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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe. Die Wärmepumpe weist einen Kompressor auf und einen mit dem Kompressor verbundenen Kühlkreislauf. Die Wärmepumpe weist auch eine elektrische Steuereinheit auf, welche ausgangsseitig mit dem Kompressor verbunden und ausgebildet ist, einen Elektromotor des Kompressors zum Erzeugen eines magnetischen Drehfeldes zu bestromen. Diese Steuereinheit weist bevorzugt einen Wechselrichter auf, welcher ausgangsseitig mit Statorspulen eines Stators des Elektromotors verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß weist die Steuereinheit der Wärmepumpe der eingangs genannten Art ein Gehäuse auf und ist als Einschubmodul ausgebildet. Die Wärmepumpe weist bevorzugt ein Wärmepumpengehäuse auf, wobei das Wärmepumpengehäuse einen Gehäuseschacht für das Einschubmodul aufweist. Der Gehäuseschacht ist ausgebildet, das Einschubmodul aufzunehmen. Die Steuereinheit weist bevorzugt eine als Metallkörper ausgebildete Wärmesenke auf, wobei die Wärmepumpe eine im Bereich des Gehäuseschachts angeordneten Wärmeleiter aufweist. Der Wärmeleiter ist mit dem Kühlkreislauf wärmeleitend wirkverbunden, wobei der Wärmeleiter im Bereich des Gehäuseschachtes eine Koppelfläche zum Koppeln mit der Wärmesenke des Einschubmoduls aufweist. So kann die Wärmesenke vorteilhaft beim Einführen des Einschubmoduls mit der Koppelfläche trennbar verbunden werden.
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Die Wärmepumpe bildet mit der Steuereinheit, welche als Einschubmodul ausgebildet ist, so vorteilhaft eine Anordnung, bei der die Steuereinheit zu Wartungszwecken oder zu Reparaturzwecken einfach von der Wärmepumpe, insbesondere dem Wärmepumpengehäuse, getrennt werden kann. Die Steuereinheit weist beispielsweise Leistungskomponenten, insbesondere wenigstens einen Leistungshalbleiter, auf, welcher ausgebildet ist, eine Verlustwärme zu erzeugen. Der Leistungshalbleiter ist mit der Wärmesenke der Steuereinheit wärmeleitend verbunden. Die Verlustwärme, welche von dem Leistungshalbleiter erzeugt wird, kann so über die Wärmesenke an die Koppelfläche und weiter über den Wärmeleiter an einen Kühlkreislauf abgeführt werden. Der Kühlkreislauf bildet so vorteilhaft eine Wärmesenke für die Verlustwärme des Leistungshalbleiters. Die Steuereinheit braucht so vorteilhaft keine gesonderten Kühlkomponenten, beispielsweise einen Kühlventilator zum Kühlen des Leistungshalbleiters, aufweisen.
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Die wärmeleitende Wirkverbindung von der Koppelfläche zum Kühlkreislauf hin kann beispielsweise an zueinander verschiedenen Orten des Kühlkreislaufs an den Kühlkreislauf ankoppeln. Beispielsweise umfasst der Kühlkreislauf einen Verdampfer und einen Wärmetauscher, in welchem ein Kältemittel von dem Kompressor verdichtet werden kann. Der Wärmetauscher weist beispielsweise Kühlrippen auf, welche mittels Zwangskonvektion, beispielsweise mittels eines Kühlgebläses, gekühlt werden und so die von dem Kühlkreislauf gepumpte Wärme abgeführt werden kann. Die zuvor erwähnte Koppelfläche kann beispielsweise an den Luftstrom des zuvor genannten Gebläses ankoppeln oder mit dem Verdampfer wärmeleitend verbunden sein.
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Bevorzugt ist der Wärmeleiter mit einem Kühlrippen aufweisenden Kühlkörper verbunden oder der Kühlkörper ist an den Wärmeleiter angeformt. Die Kühlrippen sind bevorzugt in einer Luftströmungsführung eines Gebläses der Wärmepumpe angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmeleiter mit dem Kühlkreislauf, insbesondere einem kalten Teil des Kühlkreislaufs, bevorzugt dem Verdampfer oder einer Zuleitung zum Verdampfer wärmeleitend verbunden.
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Bevorzugt weist der Wärmeleiter eine Heatpipe auf, welche ausgebildet ist, die Koppelfläche mit dem Kühlkreislauf, insbesondere dem kalten Teil des Kühlkreislaufs, bevorzugt dem Verdampfer oder einer Zuleitung zum Verdampfer wärmeleitend zu verbinden.
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Die Heatpipe weist beispielsweise Butangas auf, welches im Bereich des Verdampfers des Kühlkreislaufs verflüssigt werden kann und im Bereich der Koppelfläche verdampfen kann, um so Wärme von der Koppelfläche aufzunehmen.
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Bevorzugt weist die Koppelfläche wenigstens eine sich entlang einer Einschubachse längs erstreckende Ausnehmung auf. Die Wärmesenke weist bevorzugt einen Vorsprungsbereich auf, wobei der Vorsprungsbereich ausgebildet ist, in die Ausnehmung einzugreifen und den Wärmeleiter in der Ausnehmung wärmeleitend zu kontaktieren. Bevorzugt weist die Koppelfläche wenigstens zwei sich zueinander parallel erstreckende Ausnehmungen auf und die Wärmesenke weist die entsprechende Anzahl sich zueinander parallel erstreckende Vorsprungsbereiche auf. Die Vorsprungsbereiche sind so als sich parallel zueinander erstreckende Stege ausgebildet. Mittels der Ausnehmungen und der in die Ausnehmungen eingreifenden Vorsprünge kann so vorteilhaft die Koppelfläche größer ausgebildet sein, als eine vergleichbare, sich auf derselben Fläche erstreckende ebene Fläche.
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Bevorzugt weist wenigstens eine Ausnehmung des Wärmeleiters im Querschnitt eine Wellenform auf. Weiter bevorzugt ist wenigstens ein Vorsprungsbereich der Wärmesenke im Querschnitt entsprechend wellenförmig ausgebildet. Durch die wellenförmige Ausbildung kann vorteilhaft eine besonders gute Passung zwischen der Wärmesenke und der Koppelfläche erzielt werden, welche keine Ecken oder Kanten aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens eine Ausnehmung des Wärmeleiters im Querschnitt trapezförmig ausgebildet. Weiter bevorzugt ist wenigstens ein Vorsprungsbereich der Wärmesenke – entsprechend zur Ausnehmung – trapezförmig ausgebildet. So kann vorteilhaft eine Art Schwalbenschwanzverbindung zwischen der Wärmesenke und dem Wärmeleiter, insbesondere der Koppelfläche des Wärmeleiters, ausgebildet sein. Die Schwalbenschwanzverbindung bewirkt beim Einschieben der Wärmesenke in die Ausnehmung beispielsweise eine gute Klemmverbindung, welche einen guten Anpressdruck der Wärmesenke an die Koppelfläche gewährleisten kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit wenigstens einen elektrischen Stecker auf, wobei der elektrische Stecker ausgebildet ist, mit einem Gegenstecker im Bereich des Gehäuseschachtes trennbar verbunden zu werden, wobei die Steuereinheit über den Stecker mit der Wärmepumpe trennbar elektrisch verbunden ist. Bevorzugt weist das Wärmepumpengehäuse im Bereich des Gehäuseschachtes den Gegenstecker auf. Weiter bevorzugt sind alle elektrischen Verbindungen über wenigstens einen Stecker und wenigstens einen entsprechenden Gegenstecker trennbar ausgebildet. So kann die Steuereinheit vorteilhaft durch einfaches Herausziehen von dem Wärmepumpengehäuse getrennt werden. Vorteilhaft brauchen so keine weiteren elektrischen Verbindungen durch Schrauben oder durch gesondertes Abziehen eines Kabelsteckers getrennt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Stecker und die Wärmesenke jeweils derart angeordnet, dass die wärmeleitende Verbindung und die elektrischen Verbindungen beim Ziehen der Steuereinheit voneinander getrennt werden können. Bevorzugt erstrecken sich dazu Längserstreckungen der Steckverbindungen, insbesondere der elektrischen Steckkontakte und die Längserstreckung der zuvor erwähnten Ausnehmungen und der stegförmigen Vorsprungsbereiche parallel zueinander.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die elektrischen Kontakte des Steckers an einer Stirnseite der Steuereinheit ausgebildet und die Wärmesenke mit einer flachen Erstreckung an einer Seite der als Einschubmodul ausgebildeten Steuereinheit ausgebildet, wobei sich die Seite der Steuereinheit quer zur Stirnseite erstreckt. So kann vorteilhaft eine gute wärmeleitende Verbindung zwischen der Wärmesenke der Steuereinheit und der Koppelfläche gewährleistet sein, wenn beispielsweise die Steuereinheit nicht vollständig eingeschoben oder zusätzlich dazu verrastet ist. Dazu kann das Gehäuse der Steuereinheit einen Rasthaken oder Bajonetthaken aufweisen, welcher ausgebildet ist, mit dem Gehäuse 24 lösbar zu verrasten.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalen.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Wärmepumpe, bei der eine Steuereinheit als Einschubmodul ausgebildet ist und eine Wärmesenke des Einschubmoduls trennbar mit einem Wärmeleiter des Wärmepumpengehäuses verbunden ist, so dass eine an die Wärmesenke abgegebene Verlustwärme eines Leistungsbauelements über den Wärmeleiter an einen Kühlkreislauf der Wärmepumpe angekoppelt werden kann;
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Wärmesenke, welche ausgebildet ist, an eine Koppelfläche des Wärmeleiters mit zueinander parallel verlaufenden Stegen anzukoppeln, die eine im Querschnitt wellenförmige Form aufweist.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Wärmepumpe 1. Die Wärmepumpe 1 weist einen Kompressor 2 auf. Der Kompressor 2 weist einen Motor 3 auf, welcher einen Antriebsmotor für den Kompressor 2 bildet. Der Motor 3 weist einen Rotor 4 und einen Stator umfassend Statorspulen, in diesem Ausführungsbeispiel eine Statorspule 5, eine Statorspule 6 und eine Statorspule 7 auf. Der Kompressor 2 weist einen elektrischen Anschluss 8 auf, über den der Motor, insbesondere ein elektronisch kommutierter Elektromotor, mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
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Die Wärmepumpe 1 weist auch eine Steuereinheit 12 auf. Die Steuereinheit 12 ist als Einschubmodul ausgebildet und weist dazu ein Gehäuse 25 auf. Das Gehäuse 25 ist beispielsweise durch ein Blechgehäuse oder ein Kunststoffgehäuse gebildet.
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Das Gehäuse 25 weist stirnseitig einen Stecker 11 auf, wobei der Stecker 11 Bestandteil einer elektrischen Steckverbindung, umfassend den Stecker 11 und einen Gegenstecker 10, ist. Der Gegenstecker 10 ist Bestandteil eines Wärmepumpengehäuses 24 der Wärmepumpe 1.
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Die Steuereinheit 12 weist eine Leistungsendstufe 9 auf, welche ausgebildet ist, den Elektromotor 3, insbesondere die Statorspulen 5, 6 und 7 des Elektromotors 3 zu bestromen und so den Elektromotor 3 zum Antrieb des Kompressors 2 mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Leistungsendstufe 9 ist ausgangsseitig über die elektrische Steckverbindung, umfassend den Stecker 11 und den Gegenstecker 10, mit dem Anschluss 8 des Kompressors 2 verbunden. Der Stecker 11 weist elektrisch leitfähige Steckkontakte auf, von denen der Steckkontakt 42 beispielhaft bezeichnet ist. Der Gegenstecker 10 ist über eine elektrisch leitfähige Verbindung 34 mit dem Anschluss 8 verbunden. Die Verbindung 34 ist beispielsweise durch ein mehradriges Kabel gebildet.
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Die Leistungsendstufe 9 ist ausgebildet, beim Bestromen des Elektromotors 3 Verlustwärme zu erzeugen. Die Leistungsendstufe 9 ist mit einer Wärmesenke 15 wärmeleitend verbunden, sodass die Verlustwärme von der Leistungsendstufe 9 an die Wärmesenke 15 abgegeben werden kann.
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Die Wärmesenke 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel als insbesondere massiv ausgebildetes Metallstück, insbesondere Kupferstück, oder Aluminiumstück gebildet. Die Wärmesenke 15 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Führungsschlitten 43 auf, welcher im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist. Der trapezförmige Führungsschlitten 43 ist ausgebildet, entlang einer Einschubachse 35 in eine entsprechend trapezförmige Aussparung 18 einer Wärmesenke 16 eingeschoben zu werden.
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Der Wärmeleiter 16 ist mit dem Wärmepumpengehäuse 24 verbunden. Der Wärmeleiter 16 weist eine Koppelfläche 17 auf, welche eine Kontaktfläche zum wärmeleitenden trennbaren Kontaktieren der Wärmesenke 15 bildet.
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Die Wärmesenke 15 weist in diesem Ausführungsbeispiel rinnenförmige Aussparungen auf, welche entlang ihrer Längserstreckung parallel zueinander verlaufen und von denen die rinnenförmige Aussparung 19 beispielhaft bezeichnet ist. Die Wärmesenke 16 weist einen stegförmigen Vorsprungsbereich auf, welcher ausgebildet ist, in die rinnenförmige Aussparung 19 einzugreifen. Auf diese Weise wird durch die rinnenförmige Aussparung 19 eine große Koppelfläche 17 gebildet, welche eine gute Wärmeleitfähigkeit zum Empfangen der Verlustwärme der Leistungsendstufe 9, geleitet über die Wärmesenke 15, gewährleistet.
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Der Wärmeleiter 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Kühlkörper ausgebildet und weist Kühlrippen auf, von denen eine Kühlrippe 21 beispielhaft bezeichnet ist. Die Kühlrippen wie die Kühlrippe 21 verlaufen mit ihrer stegartigen Längserstreckung quer zur Einschubachse 35 und somit quer zu den stegförmigen Vorsprüngen wie dem Vorsprung 20.
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Der Wärmeleiter 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel in einen Luftstrom 22 eines Gebläses 14 eingebunden. Das Gebläse 14 ist mit einem Antriebsmotor, insbesondere Elektromotor 13 verbunden und kann von diesem angetrieben werden.
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Die Wärmepumpe 1 weist auch einen Wärmetauscher 44 auf, welcher zum Fluidführen einer Kühlflüssigkeit, im Folgenden auch Kühlmedium genannt, ausgebildet ist und welcher in einen Kühlkreislauf des Kompressors 2 eingebunden ist. Dazu ist der Wärmetauscher eingangsseitig über eine Fluidleitung 31 mit dem Kompressor 2 verbunden und ausgangsseitig über ein Drosselventil 28 mit einer Fluidleitung 29. Die Fluidleitung 29 ist mit einem Anschluss 32 für einen Verdampfer verbunden. Ein Anschluss 33 ist zum Verbinden mit dem Verdampfer ausgebildet und ist über eine Fluidleitung 30 mit dem Kompressor 2 verbunden.
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Das Kühlmedium ist beispielsweise ein zeotropes Kältemittel umfassend Difluormethan und Pentafluorethan, insbesondere R410a, oder Tetrafluorethan, auch R134a genannt.
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Das Gebläse 14 ist angeordnet und ausgebildet, Luft durch den Wärmetauscher 44 zu saugen oder zu blasen und den Luftstrom 22 zu erzeugen. Der Luftstrom 22 wird durch den Wärmeleiter 16, insbesondere die Rippen wie die Rippe 21, geführt und kann im weiteren Verlauf durch eine Öffnung 23 des Wärmepumpengehäuses 24 austreten.
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Gestrichelt dargestellt ist auch eine wärmeleitende Verbindung 27 zwischen dem Wärmeleiter 16 und einem Wärmetauscher 36, welcher mit der Fluidleitung 29 mit dem Anschluss 32 zum Verdampfer hin über die Verbindung 27 wärmeleitend verbunden ist. Die wärmeleitende Verbindung 27 kann beispielsweise durch ein Wärmeleitblech, insbesondere ein Kupferblech, einen Metallblock oder durch eine Heatpipe gebildet sein. So kann zusätzlich oder unabhängig von der Einbindung des Wärmeleiters 16 in den Luftstrom 22 des Gebläses 14 Wärme von dem Wärmeleiter 16 an den Kühlkreislauf, insbesondere an den Wärmetauscher 36, abgeführt werden.
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Eine Stirnseite 51 des Gehäuses 25, welche der Stirnseite mit dem Stecker 11 gegenüberliegt, schließt mit einer Wand des Wärmepumpengehäuses 24 beispielsweise bündig ab, so dass die Wand und die Stirnseite im eingeschobenen Zustand des Steuergeräts 12 in einer gemeinsamen Ebene verlaufen.
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Das Steuergerät 12 kann – wie am Beispiel des Steuergeräts 55 in 2 näher dargestellt – ein Display 45 und eine Benutzerschnittstelle 46 aufweisen. Die Benutzerschnittstelle 46 ist beispielsweise durch ein Tastenfeld oder einen Touch-Screen gebildet. Das Steuergerät 12 kann so alle wesentlichen elektronischen Komponenten der Wärmepumpe in dem Gehäuse 25 aufweisen. Große Leistungskomponenten wie der Kompressor 2 oder das Gebläse 14 sind in dem Wärmepumpengehäuse angeordnet. So kann die Steuereinheit beispielsweise zu Wartungs- oder Reparaturzwecken entnommen werden, so dass alle wesentlichen elektronischen Komponenten an einem anderen Ort gewartet, programmiert oder repariert werden können. Durch die trennbar ausgebildete wärmeleitfähige Schnittstelle, umfassend die Wärmesenke 1 und den Wärmeleiter 16 kann die Steuereinheit so vorteilhaft schnell entnommen werden, und im eingeschobenen Zustand die Verlustwärme an den Kühlkreislauf abgeben.
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Die in 1 dargestellte Wärmepumpe kann in Abhängigkeit der Flussrichtung des in den Fluidleitungen fließenden Kühlmediums am Wärmetauscher 44 Wärme aus der Umgebungsluft entnehmen oder an diese abgeben. Dazu sind die Fluidleitungen 29, 30 und 31 als bidirektionale Fluidleitungen gekennzeichnet. Der Luftstrom 22 ist ebenfalls bidirektional gekennzeichnet. Das Gebläse 14 mit dem Elektromotor 13 kann in Abhängigkeit der Flussrichtung des Kühlmediums – im Falle der Wärmeaufnahme am Wärmetauscher, so dass die Wärmepumpe als Heizgerät geschaltet ist – den Luftstrom 22 durch die Öffnung 23 und durch die Rippen 21 des Wärmeleiters 16 saugen, so dass die von der Leistungsendstufe, insbesondere Inverter erzeugte Verlustwärme zum Heizen genutzt werden kann. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe 1 kann so bei einem Heizmodus verbessert sein.
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2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine wärmeleitfähig und trennbar ausgebildete Verbindung zwischen einer Wärmesenke 15 des Einschubmoduls 25 und einem Wärmeleiter 38, welcher anstelle des Wärmeleiters 16 mit dem Wärmepumpengehäuse 24 in 1 verbunden sein kann, am Beispiel einer Steuereinheit 55, welche anstelle der Steuereinheit 12 Bestandteil der Wärmepumpe in 1 sein kann.
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Der Wärmeleiter 38 ist in diesem Ausführungsbeispiel als massiv ausgebildeter Aluminiumblock, Kupferblock oder Magnesiumblock gebildet. Der Wärmeleiter 38 weist zum Fluidführen ausgebildete Kanäle auf, von denen ein Kanal 37 beispielhaft bezeichnet ist. Der Wärmeleiter 38 weist eine Koppelfläche 39 auf, an welcher sich längs entlang der Einschubachse 35 erstreckende Stege wie der Steg 40 angeformt sind. Die Stege wie der Steg 40 erstrecken sich parallel zueinander beabstandet entlang der Einschubrichtung 35. Die Stege wie der Steg 40 sind im Querschnitt jeweils halbwellenförmig ausgebildet, sodass sich zwischen den Stegen eine halbwellenförmige Rinne erstreckt.
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Die Wärmesenke 15, welche beispielsweise als massiv ausgebildeter Aluminiumoder Kupferblock ausgebildet ist, weist in diesem Ausführungsbeispiel für jeden Steg wie den Steg 40 eine rinnenförmige Aussparung auf, von denen die rinnenförmige Aussparung 41 beispielhaft bezeichnet ist. Das Einschubmodul 25 kann so entlang der Einschubachse 35 nach Art eines Schlittens aus dem Gehäuseschacht, beispielsweise dem Gehäuseschacht 26 in 1, herausgezogen oder in den Gehäuseschacht 26 eingeschoben werden.
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Die zum Fluidführen ausgebildeten Kanäle wie der Fluidkanal 37 des Wärmeleiters 38 können beispielsweise mit der Fluidleitung 29 anstelle des Wärmetauschers 36 in den Kühlkreislauf der Wärmepumpe 1 eingebunden sein und so Verlustwärme, erzeugt durch den Leistungshalbleiter 9, an den Kühlkreislauf abgeben. Die Steuereinheit 55 weist eine Benutzerschnittstelle 46 und ein Display 45 auf. Das Display 45 ist beispielsweise durch ein LED-Display oder ein LCD-Display gebildet. Die Steuereinheit 55 weist auch eine Verarbeitungseinheit 47 auf, welche ausgangsseitig mit einem Display 45 über eine Verbindungsleitung 48 verbunden ist. Die Verarbeitungseinheit 47 ist ausgebildet, ein Statussignal eines Status der Wärmepumpe zu erzeugen und an das Display 45 zur sichtbaren Wiedergabe zu senden. Die Verarbeitungseinheit 47 ist eingangsseitig über eine Verbindungsleitung 49 mit der Benutzerschnittstelle 46 verbunden und ist ausgebildet, von der Benutzerschnittstelle ein Benutzerinteraktionssignal – beispielsweise erzeugt durch einen Tastendruck einer Taste der Benutzerschnittstelle – zu empfangen, und die Leistungsendstufe 9 in Abhängigkeit des Benutzerinteraktionssignals – beispielsweise zum Erzeugen einer dem Benutzerinteraktionssignal entsprechenden Kühlleistung – anzusteuern. Das Display 45 gibt beispielhaft eine eingestellte Kühlleistung von 25 Kilowatt wieder. Die Verarbeitungseinheit 47 ist beispielsweise durch ein ASIC (ASIC = Application-Specific-Integrated-Circuit), ein Mikrocontroller, Mikroprozessor oder ein FPGA (FPGA = Field-Programmable-Gate-Array).
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Die Verarbeitungseinheit 47 ist in diesem Ausführungsbeispiel auch mittels einer bidirektionalen Verbindung 52 mit einer Schnittstelle 53 verbunden. Die Schnittstelle 53 ist beispielsweise eine serielle Schnittstelle, insbesondere USB-Schnittstelle, oder ein KNX-Feldbus, so dass die Wärmepumpe 1 in ein elektronisches Gebäudenetzwerk eingebunden werden kann. Die Wärmepumpe 1 kann so über die Schnittstelle 53 programmiert oder gesteuert werden.
