DE102023111051B3

DE102023111051B3 - Wärmepumpe, HLK-System und Verdichtervorrichtung

Info

Publication number: DE102023111051B3
Application number: DE102023111051.9A
Authority: DE
Inventors: Artjom Gruber; Gennadi Starobinski; Peter Schneider
Original assignee: Viessmann Climate Solutions SE
Current assignee: Viessmann Holding International De GmbH
Priority date: 2023-04-28
Filing date: 2023-04-28
Publication date: 2024-06-13
Anticipated expiration: 2043-04-29
Also published as: WO2024223485A1

Abstract

Die Erfindung stellt ein Wärmepumpe bereit, insbesondere zum Einsatz in einem HLK-System, die als Teil eines Arbeitskreislaufs der Wärmepumpe zumindest eine Verdichtervorrichtung 1 zum Verdichten eines Arbeitsmediums des Arbeitskreislaufs umfasst, wobei die Verdichtervorrichtung 1 wiederum einen Elektromotor 32 zum Bereitstellen einer mechanischen Bewegung zum Verdichten des Arbeitsmediums, einen Wechselrichter 31, der den Elektromotor 32 mit Wechselstrom versorgt, einen Gleichrichter 11, der den Wechselrichter 31 mit Gleichstrom versorgt, wobei der Gleichrichter 11 zur Energieversorgung der Verdichtervorrichtung 1 mit einer Wechselstromquelle verbindbar ist, und eine Überwachungseinrichtung 12 zur Überwachung eines Betriebszustands des Elektromotors 32 umfasst, die zumindest ein Messmittel 122, 123 zum Erfassen einer Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung 1 und ein Auswertmittel 121 zum Auswerten der erfassten Betriebsgröße umfasst, wobei der Elektromotor 32 und der diesen mit Wechselstrom versorgende Wechselrichter 31 gemeinsam in einer DC-Verdichtereinheit 30 der Verdichtervorrichtung 1 integriert sind, die mit einer von dieser separierten Elektronikeinheit 10 der Verdichtervorrichtung 1, in der wiederum der Gleichrichter 11 und die Überwachungseinrichtung 12 gemeinsam integriert sind, über eine Gleichstromschnittstelle 20 gekoppelt ist

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, insbesondere zum Einsatz in einem HLK-System, ein HLK-System mit einer Wärmepumpe, eine Verdichtervorrichtung zum Einsatz in einer Wärmepumpe sowie ein Verfahren zum Überwachen einer Verdichtervorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur Heizung, Lüftung und Klimatisierung, sog. HLK-Systeme (engl. HVAC-systems) bekannt, mit denen unter anderem eine gezielte und auch möglichst effiziente Steuerung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Luftströmung innerhalb eines Gebäudes oder Teilbereichen des selbigen umgesetzt werden soll.
In jüngster Zeit kommen hierzu vermehrt vor allem in Privathaushalten Wärmepumpen als Bestandteil solcher HLK-Systeme zum Einsatz, wahlweise als Teil eines Heizungssystems des HLK-Systems zum Erhöhen von Raumtemperaturen, aber auch als Teil eines Klimatisierungssystems des HLK-Systems zum Absenken von Raumtemperaturen.
Bei solchen Wärmepumpen handelt es sich um thermodynamische Vorrichtungen, die über eine Verbindung zu einer Wärmequellenanlage verschiedene Umgebungsenergiequellen, beispielsweise in Form von Aerothermie, Geothermie oder Hydrothermie, zum Heizen und/oder zum Klimatisieren nutzbar machen. Hierzu umfasst die Wärmepumpe üblicherweise einen geschlossenen thermodynamischen Arbeitskreislauf für ein Arbeitsmedium, in dem dieses gemäß der allgemein bekannten Prinzipien verdichtet und entspannt sowie erwärmt und abgekühlt wird, derart, dass zumindest einer Stelle im Arbeitskreislauf Wärmeenergie auf das Arbeitsmedium übertragen werden kann und an zumindest einer weiteren Stelle im Arbeitskreislauf dem Arbeitsmedium Wärmeenergie entzogen werden kann, um so einen Wärmefluss aus oder in ein Zielsystem, z. B. ein Raum des Gebäudes, umzusetzen.
In den Fällen, in denen dem Zielsystem Wärmeenergie entzogen werden soll, beispielsweise im Bereich der Klimatisierung, wird die Wärmepumpe oft auch als Kältepumpe bezeichnet Nachfolgend soll Wärmepumpe allerdings als Oberbegriff verstanden werden, der auch die Ausführung als Kältepumpe umfasst.
Wesentliches Element im Arbeitskreislauf der Wärmepumpe ist dabei der üblicherweise elektrisch betriebene Verdichter, über den das Arbeitsmedium verdichtet wird, um dessen Druck zu erhöhen. Ein Ausfall des Verdichters führt dabei gleichwohl zum Ausfall der kompletten Wärmepumpe, was gerade beim Einsatz in einem HLK-System besonders kritisch sein kann. Als Beispiel sei hierzu ein infolge eines Komponentenschadens bedingter Ausfall einer als Teil eines Heizungssystems ausgeführten Wärmepumpe in kalten Wintermonaten genannt, infolgedessen das zu heizende Gebäude auskühlen und damit unbewohnbar werden würde. Je nach Art des Schadens kann eine Reparatur oder ein Austausch dabei mehrere Tage in Anspruch nehmen und ist daher unter allen Umständen zu vermeiden.
Gerade beim Einsatz von Wärmepumpen als Teil solcher HLK-Systeme ist damit ein ausfallsicherer Betrieb über eine lange Betriebszeit der Wärmepumpe hinweg, mehrere Jahre, wenn nicht sogar Jahrzehnte, sicherzustellen, bei dem insbesondere eine Beschädigung einzelner Komponenten möglichst ausgeschlossen ist.
Eine der kritischsten Komponenten der Wärmepumpe ist dabei der elektrisch betriebene Verdichter, der in der Regel einen Elektromotor umfasst, der die zum Verdichten des Arbeitsmediums erforderliche mechanische Bewegung bereitstellt Besagter Elektromotor wird je nach den an die Wärmepumpe gestellten und natürlich variierenden Leistungsanforderungen in unterschiedlichen Leistungsbereichen betrieben und erfährt dabei unterschiedliche thermische, elektrische und mechanische Belastungen.
So ist hierzu aus der JP 2005- 315 146 A ein Verdichter mit Elektromotor bekannt
Im Hinblick auf die in DIN EN 60335-1 geregelten Sicherheitsstandards sollte der Betriebszustands des Elektromotors, als elektrisches Gerät für den Hausgebrauch, überwacht werden, um so kritische Betriebszustände zu detektieren und unter Umständen Gegenmaßnahmen zu ergreifen, z. B. durch eine Abschaltung, die einen unsicheren Betrieb und/oder eine Beschädigung des Elektromotors des Verdichters verhindern. Als Beispiel für einen solche Beschädigung sei eine thermische Überlastung der rotor- und/oder statorseitigen Wicklungen des Elektromotors genannt infolge derer beispielsweise die auf einem Leiter einer Wicklung aufgebrachte Isolierschicht beschädigt werden kann, was zu einem Kurzschluss und einer unter Umständen dauerhaften Beschädigung des Elektromotors führen kann.
Im Zuge einer Überprüfung eines Elektromotors ist beispielsweise aus der DE 11 2014 002 853 T5 einen Isolationsdetektorbekannt, mit dem die Isolierung eines Elektromotors überprüft werden kann.
In Bezug auf eine Überwachung eines als Kompressor ausgeführten Verdichters ist ferner aus der US 2019 / 0 227 020 A1 ein Überwachungsgerät zur Überwachung eines Ölfüllstands des Kompressor auf Basis einer gemessenen elektrischen Kapazität bekannt
Ein Schaden am Verdichter, der das Arbeitsmedium in diesem Fall natürlich nicht mehr ausreichend verdichtet, kann sich dabei auf die anderen mit dem Arbeitsmedium arbeitenden Komponenten der Wärmepumpe auswirken, die unter Umständen ebenfalls eine Schädigung erfahren.
Zusammenfassung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zum Verdichten eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpe mit einem elektrisch betriebenen Verdichter bereitzustellen, die eine genaue und zuverlässige Überwachung zur Umsetzung eines sicheren Betriebs, also zur Vermeidung von kritischen Betriebszuständen gestattet, mit der insbesondere hohe Sicherheitsstandards eingehalten und Schäden an Komponenten der Wärmepumpe zuverlässig vermieden werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Wärmepumpe nach Anspruch 1, ein HLK-System nach Anspruch 12, eine Verdichtervorrichtung nach Anspruch 13 sowie ein Verfahren zum Überwachen einer Verdichtervorrichtung nach Anspruch 14 bereitgestellt.
Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beziehen sich dabei auf bevorzugte Ausführungsformen, die jeweils für sich genommen oder in Kombination bereitgestellt werden können.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird eine Wärmepumpe bereitgestellt, insbesondere zum Einsatz in einem HLK-System, die als Teil eines Arbeitskreislaufs der Wärmepumpe zumindest eine Verdichtervorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsmediums des Arbeitskreislaufs umfasst, wobei die Verdichtervorrichtung wiederum einen Elektromotor zum Bereitstellen einer mechanischen Bewegung zum Verdichten des Arbeitsmediums, einen Wechselrichter, der den Elektromotor mit Wechselstrom versorgt, einen Gleichrichter, der den Wechselrichter mit Gleichstrom versorgt, wobei der Gleichrichter zur Energieversorgung der Verdichtervorrichtung mit einer Wechselstromquelle verbindbar ist, und eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Betriebszustands des Elektromotors umfasst, die zumindest ein Messmittel zum Erfassen einer Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung und ein Auswertmittel zum Auswerten der erfassten Betriebsgröße umfasst, wobei der Elektromotor und der diesen mit Wechselstrom versorgende Wechselrichter gemeinsam in einer DC-Verdichtereinheit der Verdichtervorrichtung integriert sind, die mit einer von dieser separierten Elektronikeinheit der Verdichtervorrichtung, in der wiederum der Gleichrichter und die Überwachungseinrichtung gemeinsam integriert sind, über eine Gleichstromschnittstelle gekoppelt ist.
Der durch die Erfindung bereitgestellte Aufbau der Verdichtervorrichtung weist in sich eine besonders gute elektromagnetische Verträglichkeit auf, da die mit Wechselstrom arbeitenden Komponenten, namentlich der Wechselrichter und der Elektromotor, von den übrigen elektrischen Komponenten separiert sind und gemeinsam in einem eigenen Bauteil, namentlich der DC-Verdichtereinheit, integriert sind.
Elektromagnetische Verträglichkeit soll dabei als ein Maß für die Fähigkeit einer technischen Komponenten verstanden werden, andere Komponenten nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte zu stören oder durch selbst durch andere Komponenten gestört zu werden. Die elektromagnetische Verträglichkeit kann dabei sowohl auf Komponentenebene eines Geräts als auch auf Geräteebene selbst formuliert werden.
Im Falle der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung sind vor allem die mit Wechselstrom arbeitenden Komponenten Hauptverursacher von elektromagnetischen Feldern, die andere elektrische oder elektronische Komponenten beeinflussen können und bei diesen unter Umständen zu Funktionsstörungen und einem fehlerhaften Verhalten führen können.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem Wechselrichter und Elektromotor sowie Gleichrichter und Überwachungseinrichtung jeweils „nah“ beieinander angeordnet sind, wird somit eine besonders gute elektromagnetische Verträglichkeit erzielt, bei dem vor allem die als Teil der separaten Elektronikeinheit ausgeführte Überwachungseinrichtung vor einer negativen Beeinflussung durch den Wechselrichter und/oder durch den Elektromotor geschützt wird.
So haben die Erfinder herausgefunden, dass der erfindungsgemäße Aufbau zu einer wesentlich besseren elektromagnetischen Verträglichkeit führt, da durch die gemeinsame Integration in der DC-Verdichtereinheit der räumliche Abstand zwischen dem Wechselrichter und dem Elektromotor im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten „klassischen“ Aufbau mit getrenntem Wechselrichter und Elektromotor sehr gering ist Dadurch kann die in Bezug auf die elektromagnetischen Verträglichkeit sehr kritische elektrische Verbindung zwischen Wechselrichter und Elektromotor vergleichsweise kurz ausgeführt werden und strahlt wiederum weniger elektromagnetische Störungen ab, die durch teils aufwendige konstruktive Maßnahmen entstört werden müssten.
Durch Anordnung in der separaten Elektronikeinheit wird die Überwachungseinrichtung zusätzlich von der vorstehend beschriebenen Störquelle abgeschirmt
Auf diese Weise verbessert sich nicht nur die elektromagnetische Verträglichkeit der gesamten Verdichtervorrichtung, sondern auch von deren Komponenten, sodass insbesondere Störungen der sicherheitsrelevanten Überwachungseinrichtung reduziert werden.
Dies gestattet nicht nur einen zuverlässigen Betrieb der Verdichtervorrichtung, sondern auch eine zuverlässige Überwachung im Hinblick auf kritische Betriebszustände der Verdichtervorrichtung, was wiederum die Betriebssicherheit erhöht (beispielsweise durch Minimierung des Risikos eines elektrischen Schlags) und die Gefahr einer Beschädigung der Verdichtervorrichtung reduziert Eine solche Beschädigung führt dabei unter Umständen nicht nur zu einem Funktionsverlust, sondern auch zu einer Beschädigung anderer Komponenten der Wärmepumpe.
Zu den besagten kritischen Betriebszuständen zählen unter anderem eine Überhitzung von Wicklungen des Elektromotors, infolgedessen beispielsweise die auf dem Leiter einer Wicklung aufgebrachte Isolierschicht beschädigt werden kann, was zu einem Kurzschluss und damit zu einem permanenten Funktionsverlust des Elektromotors führt oder gar einem aus normativer Sicht unsicheren Zustand des gesamten elektrischen Systems, beispielsweise durch die Gefahr eines elektrischen Schlags. Ebenso kann der Elektromotor auch gehemmt oder gar blockiert sein, sodass die mechanische Bewegung zum Verdichten nicht wie gewünscht oder unter Umständen gar nicht erfolgt
Die separate Anordnung der beiden Einheiten (Elektronikeinheit und DC-Versdichtereinheit) soll dabei so verstanden werden, dass es sich hierbei um separate Einheiten bzw. Bauteile handelt, als Teile derer bzw. in denen die jeweiligen Komponenten (Wechselrichter, Elektromotor, Gleichrichter etc.) ausgeführt bzw. untergebracht sind. Die beiden Einheiten können (abgesehen von der elektrischen Verbindung über die Gleichstromschnittstelle) dabei (nicht zwingend) voneinander beabstandet angeordnet sein. Hierbei kann ein Luftspalt oder eine Zwischenschicht zwischen den Einheiten vorliegen.
Das Auswertmittel der Überwachungseinrichtung ist vorzugsweise elektronisch und insbesondere prozessorbasiert und umfasst selbst Mittel zur Signalübertragung (Senden und Empfangen). Bei dem Auswertmittel kann es sich beispielsweise um eine Steuereinrichtung der Verdichtervorrichtung oder um einen Teil einer solchen Steuereinrichtung handeln. Alternativ kann das Auswertmittel auch mit einer Steuereinrichtung der Verdichtervorrichtung gekoppelt sein, oder direkt mit einer Steuereinrichtung der Wärmepumpe.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die DC-Verdichtereinheit und die Elektronikeinheit jeweils ein Gehäuse, die voneinander beabstandet sein können, wobei zumindest ein Teil des Elektromotors, insbesondere dessen stator- und/oder rotorseitige Wicklungen, die mit Strom versorgt werden, und der Wechselrichter innerhalb des Gehäuses der DC-Verdichtereinheit angeordnet sind und der Gleichrichter und die Überwachungseinrichtung innerhalb des Gehäuses der Elektronikeinheit angeordnet sind.
Vorzugsweise sind sämtliche elektrischen Komponenten des Elektromotors innerhalb des Gehäuses der DC-Verdichtereinheit angeordnet
Die Gehäuse können jeweils und nicht beschränkend aus Kunststoff oder aus einem metallischen Material gefertigt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst zumindest das Gehäuse der DC-Verdichtereinheit ein elektromagnetisches Abschirmmittel, vorzugsweise in Form metallischer Komponenten des Gehäuses oder einer Metallfolie oder eines Metallgitternetzes.
Über das Abschirmmittel wird der Teil des Elektromotors und der Wechselrichter im Gehäuse der DC-Verdichtereinheit zusätzlich von den anderen elektrischen Komponenten der Verdichtervorrichtung elektromagnetisch abgeschirmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein elektromagnetisches Abschirmmittel aber auch zwischen der DC-Verdichtereinheit und der Elektronikeinheit angeordnet sein, beispielsweise zwischen den jeweiligen Gehäusen der besagten Einheiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Auswertmittel eingerichtet, zumindest einen den Betriebszustand des Elektromotors beschreibenden Betriebskennwert in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgröße zu ermitteln.
Die Betriebskennwerte bieten eine besonders gut umsetzbare Möglichkeit kritische Betriebszustände zu identifizieren, beispielsweise durch Detektieren einer Grenzwertüberschreitung.
Beispielsweise können ein, zwei, drei oder mehr Betriebskennwerte ermittelt werden, bei denen es sich unter anderem um Werte elektrischer oder mechanischer Größen des Elektromotors handeln kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Messmittel zum Erfassen einer Stromstärke und/oder einer Spannung an der Gleichstromschnittstelle eingerichtet.
Werte der besagten Größen werden dabei vorzugsweise in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfasst, wodurch zeitliche Verläufe der besagten Betriebsgrößen erfasst werden. Nachfolgend kann die erfasste Stromstärke und/oder die erfasste Spannung sowohl einen Einzelwert als auch einen zeitlichen Verlauf bezeichnen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Messmittel zum Erfassen einer Stromstärke an der Gleichstromschnittstelle eingerichtet und die Überwachungseinrichtung umfasst ein weiteres Messmittel, das zum Erfassen einer Spannung an der Gleichstromschnittstelle eingerichtet ist, wobei das Auswertmittel ebenfalls zum Auswerten der durch das weitere Messmittel erfassten Spannung eingerichtet ist.
Durch Erfassen mehrere Betriebsgrößen kann der Betriebszustand der Verdichtervorrichtung noch besser überwacht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Auswertmittel der Überwachungseinrichtung eingerichtet, basierend auf der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle zumindest einen Effektivwert eines durch eine Wicklung des Elektromotors fließenden Stroms als einen Betriebskennwert des Elektromotors zu ermitteln, insbesondere einen Effektivwert der Spannung, der Stromstärke oder der elektrischen Leistung des durch die Wicklung des Elektromotors fließenden Stroms, wobei jede der Größen vorzugsweise als ein separater Betriebskennwert gehandhabt werden kann.
Die Beschreibung von dem in der Wicklung fließenden Wechselstrom über die ermittelten Effektivwerte ist einfach gehalten und trotzdem repräsentativ, um die komplexen, zeitvarianten Vorgänge in der Wicklung zu beschreiben und darauf aufbauend eine Überwachung umzusetzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Auswertmittel der Überwachungseinrichtung eingerichtet, basierend auf dem zumindest einen ermittelten Effektivwert des durch die Wicklung des Elektromotors fließenden Stroms eine Temperatur der Wicklung des Elektromotors zu ermitteln als einen Betriebskennwert des Elektromotors zu ermitteln.
Auf diese Weise wird eine Temperaturüberwachung umgesetzt ohne einen Temperatursensor in die Verdichtervorrichtung einbringen zu müssen, um so insbesondere ein für die Isolierschicht der Wicklungen kritischen Betriebszustand zu detektieren.
Die Ermittlung der Temperatur erfolgt dabei durch einen vorbestimmten oder einen selbstlernenden Algorithmus, der als Eingangsgrößen die besagten Effektivwerte und/oder die erfasste Stromstärke und/oder die erfasste Spannung erhalten. Vorzugsweise bezieht der Algorithmus Konstruktionsparameter und/oder elektrische Parameter des Elektromotors und/oder des Wechselrichters mit ein. Alternativ kann der Algorithmus auch aus zeitlichen Verläufen der erfassten Betriebskennwerte ermittelte Spektren der jeweiligen Betriebskennwerte als Eingangsgrößen übergeben bekommen. Nicht erschöpfende Beispiele derartiger Spektren sind Transformationen der zeitlichen Verläufe in einen Frequenzbereiche, beispielsweise unter Anwendung einer FFT oder dergleichen.
Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der Temperatur über den Algorithmus dabei auf Basis zweiter oder aller drei Effektivwerte von Spannung, Stromstärke oder elektrischen Leistung des durch die Wicklung fließenden Stroms.
Alternativ ist das Auswertmittel der Überwachungseinrichtung eingerichtet, basierend auf der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle eine Temperatur einer Wicklung des Elektromotors als einen Betriebskennwert des Elektromotors zu ermitteln.
In diesem Fall arbeitete der Algorithmus direkt mit der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung (bzw. deren zeitlicher Verläufe), ohne vorher Effektivwerte zu ermitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Auswertmittel eingerichtet, basierend auf der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle eine Drehzahl des Elektromotors als einen Betriebskennwert des Elektromotors zu ermitteln.
Auf diese Weise kann auf einen gehemmten oder gar blockierten Elektromotor geschlossen werden, der das Arbeitsmedium unzureichend oder überhaupt nicht mehr verdichtet
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verdichtervorrichtung weiterhin eine mit der Überwachungseinrichtung gekoppelte Schaltereinheit zur Unterbrechung einer Energieversorgung des Elektromotors durch die Wechselstromquelle, wobei die Verdichtervorrichtung, insbesondere das Auswertmittel, eingerichtet ist, über die Schaltereinheit die Energieversorgung des Elektromotors basierend auf zumindest einem vom Auswertmittel ermittelten Betriebskennwert des Elektromotors zu unterbrechen, insbesondere falls dieser außerhalb eines vorbestimmten Sollbereichs liegt
Auf diese Weise kann ein kritischer Betriebszustand durch sofortige Kappung der Energieversorgung verhindert und/oder beendet werden, sodass es möglichst zu keinem unsicheren Betriebszustands und/oder zu einer Beschädigung der Verdichtervorrichtung kommt
Bei besagten Betriebskennwerten kann es sich (nicht beschränkend) um die vorstehend beschriebenen Effektivwerte des Stroms, um die Temperatur der Wicklung oder um die Drehzahl des Elektromotors handeln, oder aber auch um aus zeitlichen Verläufen dieser Größen abgeleitete Spektren in einem Frequenzbereich.
Vorzugsweise ist das Auswertmittel eingerichtet, für jeden ermittelten Betriebskennwert die Energieversorgung über die Schaltereinheit zu unterbrechen, insbesondere falls einer der ermittelten Betriebskennwert außerhalb eines jeweiligen vorbestimmten Sollbereichs liegt
Auf diese Weise wird die Überwachung auf mehrere Betriebskennwerte ausgedehnt
Vorzugsweise ist die Schaltereinheit zwischen der Wechselstromquelle und dem Gleichrichter geschaltet, sodass der Stromfluss zwischen Wechselstromquelle und Gleichrichter unterbrochen werden kann, wodurch die elektrische Sicherheit der Wärmepumpe sichergestellt wird und unter anderem auch die komplette Elektronik der Verdichtervorrichtung vor Beschädigung geschützt wird.
Alternativ kann die Schaltereinheit aber auch, bezogen auf den elektrischen Energiefluss, nach dem Gleichrichter angeordnet sein, insbesondere zwischen Gleichrichter und Wechselrichter.
Vorzugsweise erfolgt eine Unterbrechung, falls der ermittelte Betriebskennwert außerhalb eines zugehörigen Sollbereichs liegt. Insbesondere kann dies durch eine Grenzwertüberwachung bei zeitlich kontinuierlicher bzw. sich wiederholender Erfassung der Betriebsgröße und Ermittlung des Betriebswerts bzw. der Betriebswert durch die Überwachungseinrichtung implementiert sein, bei der überwacht wird, ob der ermittelte Betriebskennwert eine oberer und/oder untere Grenze seines zugehörigen Sollbereichs überschreitet
Die Sollbereiche können dabei extern durch einen Bediener vorbestimmt werden, beispielsweise auf Basis von Prüfstandmessungen, durch ein Simulationsprogramm vorbestimmt sein oder durch einen selbstlernenden Algorithmus im Zuge einer Lernphase vorbestimmt werden. Vorzugsweise sind die Sollbereiche anpassbar, insbesondere ist das Auswertmittel eingerichtet, die Sollbereiche in Abhängigkeit der durch die Messeinheiten der Überwachungseinrichtung erfassten Betriebsgrößen anzupassen.
Vorzugsweise umfasst die Verdichtervorrichtung weiterhin zumindest einen mit der Überwachungseinrichtung gekoppelten Sensor zum Erfassen einer Zustandsgröße des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf umfasst, insbesondere einen Drucksensor, sodass die Zustandsgröße ein Druck des Arbeitsmediums ist, wobei das Auswertmittel eingerichtet ist, über die Schaltereinheit die Energieversorgung des Elektromotors basierend auf einem Wert der durch den zumindest einen Sensor erfassten Zustandsgröße zu unterbrechen.
Auf diese Weise wird die Überwachung zusätzlich um thermodynamische Betriebsgrößen der Verdichtervorrichtung ergänzt, wodurch diese noch zuverlässigere und genauer umgesetzt werden kann.
Vorzugsweise erfolgt eine Unterbrechung, falls der erfasste Wert der Zustandsgröße außerhalb eines vorbestimmten zweiten Sollbereichs liegt Insbesondere kann dies durch eine Grenzwertüberwachung bei zeitlich kontinuierlicher bzw. sich wiederholender Erfassung durch die Überwachungseinrichtung implementiert sein, bei der überwacht wird, ob der erfasste Wert der Zustandsgröße eine Grenze des zweiten Sollbereichs überschreitet
Vorzugsweise umfasst die Verdichtervorrichtung sowohl an einem Verdichtereingang für das Arbeitsmedium als auch an einem Verdichterausgang einen derartigen Sensor, wobei das Auswertmittel eingerichtet ist, über die Schaltereinheit die Energieversorgung des Elektromotors basierend auf den beiden Werten der durch die beiden Sensoren erfassten Zustandsgröße des Arbeitsmediums am Verdichtereingang und am Verdichterausgang zu unterbrechen.
Auf diese Weise kann ein Verdichtungsgrad des Arbeitsmediums ermittelt werden, über den ein Fehlverhalten beim Verdichten detektiert werden kann. So weist ein plötzlich sinkender Verdichtungsgrad bei unveränderter Einstellung der Wärmepumpe üblicherweise auf eine Hemmung oder Blockade des Elektromotors hin.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmepumpe als Teil eines Heizungssystems eines HLK-Systems ausgeführt ist, das zum Heizen eines Gebäudes eingerichtet ist
Gerade in jüngster Zeit kommen Wärmepumpen, als Alternativen zu Öl- und Gasbasierten Systemen, als Heizungssystem in HLK-Systemen zum Einsatz. Hier muss der sichere und zuverlässige Betrieb gewährleistet sein, insbesondere während kalter Wintermonate, was durch die erfindungsgemäße Wärmepumpe sichergestellt wird.
Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung wird ein HLK-System bereitgestellt, welches eine Wärmepumpe zumindest gemäß des ersten Aspekts oder einer ihrer bevorzugten Ausführungsformen umfasst
Auf diese Weise können die im Vorfeld beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmepumpe auf das komplette HLK-System übertragen werden, wodurch unter anderem auch dessen zuverlässiger und energieeffizienter Betrieb sichergestellt werden kann.
Die Bezeichnung HLK-System bezeichnet dabei jedwede Kombination ein oder mehrerer der darunter zusammengefassten Subsysteme, also einem Heizungssystem, einem Lüftungssystem und einem Klimatisierungssystem, als dass ein HLK-System im Sinne der Erfindung nicht alle der vorstehenden Subsysteme umfassen muss.
So kann die Wärmepumpe beispielsweise in einem Heizungssystem und/oder in einem Klimatisierungssystem des HLK-Systems eingesetzt werden.
Gemäß eines dritten Aspekts der Erfindung wird eine Verdichtervorrichtung bereitgestellt, die sich insbesondere zum Einsatz in einer Wärmepumpe eignet, vorzugsweise in einer Wärmepumpe gemäß des ersten Aspekts der Erfindung. Die Verdichtervorrichtung umfasst einen Elektromotor zum Bereitstellen einer mechanischen Bewegung zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einen Wechselrichter, der den Elektromotor mit Wechselstrom versorgt, einen Gleichrichter, der den Wechselrichter mit Gleichstrom versorgt, wobei der Gleichrichter zur Energieversorgung der Verdichtervorrichtung mit einer Wechselstromquelle verbindbar ist, und eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Betriebszustands des Elektromotors, die zumindest ein Messmittel zum Erfassen einer Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung und ein Auswertmittel zum Auswerten der erfassten Betriebsgröße umfasst Der Elektromotor und der diesen mit Wechselstrom versorgende Wechselrichter sind gemeinsam in einer DC-Verdichtereinheit der Verdichtervorrichtung integriert, die mit einer von dieser separierten Elektronikeinheit der Verdichtervorrichtung, in der wiederum der Gleichrichter und die Überwachungseinrichtung gemeinsam integriert sind, über eine Gleichstromschnittstelle gekoppelt ist
Auf diese Weise kann eine beliebige Wärmepumpe mit der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung nachgerüstet werden, um so zu einer Wärmepumpe gemäß des ersten Erfindungsaspekts mit all deren Vorteilen zu gelangen.
Der Einsatz der Verdichtervorrichtung ist dabei aber nicht auf eine Wärmepumpe eines HLK-Systems beschränkt, sondern kann auch in anderweitigen Wärmepumpen zum Einsatz kommen, so beispielsweise in einer Wärmepumpe eines Kühl-/Gefriergeräts, eines Wäschetrockners und anderen Haushaltsgeräten.
Gemäß eines vierten Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen der Verdichtervorrichtung zumindest gemäß des dritten Aspekts oder einer ihrer bevorzugten Ausführungsformen bereitgestellt Das Verfahren umfasst zumindest ein Betreiben der Verdichtervorrichtung durch Versorgen des Gleichrichters der Verdichtervorrichtung mit Wechselstrom durch eine Wechselstromquelle, ein Erfassen zumindest einer Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung mittels des zumindest einen Messmittels der Überwachungseinrichtung und ein Ermitteln eines einen Betriebszustand des Elektromotors der Verdichtervorrichtung beschreibenden Betriebskennwerts in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgröße mittels des Auswertmittels der Überwachungseinrichtung, insbesondere um so einen gefährlichen Zustand zu erkennen und das sicherheitsgerichtete Unterbrechen der Energieversorgung des Verdichtervorrichtung zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Messmittel zum Erfassen einer Stromstärke und/oder einer Spannung an der Gleichstromschnittstelle der Verdichtervorrichtung eingerichtet, wobei das Erfassen der Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung weiterhin ein Erfassen einer Stromstärke und/oder einer Spannung an der Gleichstromschnittstelle der Verdichtervorrichtung umfasst
Bevorzugt umfasst das Ermitteln des den Betriebszustand des Elektromotors der Verdichtervorrichtung beschreibenden Betriebskennwerts weiterhin ein Ermitteln eines Effektivwertes eines durch eine Wicklung des Elektromotors fließenden Stroms, insbesondere eines Effektivwerts der Spannung, der Stromstärke oder der elektrischen Leistung, in Abhängigkeit der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle, und ein Ausgeben des ermittelten Effektivwerts als Betriebskennwert des Elektromotors.
Alternativ dazu umfasst das Ermitteln des den Betriebszustand des Elektromotors der Verdichtervorrichtung beschreibenden Betriebskennwerts weiterhin ein Ermitteln eines Effektivwertes eines durch eine Wicklung des Elektromotors fließenden Stroms, insbesondere eines Effektivwerts der Spannung, der Stromstärke oder der elektrischen Leistung, in Abhängigkeit der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle, und ein Ermitteln einer Temperatur der Wicklung des Elektromotors in Abhängigkeit des ermittelten Effektivwerts des durch die Wicklung des Elektromotors fließenden Stroms, und ein Ausgeben der ermittelten Temperatur als Betriebskennwert des Elektromotors.
Weiter alternativ umfasst das Ermitteln des den Betriebszustand des Elektromotors der Verdichtervorrichtung beschreibenden Betriebskennwerts weiterhin ein Ermitteln eines Effektivwertes eines durch eine Wicklung des Elektromotors fließenden Stroms, insbesondere eines Effektivwerts der Spannung, der Stromstärke oder der elektrischen Leistung, in Abhängigkeit der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle, und ein Ermitteln einer Temperatur der Wicklung des Elektromotors in Abhängigkeit der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle, und ein Ausgeben der ermittelten Temperatur als Betriebskennwert des Elektromotors.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Abschalten der Verdichtervorrichtung, insbesondere durch ein Unterbrechen einer Stromversorgung des Elektromotors, falls zumindest einer oder mehrere der ermittelten Betriebskennwerte außerhalb eines jeweiligen vorbestimmten Sollbereichs liegen. Vorzugsweise erfolgt das Unterbrechen dabei durch ein Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Gleichrichter und der Wechselstromquelle.
Weitere Aspekte und deren Vorteile als auch speziellere Ausführungsbeispiele der zuvor genannten Aspekte und Ausführungsformen werden im Folgenden unter Zuhilfenahme der in den beigefügten Figuren gezeigten Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wärmepumpe.
2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung.
3 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen einer Verdichtervorrichtung.

Es wird hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt ist Die Erfindung umfasst weiterhin Modifikationen der genannten Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die aus Modifikationen und/oder Kombinationen einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche hervorgehen.
Ausführliche Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wärmepumpe.
Die Wärmepumpe umfasst in einem Arbeitskreislauf für ein Arbeitsmedium angeordnet eine Verdichtervorrichtung 1, einen Verflüssiger 2, ein Entspannungsventil 3 und einen Verdampfer 4.
Die dargestellte Wärmepumpe 1 ist für den Heizbetrieb konfiguriert, als dass durch den thermodynamischen Kreislauf Wärmeenergie von der Wärmequellenanlage 6 zum Wärmeempfänger 7 übertragen wird, beispielsweise zu einem Warmwasserkreislauf einer Heizung oder zu einem Warmwasserbereiter für Brauchwasser.
Der Verflüssiger 2 ist hierzu thermisch mit einem Wärmeempfänger 7 gekoppelt, um diesem dem Arbeitsmedium im Verflüssiger 2 entzogene Wärmeenergie zuzuführen. Der Verdampfer 3 ist thermisch mit einer Wärmequellenanlage 6 gekoppelt, um aus dieser Wärmenergie auf das Arbeitsmedium zu übertragen.
Die Verdichtervorrichtung 1 dient dem Verdichten des erwärmten und somit üblicherweise gasförmigen Arbeitsmediums und umfasst hierzu einen Elektromotor 32 zum Bereitstellen einer mechanischen Bewegung zum Verdichten des Arbeitsmediums.
Der Elektromotor 32 wird mit Wechselstrom versorgt. Hierzu ist dem Elektromotor ein Wechselrichter 31 vorgeschaltet, der seinerseits über einen davor geschalteten Gleichrichter 11 mit Gleichstrom versorgt wird. Der Gleichrichter 11 wird seinerseits wiederum über eine Wechselstromquelle (~) mit Wechselstrom versorgt.
Zur Überwachung eines Betriebszustands der Verdichtervorrichtung 1, insbesondere von dessen Elektromotor 32, umfasst diese eine Überwachungseinrichtung 12, die zumindest ein Messmittel zum Erfassen einer Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung 1 und ein Auswertmittel zum Auswerten der erfassten Betriebsgröße umfasst.
Der Elektromotor 32 und der diesen mit Wechselstrom versorgende Wechselrichter 31 sind gemeinsam in einer DC-Verdichtereinheit 30 (DC für engl. direct current) der Verdichtervorrichtung 1 integriert sind.
Der Gleichrichter 11 und die Überwachungseinrichtung 12 sind gemeinsam in einer separaten Elektronikeinheit 10 integriert, wobei die Elektronikeinheit 10 und die DC-Verdichtereinheit 30 über eine Gleichstromschnittstelle 20 miteinander gekoppelt sind.
Die Überwachungseinrichtung 12 greift dabei vorzugsweise die zur Überwachung der Verdichtervorrichtung 1 zu erfassenden Betriebsgröße oder Betriebsgrößen über Messmittel an der Gleichstromschnittstelle 20 ab.
Der durch die Erfindung bereitgestellte Aufbau der Verdichtervorrichtung 1 weist in sich eine besonders gute elektromagnetische Verträglichkeit auf, da die mit Wechselstrom arbeitenden Komponenten, namentlich der Wechselrichter 31 und der Elektromotor 32, von den übrigen elektrischen Komponenten separiert sind und gemeinsam in einem eigenen Bauteil, namentlich der DC-Verdichtereinheit 30, integriert sind.
So sind vor allem die mit Wechselstrom arbeitenden Komponenten Hauptverursacher von elektromagnetischen Feldern, die andere elektrische oder elektronische Komponenten beeinflussen können und bei diesen unter Umständen zu Funktionsstörungen und einem fehlerhaften Verhalten führen können.
Die Verdichtervorrichtung umfasst ferner Drucksensor 501, 502, die jeweils auf Seiten des Verdichtereingangs 511 und des Verdichterausgangs 512 für das Arbeitsmedium angeordnet sind und jeweils zum Erfassen eines Drucks des Arbeitsmediums eingerichtet sind.
Die Drucksensoren 501, 502 sind mit der Überwachungseinrichtung 12 gekoppelt und stehen dieser, insbesondere dem Auswertmittel, als zusätzliche Größen zwecks Überwachung des Elektromotors 32 bereit
So kann über die erfasste Druckwerte am Verdichtereingang 511 und am Verdichterausgang 512 beispielsweise auf eine unzureichende oder gar keine erfolgende Verdichtung rückgeschlossen werden.
Die vorstehend beschriebene Wärmepumpe 1 soll nicht als auf den Heizbetrieb beschränkt verstanden werden, sondern kann auch als Kältepumpe eingesetzt werden können.
2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung 1.
Die Verdichtervorrichtung 1 dient dem Verdichten eines Arbeitsmediums welches durch Verdichtereingang 511 in die Verdichtervorrichtung 1 eintritt und in einem verdichteten Zustand wieder aus dem Verdichterausgang 512 austritt
Zum Verdichten des Arbeitsmediums umfasst die Verdichtervorrichtung 1 einen als Drehstrommotor ausgeführten Elektromotor 32, dessen rotor- und/oder statorseitigen Wicklungen 321 vorliegend mit dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) versorgt werden, um eine mechanische Bewegung zum Verdichten des Arbeitsmediums bereitzustellen. Der Elektromotor 32 soll dabei nicht auf einen Drehstrommotor beschränkt sein, sondern es können auch Elektromotoren eingesetzt werden, die mit jedweder anderen Art von Wechselstrom betrieben werden.
Der Elektromotor 32 wird, wie beschrieben, mit Wechselstrom versorgt Hierzu ist dem Elektromotor 32 ein Wechselrichter 31 vorgeschaltet, der seinerseits über einen davor geschalteten Gleichrichter 11 mit Gleichstrom versorgt wird. Der Gleichrichter 11 wird seinerseits wiederum über eine Wechselstromquelle (~) mit Wechselstrom versorgt.
Gleichrichter 11 und Wechselrichter 31 können gemäß den im Stand der Technik üblichen Ausführungen ausgestaltet sein. So umfasst der Gleichrichter 11 vorliegend mehrere, entsprechend des in 2 gezeigten Schaltplans verschaltete Dioden 111 und der Wechselrichter 31 umfasst mehrere, entsprechend des in 2 gezeigten Schaltplans verschaltete IGBTs.
Zur Überwachung eines Betriebszustands der Verdichtervorrichtung 1, insbesondere von dessen Elektromotor 32, umfasst diese eine Überwachungseinrichtung 12, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Messmittel umfasst, namentlich einen Spannungsmesser 122 und einen Stromstärkenmesser 123, und eine mit diesen gekoppeltes Auswertmittel 121 zum Auswerten der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung eingerichtet ist
Der Elektromotor 32 und der diesen mit Wechselstrom versorgende Wechselrichter 31 sind gemeinsam in einer DC-Verdichtereinheit 30 (DC für engl. direct current) der Verdichtervorrichtung 1 integriert.
Der Gleichrichter 11 und die Überwachungseinrichtung 12 sind gemeinsam in einer separaten Elektronikeinheit 10 integriert, wobei die Elektronikeinheit 10 und die DC-Verdichtereinheit über eine Gleichstromschnittstelle 20 miteinander gekoppelt sind.
2 zeigt dabei den im Kontext von 1 bereits beschriebenen vorteilhaften Aufbau der Verdichtervorrichtung 1 mit einer sich besonders guten elektromagnetische Verträglichkeit
Vorzugsweise sind der Wechselrichter 31 und der Elektromotor 32 bzw. zumindest dessen Wicklung(en) 321 gemeinsam in einem Gehäuse 33 der DC-Verdichtereinheit 30 untergebracht. Zur weiteren Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit innerhalb der Verdichtervorrichtung 1 kann das Gehäuse 33 dabei ein elektromagnetisches Abschirmmittel umfassen (hier nicht dargestellt). Das Abschirmmittel kann (nicht beschränkend) eine Metallfolie oder eine Metallgitternetz sein oder aber durch eine teilweise oder vollständige Bereitstellung des Gehäuses 333 als metallisches Gehäuse umgesetzt werden.
Vorzugsweise sind der Gleichrichter 11 und die Überwachungseinrichtung 12 gemeinsam in einem Gehäuse 13 der Elektronikeinheit 10 untergebracht Zur weiteren Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit innerhalb der Verdichtervorrichtung 1 kann das Gehäuse 13 dabei ein elektromagnetisches Abschirmmittel umfassen (hier nicht dargestellt). Das Abschirmmittel kann (nicht beschränkend) eine Metallfolie oder eine Metallgitternetz sein.
Die beiden Gehäuse 13, 33 können voneinander beabstandet angeordnet sein. Dies kann so verstanden werden, dass die Gehäuse 13, 33 keinen direkten Kontakt haben, sondern zumindest ein Luftspalt oder eine Zwischenschicht zwischen diesen vorliegt Die Zwischenschicht kann wahlweise ein elektrisch isolierendes Material sein. Alternativ können die Gehäuse 13, 33 aber auch aneinander anliegen.
Bei besagter Zwischenschicht zwischen den beiden Gehäusen 13, 33 kann es sich vorzugsweise um ein elektromagnetisches Abschirmmittel handeln, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit innerhalb der Verdichtervorrichtung 1 weiter verbessert wird.
Das Auswertmittel 121 ist vorzugsweise elektronisch und insbesondere prozessorbasiert und umfasst selbst Mittel zur Signalübertragung (Senden und Empfangen). Bei dem Auswertmittel 1 kann es sich beispielsweise um eine Steuereinrichtung der Verdichtervorrichtung 1 oder um einen Teil einer solchen Steuereinrichtung handeln. Alternativ kann das Auswertmittel 121 mit einer Steuereinrichtung der Verdichtervorrichtung 1 gekoppelt sein, oder direkt mit einer Steuereinrichtung einer Wärmepumpe, in der die gezeigte Verdichtervorrichtung 1 zum Einsatz kommt.
Das Auswertmittel 121 ist eingerichtet, die vom Spannungsmesser 122 und vom Stromstärkenmesser 123 erfassten Werte zu empfangen und auszuwerten, im Zuge dessen das Auswertmittel 121 eingerichtet ist, zumindest einen den Betriebszustand des Elektromotors 32 beschreibenden Betriebskennwert in Abhängigkeit der erfassten Werte zu ermitteln. Es können dabei ein oder mehrere Betriebskennwerte ermittelt werden.
Der oder die ermittelten Betriebskennwerte können dabei durch eine Steuereinrichtung der Verdichtervorrichtung 1 zur Steuerung verwendet werden, über eine Anzeige (hier nicht dargestellt) einem Bediener angezeigt werden, oder einem externen Überwachungssystem (hier nicht dargestellt) übermittelt werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei einem durch das Auswertmittel 121 zu ermittelnden Betriebskennwert um einen oder mehrere Effektivwerte, insbesondere um einen Effektivwert der Spannung, der Stromstärke und/oder der elektrischen Leistung, eines durch die Wicklung 321 des Elektromotors 32 fließenden Stroms, der oder die auf Basis der erfassten Werte des Spannungsmessers 122 und/oder des Stromstärkenmessers 123 ermittelt werden.
Auf Basis des oder der ermittelten Effektivwerte als Betriebskennwerte des Elektromotors 32 kann der Betriebszustand der Verdichtervorrichtung dahingehend überwacht werden, dass ein kritischer Betriebszustand, beispielsweise in Form einer Überhitzung der Wicklung 321 des Elektromotors 32, rechtzeitig erkannt werden kann, wodurch eine Beschädigung oder ein unsicherer Betrieb verhindert werden können. Besagte Überwachung ist dabei aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus mit verbesserter elektromagnetischer Verträglichkeit besonders zuverlässig.
Vorzugsweise kann aus den erfassten Werten des Spannungsmessers 122 und/oder des Stromstärkenmessers 123 oder aus wie vorstehend beschrieben, ermittelten Effektivwerten des Stroms alternativ oder zusätzlich eine Temperatur der Wicklung 321 als ein Betriebskennwert ermittelt werden.
Der in 2 gezeigte Aufbau ist dabei keinesfalls auf einen durchgehenden Einsatz von Drehstrom (dreiphasiger Wechselstrom) beschränkt So kann auch jedweder andere Wechselstrom, beispielsweise mit einer oder zwei Phasen, sowohl als Ausgang der Wechselstromquelle und/oder als Eingang für den Elektromotors 32 zum Einsatz kommen, wobei auch die Anzahl der Phasen der Wechselstromquelle auch von der des Elektromotors 32 abweichen kann. Die zur Umstellung auf eine andere Wechselstromart notwendigen Änderungen am Gleichrichter 11 und/oder am Wechselrichter 31 und/oder am Elektromotor 32 sind dem Fachmann bekannt.
Die Verdichtervorrichtung 1 in der für 2 vorstehend beschriebenen Ausführung kann auch in der in 1 gezeigten Wärmepumpe zum Einsatz kommen.
3 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung 1.
Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht in großen Teilen dem ersten Ausführungsbeispiel aus 2 und unterscheidet sich von diesem durch die zwischen der Wechselstromquelle und der Elektronikeinheit 10 angeordneten Schaltereinheit 40, die mit dem Auswertmittel 121 der Überwachungseinrichtung 12 gekoppelt ist.
Die Schaltereinheit 40 ist steuerbar und zumindest dazu eingerichtet, eine Stromfluss zwischen Wechselstromquelle und Gleichrichter 11 zu unterbrechen und damit die Energieversorgung des Elektromotors 32 zu unterbrechen.
Das Auswertmittel 121 ist dabei dazu eingerichtet, die Schaltereinheit 40 anzusteuern und über die Schaltereinheit 40 eine elektrische Verbbindung zwischen den Gleichrichter 11 und der Wechselstromquelle zu unterbrechen.
Die Unterbrechung durch Betätigung der Schaltereinheit 40 erfolgt dabei vorzugsweise auf Basis eines durch das Auswertmittel 121 ermittelten Betriebskennwerts, insbesondere eines ermittelten Effektivwerts des durch die Wicklung 321 fließenden Stroms oder einer Temperatur der Wicklung 321. Liegt zumindest einer der ermittelten Betriebskennwerte außerhalb eines vorbestimmten Sollbereichs, so wird dies als kritischer Betriebszustand gewertet und das Auswertmittel 121 sendet ein Signal an die Schaltereinheit 40, infolgedessen die Schaltereinheit 40 den Stromfluss unterbricht, um so einen unsicheren Betriebszustand zu vermeiden und die Verdichtervorrichtung 1 vor Beschädigung zu bewahren.
Wahlweise kann die Schaltereinheit 40 auch als Teil der Elektronikeinheit 10 ausgeführt sein und insbesondere auch gemeinsam mit dem Gleichrichter 11 und der Überwachungseinrichtung 12 im gleichen Gehäuse 13 integriert sein.
Alternativ zu der in 3 dargestellten Anordnung kann die Schaltereinheit 40 gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der Verdichtervorrichtung 1 aber auch, bezogen auf 2, zwischen dem Gleichrichter 11 und dem Wechselrichter 31 angeordnet sein.
Die Verdichtervorrichtung 1 in der für 3 vorstehend beschriebenen Ausführung kann ebenfalls in der in 1 gezeigten Wärmepumpe zum Einsatz kommen.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen einer Verdichtervorrichtung.
Die überwachte Verdichtervorrichtung umfasst dabei zumindest einen Elektromotor zum Bereitstellen einer mechanischen Bewegung zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einen Wechselrichter, der den Elektromotor mit Wechselstrom versorgt, einen Gleichrichter, der den Wechselrichter mit Gleichstrom versorgt, wobei der Gleichrichter zur Energieversorgung der Verdichtervorrichtung mit einer Wechselstromquelle verbindbar ist, und eine Überwachungseinrichtung, die zumindest ein Messmittel zum Erfassen einer Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung und ein Auswertmittel zum Auswerten der erfassten Betriebsgröße umfasst Der Elektromotor und der diesen mit Wechselstrom versorgende Wechselrichter sind gemeinsam in einer DC-Verdichtereinheit der Verdichtervorrichtung integriert, die mit einer von dieser separierten Elektronikeinheit der Verdichtervorrichtung, in der wiederum der Gleichrichter und die Überwachungseinrichtung gemeinsam integriert sind, über eine Gleichstromschnittstelle gekoppelt ist
In Schritt S1 erfolgt ein Betreiben der Verdichtervorrichtung durch Versorgen des Gleichrichters der Verdichtervorrichtung mit Wechselstrom durch eine Wechselstromquelle. Bei dem Wechselstrom der Wechselstromquelle kann es sich um beispielsweise um einen Zweiphasen- oder einen Dreiphasenwechselstrom handeln.
In Schritt S2 erfolgt ein Erfassen einer ersten Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung mittel des zumindest einen Messmittels der Überwachungseinrichtung, wobei das zumindest eine Messmittel zum Erfassen einer Stromstärke an der Gleichstromschnittstelle eingerichtet ist, beispielsweise in Form eines Amperemeters, und damit die erste Betriebsgröße eine Stromstärke ist
In Schritt S3 erfolgt ein Erfassen einer zweiten Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung mittels eines weiteren Messmittels der Überwachungseinrichtung, wobei das weitere Messmittel zum Erfassen einer elektrischen Spannung an der Gleichstromschnittstelle beispielsweise in Form eines Voltmeters, und damit die zweite Betriebsgröße eine Spannung ist
In Schritt S4 erfolgt ein Ermitteln eines den Betriebszustand des Elektromotors der Verdichtervorrichtung beschreibenden Betriebskennwerts in Abhängigkeit der erfassten Stromstärke und der erfassten Spannung aus den Schritten S2 und S3 mittels des Auswertmittels der Überwachungseinrichtung, wobei es sich bei dem Betriebskennwert vorzugsweise um einen Effektivwert eines durch eine Wicklung des Elektromotors fließenden Stroms handelt, vorzugsweise um eine effektive Stromstärke, wahlweise aber auch Effektivwerte der Spannung oder der elektrischen Leistung des durch die Wicklung fließenden Stroms.
Wahlweise kann der ermittelte Betriebskennwert einem Bediener der Verdichtervorrichtung ausgegeben werden, sodass dieser über den aktuellen Betriebszustand informiert werden kann.
In Schritt S5 erfolgt ein Auswerten der ermittelten effektiven Stromstärke (als ermitteltem Betriebskennwert) durch einen Vergleich der effektiven Stromstärke mit einem vorbestimmten ersten Grenzwert, der als eine Grenze eines vorbestimmten ersten Sollbereichs verstanden werden kann. Je nachdem ob die effektive Stromstärke, Spannung oder elektrische Leistung als Betriebskennwert für das Verfahren gewählt werden, fällt der erste Grenzwert bzw. der erste Sollbereich natürlich unterschiedlich aus und es kann sich bei dem ersten Grenzwert um eine obere oder um eine untere Grenze des Sollbereichs handeln. Vorliegend wird beispielsweise der erste Grenzwert als oberer Grenze eines Sollbereichs gewählt.
Liegt die effektive Stromstärke unterhalb des vorbestimmten ersten Grenzwerts für die Stromstärke, liegt kein kritischer Betriebszustand des Elektromotors vor und das Verfahren wird nach einer Pause vorbestimmter Dauer in Schritt S6 ausgehend von Schritt S2 wiederholt
Liegt die effektive Stromstärke dagegen oberhalb des vorbestimmten ersten Grenzwerts, liegt ein kritischer Betriebszustand des Elektromotors vor und das Verfahren geht zu Schritt S7 über.
In Schritt S7 erfolgt ein Abschalten der Verdichtervorrichtung, insbesondere durch eine Trennung der Stromversorgung des Elektromotors. Vorzugsweise erfolgt dies durch Trennen der elektrischen Verbindung zwischen dem Gleichrichter und der externen Wechselstromquelle.
Auf diese Weise wird ein sicherer Betrieb gewährleistet und die Verdichtervorrichtung kann unter anderem vor Schäden, die aus dem kritischen Betriebszustand resultieren könnten, geschützt werden.
Vorstehend wurden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sowie deren Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Es wird erneut hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt ist Die Erfindung umfasst weiterhin Modifikationen der genannten Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die aus Modifikationen und/oder Kombinationen einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche hervorgehen.
Liste der Bezugszeichen

1: Verdichtervorrichtung
2: Verflüssiger
3: Entspannungsventil
4: Verdampfer
5: Leitungssystem für Arbeitsmedium
6: Wärmequellenanlage
7: Wärmeempfänger
10: Elektronikeinheit
11: Gleichrichter
12: Überwachungseinrichtung
13: Gehäuse der Elektronikeinheit
20: Gleichstromschnittstelle
30: DC-Verdichtereinheit
31: Wechselrichter
32: Elektromotor
33: Gehäuse der DC-Verdichtereinheit
40: Schaltereinheit
111: Diode
121: Auswertmittel
122: Spannungsmesser
123: Stromstärkenmesser
311: IGBT
321: Wicklung des Elektromotors
501: erster Druckmesser
502: zweiter Druckmesser
511: Verdichtereingang für Arbeitsmedium
512: Verdichterausgang für Arbeitsmedium

Claims

Wärmepumpe, insbesondere zum Einsatz in einem HLK-System, die als Teil eines Arbeitskreislaufs der Wärmepumpe zumindest eine Verdichtervorrichtung (1) zum Verdichten eines Arbeitsmediums des Arbeitskreislaufs umfasst, wobei die Verdichtervorrichtung (1) wiederum umfasst: - einen Elektromotor (32) zum Bereitstellen einer mechanischen Bewegung zum Verdichten des Arbeitsmediums; - einen Wechselrichter (31), der den Elektromotor (32) mit Wechselstrom versorgt; - einen Gleichrichter (11), der den Wechselrichter (31) mit Gleichstrom versorgt, wobei der Gleichrichter (11) zur Energieversorgung der Verdichtervorrichtung (1) mit einer Wechselstromquelle verbindbar ist; und - eine Überwachungseinrichtung (12) zur Überwachung eines Betriebszustands des Elektromotors (32), die zumindest ein Messmittel (122, 123) zum Erfassen einer Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung (1) und ein Auswertmittel (121) zum Auswerten der erfassten Betriebsgröße umfasst; wobei der Elektromotor (32) und der diesen mit Wechselstrom versorgende Wechselrichter (31) gemeinsam in einer DC-Verdichtereinheit (30) der Verdichtervorrichtung (1) integriert sind, die mit einer von dieser separierten Elektronikeinheit (10) der Verdichtervorrichtung (1), in der wiederum der Gleichrichter (11) und die Überwachungseinrichtung (12) gemeinsam integriert sind, über eine Gleichstromschnittstelle (20) gekoppelt ist
Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei die DC-Verdichtereinheit (30) und die Elektronikeinheit (10) jeweils ein Gehäuse (13, 33) umfassen, die bevorzugt voneinander beabstandet sind, wobei zumindest ein Teil des Elektromotors (32) und der Wechselrichter (31) innerhalb des Gehäuses (33) der DC-Verdichtereinheit (30) angeordnet sind und der Gleichrichter (11) und die Überwachungseinrichtung (12) innerhalb des Gehäuses (13) der Elektronikeinheit (10) angeordnet sind.
Wärmepumpe nach Anspruch 2, wobei zumindest das Gehäuse (33) der DC-Verdichtereinheit (30) ein elektromagnetisches Abschirmmittel umfasst, vorzugsweise in Form metallischer Komponenten des Gehäuses (33) oder in Form einer Metallfolie oder eines Metallgitternetzes.
Wärmepumpe zumindest nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Auswertmittel (121) eingerichtet ist, zumindest einen den Betriebszustand des Elektromotors (32) beschreibenden Betriebskennwert in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgröße zu ermitteln.
Wärmepumpe zumindest nach Anspruch 4, wobei das zumindest eine Messmittel (122, 123) zum Erfassen einer Stromstärke und/oder einer Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20) eingerichtet ist
Wärmepumpe zumindest nach Anspruch 5, wobei das zumindest eine Messmittel (123) zum Erfassen einer Stromstärke an der Gleichstromschnittstelle (20) eingerichtet ist, und die Überwachungseinrichtung (12) ein weiteres Messmittel (122) umfasst, das zum Erfassen einer Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20) eingerichtet ist, wobei das Auswertmittel (121) ebenfalls zum Auswerten der durch das weitere Messmittel (122) erfassten Spannung eingerichtet ist.
Wärmepumpe zumindest nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Auswertmittel (121) der Überwachungseinrichtung (12) eingerichtet ist, basierend auf der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20) zumindest einen Effektivwert eines durch eine Wicklung (321) des Elektromotors (32) fließenden Stroms als einen Betriebskennwert des Elektromotors (32) zu ermitteln, insbesondere einen Effektivwert der Spannung, der Stromstärke oder der elektrischen Leistung des durch die Wicklung (321) des Elektromotors (32) fließenden Stroms.
Wärmepumpe zumindest nach Anspruch 7, wobei das Auswertmittel (121) der Überwachungseinrichtung (12) eingerichtet ist, basierend auf dem zumindest einen ermittelten Effektivwert des durch die Wicklung (321) des Elektromotors (32) fließenden Stroms eine Temperatur der Wicklung (321) des Elektromotors (32) als einen Betriebskennwert des Elektromotors (32) zu ermitteln.
Wärmepumpe zumindest nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Auswertmittel (121) der Überwachungseinrichtung (12) eingerichtet ist, basierend auf der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20) eine Temperatur einer Wicklung (321) des Elektromotors (32) als einen Betriebskennwert des Elektromotors (32) zu ermitteln.
Wärmepumpe zumindest nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei das Auswertmittel (121) eingerichtet ist, basierend auf der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20) eine Drehzahl des Elektromotors (32) als einen Betriebskennwert des Elektromotors (32) zu ermitteln.
Wärmepumpe zumindest nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Verdichtervorrichtung (1) weiterhin eine mit der Überwachungseinrichtung (12) gekoppelte Schaltereinheit (40) zur Unterbrechung einer Energieversorgung des Elektromotors (32) umfasst, die insbesondere zwischen dem Gleichrichter (11) und der Wechselstromquelle oder zwischen dem Gleichrichter (11) und dem Wechselrichter (31) geschaltet ist, wobei die Verdichtervorrichtung, insbesondere das Auswertmittel (121), eingerichtet ist, über die Schaltereinheit (40) die Energieversorgung des Elektromotors (32) basierend auf zumindest einem vom Auswertmittel (121) ermittelten Betriebskennwert des Elektromotors (32) zu unterbrechen, insbesondere falls dieser außerhalb eines vorbestimmten Sollbereichs liegt
HLK-System zum Einsatz in einem Gebäude, umfassend eine Wärmepumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verdichtervorrichtung (1), insbesondere geeignet zum Einsatz in einer Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend: - einen Elektromotor (32) zum Bereitstellen einer mechanischen Bewegung zum Verdichten eines Arbeitsmediums; - einen Wechselrichter (31), der den Elektromotor (32) mit Wechselstrom versorgt; - einen Gleichrichter (11), der den Wechselrichter (31) mit Gleichstrom versorgt, wobei der Gleichrichter (11) zur Energieversorgung der Verdichtervorrichtung (1) mit einer Wechselstromquelle verbindbar ist; und - eine Überwachungseinrichtung (12) zur Überwachung eines Betriebszustands des Elektromotors (32), die zumindest ein Messmittel (122, 123) zum Erfassen einer Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung (1) und ein Auswertmittel (121) zum Auswerten der erfassten Betriebsgröße umfasst; wobei der Elektromotor (32) und der diesen mit Wechselstrom versorgende Wechselrichter (31) gemeinsam in einer DC-Verdichtereinheit (30) der Verdichtervorrichtung (1) integriert sind, die mit einer von dieser separierten Elektronikeinheit (10) der Verdichtervorrichtung (1), in der wiederum der Gleichrichter (11) und die Überwachungseinrichtung (12) gemeinsam integriert sind, über eine Gleichstromschnittstelle (20) gekoppelt ist
Verfahren zum Überwachen einer Verdichtervorrichtung (1) zumindest nach Anspruch 13, umfassend die Schritte: - Betreiben der Verdichtervorrichtung (1) durch Versorgen des Gleichrichters (11) der Verdichtervorrichtung (1) mit Wechselstrom durch eine Wechselstromquelle; - Erfassen zumindest einer Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung (1) mittels des zumindest einen Messmittels (122, 123) der Überwachungseinrichtung (12); und - Ermitteln zumindest eines einen Betriebszustand des Elektromotors (32) der Verdichtervorrichtung (1) beschreibenden Betriebskennwerts in Abhängigkeit der erfassten Betriebsgröße mittels des Auswertmittels (121) der Überwachungseinrichtung (12).
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das zumindest eine Messmittel (122, 123) zum Erfassen einer Stromstärke und/oder einer Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20) der Verdichtervorrichtung (1) eingerichtet ist, wobei das Erfassen der Betriebsgröße der Verdichtervorrichtung (1) weiterhin umfasst: - Erfassen einer Stromstärke und/oder einer Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20) der Verdichtervorrichtung (1); und wobei das Ermitteln des zumindest einen den Betriebszustand des Elektromotors (32) der Verdichtervorrichtung (1) beschreibenden Betriebskennwerts wiederum umfasst: - Ermitteln eines Effektivwertes eines durch eine Wicklung (321) des Elektromotors (32) fließenden Stroms, insbesondere eines Effektivwerts der Spannung, der Stromstärke oder der elektrischen Leistung, in Abhängigkeit der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20); und - Ausgeben des ermittelten Effektivwerts als einen Betriebskennwert des Elektromotors (32); und/oder wobei das Ermitteln des zumindest einen den Betriebszustand des Elektromotors (32) der Verdichtervorrichtung (1) beschreibenden Betriebskennwerts wiederum umfasst: - Ermitteln eines Effektivwertes eines durch eine Wicklung (321) des Elektromotors (32) fließenden Stroms, insbesondere eines Effektivwerts der Spannung, der Stromstärke oder der elektrischen Leistung, in Abhängigkeit der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20), und - Ermitteln einer Temperatur der Wicklung (321) des Elektromotors (32) in Abhängigkeit des ermittelten Effektivwerts des durch die Wicklung (321) des Elektromotors (32) fließenden Stroms; oder - Ermitteln einer Temperatur der Wicklung (321) des Elektromotors (32) in Abhängigkeit der erfassten Stromstärke und/oder der erfassten Spannung an der Gleichstromschnittstelle (20); sowie - Ausgeben der ermittelten Temperatur als einen Betriebskennwert des Elektromotors (32).