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Die
Erfindung betrifft ein Rotationsventil nach dem Oberbegriff der
Ansprüche 1, 13 und 18 sowie eine Wärmepumpe nach
dem Oberbegriff der Ansprüche 20 und 21.
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Zur
wechselnden Verschaltung einer Mehrzahl von Fluidströmen
zur Ansteuerung einer Wärmepumpe mit einer Vielzahl von
jeweils thermodynamisch aktiven Strömungskanälen
ist grundsätzlich die Verwendung von Rotationsventilen
bekannt.
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WO 2007/068481 A1 beschreibt
eine Wärmepumpe aus einem fest miteinander verbundenen Stapel
von plattenartigen Hohlelementen, wobei die Hohlelemente Adsorber-Desorber-Bereiche
umfassen und jeweils ein Hohlelement einen Strömungskanal
darstellt. Die Mehrzahl von Strömungskanälen werden über
endseitig der Hohlelemente angeordnete Paare von Rotationsventilen
wechselnd seriell miteinander verschaltet, um eine Optimierung der
Leistung der Wärmepumpe bei gegebener Baugröße
zu erzielen.
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Eine
solche im Sinne der Erfindung gattungsgemäße Wärmepumpe
hat viele mögliche Anwendungen, z. B. die Abwärmenutzung
in Stationärtechnik, z. B. Gebäudetechnik, solare
Klimatisierung oder auch Standklimaanlagen für Fahrzeuge,
insbesondere Nutzkraftwagen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Rotationsventil sowie eine Wärmepumpe
hinsichtlich Baugröße, Baukosten und Leistungsfähigkeit
weiter zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird für ein eingangs genanntes Rotationsventil
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Realisierung des Schaltglieds
des Rotationsventils mit axial gerichteten Öffnungen wird
eine effektive und besonders kleinbauende Lösung zur wechselnden
Verschaltungen der Fluidströme bereitgestellt. Aus dem
eingangs genannten Stand der Technik sind lediglich radial gerichtete
Strömungsöffnungen im Bereich der wechselnden
Verschaltung bekannt, was zumindest hinsichtlich des Bauraums zu
aufwendigen Lösungen führt, z. B. doppelwandige Zylinder
mit darin radial gerichtet angeordneten, zueinander versetzten Öffnungen.
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Ein
erfindungsgemäßes Rotationsventil ist nicht nur
zur Steuerung einer Mehrzahl von Fluidströmen unterschiedlicher
Temperaturen für eine Wärmepumpe, zum Beispiel
zur Rückgewinnung von Wärme', geeignet, sondern
im Allgemeinen zur wechselnden Verschaltung von Fluidströmen,
z. B. auch zur Rückgewinnung von Inhaltsstoffen einer Lösung
z. B. bei chemischen Reaktoren.
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In
zweckmäßiger Detailgestaltung ist dabei das Schaltglied
als ein axialer Längskörper ausgebildet, der in
einer ortsfesten, im Wesentlichen zylindrischen Wandung aufgenommen
ist, wobei entweder die Zuführungen oder die Abführungen über
radial gerichtete Öffnungen der Wandung angebunden sind.
Hierdurch lässt sich insbesondere für den Anschluss
eines Stapels aus parallelen Strömungskanälen
eine geeignete Anordnung der Zuführungen bzw. Abführungen
in insbesondere gleichmäßig beabstandeter, gerader
Linie erreichen.
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Besonders
bevorzugt hat der Längskörper dabei eine der Mehrzahl
von Zuführungen entsprechende Anzahl axial gerichteter,
separater Kanäle für die Fluidströme,
wobei jeder Kanal eine radiale Öffnung zur Verbindung mit
einer der Öffnungen der Wandung aufweist. Die axialen separaten
Kanäle können z. B. durch axial längsgerichtete
Bohrungen hergestellt sein. Insbesondere können die Kanäle
gerade und parallel verlaufen, so dass auf eine aus dem Stand der
Technik bekannte Wendelung der Kanäle verzichtet werden
kann.
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Besonders
vorteilhaft ist zur Vermeidung der Mischung benachbarter Fluidströme
vorgesehen, dass zumindest eines von beiden, Längskörper
oder Wandung, ringförmig umlaufende Dichtglieder aufweist,
die dichtend mit dem jeweils anderen der beiden, Längskörper
oder Wandung, zusammenwirken, so dass die axial versetzten Öffnungen
der Wandung voneinander separiert sind. Bevorzugt sind dabei im Interesse
einer einfachen Herstellung ringförmige Dichtmittel an
radialen Vorsprüngen von zumindest einem von beiden, Längskörper
oder Wandung, aufgenommen. Alternativ oder ergänzend können
die Dichtmittel auch einstückig mit dem Längskörper und/oder
der Wandung ausgebildet sein. Bei einer geeigneten Materialwahl
von Längskörper und Wandung kann das Material
des entsprechenden Bauteils zugleich dichtende Wirkung haben, zum
Beispiel bei geeigneter Wahl von Materialpaarungen aus Kunststoffen
oder Kunststoff und Metall. Eine einstückige Ausbildung
von Dichtungen an dem jeweiligen Bauteil kann auch in dem Sinne
vorgesehen werden, dass die Dichtungen aus einem anderen Material
als das Bauteil an dieses angespritzt werden.
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Bei
einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist der Längskörper als im Wesentlichen einstückiges
Bauteil ausgeformt. Dies kann z. B. ein Spritzguß-Formteil
aus einem Kunststoff sein, das insbesondere durch einen oder mehrere
Schritte der Nachbearbeitung, z. B. durch Anbringung von Bohrungen
für längsgerichtete Kanäle, nachbearbeitet
ist.
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In
einer geeigneten alternativen Ausführungsform kann der
Längskörper auch als Mehrzahl von in axialer Richtung
gestapelten Längskörperelementen ausgebildet sein.
Eine solche Aufteilung in mehrere Längskörperelemente
ermöglicht eine modulare Bauweise, die an verschiedene
Anzahlen von Strömungskanälen im Sinne eines Gleichteilekonzepts
auf einfache Weise anpassbar ist. Bevorzugt sind dabei zumindest
einige der Längskörperelemente als Gleichteile
ausgebildet.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltglied
in axialer Richtung von einer drehbaren Welle durchgriffen, wobei
die Welle in bevorzugter Detailgestaltung als Zuganker zur Halterung
mehrere axial hintereinander angeordneter Bauteile des Schaltglieds
ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich das Schaltglied auf
einfache Weise zu Zwecken der Wartung oder des Austauschs von verschließenden
Teilen demontieren.
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In
bevorzugter Detailgestaltung ist das Schaltglied endseitig über
ein Lagerglied drehbar gelagert, wobei insbesondere das Lagerglied
eine Rotationsdichtung zur Abdichtung des Fluids aufweist. Allgemein
ist hierdurch eine genaue Führung des Schaltglieds unter
Reduzierung von Reibungskräften ermöglicht, wobei
die Rotationsdichtung eine zusätzliche Absperrung gegen
Fluidleckagen darstellt, die insbesondere bei gesundheits- oder
umweltgefährdenden Fluiden sinnvoll ist. Zweckmäßig
kann an gegenüberliegenden Ende des Schaltglieds jeweils
ein Lagerglied vorgesehen sein.
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Ein
erfindungsgemäßes Rotationsventil ist besonders
zur Verschaltung einer großen Anzahl von Zuführungen
und Abführungen geeignet, so dass in einer bevorzugten
Ausführungsform jeweils zumindest vier, insbesondere zumindest
acht Zuführungen und Abführungen vorliegen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für ein eingangs genanntes Rotationsventil
zudem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung eines Rotationsventils
wird durch das Vorsehen der separaten Dichtmittel in den endseitigen
Bereichen der Trennwände sowie deren dichtende Abstützung
eine besonders gute Abdichtung der separaten Kanäle des
Schaltglieds erzielt, wodurch Wirkungsgrad und Betriebssicherheit
des Rotationsventils gegenüber dem Stand der Technik mit
einfachen Mitteln deutlich verbessert wird.
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Das
Dichtmittel kann insbesondere einen U-förmigen, H-förmigen
oder X-förmigen Querschnitt aufweisen. Auch andere geeignete
Querschnitte sind denkbar. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
ist das Dichtmittel mit einer elastischen Dichtfahne ausgebildet,
die gegen die Innenwand anliegt. Allgemein vorteilhaft ist das Dichtmittel
dabei formschlüssig in eine Nut der Trennwand eingelegt,
wodurch auf Maßnahmen wie eine Verklebung oder andere aufwendige
Befestigungen verzichtet werden kann.
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Allgemein
vorteilhaft sind bei einer solchen Ausführungsform die
Kanäle zur Änderung der Zuordnung wechselnd mit
in Umfangsrichtung versetzten, radial gerichteten Öffnungen
der Innenwand eines ortsfesten Innenzylinders überdeckend,
wobei zwischen dem Innenzylinder und einem diesen umgebenden Außengehäuse
voneinander getrennte, in axialer Richtung hintereinander angeordnete
Ringkammern vorgesehen sind. Bei dieser Bauform wird die Verschaltung
durch wechselnde Überdeckung radial gerichteter Öffnungen
erreicht. Hierbei kann eine gewünschte Trennung der Öffnungen
und Kanäle im Zuge des Überstreichens insbesondere
durch eine geeignete Auslegung der Breite der Dichtmittel in Umfangsrichtung
erzielt werden. Bei ausreichend breiter Auslegung der Dichtmittel
kann dabei eine Verbindung von benachbarten Strömungskanälen
zu jeder Zeit des Umlaufs des rotierenden Schaltglieds verhindert
werden, wobei die mittleren Öffnungszeiten für
sämtliche der Strömungskanäle entsprechend reduziert
sind. Alternativ kann auch ein in Umfangsrichtung schmaleres Dichtmittel
vorgesehen sein, wobei zur Vermeidung einer ungünstigen
Verbindung benachbarter Strömungskanäle das rotierende Schaltglied
in zur Vermeidung einer Mischung der Fluidströme ausreichend
schnellen, schrittartigen Schaltbewegungen gedreht wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für ein eingangs genanntes Rotationsventil
zudem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird durch die konzentrischen Ringnuten eine kleinbauende, zuverlässige
und kostengünstige Verbindung von Zuführkanälen
mit drehenden Schaltkanälen des Schaltglieds erreicht.
Eine solche bauliche Lösung ist insbesondere für
Rotationsventile mit nur relativ wenigen, z. B. zwei bis vier, Strömungskanälen
zweckmäßig. Grundsätzlich kann sie aber
auch für Ausführungen mit mehr Strömungskanälen
verwendet werden. Auch bei dieser Lösung ist es zweckmäßig,
dass die Kanäle zur Änderung der Zuordnung mit
in Umfangsrichtung versetzten, radial gerichteten Öffnungen
der Innenwand eines ortsfesten Innenzylinders überdecken,
wobei zwischen dem Innenzylinder und einem diesen umgebenden Außengehäuse voneinander
getrennte, in axialer Richtung hintereinander angeordnete Ringkammern
vorgesehen sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für eine eingangs genannte Wärmepumpe
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst.
Die Kombination eines erfindungsgemäßen Rotationsventils
mit einer Wärmepumpe ist besonders vorteilhaft, da durch
die Optimierung des Rotationsventils hinsichtlich Dichtheit oder
Baugröße auch die Eigenschaften der Wärmepumpe
hinsichtlich Baugröße oder Leistung verbessert
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für eine eingangs genannte Wärmepumpe
zudem erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Durch die Ausbildung
der Hohlelemente als jeweiliger Stapel von mehreren parallelen Lagen
von Unterelementen ist ein besonders guter Wärmeübergang
zwischen dem umströmenden Fluid und den thermodynamisch
aktiven Bereichen der Hohlelemente gewährleistet. Hierdurch
kann die Leistung der Wärmepumpe bei gegebenem Bauraum vergrößert
werden.
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Im
Regelfall werden das mit der ersten Zone im Austausch stehende erste
Fluid und das mit der zweiten Zone im Austausch stehende zweite
Fluid verschieden voneinander sein und keine Verbindung in den Kreisläufen
aufweisen. Je nach Anforderungen kann es sich im Sinne der Erfindung
auch um stofflich identische Fluide handeln, die je nach Ausgestaltung
auch eine Verbindung miteinander aufweisen können.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Wärmepumpe
sind die Hohlelemente als Adsorberelemente ausgebildet, welche im
Bereich der ersten Zone einen Adsorptions/Desorptionsbereich für
das Arbeitsmittel aufweisen und im Bereich der zweiten Zone einen
Kondensations/Verdampfungsbereich für das Arbeitsmittel.
Je nach Einsatzbereich der Wärmepumpe können Arbeitsmittel
und Adsorptions/Desorptionsmittel unterschiedlich gewählt
sein.
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In
bevorzugter Detailgestaltung hat zumindest einer der Strömungskanäle
endseitige Anschlussstücke, wobei das Fluid im Bereich
der Anschlussstücke auf eine Mehrzahl von Strömungswege
verteilt wird. In zweckmäßiger Detailgestaltung können
auf einfache Weise ein oder mehrere Strömungswege für
das Fluid durch einen oder mehrere Spalte zwischen aufeinander angeordneten
Unterelementen ausgebildet sein. In einer bevorzugten Detailgestaltung
können die Spalte mit oberflächenvergrößernden
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Hohlelemente
jeweils als separate Module ausgebildet, die insbesondere nicht
in thermischem Kontakt miteinander stehen. Auf diese Weise wird
ein ungewünschter Austausch von Wärmeenergie zwischen
benachbarten Strömungswegen verringert. Dies ist insbesondere
für solche benachbarten Strömungswege wichtig,
die eine aufgrund der aktuellen Verschaltung hohe Temperaturdifferenz zueinander
aufweisen. In bevorzugter Weiterbildung kann dabei zwischen benachbarten
Hohlelementen eine Schicht aus einem thermisch isolierenden, insbesondere
elastischen Material angeordnet sein. Z. B. kann dies ein geschäumter
Kunststoff oder eine faserige Dämmmatte sein.
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Bei
einer möglichen Ausführungsform der Erfindung
kann die Ventilanordnung als Verschaltung einer Anzahl von diskreten,
insbesondere elektromagnetisch betätigten Mehrwegeventilen
ausgebildet sein. Besonders bei Wärmepumpen mit einer relativ kleinen
Anzahl von Strömungswegen kann eine solche Verschaltung
von diskreten Ventilen zweckmäßig sein, wobei
insbesondere bei zunehmender Anzahl von Strömungswegen
erfindungsgemäße Rotationsventile vorteilhaft
sind.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Ventilanordnung zumindest ein, insbesondere zumindest zwei Rotationsventile nach
einem der Ansprüche 1 bis 19, da durch die erfindungsgemäßen
Rotationsventile die Fluidströme kostengünstig
und zuverlässig geschaltet werden können.
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In
einer vorteilhaften Detailgestaltung sind zumindest einige der Strömungskanäle
der Hohlelemente über elastische deformierbare Anschlussstücke
mit den Zuführungen und/oder Abführungen des Rotationsventils
verbunden. Hierdurch können thermisch bedingte Ausdehnungen
der Wärmepumpe auf einfache Weise kompensiert werden, was
insbesondere bei großen Stapeln von Hohlelementen sinnvoll
ist.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
besteht das zweite Fluid aus Luft. Hierdurch kann Luft zum Zwecke
der Konditionierung wie etwa Erwärmung oder Abkühlung
unmittelbar über die Hohlelemente insbesondere der zweiten
Zone geleitet werden. Je nach Auslegung und Betriebsart der Wärmepumpe
kann dabei der Luftstrom zur Heizung oder Kühlung zum Beispiel
eines Gebäudes oder Fahrzeugs verwendet werden. Die Luft
kann im Sinne der Erfindung aber auch ganz allgemein als ein wärmetransportierendes
Medium betrachtet werden, ohne dass sie Verwendung als konditionierte
Umgebungsluft z. B. für Menschen oder technischen Einrichtungen
verwendet wird.
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Bei
einer erfindungsgemäßen und bevorzugten Ausführungsform
verfügt das Rotationsventil des zweiten Fluids über
ein Schaltglied mit einer eine stufig gewendelten Trennwand, wobei
insbesondere eine Anzahl von Stufen der Wendelung einer Anzahl von
Hohlelementen entspricht. Hierdurch kann ein solches Schaltglied
mit einem nur einwandigen umhüllenden Zylinder kombiniert
werden, ohne dass eine relativ aufwendig herzustellende kontinuierliche Wendelung
der Trennwände vorgesehen werden muss. Eine solche Bauform
ist insbesondere für gasförmige Fluide wie Luft
bei hohen Volumenströmen und zugleich kleinen Druckdifferenzen
gewünscht, da Maßnahmen wie zum Beispiel Ringkammern
von doppelwandigen Außenzylindern hier störend
wirken könnten. Im Interesse einer besonders einfachen Herstellung
ist das Schaltglied dabei aus einer Mehrzahl von insbesondere als
Gleichteilen ausgebildeten, axial hintereinander angeordneten Schaltgliedelementen
ausgebildet.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird das zweite Fluid über ein Rotationsventil mit zwei
Strömungskanälen über die zweiten Zonen
(B) der Hohlelemente verteilt. Eine solche Verteilung über
nur zwei Kanäle ist besonders für gasförmige
Fluide von relativ geringer Wärme kapazität wie
etwa Luft vorteilhaft, da sich hierdurch große Strömungsquerschnitte
und somit große Volumenströme bei kleiner Druckdifferenz
realisieren lassen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zuführung
der Mehrzahl der Zuführungen in einer ersten Wärmetauscherzuordnung,
insbesondere über einen ersten Wärmetauscher,
wie einen Heizer, mit einer zugehörigen Abführung
verbunden ist. Bei dem Wärmetauscher handelt es sich vorzugsweise
um eine Wärmequelle, die außerhalb des Rotationsventils
angeordnet ist. Mindestens eine weitere Zuführung der Mehrzahl
der Zuführungen ist in einer zweiten Wärmetauscherzuordnung,
insbesondere über einen zweiten Wärmetauscher,
wie einen Kühler, mit einer zugehörigen Abführung
verbunden. Bei dem zweiten Wärmetauscher handelt es sich
vorzugsweise um eine Wärmesenke, die ebenfalls außerhalb
des Rotationsventils angeordnet ist. Die übrigen Zuführungen
der Mehrzahl der Zuführungen sind in einer Durchgangszuordnung, insbesondere über
jeweils einen Durchgangskanal, mit zugehörigen Abführungen
verbunden. Das vorab beschriebene Rotationsventil kann zwei phasengleich
angesteuerte Rotationsventile ersetzen, wie sie weiter vorne beschrieben
sind. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Dichtungen
deutlich reduziert werden. Des Weiteren können die im Betrieb
des Rotationsventils auftretenden Reibmomente verringert werden.
Das vorab beschriebene Rotationsventil benötigt weniger
Bauraum als die weiter vorne beschriebenen Rotationsventile, die
paarweise zusammengefasst die gleiche Funktion wie ein einziges
vorab beschriebenes Rotationsventil erfüllen. Der Materialeinsatz
zur Herstellung eines derartigen Rotationsventils verringert sich
ebenfalls. Darüber hinaus können lange interne
parallele Fluidwege, die zu unerwünschten Druckverlusten
führen, sowie innere Wärmeübertragungen
reduziert werden. Des Weiteren kann ein synchroner phasengleicher
Antrieb von mehreren Rotationsventilen, der einen hohen steuerungstechnischen
Aufwand erfordert, entfallen. Das erfindungsgemäße
Rotationsventil ermöglicht es auf einfache Art und Weise
zugehörige Zu- und Abführungen schrittweise direkt
miteinander oder über einen der beiden Wärmetauscher
miteinander zu verbinden. Dadurch können die Herstellkosten des
Rotationsventils erheblich gesenkt werden. Darüber hinaus
wird eine kompaktere, flachere Anordnung der Gesamtapparatur ermöglicht.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied einen Rotationskörper
mit einer Vielzahl von Durchgangskanälen aufweist, welche
die übrigen Zuführungen in der Durchgangszuordnung
mit den zugehörigen Abführungen verbinden. Das
beschriebene Rotationsventil ermöglicht auf einfache Art
und Weise die Steuerung eines geschlossenen Fluidkreislaufs durch
eine Mehrzahl von thermisch aktiven Modulen entweder über
einen der Wärmetauscher, insbesondere eine Wärmequelle und
eine Wärmesenke, oder über einen der Durchgangskanäle
in der Art eines Bypasses an den Wärmetauschern vorbei.
Der Ort der Zwischenschaltung der Wärmetauscher zwischen
je zwei thermisch aktiven Modulen kann durch eine Bewegung des Rotationskörpers
schrittweise verschoben werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangskanäle
in axialer Richtung durch den Rotationskörper erstrecken.
Die Durchgangskanäle erstrecken sich vorzugsweise gradlinig
durch den Rotationskörper hindurch.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass sich mehrere, insbesondere vier,
Ringkammern um den Rotationskörper herum erstrecken, die in
Abhängigkeit von der Stellung des Rotationskörpers
mit jeweils einer der Zuführungen und/oder einer der Abführungen
verbunden sind. Die Ringkammern werden radial innen von dem Rotationskörper
und radial außen von einem Gehäuse des Rotationsventils begrenzt.
In axialer Richtung werden die Ringkammern vorzugsweise von radialen
Begrenzungswänden begrenzt, die sich von dem Rotationskörper
radial nach außen erstrecken.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der Ringkammern über
einen der Wärmetauscher paarweise miteinander verbunden
sind. Der zugehörige Fluidkanal verläuft von einer
der Zuführungen über eine der Ringkammern zu einem
der Wärmetauscher. Von dem Wärmetauscher verläuft
der Fluidkanal dann über die zugeordnete nächste
Ringkammer zu der zugehörigen Abführung.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammern über radiale Öffnungen und
einen in axialer Richtung unterbrochenen Verbindungskanal paarweise
mit einer der Zuführungen oder einer der Abführungen
verbunden sind. Die Verbindungskanäle sind dadurch unterbrochen,
dass sie eine zugehörige Zuführung über
einen der Wärmetauscher mit der zugehörigen Abführung
verbinden. Demgegenüber stellen die Durchgangskanäle
Bypässe dar, die eine Fluidströmung an den Wärmetauschern
vorbei, also direkt zwischen einer Zuführung und der zugehörigen
Abführung ermöglichen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper so
ausgeführt und schrittweise in einem feststehenden Gehäuse
verdrehbar ist, dass die Zuführung sukzessive über
verschiedene Durchgangskanäle oder die Ringkammern und
einen der Wärmetauscher mit den zugehörigen Abführungen
verbunden werden. Dadurch wird auf einfache Art und Weise ermöglicht,
dass immer zwei Zuführungen über jeweils einen
der Wärmetauscher mit der zugehörigen Abführung
verbunden sind. Die übrigen Zuführungen sind über
die Durchgangskanäle direkt mit den zugehörigen
Abführungen verbunden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse im Wesentlichen
die Gestalt eines hohlen Kreiszylinders aufweist. Der Mantel des hohlen
Kreiszylinders ist vorzugsweise nur durch Anschlusskanäle
unterbrochen, welche die Ringkammern mit den zugehörigen
Wärmetauschern verbinden. Die Zuführungen und
Abführungen erstrecken sich vorzugsweise durch die ansonsten
geschlossenen Stirnwände des Gehäuses.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper eine
Mehrzahl von in axialer Richtung gestapelten Längskörperelementen umfasst.
Die Längskörper elemente können zum Beispiel
auf einer Antriebswelle gestapelt werden, die sich durch das Rotationsventil
hindurch erstreckt. Die Längskörperelemente können
stoffschlüssig miteinander verbunden werden, zum Beispiel
durch Schweißen oder Kleben. Es ist aber auch möglich, die
Längskörperelemente miteinander zu verspannen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotationsventils
ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Längskörperelemente als
Gleichteile ausgebildet sind. Dadurch wird die Herstellung und/oder
Montierbarkeit des Rotationsventils vereinfacht.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend
werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
eine räumliche Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen
Wärmepumpe.
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2 zeigt
eine Explosionsansicht der Wärmepumpe aus 1.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf die Wärmepumpe aus 1 von
der Seite.
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4 zeigt
eine räumliche Schnittansicht eines Hohlelements der Wärmepumpe
aus 1.
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5 zeigt
eine räumliche Ansicht eines Stapels aus Hohlelementen
der Wärmepumpe aus 1.
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6 zeigt
eine Ausschnittsvergrößerung einer schematischen,
teilweise geschnittenen räumlichen Ansicht des Stapels
aus 5.
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7 zeigt
eine räumliche Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Rotationsventils.
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8 zeigt
ein drehbares Schaltglied des Rotationsventils aus 7 in
einer räumlichen, teilweise geschnittenen Ansicht.
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9 zeigt
eine mehrteilig ausgebildete Abwandlung des Schaltglieds aus 8.
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10 zeigt
ein Längskörperelement des als Längskörper
ausgebildeten Schaltglieds aus 9.
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11 zeigt
eine räumliche Ansicht eines Schaltglieds einer weiteren
Ausführungsform eines Rotationsventils.
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12 zeigt
eine teilweise Schnittansicht eines Rotationsventils mit einem Schaltglied
gemäß 11.
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13 zeigt
eine Schnittansicht durch das Rotationsventil aus 12 senkrecht
zu einer Drehachse des Schaltglieds.
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14 zeigt
eine teilweise Schnittansicht einer Abwandlung des Rotationsventils
aus 13.
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15 zeigt
eine teilweise geschnittene Gesamtansicht des Rotationsventils aus 12.
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16 zeigt
eine weitere teilweise aufgeschnittene Ansicht des Rotationsventils
aus den Figuren 12 und 15.
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17 zeigt
eine parallel zu einer Drehachse verlaufende Schnittansicht eines
weiteren Ausführungsbeispiels eines Rotationsventils.
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18 zeigt
eine Schnittansicht des Rotationsventils aus 17 entlang
der Linie B-B.
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19 zeigt
eine schematische Darstellung der Schaltvorgänge eines
erfindungsgemäßen Rotationsventils für
den Fall von sieben Strömungskanälen.
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20 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines weiteres Ausführungsbeispiel
eines Rotationsventils in einer ersten Ventilstellung.
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21 zeigt
das Ventil aus 20 in einer zweiten Ventilstellung.
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22 zeigt
eine schematische Darstellung einer Abrollung der Rotationsventils
aus 20, wobei die Abrollung insgesamt über
540° erfolgt.
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23 zeigt
eine räumliche Handskizze eines mittelteiligen Schaltgliedbauteils
des Rotationsventils aus 20.
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24 zeigt
eine räumliche Handskizze eines endseitigen Schaltgliedbauteils
des Rotationsventils aus 20.
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25 eine
vereinfachte Darstellung der Schaltaufgabe eines Rotationsventils
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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26 eine
Abwicklung des Rotationsventils aus 25 in
einer ersten Stellung.
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27 das
Rotationsventil aus 26 in einer zweiten Stellung.
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28 eine
detaillierte Darstellung des Rotationsventils aus den 26 und 27 im
Längsschnitt.
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29 die
Ansicht eines Schnitts entlang der Linie XXIX-XXIX in 28.
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30 die
Ansicht eines Schnitts entlang der Linie XXX-XXX in 28.
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31 eine
Abwicklung einer modifizierten Ausführungsform des Rotationsventils
aus 26 in einer ersten Stellung.
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32 das
Rotationsventil aus 31 in einer zweiten Stellung.
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In 1 ist
eine Wärmepumpe dargestellt, bei der eine Mehrzahl von
vorliegend insgesamt zwölf Hohlelementen 1 nach
Art eines Stapels parallel zueinander angeordnet sind. Der Stapel
aus Hohlelementen 1 ist über Zuganker 2 lösbar
zu einer baulichen Einheit verbunden.
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Jedes
der Hohlelemente 1 hat eine erste Zone A in Form einer
Adsorptions/Desorptionszone und eine zweite Zone B in Form einer
Verdampfungs/Kondensationszone. Die erste Zone A wird für jedes
der Hohlelemente 1 von einem jeweils ersten Strömungskanal 3 eines
umströmenden, über eine nicht dargestellte Pumpe
geförderten ersten Fluids durchgriffen und die zweite Zone
B wird für jedes der Hohlelemente 1 von einem
zweiten Strömungskanal 4 eines zweiten Fluids
durchgriffen, das im vorliegenden Beispiel, aber nicht notwendig,
von dem ersten Fluid verschieden ist. Jeder der Strömungskanäle 3, 4 hat
dabei stirnseitige Anschlüsse 3a, 3b,
die sich entgegengesetzt gegenüberliegen und jeweils als Zuführungen
oder Abführungen für das die Strömungskanäle 3, 4 durchströmende
Fluid dienen.
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Der über
die Zuganker 2 zusammengehaltene Stapel aus Hohlelementen 1 ist
in einem Tragrahmen 5 der Wärmepumpe angeordnet.
Außenseitig des Tragrahmens 5 sind insgesamt vier
Rotationsventile angeordnet und mit dem Stapel von Hohlelementen 1 verbunden,
wobei zwei im Wesentlichen baugleiche Rotationsventile 6 mit
den Zu- und Abführungen 3a, 3b der Sorptionsseite
A verbunden sind. Zwei hiervon insbesondere bezüglich der
Anzahl der im Ventil separierten Strömungskanäle
im Allgemeinen abweichend gebaute, jedoch zueinander baugleiche
Rotationsventile 7 sind mit der zweiten Zone bzw. Verdampfungs/Kondensationsseite
B der Hohlelemente 1 verbunden.
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Die
Rotationsventile 6, 7 sind sämtlich parallel
zueinander ausgerichtet, wobei zentrale Drehwellen 6a, 7a der
Rotationsventile 6, 7 mit einer modulartigen Antriebseinheit 8 verbunden
sind, die in 2 schematisch dargestellt ist.
Die Antriebseinheit 8 umfasst einen Elektromotor 8a,
durch den über einen Zahnriemen 8b vier Antriebsräder 8c zum
Antrieb der jeweiligen Achsen 7a, 6a der Rotationsventile 6, 7 synchronisiert
bewegt werden. Bei der vorliegenden Konstruktion werden sämtliche
Rotationsventile 6, 7 mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit
angetrieben.
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Die
Rotationsventile
6 der Sorptionsseite A der Hohlelemente
1 haben
einen Zuführbereich
6b, der über zwölf
separate Zuführungen
6c verfügt, so dass
jedes der zwölf Hohlelemente
1 einem separaten
Kanal innerhalb des Rotationsventils
6 entspricht. Die
Rotationsventile
7 der Verdampferseite B haben eine kleinere
Anzahl von nur vier separaten Zuführungen
7c in
einem Zuführbereich
7b, da auf dieser Seite der
Wärmepumpe in der Regel keine so stark differenzierte Trennung
der Strömungskanäle notwendig ist wie auf der
Sorptionsseite. Entsprechend sind jeweils mehrere der Hohlelemente
1 bezüglich ihrer
zweiten Zone B mit jeweils einem der Strömungskanäle
in den Ventilen
7 gleichzeitig verbunden. Hierzu wird auf
die Erläuterungen im Stand der Technik
WO 2007/068481 A1 verwiesen.
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Die
benachbarten Hohlelemente 1 sind zueinander beabstandet
gehalten, was vorliegend durch geeignete Abstandsstücke 9 zwischen
den Hohlelementen erreicht wird. Zwischen den Hohlelementen 1 verbleibt
somit jeweils ein Luftspalt, so dass sie thermisch gut voneinander
isoliert sind. Zur weiteren Verbesserung der thermischen Isolation können
Dämmplatten 43 (siehe 6), z. B.
aus geschäumten Polymer oder faserigen Dämmstoffen eingelegt
sein.
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Die
einzelnen Anschlüsse 3a, 3b, 4a, 4b der Hohlelemente 1 sind
mit korrespondierenden Anschlüssen 6d, 7d der
Rotationsventile 6, 7 verbunden, welche sich jeweils
in einer Reihe ausgerichtet radial von den Wänden eines
Abführbereichs der wesentlichen zylindrisch geformten Rotationsventile
erstrecken. Zum Ausgleich von thermisch bedingten Dehnungen der
Wärmepumpe sind die Anschlüsse 7d, 6d der
Rotationsventile 6, 7 mit den Anschlüssen 3a, 3b, 4a, 4b des
Stapels aus Hohlelementen 1 über elastische Verbindungsstücke,
z. B. Schlauchstücke oder Wellbälge, verbunden.
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Wie
insbesondere aus 4 bis 6 hervorgeht,
sind die einzelnen Hohlelemente 1 zur Optimierung des Wärmeaustauschs
mit dem Fluid jeweils als Stapel von Unterelementen 10 ausgebildet,
welche jeweils von dem Fluid umströmt werden. Jedes der
Unterelemente 10 ist als plattenförmiges ebenes Element
ausgebildet, in dem mehrere Adsorberelemente 11 in Strömungsrichtung
des Fluids nebeneinander angeordnet sind und über bezüglich
der Fluidströmungsrichtung senkrechte Stege 12 stoffdicht voneinander
getrennt sind. Die Adsorberelemente 11 sind vorwiegend
im Bereich der ersten Zone A angeordnet (siehe Darstellung nach 4),
wobei in der Zone B ebenfalls durch die Stege 12 voneinander
separierte Verdampfungs/Kondensationsstrukturen vorgesehen sind.
Diese nicht dargestellten Strukturen können z. B. aus Kapillarstrukturen
bestehen, die eine ausreichende Menge eines Arbeitsmittels in flüssiger
Phase festhalten können. Die Adsorberelemente 11 bestehen
im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Aktivkohle, wobei
das Arbeitsmittel Methanol ist. Je nach Temperaturbereich und Einsatzziel der
Wärmepumpe sind beliebige Kombinationen von Adsorptionsmaterial,
Arbeitsmittel und Ausbildung von Verdampferbereich denkbar. Grundsätzlich
ist eine erfindungsgemäße Wärmepumpe
auch nicht auf das Adsorptions/Desorptionsprinzip begrenzt, sondern
es können beliebige geeignete thermodynamisch aktive Hohlelemente 1 vorgesehen
sein, zum Beispiel chemisorptiv wirkende Hohlelemente.
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Jedes
der Unterelemente 10 ist als mittels Deckplatten 10a stoffdicht
geschlossenes Plattenelement ausgeformt. Diese geschlossenen Elemente 10 werden über
kleine Abstandsstücke 14a (siehe 6)
beabstandet zueinander gestapelt und gegenüber äußeren
Abschlussplatten 13 der Hohlelemente beabstandet gehalten.
In jedem der Hohlelemente 1, die aus vorliegend jeweils
drei Unterelementen 10 gestapelt sind, befinden sich somit
vier ebene Durchströmungswege 14 für
das Fluid. Diese Durchströmungswege 14 sind durch
die sich in Fluidströmungsrichtung durchgängig
erstreckenden Abstandsstücke 14a weiter unterteilt.
Bei den Abstandsstücken 14a kann es sich zur weiteren
Reduzierung der Bauteile auch um Einprägungen in den Deckplatten 10a und/oder
Abschlussplatten 13 handeln.
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Weiterhin
können die Durchtrömungswege 14 mit nicht
dargestellten, oberflächenvergrößernden Strukturen
wie zum Beispiel Rippen ausgestattet sein.
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In
den endseitigen Anschlussbereichen der Hohlelemente 1 für
das Fluid sind Anschlussstücke 15 vorgesehen,
die nach Art von Sammlerkästen oder Hutzen das Fluid auf
die mehreren Durchströmungsbereiche 14 zwischen
den Unterelementen 10 verteilen.
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Aus
jeder der hermetisch durch die Deckplatten 10a und die
Stege 12 abgetrennten Kammern der Unterelemente 10 ragt
seitlich jeweils ein Befüllröhrchen 16 heraus
(siehe 5), über das die einzelnen Kammern evakuiert
und mit Arbeitsmittel befüllt werden können. Nach
dem Befüllen werden die Füllröhrchen 16 z.
B. durch Quetschung dauerhaft verschlossen. Um den Befüllvorgang
zu vereinfachen ist auf jeder der gegenüberliegenden Stirnseiten
einer jeweils hermetisch abgetrennten Kammer ein Befüllröhrchen 16 angeordnet,
so dass die Kammern in ihrer Längsrichtung, d. h. senkrecht
zu der Strömungsrichtung des Fluids, von dem Arbeitsmittel
durchströmt werden können. So kann im Zuge des
Befüllvorgangs auf einer Seite ein Vakuum angelegt werden
und auf der gegenüberliegenden Seite über das
entsprechende Befüllröhrchen das Arbeitsmittel
zugeführt werden.
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Insgesamt
ist durch diesen modularen Aufbau der Wärmepumpe aus separierten
Hohlelementen 1 mit Unterelementen 10 nicht nur
der thermische Wirkungsgrad durch thermische Isolierung der separaten
Hohlelemente verbessert, sondern auch eine wartungsfreundliche Konstruktion
geschaffen, bei der nur ein defektes Hohlelement und nicht der gesamte
Stapel von Hohlelementen ausgetauscht werden muss. Die in den Ansichten
der Wärmepumpe nach 1 bis 3 schematisch
gezeigten Rotationsventile 6, 7 entsprechen ihrer
Bauart nach dahingehend dem Stand der Technik, dass die wechselnde Verschaltung
der verschiedenen Strömungskanäle über
radial gerichtete Trennwände in Verbindung mit daran anschließenden
Ringkammern in doppelwandigen Zylindern erfolgt. Die Trennwände
bilden in Verbindung mit den Öffnungen der Zylinderwände
einen Schaltbereich des Rotationsventils aus.
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In 7 ist
eine erfindungsgemäße Weiterentwicklung eines
solchen Rotationsventils dargestellt, das in besonders bevorzugter
Ausführung mit der zuvor beschriebenen Wärmepumpe
unmittelbar kombiniert werden kann und das Vorteile unter anderem
hinsichtlich einer geringeren Baugröße, einer einfacheren
Herstellbarkeit und einer besseren Abdichtung der separaten Kanäle
aufweist.
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Dabei
ist ein drehbar angetriebenes Schaltglied 16 in einem nur
einwandigen Hohlzylinder 17 angeordnet, welcher die in
einer geraden Reihe angeordneten äquidistanten Anschlussöffnungen 17a zur
Verbindung mit den Anschlüssen 3a, 3b des
Stapels von Hohlelementen 1 aufweist. Das Schaltglied 16 ist
in 8 separat dargestellt. Es handelt sich um ein
als im Wesentlichen zylindrischer Längskörper ausgebildetes
Element, das um eine zentrale Welle oder Achse 18 drehbar
ist. Das Schaltglied 16 hat in seiner Umfangsrichtung eine
Anzahl von axialen, parallelen Bohrungen 16a, deren Anzahl
vorliegend zwölf ist und der Anzahl der Hohlelemente bzw.
separater, wechselnd verschalteter Strömungskanäle
entspricht. Über die Länge des als zylindrischer
Längskörper ausgeformten Schaltglieds 16 sind
eine Reihe von vorliegend ringartigen umlaufenden, radialen Vorsprüngen 16b vorgesehen.
Die Vorsprünge 16b sind paarig ausgeführt,
so dass zwischen einem Paar von Vorsprüngen eine nicht
dargestellte Ringdichtung formschlüssig gehalten ist. Hierdurch
werden insgesamt Dichtglieder zur Ausbildung von äquidistanten
Ringkammern 16c ausgeformt, die über die Dichtringe
fluiddicht voneinander getrennt sind. Jede der Ringkammern 16c hat
eine bezüglich der Fluidströmung radial gerichtete
Bohrung 16d, die in jeweils genau einen der axialen Kanäle 16a mündet. Die
radialen Bohrungen 16d sind entsprechend in Umfangsrichtung
versetzt zueinander angeordnet, so dass sie eine umlaufende Spirale
mit der Steigung 1 bilden. Insgesamt ist somit jede der
stirnseitig axial mündenden Kanalbohrungen 16a mit
genau einer Ringkammer 16c radial verbunden. Jede der Ringkammern 16c fluchtet
dabei fluiddicht gegen die anderen Ringkammern abgedichtet mit einer
der Verbindungsöffnungen 17a zum Stapel von Hohlelementen 1.
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Wie 7 zeigt, überstreichen
die stirnseitigen axialen Öffnungen der Kanäle 16a korrespondierende
axial gerichtete Öffnungsbohrungen 19a einer Steuerscheibe 19,
die stirnseitig abschließend auf dem Rotationsventil aufgebracht
ist und ortsfest und dichtend mit dem Außenzylinder 17 verbunden
ist.
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Im
Zuge einer Drehung des Schaltglieds 16 fluchten somit die
einzelnen axialen Kanäle 16a nach Art mitbewegter
axialer Öffnungen abwechselnd mit den verschiedenen ortsfesten,
axial gerichteten Zuführöffnungen 19a der
Steuerscheibe 19. Die Steuerscheibe 19 bildet
bei dieser Ausführungsform einen Zuführbereich
im Sinne der Erfindung und ist zugleich ein Teil des Schaltbereichs
des Rotationsventils.
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Um
einen ungewüschten Fluidaustausch benachbarter Kanäle
im Bereich dieses schaltenden Übergangs der Öffnungen 19a auf
die Öffnungen 16a zu verringern oder auch ganz
zu vermeiden ist ein sternförmiges Dichtungselement 20 zwischen
der Steuerscheibe 19 und der Stirnseite des Schaltglieds 16 eingesetzt.
Die sternförmigen Finger 20a des Dichtungselements 20 greifen
dabei in radiale Nuten 16a der Stirnseite des Schaltglieds 16 ein.
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Ein
System aus Verbindungsschläuchen (nicht dargestellt) ist
mit den Zuführöffnungen
19a der Steuerscheibe
19 verbunden
und führt andersseitig entsprechend dem grundsätzlichen
Konzept der Wärmepumpe zu anderen Öffnungen
19a oder auch
einem äußeren Wärmetauscher. Zur Anbindung an äußere
Wärmetauscher oder Wärmequellen wird allgemein
auf den Stand der Technik
WO 2007/068481 A1 verwiesen.
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9 zeigt
eine gegenüber 8 bezüglich der Funktion
identische Abwandlung des Schaltglieds 16. Das Schaltglied 16 ist
dabei als Stapel aus Längskörperelementen 21 (siehe 10)
sowie einem abweichend ausgeformten Endstück 22 ausgebildet.
Zumindest einige der Längskörperelemente 21 sind
dabei jeweils baugleich und um einen Bruchteilwinkel gemäß der
Anzahl der Kanäle zueinander verdreht aufgebaut. Zur weiteren
Vereinfachung eines solchen Aufbaus ist eine formschlüssige
Aufnahme 23 in den Längskörperelementen 21 zur
formschlüssigen Verbindung mit einer zentralen Antriebswelle
vorgesehen, wobei die Aufnahmen 23 einer der Anzahl der
Kanäle entsprechende Symmetrie aufweist. Vorliegend hat
die Aufnahme 23 nur eine sechsfach geteilte Rotationssymmetrie,
so dass zwei bezüglich der Positionierung der radialen Öffnung 16d relativ
zu der Aufnahme 23 unterschiedliche Längskörperelemente 21 zum
Aufbau des gesamten Stapels aus zwölf Längskörperelementen
abwechselnd verwendet werden.
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Nicht
dargestellt ist eine Variante, bei der Welle und Aufnahme eine 12-fach
geteilte Symmetrie aufweisen, wobei dann nur eine Art von Längselementen
benötigt wird.
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Vorliegend
sind die Rotationsventile 6, 7 aus einem ausreichend
temperaturbeständigen Kunststoff hergestellt, wobei der
Stapel aus Hohlelementen 1 hinsichtlich seiner Wände
und Anschlüsse im Wesentlichen aus Metallblechen aufgebaut
ist. Als Kunststoff zum Aufbau der Rotationsventile 6, 7 empfiehlt
sich insbesondere die Verwendung nachvernetzter Thermoplaste.
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Durch
die vorstehend beschriebene Konstruktion des Schaltglieds 16 wird
ein Wechseln der Verschaltung der Strömungskanäle
durch Überdeckung bezüglich der Fiuidströmung
axial gerichteter Öffnungen erreicht, wodurch die Baulänge
beträchtlich verkürzt wird und Anzahl und Formgebung
der Bauteile verringert bzw. vereinfacht werden. Insbesondere kann
auf einen im Bereich der Anschlüsse mit dem Stapel von
Hohlelementen 1 doppelwandi gen Zylinder mit zwischen den
ortsfesten Zylinderwänden ausgebildeten Ringkammern wie
im Stand der Technik verzichtet werden.
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11 bis 18 zeigen
Ausführungen und Abwandlungen eines Rotationsventils mit
einem Schaltglied 24 mit radialen Trennwänden.
Dabei werden die durch die sich radial erstreckenden Trennwände 25 separierten
Kanäle über einen Innenzylinder mit in Umfangsrichtung
versetzten Bohrungen 26 (siehe 16) bewegt,
so dass die Kanäle im Zuge der Bewegung der Trennwände 25 jeweils
mit verschiedenen Öffnungen 26 nacheinander überdecken.
Dabei mündet jede der Bohrungen 26 in einer zwischen
dem ortsfesten Innenzylinder 27 und einem ortsfesten Außenzylinder 28 ausgebildeten
Ringkammer 29. In dem Außenzylinder 28 sind
dabei in einer geraden Reihe äquidistant angeordnete Anschlüsse 30 zur
Verbindung mit dem Stapel von Hohlelementen 1 vorgesehen.
Der Schaltvorgang zur wechselnden Verschaltung der Strömungskanäle
erfolgt bei einer solchen Ausführungsform durch das Überstreichen
der Trennwände 25 über die bezüglich
der Fluidströmung radial gerichteten Öffnungen 26.
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Für
eine solche Ausführungsform eines Rotationsventils wird
nachfolgend eine Reihe von erfindungsgemäßen Verbesserungen
gegenüber dem Stand der Technik erläutert.
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11 zeigt
dabei eine Anordnung des Schaltglieds 24 eines solchen
Rotationsventils zusammen mit einem Zuführbereich 31,
der in seiner Bauart ähnlich dem Schaltglied 16 aus 8 ausgeformt
ist, hier aber nicht die Funktion eines Schaltglieds übernimmt,
da in dem Zuführbereich kein Wechsel der Zuordnungen der
Strömungskanäle erfolgt. Der Zuführbereich 31 und
das Schaltglied 24 sind als drehfest verbundene, separate
Bauteile über eine sie gemeinsam durchgreifende Welle 18 nach Art
eines Zugankers mittels einer Sicherungsschraube 32 miteinander
verbunden.
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Die
sich sternförmig radial erstreckenden Trennwände 25 haben
in ihren radialen Endbereichen vorteilhaft federelastisch angeordnete
Dichtmittel 33 nach Art von sich axial erstreckenden Dichtleisten. 13 zeigt
eine beispielhafte Ausführung, bei der die Dichtleisten 33 einen
U-förmigen Quer schnitt haben, wobei ein zusätzliches
federelastisches Element 34 zwischen der Stirnseite der
Trennwand 25 und dem Dichtmittel 33 eingelegt
ist. Hierdurch wird eine besonders gute Abdichtung der einzelnen
axialen Kanäle gegeneinander erreicht.
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Eine
Abwandlung einer solchen Dichtleiste an den radialen Endbereichen
der Trennwände 25 ist in 14 dargestellt.
Dabei ist die Dichtung 33 nach Art einer über
die Innenwand streichende Dichtlippe ausgebildet, die über
eine kederartige Verdickung 35 in eine korrespondierende
stirnseitige Nut der Trennwand 25 formschlüssig
eingesetzt ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterentwicklung ist in 12 dargestellt,
bei der die zentrale Welle 18 des Schaltglieds 24 an
zumindest einem Ende des Rotationsventils in einer Lagerbuchse 36 gelagert
ist, die zudem eine Rotationsdichtung 37 aufweist. Die Rotationsdichtung 37 dichtet
eventuelle Leckagen von Fluid gegenüber dem Außenraum
zusätzlich ab.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Rotationsventils ist in den Figuren 17 und 18 dargestellt.
Auch bei diesem Ventil erfolgt die Verschaltung der Strömungswege
mittels radial gerichteter Trennwände 25 und radial
gerichteter Öffnungen in der Wandung eines Innenzylinders 27,
die in Ringkammern eines nicht dargestellten Außenzylinders
münden.
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Im
Unterschied zu der Ausführung z. B. nach 11 ist
in der Ausführung nach 17 und 18 der
Zuführbereich der Fluidströme zu den von den Trennwänden 25 unterteilten
axialen Kammern auf einfache Weise und kleinbauend ausgelegt. Dies wird
erreicht, indem jede der axial längsgerichteten, von den
Trennwänden 25 separierten Kammern des Schaltglieds über
jeweils eine Bohrung 38 mit jeweils einer unterschiedlichen
konzentrischen Ringnuten 39 verbunden ist, wobei jede der
Ringnuten 39 sich mit den anderen Ringnuten 39 in
einer Ebene befindet, jedoch einen unterschiedlichen Durchmesser
aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach 17 und 18 sind
nur zwei Ringnuten 39 zu entsprechenden wechselnden Schaltung
von nur zwei Strömungswegen dargestellt. Es können
auch mehr als zwei konzentrische Ringnuten vorgesehen sein, wobei
im Allgemeinen eine besonders hohe Anzahl von Strömungswegen,
wie z. B. zwölf Strömungswege wie in den vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispielen konstruktiv zunehmend
aufwendiger werden. Ein solches Rotationsventil ist jedoch sehr
gut geeignet, z. B. für die Verschaltung des Verdampfer/Kondensatorbereichs
einer vorstehend erläuterten Wärmepumpe eingesetzt
zu werden, da dort zumeist nur wenige, z. B. zwei oder vier separate Strömungswege
verschaltet werden.
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Die
Verbindung der Ringnuten 39 des Schaltglieds mit äußeren
Zuführungen der Fluidströme erfolgt über
Bohrungen 40 in einer mit dem Zylinder ortsfest verbundenen
Zuführplatte 41. Jede der Bohrungen 40 mündet
dabei in genau eine der Ringnuten 39, so dass gemäß der
Darstellung 17 jede der Öffnungen 40 der
Zuführplatte 41 unabhängig von der Drehstellung
des Schaltglieds mit genau einer der von den axialen Trennwänden 25 gebildeten
axialen Kammern des Schaltglieds verbunden ist. Zur Sicherstellung
der fluiddichten Trennung der Ringnuten sind jeweils O-Ring-Dichtungen 42 zwischen
der Zuführplatte 41 und den Wänden der
Ringnuten 39 vorgesehen.
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In
den Zeichnungen 17 und 18 ist aus
Gründen der Übersichtlichkeit der Außenzylinder mit
seinen den Innenzylinder 27 umgebenden Ringkammern nicht
dargestellt.
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19 zeigt
schematisch die Schaltfunktion eines Rotationsventils mit sieben
wechselnd geschalteten Strömungswegen bzw. Fluidströmen.
Es sind drei Schaltstellung A, B, C dargestellt, wobei die Stellung
C nach einem weiteren Schritt wieder in die Stellung A überführt
wird. Eingangsseitig findet sich jeweils die Nummerierung der Fluidströme
1–7 und ausgangsseitig die Nummerierung der Hohlelemente 1–7.
Nach sieben Wechseln der Zuordnung bzw. einer vollen Umdrehung des
Rotationsventils wird die ursprüngliche Verschaltung wieder
erreicht.
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Das
in 20 bis 24 gezeigte,
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel
eines Rotationsventils 7 zur Kombination mit einer erfindungsgemäßen
Wärmepumpe weist nur zwei Kammern bzw. Strömungskanäle 44, 45 auf und
ist besonders geeignet, mit Luft als zweites Fluid zum Austausch
von Wärme mit den zweiten Zonen B der Hohlelemente 1 kombiniert
zu werden.
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Das
Rotationsventil
7 dieses Ausführungsbeispiels
hat einen nur einwandigen Außenzylinder
47, der
in einer geraden Reihe angeordnete radiale Öffnungen
48 zum
Anschluss an die Hohlelemente
1 aufweist. Ein in dem Zylinder
47 aufgenommenes drehbares
Schaltglied
24 umfasst eine Nabe oder Welle
46,
von der sich radial zwei Trennwände
25 bis zur
Zylinderwand erstrecken. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel
nach
11 sind die Trennwände
25 weder
in axialer Richtung gerade noch, wie aus aus dem Stand er Technik
WO 2007/068481 A1 bekannt,
kontinuierlich gewendelt ausgeführt. Stattdessen sind die
Trennwände
25 stufig gewendelt, wie sich insbesondere
aus der abgerollten Darstellungen nach
22 ergibt.
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Die
stufige Wendelung der Trennwände 25 des Schaltglieds 24 ermöglicht
einen einfachen Aufbau aus mehreren axial hintereinander angeordneten Schtaltgliedteilen 49, 50. 23 zeigt
dabei ein Schaltgliedteil 49, wie es im mittleren Bereich
als Wiederholung von Gleichteilen vorgesehen ist, die jeweils um
eine bestimmte Gradzahl versetzt zueinander angeordnet sind. Die
Schaltgliedteile 49 haben ebene, sich parallel zur Drehachse
radial erstreckende Trennwandabschnitte 49a sowie sich
senkrecht zur Drehachse erstreckende, an die Trenwandsegmente 49a anschließende
Abdecksektoren 49b von im vorliegenden Beispiel 30° Öffnungswinkel,
mittels derer insgesamt die gestuft gewendelten Kammern bzw. Strömungskanäle 44, 45 des
Schaltglieds 24 ausgebildet werden.
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Die
endseitig angeordneten, Abschlussstücke ausbildenden Schaltgliedteile 50 haben
einen einzelnen Abdecksektor 50b mit einen Öffnungswinkel
von 180°, wobei diese 180°-Abdecksektoren an den
gegenüberliegenden Enden des Schaltglieds 24 invers
zueinander angeordnet sind. Hierdurch sind auf einfache Weise eine äußere
Zuführung und eine äußere Abführung
zu den Kammern 44, 45 ausgebildet, da das Fluid
(vorliegend Luft) lediglich an der einen Stirnseite des Außenzylinders 47 zugeführt
und an der gegenüberligenden Stirnseite abgeführt
werden kann (siehe auch die abgewickelte Darstellung nach 22).
Je nach momentanem Betriebszustand der Hohlele mente der zweiten
Zone B kann die zugeführte Luft dabei als Verdampferluft
oder als Kondensationsluft bezeichnet werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes, für das Grundprinzip aber nicht notwendiges
Detail des Rotationsventils besteht in einer radial endseitig an
den Trennwandabschnitten 25, 49 vorgesehenen,
der Krümmung des Zylinders 47 folgenden Abdeckfahne 51. Der Öffnungswinkel
der Abdeckfahne 51 ist etwa so groß wie der Öffnungswinkel
der Öffnungen 48 der Zylinderwand, so dass in
einer Stellung (siehe Darstellung in 21) jeweils
einzelne oder bei entsprechender Auslegung auch mehrere der Hohlelemente 1 bezüglich
der zweiten Zone B verschlossen sind. Dies stellt im Betrieb einen
adiabatischen Zwischenschritt der Verschaltungen der Strömungswege
dar, wodurch die Effektivität der Wärmepumpe weiter
verbessert werden kann.
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Im
vorliegenden Beispiel liegen zwölf Hohlelemente 1 vor,
so dass insgesamt zwölf um jeweils 30° verdreht
zueinander ausgerichtete Schaltgliedteile 49, 50 zu
einem Schaltglied 24 kombiniert sind. Es sind allerdings
auch abweichende Stufungen bei gegebener Zahl von Hohlelementen
denkbar, ohne dass die Funktion des Rotationsventils wesentlich beeinflusst
wird.
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In 25 ist
die Schaltaufgabe eines Rotationsventils 100 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel als 2-D-Schema dargestellt.
Das Rotationsventil 100 umfasst eine Mehrzahl von Zuführungen 101 bis 112 sowie
Abführungen 201 bis 212, die den Zuführungen 101 bis 112 über
Verbindungsleitungen 126 bzw. 128 und 129 einzeln
zuordenbar sind. Die Zu- und Abführungen sind z. B. mit
thermisch aktiven Modulen 301 bis 312 verbunden.
Das Rotationsventil 100 umfasst ein Schaltglied 114,
das wiederum einen Rotationskörper 115 umfasst,
der, wie durch einen Pfeil 116 angedeutet ist, drehbar
ist. In dem Rotationskörper 115 ist ein erster
Wärmetauscher in Form eines Kühlers 118 dargestellt,
dem eine Pumpe 119 nachgeschaltet ist. Ein zweiter Wärmetauscher
ist als Heizer 120 ausgeführt.
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Das
in 25 dargestellte Rotationsventil 100 dient
dazu, die Durchströmung von zwölf thermisch aktiven
Modulen, wie sie vorab anhand der Ausführungsbeispiele
der 1 bis 24 beschrieben sind, mit einem
Wärmeträ gerfluid zu steuern. Mit dem in 25 dargestellten
Rotationsventil 100 können die zwölf
thermisch aktiven Module 301 bis 312 seriell von
einem Wärmeträgerfluid durchströmt werden.
Zwischen je zwei der Module ist die Wärmequelle, insbesondere
der Heizer 120, und die Wärmesenke, insbesondere
der Rückkühler 118, geschaltet. Das Rotationsventil 100 hat
die Aufgabe, den Ort der Zwischenschaltung des Heizers 120 und
des Rückkühlers 118 schrittweise zu verschieben,
ohne dass diese mitrotiert werden müssen, wie es bei direkter Umsetzung
der schematischen Schaltung erforderlich wäre. Abweichend
von der Darstellung der 25 sind
der Kühler 118, die Pumpe 119 und der Heizer 120 daher
bei den nachfolgenden Figuren einer beispielhaften konstruktiven
Umsetzung ortsfest außerhalb des Rotationsventils 100 angeordnet.
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In
den 26 und 27 ist
das Rotationsventil 100 aus 25 zunächst
in einer schematisierten Abwicklung dargestellt. Das Rotationsventil 100 umfasst
zwölf Zuführungen 101 bis 112,
die auch als Eingänge bezeichnet werden und zu einem Zuführbereich 81 zusammengefasst
sind. Analog umfasst das Rotationsventil 100 zwölf
Abführungen 201 bis 212, die auch als
Ausgänge bezeichnet werden und zu einem Abführbereich 82 zusammengefasst
sind. Die Zuführungen 101 bis 112 können
mit Hilfe des Schaltglieds 114, das den Rotationskörper 115 umfasst,
auf unterschiedliche Art und Weise mit den Abführungen 201 bis 212 verbunden
werden, wenn sich der Rotationskörper 115 in Richtung
des Pfeils 116 dreht. In den 26 und 27 sind
der Kühler 118 und der Heizer 120 außerhalb
eines Gehäuses 125 angeordnet.
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Jeder
Zuführung 101 bis 112 und jeder Abführung 201 bis 212 ist
eine Öffnung in einer Stirnseite des Gehäuses 125 zugeordnet,
das im Wesentlichen die Gestalt eines hohlen Kreiszylinders aufweist.
Die Zuführungen und Abführungen münden
in den Stirnseiten des Gehäuses 125. Jeder Öffnung
in dem Gehäuse 125 ist eine Öffnung in
dem Rotationskörper 115 zuordenbar. Durch diese
Zuordnungen kann jede der Zuführungen 101 bis 112 definiert
mit der zugehörigen Abführung 201 bis 212 verbunden werden.
Bei dem in 26 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Zuführungen 102 bis 106 und 108 bis 112 über
jeweils einen Durchgangskanal 126 mit den zugehörigen
Abführungen 202 bis 206 und 208 bis 212 verbunden.
Die Durchgangs kanäle 126 erstrecken sich geradlinig
durch den Rotationskörper 115 hindurch.
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Die
Zuführungen 101 und 107 sind über
unterbrochene Verbindungskanäle 128, 129 jeweils
mit der zugehörigen Abführung 201, 207 verbunden.
Die Verbindungskanäle 128, 129 sind mittels
Trennwänden oder dergleichen derart in Teilkanäle 128a, 128b bzw. 129a, 129b unterteilt,
dass sie eine Strömungsumleitung über den Kühler 118 bzw.
den Heizer 120 erzwingen. Zu diesem Zweck sind innerhalb
des Gehäuses 125 vier Ringkammern 131 bis 134 vorgesehen,
die in der Abwicklung der 26 und 27 als gerade
Kanäle dargestellt sind. Die Zuführung 101 ist über
den unterbrochenen Verbindungskanal 129 mit der Ringkammer 133 verbunden,
die wiederum mit dem Heizer 120 verbunden ist.
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Der
Heizer 120 ist über die Ringkammer 134 mit
der Abführung 201 verbunden. Analog ist die Zuführung 107 über
die Ringkammer 131 mit dem Kühler 118 verbunden,
der wiederum über die Ringkammer 132 und den unterbrochenen
Verbindungskanal 128 mit der Abführung 207 verbunden
ist. Durch Drehung des Rotationskörpers 115 in
Richtung des Pfeils 116 werden die Durchgangskanäle 126 und
die unterbrochenen Verbindungskanäle 128, 129 anderen Zuführungen
und Abführungen zugeordnet. Diese Verschiebung findet vorzugsweise
schrittweise so statt, dass der Rotationskörper 115 immer
dann zum Stehen kommt, wenn sich die Mündungsöffnungen der
in dem Rotationskörper 115 vorgesehenen Kanäle 126, 128, 129 mit
den entsprechenden Öffnungen in dem Gehäuse 125 überdecken.
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In 27 ist
der Rotationskörper 114 um einen Schritt verdreht
gegenüber der Darstellung der 26 dargestellt.
In 27 ist die Zuführung, 102 über
den Heizer 120 mit der zugehörigen Abführung 202 verbunden.
Analog ist die Zuführung 108 über den
Kühler 118 mit der zugehörigen Abführung 208 verbunden.
Die übrigen Zuführungen 101, 103 bis 107, 109 bis 112 sind über
die Durchgangskanäle 126 direkt mit den zugehörigen
Abführungen 201, 203 bis 207, 209 bis 212 verbunden.
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In
den 28 bis 30 ist
das in den 26 und 27 vereinfacht
dargestellte Rotationsventil 100 etwas detaillierter dargestellt.
In dem längs aufgeschnitten dargestellten zylindrischen
Gehäuse 125 ist der Rotationskörper 115 mit
Hilfe einer gelagerten und zur Umgebung hin abgedichteten Antriebswelle 150 drehbar
angetrieben. Zur axialen Lagerung des Rotationskörpers 115 sind
an jeder Stirnseite des Gehäuses 125 jeweils zwei
keramische Dichtplatten 151, 152 vorgesehen. Die
keramische Dichtplatte 151 ist dem Gehäuse 125 fest
zugeordnet. Die keramische Dichtplatte 152 ist dem Rotationskörper 115 zugeordnet
und dreht sich mit diesem relativ zu der keramischen Dichtplatte 151 und
dem Gehäuse 125. Die beiden Plattenpaare können über eine
(nicht dargestellte) Federeinrichtung elastisch gegeneinander vorgespannt
sein.
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Vier
Ringkammern oder Ringräume 131 bis 134 stehen
jeweils über eine radiale Öffnung 141 bis 144 mit
dem zugehörigen Verbindungskanal 128, 129 in
Verbindung. Die radialen Öffnungen 141 bis 144 stellen
ein radiales Durchbruchsfenster dar, das eine Fluidverbindung zwischen
den Ringkammern 131–134 und den radial
innerhalb angeordneten axialen Verbindungskanälen 128, 129 schafft,
die im Gegensatz zu allen anderen Verbindungskanälen 126 durch
mindestens je eine Trennwand 128c bzw. 129c in
zwei Teilkanäle 128a und 128b bzw. 129a und 129b unterteilt
sind. Die Zuordnung zwischen den Teilkanälen 128a, 128b bzw. 129a, 129b und
den Ringkammern 131 bis 134 sind vorzugsweise
so gewählt, dass je zwei benachbarte Ringkammern 131, 132 und 133, 134 mit
korrespondierenden, also miteinander fluchtenden Zuführungen 101; 107 und
Abführungen 201; 207 verbunden sind.
Dadurch wird, abhängig von der Stellung bzw. Verdrehung
des Rotationskörpers 115, immer ein Fluidweg durch
den Heizer 120 und ein anderer der insgesamt zwölf
vorhandenen Fluidwege durch den Kühler oder Rückkühler 118 geführt.
-
In 28 gelangt
das Fluid von der Zuführung 101 über
die radiale Öffnung 143 und die Ringkammer 133 zum
Heizer 120, wie durch einen Pfeil 121 angedeutet
ist. Durch einen weiteren Pfeil 122 ist angedeutet, dass
das Fluid von dem Heizer 120 über die Ringkammer 134 und
die radiale Öffnung 144 zur Abführung 201 gelangt.
Analog gelangt das Fluid von der Zuführung 107 über
die radiale Öffnung 141 und die Ringkammer 131 in
den Kühler 118, wie durch einen Pfeil 123 angedeutet
ist. Durch einen weiteren Pfeil 124 ist angedeutet, dass
das Fluid von dem Kühler 118 über die
Ringkammer 132 und die radiale Öffnung 142 zu
der Abführung 207 gelangt.
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In 28 sieht
man, dass die Rotorachse mit den Lagern 155, 156 in
dem zylindrischen Gehäuse gelagert ist und das gesamte
innere Volumen durch ein Dichtelemente 154 gegenüber
der Umgebung abgedichtet ist. Darüber hinaus werden abgesehen
von den beiden vorzugsweise keramischen Flächendichtungspaaren 151, 52 nur
drei weitere Dichtelemente 157, 158, 159 benötigt,
um die vier Ringkammern 131 bis 134 in axialer
Richtung gegeneinander abzudichten.
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In
den 29 und 30 sind
zwei Schnitte durch das Rotationsventil 100 aus 28 dargestellt.
In 29 ist durch Pfeile 161 und 162 angedeutet,
wie das Fluid von dem Heizer 120 zu der radialen Öffnung 144 gelangt.
In 30 ist durch weitere Pfeile 163, 164 angedeutet,
wie das Fluid von dem Kühler 118 zu der radialen Öffnung 142 gelangt. Darüber
hinaus zeigen die Schnitte den in 12 achsiale Kammern unterteilten
Rotationskörper 115, der vorzugsweise aus Kunststoff-Spritzgusselementen auf
einer gemeinsamen Welle 150 mit Formschluss aufgestapelt
sind. Die Bezugszeichen 128 und 129 kennzeichnen
die Durchgangskanäle die mittels Trennwänden 128c bzw. 129c in
je zwei Teilkanäle 128a, 128b bzw. 129a, 129b unterteilten
sind.
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Zur
Steuerung der Fluidkreisläufe der Verdampfungs-/Kondensationszonen
ist die Verwendung eines geringfügig modifizierten Ventiles
vorteilhaft, dessen Abwicklung in den 31 und 32 in zwei
Stellungen dargestellt ist.
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Wie
in 31 dargestellt, weist der Rotationskörper 115 nur
noch unterbrochene Durchgangskanäle nach Art der Bezugszeichen 128 und 129 auf, die
jeweils wieder durch Trennwände 128c und 129c in
Teilkanäle 128a, 128b bzw. 129a, 129b unterteilt sind
und radiale Durchbruchsfenster zu den Ringräumen 131 bis 134 aufweisen,
die ihrerseits paarweise mit zwei Wärmeübertragern
in Verbindung stehen, die mit „Kühlkörper"
und „Rückkühler" be zeichnet sind. In
der dargestellten Ausführungsform gibt es damit keine reinen
Durchgangskanäle der Kategorie entspreche Bezugszeichen 126 mehr.
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Die 32 zeigt
das Rotationsventil in der nachfolgenden Stellung.
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Diese
modifizierte Ausführungsform ermöglicht eine von
der Schaltstellung des Rotationsventils abhängige Zuordung
thermisch aktiver Module 301 bis 312 zu mindestens
zwei getrennten mit eigenen Fördereinrichtungen angetriebenen
Fluidkreisläufen innerhalb derer die zugeordneten Module
parallel durchströmt werden.
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Durch
die jeweilige Parallelführung zweier Gruppen von Durchgangskanälen 128 und 129 im Rotationskörper 115 werden
mehrere radiale Durchbruchsfenster benötigt, die eine Strömungsverbindung
in je eine gemeinsame der insgesamt vier benötigten Ringkammern
herstellen. Bevorzugt können im Rotationskörper
die Trennwände innerhalb einer Gruppe von Durchgangskanälen
entfallen, wodurch dann pro Ringkammer nur noch ein großes
radiales Durchbruchsfenster benötigt wird, was hier bildlich nicht
näher ausgeführt ist.
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Die
beiden Ausführungsformen nach 26, 27 bzw. 31, 32 stellen
nur zwei Beispiele für die Aufteilung der Durchgangskanäle entsprechend
der Kategoden 126, 128 und 129 dar. Weitere
Aufteilungen der Durchgangskanäle auf diese Kategorien
sind selbstverständlich möglich und für besondere
Anwendungen auch sinnvoll.
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Das
Rotationsventil 100 hat unter anderem die folgenden Vorteile:
Hohe Integration von Schaltfunktionen ersetzt zwei herkömmliche
Rotationsventile; reduzierter Aufwand für Antrieb und Steuerung; kompakte,
materialsparende Bauweise; einfache, kostengünstige Herstellbarkeit,
zum Beispiel aus Kunststoff-Spritzgussteilen; einfach realisierbare, verschleißarme
Flächendichtung über Keramikscheiben beziehungsweise
Keramikplatten 151, 152; kurze Strömungswege
mit geringem Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Strömungswegen;
geringe Reibung und erforderliches Antriebsdrehmoment; geringe Bypassverluste.
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Es
versteht sich, dass die besonderen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele
je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/068481
A1 [0003, 0080, 0094, 0111]