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Die Erfindung betrifft ein Verbindungssystem zur gas- und fluiddichten Verbindung eines Verflüssigers einer Wärmepumpe mit einem Verdampfer der Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Wärmepumpe mit einem derartigen Verbindungssystem gemäß des Patentanspruchs 16.
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Auf verschiedenen Gebieten der Technik werden Wärmepumpen eingesetzt. Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, welches thermische Energie unter Aufwendung von technischer Arbeit aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur wie z.B. aus der Umgebung aufnimmt und zusammen mit der Antriebsenergie als Nutzwärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt. Wärmepumpen können in dieser Art z.B. für Heizungen, Trockner, Waschtrockner, Waschmaschinen, Geschirrspülmaschinen etc. eingesetzt werden. Das Prinzip der Wärmepumpe kann auch zum Kühlen z.B. bei einem Kühlschrank oder bei einer Klimaanlage angewendet werden. Die technische Arbeit wird üblicherweise mittels elektrischer Energie erzeugt.
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Unabhängig von der jeweiligen Anwendung einer Wärmepumpe besteht allgemein das Bestreben, den Verbrauch der elektrischen Energie zu reduzieren und hierdurch die Energieeffizienz von Wärmepumpen zu steigern. Ferner sollen die Herstellungskosten von Wärmepumpen reduziert werden. Beim Einsatz von Wärmepumpen in z.B. Trocknern und Waschtrocknern sollen ferner die Trocknungszeiten verringert werden.
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Ein bekannter Ansatz, diese Ziele zu erreichen, besteht darin, den Durchmesser der Rohre, welche das Kältemittel des Kreislaufs der Wärmepumpe führen, zu verringern. Diese Rohre sind sowohl im Kondensator oder Verflüssiger als auch im Verdampfer der Wärmepumpe vorhanden, welche jeweils als Wärmeübertrager bezeichnet werden können. Durch die Verringerung des Durchmessers der Rohre der Wärmeübertrager kann die Energieeffizienz erhöht werden. Ferner kann durch die Verringerung des Durchmessers der Rohre Material eingespart und hierdurch die Herstellungskosten der Wärmepumpe verringert werden.
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Nachteilig ist hierbei jedoch, dass durch die Verringerung des Durchmessers der Rohre der Druckverlust bzw. Druckabfall der Rohre erhöht werden kann.
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Um dies wiederum auszugleichen, können beide Wärmeübertrager mit mehreren Kältemittelpässen ausgeführt werden, d.h. es werden z.B. zwei Kältemittelpässe parallel im Verdampfer bzw. Verflüssiger angeordnet, so dass die Erhöhung des Druckabfalls aufgrund der Verringerung des Durchmessers der Rohre durch die Verdoppelung der Rohre zumindest teilweise wieder ausgeglichen werden kann. Hierdurch kann die gewünschte Steigerung der Effizienz erreicht werden.
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Nachteilig ist hierbei allerdings, dass sich die Herstellungskosten durch den erhöhten Materialverbrauch der doppelten Rohranordnung trotz reduziertem Rohrdurchmesser der einzelnen Rohre insgesamt erhöhen können. Ferner sind üblicherweise zusätzliche Bauteile wie z.B. ein Verteiler erforderlich, um den Kältemittelkreiskreislauf beim Eintritt in den Verdampfer bzw. Verflüssiger aufzuzweigen und danach wieder zusammenzuführen. Hierzu können Adapterstücke zwischen den Rohren und den Verteilern erforderlich sein. Auch dies kann zusätzliche Materialkosten sowie Fertigungsschritte verursachen, so dass eine Steigerung der Energieeffizienz im Betrieb zu erhöhten Anschaffungskosten der Wärmepumpe führen kann.
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Verbindungssysteme, bei denen das mittels einer Kapillare zugeführte Kältemittel über einen Verteiler zur Verbindung von parallelen Kältemittelpässen eingeführt wird, sind aus der
DE 10 201111 117 928 A1 oder der
DE 10 2015 110 845 A1 bekannt. Die Verteiler sind in Art einer Kappe ausgebildet, die einerseits mit der Kapillare und andererseits mit den Endbereichen der Kältemittelpässe in Strömungsverbindung steht.
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Darüber hinaus zeigen die
DE 10 2015 110 845 A1 ,
JP 2016-014504 A ,
US 3030782 A , und die
US 2015/0362222 A1 verschiedene Anbindungen der Kapillare an die Kältemittelpässe bzw. Verteiler mit jeweils einem einzigen Ausgang für das Kältemittel.
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Nachteilig kann hierbei auch sein, dass sich zwischen den beiden parallelen Kältemittelkreisen eine ungleiche Verteilung des Kältemittels einstellen kann. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, falls das Kältemittel im Zweiphasengebiet als Dampf-Flüssigkeitsgemisch in den Verdampfer eintritt. In jedem Fall kann sich das Kältemittel aufgrund des Einflusses der Schwerkraft ungleichmäßig auf die parallelen Kreise des Verdampfers verteilen. Dies kann zu einer Reduzierung der Energieeffizienz führen, so dass trotz gestiegenen Herstellungskosten einer derartigen Wärmepumpe gar keine oder nur eine geringe Steigerung der Energieeffizienz erreicht werden kann. Insbesondere kann auf diese Weise flüssiges Kältemittel in den Kompressor gelangen und diesen beschädigen.
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Hierbei ist zu beachten, dass bei Trocknern bzw. Waschtrocknern mit Wärmepumpe üblicherweise eine Kapillare oder ein geregeltes Expansionsventil als Drossel eingesetzt wird. Die Kapillare muss eine entsprechend große Länge aufweisen, um eine ausreichend hohe Druckdifferenz zwischen Verflüssiger und Verdampfer erzeugen zu können. Insbesondere bei mehrkreisigen Verdampfern, bei denen das Kältemittel flüssig über die Kapillaren in die einzelnen Kreise verteilt wird, muss die Länge der einzelnen Kapillaren eine beträchtliche Länge aufweisen, da der Massenstrom durch die einzelnen Kapillaren geringer als bei einem einzelnen Kältemittelkreis ist. Auch hierdurch können die Kosten einer Wärmepumpe mit parallelen Kältemittelkreisen im Verdampfer erhöht werden.
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Nachteilig kann hierbei auch sein, dass die Kapillare prinzipbedingt einen deutlich kleineren Durchmesser als das Rohr des Verdampfers aufweist, diese beiden Elemente jedoch fluid- bzw. gasdicht miteinander verbunden werden müssen, um den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe zu schließen. Üblicherweise werden sowohl für die Kapillare als auch für das Rohr des Verdampfers Kupferrohre verwendet, so dass das Ende der Kapillare in das Ende des Rohrs des Verdampfers eingeführt und das Ende des Rohrs des Verdampfers um das Ende der Kapillare herum durch Umformen zusammengequetscht werden kann, um diese Verbindung herzustellen. Diese Verbindung wird üblicherweise zusätzlich verlötet.
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Da jedoch durch das undefinierte Ergebnis der Umformung das Löten erschwert werden kann, kann es an diesen Stellen vergleichsweise häufig zu undichten Lötstellen kommen, so dass auf diese Art und Weise keine sicher gas- und fluiddichte Verbindung zwischen dem Ende der Kapillare und dem Ende des Rohrs des Verdampfers geschaffen werden kann.
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Um dies zu vermeiden kann an dieser Stelle ein Adapterstück eingesetzt werden, welches den Übergang zwischen den jeweiligen Durchmessern des Endes der Kapillare und des Endes des Rohrs des Verdampfers bilden kann. Das Adapterstück kann jeweils eine Öffnung aufweisen, die einem der Durchmesser des Endes der Kapillare und des Endes des Rohrs des Verdampfers entspricht. Zwar müssen auch die Übergänge vom Ende der Kapillare zum Adapterstück und vom Adapterstück zum Ende des Rohrs des Verdampfers verlötet werden, jedoch kann dies ohne Umformen und damit definierter und sicherer als zuvor beschrieben erfolgen, so dass das Risiko von Undichtigkeiten an diesen Lötstellen reduziert werden kann. Dies erfordert jedoch den zusätzlichen Material- und Herstellungsaufwand des Adapterstücks sowie einer erhöhten Anzahl von Lötstellen.
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Wird ein Adapterstück bzw. Verteiler wie zuvor beschrieben verwendet, so kann dieses gleichzeitig dazu verwendet werden, das Kältemittel von einer Kapillare auf zwei Rohre des Verdampfers zu verteilen und so den Verdampfer mit zwei Kältemittelpässen auszuführen. Dies kann die zuvor beschriebenen Vorteile bewirken, die Rohre des Verdampfers mit einem vergleichsweise geringen Durchmesser zur Steigerung der Energieeffizienz auszuführen und den hierdurch bewirkten Druckabfall durch die Verdoppelung der Kältemittelpässe im Verdampfer annähernd wieder auszugleichen. Dies führt zwar insgesamt zu erhöhten Material-, Fertigungs- und Montagekosten der Wärmepumpe, jedoch kann auf diese Art und Weise theoretisch eine Steigerung der Energieeffizienz erreicht werden.
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In der praktischen Ausführung zeigt sich jedoch, dass hierbei die Gefahr besteht, dass aufgrund von fertigungsbedingten Toleranzen das Ende der Kapillare innerhalb des Adapterstücks bzw. des Verteilers eher zu einem der beiden Ausgänge des Adapterstücks hin zeigt und somit auch ein größerer Teil des Kältemittels über diesen Ausgang des Adapterstücks/Verteilers in das eine Rohr des Verdampfers geleitet wird, während das andere Rohr des Verdampfers einen geringeren Anteil des Kältemittels erhält. Somit kann sich eine ungleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die beiden parallelen Pässe des Verdampfers ergeben, welche die angestrebte Steigerung der Energieeffizienz reduzieren oder ganz verhindern kann. Außerdem könnte flüssiges Kältemittel in den Kompressor gelangen.
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Der Erfindung stellt sich somit das Problem, ein Verbindungssystem zur gas- und fluiddichten Verbindung eines Verflüssigers einer Wärmepumpe mit einem Verdampfer der Wärmepumpe bereitzustellen, wobei der Verdampfer wenigstens zwei Kältemittelpässe aufweist, so dass das Kältemittel gleichmäßiger auf die einzelnen Kältemittelpässe des Verdampfers verteilt werden kann als bisher bekannt. Hierdurch soll die Energieeffizienz gesteigert werden. Alternativ oder zusätzlich sollen die Kosten des Verbindungssystems möglichst gering gehalten werden. Alternativ oder zusätzlich soll eine gas- und fluiddichte Verbindung möglichst prozesssicher hergestellt werden können. Alternativ oder zusätzlich sollen die Kosten und insbesondere die Materialkosten des Verbindungssystems, insbesondere durch eine möglichst geringe Länge der Kapillare, möglichst gering gehalten werden.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verbindungssystem zur gas- und fluiddichten Verbindung eines Verflüssigers einer Wärmepumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Wärmepumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verbindungssystem zur gas- und fluiddichten Verbindung eines Verflüssigers einer Wärmepumpe mit einem Verdampfer der Wärmepumpe, wobei der Verdampfer wenigstens zwei Kältemittelpässe aufweist, mit einer Kapillare und mit einem Verbindungselement, welches gas- und fluiddicht mit der Kapillare verbunden ist, wobei das Verbindungselement wenigstens ein erstes Rohrelement aufweist, welches zur Verbindung mit dem ersten Kältemittelpass des Verdampfers ausgebildet ist, und wenigstens ein zweites Rohrelement aufweist, welches zur Verbindung mit dem zweiten Kältemittelpass des Verdampfers ausgebildet ist, wobei die Kapillare einen Durchgang zur Durchleitung eines Kältemittels in das Verbindungselement aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verbindungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang der Kapillare wenigstens einen ersten Ausgang und wenigstens einen zweiten Ausgang aufweist, welche innerhalb des Verbindungselements angeordnet sind.
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Zum einen kann auf diese Weise die Kapillare direkt mit den Rohrelementen verbunden werden, welche ein Kältemittel der Wärmepumpe in den Verdampfer leiten können. Hierdurch kann auf einen Adapter verzichtet werden, da die Kapillare in dem Verbindungselement endet, welches in die Kältemittelpässe führt. Dies kann die Material- und Montagekosten der Wärmepumpe reduzieren.
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Ferner kann das fehleranfällige Umformen und Löten zur Verbindung der Kapillare mit einer Öffnung eines Adapters oder eines Rohrelements des Verdampfers entfallen. Hierdurch können potentiell undichte Lötstellen vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Zum anderen kann auf diese Weise die Aufteilung des Stroms des Kältemittels der Wärmepumpe bereits beim Austritt aus der Kapillare erfolgen. Hierdurch kann die Kapillare genutzt werden, um die Aufteilung des Stroms des Kältemittels gezielt zu beeinflussen. Dies kann u.a. dadurch erfolgen, dass die beiden Ausgänge der Kapillare in ihrer Form, Größe sowie Anordnung und Orientierung derart gewählt werden, dass die gewünschte Aufteilung des Stroms des Kältemittels erfolgen kann, wie im Folgenden noch näher beschrieben werden wird.
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Vorzugsweise wird der Strom des Kältemittels über zwei Ausgänge der Kapillare in zwei Ströme des Kältemittels aufgeteilt, welche in jeweils ein Rohrelement des Verbindungselements eintreten und von dort in jeweils einen Kreislauf eines Verdampfers mit zwei Kältemittelpässen gelangen. Hierbei werden die beiden Ausgänge der Kapillare vorzugsweise derart ausgebildet, dass zwei möglichst identische Ströme des Kältemittels erzeugt werden können und der Strom des Kältemittels der Kapillare möglichst gleichmäßig auf die beiden Kältemittelpässe des Verdampfers aufgeteilt werden kann. Hierdurch kann die Energieeffizienz erreicht werden, welche mit der Aufteilung des Stroms des Kältemittels der Wärmepumpe auf die beiden Kältemittelpässe des Verdampfers bezweckt werden soll.
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Die Ausgänge der Kapillare können gleich oder unterschiedlich gestaltet sein. Dies gilt sowohl für die Form als auch die Fläche des jeweiligen Ausgangs. Beispielsweise können die Ausgänge kreisrund, oval, sternförmig, schlitzförmig, dreieckig, viereckig, rechteckig etc. ausgebildet sein. Hierdurch lässt sich die Aufteilung des Stroms des Kältemittels der Kapillare vielfältig beeinflussen. Auch kann die Strömung des Kältemittels beim Austritt aus dem jeweiligen Ausgang auf diese Art und Weise vielfältig beeinflusst werden. Insbesondere kann die Aufteilung des Stroms des Kältemittels der Kapillare an die Prozessparameter des Kältemittelkreislaufs der Wärmepumpe z.B. hinsichtlich des Kältemitteldurchsatzes, der Temperatur sowie der Geometrie der Rohrelemente bzw. der übrigen Rohre des Kältemittelkreislaufs angepasst werden.
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Vorzugsweise können die Ausgänge mechanisch z.B. durch Bohren oder mittels eines Laserstrahls oder dergleichen in die Kapillare eingebracht werden. Dies kann das Einbringen der Ausgänge einfach, schnell und kostengünstig ermöglichen. Ferner können die Ausgänge sicher und reproduzierbar an den gewünschten Stellen in der gewünschten Form vorgesehen werden. Vorzugsweise werden dabei kreisrunde Ausgänge verwendet, welche sich sowohl durch Bohren als auch durch Laserbearbeitung einfach, schnell und definiert in die Kapillare einbringen lassen können.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verbindungselement wenigstens ein drittes Rohrelement auf, welches zur Verbindung mit einem dritten Kältemittelpass des Verdampfers ausgebildet ist, und der Durchgang der Kapillare weist wenigstens einen dritten Ausgang auf, welcher innerhalb des Verbindungselements angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Strom des Kältemittels der Kapillare auf drei Rohrelemente aufgeteilt werden. Auch hierbei kann die Aufteilung des Stroms des Kältemittels durch die Gestaltung der Kapillare gezielt beeinflusst werden. Vorzugsweise können drei möglichst identische Kältemittelströme erzeugt und der Strom des Kältemittels der Kapillare möglichst gleichmäßig auf die drei Kältemittelpässe des Verdampfers aufgeteilt werden. Hierdurch kann auch in diesem Fall die Energieeffizienz erreicht werden, welche mit der Aufteilung des Stroms des Kältemittels der Wärmepumpe auf die beiden Kältemittelpässe des Verdampfers bezweckt werden soll.
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Es sei anzumerken, dass über mehrere derartige Verbindungselemente, welche jeweils eine Kapillare wie zuvor beschrieben mit entweder zwei oder drei Kältemittelpässen des Verdampfers einer Wärmepumpe verbinden können, auch größere Anzahlen von Kältemittelpässen mit dem Verflüssiger der Wärmepumpe erfindungsgemäß verbunden werden können, indem diese Verbindungselemente miteinander kombiniert eingesetzt werden. So kann ein Verdampfer z.B. mit vier Kältemittelpässen mit zwei erfindungsgemäßen Verbindungssystemen versorgt werden, welche jeweils zwei Ausgänge aufweisen, wobei die Kapillare ihrerseits zweigeteilt werden muss. Dabei kann ein erfindungsgemäßes Verbindungsystem ebenfalls sinngemäß dazu verwendet werden, eine Kapillare auf zwei Kapillaren aufzuteilen. Dies gilt ebenso für einen Verdampfer z.B. mit fünf Kältemittelpässen, welche mit einem erfindungsgemäßen Verbindungssystem mit zwei Ausgängen und einem erfindungsgemäßen Verbindungssystem mit drei Ausgängen versorgt werden können, wobei die Kapillare ihrerseits zweigeteilt werden muss.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der erste Ausgang der Kapillare zum ersten Rohrelement und der zweite Ausgang der Kapillare zum zweiten Rohrelement hin ausgerichtet, wobei vorzugsweise der dritte Ausgang der Kapillare zum dritten Rohrelement hin ausgerichtet ist. Auf diese Weise kann der aufgeteilte Strom des Kältemittels von jedem Ausgang der Kapillare möglichst direkt in das jeweilige Rohrelement des Verbindungselements eingeleitet werden. Hierdurch kann eine möglichst geradlinige und widerstandsfreie Strömung des jeweiligen Stroms des Kältemittels innerhalb des jeweiligen Rohrelements begünstigt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Ausgang, vorzugsweise jeder Ausgang, der Kapillare zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise genau, senkrecht zum Querschnitt des jeweiligen Rohrelements hin ausgerichtet. Hierdurch kann eine möglichst geradlinige und widerstandsfreie Strömung des jeweiligen Stroms des Kältemittels innerhalb des jeweiligen Rohrelements erreicht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist wenigstens ein Ausgang, vorzugsweise jeder Ausgang, der Kapillare eine geringere Fläche als der Durchgang der Kapillare auf. Auf diese Art und Weise kann der Druckverlust zwischen der Kapillare und dem jeweiligen Rohrelement maßgeblich durch die Fläche des jeweiligen Ausgangs beeinflusst werden, so dass sich dieser Druckverlust durch die Wahl dieser Fläche definiert einstellen und vorgeben lassen kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Summe der Flächen der Ausgänge der Kapillare geringer als die Fläche des Durchgangs der Kapillare. Hierdurch kann die Länge der Kapillare verkürzt und damit auch die Materialkosten der Kapillare verringert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist wenigstens ein Ausgang, vorzugsweise jeder Ausgang, der Kapillare eine Mehrzahl von Öffnungen auf. Mit anderen Worten bilden mehrere Öffnungen der Kapillare einen gemeinsamen Ausgang. Die Öffnungen sind entsprechend zueinander angeordnet und orientiert, sodass sie einen gemeinsamen Kältemittelstrom in dasselbe Rohrelement hin erzeugen und hierdurch gemeinsam als ein Ausgang der Kapillare wirken können. Die Öffnungen eines Ausgangs können dabei identisch oder unterschiedlich gestaltet sein. Auch auf diese Art und Weise kann die Aufteilung des Stroms des Kältemittels der Kapillare an die Prozessparameter des Kältemittelkreislaufs der Wärmepumpe z.B. hinsichtlich des Kältemitteldurchsatzes, der Temperatur sowie der Geometrie der Rohrelemente bzw. der übrigen Rohre des Kältemittelkreislaufs angepasst werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Ausgang, vorzugsweise jeder Ausgang, der Kapillare zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise genau, senkrecht zur Achse der Kapillare ausgerichtet. Auch auf diese Art und Weise kann die Aufteilung des Stroms des Kältemittels der Kapillare beeinflusst werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Durchgang der Kapillare in der Richtung der Achse der Kapillare eine Verschlussstelle auf, wobei die Verschlussstelle vorzugsweise stoffschlüssig, besonders vorzugsweise durch Kleben, Schweißen oder Löten, ganz besonders vorzugsweise durch Schweißen, ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, ein zumindest am Ende geradliniges Rohr als Kapillare zu verwenden, indem das Ende stoffschlüssig verschlossen und die Ausgänge seitlich in die Kapillare eingebracht werden. Dies kann eine einfache und kostengünstige Herstellung der Kapillare ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Rohrelement, vorzugsweise jedes Rohrelement, des Verbindungselements als Rohrbogen, vorzugsweise als viertelkreisförmiger Rohrbogen, ausgebildet. Auf diese Weise kann eine Umlenkung des Stroms des Kältemittels von den Ausgängen der Kapillare über die Rohrbögen in den jeweiligen Kältemittelpass des Verdampfers erfolgen. Dies gilt insbesondere für viertelkreisförmige Rohrbögen. Auch kann in jedem Fall ein kompaktes Verbindungssystem geschaffen werden, welches sich nahe am Verdampfer anordnen lassen kann, so dass möglichst wenig Bauraum eingenommen werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kapillare zumindest im Bereich der Verbindung mit dem Verbindungselement bzw. Verteilungselement derart gegenüber dem Verbindungselement ausgerichtet, dass die Achse der Kapillare zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise genau, senkrecht zur Achse wenigstens eines Ausgangs, vorzugsweise jedes Ausgangs, der Rohrelemente des Verbindungselements ausgerichtet ist. Hierdurch kann ein kompaktes Verbindungs- bzw. Verteilungssystem geschaffen werden, welches sich nahe am Verdampfer anordnen lassen kann, so dass möglichst wenig Bauraum eingenommen werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kapillare vom Verbindungselement wegzeigend derart verlaufend ausgebildet, dass die Kapillare zumindest abschnittsweise an einer Fläche, vorzugsweise an einem Gehäuse des Verdampfers, flächig derart anliegen kann, so dass die Ausgänge der Kapillare innerhalb des Verbindungselements vorbestimmt gegenüber den Rohrelementen ausgerichtet sind. Auf diese Weise kann durch einen geeigneten Verlauf der Kapillare eine Verdrehsicherung geschaffen werden, die vorzugsweise derart ausgebildet sein kann, dass die Kapillare gegenüber der Fläche lediglich in einer einzigen Orientierung angeordnet werden kann, um mit dem Verbindungselement wie gewünscht verbunden werden zu können. Vorzugsweise kann der Verlauf der Kapillare durch Biegen der Kapillare vorgenommen werden. Dies kann vorteilhaft sein, um eine einfache und gleichzeitig eindeutige Verdrehsicherung vorsehen zu können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kapillare durch wenigstens eine Anschlussöffnung des Verbindungselements derart in das Verbindungselement eingeführt, dass jeder Ausgang der Kapillare innerhalb des Verbindungselements angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine einfache Verbindung zwischen der Kapillare und dem Verbindungselement geschaffen werden, indem z.B. durch Bohren oder Lasern die Anschlussöffnung an der gewünschten Stelle in das Verbindungselement derart eingebracht wird, dass die Anschlussöffnung geringfügig größer als das äußere Maß der Kapillare an ihrem Ende ist. Dann kann das Ende der Kapillare in die Anschlussöffnung eingeführt werden, so dass die Ausgänge der Kapillare sich im Inneren des Verbindungselements befinden. In dieser Position kann die Kapillare mit dem Verbindungselement verbunden werden, wie weiter unten näher beschrieben werden wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verbindungselement wenigstens eine Kapillarverlängerung auf, welche gas- und fluiddicht mit der Kapillare verbunden ist und den Durchgang der Kapillare in das Verbindungselement hinein verlängert, wobei die Kapillarverlängerung wenigstens den ersten Ausgang und den zweiten Ausgang, vorzugsweise ferner den dritten Ausgang, der Kapillare aufweist, so dass jeder Ausgang der Kapillarverlängerung innerhalb des Verbindungselements angeordnet ist.
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Auf diese Weise kann eine funktionelle Kapillare geschaffen werden, die räumlich auf die eigentliche Kapillare sowie die Kapillarverlängerung aufgeteilt ist, welche ein Bestandteil des Verbindungselements ist. Hierzu kann die eigentliche Kapillare z.B. außen an die Oberfläche des Verbindungselements anliegend, von außen in eine Einbuchtung des Verbindungselements eingreifend, von außen auf einen Teil der Kapillarverlängerung aufsitzend und bzw. oder von außen einen Teil der Kapillarverlängerung umgreifend angeordnet und vorzugsweise stoffschlüssig, vorzugsweise durch Verlöten, mit dem Verbindungselement gas- und fluiddicht verbunden werden.
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Dies kann eine alternative Art der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbindungssystems ermöglichen, indem die Ausgänge der Kapillaren als Bestandteil des Verbindungselements ausgebildet werden, so dass die eigentliche Kapillare lediglich an das Verbindungselement angeschlossen werden muss, jedoch nicht mehr z. B. durch Einbringen der Ausgänge bearbeitet werden muss. Dies kann die Herstellung und Montage vereinfachen.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Orientierungen der Ausgänge der Kapillare durch die Kapillarverlängerung als Bestandteil des Verbindungselements eindeutig und fest vorgegeben sind, so dass die Kapillare als üblicherweise rotationssymmetrisches Element beliebig orientiert mit dem Verbindungselement verbunden werden kann. Daher kann auf eine Verdrehsicherung zur Vorgabe einer Orientierung beim Verbinden von Kapillare und Verbindungselement verzichtet werden, was den Aufwand reduzieren kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verbindungselement mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, vorzugsweise durch Kleben, Schweißen oder Löten, besonders vorzugsweise durch Löten, mit der Kapillare gas- und fluiddicht verbunden. Dies gilt sowohl für eine Kapillare, welche die Ausgänge aufweist und durch eine Anschlussöffnung in das Verbindungselement eingeführt wurde, als auch für eine eigentliche Kapillare, deren Ausgänge als Teil einer Kapillarverlängerung des Verbindungselements ausgebildet sind. In jedem Fall kann eine sichere und haltbare Verbindung geschaffen werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Wärmepumpe mit einem Verflüssiger, mit einem Verdampfer mit wenigstens zwei Kältemittelpässen und mit wenigstens einem Verbindungssystem wie zuvor beschrieben, welches den Verflüssiger gas- und fluiddicht mit dem Verdampfer verbindet. Auf diese Art und Weise können die Eigenschaften und Vorteile eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems bei einer Wärmepumpe genutzt werden.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
- 1 eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 3 eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Darstellung eines Verbindungselements eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel aus einer ersten Richtung;
- 5 das Verbindungselement der 4 aus einer zweiten Richtung;
- 6 das Verbindungselement der 4 aus einer dritten Richtung; und
- 7 eine perspektivische schematische Darstellung eines Verdampfers mit einem erfindungsgemäßen Verbindungssystem mit Verdrehsicherung.
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Die o.g. Figuren werden in kartesischen Koordinaten betrachtet. Es erstreckt sich eine Längsrichtung X, welche auch als Tiefe X bezeichnet werden kann. Senkrecht zur Längsrichtung X erstreckt sich eine Querrichtung Y, welche auch als Breite Y bezeichnet werden kann. Senkrecht sowohl zur Längsrichtung X als auch zur Querrichtung Y erstreckt sich eine vertikale Richtung Z, welche auch als Höhe Z bezeichnet werden kann.
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Die 1 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Verbindungssystem 1 besteht im Wesentlichen aus einer Kapillare 2 und aus einem Verbindungselement 3.
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Die Kapillare 2 besteht aus einem dünnen Kupferrohr und weist einen Durchgang 21 auf, durch den die Kapillare 2 ein Kältemittel eines Kältemittelkreislaufs einer Wärmepumpe in einem gasförmigen sowie in einem flüssigen Zustand führen kann. Ein Eingang 20 der Kapillare 2 kann mit einem Verflüssiger der Wärmepumpe verbunden werden (nicht dargestellt), um das Kältemittel zu empfangen und durch den Durchgang 21 hindurchzuleiten. Über zwei Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 kann das Kältemittel aus dem Durchgang 21 heraustreten, wie im Folgenden näher beschrieben werden wird.
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Das Verbindungselement 3 ist als halbrunder Bogen ausgeführt und dient dazu, das Kältemittel von der Kapillare 2 zu erhalten und auf zwei Kältemittelpässe eines Verdampfers 4 der Wärmepumpe aufzuteilen, siehe z.B. 7. Hierzu mündet das Ende der Kapillare 2, welches die Ausgänge 23, 24 aufweist, im Inneren des Verbindungselements 3. Von dort kann das Kältemittel durch den ersten Ausgang 23 der Kapillare 2 in ein erstes Rohrelement 31 des Verbindungselements 3 eintreten, welches über einen Ausgang 32 zur Verbindung mit dem ersten Kältemittelpass des Verdampfers 4 ausgebildet ist. Ferner kann das Kältemittel durch den zweiten Ausgang 24 der Kapillare 2 in ein zweites Rohrelement 33 des Verbindungselements 3 eintreten, welches über einen Ausgang 34 zur Verbindung mit dem zweiten Kältemittelpass des Verdampfers 4 ausgebildet ist. Die beiden Rohrelemente 31, 33 sind jeweils viertelkreisförmig ausgebildet.
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Dabei tritt die Kapillare 2 mit ihrem Ende, welches die beiden Ausgänge 23, 24 aufweist, durch eine Anschlussöffnung 30 des Verbindungselements 3 in dessen Inneres ein. Sowohl die Kapillare 2 als auch die Anschlussöffnung 30 sind kreisrund ausgeführt. Die Kapillare 2 wird in der Position und Orientierung mittels einer stoffschlüssigen Verbindung 37 in Form einer Lötstelle 37 in der Anschlussöffnung 30 des Verbindungselements 3 gehalten.
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Um einen Strom des Kältemittels aus der Kapillare 2 heraus in das Verbindungselement 3 hinein möglichst gleichmäßig aufzuteilen, wird erfindungsgemäß das Ende der Kapillare 2, welches in das Verbindungselement 3 hineinragt, stoffschlüssig durch Löten verschlossen, so dass dort eine gas- bzw. fluiddichte Verschlussstelle 22 ausgebildet ist. Somit kann das Kältemittel nicht - wie bisher bekannt - als ein einziger Strom aus dem Ende der Kapillare 2 in den Innenraum des Verbindungselements 3 austreten und sich je nach Ausrichtung des Endes der Kapillare 2 ungleichmäßig auf die beiden Rohrelemente 31, 33 aufteilen.
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Erfindungsgemäß sind stattdessen die beiden Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 vorgesehen, welche jeweils seitlich und einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei sind die Ausgänge 23, 24 jeweils direkt in das jeweilige Rohrelement 31, 33 hinein ausgerichtet, um das Kältemittel möglichst geradlinig in die Rohrelemente 31, 33 einzuleiten. Mit anderen Worten steht in der 1 die Achse W der Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 sowohl senkrecht zur Achse V der Kapillare 2 als auch senkrecht zu den beiden Achsen U der Ausgänge 32, 34 der Rohrelemente 31, 33. Ferner steht die Achse W der Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 senkrecht zur Querschnittfläche der Rohrelemente 31, 33. Die Achse V der Kapillare 2 kann jedoch relativ zur Achse W der Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 jeglichen Winkel aufweisen, um die erfindungsgemäße Wirkung der Ausgänge 23, 24 zu erreichen.
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Die Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 sind jeweils kreisrund ausgebildet und weisen die gleiche Fläche auf, wobei die Summe der Flächen der Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 geringer als die Querschnittsfläche des Durchgangs 21 der Kapillare 2 ist.
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Aufgrund der Ausrichtung der beiden Ausgänge 23, 24 einander gegenüberliegend und jeweils senkrecht zu dessen Querschnittsfläche in die beiden Rohrelemente 31, 33 hinein sowie aufgrund der gleichen Querschnitte und Formen der beiden Ausgänge 23, 24 kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass sich der eine Strom des Kältemittels aus dem Durchgang 21 der Kapillare 2 heraus in das Verbindungselement 3 hinein sehr gleichmäßig auf zwei Ströme des Kältemittels aufteilt, so dass jeweils der halbe Strom des Kältemittels der Kapillare 2 einem der beiden Kältemittelpässe des Verdampfers 4 zugeführt werden kann. Hierdurch können die beiden Kältemittelpässe des Verdampfers 4 gleichartig betrieben werden, was die Energieeffizienz der Wärmepumpe steigern kann.
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Um den erforderlichen Bauraum für eine Benutzung des erfindungsgemäßen Verbindungssystems 1 gering zu halten, ragt die Kapillare 2 derart von der Seite in das Verbindungselement 3 hinein, dass die Achse V der Kapillare 2 beim Eintritt in das Verbindungselement 3 parallel zur Oberfläche des Verdampfers 4 ausgerichtet ist. Da die Rohrelemente 31, 33 mit ihren Ausgängen 32, 34 senkrecht zu der Oberfläche des Verdampfers 4 ausgerichtet sind, siehe z.B. 7, stehen die Achsen U der Rohrelemente 31, 33 auch senkrecht zur Achse V der Kapillare 2, siehe z.B. 1.
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Die 2 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die beiden Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 jeweils zwei Öffnungen 23, 24 auf, welche jeweils gemeinsam den entsprechenden Ausgang 23, 24 bilden. Ferner sind die Öffnungen 23, 24 oval ausgebildet. Hierdurch können die Strömungseigenschaften des Kältemittels beim Austritt aus der Kapillare 2 in das Verbindungselement 3 hinein verändert werden.
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Die 3 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Verbindungssystem 1 als Tripod ausgebildet, so dass das Kältemittel ferner durch einen dritten Ausgang 25 der Kapillare 2 in ein drittes Rohrelement 35 des Verbindungselements 3 eintreten kann, welches über einen Ausgang 36 zur Verbindung mit einem dritten Kältemittelpass des Verdampfers 4 ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der eine Strom des Kältemittels von einer Kapillare 2 auf drei Kältemittelpässe eines Verdampfers 4 aufgeteilt werden. Die Kapillare 2 ragt hierbei von oben in das Verbindungselement 3 hinein, so dass die Achse V der Kapillare 2 parallel zu den Achsen U der Ausgänge 32, 34, 36 der Rohrelemente 31, 33, 35 ausgerichtet ist.
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungselements 3 eines erfindungsgemäßen Verbindungssystems 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel aus einer ersten Richtung. Die 5 zeigt das Verbindungselement der 4 aus einer zweiten Richtung. Die 6 zeigt das Verbindungselement der 4 aus einer dritten Richtung.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist das Verbindungselement 3 eine innenliegende Kapillarverlängerung 38 auf, welche dem Ende der Kapillare 2 z.B. gemäß des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Somit weist die Kapillarverlängerung 38 den ersten Ausgang 23, den zweiten Ausgang 24 sowie die Verschlussstelle 22 auf, wie sie im ersten Ausführungsbeispiel durch die Kapillare 2 gebildet werden.
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Die Kapillare 2 ist in diesem vierten Ausführungsbeispiel entsprechend verkürzt ausgebildet und endet als kreisrundes Rohr mit offenem Durchgang 21. Mit diesem Ende ist die Kapillare 2 gelötet mit dem Verbindungselement 3 verbunden. Dabei ist das Ende der Kapillare 2 in eine Einbuchtung 39 des Verbindungselements 3 derart eingeführt, dass das Ende der Kapillare 2 an die Kapillarverlängerung 38 anschließt und die Kapillarverlängerung 38 die Kapillare 2 derart verlängert, wie es dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht.
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Auf diese Weise kann die Kapillare 2 einfacher und die Ausbildung der Ausgänge 23, 24 kann als Bestandteil des Verbindungselements 3 ausgeführt werden. Ferner ist die Orientierung der Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 gegenüber den Rohrelementen 31, 33 als Bestandteil des Verbindungselements 3 fest vorgegeben, so dass Montagefehler vermieden werden können, welche z.B. zu einer Ausrichtung der Ausgänge 23, 24 anders als zuvor beschrieben führen könnten.
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Die 7 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines Verdampfers 4 mit einem erfindungsgemäßen Verbindungssystem 1 mit Verdrehsicherung. Diese Verdrehsicherung kann bei einem Verbindungssystem 1 gemäß des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels hilfreich sein, um die gewollte Orientierung der Ausgänge 23, 24 der Kapillare 2 gegenüber den Rohrelementen 31, 33 des Verbindungselements 3 sicherzustellen.
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Hierzu ist die Kapillare 2 von dem Verbindungselement 3 weg zunächst zur Oberfläche des Verdampfers 4 hin ausgerichtet, verläuft dann über einen gewissen Abschnitt parallel zu bzw. auf der Oberfläche des Verdampfers 4 senkrecht von dem Verbindungselement 3 weg und knickt schließlich parallel zu bzw. auf der Oberfläche des Verdampfers 4 aber parallel vom Verbindungselement 3 weg.
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Wird nun eine derartig geformte Kapillare 2 in die Anschlussöffnung 30 des Verbindungselements 3 eingeführt, so kann die Kapillare 2 derart gedreht werden, dass sie wie zuvor beschrieben relativ zur Oberfläche des Verdampfers 4 verläuft. Diese Ausgestaltung kann nicht nur für einen bauraumsparenden Verlauf der Kapillare 2 zum Verbindungselement 3 hin sorgen, sondern die Ausgänge 23, 24 können an dem Ende der Kapillare 2 derart angeordnet werden, dass sie in dieser Orientierung der Kapillare 2 wie zuvor beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben orientiert sind und erfindungsgemäß wirken können.
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Bezugszeichenliste
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- A - A
- erste Schnittebene
- B - B
- zweite Schnittebene
- U
- Achsen der Ausgänge 32, 34, 36 der Rohrbögen 31, 33, 35
- V
- Achse der Kapillare 2
- W
- Achsen der Ausgänge 23, 24, 25 der Kapillare 2
- X
- Längsrichtung; Tiefe
- Y
- Querrichtung; Breite
- Z
- vertikale Richtung; Höhe
- 1
- Verbindungssystem
- 2
- Kapillare
- 20
- Eingang der Kapillare 2
- 21
- Durchgang der Kapillare 2
- 22
- Verschlussstelle der Kapillare 2
- 23
- erster Ausgang bzw. erste Mehrzahl von Öffnungen der Kapillare 2
- 24
- zweiter Ausgang bzw. zweite Mehrzahl von Öffnungen der Kapillare 2
- 25
- dritter Ausgang bzw. dritte Mehrzahl von Öffnungen der Kapillare 2
- 3
- Verbindungselement
- 30
- Anschlussöffnung des Verbindungselements 3
- 31
- erstes Rohrelement; (viertelkreisförmiger) erster Rohrbogen
- 32
- Ausgang des ersten Rohrelements 31
- 33
- zweites Rohrelement; (viertelkreisförmiger) zweiter Rohrbogen
- 34
- Ausgang des zweiten Rohrelements 33
- 35
- drittes Rohrelement; (viertelkreisförmiger) dritter Rohrbogen
- 36
- Ausgang des dritten Rohrelements 35
- 37
- stoffschlüssige Verbindung; Lötstelle; Klebestelle; Schweißstelle
- 38
- Kapillarverlängerung
- 39
- Einbuchtung
- 4
- Verdampfer
