten Umgebungstemperatur ergibt.
Bezugnehmend nun auf 2 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Wärmepumpensystems gezeigt, das in seinem Heizzyklusmodus arbeitet. Die Wärmepumpe ist gezeigt, aufweisend einen Kompressor 101, eine Auslassseite 102, eine Einlassseite 103, einen Sensor, der einen Druckwandler 104 aufweist, ein Umkehrventil 105, einen Verdampfer 106, ein Motor-angetriebenes Verdampfergebläse 107 mit einem Verdampfergebläse 108 und einem Verdampfergebläsemotor 109, Expansionsvorrichtungen 111 (um einen Druckabfall zu erzeugen, um das Kühlmittel aus einem flüssigen Zustand in einen Zwei-Phasen-Zustand zu ändern), einen Kondensor 112, Gassolenoidventile 113 (um Kühlmittelströmung zu schließen), einen Akkumulator 114, eine Kühlmittelleitung 115 und einen Gebläsesteuerungscomputer 116. Der Kondensor 112 ist mehrfach unterteilt, und jede Kondensoreinheit 117 umfasst einen Wärmetauscher 118, ein Kondensorgebläse 119 und einen Kondensorgebläsemotor 120. Jede Kondensoreinheit ist nicht räumlich zusammen angeordnet und ist nicht in demselben Raum. Die obige Beschreibung hinsichtlich 1 ist generell auf diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendbar, außer in Bezug auf die Position des Sensors.
Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung verwendet einen Mikrocompu- ter, um einen durch Gleitlager gehaltenen Verdampfermotor fester Drehzahl zu steuern. Ein Mikrocomputerprogramm ist einfacher zu ändern als eine Vergleichs-/Bezugsspannungs-/Spannungsteiler-Schaltung, und herkömmliche Wärmepumpen weisen bereits einen Steuerungs- und Überwachungsmikrocomputer auf, der für diese Erfindung angepasst werden kann. Ein Verdampfergebläsemotor fester Drehzahl, dessen Welle durch mindestens ein Gleitlager gehalten ist, wird gewählt, weil er die gängigste Form eines Wärmepumpen-Verdampfergebläsemotors ist und die speziellen Schmierungsbedürfnisse eines Motors aufweist, dessen Welle durch mindestens ein Gleitlager gehalten ist. Ein einzelner Verdampfergebläsemotor wird vorgestellt, weil dies die gängigste Form eines Heizmodus-Verdampfergebläses ist. Ferner wird ein mehrfach aufgeteiltes System gezeigt, weil ein mehrfach aufgeteiltes System, bei dem einige Kondensorrohr schlangen keine Wärme abgeben, die am besten demonstrierbaren Bedürfnisse dieser Erfindung aufweist.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt dieser Erfindung, und wie er in der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung implementiert ist, weist der Verdampfer ein motorisiertes Gebläse auf, dessen Welle spezifisch durch mindestens ein Gleitlager gehalten ist, und das Steuerungssystem wird veranlasst, in einer solchen Weise zu funktionieren, dass gewährleistet ist, dass jedes Gleitlager adäquat geschmiert wird. Bei einem Gleitlagermotor ist es wichtig, dass jedes Gleitlager geschmiert wird, wenn sich der Motor dreht, um so Lagerabnutzung zu verzögern. Wenn ein durch Gleitlager gehaltener Motor zu einem vollständigen Stopp kommt, fließt sein schmierendes Öl aus jedem Lager, und jedes Lager ist während des nächsten Starts ungeschmiert. In diesem Aspekt dieser Erfindung sind somit die Kühlmitteldruckgrenzwerte für eine Umgebungstemperatur so gewählt, dass die Dauer der Aus-Zeit (oder die Periode zwischen dem ausgeschalteten Zustand und dem nächsten eingeschalteten Zustand) derart begrenzt ist, dass der Gebläsemotor niemals zu einem vollständigen Stopp kommt und das schmierende Öl nicht genügend Zeit hat, um aus den Lagern zu laufen, bevor der nächste An-Zyklus beginnt. Somit ist der Kühlmitteldruck gesenkt, und die Gleitlager behalten ihre Schmierung.
Die bevorzugte Ausführungsform ist eine modifizierte Carrier-38QRS024-Wärmepumpe. Die Carrier-38QRS024 hat einen einzelnen Kühlkreis mit 1814 kg (2 Tonnen) Kapazität, wobei eine Tonne 12.000 BTU (British Thermal Unit) entspricht. Die Carrier-38QRS024 hat einen hermetischen Kompressor mit 20 A, ein einzelnes Heizmodus-Verdampfergebläse mit einem Durchmesser von 45 cm (18 inches), 3 Schaufeln und 27° Zwischenabstand pro Schaufel, wobei das Gebläse angetrieben wird durch einen durch Gleitlager gehaltenen Motor fester Drehzahl von 850 U/min mit 93 W (1/8 HP). Der Heizmodusverdampfer hat eine Oberfläche von 0,6 m² (6,1 Quadratfuß) und enthält 88 cm (34,9 inches) Kupferverrohrung und zwei Reihen aus 6 Aluminiumlamellen pro cm (15 Aluminiumlamellen pro Inch). Der Heizmoduskondensor weist zwei separate Einheiten auf, wobei jede Einheit ausgelegt ist, in einem separaten Raum angeordnet zu werden. Jede Kondensoreinheit hat eine Wärmetauscheroberfläche von 0,2 m² (2,3 Quadratfuß) und enthält 69 cm (27,2 inches) Kupferverrohrung und eine Reihe aus 6 Aluminiumlamellen pro cm (15 Aluminiumlamellen pro Inch). Jede Kondensoreinheit wird durch ein motorisiertes Bläsergebläse mit 22 W (1/30 HP) mit zwei axial ausgerichteten Bläserzylindern, die 10 cm (4 inches) Durchmesser aufweisen und 45 cm (18 inches) lang sind und 34 tangential montierte Schaufeln aufweisen, beblasen. Das Kühlmittel ist R22.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Druckwandler so angeordnet, dass er Kühlmitteldruck an der Auslassseite des Kompressors misst. Dieser Druck wird auch als Förderdruck bezeichnet. Der Wandler kann einer von vielen Typen sein; einer jedoch, der als zufrieden stellend herausgefunden wurde, ist ein Hoch-und-Nieder-Druck-Wandler von 5 V Gleichspannung mit 54 bis 3000 kPa (8 PSIA bis 420 PSIG), der kommerziell erhältlich ist von Texas Instruments, Inc. Alternativ könnte ein Thermistor wirkmäßig mit der Kühlmittelleitung verbunden sein, um die Kühlmitteltemperatur für diejenigen Aspekte der Erfindung zu messen, die die Temperatur statt des Drucks erfassen.
Der Mikrocomputer ist ein 4-Bit-Mikrocontroller mit 992 4-Bit-RAM-Worten, 16 K 10-Bit-ROM-Worten und 58 I/O-Anschlüssen. Er ist bereits eine Komponente des Carrier-38QRS024. Er wurde programmiert, um die in Tabelle 1 gezeigte und später zu erklärende Zustandssteuerlogik auszuführen. Tabelle 1 ist eine Zustandstabelle der bevorzugten Ausführungsform eines Wärmepumpensystems mit einem einzelnen Kühlmittelkreis, das in seinem Heizzyklusmodus arbeitet, die die Befehlslogik für einen Verdampfergebläsebetrieb für verschiedene Kombinationen für Kompressorauslassdrücken zeigt.
TABELLE 1 ZUSTANDSTABELLE FÜR WÄRMEPUMPE MIT EINZELNEM KÜHLMITTELKREIS UND EINZELNEM AUSSENGEBLÄSE
Der Kühlmitteldruck wird durch Druckwandler 104 erfasst. Druckwandler 104 ist wirkmäßig an die Auslassseite 102 des Kompressors 101 angeschlossen, von der angenommen wird, dass sie den höchsten Druck in der Kühlmittelleitung aufweist. Druckwandler 104 gibt ein elektrisches Signal an den Gebläsesteuerungscomputer 116 aus, das in Übereinstimmung mit dem Kompressorauslassdruck variiert und für diesen repräsentativ ist.
Der Gebläsesteuerungscomputer 116 führt das gespeicherte Programm aus, das die in Tabelle 1 gezeigte Zustandssteuerlogik aufweist. Der Gebläsesteuerungscomputer liest den Kühlmitteldruck als die elektrische Ausgabe des Druckwandlers aus und vergleicht den Druck mit zwei vorbestimmten Niveaus: 1965 kPa und 2171 kPa (285 psi und 315 psi).
Diese zwei vorbestimmten Niveaus wurden experimentell ermittelt, um eine Mischung aus adäquater Kühlmitteldrucksteuerung für einen Bereich von Umgebungstemperaturen und einem guten Gleichgewicht aus Wärmeabgabe und elektrischer Effizienz zu erhalten. In einem ausgeglichenen System (einem System nicht in einem Verdampfer-Kondensor-Ungleichgewicht) ist der Kompressorauslassdruck etwa 2068 kPa (300 psi) bei relativ warmen Umgebungstemperaturen. Wenn nur eine Kondensoreinheit arbeitet und wenn der Verdampfergebläsemotor nicht mit elektrischer Leistung versorgt ist bei einem Kompressorauslassdruck größer als 2171 kPa (315 psi), hält der Gebläsemotor weiterhin Schmierung an seinen Gleitlagern aufrecht, wenn der Kompressorauslassdruck auf 1965 kPa (285 psi) abgesunken ist. Die Grenzwerte von 2171 kPa (315 psi) und 1965 kPa (285 psi) halten einen stabilen Kühlmitteldruck bei Umgebungstemperaturen bis zu 21°C (70°F) aufrecht, nähern sich eng einem Zustand an, bei dem Schmierung an den Gleitlagern aufrechterhalten wird, und geben eine gute Bedingung für Heizfähigkeit und elektrische Effizienz.
Bezugnehmend auf Tabelle 1 bestimmt der ausführende Computer, wenn der Kompressorauslassdruck das vorbestimmte Niveau von 2171 kPa (315 psi) übersteigt, dass das Kühlmittel oberhalb des höheren vorbestimmten Niveaus ist, und wenn der Auslassdruck unterhalb des vorbestimmten Niveaus von 1965 kPa (285 psi) ist, bestimmt der ausführende Computer, dass das Kühlmittel unterhalb des unteren vorbestimmten Niveaus ist. Wenn der Kompressorauslassdruck größer als 2171 kPa (315 psi) ist, gibt der Computer ein Signal aus, um die Leistung zu dem Gebläsemotor auszuschalten. Die Leistung zu dem Gebläsemotor bleibt ausgeschaltet, bis der Kompressorauslassdruck unter 1965 kPa (285 psi) fällt, wo der Computer ein Signal ausgibt, um die Leistung zu dem Gebläsemotor einzuschalten.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt dieser Erfindung können die Verfahren des einzelnen Kühlmittelkreises auch auf eine Wärmepumpe mit einer Mehrzahl von Kühlmittelkreisen angewendet werden. In dieser Situation ist die bevorzugte Implementierung, aufgrund ihrer Einfachheit und Qualität, den Förderdruck jedes Kühlkreises zu überwachen, und wenn in einem Kreis erfasst wird, dass das vorbestimmte Niveau hohen Drucks überstiegen wird, wird der Verdampfergebläsemotor ausgeschaltet, bis der Förderdruck dieses Kreises unter das vorbestimmte Niveau niedrigen Drucks fällt unabhängig von dem Druckzustand der anderen Kühlkreise, wobei an diesem Punkt der Verdampfergebläsemotor wieder eingeschaltet wird.
Bezugnehmend auf 3 ist ein vereinfachtes schematisches. Diagramm einer bevorzugten Implementierung einer Wärmepumpe mit zwei Kühlkreisen in ihrem Heizzyklusmodus gezeigt. Die Wärmepumpe ist gezeigt aufweisend zwei Kühlkreise a und b, die sich ein gemeinsames Motor-angetriebenes Verdampfergebläse 107ab teilen, aufweisend ein Verdampfergebläse 108ab und einen Verdampfergebläsemotor 109ab, und einen Gebläsesteuerungscomputer 116ab. Der Kühlkreis enthält einen Kompressor 101a, eine Auslassseite 102a, eine Einlassseite 103a, einen Sensor, der einen Druckwandler 104a aufweist, ein Umkehrventil 105a, einen Verdampfer 106a, Expansionsvorrichtungen 111a (um einen Druckabfall zu erzeugen, um das Kühlmittel aus einem flüssigen Zustand in einen Zwei-Phasen-Zustand zu ändern), einen Kondensor 112a, Gassolenoidventile 113a (um Kühlmittelströmung zu schließen), einen Akkumulator 114a und eine Kühlmittelleitung 115a. Der Kondensor 112a ist mehrfach aufge teilt, wobei zwei Kondensoreinheiten gezeigt sind, und jede Kondensoreinheit 117a enthält einen Wärmetauscher 118a, ein zugeordnetes Kondensorgebläse 119a und einen zugeordneten Kondensorgebläsemotor 120a. Jede Kondensoreinheit ist nicht räumlich zusammen angeordnet und nicht in demselben Raum. Enthalten in dem Kühlkreis b sind ein Kompressor 101b, eine Auslassseite 102b, eine Einlassseite 103b, ein Sensor, der einen Druckwandler 104b aufweist, ein Umkehrventil 105b, ein Verdampfer 106b, eine Expansionsvorrichtung 111b (um einen Druckabfall zu erzeugen, um das Kühlmittel aus einem flüssigen Zustand in einen Zwei-Phasen-Zustand zu ändern), ein Kondensor 112b, Gassolenoidventile 113b (um Kühlmittelströmung zu schließen), ein Akkumulator 114b und eine Kühlmittelleitung 115b. Der Kondensor 112b ist mehrfach aufgeteilt, wobei zwei Kondensoreinheiten gezeigt sind, und jede Kondensoreinheit 117 enthält einen Wärmetauscher 118b, ein Kondensorgebläse 119b und einen Kondensorgebläsemotor 120b. Jede Kondensoreinheit ist nicht räumlich zusammen angeordnet und nicht in demselben Raum.
Die bevorzugte Implementierung der Wärmepumpe mit zwei Kühlkreisen ist ein modifizierter Carrier-38QRS048. Jede spezifizierte Komponente außer dem Verdampfergebläse ist dem hierin zuvor beschriebenen modifizierten Carrier 38QRS048 ähnlich. Der modifizierte Carrier 38QR5048 hat ein Gebläse mit einem Durchmesser von 60 cm (24 inches), 3 Schaufeln und einem 30°-Zwischenabstand pro Schaufel, und das Gebläse ist durch einen von einem Gleitlager gehaltenen Motor mit 186 W (¼ HP) und einer festen Drehzahl von 850 U/min angetrieben. Der Gebläsesteuerungscomputer 116ab führt ein gespeichertes Programm aus, das die Zustandssteuerlogik enthält, die in Tabelle 2 gezeigt ist und hierin zuvor beschrieben ist, wobei die zwei vorbestimmten Niveaus bestimmt werden als 1965 kPa (285 psi) und 2171 kPa (315 psi). Tabelle 2 ist eine Zustandstabelle eines Wärmepumpensystems mit zwei Kühlkreisen, das in seinem Heizzyklusmodus arbeitet, die die Befehlslogik für einen Verdampfergebläsebetrieb für verschiedene Kombinationen von Kompressorauslassdrücken zeigt.
TABELLE 2 ZUSTANDSTABELLE FÜR WÄRMEPUMPE MIT ZWEI KÜHLKREISEN UND EINZELNEM AUSSENGEBLÄSE

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe in ihrem Heizzyklusmodus, wobei die Wärmepumpe aufweist: mindestens einen Kühlmittelkreis, wobei jeder Kühlmittelkreis einen Kompressor (101) mit einer Auslassseite (102) und einer Ansaugseite (103), einen Kondensor (112), einen Verdampfer (106) und ein Kühlmittel aufweist; mindestens ein Motor-angetriebenes Verdampfergebläse (108) in einer Luftzirkulationsbeziehung mit mindestens einem solchen Verdampfer (106), wobei jeder Verdampfer in der Beziehung mit mindestens einem solchen Motor-angetriebenen Verdampfergebläse ist; einen Sensor (104); und eine Drehzahlsteuerungseinrichtung (109, 116), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: der Sensor (104) erzeugt ein elektrisches Signal, das in Übereinstimmung mit entweder dem Druck oder der Temperatur des Kühlmittels für mindestens einen solchen Kühlmittelkreis variiert; und die Drehzahlsteuerungseinrichtung (109, 116) steuert die Drehzahl mindestens eines solchen mindestens einen Motor-angetriebenen Verdampfergebläses (108) in Reaktion auf das elektrische Signal, wobei die Drehzahlsteuerungseinrichtung entweder den Druck oder die Temperatur mindestens eines solchen mindestens einen Kühlmittelkreises steuert, und dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (104) wirkmäßig mit der Auslassseite des Kompressors (102) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei mindestens ein solcher Kondensor (112) mehrfach aufgeteilt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Motor-angetriebene Verdampfergebläse (108) aus einem Motor-angetriebenen Verdampfergebläse besteht.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei der Sensor (104) einen Druckwandler aufweist und der Wandler den Kühlmitteldruck der Auslassseite des Kompressors (101) misst.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Sensor (104) einen Thermistor aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Motor-angetriebene Verdampfergebläse (108) einen angeschalteten Zustand und einen ausgeschalteten Zustand hat und wobei die Drehzahlsteuerungseinrichtung eine Zykluseinrichtung aufweist, wobei die Zykluseinrichtung Leistung zu mindestens einem der mindestens einen Motor-angetriebenen Verdampfergebläse zwischen dem ausgeschalteten Zustand und dem eingeschalteten Zustand in Reaktion auf das elektrische Signal nacheinander wiederholend schaltet, wobei die Zykluseinrichtung entweder den Druck oder die Temperatur mindestens eines des mindestens einen Kühlkreises steuert.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 6, wobei die Zykluseinrichtung Leistung zu dem mindestens einen solchen der mindestens einen Motor-angetriebenen Verdampfergebläse (108) zwischen dem ausgeschalteten Zustand in Reaktion darauf, dass das elektrische Signal für jeden mindestens einen solchen Kühlkreis über ein erstes vorbestimmtes Niveau ansteigt, und dem angeschalteten Zustand in Reaktion darauf, dass das elektrische Signal für jeden solchen mindestens einen Kühlkreis unter ein zweites vorbestimmtes Niveau abfällt, nacheinander wiederholend schaltet.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 6 oder 7, wobei mindestens ein solches mindestens ein Motor-angetriebenes Verdampfergebläse (108) einen Verdampfergebläsemotor (109) des Typs mit einer Welle aufweist, die durch mindestens ein Gleitlager gehalten ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 8, wobei die Wärmepumpe eine Verdampferumgebungstemperatur und eine Zeitdauer zwischen dem ausgeschalteten Zustand und einem nächsten solchen eingeschalteten Zustand für eine bestimmte solche Umgebungsbedingung aufweist, wobei das erste vorbestimmte Niveau und das zweite vorbestimmte Niveau so ausgewählt sind, dass jede solche Zeitdauer einer Bedingung annähernd entspricht, bei der die Oberfläche jedes solchen Gleitlagers zu allen Zeitpunkten geschmiert bleibt.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 9, wobei das erste vorbestimmte Niveau und das zweite vorbestimmte Niveau gemäß Heizeigenschaften der Wärmepumpe und gemäß einer Leistungsverbrauchseffizienz der Wärmepumpe ausgewählt sind.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 9 oder 10, wobei das elektrische Signal in Übereinstimmung mit dem Kühlmitteldruck variiert, das erste vorbestimmte Niveau ein Kompressorauslassdruck ist und etwa 2171 kPa (315 psi) entspricht, das zweite vorbestimmte Niveau ein Kompressorauslassdruck ist und etwa 1965 kPa (285 psi) entspricht und das Kühlmittel R22 ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei die Zykluseinrichtung gekennzeichnet ist durch: einen Computer, der einen gespeicherten Programmspeicher aufweist, wobei das gespeicherte Programm Instruktionen aufweist, die den Computer dazu veranlassen, das elektrische Signal für mindestens einen solchen Kühlmittelkreis auszulesen, das in Übereinstimmung mit entweder dem Druck oder der Temperatur des Kühlmittels eines jeden solchen variiert, jedes solche elektrische Signal entweder in den Druck oder die Temperatur des Kühlmittels zu konvertieren, jedes solche konvertierte elektrische Signal mit dem ersten vorbestimmten Niveau zu vergleichen, jedes solche ausgelesene elektrische Signal mit dem zweiten vorbestimmten Niveau zu vergleichen, zu bestimmen, ob jedes solche konvertierte elektrische Signal unterhalb des ersten vorbestimmten Niveaus ist, zu bestimmen, ob jedes solche konvertierte elektrische Signal oberhalb des zweiten vorbestimmten Niveaus ist, zu bestimmen, ob jedes solche Motor-angetriebene Verdampfergebläse (108) in dem eingeschalteten Zustand oder dem ausgeschalteten Zustand sein sollte, und wobei der Computer das gespeicherte Programm ausführt und ein Signal an jedes solche Motor-angetriebene Verdampfergebläse (108) überträgt zum Anschalten, wenn die Programmausführung einen solchen angeschalteten Zustand angibt, und zum Ausschalten, wenn die Programmausführung einen solchen ausgeschalteten Zustand angibt.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 12, wobei die Instruktion, die den Computer dazu veranlasst, zu bestimmen, ob jedes sol che Motor-angetriebene Verdampfergebläse (108) in dem eingeschalteten Zustand oder dem ausgeschalteten Zustand ist, aufweist: Bestimmen, dass ein solches Motor-angetriebenes Verdampfergebläse (108) in dem ausgeschalteten Zustand ist, wenn ein solches konvertiertes elektrisches Signal oberhalb des ersten vorbestimmten Niveaus ist, und dass ein solches Motor-angetriebenes Verdampfergebläse (108) in dem angeschalteten Zustand ist, wenn ein solches konvertiertes elektrisches Signal unterhalb des zweiten vorbestimmten Niveaus ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein solches Motor-angetriebenes Verdampfergebläse (108) ein Motor-angetriebenes Verdampfergebläse variabler Drehzahl ist.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 14, wobei die Drehzahlsteuerungseinrichtung ein Steuern der Drehzahl des mindestens einen der Motor-angetriebenen Gebläse (108) variabler Drehzahl aufweist, so dass eine angestrebte Drehzahl aufrechterhalten wird.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 15, wobei die angestrebte Drehzahl eine Drehzahl ist, die die Kombination aus adäquater Wärmeabgabe und bester elektrischer Effizienz bei einer bestimmten Verdampferumgebungstemperatur ergibt.
Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 14, 15 oder 16, wobei mindestens ein solcher des mindestens einen Motor-angetriebenen Verdampfergebläses (108) variabler Drehzahl einen Verdampfergebläsemotor (109) des Typs mit einer Welle, die durch mindestens ein Kugellager gehalten ist, aufweist.