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Die Erfindung betrifft eine Außeneinheit für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit einem Stromrichter, auch als Inverter bezeichnet, für die Regelung und Steuerung von Wärmepumpen. Der Begriff der Wärmepumpe wird hierbei umfassend für Geräte verwendet, in denen ein linksdrehender Clausius-Rankine-Kreisprozess ablaufen soll, wobei entweder Nutzwärme oder Nutzkälte oder beides gleichzeitig erzeugt wird. Auch kann eine solche Wärmepumpe gestuft ausgeführt sein, um Heizwärme bei einem niedrigen Temperaturniveau, z.B. bei 28 Grad Celsius für eine Fußbodenheizung, und Brauchwasser bei einem höheren Temperaturniveau, z.B. bei 70 Grad Celsius bereitzustellen. Hierbei entzieht die Wärmepumpe einem kälteren Medium Wärme und transformiert sie mittels elektrischer Energie auf ein höheres Temperaturniveau.
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Derartige Wärmepumpen besitzen bei moderner Bauart mindestens einen geregelten Kompressor, mindestens ein geregeltes elektronisches Expansionsventil, mindestens einen Kondensator und mindestens einen Verdampfer. Um den Kompressor regeln zu können, wird eine Drehzahlregelung benötigt, die die Motordrehzahl von der herrschenden Netzfrequenz entkoppelt. diese Aufgabe übernimmt der Inverter, der ein Frequenzumrichter ist.
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Derartige außenstehende Wärmepumpen können komplett im Außenbereich eines Gebäudes stehen, oder nur teilweise. In letzteren Fällen kann sich der Arbeitsfluidumlauf im Gebäude befinden. Auch ein Wärmetauscher zu einem Heizkreislauf oder zu einer Klimaanlage, die beispielsweise mit einer Solelösung betrieben wird, kann vorteilhaft innerhalb eines Gebäudes angeordnet werden. Bei beengten Raumverhältnissen sind solche Anlagenteile aber ebenfalls in der Außeneinheit angeordnet und bilden eine bauliche Einheit.
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Je nach Betriebsweise muss entweder dem Verdampferwärmetauscher Umgebungsluft zugeführt werden, wenn die Wärmepumpe im Heizbetrieb läuft, oder vom Kondensator-Wärmetauscher abgeführt werden, wenn die Wärmepumpe im Klimatisierungsbetrieb läuft. Beides geschieht in der Regel dadurch, dass der jeweilige Wärmetauscher von Luft durchströmt wird, die von einem Ventilator oder Gebläse gefördert wird.
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Derartige Außeneinheiten sind im Stand der Technik in großer Zahl bekannt geworden. Übliche Außeneinheiten sind als quaderförmige Behälter aufgebaut, bei denen auf der einen Seite der Wärmetauscher und auf der gegenüberliegenden Seite das Gebläse angeordnet ist, auch eine Vielzahl von Bauformen mit oben angeordneten Gebläse und Luftöffnungen an mehreren Außenseiten sind bekannt. Das Gebläse saugt dabei die Luft durch den Wärmetauscher und drückt sie durch ein Schutzgitter aus dem Behälter ins Freie.
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Problematisch ist dabei der Inverter, der beim Frequenzumrichten Abwärme erzeugt. Diese Abwärme muss, wenn die Wärmepumpe im Heizbetrieb läuft, möglichst als Nutzwärme in den Heizungskreislauf übertragen werden. Wenn die Wärmepumpe im Klimatisierungsbetrieb läuft, soll die Abwärme zusammen mit der übrigen Abwärme abgeführt werden.
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Einen derartigen Inverter in einer Wärmepumpe beschreibt die
DE 10 2013 225 450 B3 . Der Arbeitsfluidumlauf ist dabei mit einem Bypass ausgestattet, der zum Inverter geführt wird. Die Temperatur des Inverters wird ebenso wie die Umgebungstemperatur gemessen und der Arbeitsfluidstrom durch den Bypass wird so gesteuert, dass der Inverter stets wärmer ist als die Umgebungstemperatur. Damit wird verhindert, dass Luftfeuchtigkeit am Inverter auskondensieren kann, eine solche Betauung könne zu einem Ausfall der Leistungselektronik führen. Der Inverter ist dabei auf einem Aluminiumblock aufgebracht, in den Kühlkanäle eingearbeitet sind, die von Arbeitsfluid durchströmt werden.
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Eine Inverteranordnung wird in der
DE 10 2013 206 996 A1 beschrieben. Hierbei ist der Inverter als Einschubmodul zusammen mit einer Steuereinheit auf einem Kühlblock befestigt, der als Wärmesenke für die Abwärme des Inverters dient. Der Kühlblock ist auf einem Führungsschlitten befestigt, der eine wärmeleitende Verbindung mit einem fest im Wärmepumpengehäuse verankerten Kühlelement aufweist. Dieses Kühlelement weist Kühlrippen und optional auch Kühlschlangen für Kühlflüssigkeit auf, wobei die Kühlrippen von dem Lüfter mit Luft angeströmt werden, der auch die Durchströmung von Luft durch den Wärmetauscher der Wärmepumpe bewirkt. Auf diese Weise wärmt die Abwärme des Inverters die Luft vor, die anschließend durch den Verdampferwärmetauscher geführt wird und somit als Nutzwärme zur Verfügung gestellt wird.
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Nachteilig sind dabei aber der konstruktive Aufwand für den Führungsschlitten und der zusätzlich zu überwindende Strömungswiderstand für den Lüfter. Außerdem ist das fest im Wärmepumpengehäuse verankerte Kühlelement bei Arbeiten an der Wärmepumpe hinderlich. Den Vereinfachungen bei Montage und Demontage des Inverters steht erheblicher Aufwand bei Fertigung und Montage der Kühlungsvorrichtung gegenüber.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, einen alternative und wirtschaftliche Anordnung für den Inverter und seine Kühlung bereitzustellen, die bei gleichem Montage- und Demontageaufwand des Inverters die oben genannten Nachteile nicht mehr aufweist, und außerdem in modularer Weise für alle Baugrößen in gleicher Weise anwendbar ist.
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Die Erfindung löst die Aufgabe entsprechend Anspruch 1 mittels einer Wärmetauschereinheit zur Nutzung von Außenluft als Wärmequelle oder als Wärmesenke für ein Wärmepumpensystem, umfassend ein Gehäuse und einen Wärmetauscher zum Transfer von Wärme zwischen Außenluft und Arbeitsfluid des Wärmepumpensystems, wobei
- - das Gehäuse einen ersten rückseitlichen Lufteinlass und einen vorderseitlichen Luftauslass umfasst,
- - die Wärmetauschereinheit im Inneren des Gehäuses einen ersten horizontalen Luftkanal ohne Strömungsumlenkung zwischen dem erstem Lufteinlass und dem Luftauslass aufweist,
- - im ersten horizontalen Luftkanal der Wärmetauscher und ein zwischen Wärmetauscher und Luftauslass vorgesehenes Gebläse zur Förderung eines Luftstroms angeordnet ist,
- - und wobei die Wärmetauschereinheit mindestens einen geregelten elektrischen Antrieb und einen Stromrichter mit einem Kühlkörper zur Steuerung oder Regelung des mindestens einen elektrischen Antriebs umfasst,
- - die Wärmetauschereinheit mindestens einen zweiten vertikalen Luftkanal umfasst, in den Außenluft durch einen zweiten Lufteinlass des Gehäuses unten eintritt,
- - am oberen Ausgang des zweiten vertikalen Luftkanals eine Verbindung zum ersten horizontalen Luftkanal vorgesehen ist,
- - im zweiten vertikalen Luftkanal eine Anströmfläche des mit dem Stromrichter wärmeleitend verbundenen Kühlkörpers positioniert ist,
- - der Stromrichter nach Lösen der elektrischen Verbindungen und Entfernen der Abdeckungen nach vorne herausnehmbar ist.
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Auf diese Weise wird die Funktion von Wärmetauscher und Gebläse durch die Kühlung des Inverters nicht gestört. Die Förderung des kühlenden Luftstroms durch den zweiten, vertikalen Luftkanal wird erreicht zum Einen durch den Kamineffekt, der die erwärmte Luft nach oben treibt, und zum anderen durch den Sog des Gebläses, welches im ersten, horizontalen Luftkanal einen Unterdruck erzeugt.
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Der konstruktive Aufbau erhält seine Montagefreundlichkeit dadurch, dass nach Abnehmen der vorderen Abdeckung der Stromrichter direkt herausgenommen werden kann. Der zweite, vertikale Luftkanal bildet dann gleichzeitig den Raum für weitere Wartungs- und Montagearbeiten an den übrigen Teilen, die über den offenen Luftkanal zugänglich werden, dies betrifft etwa den Kompressor, die Regelungselektronik und das geregelte Entspannungsventil.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite, vertikale Luftkanal an der oberen Seite eine umschaltbare Abzweigung besitzt, die den zweiten, vertikalen Luftkanal mit dem ersten, horizontalen Luftkanal in einer ersten Umschaltposition in Strömungsrichtung vor den Wärmetauscher und in einer zweiten Umschaltposition zwischen Wärmetauscher und Gebläse verbindet. Diese Umschaltung des Luftstroms dient der Umschaltung von Heizbetrieb auf Kühlbetrieb der Wärmepumpe. Im Heizbetrieb soll die Abwärme des Inverters genutzt werden und daher wird der Luftstrom vor den Wärmetauscher geführt, damit seine Wärme zur Verdampfung des Arbeitsfluid beitragen kann. Im Kühlbetrieb soll keine Nutzung der Abwärme stattfinden, daher wird die erwärmte Luft hinter den Wärmetauscher vor das Gebläse geführt, jeweils in Strömungsrichtung der Luft im ersten, horizontalen Luftkanal gesehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite, vertikale Luftkanal durch ein Rohr gebildet ist, welches nach Entfernen der Abdeckungen nach vorne herausnehmbar ist. Praktisch bedeutet dies, dass sowohl der Stromrichter bzw. Inverter als auch das Rohr nach vorne herausnehmbar sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Rohr und der Stromrichter eine bauliche Einheit bilden, wobei das Rohr den Kühlkörper selbst darstellt. Der Stromrichter bzw. Inverter wird hierzu direkt auf der Innenseite oder der Außenseite auf das Rohr montiert. Das Rohr ist hierzu aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt, vorzugsweise aus Aluminium. Die so gebildete Baueinheit kann dann als Ganze schnell nach vorne herausgenommen werden.
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Die Erfindung wird anhand von 1 und 2 näher erläutert. Die 1 zeigt eine Schnittskizze der erfindungsgemäßen Wärmetauschereinheit 1 und 2 die Herausnahme des zweiten, vertikalen Luftkanals mit dem Inverter.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Wärmetauschereinheit 1 im Schnitt. Die Wärmetauschereinheit 1 wird von einem Gehäuse 2 umschlossen und ist mit unten angedeuteten Füßen im Außenbereich eines Gebäudes aufstellbar. Die Wärmetauschereinheit 1 umfasst im Wesentlichen einen Wärmetauscher 3 und ein Gebläse 6. Durch einen ersten Lufteinlass 4, der mit einem Schutzgitter 14 versehen ist, wird durch das Gebläse 6 Außenluft angesogen, die durch den Wärmetauscher 3 strömt und ihre Wärme auf einen Kältekreis oder ein Wärmeträgermedium überträgt oder aufnimmt und danach durch den ersten, horizontalen Luftkanal strömt. Hinter dem Ventilator 6 verlässt die nun abgekühlte oder erwärmte Luft das Gehäuse 2 der Wärmetauschereinheit 1 durch den Luftauslass 5, der von einem Schutzgitter 15 geschützt wird.
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Von einem zweiten Lufteinlass 9 erstreckt sich ein zweiter, vertikaler Luftkanal 8 über eine Umschaltung 13 bis in den ersten, horizontalen Luftkanal 7, der sich von dem ersten Lufteinlass 4 bis zum Lufteinlass 5 erstreckt. Der zweite, vertikale Luftkanal 8 endet offen auf der Saugseite des Gebläses 6 im Luftkanal 7, so dass im Betrieb ein Luftstrom von außen durch den zweiten Luftkanal 8 strömt. Der zweite Luftkanal 8 ist hier als Rohr 16 ausgebildet. Innerhalb des zweiten, vertikalen Luftkanals 8 ist ein Stromrichter 10 mit Kühlkörper 11 angeordnet. Die durch den zweiten, vertikalen Luftkanal 8 strömende Luft kühlt somit den Stromrichter 10. Der Stromrichter 10 versorgt einen elektrischen Antrieb 12, beispielsweise einen Kompressor 17 oder das Gebläse 6 oder beide, über eine Verbindung 19 mit elektrischer Energie. Dazu wandelt der Stromrichter 10 die elektrische Spannung und/oder Frequenz um. Die dabei entstehende Verlustwärme wird wie oben beschrieben abgeführt. Dazu sind im Stromrichter 10 die Wärme erzeugenden Halbleiter entweder wärmeleitend mit seinem Gehäuse und damit mit dem Kühlkörper 11 verbunden. Das Gehäuse des Stromrichters 10 kann aber auch Öffnungen aufweisen, durch die kühlende Luft strömen kann.
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Die Strömungswiderstände des ersten, horizontalen Luftkanals 7 und des zweiten, vertikalen Luftkanals 8 sind so aufeinander abgestimmt, dass eine ausreichende Menge an kühlender Luft durch den zweiten, vertikalen Luftkanal 8 strömt. Dadurch, dass der Stromrichter nun nicht mehr wie im Stand der Technik im selben Luftkanal wie der Wärmetauscher und das Gebläse angeordnet ist, können die Strömungsverhältnisse im Bereich des Stromrichters 10 bzw. des Kühlkörpers 11 besser angepasst werden, was zu einer effektiveren Kühlung führt. Insbesondere breitet sich der dabei entstehende Schall aufgrund von Verwirbelungen am Kühlkörper 11 oder am Stromrichter 10 nicht mehr direkt durch die Öffnungen des ersten Lufteinlasses 4 oder des Luftauslass 5 nach außen aus. Dadurch werden die Schallemissionen durch die Wärmetauschereinheit verringert.
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Für Wartungszwecke kann das Rohr 16 in der Herausnahmerichtung 18 aus dem Gehäuse entnommen werden, nachdem die Abdeckung entfernt wurde.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Gehäuses 1 nach Abnahme der Abdeckung. Die Herausnahme des zweiten, vertikalen Luftkanals 8 erfolgt als Herausnahme des Rohrs 16, mit dem der Stromrichter 11 wärmeleitend verbunden ist, auf der Abströmseite 5. Das Kühlelement 10 wird dabei durch die Rohrwand gebildet. Das Rohr 16 ist in diesem Fall ein Rechteckrohr aus Aluminium. Nach der Herausnahme sind die übrigen Aggregate der Wärmepumpe frei zugänglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauschereinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Wärmetauscher
- 4
- erster Lufteinlass
- 5
- Luftauslass
- 6
- Gebläse
- 7
- erster, horizontaler Luftkanal
- 8
- zweiter, vertikaler Luftkanal
- 9
- zweiter Lufteinlass
- 10
- Stromrichter / Inverter
- 11
- Kühlkörper
- 12
- Elektrischer Antrieb
- 13
- Umschaltung
- 14
- Schutzgitter des ersten Lufteinlasses
- 15
- Schutzgitter des Luftauslasses
- 16
- Rohr
- 17
- Kompressor
- 18
- Herausnahmerichtung
- 19
- Verbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013225450 B3 [0007]
- DE 102013206996 A1 [0008]
