DE102022130478A1

DE102022130478A1 - Feuchtemanagement in einem Wärmepumpengehäuse

Info

Publication number: DE102022130478A1
Application number: DE102022130478.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Badenhop; Christof Krampe-Zadler; Tobias Lingk; Hans-Josef Spahn
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2024-05-23

Abstract

Vorrichtung zum Feuchtemanagement im gekapselten Innengehäuse einer Wärmepumpe, in dem ein geschlossener, hermetisch dichter Arbeitsfluidumlauf geführt wird, wobei das gekapselte Innengehäuse alle von Arbeitsfluid durchströmten Installationen umschließt, aufweisend eine vorzugsweise trichterförmige Auffangform, die das gekapselte Innengehäuse nach unten abschließt, die trichterförmige Auffangform über eine Trichteröffnung in ein Auffangvolumen mündet, in diesem Auffangvolumen eine Detektionseinrichtung für Flüssigkeit eingerichtet ist, und am Auffangvolumen ein Siphon mit einem Auslassventil vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektion einer Wasseransammlung innerhalb des Gehäuses einer Wärmepumpe. Vor allem betrifft dies solche Wärmpumpen, die innerhalb eines Gebäudes aufgestellt sind, mit einem brennbaren oder gefährlichen Kältemittel betrieben werden und die ein sorptives Sicherheitskonzept aufweisen, wie beispielsweise einen Adsorber mit einem zur Umgebung hin offenen Adsorptionsfestbest, der als Sicherungseinrichtung für den Fall vorgesehen wird, dass irreguläre Zustände in Kältekreisen auftreten, in denen ein als Kältemittel wirkendes Arbeitsfluid in einem thermodynamischen Kreisprozess, wie zum Beispiel dem Clausius-Rankine-Kreisprozess, geführt wird. Vorwiegend sind dies Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlgeräte, wie sie in Wohngebäuden gebräuchlich sind.
Die zum Einsatz kommenden thermodynamischen Kreisprozesse sind seit langem bekannt, ebenso die Sicherheitsprobleme, die bei der Verwendung geeigneter Arbeitsfluide entstehen können. Abgesehen von Wasser sind die bekanntesten damaligen Arbeitsfluide brennbar und giftig. Sie führten im vergangenen Jahrhundert zur Entwicklung der Sicherheitskältemittel, die aus fluorierten Kohlenwasserstoffen bestanden. Es zeigte sich jedoch, dass diese Sicherheitskältemittel die Ozonschicht schädigen, zur Klimaerwärmung führen, und dass ihre sicherheitstechnische Unbedenklichkeit zu konstruktiven Unachtsamkeiten führte. Bis zu 70 % des Umsatzes entfiel auf den Nachfüllbedarf undichter Anlagen und deren Leckageverluste, der hingenommen wurde, solange dies im Einzelfall als wirtschaftlich vertretbar empfunden wurde und Bedarf an Ersatzbeschaffung förderte.
Der Einsatz dieser Kältemittel wurde aus diesem Grund Restriktionen unterworfen, in der Europäischen Union beispielsweise durch die F-Gas-Verordnung (EU) 517/2014 . Als Folge werden gerne brennbare Kältemittel verwendet, die klimaschädlichen Nachteile nicht aufweisen, dies sind vor allem R290 (Propan), R600a und R1270. Diese haben den weiteren Vorteil besonders hoher erreichbarer Wirkungsgrade, es müssen aber wegen der Brennbarkeit Vorkehrungen hinsichtlich der Sicherheit gegenüber Notfällen getroffen werden. Dies betrifft vor allem Leckagen nach Betriebsstörungen.
Die auftretenden Probleme bei der Sicherheitsauslegung solcher Anlagen werden in der EP 4 008 979 A1 anschaulich und ausführlich beschrieben. In vielen Fällen kommen daher Adsorber mit Aktivkohle oder anderen geeigneten Adsorbenzien zum Einsatz. Sofern das leckagebedingt austretende Kältemittel oder Arbeitsfluid schwerer als Luft ist, sinkt es im Wärmepumpenbehälter zunächst nach unten, wo typischerweise auch die Einlassöffnungen für Adsorber angeordnet sind. Ansteigender Druck im Wärmepumpenbehälter aufgrund des zusätzlichen, unter Druck ausströmenden Kältemittels bewirkt dann eine Strömung durch den Adsorber, die auch von Lüftern oder anderen Strömungsförderern unterstützt werden kann. Im Adsorber wird dann das Kältemittel gebunden und kann nicht in den Aufstellungsraum austreten.
Die Funktion ist aber nur gewährleistet, wenn sich keine großen Wassermengen im Wärmepumpenbehälter befinden. Zum einen verschlechtert sich die Adsorption des Kältemittels, wenn sich Wasser in den Poren des Adsorptionsmittels befindet, ganz erheblich. Zum anderen könnte der Gaseinlass durch Flüssigkeit versperrt sein.
Solcher Wassereintrag kann mehrere Ursachen haben. Sofern der Adsorber zum Aufstellungsraum hin immer offen ist, kann Raumfeuchtigkeit in das Wärmepumpengehäuse eindiffundieren oder bei Luftdruckschwankungen auch in das Wärmepumpengehäuse eingesogen werden. An kalten Stellen, z.B. am Verdampferwärmetauscher oder nach dem Entspannungsventil, kann die Feuchte dann auskondensieren. Sofern am Kondensatorwärmetauscher Heizungswasser erwärmt wird, befindet sich meist ein Gasabscheider in der Nähe, der in den Wärmepumpenbehälter entlüftet. Auch hierbei kann Feuchtigkeit austreten. Auch ein Sicherheitsventil des Heizungskreislaufs kann beim Öffnen Wasser in das Wärmepumpengehäuse eintragen.
Bei Wärmepumpen früherer Bauart mit Sicherheitskältemitteln war es üblich, solche Kondensate einfach an die Umgebung im Aufstellungsraum abzugeben und zu verdunsten. Eine solche Öffnung ist aber nicht möglich, wenn zu befürchten ist, dass Kältemittel in den Aufstellungsraum austreten könnte, was umso mehr gilt, je brennbarer oder gefährlicher das verwendete Kältemittel ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, welche die dargestellten Probleme löst und die Nachteile nicht mehr aufweist. Das Wärmepumpengehäuse kann dabei aus mehreren ineinander geschachtelten Gehäusen bestehen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Feuchtemanagement im gekapselten Innengehäuse einer Wärmepumpe, in dem ein geschlossener, hermetisch dichter Arbeitsfluidumlauf geführt wird, wobei das gekapselte Innengehäuse alle von Arbeitsfluid durchströmten Installationen umschließt, aufweisend

- eine Auffangform, die das gekapselte Innengehäuse nach unten abschließt,
- die Auffangform über eine Öffnung in ein Auffangvolumen mündet,
- in diesem Auffangvolumen eine Detektionseinrichtung für Flüssigkeit eingerichtet ist,
- und am Auffangvolumen ein Siphon mit einem Auslassventil vorgesehen ist.

Die Auffangform hat dabei eine fluidische Sammeleigenschaft. Ausgestaltungen betreffen diese Auffangform. Hierbei wird vorgesehen, dass sie trichterförmig ist und mindestens 1 Grad Trichterneigung aufweist und die gesamte Grundfläche des gekapselten Innengehäuses abdeckt, also eine trichterförmige Auffangform ist. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass die trichterförmige Auffangform mit einer hydrophoben Beschichtung versehen ist. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass auf der Unterseite der trichterförmigen Auffangform eine Vibrationsvorrichtung eingerichtet ist. Diese kann in regelmäßigen Abständen durch Vibrieren dafür sorgen, dass gebildete Tröpfchen koagulieren und zügig durch die Trichteröffnung in das Auffangvolumen ablaufen. Die Vibrationseinrichtung kann auch durch Kopplung mit dem Verdichter entstehen oder der Verdichter selbst sein.
Weitere Ausgestaltungen betreffen das Auffangvolumen und die Trichteröffnung. Hierbei ist ein herausnehmbares Auffangsieb für grobe Verunreinigungen zwischen der Trichteröffnung und dem Auffangvolumen vorgesehen. Das Auffangsieb und das Auffangvolumen können ebenfalls mit einer Vibrationseinrichtung versehen werden oder mit der Vibrationseinrichtung der trichterförmigen Auffangform verbunden werden. Das Auffangsieb kann auch selbst als Rüttler ausgebildet sein, um die Vibrationen zu erzeugen.
Weitere Ausgestaltungen betreffen die Detektionseinrichtung für Flüssigkeit im Auffangvolumen. Alternativ oder in Kombination ist diese ausgebildet als

- Schwimmer, der einen Kontakt schließt und so einen entsprechenden Wasserstand signalisiert,
- Wechselspannungselektroden, deren Impedanz gemessen wird,
- Gleichspannungselektroden, deren ohmscher Widerstand gemessen wird,
- Feuchtesensoren in einer Sorptionsmittelschüttung,
- Feuchtesensoren im Gehäuse,
- Vibrationsdetektor,
- optischer Sensor,
- Reflexsensor,
- Ultraschallsensor,
- Pegelstandssensor,
- Radarsensor.

Falls ein Schwimmer und ein Auffangsieb zum Einsatz kommen, können diese auch baulich miteinander verbunden werden. Das hat den Vorteil, dass grobe Verunreinigungen den Schwimmermechanismus nicht blockieren können, wenn es sich bei dem Auffangsieb um einen Filtereinsatz handelt und der Schwimmer als Ring oder Toroidalstruktur außerhalb des Filtereinsatzes frei aufschwimmen kann.
Falls Elektroden in Verbindung mit einem Auffangsieb zum Einsatz kommen, kann das Sieb die eine Elektrode und das Auffangvolumen die andere Elektrode bilden.
Falls eine Sorptionsmittelschüttung zum Einsatz kommt, kann auch eine Messung der Wärmebildung gemessen werden, beispielsweise erwärmt sich Zeolith um bis zu 60 Grad, wenn Wasser adsorbiert wird.
Falls ein Vibrationsdetektor zum Einsatz kommt und auch die trichterförmige Auffangform vibriert wird, bewirkt flüssiges Wasser eine erhebliche Dämpfung der Vibration, die gut messbar ist. Sofern ein Auffangsieb zum Einsatz kommt, nimmt auch dessen Vibration deutlich ab, sobald seine Unterseite in Wasser eintaucht.
Weitere Ausgestaltungen betreffen den Siphon. Dieser kann als offenes Labyrinth mit einem druckerhöhenden System bei Durchströmung ausgestattet sein. Das druckerhöhende System kann eine Partikelschüttung sein oder aus offenporigem Schaumstoff bestehen oder beides beinhalten. Der gewünschte Strömungswiderstand hängt davon ab, wie dicht das gekapselte Wärmepumpengehäuse insgesamt sein soll. Sofern es über einen Adsorber für Kältemittelleckagen nach außen offen bzw. durch diesen abgeschlossen ist, muss das druckerhöhende System im Siphon einen entsprechend höheren Druckwiderstand aufweisen. Soll die Kapselung vollständig dicht sein, ist ein Überdruckventil am Siphon vorzusehen, das mit der Druckauslegung der Kapselung abgestimmt ist.
Das Innengehäuse der Wärmepumpe kann sich innerhalb eines Wärmepumpengehäuses befinden, welches auch andere Aggregate wie die Elektronik, Wasserspeicher, Zusatzheizer, Umschaltungen für sommerlichen Klimabetrieb und einen Adsorber für Kältemittel enthält.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Prinzipskizzen näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine Übersichtsskizze,
2 eine Ausführungsvariante von Auffangform mit Auffangvolumen und Flüssigkeitsdetektionseinrichtung,
3 eine weitere Ausführungsvariante von Auffangform mit Auffangvolumen und Flüssigkeitsdetektionsei nri chtung,
4 eine weitere Ausführungsvariante von Auffangform mit Auffangvolumen und Flüssigkeitsdetektionseinrichtung.

1 zeigt eine Übersichtsskizze mit einem Wärmepumpengehäuse 1, einem gekapselten Innengehäuse 2, einem Warmwasserbehälter 3, einer elektronischen Steuerung 4, einem Adsorber 5 und einem Kältekreis 6. Der Kältekreis 6 weist mindestens einen Verdichter 7, ein Entspannungsventil 8, einen Kondensator 9 und einen Verdampfer 10 auf. Die Anschlüsse für Heizung und Wärmequellen sowie Gasabscheider und Sicherheitsventile sind nicht gezeigt, befinden sich aber ebenfalls im gekapselten Innengehäuse 2.
Wenn Flüssigkeit im gekapselten Innengehäuse 2 nach unten tropft, wird sie von der Auffangform 11 aufgefangen und läuft entlang der Trichterneigung in die Ablauföffnung 12 und von dort durch das Auffangsieb 13 in das Auffangvolumen 14. Dort wird der Flüssigkeitsanfall durch die Flüssigkeitsdetektionseinrichtung 15 gemessen. Sofern die Flüssigkeitsdetektionseinrichtung 15 signalisiert, dass das Sperrventil 16 geöffnet werden und die Flüssigkeit kann über den Siphon 17 nach außen ablaufen, wo sie aufgefangen wird. Um die Flüssigkeit besser ablaufen zu lassen, wird die Auffangform in regelmäßigen Abständen von der Vibrationseinrichtung 18 kurz zu Vibrationen angeregt.
2 zeigt eine Ausführungsvariante von Auffangform 11 mit Auffangvolumen 14 und Flüssigkeitsdetektionseinrichtung 15, bei der ein Schwimmer 19 und ein Auffangsieb 13 kombiniert genutzt werden. Der Schwimmer 19 ist dabei als Torus um das Auffangsieb 13 gelegt, wenn er den oberen Rand des Auffangsiebs 13 erreicht, wird ein Kontakt ausgelöst.
3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante von Auffangform 11 mit Auffangvolumen14 und Flüssigkeitsdetektionseinrichtung 15, bei der ein geteiltes Auffangsieb 13 verwendet wird, in welches zwei Elektroden 20 und 21 integriert sind. Die Elektroden können entweder mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom beaufschlagt werden, aus der Änderung des Widerstands ergibt sich, ob sich zwischen den Elektroden Flüssigkeit ansammelt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante von Auffangform 11 mit Auffangvolumen 14 und Flüssigkeitsdetektionseinrichtung 15, bei das Auffangvolumen 14 und der Siphon 17 mittels Elementen 22 der Erhöhung des Strömungswiderstands ausgestattet ist. Die Elemente 22 sind dabei in einem offenen Labyrinth positioniert, das Sperrventil 16 bleibt offen. Zwischen den Elementen 22 dienen ein Feuchtesensor 23 und ein Temperatursensor 24, der mit Zeolith umhüllt ist, zur Erkennung von Feuchte. Die Elemente 22 zur Erhöhung des Strömungswiderstands ersetzen auch das Auffangsieb 13, wenn sie aus offenporigem Schaumstoff gebildet sind.
Bezugszeichenliste

1: Wärmepumpengehäuse
2: gekapseltes Innengehäuse
3: Warmwasserbehälter
4: elektronische Steuerung
5: Adsorber
6: Kältekreis
7: Verdichter
8: Entspannungsventil
9: Kondensator
10: Verdampfer
11: Auffangform
12: Ablauföffnung
13: Auffangsieb
14: Auffangvolumen
15: Flüssigkeitsdetektionseinrichtung
16: Sperrventil
17: Siphon
18: Vibrationseinrichtung
19: Schwimmer
20: Elektrode
21: Elektrode
22: Elemente zur Erhöhung des Strömungswiderstands
23: Feuchtesensor
24: Temperatursensor

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

EP 517/2014 [0003]
EP 4008979 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Feuchtemanagement im gekapselten Innengehäuse (2) einer Wärmepumpe, in dem ein geschlossener, hermetisch dichter Arbeitsfluidumlauf geführt wird, wobei das gekapselte Innengehäuse (2) alle von Arbeitsfluid durchströmten Installationen umschließt, aufweisend - eine Auffangform (11), die das gekapselte Innengehäuse (2) nach unten abschließt, - die Auffangform (11) über eine Öffnung (12) in ein Auffangvolumen (14) mündet, - in diesem Auffangvolumen (14) eine Detektionseinrichtung für Flüssigkeit eingerichtet ist, - und am Auffangvolumen (14) ein Siphon (17) mit einem Auslassventil vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangform (11) trichterförmig gestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die trichterförmige Auffangform (11) die gesamte Grundfläche des gekapselten Innengehäuses (2) abdeckt und mindestens 1 Grad Trichterneigung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die trichterförmige Auffangform (11) mit einer hydrophoben Beschichtung versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite der trichterförmigen Auffangform (11) eine Vibrationsvorrichtung (18) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein herausnehmbares Auffangsieb (13) für grobe Verunreinigungen zwischen der Trichteröffnung und dem Auffangvolumen (14) vorgesehen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffangsieb (13) und das Auffangvolumen (14) ebenfalls mit einer Vibrationseinrichtung (18) versehen werden oder mit der Vibrationseinrichtung (18) der trichterförmigen Auffangform (11) verbunden werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung für Flüssigkeit im Auffangvolumen (14) ausgebildet ist als - Schwimmer (19), der einen Kontakt schließt und so einen entsprechenden Wasserstand signalisiert, - Wechselspannungselektroden, deren Impedanz gemessen wird, - Gleichspannungselektroden, deren ohmscher Widerstand gemessen wird, - Feuchtesensoren (23) in einer Sorptionsmittelschüttung, - Feuchtesensoren (23) im Gehäuse, - Vibrationsdetektor, - optischer Sensor, - Reflexsensor, - Ultraschallsensor, - Pegelstandssensor, - Radarsensor, - oder als Kombination davon.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwimmer (19) und ein Auffangsieb (13) baulich miteinander verbunden werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Auffangsieb (13) um einen Filtereinsatz handelt und der Schwimmer (19) als Ring oder Toroidalstruktur außerhalb des Filtereinsatzes frei aufschwimmen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (20, 21) in Verbindung mit einem Auffangsieb (13) zum Einsatz kommen, wobei das Sieb die eine Elektrode und das Auffangvolumen die andere Elektrode bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Siphon (17) als offenes Labyrinth mit einem druckerhöhenden System bei Durchströmung ausgestattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das druckerhöhende System aus einer Partikelschüttung oder aus offenporigem Schaumstoff oder beidem in Kombination besteht.