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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Montage eines Wärmepumpen-Moduls.
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Bei
Wärmepumpen
wird Energie von einer Umweltwärmequelle
in einem thermodynamischen Prozess zu Heizzwecken verwendet. Hierbei
ist es möglich,
Umweltwärmequellen
zu nutzen, deren Temperaturniveau deutlich unterhalb der Solltemperatur
des zu beheizenden Raumes oder des zu beheizenden Wassers liegt.
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Bei
Zeolith-Wärmepumpen
wird in einem Behälter,
in welchem ein starker Unterdruck herrscht, ein Kältemittel
mittels Umweltwärme
verdampft und von einem Zeolithen aufgenommen, der sich hierdurch
erwärmt.
Ist der Zeolith mit dem Kältemittel
gesättigt,
so muss durch Wärmezufuhr
das Kältemittel wieder
ausgetrieben werden. Das dampfförmige
Kältemittel
wird an einem Kondensator abgekühlt.
Die jeweils gewonnene Wärme
wird auf einen Heizkreislauf übertragen.
Der Heizkreislauf kann sowohl zur Erzeugung von Raumwärme als
auch von Brauchwasserbereitung verwendet werden.
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Die
Effizienz des Wärmepumpenprozesses ist
stark davon abhängig,
dass keine Fremdgase den Prozess negativ beeinflussen. So ist einerseits
zu vermeiden, dass Umgebungsluft in das Wärmepumpen-Modul gelangt. Andererseits
muss verhindert werden, dass bei der Einlagerung des Zeolithen in das
Wärmepumpen-Modul
der Zeolith mit Fremdgasen beladen ist. Derartige Fremdgase, die
während des
Wärmepumpenprozesses
aus dem Zeolithen getrieben würden,
beeinflussten den Prozess erheblich. Ferner sollten der Verdampfer/Kondensator,
Sorberwärmetauscher
und das Gehäuse
keine Fremdstoffe enthalten. So könnte beispielsweise ein Öl, das von Tiefzieh-,
Schneid- oder Biegeprozessen stammt oder Lösemittel dampfförmig in
den Zeolithen gelangen, was dessen Prozessfähigkeit reduzierte. Als weitere
zu vermeidende Fremdstoffe kommen Rückstände von Schweißprozessen
oder Anlauffarben (dünne
Oxydschichten) in Frage.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu Montage
eines Wärmepumpenmoduls
zu schaffen, welches die Anwesenheit von Fremdstoffen im Wärmepumpenmodul
verhindert.
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Erfindungsgemäß wird dies
zunächst
gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass Komponenten des Wärmepumpenmoduls
in einem Vakuumofen bei hohen Temperaturen gereinigt und reduziert
werden.
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Gemäß den Merkmalen
des abhängigen
Anspruchs 2 wird der Vakuumofen zunächst in kaltem Zustand evakuiert
und erst nach Unterschreitung eines Schwellwertes, vorzugsweise
eines vorgegebenen Drucks oder einer vorgegebenen Evakuierungszeit,
erhitzt. Hierdurch wird ein Anlaufen oder eine Verzunderung der
Komponenten vermieden.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass der Druck im Vakuumofen
auf einen Wert von kleiner 10–4 mbar reduziert wird
und die Temperatur auf einen Bereich zwischen 1000°C und 1300°C erhitzt
wird. Bei der Erhitzung des Vakuumofens auf die vorgegebene Maximaltemperatur
sollte ein vorgegebener Temperaturverlauf eingehalten werden, um
einerseits eine homogene Materialerwärmung zu erreichen und andererseits
Materialbeschädigungen
zu vermeiden. Wird die Ofentemperatur mit vorgegebenem Verlauf auf
eine vorgegebene Temperatur erhitzt, so werden Anlauffarben durch
die Reduzierung der Oxydschichten entfernt und Verunreinigungen wirkungsvoll
beseitigt. Die Komponenten sollten verformungssicher, vorzugsweise
in konturierten Formen gelagert werden. Hierdurch wird beispielsweise vermieden,
dass Metalle sich auf Grund der Schwerkraft im weichen Zustand verformen.
Auch die Abkühlung
sollte mit vorgegebenem Temperaturverlauf erfolgen, um Chromkarbitbildung
zu vermeiden. Hierdurch bleibt die Korrosionsbeständigkeit
erhalten. Zur schnelleren Abkühlung
können
Edelgase oder Stickstoff eingesetzt werden. Die Belüftung des
Vakuumofens darf erst unterhalb einer Temperatur von 100°C erfolgen,
um ein erneutes Anlaufen der Metalloberflächen zu vermeiden. Nach dem
Durchfahren zuvor beschriebener Schritte müssen die Komponenten derartig
verpackt werden, dass eine erneute Verunreinigung ausgeschlossen
ist.
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Gemäß den Merkmalen
des abhängigen
Anspruchs 3 wird das Wärmepumpenmodul
nach der Montage der Komponenten in einem evakuierten Vakuumofen
erhitzt, wodurch Fremdgase aus dem Adsorbens entfernt werden können. Hierbei
wird nach der Montage der Behälter
bei vergleichsweise geringer Temperatur evakuiert, wobei der Druck
kleiner 10–3 mbar
sein sollte. Die Temperatur wird im Vakuumofen langsam auf eine
vorgegebene Temperatur erhöht,
wobei der Druck über
einen vorgegebenen Wert nicht steigen darf, da es ansonsten zur
Bildung von Anlauffarben kommen kann. Bei Erreichung der vorgegebenen
Maximaltemperatur wird die Temperatur für eine bestimmte Zeit auf der
vorgegebenen Solltemperatur gehalten und der Druck im Behälter weiter
reduziert, bis ein zweiter vorgegebener Druck unterschritten ist.
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Das
Wärmepumpenmodul
kann gemäß Anspruch
6 bereits im evakuierten Vakuumofen gasdicht verschlossen werden.
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Gemäß den Merkmalen
des abhängigen
Anspruchs 7 wird der Vakuumofen anschließend abgekühlt, vorzugsweise unter Zugabe
von Argon. Hierdurch wird der Abkühlprozess deutlich beschleunigt, da
im evakuierten Ofen die Abkühlung
ansonsten äußerst langsam
abliefe. Alternativ wäre
eine Kühlung mittels
Helium ebenfalls möglich.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.
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1 zeigt
die wesentlichen Bestandteile eines Wärmepumpenmoduls 15.
Dieses besteht aus einem Modulmantel 1 mit Anschlussflansch 6,
ferner einem Deckel 2 sowie einem Boden 3, welche
zusammen den Modulbehälter
bilden. Ferner verfügt das
Wärmepumpenmodul 15 über einen
Verdampfer/Kondensator 4 und einen Sorber 5, welcher
aus einem Lamellenwärmetauscher
und einem Adsorbens besteht.
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Sofern
notwendig, werden Komponenten in einem ersten Verfahrensschritt
in einem Ultraschallbad gereinigt.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt werden der Wärmetauscher des Sorbers 5 sowie
der Verdampfer/Kondensator 4 in einem Vakuumofen 7 gereinigt.
Der Vakuumofen 7 verfügt über eine
Heizung 8, eine Ofentür 14,
eine Abzugsleitung 13 und eine Zuführleitung 12. Die
Abzugsleitung 13 und die Zuführleitung 12 werden
jeweils von einem Ventil 10, 13 abgeschlossen.
Ferner ist an die Abzugsleitung 13 eine Vakuumpumpe 9 angeschlossen.
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Der
Wärmetauscher
des Sorbers 5 und Verdampfer/Kondensator 4 werden
gemäß 2 in
das Innere des Vakuumofens 7 eingebracht. Anschließend wird
der Vakuumofen 7 im kalten Zustand mittels der Vakuumpumpe 9 bei
geöffnetem
Ventil 10 evakuiert. Ist ein vorgegebener Druck unterschritten, so
wird die Heizung 8 eingeschaltet und die Temperatur im
Vakuumofen 7 kontinuierlich mit fest vorgegebenem Temperaturverlauf
gesteigert. Während des
gesamten Aufheizprozesses ist das Ventil 10 geöffnet, und
die Vakuumpumpe 9 evakuiert kontinuierlich das Innere des
Vakuumofens 7. Der Vakuumofen 7 wird auf einen Druck
von kleiner 10–4 mbar evakuiert. Die
maximale Temperatur des Prozesses beträgt zwischen 1000°C und 1300°C. Ist diese
Temperatur erreicht, so wird der Vakuumofen 7 für eine vorbestimmte
Zeit auf dieser Temperatur gehalten. Erst anschließend wird
der Vakuumofen 7 gekühlt.
Auch hierbei muss der Vakuumofen 7 mit vorgegebenem Temperaturverlauf
abgekühlt
werden. Ist der Abkühlvorgang
zu langsam, so kann es zu Chromkarbitbildung kommen. Zur Beschleunigung
des Abkühlvorgangs
kann der Innenraum des Vakuumofens 7 über die Zuführleitung 12 mit Stickstoff
oder einem Edelgas gekühlt
werden. Das aufgeheizte Gas kann anschließend über die Abführleitung 13 und das
geöffnete
Ventil 10 wieder entnommen werden, um in einem externen
Kühler
wieder abgekühlt
zu werden. Das abkühlende
Gas bleibt somit in einem Kreislauf. Das Ofeninnere wird auf eine
Temperatur unterhalb 100°C
abgekühlt,
um beim Öffnen
des Vakuumofens 7 die Bildung von Anlauffarben zu verhindern.
Nach einem Druckausgleich kann der Vakuumofen 7 geöffnet werden
und die Komponenten 4, 5 können entnommen werden. Danach
sollten sie nur noch unter Sauberraumbedingungen transportiert und
gelagert werden.
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Der
gereinigte Wärmetauscher
des Sorbers 5 wird mit Adorbens befällt und derartig gasdurchlässig verschlossen,
dass zwar das Adsorbens nicht mehr entweichen kann, Gase jedoch
an das Absorbens gelangen und abgeleitet werden kann. Der Sorber 5,
der Verdampfer/Kondensator 4, der Mantel 1, der
Deckel 2 und der Boden 3 werden zu einem Wärmepumpenmodul 15 gemäß 3 verbaut.
Hierbei ist darauf zu achten, dass die Verbindungen, zum Beispiel
Schweißnähte eine
hinreichend gute Vakuumdichtheit aufweisen. An einem entsprechenden Prüfstand wird
das komplette Wärmepumpenmodul 15 auf
Dichtheit überprüft.
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Im
Konditionierungs-Verfahrensschritt wird das Wärmepumpenmodul 15 in
dem Vakuumofen 7 gemäß 4 positioniert.
Hierbei muss der Anschlussflansch 6 sich an der obersten
Stelle im Modul befinden und nach oben weisen. Der Vakuumofen 7 wird
nun evakuiert. Bei Unterschreiten eines vorgegebenen Druckes wird
die Temperatur im Vakuumofen kontinuierlich nach einem vorgegebenen
Temperaturverlauf erhöht.
Bei einer Temperatur zwischen 320°C
und 600°C
(je nach eingesetztem Zeolith) wird die Temperatur über einen
gewissen Zeitraum beibehalten bis der Druck wieder auf 10–4 mbar
gesunken ist. Bei diesem Prozess können die Fremdgase aus dem
Adsorbens entweichen. Die Fremdgase gelangen zunächst aus dem Adsorbens in den
Innenraum des Wärmepumpenmoduls 15 und
von dort über
den Anschlussflansch 6 in den Innenraum des Vakuumofens 7,
von wo aus die Gase über
die Abführleitung 13 und
die Vakuumpumpe 9 abgeführt
werden. Ist der Adsorbens und das Wärmepumpenmodul 15 ausreichend
evakuiert, so kann der Vakuumofen 7 wieder abgekühlt werden.
Hierzu wird der Vakuumofen 7 mit einem Edelgas, welches
schwerer als Luft ist, z.B. Argon gekühlt. Das Argon wird in den
Vakuumofen 7 geleitet, kühlt dort die Komponenten und wird
anschließend
wieder aus dem Vakuumofen 7 zur Kühlung geleitet. Ist das Innere
des Vakuumofens 7 ausreichend abgekühlt, so wird ein Druckausgleich mit
dem gleichen Edelgas vorgenommen. Wird die Tür 14 des Vakuumofens 7 geöffnet, so
kann keine Luft in das Wärmepumpenmodul 15 eindringen,
da die Luft das schwerere Argon nicht nach unten verdrängen kann.
Das Wärmepumpenmodul 15 wird nun
mittels eines Ventils verschlossen, so dass keine Luft eindringen
und das Edelgas nicht entweichen kann.
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Wird
als Edelgas ein Gas verwendet, welches leichter ist als Luft, z.B.
Helium, so muss sich der Verbindungsflansch 6 an der tiefsten
Stelle an der Unterseite des Wärmepumpenmoduls 15 beim
Konditionierungsprozess befinden. Die Luft kann dann beim Entnehmen
des Wärmepumpenmoduls 15 aus dem
Vakuumofen 7 nicht nach oben das leichtere Helium verdrängen.
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In
einem weiteren Verfahrensschritt wird das Wärmepumpenmodul 15 evakuiert.
Hierzu wird an das Ventil des Wärmepumpenmoduls 15 eine
Vakuumpumpe 9 angeschlossen, das Ventil geöffnet und das
Edelgas abgesaugt.
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In
einem letzten Verfahrenschritt wird das Wärmepumpenmodul 15 mit
entgastem Wasser befüllt.
Beim Befüllen
muss darauf geachtet werden, dass über die Füllleitung nicht wieder Fremdstoffe
in das Wärmpumpenmodul 15 gelangen
können.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Wärmepumpenmodul 15 bereits
im Vakuumofen 7 gasdicht verschlossen. Hierzu befindet
sich gemäß 5 auf
dem Anschlussflansch 6 eine Lotdichtung 17, deren
Schmelztemperatur oberhalb der Verfahrenstemperatur, bei welcher
der Behälter
konditioniert wird, schmilzt. Ferner ist ein Deckel 16 angebracht,
welcher über
ein Lot 18 an einer Haltevorrichtung 19 gehalten
wird. Ist das Modul ausreichend konditioniert, so wird kurzzeitig
die Temperatur im Vakuumofen 7 erhöht. Die Lotdichtung 17 schmilzt
und der Lotfaden 18, der ebenfalls schmilzt, kann den Deckel 16 nicht
mehr halten, wodurch der Deckel 16 die Öffnung des Anschlussflansches 6 abdeckt.
Sobald die Temperatur im Vakuumofen 7 reduziert wird, erstarrt
die Lotdichtung 17, wodurch das Wärmepumpenmodul 15 gasdicht
von seiner Umgebung abgeschlossen ist. Wird nun das Wärmepumpenmodul 15 im
Vakuumofen 7 gekühlt,
so dringt das kühlende
Edelgas nicht in das Wärmepumpenmodul 15 ein.
Nach der Entnahme des Wärmepumpenmoduls 15 aus
dem Vakuumofen 7 wird es mit entgastem Wasser befüllt. Dazu
muss eine gasdicht verschlossene Füllkapillare, die mit dem Deckel 16 des Wärmepumpenmoduls
verbunden ist, mittels einer evakuierten Füllleitung mit dem Wasservorratsbehälter verbunden
wird. Die Füllkapillare
wird mit einem Dorn so aufgestochen, dass das entgaste Wasser durch
die Füllleitung
und die Füllkapillare
ins innere des Wärmepumpenmoduls
gelangt. Mit Hilfe einer Quetschvorrichtung wird die Füllkapillare
nach der Befüllung
wieder gasdicht verschlossen. Abschließend kann optional das obere
Ende der Füllkapillare mit
einem Schweißpunkt
zusätzlich
verschlossen werden.
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Alternativ
zur Darstellung in 5 kann der Flansch in Form eines
Trichters und der Deckel in Form eines Kegels ausgebildet sein.
Die Dichtung ist derart geformt, dass der Kegel im starren Zustand der
Dichtung nur punktweise aufliegt, weiterhin den Flansch zum Ofenraum
eine Öffnung
freigibt und erst beim Schmelzen der Dichtung der Kegel in den Trichter
fällt und
durch das Lot abgedichtet wird. Befindet sich der Flansch unten
am Behälter,
so kann ein Federmechanismus zum Verschließen thermisch ausgelöst werden.
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Ferner
besteht die Möglichkeit,
mittels Vakuumschweißen,
Vakuumschrauben oder Verpressen im evakuierten Vakuumofen den Flansch
zu verschließen.