DE69910296T2 - Maschine zum Heizen oder Kühlen von Luft oder Wasser mittels eines Kältemittels - Google Patents

Maschine zum Heizen oder Kühlen von Luft oder Wasser mittels eines Kältemittels Download PDF

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In diesen herkömmlichen Maschinen ist auch der umkehrbare Kühlkreislauf nicht optimal gesteuert und reagiert langsam, wenn sich die Umgebungstemperatur und die Feuchtigkeit verändern.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben erwähnten Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 1 ein Betriebsdiagramm der erfindungsgemäßen Maschine zum Erzeugen von Wärme zeigt, das heißt einen Betrieb z. B. während des Winters;
  • 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;
  • 3 eine schematische Seitenansicht des Behälters ist, der dazu ausgelegt ist, um das Kühlmittel an dem Kühlkreislauf der erfindungsgemäßen Maschine automatisch aufzunehmen und abzugeben;
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des in 3 gezeigten erfindungsgemäßen Behälters zeigt; und
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Expansionsventil 9 ist einem Kühlkreislauf 8 an einer Position zugeordnet, die zwischen dem Behälter 11 und einem zweiten Wärmetauscher 16 liegt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anschließend fließt eine ausgewählte Menge an Kühlmittel durch Schwerkraftwirkung weiterhin in den Behälter 11.
  • Das oben erklärte lässt sich anhand der oben beschriebenen Zeichnung besser verstehen.
  • Insbesondere 1 zeigt den Kühlkreislauf, der dazu ausgelegt ist, um heißes Wasser oder heiße Luft z. B. während der Wintersaison bereitzustellen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Verteiler 30 auch ohne die feststehende Expansionseinrichtung 32 und die Umgehungsleitung 31 ausgestattet sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel als das in 3 gezeigte, das jedoch auf dieselbe Art und Weise arbeitet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die erfindungsgemäße Maschine kann zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen im Rahmen der Ansprüche aufweisen.

Claims (11)

  1. Maschine zum Erzeugen von heißer oder kalter Luft oder heißem oder kaltem Wassers zur Klimatisierung eines Raumes durch ein Kältemittel, bestehend aus einem umkehrbaren Kühlkreislauf (8) bestehend aus einer veränderlichen Expansionseinrichtung (9), um die Expansion in besagtem umkehrbaren Kühlkreislauf (8) zu verändern und um den Kühlzyklus auf eine schnellere und optimiertere Weise in dem Maße zu steuern, wie sich die innere und äußere Umgebungstemperatur und Luftfeuchte des zu klimatisierenden Raumes ändern, gekennzeichnet dadurch, dass sie automatische Aufnahme- und Abgabeeinrichtungen umfasst, bestehend aus einem, mit besagten Kühlkreislauf (8) durch erste und zweite Kühlkreisläufe (12, 13) in Verbindung stehenden Behälter (11), wobei besagter Behälter mit besagtem Kühlkreislauf (8) in dessen Bereich zwischen einem ersten Austauscher (15) und besagtem Entspannungsventil (9) verbunden ist, und besagtes Entspannungsventil (9) sich zwischen besagtem Behälter (8) und einem zweiten Austauscher (16) befindet, und besagter Bereich (14) des besagten Kühlkreislaufs (8) Teil eines ersten Rohrs (20) ist, welches koaxial um einen Teil eines zweiten Rohres (21) angeordnet ist, um eine ringförmige Kammer (22) zu bilden, die mit besagtem zweiten Kreislauf (13) kommuniziert, wobei sie, wenn das Kühlmittel in Richtung vom Entspannungsventil (9) zum ersten Austauscher (15) zirkuliert, einen Unterdruck erzeugt und aus dem Behälter (11) eine ausgewählte Menge von Kühlmittel in das erste Rohr (20) zieht, und wenn das Kühlmittel in die Gegenrichtung zirkuliert, ein Teil davon in den zweiten Kreislauf (13) und das Rohr vom Behälter (11) hineingepresst wird.
  2. Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass besagte automatische Aufnahme- und Abgabeeinrichtungen geeignet sind, eine ausgewählte Menge von Kühlmittel aus besagtem Kühlkreislauf (8) aufzunehmen und an ihn abzugeben.
  3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass besagte veränderliche Expansionseinrichtung (9) ein Entspannungsventil ist, welches in besagtem Kühlkreislauf (8) angeordnet ist und durch einen elektronischen Stromkreis (10) gesteuert wird.
  4. Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass besagter erster Kreislauf (12) mit besagtem zweiten Kreislauf (13) außerhalb des besagten Behälters (11) verbunden ist und innerhalb des besagten Behälters (11) sich bis auf den Boden (18) des besagten Behälters (11) erstreckt.
  5. Maschine nach den Ansprüchen 1 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass besagter zweiter Kreislauf (13) mit besagtem Behälter (11) in seinem Oberteil (19) gegenüber von besagtem Boden (18) verbunden ist.
  6. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass besagter erster und zweiter Austauscher (15, 16) wahlweise als Kondensator oder als Verdampfer arbeitet, um je nach Flussrichtung des Kühlmittels, die durch das Schalten eines Vier-Wege-Ventils (3) festgesetzt wird, heißes oder kaltes Wasser oder heiße oder kalte Luft zu erzeugen.
  7. Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass besagter Behälter (11) wahlweise mit Unterdruck arbeitet, um besagtes Kühlmittel innerhalb des besagten Kühlkreislaufs (8) abzugeben, und am Anfang mit Unterdruck und dann durch Schwerkraft, um besagtes Kühlmittel aus besagtem Kühlkreislauf (8) aufzunehmen.
  8. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Änderungseinrichtung zur Veränderung der Wasserkapazität der mit besagter Maschine verbundenen hydraulischen Baugruppe und der Kühlmittelkapazität des besagten Kühlkreislaufes (8) umfasst, um das Wasser innerhalb der besagten hydraulischen Baugruppe auf einer konstanten Temperatur zu halten.
  9. Maschine nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass besagte Änderungseinrichtung zumindest eine abgestimmte Pumpe der hydraulischen Baugruppe und zumindest besagtes Entspannungsventil (9) umfasst, um die Kapazität des Wassers in besagter hydraulischer Baugruppe und die Kapazität des Kühlmittels innerhalb des besagten Kühlkreislaufs (8) je nach Anforderungen zu verändern.
  10. Maschine nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass besagte Pumpe und besagtes Entspannungsventil (9) mittels eines PLC oder durch besagten elektronischen Stromkreis reguliert werden, um die Temperatur des Wassers, welches aus den Austauschern (15, 16) fließt, während des Betriebes des Kühlkreislaufes sowohl im Winter als auch im Sommer konstant zu halten.
  11. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sie Messeinrichtungen zur Festlegung, wann und wie die Wasser- und Kühlmittelkapazitäten verändert werden sollen, umfasst, um durch das Messen der Temperatur des Wassers, welches aus den Austauschern (15, 16) fließt, des Temperaturgefälles zwischen der Einlass- und der Auslassöffnung der Austauscher und der Überhitzungstemperatur in der Einlassöffnung des Kompressors (2) sicherzustellen, dass das Kühlmittel im gasförmigen Zustand in den Kompressor gelangt.
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