-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen kompakten Wärmetauscher für eine Wärmepumpe.
-
Hintergrund
-
Eine Vuilleumier-Wärmepumpe ist in der internationalen Anmeldung PCT/US2013/036101 offenbart, welche am 11. April 2013 mit dem Titel Wärmepumpe mit elektromechanisch betriebenen Verdrängungskörpern eingereicht wurde und deren Inhalt vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Im Inneren der Wärmepumpe befinden sich: ein Arbeitsvolumen, in welchem die Verdrängungskörper angeordnet sind; und Totvolumina, welche Volumina umfassen, in denen Wärmetauscher und Rekuperatoren angeordnet sind. Der Prozesswirkungsgrad der Wärmepumpe nimmt mit zunehmendem Verhältnis des Totvolumens zum Arbeitsvolumen ab. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, das Totvolumen so weit wie möglich zu verringern.
-
Zusammenfassung
-
Um wenigstens ein Problem in bekannten Systemen zu überwinden, wird eine Wärmepumpe offenbart, welchen einen hocheffektiven Wärmetauscher aufweist, um ein geringes Totvolumen zu ermöglichen und dadurch den Prozesswirkungsgrad zu verbessern. In einem Ausführungsbeispiel weist die Wärmepumpe ein Gehäuse mit einer Außenwand und einem Zylinderrohr innerhalb des Gehäuses auf, wobei ein ringförmiges Volumen innerhalb der Außenwand und außerhalb des Zylinderrohres angeordnet ist. Die Wärmepumpe weist einen innerhalb des Zylinderrohres angeordneten heißen Verdrängungskörper, einen innerhalb des Zylinderrohres angeordneten kalten Verdrängungskörper und einen innerhalb des Totvolumens angeordneten ersten Wärmetauscher auf. Der erste Wärmetauscher weist mindestens eine erste Röhre auf, welche zu einer ersten Rohrschlange mit einer Vielzahl von Windungen aufgewickelt ist, wobei benachbarte Windungen durch einen ersten vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind.
-
Die Wärmepumpe kann auch einen zweiten Wärmetauscher aufweisen, welcher in dem ringförmigen Volumen angeordnet ist. Der zweite Wärmetauscher weist eine zweite Röhre auf, welche zu einer zweiten Rohrschlange mit einer Vielzahl von Windungen aufgewickelt ist, wobei benachbarte Windungen durch einen zweiten vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind.
-
Die ersten und zweiten Röhren sind in Bereichen des Querschnitts der Röhre, die einer angrenzenden Röhre benachbart sind, im Wesentlichen flach.
-
Der erste vorbestimmte Abstand ist ein Abstand, bei dem zwischen benachbarten Windungen der ersten Rohrschlange im Wesentlichen laminare Strömung auftritt und der zweite vorbestimmte Abstand ist ein Abstand, bei dem zwischen benachbarten Windungen der zweiten Rohrschlange im Wesentlichen laminare Strömung auftritt.
-
Der erste und zweite vorbestimmte Abstand basieren mindestens auf: dem Arbeitsmedium innerhalb des Gehäuses, einem Temperaturbereich, der während des Betriebs der Wärmepumpe erwartet wird anzutreffen und einer Geschwindigkeit eines Arbeitsmediums durch einen Raum zwischen benachbarten Rohrschlangen.
-
Ein Einlass der ersten Röhre und ein Auslass der ersten Röhre durchbrechen das Gehäuse und eine Flüssigkeit wird durch die erste Röhre gepumpt.
-
Die mindestens eine erste Röhre umfasst mehrere Röhren, die parallele Schraubenlinien bilden, wobei benachbarte Windungen durch den vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind.
-
Es wird darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmepumpe offenbart, umfassend die folgenden Schritte: Ausbilden eines Zylinders, Ausbilden eines zylindrischen Bereichs des Gehäuses, Ausbilden heißer und kalter Enden des Gehäuses, Definieren von Öffnungen in dem zylindrischen Bereich des Gehäuses, Extrudieren der Rohrleitungen mit einer Querschnittsform, die zwei gegenüberliegende parallele Seiten aufweist, Drehen der Rohrleitung, um eine einfache oder eine doppelte Schraubenlinie auszubilden, wodurch ein erster Wärmetauscher gebildet wird, Befestigen des heißen Endes des Gehäuses an dem zylindrischen Bereich des Gehäuses, Einfügen eines ringförmig geformten Rekuperators in den zylindrischen Bereich des Gehäuses, Einfügen des ersten Wärmetauschers in den Zylinder, Herausdrücken eines Einlassendes des ersten Wärmetauschers aus einer ersten Öffnung in dem Gehäuse, Herausdrücken eines Auslassendes des ersten Wärmetauschers aus einer zweiten Öffnung in dem Gehäuse, Befestigen des Einlassendes an dem Gehäuse unmittelbar im Bereich der ersten Öffnung und Befestigen des Auslassendes an dem Gehäuse unmittelbar im Bereich der zweiten Öffnung.
-
Das Verfahren kann darüber hinaus die folgenden Schritte umfassen: Aufbau einer Verdrängungskörperbaugruppe, Befestigen der Stange auf dem kalten Ende des Gehäuses, Einfügen der Verdrängungskörperbaugruppe in den Zylinder und Schweißen des kalten Endes des Gehäuses an den zylindrischen Bereich des Gehäuses.
-
Die Verdrängungskörperbaugruppe umfasst: eine Stange mit gekoppelten Elektromagneten und ersten und zweiten daran gekoppelten Strukturen, einen heißen Verdrängungskörper und einen kalten Verdrängungskörper.
-
Die Schraubenlinie kann eine doppelte Schraubenlinie mit ersten und zweiten Einlässen und ersten und zweiten Auslässen sein. Das Verfahren kann darüber hinaus die folgenden Schritte umfassen: Befestigen eines Einlass-y-Abschnitts an den ersten und zweiten Einlässen, wobei ein einzelner Einlassbereich des Einlass-y-Abschnitts an das Gehäuse gekoppelt wird, und Befestigen eines Auslass-y-Abschnitts an den ersten und zweiten Auslässen, wobei ein einzelner Auslassbereich des Auslass-y-Abschnitts an das Gehäuse gekoppelt wird.
-
In einem Ausführungsbeispiel weist eine Wärmepumpe ein Gehäuse mit einer Außenwand und einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Zylinderrohr auf, wobei ein ringförmiges Volumen außerhalb des Zylinderrohres und innerhalb der Außenwand angeordnet ist, und wobei ein heißer Verdrängungskörper innerhalb des Zylinderrohres angeordnet ist, ein kalter Verdrängungskörper innerhalb des Zylinderrohres angeordnet ist, ein erster Wärmetauscher in dem ringförmigen Volumen angeordnet ist, wobei der erste Wärmetauscher mindestens eine erste Röhre umfasst, welche zu einer ersten Rohrschlange mit einer Vielzahl von Windungen aufgewickelt ist, wobei benachbarte Windungen durch einen ersten vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind, und wobei ein zweiter Wärmetauscher in dem ringförmigen Volumen angeordnet ist, wobei der zweite Wärmetauscher wenigstens eine zweite Röhre umfasst, welche zu einer zweiten Rohrschlange mit einer Vielzahl von Windungen aufgewickelt ist, wobei benachbarte Windungen durch einen zweiten vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind.
-
Die ersten und zweiten vorbestimmten Abstände sind kleiner als ein Abstand, in dem laminare Strömung existiert für eine Strömung zwischen benachbarten Windungen der ersten bzw. zweiten Röhren.
-
Die ersten und zweiten vorbestimmten Abstände sind derart bestimmt, dass eine Strömung zwischen benachbarten Windungen vornehmlich eine laminare Strömung ist für eine Vielzahl von Betriebsparametern, für welche der Wärmetauscher bestimmt ist.
-
Die Außenwand hat erste, zweite, dritte und vierte Öffnungen. Die mindestens eine erste Röhre weist einen Einlass auf, welcher durch die erste Öffnung hindurchreicht und einen Auslass, welcher durch die zweite Öffnung hindurchreicht. Die wenigstens eine zweite Röhre weist einen Einlass auf, welcher durch die dritte Öffnung hindurchreicht und einen Auslass, welcher durch die vierte Öffnung hindurchreicht.
-
Die Wärmepumpe kann darüber hinaus einen ersten Aktuator unmittelbar im Bereich des heißen Verdrängungskörpers und einen zweiten Aktuator unmittelbar im Bereich des kalten Verdrängungskörpers aufweisen. Wenn der erste Aktuator den heißen Verdrängungskörper bewegt, fließt das Arbeitsmedium über den ersten Wärmetauscher und wenn der zweite Aktuator den kalten Verdrängungskörper bewegt, fließt das Arbeitsmedium über den zweiten Wärmetauscher.
-
Die Wärmepumpe kann darüber hinaus eine Flüssigkeitspumpe aufweisen, welche außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und an den Einlass des ersten Wärmetauschers gekoppelt ist. Die Flüssigkeitspumpe ist geeignet, eine Flüssigkeit durch den ersten Wärmetauscher zirkulieren zu lassen.
-
Die Röhren in den Wärmetauschern sind in Bereichen, welche an andere Röhren angrenzen, im Wesentlichen flach.
-
Die Röhren in den Wärmetauschern sind im Querschnitt im Wesentlichen rennstreckenartig geformt oder sie sind im Wesentlichen rechteckig im Querschnitt.
-
Die wenigstens eine erste Röhre umfasst erste und dritte Röhren, welche in einer doppelten Schraubenlinie angeordnet sind. Die wenigstens eine zweite Röhre umfasst zweite und vierte Röhren, welche in einer doppelten Schraubenlinie angeordnet sind. Die ersten und dritten Röhren bilden sowohl an den Einlass- als auch an den Auslassenden des ersten Wärmetauschers ein Y und die zweiten und vierten Röhren bilden sowohl an den Einlass- als auch an den Auslassenden des zweiten Wärmetauschers ein Y.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1: Querschnittszeichnung einer Vuilleumier-Wärmepumpe;
-
2A bis 2D: Schematische Darstellungen einer Wärmepumpe vom Vuilleumiertyp, dargestellt in extremen Positionen eines Zyklus, in welchen die Wärmepumpe betrieben werden kann;
-
3: Ausschnitt aus einer Wärmepumpe im Querschnitt;
-
4: Querschnitt einer Röhre für einen Wärmetauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung;
-
5 und 6: Zwei Ausführungsbeispiele von Querschnitten, welche einen Ausschnitt eines zylindrischen Bereichs des Gehäuses zeigen und welche ein Ausführungsbeispiel mit y-Abschnitten zur Aufnahme doppelt schraubenlinienförmiger Röhren zeigen;
-
7: Querschnitt eines Ausschnitts aus einer Wärmepumpe, welcher doppelt schraubenlinienförmige Röhren zeigt; und
-
8: Ein Flussdiagramm, welches ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmepumpe zeigt.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Wie der Fachmann verstehen wird, können zahlreiche Merkmale der Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren dargestellt und unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren beschrieben sind mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, kombiniert werden, um auf diese Weise zu alternativen Ausführungsbeispielen zu gelangen, welche nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen dar. Zahlreiche Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, welche mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung konsistent sind, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementationen gewünscht sein. Der Fachmann kann ähnliche Anwendungen oder Implementationen erkennen, unabhängig davon, ob diese explizit beschrieben oder dargestellt sind.
-
In 1 weist eine Vuilleumier-Wärmepumpe 50 ein Gehäuse 52 auf. In dem Gehäuse 52 ist eine Zylinderwand 54 vorgesehen. Ein heißer Verdrängungskörper 62 und ein kalter Verdrängungskörper 66 sind innerhalb der Zylinderwand 54 angeordnet. Die Verdrängungskörper definieren drei Kammern: eine heiße Kammer 72, eine warme Kammer und eine kalte Kammer 76. Mit den in 1 dargestellten Positionen der Verdrängungskörper 62 und 66 hat die warme Kammer kein Volumen und ist daher in 1 nicht sichtbar. Das Gehäuse 52 weist ein heißes Ende 82 und ein kaltes Ende 86 auf.
-
Eine Stange 88 ist an dem kalten Ende 86 des Gehäuses 52 befestigt und erstreckt sich entlang einer zentralen Achse 53 des Gehäuses 52 in das Gehäuse 52 hinein. Die Stange 88 erstreckt sich durch eine kalte Kappe 136 und eine heiße Kappe 126 des kalten Verdrängungskörpers 66 und sie erstreckt sich durch eine kalte Kappe 132 des heißen Verdrängungskörpers 62. Die Stange 88 weist einen ersten Elektromagneten 92 auf, welcher innerhalb des heißen Verdrängungskörper 62 angeordnet ist und einen zweiten Elektromagneten 96, welcher innerhalb des kalten Verdrängungskörpers 66 angeordnet ist. Die Elektromagnete 92 und 96 sind an der Stange 88 befestigt, sie sind jedoch innerhalb des heißen Verdrängungskörpers 62 bzw. des kalten Verdrängungskörpers 66 angeordnet. Die Verdrängungskörper 62 und 66 bewegen sich relativ zu ihrem jeweiligen Elektromagneten.
-
Zwei ferromagnetische Blöcke 102 und 112 sind an dem heißen Verdrängungskörper 62 befestigt, wobei die Elektromagneten 102 und 112 in einer Richtung entlang der Achse des Gehäuses 52 gegeneinander versetzt sind. Zwei ferromagnetische Blöcke 106 und 116 sind an dem kalten Verdrängungskörper 66 befestigt und sind in einer Richtung entlang der zentralen Achse 52 gegeneinander versetzt. Der heiße Verdrängungskörper 62 und der kalte Verdrängungskörper 66 weisen beide eine zylindrische Wand auf, welche an die oberen Kappen 122, 126 bzw. an die unteren Kappen 132, 136 gekoppelt ist. Die oberen und unteren Kappen können alternativ heiße bzw. kalte Kappen genannt werden. Die Begriffe obere und untere oder höhere und niedrigere beziehen sich auf die in den Figuren dargestellte Anordnung und beschränken die vorliegende Offenbarung nicht auf eine bestimmte Orientierung.
-
Die Stange 88 umfasst zwei Elektromagnete 92 und 96, wobei der Elektromagnet 92 auf die ferromagnetischen Blöcke 102 und 112 einwirkt und der Elektromagnet 96 auf die ferromagnetischen Blöcke 106 und 116 einwirkt, wie weiter unten noch detaillierter beschrieben werden wird. Eine im Wesentlichen zylindrische Struktur 143 ist an den Außenbereich des Elektromagneten 92 gekoppelt. Eine Feder 142 ist zwischen einer Kappe 122 des heißen Verdrängungskörpers 62 und einem Bereich der Struktur 143 nahe dem Elektromagneten 92 befestigt. Eine andere Feder 144 ist zwischen der unteren Kappe 132 des heißen Verdrängungskörpers 62 und der Struktur 143 befestigt. Beide Federn 142 und 144 sind zusammengedrückt, aber die Kräfte sind im Gleichgewicht. Wenn der heiße Verdrängungskörper 62 nach oben gezogen würde, würde die Kompression in der Feder 142 ansteigen und die Kompression in der Feder 144 würde abnehmen, so dass ein Kräfteungleichgewicht resultieren würde, wodurch der heiße Verdrängungskörper 62 in eine neutrale Position nach unten gezogen würde.
-
Ebenso weist der kalte Verdrängungskörper 66 interne Federn 146 und 148 auf. Der Elektromagnet 96 weist eine im Wesentlichen zylindrische Struktur 147 auf, welche an seinen Außenbereich gekoppelt ist. Die Feder 146 ist zwischen der Struktur 147 und der oberen Kappe 126 befestigt und die Feder 148 ist zwischen der Struktur 147 und der unteren Kappe 136 befestigt.
-
Der heiße Verdrängungskörper 62 weist eine Verlängerung 182 auf, welche sich in eine Öffnung in dem unteren Verdrängungskörper 66 hinein erstreckt, wobei die Länge der Verlängerung 182 derart bemessen ist, dass sie unabhängig von den relativen Positionen der Verdrängungskörper immer an den unteren Verdrängungskörper 66 gekoppelt ist.
-
Bezugnehmend auf 1 weist das Gehäuse 52 Öffnungen 172 und 174 auf, welche eine Flüssigkeitsverbindung zu dem warmen Wärmetauscher 154 aufweisen. Eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, kann dem warmen Tauscher 154 auf der anderen Seite des Wärmetauschers von dem Arbeitsmedium, welches innerhalb des Gehäuses 52 eingeschlossen ist, zugeführt werden. Die Öffnung 172 kann der Einlass für einen Querstrom-Wärmetauscher sein und Öffnung 174 kann der Einlass für einen Parallelstrom-Wärmetauscher sein. Eine solche Konfiguration dient der Bereitstellung eines Heizeffekts. Die Wärmepumpe kann zu Kühlungszwecken betrieben werden. Die Öffnungen 176 und 178 durch das Gehäuse 52 sind vorgesehen, um Zugang zu dem kalten Wärmetauscher 158 zu ermöglichen.
-
Ein elektronisches Steuergerät 100, welches außerhalb des Gehäuses 52 angeordnet ist, ist elektrisch an die Elektromagneten 92 und 96 gekoppelt. In der Position der Verdrängungskörper 62 und 66, welche in 1 dargestellt ist, ist der Elektromagnet 92 nicht in der Nähe der Blöcke 102 oder 112 und der Elektromagnet 96 ist nicht in der Nähe der Blöcke 106 oder 116. Die Elektromagnete 92 und 96 werden verwendet, um die Verdrängungskörper 62 und 66 durch Pulsieren der Elektromagnete 92 und 96 zu bewegen. Wenn das Pulsen bei einer Resonanzfrequenz erfolgt, kommt einer der Blöcke 102 und 112 dem Elektromagneten 92 ausreichend nahe, so dass der Elektromagnet 92 den Block anziehen und ihn halten kann.
-
Mit Bezug auf 1 wird nun das Strömen des Gases innerhalb der Wärmepumpe betrachtet. Das Gehäuse 52 weist einen Zylinder 54 auf, in welchem sich der heiße und der kalte Verdrängungskörper 62 und 66 hin und her bewegen. Zwischen einer äußeren Fläche des Zylinders 54 und einer inneren Fläche des Gehäuses 52 befindet sich ein ringförmiges Volumen, innerhalb dessen ein heißer Rekuperator 152, ein warmer Wärmetauscher 154, ein kalter Rekuperator 156 und ein kalter Wärmetauscher angeordnet sind. Ein zweiter warmer Wärmetauscher 154 zwischen der warmen Kammer und dem kalten Rekuperator 156 ist optional. In dem Zylinder 54 befinden sich Öffnungen, welche das Strömen von Gasen zwischen dem Innen- und Außenbereich des Zylinders möglich machen. Das System umfasst:
- • Kanäle 162, welche eine Flüssigkeitskopplung zwischen der heißen Kammer 72 und dem Wärmetauscher 165 herstellen;
- • Kanäle 163, welche eine Flüssigkeitskopplung zwischen dem ringförmigen Raum zwischen dem Zylinder 54 und dem Gehäuse 52 und dem Wärmetauscher 165 herstellen;
- • Öffnungen 164, welche eine Flüssigkeitskopplung zwischen der warmen Kammer (aufgrund der Position der Verdrängungskörper in 1 nicht dargestellt, es handelt sich um das Volumen, welches zwischen den Verdrängungskörpern bestehen kann) und dem warmen Wärmetauscher 154 herstellen; und
- • Öffnungen 166, welche eine Flüssigkeitskopplung zwischen der kalten Kammer 76 und dem ringförmigen Volumen in einem Bereich unterhalb des kalten Wärmetauschers 158 herstellen.
-
Das Gehäuse 52 und das Zylinderrohr 54 sind im Wesentlichen zylindrisch und weisen in einem Ausführungsbeispiel eine gemeinsame zentrale Achse auf, so dass das Volumen zwischen ihnen als das ringförmige Volumen bezeichnet wird. In 1 sind die Verdrängungskörper in einer neutralen Position gezeigt, d. h. in einer Position, in welcher die Federn, welche an den Verdrängungskörpern befestigt sind, ohne zusätzliche äußere Kräfte im Gleichgewicht sind. Wenn die Verdrängungskörper aus dieser Position wegbewegt werden, existiert eine Federkraft, welche an den Verdrängungskörpern angreift und sie in Richtung der neutralen Position drängt.
-
Im Betrieb werden die Verdrängungskörper durch Aktuatoren bewegt. Der Zyklus ist dargestellt, beginnend in 2A, mit beiden Verdrängungskörpern in einer oberen Position. Der heiße Verdrängungskörper 62 wird durch den Elektromagneten 92 (gegen die Federkraft) in seiner oberen Position auf dem ferromagnetischen Block 112 gehalten. Der kalte Verdrängungskörper 66 wird durch den Elektromagneten 96 auf dem ferromagnetischen Block 116 in seiner oberen Position gehalten.
-
Wenn der Elektromagnet 96 deaktiviert wird, bewirken die an dem kalten Verdrängungskörper 66 befestigten Federn 146 und 148, dass sich der kalte Verdrängungskörper nach unten bewegt über die neutrale Position hinaus auf seine untere Position zu. Der Elektromagnet 96 wird angesteuert und zieht den ferromagnetischen Block 106 an. Die Situation, in welcher der heiße Verdrängungskörper 62 in seiner oberen Position und der kalte Verdrängungskörper 66 in seiner unteren Position ist, ist in 2B dargestellt.
-
In 2C sind beide Verdrängungskörper 62 und 66 in ihren unteren Positionen dargestellt. Der heiße Verdrängungskörper 62 bewegt sich aus seiner oberen in seine untere Position, wenn der Elektromagnet 92 deaktiviert wird. Die Federn 142 und 144 greifen an dem heißen Verdrängungskörper 62 an, um ihn auf seine untere Position zuzubewegen. Der Elektromagnet 92 wird aktiviert, um den ferromagnetischen Block 102 anzuziehen.
-
In 2D sind die beiden Verdrängungskörper 62 und 66 zur Vervollständigung des Zyklus in die Ausgangsposition zurückgekehrt. Dies bedeutet, dass die Verdrängungskörper 62 und 66 in 2D in der gleichen Position sind wie in 2A. Dies tritt ein durch Deaktivieren beider Elektromagnete 92 und 96. Die an jedem der Verdrängungskörper befestigten Federn bewirken, dass die Verdrängungskörper 62 und 66 sich nach oben bewegen. Beide Elektromagnete 92 und 96 werden aktiviert, um die ferromagnetischen Blöcke 112 bzw. 116 anzuziehen.
-
Die Bewegung der Verdrängungskörper 62 und 66 bewirkt, dass sich das Arbeitsmedium innerhalb des Gehäuses 52 in das ringförmige Volumen bewegt. Wenn sich der kalte Verdrängungskörper 62 nach unten bewegt, so wie zwischen den 2A und 2B, bewegt sich Flüssigkeit, welche sich in der kalten Kammer 76 befindet, aus dem Kanal 76 an dem Wärmetauscher 158, dem Rekuperator 156 und dem Wärmetauscher 154 vorbei, und in die warme Kammer 74 hinein. Zwischen den in den 2B und 2C dargestellten Zykluspunkten bewegt sich der heiße Verdrängungskörper 66 nach unten, was dazu führt, dass das Arbeitsmedium aus der warmen Kammer 74 durch den Kanal 164 an dem Wärmetauscher 154 und dem Rekuperator 152 vorbei, durch den Wärmetauscher 165 und in die heiße Kammer 72 fließt.
-
Zwischen den in den 2C und 2D dargestellten Zykluspunkten bewegen sich die Verdrängungskörper 62 und 66 beide nach oben, was dazu führt, dass das Arbeitsmedium die heiße Kammer 72 verlässt und sich durch die Länge des ringförmigen Volumens und in die kalte Kammer 76 bewegt.
-
Ein Teil einer Wärmepumpe 200 mit einem Wärmetauscher 202 ist im Querschnitt in 3 dargestellt. Eine Röhre mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt ist zu einer Schraubenlinie gebogen, um einen Wärmetauscher 202 zu bilden. Die Röhre ist in Richtung der Strömung 204 zwischen benachbarten Windungen der Schraubenlinie breiter als in der anderen Richtung 206. Ein Gehäuse 201 der Wärmepumpe 200 weist eine erste Öffnung 210 auf, durch welche die Röhre des Wärmetauschers 202 hindurchreicht, wodurch sie als ein Einlass 212 dient. Das Gehäuse 201 weist auch eine zweite Öffnung 214 auf, durch welche die Röhre des Wärmetauschers 202 hindurchreicht, wodurch sie als ein Auslass 214 dient. Eine Flüssigkeitspumpe 216 ist vorgesehen, um eine Strömung einer Flüssigkeit durch den Wärmetauscher 202 zu bewirken. In einigen Ausführungsbeispielen weist die Wärmepumpe 200 zwei Wärmetauscher auf. Einer von beiden kann durch den Wärmetauscher 202 dargestellt werden; mit anderen Worten ist in 3 lediglich ein Wärmetauscher gezeigt, nicht beide. Ein Abstand 220 zwischen benachbarten Röhren ist so gewählt, dass die Strömung laminar ist. Neben dem Abstand basiert die laminare Strömung auf dem Arbeitsmedium und den Temperaturbedingungen, welche im Laufe des Betriebs zu erreichen erwartet werden.
-
Bezugnehmend auf 1 wirkt die Wärmepumpe, um die Flüssigkeit zu erwärmen, wenn Flüssigkeit in 174 zugeführt wird und in 172 austritt. Die Wärmepumpe wirkt, um die Flüssigkeit zu kühlen, wenn Flüssigkeit in 176 zugeführt wird und in 178 abgeführt wird. Die Wärmepumpe wird entweder im Heiz- oder im Kühlmodus betrieben.
-
In 4 ist ein alternativer Querschnitt 250 der Röhre des Wärmetauschers im Wesentlichen rennstreckenartig, d. h. gerade Seiten und abgerundet an den Ecken. Die Röhre ist derart gewunden, dass die geraden Seiten einander benachbart sind.
-
Im Ausführungsbeispiel der 3 ist der Wärmetauscher 202 eine Schraubenlinie, welche aus einer einzelnen Röhre mit mehreren Windungen gebildet ist. In einigen Ausführungsbeispielen ist der Druckabfall zu groß für eine einzelne Röhre. In einer Alternative ist eine doppelte Schraubenlinie vorgesehen.
-
In 5 weist das Gehäuse 300 zwei Öffnungen auf. Durch eine der Öffnungen ist ein y-Bereich 302 vorgesehen, welcher zwei Abschnitte 306 und 308 aufweist, welche zusammen einen einzelnen Auslass 304 bilden. Ein zweiter y-Bereich 312 dient als ein Einlass, wobei eine Einlassröhre 314 sich in zwei Röhren 316 und 318 gabelt.
-
In 6 ist eine alternative y-Konfiguration gezeigt, bei welcher eine einzelne Röhre 326 sich verzweigt, um Röhren 322 und 324 zu bilden. Jede der Röhren 322 und 324 durchbricht die Wand 320.
-
In 7 ist ein Querschnitt eines Bereichs einer Wärmepumpe gezeigt, welche ein Gehäuse 350 und eine Zylinderwand 352 aufweist. Zwischen den beiden befindet sich ein ringförmiger Raum. Die Röhre 354 ist im Querschnitt dargestellt, wobei Bereiche der Röhre 356 mit den Bereichen der Röhre 354 verschachtelt sind. Der Abschnitt zwischen benachbarten Röhren ist der vorbestimmte Abstand, welcher oben beschrieben wurde. Die Röhren 354 und 356 bilden eine doppelte Schraubenlinie. Alternativ werden drei oder mehr Röhren verwendet, um eine dreifache (oder vielfache) Schraubenlinie zu bilden.
-
In 8 ist ein Flussdiagramm dargestellt, welches ein Ausführungsbeispiel zum Zusammenbau einer Wärmepumpe zeigt. In Block 500 wird der zylindrische Bereich des Gehäuses ausgebildet. In Block 502 werden die Öffnungen in den zylindrischen Bereich hineingebohrt (z. B. Öffnungen, durch welche Röhren 172, 174, 176 und 178 aus 1 das Gehäuse verlassen). In Block 504 wird das heiße Ende des Gehäuses ausgebildet. In Block 506 wird das heiße Ende des Gehäuses auf ein Ende des zylindrischen Bereichs geschweißt. In Block 508 wird ein Rekuperator in den zylindrischen Bereich eingesetzt. In Block 510 wird das Röhrensystem, welches zur Herstellung des Wärmetauschers verwendet wird, extrudiert. Die Form der Röhre ist in einer ersten Richtung länger als in einer Richtung senkrecht zu der ersten Richtung. Darüber hinaus sind die beiden Seiten in der langen Richtung flach und parallel zueinander. Nicht beschränkende Beispiele umfassen einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt und einen rennstreckenartigen Querschnitt. In Block 512 wird die Röhre zu einer Schraubenlinie mit mehreren Windungen aufgedreht. Die Schraubenlinie ist derart ausgebildet, dass eine der flachen parallelen Seiten einer jeden Windung einer flachen parallelen Seite einer anderen Windung benachbart ist. Auch ist der Abstand zwischen benachbarten Windungen geringer als ein vorbestimmter Abstand. In Block 516 wird die gewundene Röhre (Schraubenlinie) in den zylindrischen Bereich des Gehäuses eingesetzt. Der Einlass und Auslass der schraubenlinienförmigen Röhre werden in Block 518 durch die Öffnungen in dem zylindrischen Bereich des Gehäuses gedrückt. In Block 520 werden der Einlass und der Auslass nahe der Öffnungen an den zylindrischen Bereich geschweißt. Die Schweißnaht ist so beschaffen, dass sie das Gehäuse an den Öffnungen abdichtet. In Block 522 wird der Zylinder (Zylinder 54 aus 1) ausgebildet und in Block 524 werden Öffnungen darin festgelegt. Die Öffnungen sind z. B. die Öffnungen 164 und 166 aus 1. In Block 530 wird der Zylinder in den zylindrischen Bereich des Gehäuses eingesetzt. In Block 536 wird die Verdrängungskörperbaugruppe aufgebaut. Die Verdrängungskörperbaugruppe umfasst zahlreiche Elemente, umfassend die Stange, die Elektromagneten, die Federn etc. In Block 538 wird die Stange der Verdrängungskörperbaugruppe an dem kalten Ende des Gehäuses befestigt. In Block 540 wird die Verdrängungskörperbaugruppe in den Zylinder eingesetzt und die kalte Kappe wird an das offene Ende des Zylinderbereichs des Gehäuses angeschweißt.
-
In dem Flussdiagramm in 8 sind ein Wärmetauscher und ein Rekuperator gezeigt. Demgegenüber weist das ringförmige Volumen in 1 zwischen dem Zylinder und dem zylindrischen Bereich des Gehäuses zwei Rekuperatoren und zwei Wärmetauscher auf. Nach Block 520 kann ein zusätzlicher Rekuperator in den zylindrischen Bereich des Gehäuses eingefügt werden und dann werden die Blöcke 510, 512, 516, 518 und 520 für einen zweiten Wärmetauscher wiederholt.
-
Der Aufbauprozess in 8 beschreibt eine Anzahl von Schweißprozessen. Die Komponenten können jedoch alternativ durch Löten, Klemmen mit einem geeigneten Dichtmittel zwischen den Oberflächen, wie z. B. Flanschen, oder durch eine beliebige andere geeignete Verbindungstechnik befestigt werden.
-
Während der beste Modus im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird der Fachmann zahlreiche alternative Ausgestaltungen und Ausführungen innerhalb des Schutzbereiches der folgenden Ansprüche erkennen. Während zahlreiche Ausführungsbeispiele möglicherweise als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsbeispielen im Hinblick auf ein oder mehrere gewünschte Merkmale beschrieben wurden, wird sich der Fachmann bewusst sein, dass ein oder mehrere Merkmale abgeändert werden können, um gewünschte Systemeigenschaften zu erreichen, welche von der speziellen Anwendung und Implementation abhängen. Diese Eigenschaften umfassen nicht abschließend: Kosten, Beanspruchbarkeit, Haltbarkeit, Gesamtkosten, Marktfähigkeit, Aufmachung, Verpackung, Größe, Funktionstüchtigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit, etc. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche hinsichtlich eines oder mehrere Merkmale gegenüber anderen Ausführungsbeispielen oder Implementationen aus dem Stand der Technik als weniger vorteilhaft beschrieben werden, sind nicht außerhalb des Schutzbereiches der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
