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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung und ein elektronisches Haushaltsgerät mit einer solchen Wärmepumpenanordnung.
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In elektronischen Haushaltsgeräten wie zum Beispiel Kühl- und/oder Gefriergeräten, Wäschetrockner, etc. können zur Effizienzsteigerung Wärmepumpen zum Einsatz kommen. Wärmepumpenanordnungen weisen typischerweise einen Arbeitsmittelkreislauf mit einer Arbeitsmittel-Fördervorrichtung zum Fördern eines Arbeitsmittels durch den Arbeitsmittelkreislauf, eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Arbeitsmittel-Fördervorrichtung und eine Steuereinheit zum Betreiben der Antriebsvorrichtung der Arbeitsmittel-Fördervorrichtung auf. Eine solche Wärmepumpenanordnung benötigt zudem eine Kühlanordnung zum Kühlen der Steuereinheit während des Betriebs der Wärmepumpenanordnung, um die Effizienz der Steuereinheit zu erhöhen bzw. aufrechtzuerhalten. Herkömmliche Kühlanordnungen weisen zum Beispiel große Kühlkörper an der Steuereinheit auf, die fallweise auch mit separaten Ventilatoren eingesetzt werden. Solche Kühlkörper benötigen jedoch meist einen relativ großen Bauraum, haben ein relativ großes Gewicht und haben teilweise eine relativ langsame Kühlleistung.
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Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Kühlanordnung zum Kühlen der Steuereinheit einer Wärmepumpenanordnung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Wärmepumpenanordnung weist einen Arbeitsmittelkreislauf mit einer Arbeitsmittel-Fördervorrichtung (z.B. Kompressor) zum Fördern eines Arbeitsmittels (z.B. Kältemittel) durch den Arbeitsmittelkreislauf; eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Arbeitsmittel-Fördervorrichtung; eine Steuereinheit zum Betreiben der Antriebsvorrichtung der Arbeitsmittel-Fördervorrichtung; und eine Kühlanordnung zum Kühlen der Steuereinheit auf. Die Kühlanordnung dient dem Kühlen der Steuereinheit, d.h. dem Kühlen der gesamten Steuereinheit oder von ein oder mehr Komponenten der Steuereinheit. Gemäß der Erfindung weist die Kühlanordnung zum Kühlen der Steuereinheit einen ersten thermischen Adapter, der mit der Steuereinheit thermisch gekoppelt ist, einen zweiten thermischen Adapter, der mit dem Arbeitsmittelkreislauf thermisch gekoppelt ist, und wenigstens eine Heatpipe mit einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich auf, wobei der erste Endbereich der wenigstens einen Heatpipe mit dem ersten thermischen Adapter thermisch gekoppelt ist und der zweite Endbereich der wenigstens einen Heatpipe mit dem zweiten thermischen Adapter thermisch gekoppelt ist. Der erste thermische Adapter bildet die Wärmequelle der Kühlanordnung und der zweite thermische Adapter bildet die Wärmesenke der Kühlanordnung. Dieser Aufbau der Kühlanordnung mit thermischen Adaptern und Heatpipes zum Kühlen der Steuereinheit hat einen relativ einfachen Aufbau, benötigt aufgrund der im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörpern relativ kleinen Adapter relativ wenig Bauraum, hat deshalb auch relativ wenig Gewicht und kann über die Funktionalität der Heatpipe(s) eine relativ schnelle Temperaturabsenkung an bzw. Wärmeabfuhr von der Steuereinheit erzielen.
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Die Erfindung ist grundsätzlich nicht auf eine spezielle Art bzw. Konstruktion der Heatpipe beschränkt. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Heatpipe aber als Sinter-Heatpipe ausgestaltet, um die Wärme auch entgegen der Gravitation verschieben zu können, sodass mehr Flexibilität für den Einbau der Kühlanordnung besteht. So kann zum Beispiel die Kühlanordnung auch so in die Wärmepumpenanordnung eingebaut werden, dass der die Wärmequelle bildende erste Adapter höher als der die Wärmesenke bildende zweite Adapter positioniert ist. Aufbau und Funktionsweise von Heatpipes und auch von Sinter-Heatpipes sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Auch ist die Erfindung grundsätzlich nicht auf spezielle Arten bzw. Konstruktionen der Adapter beschränkt. Die Adapter müssen bevorzugt die Funktionalität eines Temperaturtransfers haben. Beispielsweise steht der erste Adapter mechanisch in Kontakt mit der Steuereinheit und wird der zweite Adapter vom Arbeitsmittel des Arbeitsmittelkreislaufs durchströmt und/oder umströmt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuereinheit ein Leistungsmodul (kann z.B. auch als Power-Modul bezeichnet werden) auf und ist der erste thermische Adapter der Kühlanordnung mit diesem Leistungsmodul thermisch gekoppelt. Die Steuereinheit bzw. ihr Leistungsmodul können auch noch weitere Komponenten des Arbeitsmittelkreislaufs betreiben.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der erste thermische Adapter der Kühlanordnung wenigstens zwei Adapterplatten aufweisen, zwischen denen der erste Endbereich der wenigstens einen Heatpipe eingesetzt ist. Ebenso kann der zweite thermische Adapter der Kühlanordnung wenigstens zwei Adapterplatten aufweisen, zwischen denen der zweite Endbereich der wenigstens einen Heatpipe eingesetzt ist. D.h. die wenigstens eine Heatpipe ist am ersten Adapter und/oder am zweiten Adapter über einen Presssitz befestigt und thermisch gekoppelt.
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Die Kühlanordnung der Wärmepumpenanordnung hat vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften:
- - der erste Adapter ist ein Aluminium-Adapter (d.h. er ist im Wesentlichen aus Aluminium gefertigt),
- - der zweite Adapter ist ein Kupfer-Adapter (d.h. er ist im Wesentlichen aus Kupfer gefertigt),
- - die wenigstens eine Heatpipe ist eine Kupfer-Heatpipe (d.h. ihr Rohr ist aus Kupfer gefertigt),
- - die wenigstens eine Heatpipe weist wenigstens zwei Heatpipes auf,
- - die wenigstens eine Heatpipe enthält Wasser als Arbeitsmedium,
- - die wenigstens eine Heatpipe besitzt einen thermischen Widerstand von mindestens etwa 0,1 K/W und höchstens etwa 0,2 K/W,
- - die wenigstens eine Heatpipe hat eine Länge von mindestens etwa 100 mm und höchstens etwa 500 mm, bevorzugt von etwa 200 mm,
- - die wenigstens eine Heatpipe hat einen Außendurchmesser von mindestens etwa 5 mm und höchstens etwa 15 mm, bevorzugt von etwa 8 mm.
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Die Positionierung der thermischen Kopplung des die Wärmesenke bildenden zweiten Adapters der Kühlanordnung mit dem Arbeitsmittelkreislauf der Wärmepumpenanordnung ist nahezu beliebig. Vorzugsweise kann der zweite Adapter der Kühlanordnung in eine Arbeitsmittelleitung des Arbeitsmittelkreislaufs (stromab oder stromauf der Fördervorrichtung), in die Arbeitsmittel-Fördervorrichtung oder in die Antriebsvorrichtung der Arbeitsmittel-Fördervorrichtung eingefügt sein.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein elektronisches Haushaltsgerät, das eine oben beschriebene Wärmepumpenanordnung der Erfindung aufweist. Bei dem Haushaltsgerät handelt es sich zum Beispiel um ein Kühl- und/oder Gefriergerät, ein Wäschebehandlungsgerät (z.B. Wäschetrockner), ein Heizungsgerät oder dergleichen.
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Je nach konkretem Anwendungsfall kann der Arbeitsmittelkreislauf zum Beispiel ein Kältemittelkreislauf sein und zusätzlich zur Kältemittel-Fördervorrichtung (z.B. Kompressor) einen ersten Wärmetauscher (z.B. Kondensator) zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Umgebung und einen zweiten Wärmetauscher (z.B. Verdampfer) zur Wärmeaufnahme des Kältemittels aus einem Kühlraum des Haushaltsgeräts aufweisen.
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Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung besser verständlich. Darin zeigen, größtenteils schematisch:
- 1 den Grundaufbau einer Wärmepumpenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine Perspektivansicht einer Kühlanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie sie zum Beispiel in der Wärmepumpenanordnung von 1 verwendet werden kann.
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Bezugnehmend auf 1 wird zunächst der Grundaufbau einer Wärmepumpenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Die Wärmepumpenanordnung 10 hat einen Arbeitsmittelkreislauf 12, durch den ein Arbeitsmittel, zum Beispiel ein Kältemittel, strömt. Dieser Arbeitsmittelkreislauf 12 hat eine oder mehrere Arbeitsmittelleitungen 13 sowie eine Arbeitsmittel-Fördervorrichtung 14 in Form eines Kompressors, für den auch eine Antriebsvorrichtung (z.B. Kompressor-Motor) 15 vorgesehen ist, einen ersten (hochdruckseitigen) Wärmetauscher 16 in Form eines Kondensators, ein Expansionsventil 17 und einen zweiten (niederdruckseitigen) Wärmetauscher 18 in Form eines Verdampfers. Das gasförmige Arbeitsmittel wird im Kompressor 14 komprimiert, dann im Kondensator 16 durch Wärmeabgabe zum Beispiel an die Umgebung der Wärmepumpenanordnung verflüssigt, danach durch das Expansionsventil 17 entspannt, dann im Verdampfer 18 durch Wärmeaufnahme zum Beispiel aus einem Kühlraum eines Haushaltsgeräts verdampft, und dann wieder im Kompressor 14 komprimiert.
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Die Wärmepumpenanordnung 10 weist ferner eine Steuereinheit 20 auf, die zum Beispiel ein Leistungsmodul 21 zum Betreiben der Antriebsvorrichtung 15 des Kompressors 14 enthält. Die Steuereinheit kann je nach Ausführungsform des Arbeitsmittelkreislaufs 12 und seiner Komponenten auch diese anderen Komponenten der Wärmepumpenanordnung 10 ansteuern. Obwohl nicht dargestellt, enthält die Wärmepumpenanordnung 10 typischerweise auch einige Sensoren zum Überwachen der Betriebszustände des Arbeitsmittelkreislaufs und seiner Komponenten und seines Arbeitsmittels, die mit der Steuereinheit 20 verbunden sind. So kann die Antriebsvorrichtung 15 des Kompressors 14 von der Steuereinheit 20 zum Beispiel in Abhängigkeit von der Temperatur des Arbeitsmittels betrieben werden.
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Im Betrieb der Steuereinheit 20 erzeugt das Leistungsmodul 21 Abwärme. Um die Leistungsfähigkeit der Steuereinheit 20 bzw. des Leistungsmoduls 21 zu erhöhen bzw. aufrechtzuerhalten, muss diese Abwärme des Leistungsmoduls 21 abgeführt werden. Zu diesem Zweck weist die Wärmepumpenanordnung 10 eine spezielle Kühlanordnung 30 auf.
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Wie in 1 veranschaulicht, weist diese Kühlanordnung 30 einen ersten thermischen Adapter 31, der mit dem Leistungsmodul 21 thermisch gekoppelt ist, einen zweiten thermischen Adapter 32, der mit dem Arbeitsmittelkreislauf 12 thermisch gekoppelt ist, und wenigstens eine Heatpipe 33, die an einem Endbereich mit dem ersten thermischen Adapter 31 thermisch gekoppelt ist und am anderen Endbereich mit dem zweiten thermischen Adapter 31 thermisch gekoppelt ist, auf. Auf diese Weise wird die vom Leistungsmodul 21 erzeugte Abwärme vom ersten Adapter 31 aufgenommen, durch die wenigstens eine Heatpipe 33 vom ersten Adapter 31 zum zweiten Adapter 32 übertragen, und dann vom zweiten Adapter 32 an das Arbeitsmittel im Arbeitsmittelkreislauf 12 abgegeben. Durch die physikalische Funktionsweise der Heatpipe erfolgt diese Wärmeübertragung vom Leistungsmoduls 21 zum Arbeitsmittel sehr schnell und zuverlässig.
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Im Ausführungsbeispiel von 1 ist der zweite Adapter 32 der Kühlanordnung 30 stromab des Kompressors 14 in der Arbeitsmittelleitung 13 positioniert. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der zweite Adapter 32 der Kühlanordnung 30 auch stromauf des Kompressors 14 in der Arbeitsmittelleitung 13 positioniert sein, direkt im Kompressor 14 integriert sein oder in der Antriebsvorrichtung 15 des Kompressors 14 integriert sein. Die beiden letztgenannten Varianten sind möglich, wenn das Arbeitsmittel in einer passenden Weise durch den Kompressor 14 und/oder seine Antriebsvorrichtung 15 geleitet wird.
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Eine Ausführungsform einer solchen Kühlanordnung 30 wird nun bezugnehmend auf 2 beispielhaft näher erläutert.
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Der erste Adapter 31 der Kühlanordnung 30 hat zum Beispiel zwei Adapterplatten 31a und 31b aus Aluminium, zwischen denen die ersten Endbereiche von in diesem Ausführungsbeispiel zwei Heatpipes 33 eingesetzt sind. Das Leistungsmodul 21 ist an dem ersten Adapter 31 zum Beispiel durch Schraubverbindungen befestigt und damit am ersten Adapter 31 thermisch gekoppelt.
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Der zweite Adapter 32 der Kühlanordnung 30 hat zum Beispiel drei Adapterplatten 32a, 32b und 32c aus Kupfer, zwischen denen die zweiten Endbereiche von in diesem Ausführungsbeispiel zwei Heatpipes 33 eingesetzt sind. Außerdem ist zum Beispiel die mittlere Adapterplatte 32c so ausgestaltet, dass sie von dem Arbeitsmittel des Arbeitsmittelkreislaufs 12 durchströmt werden kann. Beispielsweise ist eine Durchgangsöffnung durch die mittlere Adapterplatte 32c beidseitig an die Arbeitsmittelmittelleitung 13 angeschlossen, wie in 2 veranschaulicht.
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Die Heatpipes 33 der Kühlanordnung 30 haben zum Beispiel Kupferrohre, in denen zum Beispiel Wasser als Arbeitsmedium verwendet wird.
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Tests haben außerdem ergeben, dass es für eine effektive und schnelle Wärmeübertragung vorteilhaft ist, wenn die Heatpipes 33 der Kühlanordnung 30 einen thermischen Widerstand von minimal etwa 0,1 K/W und maximal etwa 0,2 K/W, eine Länge im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 500 mm, bevorzugt von etwa 200 mm, und einen Außendurchmesser im Bereich von etwa 5 mm bis etwa 15 mm, bevorzugt von etwa 8 mm, haben.
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Falls der die Wärmequelle bildende erste Adapter 31 in der Wärmepumpenanordnung 10 höher positioniert ist als der die Wärmesenke bildende zweite Adapter 32, sind die Heatpipes 33 vorzugsweise als Sinter-Heatpipes ausgestaltet, sodass die Wärmeübertragung auch entgegen der Gravitation erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmepumpenanordnung
- 12
- Arbeitsmittelkreislauf, insbes. Kältemittelkreislauf
- 13
- Arbeitsmittelleitung
- 14
- Arbeitsmittel-Fördervorrichtung, insbes. Kompressor
- 15
- Antriebsvorrichtung
- 16
- erster Wärmetauscher, insbes. Kondensator
- 17
- Expansionsventil
- 18
- zweiter Wärmetauscher, insbes. Verdampfer
- 20
- Steuereinheit
- 21
- Leistungsmodul
- 30
- Kühlanordnung
- 31
- erster thermischer Adapter
- 31a-b
- Adapterplatten
- 32
- zweiter thermischer Adapter
- 32a-c
- Adapterplatten
- 33
- Heatpipe
