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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Maschine zum Erzeugen von heißer oder kalter Luft oder von
heißem
oder kaltem Wasser zum Klimatisieren eines Raumes durch ein Kältemittel.
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Herkömmliche Luft/Wasser-Maschinen
oder -Einheiten in einer Version nur zum Kühlen oder als Wärmepumpe
zum Erzeugen heißer
oder kalter Luft oder von heißem
oder kaltem Wasser zum Klimatisieren einer Umgebung umfassen im
allgemeinen einen Kompressor, zwei Wärmetauscher, ein elektrisches Gebläse, einen
Flüssigkeitsabscheider,
eine Flüssigkeit-Aufnahmevorrichtung,
ein Zyklus-Umkehrventil (üblicherweise
ein Vier-Wege-Ventil), zwei Kühlkreisläufe, die
unter anderem die Verwendung zweier unidirektioneller Ventile oder
Absperrventile und zweier Expansionseinrichtungen für das Kühlmittel
enthalten.
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Auf diese Weise ist es möglich, das
interne fluiddynamische System der Maschine zu steuern, um es als
Wärmepumpe,
z. B. während
des Winters, oder als Kühlanlage,
z. B. während
des Sommers, zu betreiben, wobei die Menge des Kühlmittels im Innern der Maschine
verändert
wird.
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Mit anderen Worten ist es möglich, dass
man durch Umkehr der Richtung des Kühlmittelflusses im Winter einen
Austauscher als Kondensator verwendet, wodurch Wärme erzeugt wird, und den anderen Austauscher
als Verdampfer verwendet, während
im Sommer der Kondensator als Verdampfer verwendet wird und der
Verdampfer als Kondensator verwendet wird.
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Da die Menge an Kühlmittel, das in der Einheit
verwendet wird, beim Erzeugen von Wärme anders ist als die gegenüber der
Erzeugung von Kälte, das
heißt
die Menge ist im "Winter" geringer und im "Sommer" größer, müssen diese
Maschinen eine doppelte und/oder gesonderte Kühlkreisläufe haben (Flüssigkeitsleitung – niedriger
Druck), die durch Laminationselemente, Absperr- oder Einwegventile
gesondert betrieben werden und die zu einer Kühlmittel-Aufnahmevorrichtung
führen.
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Insbesondere die Dokumente
US 5475986 und
US 4420947 offenbaren eine Maschine
zum Erzeugen von heißer
oder kalter Luft oder von heißem oder
kaltem Wasser gemäss
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus dem oben gesagten ergibt sich,
dass diese Maschinen einen ziemlich aufwändigen Aufbau haben und daher
nicht sehr zuverlässig
sind. Neben ihrem hohen Preis aufgrund ihres aufwändigen Rufbaus
erfordern diese herkömmlichen
Maschinen darüber
hinaus eine schwierige Wartung und eine Menge an Kühlmittel,
das zwei gesonderte Kreisläufe
füllen
muss.
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In diesen herkömmlichen Maschinen ist auch der
umkehrbare Kühlkreislauf
nicht optimal gesteuert und reagiert langsam, wenn sich die Umgebungstemperatur
und die Feuchtigkeit verändern.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, die oben erwähnten
Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, eine Maschine zum Erzeugen von heißer oder kalter Luft oder von
heißem
oder kaltem Wasser zur Klimatisierung eines Raums mittels eines Kühlmittels
bereitzustellen, die einen äußerst vereinfachten
Aufbau hat, damit ihr Betrieb äußerst zuverlässig ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Maschine zum Erzeugen von heißer oder kalter
Luft oder heißem
oder kaltem Wasser mittels eines Kühlmittels bereitzustellen,
die durch einen vereinfachten Aufbau somit eine leichtere Wartung und
eine geringere Anforderung an die Ersatzteilversorgung aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Maschine zum Erzeugen von heißer oder kalter
Luft oder heißem
oder kaltem Wasser mittels eines Kühlmittels bereitzustellen,
die mit jeder Art von Gas arbeiten kann und die sich praktisch sofort
an das Gas anpasst.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, eine Maschine zum Erzeugen von heißer oder kalter
Luft oder heißem
oder kaltem Wasser mittels eines Kühlmittels bereitzustellen,
deren Kosten geringer sind und die dennoch besser als herkömmliche Maschinen
arbeitet.
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Schließlich besteht eine weitere
Aufgabe der Erfindung darin, den energetischen Effekt zu verbessern
(gewonnene Heiß-
oder Kaltenergie geteilt durch verbrauchte Energie), indem kleinere
Mengen an natürlichem
oder künstlichem
Kühlmittel
verwendet werden, wodurch die direkte oder indirekte Umweltverschmutzung
verringert wird.
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Das oben genannte Ziel sowie die
Aufgaben werden erreicht bzw. gelöst mittels einer Maschine zum
Erzeugen von heißer
oder kalter Luft oder heißem
oder kaltem Wasser gemäss
dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels
der Erfindung, das in der beigefügten
Zeichnung beispielhaft veranschaulicht ist, wobei:
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1 ein
Betriebsdiagramm der erfindungsgemäßen Maschine zum Erzeugen von
Wärme zeigt, das
heißt
einen Betrieb z. B. während
des Winters;
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2 das
Betriebsdiagramm der Maschine von 1 zeigt,
wenn die Maschine zum Kühlen
eines Raumes arbeitet, das heißt
einen Betrieb z. B. während
des Sommers;
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3 eine
schematische Seitenansicht des Behälters ist, der dazu ausgelegt
ist, um das Kühlmittel
an dem Kühlkreislauf
der erfindungsgemäßen Maschine
automatisch aufzunehmen und abzugeben;
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des in 3 gezeigten erfindungsgemäßen Behälters zeigt;
und
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5 und 6 eine offene anstelle der
geschlossenen Bauart des in 1 und 2 gezeigten Kreislaufs zeigen,
wobei der Behälter 11 und
das Ventil 9 unterschiedliche Positionen haben.
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Anhand der obigen Figuren wird nun
die auch als "Kühler" bekannte Maschine
zum Erzeugen von heißer
oder kalter Luft oder heißem
oder kaltem Wasser mittels eines Kühlmittels beschrieben, die
auf an sich bekannte Weise einen Kompressor 2 aufweist,
in dem ein Kühlmittel
beliebiger Art je nach Bedarf bei geringem Druck eintritt und bei
hohem Druck austritt, um z. B. einem Vier-Wege-Ventil 3 zugeführt zu werden.
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Das Vier-Wege-Ventil 3 arbeitet
als Zyklus-Inverterventil, das den Kühlmittelfluss von der Leitung 4 schaltet,
wie später
aus führlich
erklärt
wird, um den Kühlkreislauf
als Wärmepumpe
zu betreiben, wobei von der Leitung 5 oder umgekehrt, wie
in 2 gezeigt, das Einströmen von
der Leitung 5 und das Rückströmen von
der Leitung 4 im Falle der Kühlung der Umgebung, das heißt während des "Sommer"-Betriebs, erfolgen.
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Die Leitung 6 des Vier-Wege-Ventils
ist die Einlaufleitung, während
die Leitung 7 des Vier-Wege-Ventils die Rücklaufleitung
des Kühlmittels
zu dem Kompressor ist.
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Die erfindungsgemäße Maschine umfasst einen umkehrbaren
Kühlkreislauf
mit geschlossener oder offener Bauart (gespaltenes System), der
allgemein die Bezugsziffer 8 trägt, und der zum Erzeugen eines
umkehrbaren Kühlzyklus
ausgelegt ist, um heiße
oder kalte Luft oder heißes
oder kaltes Wasser zum Klimatisieren einer Umgebung zu erzeugen.
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Die Steuerung des umkehrbaren Kühlkreislaufs
wird durch eine veränderliche
Expansionseinrichtung bewirkt, die dazu ausgelegt ist, um die Expansion
in dem umkehrbaren Kühlkreislauf
zu verändern,
nämlich
ein Expansionsventil 9, das in dem Kühlkreislauf angeordnet ist
und durch eine elektronische Schaltung 10 gesteuert wird,
um den Kühlzyklus schneller
und optimaler als ein doppeltes Kühlkreislauf-System des Stands
der Technik zu steuern, wenn sich die innere und äußere Temperatur
und Feuchtigkeit der Umgebung verändern.
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Die erfindungsgemäße Maschine umfasst auch Aufnahmemittel
zum Aufnehmen einer ausgewählten
Menge an Kühlmittel
von dem Kühlkreislauf sowie
ein automatisches Abgabemittel zum automatischen Abgeben einer ausgewählten Menge
an Kühlmittel
innerhalb des Kühlkreislaufs.
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Insbesondere umfassen das automatische Aufnahme-
und Abgabemittel einen Behälter 11,
der mit dem Kühlkreislauf
in einem ersten und einem zweiten Kreislauf verbunden ist, die durch
die Bezugsziffern 12 bzw. 13 gekennzeichnet sind.
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Der Behälter 11 ist mit einem
Kühlkreislauf
in einem Bereich verbunden, der allgemein durch die Bezugsziffer 14 gekennzeichnet
ist und der sich zwischen einem ersten Austauscher 15 und
einem Expansionsventil 9 befindet.
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Das Expansionsventil 9 ist
einem Kühlkreislauf 8 an
einer Position zugeordnet, die zwischen dem Behälter 11 und einem
zweiten Wärmetauscher 16 liegt.
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Genauer gesagt ist der erste Kreislauf 12 dem
zweiten Kreislauf 13 mit seinem Abschnitt zugeordnet, der
außerhalb
des Behälters 11 ist
und sich ins innere des Behälters 11 bis
zu seinem Boden 18 erstreckt.
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Der zweite Kreislauf 13 ist
dem Behälter
an seinem oberen Abschnitt 19 gegenüber von dem Boden 18 zugeordnet
und ist mit dem Kühlkreislauf
in dem Bereich 14 verbunden.
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Der Bereich 14 des Kühlkreislaufs
wird bestimmt durch einen Abschnitt eines ersten Rohres 20, das
dem ersten Austauscher 15 zugeordnet ist und um einen Abschnitt
eines zweiten Rohres 21 des Kühlkreislaufs herum koaxial
angeordnet ist, der mit dem Expansionsventil 9 verbunden
ist, um eine ringförmige
Kammer 22 zu bilden, die mit dem zweiten Kreislauf 13 in
Verbindung steht.
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Auf diese Weise wird, wie später ausführlicher
beschrieben, in dem Bereich 14, wenn Freon oder ein anderes
Gas in der Richtung von dem Expansionsventil 9 zu dem ersten
Austauscher 15 strömt, ein
Vakuum erzeugt, das dazu ausgelegt ist, um eine ausgewählte Menge
an Kühlmittel
von dem Behälter 11 in
das erste Rohr 20 zu saugen.
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Im Falle einer Umkehrung des Kreislaufs, das
heißt,
wenn das Kühlmittel
den ersten Austauscher 15 in der Richtung des Expansionsventils 9 verlässt, wird
das Kühlmittel
gezwungen, in den zweiten Kreislauf 13 und von dort in
den Behälter 11 einzutreten,
der zumindest in einer ersten Phase auf einem niedrigeren Druck
ist.
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Anschließend fließt eine ausgewählte Menge an
Kühlmittel
durch Schwerkraftwirkung weiterhin in den Behälter 11.
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Das oben erklärte lässt sich anhand der oben beschriebenen
Zeichnung besser verstehen.
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Insbesondere 1 zeigt den Kühlkreislauf, der dazu ausgelegt
ist, um heißes
Wasser oder heiße Luft
z. B. während
der Wintersaison bereitzustellen.
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In diesem Fall tritt Freon oder irgend
ein anderes Gas aus der Leitung 4 aus und folgt in einer Strömungsrichtung
entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn, um in den ersten Austauscher 15 einzutreten, der
in diesem Fall als Kondensator arbeitet.
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Von dem Kondensator 15 strömt das Kühlmittel
in das erste Rohr 20 ein, das einen größeren Durchmesser als das zweite
Rohr 21 hat, so dass in dem Bereich 14, wo die
beiden Rohre zueinander koaxial sind und die ringförmige Kammer 22 bilden, eine
ausgewählte
Menge an Kühlmittel
in den zweiten Kreislauf 13 und von dort in den Behälter 11 eintritt,
der zumindest in einer erste Phase auf einem niedrigeren Druck ist.
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Während
des Arbeitszyklus tritt dann das Kühlmittel in den Behälter 11 durch
Schwerkraftwirkung ein, um ihn mit einer ausgewählten Menge zu füllen, die
der Menge an Kühlmittel
entspricht, die während
des "Winter"-Betriebs nicht benötigt wird.
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Das Ventil 9 wird mit Hilfe
der elektronischen Schaltung 10 automatisch eingestellt,
um stets für eine
hohe Effizienz der Maschine mit jeder Art von in der Maschine verwendetem
Kühlmittel
zu sorgen.
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Das Kühlmittel strömt dann
von dem Ventil 9 zu dem zweiten Austauscher 16,
der in diesem Fall als Verdampfer arbeitet, und strömt dann
durch die Leitung 5 in den Kompressor zurück.
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Wenn umgekehrt, wie in 2 gezeigt, der Kühlkreislauf
zum Kühlen
des Raumes arbeitet, tritt das Kühlmittel
aus der Leitung 5 aus und tritt in den zweiten Austauscher 16 ein,
der in diesem Fall als Kondensator arbeitet, und strömt dann
durch das Expansionsventil 9 hindurch, das einem Verteiler 30 gemäss einem
ersten Ausführungsbeispiel
zugeordnet ist. Der Verteiler 30 des Kühlmittels hat eine feststehende
Expansionseinrichtung 32 (3),
die durch eine Umgehungsleitung 31 für die "Winter"/"Sommer"-Umkehr des Kreislaufs
umgangen wird.
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Gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung kann der Verteiler 30 auch ohne die feststehende
Expansionseinrichtung 32 und die Umgehungsleitung 31 ausgestattet
sein.
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Das Expansionsventil 9 wird
durch die elektronische Schaltung 10 geregelt, und das
Kühlmittel tritt
in den Bereich 14 des Kühlkreislaufs
ein, strömt aus
dem zweiten Rohr 21 aus, wobei ein Unterdruck im Innern
der ringförmigen
Kammer 22 die ausgewählte
Menge an Kühlmittel
aus dem Behälter 11 durch
den ersten Kreislauf 12 und den zweiten Kreislauf 13 absaugt.
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Der erste Kreislauf 12 saugt
zuerst Öl
und dann Kühlmittelflüssigkeit
und anschließend
Kühlmittelgas
aus dem Behälter 11,
um für
eine Schmierung des Kompressors zu sorgen.
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Sobald die ausgewählte Menge an Kühlmittel
in den Kühlkreislauf
eingespeist ist, kann der Kühlkreislauf
die Umgebung kühlen
und somit in der "Sommer"-Periode mit mehr
Kühlmittel
als in der "Winter"-Periode arbeiten.
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Das Kühlmittel tritt dann in den
ersten Austauscher 15 ein, der in diesem Fall als Verdampfer
arbeitet, und strömt
dann zu dem Kompressor 2 durch die Leitung 4 zurück.
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4 zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel als
das in 3 gezeigte, das
jedoch auf dieselbe Art und Weise arbeitet.
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In diesem Fall sind die Rohre, welche
den ersten Austauscher mit dem Ventil und mit dem Behälter verbinden,
immer noch teilweise zueinander koaxial, erstrecken sich jedoch
geradlinig anstatt mit einer Doppelbiegung, wie dies in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
der Fall ist.
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Darüber hinaus ist die Länge des
koaxialen Abschnitts der Rohre größer, und das zweite Rohr 21 hat
eine Vielzahl von Löchern 31 in
dem Bereich, der in den ersten Austauscher 15 eintritt,
wodurch eine bessere Verteilung des Kühlmittels im Innern des Austauschers
ermöglicht
wird.
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Die oben beschriebene erfindungsgemäße Maschine
hat einen weiteren wichtigen Vorteil: sie hält das Wasser im Innern der
der Maschine zugeordneten hydraulischen Baugruppe auf einer konstanten Temperatur,
ohne einen oder mehrere Wasserspeicher oder einen Inverter für den Kompressor
zu benötigen.
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Insbesondere wird dies erreicht,
indem man die Pumpe der hydraulischen Baugruppe (in der Zeichnung
nicht dargestellt) abstimmt, um die Wasserkapazität je nach
dem Benutzer zu verändern
und gleichzeitig die Menge des Kühlmittels
in dem Kühlkreislauf
zu verändern,
indem das Expansionsventil 9 abgestimmt wird.
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Insbesondere die Abstimmung der Pumpe und
des Expansionsventils 9 z. B. mittels eines PLC oder der
elektronischen Schaltung 10 ermöglicht es, die Temperatur des
aus den Austauschern 15 oder 16 ausströmenden Wassers
während
des Betriebs des Kühlkreislaufs
sowohl im Winter (heißes
Wasser) als auch im Sommer (kaltes Wasser) konstant zu halten.
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Mittels der elektronischen Schaltung 10 oder des
PLC ist es möglich,
festzustellen, wann und wie man die Wasser- und Kühlmittelkapazitäten verändern muss,
und zwar durch Erfassen der Temperatur des aus den Austauschern 15 und 16 ausströmenden Wassers
und dem Temperaturunterschied zwischen dem Einlass und dem Auslass
der Austauscher und der Überhitzungstemperatur
in dem Einlass des Kompressors 2, um zu gewährleisten,
dass das Kühlmittel
im gasförmigen
Zustand in den Kompressor eintritt.
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In der Praxis hat sich gezeigt, dass
die erfindungsgemäße Maschine
besonders vorteilhaft ist und dass sie mit dieser geeigneten Art
eines natürlichen
und/oder künstlichen
Kühlmittels
arbeiten kann, da sie einen extrem vereinfachten mechanischen Aufbau
hat, der eine größere Zuverlässigkeit
bietet, geringere Wartung erfordert und niedrigere Kosten hat.
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Die erfindungsgemäße Maschine kann zahlreiche
Abwandlungen und Veränderungen
im Rahmen der Ansprüche
aufweisen.