DE102014200270A1

DE102014200270A1 - Verdichtereinrichtung, Steuergerät, Klimatisierungseinrichtung mit solch einer Verdichtereinrichtung sowie Verfahren zum Betrieb der Verdichtereinrichtung

Info

Publication number: DE102014200270A1
Application number: DE102014200270.2A
Authority: DE
Inventors: Robert De Bruin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2015-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichtereinrichtung für einen Wärmepumpenkreislauf, aufweisend einen Verdichter und eine Koppelstange sowie eine Antriebseinheit mit einer elektrischer Arbeitsmaschine und einer Brennkraftmaschine, wobei der Verdichter einen in einem Verdichterzylinder angeordneten Verdichterkolben umfasst, wobei der Verdichterkolben ausgebildet ist, ein Wärmeträgermedium des Wärmepumpenkreislaufs in dem Verdichterzylinder zu verdichten, wobei die elektrische Lineararbeitsmaschine einen Schlittenelement und einen Stator umfasst, wobei die Brennkraftmaschine als Freikolbenmaschine ausgebildet ist und wenigstens einen in einem Brennzylinder angeordneten Kolben umfasst, wobei die Koppelstange den Kolben der Brennkraftmaschine mit dem Schlitten und dem Verdichterkolben koppelt, um den Verdichterkolben, den Schlitten und den Kolben in einer gemeinsamen linearen Bewegung zu führen, wobei die Brennkraftmaschine und/oder die elektrische Arbeitsmaschine ausgebildet sind eine Verdichterenergie in die Koppelstange zum Verdichten des Wärmeträgermediums durch den Verdichterkolben einzuleiten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichtereinrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 5, ein Klimatisierungssystem gemäß Patentanspruch 11 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2010 018 318 A1 ist ein Kopplungssystem für eine Hybridenergieanlage bekannt. Die Hybridenergieanlage umfasst eine Wärmepumpenvorrichtung und eine Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung mit mindestes einer Kopplungseinrichtung zur Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung und der Kraft-Wärme-Kopplungseinrichtung. Die Kopplungseinrichtung weist eine elektrische Kopplungseinheit und/oder eine hydraulische Kopplungseinheit auf, die für eine Kopplung der Wärmepumpenvorrichtung der Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung schaltbar ausgeführt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Verdichtereinrichtung für einen Wärmepumpenkreislauf bereitzustellen. Ferner ist die Aufgabe, ein verbessertes Steuergerät für solch eine Verdichtereinrichtung sowie ein verbessertes Klimatisierungssystem mit solch einem Steuergerät und solch einer Verdichtereinrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinrichtung bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird mittels einer Verdichtereinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine verbesserte Verdichtereinrichtung für einen Wärmepumpenkreislauf dadurch bereitgestellt werden kann, dass die Verdichtereinrichtung einen Verdichter und eine Koppelstange sowie eine Antriebseinheit mit einer elektrischen Arbeitsmaschine und einer Brennkraftmaschine umfasst. Der Verdichter weist einen in einem Verdichterzylinder angeordneten Verdichterkolben auf. Der Verdichterkolben ist ausgebildet, ein Wärmeträgermedium des Wärmepumpenkreislaufs in dem Verdichterzylinder zu verdichten. Ferner umfasst die elektrische Arbeitsmaschine einen Schlitten und einen Stator. Die Brennkraftmaschine ist als Freikolbenmaschine ausgebildet und umfasst wenigstens einen in einem Brennzylinder angeordneten Kolben. Die Koppelstange koppelt den Kolben der Brennkraftmaschine mit dem Schlitten und/oder dem Verdichterkolben, um den Verdichterkolben und den Schlitten in dem Kolben in einer gemeinsamen linearen Bewegung zu führen. Die Brennkraftmaschine und/oder die elektrische Arbeitsmaschine sind ausgebildet, eine Verdichterenergie in die Koppelstange zum Verdichten des Wärmeträgermediums durch den Verdichterkolben einzuleiten.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein für einen Haushalt besonders kompaktes Klimatisierungssystem bereitgestellt werden kann, das sowohl zur Bereitstellung von elektrischer Energie, zur Bereitstellung von Warmwasser und zur Bereitstellung von Heizenergie geeignet ist. Insbesondere eignet sich die Verdichtereinrichtung durch ihre kompakte Ausgestaltung auch für eine Wandmontage.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Koppelstange ein erstes Längsende und ein zweites Längsende auf. An dem ersten Längsende der Koppelstange ist die Koppelstange mit dem Kolben der Brennkraftmaschine verbunden. An dem zweiten Längsende ist die Koppelstange mit dem Verdichterkolben verbunden. Zwischen den beiden Längsenden ist der Schlitten der elektrischen Arbeitsmaschine mit der Koppelstange verbunden. Dadurch wird eine besonders kompakte und besonders wärmetechnisch günstige Anordnung bereitgestellt. Insbesondere wird dadurch gewährleistet, dass die besonders warm werdende Brennkraftmaschine räumlich von dem Verdichter beabstandet ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Brennkraftmaschine und/oder die elektrische Arbeitsmaschine wenigstens einen Wärmetauscher auf, wobei der Wärmetauscher mit dem Wärmepumpenkreislauf verbindbar ist, wobei der Wärmetauscher ausgebildet ist, ein Wärmeträgermedium des Wärmepumpenkreislaufs zu erwärmen, vorzugsweise zu verdampfen. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine und/oder die elektrische Arbeitsmaschine zuverlässig gekühlt werden und eine Überhitzung der Antriebseinheit zuverlässig vermieden werden. Ferner kann die Abwärme der Brennkraftmaschine zur weiteren Erwärmung des Gebäudes genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Antriebseinheit und dem Verdichter eine Kupplung vorgesehen, wobei die Kupplung ausgebildet ist, die Antriebseinheit mit dem Verdichter selektiv schaltbar zu koppeln. Auf diese Weise kann der Verdichter von der Antriebseinheit entkoppelt werden und die elektrische Arbeitsmaschine sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb betrieben werden, um beispielsweise die durch die Brennkraftmaschine bereitgestellt mechanische Arbeit in elektrische Energie umzuwandeln. Dadurch kann die Antriebseinheit als Energiewandler benutzt werden.
Die Aufgabe wird aber auch durch ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass einverbessertes Steuergerät für eine oben beschriebene Verdichtereinrichtung dadurch bereitgestellt werden kann, dass das Steuergerät eine Erfassungseinrichtung und eine Steuereinrichtung umfasst. Die Erfassungseinrichtung ist mit der Steuereinrichtung verbunden. Die Steuereinrichtung ist mit einer Bedieneinheit des Wärmepumpenkreislaufs verbindbar. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, ein Leistungsanforderungssignal der Bedieneinheit für den Wärmepumpenkreislauf zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung mit der Brennkraftmaschine und/oder mit der elektrischen Arbeitsmaschine verbindbar und ausgebildet ist, eine Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine und/oder der elektrischen Arbeitsmaschine zur Durchführung einer linearen Bewegung der Koppelstange in Abhängigkeit des Leistungsanforderungssignals zu steuern. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Betriebsmoden der Verdichtereinrichtung einfach ausgebildet werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Steuergerät einen Speicher, wobei der Speicher mit der Steuereinrichtung verbunden ist. In dem Speicher ist wenigstens ein erster vordefinierter Schwellenwert abgelegt, der mit einer vordefinierten Leistungsanforderung für den Wärmepumpenkreislauf korrespondiert. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, das Leistungsanforderungssignal mit dem ersten Schwellenwert zu vergleichen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts die Brennkraftmaschine und die elektrische Arbeitsmaschine zur Bereitstellung einer Verdichterleistung zu aktivieren. Auf diese Weise können die Brennkraftmaschine und die elektrische Arbeitsmaschine mit geringer Leistung ausgestattet werden, sodass bei hohen Leistungsanforderungen durch die Addition ihrer beiden Antriebsleistungen die notwendige Verdichterleistung immer noch erbringbar ist. Dadurch kann die Verdichtereinheit besonders kompakt, leicht und kostengünstig ausgebildet werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Steuergerät eine Schnittstellenanbindung, wobei die Schnittstellenanbindung mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Die Schnittstellenanbindung ist mit einem Datenbanksystem verbindbar, wobei die Schnittstellenanbindung ausgebildet ist, ein Tarifsignal des Datenbanksystems zu erfassen und der Steuereinrichtung bereitzustellen. In dem Speicher ist ein zweiter Schwellenwert abgelegt, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das Tarifsignal mit dem zweiten Schwellenwert zu vergleichen, um die Brennkraftmaschine und die elektrische Arbeitsmaschine in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs des Tarifsignals mit dem zweiten Schwellenwert anzusteuern. Auf diese Weise kann jeweils die kostengünstigste Energiequelle zum Betrieb des Verdichters genutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung des Steuergeräts mit der Kupplung verbindbar. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, ein Schaltsignal zur Steuerung eines Schaltzustands der Kupplung bereitzustellen. Die Erfassungseinrichtung ist ausgebildet, ein Betriebsmodussignal der Bedieneinheit zu erfassen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das Schaltsignal zur Steuerung der Kupplung in Abhängigkeit des Betriebsmodussignals bereitzustellen. Auf diese Weise kann einfach die Antriebseinheit von dem Verdichter entkoppelt werden beziehungsweise je nach Betriebsmodusund Leistungsanforderung die Kupplung geschalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung mit der elektrischen Arbeitsmaschine verbindbar, wobei die Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, eine Position des Schlittens bezogen auf einen Verfahrweg des Schlittens zu ermitteln und der Steuereinrichtung ein korrespondierend zur Position des Schlittens entsprechendes Positionssignal bereitzustellen. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, das Positionssignal zu erfassen und die elektrische Arbeitsmaschine in Abhängigkeit des Positionssignals anzusteuern. Auf diese Weise kann beispielsweise die Brennkraftmaschine gestartet werden und/oder auf Gas oder andere Federn verzichtet werden, da die Federfunktion über eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Arbeitsmaschine zum Betrieb der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ausgebildet, die Brennkraftmaschine zu aktivieren, wobei die Steuereinrichtung die elektrische Arbeitsmaschine in Abhängigkeit der Position des Schlittens derart aktiviert, dass die elektrische Arbeitsmaschine eine Gegenkraft zu einer Kolbenkraft des Kolbens der Brennkraftmaschine bereitstellt, um eine Bewegung des Schlittens vor Erreichen einer Endposition abzubremsen. Auf diese Weise werden Anschlagsgeräusche des Schlittens an einen möglichen Anschlag des Schlittens reduziert beziehungsweise vermieden.
Die Aufgabe wird aber auch durch ein Klimatisierungssystem gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein verbessertes Klimatisierungssystem mit einer Verdichtereinrichtung, wie oben beschrieben, und einem Wärmepumpenkreislauf dadurch bereitgestellt werden kann, dass der Wärmepumpenkreislauf einen ersten Wärmetauscher, eine Expansionseinrichtung und einen zweiten Wärmetauscher umfasst. Der erste Wärmetauscher ist mit einer Ausgangsseite des Verdichters und der Expansionseinrichtung zur Ausbildung eines Hochdruckbereichs fluidisch verbunden. Der zweite Wärmetauscher ist mit einer Eingangsseite des Verdichters und der Expansionseinrichtung zur Ausbildung eines Niederdruckbereichs fluidisch verbunden. Der Hochdruckbereich und der Niederdruckbereich sind mit einem Wärmeträgermedium füllbar. Der Wärmetauscher der Brennkraftmaschine und/oder der elektrischen Arbeitsmaschine ist mit dem Niederdruckbereich fluidisch verbunden und ebenso mit dem Wärmeträgermedium füllbar. Der Wärmetauscher der Brennkraftmaschine und/oder der elektrischen Arbeitsmaschine ist ausgebildet, eine Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine und/oder der elektrischen Arbeitsmaschine abzuführen und das Wärmeträgermedium zu erwärmen, vorzugsweise zumindest teilweise zu verdampfen. Auf diese Weise wird ein besonders effizientes Klimatisierungssystem bereitgestellt, und gleichzeitig die Brennkraftmaschine und die elektrische Arbeitsmaschine besonders effizient gekühlt. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Klimatisierungssystems weiter erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Klimatisierungssystem ein oben beschriebenes Steuergerät, wobei die Steuereinrichtung des Steuergeräts mit der Brennkraftmaschine und der elektrischen Arbeitsmaschine verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Brennkraftmaschine und/oder die elektrische Arbeitsmaschine anzusteuern.
Die Aufgabe wird aber auch durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein verbessertes Verfahren zum Betrieb der oben beschriebenen Verdichtereinrichtung dadurch bereitgestellt werden kann, dass ein Leistungsanforderungssignal erfasst wird, wobei das Leistungsanforderungssignal mit einem ersten vordefinierten Schwellenwert verglichen wird, wobei bei einem Überschreiten des ersten Schwellenwerts die Brennkraftmaschine und die elektrische Arbeitsmaschine zur gemeinsamen Bereitstellung einer Verdichterleistung aktiviert werden. Dadurch kann eine Spitzenlast zur Bereitstellung von Wärmeenergie für Warmwasseraufbereitung und/oder dem Heizkreislauf eines Gebäudes auf einfache Weise durch die Brennkraftmaschine und die elektrische Arbeitsmaschine bereitgestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Klimatisierungssystems; und
2 ein Ablaufdiagramm des Klimatisierungssystems.
1 zeigt ein Klimatisierungssystem 10 mit einem Wärmepumpenkreislauf 15 und einem Steuergerät 20. Der Wärmepumpenkreislauf 15 umfasst eine Verdichtereinrichtung 25. Die Verdichtereinrichtung 25 weist einen in 1 beispielhaft rechtsseitig angeordneten Verdichter 30, eine elektrische Arbeitsmaschine 35 und eine Brennkraftmaschine 40 auf. Die elektrische Arbeitsmaschine 35 und die Brennkraftmaschine 40 bilden zusammen eine Antriebseinheit 41 zur Bereitstellung einer Verdichterleistung für den Verdichter 30 aus. Die elektrische Arbeitsmaschine 35 ist beispielhaft zwischen dem Verdichter 30 und der Brennkraftmaschine 40 angeordnet. Der Verdichter 30, die elektrische Arbeitsmaschine 35 und die Brennkraftmaschine 40 weisen ein gemeinsames Gehäuse 45 auf.
Der Verdichter 30 weist einen Verdichterzylinder 50 und einen Verdichterkolben 55 auf. Der Verdichterzylinder 50 und der Verdichterkolben 55 begrenzen einen Verdichterraum 60, wobei der Verdichterzylinder 50 durch einen Abschnitt des Gehäuses 45 ausgebildet wird. Der Verdichterzylinder 50 weist ein erstes Längsende 65 und ein zweites Längsende 70 auf, wobei das zweite Längsende 70 des Verdichterraums 60 durch den Verdichterkolben 55 begrenzt wird. Das erste Längsende 65 des Verdichterraums 60 wird durch das Gehäuse 45, das den Verdichterzylinder 50 aufweist, begrenzt. Ferner weist der Verdichter 30 einen Verdichtereinlass 75 und einen Verdichterauslass 80 auf. Der Verdichtereinlass 75 und der Verdichterauslass 80 sind angrenzend an das erste Längsende 65 des Verdichterraums 60 angeordnet und münden in den Verdichterraum 60. Rückseitig, auf einer zum Verdichterraum 60 abgewandten Seite, ist der Kolben 55 mit einem ersten Koppelstangenabschnitt 85 einer Koppelstange 90 an einem ersten Längsende 91 der Koppelstange 90 verbunden. Der erste Koppelstangenabschnitt 85 ist dabei durch eine erste Öffnung 95 einer ersten Gehäusetrennwand 100 des Gehäuses 45 geführt. Die erste Gehäusetrennwand 100 begrenzt dabei linksseitig den Verdichter 30 gegenüber der elektrischen Arbeitsmaschine 35.
Die elektrische Arbeitsmaschine 35 ist als Linearmaschine ausgebildet, und weist einen Schlitten 105 und einen Stator 110 auf. Der Stator 110 ist umfangsseitig außerhalb des Gehäuses 45 angeordnet, kann jedoch auch innenseitig des Gehäuses 45 angeordnet sein. Der Stator 110 weist eine Vielzahl von Spulen 115 zur Bereitstellung eines elektromagnetischen Feldes auf. Ferner sind im dem Stator 110 auch (Permanent-)Magnete 120 vorgesehen, die ein magnetisches Feld bereitstellten. Das von den Magneten 120 bereitgestellte Magnetfeld (in 1 strichliert dargestellt) wird über das Gehäuse 45 in den Schlitten 105 eingeleitet. Auch ist denkbar, dass die Magnete 120 und/oder die Spule 115 in dem Schlitten 105 angeordnet ist.
Der Schlitten 105 ist an seinem ersten Längsende 125 mit dem ersten Koppelstangenabschnitt 85 verbunden. An dem ersten Koppelstangenabschnitt 85 ist ferner eine schaltbare Kupplung 130 vorgesehen, die die Verbindung zwischen dem Verdichterkolben 55 und dem Schlitten 105 öffnen und schließen kann, sodass im geöffneten Zustand keine Kraftübertragung zwischen dem Schlitten 105 und dem Verdichterkolben 55 beziehungsweise in geschlossenem Zustand der Kupplung 130 eine Kraftübertragung zwischen dem Schlitten 105 und dem Verdichterkolben 55 erfolgt. Die Kupplung 130 kann beispielsweise als schaltbare elektrische Kupplung ausgebildet sein. Linksseitig in 1 ist der Schlitten 105 an seinem zweiten Längsende 131 mit einem zweiten Koppelstangenabschnitt 135 der Koppelstange 90 verbunden. Ferner ist auch linksseitig des Schlittens 105 eine zweite Gehäusetrennwand 136 vorgesehen, die linksseitig die elektrische Arbeitsmaschine 35 begrenzt. Die zweite Gehäusetrennwand 136 weist eine zweite Öffnung 140 auf, durch die der zweite Koppelstangenabschnitt 135 geführt ist. In der Ausführungsform ist die Koppelstange 90 durch den Schlitten 105 geführt. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Koppelstange 90 zweiteilig mit den beiden Koppelstangenabschnitten 85, 135 ausgeführt ist.
Die Brennkraftmaschine 40 ist in der Ausführungsform linksseitig der zweiten Gehäusetrennwand 136 angeordnet. Die Brennkraftmaschine 40 weist eine Brennstoffversorgung 145 auf. Die Brennstoffversorgung 145 umfasst einen Brennstoffbehälter 150. Der Brennstoffbehälter 150 kann beispielsweise als Gastank oder als Flüssigkeitstank ausgebildet sein. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass der Brennstoffbehälter 150 bei einem Versorgungsunternehmen vorgesehen ist, das über Leitungen eine Brennstoffversorgungen 145 von einzelnen Haushalten gewährleistet. Der Brennstofftank 150 ist über eine erste Leitung 155 mit einer Brennstoffsteuereinrichtung 160 verbunden. Die Brennstoffsteuereinrichtung 160 ist über eine zweite Leitung 165 mit einem Spüleinlass 170 verbunden.
Die Brennkraftmaschine 40 weist ferner einen Brennzylinder 175 auf, der in der Ausführungsform durch einen Teilabschnitt des Gehäuses 45 ausgebildet ist. In dem Brennzylinder 175 ist ferner ein Kolben 180 vorgesehen, der mit dem zweiten Koppelstangenabschnitt 135 an einem zweiten Längsende 176 der Koppelstange 90 verbunden ist. Zwischen der zweiten Gehäusetrennwand 136 und dem Kolben 180 wird in dem Brennzylinder eine Spülkammer 185 begrenzt. Die Spülkammer 185 ist dabei mit dem Spüleinlass 170 verbunden. Linksseitig des Kolbens 180 begrenzt der Kolben 180 zusammen mit dem Gehäuse 45 und dem Brennzylinder 175 eine Brennkammer 190, wobei die Brennkammer 190 über eine dritte Leitung 195 mit der Spülkammer 185 verbunden ist. Die Brennkammer 190 weist im Bereich eines auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens 180 angeordneten Längsendes des Brennzylinders 175 einen Auslass 200 auf, der mit einem Auslasssystem 201 verbunden ist. Das Auslasssystem 201 kann beispielsweise einen Schalldämpfer 202 aufweisen.
In der Ausführungsform ist die Verdichtereinrichtung 25 jeweils mit einem Verdichterkolben 55 und einem Kolben 180 der Brennkraftmaschine 40 ausgestaltet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass mehrere Verdichterkolben 55 und/oder mehrere Kolben 180 der Brennkraftmaschine 40 vorgesehen sind. Selbiges gilt auch für eine Anzahl von Schlitten 105 der elektrischen Arbeitsmaschine 35. Auch wird darauf hingewiesen, dass die in 1 gezeigte Anordnung der Brennkraftmaschine 40 der elektrischen Arbeitsmaschine 35 und des Verdichters 30 beispielhaft ist. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass der Verdichter 30, die elektrische Arbeitsmaschine 35 und die Brennkraftmaschine 40 in anderer Konstellation über die Koppelstange 90 miteinander gekoppelt sind.
Der Wärmepumpenkreislauf 15 weist neben dem Verdichter 30 einen ersten Wärmetauscher 205 und einen zweiten Wärmetauscher 210 auf. Zwischen dem ersten Wärmetauscher 205 und dem Verdichter 30 ist ein erstes Rückschlagventil 215 vorgesehen. Das erste Rückschlagventil 215 ist über eine vierte Leitung 220 mit dem Verdichterauslass 80 verbunden. Ferner ist das erste Rückschlagventil 215 über eine fünfte Leitung 225 mit dem ersten Wärmetauscher 205 verbunden. Der erste Wärmetauscher 205 ist ausgangsseitig über eine sechste Leitung 230 mit einer Expansionseinrichtung, die als Expansionsventil 235 ausgebildet ist, verbunden. Der Verdichter 30 bildet zusammen mit der vierten Leitung, der fünften Leitung und der sechsten Leitung 220, 225, 230 sowie dem ersten Wärmetauscher 205 einen Hochdruckbereich 240 aus.
Das Expansionsventil 235 ist über eine siebte Leitung 245 mit dem zweiten Wärmetauscher 210 verbunden. Ausgangsseitig des zweiten Wärmetauschers 210 ist der zweite Wärmetauscher 210 über eine achte Leitung 250 mit einem zweiten Rückschlagventil 255 verbunden. Die siebte, achte und neunte Leitung 245, 250, 260 bilden zusammen mit dem zweiten Rückschlagventil 255 und dem zweiten Wärmetauscher 210 einen Niederdruckbereich 265. Sowohl im Hochdruckbereich 240 als auch im Niederdruckbereich 265 ist ein Wärmeträgermedium 270 vorgesehen. Das erste Rückschlagventil 215 ist derart ausgebildet, dass das erste Rückschlagventil 215 eine Strömung von der vierten Leitung 220 in die fünfte Leitung 225 bei einem Überschreiten eines vordefinierten Solldrucks durch das Wärmeträgermedium 270 erlaubt. Das erste Rückschlagventil 215 blockiert jedoch eine Strömung des Wärmeträgermediums 270 vom ersten Wärmetauscher 205 über die fünfte Leitung 225 in die vierte Leitung 220.
Das zweite Rückschlagventil 255 erlaubt eine Strömung des Wärmeträgermediums 270 von dem zweiten Wärmetauscher 210 in Richtung des Verdichtereinlasses 75. Es blockiert jedoch eine Strömung des Wärmeträgermediums 270 von dem Verdichtereinlass 75 hin zum zweiten Wärmetauscher 210. Die beiden Rückschlagventile 215, 255 sind notwendig, um einen gezielten Strom des Wärmeträgermediums 270 in dem Wärmepumpenkreislauf 15 zu erzielen, und eine Rückströmung des Wärmeträgermediums 270 über den Verdichterraum 60 zu blockieren.
Zusätzlich kann ein dritter Wärmetauscher 275 und gegebenenfalls ein vierter Wärmetauscher 280 vorgesehen sein, wobei der dritte Wärmetauscher 275 beispielsweise an dem Stator 110 angeordnet ist. Der vierte Wärmetauscher 280 ist außenseitig des Gehäuses 45 an die Brennkammer 190 angrenzend vorgesehen. Der dritten Wärmetauscher 275 ist mittels einer zehnten Leitung 285 mit der siebten Leitung 245 oder alternativ der achten Leitung 250 verbunden. Ausgangsseitig ist der dritte Wärmetauscher 275 mittels einer elften Leitung 290 mit dem vierten Wärmetauscher 280 verbunden. Der vierte Wärmetauscher 280 ist mittels einer zwölften Leitung 295 mit der siebten Leitung 245 oder der achten Leitung 250 verbunden.
Es wird darauf hingewiesen, dass auf den dritten und/oder vierten Wärmetauscher 275, 280 verzichtet werden kann oder nur einer der beiden Wärmetauscher 275, 280 vorgesehen ist.
Das Steuergerät 20 weist eine Steuereinrichtung 300, eine Erfassungseinrichtung 305, eine Schnittstellenanbindung 310 sowie einen Speicher 315 auf. Die Steuereinrichtung 300 ist über eine erste Verbindung 320 mit der Erfassungseinrichtung 305 verbunden. Ferner ist die Steuereinrichtung 300 über eine zweite Verbindung 325 mit dem Speicher 315 und über eine dritte Verbindung 330 mit der Schnittstellenanbindung 310 verbunden. Die Steuereinrichtung 300 ist über eine vierte Verbindung 335 mit einer Bedieneinheit 340 verbunden. Mittels der Bedieneinheit 340 kann ein Benutzer des Klimatisierungssystems 10 unterschiedliche Betriebsmoden des Klimatisierungssystems 10 auswählen oder eine Leistungsanforderung an das Klimatisierungssystem 10 einstellen. Die Erfassungseinrichtung 305 ist ferner über eine fünfte Verbindung 345 mit dem Stator 110, insbesondere mit der Spule 115, verbunden. Die Steuereinrichtung 300 ist über eine sechste Verbindung 350 mit der Brennstoffsteuereinrichtung 160 verbunden. Ferner ist die Steuereinrichtung 300 über eine siebte Verbindung 355 mit der Spule 115 verbunden. Über eine achte Verbindung 360 ist die Steuereinrichtung 300 mit der Kupplung 130 verbunden. Die Schnittstellenanbindung 310 ist über eine neunte Verbindung 362 mit einem Datenbanksystem 365 verbunden. Das Datenbanksystem 365 kann beispielsweise auf einem Zentralrechner angelegt sein, der über die neunte Verbindung 362 mit dem der Steuereinrichtung 300 verbunden ist.
Um das Wärmeträgermedium 270 in dem Verdichterraum 60 mittels des Verdichterkolbens 55 zu komprimieren, wird eine Verdichterleistung an den Verdichterkolben 55 benötigt. Die Verdichterleistung wird je nach Fallkonstellation bzw. durch den Benutzer ausgewähltem Betriebsmodus des Klimatisierungssystems 10, wie später in 2 erläutert, durch die elektrische Arbeitsmaschine 35 und/oder die Brennkraftmaschine 40 bereitgestellt. Die Verdichterleistung wird bei einem ausschließlichen Betrieb der elektrischen Arbeitsmaschine 35, bei der die Brennkraftmaschine 40 deaktiviert ist, nur durch die elektrische Arbeitsmaschine 35 durch die bekannte Arbeitsweise eines elektrischen Linearmotors, wie die elektrische Arbeitsmaschine 35, wie oben beschrieben ausgebildet ist, bereitgestellt. Dabei führt der Schlitten 105 innerhalb des Gehäuses 45 eine Linearbewegung zwischen zwei Endpunkten, die in der Ausführungsform durch die Gehäusetrennwänden 100, 136 dargestellt sind, durch.
Ist die Kupplung 130 geschlossen, wird die Verdichterleistung von der elektrischen Arbeitsmaschine 35 über den ersten Koppelstangenabschnitt 85 an den Verdichterkolben 55 weitergeleitet, der ebenso eine lineare Hin- und Herbewegung in dem Verdichterzylinder 50 vollzieht. Dabei wird ein Volumen des Verdichterraums 60 variiert, wobei über den Verdichtereinlass 75 das Wärmeträgermedium 270 in den Verdichterraum 60 gesaugt wird und nach einer Kompression, also nach einer Bewegung in 1 nach rechts, über den Verdichterauslass 80 aus dem Verdichterraum 60 gepresst wird.
Wird das Wärmeträgermedium 270 in dem Verdichterraum 60 hinreichend stark komprimiert, öffnete das erste Rückschlagventil 215 und lässt das komprimierte Wärmeträgermedium 270 in den ersten Wärmetauscher 205 einströmen. Im ersten Wärmetauscher 205 gibt das Wärmeträgermedium 270 eine Wärmeenergie q_A ab. Aufgrund der Abgabe von Wärmeenergie ist der erste Wärmetauscher 205 entweder in einem Raum eines Gebäudes angeordnet oder mit einem Heizkreislauf eines Gebäudes verbunden, wobei der Heizkreislauf die abgegebene Wärmeenergie q_A aufnimmt. Der erste Wärmetauscher 205 dient dabei als Kondensator, in dem das Wärmeträgermedium 270 kondensiert. Das zum Teil flüssige Wärmeträgermedium 270 wird über die sechste Leitung 230 zum Expansionsventil 235 geführt. Das Expansionsventil 235 sorgt dafür, dass das Wärmeträgermedium 270 nach dem Expansionsventil 235 einen geringeren Druck aufweist. Über die siebte Leitung 245 wird das Wärmeträgermedium 270 entweder wie oben beschrieben zum dritten und anschließend zum vierten Wärmetauscher 275, 280 und dann zum zweiten Wärmetauscher 210 geführt oder, falls auf den dritten und/oder vierten Wärmetauscher 275, 280 verzichtet werden sollte, direkt zum zweiten Wärmetauscher 210 geführt. Der zweite Wärmetauscher 210 dient als Verdampfer des Wärmeträgermediums 270. Der zweite Wärmetauscher 210 ist üblicherweise in einer Umgebung des Gebäudes angeordnet, oder mit einer Soleleitung oder mit einer Grundwasserleitung verbunden, sodass über den zweiten Wärmetauscher 210 dem Wärmeträgermedium 270 eine Wärmeenergie q_Z zugeführt werden kann. Das Wärmeträgermedium 270 strömt über die achte Leitung 250 zum zweiten Rückschlagventil 255. Bewegt sich der Verdichterkolben 55 in 1 nach links, wird das Wärmeträgermedium 270 über das zweite Rückschlagventil 255 und dem Verdichtereinlass 75 in den Verdichterraum 60 angesaugt. Bewegt sich der Verdichterkolben 55 nach rechts, also wird das Volumen des Verdichterraums 60 verkleinert und gleichzeitig das Wärmeträgermedium 270 verdichtet, so verhindert das zweite Rückschlagventil 255 ein Ausströmen aus dem Verdichterraum 60 in Richtung des zweiten Wärmetauschers 210. Dabei wird das Wärmeträgermedium 270 in dem Verdichterraum 60 komprimiert und strömt, wie oben erläutert, nach Überschreiten eines vordefinierten Druckes über das erste Rückschlagventil 215 in den ersten Wärmetauscher 205, sodass der Wärmepumpenkreislauf 15 geschlossen ist.
Die Verdichterleistung kann aber auch zusätzlich oder alternativ zu der elektrischen Arbeitsmaschine 35 durch die Brennkraftmaschine 40 dem Verdichter 30 bereitgestellt werden.
In der Ausführungsform wird die Brennkraftmaschine 40 beispielhaft mit einem Flüssigtreibstoff, der in dem Brennstoffbehälter 150 angeordnet ist, betrieben. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Brennkraftmaschine 40 anders ausgebildet ist. Aus dem Brennstoffbehälter 150 wird der Brennstoff über die erste Leitung 155 zur Brennstoffsteuereinrichtung 160 gefördert. Die Brennstoffsteuereinrichtung 160 ist in der Ausführungsform ausgebildet, eine Einspritzung zu steuern. Über die zweite Leitung 165 wird der Brennstoff beispielsweise zusammen mit Luft in die Spülkammer 185 angesaugt. Das Ansaugen erfolgt dann, wenn der Kolben 180 in 1 nach links bewegt wird, und ein Volumen der Spülkammer 185 vergrößert wird. Aus der Spülkammer 185 wird der Brennstoff bei einer Bewegung des Kolbens 180 nach rechts und einem gleichzeitigen Verdichten des Wärmeträgermediums 270 in dem Verdichterraum 60 aus der Spülkammer 185 über die dritte Leitung 195 in die Brennkammer 190 gefördert. Nach einem Verdichten des Brennstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer 190 durch eine linksseitige Bewegung des Kolbens 180 wird das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 190 entzündet, sodass durch einen durch die Verbrennung ansteigenden Druck der Kolben 180 nach rechts gedrückt wird. Dabei drückt der Kolben 180 über die Koppelstange 90 ebenso den Verdichterkolben 55 nach rechts, sodass der Verdichterraum 60 ebenfalls verkleinert wird, und das Wärmeträgermedium 270 komprimiert und bei Überschreiten des Solldrucks über das erste Rückschlagventil 215 in den ersten Wärmetauscher 205 gefördert wird. In einem letzten Arbeitstakt wird bei einer Bewegung von rechts nach links durch den Kolben 180 der verbrannte Brennstoff über den Auslass 200 aus der Brennkammer 190 gefördert.
Durch die Ausgestaltung der Verdichtereinrichtung 25 kann ein besonders kostengünstiges und einfach ausgebildetes Klimatisierungssystem 10 bereitgestellt werden, wobei die Verdichtereinrichtung 25 beispielsweise in einer Wandmontage besonders platzsparend und leicht in einem Gebäude installiert werden kann. Ferner können durch die Ausgestaltung der Verdichtereinrichtung 25 zum Betrieb des Wärmepumpenkreislaufs 15 unterschiedliche Energiestoffe genutzt werden, sodass dem Nutzer ein besonders zukunftssicheres und autarkes Klimatisierungssystem 10 bereitgestellt werden kann.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm für das in 1 gezeigte Klimatisierungssystem 10. Dabei ist bei einer Abfrage einer Bedingung, in 2 mittels eines Rautensymbols dargestellt, eine Erfüllung der Bedingung mittels eines Hakens und eine Nichterfüllung der Bedingung mittels eines Kreuzchens symbolisiert. Ein generatorischer Betrieb der elektrischen Arbeitsmaschine ist in 2 symbolisch mit E (G), ein motorische Betrieb mit E (E) und eine deaktivierte elektrische Arbeitsmaschine mit E (0) markiert. Eine aktivierte Brennkraftmaschine ist in 2 mit B dargestellt.
In einem ersten Verfahrensschritt 400 wird mittels der Bedieneinheit 340 ein Betriebsmodus und/oder eine Leistungsanforderung an das Klimatisierungssystem 10 durch den Benutzer des Klimatisierungssystems 10 eingestellt. Der Betriebsmodus entspricht dabei einer Auswahl einer Art der Bereitstellung der Verdichterleistung für den Verdichter 30 durch die Antriebseinheit und ob zusätzlich oder alternativ elektrische Energie mittels der Antriebseinheit 41 hergestellt werden soll. Auch ist denkbar, dass mit einer Festlegung des Betriebsmodus ferner eingestellt werden kann ob der Wärmepumpenkreislauf 15 zum Beheizen oder Kühlen des Gebäudes genutzt wird.
Die Bedieneinheit 340 stellt ein, korrespondierend zu der vom Nutzer eingestellten Leistungsanforderung, ein entsprechendes Leistungsanforderungssignal L_A der Steuereinrichtung 300 bereit. Ferner stellt die Bedieneinheit 340 ein korrespondierend zum ausgewählten Betriebsmodus der Verdichtereinrichtung 25 korrespondierendes Betriebsmodussignal B_M der Steuereinrichtung 300 bereit. Ferner wird über die Schnittstellenanbindung ein Tarifsignal T_i von dem Datenbanksystem 365 der Steuereinrichtung 300 bereitgestellt. Das Tarifsignal T_i enthält eine Information über einen aktuellen Preis für elektrische Energie, die notwendig ist, um die elektrische Arbeitsmaschine 35 zu betreiben. Im ersten Verfahrensschritt 400 wird von der Steuereinrichtung 300 das Leistungsanforderungssignal L_A das Betriebsmodussignal B_M und das Tarifsignal T_i erfasst.
In einem zweiten Verfahrensschritt 405 überprüft die Steuereinrichtung 300, ob überhaupt eine Leistungsanforderung über das Leistungsanforderungssignal L_A vorliegt. Liegt keine Leistungsanforderung vor, also wird der Wärmepumpenkreislauf 15 weder zur Beheizung von Räumen noch zur Erwärmung von Warmwasser benötigt und ist somit deaktiviert, so wird mit dem dritten Verfahrensschritt 410 fortgefahren. Liegt eine Leistungsanforderung vor, ist also das Leistungsanforderungssignal L_A ungleich 0, wird mit dem vierten Verfahrensschritt 415 fortgefahren.
Im dritten Verfahrensschritt 410 überprüft die Steuereinrichtung 300, ob der Betriebsmodus zur Herstellung von elektrischer Energie mittels der elektrischen Arbeitsmaschine 35 über das Betriebsmodussignal B_M durch den Benutzer eingestellt wurde. Hat der Benutzer nicht den generatorischen Betrieb der elektrischen Arbeitsmaschine 35, im Flussdiagramm mittels E (G) signalisiert, gewählt, so wird die Verdichtereinheit 25 und auch die Antriebseinheit 41 durch die Steuereinrichtung 300 in einem fünften Verfahrensschritt 420 deaktiviert.
Erfasst die Steuereinrichtung 300 das Betriebsmodussignal B_M, das mit einem generatorischen Betrieb der elektrischen Arbeitsmaschine 35 korrelliert, so fährt die Steuereinrichtung 300 mit dem sechsten Verfahrensschritt 425 fort. Dabei stellt die Steuereinrichtung 300 der Brennstoffsteuereinrichtung 160 ein Steuersignal bereit, das die Brennstoffsteuereinrichtung 160 erfasst, wobei mittels des Steuersignals die Brennkraftmaschine 40 aktiviert wird. Die Brennkraftmaschine 40 ist in der Ausführungsform als Freikolbenmaschine ausgebildet und führt mittels des Kolbens 180 im Brennzylinder 175 eine lineare oszillierende Bewegung aus. Die oszillierende Bewegung wird mittels des zweiten Koppelstangenabschnitts 15 auf den Schlitten 105 übertragen, so dass dieser ebenso eine oszillierende Bewegung ausführt. Durch das in dem Schlitten 105 induzierte Magnetfeld der Magnete 120 wird in den Spulen 115 ein elektrischer Strom induziert, so dass die elektrische Arbeitsmaschine 35 im generatorischen Betrieb die mittels der Brennkraftmaschine 40 bereitgestellte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Ferner steuert die Steuereinrichtung 300 die Kupplung 130 mittels eines Schaltsignals derart an, dass ein Schaltzustand der Kupplung 130 ein geöffneter Zustand ist, und der Verdichter 30 von der Antriebseinheit 41 entkoppelt ist. Auf diese Weise wird eine Bereitstellung der Verdichterleistung an den Verdichter 30 vermieden. Die erzeugte elektrische Energie kann beispielsweise in ein Hausstromnetz eingespeist werden, um autark das Haus mittels elektrischer Energie zu versorgen.
Um die oszillierende Bewegung des Kolbens 180 im Brennzylinder 175 zu gewährleisten, werden bei üblichen Freikolbenmaschinen Federelemente vorgesehen. In der Ausführungsform ist auf Federelemente verzichtet, da die Erfassungseinrichtung 305 mit dem Stator 110 verbunden ist. In dem Stator 110 können beispielsweise Sensoren zur Bestimmung der Position des Schlittens 105 vorgesehen sein. Alternativ ist denkbar, dass mittels der Spule 115 eine Position des Schlittens 105 zwischen den Gehäusetrennwandabschnitten 100, 136 erfasst wird. Die Erfassungseinrichtung 305 stellt die ermittelte Position als Positionssignal der der Steuereinrichtung 300 bereit. Die Steuereinrichtung 300 erfasst das Positionssignal. Befindet sich der Schlitten 105 im Bereich einer vordefinierten Position, beispielsweise im Bereich kurz vor einem Anschlagen an der Gehäusetrennwand 100, 136, so wird auf die Spule 115 ein Stromimpuls gelegt, der eine Gegenkraft F_G bereitgestellt wird. Die Gegenkraft F_G dient dazu, den Schlitten 105 vor dem Anschlagen an der Gehäusetrennwand 100, 136 abzubremsen, und nach Erreichen eines Stillstands des Schlittens 105 in die entgegengesetzte Richtung zu beschleunigen.
So kann beispielsweise nach Zündung des Brennstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer 190 und der Bereitstellung einer Brennkraft F_B der Kolben 180 nach rechts in Richtung des Verdichters 30 gedrückt werden. Dabei wird sowohl der Kolben 180 als auch der Schlitten 105 nach rechts gedrückt und beschleunigt. Erfasst die Steuereinrichtung 300, dass der Schlitten 105 kurz vor dem Anschlagen an der ersten Gehäusetrennwand 100 ist, so wird wie oben beschrieben die Gegenkraft F_G aufgebaut und der Schlitten 105 zusammen mit dem Kolben 180 abgebremst. Um den letzten Verfahrensschritt des Brennvorgangs durchzuführen, hält die Steuereinrichtung 300 die Gegenkraft F_G aufrecht, sodass der Schlitten 105 den Kolben 180 nach links drückt und der Ausstoßhub durchgeführt wird. Dadurch kann ferner die Spülkammer 185 befüllt werden.
Im Speicher 315 ist ein erster Schwellenwert S₁ abgelegt. Der erste Schwellenwert S₁ korrespondiert dabei mit einer vordefinierten Leistungsanforderung an den Wärmepumpenkreislauf 15. In einem siebten Verfahrensschritt 430 vergleicht die Steuereinrichtung 300 das Leistungsanforderungssignal L_A mit dem ersten Schwellenwert S₁. Ist die Bedingung des vierten Verfahrensschritts 415, dass das Leistungsanforderungssignal L_A kleiner dem ersten vordefinierten Schwellenwert S₁ ist, nicht erfüllt, so fährt die Steuereinrichtung 300 mit dem siebten Verfahrensschritt 430 fort. Ist die Bedingung erfüllt, so fährt die Steuereinrichtung 300 mit dem achten Verfahrensschritt 435 fort.
Im siebten Verfahrensschritt 430 aktiviert die Steuereinrichtung 300 sowohl die Brennkraftmaschine 40 als auch die elektrische Arbeitsmaschine 35, um eine besonders hohe Verdichterleitung bereitzustellen. Dies hat den Vorteil, dass sowohl die elektrische Arbeitsmaschine 35 als auch die Brennkraftmaschine 40 besonders leicht und kompakt ausgebildet sein können, und wenn der erste Schwellenwert S₁ in der Leistungsanforderung für den Wärmepumpenkreislauf 15 überschritten wird, die beiden Antriebsleistungen der elektrischen Arbeitsmaschine 35 im motorischen Betrieb und die der Brennkraftmaschine 40 addiert die notwendige Verdichterleistung abgeben können.
Im Speicher 315 kann ferner ein zweiter vordefinierter Schwellenwert S₂ abgelegt sein. Der zweite vordefinierte Schwellenwert S₂ stellt dabei einen Kostenwert dar, ab dem einer der beiden Brennstoffe (elektrische Energie/flüssiger Kraftstoff) kostengünstiger ist als der andere. Üblicherweise ändert sich über dem Tagesverlauf der Tarif für elektrische Energie, beispielsweise durch einen Nachtstromtarif, bei dem nachts die elektrische Energie kostengünstiger ist als tagsüber, während hingegen die Kosten für den flüssigen Brennstoff aufgrund der Bevorratung im Brennstoffbehälter 150 über den Tagesverlauf konstant ist. Das Tarifsignal T_i wird über die Schnittstellenanbindung 310 der Steuereinrichtung 300 bereitgestellt, wobei die Steuereinrichtung 300 das Tarifsignal T_i mit dem zweiten Schwellenwert S₂ vergleicht. Der Vergleich wird dabei im achten Verfahrensschritt 435 durchgeführt. Ist das Tarifsignal T_i kleiner dem zweiten Schwellenwert S₂, so wird mit dem neunten Verfahrensschritt 440 fortgefahren. Ist die Bedingung des achten Verfahrensschritts 435, dass das Tarifsignal T_i kleiner dem zweiten Schwellenwert ist, nicht erfüllt, so wird mit dem zehnten Verfahrensschritt 445 fortgefahren.
Im neunten Verfahrensschritt 440 wird dann zum Antrieb des Verdichters 30 die elektrische Arbeitsmaschine 35 im motorischen Betrieb E (E) durch die Steuereinrichtung 300 geschalten. Die Brennkraftmaschine 40 wird dabei durch die Steuereinrichtung 300 deaktiviert. Dabei wird insbesondere der Brennstoffsteuereinrichtung 160 ein Steuersignal bereitgestellt, dass eine Förderung von Kraftstoff in die Brennkammer 190 zu deaktivieren ist.
Im zehnten Verfahrensschritt 445 überprüft die Steuereinrichtung 300 das Betriebsmodussignal B_M. Liegt ein Betriebsmodussignal B_M, dass zusätzlich zu den angeforderten Leistungsanforderungen des Wärmepumpenkreislaufs 15 zusätzlich elektrische Energie benötigt wird, vor, so wird mit dem elften Verfahrensschritt 450 fortgefahren. Wird keine zusätzliche elektrische Energie benötigt, so wird mit dem zwölften Verfahrensschritt 455 fortgefahren.
Im elften Verfahrensschritt 450 aktiviert die Steuereinrichtung 300 die Brennkraftmaschine 40 über ein entsprechendes Steuersignal an die Brennstoffsteuereinrichtung 160. Ferner steuert die Steuereinrichtung 300 die elektrische Arbeitsmaschine 35 derart an, dass die elektrische Arbeitsmaschine 35 im generatorischen Betrieb gefahren wird. Dadurch kann durch die Brennkraftmaschine 40 sowohl die für den Wärmepumpenkreislauf 15 notwendige Verdichterleistung bereitgestellt werden als auch zusätzliche elektrische Energie zum Betrieben von elektrischen Geräten in einem Gebäude bereitgestellt werden. Dadurch kann ein besonders autarkes System, das insbesondere beispielsweise auch für nicht an das Stromnetz angeschlossene Gebäude geeignet ist, bereitgestellt werden.
Wird mittels des Betriebsmodussignals B_M signalisiert, dass keine zusätzliche elektrische Energie benötigt wird (zwölfter Verfahrensschritt 455), so betreibt die Brennkraftmaschine 40 ausschließlich über die Koppelstange 90 den Verdichter 30.
Ferner stellt in den Verfahrenschritten 415, 430, 435, 445, 450, 455 die Steuereinrichtung 300 ein Schaltsignal der Kupplung 130 bereit, dass die Kupplung 130 geschlossen ist, und die Koppelstange 90 eine Kraftübertragung zwischen der Antriebseinheit 41 und dem Verdichter 30 gewährleistet und somit die Übertragung der Verdichterleistung von der Antriebseinheit 41 auf den Verdichter 30 sichergestellt ist.
Eine besonders effiziente Verdichtereinrichtung 25 kann dadurch gewährleistet werden, dass über den dritten Wärmetauscher 275 beziehungsweise den vierten Wärmetauscher 280 die bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine 40 beziehungsweise beim Betrieb der elektrischen Arbeitsmaschine 35 entstehende Wärmeenergie genutzt wird, um das Wärmeträgermedium 270 zu erwärmen. Dabei ist von besonderem Vorteil, wenn das Wärmeträgermedium 270 bereits im dritten und/oder vierten Wärmetauscher 275, 280 verdampft wird. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Klimatisierungssystems 10 weiter erhöht werden und gleichzeitig eine zuverlässige Kühlung der Brennkraftmaschine 40 und/oder der elektrischen Arbeitsmaschine 35 gewährleistet werden.
In der oben beschriebenen Ausgestaltung der Verdichtereinrichtung 25 ist die Brennkraftmaschine 40 als Freikolbenmaschine ausgebildet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Brennkraftmaschine 40 andersartig, beispielsweise als Stirlingmotor, ausgebildet ist. Auch ist denkbar, dass mehrere Kolben 180 in mehreren Brennzylindern 175 vorgesehen sind, um den Verdichter 30 anzutreiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010018318 A1 [0002]

Claims

Verdichtereinrichtung (25) für einen Wärmepumpenkreislauf (15), – aufweisend einen Verdichter (30) und eine Koppelstange (90) sowie eine Antriebseinheit (41) mit einer elektrischer Arbeitsmaschine (35) und einer Brennkraftmaschine (40), – wobei der Verdichter (30) einen in einem Verdichterzylinder (50) angeordneten Verdichterkolben (55) umfasst, – wobei der Verdichterkolben (55) ausgebildet ist, ein Wärmeträgermedium (270) des Wärmepumpenkreislaufs (15) in dem Verdichterzylinder (50) zu verdichten, – wobei die elektrische Arbeitsmaschine (35) einen Schlitten (105) und einen Stator (110) umfasst, – wobei die Brennkraftmaschine (40) als Freikolbenmaschine ausgebildet ist und wenigstens einen in einem Brennzylinder (175) angeordneten Kolben (180) umfasst, – wobei die Koppelstange (90) den Kolben der Brennkraftmaschine (40) mit dem Schlitten (105) und/oder dem Verdichterkolben (55) koppelt, um den Verdichterkolben (55), den Schlitten (105) und den Kolben (180) in einer gemeinsamen linearen Bewegung zu führen, – wobei die Brennkraftmaschine (40) und/oder die elektrische Arbeitsmaschine (35) ausgebildet sind, eine Verdichterenergie in die Koppelstange (90) zum Verdichten des Wärmeträgermediums (270) durch den Verdichterkolben (55) einzuleiten.
Verdichtereinrichtung (25) nach Anspruch 1, wobei die Koppelstange (90) ein erstes Längsende (91) und ein zweites Längsende aufweist, – wobei an dem ersten Längsende (91) die Koppelstange (90) mit dem Kolben (180) der Brennkraftmaschine (40) verbunden ist, – wobei an dem zweiten Längsende (176) die Koppelstange (90) mit dem Verdichterkolben (55) verbunden ist, – wobei zwischen den beiden Längsenden (91, 176) der Schlitten (105) der elektrischen Arbeitsmaschine (35) mit der Koppelstange (90) verbunden ist.
Verdichtereinrichtung (25) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennkraftmaschine (40) und/oder die elektrische Arbeitsmaschine (35) wenigstens einen Wärmetauscher (275, 280) aufweist, wobei der Wärmetauscher (275, 280) mit dem Wärmepumpenkreislauf (15) verbindbar ist, um ein Wärmeträgermedium (270) des Wärmepumpenkreislaufs (15) zu erwärmen, vorzugsweise zu verdampfen.
Verdichtereinrichtung (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen der Antriebseinheit (41) und dem Verdichter (30) eine Kupplung (130) vorgesehen ist, wobei die Kupplung ausgebildet ist, die Antriebseinheit (41) mit dem Verdichter (55) selektiv schaltbar zu koppeln.
Steuergerät für eine Verdichtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Erfassungseinrichtung (305) und einer Steuereinrichtung (300) – wobei die Erfassungseinrichtung (305) mit der Steuereinrichtung (300) verbunden sind, – wobei die Steuereinrichtung (300) mit einer Bedieneinheit (340) des Wärmepumpenkreislaufs (15) verbindbar ist, – wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, Leistungsanforderungssignal der Bedieneinheit (340) für den Wärmepumpenkreislauf (15) zu erfassen, – wobei die Steuereinrichtung (300) mit der Brennkraftmaschine (40) und/oder mit der elektrischen Arbeitsmaschine (35) verbindbar und ausgebildet ist, eine Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine (40) und/oder der elektrischen Arbeitsmaschine (35) zur Durchführung einer linearen Bewegung der Koppelstange (90) in Abhängigkeit des Leistungsanforderungssignal (L_A) zu steuern.
Steuergerät nach Anspruch 5, – wobei ein Speicher (315) vorgesehen ist, – wobei der Speicher (315) mit der Steuereinrichtung (300) verbunden ist, – wobei in dem Speicher (300) wenigstens ein erster vordefinierter Schwellenwert (S₁) abgelegt ist, der mit einer vordefinierten Leistungsanforderung für den Wärmepumpenkreislauf (15) korrespondiert, – wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, das Leistungsanforderungssignal (L_A) mit dem ersten Schwellenwert (S₁) zu vergleichen, – wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts (305) die Brennkraftmaschine (40) und die elektrische Arbeitsmaschine (35) zur Bereitstellung einer Verdichterleistung zu aktivieren.
Steuergerät (20) nach Anspruch 6, – wobei eine Schnittstellenanbindung (310) vorgesehen ist, – wobei die Schnittstellenanbindung (310) mit der Steuereinrichtung (300) verbunden ist, – wobei die Schnittstellenanbindung (310) mit einem Datenbanksystem (365) verbindbar ist, – wobei die Schnittstellenanbindung (310) ausgebildet ist, ein Tarifsignal (T_i) des Datenbanksystems (365) zu erfassen und der Steuereinrichtung (300) bereitzustellen, – wobei in dem Speicher (315) ein zweiter Schwellenwert (S₁) abgelegt ist, – wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, das Tarifsignal (T_i) mit dem zweiten Schwellenwert (S₁) zu vergleichen, – die Brennkraftmaschine (40) und die elektrische Arbeitsmaschine (35) in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs des Tarifsignals (T_i) mit dem zweiten Schwellenwert (S₁) anzusteuern.
Steuergerät (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, – wobei die Steuereinrichtung (300) mit der Kupplung (130) verbindbar ist, – wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, ein Betriebsmodussignal der Bedieneinheit (340) zu erfassen, – wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, das Schaltsignal zur Steuerung der Kupplung (130) ein in Abhängigkeit des Betriebsmodussignals bereitzustellen.
Steuergerät (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, – wobei die Erfassungseinrichtung (305) mit der elektrischen Arbeitsmaschine verbindbar ist, – wobei die Erfassungseinrichtung (305) ausgebildet ist, eine Position des Schlittens (105) bezogen eines Verfahrwegs des Schlittens (105) zu ermitteln und der Steuereinrichtung (300) ein korrespondierend zur Position des Schlittens entsprechendes Positionssignal bereitzustellen, – wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, das Positionssignal zu erfassen und die elektrische Arbeitsmaschine (35) in Abhängigkeit des Positionssignals anzusteuern.
Steuergerät nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, die Brennkraftmaschine (40) zu aktivieren, wobei die Steuereinrichtung (300) die elektrische Arbeitsmaschine (35) in Abhängigkeit der Position des Schlittens (105) derart aktiviert, dass die elektrische Arbeitsmaschine (35) ein Gegenkraft (F_G) zu einer Kolbenkraft (F_B) des Kolbens (180) der Brennkraftmaschine (40) bereitstellt, um eine Bewegung des Schlittens (105) vor Erreichen einer Endposition (100) abzubremsen.
Klimatisierungssystem (10) mit einer Verdichtereinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und einem Wärmepumpenkreislauf (15), – wobei der Wärmepumpenkreislauf (15) einen ersten Wärmetauscher (205), eine Expansionseinrichtung (235) und einen zweiten Wärmetauscher (210) aufweist, – wobei der erste Wärmetauscher (206) mit einer Ausgangsseite (80) des Verdichters (55) und der Expansionseinrichtung (235) zur Ausbildung eines Hochdruckbereichs (240) fluidisch verbunden sind, – wobei der zweite Wärmetauscher (210) mit einer Eingangsseite (75) des Verdichters (55) und der Expansionseinrichtung (235) zur Ausbildung eines Niederdruckbereichs (265) fluidisch verbunden sind, – wobei der Hochdruckbereich (240) und der Niederdruckbereich (265) mit einem Wärmeträgermedium (270) füllbar ist, – wobei der Wärmetauscher des Brennkraftmaschine und/oder der elektrischen Arbeitsmaschine mit dem Hochdruckbereich fluidisch verbunden und mit dem Wärmeträgermedium füllbar ist, – wobei der Wärmetauscher (275, 280) der Brennkraftmaschine (40) und/oder der elektrischen Arbeitsmaschine (35) ausgebildet ist, eine Wärmeenergie aus der Brennkraftmaschine (40) und/oder der elektrischen Arbeitsmaschine (35) abzuführen und das Wärmeträgermedium (270) zu erwärmen, vorzugsweise zumindest teilweise zu verdampfen.
Klimatisierungssystem (10) nach Anspruch 11, wobei ein Steuergerät gemäß Anspruch 5 bis 10 vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung (300) des Steuergeräts (20) mit der Brennkraftmaschine (40) und der elektrischen Arbeitsmaschine (35) verbunden ist, – wobei die Steuereinrichtung (300) ausgebildet ist, die Brennkraftmaschine (40) und/oder die elektrische Arbeitsmaschine (35) anzusteuern.
Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinrichtung (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für ein Klimatisierungssystems nach Anspruch 10 oder 11, – wobei ein Leistungsanforderungssignal (L_A) erfasst wird, – wobei das Leistungsanforderungssignal (L_A) mit einem ersten vordefinierten Schwellenwert verglichen wird, – wobei bei einem Überschreiten des ersten Schwellenwerts (S₁) die Brennkraftmaschine (40) und die elektrische Arbeitsmaschine (35) zur gemeinsamen Bereitstellung einer Verdichterleistung aktiviert werden.