DE3010423A1

DE3010423A1 - Waermepumpe mit waermepumpenverdichter

Info

Publication number: DE3010423A1
Application number: DE19803010423
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 4100 Duisburg Göricke; Peter Dipl.-Ing. 4330 Mülheim Kalischer
Original assignee: Rheinisch Westfaelisches Elektrizitaetswerk AG
Current assignee: RWE AG
Priority date: 1980-03-19
Filing date: 1980-03-19
Publication date: 1981-09-24

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit Wärmepumpen-Verdichter ,

wobei der Wärmepumpenverdichter zumindest einen Arbeitsraum, Arbeitsraumsteueröffnungen und zugeordnete Steuerelemente sowie einen in dem Arbeitsraum längs eines Verdrängerweges arbeitenden Verdränger aufweist,

wobei ferner das verdichtungswirksame Volumen durch eine Leistungseinstelleinrichtung veränderbar ist. - Der Ausdruck Wärmepumpe bezeichnet bekanntlich eine Maschine, die im sog. linkslaufenden Kreisprozeß zwischen der Umgebungstemperatur T und einer höheren Temperatur T arbeitet. Sie gibt bei der höheren Temperatur eine Wärmemenge ab, die zur Heizung ausgenitzt werden kann. Dieser wrirmepumpenprozeß unterscheidet sich von einem Kältemaschinenprozeß nur durch die Lage der Temperaturen. Während bei einer Kältemaschine die bei niedriger Temperatur aufgenommene Wärmemenge interessiert, ist für die Wärmepumpe, die bei höheren Temperaturen abgegebene Wärmemenge maßgebend. - Als unterer "Kärmebehälter", dem die Wärmemenge entzogen wird, stehen besonders für Wohnraumheizungen Fluß- und Meerwasser, der Erdboden und die atmosphärische Luft zur Verfügung. Für solche Wärmepumpen ist es zum Erreichen einer möglichst guten Jahresarbeitszahl, d. h. zur Minimierung des Energieeinsatzes wichtig, daß der Massestrom des Arbeitsmediums im Kreisprozeß eingestellt werden kann. Die gebräuchlichen Wärmepumpen arbeiten mit Wärmepumpenverdichter. Dann läßt sich die Einstellung des Massestromes am zweckmäßigsten durch eine entsprechende Einstellung des Verdichters bewirken. Die Einstellung kann Steuerung oder Regelung im Sinne der Regeltechnik sein.

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Bei den {aus der Praxis) bekannten Wärmepumpen der beschriebenen Gattung ist der Wärmepumpenverdichter eine Ein- oder Mehrzylinder-Hubkolbenmaschine . Die Steueröffnungen sind die Einlaßöffnungen und die Auslaßöffnungen, die Steuerelemente die üblichen Ventile. Die Veränderungen des irerdichtungswirksaraen Volumens wird bei Mehrzylinder-Verdichtern durch Zylinderabschaltung mittels Ventilabhebung oder umgekehrt Zylinderzuschaltung herbeigeführt. Das ist in steuerungstechnischer Hinsicht aufwendig und erlaubt nichtsdestoweniger keine Feinsteuerung. Folglich müssen im V7ege des Kompromisses thermodynaiaische Nachteile in Kauf genommen werden. Darüber hinaus lassen sich die bekannten Maßnahmen nur verwirklichen, wenn die Wärmepumpe insgesamt groß genug ist, um den Einsatz einer Mehrzylinder-Hubkolbenmaschine als Wärmepumpenverdichter sinnvoll erscheinen zu lassen. Das ist jedoch im häufigsten Anwendungsbereich (Ein- und Zweifamilienhäuser) nicht der Fall. Hier werden fast ausschl. Ein- und Zweizylinder-Verdichter eingesetzt, bei denen eine Zylinderabschaltung aus technischen Gründen nicht möglich 1st. (Ann« Auch beim 2-Zylinder in der Praxis nicht wegen Unwucht). Die Leistungsanpassung erfolgt dabei in der Regel über die thermodynamisch ungünstige Ein-Aus-Schaltung.

Für die Einstellung des Massestromes des Arbeitmediuras im Kreisprozeß im Wege der Steuerung oder Regelung sind neben den gattungsgemäßen auch andere Maßnahmen bekannt, so die sog. Bypass-Steuerung, die Saugdrosselsteuerung und die Drehzahlsteuerung der Arbeitsmaschine. Auch diese Maßnahmen sind au3 thermodynamischen Gründen oder strömungfitechnischen Gründen nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Wärmepumpe so weiter auszubilden, daß mit geringem steuerungstechnischen Aufwand eine sehr feinstufige Leistungseinstellung durchgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß längs des Verdrängerweges eine Mehrzahl von Leistungssteueröffnungen angeordnet sind,

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die durch zumindest ein Steuerelement nach Maßgabe des gewünschten verdrängungswirksamen Volumens verschließbar sind,

und daß bei der Bewegung des Verdrängers ein partielles Zurückschieben des zunächst angesaugten, zu verdichtenden Gases durch die nicht verschlossenen Leistungssteueröffnungen erfolgt, ehe der Rest des angesaugten Gases verdichtet wird.

Die Erfindung kann sowohl bei Wärmepumpen verwirklicht werden, deren Wärmepumpenverdichter als Kreiskolbenverdichter ausgeführt ist, als auch bei Wärmepumpen, deren Wärmepumpenverdichter ein Hubkolbenverdichter ist. Bei der Ausfuhrungsform mit Kreiskolbenverdichter ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Kreiskolbenverdichter im Boden und/oder im Deckel des Arbeitsraumes die Leistungssteueröffnungen aufweist, und daß das Steuerelement als Schieber ausgebildet ist, der um die Achse des Arbeitsraumes schwenkbar ist. In der Ausführungsform mit Hubkolbenverdichter lehrt die Erfindung, daß der Zylinder über seine Höhe verteilt die Leistungssteueröffnungen aufweist und daß die Leistungssteueröffnungen durch eine Steuerhülse verschließbar sind, die vom Zylinderkopf her aufschiebbar ist. Die Verstellung des Steuerelementes erfolgt im Rahmen der Erfindung nach steuerungstechnischen oder regeltechnischen Gesichtspunkten, denen die Wärmepumpe insgesamt unterworfen ist, und bedarf insoweit nicht der Beschreibung.

Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ohne Schwierigkeiten und sehr fein-

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stufig mit geringem steuerungstechnischen Aufwand eine Einstellung des Massestroiaes des Arbeitsmediums im Kreisprozeß möglich ist, ohne daß damit die thermodynamischen Nachteile anderer bekannter Steuersysteme (Bypass, Saugdrossel) verbunden wären. Die Peinstufigkait richtet sich nach der Größe und nach dem Abstand der einzelnen Leistungssteueröffnungen sowie nach der entsprechend feinfühligen Verstellung des Steuerelementes bzw. der Steuerelemente. Selbstverständlich sind neben der Ausführungsform mit als Schieber bzw. Steuerhülse ausgebildetem SteueiäLement auch solche möglich, bei denen die Steuerung der Leistungssteueröffnungen durch eine Mehrzahl von einzelnen Ventilen erfolgt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Ansicht eines als Kreiskoibenverdichter ausgeführten Wärmepumpenverdichters einer erfindungsgemäße „v'ärmepurape, teilweise aufgebrochen,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den als Hubkolbenverdichter ausgeführten Wärmepumpe—.verdichter.

In den Figuren ist von einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe lediglich der Wärmepumpenverdichter 1 dargestellt worden. Zum grund-

sätzlichen Aufbau gehört, daß der Wärmepumpenverdichter 1 zumindest einen Arbeitsraum 2, Arbeitsraumsteueröffnungen 3, 4 und zugeordnete Steuerelemente 5,6 sowie einen in dem Arbeitsraum 2 längs eines Verdrängerweges arbeitenden Verdränger 7 aufweist. Das verdichtungswirksame Volumen ist durch eine Leistungseinstelleinrichtung 8 veränderbar.

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Sowohl bei der Ausführungsform nach Fig. 1 als auch bei dar Ausführungsform nach Fig. 2 ist längs des Verdrängerweges eine Mehrzahl von Leistungssteueröffnungen 9 angeordnet. Dabei handelt es sich um Steueröffnungen, die zusätzlich zu den üblichen Einlaßöffnungen 3 und Auslaßöffnungen 4 mit deren zugeordneten Steuerelementen oder Ventilen 5, 6 vorgesehen sind. Diese Leistungssteueröffnungen 9 sind durch zumindest ein Steuerelement 1o nach Maßgabe des gewünschten verdrängungswirksamen Volumens verschließbar. Das geschieht so, daß bei der Bewegung des Verdrängers 7 ein partielles Zurückschieben des zunächst angesaugten, zu verdichtenden Gases durch die nicht verschlossenen Leistungssteuercffnungen 9 erfolgt, ehe der Rest des angesaugten Gases verdichtet wird. Das geschieht bei der Ausftihrungsform nach Fig. 1 so, daß neben der üblicherweise vorhandenen Einlaßöffnung 3 die schon erwähnte Reihe von weiteren Leistungssteueröffnungen 9 angebracht ist. Diese sind durch einen Schieber 1o als Steuerelement entsprechend den Erfordernissen mehr oder weniger abgedeckt. Bei Freigabe von raehr als einer "Ansaugbohrung je Kammer" wird ein Teil des angesaugten Arbeitsgases wieder in den Ansaugkanal zurückgeschoben, so daß das tatsächlich verdichtete Volumen dadurch verringert wird. Der kleinste Volumenstrora ist folglich bei Freigabe aller Leistungssteueröffnungen 9 erreicht. Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 befinden sich im Boden und/oder im Deckel 11 des Arbeitsrauines 2 die erwähnten Leistungssteueröffnungen 9.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Wärmepumpenverdichter 1 als Hubkolbenverdichter ausgeführt. Der Zylinder

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besitzt über seine Länge verteilt die zusätzlich, zu den üblichen Einlaßöffnungen 3 und Auslaßöffnungen 4 mit ihren Ventilen 5,6 vorgesehenen Leistungssteueröffnungen 9, wobei diese durch eine Steuerhülse 1o als Steuerelement verschließbar sind, die vom Zylinderkopf 13 her in Richtung des eingezeichneten Doppelpfeiles 14 verschiebbar ist.

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Claims

3010423 Andrejewski, Honke & Partner Patentanwälte

Diplom-Physiker

Dr. Walter Andrejewski

Diplom-Ingenieur

Dr.-Ing. Manfred Honke

Diplom-Physiker

Dr. Karl Gerhard Masch

Anwaltsakte: 4300 Essen 1, Theaterplatz 3, Postf. 100254

54 941/Sch- 12. Februar 198o

Patent- und Hilfsgebrauchsmusteranmeldung

Rheinisch-Westfälisches Elektrizitätswerk AG Kruppstraße 5, 43oo Essen 1

Wärmepumpe mit Wärmepumpenverdichter

Ansprüche :

>Wärmepumpe mit Wärmepumpenverdichter, wobei der Wärmepumpenverdichter zumindest einen Arbeitsraum, Arbeitsraumsteueröffnungen und zugeordnete Steuerelemente sowie einen in dem Arbeitsraum längs eines Verdrängerweges arbeitenden Verdränger aufweist, wobei ferner das verdichtungswirksame Volumen durch eine Leistungseinstelleinrichtung veränderbar ist, dadurch

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gekennzeichnet, daß längs des Verdrängerweges eine Mehrzahl von Leistungssteueröffnungen (9) angeordnet sind,

die durch zumindest ein Steuerelement (1o) nach Maßgabe des gewünschten verdrängungswirksamen Volumens verschließbar sind,

und daß bei der Bewegung des Verdrängers (7) ein partielles Zurückschieben des zunächst angesaugten, zu verdichtenden Gases durch die nicht verschlossenen Leistungsteueröffnungen (9) erfolgt, ehe der Rest des angesaugten Gases bei der weiteren Bewegung des Verdrängers (7) eine Verdichtung erfährt.
2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmepumpenverdichter (1) als Kreiskolbenverdichter ausgeführt ist, der im Boden und/oder im Deckel (11) des Arbeitsraumes (2) die Leistungssteueröffnungen (9) aufweist, und daß das Steuerelement als Schieber (1o) ausgebildet ist, der um die Achse des Arbeitsraumes (2) schwenkbar ist.
3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 in der Ausführungsform, bei der der Wärmepumpenverdichter als Hubkolbenverdichter ausgeführt ist, der in einem Zylinder arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (12) über seine Höhe verteilt die Leistungssteueröffnungen (9) aufweist, und daß die Leistungssteueröffnungen (9) durch eine Steuerhülse (1o) verschließbar sind, die vom Zylinderkopf (13) her aufschiebbar ist.

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