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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, die zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb umschaltbar ist, welche einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher aufweist, zwischen denen Energie in die eine oder in die andere Richtung übertragen werden kann und eine Verdichteranordnung.
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Wärmepumpen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der
US 2006/0053823 A1 sowie der
US 2009/0199581 A1 . Solche Wärmepumpen dienen zum Transport von Wärmeenergie von einem ersten Reservoir in ein zweites Reservoir unter Aufwendung von Arbeit. Wärmepumpen werden in der Regel mit Fluiden betrieben, die bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr verdampfen und nach Verdichtung auf einen höheren Druck unter Wärmeabgabe wieder kondensieren. Die Drücke werden so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenwechsels einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen der Wärmequellen beziehungsweise -senken haben.
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Wärmepumpen arbeiten in ihrer einfachsten Ausgestaltung mit einem Fluidkreislauf mit einem Verdampfer, in dem das Fluid beziehungsweise Medium unter Energieaufnahme verdampft, einem nachgeschalteten, angetriebenen Verdichter, in dem das Medium unter Einbringung von mechanischer Arbeit verdichtet wird, einem darauffolgenden Kondensator, in dem das Fluid unter Abgabe von Energie verflüssigt wird und zuletzt einer dem Kondensator nachgeschalteten Drossel, in der das Fluid entspannt. Die Drossel ist ausgangsseitig wieder mit dem Verdampfer verbunden, womit der Kreislauf geschlossen ist.
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Darüber hinaus sind umschaltbare Wärmepumpen bekannt, bei denen die beiden vorgesehenen Wärmetauscher einmal als Kondensator oder Verdampfer oder umgekehrt, als Verdampfer und Kondensator verschaltet werden.
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Den Wirkungsgraden bzw. Leistungszahlen herkömmlicher umschaltbarer Wärmepumpen sind technische Grenzen gesetzt. Es wäre wünschenswert, die Wirkungsgrade beziehungsweise die Leistungszahlen von Wärmepumpen zu verbessern. Sofern Wärmepumpen nicht umschaltbar sein müssen, hat man gute Erfahrungen mit mehrstufigen Verdichteranordnungen mit zwischengeschalteter Mitteldruckflasche gemacht.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine umschaltbare Wärmepumpe anzugeben, die einen höheren Wirkungsgrad beziehungsweise eine höhere Leistungszahl als herkömmliche bekannte umschaltbare Wärmepumpen aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Wärmepumpe, die zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb umschaltbar ist, weist einen ersten Wärmetauscher zur Aufnahme von Energie im Kühlbetrieb und zur Abgabe von Energie im Heizbetrieb auf, der mit dem zu kühlenden oder zu wärmenden Gegenstand thermisch gekoppelt ist. Ein zweiter Wärmetauscher ist zur Abgabe von Energie im Kühlbetrieb und zur Aufnahme von Energie im Heizbetrieb vorgesehen, der als Wärmesenke oder als Wärmequelle dient.
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Zur Verdichtung eines Fluids beziehungsweise eines Mediums sind eine erste Verdichterstufe sowie eine der ersten Verdichterstufe nachgeschaltete zweite Verdichterstufe vorgesehen, die das in der ersten Verdichterstufe vorverdichtete Medium weiter verdichtet. Hiermit lässt sich eine höhere Verdichtung erreichen und gleichzeitig eine höhere Leistung. Dabei entspricht das Druckniveau am Auslass der ersten Verdichterstufe dem Druckniveau am Einlass der zweiten Verdichterstufe.
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Zwischen der ersten Verdichterstufe und der zweiten Verdichterstufe ist eine Mitteldruckflasche zwischengeschaltet, in der eine Phasentrennung flüssigen Mediums und Abscheidung des flüssigen Mediums geschieht. Das in der Mitteldruckflasche aufsteigende, von der ersten Verdichterstufe vorverdichtete heiße Gas wird dann der zweiten Verdichterstufe, die der Mitteldruckflasche stromaufwärts nachgeschaltet ist, weiter verdichtet und überhitzt.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass der zweiten Verdichterstufe stromabwärts ein Umschaltventil nachgeschaltet ist, mittels dessen im Kühlbetrieb eine Strömungsverbindung zwischen der zweiten Verdichterstufe und dem zweiten Wärmetauscher und im Heizbetrieb zwischen der zweiten Verdichterstufe und dem ersten Wärmetauscher herstellbar ist. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass die Wärmetauscher, je nach gewünschter Betriebsart, wechselweise entweder als Verdampfer oder als Kondensator betrieben werden.
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Gemäß einer ersten möglichen weiteren Ausgestaltung kann ein interner Wärmeübertrager vorgesehen sein, dessen erster Strom der ersten Verdichterstufe vorgeschaltet ist und dessen zweiter Strom einem Flüssigkeitsausgang der Mitteldruckflasche nachgeschaltet ist, so dass das in der Mitteldruckflasche abgeschiedene und über den Flüssigkeitsausgang der Mitteldruckflasche abgeführte flüssige Medium Energie an das in die erste Verdichterstufe strömende Gas abgibt. Auf diese Weise lässt sich eine zusätzliche Überhitzung des zu verdichtenden Mediums erreichen.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Umschaltventil vier Anschlüsse aufweist, wobei ein erster Anschluss mit der ersten Verdichterstufe, ein zweiter Anschluss mit dem ersten Wärmetauscher, ein dritter Anschluss mit der ersten Verdichterstufe oder, sofern vorgesehen, mit dem Wärmeübertrager und ein vierter Anschluss mit dem zweiten Wärmetauscher strömungsverbunden ist.
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Im Rahmen dieser Ausgestaltung kann eine Verschaltung derart vorgesehen sein, dass im Kühlbetrieb die zweite Verdichterstufe mit dem zweiten Wärmetauscher und der erste Wärmetauscher mit der ersten Verdichterstufe beziehungsweise, sofern vorgesehen, mit dem Wärmeübertrager strömungsverbunden sind, wohingegen im Heizbetrieb die zweite Verdichterstufe mit dem ersten Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher mit der ersten Verdichterstufe oder mit dem Wärmeübertrager strömungsverbunden sind. So lässt sich räumlich konzentriert auf einfache Weise eine Umschaltung zwischen Heizbetrieb und Kühlbetrieb erreichen.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Umschaltvorrichtung vorgesehen sein, die das aus dem ersten Wärmetauscher oder aus dem zweiten Wärmetauscher stammende und mittels je eines dem Wärmetauscher nachgeschalteten Expansionsventils auf einen Mitteldruck entspannte Medium einer Verbindung zwischen erster Verdichterstufe und Mitteldruckflasche zuführt, so dass das aus der ersten Verdichterstufe vorverdichtete Medium und das Medium aus der jeweiligen Hochdruckstufe, das auf Mitteldruck entspannt ist, vermischt und der Mitteldruckflasche zugeführt werden, wo anschließend eine Phasentrennung des Mediums stattfindet.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Umschaltvorrichtung vier Anschlüsse aufweist, wobei ein erster Anschluss mittels des ersten Expansionsventils mit dem ersten Wärmetauscher, ein zweiter Anschluss mittels eines zweiten Expansionsventils mit dem zweiten Wärmetauscher, ein dritter Anschluss mit dem Wärmeübertrager und ein vierter Anschluss mit der Verbindung zwischen erster Verdichterstufe und Mitteldruckflasche strömungsverbunden ist.
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Mittels der Umschaltvorrichtung ist im Kühlbetrieb der zweite Wärmetauscher mittels des zweiten Expansionsventils mit der Verbindung zwischen erster Verdichterstufe und Mitteldruckflasche sowie der Wärmeübertrager mit dem ersten Wärmetauscher mittels des ersten Expansionsventils strömungsverbunden. Dabei ist im Heizbetrieb der erste Wärmetauscher mittels des ersten Expansionsventils mit der Verbindung zwischen erster Verdichterstufe und Mitteldruckflasche sowie der Wärmeübertrager mit dem zweiten Wärmetauscher mittels des zweiten Expansionsventils strömungsverbunden. Auf diese Weise lässt sich an einem Ort gebündelt zwischen Kühl- und Heizbetrieb umschalten, was Platzbedarf und Bauteilaufwand reduziert.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe in einem gemeinsamen Kompressor angeordnet sind. Die beiden Verdichterstufen können dann beispielsweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein, wobei das von der ersten Verdichterstufe vorverdichtete Medium aus dem Kompressor heraus in die Mitteldruckflasche geleitet wird, von wo aus sie der zweiten Verdichterstufe zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich ein kompakter Aufbau verwirklichen und die benötigte Bauteilanzahl reduzieren.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe durch einen einstufigen Kompressor mit Zwischeneinspritzung verwirklicht sind.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher ein Plattenwärmeübertrager und/oder der zweite Wärmetauscher ein Lamellenübertrager ist.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Umschaltvorrichtung und/oder das Umschaltventil als Vier-Wege-Ventile ausgebildet sind, bei denen in den jeweiligen Schaltstellungen jeweils zwei Anschlüsse paarweise miteinander strömungsverbunden sind. Derartige Umschaltventile können derart gestaltet werden, dass sie mit nur wenigen bewegten Bauteilen auskommen, was entsprechende Umschaltventile sehr zuverlässig macht.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Umschaltvorrichtung als Anordnung von vier Rückschlagventilen ausgebildet ist, bei denen jeder Anschluss mit je zwei Anschlüssen mittels je eines dazwischen geschalteten Rückschlagventils derart geschaltet ist, dass abhängig von den Druckverhältnissen an den Anschlüssen je ein Rückschlagventil gesperrt und eines geöffnet ist, so dass je zwei Anschlüsse miteinander strömungsverbunden sind. Die Umschaltvorrichtung kann dann beispielsweise als Leitungsring mit vier entsprechend ausgerichteten Rückschlagventilen mit dazwischenliegenden Anschlüssen ausgebildet sein.
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In noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können der Gasaustritt der Mitteldruckflasche, der Austritt der ersten Verdichterstufe und der Eintritt der zweiten Verdichterstufe auch zu einem Sternpunkt verbunden sein, so dass keine Mitteldruckflasche erforderlich ist.
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Im Rahmen der Erfindung kann es je nach Ausführungsform ausreichend sein, ein aktiv schaltbares Bauteil vorzusehen, so dass im Rahmen dieser Ausgestaltung der Erfindung die Anzahl angetriebener Bauteile reduziert ist, was Zuverlässigkeit, Komplexität der Vorrichtung sowie die Kosten positiv beeinflusst.
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Strömungsverbindungen können im Rahmen der Erfindung mittels Leitungen, zum Beispiel Rohrleitungen, hergestellt sein.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigen schematisch:
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1A: eine erfindungsgemäße Wärmepumpe im Heizbetrieb,
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1b: die erfindungsgemäße Wärmepumpe im Kühlbetrieb sowie
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2: eine Detailansicht einer möglichen Ausgestaltung einer Umschaltvorrichtung im Rahmen der Erfindung.
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Die 1a und 1b zeigen eine erfindungsgemäße Wärmepumpe 2 im Heizbetrieb (1a) beziehungsweise im Kühlbetrieb (1b). In den dargestellten Schaltbildern sind unterschiedliche Phasenzustände beziehungsweise Druckniveaus des Mediums beziehungsweise Kühlmittels durch unterschiedliche Verbindungsarten gezeigt. In der erfindungsgemäßem Wärmepumpe kommen im Wesentlichen drei unterschiedliche Zustände vor: Zunächst wird das Kühlmittel oder Medium teilweise im flüssigen Zustand befördert, was durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist. Des Weiteren wird das Medium teilweise als kaltes Gas transportiert, was durch gestrichelte Verbindungen dargestellt ist. Darüber hinaus kann das Medium noch als heißes Gas befördert werden, was als gepunktete Verbindung dargestellt ist. Strömungsrichtungen sind durch Pfeile angezeigt.
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Die erfindungsgemäße Wärmepumpe 2 weist einen ersten Wärmetauscher 4 auf, der als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein kann. Der erste Wärmetauscher 4 steht mit dem zu erwärmenden beziehungsweise zu kühlenden Gegenstand in Verbindung. Ein zweiter Wärmetauscher 6, der als Lamellenwärmeübertrager ausgebildet sein kann, stellt eine thermische Kopplung zu einer Wärmequelle beziehungsweise Wärmesenke her.
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Das in dem Kreislauf beförderte Medium wird mittels einer ersten Verdichterstufe 8 vorverdichtet und mittels einer zweiten Verdichterstufe 10 nachverdichtet. Zwischen der ersten Verdichterstufe 8 und der zweiten Verdichterstufe 10 ist eine Mitteldruckflasche 12 angeordnet, die eine Phasentrennung an dem über den Eingang 12.1 eingeleiteten Medium vornimmt. Medium in flüssiger Phase wird über den Ausgang 12.2 abgeführt, Medium in gasförmiger Phase steigt in der Mitteldruckflasche auf und wird von der zweiten Verdichterstufe 10 über den Ausgang 12.3 der Mitteldruckflasche 12 abgesaugt.
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Das aus der Mitteldruckflasche 12 abgeleitete flüssige Medium wird durch einen Wärmetauscher 14 durch einen ersten Strom 14.1 geleitet, wo es seine Wärme an das im zweiten Strom 14.2 befindliche Medium abgibt, welches von der ersten Verdichterstufe 8 angesaugt wird.
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Stromabwärts zur zweiten Verdichterstufe 10 ist ein Umschaltventil 16 vorgesehen, dass vorliegend als Vierwegeventil ausgestaltet ist. Das Umschaltventil 16 ist mit einem ersten Anschluss 16.1 mit der zweiten Verdichterstufe 10, mit einem zweiten Anschluss 16.2 mit dem ersten Wärmetauscher 4, mit einem dritten Anschluss 16.3 mit dem Wärmeübertrager 14 sowie mit einem vierten Anschluss 16.4 mit dem zweiten Wärmetauscher 6 strömungsverbunden.
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Der erste Wärmetauscher 4 und der zweite Wärmetauscher 6 sind andererseits mit einer Umschaltvorrichtung 18 mittelbar strömungsverbunden. Zwischen dem ersten Wärmetauscher 4 und der Umschaltvorrichtung 18 ist ein erstes Expansionsventil 20 vorgesehen. Zwischen dem zweiten Wärmetauscher 6 und der Umschaltvorrichtung 18 ist ein zweites Expansionsventil 22 vorgesehen. Die Strömungsverbindung mit dem ersten Expansionsventil 20 wird über einen ersten Anschluss 18.1. hergestellt. Die Strömungsverbindung zwischen dem zweiten Expansionsventil 22 und der Umschaltvorrichtung 18 wird über einen zweiten Anschluss 18.2 hergestellt. Ein dritter Anschluss 18.3 steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Strom 14.1 des Wärmeübertragers 14. Ein vierter Anschluss 18.4 der Umschaltvorrichtung 18 ist mit einem Anschluss 24 einer Verbindung 26 zwischen einem Ausgang 8.2 der ersten Verdichterstufe 8 und dem Eingang 12.1 der Mitteldruckflasche 12 verbunden.
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In dem in 1a dargestellten Heizbetrieb ist das Umschaltventil 16 derart geschaltet, dass es eine Strömungsverbindung zwischen zweiter Verdichterstufe 10 und ersten Wärmetauscher 4 herstellt und gleichzeitig eine Strömungsverbindung zwischen zweitem Wärmetauscher 6 und erster Verdichterstufe 8 mittels des Wärmeübertragers 14. Dadurch wird dem Wärmetauscher 4 Heißgas zugeführt, das durch die zweite Verdichterstufe 10 erhitzt wurde, wo das Heißgas seine Wärme unter Kondensation abgibt und den ersten Wärmetauscher 4 in flüssiger Phase verlässt. Durch das Expansionsventil 20 wird das flüssige Medium auf Mitteldruck gebracht und verdampft. Die Umschaltvorrichtung 18 ist dabei so geschaltet, dass sie die Anschlüsse 18.1 und 18.4 zusammenschaltet, so dass das sich auf Mitteldruck entspannte Gas dem Anschluss 24 zwischen erster Verdichterstufe 8 und Mitteldruckflasche 12 zugeführt wird.
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Niederdruckseitig steht im Heizbetrieb der Ausgang des Wärmeübertragers 14 mit dem zweiten Wärmetauscher 6 in Strömungsverbindung, welcher über das Umschaltventil 16 und die dort zusammengeschalteten Anschlüsse 16.4 und 16.3 mit dem Wärmeübertrager 14 und anschließend der ersten Verdichterstufe 8. Der Wärmeübertrager 14 und das dem zweiten Wärmetauscher 6 vorgeschaltete zweite Expansionsventil 22 sind über die zusammengeschalteten Anschlüsse 18.3 und 18.2 der Umschaltvorrichtung 18 zusammengeschaltet.
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Im Heizbetrieb sind also hochdruckseitig die Anschlüsse 16.1 und 16.2 des Umschaltventils 16 sowie 18.1 und 18.4 der Umschaltvorrichtung 18 zusammengeschaltet. Niederdruckseitig sind die Abschlüsse 16.3, 16.4 des Umschaltventils 16 sowie 18.2 und 18.3 der Umschaltvorrichtung 18 zusammengeschaltet.
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In dem in 1b dargestellten Kühlbetrieb sind die Anschlüsse 16.1 und 16.4 des Umschaltventils 16 hochdruckseitig miteinander strömungsverbunden und die Anschlüsse 16.2 und 16.3 niederdruckseitig. Der Ausgang der zweiten Verdichterstufe 10 ist somit über das Umschaltventil 16 mit dem zweiten Wärmetauscher 6 gekoppelt.
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Der erste Wärmetauscher 4 ist mittels des Umschaltventils 16 mit dem Wärmeübertrager 14 und dem Eingang 8.1 der nachfolgenden ersten Verdichterstufe 8 strömungsverbunden. Die Umschaltvorrichtung 18 verbindet dabei hochdruckseitig die Anschlüsse 18.2 und 18.4 und damit den zweiten Wärmetauscher 6 mittels des Expansionsventils 22 mit dem Anschluss 24 der Verbindung 26 zwischen erster Verdichterstufe 8 und Mitteldruckflasche 12.
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Die erfindungsgemäße Wärmepumpe 2 ermöglicht somit die Verwendung mehrerer Verdichterstufen mit zwischengeschalteter Mitteldruckflasche 12, da in beiden Schaltzuständen die Mitteldruckflasche 12 stets in der gleichen Richtung durchströmt wird. Des Weiteren wird auf diese Weise die Verwendung eines Wärmeübertragers 14 zur Überhitzung des von der ersten Verdichterstufe 8 angesaugten Kältemittelgases an. Auf diese Weise lässt sich das Kältemittelgas in den Verdichterstufen 8, 10 zusätzlich überhitzen und Wirkungsgrad beziehungsweise Leistungszahl der erfindungsgemäßen Wärmepumpe 2 gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen verbessern.
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2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung 18.
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In der Umschaltvorrichtung 18 sind vier Rückschlagventile 18.5 bis 18.8 vorgesehen, die jeweils eine Sperrrichtung und jeweils eine Durchlassrichtung aufweisen. Die Anschlüsse 18.1 bis 18.4 sind an einen Leitungsring 18.9. angebunden, wobei zwischen je zwei Anschlüssen 18.1 bis 18.4 je ein Rückschlagventil 18.5 bis 18.8 angeordnet ist, wobei diese je derart angeordnet sind, dass ein Fluss von jedem Anschluss 18.1 bis 18.4 nur in eine Richtung stattfinden kann und ein Fluss zum jeweiligen Anschluss 18.1 bis 18.4 ebenfalls nur aus einer Richtung, nämlich der jeweils anderen, erfolgen kann. Auf diese Weise lassen sich je nach Druckverhältnissen je zwei Anschlüsse zusammenschalten.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Wärmepumpe
- 4
- erster Wärmetauscher
- 6
- zweiter Wärmetauscher
- 8
- erste Verdichterstufe
- 8.1
- Eingang der ersten Verdichterstufe
- 8.2
- Ausgang der ersten Verdichterstufe
- 10
- zweite Verdichterstufe
- 12
- Mitteldruckflasche
- 12.1
- Eingang der Mitteldruckflasche
- 12.2
- Flüssigkeitsausgang der Mitteldruckflasche
- 12.3
- Gasausgang der Mitteldruckflasche
- 14
- Wärmeübertrager
- 14.1
- erster Strom des Wärmeübertragers
- 14.2
- zweiter Strom des Wärmeübertragers
- 16
- Umschaltventil
- 16.1–16.4
- Anschlüsse des Umschaltventils
- 18
- Umschaltvorrichtung
- 18.1–18.4
- Anschlüsse der Umschaltvorrichtung
- 18.5–18.8
- Rückschlagventile
- 18.9
- Leitungsring
- 20
- erstes Expansionsventil
- 22
- zweites Expansionsventil
- 24
- Verbindungsleitung
- 26
- Anschluss
