EP3159627A1 - Coolant medium circuit - Google Patents
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- EP3159627A1 EP3159627A1 EP15190659.1A EP15190659A EP3159627A1 EP 3159627 A1 EP3159627 A1 EP 3159627A1 EP 15190659 A EP15190659 A EP 15190659A EP 3159627 A1 EP3159627 A1 EP 3159627A1
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- F25B2400/19—Pumping down refrigerant from one part of the cycle to another part of the cycle, e.g. when the cycle is changed from cooling to heating, or before a defrost cycle is started
Definitions
- the invention relates to a refrigerant medium circuit for converting thermal energy in a thermodynamic cycle, with an evaporator and a condenser, which are flowed through by a circulation line of a refrigerant in a flow direction.
- a refrigeration medium cycle is a cycle in a machine that absorbs thermal energy and converts it by means of a thermodynamic cycle.
- the thermodynamic cycle results from a sequence of state changes of the refrigeration medium.
- a condenser and an evaporator are provided, which are flowed through by the refrigerant medium.
- the refrigeration medium is a fluid that absorbs thermal energy at low temperature and low pressure and releases thermal energy at higher temperature and pressure.
- the recording of thermal energy takes place in the refrigerant medium circuit by means of the evaporator.
- the evaporator conducts thermal energy from outside into the cooling medium flowing in it.
- a state change of the state of aggregation of the refrigerating medium from liquid to gaseous takes place.
- the refrigeration medium stores this supplied thermal energy and transported they continue by means of the refrigerant in the circulation line in the flow direction to the condenser.
- the condenser By means of the condenser, the energy is then released again.
- the condenser dissipates the thermal energy from the cold medium to the outside.
- a state change of the state of aggregation of the refrigeration medium from gaseous to liquid takes place.
- the cooling medium subsequently flows in the direction of flow back to the evaporator.
- the invention has for its object to improve the efficiency and in particular a so-called line number of such a refrigerant medium cycle.
- a refrigerant circuit for converting thermal energy in a thermodynamic cycle with an evaporator and a condenser, which are flowed through a circuit line of a refrigerant in a flow direction, created in which in the circulation line in the flow direction to the condenser and an expansion engine is provided in front of the evaporator.
- a first inlet region and a first outlet region are provided on the expansion engine, by means of which a pump is driven with an associated first inlet region and an associated second outlet region.
- An expansion engine is a motor that is set in motion by means of expansion. The expansion occurs when a volume change of the refrigerant medium from a small volume with great pressure to a large volume with low pressure. This creates a pressure difference that can be converted into a movement or drive movement.
- an inlet portion and an outlet portion are provided therefor, and at the inlet portion, the refrigerant medium is supplied to the expansion motor. At the outlet region, the refrigerant medium is discharged from the expansion motor.
- the expansion medium driven by the refrigeration medium drives a pump with its movement.
- the pump moves or transports refrigerant medium through the circulation line.
- an inlet portion for supplying the refrigerant and an outlet portion for discharging the refrigerant are formed.
- the two said outlet regions of the expansion engine and the pump are combined to form a flow outlet.
- the flow outlet then combines the refrigerant flowing through the outlet regions.
- the first outlet area and the second outlet area are thus grouped together.
- a connecting line between the first outlet region and the second inlet region is furthermore preferably provided.
- the refrigerant can flow from the expansion motor to the pump.
- the pump is thus additionally supplied by the expansion engine to its inlet area with refrigerant medium. This supply prevents idling or undersupply of the pump with refrigerant.
- the second inlet region is advantageously assigned to a separator line.
- the separator line is separated from a separator, liquid refrigerant supplied to the pump.
- the separated liquid refrigerant is sucked off the separator. With the suction thus a damming of refrigerant is prevented in the separator.
- the expansion motor is coupled to the pump directly in a force-transmitting manner. Immediately means that movement of the motor is transmitted to the pump at the same time. In particular, when the expansion motor provides a rotational movement, this rotation of the expansion motor is transmitted directly to a rotation of the pump.
- the coupling is preferably designed so that the provided torque is completely transmitted.
- the expansion motor and the pump are also designed together as a piston pump, in particular with four cylinder chambers.
- a piston pump is a pump that is formed with a piston. The piston slides in a cylinder and moves linearly back and forth. The cylinder is divided by the piston into two cylinder chambers. Four cylinder chambers can thus be provided preferably by means of two pistons.
- the piston pump is preferably designed from a piston with two piston disks connected to a piston rod.
- a piston then preferably consists of a slidingly mounted piston disc within a cylinder. To move this piston disc, the piston disc is connected to a piston rod. To form four cylinder chambers two pistons are necessary. These two pistons can then be connected by means of the piston rod and thus coupled directly in a force-transmitting manner.
- the expansion motor and the pump are further configured together as a rotary valve arrangement, in particular with two rotary valve chambers.
- the first rotary vane space then forms the expansion motor which is preferably formed with a first cylindrical housing and a rotating inside the housing, the first rotary cylinder.
- the second rotary vane space configures the pump and is formed with a second cylindrical housing and a second rotating cylinder.
- a rotation axis of the rotary cylinder is arranged eccentrically to the axis of the cylindrical housing.
- the expansion motor and the pump are preferably designed together with a common, torque-transmitting axle.
- the common torque transmitting axle connects the first rotary cylinder of the expansion motor to the second rotary cylinder of the pump. The connection thus allows transmission of the torque from the expansion motor to the pump.
- thermodynamic cycle a method of operating a refrigerant medium circuit for converting thermal energy by means of a thermodynamic cycle, in which a refrigerant in a circulation line flows in a flow direction, with a step of evaporating, and a step of condensing, characterized by driving one expansion engine.
- the Fig. 1 As the prior art shows a heat pump cycle 10 and a refrigerant circuit of a heat pump with a low-temperature heat source 12 and a high-temperature heat sink 14.
- the heat pump cycle 10 is formed with a fluid-conducting, pressure-tight circulation line 16, which is traversed by a cooling medium or fluid 18.
- a so-called safety refrigerant is preferably used as the fluid 18. This is especially without Hydrofluorocarbons (CFCs) composed.
- CFCs Hydrofluorocarbons
- propane refrigerant is used.
- the circulation line is divided into a low-pressure region 20 and a high-pressure region 22. The subdivision of the heat pump cycle 10 takes place on a compressor 24, which interrupts the circulation line 16 fluid-conducting.
- the compressor 24 compresses the cooling medium 18 from the low-pressure region 20 toward the high-pressure region 22 in a flow direction 26.
- the high-pressure region 22 is further divided from the low-pressure region 20 with a throttle 28 which likewise interrupts the circulation line 16 in a fluid-conducting manner.
- the flow direction 26 within the compressor 24 indicates the flow direction of the cooling medium 18 within the heat pump cycle 10.
- an evaporator 30 is provided, which interrupts the circulation line 16 between the throttle 28 and the compressor 24 fluid-conducting.
- the evaporator 30 is located at the low-temperature heat source 12 and draws the low-temperature heat source 12 thermal energy.
- a condenser 32 is arranged, which interrupts the circulation line 16 between the compressor 24 and the throttle 28 fluidly.
- the condenser 32 is disposed at the high-temperature heat sink 14 and outputs there thermal energy from this.
- the evaporator 30 receives thermal energy from the low temperature heat source 12.
- the existing within the evaporator 30 liquid refrigerant 18 is evaporated.
- the refrigeration medium 18 thus changes its state of aggregation from liquid to gaseous.
- the then gaseous cooling medium 18 is passed through the circulation line 16 to the compressor 24.
- the compressor 24 compresses the gaseous cooling medium 18 by means of mechanical work, wherein the gaseous cooling medium 18 is compressed or compressed.
- the pressure and the temperature of the gaseous cooling medium 18 increase.
- the energy level of the cooling medium 18 increases.
- the compressor 24 further determines the flow direction 26 within the heat pump cycle 10 of non-compressed refrigerant medium 18 to compressed refrigerant medium 18. In this case, only gaseous cryogen 18 can be compressed, since liquid cryogen 18 can not be compressed.
- the compressed, gaseous refrigerant medium is forwarded to the condenser 32.
- the condenser 32 releases thermal energy from the cold medium 18 to the high-temperature heat sink 14. With the discharge of the thermal energy from the gaseous cryogen 18, the cryogen 18 liquefies. The cryogen 18 thus changes at the condenser 32, the state of matter from gaseous to liquid.
- the liquid refrigerant 18 is transported through the circulation line 16 to the throttle 28.
- the pressurized liquid refrigerant medium 18 is released.
- the pressure of the refrigerant medium 18 is reduced in front of the throttle 28 to the pressure downstream of the throttle 28. From the throttle 28, the liquid refrigerant 18 is further transported to the evaporator 30.
- the heat pump cycle 10 is closed.
- the Fig. 2 shows a heat pump cycle 10 according to the invention, in which a separator 34 is arranged in front of the compressor 24.
- the separator 34 separates a liquid fraction 36 of the cold medium 18 from a gaseous fraction 40 of the cold medium 18 by means of earth gravity, the direction of which is indicated by an arrow 38.
- the separator 34 is designed with a pressure-tight, cylindrical outer shell 42 which extends longitudinally in the direction of earth gravity.
- the outer sheath 42, a first feed opening or an inlet 44 and a first discharge opening 45 and in the lower region of a second discharge opening or an output 46 are provided in the upper region thereof.
- a separating chamber 48 is further formed in the upper region of the separator 34, and a collecting chamber 50 is formed in the lower region of the separator 34. Between the separation chamber 48 and the collection space 50 is a level or liquid level 52 of the deposited there and collected refrigerant medium 18th
- a separator line 54 which leads to the first inlet region 55 of a pump 56, is connected to the collecting chamber 50 in a fluid-conducting manner to the second discharge opening 46.
- the pump 56 is driven by a drive 58, which is coupled to the pump 56 with a transmission element 60 to transmit torque.
- the drive 58 is designed in particular as an electric motor.
- the cooling medium 18 flows through an outlet region 61 into a second connecting line 62.
- the second connecting line 62 then continues to flow the cooling medium 18 to the circulation line 16 between the condenser 32 and the throttle 28.
- the throttle 28 is a high-pressure regulator 63 executed.
- the cooling medium 18 is fed there into the circulation line 16.
- the liquid fraction 36 of the cooling medium 18 pumped from the separator 34 then mixes with the cooling medium 18, which flows from the high-pressure regulator 63.
- the separator 34 is disposed after the evaporator 30 and in front of the compressor 24.
- the separator 34 separates, as already described above, a liquid portion 36 of the refrigerant medium 18 from the otherwise gaseous portion.
- gaseous cooling medium 18 enters the compressor 24. Therefore, it is no longer absolutely necessary with the separator 34 that a complete transition of the state of aggregation of the cooling medium 18 from liquid to gaseous takes place in the evaporator 30.
- the evaporator 30 according to Fig. 2 therefore, it can also be designed so that the cooling medium 18 after this evaporator 30 only partially has a gaseous state of aggregation.
- the cold medium 18 is then there a mixture of liquid Part 36 and gaseous portion 40.
- This mixture of liquid portion 36 and gaseous portion 40 is separated before the compressor 24 by means of the separator 34.
- the compressor 24 but, as required, only gaseous refrigerant 18 supplied through the circulation line 16 of the separator 34.
- the gaseous cryogen 18 then flows as well Fig. 1 described by the compressor 24 in the flow direction 26 in the heat pump cycle 10 on.
- the liquid portion 36 of the separated in the separator 34 refrigerant 18 collects in the plenum 50. From there, the refrigerant medium 18 is sucked by the pump 56 through the discharge opening 46 and the separator line 54. The pump 56 transports the refrigerant medium 18 through the second connection line 62 to the circulation line 16. The refrigeration medium 18 is then fed into the circulation line 16 between the throttle 28 and the evaporator 30.
- Fig. 3 shows the heat pump cycle 10 according to the invention Fig. 2 with a pump 56 disposed within the separator 34.
- the pump 56 is disposed within the outer shell 42 of the separator 34, in particular in the collecting space 50.
- the separator 34 with its integrated pump 56 interrupts the circulation line 16.
- the inflow of the circulation line 16 is connected to a second feed opening 64 in the outer shell 42 of the separator 34.
- the sequence of the circulation line 16 is connected to the second discharge opening 46.
- the pump 56 is designed with a first pumping area 66 and a second pumping area 68.
- the first pumping region 66 of the pump 56 is connected to the second supply port 64 through a third connecting line 70.
- the second pumping area 68 is fluid-conductively connected to the second discharge opening 46 by a fourth connecting line 72.
- the cooling medium 18 flows, pressurized by the compressor 24, to the first pumping area 66.
- the pressure of the cooling medium 18 acts as the drive for the first pumping area 66, so that the first pumping area 66 thus works as a kind of expansion motor 74.
- the expansion motor 74 has for this purpose a first inlet region 76 and a first outlet region 78.
- the expansion motor 74 is torque-transmitting coupled to the transmission element 60 to the second pumping area 68.
- the second pumping area 68 sucks in the cold medium 18 from the collecting space 50 of the separator 34 and pumps it in the flow direction 26 into the circulation line 16.
- the cooling medium 18 Before the expansion motor 74, the cooling medium 18 is under higher pressure than after the expansion motor 74. The cooling medium 18 therefore flows there automatically through the expansion motor 74 and puts it in motion.
- the Fig. 4 shows the heat pump cycle 10 in heating mode with a switching device 80.
- the heating mode is the normal operation of the heat pump cycle 10.
- thermal energy taken from the low-temperature heat source 12 and delivered to the high-temperature heat sink 14.
- the high-temperature heat sink 14 may be a heater of a building.
- the heat pump cycle 10 is in a heating mode.
- the cooling medium 18 flows as explained in the flow direction 26th
- the switching device 80 is formed with a first switching element 82 and a second switching element 84.
- the first switching element 82 interrupts the circulation line 16 between the evaporator 30 and the separator 34, and the circulation line 16 between the compressor 24 and the condenser 32.
- the second switching element 84 interrupts the circulation line 16 between the high pressure regulator 63 and the condenser 32 and between the separator 34 and the evaporator 30th
- the two switching elements 82 and 84 each have a first terminal 86, a second terminal 88, a third terminal 90 and a fourth terminal 92.
- the first connection 86 of the first switching element 82 is connected to a fifth connection line 94 leading to the separator 34.
- the second connection 88 of the first switching element 84 is connected to the circulation line 16, coming from the evaporator 30, connected.
- the third port 90 of the first switching element 84 is connected to a sixth connecting line 96, coming from the compressor 24, and the fourth port 92 is connected to the circulation line 16 to the evaporator 30 through.
- the first connection 86 of the second switching element 84 is connected to a seventh connection line 98, which leads to the second discharge opening 46 from the separator 34.
- the second connection 88 of the second switching element is connected leading to the circulation line 16 to the evaporator 30 out.
- the third port 90 of the second switching element 84 is connected to an eighth connecting line 100, which leads to the high-pressure regulator 63.
- the fourth connection 92 of the second switching element 84 is connected to the circulation line 16, coming from the evaporator 30.
- the high-pressure regulator 63 is connected to a ninth connecting line 102 with the second feed opening 64 in the outer shell 42 of the separator 34.
- a first flow path 104 and a second flow path 106 are formed in each case.
- a third flow path 108 and a fourth flow path 110 are formed.
- the first flow path 104 is formed from the first port 86 to the second port 88 and the second flow path 106 from the third port 90 to the fourth port 92.
- the switching element 82 In the heat pump cycle 10 according to Fig. 4 acts the switching element 82 visible there above as a so-called gas control valve.
- the switching element 82 can therefore also be replaced by a gas control valve according to the prior art.
- the switching element 82 has larger tubular ports 86, 88, 90, 92 in diameter.
- the terminals 86, 88, 90, 92 are advantageous with a diameter between 12 and 32 mm (in words: twelve and thirty-two millimeters), more advantageously between 17 and 27 mm (in words: seventeen and twenty-seven millimeters), in particular with a diameter of 22 mm (in words: twenty-two millimeters) provided.
- the switching element 84 visible there below acts as a so-called liquid valve.
- the switching element 84 has smaller diameter tubular connections 86, 88, 90, 92 than the switching element 82.
- the terminals 86, 88, 90, 92 are advantageous with a diameter between 5 and 15 mm (in words: five and fifteen millimeters), more preferably between 7 and 13 mm (in words: seven and thirteen millimeters), in particular with a diameter of 10 mm (in words: ten millimeters), designed.
- the switching elements 82, 84 separate the cooling medium 18 in the low-pressure region 20 from the cooling medium 18 in the high-pressure region 22.
- the low-pressure region 20 advantageously has a pressure between 0.8 and 6.0 bar (in words: zero comma eight and six comma zero bar). Particularly advantageously, the low pressure region 20 a pressure between 1 and 3 bar (in words: one and three bar), in particular of 2 bar (in words: two bar) on.
- the low-pressure region 20 advantageously has a temperature of up to -40 ° C (in words: minus forty degrees Celsius). Particularly advantageously, the low pressure region 20 a temperature of up to -35 ° C (in words: minus thirty five degrees Celsius), in particular of up to -30 ° C (in words: minus thirty degrees Celsius), on.
- the high-pressure region 22 advantageously has a pressure between 2 and 35 bar (in words: two and thirty-five bar). Particularly advantageously, the high-pressure region 22 has a pressure of between 4 and 20 bar (in words: four and twenty bar).
- the high-pressure region 22 advantageously has a temperature of up to 110 ° C. (in words: one hundred and ten degrees Celsius) in the case of the switching element 82. Particularly advantageously, the high-pressure region 22 in the switching element 84 has a temperature of up to 60 ° C (in words: sixty degrees Celsius).
- the Fig. 5 shows the heat pump cycle 10 with the switched switching device 80 in the so-called defrosting operation.
- This defrost operation is necessary for the following reason:
- the evaporator 30 cools due to the absorption of thermal energy by means of the cooling medium 18.
- the evaporator 30 can form ice on the outside.
- This ice on the evaporator 30 acts as an insulating layer, which impedes a heat transfer from the outside to the inside of the evaporator 30.
- the evaporator 30 can then absorb difficult heat from, for example, ambient air as a low-temperature heat source 12 in Fig. 1 shown.
- the ice must be defrosted in the defrosting operation on the evaporator 30.
- the switched switching device 80 has the first flow path 104 in FIG Fig. 4 and second flow path 106 in FIG Fig. 4 shown switched to the third flow path 108 and fourth flow path 110.
- the third flow path 108 is now formed from the second port 88 to the third port 90 and the fourth flow path 110 from the first port 86 to the fourth port 92.
- the first flow direction 26 is changed in parts of the circulation line 16 in a second flow direction 112.
- the second flow direction 112 is opposite to the first flow direction 26.
- the flow direction 26 in the connection lines 94, 96, 98, 100 and 102 remains identical.
- the flow direction 26 in the compressor, in the separator 34 with its integrated pump 56 and in the high-pressure regulator 63 when the switching device 80 is switched over remains the same.
- the flow direction in the evaporator 30 and condenser 32 changes to the second flow direction 112.
- the cooling medium 18 flows according to the heat pump cycle 10 Fig. 5 in defrost mode, no longer, as in heating mode, from the compressor 24 to the condenser 32 in the flow direction 26, but from the compressor 24 to the evaporator 30 with the flow direction 112.
- the function of the evaporator 30 is changed as follows:
- the evaporator 30 acts during the Defrosting operation like a condenser. In this case, the evaporator 30 releases thermal energy.
- the thermal energy gets in particular in the ice formed on it. This heat transfer to the ice thus supports the defrosting of the ice on the outside of the evaporator 30.
- the flow direction also in the condenser 32 changes from the flow direction 26 to the flow direction 112.
- the cooling medium 18 flows from the condenser 32 to the separator 34.
- the condenser 32 acts during the defrosting operation as an evaporator.
- the condenser 32 absorbs thermal energy.
- a measuring device 113 is provided.
- the measuring device 113 is formed with a sensor 114, which measures a degree of icing on the evaporator, and a sensor line 115.
- the measuring device 113 is connected to a control device 116.
- the control device 116 evaluates a signal of the measuring device 113 and switches by means of a first control line 117, the first switching element 82 of the switching device 80. At the same time means a second control line 118, the second switching element 84 of the switching device 80 is switched.
- the sensor 114 of the measuring device 113 can determine the power consumption of the compressor 24.
- the measuring device 113 is provided to determine the thickness of the ice on the evaporator 30 and the resulting degree of icing of the evaporator 30.
- the measuring device 113 is attached to the sensor 114 on the evaporator 30.
- the sensor 114 in cooperation with the controller 116, determines that the insulating effect of the ice is too high, the heat pump cycle 10 is switched from the heating operation to the defrosting operation by means of the switching means 80. Which degree of icing triggers a switchover is stored in the control device 116.
- FIG. 6 shows a detailed overview of a heat pump cycle 10 in which the provided in the separator 34 pump 56 is designed as a slide pump 120.
- the vane pump 120 is shown in detail in FIG Fig. 7 shown.
- the spool pump 120 has an ejector 121.
- the slider pump 120 is further formed with a first rotary valve area or rotary valve chamber 122 and with a second rotary valve area or rotary valve chamber 124.
- the first rotary valve area 122 and the second rotary valve area 124 are arranged in particular in a housing 126.
- the first rotary valve region 122 is formed with a cylindrical hollow body 128, in which a rotor 130 is rotatably mounted on a first shaft 132 in a rotational direction 133.
- the shaft 132 is arranged eccentrically to the hollow body 128.
- the rotor 130 almost contacts the inner wall 134 of the hollow body 128 at a contact point 131.
- the contact point 131 and the opposite point on the inner wall 134 of the hollow body 128 divide the hollow body 128 into a suction region 135 and a pressure region 136.
- a plurality of guide grooves 138 are excluded, which are arranged radially to the rotor 130.
- rectangular rotary valves 140 are supported.
- the rotary valve 140 move during operation of the slide pump 120 within the guide grooves 138 by means of a centrifugal force generated by the rotation in the direction of rotation 133 of the rotor 130 to the outside.
- the rotary valves 140 seal against the inner wall 134 of the hollow body 128.
- the rotary valves 140 are pressed by means of a spring, not shown here in the guide groove 138 to the outside.
- first rotary valve area 122 in the present case, six guide grooves 138 are formed on the cylinder 130 with six rotary valves 140. These six rotary valves 140 divide the space between the rotor 130 and the hollow body 128 into six chambers 142, 144, 146, 148, 150 and 152.
- the first chamber 142 is formed downstream of the contact point 131 in the direction of rotation 133 in the suction region 135.
- a first inflow opening 154 extends through the housing 126 toward the first chamber.
- a first outflow opening 156 and a second outflow opening 158 lead out of the fourth chamber 148 and fifth chamber 150, as seen in the direction of rotation 133.
- the two outflow openings 156 and 158 unite to a common first drain port 160 which penetrates the housing 126. In this case, the two outflow openings 156 and 158 are brought together within the housing 126 to the first outflow opening 160.
- the drain opening 160 is followed by a first drain line 161. From the sixth chamber 152, viewed in the direction of rotation 133, a connecting line 162 leads to the second rotary valve area 124.
- the second rotary valve area 124 is similar to the first rotary valve area 122 configured with a cylindrical hollow body 128 in which a rotor 130 is rotatably mounted on a second shaft 164 in the direction of rotation 133.
- the first shaft 132 is in the first rotary valve area 124 with the second shaft 164 in the second rotary valve area torque-transmitting connected.
- the first shaft 132 and the second shaft 164 thus form a common pump shaft, not shown here.
- the four rotary valves 140 divide the space between the rotor 130 and the hollow body 128 into four chambers 166, 168, 170 and 172.
- the first chamber 166 is formed downstream of the associated contact point 131 in the suction region 135, as viewed in the direction of rotation 133.
- the connecting line 162 extends from the first rotary valve region 122.
- the connecting line 162 extends from the first rotary valve region 122.
- To the second chamber 168 extends at a first inlet region 169 through the housing 126 a second inflow opening 174.
- the second inflow opening 174 terminates at the other end in the separation chamber 48 of the separator 34 in Fig. 6 shown.
- a second drain opening 176 is formed in the fourth chamber 172.
- the second outflow opening 176 connects in a fluid-conducting manner to the fourth connection line 72.
- the fourth connection line 72 is combined with the first discharge line 161 by means of the ejector 121.
- the ejector 121 is designed for this purpose with a driving tube 178, which ends within the connecting line 72 in a motive nozzle 180.
- the motive nozzle 180 narrows the associated flow area of the riser 178 to a nozzle orifice 182.
- the orifice 182 and the reduced flow area of the fourth interconnect 72 form a flow outlet 184.
- the spool pump 120 rotates in each of the two rotary valve areas 122 and 124 in the associated hollow body 128 each one of the two rotors 130 in the rotational direction 133.
- the guide grooves 138 In the rotor 130 are the guide grooves 138 in which the rotary valves 140 are supported.
- the rotary valves 140 are urged radially outwards by the rotor 130 due to the centrifugal force generated by the rotation and bear against the inner wall 134 of the hollow body 128.
- 128 chambers form between the rotor 130 and the inner wall 134 of the hollow body. These chambers are limited in the circumferential direction of the rotary valves.
- the volume of each individual chamber changes.
- the volume of the individual chamber then increases in the suction region 135.
- the volume of the individual chamber decreases during this rotation in the direction of rotation 133.
- the pressure medium supplied from the condenser 32 under pressure medium 18 is pressed into the suction region 135 in the first chamber 142 with pressure.
- the pressurized cooling medium 18 thereby sets the associated rotor 130 in a rotational movement in the direction of rotation 133.
- the cooling medium 18 is then transported in the pressure region 136 of the rotary valve region 122 from the chamber moved therefrom from the rotary valve region 122.
- the pressure in the discharge medium 136 discharging the cooling medium 18 of this rotary valve region 122 is less than the pressure in the suction medium 135 leading to the cooling medium 18 of this rotary valve region 122.
- the rotary valve area 124 which is designed as a pump 56, likewise takes place a rotation in the direction of rotation 133 by means of the drive 58.
- the drive 58 is for this purpose advantageously carried out by means of the expansion motor 74.
- the rotation on the pump 56 causes the cooling medium 18 to be sucked in the suction region 135 of the rotary valve region 124 by enlarging the chambers there during the rotation.
- the pressure region 134 of this rotary valve region 124 the cold medium 18 is pressed out of the rotary valve region 124 as the chambers are reduced in size.
- the Fig. 8 shows a heat pump cycle 10, in which the pump 56 in the separator 34 is designed as a piston pump 190.
- the piston pump 190 is likewise arranged in the separation chamber 48 of the separator 34.
- the Fig. 9 shows the piston pump 190 in detail.
- the piston pump 190 is formed with a hollow cylinder 192, which is closed at its two open ends in each case with a closure lid 194 and 195.
- the closure lids 194 and 195 each have a step 196 on their outer edge.
- the first stage 196 of the closure lids 194 and 195 is adapted to the inner wall 198 of the hollow cylinder 192.
- the closure cap 194 and 195 are inserted with the step 196 in the hollow cylinder 192 and seal thereon on an inner wall 198 from.
- a seal not shown here may be provided.
- the two closure lids 194 and 195 penetrating each have a feed opening 200 and a discharge opening 202. At the feed opening 200 and at the discharge opening 202 preferably two, not shown here, valves are arranged, which act as check valves, depending on the flow direction open or close.
- the hollow cylinder 192 is divided internally in the middle with a separating disk 204 in two halves.
- the separating disk 204 extends parallel to the closure lids 194 and at right angles to the inner wall 198.
- the separating disk 204 thus separates the hollow cylinder 192 into a first chamber 206 and into a second chamber 208.
- the hollow cylinder 192 penetrates axially directly next to the separating disk 204 toward the first chamber 206 and the second chamber 208 towards a first opening 210 and a second opening 212 formed.
- an opening 214 is provided in the center thereof.
- a piston 215 is inserted within the hollow cylinder 192.
- the piston 215 is formed of a piston rod 216 and two piston discs 218 and 220.
- the piston rod 216 is movably displaceable in the opening 214 of the cutting disc 204 fitted.
- the piston rod 216 is sealed by means of a seal, not shown here in the opening 214 and slidably mounted.
- the piston rod 216 thus extends concentrically in the longitudinal direction of the hollow cylinder 192 and thereby tapers at its two ends depending on a step 217th
- the first piston disc 218 or the second piston disc 220 is positively coupled in each case in a stationary manner.
- the two piston discs 218 and 220 are thereby slidably against the inner wall 198 of the hollow cylinder 192 with their peripheral side or lateral surface.
- a respective groove 221 is formed on the lateral surface facing the hollow cylinder 192.
- a sealing ring 222 is inserted around the respective piston disc 218 and 220, which seals the piston discs 218 and 220 to the hollow cylinder 192.
- the sealing ring 222 is designed to allow sliding in the hollow cylinder 192.
- the first piston disc 218 divides the first chamber 206 into a first cylinder chamber 223 and a second cylinder chamber 224.
- the first cylinder chamber 223 is formed within the hollow cylinder 192 between the closure cap 194 and the first piston disc 218.
- the second cylinder space 224 is formed between the first piston disk 218 and the separation disk 204.
- the second piston disc 220 divides the second chamber 208 into a third cylinder chamber 226 and a fourth cylinder chamber 228.
- the third cylinder chamber 226 is formed inside the hollow cylinder 192 between the separation disk 204 and the second piston disk 220.
- the fourth cylinder chamber 228 is formed between the second piston disk 220 and the second closure lid 195.
- Within the second and third cylinder chamber 224 and 226 is the piston rod 216, which influences the volume of the second cylinder chamber 224 with its outer diameter.
- the second cylinder chamber 224 and the third cylinder chamber 226 form the first pumping region 66, which acts as an expansion engine 74, and the first cylinder chamber 223 and the fourth cylinder chamber 228 form the second pumping region 68, which acts as a pump 56.
- the refrigerant medium 18 is pressed by the condenser 32 under pressure alternately by means of a (not shown here) valve.
- the pressed-in refrigeration medium 18 sets according to the associated piston 215 in motion.
- a cooling medium 18 pressed into the second cylinder space 224 causes the piston 215 within the piston pump 190 to move away from the separation disk 204 in the direction of the closure cover 194.
- Fig. 9 shows that position, just before the refrigerant medium 18 is pressed into the second cylinder chamber 224.
- the Fig. 10 shows a heat pump cycle 10 in which the switching elements 82 and 84 are designed as four-way valve assemblies 240.
- Fig. 11 shows such a four-way valve assembly 240 in detail.
- the two hollow cylindrical housing elements 242 and 244 are arranged substantially parallel to each other.
- tubular spacer lines 248 and 250 are formed in the transverse direction.
- the spacer lines 248 and 250 also extend substantially parallel to one another and connect the two housing elements 242 and 244 fluidly conductive with each other.
- an outwardly directed connection element 252 and 254 In the middle of the longitudinal extent of the two housing elements 242 and 244 there is arranged an outwardly directed connection element 252 and 254, respectively.
- an outwardly directed connection element 256 and 258 is arranged approximately in the middle of the longitudinal extent of the two spacer lines 248 and 250, respectively.
- the two spacer lines 248 and 250 are at least as far apart in relation to the longitudinal direction of the housing elements 242 and 244 from each other, as the connecting elements 252 and 254 are wide in this direction.
- the distance between the two housing elements 242 and 244 is chosen so large that this distance makes up 1.5 to 2 times, particularly preferably 3 to 5 times, the diameter of the connecting elements 252, 254, 256 and 258.
- An intermediate space 257 formed in this way between the housing elements 242 and 244 or the spacer lines 248 and 250 is filled with an insulating material (not shown).
- the arrangement of the housing elements 242 and 244 and the spacer lines 248 and 250 forms in the view according to Fig. 11 a rectangle.
- the housing element 242 is sealed at its two ends, each with a closure disk 260 and 262.
- the closure discs 260 and 262 penetrating each have an access opening 261 and 263 configured.
- the closure discs 260 and 262 are sealingly fitted into the housing member 242. Following the shutter discs 260 and 262 toward the middle of the longitudinal extent of the housing member 242, two cylindrical switching elements or valve bodies 264 and 266 are fitted into the housing member 242.
- the outer diameter of the switching elements 264 and 266 are designed to be slightly smaller than the inner diameter of the housing element 242. This allows a sliding of the switching elements 264 and 266 in the cavity of the housing element 242nd
- the access ports 261 and 263 are provided to supply a fluid through them by means of a solenoid valve (not shown). With this fluid can then act on the located in the housing element 242 switching elements 264 and 266 to adjust them. The switching elements 264 and 266 then act as a "working piston" at the same time.
- two circumferential grooves 268 and 270 open towards the outer radius of the switching elements 264 and 266 are formed on the side of the closure disks 260 and 262.
- a respective annular sealing means 272 and 274 is fitted in the grooves 268 and 270.
- the sealants 272 and 274 seal the switching elements 264 and 266 toward the inner wall of the housing member 242.
- a small taper 276 of the outer diameter of the switching elements 264 and 266 is further formed toward the center of the housing element 242 thereafter.
- the longitudinal extent of this taper 276, in which the switching elements 264 and 266 are tapered, is greater than the width, in particular the inner diameter of the two spacer lines 248 and 250th
- the two mutually facing radially outer edges of the switching elements 264 and 266 are rounded and form bearing surfaces 280 and 282, by means of which the switching elements 264 can seal against a valve seat 288 and 290, respectively.
- the switching element 264 is shown in the illustration Fig. 11 in a position where it is disposed in the housing member 242 at or near the shutter disk 260. In addition to the switching element 264 then opens a through hole 284, which belongs to the distance line 248. The switching element 266 is arranged in this position away from the closure disks 262. Then, a through hole 286 belonging to the clearance line 250 is disposed on the case member 242 so as to be overlapped with the taper 276 of the outer diameter of the switching element 266.
- valve seats 288 and 290 are designed so that they seal at a concern of the respective bearing surfaces 280 and 282 with the associated switching elements 264 and 266. Between the two valve seats 288 and 290 then there is a connection element 252 belonging through opening 292nd
- Both switching elements 264 and 266 are connected to the center of the housing member 242 out with a cylindrical connecting rod 294 stationary.
- the switching elements 264 and 266 and the connecting rod 294 together form a piston element 296.
- the length of the connecting rod 294 is dimensioned such that, when the bearing surface 282 of the switching element 266 abuts the valve seat 290, the switching element 264 completely clears the through-opening 284.
- the switching element 264 is then as in Fig. 11 shown disposed at the shutter disc 260.
- the housing member 244 is according to the Fig. 11 point symmetrical to the housing element 242 designed. Accordingly, there is provided a third switching element or a third valve body 298, which allows a flow between the third port 90 and the fourth port 92. Furthermore, a fourth switching element or a fourth valve body 300 is provided which can prevent a flow between the third port 90 and the second port 88.
- the switching elements 264, 266, 298 and 300 are made of a material having a low thermal conductivity.
- thermal separation of the flow paths 104, 106, 108 and 110 within the four-way valve assembly 240 is provided. This thermal separation is further enhanced by the low thermal conductivities of the switching elements 264, 266, 298 and 300.
- the thermal separation acts as a thermal barrier between the respective active flow paths 104, 106, 108 and 110. Thus, less thermal energy is exchanged between the cold media 18 flowing in the flow paths. This reduces thermal losses, which increases the efficiency in the heat pump cycle 10.
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Abstract
Bei einem Kältemediumkreislauf zum Wandeln von thermischer Energie in einem thermodynamischen Kreisprozess mit einem Verdampfer und einem Verflüssiger, die durch eine Kreislaufleitung von einem Kältemedium in einer Strömungsrichtung durchströmt sind, ist in der Kreislaufleitung in Strömungsrichtung nach dem Verflüssiger und vor dem Verdampfer ein Expansionsmotor mit einem ersten Einlassbereich und einem ersten Auslassbereich vorgesehen, mittels dessen eine Pumpe mit einem zugehörigen ersten Einlassbereich und einem zugehörigen zweiten Auslassbereich angetrieben ist.In a refrigeration medium cycle for converting thermal energy in a thermodynamic cycle with an evaporator and a condenser, which are flowed through a circulation line of a refrigerant in a flow direction, in the circulation line in the flow direction to the condenser and before the evaporator is an expansion motor with a first Intake area and a first outlet area provided by means of which a pump is driven with an associated first inlet area and an associated second outlet area.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kältemediumkreislauf zum Wandeln von thermischer Energie in einem thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Verdampfer und einem Verflüssiger, die durch eine Kreislaufleitung von einem Kältemedium in einer Strömungsrichtung durchströmt sind.The invention relates to a refrigerant medium circuit for converting thermal energy in a thermodynamic cycle, with an evaporator and a condenser, which are flowed through by a circulation line of a refrigerant in a flow direction.
Ein Kältemediumkreislauf ist ein Kreislauf in einer Maschine, die thermische Energie aufnimmt und diese mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses wandelt. Der thermodynamische Kreisprozess ergibt sich durch eine Abfolge von Zustandsänderungen des Kältemediums. In der Kreislaufleitung sind ein Verflüssiger und ein Verdampfer vorgesehen, die von dem Kältemedium durchströmt werden. Das Kältemedium ist ein Fluid, das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck thermische Energie aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck thermische Energie abgibt.A refrigeration medium cycle is a cycle in a machine that absorbs thermal energy and converts it by means of a thermodynamic cycle. The thermodynamic cycle results from a sequence of state changes of the refrigeration medium. In the circulation line, a condenser and an evaporator are provided, which are flowed through by the refrigerant medium. The refrigeration medium is a fluid that absorbs thermal energy at low temperature and low pressure and releases thermal energy at higher temperature and pressure.
Die Aufnahme von thermischer Energie erfolgt dabei in dem Kältemediumkreislauf mittels des Verdampfers. Der Verdampfer leitet thermische Energie von außen in das darin fließende Kältemedium. Üblicherweise findet dabei eine Zustandsänderung des Aggregatszustands des Kältemediums von flüssig zu gasförmig statt. Das Kältemedium speichert diese zugeführte thermische Energie und transportiert sie mittels des Kältemediums in der Kreislaufleitung in Strömungsrichtung weiter zum Verflüssiger.The recording of thermal energy takes place in the refrigerant medium circuit by means of the evaporator. The evaporator conducts thermal energy from outside into the cooling medium flowing in it. Usually, a state change of the state of aggregation of the refrigerating medium from liquid to gaseous takes place. The refrigeration medium stores this supplied thermal energy and transported they continue by means of the refrigerant in the circulation line in the flow direction to the condenser.
Mittels des Verflüssigers wird die Energie dann wieder abgegeben. Der Verflüssiger leitet die thermische Energie vom Kältemedium nach außen ab. Üblicherweise findet dabei eine Zustandsänderung des Aggregatszustandes des Kältemediums von gasförmig zu flüssig statt. Das Kältemedium fließt nachfolgend in Strömungsrichtung wieder dem Verdampfer zu.By means of the condenser, the energy is then released again. The condenser dissipates the thermal energy from the cold medium to the outside. Usually, a state change of the state of aggregation of the refrigeration medium from gaseous to liquid takes place. The cooling medium subsequently flows in the direction of flow back to the evaporator.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz und insbesondere eine so genannte Leitungszahl eines solchen Kältemediumkreislaufs zu verbessern.The invention has for its object to improve the efficiency and in particular a so-called line number of such a refrigerant medium cycle.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Kältemediumkreislauf zum Wandeln von thermischer Energie in einem thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Verdampfer und einem Verflüssiger, die durch eine Kreislaufleitung von einem Kältemedium in einer Strömungsrichtung durchströmt sind, geschaffen, bei dem in der Kreislaufleitung in Strömungsrichtung nach dem Verflüssiger und vor dem Verdampfer ein Expansionsmotor vorgesehen ist. Erfindungsgemäß sind an dem Expansionsmotor ein erster Einlassbereich und ein erster Auslassbereich vorgesehen, mittels dessen eine Pumpe mit einem zugehörigen ersten Einlassbereich und einem zugehörigen zweiten Auslassbereich angetrieben ist.This object is achieved with a refrigerant circuit for converting thermal energy in a thermodynamic cycle, with an evaporator and a condenser, which are flowed through a circuit line of a refrigerant in a flow direction, created in which in the circulation line in the flow direction to the condenser and an expansion engine is provided in front of the evaporator. According to the invention, a first inlet region and a first outlet region are provided on the expansion engine, by means of which a pump is driven with an associated first inlet region and an associated second outlet region.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass durch Verwendung eines Expansionsmotors, an einer passenden Stelle im Kältemediumkreislauf, auf einen zusätzlichen Antrieb einer Pumpe im Kältemediumkreislauf verzichtet werden kann. Ein Expansionsmotor ist ein Motor der mittels einer Expansion in Bewegung versetzt wird. Die Expansion entsteht, wenn eine Volumenänderung des Kältemediums von einem kleinen Volumen mit großem Druck auf ein großes Volumen mit kleinem Druck erfolgt. Dadurch entsteht ein Druckunterschied, der in eine Bewegung bzw. Antriebsbewegung umgesetzt werden kann. Bei dem Expansionsmotor sind dazu ein Einlassbereich und ein Auslassbereich vorgesehen, wobei an dem Einlassbereich das Kältemedium dem Expansionsmotor zugeführt wird. An dem Auslassbereich wird das Kältemedium von dem Expansionsmotor abgeführt.The solution according to the invention is based on the realization that by using an expansion engine, at an appropriate point in the refrigeration medium circuit, an additional drive of a pump in the refrigeration medium circuit can be dispensed with. An expansion engine is a motor that is set in motion by means of expansion. The expansion occurs when a volume change of the refrigerant medium from a small volume with great pressure to a large volume with low pressure. This creates a pressure difference that can be converted into a movement or drive movement. In the expansion motor, an inlet portion and an outlet portion are provided therefor, and at the inlet portion, the refrigerant medium is supplied to the expansion motor. At the outlet region, the refrigerant medium is discharged from the expansion motor.
Der mit dem Kältemedium angetriebene Expansionsmotor treibt mit seiner Bewegung eine Pumpe an. Die Pumpe bewegt bzw. transportiert Kältemedium durch die Kreislaufleitung hindurch. Bei der Pumpe sind zum Zuführen des Kältemediums ein Einlassbereich und zum Abführen des Kältemediums ein Auslassbereich ausgebildet.The expansion medium driven by the refrigeration medium drives a pump with its movement. The pump moves or transports refrigerant medium through the circulation line. In the pump, an inlet portion for supplying the refrigerant and an outlet portion for discharging the refrigerant are formed.
In bevorzugter Weise sind die beiden genannten Auslassbereiche des Expansionsmotors und der Pumpe zu einem Strömungsausgang zusammengefasst. Der Strömungsausgang vereinigt dann das durch die Auslassbereiche strömende Kältemedium. Der erste Auslassbereich und der zweite Auslassbereich werden also so zusammengefasst.Preferably, the two said outlet regions of the expansion engine and the pump are combined to form a flow outlet. The flow outlet then combines the refrigerant flowing through the outlet regions. The first outlet area and the second outlet area are thus grouped together.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner eine Verbindungsleitung zwischen dem ersten Auslassbereich und dem zweiten Einlassbereich vorgesehen. Mit dieser Verbindungsleitung kann das Kältemedium von dem Expansionsmotor zu der Pumpe fließen. Die Pumpe ist somit von dem Expansionsmotor aus zu ihrem Einlassbereich hin zusätzlich mit Kältemedium versorgt. Diese Versorgung verhindert ein Leerlaufen oder eine Unterversorgung der Pumpe mit Kältemedium.According to the invention, a connecting line between the first outlet region and the second inlet region is furthermore preferably provided. With this connection line, the refrigerant can flow from the expansion motor to the pump. The pump is thus additionally supplied by the expansion engine to its inlet area with refrigerant medium. This supply prevents idling or undersupply of the pump with refrigerant.
Ferner ist vorteilhaft der zweite Einlassbereich einer Abscheiderleitung zugeordnet. Mittels der Abscheiderleitung ist aus einem Abscheider abgeschiedenes, flüssiges Kältemedium der Pumpe zuzuführen. Durch die Pumpe wird so das Abgeschiedene flüssige Kältemedium von dem Abscheider abgesaugt. Mit dem Absaugen wird somit ein Aufstauen von Kältemittel in dem Abscheider verhindert.Furthermore, the second inlet region is advantageously assigned to a separator line. By means of the separator line is separated from a separator, liquid refrigerant supplied to the pump. As a result of the pump, the separated liquid refrigerant is sucked off the separator. With the suction thus a damming of refrigerant is prevented in the separator.
In bevorzugter Weise ist der Expansionsmotor mit der Pumpe unmittelbar kraftübertragend gekoppelt. Unmittelbar bedeutet, dass eine Bewegung des Motors zeitgleich auf die Pumpe übertragen wird. Insbesondere, wenn der Expansionsmotor eine Drehbewegung zur Verfügung stellt, wird diese Drehung des Expansionsmotors direkt auf ein Drehen der Pumpe übertragen. Die Kopplung ist vorzugsweise so ausgeführt, dass das bereitgestellte Drehmoment vollständig übertragen wird.In a preferred manner, the expansion motor is coupled to the pump directly in a force-transmitting manner. Immediately means that movement of the motor is transmitted to the pump at the same time. In particular, when the expansion motor provides a rotational movement, this rotation of the expansion motor is transmitted directly to a rotation of the pump. The coupling is preferably designed so that the provided torque is completely transmitted.
Vorteilhaft sind ferner der Expansionsmotor und die Pumpe zusammen als eine Kolbenpumpe, insbesondere mit vier Zylinderräumen gestaltet. Eine Kolbenpumpe ist eine Pumpe, die mit einem Kolben gebildet ist. Der Kolben gleitet dabei in einem Zylinder und bewegt sich Linear vor und zurück. Der Zylinder wird von dem Kolben in zwei Zylinderräume unterteilt. Vier Zylinderräume können somit vorzugsweise mittels zwei Kolben bereitgestellt werden.Advantageously, the expansion motor and the pump are also designed together as a piston pump, in particular with four cylinder chambers. A piston pump is a pump that is formed with a piston. The piston slides in a cylinder and moves linearly back and forth. The cylinder is divided by the piston into two cylinder chambers. Four cylinder chambers can thus be provided preferably by means of two pistons.
Ferner ist bevorzugt die Kolbenpumpe aus einem Kolben mit zwei mit einer Kolbenstange verbunden Kolbenscheiben gestaltet. Ein Kolben besteht dann vorzugsweise aus einer gleitend gelagerten Kolbenscheibe innerhalb eines Zylinders. Um diese Kolbenscheibe zu bewegen ist die Kolbenscheibe mit einer Kolbenstange verbunden. Zum Ausbilden von vier Zylinderräumen sind zwei Kolben notwendig. Diese beiden Kolben können dann mittels der Kolbenstange verbunden und so unmittelbar kraftübertragend gekoppelt sein.Furthermore, the piston pump is preferably designed from a piston with two piston disks connected to a piston rod. A piston then preferably consists of a slidingly mounted piston disc within a cylinder. To move this piston disc, the piston disc is connected to a piston rod. To form four cylinder chambers two pistons are necessary. These two pistons can then be connected by means of the piston rod and thus coupled directly in a force-transmitting manner.
Alternativ sind ferner der Expansionsmotor und die Pumpe zusammen als eine Drehschieber-Anordnung, insbesondere mit zwei Drehschieberräumen gestaltet. Der erste Drehschieberraum gestaltet dann den Expansionsmotor der vorzugsweise mit einem ersten zylinderförmigen Gehäuse und einem innerhalb des Gehäuses rotierenden, ersten Drehzylinder gebildet ist. Der zweite Drehschieberraum gestaltet die Pumpe und ist mit einem zweiten zylinderförmigen Gehäuse und einem zweiten, rotierendem Drehzylinder gebildet. Eine Rotationsachse des Drehzylinders ist dabei exzentrisch zur Achse des zylinderförmigen Gehäuses angeordnet.Alternatively, the expansion motor and the pump are further configured together as a rotary valve arrangement, in particular with two rotary valve chambers. The first rotary vane space then forms the expansion motor which is preferably formed with a first cylindrical housing and a rotating inside the housing, the first rotary cylinder. The second rotary vane space configures the pump and is formed with a second cylindrical housing and a second rotating cylinder. A rotation axis of the rotary cylinder is arranged eccentrically to the axis of the cylindrical housing.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind ferner der Expansionsmotor und die Pumpe zusammen mit einer gemeinsamen, drehmomentübertragenden Achse gestaltet. Die gemeinsame, drehmomentübertragende Achse verbindet insbesondere den ersten Drehzylinder des Expansionsmotors mit dem zweiten Drehzylinder der Pumpe. Die Verbindung ermöglicht somit eine Übertragung des Drehmomentes vom Expansionsmotor zur Pumpe.According to the invention, furthermore, the expansion motor and the pump are preferably designed together with a common, torque-transmitting axle. In particular, the common torque transmitting axle connects the first rotary cylinder of the expansion motor to the second rotary cylinder of the pump. The connection thus allows transmission of the torque from the expansion motor to the pump.
Erfindungsgemäß ist ferner auch ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemediumkreislaufs zum Wandeln von thermischer Energie mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses geschaffen, bei dem ein Kältemedium in einer Kreislaufleitung in eine Strömungsrichtung strömt, mit einem Schritt des Verdampfens, und einem Schritt des Kondensierens, gekennzeichnet durch ein Antreiben eines Expansionsmotors.According to the present invention, there is also provided a method of operating a refrigerant medium circuit for converting thermal energy by means of a thermodynamic cycle, in which a refrigerant in a circulation line flows in a flow direction, with a step of evaporating, and a step of condensing, characterized by driving one expansion engine.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine Übersicht eines Wärmepumpenreislaufs gemäß dem Stand der Technik,
- Fig. 2
- eine Übersicht eines erfindungsgemäßen Wärmepumpenreislaufs mit einem Abscheider und einer Pumpe,
- Fig. 3
- eine Übersicht eines erfindungsgemäßen Wärmepumpenreislaufs mit einer Pumpe, die innerhalb des Abscheiders angeordnet ist.
- Fig. 4
- eine Übersicht des erfindungsgemäßen Wärmepumpenreislaufs gemäß
Fig. 3 im Heizbetrieb, mit einer Umschalteinrichtung, - Fig. 5
- eine Übersicht des erfindungsgemäßen Wärmepumpenreislaufs mit einer umgeschalteten Umschalteinrichtung, im Abtaubetrieb,
- Fig. 6
- eine Übersicht des erfindungsgemäßen Wärmepumpenkreislaufs gemäß
Fig. 3 , bei dem die im Abscheider vorgesehene Pumpe als eine Schieberpumpe ausgeführt ist, - Fig. 7
- eine Detailansicht der Schieberpumpe gemäß
Fig. 6 , - Fig. 8
- eine Übersicht des erfindungsgemäßen Wärmepumpenkreislaufs gemäß
Fig. 3 bei dem die im Abscheider vorgesehene Pumpe als eine Kolbenpumpe ausgeführt ist, - Fig. 9
- eine Detailansicht der Kolbenpumpe gemäß
Fig. 8 , - Fig. 10
- eine Übersicht eines erfindungsgemäßen Wärmepumpenreislauf gemäß
Fig. 6 mit zwei Vier-Wege-Ventilanordnungen, und - Fig. 11
- eine Detailansicht der Vier-Wege-Ventilanordnung gemäß
Fig. 10 .
- Fig. 1
- an overview of a heat pump cycle according to the prior art,
- Fig. 2
- an overview of a heat pump cycle according to the invention with a separator and a pump,
- Fig. 3
- an overview of a heat pump cycle according to the invention with a pump which is disposed within the separator.
- Fig. 4
- an overview of the heat pump cycle according to the invention according to
Fig. 3 in heating mode, with a switching device, - Fig. 5
- an overview of the heat pump cycle according to the invention with a switched switching device, in the defrosting operation,
- Fig. 6
- an overview of the heat pump cycle according to the invention according to
Fig. 3 in which the pump provided in the separator is designed as a slide pump, - Fig. 7
- a detailed view of the slide pump according to
Fig. 6 . - Fig. 8
- an overview of the heat pump cycle according to the invention according to
Fig. 3 in which the pump provided in the separator is designed as a piston pump, - Fig. 9
- a detailed view of the piston pump according to
Fig. 8 . - Fig. 10
- an overview of a heat pump according to the invention according to
Fig. 6 with two four-way valve arrangements, and - Fig. 11
- a detailed view of the four-way valve assembly according to
Fig. 10 ,
Die
Die Strömungsrichtung 26 innerhalb des Verdichters 24 gibt die Strömungsrichtung des Kältemediums 18 innerhalb des Wärmepumpenkreislaufs 10 vor.The
Im Niederdruckbereich 20 ist ein Verdampfer 30 vorgesehen, der die Kreislaufleitung 16 zwischen der Drossel 28 und dem Verdichter 24 fluidleitend unterbricht. Der Verdampfer 30 ist bei der Niedertemperatur-Wärmequelle 12 angeordnet und entzieht der Niedertemperatur-Wärmequelle 12 thermische Energie. Im Hochdruckbereich 22 ist ein Verflüssiger 32 angeordnet, der die Kreislaufleitung 16 zwischen dem Verdichter 24 und dem Drossel 28 fluidleitend unterbricht. Der Verflüssiger 32 ist bei der Hochtemperatur-Wärmesenke 14 angeordnet und gibt dort thermische Energie an diese ab.In the low-
In dem Wärmepumpenkreislauf 10 nimmt der Verdampfer 30 thermische Energie von der Niedertemperatur-Wärmequelle 12 auf. Dabei wird das innerhalb des Verdampfers 30 vorhandene flüssige Kältemedium 18 verdampft. Das Kältemedium 18 wechselt dort also seinen Aggregatszustand von flüssig zu gasförmig. Das dann gasförmige Kältemedium 18 wird durch die Kreislaufleitung 16 hindurch zu dem Verdichter 24 geleitet. Der Verdichter 24 verdichtet das gasförmige Kältemedium 18 mittels mechanischer Arbeit, wobei das gasförmige Kältemedium 18 zusammengepresst bzw. komprimiert wird. Es steigen dabei der Druck und die Temperatur des gasförmigen Kältemediums 18. Das Energieniveau des Kältemediums 18 nimmt dabei zu. Der Verdichter 24 bestimmt ferner die Strömungsrichtung 26 innerhalb des Wärmepumpenkreislaufs 10 von nicht verdichtetem Kältemedium 18 zu verdichtetem Kältemedium 18. Dabei kann ausschließlich gasförmiges Kältemedium 18 verdichtet werden, da sich flüssiges Kältemedium 18 nicht zusammenpressen lässt.In the
Das verdichtete, gasförmige Kältemedium wird an den Verflüssiger 32 weitergeleitet. Der Verflüssiger 32 gibt thermische Energie von dem Kältemedium 18 an die Hochtemperatur-Wärmesenke 14 ab. Mit dem Abgeben der thermischen Energie aus dem gasförmigen Kältemedium 18 verflüssigt sich das Kältemedium 18. Das Kältemedium 18 wechselt also an dem Verflüssiger 32 den Aggregatszustand von gasförmig zu flüssig. Das flüssige Kältemedium 18 wird durch die Kreislaufleitung 16 zu der Drossel 28 transportiert. An der Drossel 28 wird das unter Druck stehende flüssige Kältemedium 18 entspannt. Mittels der Drossel 28 wird so der Druck des Kältemediums 18 vor der Drossel 28 zu dem Druck nach der Drossel 28 verringert. Von der Drossel 28 wird das flüssige Kältemedium 18 weiter zu dem Verdampfer 30 transportiert. Wenn das Kältemedium 18 wieder an dem Verdampfer 30 angekommen ist, ist der Wärmepumpenkreislauf 10 geschlossen.The compressed, gaseous refrigerant medium is forwarded to the
Die
An den Sammelraum 50 ist fluidleitend an die zweite Abführöffnung 46 eine Abscheiderleitung 54 angeschlossen, die an den ersten Einlassbereich 55 einer Pumpe 56 führt.A
Die Pumpe 56 ist von einem Antrieb 58 angetrieben, der an die Pumpe 56 mit einem Übertragungselement 60 drehmomentenübertragend gekoppelt ist. Der Antrieb 58 ist dabei insbesondere als Elektromotor gestaltet.The
Von der Pumpe 56 fliest das Kältemedium 18 durch einen Auslassbereich 61 in eine zweite Verbindungsleitungsleitung 62. Durch die zweite Verbindungsleitung 62 fliest das Kältemedium 18 dann weiter zu der Kreislaufleitung 16 zwischen dem Verflüssiger 32 und der Drossel 28. Insbesondere ist die Drossel 28 als ein Hochdruckregler 63 ausgeführt. Das Kältemedium 18 wird dort in die Kreislaufleitung 16 eingespeist. In der Kreislaufleitung 16 mischt sich dann der vom Abscheider 34 abgepumpte flüssige Anteil 36 des Kältemediums 18 mit dem Kältemedium 18, das von dem Hochdruckregler 63 zufließt.From the
Im Unterschied zu dem Wärmepumpenkreislauf 10 gemäß
Der flüssige Anteil 36 des im Abscheider 34 abgeschiedenen Kältemediums 18 sammelt sich im Sammelraum 50. Von dort wird das Kältemedium 18 mittels der Pumpe 56 durch die Abführöffnung 46 und die Abscheiderleitung 54 abgesaugt. Die Pumpe 56 transportiert das Kältemedium 18 durch die zweite Verbindungsleitung 62 zu der Kreislaufleitung 16. Das Kältemedium 18 wird dann in die Kreislaufleitung 16 zwischen der Drossel 28 und dem Verdampfer 30 eingespeist.The liquid portion 36 of the separated in the
Die Pumpe 56 ist mit einem ersten Pumpbereich 66 und einem zweiten Pumpbereich 68 gestaltet. Der erste Pumpbereich 66 der Pumpe 56 ist durch eine dritte Verbindungsleitung 70 mit der zweiten Zuführöffnung 64 verbunden. Der zweite Pumpbereich 68 ist durch eine vierte Verbindungsleitung 72 mit der zweiten Abführöffnung 46 fluidleitend verbunden. Das Kältemedium 18 strömt, von dem Verdichter 24 unter Druck gesetzt, zu dem ersten Pumpbereich 66. Der Druck des Kältemediums 18 wirkt für den ersten Pumpbereich 66 als Antrieb, so dass der erste Pumpbereich 66 also als ein Art Expansionsmotor 74 funktioniert. Der Expansionsmotor 74 weist dazu einen ersten Einlassbereich 76 und einen ersten Auslassbereich 78 auf. Der Expansionsmotor 74 ist drehmomentenübertragend mit dem Übertragungselement 60 an den zweiten Pumpbereich 68 gekoppelt.The
Der zweite Pumpbereich 68 saugt aus dem Sammelraum 50 des Abscheiders 34 das Kältemedium 18 an und pumpt es in Strömungsrichtung 26 in die Kreislaufleitung 16.The
Vor dem Expansionsmotor 74 steht das Kältemedium 18 unter höherem Druck, als nach dem Expansionsmotor 74. Das Kältemedium 18 strömt daher dort selbsttätig durch den Expansionsmotor 74 und versetzt diesen in Bewegung.Before the
Die
Auch bei den
Die Umschalteinrichtung 80 ist mit einem ersten Umschaltelement 82 und einem zweiten Umschaltelement 84 gebildet. Das erste Umschaltelement 82 unterbricht die Kreislaufleitung 16 zwischen dem Verdampfer 30 und dem Abscheider 34, sowie die Kreislaufleitung 16 zwischen dem Verdichter 24 und dem Verflüssiger 32. Das zweite Umschaltelement 84 unterbricht die Kreislaufleitung 16 zwischen dem Hochdruckregler 63 und dem Verflüssiger 32 sowie zwischen dem Abscheider 34 und dem Verdampfer 30.The switching
Bei den beiden Umschaltelementen 82 und 84 sind jeweils ein erster Anschluss 86, ein zweiter Anschluss 88, ein dritter Anschluss 90 und ein vierter Anschluss 92 ausgebildet. Der erste Anschluss 86 des ersten Umschaltelementes 82 ist an eine fünfte Verbindungsleitung 94, die zum Abscheider 34 führt, angeschlossen. Der zweite Anschluss 88 des ersten Umschaltelementes 84 ist an die Kreislaufleitung 16, vom Verdampfer 30 kommend, angeschlossen. Der dritte Anschluss 90 des ersten Umschaltelementes 84 ist an eine sechste Verbindungsleitung 96, vom Verdichter 24 kommend, angeschlossen und der vierte Anschluss 92 ist an die Kreislaufleitung 16 zum Verdampfer 30 hin angeschlossen.The two
Der erste Anschluss 86 des zweiten Umschaltelementes 84 ist an eine siebte Verbindungsleitung 98, die zur zweiten Abführöffnung 46 vom Abscheider 34 führt, angeschlossen. Der zweite Anschluss 88 des zweiten Umschaltelementes ist an die Kreislaufleitung 16 zum Verdampfer 30 hin führend angeschlossen. Der dritte Anschluss 90 des zweiten Umschaltelementes 84 ist an eine achte Verbindungsleitung 100, die zum Hochdruckregler 63 führt, angeschlossen. Der vierte Anschluss 92 des zweiten Umschaltelementes 84 ist an die Kreislaufleitung 16, vom Verdampfer 30 kommend, angeschlossen. Der Hochdruckregler 63 ist mit einer neunten Verbindungsleitung 102 mit der zweiten Zuführöffnung 64 in der Außenhülle 42 des Abscheiders 34 verbunden.The
Innerhalb der beiden Umschaltelemente 82 und 84 sind jeweils ein erster Durchflussweg 104 und ein zweiter Durchflussweg 106 ausgebildet. Nach Umschalten der Umschaltelemente 82 und 84 sind jeweils, wie in
Bei dem Wärmepumpenreislauf 10 gemäß
Bei dem Wärmepumpenreislauf 10 gemäß
Die Umschaltelemente 82, 84 trennen das Kältemedium 18 in dem Niederruckbereich 20 von dem Kältemedium 18 in dem Hochdruckbereich 22 ab. Der Niederdruckbereich 20 weist vorteilhaft einen Druck zwischen 0,8 und 6,0 bar (in Worten: null Komma acht und sechs Komma null bar) auf. Besonders vorteilhaft weist der Niederdruckbereich 20 einen Druck zwischen 1 und 3 bar (in Worten: ein und drei bar), insbesondere von 2 bar (in Worten: zwei bar), auf. Der Niederdruckbereich 20 weist vorteilhaft eine Temperatur von bis zu -40 °C (in Worten: minus vierzig Grad Celsius) auf. Besonders vorteilhaft weist der Niederdruckbereich 20 eine Temperatur von bis zu -35 °C (in Worten: minus fünfunddreißig Grad Celsius), insbesondere von bis zu -30 °C (in Worten: minus dreißig Grad Celsius), auf.The switching
Der Hochdruckbereich 22 weist vorteilhaft einen Druck zwischen 2 und 35 bar (in Worten: zwei und fünfunddreißig bar) auf. Besonders Vorteilhaft weist der Hochdruckbereich 22 einen Druck von zwischen 4 und 20 bar (in Worten: vier und zwanzig bar) auf. Der Hochdruckbereich 22 weist bei dem Umschaltelement 82 vorteilhaft eine Temperatur von bis zu 110 °C (in Worten: einhundertzehn Grad Celsius) auf. Besonders vorteilhaft weist der Hochdruckbereich 22 bei dem Umschaltelement 84 eine Temperatur von bis zu 60 °C (in Worten: sechzig Grad Celsius) auf.The high-
Die
Die umgeschaltete Umschalteinrichtung 80 hat den ersten Durchflussweg 104 in
Mit dieser Änderung der Durchflusswege wird die erste Strömungsrichtung 26 in Teilen der Kreislaufleitung 16 in eine zweite Strömungsrichtung 112 geändert. Die zweite Strömungsrichtung 112 ist entgegengesetzt zu der ersten Strömungsrichtung 26. Die Strömungsrichtung 26 in den Verbindungsleitungen 94, 96, 98, 100 und 102 bleibt identisch. Somit bleibt auch die Strömungsrichtung 26 im Verdichter, im Abscheider 34 mit seiner integrierten Pumpe 56 und in dem Hochdruckregler 63 bei umgeschalteter Umschalteinrichtung 80 gleich. Die Strömungsrichtung im Verdampfer 30 und Verflüssiger 32 ändert sich hingegen zu der zweiten Strömungsrichtung 112.With this change in the flow paths, the
Das Kältemedium 18 strömt beim Wärmepumpenkreislauf 10 gemäß
Um zu ermitteln, wann die Strömungsrichtung 26 mittels der Umschalteinrichtung 80 geändert werden soll, ist eine Messeinrichtung 113 vorgesehen. Die Messeinrichtung 113 ist mit einem Sensor 114, der einen Vereisungsgrad am Verdampfer misst, und einer Sensorleitung 115 gebildet. Die Messeinrichtung 113 ist an eine Steuereinrichtung 116 angeschlossen. Die Steuereinrichtung 116 wertet ein Signal der Messeinrichtung 113 aus und schaltet mittels einer ersten Steuerleitung 117 das erste Umschaltelement 82 der Umschalteinrichtung 80 um. Zeitgleich wird mittels einer zweiten Steuerleitung 118 das zweite Umschaltelement 84 der Umschalteinrichtung 80 umgeschaltet. Insbesondere kann der Sensor 114 der Messeinrichtung 113 die Leistungsaufnahme des Verdichters 24 ermitteln.In order to determine when the
Die Messeinrichtung 113 ist dazu vorgesehen, die Dicke des Eises am Verdampfer 30 und den daraus resultierenden Vereisungsgrad des Verdampfers 30 zu bestimmen. Die Messeinrichtung 113 ist mit dem Sensor 114 am Verdampfer 30 befestigt. Wenn der Sensor 114 im Zusammenwirken mit der Steuereinrichtung 116 ermittelt, dass die Dämmwirkung des Eises zu groß ist bzw. wird, wird der Wärmepumpenkreislauf 10 mittels der Umschalteinrichtung 80 vom Heizbetrieb in den Abtaubetrieb umgeschaltet. Welcher Vereisungsgrad ein Umschalten auslöst, ist in der Steuereinrichtung 116 gespeichert.The measuring
In
Gemäß
Der ersten Drehschieberbereich 122 ist mit einem zylinderförmigen Hohlkörper 128 ausgebildet, in dem ein Rotor 130 auf einer ersten Welle 132 in einer Rotationsrichtung 133 rotierend gelagert ist. Die Welle 132 ist exzentrisch zu dem Hohlkörper 128 angeordnet. Der Rotor 130 berührt fast die Innenwand 134 des Hohlkörpers 128 an einem Berührpunkt 131. Der Berührpunkt 131 und der gegenüberliegende Punkt auf der Innenwand 134 des Hohlkörpers 128 unterteilen den Hohlkörper 128 in einen Saugbereich 135 und einen Druckbereich 136.The first
In den Rotor 130 sind mehrere Führungsnuten 138 ausgenommen, die radial zum Rotor 130 angeordnet sind. Innerhalb der Führungsnuten 138 sind rechteckige Drehschieber 140 gehaltert. Die Drehschieber 140 bewegen sich im Betrieb der Schieberpumpe 120 innerhalb der Führungsnuten 138 mittels einer durch die Rotation in Rotationsrichtung 133 des Rotors 130 erzeugten Fliehkraft nach außen. Die Drehschieber 140 legen sich dadurch an die Innenwand 134 des Hohlkörpers 128 dichtend an. Insbesondere werden die Drehschieber 140 mittels einer hier nicht dargestellten Feder in der Führungsnut 138 nach außen gedrückt.In the rotor 130 a plurality of
Im ersten Drehschieberbereich 122 sind vorliegend sechs Führungsnuten 138 an dem Zylinder 130 mit sechs Drehschiebern 140 ausgebildet. Diese sechs Drehschieber 140 unterteilen den Raum zwischen dem Rotor 130 und dem Hohlkörper 128 in sechs Kammern 142, 144,146,148,150 und 152. Die erste Kammer 142 ist nach dem Berührpunkt 131 in Rotationsrichtung 133 nachfolgend im Saugbereich 135 gebildet.In the first
Zu der ersten Kammer hin erstreckt sich durch das Gehäuse 126 hindurch, eine erste Zuflussöffnung 154. Aus der in Rotationsrichtung 133 gesehen vierten Kammer 148 und fünften Kammer 150 heraus führt eine erste Ausströmöffnung 156 und eine zweite Ausströmöffnung 158. Die beiden Ausströmöffnungen 156 und 158 vereinigen sich zu einer gemeinsamen ersten Abflussöffnung 160, die das Gehäuse 126 durchdringt. Dabei werden die beiden Ausströmöffnungen 156 und 158 innerhalb des Gehäuses 126 zu der ersten Abflussöffnung 160 zusammengeführt. An die Abflussöffnung 160 schließt sich eine erste Abflussleitung 161 an. Von der in Rotationsrichtung 133 gesehenen, sechsten Kammer 152 führt eine Verbindungsleitung 162 zu dem zweiten Drehschieberbereich 124.A
Der zweite Drehschieberbereich 124 ist ähnlich wie der erste Drehschieberbereich 122 mit einem zylinderförmigen Hohlkörper 128 ausgestaltet, in dem ein Rotor 130 auf einer zweiten Welle 164 in Rotationsrichtung 133 rotierend gelagert ist. Die erste Welle 132 ist im ersten Drehschieberbereich 124 mit der zweiten Welle 164 im zweiten Drehschieberbereich momentenübertragend verbunden. Die erste Welle 132 und die zweite Welle 164 bilden so eine gemeinsame hier nicht dargestellte Pumpenwelle aus.The second
Im Unterschied zu dem ersten Drehschieberbereich 122 sind bei dem zweiten Drehschieberbereich 124 nicht sechs, sondern vier Führungsnuten 138 an dem dortigen Rotor 130 mit vier Drehschiebern 140 vorgesehen. Die vier Drehschieber 140 unterteilen entsprechend den Raum zwischen dem Rotor 130 und dem Hohlkörper 128 in vier Kammern 166, 168, 170 und 172. Die erste Kammer 166 ist in Rotationsrichtung 133 gesehen nach bzw. hinter dem zugehörigen Berührpunkt 131 nachfolgend im Saugbereich 135 ausgebildet.In contrast to the first
Zu der ersten Kammer 166 hin erstreckt sich, bei einem zweiten Einlassbereich 167, die Verbindungsleitung 162 von dem ersten Drehschieberbereich 122. Zu der zweiten Kammer 168 erstreckt sich, bei einem ersten Einlassbereich 169 durch das Gehäuse 126 hindurch eine zweite Zuflussöffnung 174. Die zweite Zuflussöffnung 174 endet an ihrem anderen Ende im Abscheideraum 48 des Abscheiders 34 in
Die vierten Verbindungsleitung 72 wird mit der ersten Abflussleitung 161 mittels des Ejektors 121 zusammengefasst. Der Ejektor 121 ist dazu mit einem Treibrohr 178 ausgestaltet, das innerhalb der Verbindungsleitung 72 in einer Treibdüse 180 endet. Die Treibdüse 180 verengt die zugehörige Durchflussquerschnittsfläche des Treibrohres 178 zu einer Düsenöffnung 182. Die Düsenöffnung 182 und die verringert Durchflussquerschnittsfläche der vierten Verbindungsleitung 72 bilden einen Strömungsausgang 184 aus.The
Bei der Schieberpumpe 120 rotiert in jedem der beiden Drehschieberbereiche 122 und 124 im zugehörigen Hohlkörper 128 je einer der beiden Rotoren 130 in Rotationsrichtung 133. In dem Rotor 130 befinden sich die Führungsnuten 138 in denen die Drehschieber 140 gehaltert sind. Die Drehschieber 140 werden aufgrund der durch die Rotation erzeugten Fliehkraft von dem Rotor 130 nach radial außen gedrängt und legen sich an die Innenwand 134 des Hohlkörpers 128 an. So bilden sich zwischen dem Rotor 130 und der Innenwand 134 des Hohlkörpers 128 Kammern aus. Diese Kammern sind in Umfangsrichtung von den Drehschiebern begrenzt. Da der Rotor 130 exzentrisch zum zugehörigen Hohlkörper 128 gelagert ist, verändert sich bei einer Rotation des Rotors 130 in Rotationsrichtung 133 das Volumen jeder einzelnen Kammer. Das Volumen der einzelnen Kammer vergrößert sich dann im Saugbereich 135. Im Druckbereich 136 verkleinert sich das Volumen der einzelnen Kammer während dieser Rotation in Rotationsrichtung 133.In the
Bei dem Drehschieberbereich 122, der als Expansionsmotor 74 gestaltet ist, wird das vom Verflüssiger 32 unter Druck zugeführte Kältemedium 18 in den Saugbereich 135 in die erste Kammer 142 mit Druck eingepresst. Das unter Druck stehende Kältemedium 18 versetzt dadurch den zugehörigen Rotor 130 in eine Rotationsbewegung in Rotationsrichtung 133. Das Kältemedium 18 wird dann im Druckbereich 136 des Drehschieberbereichs 122 aus der dorthin bewegten Kammer aus dem Drehschieberbereich 122 transportiert. Der Druck im das Kältemedium 18 abführenden Druckbereich 136 dieses Drehschieberbereichs 122 ist dabei geringer als der Druck im das Kältemedium 18 heranführenden Saugbereich 135 dieses Drehschieberbereichs 122.In the
Bei dem Drehschieberbereich 124, der als Pumpe 56 gestaltet ist, erfolgt ebenfalls eine Rotation in Rotationsrichtung 133 mittels des Antriebs 58. Der Antrieb 58 ist dazu hier vorteilhaft mittels des Expansionsmotors 74 ausgeführt. Die Rotation an der Pumpe 56 bewirkt, dass im Saugbereich 135 des Drehschieberbereichs 124 durch das dortige Vergrößern der Kammern während der Rotation das Kältemedium 18 angesaugt wird. Im Druckbereich 134 dieses Drehschieberbereichs 124 hingegen wird mit der Verkleinerung der Kammern das Kältemedium 18 aus dem Drehschieberbereich 124 herausgepresst.In the
Die
Die
Der Hohlzylinder 192 ist innen mittig mit einer Abtrennscheibe 204 in zwei Hälften unterteilt. Die Abtrennscheibe 204 erstreckt sich parallel zu den Verschlussdeckeln 194 und im rechten Winkel zu der Innenwand 198. Die Abtrennscheibe 204 trennt den Hohlzylinder 192 also in eine erste Kammer 206 und in eine zweite Kammer 208. Den Hohlzylinder 192 durchdringend sind axial unmittelbar neben der Abtrennscheibe 204 zu der ersten Kammer 206 hin und der zweiten Kammer 208 hin eine erste Öffnung 210 bzw. eine zweite Öffnung 212 ausgebildet. An der Abtrennscheibe 204 selbst ist in deren Mitte eine Öffnung 214 vorgesehen.The
Innerhalb des Hohlzylinders 192 ist ein Kolben 215 eingefügt. Der Kolben 215 ist aus einer Kolbenstange 216 und zwei Kolbenscheiben 218 und 220 gebildet. Die Kolbenstange 216 ist beweglich verschiebbar in der Öffnung 214 der Abtrennscheibe 204 eingepasst. Die Kolbenstange 216 ist mittels einer hier nicht dargestellten Abdichtung in der Öffnung 214 abgedichtet und gleitend gelagert. Die Kolbenstange 216 erstreckt sich also konzentrisch in Längsrichtung des Hohlzylinders 192 und verjüngt sich dabei an ihren beiden Ende je mit einer Stufe 217.Within the
Auf diesen Stufe 217 ist formschlüssig je die erste Kolbenscheibe 218 bzw. die zweite Kolbenscheibe 220 ortsfest angekoppelt. Die beiden Kolbenscheiben 218 und 220 liegen dabei mit ihrer Umfangsseite bzw. Mantelfläche an der Innenwand 198 des Hohlzylinders 192 gleitend an. Bei beiden Kolbenscheiben 218 und 220 sind auf der zu dem Hohlzylinder 192 zugewandten Mantelfläche jeweils eine Nut 221 gebildet. In dieser Nut 221 ist ein Dichtring 222 um die jeweilige Kolbenscheibe 218 und 220 herum eingefügt, der die Kolbenscheiben 218 und 220 zu dem Hohlzylinder 192 abdichtet. Der Dichtring 222 ist so gestaltet, das ein Gleiten in dem Hohlzylinder 192 ermöglicht ist.At this
Die erste Kolbenscheibe 218 unterteilt die erste Kammer 206 in einen ersten Zylinderraum 223 und einen zweiten Zylinderraum 224. Der erste Zylinderraum 223 ist innerhalb des Hohlzylinders 192 zwischen dem Verschlussdeckel 194 und der ersten Kolbenscheibe 218 gebildet. Der zweite Zylinderraum 224 ist zwischen der ersten Kolbenscheibe 218 und der Abtrennscheibe 204 gebildet.The
Die zweite Kolbenscheibe 220 unterteilt die zweite Kammer 208 in einen dritten Zylinderraum 226 und einen vierten Zylinderraum 228. Der dritte Zylinderraum 226 ist innerhalb des Hohlzylinders 192 zwischen der Abtrennscheibe 204 und der zweiten Kolbenscheibe 220 gebildet. Der vierte Zylinderraum 228 ist zischen der zweiten Kolbenscheibe 220 und dem zweiten Verschlussdeckel 195 gebildet. Innerhalb des zweiten und dritten Zylinderraums 224 bzw. 226 befindet sich die Kolbenstange 216, die mit ihrem Außendurchmesser das Volumen des zweiten Zylinderraums 224 beeinflusst.The
Der zweite Zylinderraum 224 und der dritte Zylinderraum 226 bilden den ersten Pumpbereich 66, der als Expansionsmotor 74 wirkt, und der erste Zylinderraum 223 und der vierte Zylinderraum 228 bilden den zweiten Pumpbereich 68, der als Pumpe 56 wirkt.The
In den zweiten Zylinderraum 224 und den dritten Zylinderraum 226 wird abwechselnd mittels eines (hier nicht dargestellten) Ventils das Kältemedium 18 vom Verflüssiger 32 unter Druck eingepresst. Das eingepresste Kältemedium 18 versetzt entsprechend den zugehörigen Kolben 215 in Bewegung. Ein in den zweiten Zylinderraum 224 gepresstes Kältemedium 18 bewirkt, dass sich der Kolben 215 innerhalb der Kolbenpumpe 190 von der Abtrennscheibe 204 weg in Richtung des Verschlussdeckels 194 bewegt.Into the
Dadurch wird zugleich das Volumen im ersten Zylinderraum 222 und im dritten Zylinderraum 226 verkleinert. Aus dem ersten Zylinderraum 222 und dem dritten Zylinderraum 226 wird Kältemedium 18 herausgedrückt. Zeitgleich vergrößert sich das Volumen im vierten Zylinderraum 228. Kältemedium 18 wird dadurch in den vierten Zylinderraum 228 eingesaugt.As a result, at the same time the volume in the
Die
Der Abstand zwischen den beiden Gehäuseelementen 242 und 244 ist so groß gewählt, dass dieser Abstand das 1,5- bis 2-fache, besonders bevorzugt das 3-bis 5-fache des Durchmesser der Anschlusselemente 252, 254, 256 und 258 ausmacht. Ein auf diese Weise zwischen den Gehäuseelementen 242 und 244 bzw. den Abstandsleitungen 248 und 250 gebildeter Zwischenraum 257 ist mit einem (nicht näher dargestellten) dämmenden Material ausgefüllt. Die Anordnung der Gehäuseelemente 242 und 244 und der Abstandsleitungen 248 und 250 bildet in der Ansicht gemäß
Das Gehäuseelement 242 ist an seinen beiden Enden mit jeweils einer Verschlussscheibe 260 und 262 dicht verschlossen. Die Verschlussscheiben 260 und 262 durchdringend ist jeweils eine Zugangsöffnung 261 und 263 ausgestaltet.The
Die Verschlussscheiben 260 und 262 sind ortsfest abdichtend in das Gehäuseelement 242 eingepasst. Den Verschlussscheiben 260 und 262 zur Mitte der Längsausdehnung des Gehäuseelementes 242 hin folgend sind zwei zylinderförmige Schaltelemente bzw. Ventilkörper 264 und 266 in das Gehäuseelement 242 eingepasst. Die Außendurchmesser der Schaltelemente 264 und 266 sind dabei geringfügig kleiner gestaltet, als der Innendurchmesser des Gehäuseelementes 242. Dies ermöglicht ein Gleiten der Schaltelemente 264 und 266 im Hohlraum des Gehäuseelementes 242.The
Die Zugangsöffnung 261 und 263 sind dafür vorgesehen, dass mittels eines (hier nicht dargestellten) Magnet-Ventils durch sie hindurch ein Fluid zuzuführen ist. Mit diesem Fluid kann dann auf die sich im Gehäuseelement 242 befindenden Schaltelemente 264 und 266 eingewirkt werden, um diese zu verstellen. Die Schaltelemente 264 und 266 wirken dann zugleich als "Arbeitskolben".The
Bei den Schaltelementen 264 und 266 sind auf der Seite der Verschlussscheiben 260 und 262 jeweils zwei zum Außenradius der Schaltelemente 264 und 266 hin offene, umlaufende Nuten 268 und 270 ausgebildet. In den Nuten 268 und 270 ist je ein ringförmiges Dichtmittel 272 bzw. 274 eingepasst. Die Dichtmittel 272 und 274 dichten die Schaltelemente 264 und 266 zu der Innenwand des Gehäuseelementes 242 hin ab.In the case of the switching
In Längsrichtung der Schaltelemente 264 und 266 ist zur Mitte des Gehäuseelementes 242 hin folgend ferner dort eine geringe Verjüngung 276 des Außendurchmessers der Schaltelemente 264 und 266 ausgebildet. Die Längsausdehnung dieser Verjüngung 276, in der die Schaltelemente 264 und 266 verjüngt sind, ist größer als die Breite, insbesondere der Innendurchmesser, der beiden Abstandsleitungen 248 und 250.In the longitudinal direction of the switching
Die beiden einander zugewandten radial äußeren Kanten der Schaltelemente 264 und 266 sind abgerundet gestaltet und bilden Auflageflächen 280 und 282 aus, mittels denen die Schaltelemente 264 gegen einen Ventilsitz 288 bzw. 290 abdichten können.The two mutually facing radially outer edges of the switching
Das Schaltelement 264 ist in der Darstellung gemäß
Im Zentrum des Gehäuseelementes 242 ist dieses innen schließlich umlaufend phasenförmige im Durchmesser verkleinert. Diese Verkleinerung des Innendurchmessers des Gehäuseelements 242 bildet zwei Ventilsitze 288 und 290 aus. Die beiden Ventilsitze 288 und 290 sind so gestaltet, dass sie bei einem Anliegen der jeweiligen Auflageflächen 280 und 282 mit den zugehörigen Schaltelementen 264 und 266 abdichten. Zwischen den beiden Ventilsitzen 288 und 290 befindet sich dann eine zum Anschlusselement 252 gehörende Durchgangsöffnung 292.In the center of the
Beide Schaltelemente 264 und 266 sind zur Mitte des Gehäuseelementes 242 hin mit einer zylinderförmigen Verbindungsstange 294 ortsfest verbunden. Die Schaltelemente 264 und 266 und die Verbindungsstange 294 bilden zusammen ein Kolbenelement 296 aus. Die Länge der Verbindungsstange 294 ist so bemessen, dass, bei Anliegen der Auflagefläche 282 des Schaltelements 266 an dem Ventilsitz 290, das Schaltelement 264 die Durchgangsöffnung 284 vollständig freigibt. Das Schaltelement 264 ist dann wie in
Das Gehäuseelement 244 ist gemäß der
Mit der derartigen Anordnung der Gehäuseelemente 242 und 244 und der diese voneinander beabstandenden Abstandsleitungen 248 und 250 ist eine thermische Trennung der Durchflusswege 104, 106, 108 und 110 innerhalb der Vier-Wege-Ventilanordnung 240 geschaffen. Diese thermische Trennung wird durch die niedrigen Wärmeleitfähigkeiten der Schaltelemente 264, 266, 298 und 300 zusätzlich verbessert.With such an arrangement of the
Die thermische Trennung wirkt als Wärmesperre zwischen den jeweiligen aktiven Durchflusswegen 104, 106, 108 und 110. Es wird so weniger thermische Energie zwischen den in den Durchflusswegen fliesenden Kältemedien 18 ausgetauscht. Das vermindert thermische Verluste, was die Effizienz im Wärmepumpenkreislauf 10 steigert.The thermal separation acts as a thermal barrier between the respective
Abschließend sei angemerkt, dass sämtlichen Merkmalen, die in den Anmeldungsunterlagen und insbesondere in den abhängigen Ansprüchen genannt sind, trotz dem vorgenommenen formalen Rückbezug auf einen oder mehrere bestimmte Ansprüche, auch einzeln oder in beliebiger Kombination eigenständiger Schutz zukommen soll.Finally, it should be noted that all the features that are mentioned in the application documents and in particular in the dependent claims, in spite of the formal reference back to one or more specific claims, even individually or in any combination should receive independent protection.
- 1010
- WärmepumpenkreislaufHeat pump cycle
- 1212
- Niedertemperatur-WärmequelleLow-temperature heat source
- 1414
- Hochtemperatur-WärmesenkeHigh temperature heat sink
- 1616
- KreislaufleitungCircuit line
- 1818
- Kältemediumcold medium
- 2020
- NiedrigdruckbereichLow pressure area
- 2222
- HochdruckbereichHigh pressure area
- 2424
- Verdichtercompressor
- 2626
- Strömungsrichtungflow direction
- 2828
- Drosselthrottle
- 3030
- VerdampferEvaporator
- 3232
- Verflüssigercondenser
- 3434
- Abscheiderseparators
- 3636
- flüssiger Anteilliquid fraction
- 3838
- Pfeilarrow
- 4040
- gasförmiger Anteilgaseous portion
- 4242
- Außenhülleouter shell
- 4444
- Zuführöffnungfeed
- 4545
- erste Abführöffnungfirst discharge opening
- 4646
- zweite Abführöffnungsecond discharge opening
- 4848
- Abscheideraumseparating chamber
- 5050
- Sammelraumplenum
- 5252
- Flüssigkeitsstandliquid Level
- 5454
- AbscheiderleitungAbscheiderleitung
- 5555
- Einlassbereichinlet area
- 5656
- Pumpepump
- 5858
- Antriebdrive
- 6060
- Übertragungselementtransmission element
- 6161
- Auslassbereichoutlet
- 6262
- zweite Verbindungsleitungsleitungsecond trunk line
- 6363
- HochdruckreglerHigh pressure regulator
- 6464
- zweite Zuführöffnungsecond feed opening
- 6666
- erster Pumpbereichfirst pumping area
- 6868
- zweiter Pumpbereichsecond pumping area
- 7070
- dritte Verbindungsleitungthird connection line
- 7272
- vierte Verbindungsleitungfourth connection line
- 7474
- Expansionsmotorexpansion engine
- 7676
- Einlassbereichinlet area
- 7878
- Auslassbereichoutlet
- 8080
- Umschalteinrichtungswitchover
- 8282
- Umschaltelementswitching
- 8484
- Umschaltelementswitching
- 8686
- erster Anschlussfirst connection
- 8888
- zweiter Anschlusssecond connection
- 9090
- dritter Anschlussthird connection
- 9292
- vierter Anschlussfourth connection
- 9494
- fünfte Verbindungsleitungfifth connection line
- 9696
- sechste Verbindungsleitungsixth connection line
- 9898
- siebte Verbindungsleitungseventh connection line
- 100100
- achte Verbindungsleitungeighth connection line
- 102102
- neunte Verbindungsleitungninth connection line
- 104104
- erster Durchflusswegfirst flow path
- 106106
- zweiter Durchflusswegsecond flow path
- 108108
- dritter Durchflusswegthird flow path
- 110110
- vierter Durchflusswegfourth flow path
- 112112
- zweite Strömungsrichtungsecond flow direction
- 113113
- Messeinrichtungmeasuring device
- 114114
- Sensorsensor
- 115115
- Sensorleitungsensor line
- 116116
- Steuereinrichtungcontrol device
- 117117
- erste Steuerleitungfirst control line
- 118118
- zweite Steuerleitungsecond control line
- 120120
- Schieberpumpevane pump
- 121121
- Ejektorejector
- 122122
- DrehschieberbereichRotary vane area
- 124124
- DrehschieberbereichRotary vane area
- 126126
- Gehäusecasing
- 128128
- Hohlkörperhollow body
- 130130
- Rotorrotor
- 131131
- Berührpunktcontact point
- 132132
- erste Wellefirst wave
- 133133
- Rotationsrichtungdirection of rotation
- 134134
- Innenwandinner wall
- 135135
- Saugbereichsuction area
- 136136
- Druckbereichpressure range
- 138138
- Führungsnutguide
- 140140
- Drehschieberrotary vane
- 142142
- erste Kammerfirst chamber
- 144144
- zweite Kammersecond chamber
- 146146
- dritte Kammerthird chamber
- 148148
- vierte Kammerfourth chamber
- 150150
- fünfte Kammerfifth chamber
- 152152
- sechste Kammersixth chamber
- 154154
- erste Zuflussöffnungfirst inflow opening
- 156156
- erste Ausströmöffnungfirst outflow opening
- 158158
- zweite Ausströmöffnungsecond outflow opening
- 160160
- Abflussöffnungdrain opening
- 161161
- erste Abflussleitungfirst drain line
- 162162
- Verbindungsleitungconnecting line
- 164164
- zweite Wellesecond wave
- 166166
- erste Kammernfirst chambers
- 167167
- zweiter Einlassbereichsecond inlet area
- 168168
- zweite Kammernsecond chambers
- 169169
- erster Einlassbereichfirst inlet area
- 170170
- dritte Kammernthird chambers
- 172172
- vierte Kammernfourth chambers
- 174174
- zweite Zuflussöffnungsecond inflow opening
- 176176
- zweite Abflussöffnungsecond drainage opening
- 178178
- Treibrohrblowing pipe
- 180180
- Treibdüsepropelling nozzle
- 182182
- Düsenöffnungnozzle opening
- 184184
- Strömungsausgangflow output
- 190190
- Kolbenpumpepiston pump
- 192192
- Hohlzylinderhollow cylinder
- 194194
- Verschlussdeckelcap
- 195195
- Verschlussdeckelcap
- 196196
- Stufestep
- 198198
- Innenwandinner wall
- 200200
- Zuführöffnungfeed
- 202202
- Abführöffnungdischarge opening
- 204204
- AbtrennscheibeAbtrennscheibe
- 206206
- erste Kammerfirst chamber
- 208208
- zweite Kammersecond chamber
- 210210
- erste Öffnungfirst opening
- 212212
- zweite Öffnungsecond opening
- 214214
- Öffnungopening
- 215215
- Kolbenpiston
- 216216
- Kolbenstangepiston rod
- 217217
- Stufestep
- 218218
- erste Kolbenscheibefirst piston disc
- 220220
- zweite Kolbenscheibesecond piston disc
- 221221
- Nutgroove
- 222222
- Dichtringseal
- 223223
- erster Zylinderraumfirst cylinder space
- 224224
- zweiter Zylinderraumsecond cylinder space
- 226226
- dritter Zylinderraumthird cylinder room
- 228228
- vierter Zylinderraumfourth cylinder space
- 240240
- Vier-Wege-VentilanordnungFour-way valve assembly
- 242242
- Gehäuseelementhousing element
- 244244
- Gehäuseelementhousing element
- 248248
- Abstandsleitungdistance line
- 250250
- Abstandsleitungdistance line
- 252252
- Anschlusselementconnecting element
- 254254
- Anschlusselementconnecting element
- 256256
- Anschlusselementconnecting element
- 258258
- Anschlusselementconnecting element
- 257257
- Zwischenraumgap
- 260260
- Verschlussscheibesealing washer
- 261261
- Zugangsöffnungaccess opening
- 262262
- Verschlussscheibesealing washer
- 263263
- Zugangsöffnungaccess opening
- 264264
- Schaltelementswitching element
- 266266
- Schaltelementswitching element
- 268268
- Nutgroove
- 270270
- Nutgroove
- 272272
- Dichtmittelsealant
- 274274
- Dichtmittelsealant
- 276276
- Verjüngungrejuvenation
- 280280
- Auflageflächebearing surface
- 282282
- Auflageflächebearing surface
- 284284
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 286286
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 288288
- Ventilsitzvalve seat
- 290290
- Ventilsitzvalve seat
- 292292
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 294294
- Verbindungsstangeconnecting rod
- 296296
- Kolbenelementpiston element
- 298298
- Schaltelementswitching element
- 300300
- Schaltelementswitching element
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet, dass in der Kreislaufleitung (16) in Strömungsrichtung (26) nach dem Verflüssiger (32) und vor dem Verdampfer (30) ein Expansionsmotor (74) mit einem ersten Einlassbereich (76) und einem ersten Auslassbereich (78) vorgesehen ist, mittels dessen eine Pumpe (56) mit einem zugehörigen ersten Einlassbereich (55) und einem zugehörigen zweiten Auslassbereich (61) angetrieben ist.Refrigerant medium circuit for converting thermal energy in a thermodynamic cycle, with an evaporator (30) and a condenser (32), which are flowed through by a circulation line (16) by a cooling medium (18) in a flow direction (26),
characterized in that an expansion motor (74) with a first inlet region (76) and a first outlet region (78) is provided in the circulation line (16) downstream of the condenser (32) and upstream of the evaporator (30), by means of which a pump (56) is driven with an associated first inlet region (55) and an associated second outlet region (61).
dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Auslassbereiche (55 und 61) zu einem Strömungsausgang (184) zusammengefasst sind.Refrigerant medium circuit according to claim 1,
characterized in that the two outlet regions (55 and 61) are combined to form a flow outlet (184).
dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsleitung (162) zwischen dem ersten Auslassbereich (78) und dem zweiten Einlassbereich (167) vorgesehen ist.Refrigerant medium circuit according to claims 1 or 2,
characterized in that a connection line (162) is provided between the first outlet region (78) and the second inlet region (167).
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einlassbereich (169) einer Abscheiderleitung (54) zugeordnet ist, mittels der aus einem Abscheider (34) abgeschiedenes, flüssiges Kältemedium (18) der Pumpe (56) zuzuführen ist.Refrigerant medium circuit according to one of claims 1 to 3,
characterized in that the first inlet region (169) is assigned to a separator line (54), by means of which a separator (34) separated, liquid refrigerant (18) of the pump (56) is to be supplied.
dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsmotor (74) mit der Pumpe (56) unmittelbar kraftübertragend gekoppelt ist.Refrigerant medium circuit according to one of claims 1 to 4,
characterized in that the expansion motor (74) with the pump (56) is coupled directly to transmit power.
dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsmotor (74) und die Pumpe (56) zusammen als eine Kolbenpumpe (190), insbesondere mit vier Zylinderräumen (223, 224, 226 und 228) gestaltet ist.Refrigerant medium circuit according to one of claims 1 to 5,
characterized in that the expansion motor (74) and the pump (56) are designed together as a piston pump (190), in particular with four cylinder chambers (223, 224, 226 and 228).
dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpumpe(190) aus einem Kolben mit zwei mit einer Kolbenstange (216) verbunden Kolbenscheiben (218, 220) gestaltet ist.Refrigerant medium circuit according to one of claims 1 to 6,
characterized in that the piston pump (190) of a piston with two with a piston rod (216) connected to the piston discs (218, 220) is designed.
dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsmotor (74) und die Pumpe (56) zusammen als eine Drehschieber-Anordnung, insbesondere mit zwei Drehschieberräumen (122, 124) gestaltet ist.Refrigerant medium cycle according to one of claims 1 to 5,
characterized in that the expansion motor (74) and the pump (56) together as a rotary valve arrangement, in particular with two rotary valve chambers (122, 124) is designed.
dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsmotor (74) und die Pumpe (56) zusammen mit einer Welle gestaltet sind.Refrigerant medium circuit according to one of claims 1 to 5 and 8,
characterized in that the expansion motor (74) and the pump (56) are designed together with a shaft.
Priority Applications (1)
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EP15190659.1A EP3159627A1 (en) | 2015-10-20 | 2015-10-20 | Coolant medium circuit |
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EP15190659.1A EP3159627A1 (en) | 2015-10-20 | 2015-10-20 | Coolant medium circuit |
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EP3159627A1 true EP3159627A1 (en) | 2017-04-26 |
Family
ID=54359930
Family Applications (1)
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EP15190659.1A Withdrawn EP3159627A1 (en) | 2015-10-20 | 2015-10-20 | Coolant medium circuit |
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Country | Link |
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EP (1) | EP3159627A1 (en) |
Citations (5)
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- 2015-10-20 EP EP15190659.1A patent/EP3159627A1/en not_active Withdrawn
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