DE102008016627A1

DE102008016627A1 - Verflüssiger für eine Wärmepumpe, Wärmepumpe und Verfahren zum Herstellen eines Verflüssigers

Info

Publication number: DE102008016627A1
Application number: DE102008016627A
Authority: DE
Inventors: Holger Sedlak; Oliver Kniffler
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: Efficient Energy GmbH
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2009-10-08
Also published as: EP2263050A2; US9939182B2; US20110100054A1; JP5587863B2; JP2011516812A; WO2009121547A2; WO2009121547A3; EP2263050B1

Abstract

Ein Verflüssiger für eine Wärmepumpe umfasst einen Verflüssigerraum, einen Verdichter-Motor und eine Motorhalterung zum Halten des stationären Motor-Teils, wobei der Motor ferner eine Motorwelle und ein mit der Motorwelle verbundenes Verdichterrad aufweist. Die Motorhalterung ist so ausgebildet, dass der stationäre Motorteil so gehalten wird, dass er mit verflüssigtem Arbeitsfluid in Berührung ist, wenn verflüssigtes Arbeitsfluid in den Verflüssigerraum eingefügt ist. Ferner erstreckt sich das Verdichterrad in einen Bereich der Wärmepumpe, in dem ein Kanal für zu verdichtendes gasförmiges Arbeitsfluid verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpen und insbesondere auf die spezielle Ausgestaltung eines Verflüssigers für eine Wärmepumpe.
Die WO 2007/118482 offenbart eine Wärmepumpe mit einem Verdampfer zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit, um einen Arbeitsdampf zu erzeugen. Die Wärmepumpe umfasst ferner einen Verdichter, der mit dem Verdampfer gekoppelt ist, um den Arbeitsdampf zu verdichten. Dabei ist der Verdichter als Strömungsmaschine ausgeführt, wobei die Strömungsmaschine ein Radialrad aufweist, das unkomprimierten Arbeitsdampf an seiner Stirnseite aufnimmt und mittels entsprechend ausgebildeter Schaufeln an seiner Seite ausstößt. Durch das Ansaugen wird der Arbeitsdampf komprimiert, so dass an der Seite des Radialrads ein komprimierter Arbeitsdampf ausgestoßen wird. Dieser komprimierte Arbeitsdampf wird einem Verflüssiger zugeführt. In dem Verflüssiger wird der komprimierte Arbeitsdampf, der durch die Kompression in seinem Temperaturniveau angehoben worden ist, mit einem verflüssigten Arbeitsfluid in Verbindung gebracht, so dass sich der komprimierte Dampf wieder verflüssigt und dabei Energie an das verflüssigte Arbeitsfluid abgibt, das sich in dem Verflüssiger befindet. Dieses verflüssigte Arbeitsfluid wird durch eine Umwälzpumpe durch ein Heizsystem gepumpt. Insbesondere ist hierzu ein Heizungsvorlauf angeordnet, an dem wärmeres Wasser in einen Heizungskreislauf, wie beispielsweise eine Fußbodenheizung ausgegeben wird. Ein Heizungsrücklauf speist dann abgekühltes Heizungswasser wieder in den Verflüssiger ein, damit es wieder durch neu kondensierten Arbeitsdampf erwärmt wird.
Diese bekannte Wärmepumpe kann als offener Kreislauf oder als geschlossener Kreislauf betrieben werden. Das Arbeitsmedium ist Wasser bzw. Dampf. Insbesondere sind die Druckverhältnisse im Verdampfer so, dass Wasser, das eine Temperatur von 12°C hat, verdampft wird. Hierzu ist der Druck im Verdampfer bei etwa 12 hPa (mbar). Durch den Verdichter wird der Druck des Gases auf z. B. 100 mbar angehoben. Dies entspricht einer Verdampfungstemperatur von 45°C, die damit im Verflüssiger und insbesondere in der obersten Schicht des verflüssigten Arbeitsfluids vorherrscht. Diese Temperatur ist ausreichend, um eine Fußbodenheizung zu versorgen.
Werden höhere Heizungstemperaturen benötigt, so wird eine höhere Kompression eingestellt. Werden dagegen geringere Heizungstemperaturen benötigt, so wird eine geringere Kompression eingestellt.
Darüber hinaus basiert die Wärmepumpe auf einer mehrstufigen Kompression. Eine erste Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen mittleren Druck zu bringen. Dieser auf einem mittleren Druck befindliche Arbeitsdampf kann durch einen Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung geführt werden, um dann z. B. durch eine letzte Strömungsmaschine einer Kaskade von wenigstens zwei Strömungsmaschinen auf den für den Verflüssiger benötigten Druck, wie beispielsweise 100 mbar, gebracht zu werden. Der Wärmetauscher zur Brauchwassererwärmung ist ausgebildet, um das von einer vorherigen Strömungsmaschine erhitzte (und komprimierte) Gas abzukühlen. Hierbei wird die Überhitzungsenthalpie sinnvoll genutzt, um den Wirkungsgrad des gesamten Verdichtungsprozesses zu erhöhen. Das gekühlte Gas wird dann mit einem oder mehreren nachgeschalteten Verdichtern weiter verdichtet oder direkt dem Verflüssiger zugeführt. Es wird Wärme aus dem komprimierten Wasserdampf entnommen, um damit Brauchwasser auf höhere Temperaturen als z. B. 40°C zu erwärmen. Dies verringert jedoch den Gesamtwirkungsgrad der Wärmepumpe nicht, sondern erhöht ihn sogar noch, da zwei aufeinander folgend geschaltete Strömungsma schinen mit dazwischen geschalteter Gaskühlung mit einer höheren Lebensdauer aufgrund der reduzierten thermischen Beanspruchung und mit weniger Energie den geforderten Gasdruck im Verflüssiger erreichen, als wenn eine einzige Strömungsmaschine ohne Gaskühlung vorhanden sein würde.
Eine Heizungsanlage sollte, damit sie auf dem Markt eine gute Akzeptanz hat, nicht zu sperrig und in einer Form angeboten werden können, die von Handwerkern oder Bauherren gut handhabbar ist und an typische Stellen gut transportiert und dort aufgestellt werden kann, wie beispielsweise in Kellern oder Heizungsräumen.
Insbesondere bei Wärmepumpen, die mit Wasser als verflüssigtem Arbeitsfluid bzw. Dampf als gasförmigem Arbeitsfluid betrieben werden, werden an den Verdichter hohe Anforderungen gestellt. Insbesondere muss der Verdichter eine hohe Fördermenge haben, um eine erforderliche Dampfkompression zu erreichen. Zu diesem Zweck ist es nötig, dass ein Verdichtermotor bei vergleichsweise hohen Drehzahlen arbeitet. Ferner ist es in diesem Zusammenhang wünschenswert, dass der Verdichter ein Radialrad hat, um eine effiziente und dennoch leistungsstarke Verdichtung zu erreichen.
Hohe Drehzahlen für den Motor führen jedoch dazu, dass der Verdichtermotor zu einer Geräuschentwicklung beiträgt, die insbesondere aufgrund von auch nach einem Auswuchten verbliebenen Rest-Unwuchten beträchtlich sein kann bzw. mit der Drehzahl des Motors zunimmt.
Darüber hinaus zeigen selbst sehr effiziente Elektromotoren aufgrund der endlichen ohmschen Widerstände der Strom durchflossenen Teile eine Wärmeentwicklung, die mit zunehmender Drehzahl ebenfalls zunimmt.
Die Geräuschentwicklung ist zwar nicht so vorteilhaft, kann jedoch je nach Aufstellungsort der Wärmepumpe hingenommen werden, da eine Wärmepumpe typischerweise nicht im Wohnraum sondern in einem Kellerraum beispielsweise angeordnet ist, der ohnehin von dem Wohnraum schallmäßig entkoppelt ist.
Abwärmeverluste des Motors sind jedoch noch weniger erwünscht, da diese den Wirkungsgrad der Wärmepumpe unmittelbar beeinträchtigen. Andererseits können die Abwärmeanforderungen so hoch werden, dass der Motor sogar aktiv gekühlt werden muss, um seine spezifizierten Eigenschaften nicht zu verlieren. Ein spezieller Kühlkreislauf bzw. eine einfache Abwärmeabführung des Motors z. B. durch Luftkonvektion reduziert jedoch den Wirkungsgrad der Wärmepumpe oder erhöht die Kosten für die Wärmepumpe.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizientes Konzept für eine Wärmepumpe zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Verflüssiger für eine Wärmepumpe nach Patentanspruch 1, eine Wärmepumpe nach Patentanspruch 15 oder ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe nach Patentanspruch 16 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Anordnen zumindest des stationären Motorteils in dem Verflüssiger und insbesondere in dem Raum des Verflüssigers, der von einem verflüssigten Arbeitsfluid eingenommen wird, wenn ein verflüssigtes Arbeitsfluid eingefüllt wird, eventuelle Kühlprobleme des Motors einfach gelöst sind. Der Motor wird nämlich durch das verflüssigte Arbeitsfluid, das typischerweise einen niedrigen Wärmeübergangswiderstand hat und insbesondere einen niedrigeren Wärmeübergangswiderstand als Luft bzw. Gas hat, gut gekühlt. Damit kann einfach durch Anordnen des Motors in dem verflüssigten Arbeitsfluid eine ausreichende Kühlung des Motors geschaffen werden, derart, dass die Temperatur des Motors nicht wesentlich über die Temperatur im Verflüssiger ansteigt. Da die Temperatur im Verflüssiger selbst in kalten Wintertagen typischerweise unter 60 Grad bleiben wird, existiert für die Motortemperatur immer noch ein hoher Spielraum, da Motoren auch bei wesentlich höheren Temperatur als 60°C betrieben werden können.
Darüber hinaus werden Motorverluste, die durch eine Wärmeerzeugung im Motor entstehen, ohne weiteres zu 100% aufgefangen und in Nutzwärme umgesetzt, da eine in dem Motor erzeugte „Verlustwärme” unmittelbar dazu verwendet wird, um verflüssigtes Arbeitsfluid im Verflüssiger aufzuheizen. Das Aufwärmen des verflüssigten Arbeitsfluids ist jedoch gerade der Nutzmechanismus der Wärmepumpe, bei dem nämlich Dampf, wenn er kondensiert, das verflüssigte Arbeitsfluid in dem Verflüssiger aufwärmt.
Bei der Auswahl des Motors muss daher nicht noch auf eine spezielle besonders verlustleistungsarme Implementierung des Motors geachtet werden. Stattdessen können auch Motoren eingesetzt werden, die nicht auf einen speziellen geringen Leistungsverbrauch gezüchtet sind, da Abwärmeverluste des Motors ohnehin in ein aufgewärmtes Verflüssiger-Fluid umgesetzt werden. Dies ermöglicht es, dass Motoren eingesetzt werden, die in ihren Verlusteigenschaften vielleicht nicht die besten sind, die jedoch im Hinblick auf ihre Langzeitstabilität und andere Kriterien, wie beispielsweise hohe Drehzahlen etc., optimal für Wärmepumpenanwendungen geeignet sind.
Darüber hinaus wird bei einem Ausführungsbeispiel der Motor über ein rohrförmiges Bauteil gehalten, das zugleich einen guten Schallschutz liefert. Eventuelle Vibrationen, die der Motor aufgrund der unvermeidlichen (Rest-)Unwuchten hat, werden zwar auf das verflüssigte Arbeitsfluid innerhalb des Rohrs übertragen. Diese Vibrationen bleiben jedoch innerhalb des Rohrs, da das Rohr aufgrund seiner runden und ebenen Außenfläche das äußere Verflüssigervolumen nicht in Vibrationen versetzen kann. Aus diesem Grund wird eine rohrförmige Motorhaltung sogar dazu führen, dass die Schallentwicklung der Wärmepumpe wesentlich reduziert ist, was es sogar ermöglicht, die Wärmepumpe in Wohnräumen, wie beispielsweise einem Badezimmer einer Wohnung zu betreiben.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Motor an einem unteren Ende einer Hochstromleitung eingesetzt, um eine erste Verdichterstufe zu implementieren, die verflüssigtes Glas bei niedrigem Druck auf einen mittleren Druck komprimiert. Insbesondere dann, wenn der Verdampfer unterhalb des Verflüssigers (bezüglich einer Aufstellrichtung der Wärmepumpe) angeordnet ist, wird eine Motorwelle eine unter Wand, also einen Boden des Verflüssigers durchdringen, um ein Radialrad antreiben zu können, das in dem Weg für ein verdampftes Arbeitsfluid angeordnet ist. Um einen mehrstufigen Verdichter zu implementieren, ist ein weiterer Verdichtermotor an einem anderen, also in diesem Fall an dem oberen Ende der Hochstromleitung angeordnet, wobei der Motor wieder im Verflüssiger-Fluid ist, jedoch das Radialrad, das von dem Motor angetrieben wird, in einem Gaskanal liegt, um eine Gasverdichtung zu erreichen, und so typischerweise eine Gasverdichtung einer letzten Stufe eines Verdichters. Zwischen den beiden Motoren ist ebenfalls innerhalb der Hochstromleitung eine Zirkulationspumpe angeordnet, um einen Flüssigkeitsstrom in der Hochstromleitung zu erzeugen, dessen Flussrichtung dem Gradienten von warmem Wasser zu kaltem Wasser innerhalb der Wärmepumpe entgegengesetzt gerichtet ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Wärmepumpe mit Verdampfer, Komprimierer und Verflüssiger einschließlich einem Brauchwassertank;
2 eine schematische Darstellung des Brauchwassertanks von 1;
3 eine vergrößerte Darstellung der Anordnung des Brauchwassertanks im Arbeitsfluidraum;
4 eine schematische Darstellung der Kompressor/Zwischenkühlungs-Kaskade von 1;
5 eine vergrößerte Ansicht der Anordnung der zweiten Kompressorstufe am oberen Ende der Hochstromleitung;
6 eine im Vergleich zu 5 noch stärker vergrößerte Darstellung der Anordnung der ersten Kompressorstufe am unteren Ende der Hochstromleitung;
7 eine schematische Darstellung einer Anordnung eines Kompressormotors in der Hochstromleitung; und
8 ein Querschnitt durch die Hochstromleitung mit Befestigungen und zusätzlichen Kühlrippen.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Wärmepumpe, in der ein Verflüssiger vorteilhaft eingesetzt werden kann. Die Wärmepumpe umfasst ein Wärmepumpengehäuse 100, das in einer Aufstellrichtung der Wärmepumpe von unten nach oben zunächst einen Verdampfer 200 und darüber einen Verflüssiger 300 aufweist. Ferner ist zwischen dem Verdampfer 200 und dem Verflüssiger 300 eine erste Kompressorstufe 410 angeordnet, die einen ersten Zwischenkühler 420 speist. Aus dem Zwischenkühler 420 ausgegebenes komprimiertes Gas tritt in eine zweite Kompressorstufe 430 ein und wird dort verdichtet und einem zweiten Zwischenkühler 440 zugeführt, von dem das komprimierte aber zwischengekühlte Gas (Dampf) in einen Verflüssiger 500 eingespeist wird. Der Verflüssiger hat einen Verflüssigerraum 510, welcher einen Arbeitsfluidraum aufweist, der bis zu einem Füllstand 520 mit verflüssigtem Arbeitsfluid, wie beispielsweise Wasser, gefüllt ist. Oberhalb des Füllstands 520, der also das verflüssigte Arbeitsfluid 530 von dem (noch) nicht verflüssigten, sondern gasförmigen Arbeitsfluid 540 abgrenzt, befindet sich das gasförmige Arbeitsfluid, das von dem zweiten Kompressor 430 in den zweiten Zwischenkühler 440 ausgestoßen worden ist.
In dem Arbeitsfluidraum 530 befindet sich ein Brauchwassertank 600. Der Brauchwassertank 600 ist so ausgebildet, dass sein Inhalt flüssigkeitsmäßig von dem verflüssigten Arbeitsfluid in dem Arbeitsfluidraum 530 getrennt ist. Ferner umfasst der Brauchwassertank 600 einen Brauchwasserzulauf 610 für kaltes Brauchwasser und einen Brauchwasserablauf oder Brauchwasservorlauf 620 für warmes Brauchwasser.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Brauchwassertank auch außerhalb des verflüssigten Verflüssigerfluids angeordnet sein kann, obgleich eine Anordnung im Verflüssiger vorteilhaft sein kann.
Der Brauchwassertank 600 ist wenigstens teilweise in dem Arbeitsfluidraum 530 angeordnet. Der Brauchwassertank umfasst eine Brauchwassertankwand 630, die von einer Wand 590 des Arbeitsfluidraums entfernt angeordnet ist, so dass sich ein Zwischenraum 640 ergibt, der ausgebildet ist, um mit dem Gasbereich 540 zu kommunizieren. Ferner ist die Anordnung so, dass in dem Zwischenraum 640 im Betrieb kein verflüssigtes Arbeitsfluid oder wenigstens teilweise kein verflüssigtes Arbeitsfluid enthalten ist. Eine Isolationswirkung zwischen dem Wasser im Brauchwassertank 600 und dem verflüssigten Arbeitsfluid (wie beispielsweise Wasser) im Arbeitsfluidraum 530 wird bereits dann erhalten, wenn z. B. der obere Bereich des Zwischenraums 640 voll Arbeitsfluiddampf bzw. Arbeitsfluidgas ist, während aus irgendeinem Grund der untere Bereich des Zwischenraums mit Arbeitsfluid gefüllt ist.
Da insbesondere im unteren Bereich die Flüssigkeit des Brauchwassers geringer ist als im oberen Bereich, ist es je nach Implementierung ohnehin ausreichend, lediglich im oberen Bereich eine Isolierung sicherzustellen, da es für den unteren Bereich teilweise vielleicht sogar günstig sein kann, dass dort keine Isolierung oder nur eine geringere Isolierung zum Verflüssigerraum vorherrscht. Dies liegt daran, dass die Wasserzufuhr bei 12°C etwa stattfindet, oder insbesondere im Winter, wenn das Wasser aus der Wasserleitung sogar noch kälter ist, bei niedrigeren Temperaturen stattfindet. Dagegen wird der untere Bereich des Arbeitsfluidraums Temperaturen von vielleicht mehr als 30°C und z. B. vielleicht sogar 37°C haben. Damit ist es zumindest für die Sicherstellung, dass der obere (wärmere) Bereich der Brauchwassertanks warmer als der Verflüssigerraum ist, unkritisch, ob der untere Bereich des Brauchwassertanks von dem Verflüssiger besonders stark isoliert ist. Es ist also nicht so kritisch, wenn der untere Bereich mit verflüssigtem Arbeitsfluid gefüllt ist, solange in dem Bereich des Brauchwassertanks, wo sich aufgrund der Schichtung eine höhere Temperatur ergibt, von dem Arbeitsfluidraum 530 thermisch isoliert ist.
Nachfolgend werden die einzelnen Komponenten der in 1 beschriebenen Wärmepumpe näher dargestellt.
In einem Verdampferzulauf 210 wird abzukühlendes flüssiges Arbeitsfluid zugeführt, wie beispielsweise Grundwasser, Meerwasser, Sole, Flusswasser etc., wenn ein offener Kreislauf stattfindet. Dagegen kann auch ein geschlossener Kreislauf stattfinden, wobei in diesem Fall das über die Verdampferzulaufleitung 210 zugeführte verflüssigte Arbeitsfluid z. B. Wasser ist, das über eine geschlossene Tiefenleitung in den Untergrund hinein und wieder herauf gepumpt wird. Die Abdichtung und die Kompressoren sind so ausgelegt, dass sich in einem Verdampfungsraum 220 ein Druck ausbildet, der so ist, dass Wasser bei der Temperatur, wie es über die Zulaufleitung 210 aufsteigt, ver dampft. Um diesen Vorgang so gut als möglich stattfinden zu lassen, ist der Verdampfer 200 mit einem Aufweiter 230 versehen, der z. B. rotationssymmetrisch sein kann, wobei er wie ein „umgedrehter” Teller in der Mitte gespeist wird und das Wasser dann nach allen Seiten von der Mitte nach außen abläuft und in einer ebenfalls kreisförmigen Auffangrinne 235 gesammelt wird. An einer Stelle der Sammelrinne 235 ist ein Ablauf 240 ausgebildet, über den das durch die Verdampfung abgekühlte Wasser bzw. Arbeitsfluid in flüssiger Form wieder nach unten gepumpt wird, also zur Wärmequelle, die beispielsweise das Grundwasser oder das Erdreich sein kann.
Ein Wasserstrahlablenker 245 ist angeordnet, um sicherzustellen, dass das durch die Zulaufleitung 210 geförderte Wasser nicht nach oben spritzt, sondern ruhig zu allen Seiten hin abläuft und somit eine möglichst effiziente Verdampfung sicherstellt. Zwischen dem Verdampfungsraum 220 und dem Arbeitsfluidraum ist ein Expansionsventil 250 angeordnet, durch das ein Druckunterschied zwischen beiden Räumen gesteuert werden kann, wenn hierzu ein Bedarf besteht. Steuersignale für das Expansionsventil sowie für die Kompressoren 410, 430 und für andere Pumpen werden von einer elektronischen Steuerung 260 geliefert, die an irgendeiner Stelle angeordnet sein kann, wobei hier Punkte wie gute Zugänglichkeit von außen zu Einstellungs- und Wartungszwecken wichtiger sind als thermische Verkopplung bzw. Entkopplung vom Verdampfungsraum oder vom Verflüssigungsraum.
Der in dem Verdampfungsraum 220 enthaltene Dampf wird über eine Formgebung für den Verdampfungsraum, die von unten nach oben sich verengend ist, in einer möglichst gleichmäßigen Strömung von einer ersten Verdichterstufe 410 angesaugt. Hierzu umfasst die erste Verdichterstufe einen Motor 411 (6), der über eine Motorwelle 412, die in 6 schematisch angezeichnet ist, ein Radialrad 413 antreibt. Das Radialrad 413 saugt durch seine untere Seite 413a den Dampf an und gibt ihn komprimiert an seiner Ausgabeseite 413b aus. Damit gelangt der nunmehr komprimierte Arbeitsdampf in einen ersten Abschnitt eines Dampfkanals 414, von wo der Dampf in den ersten Zwischenkühler 420 gelangt. Der erste Zwischenkühler 420 kennzeichnet sich durch eine entsprechenden Ausbuchtung 421 zur Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit des aufgrund der Kompression überhitzten Arbeitsgases, die je nach Implementierung von Fluidkanälen durchdrungen sein kann, wie sie jedoch in 1 nicht eingezeichnet sind. Diese Fluidkanäle können durch z. B. Heizungswasser, also Arbeitsfluidwasser, im Arbeitsfluidraum 530 durchflossen sein. Alternativ oder zusätzlich können diese Kanäle jedoch auch vom Kaltwasserzufuhrkreislauf 610 durchflossen werden, um bereits eine Vorwärmung für das in den Brauchwassertank 600 zugeführte Brauchwasser zu erhalten.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wirkt jedoch bereits die Führung des Fluidkanals 420 um das kalte untere Ende des Arbeitsfluidraums 530 des Verflüssigers 500 so, dass der Arbeitsfluiddampf, der sich durch diesen relativ langen ausgedehnten Arbeitsfluidkanal herum erstreckt, auf seinem Weg vom ersten Radialrad 33 (5) abkühlt und seine Überhitzungsenthalpie abgibt.
Der Arbeitsfluiddampf läuft durch den Zwischenkühler 420 über einen zweiten Kanalabschnitt 422 in eine Ansaugöffnung 433a des Radialrads 433 der zweiten Verdichterstufe hinein und wird dort wiederum seitlich an einer Ausstoßöffnung 433b in den zweiten Zwischenkühler 440 eingespeist. Hierzu ist ein Kanalabschnitt 434 vorgesehen, der sich zwischen der seitlichen Ausstoßöffnung 433b des Radialrads 433 und einem Eingang in den Zwischenkühler 440 erstreckt.
Der durch die zweite Verdichterstufe 430 auf den Verflüssigerdruck verdichtete Arbeitsdampf durchläuft dann den zweiten Zwischenkühler 440 und wird dann auf kaltes verflüssigtes Arbeitsfluid 511 geleitet. Dieses kalte verflüs sigte Arbeitsfluid 511 wird auf einen Aufweiter im Verflüssiger, der mit 512 bezeichnet ist, gebracht. Der Aufweiter 512 hat eine ähnliche Form wie der Aufweiter 230 im Verdampfer und wird wieder durch eine mittige Öffnung gespeist, wobei im Gegensatz zur Zulaufleitung 210 im Verdampfer im Verflüssiger die mittige Öffnung mit einer Hochstromleitung 580 gespeist wird. Durch die Hochstromleitung 580 wird von einem unteren Bereich des Arbeitsfluidraums 530, wie es durch Pfeile 581 angedeutet ist, kaltes, also am unteren Bereich des Arbeitsfluidraums 530 angeordnetes verflüssigtes Arbeitsfluid angesaugt und in der Hochstromleitung 580 nach oben gebracht, wie es durch Pfeile 582 angedeutet ist.
Das Arbeitsfluid in flüssiger Form, das kalt ist, da es vom Boden des Arbeitsfluidraums stammt, stellt nun einen idealen „Verflüssigungspartner” für den heißen komprimierten Arbeitsfluiddampf 540 im Dampfraum des Verflüssigers dar. Dies führt dazu, dass das durch die Hochstromleitung 580 geförderte verflüssigte Arbeitsfluid auf dem Weg, auf dem es von der mittigen Öffnung nach unten zum Rand hin fließt, durch den sich verflüssigenden Dampf immer weiter aufgeheizt wird, so dass das Wasser dann, wenn es am Rande des Aufweiters in den mit verflüssigtem Arbeitsfluid gefüllten Arbeitsfluidraum eintritt (bei 517), den Arbeitsfluidraum aufheizt.
Verflüssigtes Arbeitsfluid des Arbeitsfluidraums 530 wird über einen Heizungsvorlauf 531 in ein Heizungssystem, wie beispielsweise eine Fußbodenheizung, gepumpt. Dort gibt das warme Heizungswasser seine Temperatur an den Fußboden oder an Luft oder ein Wärmetauschermedium ab, und das abgekühlte Heizungswasser läuft über einen Heizungsrücklauf 532 wieder in den Arbeitsfluidraum 530 hinein. Dort wird es dann wieder über die in der Hochstromleitung 580 erzeugte Strömung 582 angesaugt, wie es bei den Pfeilen 581 dargestellt ist, und wieder auf den Aufweiter 512 gefördert, um wieder erwärmt zu werden.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 1 und die 2 und 3 detaillierter auf den Brauchwassertank 600 eingegangen. Neben dem Kaltwasserzulauf 610 und dem Warmwasservorlauf 620 umfasst der Brauchwassertank 600 ferner vorzugsweise einen Zirkulationsrücklauf 621 auf, der derart mit dem Warmwasservorlauf 620 und einer Zirkulationspumpe verbunden ist, dass durch eine Betätigung der Zirkulationspumpe sichergestellt wird, dass immer vorgewärmtes Brauchwasser an einer Brauchwasserzapfstelle anliegt. Damit wird sichergestellt, dass man nicht zunächst sehr lang den Wasserhahn für warmes Wasser betätigen muss, bis warmes Wasser am Wasserhahn austritt.
Ferner ist in dem Brauchwassertank ein schematisch eingezeichneter Brauchwasserheizer 660 vorgesehen, der z. B. als Heizerspirale 661 (1) ausgebildet sein kann. Der Brauchwasserheizer ist mit einem Brauchwasserheizerzulauf 662 und einem Brauchwasserheizerablauf 662 verbunden. Der Flüssigkeitskreislauf in dem Brauchwasserheizer 660 ist jedoch von dem Brauchwasser im Brauchwassertank gekoppelt, kann jedoch mit dem Arbeitsfluid in dem Arbeitsfluidraum 530 verkoppelt sein, wie es insbesondere bei 1 dargestellt ist. Hier wird durch den Brauchwasserheizerzulauf 662 in der Nähe der Eintrittsstelle 517, wo die höchsten Temperaturen anliegen, warmes verflüssigtes Arbeitsfluid durch eine nicht gezeigte Pumpe in den Brauchwasserheizer 660 eingesaugt, durch diesen hindurch transportiert und unten, also dort, wo die kältesten Temperaturen im Arbeitsfluidraum 530 herrschen, wieder ausgegeben. Eine hierfür verwendbare Pumpe kann entweder im Brauchwassertank selber (aber flüssigkeitsmäßig entkoppelt) angeordnet sein, um die Pumpenabwärme zu nutzen, oder kann außerhalb des Brauchwassertanks im Verflüssigerraum vorgesehen sein, was aus hygienischen Gründen bevorzugt wird.
So hat der Brauchwassertank 600 einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt, wobei der Wärmetauscher 660 so angeordnet ist, dass er sich mehr in dem unteren Abschnitt als in dem oberen Abschnitt erstreckt. Der Brauchwasserheizer erstreckt sich mit seiner Heizspirale also nur dort, wo das Temperaturniveau des Brauchwassertanks gleich oder kleiner als die Temperatur des Verflüssigerwassers ist. Im oberen Abschnitt des Brauchwassertanks wird die Temperatur jedoch über der Temperatur des Verflüssigerwassers liegen, so dass dort der Wärmetauscher mit seinem aktiven Bereich, also z. B. seiner Heizspirale, nicht angeordnet werden braucht.
Durch den Brauchwasserheizer 660 kann das Brauchwasser, das im Brauchwassertank 600 vorhanden ist, also auf keine höheren Temperaturen angewärmt werden, als sie an der wärmsten Stelle im Verflüssiger herrschen, also etwa an der Stelle 517, wo das angewärmte Arbeitsfluid vom Aufweiter 512 in das Arbeitsfluidvolumen im Verflüssiger eintritt.
Eine höhere Temperatur wird dadurch erreicht, dass Brauchwasser dazu verwendet wird, um eine Zwischenkühlung des komprimierten Dampf zu erreichen. Hierzu umfasst der Brauchwassertank in seinem oberen Bereich einen Anschluss, um durch den Zwischenkühler 440 durchgelaufenes Brauchwasser aufzunehmen, das auf einer deutlich höheren Temperatur liegt als sie an der Stelle 517 herrscht. Dieser Zwischenkühler-Ablauf 671 dient somit dazu, den obersten Bereich des Brauchwassertanks 600 auf eine Temperatur zu bringen, die über der Temperatur des verflüssigten Arbeitsfluids 530 in der Nähe des Arbeitsfluidpegels 520 ist. Abgekühltes Brauchwasser bzw. zugeführtes kaltes Brauchwasser wird über den Zwischenkühlerzulauf 672 an der unteren Stelle des Brauchwassertanks entnommen und dem Zwischenkühler 440 zugeführt. Je nach Implementierung wird das Brauchwasser nicht nur durch den zweiten Zwischenkühler 440 erwärmt, sondern wird auch durch den ersten Zwischenkühler 420/421 erwärmt, obgleich dies in 1 nicht dargestellt ist.
Bei einer üblichen Auslegung der Wärmepumpe kann davon ausgegangen werden, dass die Zwischenkühlung keine derart starke Heizleistung liefert, dass der Zwischenkühlerkreislauf alleine ausreichend ist, um eine ausreichende Menge an Warmwasser zu erzeugen. Aus diesem Grund wird der Brauchwassertank 600 mit einem gewissen Volumen ausgelegt, derart, dass der Brauchwassertank in einem normalen Betrieb der Wärmepumpe durchgehend auf eine Temperatur oberhalb der Verflüssigertemperatur aufgeheizt wird. Damit ist ein vorbestimmter Puffer vorhanden, wenn eine größere Warmwasserentnahme stattfindet, wie beispielsweise für eine Badewanne oder für mehrere Duschvorgänge, die gleichzeitig stattfinden oder in enger Folge stattfinden. Hier tritt auch ein automatischer Brauchwasser-Vorzugseffekt auf. Wird nämlich sehr viel Warmwasser entnommen, so wird der Zwischenkühler immer kälter und wird immer mehr Wärme aus dem Dampf entziehen, was durchaus zu einer reduzierten Energie führen kann, die der Dampf noch an das Verflüssigerwasser abgeben kann. Dieser Effekt der Bevorzugung der Warmwasserabgabe ist jedoch wünschenswert, da Heizungskreisläufe typischerweise nicht so schnell reagieren und in dem Moment, in dem man Brauchwasser beziehen möchte, ein warmes Brauchwasser wichtiger ist als die Frage, ob der Heizungskreislauf kurzfristig etwas schwächer arbeitet.
Ist dagegen der Brauchwassertank vollständig aufgeheizt, so kann der Brauchwasserheizer 660 durch die elektronische Steuerung deaktiviert werden, indem die Umwälzpumpe angehalten wird. Ferner kann auch der Zwischenkühlerkreislauf über die Anschlüsse 671, 672 und die entsprechende Zwischenkühlerpumpe ebenfalls angehalten werden, da der Brauchwassertank auf seiner maximalen Temperatur ist. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, da dann, wenn der Brauchwassertank vollständig aufgeheizt ist, die dort liegende Energie gewissermaßen umgekehrt in den Brauchwasserheizer 660, der nun als Brauchwasserkühler wirkt, eingespeist wird, um die Überhitzungsenthalpie damit sogar noch vorteilhaft dazu auszunutzen, den Arbeitsfluidraum des Verflüssigers sogar an seiner unteren eher kühlen Stelle nachzuheizen.
Die Anordnung des Brauchwassertanks im Verflüssigerraum und die Erhitzung des Brauchwassertanks durch einen Brauchwasserheizer aus dem Verflüssigervolumen und/oder durch einen Kreislauf zu einem Zwischenkühler muss somit nicht unbedingt besonders eng gesteuert werden, sondern kann sogar ohne Steuerung auskommen, da automatisch eine Bevorzugung der Warmwasseraufbereitung stattfindet, und da dann, wenn eine Warmwasseraufbereitung nicht nötig ist, wie beispielsweise in längeren Perioden in der Nacht, der Brauchwassertank dazu dient, den Verflüssiger zusätzlich noch nachzuheizen. Dieses Nachheizen dient dazu, dass der Verdichter vielleicht sogar in seiner Leistungsaufnahme heruntergefahren werden kann, ohne dass die über den Heizungsvorlauf 531 und Heizungsrücklauf 532 durchgeführte Gebäudeheizung unter ihren Nennwert abfällt.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Unterbringung des Brauchwassertanks 600 in dem Verflüssigerraum. Insbesondere wird es bevorzugt, dass der gesamte Brauchwassertank 600 unterhalb des Füllstands 520 des verflüssigten Arbeitsfluids angeordnet ist. Ist die Wärmepumpe so ausgelegt, dass der Füllstand 520 des verflüssigten Arbeitsfluids variieren kann, so wird es bevorzugt, dass eine Zwischenraum-Dampfzuleitung 641 oberhalb des maximalen Füllstands 520 für verflüssigtes Arbeitsfluid im Arbeitsfluidraum 530 angeordnet ist. Damit wird sichergestellt, dass selbst im Falle des maximalen Füllstands 520 kein Arbeitsfluid über die Leitung 641 in den Zwischenraum 640 eintreten kann. Dadurch ist im gesamten Raum 640 Dampf vorhanden, und zwar der Dampf, der auch im mit Dampf gefüllten Bereich bzw. Gasbereich 540 des Verflüssigers ist. Der Brauchwassertank 600 wird daher in Analogie zu einer Thermoskanne in dem Verflüssiger, und zwar unterhalb der „Wasseroberfläche”, angeordnet.
In Analogie zu einer Thermoskanne, bei der der innere Bereich, in den die warm zu haltende Flüssigkeit eingefüllt wird, von der äußeren Umgebungsluft durch einen evakuierten Bereich isoliert ist, ist der Brauchwassertank 600 durch eine Dampf- bzw. Gasfüllung ohne festes Isoliermaterial in dem Zwischenraum von dem Heizungswasser im Raum 530 isoliert. Obgleich im Zwischenraum 640 zwar kein Hochvakuum vorhanden ist, so ist dennoch insbesondere für Wärmepumpen, die mit Wasser als Arbeitsfluid betrieben werden, die also bei relativ niedrigen Drücken arbeiten, dennoch ein ganz erheblicher Unterdruck, beispielsweise von 100 mbar, in dem Zwischenraum 640 vorhanden.
Die Größe des Zwischenraums, also der kürzeste Abstand zwischen der Arbeitsfluidraum-Wand 590 und der Brauchwassertankwand 630 ist im Hinblick auf die Abmessungen unkritisch und sollte größer als 0,5 cm sein. Die maximale Größe des Zwischenraums ist beliebig, wird jedoch dadurch begrenzt, dass eine Zunahme des Zwischenraums irgendwann einmal mehr Nachteile aufgrund der geringeren Kompaktheit mit sich bringt und keine größeren Vorteile mehr im Hinblick auf die Isolierung liefert. Daher wird es bevorzugt, den maximalen Zwischenraum zwischen den Wänden 630 und 590 kleiner als 5 cm zu machen.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, den Verflüssiger 500 so auszulegen, dass das Volumen an verflüssigtem Arbeitsfluid, das gleichzeitig den Heizungswasserspeicher darstellt, in einem Bereich zwischen 100 und 500 Litern liegt. Das Volumen des Brauchwassertanks wird typischerweise geringer sein und kann in Bereichen zwischen 5% und 50% des Volumens des Arbeitsfluidraums 530 liegen.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Querschnittsdarstellung in 1, abgesehen von bestimmten Anschlussleitungen, die selbsterklärend sind, rotationssymmetrisch ist. Dies bedeutet, dass der Aufweiter 230 im Verdampfer oder der Aufweiter 512 in der Draufsicht als gewissermaßen umgedrehter Teller ausgebildet sein kann.
Darüber hinaus werden sich die Dampfkanäle 414, 422 kreisrund um den gesamten in der Draufsicht kreisrunden nahezu zylinderförmigen Raum für verflüssigtes Arbeitsfluid erstrecken.
Darüber hinaus kann auch der Brauchwassertank in der Draufsicht kreisförmig sein. Der Brauchwassertank ist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in der rechten Hälfte des Arbeitsfluidraums 530 angeordnet. Derselbe könnte jedoch je nach Implementierung ebenfalls rotationssymmetrisch angeordnet sein, so dass er sich gewissermaßen wie ein Ring um die Hochstromleitung erstrecken würde. Eine solche große Auslegung des Brauchwassertanks ist jedoch oftmals nicht nötig, so dass eine Auslegung des Brauchwassertanks in einem Sektor des in der oberen Draufsicht kreisförmigen Arbeitsfluidraums ausreichend ist, wobei dieser Sektor vorzugsweise kleiner als 180 Grad ist.
Nachfolgend wird anhand von 4 der Verdichterkreislauf mit den angeordneten Zwischenkühlern detaillierter dargestellt. Insbesondere gelangt, wie es anhand von 1 dargestellt worden ist, ein verdampfter Wasserdampf bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck, wie beispielsweise bei 10°C und 10 mbar, über die Verdampfungsleitung 200 in eine erste Verdichterstufe 410, die durch einen Motor mit zugeordnetem Radialrad vorzugsweise implementiert wird. Es sei bereits darauf hingewiesen, dass der Motor zum Antreiben des Radialrads erfindungsgemäß in der Hochstromleitung 580 angeordnet ist, wie es noch detaillierter dargestellt wird und wie es bereits bei 6 erläutert wurde. Am Ausgang des ersten Kompressors 410, der in 4 auch mit K1 bezeichnet wird, wird Dampf in den Dampfkanal 414 eingespeist. Dieser Dampf hat einen Druck von etwa 30 mbar und hat aufgrund der Überhitzungsenthalpie typischerweise eine Temperatur von etwa 40°C. Diese Temperatur von etwa 40°C wird dem Dampf nunmehr, ohne dessen Druck signifikant zu beeinträchtigen, über den ersten Zwischenkühler 420 entzogen.
Der Zwischenkühler 420, der in 1 nicht gezeigt ist, umfasst z. B. eine Leitung, die in thermischer Kopplung zur Oberfläche der Aufweitung 421 und im Bereich des Gaskanals 414 angeordnet ist, um dort dem Dampf Energie zu entziehen. Diese Energie kann dazu verwendet werden, um den Arbeitsfluidraum 530 des Verflüssigers zu heizen, oder um bereits einen Teil des Brauchwassertanks zu heizen, wie beispielsweise den unteren Teil, wenn der Brauchwassertank als Schichtspeicher ausgelegt ist. In diesem Fall würde ein weiterer Zulauf nicht oben im Brauchwassertank, sondern etwa in der Mitte des Brauchwassertanks angeordnet sein, der vom ersten Zwischenkühler stammt. Alternativ findet jedoch durch die Führung des Kanals 414 und 422 an dem Arbeitsfluidraum entlang bereits eine Kühlung des Gases auf die Temperatur oder in die Nähe der Temperatur statt, die im Arbeitsfluidraum vorherrscht, wenn die Wand des Arbeitsfluidraums nicht-isolierend ausgebildet wird, wie es bevorzugt wird.
Dann gelangt das auf dem Zwischendruck von 30 mbar befindliche jedoch nunmehr wieder abgekühlte Gas in die zweite Verdichterstufe 430, wo es auf etwa 100 mbar komprimiert wird und in die Gasausgangsleitung 434 mit hoher Temperatur abgegeben wird, wobei diese Temperatur bei 100–200°C liegen kann. Das Gas wird durch den zweiten Zwischenkühler 440, der, wie es dargestellt worden ist, den Brauchwassertank 600 über die Anschlüsse 671, 672 heizt, abgekühlt, jedoch ohne den Druck signifikant zu verringern. Das nunmehr in seiner Überhitzungsenthalpie reduzierte komprimierte Gas wird dem Verflüssiger zugeführt, um das Heizungswasser aufzuwärmen, wobei der „Kanal” zwischen dem Ausgang des Zwischenkühlers 440 und dem Verflüssiger-Aufweiter 512 mit dem Bezugszeichen 438 bezeichnet ist.
Nachfolgend wird anhand von 5 der genauere Aufbau der zweiten Verdichterstufe 430 und die Interaktion mit dem zweiten Zwischenkühler 440 dargestellt. Das Radialrad 433 des zweiten Verdichters komprimiert das über den Kanal 422 zugeführte Gas bzw., wenn die Wärmepumpe mit Wasser betrieben wird, den über den Kanal 422 zugeführten Dampf auf eine hohe Temperatur und einen hohen Druck und gibt den erwärmten und komprimierten Dampf in die Dampfausgangsleitung 434 aus, wo der Dampf dann in den zweiten Zwischenkühler 440 eintritt, der so ausgebildet ist, dass das Gas einen relativ langen Weg um diesen Zwischenkühler herum nehmen muss, wie beispielsweise den Zig-Zag-Weg, der durch Pfeile 445, 446 angedeutet ist. Diese Formgebung für den Weg des Gases in dem Zwischenkühler kann ohne weiteres durch Kunststoffspritzguss-Verfahren erreicht werden.
Der Zwischenkühler hat einen mittleren Zwischenkühlerabschnitt 447, der durch eine Rohrleitung durchzogen sein kann, die in 5 nicht gezeigt ist. Alternativ kann der mittlere Abschnitt 447 vollständig hohl sein und im Sinne einer Flachleitung von aufzuheizendem Brauchwasser durchzogen werden, um eine möglichst gute Heizwirkung zu erreichen. Entsprechende Leitungen für Brauchwasser können auch an den äußeren Wänden im Zwischenkühlerabschnitt vorgesehen sein, derart, dass sich in dem Zwischenkühler 440 für das durch den Zwischenkühler 440 durchströmende Gas eine möglichst kalte Oberfläche darstellt, derart, dass möglichst viel thermische Energie an das zirkulierende Brauchwasser abgegeben werden kann, um im Brauchwassertank eine Temperatur zu erreichen, die deutlich über der Temperatur im Verflüssigerraum liegt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Zwischenkühler 440 auch alternativ ausgebildet sein kann. So können durchaus mehrere Zig-Zag-Wege vorgesehen sein, bis das Gas dann in die Zwischenkühler-Ausgangsleitung 438 eintreten kann, um endlich kondensieren zu können. Darüber hinaus sind beliebige Wärmetauscherkonzepte für den Zwischenkühler 440 einsetzbar, wobei jedoch vom Brauchwasser durchströmte Bauteile bevorzugt werden.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 7 die Anordnung des Verdichter-Motors in der Hochstromleitung 580 dargestellt. 7 zeigt den Motor 411, der eine Motorwelle 412 antreibt, die wiederum mit einem mit Kompressor bezeichneten Element 413 verbunden ist. Das Element, das mit Kompressor 413 bezeichnet ist, kann beispielsweise ein Radialrad sein. Als Kompressionselement kann jedoch jedes beliebige andere drehbare Element verwendet werden, das eingangsseitig Dampf mit einem niedrigen Druck ansaugt und ausgangsseitig Dampf mit einem höheren Druck ausstößt. Bei der in 7 gezeigten Anordnung ist lediglich der Kompressor 413, also das drehbare Verdichtungsbauglied in dem Dampfstrom, der sich vom Raum 220 bis zum Dampfkanal 414 erstreckt, angeordnet. Der Motor und ein wesentlicher Teil der Motorwelle, also die Elemente 411 und 412, sind dagegen nicht im Dampfmedium angeordnet, sondern im Verflüssigerraum für verflüssigtes Arbeitsfluid, wie beispielsweise Verflüssigerwasser, wobei dieser Arbeitsfluidraum mit 530 bezeichnet ist. Durch die Anordnung des Motors im Verflüssigerwasser wird die Motorabwärme, die auch bei sehr verlustarmen Motoren entsteht, günstigerweise nicht nutzlos an die Umgebung abgegeben, sondern an das aufzuwärmende verflüssigte Heizungsfluid selbst. Dieses verflüssigte Heizungsfluid selbst schafft – von der anderen Seite her betrachtet – eine gute Kühlung für den Motor, damit der Motor nicht überhitzt und Schaden nimmt.
Die Anordnung des Motors im Verflüssiger und insbesondere in einer Hochstromleitung des Verflüssigers hat ferner eine weitere vorteilhafte Wirkung. Insbesondere wird eine inhärente Schalldämmung dahin gehend erreicht, dass eine durch den Motor auf das umgebende verflüssigte Arbeitsfluid ausgeübte Bewegung nicht dazu führt, dass das gesamte Arbeitsfluid in Bewegung versetzt wird, da dies dann zu einer Schallerzeugung führen würde. Diese Schallerzeugung würde zusätzliche aufwendige Lärmschutzmaßnahmen mit sich führen, was jedoch wiederum zusätzliche Kosten und zusätzlichen Aufwand mit sich bringt. Wird der Motor 411 dagegen in der Hochstromleitung 580 bzw., allgemein gesagt, in einem zylindrischen Rohr angeordnet, das nicht unbedingt eine Hochstromleitung sein muss, so führt eine Bewegung des Arbeitsfluids, die durch eine Bewegung des Motors erzeugt wird, zu keiner bzw. nur zu einer sehr reduzierten Lärmerzeugung außerhalb des Verflüssigers.
Grund hierfür ist, dass zwar aufgrund der Befestigung des Motors und aufgrund von möglicherweise zusätzlich vorhandenen Kühlerrippen des Motors zwar das Arbeitsfluid innerhalb der Hochstromleitung bzw. innerhalb des zylindrischen Gegenstands in Bewegung versetzt wird, dass diese Bewegung jedoch aufgrund der Wandung des zylindrischen Rohrs nicht auf das das zylindrische Rohr umgebende verflüssigte Arbeitsfluid übertragen wird. Stattdessen bleibt die gesamte Schall-erzeugende Bewegung des Arbeitsfluids innerhalb des Rohrs enthalten, da das Rohr selbst aufgrund seiner zylindrischen Form zwar gegebenenfalls hin- und hergedreht wird, jedoch durch diese Hin- und Herdrehung keine signifikante Bewegung in dem das Rohr umgebenden Verflüssigerwasser erzeugt. Zur detaillierteren Darstellung dieses Effekts wird nachfolgenden auf 8 Bezug genommen, wobei 8 einen Querschnitt entlang der Linie A-A' von 7 darstellt.
8 zeigt ein Rohr, das bei einem Ausführungsbeispiel die Hochstromleitung 580 ist. In dem Rohr ist ein Motorkörper 411 angeordnet, der lediglich beispielhaft mit einem kreisförmigen Querschnitt dargestellt ist. Der Motorkörper 411 wird in dem Rohr 580 durch Befestigungen 417 gehalten. Je nach Implementierung können lediglich zwei, drei oder auch, wie in 8 gezeigt, vier Befestigungen oder sogar noch mehr Befestigungen eingesetzt werden. Zusätzlich zu den Befestigungen können ferner auch Kühlrippen 418 eingesetzt werden, die, um eine optimale und gut verteilte Kühlwirkung zu erreichen, in durch die Befestigungen 417 gebildeten Sektoren und insbesondere dort mittig bzw. gleichmäßig verteilt angebracht sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass auch die Befestigungen 417 als Kühlrippen fungieren können, und dass auch sämtliche Kühlrippen 418 gleichzeitig als Befestigungen ausgeführt werden können. In diesem Fall wird das Material für die Befestigungen 417 vorzugsweise ein Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit sein, wie beispielsweise ein Metall oder ein mit Metallpartikeln gefüllter Kunststoff.
Das Rohr 580 selbst ist innerhalb des Verflüssigers ebenfalls durch Aufhängungen befestigt, die dazu führen, dass der Motor über das Rohr sicher getragen wird.
Vibrationen des Motors 411 können zu einer Bewegung des Motors um seine Achse führen, wie sie bei 419 dargestellt ist. Dies führt dazu, dass auf das verflüssigte Arbeitsfluid innerhalb des Rohrs 580 eine starke Bewegung ausgeübt wird, da die Kühlrippen und Befestigungen gewissermaßen als „Ruder” wirken. Diese Bewegung des verflüssigten Arbeitsfluids wird jedoch auf den Bereich innerhalb des Rohrs 580 begrenzt, und es wird keine entsprechende Anregung des Verflüssigerwassers außerhalb des Rohrs 580 erreicht. Dies liegt daran, dass das Rohr 580 zwar innen aufgrund der Motorbefestigungen 417 und der Kühlrippen 418 solche „Ruder” hat, wobei das Rohr 580 jedoch außerhalb eine vorzugsweise glatte Oberfläche hat, die ferner vorzugsweise rund ist. Damit gleitet das Rohr an dem äußeren Verflüssigerwasser aufgrund der Vibrationsbewegung 419, ohne das äußere Verflüssigerwasser 530 in Unruhe zu versetzen und damit störenden Schall zu erzeugen. Eine solche Unruhe herrscht lediglich innerhalb des Querschnitts des Rohrs 580 und gelangt von dort nicht als störende Welle nach außen in die umgebende Flüssigkeit im Verflüssiger.
Obgleich eine Anordnung des Motors in einem entsprechenden Rohr, das innen Befestigungsrippen bzw. Kühlrippen hat, bereits zu einer Schalleindämmung führt, wird es ferner bevorzugt, das Rohr 580 gleichzeitig als Hochstromleitung zu verwenden, um somit eine Platz sparende und effiziente Multifunktionalität zu erreichen. Die Hochstromleitung 580 dient dazu, um abgekühltes Verflüssigerwasser in einen Bereich zu transportieren, in den auch ein Dampf gelangt, der kondensieren soll, um seine Energie so weit als möglich in das Verflüssigerwasser abzugeben. Zu diesem Zweck wird kaltes verflüssigtes Arbeitsfluid von unten in dem Verflüssigerraum nach oben transportiert. Dieser Transport findet durch die Hochstromleitung statt, die vorzugsweise zentral, also in der Mitte des Verflüssigerraums, angeordnet ist und den Aufweiter 512 von 1 speist. Allerdings kann die Hochstromleitung auch dezentral angeordnet sein, solange sie in einem möglichst großen Bereich und vorzugsweise komplett von Verflüssigerwasser umgeben ist.
Um zu erreichen, dass das Verflüssigerwasser von unten durch die Hochstromleitung 580 nach oben läuft, ist in der Hochstromleitung eine Zirkulationspumpe 588 vorgesehen, wie sie z. B. in 7 eingezeichnet ist. Die Zirkulationspumpe kann ähnlich mit Befestigungen an der Hochstromleitung angeordnet sein, obgleich dies in 7 nicht gezeigt ist. Allerdings sind die Auslegungen der Zirkulationspumpe unkritisch, da diese keine so großen Kompressionsleistungen bzw. Drehzahlen liefern muss. Allerdings führt bereits ein einfacher Betrieb der Zirkulationspumpe mit geringen Drehzahlen dazu, dass das Verflüssigerwasser von unten nach oben strömt, und zwar entlang der Strömungsrichtung 582. Diese Strömung führt dazu, dass die in dem Motor 411 erzeugte Wärme abgeführt wird, und zwar immer so, dass der Motor mit möglichst kaltem Verflüssigerwasser gekühlt wird. Dies gilt nicht nur für den Motor des unteren ersten Kompressors 410, sondern auch für den Motor des oberen zweiten Kompressors 430.
Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist, durchstößt die Motorwelle 412 den Boden des Verflüssigerraums, um den unterhalb des Bodens des Verflüssigerraums angeordneten Kompressor 413, also das in 6 beispielhaft gezeigte Radialrad 413, anzutreiben. Zu diesem Zweck ist die Durchführung der Welle durch die Wand, die bei 412a gezeichnet ist, als abgedichtete Durchführung ausgeführt, derart, dass kein Verflüssigerwasser von oben in das Radialrad eintritt. Die Anforderungen an diese Abdichtung werden dadurch entspannt, dass das Radialrad 413 das komprimierte Fluid seitlich und nicht oben abgibt, so dass bereits der obere „Deckel” des Radialrads ohnehin abgedichtet ist und daher zum Erzeugen einer wirksamen Dichtung zwischen dem Kanal 414 und dem Verflüssigerraum 530 genug Platz ist. Ähnlich ist es auch im anderen Fall, der in 5 gezeigt ist. Dort liegt das Radialrad 433 wieder im Gaskanal, während der Motor im Bereich des Verflüssigers liegt, der mit verflüssigtem Arbeitsfluid, also beispielsweise mit Wasser, gefüllt ist.
Das beispielhafte Hochstromrohr 580 in 6 hat einen Fußabschnitt, der in 6 nur schematisch eingezeichnet ist. Der Fußabschnitt ist durchbrochen, um eine Strömung 581 von dem Verflüssigerraum 530 in das Rohr 580 zu erlauben, wobei das Rohr 580 an Stellen (in 6 nicht eingezeichnet), an denen keine Durchbrüche für die Strömung 581 vorhanden sind, mit einer Wand des Verflüssigerraums fest verbunden ist. Alternative Befestigungskonzepte zum Befestigen des Rohrs z. B. durch eine Aufhängung von oben oder eine seitliche Stütze durch eine Trägerkonstruktion, die von Verflüssigerflüssigkeit umgeben ist, sind ebenfalls möglich.
Insbesondere führt die Funktionalität der Zirkulationspumpe 588 dazu, dass durch die Hochstromleitung gefördertes an der unteren Begrenzung des Radialrads anstößt. Durch dieses „Anstoßen” wird das Wasser gewissermaßen nach allen Seiten über den oberen Aufweiter 512 laufen. Allerdings soll selbstverständlich kein Wasser aus dem Wasserstrom, der sich auf dem Aufweiter 512 befindet, in den Gaskanal 434 eintreten. Aus diesem Grund kann die Welle 432 des oberen Motors 431 ebenfalls wieder abgedichtet sein, wobei für die Abdichtung wieder viel Platz verbleibt. Dies liegt genauso wie im Falle des unteren Motors daran, dass die untere Begrenzung des Radialrads 433 wieder ohnehin abgedichtet ist, also sowohl für verflüssigtes Arbeitsfluid als auch für verdampftes Arbeitsfluid undurchdringlich ist. Das komprimierte verdampfte Arbeitsfluid wird nämlich seitlich und nicht bezüglich 5 nach unten ausgestoßen. Daher sind wieder die Abdichtungsanforderungen der Welle 432 aufgrund der großen zur Verfügung stehenden Fläche entspannt.
Die Wärmepumpe vereinigt somit diverse Vorteile aufgrund ihrer effizienten Konstruktion. Zunächst wird aufgrund der Tatsache, dass der Verflüssiger oberhalb des Verdampfers angeordnet ist, der Dampf sich vom Verdampfer nach oben in Richtung der ersten Verdichterstufe bewegen. Aufgrund der Tatsache, dass Dampf ohnehin tendenziell nach oben steigt, wird der Dampf bereits ohne den zusätzlichen Antrieb aufgrund der Kompression diese Bewegung durchführen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nach der ersten Verdichterstufe der Dampf einen großen Weg entlang des Verflüssigers geführt wird. Insbesondere wird der Dampf um das gesamte Verflüssigervolumen herum geführt, was mehrere Vorteile mit sich bringt. Zum einen wird die Überhitzungsenthalpie des aus dem ersten Verdampfer austretenden Dampfes günstigerweise direkt an die Bodenwand des Verflüssigers, auf der das kälteste Arbeitsfluid liegt, abgegeben. Dann läuft der Dampf gewissermaßen von unten nach oben entgegen der Schichtung im Verflüssiger in den zweiten Verdichter. Damit wird gewissermaßen automatisch eine Zwischenkühlung erreicht, die durch einen zusätzlichen Zwischenkühler, der konstruktiv günstig angeordnet werden kann, da an der Außenwand ausreichend Platz verbleibt, verstärkt werden kann.
Darüber hinaus wirkt der Dampfkanal 422 bzw. 414, der den gesamten Raum mit verflüssigtem Arbeitsfluid umgibt, welcher ja der Heizungswasserspeicher ist, als zusätzliche Isolierung nach außen. Der Dampfkanal erfüllt somit zwei Funktionen, nämlich einerseits die Abkühlung zum Verflüssigervolumen hin und andererseits eine Isolierung zum Äußeren der Wärmepumpe. Wieder wird gemäß dem Prinzip der Thermoskanne der gesamte Verflüssigerraum durch einen Zwischenraum, der nun durch den Dampfkanal 414 bzw. 422 gebildet wird, umgeben. Im Gegensatz zum Zwischenraum 640, in dem ein höherer Dampfdruck herrscht, ist der Dampfdruck in dem Kanal 422 bzw. 414 noch geringer, und liegt z. B. in dem Bereich von 30 hPa bzw. 30 mbar, wenn Wasser als Arbeitsfluid verwendet wird. Dadurch, dass der Verflüssiger somit mit einem Dampfkanal, der im mittleren Druckbereich arbeitet, umgeben wird, wird somit eine besonders gute Isolierung inhärent, ohne zusätzlichen Isolieraufwand, erreicht. Man kann die äußere Wand des Kanals nach außen dämmen. Diese Dämmung kann jedoch wesentlich günstiger ausfallen, im Vergleich zu dem Fall, bei dem der Verflüssiger direkt nach außen zu dämmen wäre.
Darüber hinaus wird aufgrund der Tatsache, dass sich der Dampfkanal um vorzugsweise das gesamte Arbeitsfluidvolumen herum erstreckt, ein Dampfkanal mit großem Querschnitt und geringem Strömungswiderstand erhalten, derart, dass bei dennoch sehr kompakter Ausführung der Wärmepumpe ein Dampfkanal erzeugt wird, der einen ausreichend großen effektiven Querschnitt hat, der dazu führt, dass keine oder nur geringe Reibungsverluste entstehen.
Darüber hinaus führt die Verwendung von zwei Verdampferstufen, die vorzugsweise unterhalb des Verflüssigers und oberhalb des Verflüssigers angeordnet sind, dazu, dass beide Verdampfermotoren in dem Verflüssiger- Arbeitsfluidvolumen untergebracht werden können, so dass eine gute Motorkühlung erreicht wird, wobei die Kühlungs-Abwärme gleichzeitig zur Aufheizung des Heizungswassers dient. Darüber hinaus wird durch Anordnung des zweiten Verdampfers oberhalb des Verflüssigers sichergestellt, dass von dort möglichst kurze Wege bis zum Kondensieren erreicht werden, wobei ein möglichst großer Teil dieses Weges durch einen zweiten Zwischenkühler zum Entzug der Überhitzungsenthalpie ausgenutzt wird. Dies führt dazu, dass nahezu der gesamte Dampfweg, den der Dampf nach dem Austreten aus dem zweiten Verdichter zurücklegt, ein Anteil des Zwischenkühlers ist, wobei dann, wenn der Dampf aus dem Zwischenkühler austritt, unmittelbar eine Kondensation stattfindet, ohne dass noch weitere möglicherweise Verluste mit sich bringende Wege für den Dampf mehr zu gehen sind.
Die Ausführung mit kreisförmigem Querschnitt sowohl für den Verdampfer als auch für den Verflüssiger ermöglicht, dass ein maximal großer Aufweiter 230 für den Verdampfer und gleichzeitig ein maximal großer Aufweiter 512 für den Verflüssiger eingesetzt werden können, wobei doch eine gute und kompakte Bauform erreicht wird. Damit wird es nämlich ermöglicht, dass man den Verdampfer und den Verflüssiger entlang einer Achse anordnen kann, wobei, wie es ausgeführt worden ist, vorzugsweise der Verflüssiger oberhalb des Verdampfers angeordnet werden kann, während jedoch je nach Implementierung auch eine umgekehrte Anordnung verwendet werden kann, wobei dennoch nach wie vor die Vorteile der großen Aufweiter bestehen bleiben.
Obgleich es bevorzugt wird, die Wärmepumpe mit Wasser als Arbeitsfluid zu betreiben, werden viele beschriebenen Vorteile auch mit anderen Arbeitsflüssigkeiten erreicht, die sich von Wasser dadurch unterscheiden, dass der Verdampfungsdruck und damit auch der Verflüssigerdruck insgesamt höher liegen.
Obgleich die Wärmepumpe dahin gehend beschrieben worden ist, dass der Heizungsvorlauf 531 und der Heizungsrücklauf 532 direkt eine Fußbodenheizung beispielsweise, also ein zu heizendes Objekt, heizen, kann alternativ auch ein Wärmetauscher, wie beispielsweise ein Plattenwärmetauscher, vorgesehen sein, derart, dass ein Heizungskreislauf flüssigkeitsmäßig von dem verflüssigten Arbeitsfluid in dem Arbeitsfluidraum entkoppelt ist.
Je nach Implementierung wird es insbesondere aus Kostengründen bevorzugt, die Wärmepumpe und wesentliche Elemente hiervon in Kunststoffspritzgusstechnik herzustellen. Hierbei können beliebig geformte Befestigungen des Hochstromrohrs an der Wand des Verflüssigers oder des Brauchwassertanks an dem Verflüssiger oder von Wärmetauschern in dem Brauchwassertank oder von speziellen Formen insbesondere des zweiten Zwischenkühlers 440 erreicht werden. Insbesondere auch die Befestigung der Motoren an den Radialrädern kann in einem Arbeitsprozess erfolgen, derart, dass das Motorgehäuse einstückig mit dem Hochstromrohr gespritzt wird, während dann nur noch das Radialrad in den fertig gegossenen Verflüssiger, und insbesondere in das feststehende Motorteil, „eingesteckt” wird, ohne dass hierfür noch viele zusätzliche Montageschritte notwendig sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/118482 [0002]

Claims

Verflüssiger (500) für eine Wärmepumpe, mit folgenden Merkmalen: einem Verflüssigerraum (510), der ausgebildet ist, um verflüssigtes Arbeitsfluid (530) zu halten; einem Verdichtermotor (411, 431) mit einem stationären Motorteil (411, 431), einer Motorwelle (412, 432) und einem mit der Motorwelle (412, 432) verbundenen Verdichterrad (413, 433); einer Motorhalterung (580) zum Halten des stationären Motorteils (411, 431), wobei die Motorhalterung (580) ausgebildet ist, um den stationären Motorteil so zu halten, dass er mit verflüssigtem Arbeitsfluid (530) in Berührung ist, wenn verflüssigtes Arbeitsfluid in den Verflüssigerraum (510) eingefüllt ist; und wobei sich das Verdichterrad (413, 433) in einen Bereich (414, 434) erstreckt, in dem ein Kanal für zu verdichtendes gasförmiges Arbeitsfluid verläuft.
Verflüssiger nach Anspruch 1, bei dem die Motorhalterung (580) als Rohr ausgebildet ist, in dessen Innenbereich der stationäre Motorteil (411, 431) über wenigstens zwei Befestigungsrippen (417) gehalten ist, wobei der Innenbereich des Rohrs zumindest teilweise mit verflüssigtem Arbeitsfluid (530) gefüllt ist, wenn verflüssigtes Arbeitsfluid in dem Verflüssigerraum (510) eingefüllt ist.
Verflüssiger nach Anspruch 2, bei dem das Rohr (580) als Hochstromleitung in dem Verflüssigerraum (510) ausgebildet ist, wobei der Verflüssiger so ausgebildet ist, dass in der Hochstromleitung (580) eine Strömung (582) erzeugbar ist, die einem Wärmegradienten von warmem verflüssigtem Arbeitsfluid zu kaltem verflüssigtem Arbeitsfluid in dem Verflüssigerraum (510) entgegengesetzt gerichtet ist.
Verflüssiger nach Anspruch 2 bis 3, bei dem in dem Rohr eine Zirkulationspumpe (588) angeordnet ist, die ausgebildet ist, um eine Strömung (582) in dem Rohr (580) zu erzeugen, so dass zumindest ein Teil des stationären Motorteils (411, 431) in einer Strömung aus verflüssigtem Arbeitsfluid angeordnet ist.
Verflüssiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der stationäre Motorteil (411, 431) wenigstens eine Kühlrippe (418) aufweist, die zusätzlich zu einer Befestigungsrippe (417) vorhanden ist oder bei dem wenigstens eine Befestigungsrippe (417) ebenfalls als Kühlrippe mit einer Kühlungsfunktion ausgebildet ist.
Verflüssiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner folgendes Merkmal aufweist: einen weiteren Verdichter-Motor (431) für einen mehrstufigen Verdichter mit einem stationären Motorteil (431), einer Motorwelle (432) und einem mit der Motorwelle (432) verbundenen Verdichterrad (433), und bei dem die Motorhalterung (580) ausgebildet ist, um den stationären Motorteil des weiteren Verdichtermotors zu halten.
Verflüssiger nach Anspruch 6, bei dem die Motorhalterung als Rohr (580) ausgebildet ist, das in dem Verflüssigerraum (510) angeordnet ist, wobei der stationäre Motorteil des Motors (411) an einem unteren Ende und der stationäre Motorteil des weiteren Motors (431) und einem oberen Ende des Rohrs (580) angeordnet sind.
Verflüssiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Motorwelle (412) durch eine Wand des Verflüssigerraums erstreckt, wobei an die Wand des Verflüssigerraums ein Kanal (414) für das gasförmige Arbeitsfluid angrenzt, und wobei die Motorwelle (412) bezüglich der Wand abgedichtet ist, so dass sich die Motorwelle drehen kann, aber im Wesentlichen kein verflüssigtes Arbeitsfluid von dem Verflüssigerraum (510) in den Kanal (414) eintritt.
Verflüssiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Motorwelle (432) durch ein Bauteil (512, 440) innerhalb des Verflüssigers (500) erstreckt, wobei das Bauteil einen Gaskanal (434) von einem Flüssigkeitsbereich abgrenzt, wobei die Motorwelle (432) gegenüber dem Bauteil (512, 440) abgedichtet ist.
Verflüssiger nach Anspruch 2, bei dem das Rohr (580) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und an seiner Außenseite eine ebene Oberfläche hat und an seiner Innenseite Befestigungsrippen zum Halten des stationären Motorteils aufweist.
Verflüssiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verdichterrad (413, 433) ein Radialrad ist.
Verflüssiger nach Anspruch 11, bei dem das Radialrad eine Mehrzahl von Schaufeln aufweist und so ausgebildet ist (433a, 433b), dass eine Ansaugrichtung zu einer Ausstoßrichtung unterschiedlich ist.
Verflüssiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Motor (411, 431) ein Elektromotor ist.
Verflüssiger nach Anspruch 2, bei dem das Rohr einen Fußabschnitt aufweist, der durchbrochen ist, um eine Strömung (581) von dem Verflüssigerraum (530) in das Rohr (580) zu erlauben, wobei das Rohr (580) an Stellen, an denen keine Durchbrüche für die Strömung (581) vorhanden sind, mit einer Wand des Verflüssigerraums fest verbunden ist.
Wärmepumpe mit folgenden Merkmalen: einem Verflüssiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und einem Verdampfer (200), wobei der Verdampfer (200) in Aufstellrichtung der Wärmepumpe unterhalb des Verflüssigers (500) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Verflüssigers für eine Wärmepumpe mit einem Verflüssigerraum, der ausgebildet ist, um verflüssigtes Arbeitsfluid zu halten, mit einem Verdichtermotor (411, 431) mit einem stationären Motorteil (411, 431), einer Motorwelle (412, 432) und einem mit der Motorwelle (412, 432) verbundenen Verdichterrad (413, 433), einer Motorhalterung (580) zum Halten des stationären Motorteils (411, 431), mit folgendem Schritt: Ausbilden der Motorhalterung (580) so, dass der stationäre Motorteil (411, 431) mit verflüssigtem Arbeitsfluid in Berührung ist, wenn verflüssigtes Arbeitsfluid in den Verflüssigerraum (510) eingefüllt ist, wobei sich das Verdichterrad (413, 433) in einen Kanal (414, 434) für zu verdichtendes gasförmiges Arbeitsfluid erstreckt.