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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung zum Erwärmen oder Abkühlen eines Kältemittels nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Wärmetauscher bekannt. Sie dienen der Wärmeübertragung von einem Medium auf ein anderes Medium, ohne dass die beiden Medien in direktem Kontakt zueinander stehen. Eingesetzt werden Wärmetauscher in einer Vielzahl von Geräten. Sie kommen in Kühlschränken, als Gegenstrom-Durchlauferhitzer, als Kühler in Fahrzeugen, in Heizungen und auch in Wärmepumpen als Kondensator oder Verdampfer zum Einsatz.
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Entsprechend der vorgesehenen Medien und deren Zustand werden die Wärmetauscher funktionsgemäß ausgelegt. Sofern sich ein Medium in einem geschlossenen Kreislauf befindet, wird ein Wärmetauscher zumeist durch eine mäanderförmige Durchflussleitung gebildet, die eine möglichst große Oberfläche im Verdampfer aufweist. Das andere Medium kann nun entweder über eine zweite mäanderförmige Durchflussleitung im Gegenstrom durch den Wärmetauscher geleitet werden oder es umströmt die erste Durchflussleitung. Das wärmere Medium überträgt dabei Wärme auf das kühlere Medium.
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Kommt ein Wärmetauscher als Verdampfer in einer Wärmepumpe zum Einsatz, so ist das durch die Durchflussleitung strömende Medium zumeist ein Kältemittel und das umströmende Medium häufig Luft oder Wasser.
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Eine Wärmepumpe dient der Gewinnung von Wärme, zum Beispiel zur Beheizung eines Hauses oder eines Fahrzeugs. Die Wärmegewinnung wird dadurch erreicht, dass die Temperatur des Kältemittels im Verdampfer durch einen erzeugten Unterdruck niedriger ist als die des umströmenden Mediums, sodass das umströmende Medium über den Verdampfer Wärme auf das durchströmende Kältemittel überträgt. Auf diese Weise kann bei einer Luft-Wärmepumpe selbst bei sehr niedrigen Temperaturen, z. B. unter 0°C, noch Wärme von umströmender Luft auf das Kältemittel übertragen werden, sofern die Temperatur des Kältemittels im Verdampfer ebenfalls unter 0°C liegt.
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Problematisch ist dabei, dass die niedrige Temperatur des Kältemittels im Verdampfer zur Bildung einer Eisschicht aus Wasser auf dem Verdampfer führt. Eine derartige Vereisung tritt bei Luft-Wärmepumpen vor allem dann auf, wenn die Lufttemperatur unter 7°C liegt. Luftfeuchtigkeit kondensiert dann am Verdampfer und friert bei Verdampfertemperaturen unterhalb von 0°C direkt an diesem fest.
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Mit zunehmender Dauer nimmt die Eisschichtdicke zu, was die Wärmeübertragungsfähigkeit des Verdampfers herabsetzt. Eine höhere Leistung für den Betrieb der Wärmepumpe wird dann abgefordert. Dadurch sinkt die Leistungszahl (COP = Coefficient of Performance) der Wärmepumpe, die sich aus dem Verhältnis von gewonnener Wärme und der eingesetzten Leistung für den Betrieb der Wärmepumpe ergibt.
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Mithin kann eine derartige Wärmepumpe nicht dauerhaft betrieben werden, da die Eisschicht periodisch entfernt werden muss. Je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Luft kann dies bereits innerhalb von einer Stunde erforderlich sein.
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Eine Weiterentwicklung aus dem Stand der Technik sieht dazu eine Wärmepumpeneinrichtung vor, die über einen zweiten Verdampfer verfügt. Dadurch kann immer einer der Verdampfer abgetaut werden ohne dass die Wärmepumpe die Wärmegewinnung unterbrechen muss. Eine Drossel sitzt hierfür zwischen dem ersten Verdampfer und dem zweiten Verdampfer und führt dazu, dass das Kältemittel in dem in Durchflussrichtung zuerst angeordneten Verdampfer unter einem hohen Druck (Druckseite) und im zweiten Verdampfer unter einem niedrigen Druck (Unterdruckseite) steht. Der auf der Unterdruckseite liegende Verdampfer wird nunmehr von einem Medium umströmt, und das durch ihn strömende Kältemittel nimmt Wärme aus diesem Medium auf. Dahingegen erfährt der auf der Druckseite liegende Verdampfer keine Anströmung durch ein Medium, und das in ihm befindliche Kältemittel hat aufgrund des hohen Drucks eine derart hohe Temperatur, dass eine auf dem Verdampfer sitzende Eisschicht abgetaut werden kann.
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Der Medienstrom wird hierzu im Stand der Technik entweder durch eine Relativbewegung zwischen den Verdampfern und dem Medium, wie beispielsweise natürlicher Wind, oder von vor den Verdampfern liegenden Strömungserzeugern, wie Ventilatoren, erzeugt.
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In verschiedenen Betriebsvarianten kann durch einen Wechsel der Durchflussrichtung nun entweder der erste Verdampfer zur Wärmegewinnung eingesetzt werden und der zweite abtauen, oder aber der zweite Verdampfer wird zur Wärmegewinnung eingesetzt und der erste Verdampfer taut ab.
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Ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind Lösungen bei denen weitere Zusatzdrosseln in Durchflussrichtung vor beiden Verdampfern und/oder nach beiden Verdampfern angeordnet sind. Dabei expandiert aber immer nur eine Drossel während die anderen geöffnet sind.
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Durch eine Umschaltung der Drosseln und der Zusatzdrosseln lassen sich nunmehr (neben den bereits beschriebenen Betriebsvarianten) in beiden Verdampfern Druckunterschiede erzeugen. Bei hohem Druck werden entweder beide Verdampfer abgetaut, oder es erfolgt ein Klimaanlagenbetrieb der Wärmepumpeneinrichtung. Dahingegen werden bei einem Unterdruck beide Verdampfer zur Wärmegewinnung eingesetzt, wobei dann beide Verdampfer von einem Medium umströmt werden.
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Nachteilig ist dem Stand der Technik, dass die gesamte Wärmetauschvorrichtung zum Erwärmen oder Abkühlen des Kältemittels, bestehend aus beiden Verdampfern sowie der Drossel, einen relativ großen Bauraum beansprucht, da die mäanderförmigen Durchflussleitungen in zwei Bauteilen angeordnet sind, und zudem einen erhöhten Montageaufwand verursachen. Die unabhängigen Verdampfer benötigen weiterhin zusätzliche Peripheriebauteile, um unabhängig von dem Medium angeströmt werden zu können. Dies führt ebenfalls zu einem erhöhten Bauraumbedarf, der insbesondere in Fahrzeugen aller Art nur beschränkt verfügbar ist. Insgesamt entstehen hierdurch hohe Kosten und die Montage gestaltet sich komplex. Da beide Verdampfer unabhängig von einander angeströmt werden, entstehen auch Leistungsverluste bei der Erzeugung der Strömung des Mediums, wodurch sich die Leistungszahl (COP) verringert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die bestehenden Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Wärmetauschvorrichtung bereitzustellen, die kompakter ist, weniger Bauteile aufweist und eine vereinfachte Montage ermöglicht. Die Lösung sollte geringere Fertigungskosten verursachen und eine hohe Zuverlässigkeit garantieren. Zusätzlich soll die Erfindung eine vereinfachte Zuführung des umströmenden Mediums ermöglichen, so dass auch die Fertigungskosten, die Komplexität und der Bauraumbedarf der Peripheriebauteile verbessert werden können. Vorzugsweise sollte auch die benötigte Leistung für die Zuführung des umströmenden Mediums reduziert werden, sodass die Leistungszahl (COP) einer Wärmepumpeneinrichtung gesteigert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung zum Erwärmen oder Abkühlen eines Kältemittels, bestehend aus einer mäanderförmigen ersten Durchflussleitung eines ersten Wärmetauschers und einer mäanderförmigen zweiten Durchflussleitung eines zweiten Wärmetauschers, wobei die erste Durchflussleitung und die zweite Durchflussleitung in einer gemeinsamen Baueinheit angeordnet sind, wobei eine Drossel mit einem ersten Leitungsanschluss, einem zweiten Leitungsanschluss und wenigstens einer expandierenden Funktionsstellung derart an der Baueinheit angeordnet ist, dass der erste Leitungsanschluss mit der ersten Durchflussleitung und der zweite Leitungsanschluss mit der zweiten Durchflussleitung verbunden ist.
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Mit einer derartigen Gestaltung erreicht man eine sehr kompakte Gestaltung, die eine derartige Wärmetauschvorrichtung für eine Vielzahl von – insbesondere bei begrenztem Bauraum – vorteilhaft macht. Weiterhin besteht die Wärmetauschvorrichtung aus deutlich weniger Teilen. So teilen sich die beiden Durchflussleitungen beispielsweise einen gemeinsamen Träger. Zusätzlich kann die Drossel an der Baueinheit befestigt werden, sodass keine separate Befestigungsmöglichkeit mehr an einem anderen Bauteil vorgesehen werden muss. Insgesamt ergibt sich eine stark vereinfachte Montage, da nur noch die gesamte Baueinheit als ein Element verbaut werden muss. Dadurch lässt sich ohne weiteres die Hälfte der Anschlusspunkte und zugehöriges Befestigungsmaterial wie Schrauben und Muttern einsparen. Sowohl die Materialkosten als auch die Montagekosten verringern sich somit erheblich. Auch die Anzahl an Montagefehler wird reduziert, da ausschließlich die Durchflussleitungen an einen Kältemittelkreislauf angeschlossen werden müssen.
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Erfindungsgemäß sind auch keine unabhängigen Peripheriebauteile für die beiden Durchflussleitungen vorzusehen, sondern diese können sich viele der Peripheriebauteile teilen. Die Kompaktheit wird bei sinkenden Kosten gesteigert. Es ermöglicht unter anderem, dass nur ein Strömungserzeuger für ein umströmendes Medium vorgesehen sein muss, was zu geringerem Leistungsverbrauch der Wärmepumpe führt und die Leistungszahl (COP) steigert.
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In einer Weiterbildung sieht die Erfindung vor, dass die Drossel ein Bestandteil der Baueinheit ist. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte, aus wenigen Bauteilen bestehende und preiswerte Gestaltung der Wärmetauschvorrichtung. Außerdem sind lediglich die Durchflussleitungen mit einem Kältemittelkreislauf zu verbinden. Aufgrund der geringen Baugröße werden auch die Peripheriebauteile für die Zuführung des Mediums kompakt und kostengünstig.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Drossel aus einer Parallelschaltung von einem vorwärts angeordneten ersten Expansionsventil und einem rückwärts angeordneten zweiten Expansionsventil besteht.
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Dies gewährleistet, dass die Drossel in beiden Durchflussrichtungen das Kältemittel bei identischer Qualität expandiert. Dabei ist das erste Expansionsventil in einer expandierenden Funktionsstellung, während das zweite Expansionsventil geschlossenen ist. Bei umgekehrter Durchflussrichtung befindet sich hingegen das zweite Expansionsventil in der expandierenden Funktionsstellung und das erste Expansionsventil ist geschlossen.
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Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass die Drossel derart ausgestaltet ist, dass sie in wenigstens einer Funktionsstellung einen Strömungswiderstand aufweist, der kleiner oder gleich groß wie der Strömungswiderstand der Durchflussleitungen ist.
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Somit stellt die Drossel keinen Strömungswiderstand für das Kältemittel dar, und es kommt zu keinem Druckgefälle und somit keinem druckbedingten Temperaturunterschied in den Durchflussleitungen. Dies ermöglicht, dass die erste und zweite Durchflussleitung gemeinsam Wärme von einem umströmenden Medium auf ein durch sie hindurchströmendes Kältemittel übertragen, oder beide Durchflussleitungen Wärme vom durchströmenden Kältemittel an das umströmende Medium abgeben. Beide Durchflussleitungen könnten somit gleichzeitig abgetaut werden. Alternativ kann ein Maximum an Wärme aus dem Medium gewonnen werden, wodurch die Leistungszahl maximiert wird.
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Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass in einer Parallelschaltung zur Drossel ein öffenbarer Bypass vorhanden ist, dessen Strömungswiderstand kleiner oder gleich groß wie der Strömungswiderstand der Durchflussleitungen ist. Ein derartiger Bypass ermöglicht es, standardisierte Expansionsventile zu verwenden, die weniger kosten als aufwendige Spezialkonstruktionen. Auch der Bypass kann an der Baueinheit angeordnet oder Bestandteil von dieser sein.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die mäanderförmige erste Durchflussleitung und die mäanderförmige zweite Durchflussleitung ineinander verschachtelt sind, vorzugsweise derart, dass ein Abstand zwischen den Durchflussleitungen im Wesentlichen konstant ist. So sind nur an den Enden der Durchflussleitungen Mindestabstände nötig, damit der Kältemittelkreislauf oder die Drossel an die Leitungen angeschlossen werden können. Eine derartige Verschachtelung ermöglicht eine homogene Anströmung beider Durchflussleitungen. Außerdem ergeben sich weitere realisierbare Ausgestaltungen der Erfindung.
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In einer Variante der Erfindung liegen die erste Durchflussleitung und die zweite Durchflussleitung in einer Ebene. Somit kann die Wärmetauschvorrichtung sehr flach gestaltet werden. Eine andere Variante sieht vor, dass die erste Durchflussleitung und die zweite Durchflussleitung in zwei Ebenen liegen. Die beiden, vorzugsweise parallelen Ebenen haben dabei einen geringen Höhenversatz.
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Vorzugsweise sollten die erste Durchflussleitung und die zweite Durchflussleitung keine Kreuzungen haben. Dies verringert in einem erheblichen Maße den technischen Aufwand zur Anströmung einer einzelnen Durchflussleitung und verhindert Leistungsverluste, da anderenfalls in einem Kreuzungsbereich meist auch ein Abschnitt einer Durchflussleitung im Luftstrom liegt, der nicht angeströmt werden soll.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die erste Durchflussleitung und die zweite Durchflussleitung über lamellenartige/streifenartige Bleche als Wärmetauscherrippen miteinander verbunden. Diese Bleche geben der Wärmetauschvorrichtung eine hohe Steifigkeit und halten die Durchflussleitungen, Drossel und weitere Bauteile in Position. Gleichzeitig ermöglichen sie eine sehr gute Umströmung der Durchflussleitungen durch ein Medium und tragen direkt dazu bei, dass sich die Oberfläche zur Wärmeübertragung vergrößert. Bei gleicher Wärmeübertragungskapazität kann eine derartige Wärmetauschvorrichtung somit kompakter gestaltet werden.
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Gemäß einer Erfindungsausgestaltung trifft ein Luftstrom auf die Wärmetauschvorrichtung, der vorzugsweise durch einen ersten Strömungserzeuger oder durch eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Wärmetauschvorrichtung und Luft erzeugt wird. Luft steht das gesamte Jahr über zur Verfügung und ist einfach zugänglich. Somit kann der Wärmetauscher über möglichst viele Stunden im Jahr kostengünstig betrieben werden. Die erfindungsgemäße Anordnung der Durchflussleitungen ermöglicht es zudem weiterhin, den Luftstrom mit einem einzigen Strömungserzeuger zu erzeugen. Im Vergleich zum Stand der Technik entfällt somit ein Ventilator. Hieraus resultiert eine geringere Anzahl an Bauteilen, geringere Kosten und ein kleiner Bauraum.
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In einer Variante der Erfindung ist wenigstens auf der dem Luftstrom zugewendeten Seite der Wärmetauschvorrichtung eine Luftführung mit Durchlassbereichen und Abschirmbereichen angeordnet. Diese eignet sich dazu, den Luftstrom optimal auf die Durchflussleitungen zu leiten und so die Leistungszahl der Wärmetauschvorrichtung zu erhöhen. Sie ermöglicht auch schnelle Wechsel zwischen den anzuströmenden Durchflussleitungen. Insbesondere ist eine Deaktivierung des Strömungserzeugers nicht erforderlich, wodurch auch die Aktivierungsphasen mit Anlaufverlusten vermieden werden, da der Luftstrom noch nicht ausreichend ist, wodurch ebenfalls die Leistungszahl gesteigert wird.
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Eine Gestaltungsform der Luftführung sieht vor, dass sie eine geschlitzte Platte ist, wobei die Schlitze Durchlassbereiche und die verbleibenden Stege Abschirmbereiche sind. Niedriges Gewicht, Kompaktheit, eine einfache vorzugsweise einteilige Fertigung und sehr leichte Handhabbarkeit ergeben hier die wesentlichen Vorzüge.
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In einer alternativen Ausführung besteht die Luftführung aus Profilen, die derart angeordnet sind, dass die Schlitze zwischen zwei Profilen Durchlassbereiche und die Profile Abschirmbereiche sind, wobei die Profile vorzugsweise strömungsgünstig zum Luftstrom ausgerichtet oder angestellt oder gestaltet sind. Eine derartige Fertigung verursacht geringen Materialabfall und ermöglicht eine sehr gute Anströmung der Durchflussleitungen, sodass sich die Leistung für die Strömungserzeugung verringert und die Leistungszahl verbessert. Resultiert der Luftstrom aus einer Relativbewegung zwischen der Wärmetauscheinrichtung und Luft, kann die Relativgeschwindigkeit verringert oder die Einlassöffnung für die Luft verringert werden. Beispielsweise ergibt sich so eine verbesserte Aerodynamik eines Fahrzeugs. Der geringe Materialabfall verringert die Kosten und trägt zusätzlich zum Schutz der Umwelt bei.
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Weiterhin sieht die Erfindung auch eine Ausgestaltung der Luftführung derart vor, dass sie aus schwenkbaren Lamellen besteht, die derart angeordnet und gelagert sind, dass sie im Fall von in einer Ebenennormalrichtung zur Wärmetauschvorrichtung ausgerichteten Lamellen keine Abschirmbereiche hat. Zwei nebeneinander liegende Lamellen bilden dann einen Abschirmbereich, wenn sich von den Lagern abgewendete Abschnitte annähern oder berühren oder überlappen.
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Auf diese Weise erreicht man eine hohe Variabilität der Luftführung. Es können nunmehr die Abschirm- und Durchlassbereiche flexibel eingestellt werden, inklusive eines sich über die gesamte Fläche der Luftführung erstreckenden Abschirm- oder Durchlassbereichs. Dies ermöglicht, die erste Durchflussleitung oder die zweite Durchflussleitung oder beide gemeinsam oder auch keine von beiden anzuströmen. Sollen beide Durchflussleitungen abgetaut werden, kann bei einem sich über die gesamte Fläche erstreckenden Abschirmbereich auch eine thermische Isolation erreicht werden, sodass die Abtauung schneller erfolgt. Sofern ein ganzflächiger Durchgangsbereich vorliegt, stehen die Lamellen strömungsgünstig im Luftstrahl und es geht sehr wenig Leistung für die Erzeugung des Luftstrahls verloren, was die Leistungszahl erhöht.
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Besondere Vorteile ergeben sich durch eine Ausgestaltung bei der die Durchlass- und Abschirmbereiche durch eine Regeleinheit derart einstellbar sind, dass entweder die erste Durchflussleitung oder die zweite Durchflussleitung oder beide Durchflussleitungen vom Luftstrom anströmbar sind. Alle Einstellungen werden mit Hilfe von verschiedenen Messungen vorgenommen und können die Leistungszahl maximieren, wobei die Vorrichtung durch die automatisierten Einstellvorgänge einfach zu handhaben ist.
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Die Regeleinheit kann dabei derart arbeiten, dass bei einem Durchfluss von Kältemittel von der ersten Durchflussleitung durch die Drossel in die zweite Durchflussleitung, bei expandierender Funktionsstellung der Drossel, die erste Durchflussleitung hinter einem Abschirmbereich liegt und die zweite Durchflussleitung hinter einem Durchlassbereich, so dass der Luftstrom ausschließlich letztere umströmt. Bei einer Umkehr der Durchflussrichtung wird die Luftführung hingegen derart eingestellt, dass die zweite Durchflussleitung hinter einem Abschirmbereich liegt und die erste Durchflussleitung hinter einem Durchlassbereich.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmetauschvorrichtung als Verdampfer in einer Luftwärmepumpeneinrichtung angeordnet ist, insbesondere auch in einer Klimaanlage oder in einer Heizeinrichtung eines Fahrzeugs und dabei insbesondere in einem Elektrofahrzeug. Eine von Luft umströmte Wärmepumpe hat vor allem in der kalten Jahreszeit, in der die Wärmeleistung der Wärmepumpe am meisten zum Heizen benötigt wird, den Vorteil, die an der Oberfläche der Wärmetauschvorrichtung kondensierende und festfrierende Luftfeuchtigkeit abtauen zu können, ohne dass auf die Abgabe von Wärme verzichtet werden muss, da immer wenigstens eine Durchflussleitung Wärme von umströmender Luft auf das Kältemittel überträgt. Hierdurch steigt auch der Wirkungsgrad, die sogenannte Leistungszahl der Wärmepumpe, stark an.
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Mit der Erfindung können zudem hohe Anforderungen an den Heizkomfort erfüllt werden, da keine Phasen ohne Wärmegewinnung auftreten. Sich bewegende und schnell auskühlende Fahrzeuge können beispielsweise kontinuierlich beheizt werden, und kühlen trotz ihrer schlechten thermischen Isolierung nicht aus, während der Verdampfer abtaut. Die erfindungsgemäße Lösung benötigt zudem nur einen geringen Bauraum, was einen Verbau in knapp bemessenen Fahrzeugen erleichtert. Vor allem Elektrofahrzeuge, die keinen Verbrennungsmotor zur Bereitstellung einer Heizleistung haben, können auf einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher zurückgreifen, um eine möglichst hohe Leistungszahl der Luftwärmepumpeneinrichtung zu erreichen und um die Reichweite des Fahrzeugs zu vergrößern.
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Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt jeweils eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung:
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1 in einer Frontalansicht,
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2 in einem Schnitt,
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3 mit einer geschlitzten Platte als Luftführung in einem Schnitt,
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4 mit Profilen als Luftführung in einem Schnitt,
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5 mit Lamellen als Luftführung in einem Schnitt,
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6 mit Lamellen als Luftführung in einem Schnitt in einer zweiten Ausrichtung und
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7 eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung angeordnet in einer Wärmepumpeneinrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung 1 in einer Frontalansicht, bestehend aus einer mäanderförmigen ersten Durchflussleitung 13 eines ersten Wärmetauschers 11 und einer mäanderförmigen zweiten Durchflussleitung 14 eines zweiten Wärmetauschers 12, die in einander verschachtelt und in einer gemeinsamen Baueinheit 15 angeordnet sind. Ein Abstand A zwischen den Durchflussleitungen 13, 14 ist im Wesentlichen konstant und es existieren keine Kreuzungen. Zusätzlich ist eine Drossel 30 mit einem ersten Leitungsanschluss 31, einem zweiten Leitungsanschluss 32 und wenigstens einer expandierenden Funktionsstellung ebenfalls Bestandteil der Baueinheit 15, wobei der erste Leitungsanschluss 31 eine Verbindung mit der ersten Durchflussleitung 13 und der zweite Leitungsanschluss 32 eine Verbindung mit der zweiten Durchflussleitung 14 aufweist. Die Drossel 30 besteht dabei aus einem vorwärts angeordneten ersten Expansionsventil 33 und einem rückwärts angeordneten zweiten Expansionsventil 34.
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Durch die erste Durchflussleitung 13, die zweite Durchflussleitung 14 und die Drossel 30 strömt nunmehr ein Kältemittel 5. Um auch einen Durchfluss des Kältemittels 5 durch beide Durchflussleitungen 13, 14 ungehindert, ohne expandierende Drossel 30, ermöglichen zu können, befindet sich ein öffenbarer Bypass 35 parallel zur Drossel 30.
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In der gezeigten Durchflussrichtung des Kältemittels 5 und bei einem geschlossenen Bypass 35 strömt das Kältemittel 5 durch die erste Durchflussleitung 13, durch das expandierende erste Expansionsventil 33 und anschließend durch die zweite Durchflussleitung 14. Dabei steht das Kältemittel 5 in der ersten Durchflussleitung 13 unter einem höheren Druck als in der zweiten Durchflussleitung 14. Daraus folgend weist das Kältemittel 5 in der ersten Durchflussleitung 13 eine höhere Temperatur auf als in der zweiten Durchflussleitung 14. Die erste Durchflussleitung 13 kann nunmehr durch eine Wärmeabgabe an ihre Umgebung eine auf ihr befindliche Eisschicht abtauen. Aufgrund der niedrigen Temperatur, kann das Kältemittel 5 in der zweiten Durchflussleitung 14 gleichzeitig Wärme aus der Umgebung aufnehmen.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung 1 in einem Schnitt dargestellt. Eine mäanderförmige erste Durchflussleitung 13 und eine mäanderförmige zweite Durchflussleitung 14 sind dabei in einander verschachtelt und liegen in einer Ebene E. Im Schnitt nebeneinander liegende Durchflussleitungen 13, 14 haben jeweils einen Abstand A zueinander.
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Auf einer Seite der Durchflussleitungen 13, 14 befindet sich ein erster Luftströmungserzeuger 70, welcher einen Luftstrom LS, senkrecht zur Ebene E, aus umgebender Luft L erzeugt. Dieser umströmt über die gesamte Ebene E verteilt die erste Durchflussleitung 13 und die zweite Durchflussleitung 14, da ausschließlich ein Durchlassbereich 41 vorliegt.
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Dabei steht das Kältemittel 5 in der ersten Durchflussleitung 13 unter einem höheren Druck als in der zweiten Durchflussleitung 14, wodurch das Kältemittel 5 in der ersten Durchflussleitung 13 eine höhere Temperatur als in der zweiten Durchflussleitung 14 hat. Die zweite Durchflussleitung 14 kann so Wärme aus dem umströmenden Luftstrom LS aufnehmen und die erste Durchflussleitung 13 kann eine auf ihr sitzende Eisschicht abtauen.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung 1 mit einer geschlitzten Platte 43 als Luftführung 40 in einem Schnitt. Eine mäanderförmige erste Durchflussleitung 13 und eine mäanderförmige zweite Durchflussleitung 14 sind dabei in einander verschachtelt. Zusätzlich strömt ein Luftstrom LS aus umgebender Luft L in Richtung der Durchflussleitungen 13, 14, wobei zwischen diesen und dem Luftstrom LS die mit einer Regeleinheit 60 verbundene Luftführung 40 sitzt. Deren geschlitzte Platte 43 weist Durchlassbereiche 41 bestehend aus Schlitzen 44 und Abschirmbereiche 42 bestehend aus Stegen 45 auf.
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In der gezeigten Position der Luftführung 40 umströmt der Luftstrom LS ausschließlich die unter niedrigem Druck stehende zweite Durchflussleitung 14, die in Strömungsrichtung des Luftstroms LS hinter den Durchlassbereichen 41 liegt. Dabei nimmt durch die zweite Durchflussleitung 14 strömendes Kältemittel 5 Wärme aus dem Luftstrom LS auf. Dahingegen liegt die unter hohem Druck stehende erste Durchflussleitung 13 in Strömungsrichtung des Luftstroms LS hinter den Abschirmbereichen 42 und somit in einem Windschatten, sodass der Luftstrom LS sie nicht umströmt. Sie kann in diesem Windschatten abtauen.
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Nicht dargestellt ist eine Umkehrung der Durchflussrichtung des Kältemittels 5, bei der die Regeleinheit 60 die Luftführung 40 derart verstellt, dass die Durchlassbereiche 41 in Strömungsrichtung des Luftstroms LS vor der ersten Durchflussleitung 13 liegen, und sich die Abschirmbereiche 42 in Strömungsrichtung des Luftstroms LS vor der zweiten Durchflussleitung 14 befinden.
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4 stellt eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung 1 mit Profilen 46 als Luftführung 40 in einem Schnitt dar. Eine mäanderförmige erste Durchflussleitung 13 und eine mäanderförmige zweite Durchflussleitung 14 sind dabei in einander verschachtelt.
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Weiterhin strömt ein Luftstrom LS aus umgebender Luft L in Richtung der Durchflussleitungen 13, 14, wobei sich zwischen diesen und dem Luftstrom LS die mit einer Regeleinheit 60 verbundene Luftführung 40 befindet. Deren Profile 46 stellen Abschirmbereiche 42 dar und zwischen den Profilen 46 liegende Schlitze 44 Durchlassbereiche 41.
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In der gezeigten Position der Luftführung 40 umströmt der Luftstrom LS ausschließlich die unter niedrigem Druck stehende zweite Durchflussleitung 14, die in Strömungsrichtung des Luftstroms LS hinter den Durchlassbereichen 41 liegt. Dabei nimmt durch die zweite Durchflussleitung 14 strömendes Kältemittel 5 Wärme aus dem Luftstrom LS auf. Dahingegen liegt die unter hohem Druck stehende erste Durchflussleitung 13 in Strömungsrichtung des Luftstroms LS hinter den Abschirmbereichen 42 und somit in einem Windschatten, sodass der Luftstrom LS sie nicht umströmt. Sie kann in diesem Windschatten abtauen.
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Nicht dargestellt ist eine Umkehrung der Durchflussrichtung des Kältemittels 5, bei der die Regeleinheit 60 die Luftführung 40 derart verstellt, dass die Durchlassbereiche 41 in Strömungsrichtung des Luftstroms LS vor der ersten Durchflussleitung 13 liegen, und sich die Abschirmbereiche 42 in Strömungsrichtung des Luftstroms LS vor der zweiten Durchflussleitung 14 befinden.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung 1 mit Lamellen 47 als Luftführung 40 in einem Schnitt. Eine mäanderförmige erste Durchflussleitung 13 und eine mäanderförmige zweite Durchflussleitung 14 sind dabei in einander verschachtelt.
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Zusätzlich sitzt auf einer Seite der Durchflussleitungen 13, 14 ein erster Luftströmungserzeuger 70, der einen Luftstrom LS aus umgebender Luft L, in einer Ebenennormalrichtung N, senkrecht zu den Durchflussleitungen 13, 14 erzeugt. Zwischen diesem Luftstrom LS und den Durchflussleitungen 13, 14 befindet sich die mit einer Regeleinheit 60 verbundene Luftführung 40.
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Diese besteht aus um Lager 48 schwenkbaren Lamellen 47, die derart angeordnet und gelagert sind, dass zwei nebeneinander liegende Lamellen 47 einen Abschirmbereich 42 bilden, wenn sich von den Lagern 48 abgewendete Abschnitte 49 der nebeneinander liegenden Lamellen 47 berühren. Dabei bilden sie strömungsgünstige Dreiecks-Spitzen auf der dem Strömungserzeuger 70 zugewandten Seite.
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In der gezeigten Position der Luftführung 40, umströmt der Luftstrom LS ausschließlich die unter niedrigem Druck stehende zweite Durchflussleitung 14, die in Strömungsrichtung des Luftstroms LS hinter Durchlassbereichen 41 liegt. Hierbei nimmt durch die zweite Durchflussleitung 14 strömendes Kältemittel 5 Wärme aus dem Luftstrom LS auf. Dahingegen liegt die unter hohem Druck stehende erste Durchflussleitung 13 in Strömungsrichtung des Luftstroms LS hinter den Abschirmbereichen 42 und somit in einem Windschatten, so dass der Luftstrom LS sie nicht umströmt. Sie kann in diesem Windschatten abtauen.
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Nicht dargestellt ist eine Umkehrung der Durchflussrichtung des Kältemittels 5, bei der die Regeleinheit 60 die Luftführung 40 derart durch Drehung der Lamellen 47 um ihr Lager 48 verstellen würde, dass die Durchlassbereiche 41 in Strömungsrichtung des Luftstroms LS vor der ersten Durchflussleitung 13 liegen und sich die Abschirmbereiche 42 in Strömungsrichtung des Luftstroms LS vor der zweiten Durchflussleitung 14 befinden.
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6 präsentiert eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung 1 mit Lamellen 47 als Luftführung 40 in einem Schnitt. Eine mäanderförmige erste Durchflussleitung 13 und eine mäanderförmige zweite Durchflussleitung 14 sind dabei in einander verschachtelt.
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Ein Luftstrom LS aus umgebender Luft L strömt in einer Ebenennormalrichtung N, senkrecht zu den Durchflussleitungen 13, 14. Zwischen diesem Luftstrom LS und den Durchflussleitungen 13, 14 sitzt die mit einer Regeleinheit 60 verbundene Luftführung 40. Diese besteht aus um Lager 48 schwenkbaren Lamellen 47, die derart angeordnet und gelagert sind, dass zwei nebeneinander liegende Lamellen 47, mit in der Ebenennormalrichtung N ausgerichteten Abschnitten 49 Durchlassbereiche 41 bilden.
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In der gezeigten Position der Luftführung 40, umströmt der Luftstrom LS die unter niedrigem Druck stehende erste Durchflussleitung 13 und die unter niedrigem Druck stehende zweite Durchflussleitung 14, die beide in Strömungsrichtung des Luftstroms LS hinter den Durchlassbereichen 41 liegen. Dabei nimmt durch die erste und zweite Durchflussleitung 13, 14 strömendes Kältemittel 5 Wärme aus dem Luftstrom LS auf.
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Nicht dargestellt ist eine Ausrichtung der Lamellen 47, in der die abgewendeten Abschnitte 49 alle in eine Richtung senkrecht zur Ebenennormalrichtung N zeigen. Beide Durchflussleitungen 13, 14 würden dann hinter einem Abschirmbereich 42 und somit in einem Windschatten liegen. Bei gleichzeitig unter Druck stehenden Durchflussleitungen 13, 14 könnten hierdurch beide Durchflussleitungen 13, 14 schnell abtauen.
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7 offenbart eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung 1 angeordnet in einer Wärmepumpeneinrichtung 100 mit einem Kondensator 102, einem Kältemittel 5 und einem Kompressor 103, dessen Rücklauf 110 und Zulauf 111 mit einem 4-Wege-Ventil 104 verbunden sind. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung 1 als Verdampfer 101 derart in die Wärmepumpeneinrichtung 100 integriert, dass eine erste Durchflussleitung 13 der Wärmetauschvorrichtung 1 über eine Leitung 105 mit dem 4-Wege-Ventil 104 verbunden ist und eine weitere Leitung 105 eine zweite Durchflussleitung 14 der Wärmetauschvorrichtung 1 ebenfalls mit dem 4-Wege-Ventil 104 verbindet. Dabei weist die Wärmetauschvorrichtung 1 zwischen den Durchflussleitung 13, 14 eine Drossel 30 sowie zwischen den Durchflussleitungen 13, 14 und einem Strömungserzeuger 70 eine Luftführung 40 auf.
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In der gezeigten Schaltstellung des ersten 4-Wege-Ventils 104 strömt das Kältemittel 5 auf der Seite des Rücklaufs 110 und somit einer Druckseite des Kompressors 103 über den Kondensator 102 zum 4-Wege-Ventil 104 und von diesem über die zweite Durchflussleitung 14 zur Drossel 30. Hierbei gibt das Kältemittel 5 sowohl im Kondensator 102 als auch in der zweiten Durchflussleitung 14 Wärme ab. Eis auf der zweiten Durchflussleitung 14 kann somit abtauen.
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Von der zweiten Durchflussleitung 14 strömt das Kältemittel 5 über die expandierende Drossel 30, über die erste Durchflussleitung 13 zum 4-Wege-Ventil 104. Dabei liegt die erste Durchflussleitung 13 auf einer Unterdruckseite und das durchströmende Kältemittel 5 nimmt Wärme von einem die erste Durchflussleitung 13 umströmenden Luftstrom LS auf, den der Strömungserzeuger 70 erzeugt. Anschließend bewegt sich das Kältemittel 5 vom 4-Wege-Ventil 104 über den Zulauf 111 zurück zum Kompressor 103.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauschvorrichtung
- 5
- Kältemittel
- 11
- erster Wärmetauscher
- 12
- zweiter Wärmetauscher
- 13
- erste Durchflussleitung
- 14
- zweite Durchflussleitung
- 15
- Baueinheit
- 30
- Drossel
- 31
- erster Leitungsanschluss
- 32
- zweiter Leitungsanschluss
- 33
- erstes Expansionsventil
- 34
- zweites Expansionsventil
- 35
- Bypass
- 40
- Luftführung
- 41
- Durchlassbereich
- 42
- Abschirmbereich
- 43
- geschlitzte Platte
- 44
- Schlitz
- 45
- Steg
- 46
- Profil
- 47
- Lamelle
- 48
- Lager
- 49
- Abschnitt
- 60
- Regeleinheit
- 70
- erster Strömungserzeuger
- 100
- Luftwärmepumpeneinrichtung
- 101
- Verdampfer
- 102
- Kondensator
- 103
- Kompressor
- 104
- 4-Wege-Ventil
- 105
- Leitungen
- L
- Luft
- LS
- Luftstrom
- A
- Abstand
- E
- Ebene
- N
- Ebenennormalrichtung
