CH704974A1 - Expansionsapparat für Wärmepumpen. - Google Patents

Abstract

Ein Expansionsapparat bzw. eine Expansionsvorrichtung einer Wärmepumpe weist eine Vielzahl parallel geschalteter Bohrungen (13) auf, welche unterschiedliche Längen und/oder Durchmesser aufweisen. Mittels einer über eine Magnet-Feder-Anordnung (3, 4, 5) verfahrbaren Steuerscheibe (6) werden selektiv einzelne Kapillarbohrungen (13) geöffnet oder verschlossen. Die Drossel wird so bedarfsgerecht an unterschiedliche Durchflussmengen angepasst.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Expansionsapparat bzw. eine Expansionsvorrichtung für eine Wärmepumpe gemäss dem Oberbegriff nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Expansionsvorrichtung.

[0002] Eine Wärmepumpe übernimmt die Aufgabe, einen Wärmestrom mit tiefer Temperatur auf höhere Temperatur zu transformieren. Verwendet man das Prinzip der Kaltdampfmaschine, so werden im Wesentlichen 4 Apparate benötigt: der Kompressor, der Kondensator, der Expansionsapparat und der Verdampfer. Der Expansionsapparat übernimmt die Aufgabe, den hohen Druck über der Kältemittelflüssigkeit, der durch die Kondensationstemperatur bestimmt ist, auf den tiefen des Kältemittels zu reduzieren, der durch die Verdampfungstemperatur gegeben ist. Die Druckverringerung wird als Expansion bezeichnet.

[0003] Bei Wärmepumpen ist der Expansionsapparat von grosser Bedeutung, mit ihm wird der Betriebszustand der Maschine geregelt. Bei der Expansion entstehen Irreversibilitäten, weil in der Regel die potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird und die hohe Geschwindigkeit im Expansionsapparat ihrerseits einen Druckabfall erzeugt, der in Wärme umgewandelt wird. Das Problem des Expansionsapparates von Wärmepumpen und Kältemaschinen ist, dass in der Regel eine hohe Druckdifferenz dann erforderlich ist, wenn ein hoher Volumenstrom des Kältemittels erforderlich ist. Der Druckabfall im Expansionsapparat nimmt in der 2. Potenz des Volumenstroms zu, d.h. er wird 4 mal grösser, wenn sich der Volumenstrom verdoppelt. Der Druckabfall und der hydraulische Strömungsdurchmesser verhalten sich ebenfalls nicht linear, das Verhältnis ist eins durch den hydraulischen Durchmesser in der 5. Potenz. Diese nicht linearen Verhältnisse führen dazu, dass Expansionsapparate als komplex geregelte Ventile ausgeführt werden.

[0004] Gemäss einem neuerlich realisierten Gebäudeklimatisierungssystem wurde vorgeschlagen, dass sommerliche Überschusswärme aus einem Gebäude oder dessen Umgebung ins Erdreich in einer Tiefe bis 500 Meter eingelagert wird und im Winter mit einer Wärmepumpe zur Beheizung des Gebäudes wieder aufbereitet wird. Dabei ergibt sich der Umstand, dass im Sommer die einzulagernde Wärmemenge bei abnehmender Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke zunimmt, während im Winter die benötigte Wärmemenge bei zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke abnimmt. Dieser Umstand tritt ein wegen der sehr grossen Masse des thermisch aktivierten Erdspeichers, dessen Temperatur sich nicht sehr stark verändert. Wegen diesem Umstand, erhält die Wärmepumpe gegenüber heutigen Anwendungen eine neue Randbedingung. Sie muss einen grossen Kältemittelstrom sowohl bei einer grossen wie auch bei einer kleinen Temperaturdifferenz mit einem möglichst hohen isentropen Wirkungsgrad verarbeiten können. Für Kondensator und Verdampfer ist diese Anforderung kein Problem, sie sind ausgelegt auf den maximalen Kältemittelstrom. Die Druckdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator ist für beide Apparate nicht von Bedeutung. Bei der Verwendung einer Turbomaschine als Kompressor kann die neue Anforderung ebenfalls sehr einfach und effizient erfüllt werden. Die erforderliche Kompressions-Kennlinie kann durch die Variation der Drehzahl des Kompressors einfach eingestellt werden.

[0005] Probleme ergeben sich jedoch bei der Expansion. Ventile und einfache Kapillaren können die beiden Anforderungen nicht ausreichend gut erfüllen.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, die Expansion der Kälteflüssigkeit, bei unterschiedlichen Anforderungen bezüglich Kältemitteldurchsatz und Druckdifferenz, mit einem konstruktiv einfachen Apparat zu ermöglichen.

[0007] Vorgeschlagen wird ein Expansionsapparat rep. eine Expansionsvorrichtung einer Wärmepumpe gemäss dem Wortlaut nach Anspruch 1.

[0008] Erfindungsgemäss besteht der Expansionsapparat aus einer Vielzahl von parallel geschalteten Kapillaren unterschiedlicher Länge und Durchmesser, deren Eintrittsöffnungen durch eine geeignete Vorrichtung selektiv geöffnet oder geschlossen werden können und die von aussen betätigt werden kann, ohne dass eine mechanische Kraftübertragung von aussen nach innen erforderlich ist.

[0009] Verschiedene Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind in abhängigen Ansprüchen charakterisiert.

[0010] In den Verfahren gemäss dem Wortlaut der Ansprüche 10 und folgende wird das Betreiben einer Expansionsvorrichtung einer Wärmepumpe charakterisiert bzw. beansprucht.

[0011] Die Erfindung wird nun beispielsweise und unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.

[0012] Dabei zeigen: <tb>Fig. 1<sep>einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemässen Expansionsapparat, <tb>Fig. 2<sep>im Querschnitt den Expansionsapparat von Figur 1 bzw. den darin dargestellten Voll-Zylinder im Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B, <tb>Fig. 3<sep>den Querschnitt entlang der Linie B-B, jedoch darstellend eine alternative Ausführungsvariante des Expansionsapparates, <tb>Fig. 4<sep>im Querschnitt den Expansionsapparat bzw. eine Steuerscheibe entlang der Schnittlinie A-A, <tb>Fig. 5 bis 7<sep>schematisch das Betreiben des Expansionsapparates von Fig. 1 zur Steuerung des Kältemitteldurchsatzes, und <tb>Fig. 8<sep>eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Expansionspparates.

[0013] Der erfindungsgemässe Expansionsapparat ist schematisch im Sinne eines Längsschnittes in Fig. 1dargestellt. In einem Voll-Zylinder 7 aus Metall oder Kunststoff mit unten bezüglich Kältemittelflüssigkeitsdurchsatz austrittsseitig konkav gewölbter Oberfläche 11 sind Bohrungen 13 mit unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlicher Länge vorhanden. Die Bohrungen 13 bilden eine Gruppe von parallel geschalteten Kapillarrohren mit unterschiedlichen Längen und Durchmessern. Auf der oberen, vorzugsweise flachen Oberfläche 15, ist für den Eintritt der Kältemittelflüssigkeit eine Lochscheibe oder Steuerscheibe 6 mittels Federkraft angepresst. Die Löcher 17 der Scheibe 6 sind als Langlöcher mit unterschiedlicher Breite ausgebildet, wobei die Form der Lochsegmente einem Kreissegment mit unterschiedlichem Radius entsprechen kann. Wesentlich ist, dass die Lochungen der Loch- bzw. Steuerscheibe teilweise auf die Eingangsöffnungen der Kapillaren 13 ausgerichtet sind.

[0014] Die Kältemittelflüssigkeit bzw. das Kondensat wird über einen Anschluss 1 zugeführt und durch die Loch- bzw. Steuerscheibe in die Kapillaren des Voll-Zylinders geführt. Durch den Druck wird die Kältemittelflüssigkeit durch die Kapillaren getrieben und an der gegenüberliegenden Oberfläche bzw. der konkav ausgebildeten Oberfläche erfolgt die Expansion bzw. die Druckreduktion.

[0015] In Fig. 2 und 3 sind mögliche Ausführungsvarianten der Kapillaren bzw. deren Durchmesser im Voll-Zylinder dargestellt, wobei Fig. 2und 3 den Querschnitt des Voll-Zylinders entlang der Linie B-B darstellen. Fig. 2 zeigt Kapillaren mit gleichem Durchmesser, währenddem der Voll-Zylinder gemäss Fig. 3 die drei verschiedenen Durchmesser D1 bis D3 zeigt. Entsprechend unterschiedlich ist selbstverständlich der Durchsatz und die Druckdifferenz beim Durchtreten des Kühlmittels.

[0016] Fig. 4 zeigt im Schnitt entlang der Linie A-A eine Loch- bzw. Steuerscheibe 6 mit unterschiedlichen Lochungen 19. Die Anordnung der Lochungen ist dergestalt, dass durch Drehen der Scheibe auf der Oberfläche 15 des Voll-Zylinders eine unterschiedliche Anzahl der Kapillaren freigegeben wird, bzw. Kapillaren mit unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlicher Länge.

[0017] Die runde Lochscheibe 6 kann um ihre Mittelachse in kleinen Schritten gedreht werden. Dadurch werden unterschiedliche Kapillaren kollektiv als Untergruppen aktiviert bzw. passiviert. Die Kraft für die Drehbewegung wird von aussen durch das nicht magnetische Gehäuse mittels eines Elektromagneten 3 erbracht, der zum einen die Anpresskraft der Druck- oder Spannfeder 4 überwindet, das heisst die Lochscheibe anhebt, und zum zweiten die Drehbewegung des äusseren Elektromagneten 3 auf eine innere magnetisierbare oder magnetische Drehscheibe 5 überträgt, welche Verdrehfest mit der Loch- bzw. Steuerscheibe 6 verbunden ist. Mit dieser Vorrichtung können nun unterschiedliche Kapillaren zu Gruppen zusammengeschaltet werden und die Anforderung an die neue Funktion an die Wärmepumpe erfüllen. Das Drehen der Loch- bzw. Steuerscheibe 6 wird anhand der Fig. 5 bis 7 beschrieben.

[0018] Fig. 5 zeigt, dass durch Aktivierung des Elektromagneten 3 der Permanentmagnet 5 angehoben und die Spannfeder 4 zusammengepresst wird. Gleichzeitig wird die Steuerscheibe 6 angehoben bzw. vom Voll-Zylinder bzw. Kapillarkörper 7 entfernt.

[0019] Nun ist eine Drehbewegung der Steuerscheibe 6 möglich, wie in Fig. 6 dargestellt. Durch Drehen des Elektromagneten 3, beispielsweise mittels eines Elektromotors 2, wird ebenfalls der Permanentmagnet 5 gedreht und damit verbunden die Steuerscheibe 6.

[0020] Ist die neue erwünschte Position der Steuerscheibe 6 erreicht, wird der Elektromagnet 3 ausgeschaltet und damit erfolgt eine Expansion der Spannfeder 4 und die Steuerscheibe 6 wird wiederum auf den Voll-Zylinder 7 aufgelegt.

[0021] Ein Vergleich der Fig. 5und 7 zeigt nun deutlich, dass unterschiedliche Kapillaren durch die unterschiedliche Position der Steuerscheibe für den Durchsatz des Kühlmittels freigegeben sind.

[0022] In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Expansionsapparates dargestellt, bei welcher sich insbesondere die Steuerscheibe von denjenigen dargestellt in den Fig. 1 bis 7unterscheidet. Anstelle der drehenden Lochscheibe, mit der Kapillaren zu Gruppen zusammengefasst werden können, sind sogenannte Steuerstäbe 21 vorgesehen, mittels welchen einzelne Eingangsöffnungen der Kapillaren 13 verschlossen werden können. Damit dienen die beiden Magnete 3 und 5 lediglich dazu, die Steuerscheibe 6 abzuheben oder abzusenken, und ein Drehen derselben entfällt. In der Position dargestellt in Fig. 8 sind sämtliche Kapillaren 13 im Voll-Zylinder 7 offen für den Durchgang der Kältemittelflüssigkeit. Durch Absenken der Steuerscheibe 6 dringen mindestens ein Teil der Steuerstäbe 21 in entsprechende Kapillaröffnungen, wodurch diese Kapillaren verschlossen werden. Durch die unterschiedliche Länge der Steuerscheibe 21 kann durch weiteres Absenken der Steuerscheibe 6 erreicht werden, dass weitere Kapillaren verschlossen werden, so dass schlussendlich bei vollständigem Absenken nur noch diejenigen Kapillaren 13 frei sind, auf welche ausgerichtet entsprechende Löcher 17 in der Steuerscheibe 6 vorgesehen sind. Um selbst bei teilweisem Absenken der Steuerscheibe 6 einen ausreichenden Durchsatz der Kältemittelflüssigkeit durch die Steuerscheibe 6 sicherzustellen, können zusätzliche Löcher 17 ́ angeordnet werden, welche selbst nicht unbedingt auf Kapillaröffnungen ausgerichtet sind.

[0023] Damit ist natürlich ein unterschiedlicher Betrieb des Expansionsapparates möglich, was je nach Anforderungen und Funktion der Wärmepumpe erforderlich bzw. erwünscht ist.

[0024] Bei den Darstellungen in den Fig. 1bis 8handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele zur besseren Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Keinesfalls ist die Erfindung auf die dargestellten Beispiele beschränkt. So ist es selbstverständlich möglich, anstelle eines Kreis-Zylinders einen quadratischen Zylinder zu verwenden, unterschiedliche Werkstoffe, wie metallene oder polymere Werkstoffe zu verwenden, die unterschiedlichsten Durchmesser und Längen der Kapillaren zu verwenden, anstelle einer konkav ausgebildeten Austrittsoberfläche des Voll-Zylinders eine konvex ausgebildete Oberfläche, etc. etc.

Claims (13)

1. Expansionsapparat bzw. -Vorrichtung einer Wärmepumpe, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von parallel geschalteter Bohrungen (13) unterschiedlicher Länge und/oder Durchmesser.

2. Expansionsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von in einem Voll-Zylinder (7) wenigstens nahezu parallel verlaufender Bohrungen wie insbesondere Kapillaren (13) unterschiedliche Längen und Durchmesser aufweisen.

3. Expansionsapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung (6) vorgesehen ist, damit die Eintrittsöffnungen der Bohrungen bzw. Kapillaren (13) selektiv geöffnet oder geschlossen werden können.

4. Expansionsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Voll-Zylinder ein Kreiszylinder ist, bezüglich Kältemittelflüssigkeit eingangsseitig aufweisend eine wenigstens nahezu glattflächige, kreisförmige Oberfläche (15), welche mit einer ggf. drehbaren Loch- oder Steuerscheibe (6) überdeckt ist.

5. Expansionsapparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe Lochungen aufweist, mit gleichen oder unterschiedlichen Durchmesser und welche wenigstens auf mindestens einen Teil der Eingangsöffnungen der Bohrungen bzw. Kapillaren ausgerichtet sind.

6. Expansionsapparat nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (6) gegen mindestens einen Teil der Kapillaröffnungen hin gerichtet sogenannte Steuerstäbe (21) aufweist, mittels welchen durch Abheben oder Absenken der Steuerscheibe von bzw. zu den Eintrittsöffnungen der Kapillaren jener Teil der Kapillaren gegebenenfalls verschliessbar ist oder geöffnet werden kann, gegen welche hin die Steuerstäbe gerichtet sind.

7. Expansionsapparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerstäbe (21) unterschiedliche Länge aufweisen.

8. Expansionsapparat nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung durch eine Spannfeder (4) gegen den Voll-Zylinder gespannt ist, wobei die Spannkraft der Spannfeder mittels einer Magnetanordnung wenigstens teilweise aufhebbar ist, um die Steuervorrichtung vom Voll-Zylinder abzuheben oder um die Steuervorrichtung gegen den Voll-Zylinder zu bewegen und um gegebenenfalls eine Drehbewegung der Loch- bzw. Steuerscheibe zu ermöglichen.

9. Expansionsapparat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannfeder zwischen einem Elektromagneten (3) und einer magnetisierbaren Scheibe bzw. einem Permanentmagneten angeordnet ist, welche magnetisierbare Scheibe bzw. Permanentmagnet (5) drehfest mit der Steuerscheibe verbunden ist, und dass durch Aktivierung des Elektromagneten die Scheibe bzw. der Permanentmagnet gegen den Elektromagneten gezogen und damit die Feder zusammenpressbar ist zum Abheben der Steuerscheibe, und dass ggf. durch Drehen des Elektromagneten die Scheibe bzw. der Permanentmagnet und damit verbunden die Steuerscheibe drehbar ist, um ggf. in einer unterschiedlichen Position gegen den Voll-Zylinder abgesenkt zu werden.

10. Verfahren zum Betreiben eines Expansionsapparates bzw. einer Vorrichtung einer Wärmepumpe bezüglich Kältemitteldurchsatz und Druckdifferenz, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuervorrichtung eine Vielzahl von Bohrungen bzw. Kapillaren in einem Voll-Zylinder aufweisend unterschiedliche Längen und Durchmesser, je nach Anforderungen an die Wärmepumpe unterschiedlich mit Kältemittelflüssigkeit beschickt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer drehbaren Steuer- bzw. Lochscheibe, welche eingangsseitig der Bohrungen bzw. der Kapillaröffnungen des Voll-Zylinders drehbar gelagert ist und welche ihrerseits Lochungen bzw. Bohrungen aufweist, welche mindestens zu einem Teil auf die Eintrittsöffnungen der Bohrungen bzw. Kapillaren im Voll-Zylinder ausgerichtet sind, durch Drehen dieser Lochscheibe bzw. Steuerscheibe die Bohrungen bzw. Kapillaren im Voll-Zylinder je nach Anforderung an die Wärmepumpe unterschiedlich mit Kältemittel beschickt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federkraft, welche die Loch- bzw. Steuerscheibe gegen den Voll-Zylinder treibt und welche zwischen einem aktivierbaren und deaktivierbaren Elektromagneten und einem Permanentmagneten zwischenliegend angeordnet ist, durch Aktivierung des Elektromagneten weitgehendst aufgehoben wird, wodurch die Loch- bzw. Steuerscheibe vom Voll-Zylinder abgehoben wird, die Loch- bzw. Steuerscheibe durch Drehen des Elektromagneten gedreht wird und anschliessend der Elektromagnet deaktiviert wird, um die Federkraft wieder herzustellen, um in veränderter Position die Loch- bzw. Steuerscheibe wieder gegen den Voll-Zylinder zu treiben, wobei nun gegenüber der Ausgangsposition unterschiedliche Bohrungen bzw. Kapillaren im Voll-Zylinder für den Kältemitteldurchsatz freigegeben werden.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung wie die Lochscheibe, zusätzlich aufweisend Steuerstäbe, welche gegen die Kapillaröffnungen im Voll-Zylinder hin gerichtet sind mittels beispielsweise einer aktivierbaren und deaktivierbaren Magnetanordnung vom Voll-Zylinder abgehoben wird oder gegen diesen bzw. die Öffnungen der Kapillaren getrieben wird, um mittels den Steuerstäben selektiv mindestens einen Teil der Kapillaren im Voll-Zylinder freizugeben oder wieder zu verschliessen.