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Die Erfindung betrifft einen Verdichter, ein Klimagerät und eine Verwendung einer Magnet-Flussbarriere bzw. eines Kältemittels.
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Wärmepumpen erfreuen sich unter anderem für die Wärmeversorgung von Gebäuden aufgrund der geringen Emissionen zunehmender Beliebtheit. Ebenso wie Klimaanlagen, umfassen Wärmepumpen in der Regel einen Kältekreislauf, wobei häufig bei sogenannten Split-Geräten ein Innenteil des Klimagerätes in einem zu versorgenden Gebäude und ein Außenteil außerhalb angeordnet sein können, wobei Innenteil und Außenteil durch einen Kältemittelkreis zum Wärmetransport verbunden sein können. Häufig wird der Phasenwechsel des Kältemittels im Kältemittelkreis in den Wärmetransport einbezogen. Zur Gewährleistung eines Druckunterschiedes für einen Phasenwechsel in Verflüssiger (Kondensator) und Verdampfer weist der Kältemittelkreis regelmäßig einen Verdichter (häufig auch als Kompressor bezeichnet) auf. Der Verdichter ist im Wesentlichen für den Energieverbrauch eines Klimagerätes wie Wärmepumpe oder Klimaanlage verantwortlich. Zudem sorgt der Verdichter, bzw. der den Verdichter antreibende Elektromotor für das Betriebsgeräusch eines Klimagerätes. Bei dem Verdichter können zudem noch besonders hervorstechende Frequenzen auftreten, die nutzerseitig als besonders störend wahrgenommen werden (Stichwort: Psychoakustik, Tonalität).
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Zur Minderung des Betriebsgeräusches und auch zur Effizienzsteigerung eines Verdichters kommen zunehmend Elektromotoren aufweisend sogenannte Magnet-Flussbarrieren (Flux-Barriers) zum Einsatz. Diese dienen einer gezielten Führung und Verstärkung des magnetischen Flusses und können die magnetische Kopplung zwischen Rotor- und Stator begünstigen und somit Effizienz und Leistungsdichte eines Elektromotors verbessern. Zudem können Geräuschemissionen eines Motors teilweise durch Magnet-Flussbarrieren gemindert werden, indem z. B. Kraftharmonische gesenkt und damit weniger Vibrationen erzeugt werden.
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In der
WO 2020/196380 A1 wird ein Synchronmotor mit Magnet-Flussbarrieren und innen angeordnetem Rotor für die Anwendung in einem Verdichter einer Wärmepumpe vorgeschlagen.
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Auch in der
WO2020/105131 A1 wird ein Synchronmotor für eine Wärmepumpe vorgeschlagen, aufweisend einen Rotor mit Permanentmagneten, zwischen denen Magnet-Flussbarrieren angeordnet sind, die einen Verlust des Magnetflusses verhindern.
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Für eine Nutzung eines Elektromotors als Antrieb eines Verdichters eines Klimagerätes wird dieser häufig in den Kältekreislauf integriert. Schwierig realisierbar erscheint eine ausreichende Kühlung eines in einen Kältemittelkreis integrierten Elektromotors. Hierfür kann das Kältemittel genutzt werden, welches um den Stator des Elektromotors geleitet wird. Diese Kühlleistung ist jedoch häufig nicht ausreichend.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Klimagerät vorzuschlagen, das die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere soll das Klimagerät ein komfortables, energieeffizientes Betreiben ermöglichen.
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Zudem soll die Erfindung, neben der Gewährleistung einer ausreichenden Kühlung des Elektromotors des Verdichters, dessen Komplexität zumindest nicht wesentlich erhöhen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein Verdichter eines Klimagerätes bei, umfassend einen Elektromotor, der fluiddicht in einen Kältemittelkreis des Klimagerätes integrierbar ist, aufweisend mindestens eine Durchflussanordnung, wobei und zur Kühlung des Elektromotors dieser derart in den Kältemittelkreis integriert ist, dass das Kältemittel des Kältemittelkreises durch die mindestens eine Durchflussanordnung wird.
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Der Verdichter eines Klimagerätes kann durch einen Elektromotor angetrieben werden. Verdichter und Elektromotor können hierzu beispielsweise über eine Welle verbunden sein. Der Aufbau eines Elektromotors ist aus dem Stand der Technik bekannt. Zumeist sind mehrere Spulen an einem Stator konzentrisch um eine Welle angeordnet und eine korrespondierende Anzahl an Permanentmagneten oder gleichfalls Spulen an einem Rotor. Im Betrieb können beispielsweise am Stator angeordnete Spulen derart mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, dass das entstehende magnetische Feld mit den Permanentmagneten am Rotor derart in Wechselwirkung gebracht wird, dass ein Drehmoment auf den Rotor übertragen und so eine Drehbewegung erzeugt wird. Die Permanentmagneten können auch Spulen sein, die dann gleichfalls entsprechend mit elektrischem Strom zu beaufschlagen wären. Die Zuordnung zu Rotor bzw. Stator kann auch vertauscht sein, also die Spulen können auch im Rotor angeordnet sein und Permanentmagneten oder gleichfalls Spulen im Rotor.
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Bei der Durchflussanordnung handelt es sich insbesondere um Spalten und/ oder Kanäle im Rotor und/ oder Stator. Insbesondere kann die Durchflussanordnung mindestens einen Spalt umfassen, der sich in axialer Richtung und zumindest teilweise radialer Richtung im Rotor und/ oder Stator erstreckt, insbesondere geöffnet in Richtung des Spaltes zwischen Rotor und Stator und in Richtung der Stirnseiten von Rotor und/ oder Stator. Insbesondere können die Spalten im Bereich der Zähne im Stator angeordnet sein.
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Alternativ oder kumulativ kann die Durchflussanordnung auch weitestgehend in axialer Richtung umfassende Kanäle umfassen, die in Rotor und/ oder Stator angeordnet sein können und in insbesondere Öffnungen in den Stirnseiten (axialen Enden) von Rotor und/ oder Stator Öffnungen aufweisen. Insbesondere kann die Durchflussanordnung rotationssymmetrisch bezogen auf die Motorachse gleichverteilte in Rotor und/ oder Stator angeordnete Spalten und/ oder Kanäle umfassen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Durchflussanordnung Spalten im (nicht rotierenden) Stator des Elektromotors umfassen, wodurch die Effizienz des Motors durch weniger Verwirbelungen beim Betrieb im Vergleich zu einer Anordnung im Rotor erhöht werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Durchflussanordnung mindestens eine Magnetfluss-Barriere, die mit einem Spalt gebildet ist, der (im Betrieb des Klimagerätes) wenigstens teilweise und bevorzugt vollständig mit Kältemittel gefüllt ist. Dabei versteht sich, dass die Magnetfluss-Barriere hierfür durchströmbar ausgebildet sein sollte, insbesondere als Kanal oder Spalt. Hierzu kann die Magnetfluss-Barriere selbst ein Kanal oder Spalt im Rotor und/ oder Stator sein, oder auch einen Kanal oder Spalt aufweisen.
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Magnetfluss-Barrieren werden häufig zwischen den Magneten im Rotor und/ oder Stator angeordnet, um eine gegenseitige Beeinflussung derer Magnetfelder zu verringern. In der Regel werden Magnetfluss-Barrieren durch ein nicht magnetisches Material gebildet, welches ein Magnetfeld abschwächt und damit eine gegenseitige Beeinflussung/ Abschwächung der Magnetfelder der Magneten in Rotor und/ oder Stator des Elektromotors mindert. Der Zweck der Magnetflussbarrieren ist es ein besseres elektromagnetisches Verhalten des Motors insgesamt zu erreichen und besonders bevorzugt eine erhöhte Effizienz, insbesondere im Teillastbereich, eine höhere Gleichmäßigkeit der Rotorbewegung und damit geringere Geräuschinformationen, eine geringere Baugröße und auch eine geringere Überlastungsgefahr das Motors zu erreichen.
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Magnetfluss-Barrieren können in den Zähnen im Stator angeordnet sein, um den magnetischen Fluss im Luftspalt positiv zu beeinflussen. Bevorzugt werden Magnetfluss-Barrieren durch ein nicht magnetisches Material gebildet, welches den magnetischen Fluss durch das Statorfeld und Rotorfeld derart beeinflusst, dass die Arbeitsharmonische des Magnetfelds verstärkt und parasitäre Harmonische geschwächt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Durchflussanordnung mindestens vier Spalten und/ oder Kanäle umfassen, die umfänglich verteilt um eine Drehachse des Elektromotors angeordnet sein können. Bevorzugt sind die Spalten und/ oder Kanäle der Durchflussanordnung hierbei konzentrisch gleich verteilt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Durchflussanordnung auch einen (Ring-)Spalt zwischen Rotor und Stator umfassen, der zur Kühlung von Kältemittel durchströmbar ist.
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Insbesondere kann der Elektromotor ein Synchronmotor, beispielsweise ausgeführt als bürstenloser Gleichstrommotor sein. Insbesondere kann der Elektromotor einen innenliegenden Rotor und einen außenliegenden Stator aufweisen. Die konkrete Ausführung hinsichtlich der Anzahl der Magnete und/ oder Spulen hängt von den Anforderungen des Verdichters und dem konkreten Maschinendesign ab.
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Der Elektromotor als Antrieb eines hier vorgeschlagenen Verdichters ist zur fluiddichten Integration in einen Kältemittelkreis eines Klimagerätes eingerichtet. Es wird vorgeschlagen die mindestens eine (als Spalt oder Kanal ausgebildete oder einen solchen aufweisende) Durchflussanordnung zur Kühlung mit Kältemittel des Kältemittelkreises (in den der Elektromotor integriert ist) zu durchströmen. Die mindestens eine Durchflussanordnung kann hierzu Teil des Kältemittelkreises sein und so durch das Umwälzen des Kältemittels im Kältemittelkreis durchströmt werden. Hierfür kann mindestens eine geeignete Zuleitung und Ableitung von Kältemittel vorgesehen sein, beispielsweise in den Bereich zwischen Rotor und Stator, im Inneren von Rotor oder Stator und/ oder außen an Rotor oder Stator.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens ein Auslassventil des mechanischen Verdichterteils in räumlicher (unmittelbarer) Nähe zu einer Durchflussanordnung, insbesondere im Bereich der axialen Enden der Kanäle und/ oder Spalten der Durchflussanordnung, angeordnet sein. Die Positionierung des Auslassventils kann dabei insbesondere derart erfolgen, dass ein Überströmen vom Auslassventil in die Durchflussanordnung gefördert werden kann.
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In vorteilhafter Weise kann bei einer Anordnung der Durchflussanordnung im Stator eine direkte Verbindung von mindestens einem Auslassventil und der Durchflussanordnung vorgesehen sein, da es sich bei Stator und Auslassventil um nicht bewegliche Teile handelt.
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Der Verdichter kann ein beliebiger geeigneter Verdichter sein, beispielsweise ein Scrollverdichter oder ein Rollkolbenverdichter, die für den Einsatz in einem Wärmepumpenkreislauf sehr gut geeignet sind und zudem eine lange Standzeit aufweisen. Alternativ kann der Verdichter auch ein Hubkolbenverdichter, ein Vielzellenverdichter oder ein Schraubenverdichter sein.
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Das Kältemittel kann ein beliebiges Kältemittel einer Wärmepumpe sein. Beispielsweise sind R134a oder R410a bekannte Kältemittel für Wärmepumpen, aufgrund deren hohen Klimaschädigungspotentials kommen nunmehr häufig R290, R717 oder R744 zum Einsatz.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Klimagerät vorgeschlagen, aufweisend einen hier vorgestellten Verdichter. Der den Verdichter antreibende Elektromotor kann dabei in den Kältemittelkreis des Klimagerätes integriert sein. Der Kältemittelkreis kann einen Verdampfer und einen Verflüssiger aufweisen.
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Das Klimagerät kann beispielsweise eine Wärmepumpe sein, welche Umgebungswärme (aus Luft, Erdreich oder Wasser) entzieht und über einen Kältemittelkreis einem Gebäude für Heizung und/ oder Warmwasserversorgung bereitstellt
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Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung einer Magnetfluss-Barriere eines elektrischen Motors eines Klimagerätes zur Kühlung des elektrischen Motors vorgeschlagen. Hierfür kann die Magnetfluss-Barriere als Spalt oder Kanal ausgebildet sein, oder einen solchen aufweisen und diese von einem Kältemittel eines Kältemittelkreis(lauf)es durchströmt werden.
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Die im Zusammenhang mit dem Verdichter erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Klimagerät und/oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Hier werden somit ein Verdichter für ein Klimagerät, ein Klimagerät und eine Verwendung einer Magnetfluss-Barriere angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen der Verdichter, das Klimagerät sowie die Verwendung zu einem energetisch effizienten und geräuscharmen Betrieb bei.
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Zudem kann die Erfindung einfach und ohne weitreichende bauliche Änderungen gegenüber dem Stand der Technik umgesetzt werden.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: ein hier vorgestelltes Klimagerät,
- 2: einen Elektromotor eines hier vorgestellten Verdichters, und
- 3: einen hier vorgestellten Verdichter in einer axialen Schnittdarstellung.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch ein hier vorgestelltes Klimagerät 1, hier ausgeführt als eine Wärmepumpe zur Versorgung eines Gebäudes 7 mit Wärmeenergie. Das Klimagerät 1 kann einen Außenteil 6, der Umgebungswärme (Aero-, Geo- und/oder Hydrothermie) aufnimmt und einen Innenteil 8 zur Abgabe der aufgenommenen Wärme im Gebäude 7, umfassen. In einem Kältemittelkreis 16 kann hierzu ein Kältemittel umgewälzt werden, in dem ein Verdampfer 3 und ein Verflüssiger 4, häufig auch als Kondensator bezeichnet, vorgesehen sind. Zudem können in dem Kältemittelkreis 16 ein hier vorgestellter Verdichter 2 und ein Expansionsventil 5 vorgesehen sein. Das Kältemittel kann im Kältemittelkreis 16 in einer Umwälzrichtung 15 vom Verdampfer 3 über den Verdichter 2 zum Verflüssiger 4 und weiter über das Expansionsventil 5 zurück zum Verdampfer 3 transportiert werden.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch einen Elektromotor 9 mit einer Drehachse 17 eines hier vorgestellten Verdichters 2 in einer Schnittdarstellung. Dieser kann einen Rotor 11 und einen Stator 10 aufweisen. Der innenliegende Rotor 11 kann Permanentmagneten 14, die mit im Stator 10 angeordneten Spulen 12 nach bekanntem Funktionsprinzip eines Elektromotors in Wirkbeziehung stehen, umfassen. Im Stator 10 können zwischen den Spulen 12 Kanäle einer Durchflussanordnung 13 in radialer Richtung zur Drehachse 17 des Elektromotors 9 angeordnet sein. Die Kanäle der Durchflussanordnung 13 können als, von einem Fluid durchströmbarer, Spalt im Stator 10 ausgeführt sein. Bei dem in 2 gezeigten Elektromotor 9 sind die Kanäle der Durchflussanordnung 13 als (Luft-)spalt ausgebildete Magnet-Flussbarrieren.
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Der Elektromotor 9 kann in den Kältemittelkreis 16 integriert, mit anderen Worten im druckdichten Kältemittelkreis 16 angeordnet sein. Der Elektromotor 9 ist dazu eingerichtet, dass Kältemittel durch die Kanäle der Durchflussanordnung 13 zur Kühlung des Elektromotors, insbesondere der Spulen 12, strömen kann. Hierzu kann beispielsweise vom Verdampfer 3 zum Verdichter 2 strömendes Kältemittel in den Spalt zwischen Rotor 11 und Stator 10 geleitet und außen am Stator 10 kann das Kältemittel nach dem Durchströmen des Stators 10 abgeleitet werden.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch einen hier vorgestellten Verdichter 2 in einer axialen Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene durch die Durchflussanordnung 13 führt. Ein mechanisches Verdichterteil 18 kann Auslassventile 19 aufweisen, die mit den axialen Enden der die Durchflusseinrichtung 13 bildenden Magnet-Flussbarrieren verbunden sein können und so aus den Auslassventilen 19 austretendes Kältemittel diesen direkt zuführen. Das Kältemittel kann die Durchflussanordnung 13 dann in einer Fließrichtung 20 durchströmen und Abwärme, insbesondere der Spulen 12, aufnehmen und so eine hervorragende Kühlung der Spulen 12 gewährleisten. Zudem kann die Abwärme des Elektromotors 9 energieeffizient in den Kältemittelkreis 16 eingebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klimagerät
- 2
- Verdichter
- 3
- Verdampfer
- 4
- Verflüssiger
- 5
- Expansionsventil
- 6
- Außenteil
- 7
- Gebäude
- 8
- Innenteil
- 9
- Elektromotor
- 10
- Stator
- 11
- Rotor
- 12
- Spule
- 13
- Durchflussanordnung
- 14
- Permanentmagnet
- 15
- Umwälzrichtung
- 16
- Kältemittelkreis
- 17
- Drehachse
- 18
- mechanisches Verdichterteil
- 19
- Auslassventil
- 20
- Fließrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020/196380 A1 [0004]
- WO 2020/105131 A1 [0005]
