CN113784570A - 热电联供机器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热电联供机器(10)，尤其是热泵，其具有通过供冷却剂流过的冷却剂管线(15)连接的第一热交换器(11)、压缩机(12)、第二热交换器(13)和节流装置(14)，所述热电联供机器还具有电子设备(21、22、23)，包括用于供电的电力电子设备和/或用于控制所述热电联供机器(10)的控制电子设备，其中所述热电联供机器另外具有热传递装置(24)，所述热传递装置构造成至少吸收由电子设备(21、22、23)释放的热能，并且将热能排放至冷却剂，和/或任选存在的流过第一或第二热交换器的系统介质。

Description

热电联供机器
技术领域
本发明涉及一种热电联供机器，尤其是热泵，其具有用于提高效率的热传递装置。
背景技术
现有技术中，热电联供机器长期以来已经是已知的，例如热泵和制冷机。它们利用机械能并通过热力学过程产生热能，其中热泵从原始系统或输出系统提取热能并输送到目标系统。
制冷机基本上只是输出系统和目标系统彼此交换，从目标系统提取热并输送到输出系统。
但是产生的机械能通常导致热损失，从而降低了整个系统的效率。
例如，热电联供机器的电子组件或部件发热，不仅导致热损失，还通常使得电子组件或电子器件过热，从而降低了这些部件的使用寿命。
发明内容
因此，本发明的目的在于，克服前面所述缺点，并提供一种相对于常规的热电联供机器而言提高了效率和使用寿命的热电联供机器。
所述目的通过下述技术特征组合来实现。
根据本发明提出了一种尤其是构造成热泵的热电联供机器，但是所述热电联供机器原则上也可以构造成制冷机。所述热电联供机器具有：尤其是构造成蒸发器的第一热交换器；压缩机；尤其是构造成液化器的第二热交换器，以及节流装置，这些部件通过供冷却剂流过的冷却剂管线相连。
本发明的另一方面还涉及另一种尤其是构造成热泵的热电联供机器，所述热电联供机器同样也可以构造成制冷机。在所述另一种热电联供机器中额外设置，第一热交换器和/或第二热交换器分别构造成，使得冷却剂可沿着第一流动路径流动，系统介质可沿着与第一流动路径分开的第二流动路径流动，使得冷却剂和系统介质之间可以传递热。所述系统介质或系统流体可以例如是水或水-乙二醇混合物。流过所述第一热交换器或所述第二热交换器的系统介质还可以被称为第二介质和/或第二流体，所述第二介质和/或所述第二流体在第一热交换器或第二热交换器中流过第二流动路径，并因此也流过冷却剂管线的第二回路。
在变体中规定，第二热交换器被构造成液化器(Verflüssiger)，冷却剂在所述液化器中冷凝，因此所述液化器在此变体中也可以被称作冷凝器。
对于现有技术中基本上已知且构造成热泵的热电联供机器，将例如丙烷气的冷却剂或其他适当的冷却剂通过电机和/或通过压气机压入压缩机，并在此过程中加热。在可能构造成液化器或冷凝器或可以包括液化器或冷凝器的第二热交换器中，可以将热的、经压缩的冷却剂的热释放到目标系统，例如加热器。经压缩的冷却剂在此冷却和冷凝。在随后通过节流装置的过程中，所述节流装置通常被构造成由管线构成的冷却剂管线的极端狭窄部分，液态的冷却剂在此膨胀、蒸发并变得非常冷。随后使冷的冷却剂流过第一热交换器，该第一热交换器例如构造成蒸发器或包括蒸发器。从外部或通过输出系统，例如通过地下水或外部空气，加热第一热交换器和/或流过第一热交换器的冷却剂，从而再次加热冷却剂。以这种方式冷却剂从例如地下水或外部空气的输出系统吸收与之前释放到目标系统例如加热器一样多的热。然后将其再次导入压缩机中，过程重新开始。
此外，根据本发明的热电联供机器包括电子设备，尤其是具有或不具有相关联的电路板的电子设备，所述电子设备包括用于供电的电力电子设备和/或用于控制和整流热电联供机器或其部件的控制电子设备。优选地规定，所述电力电子设备向所述热电联供机器的至少一部分的、优选地所有的电子部件供应电能，并且相应地转换电能，并且所述电子设备控制、整流并优选地调节热电联供机器的至少一部分、优选的所有的部件，尤其是压缩机或其部件。根据本发明还规定，所述热电联供机器还具有热传递装置，所述热传递装置被构造成至少吸收由电子设备释放的热能并将其排放至冷却剂，或如果存在的话，排放至存在于热电联供机器的另一系统介质。
电子设备，即电力电子设备和/或控制电子设备，以废热的形式释放热能。因此，本发明的基本构思是通过这些热源在热传递装置上的有针对性的作用来收集热，并集中传递至冷却剂，和/或如果存在的话，传递至系统介质中，从而有目的地将损失的热引导至热力学过程并加以利用，同时冷却电子设备并由此延长其使用寿命。
在此如果考虑例如市场上常见的热泵系统，仅就电子设备而言，其效率约为94％。因此，根据本发明的热电联供机器的电输出在kW范围内产生明显的积极效果。如果这种系统的电输出为例如3.5kW，则其中约210W会以热的形式作为功率损耗而损失。在根据本发明的热电联供机器中，该功率损失由热传递装置收集并且集中在冷却剂中，和/或如果存在的话，被反馈或馈送到系统介质中，即进入热力学过程。
在较大的系统中，例如在输出功率为12kW的情况下，已经存在约720W的功率损耗，根据本发明的热电联供机器不会损失该功率损耗，而是将其反馈或馈送到热力学过程。
通过所提出的根据本发明的热电联供机器，可以提高构造成制冷机和热泵的变体中的功率系数，根据上下文也称为“性能系数”(COP)或“能效比”(EER)。由于额外的热输入，相应地导致由于年工作时间(Jahresarbeitszahl)的改善而提高效率。
除了提高工作效率外，由于改善了冷却效果，单个电子部件的尺寸也可以做得更小，从而节省了成本。通过借助热传递装置的冷却还额外地增加了电子部件或电子设备的使用寿命。
电子器件或其部件的损耗热被热传递装置吸收，并传递至冷却剂，和/或如果存在的话，传递至系统介质，所述电子器件或其部件可以是单个有源和无源的电子元件，例如扼流器(Drosseln)、电容器、电源模块、MOSFET、IGBT、二极管等。除了单个元件之外，热传递装置还可以吸收电子设备的电子组件，例如电动机、发动机控制装置或变频器的整流电子设备的热或损耗热，并排放至冷却剂，和/或如果存在的话，排放至系统介质。
对于有利地将热或损耗热从电子设备传递至热传递装置，在有利的改进方案中规定，所述热传递装置是例如由铝构成的散热器，其直接抵靠在电子设备或其部件上，并且抵靠在冷却剂管线上，或者区段性地构成冷却剂管线。此外，所述散热器被构造成将吸收的热能排放至冷却剂管线中的冷却剂。替选地还可以规定，热传递装置由多个散热器构成。此外，所述热传递装置也可以不抵靠冷却剂管线，而是至少区段性地构成冷却剂管线。在热电联供机器的一个变体中，其具有系统介质或引导系统介质的管线，额外地或替选地，可以规定，所述散热器还抵靠引导系统介质并限定第二流动路径的管线，或者区段性地构成所述管线。所述散热器在此被构造成将吸收的热能排放至系统介质。
在另一有利的实施例中规定，所述热传递装置抵靠在冷却剂导线的、从可以构造成蒸发器的第一热交换器延伸到压缩机的区段上，也就是抵靠在所谓的吸入管线上，或者至少构成所述区段的一部分。如果将热传递装置定位在冷却剂的流动方向上，使得通过热传递装置进入冷却剂的热输入或对冷却剂的热传递发生在第一热交换器之后且在压缩机之前，则在离开第一热交换器之后被压缩机吸入的冷却剂通过热传递装置获得额外的热输入，使得冷却剂在第一热交换器之后再次蒸发。由此可以将仍然是液态的冷却剂蒸发，并且保护了压缩机免受这种液态冷却剂的侵害，因为压缩机中液态冷却剂的压缩可以损坏压缩机。这种液体压缩尝试可能会造成压缩机的部分破坏或自毁。
通过热传递装置的这种定位和与此相关联的再蒸发，制冷循环或热泵可以以例如接近0开尔文的较低过热在制冷循环或冷却剂中运行，由此将系统提升至更高的效率水平。
为了借助优选地构造成散热器的热传递装置将热从电子设备有效地传递到冷却剂，还优选地规定，热电联供机器还包括其中集成了电子设备和热传递装置的热传递单元。电子设备和热传递装置优选地相应地构造成一个组件，它们例如可以被封装在同一壳体中。
特别地，在一变体中，其中在优选地构造成蒸发器的第一热交换器和压缩机之间设置热传递装置，所述热传递单元相应地优选地沿着冷却剂管线布置在第一热交换器和压缩机之间。所述冷却剂管线在此也可以穿过热传递单元。
如上所述，优选规定电子设备具有散热的电子部件或电子元件或组件。为了改善这些部件的热传递，在有利的变体中还规定，电子设备和/或其电子部件至少区段性地被热传递装置包围。此外，在有利的改进方案中，电子设备或其电子部件可以至少区段性地嵌入热传递装置中。所述热传递装置相应地可以构造成在多个侧面上包围电子设备或电子设备的至少部分的组件或部件。
电子部件的废热和/或损耗热借助热传递装置传递至冷却剂，该电气部件既可以是有源的电气元件，也可以是无源的电气元件，并且还可以是由这种电气元件构成的组件。
在有利的改进方案中，相应的电子设备或构成相应的电子设备的组件可以特别地适合热传递装置。例如可以规定，压缩机的电动机的整流电子设备或电子设备通常以这样的方式构造，基本上所有功率半导体和无源电子部件，例如PFG扼流器，都直接相互紧邻地定位，使得它们在受限的局部区域内邻接或抵靠热传递装置。
相应地，用于中间电路处理的功率部件和压缩机电动机的整流电子设备的部件优选地定位在热传递装置上，其他组件或其他电子设备的额外的部件可以与热传递装置邻接。
因为从电子设备向冷却剂的热传输或热传递过程中在所述热传递装置上不应有任何损失，可以使其绝缘，从而不向外释放热或释放尽可能少的热。相应地，在受限的局部区域内设置热传递装置也是有利的。
为了可以将热从电子设备传递至冷却剂，在同样有利的实施例中规定，热传递装置具有至少一个周向闭合的凹槽。冷却剂可以流过所述至少一个周向封闭的凹槽，并且所述至少一个周向封闭的凹槽构成冷却剂管线的区段，或构造成用于容纳冷却剂管线的区段。如果周向闭合的凹槽容纳冷却剂管线，则另外优选地规定，移除所述热传递装置的区域内冷却剂管线的现有的任何绝热层，从而不妨碍向冷却剂输入热。在简单的实施例中，周向封闭的凹槽可以构造成具有圆形或正方形横截面的孔和/或通道，其限定冷却剂通过热传递装置的管道。如果存在引导系统介质的管线，则可以规定系统介质可以流过所述周向封闭的凹槽，并且所述周向封闭的凹槽构成所述管线的区段，或构造成用于容纳引导系统介质的管线的区段。相应地，与周向封闭的凹槽相关的其他技术特征可以从冷却剂管线传递到引导系统介质的管线。
替选地，除了周向闭合的凹槽之外，在另一改进方案中所述热传递装置还可以具有至少一个周向打开的凹槽。所述至少一个周向打开的凹槽构造成区段性地包围冷却剂管线。所述至少一个周向打开的凹槽相应地可以构造成热传递装置中的压痕或热传递装置中的预压痕，从而例如可将构成冷却剂管线的管插入凹槽中。优选地至少在抵靠热传递装置的冷却剂管线的区段上移除冷却剂管线现有的任何绝热层，从而不妨碍经由冷却剂管线向冷却剂输入热。如果存在引导系统介质的管线，则可以相应地规定，所述周向打开的凹槽构造成区段性包围所述管线。相应地，与周向打开的凹槽相关的其他技术特征也可以从冷却剂管线传递到引导系统介质的管线。
为了增加冷却剂流过热传递装置的距离，使得相应地可以向冷却剂输入更多热，还优选地规定冷却剂管线或在替代的实施例中，引导系统介质的管线沿着和/或穿过热传递装置曲折形延伸，或者以此方式在热传递装置的区域中曲折形地形成。曲折形在此应理解为具有多个弯曲的各个管线的走向。
如果冷却剂管线或在替选的实施例中引导系统介质的管线在热传递装置的外部或穿过热传递装置形成，例如通过管道系统或软管系统形成，则在热传递装置上设置紧固装置用于固定冷却剂管线或相应的管线，从而可以将其在热传递装置上固定就位。所述紧固装置构造成例如法兰，和/或可以具有快速锁合装置或快速连接技术，从而例如可以将管道或管道系统固定在热传递装置上或固定在热传递装置中。
为了进一步提高热电联供机器的效率，在另一实施例中规定热电联供机器还具有额外的热交换器，其抵靠在压缩机和/或压缩机的散热部件上，例如压缩机电机，或者与压缩机集成为或构造成压缩机的壳体。此外，(额外的)热交换器抵靠在冷却剂管线上，或者如果存在的话，抵靠在引导系统介质的管线上，或区段性构成所述管线。所述(额外的)热交换器还构造成至少吸收压缩机释放的热能并将其排放至冷却剂或系统介质，即将热能从压缩机传递至冷却剂或系统介质。在运行过程中，压缩机的壳体可以例如加热到50℃以上。这些热可以借助额外的热交换器通过适当的热耦合传递至冷却剂或系统介质。
其他热交换器可以例如由围绕压缩机的铜螺旋线、铝板等构成。
在此还优选地规定，额外的热交换器在压缩机上游的流动方向上抵靠冷却剂剂管路线或构成冷却剂管线，使得冷却剂在进入压缩机之前再次蒸发。
以上公开的技术特征可以以任何方式组合，只要在技术上是可能的并且这些特征彼此不矛盾。
附图说明
本发明的其他有利改进方案在下文中结合参考附图的本发明的优选实施例的描述详细地示出。其中：
图1示出热电联供机器的示意图；
图2示出热交换装置的第一变体；
图3示出热传递装置的第二变体。
具体实施方式
附图是示意性的。附图中相同的附图标记代表的相同的功能和/或结构特征。
图1示意性且示例性地示出热电联供机器10的部件和/或热电联供机器10以及这些部件的操作连接。所述热电联供机器10具有例如作为第一热交换器11的蒸发器，压缩机和/或压气机12，例如作为第二热交换器13的液化器和/或冷凝器，以及节流装置14，它们通过冷却剂管线15彼此连接，冷却剂沿流动方向S流过冷却剂管线15。第一热交换器11和第二热交换器13还示例性地以纯粹由空气加载的层状热传递设备示出。在此过程中在热电联供机器10中发生已知的热力学过程。为了控制热电联供机器10，其还包括没有在图1中示出的电子设备21、22、23，它们可以例如是图1所示热电联供机器10的部件，或者集成在热传递单元20中。所述电子设备优选是无源电子部件和有源电子部件，例如扼流器、电容器、模块、MOSFET、IGBT等。
热电联供机器10还包括热传递装置24，其优选如图1所示且集成在热传递单元20中，其中热传递装置24或热传递单元20沿着冷却剂的流动方向S优选布置在第一热交换器11和压缩机12之间，使得在第二热交换器11中冷却剂的没有蒸发或没有完全蒸发的、仍然可能是液态的组成成分被再次蒸发，并且冷却剂的液态组成成分不能进入压缩机12，从而保护其不受损害。
图2和图3分别示出了热传递装置24的变体，所述热传递装置24具有可各自一起集成在热传递单元20中的周边电子设备21、22、23或周边电子部件。
分别设置具有或不具有相关电路板的第一电子设备21，电子设备21例如可以具有无源电气器件、PFG扼流器、中间电路扼流器、降压转换器(Buck-Converter)或多个这样的组件。此外，设置具有或不具有相关电路板的第二电子设备22，它是主整流装置和/或压缩机整流装置的功率输出级。额外地可以设置具有或不具有相关电路板的第三电子设备23，它由一个或更多个额外的热源构成，例如用于属于热电联供机器的风扇的风扇整流装置的其他功率输出级。另外，第三电子设备23或其部件还可以根据插件原理插入并且与热传递装置24接触。
根据图2和图3的变体的主要区别在于，在根据图1的实施例中设置了周向闭合的凹槽25，周向闭合的凹槽25被构造成区段性容纳或构成管道15或替代的构成用于引导系统介质的管线的管道15'或管道系统。
与此相反，在根据图3的变体中设置两个周向打开的凹槽26，也可以仅设置一个周向打开的凹口26。周向打开的凹部26分别被构造成至少区段性地包围冷却剂管线15或构成用于引导系统介质的管线的管道15'。
在根据图2和根据图3的两种变体中都规定，热传递装置24从电气设备21、22、23吸收热并且将热传递至流过管道15'或热传递装置24的冷却剂或系统介质。

Claims (14)

1.一种热电联供机器(10)，尤其是热泵，其具有通过供冷却剂流过的冷却剂管线(15)连接的第一热交换器(11)、压缩机(12)、第二热交换器(13)和节流装置(14)，所述热电联供机器还具有电子设备(21、22、23)，所述电子设备包括用于供电的电力电子设备和/或用于控制所述热电联供机器(10)的控制电子设备，
其特征在于，所述热电联供机器(10)另外具有热传递装置(24)，
所述热传递装置构造成至少吸收由所述电子设备(21、22、23)释放的热能，并且将所述热能排放至冷却剂。
2.根据权利要求1所述的热电联供机器，
其中所述热传递装置(24)是散热器，其直接抵靠所述电子设备(21、22、23)或直接所述抵靠电子设备(21、22、23)的散热电子部件，并且直接抵靠所述冷却剂管线(15)，或区段性地构成所述冷却剂管线(15)，
且其中所述散热器被构造成将所吸收的热能排放至所述冷却剂管线(15)中的冷却剂。
3.一种热电联供机器(10)，尤其是热泵，其具有通过供冷却剂流过的冷却剂管线(15)连接的第一热交换器(11)、压缩机(12)、第二热交换器(13)和节流装置(14)，所述热电联供机器还具有电子设备(21、22、23)，所述电子设备包括用于供电的电力电子设备和/或用于控制所述热电联供机器(10)的控制电子设备，
其中所述第一热交换器(11)和第二热交换器(13)分别构造为，所述冷却剂沿着第一流动路径流动，且所述系统介质沿着与所述第一流动路径分开的第二流动路径流动，使得所述冷却剂和所述系统介质之间能够传递热，
其特征在于，所述热电联供机器另外具有热传递装置(24)，所述热传递装置构造成至少吸收由所述电子设备(21、22、23)释放的热能，并且排放至所述冷却剂和/或所述系统介质。
4.根据权利要求3所述的热电联供机器,
其中所述热传递装置(24)是散热器，其直接抵靠所述电子设备(21、22、23)或直接所述抵靠电子设备(21、22、23)的散热电子部件，
其中所述散热器还抵靠冷却剂管线(15)或区段性地构成冷却剂管线(15)，并且被构造成将所吸收的热能排放至所述冷却剂管线(15)中的冷却剂，
和/或所述散热器还抵靠引导所述系统介质并限定所述第二流动路径的管线，或区段性构成所述管线，并且被构造成将所吸收的热能排放至所述系统介质。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热电联供机器，
其中所述热传递装置(24)抵靠所述冷却剂管线(15)的从所述第一热交换器(11)延伸到所述压缩机(12)的区段，或者构成所述区段的至少一部分。
6.根据前述权利要求中任一项所述的热电联供机器，
所述热电联供机器还包括热传递单元(20)，所述电子设备(21、22、23)和所述热传递装置(24)都集成在所述热传递单元中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热电联供机器，
其中所述热传递单元(20)沿着所述冷却剂管线(15)被布置在所述第一热交换器(11)和所述压缩机(12)之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热电联供机器，
其中所述电子设备(21、22、23)具有散热电子部件
且所述电子设备(21、22、23)和/或所述电子设备的电子部件至少区段性地被所述热传递装置(24)包围。
9.根据前述权利要求中任一项所述的热电联供机器，
其中所述电子部件是有源的和/或无源的电气元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的热电联供机器，
其中所述热传递装置(24)具有至少一个周向闭合的凹槽(25)，
且所述冷却剂能够流过所述至少一个周向闭合的凹槽(25)，并且所述至少一个周向闭合的凹槽构成所述冷却管线(15)的区段或容纳所述冷却管线(15)的区段。
11.根据前述权利要求中任一项所述的热电联供机器，
其中所述热传递装置(24)具有至少一个周向打开的凹槽(26)，
且所述至少一个周向打开的凹槽(26)被构造成区段性地包围所述冷却剂管线(15)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的热电联供机器，
其中所述冷却剂管线(15)以曲折形沿着和/或穿过所述热传递装置(24)延伸，或者通过这种方式区段性地构成所述热传递装置。
13.根据前述权利要求中任一项所述的热电联供机器，
其中在所述热传递装置(24)上设置有用于固定所述冷却剂管线的紧固装置。
14.根据前述权利要求中任一项所述的热电联供机器，
所述热电联供机器还包括热交换器，所述热交换器被构造成抵靠所述压缩机(12)或与所述压缩机整体地形成，
抵靠所述冷却剂管线(15)或区段性地构成所述冷却剂管线，
并且构造成至少吸收由所述压缩机(12)释放的热能并排放至所述冷却剂。
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