EP3320279B1 - Vorrichtung und verfahren zum temperieren eines mediums - Google Patents

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EP3320279B1
EP3320279B1 EP16744310.0A EP16744310A EP3320279B1 EP 3320279 B1 EP3320279 B1 EP 3320279B1 EP 16744310 A EP16744310 A EP 16744310A EP 3320279 B1 EP3320279 B1 EP 3320279B1
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EP
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heat
heat medium
medium
heat exchanger
circuit
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EP3320279A1 (de
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Uwe PFÜTZE-RÄMSCH
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Reenpro GmbH
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Reenpro GmbH
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    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
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    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for temperature control of a medium according to the preambles of claims 1 and 11, respectively.
  • the air conditioning of vehicles such as cars, trucks, buses, trams, passenger coaches and the like, as well as of buildings such as residential buildings, office buildings, workshops, production halls and the like, is important for the well-being and safety of the people who are in vehicles and rooms .
  • Full air conditioning in accordance with DIN EN 13779 is used when the air conditioning system ensures ventilation, heating, cooling, humidification and dehumidification.
  • Partial air conditioning is available in the following variants: ventilation and heating with and without a humidification function, with a cooling function and with a cooling and humidification function.
  • Such elements can also be used as temperature control units for machines and systems for heating or cooling a working medium, e.g. a liquid, for operating cooling or temperature control devices, e.g. in connection with household appliances, so-called “white devices”.
  • a working medium e.g. a liquid
  • a heat pump commonly used today is under considerable pressure of up to over 20 bar. This increases the risk of leaks and accidents. Also have to Appropriate safe materials and thicker materials are used.
  • the evaporator used in today's systems is typically a special production of a heat exchanger, since a change in the physical state from liquid to gaseous takes place within the heat exchanger.
  • Scroll compressors run smoothly, have high efficiency due to low mechanical losses and have minimal compression dead space.
  • one of the disadvantages of scroll compressors is the low compression end temperature, which must be minimized by injecting 10% -15% of the heating medium if the temperature is too high.
  • Another major disadvantage is the very limited power control (with the exception of some Japanese models). Scroll compressors have low pressure fluctuations (pressure pulsation).
  • This type of compressor requires lubrication with oil.
  • Polyvinyl ether oil (PVE) or polyolester oil (POE) is used for this.
  • PVE Polyvinyl ether oil
  • POE polyolester oil
  • the POE reacts chemically with water and forms an acid, which places corresponding requirements on the selection of the material, which must be acid-resistant. This reduces the service life of the compressor and increases the need for repairs.
  • the condenser or liquefier is typically also a special production of a heat exchanger, since a change in the physical state takes place in it too, here from gaseous to liquid.
  • the environmental heat is transported from the evaporator to the compressor at a low temperature level in the gaseous state. From the compressor to the condenser, the heat is also transported in gaseous form at a high energy level. From the condenser to the expansion valve, the heat is transported at a medium temperature level in the liquid state. From the expansion valve to the evaporator, the heat transfer medium is liquid and has a very low energy level.
  • the heat medium When used as an air conditioning system to cool vehicles, the heat medium is compressed in a compressor that is directly connected to the vehicle engine via a compressor coupling. After compression, the heat medium is under high pressure and is gaseous. The gaseous heat medium then flows to the condenser and is cooled there by the airflow and the condenser fan. Now the heating medium is under high pressure, but it is liquid. The heating medium then flows into a filter drier and remains liquid under high pressure until the next expansion valve. In the expansion valve, the heating medium is relaxed and cools down. The pressure becomes low and the heating medium is still liquid. The cool, liquid heat medium now flows through the evaporator. By means of a fan, air is sucked in through the evaporator and blown into the passenger compartment as cool air. The warm fresh air drawn in heats up the heat medium in the evaporator and becomes gaseous again under low pressure. The gaseous heat medium now flows under low pressure through the expansion valve to the compressor. There it is compressed again and the cycle begins again.
  • COP value Coefficient of Performance; for heat pumps
  • EER value Energy Efficiency Ratio; for air conditioning systems. This value is calculated from the amount of heat generated divided by the electrical energy used (for Compressor, control, regulation and internal pumps of the heat pump or the air conditioning system) in full load operation.
  • a typical size of the COP or EER is between 3 and 6;
  • JAZ annual performance factor
  • ESEER value European Seasonal Energy Efficiency Ratio
  • the object of the invention is also to specify, at least in one advantageous development, a device for controlling the temperature of a medium which is constructed and set up for operation both as a heating device and for air conditioning.
  • the invention is intended to avoid the large size and heavy weight of known devices.
  • a special feature of this device according to the invention is that it does without any evaporator or condenser (liquefier), and instead has simple heat exchangers. This fact is made possible by the fact that none of the heat media used, neither the first heat medium nor the second heat medium, goes through a phase transition in the process.
  • the first heat exchanger in which the first heat medium is brought into heat exchange with an ambient medium, can enable a heat transfer from, for example, the outside air, geothermal energy, from a liquid or from a gas to the first heat medium.
  • This first heat exchanger can accordingly be operated in countercurrent and have two inputs and outputs, one each for the respective heat medium.
  • the first heat exchanger can also be, for example, a lamellar heat exchanger with a fan for vehicles with only one input and one output for a single heat medium carried in a line system, e.g. a heat exchange between an environmental heat of the ambient air and the first heat medium for the To use heating and / or cooling of a vehicle interior.
  • the second heat exchanger can in turn be one that serves to exchange heat between the first heat medium and ambient air used for air conditioning, but also one that provides heat exchange between the first heat medium and another medium carried in a line system.
  • the second heat exchanger can be a counterflow heat exchanger with two inlets and two outlets for the two media routed in pipe systems, or in the former case a lamellar heat exchanger with a fan, e.g. for vehicles (with only one inlet each) and output for the first heat medium) for the direct exchange of heat with air flowing into the vehicle interior.
  • a compressor in particular a turbo-compressor, preferably a micro-turbo-compressor, which compresses the second heat medium, which flows through this circuit in gaseous form, and heats it accordingly.
  • This compressor is operated when the device is used for heating or for warming the medium to be tempered.
  • This compressor can then react to the outside temperature, in particular in a speed-controlled manner, whereby it generates a higher pressure ratio by setting a higher speed and thus higher temperatures of the compressed second heating medium (the opposite effect when reducing the speed).
  • the heat generated by the compressor in the second heat medium is transferred to the first heat medium when the system is operated as a heater. If the device is used for cooling (see further below), in the third heat exchanger, if this is not even completely decoupled by appropriate valves, only the first heat medium is passed through without any further heat transfer. In this case, the compressor usually does not run.
  • a fourth heat exchanger is provided in the device, which is integrated into the second heat medium circuit and is arranged there in front of the compressor, viewed in the flow direction, and which is in heat exchange connection with the first heat medium carried in the first heat medium circuit.
  • this heat exchanger In this heat exchanger, a first heat transfer between the second heat medium and the first heat medium is already achieved before the second heat medium is heated by the compression. In this respect, this additional heat exchanger contributes to an increase in the efficiency in the heating operation of the device. If the device is to be used for cooling, this fourth heat exchanger has no function and, if necessary, can also be bridged with appropriate valves and line sections.
  • the means for cooling and / or relaxing the first heat medium in the first heat medium circuit ensures, in a known manner, that the first heat medium flowing back is cooled further, so that it can also be used when the device is operated as a heat pump in the heating mode Ambient temperature can absorb heat from the environment and thus make it available for heating.
  • the means for cooling can be used in order to obtain a possibly further lowering of the temperature of the first heat medium for an improved cooling effect in the second heat exchanger.
  • the means for cooling can advantageously be a Peltier element, in particular a controllable Peltier element, or a plurality of such Peltier elements.
  • a Peltier element in particular a controllable Peltier element, or a plurality of such Peltier elements.
  • Such an element can bring about a cooling effect independently of a pressure release, which is particularly advantageous for the operation of the device according to the invention for cooling, that is to say as an air conditioning system or cooling unit.
  • a liquid can be used as the first heat medium, in particular one which is liquid at normal pressure in any case in the temperature range from -50 ° C to + 60 ° C. Since the device according to the invention works without phase transitions in the first heat medium, it must be ensured that this medium maintains a uniform phase in the range of the corresponding operating temperatures.
  • a liquid first heat medium is preferable to a gaseous one, since the heat storage capacity is significantly higher.
  • liquids can also be used as the first heat medium which have a larger temperature range within which they remain liquid.
  • this temperature range can also be between -60 ° C and + 70 ° C, even beyond, for example between -90 ° C (or even lower, for example down to -135 ° C) and + 75 ° C or even + 125 ° C.
  • Hydrofluoroethers are chemical compounds of the empirical formula C x F y -OC m H n , where x is a number from 1 to 12; y is a number from 0 to 25; m stands for a number from 1 to 12 and n stands for a number from 0 to 25.
  • the corresponding compounds are formed from chains of different lengths of fully fluorinated carbons which are linked to an alkyl radical via an ether group.
  • An example of a particularly suitable hydrofluoroether that uses as the first heating medium Ethoxynonafluorobutane (C 4 F 9 OC 2 H 5 ) should be mentioned. This is a clear, colorless liquid with a pour point (at normal pressure) of -138 ° C and a boiling point (at normal pressure) of 76 ° C.
  • This material can be obtained in a quality that can be used as the first heat medium in the device according to the invention, for example from 3M Deutschland GmbH under the trade name 3M TM Novec TM 7200 High-Tech Liquid .
  • the group of substances claimed here is not harmful to the climate, so that its use is not only highly efficient from a technological point of view, but also harmless from an ecological point of view.
  • the second, gaseous heat medium can, in principle, take on very different forms, with air being considered to be very suitable here. Sufficient temperature control effects are achieved with air as the second heating medium; this medium is available everywhere "free of charge", so that the use of air does not mean any additional costs in production and operation. In addition, there are no possible environmental problems that could possibly arise when using another medium, in particular if this emerges from a closed circuit.
  • the fourth heat exchanger can have three separate line strands that are in heat exchange with one another, of which a first line strand belongs to the second heat medium circuit, a second line strand belongs to a first section of the first heat medium circuit and a third line strand belongs to a second section of the first heat medium circuit.
  • the fourth heat exchanger has three inputs and three outputs and - in heating mode - additionally uses the waste heat from the return of the first heat medium to preheat the first heat medium after the first heat medium has absorbed environmental heat in the first heat exchanger and before it is further heated in the third heat exchanger by the compression heat generated in the second heat medium circuit after the compressor.
  • the fourth heat exchanger is used for this also the cooling of the second heating medium in the second heating medium circuit.
  • an, in particular controllable, expansion valve can be used in the second section of the first heat medium circuit be arranged.
  • the first conveying means for moving the first heat medium can in particular be a circulating pump, which can in particular be designed to be controllable.
  • the first conveying means for example a circulating pump
  • the first conveying means can in particular be designed to be reversible in its conveying direction in order to convey or move or drive the first heat medium in two directions, clockwise and counterclockwise rotation through the closed first heat medium circuit.
  • This fact of the possibility of either clockwise or counterclockwise rotation is of particular importance for the option of optional operation of the device as a heating device (heat pump) or as a cooling device (air conditioning, cooling unit).
  • the method according to the invention for temperature control of a medium is accordingly characterized in that a first heat medium is guided in a first closed heat medium circuit and is kept in circulation therein by a first conveying means in order to absorb and release heat, the first heat medium in the first heat medium circuit by a first heat exchanger is performed to exchange heat with an ambient medium. Furthermore, the first heat medium is passed through a second heat exchanger for exchanging heat with the medium to be tempered, the first heat medium being passed in the first heat medium circuit without going through phase transitions in the first heat medium circuit. In order to heat the medium to be tempered, the first heat medium is transferred from the conveying means through the first heat exchanger led to absorb heat there.
  • the first heat medium After flowing through the first heat exchanger, the first heat medium is passed through a third heat exchanger, which is integrated in a second closed heat medium circuit in which a second, gaseous heat medium is circulated without phase transitions.
  • a compressor is arranged in the second heat medium circuit, which is arranged upstream of the third heat exchanger, viewed in the direction of flow of the second heat medium, and which compresses and heats the second heat medium.
  • the first heat medium then absorbs heat from the second heat medium in the third heat exchanger and, after passing through the third heat exchanger, is passed through the second heat exchanger. There the first heat medium gives off heat to the medium to be tempered.
  • the first heat medium After flowing through the second heat exchanger, the first heat medium is expanded and / or cooled and returned to the first heat exchanger.
  • This method can, and is preferably, carried out in a device as described and explained above.
  • the device works as a heat pump, that is, a method for heating a useful medium is operated.
  • the first heat medium is passed through a fourth heat exchanger, which is integrated into the second heat medium circuit and through which the second heat medium flows before it is compressed by the compressor.
  • the first heat medium is also guided in a further section of the first heat medium circuit, namely after flowing through the first heat exchanger and before flowing through the third heat exchanger.
  • heat is generated both from the second heat medium (before compression) and from the first returned in the section between the second heat exchanger and the first heat exchanger in the direction of the first heat exchanger Heat medium added.
  • the first heat medium can also be expanded and / or cooled between leaving the fourth heat exchanger and before being fed back to the first heat exchanger. This can be done, for example, with the aid of Peltier elements, but also, for example, using an expansion valve in or in contact with the corresponding line.
  • the method according to the invention can, however, optionally not be used for heating, that is to say for operating the device in the manner of a heat pump, but can also be used for cooling the medium to be tempered.
  • the conveying direction of the conveying means and thus the flow direction of the first heat medium is reversed, with the second heat medium circuit being interrupted and / or decoupled to the extent that heat transfer no longer takes place between the second heat medium and the first heat medium.
  • the first heat medium is then passed through the second heat exchanger in order to absorb heat there from the medium to be tempered and thus to cool this medium to be tempered.
  • the first heat medium then flows through the third heat exchanger without undertaking any further heat exchange there, or flows past it, and then flows through the first heat exchanger in order to give off heat to the environmental medium there.
  • the first heat medium is then returned to the second heat exchanger for renewed absorption of heat from the medium to be tempered.
  • the first heat medium runs through this cycle without phase transitions.
  • a special feature of the method according to the invention can be seen, which is also shown as a special feature of the device according to the invention or a use thereof. Because here can be one and the same Device can be used both as a heat pump for heating purposes and for cooling a medium, for example as an air conditioning or cooling unit, by reversing the conveying direction of the first heat medium as described.
  • This design is of great interest, inter alia, in the field of the automotive industry, where such a device can be used both for heating and for air-conditioning cooling of a passenger compartment in an automobile.
  • the heat energy released by the use of highly efficient combustion engines is no longer available in sufficient quantities to heat the passenger compartment, or in the case of electric vehicles whose drive type no longer releases any significant heat energy and makes it usable, are for operation of the vehicle to provide alternative heating options at cold ambient temperatures, for which the device according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable, since they also offer a cooling option in addition to a heating option by simply reversing and redesigning the circuit of the first heating medium.
  • This application is also of great advantage e.g. in the area of air conditioning (heating / cooling) of passenger compartments in rail wagons and also in other means of transport, buildings and rooms, mobile homes and mobile homes or in machines and systems.
  • the method may be necessary - depending on the weather conditions and outside temperature and depending on the desired temperature setting for the area to be cooled - to intervene with active cooling of the first heating medium, for which the first heating medium in a section of the first heat medium circuit in the flow direction after the first heat exchanger and before the second heat exchanger can be actively cooled, for example with the aid of a Peltier element or with the aid of several such elements.
  • the Peltier elements which are operated with electrical energy, there is also a warm side of the element in addition to the cold side used for cooling, at which heat has to be dissipated in order to be able to continue operating the Peltier element with a cooling effect.
  • This heat can advantageously be dissipated to an environmental heat medium and thus added to the environmental heat.
  • air can be used to cool the Peltier element on its warm side, for example with a fan or simply via a flow channel (for example charged by the wind of a vehicle equipped with the device according to the invention).
  • a further circuit with a heat medium can also be formed, which absorbs the waste heat from the Peltier elements and in turn emits it to an environmental medium, for example via a heat exchanger.
  • This cycle can also be flowed through directly by such an environmental medium (e.g. air, but also a heat medium connected to geothermal energy.
  • the first heat medium used is preferably one as has already been described above for the device, so that reference can be made to the above description with regard to the preferred selection of this first heat medium.
  • the device according to the invention and the method according to the invention can be used and applied in a variety of ways, for example for heating or cooling buildings, in particular for residential and utility buildings, as heating and air conditioning for the automotive industry, for the transport and logistics industry, for buses and coaches Railway, for machine and plant construction, but also for use in household appliances.
  • FIG. 3 outlines a further modification that can be selected for both of the basic design variants shown in the preceding figures.
  • the figures also contain representations that illustrate the process sequence of a method according to the invention to be operated on these devices.
  • a first heat exchanger 1 which in this embodiment is a heat exchanger that provides a heat transfer between a gaseous environmental medium and a circulating heat medium guided in a line 2.
  • the first heat medium is guided in a first circuit 3.
  • the line 2 in the heat exchanger 1 is connected to a pipe section 4, which is part of a feed line to a second heat exchanger 5, which in turn is traversed by the first heat medium in a line 6 and serves to exchange heat between this first heat medium and a gaseous medium.
  • a further heat exchanger 7 is arranged, starting from the first heat exchanger 1 behind the pipe section 4, through which the heat medium supplied in the pipe section 4 flows and which the heat medium leaves again via a further pipe section 8.
  • the heat exchanger 7 can also be flowed through in the opposite direction, as will be explained later.
  • the pipe section 8 is then connected to a further heat exchanger 9, through which the heat medium flows to an adjoining pipe section 10, which then opens into the second heat exchanger 5, is connected to the line 6 in this heat exchanger 5.
  • Another pipe section 11 is on an opposite side with the heat exchanger 5, more precisely with the line 6, and leads to a circulating pump 12.
  • two switchable 3-way valves 14, 15 are arranged in a pipe section 13 adjoining the circulating pump 12.
  • a further circuit 20 is realized in the illustrated device, in which a second heat medium circulates.
  • the second heat medium flows through the heat exchanger 7, then enters a pipe section 21 and is compressed by a turbo-compressor (in particular a micro-turbo-compressor) 22, guided via a pipe section 23 to the heat exchanger 9 and then back to the heat exchanger 7 via a return line 24 .
  • a turbo-compressor in particular a micro-turbo-compressor
  • the one in the Figure 1 The device shown can now be operated in two modes, namely once as a heat pump to heat a useful medium passed through the heat exchanger 5, and another time as an air conditioning device (air conditioning) to cool a useful medium passed through the heat exchanger 5.
  • the circulating pump 12 is the first heat medium in the circuit 3 in the illustration of FIG Figure 1 can circulate clockwise.
  • the operating direction of the heat media in the heat medium circuits 3 and 20 is illustrated by the filled arrows in the first circuit 3 and by the arrows outlined with dashed lines in the second circuit 20.
  • the first heat exchanger 1 can in particular be a lamellar heat exchanger with a fan 25.
  • the first heat medium is transported clockwise by the circulation pump 12 in the closed heat medium circuit 3 and brings the absorbed environmental heat to the heat exchanger 7.
  • the first heat medium is increased in its temperature level by the waste heat that comes from the return from the heat exchanger 5, as well as by the cooling of the second heat medium from the second circuit 20.
  • the temperature level can be increased to approx. 30 ° C if the temperature of the second heating medium in the return is cooled down to approx. 30 °.
  • the 3-way valves 14, 15 are each in a switching position in which the supply line 16 and the discharge line 17 are also integrated into the circuit 3.
  • the second heat medium cooled down (for example to approx. 30 ° C.), is sucked in, compressed and again in the self-contained second circuit 20 in a diabatic process by the speed-controlled turbo-compressor 22, which can in particular be a micro-turbo-compressor brought to a high temperature level, so-called compression heat is impressed on it.
  • the speed-controlled turbo-compressor 22 which can in particular be a micro-turbo-compressor brought to a high temperature level, so-called compression heat is impressed on it.
  • the second heat medium heated in this way meets the first heat medium again in the heat exchanger 9, which is routed around the turbo compressor in the pipe section 8, and heats the first heat medium to a usable temperature.
  • the heated first heat medium flows to the heat exchanger 5, which in this exemplary embodiment can be a lamellar heat exchanger with a fan 26.
  • the first heat medium transfers this heat to a useful medium, e.g. fresh air that is sucked in.
  • the first heat medium comes from the heat exchanger 5 and flows through the 3-way valve 14 to use the waste heat to the heat exchanger 7.
  • the first heat medium cooled to about 10 ° C, for example, then comes to the controllable Peltier elements 19 via the 3-way valve 15.
  • the Peltier effect reduces the temperature of the heating medium to approximately 10K below the ambient heat.
  • the heat generated during cooling on the other side of the Peltier element can advantageously also be used to preheat the ambient heat.
  • the energetic use of the Peltier elements 19 is then optimally used.
  • the Peltier elements 19 can be regulated and thus the desired temperature range can be set.
  • the first heat medium comes back to the heat exchanger 1.
  • the cycle can start again. It is important to mention that the first heating medium does not undergo any phase transitions during the entire cycle. Rather, the first heat medium is a liquid that remains liquid under all conditions occurring in the course of the first circuit 3.
  • the first heating medium is in particular a hydrofluoroether, for example ethoxynonafluorobutane (C 4 F 9 OC 2 H 5 ).
  • the second heating medium does not undergo a phase change either, but remains gaseous during the entire passage of the second circuit 20.
  • the device is operated as follows; this operation is represented by the open arrows outlined in solid lines in the figure.
  • the second circuit 20 When the device is operated as an air conditioning system, the second circuit 20 is deactivated; the turbo compressor 22 is not required for cooling and therefore remains out of operation.
  • the environmental medium e.g. outside or exhaust air
  • the environmental medium is preferably colder than the first heat medium, so that the first heat medium in the heat exchanger 1 transfers heat to the environmental medium.
  • the device also functions when the environmental medium is warmer than the first heat medium when it flows through the heat exchanger 1 in the line 2.
  • the circulation pump 12 is designed to be reversible in its conveying direction.
  • the first heat medium is transported by the circulating pump 12 here in the counterclockwise direction in the circuit 3 in the representation of the figure.
  • a controller regulates the use of energy by the Peltier elements 19 preferably in such a way that a difference between the temperature of the environmental medium and the temperature of the first heating medium is approximately 10 K, for example.
  • the first heat medium flows through the two 3-way valves 14, 15, which are switched so that the heat medium is passed on directly into the pipe section 11 without going to the heat exchanger 7 to arrive.
  • the first heat medium therefore reaches the heat exchanger 5 directly.
  • the heat medium absorbs heat from the useful medium and cools it down in the process.
  • This useful medium can be used in the device Figure 1 in particular be sucked in and cooled fresh air, which then reaches the rooms to be air-conditioned, for example the passenger compartment of a vehicle.
  • the first heat medium exits the heat exchanger 5 at a higher temperature than it entered this heat exchanger 5 and flows to the heat exchanger 9.
  • the first heat medium flows through this heat exchanger 9 and on to the heat exchanger 7 without any further heat exchange routed around the turbo compressor 22 in the pipe section 8.
  • the first heat medium now flows through the heat exchanger 1 again and gives off heat there, provided it is at a higher temperature level than the ambient temperature, and the cycle then begins again.
  • FIG 2 a device, which is basically identical in construction and operates according to the same principle, is sketched, so that reference can be made to the above description.
  • the only difference in the representation in Figure 2 to those in Figure 1 is that the in Figure 1 shown heat exchangers 1 and 5 in the structure according to Figure 2 have been replaced by heat exchangers 1 'and 5', the heat exchangers 1 'and 5' now being those that are also connected to a line system on the input or output side and not, for example, as fins of Air can flow through freely.
  • one of the line systems in this heat exchanger can also have a gaseous medium, for example air, flowing through it, in particular line 27 or line section 28 Transport of geothermal energy is fed to the heat exchanger 1 'in a line 27 and a heating medium, for example water, is heated in a line section 28 of a heating circuit with the heat exchanger 5'.
  • a gaseous medium for example air
  • Transport of geothermal energy is fed to the heat exchanger 1 'in a line 27 and a heating medium, for example water, is heated in a line section 28 of a heating circuit with the heat exchanger 5'.
  • a heating medium for example water
  • FIG 3 is finally shown by the representation of a section or a partial section of the illustration according to Figure 2 a variant is shown in which - if the device is used for air conditioning (cooling) - the Peltier elements 19 are actively cooled on their heat-emitting side.
  • Such active cooling can be necessary in particular when the ambient temperature is particularly high.
  • the airflow may be sufficient to dissipate the heat released by the Peltier elements in their respective heat-emitting part. This can be more difficult with stationary systems.
  • a fan 29 can initially be provided for this purpose. If the provision of such a fan 29 is sufficient to adequately cool the Peltier element (s) on the heat-emitting sides, no further cooling measures are required. If the supply of fresh air by means of the fan 29 alone is not sufficient, a further cooling mechanism can additionally or alternatively be provided, for example one such as is shown in FIG Figure 3 is sketched.
  • Cooling with the aid of a heating medium is provided there, the first heating medium from the heating medium circuit 3 being used in this embodiment.
  • Heat medium flowing in a feed line 30 absorbs waste heat from the Peltier element (s) 19.
  • a circulation pump 31 then conveys the heat medium in the direction of a 3-way valve 32.
  • the 3-way valve 32 can be connected to the supply line 16. If the 3-way valve 32 is connected to the supply line 16 in the cooling mode of the device, this supply line 16 is separated from the line formed by the pipe sections 11 and 13 by means of the 3-way valve 14. As a result, after flowing through the 3-way valve 32, the first heat medium is passed on via the supply line 16 to a further 3-way valve 33. In this operating mode, this blocks the supply line 16 from the heat exchanger 7 and transfers the flow of the first heat medium instead into a short-circuit line 34.
  • a further 3-way valve 35 which is connected to the discharge line 17.
  • the 3-way valve 35 blocks the discharge line 17 from the heat exchanger 7 and conducts the first heat medium to the expansion valve 18. There the first heat medium is expanded and thereby cooled.
  • a further 3-way valve 36 connected downstream of the expansion valve 18, which blocks the discharge line 17 from the 3-way valve 15 in this operating mode, the thus cooled and pressure-relieved heat medium is then transferred to a 3-way valve 36 connected return line 37 and from there back to the Peltier elements 19, where it again absorbs waste heat in order to then get back into the flow line 30.
  • This circuit is activated by connecting the corresponding 3-way valves 32, 33, 35 and 36 by a control when the device is working in the cooling mode and active cooling of the Peltier elements 19 is required.
  • the first heat medium has to be cooled down particularly far in order to be in the heat exchanger 1 or 1 'to be able to absorb environmental heat at a low temperature level.
  • the short-circuit line 34 is then typically not used, the 3-way valves 33 and 35 can be switched in such a way that the heat exchanger 7 remains integrated in the circuit.
  • the 3-way valves 14 and 15 are also switched in such a way that they include the supply line 16 and the discharge line 17.
  • the 3-way valves 32 and 36 are then switched in such a way that they open both a connection to the 3-way valves 14 and 15 and the connection in the direction of the circulating pump 31 or the return line 37.
  • the 3-way Valve 32 must also have a non-return valve so that the first thermal fluid pressed in from the supply line 16 from the 3-way valve 14 by means of the circulation pump 12 cannot flow into the 3-way valve 32 in the direction opposite to the intended direction of circulation.
  • the flow directions and courses of the first cooling medium for the case of operation as heating (heat pump) or as cooling (for air conditioning) are indicated by arrows, as can be seen from the legend arranged in the figure.
  • a special feature of the invention consists in the selection of the first heating medium.
  • this is preferably a hydrofluoroether (a chemical compound of the empirical formula C x F y -OC m H n , where x is a number from 1 to 12; y is a number from 0 to 25; m is a number from 1 to 12 and n is a number from 0 to 25).
  • hydrofluoroether a chemical compound of the empirical formula C x F y -OC m H n , where x is a number from 1 to 12; y is a number from 0 to 25; m is a number from 1 to 12 and n is a number from 0 to 25.
  • Such compounds are present as a liquid under normal conditions. They typically only have their pour point in the temperature range from -38 ° C to -138 ° C, and the boiling point is between 34 ° C and 128 ° C. These compounds are liquid between the pour point and boiling point.
  • the densities of these liquids are significantly higher than the heat media used by known and corresponding devices.
  • This medium is also electrically non-conductive, so that it can serve as a cooling medium for cooling the Peltier elements 19 to which electrical voltage is applied, in the manner described above, without leading to a short circuit or the like.
  • the global warming potential (GWP) of corresponding compounds is also very clearly, between 5 days and 4.9 years, below the GWP of previously used heating media.
  • Hydrofluoroethers are compatible with many metals, plastics and elastomers and thus allow the use of cheaper and smaller components in the implementation of devices operated with these media.
  • hydrofluoroethers are not dangerous goods and therefore do not have to be specially treated in accordance with the legislation during transport, assembly, repair or service, dismantling and in the event of accidents. Rather, they are correspondingly easier, more environmentally friendly and risk-free to handle and use.
  • Hydrofluoroethers are also non-electrically conductive, non-combustible and flammable and can therefore also be used where there is a risk of fire in the event of an accident, short circuits in the electrical system or environmental hazards could arise.
  • a harmless, gaseous heat medium for example air, can be used in the second heat medium circuit.
  • the turbo compressor in the second heat medium circuit can work with a pressure of only up to 4 bar and still achieve sufficient heating of the second heat medium.
  • the comparatively low pressure significantly reduces the risk of accidents, leaks and environmental hazards.
  • the second heat medium circuit only a small volume of the second heat medium is required. Furthermore, there is only a low pressure there and, in addition, a preheated second heating medium before entering the turbo compressor, so that the required electrical power in the heat pump operation of the device is very low. A further reduction in the required electrical power can even be achieved if the turbo compressor is equipped with gas or magnetic bearings.
  • turbo-compressors in particular the preferred micro-turbo-compressors, are, among other things, that only very low mechanical losses occur and thus a very high level of efficiency is achieved.
  • Turbo compressors can be regulated very well. A very wide range of services can be covered with them.
  • the turbo compressors are distinguished by the fact that there is no pressure pulsation.
  • the use of a lubricant, such as oil in the scroll compressors is also not necessary with the turbo compressors. They have - especially as micro-turbo compressors - very small dimensions. E.g. a 5,000 W micro-turbo compressor has the dimensions: length 25.4 cm, diameter 8.0 c.
  • a scroll compressor with the same output has the following dimensions: length 60.0 cm and diameter 40.0 cm.
  • the turbo compressors are also very light compared to the scroll compressors that have been used up to now.
  • Turbo compressors are practically maintenance-free and therefore have extremely low operating costs.
  • the service life of these compressors is many times longer than that of scroll compressors.
  • Micro turbo compressors can have the disadvantage that the very high speeds of the impeller shaft (up to 500,000 rpm in peak load, normally between 80,000 rpm to 180,000 rpm) can lead to noises, which can, however, be controlled .

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Temperieren eines Mediums gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 11.
  • Die Klimatisierung von Fahrzeugen, wie Pkw, Lkw, Busse, Straßenbahnen, Reisezugwaggons und dergleichen, sowie von Gebäuden, wie Wohngebäuden, Bürogebäuden, Werkhallen, Produktionshallen und dergleichen, ist wichtig für das Wohlbefinden und die Sicherheit der Personen die sich in Fahrzeugen und Räumen aufhalten.
  • Von einer Vollklimatisierung nach DIN EN 13779 spricht man, wenn die Klimaanlage Lüftung, Heizung, Kühlung, Befeuchtung und Entfeuchtung gewährleistet. Eine Teilklimatisierung gibt es in den Varianten: Lüftung und Heizung mit und ohne Befeuchtungsfunktion, mit Kühlfunktion und mit Kühl- und Befeuchtungsfunktion.
  • Bekannte Mittel für die Klimatisierung von Räumen bzw. die Temperierung von Medien, die dann die Klimatisierung von Räumen bewirken können, sind Wärmepumpen (für die Heizung) und Klimaanlagen (für die Kühlung). So sind Klimaanlagen (für die Kühlung) in der WO 00/65287 A1 offenbart, in welcher in einem Kühlmittelkreislauf Luft und in einem anderen eine Flüssigkeit benutzt wird, wobei die Kühlmittelkreisläufe über einen Wärmeübertrager untereinander in Verbindung stehen. Mittels eines weiteren Wärmeübertragers wird dann von dem in dem zweiten Kühlkreislauf zirkulierenden Wärmemedium Wärme eines zu kühlenden Mediums aufgenommen. In der EP 690 275 A2 ist eine Klimaanlage (für die Kühlung) mit einem primären und einem sekundären Kühlkreislauf offenbart, die jeweils von einem Wärmemedium durchströmt sind und über einen Wärmeübertrager untereinander in Verbindung stehen. Mittels eines weiteren Wärmeübertragers wird dann von dem in dem zweiten Kühlkreislauf zirkulierenden Wärmemedium Wärme eines zu kühlenden Mediums aufgenommen, wobei vorgesehen ist, dass das Medium im primären Kreislauf unter einem Druck von mindestens 0,2 MPa (2 bar) steht.
  • Derartige Elemente können aber auch als Temperierungsaggregate für Maschinen und Anlagen für die Erwärmung oder Kühlung eines Arbeitsmediums, z.B. einer Flüssigkeit, eingesetzt werden zum Betreiben von Kühl- oder Temperierungsgeräten, bspw. im Zusammenhang mit Haushaltsgeräten, sog. "weißen Geräten".
  • Typische Merkmale derartiger Wärmepumpen und Klimaanlagen nach dem Stand der Technik sind folgende:
    • Es gibt einen Wärmemediumkreislauf, wobei ein in dem Wärmemediumkreislauf geführtes Wärmemedium verdampft und verflüssigt wird
    • Es gibt einen Verdampfer (meist Plattenwärmeübertrager), in dem das Wärmemedium einem Phasenübergang unterzogen (verdampft) wird.
    • Es gibt einen Verdichter bzw. Kompressor für das Verdichten des Wärmemediums (hauptsächlich sind dies Scroll-Verdichter).
    • Es gibt einen Kondensator bzw. Verflüssiger (meist Plattenwärmeübertrager) zum Verflüssigen des zuvor in dem Verdampfer dem Phasenübergang unterzogenen Wärmemediums.
    • Es gibt ein Expansionsventil zum Entspannen des Wärmemediums.
    • Es wird in der Regel ein klimaschädliches Wärmemedium verwendet (meistens R134a, R407c, R410a). Diese Wärmemedien haben ein sehr hohes Erderwärmungspotential (GWP) [nach Bundesfachschule Kälte-Klima: für R134a: 1.430, entspricht 19,86 Jahre, für R407c: 1.770, entspricht 24,58 Jahre, für R410a: 2.090. entspricht 29,03 Jahre].
  • Eine heute übliche Wärmepumpe steht unter erheblichem Druck von bis über 20 bar. Dadurch ist die Gefahr von Leckagen und Unfällen größer. Außerdem müssen entsprechend sichere Materialien und dickere Materialstärken genutzt werden.
  • Wegen des Einsatzes der oben genannten und anderer heute üblicher Wärmemedien kann nicht jedes Material, welches grundsätzlich für die Temperaturen geeignet ist, für den Aufbau entsprechender Vorrichtungen verwendet werden.
  • Der in den heutigen Systemen verwendete Verdampfer ist typischerweise eine spezielle Anfertigung eines Wärmeübertragers, da innerhalb des Wärmeübertragers eine Aggregatzustandsänderung von flüssig auf gasförmig stattfindet.
  • Scroll-Verdichter sind zwar laufruhig, besitzen aufgrund geringer mechanischer Verluste eine hohe Effizienz und weisen einen minimalen Kompressionstotraum auf. Als Nachteile bei Scroll-Verdichtern ist allerdings die geringe Verdichtungsendtemperatur zu sehen, die bei einer eventuell zu hohen Temperatur mit Einspritzung von 10%-15% des Wärmemediums minimiert werden muss. Ein weiterer entscheidender Nachteil ist die sehr eingeschränkte Leistungsregelung (mit Ausnahme einiger japanischer Modelle). Scroll-Verdichter weisen geringe Druckschwingungen (Druckpulsation) auf.
  • Diese Verdichterart (Scroll-Verdichter) benötigt eine Schmierung mit Öl. Dafür wird Polyvinyletheröl (PVE) oder Polyolesteröl (POE) eingesetzt. Das POE reagiert chemisch mit Wasser und bildet dabei eine Säure, was entsprechende Anforderungen an die Auswahl des Materials stellt, welches säureresistent sein muss. Somit wird die Haltbarkeit des Verdichters geringer und die Reparaturanfälligkeit höher.
  • Ein weiterer Nachteil ist bei Scroll-Verdichtern in dem hohen Ölwurf zu sehen, da ein hoher Ölwurf gleichzeitig eine hohe Ölmenge im Verdichterkreislauf bedeutet. Zur Sicherung des Umweltschutzes ist eine Ölwanne erforderlich, die bei Außenaufstellung oder bei eventuell kalten Aufstellorten eine elektrische Bandheizung erfordert und somit auch einen weiteren Energieeinsatz für den Betrieb des Systems bedingt.
  • Der Kondensator bzw. Verflüssiger ist typischerweise ebenfalls eine spezielle Anfertigung eines Wärmeübertragers, da auch in diesem eine Aggregatzustandsänderung stattfindet, hier von gasförmig zu flüssig.
  • Bei der Nutzung als Wärmepumpe zur Beheizung erfolgt der Umweltwärmetransport vom Verdampfer bis zum Verdichter auf einem niedrigen Temperaturniveau im gasförmigen Zustand. Vom Verdichter bis zum Kondensator erfolgt der Wärmetransport auf einem hohem Energieniveau ebenfalls gasförmig. Vom Kondensator bis zum Expansionsventil erfolgt der Wärmetransport auf einem mittlerem Temperaturniveau im flüssigen Aggregatzustand. Vom Expansionsventil bis zum Verdampfer ist der Wärmeträger flüssig, auf einem sehr niedrigen Energieniveau.
  • Bei der Nutzung als Klimaanlage zur Kühlung von Fahrzeugen erfolgt die Verdichtung des Wärmemediums in einem Kompressor, der über eine Kompressorkupplung direkt mit dem Fahrzeugmotor verbunden ist. Das Wärmemedium befindet sich nach der Verdichtung unter hohen Druck und ist gasförmig. Weiter strömt das gasförmige Wärmemedium zum Kondensator und wird dort mittels Fahrtwind und durch den Kondensatorlüfter abgekühlt. Jetzt ist das Wärmemedium unter hohem Druck, jedoch flüssig. Danach fließt das Wärmemedium in einen Filtertrockner und bleibt bis zum folgenden Expansionsventil unter hohem Druck flüssig. Im Expansionsventil wird das Wärmemedium entspannt und kühlt ab. Der Druck wird gering und das Wärmemedium ist weiterhin flüssig. Nun durchströmt das flüssige und kühle Wärmemedium den Verdampfer. Mittels eines Gebläses wird Luft durch den Verdampfer angesaugt und als kühle Luft in den Fahrgastraum eingeblasen. Durch die angesaugte warme Frischluft erwärmt sich das Wärmemedium im Verdampfer und wird unter geringem Druck wieder gasförmig. Jetzt strömt das gasförmige Wärmemedium unter geringem Druck durch das Expansionsventil wieder zum Kompressor. Dort wird es erneut verdichtet und der Kreislauf beginnt von neuem.
  • Ein wichtiges Entscheidungskriterium für Wärmepumpen und Klimaanlagen ist der sog. COP-Wert (Coefficient of Performance; für Wärmepumpen), bzw. der sog. EER-Wert (Energy-Efficiency-Ratio; für Klimaanlagen). Dieser Wert errechnet sich aus erzeugter Wärmemenge geteilt durch eingesetzte Elektroenergie (für Verdichter, Steuerung, Regelung und interne Pumpen der Wärmepumpe bzw. der Klimaanlage) im Volllastbetrieb. Eine typische Größe des COP bzw. EER liegt zwischen 3 und 6;
  • Ein weiteres wichtiges Beurteilungskriterium für Wärmepumpen ist die sog. JAZ (Jahresarbeitszahl). Diese errechnet sich aus tatsächlich abgegebener Wärmemenge geteilt durch tatsächliche zugeführte elektrische Energie (auch außerhalb der Wärmepumpe die für eine Beheizung benötigt wird). Typische Größen für die JAZ liegen zwischen 2,5 und 4.
  • Ein weiteres Kriterium, der sog. ESEER-Wert (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) berücksichtigt den Teillastbetrieb der Klimaanlage bzw. Wärmepumpe, denn ein Inverter-Klimagerät bzw. eine Wärmepumpe arbeiten fast ausschließlich im Teilastbetrieb.
  • Hier anzusetzen und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Temperieren eines Mediums anzugeben, welches die oben genannten Nachteile beseitigt und insbesondere eine hohe Energieeffizienz aufzeigt, ist Aufgabe der Erfindung. Dabei wird auch angestrebt, zumindest in einer vorteilhaften Weiterbildung eine Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums anzugeben, welche zum Betreiben sowohl als Heizeinrichtung als auch zur Klimatisierung aufgebaut und eingerichtet ist. Nach Möglichkeit sollen mit der Erfindung die große Baugröße und das hohe Gewicht bekannter Vorrichtungen vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen einer solchen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben. Ein Verfahren gemäß der Erfindung ist im Anspruch 10 dargelegt. Vorteilhafte Weiterbildungen dazu finden sich in den Ansprüchen 11 bis 15.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums hat demnach folgende Komponenten:
    1. a. einen ersten geschlossenen Wärmemediumkreislauf, in dem ein erstes Wärmemedium zirkuliert, wobei das erste Wärmemedium so gewählt ist, dass es ohne Phasenübergänge in dem ersten Wärmemediumkreislauf zirkuliert;
    2. b. einen zweiten geschlossenen Wärmemediumkreislauf, in dem ein zweites, gasförmiges Wärmemedium zirkuliert, wobei das zweite, gasförmige Wärmemedium so gewählt ist, dass es ohne Phasenübergänge den zweiten Wärmemediumkreislauf durchströmt;
    3. c. einen ersten, in dem ersten Wärmemediumkreislauf angeordneten, Wärmeübertrager, in dem das erste Wärmemedium mit einem Umgebungsmedium in Wärmeaustausch gebracht werden kann;
    4. d. einen zweiten, in dem ersten Wärmemediumkreislauf angeordneten, Wärmeübertrager, in dem das erste Wärmemedium mit dem zu temperierenden Medium in Wärmeaustausch gebracht werden kann;
    5. e. ein in dem ersten Wärmemediumkreislauf angeordnetes erstes Fördermittel zum Bewegen des ersten Wärmemediums in dem ersten Wärmemediumkreislauf;
    6. f. einen in dem zweiten geschlossenen Wärmekreislauf angeordneten Verdichter zum Komprimieren des zweiten, gasförmigen Wärmemediums;
    7. g. einen dritten Wärmeübertrager, der in Strömungsrichtung des zweiten Wärmemediums gesehen hinter dem Verdichter und in Kontakt mit dem zweiten Wärmemediumkreislauf angeordnet ist und in Wärmeaustausch mit dem ersten Wärmemedium in dem ersten Wärmemediumkreislauf steht;
    8. h. ein Mittel zum Abkühlen und/oder Entspannen des ersten Wärmemediums in dem ersten Wärmemediumkreislauf;
    9. i. einen in den zweiten Wärmemediumkreislauf integrierten vierten Wärmeübertrager, der dort in Durchströmungsrichtung gesehen vor dem Verdichter angeordnet ist und der mit dem in dem ersten Wärmemediumkreislauf geführten ersten Wärmemedium in Wärmeaustauschverbindung steht.
  • Eine Besonderheit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass sie ohne jeglichen Verdampfer bzw. Kondensator (Verflüssiger) auskommt, stattdessen einfache Wärmeübertrager aufweist. Dieser Umstand ist dadurch ermöglicht, dass keines der verwendeten Wärmemedien, weder das erste Wärmemedium noch das zweite Wärmemedium, in dem Prozess einen Phasenübergang durchläuft.
  • Der erste Wärmeübertrager, in dem das erste Wärmemedium mit einem Umgebungsmedium in Wärmeaustausch gebracht wird, kann einen Wärmeübertrag von zum Beispiel der Außenluft, von Erdwärme, von einer Flüssigkeit oder von einem Gas zu dem ersten Wärmemedium ermöglichen. Dieser erste Wärmeübertrager kann dementsprechend im Gegenstrom betrieben sein und zwei Ein- und Ausgänge, je einen für das jeweilige Wärmemedium, aufweisen. Bei dem ersten Wärmeübertrager kann es sich aber auch z.B. um einen Lamellenwärmeübertrager mit Lüfter für Fahrzeuge mit nur einem Ein- und einem Ausgang für ein einziges in einem Leitungssystem geführtes Wärmemedium handeln, um z.B. einen Wärmeaustausch zwischen einer Umweltwärme der Umgebungsluft und dem ersten Wärmemedium für die Beheizung und/oder Kühlung eines Fahrzeuginnenraums zu nutzen.
  • Der zweite Wärmeübertrager kann wiederum ein solcher sein, der dem Austausch von Wärme zwischen dem ersten Wärmemedium und einer für die Klimatisierung genutzten Umgebungsluft, dient, aber auch ein solcher, der einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Wärmemedium und einem weiteren in einem Leitungssystem geführten Medium erbringt. So kann im letzteren Fall der zweiten Wärmeübertrager wiederum als Gegenstrom-Wärmeübertrager mit je zwei Ein- und zwei Ausgängen für die beiden in Leitungssystemen geführten Medien sein, bzw. im ersteren Fall wiederum ein Lamellenwärmeübertrager mit Gebläse z.B. für Fahrzeuge (mit nur je einem Ein- und Ausgang für das erste Wärmemedium) zum direkten Austausch von Wärme mit in den Fahrzeuginnenraum strömender Luft.
  • In einem zweiten Wärmemediumkreislauf sitzt ein Verdichter, insbesondere ein Turboverdichteter, vorzugsweise ein Mikro-Turboverdichter, der das zweite Wärmemedium, welches gasförmig diesen Kreislauf durchströmt, komprimiert und dabei entsprechend erwärmt. Dieser Verdichter wird betrieben, wenn die Vorrichtung zum Heizen bzw. zum Erwärmen des zu temperierenden Mediums eingesetzt wird. Dann kann dieser Verdichter insbesondere drehzahlgesteuert auf die Außentemperatur reagieren, wobei er durch Einstellen einer höheren Drehzahl ein höheres Druckverhältnis erzeugt und damit höhere Temperaturen des komprimierten zweiten Wärmemediums (bei Reduzierung der Drehzahl den umgekehrten Effekt) erzielt.
  • In dem dritten Wärmeübertrager wird die durch den Verdichteter in dem zweiten Wärmemedium erzeugte Wärme auf das erste Wärmemedium überführt, wenn das System als Heizung betrieben wird. Im Falle der Verwendung der Vorrichtung für die Kühlung (s. dazu weiter unten) erfolgt im dritten Wärmeübertrager typischerweise, wenn dieser nicht durch entsprechende Ventile sogar ganz abgekoppelt ist, nur die Durchleitung des ersten Wärmemediums ohne weiteren Wärmeübertrag. Der Verdichter läuft in diesem Falle in der Regel nicht.
  • In der Vorrichtung ist ein vierter Wärmeübertrager vorgesehen, der in den zweiten Wärmemediumkreislauf integriert ist und dort in Durchströmungsrichtung gesehen vor dem Verdichter angeordnet ist und der mit dem in dem ersten Wärme Medium Kreislauf geführten ersten Wärmemedium in Wärmeaustauschverbindung steht.
  • In diesem Wärmeübertrager wird bereits ein erster Wärmeübertrag zwischen dem zweiten Wärmemedium und dem ersten Wärmemedium erreicht, bevor das zweite Wärmemedium durch die Kompression erhitzt wird. Insoweit trägt dieser weitere Wärmeübertrager zu einer Erhöhung der Effizienz im Heizbetrieb der Vorrichtung bei. Soll die Vorrichtung zum Kühlen eingesetzt werden, hat dieser vierte Wärmeübertrager keine Funktion, kann gegebenenfalls auch mit entsprechenden Ventilen und Leitungsabschnitten überbrückt werden.
  • Das Mittel zum Abkühlen und/oder Entspannen des ersten Wärmemediums in dem ersten Wärmemediumkreislauf sorgt für den Fall, dass die Vorrichtung im Heizmodus als Wärmepumpe betrieben wird, in bekannter Weise dafür, dass zurück strömendes erstes Wärmemedium weiter abgekühlt wird, so dass es auch bei niedriger Umgebungstemperatur Wärme aus der Umgebung aufnehmen und somit für die Heizung zur Verfügung stellen kann. In einem Betrieb der Vorrichtung für die Kühlung kann das Mittel zum Abkühlen eingesetzt werden, um eine eventuell weitere Absenkung der Temperatur des ersten Wärmemediums für einen verbesserten Kühleffekt im zweiten Wärmeübertrager zu erhalten.
  • Dabei kann das Mittel zum Abkühlen mit Vorteil ein, insbesondere regelbares, Peltier-Element oder mehrere solche Peltier-Elemente sein. Ein solches Element kann unabhängig von einer Druckentspannung eine Kühlwirkung herbeiführen, was insbesondere für den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen, also als Klimaanlage oder Kühlaggregat, von Vorteil ist.
  • Als das erste Wärmemedium kann insbesondere eine Flüssigkeit verwendet werden, insbesondere eine solche, die bei Normaldruck jedenfalls im Temperaturbereich von -50°C bis +60°C flüssig ist. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Phasenübergänge in dem ersten Wärmemedium arbeitet, ist sicherzustellen, dass dieses Medium im Bereich der entsprechenden Betriebstemperaturen eine einheitliche Phase hält. Ein flüssiges erstes Wärmemedium ist dabei einem gasförmigen vorzuziehen, da die Wärmespeicherkapazität deutlich höher ist. Selbstverständlich können auch solche Flüssigkeiten als erstes Wärmemedium verwendet werden, die noch eine größere Temperaturspanne aufweisen, innerhalb derer sie flüssig bleiben. So kann diese Temperaturspanne beispielsweise auch zwischen -60°C und +70°C liegen, auch noch darüber hinaus, beispielsweise zwischen -90°C (oder noch tiefer, zum Beispiel bis zu -135°C) und +75°C oder gar + 125°C.
  • Bei der Wahl des ersten Wärmemediums ist neben der Temperaturspanne, innerhalb derer es sicher die Phase hält, auch die Fähigkeit, Wärme, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen, z.B. Umweltwärme auch noch bei Minusgraden, auch im tieferen negativen Bereich, aufzunehmen und zu speichern (Wärmekapazität) ebenso wie die Fähigkeit, Wärme schnell aufzunehmen bzw. abzugeben zu berücksichtigen. Als geeignet hat sich in dieser Hinsicht erwiesen, wenn als erstes Wärmemedium ein Hydrofluorether verwendet wird. Hydrofluorether sind chemischen Verbindungen der Summenformel CxFy-O-CmHn, wobei x für eine Zahl von 1 bis 12 steht; y für eine Zahl von 0 bis 25 steht; m für eine Zahl von 1 bis 12 steht und n für eine Zahl von 0 bis 25 steht. Die entsprechenden Verbindungen sind aus unterschiedlich langen Ketten von vollfluorierten Carbonen, die über eine Ether-Gruppe mit einem Alkylrest verbunden sind, gebildet. Ein Beispiel für einen besonders geeignetes Hydrofluorether, das als erstes Wärmemedium verwendet werden kann, ist Ethoxynonafluorbutan (C4F9OC2H5) zu nennen. Hierbei handelt es sich um eine klare, farblose Flüssigkeit mit einem Stockpunkt (bei Normaldruck) von -138°C und einen Siedepunkt (bei Normaldruck) von 76°C. Dieses Material kann in einer für den Einsatz als erstes Wärmemedium in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gut verwendbaren Qualität zum Beispiel von der 3M Deutschland GmbH unter der Handelsbezeichnung 3M™ Novec™ 7200 High-Tech Flüssigkeit bezogen werden.
  • Die hier beanspruchte Stoffgruppe ist nicht klimaschädlich, so dass deren Einsatz nicht nur hoch effizient aus technologischer Sicht, sondern auch unter ökologischen Gesichtspunkten unbedenklich ist.
  • Das zweite, gasförmige Wärmemedium kann prinzipiell ganz unterschiedliche Formen annehmen, wobei hier Luft als sehr geeignet angesehen wird. Denn mit Luft als zweites Wärmemedium werden ausreichende Temperierungseffekte erreicht, dieses Medium steht überall gleichermaßen "kostenfrei" zur Verfügung, so dass die Verwendung von Luft hier keine weiteren Kosten in der Produktion und im Betrieb bedeutet. Zudem ergeben sich keine möglichen Umweltprobleme, die für die Verwendung eines anderen Mediums gegebenenfalls auftreten könnten, insbesondere wenn dieses aus einem geschlossenen Kreislauf austritt.
  • Mit Vorteil kann der vierte Wärmeübertrager drei untereinander im Wärmeaustausch stehende, getrennte Leitungsstränge aufweisen, von denen ein erster Leitungsstrang zu dem zweiten Wärmemediumkreislauf, ein zweiter Leitungsstrang zu einem ersten Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs und ein dritter Leitungsstrang zu einem zweiten Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs gehört. In dieser Ausgestaltung weist also der vierte Wärmeübertrager je drei Ein- und Ausgänge auf und nutzt - im Heizungsbetrieb - zusätzlich die Abwärme aus dem Rücklauf des ersten Wärmemediums für die Vorerwärmung des ersten Wärmemediums, nachdem das erste Wärmemedium in dem ersten Wärmetauscher Umweltwärme aufgenommen hat und bevor es in dem dritten Wärmeübertrager durch die nach dem Verdichter in dem zweiten Wärmemediumkreislauf erzeugte Kompressionswärme weiter erwärmt wird. Dabei dient der vierte Wärmeübertrager auch der Abkühlung des zweiten Wärmemediums im zweiten Wärmemediumkreislauf.
  • Insbesondere dann, wenn ein weiteres Reduzieren des Druckes im ersten Wärmemediumkreislauf erforderlich ist, dies zudem zu einer weiteren Abkühlung des ersten Wärmemediums auf der Strecke der Rückführung hin zu dem ersten Wärmeübertrager beiträgt, kann in dem zweiten Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs ein, insbesondere regelbares, Expansionsventil angeordnet sein.
  • Bei dem ersten Fördermittel zum Bewegen des ersten Wärmemedium kann es sich insbesondere um eine Umwälzpumpe handeln, die insbesondere steuerbar ausgeführt sein kann.
  • Das erste Fördermittel, beispielsweise eine Umwälzpumpe, kann insbesondere in seiner Förderrichtung umkehrbar gestaltet sein, um so das erste Wärmemedium in zwei Richtungen, einem Rechtslauf und einem Linkslauf durch den geschlossenen ersten Wärmemediumkreislauf fördern bzw. bewegen bzw. treiben zu können. Dieser Umstand der Möglichkeit eines wahlweise einzunehmenden Rechtslaufes bzw. Linkslaufes ist insbesondere für die Option eines wahlweisen Betriebes der Vorrichtung als Heizvorrichtung (Wärmepumpe) bzw. als Kühlvorrichtung (Klimaanlage, Kühlaggregat) von Bedeutung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Temperieren eines Mediums zeichnet sich entsprechend dadurch aus, dass ein erstes Wärmemedium in einem ersten geschlossenen Wärmemediumkreislauf geführt und darin von einem ersten Fördermittel in Zirkulation gehalten wird, um Wärme aufzunehmen und abzugeben, wobei das erste Wärmemedium in dem ersten Wärmemediumkreislauf durch einen ersten Wärmeübertrager geführt wird zum Austausch von Wärme mit einem Umgebungsmedium. Ferner wird das erste Wärmemedium durch einen zweiten Wärmeübertrager geführt zum Austausch von Wärme mit dem zu temperierenden Medium, wobei das erste Wärmemedium in dem ersten Wärmemediumkreislauf geführt wird, ohne in dem ersten Wärmemediumkreislauf Phasenübergänge zu durchlaufen. Für ein Erwärmen des zu temperierenden Mediums wird dabei das erste Wärmemedium von dem Fördermittel durch den ersten Wärmeübertrager geführt, um dort Wärme aufzunehmen. Nach Durchströmen des ersten Wärmeübertragers wird das erste Wärmemedium durch einen dritten Wärmeübertrager geführt, der in einem zweiten geschlossenen Wärmemediumkreislauf eingebunden ist, in dem ein zweites, gasförmiges Wärmemedium ohne Phasenübergänge im Kreis geführt ist. In dem zweiten Wärmemediumkreislauf ist dabei ein Verdichter angeordnet, der in Strömungsrichtung des zweiten Wärmemediums gesehen vor dem dritten Wärmeübertrager angeordnet ist und das zweite Wärmemedium komprimiert und erwärmt. Das erste Wärmemedium nimmt dann in dem dritten Wärmeübertrager Wärme von dem zweiten Wärmemedium auf und wird nach Durchlaufen des dritten Wärmeübertragers durch den zweiten Wärmeübertrager geführt. Dort gibt das erste Wärmemedium Wärme an das zu temperierenden Medium ab. Schließlich wird das erste Wärmemedium nach dem Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers entspannt und/oder abgekühlt und zu dem ersten Wärmeübertrager zurückgeführt.
  • Dieses Verfahren kann, und wird vorzugsweise - in einer Vorrichtung durchgeführt werden, wie sie vorstehend beschrieben und erläutert ist. In der oben beschriebenen Verfahrensführung arbeitet die Vorrichtung als Wärmepumpe, wird also ein Verfahren zum Erwärmen eines Nutzmediums betrieben.
  • Erfindungsgemäß wird das erste Wärmemedium nach dem Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers und vor dem erneuten Durchströmen des ersten Wärmeübertragers durch einen vierten Wärmeübertrager geführt, der in den zweiten Wärmemediumkreislauf eingebunden ist und der von dem zweiten Wärmemedium durchströmt wird, bevor dieses durch den Verdichter komprimiert wird. Durch diesen vierten Wärmeübertrager wird zudem das erste Wärmemedium in einem weiteren Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs geführt, und zwar nach dem Durchströmen des ersten Wärmeübertragers und vor dem Durchströmen des dritten Wärmeübertragers. Dabei wird in diesem weiteren Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs in diesem vierten Wärmeübertrager Wärme sowohl von dem zweiten Wärmemedium (vor dem Verdichten) als auch von dem in dem Abschnitt zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und dem ersten Wärmeübertrager in Richtung des ersten Wärmeübertragers rückgeführten ersten Wärmemedium aufgenommen. Diese Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht die Effizienz des Verfahrens bzw. der so betriebenen Vorrichtung, wenn diese als Wärmepumpe genutzt wird, da so die ansonsten nutzlos abgeführte Restwärme noch dem Wirkungskreislauf zugeführt wird.
  • Bei der wie vorstehend beschriebenen Ausgestaltung kann zudem das erste Wärmemedium zwischen dem Verlassen des vierten Wärmeübertragers und vor der erneuten Zuführung zu dem ersten Wärmeübertrager entspannt und/oder abgekühlt werden. Dies kann zum Beispiel mit Hilfe von Peltier-Elementen geschehen, aber auch zum Beispiel unter Verwendung eines Expansionsventils in der oder in Kontakt mit der entsprechenden Leitung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann nun aber auch wahlweise nicht für eine Heizung, also zum Betrieb der Vorrichtung nach Art einer Wärmepumpe, verwendet werden, sondern auch für die Kühlung des zu temperierenden Mediums eingesetzt werden. Dabei wird dann die Förderrichtung des Fördermittels und damit die Strömungsrichtung des ersten Wärmemediums umgekehrt, wobei zugleich der zweite Wärmemediumkreislauf unterbrochen und/oder insoweit abgekoppelt wird, dass ein Wärmeübertrag zwischen dem zweiten Wärmemedium und dem ersten Wärmemedium nicht mehr stattfindet. Dann wird das erste Wärmemedium durch den zweiten Wärmeübertrager geführt, um dort Wärme von dem zu temperierenden Medium aufzunehmen und dieses zu temperierende Medium somit abzukühlen. Anschließend durchströmt das erste Wärmemedium dann den dritten Wärmeübertrager, ohne dort einen weiteren Wärmeaustausch vorzunehmen, oder strömt an diesem vorbei, und strömt danach durch den ersten Wärmeübertrager, um dort Wärme an das Umweltmedium abzugeben. Anschließend wird das erste Wärmemedium zu dem zweiten Wärmeübertrager zur erneuten Aufnahme von Wärme aus dem zu temperierenden Medium zurückgeführt. Auch hier durchläuft das erste Wärmemedium diesen Kreislauf ohne Phasenübergänge.
  • In dieser Verfahrensvariante ist eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sehen, die sich auch als Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer Nutzung derselben abbildet. Denn hier kann ein und dieselbe Vorrichtung durch die beschriebene Umkehr der Förderrichtung des ersten Wärmemediums sowohl als Wärmepumpe für Heizungszwecke als auch zum Abkühlen eines Mediums, zum Beispiel als Klimaanlage oder Kühlaggregat, verwendet werden.
  • Diese Gestaltungsform ist unter anderem von großem Interesse im Bereich der Automobilindustrie, wo eine solche Vorrichtung sowohl für das Beheizen als auch für das klimatisierende Kühlen eines Fahrgastraumes in einem Automobil verwendet werden kann. Insbesondere dort, wo zum Beispiel durch Verwendung hocheffizienter Verbrennungsmotoren freiwerdende Wärmeenergie nicht mehr in ausreichender Menge vorliegt, um den Fahrgastraum zu beheizen, oder auch im Falle von Elektrofahrzeugen, deren Antriebsform überhaupt keine nennenswerte Wärmeenergie mehr frei werden lässt und nutzbar macht, sind für den Betrieb des Fahrzeuges bei kalten Umgebungstemperaturen alternative Heizungsmöglichkeiten vorzusehen, für die eben die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet sind, da sie neben einer Heizmöglichkeit durch die einfache Umkehr und Umgestaltung des Kreislaufs des ersten Wärmemediums auch eine Kühlmöglichkeit bieten. Diese Anwendung ist aber auch z.B. im Bereich der Klimatisierung (Beheizung / Kühlung) von Fahrgasträumen in Bahnwaggons und auch in anderen Verkehrsmitteln, Gebäuden und Räumen, Wohnmobilen und Wohncontainern oder in Maschinen und Anlagen gleichermaßen von großem Vorteil.
  • Wird das Verfahren wie oben beschrieben zum Kühlen eingesetzt, so kann es - je nach Witterungsbedingungen und Außentemperatur und je nach gewünschter Temperatureinstellung für den zu kühlenden Bereich - erforderlich sein, mit einer aktiven Kühlung des ersten Wärmemediums einzugreifen, wozu das erste Wärmemedium in einem Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs in Durchströmungsrichtung nach dem ersten Wärmeübertrager und vor dem zweiten Wärmeübertrager aktiv gekühlt werden kann, zum Beispiel mithilfe eines PeltierElements oder mithilfe mehrere solcher Elemente. Bei den dann eingesetzten Peltierelementen, die mit elektrischer Energie betrieben werden, ergibt sich neben der zum Kühlen verwendeten kalten Seite auch eine warme Seite des Elements, an der Wärme abgeführt werden muss, um das Peltierelement weiter mit kühlendem Effekt betreiben zu können. Diese Wärme kann mit Vorteil an ein Umweltwärmemedium abgeführt und so der Umweltwärme zugeschlagen werden. Dazu kann z.B. mit einem Lüfter oder einfach über einen Strömungskanal (z.B. durch den Fahrtwind eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Fahrzeuges beschickt) Luft zum Kühlen des Peltierelements auf seiner warmen Seite eingesetzt werden. Es kann aber auch ein weiterer Kreislauf mit einem Wärmemedium gebildet werden, das die Abwärme der Peltierelemente aufnimmt und seinerseits z.B. über eine Wärmeübertrager an ein Umweltmedium abgibt. Dieser Kreislauf kann auch direkt von einem solchen Umweltmedium durchströmt werden (z.B. Luft, aber auch einem mit Erdwärme verbundenen Wärmemedium.
  • Im Rahmen des Verfahrens wird als erstes Wärmemedium bevorzugt ein solches eingesetzt, wie es vorstehend auch bereits für die Vorrichtung beschrieben worden ist, so dass bezüglich der bevorzugten Auswahl dieses ersten Wärmemediums auf die voranstehende Beschreibung Bezug genommen werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind vielfältig nutz- und anwendbar, so z.B. für die Gebäudebeheizung bzw. -kühlung, insbesondere für Wohn- und Nutzgebäude, als Heizungs- und Klimaanlage für die Automobilindustrie, für die Verkehr- und Logistikbranche, für Busse und Bahn, für den Maschinen- und Anlagenbau, aber auch für die Verwendung in Haushaltsgeräten.
  • Weitere Vorteile und Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums in einer ersten möglichen Ausgestaltung der Erfindung und mit einer Veranschaulichung des Verfahrensablaufs;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums in einer zweiten möglichen Ausgestaltung der Erfindung und mit einer Veranschaulichung des Verfahrensablaufs; und
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Vorrichtung entsprechend der Darstellung in Fig. 2 mit der Veranschaulichung einer aktiven Kühlung der Peltierelemente.
  • In den Figuren sind in im Grundsatz zwei zueinander leicht abgewandelten Ausgestaltungsformen mögliche Umsetzungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Temperieren eines Mediums skizziert. Darüber hinaus ist in Fig. 3 eine weitere Abwandlung skizziert, die für beide in den vorhergehenden Figuren dargestellten grundsätzlichen Ausgestaltungsvarianten gewählt werden kann. Die Figuren enthalten dabei auch Darstellungen, die den Verfahrensablauf eines auf diesen Vorrichtungen zu betreibenden erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulichen.
  • In Figur 1 ist zunächst einmal ein erste Wärmeübertrager 1 gezeigt, bei dem es sich in dieser Ausgestaltungsvariante um einen Wärmeübertrager handelt, der einen Wärmeübertrag zwischen einem gasförmigen Umweltmedium und einem in einer Leitung 2 geführten zirkulierenden Wärmemedium besorgt. Das erste Wärmemedium wird dabei in einem ersten Kreislauf 3 geführt. Die Leitung 2 in dem Wärmeübertrager 1 ist verbunden mit einem Rohrleitungsstück 4, welches Teil einer Zuführleitung zu einem zweiten Wärmeübertrager 5 ist, welcher wiederum in einer Leitung 6 von dem ersten Wärmemedium durchströmt wird und dem Wärmeaustausch zwischen diesem ersten Wärmemedium und einem gasförmigen Medium dient.
  • In der Zuführleitung ist ausgehend von dem ersten Wärmeübertrager 1 hinter dem Rohrleitungsstück 4 ein weiterer Wärmeübertrager 7 angeordnet, durch den das in dem Rohrleitungsstück 4 zugeführte Wärmemedium hindurchströmt und den das Wärmemedium über ein weiteres Rohrleitungsstück 8 wieder verlässt. Der Wärmeübertrager 7 kann dabei auch in umgekehrter Richtung durchströmt werden, wie dies später noch erläutert werden wird. Das Rohrleitungsstück 8 ist dann mit einem weiteren Wärmeübertrager 9 verbunden, durch den das Wärmemedium hindurchströmt bis zu einem sich anschließenden Rohrleitungsstück 10, welches dann in den zweiten Wärmeübertrager 5 mündet, mit der Leitung 6 in diesem Wärmeübertrager 5 verbunden ist. Ein weiteres Rohrleitungsstück 11 ist auf einer gegenüberliegenden Seite mit dem Wärmeübertrager 5, genauer mit der Leitung 6, verbunden und führt zu einer Umwälzpumpe 12. In einem sich an die Umwälzpumpe 12 anschließenden Rohrleitungsstück 13 sind zwei schaltbare 3-Wege-Ventile 14, 15 angeordnet. Diese erlauben in getrennten Schaltstellungen entweder eine Führung des Stroms des ersten Wärmemediums über eine Zuleitung 16 durch den Wärmeübertrager 7 und zurück über eine Ableitung 17, in der ein regelbares Expansionsventil 18 vorgesehen ist, zu dem Rohrleitungsstück 13 oder unter Umgehung dieser Schlaufe durch den Wärmeübertrager 7 direkt weiter in dem Rohrleitungsstück 13. Gesehen von der Umwälzpumpe 12 jenseits der 3-Wege-Ventile 14, 15 ist wenigstens ein regelbares Peltierelement 19 angeordnet, es können auch mehrere derartige Elemente vorgesehen sein. Das Rohrleitungsstück 13 mündet dann wieder in der Leitung 2 des Wärmeübertragers 1 und schließt so den Kreislauf 3.
  • In der in Figur 1 veranschaulichten Vorrichtung ist ein weiterer Kreislauf 20 realisiert, in welchem ein zweites Wärmemedium zirkuliert. Hierbei durchströmt das zweite Wärmemedium den Wärmeübertrager 7, gelangt dann in ein Rohrleitungsstück 21 und wird durch einen Turboverdichteter (insbesondere einen Mikro-Turboverdichter) 22 komprimiert, über ein Rohrleitungsstück 23 zu dem Wärmeübertrager 9 geführt und sodann über eine Rückleitung 24 zurück zu dem Wärmeübertrager 7.
  • Die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung kann nun in zwei Modi betrieben werden, nämlich einmal als Wärmepumpe, um ein durch den Wärmeübertrager 5 geführtes Nutzmedium zu erwärmen, ein andermal als Klimatisierungsvorrichtung (Klimaanlage) um einen durch den Wärmeübertrager 5 geführtes Nutzmedium abzukühlen.
  • Nachfolgend wird zunächst die Verwendung als Wärmepumpe beschrieben, bei der die Umwälzpumpe 12 das erste Wärmemedium in dem Kreislauf 3 in der Darstellung der Figur 1 im Uhrzeigersinn zirkulieren lässt.
  • Die Betriebsrichtung der Wärmemedien in den Wärmemediumskreisläufen 3 und 20 ist mit den gefüllten Pfeilen im ersten Kreislauf 3 und mit den mit gestrichelten Linien umrissen Pfeilen im zweiten Kreislauf 20 veranschaulicht.
  • Bei diesem Betrieb wird in dem ersten Wärmeübertrager 1 Umweltwärme (z.B. aus Außen- oder Abluft) auf das erste Wärmemedium übertragen, wenn dieses die Leitung 2 passiert. Der erste Wärmeübertrager 1 kann dabei insbesondere ein Lamellenwärmeübertrager mit Lüfter 25 sein.
  • Das erste Wärmemedium wird durch die Umwälzpumpe 12 im Uhrzeigersinn in dem in sich geschlossenen Wärmemediumskreislauf 3 transportiert und bringt die aufgenommene Umweltwärme zum Wärmeübertrager 7.
  • In dem Wärmeübertrager 7 wird das erste Wärmemedium durch die Abwärme, die aus dem Rücklauf vom Wärmeübertrager 5 stammt, sowie durch die Abkühlung des zweiten Wärmemediums aus dem zweiten Kreislauf 20, in seinem Temperaturniveau erhöht. In der Praxis kann hier z.B. eine Erhöhung des Temperaturniveaus auf ca. 30°C stattfinden, wenn die Temperatur des zweiten Wärmemediums im Rücklauf auf ca. 30° heruntergekühlt wird. Die 3-Wege-Ventile 14, 15 befinden sich dafür entsprechend jeweils in einer Schaltstellung, in der die Zuleitung 16 und die Ableitung 17 mit in den Kreislauf 3 eingebunden sind.
  • Das (z.B. auf ca. 30°C) abgekühlte zweite Wärmemedium wird in dem in sich geschlossenen zweiten Kreislauf 20 in einem diabatischen Prozess durch den drehzahlgesteuerten Turboverdichter 22, bei dem es sich insbesondere um einen Mikro-Turboverdichter handeln kann, angesaugt, verdichtet und wieder auf ein hohes Temperaturniveau gebracht, ihm wird sog. Verdichtungswärme aufgeprägt.
  • Das so erhitzte zweite Wärmemedium trifft im Wärmeübertrager 9 wieder auf das erste Wärmemedium, welches in dem Rohrleitungsstück 8 um den Turboverdichter herumgeleitet wird, und erwärmt das erste Wärmemedium auf eine nutzbare Temperatur.
  • Das erwärmte erste Wärmemedium strömt zum Wärmeübertrager 5, bei dem es sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen Lamellen-Wärmeübertrager mit Gebläse 26 handeln kann. In diesem Wärmeübertrager 5 gibt das erste Wärmemedium diese Wärme an ein Nutzmedium, z.B. angesaugte Frischluft, ab.
  • Das erste Wärmemedium kommt aus dem Wärmeübertrager 5 und fließt über das 3-Wege-Ventil 14 zur Nutzung der Abwärme zum Wärmeübertrager 7 die Temperatur des Rücklaufes kann beim Austritt aus dem Wärmeübertrager 7, z.B. ca. 10°C betragen.
  • Das auf z.B. ca. 10°C abgekühlte erste Wärmemedium kommt dann über das 3-Wege-Ventil 15 zu den regelbaren Peltier-Elementen 19. Auf dem Weg dorthin kann durch das regelbare Expansionsventil 18 bereits eine Entspannung und Abkühlung des ersten Wärmemediums erreicht werden. An den Peltier-Elementen 19 wird durch den Peltier-Effekt die Temperatur des Wärmemediums auf ca. 10K unterhalb der Umweltwärme abgesenkt. Die bei der Kühlung auf der anderen Seite des Peltier-Elementes entstehende Wärme kann mit Vorteil auch zur Vorheizung der Umweltwärme dienen. So wird dann der energetische Einsatz bei den Peltier-Elementen 19 optimal ausgenutzt. Die Peltier-Elemente 19 sind regelbar und somit kann der gewünschte Temperaturbereich eingestellt werden.
  • Nach der Abkühlung durch die regelbaren Peltier-Elemente 19 kommt das erste Wärmemedium wieder zum Wärmeübertrager 1. Der Kreislauf kann von neuem beginnen. Dabei ist wichtig zu erwähnen, dass während des gesamten Kreislaufs das erste Wärmemedium keinerlei Phasenübergänge durchläuft. Vielmehr handelt es sich bei dem ersten Wärmemedium um eine Flüssigkeit, die unter allen im Zuge des ersten Kreislaufs 3 auftretenden Bedingungen flüssig bleibt. Bei dem ersten Wärmemedium handelt es sich insbesondere um ein Hydrofluorether, z.B. um Ethoxynonafluorbutan (C4F9OC2H5).
  • Auch das zweite Wärmemedium durchläuft keinen Phasenwechsel, sondern bleibt während des gesamten Durchlaufs des zweiten Kreislaufs 20 gasförmig.
  • Wie bereits erwähnt, kann die nach dem in Figur 1 gezeigte Schema aufgebaute Vorrichtung nicht nur als Wärmepumpe betrieben werden, sondern auch zum Abkühlen bzw. Klimatisieren eines Nutzmediums.
  • Dabei wird die Vorrichtung wie folgt betrieben; dieser Betrieb ist durch die nicht ausgefüllten, mit durchgehender Linie umrissenen Pfeile in der Figur dargestellt.
  • Beim Betrieb der Vorrichtung als Klimaanlage ist der zweite Kreislauf 20 außer Kraft gesetzt; der Turboverdichter 22 wird bei der Kühlung nicht benötigt und bleibt daher außer Betrieb.
  • In einem solchen Betrieb der Vorrichtung als Klimaanlage ist das Umweltmedium (z.B. Außen- oder Abluft) vorzugsweise kälter als das erste Wärmemedium, so dass das erste Wärmemedium in dem Wärmeübertrager 1 Wärme auf das Umweltmedium übertragen wird. Die Vorrichtung funktioniert allerdings auch dann, wenn das Umweltmedium wärmer ist als das erste Wärmemedium, wenn dieses den Wärmeübertrager 1 in der Leitung 2 durchströmt.
  • Nach der Aufnahme von Umweltwärme oder der Abgabe von Wärme an das Umweltmedium durch das Wärmemedium strömt dieses zu einer eventuell erforderlichen weiteren Abkühlung durch die regelbaren Peltier-Elemente 19. Dies geschieht durch die Umwälzpumpe 12, die den ersten Kreislauf 3 nun von dem ersten Wärmemedium in umgekehrter Richtung durchströmen lässt. Hierzu ist die Umwälzpumpe 12 in ihrer Förderrichtung umkehrbar gestaltet. Das erste Wärmemedium wird durch die Umwälzpumpe 12 hier also in der Darstellung der Figur gegen den Uhrzeigersinn in dem Kreislauf 3 transportiert.
  • Eine Steuerung regelt den Energieeinsatz der Peltier-Elemente 19 vorzugsweise so, dass eine Differenz zwischen der Temperatur des Umweltmediums und der Temperatur des ersten Wärmemediums z.B. ca. 10 K beträgt.
  • Nach der Temperaturabsenkung strömt das erste Wärmemedium durch die beiden 3-Wege-Ventile 14, 15, die so geschaltet sind, dass das Wärmemedium direkt weitergeleitet wird in das Rohrleitungsstück 11, ohne dabei zu dem Wärmeübertrager 7 zu gelangen. Das erste Wärmemedium gelangt also unmittelbar zum Wärmeübertrager 5.
  • In diesem Wärmeübertrager 5 nimmt das Wärmemedium Wärme aus dem Nutzmedium auf und kühlt dieses dabei ab. Dieses Nutzmedium kann in der Vorrichtung nach Figur 1 insbesondere angesaugte und abgekühlte Frischluft sein, die dann wieder in zu klimatisierende Räume, z.B. die Fahrgastzelle eines Fahrzeugs gelangt.
  • Das erste Wärmemedium tritt mit einer höheren Temperatur aus dem Wärmeübertrager 5 aus, als es in diesen Wärmeübertrager 5 eingetreten ist, und strömt zum Wärmeübertrager 9. Durch diesen Wärmeübertrager 9 und weiter zum Wärmeübertrager 7 strömt das erste Wärmemedium ohne weiteren Wärmetausch abei wird das erste Wärmemedium in dem Rohrleitungsstück 8 um den TurboVerdichter 22 herumgeleitet.
  • Jetzt strömt das erste Wärmemedium wieder durch den Wärmeübertrager 1 hindurch und gibt dort, sofern es auf einem höheren Temperaturniveau befindlich ist als die Umgebungstemperatur, Wärme ab, beginnt dann den Kreislauf von neuem.
  • Dabei ist es auch möglich eine weitere Rohrleitungsstrecke vorzusehen, die insbesondere über Ventile alternativ geschaltet werden kann, in der das erste Wärmemedium direkt vom Wärmeübertrager 5 zum Wärmeübertrager 1 gelangt, und dabei die Wärmeübertrager 7 und 9 umgeht, die in dieser Betriebsart ohnedies keinen funktionellen Beitrag zum Kühlverfahren leisten.
  • In Figur 2 ist eine im Prinzip identisch aufgebaute Vorrichtung skizziert, die nach dem gleichartigen Prinzip arbeitet, so dass insoweit auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen werden kann. Der einzige Unterschied der Darstellung in Figur 2 zu derjenigen in Figur 1 besteht darin, dass die in Figur 1 dargestellten Wärmeübertrager 1 und 5 in dem Aufbau gemäß Figur 2 durch Wärmeübertrager 1' und 5' ersetzt worden sind wobei es sich bei den Wärmeübertragern 1' und 5' nun um solche handelt, die eingangs- bzw. ausgangsseitig ebenfalls an ein Leitungssystem angeschlossen sind und nicht etwa als Lamellen von Luft frei durchströmt werden. Selbstverständlich kann jedenfalls eines der Leitungssysteme in diesem Wärmetauscher auch von einem gasförmigen Medium, z.B. Luft durchströmt sein, insbesondere die Leitung 27 bzw. der Leitungsabschnitt 28. In einer solchen Ausgestaltung eignet sich die Vorrichtung beispielsweise zum Beheizen von Wohnräumen, indem zum Beispiel ein Medium zum Zutransport von Erdwärme dem Wärmeübertrager 1' in einer Leitung 27 zugeführt wird und mit dem Wärmeübertrager 5' ein Heizmedium, zum Beispiel Wasser in einem Leitungsabschnitt 28 eines Heizungskreislaufs, erwärmt wird. Bei wie oben beschriebenen umgekehrten Betrieb kann hier auch für eine Klimatisierung (Kühlung) von Wohnräumen gesorgt werden.
  • In Figur 3 ist schließlich durch Darstellung eines Ausschnittes bzw. eines Teilabschnittes der Veranschaulichung gemäß Figur 2 eine Variante gezeigt, in der - im Falle der Verwendung der Vorrichtung zur Klimatisierung (Kühlung) - die Peltierelemente 19 auf ihrer wärmeabgebenden Seite aktiv gekühlt werden. Eine solche aktive Kühlung kann insbesondere dann, wenn die Umgebungstemperatur besonders hoch ist, erforderlich sein. Wird die Vorrichtung beispielsweise im Rahmen eines Fahrzeuges eingesetzt, so mag der Fahrtwind genügen, die von den Peltierelementen jeweils in an ihrem wärmeabgebenden Teil freigesetzte Wärme abzuführen. Schwieriger kann dies schon bei stationären Systemen werden.
  • Hierfür kann zunächst ein Lüfter 29 vorgesehen sein. Sofern das Vorsehen eines solchen Lüfters 29 genügt, das oder die Peltierelement(e) an den wärmeabgebenden Seiten ausreichend zu kühlen, sind keine weiteren Kühlmaßnahmen erforderlich. Genügt die Zufuhr von Frischluft mittels des Lüfters 29 allein nicht, so kann zusätzlich oder kann alternativ ein weiterer Kühlmechanismus vorgesehen sein, z.B. ein solcher, wie er in der Figur 3 skizziert ist.
  • Dort ist eine Kühlung mithilfe eines Wärmemediums vorgesehen, wobei in dieser Ausgestaltung das erste Wärmemedium aus dem Wärmemediumkreislauf 3 eingesetzt wird.
  • In einer Vorlaufleitung 30 strömendes Wärmemedium nimmt Abwärme von dem oder den Peltierelement(en) 19 auf. Eine Umwälzpumpe 31 fördert dann das Wärmemediumg in Richtung eines 3-Wege-Ventils 32 .Das 3-Wege-Ventil 32 ist mit der Zuleitung 16 verbindbar. Wenn das 3-Wege-Ventil 32 im Kühlmodus der Vorrichtung mit der Zuleitung 16 verbunden ist, so ist diese Zuleitung 16 mittels des 3-Wege-Ventils 14 von der durch die Rohrleitungsstücke 11 und 13 gebildeten Leitung getrennt. Dadurch wird das erste Wärmemedium nach Durchströmen des 3-Wege-Ventils 32 weitergeleitet über die Zuleitung 16 hin zu einem weiteren 3-Wege-Ventil 33. Dieses riegelt in diesem Betriebsmodus die Zuleitung 16 von dem Wärmeübertrager 7 ab und überführt den Strom des ersten Wärmemediums stattdessen in eine Kurzschlussleitung 34. Diese ist mit einem weiteren 3-Wege-Ventil 35 verbunden, das an die Ableitung 17 angebunden ist. In diesem Betriebsmodus riegelt das 3-Wege-Ventil 35 die Ableitung 17 von dem Wärmetauscher 7 ab und leitet das erste Wärmemedium hin zu dem Expansionsventil 18. Dort wird das erste Wärmemedium entspannt und dadurch abgekühlt. Über ein weiteres, dem Expansionsventil 18 nachgeschaltetes 3-Wege-Ventil 36, das die Ableitung 17 in diesem Betriebsmodus von dem 3-Wege-Ventil 15 abriegelt, gerät das so abgekühlte und druckentspannte Wärmemedium dann in eine an das 3-Wege-Ventil 36 angeschlossene Rücklaufleitung 37 und von dort wieder zu den Peltierelementen 19, wo es erneut Abwärme aufnimmt, um dann wieder in die Vorlaufleitung 30 zu gelangen. Dieser Kreislauf wird durch Beschaltung der entsprechenden 3-Wege-Ventile 32, 33, 35 und 36 durch eine Steuerung dann aktiviert, wenn die Vorrichtung im Kühlmodus arbeitet und dabei eine aktive Kühlung der Peltierelemente 19 erforderlich ist.
  • Selbstverständlich kann, wie der Fachmann ohne weiteres erkennt, eine entsprechende Leitungs- und Ventilanordnung und -beschaltung auch bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umgesetzt werden.
  • Auch ist es möglich, eine wie oben beschriebene aktive Kühlung des / der Peltierelemente(s) 19 auch im Wärmepumpenbetrieb zu betreiben, wenn z.B. das erste Wärmemedium besonders weit heruntergekühlt werden muss, um in dem Wärmetauscher 1 bzw. 1' Umweltwärme auf einem niedrigen Temperaturniveau aufnehmen zu können. In einem solchen Fall wird dann typischerweise die Kurzschlussleitung 34 nicht genutzt, können die 3-Wege-Ventile 33 und 35 so geschaltet sein, dass der Wärmeübertrager 7 in dem Kreislauf eingebunden bleibt. Zudem sind in einer solchen Beschaltung auch die 3-Wege-Ventile 14 und 15 so geschaltet, dass sie die Zuleitung 16 und die Ableitung 17 mit einbeziehen. Die 3-Wege-Ventile 32 und 36 sind dann so geschaltet, dass sie sowohl eine Verbindung zu den 3-Wege-Ventilen 14 bzw. 15 öffnen als auch die Verbindung in Richtung der Umwälzpumpe 31 bzw. der Rücklaufleitung 37. Das 3-Wege-Ventil 32 muss zudem ein Rückschlagventil aufweisen, damit nicht aus der Zuleitung 16 von dem 3-Wege-Ventil 14 her mittels der Umwälzpumpe 12 eingedrücktes erstes Wärmefluid in der dem vorgesehenen Umlaufsinn entgegengesetzten Richtung in das 3-Wege-Ventil 32 einströmen kann.
  • Auch hier sind in der Figur 3 für den ersten Kühlmediumskreislauf 3 mit Pfeilen die Strömungsrichtungen und -verläufe des ersten Kühlmediums für den Fall des Betriebs als Heizung (Wärmepumpe) bzw. als Kühlung (für die Klimatisierung) angezeigt, wie aus der in der Figur angeordneten Legende ersichtlich.
  • Eine Besonderheit der Erfindung besteht in der Auswahl des ersten Wärmemediums. Wie bereits erwähnt ist dieses vorzugsweise ein Hydrofluorether (eine chemische Verbindung der Summenformel CxFy-O-CmHn, wobei x für eine Zahl von 1 bis 12 steht; y für eine Zahl von 0 bis 25 steht; m für eine Zahl von 1 bis 12 steht und n für eine Zahl von 0 bis 25 steht). Derartige Verbindungen liegen bei Normalbedingungen als Flüssigkeit vor. Sie haben typischerweise ihren Stockpunkt erst im Temperaturbereich von -38°C bis -138°C, und der Siedepunkt befindet sich zwischen 34°C und 128°C. Zwischen Stockpunkt und Siedepunkt sind diese Verbindungen flüssig. Die Dichten dieser Flüssigkeiten liegen deutlich höher als die von bekannten und entsprechenden Vorrichtungen verwendeten Wärmemedien. Dieses Medium ist darüber hinaus elektrisch nicht leitend, so dass es in der oben beschriebenen Weise als Kühlmedium zum Kühlen der mit elektrischer Spannung beaufschlagten Peltierelemente 19 dienen kann, ohne dabei zu einem Kurzschluss oder dergleichen zu führen.
  • Auch liegt das Erderwärmungspotential (GWP) entsprechender Verbindungen sehr deutlich, nämlich zwischen 5 Tagen und 4,9 Jahren, unterhalb des GWP von bisher verwendeten Wärmemedien. Hydrofluorether sind mit vielen Metallen, Kunststoffen und Elastomeren verträglich und lassen so den Einsatz von kostengünstigeren und kleineren Komponenten bei der Umsetzung von mit diesen Medien betriebenen Vorrichtungen zu.
  • Anders als die bisher üblichen verwendeten Wärmemedien sind Hydrofluorether keine Gefahrengüter und müssen entsprechend beim Transport, bei der Montage, der Reparatur bzw. dem Service, der Demontage sowie bei Unfällen nicht entsprechend der Gesetzgebung besonders behandelt werden. Sie sind vielmehr entsprechend einfacher, umweltschonender und risikoloser händel- und einsetzbar.
  • Auch sind Hydrofluorether nicht elektrisch leitend, nicht brenn- und entflammbar und somit auch dort einsetzbar, wo bei einem Unfall das Risiko eines Brandes besteht, Kurzschlüsse im elektrischen System möglich wären oder Umweltgefährdungen entstehen können.
  • In dem zweiten Wärmemediumskreislauf kann ein ungefährliches, gasförmiges Wärmemedium, zum Beispiel Luft, verwendet werden.
  • Der Turboverdichter in dem zweiten Wärmemediumskreislauf kann mit einem Druck von nur bis zu 4 bar arbeiten und dennoch bereits eine ausreichende Erwärmung des zweiten Wärmemedium erreichen. Durch den vergleichsweise geringen Druck verringert sich erheblich die Gefahr von Unfällen, Leckagen und Umweltgefährdungen.
  • In dem zweiten Wärmemediumgskreislauf ist nur ein geringes Volumen des zweiten Wärmemediums erforderlich. Weiterhin gibt es dort nur einen geringen Druck und dazu auch ein vorgewärmtes zweites Wärmemedium vor Eintritt in den Turboverdichter, so dass die erforderliche elektrische Leistung im Wärmepumpenbetrieb der Vorrichtung sehr gering ist. Eine weitere Verringerung der erforderlichen elektrischen Leistung kann sogar noch erreicht werden, wenn der Turboverdichter mit einer Gas- oder Magnetlagerung ausgestattet ist.
  • Vorteile der Turboverdichter, insbesondere der bevorzugt verwendeten Mikro-Turboverdichter, sind u.a., dass nur sehr geringe mechanische Verluste auftreten und so eine sehr hohe Effizienz erreicht wird. Turboverdichter weisen eine sehr gute Leistungsregulierbarkeit auf. Mit ihnen kann ein sehr großes Leistungsspektrum abgedeckt werden. Im Gegensatz zu den in bekannten Vorrichtungen üblichen Scroll-Verdichtern zeichnen sich die Turboverdichter dadurch aus, dass es keine Druckpulsation gibt. Die Verwendung eines Schmiermittels, wie Öl bei den Scroll-Verdichtern, entfällt ebenfalls bei den Turboverdichtern. Sie weisen - insbesondere als Mikro-Turboverdichter - sehr geringe Baugrößenabmessungen auf. Z.B. hat ein 5.000 W Mikro-Turboverdichter die Abmessungen: Länge 25,4 cm, Durchmesser 8,0 c. Zum Vergleich: Ein Scroll-Verdichter gleicher Leistung hat die Abmessungen: Länge 60,0 cm und Durchmesser 40,0 cm. Dadurch sind die Turboverdichter im Vergleich zu den bisher üblichen Scroll-Verdichtern auch sehr leicht. Turboverdichter sind quasi wartungsfrei und haben dadurch extrem geringe Betriebskosten. Die Lebensdauer dieser Verdichter ist um ein vielfaches höher, als die von Scroll-Verdichtern.
  • Micro-Turboverdichter können den Nachteil haben, dass durch die sehr hohen Drehzahlen der Impellerwelle (bis zu 500.000 U/min in der Spitzenlast, im Normalfall zwischen 80.000 U/min bis 180.000 U/min) es zu Geräuschen kommen kann, die allerdings beherrschbar sind.
  • Aufgrund des neuen Verfahrens und Einsatz der geänderten Bauteile und Komponenten wird eine signifikante Steigerung des COP und der JAZ erreicht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'
    Wärmeübertrager
    2
    Leitung
    3
    erster Kreislauf
    4
    Rohrleitungsstück
    5, 5'
    Wärmeübertrager
    6
    Leitung
    7
    Wärmeübertrager
    8
    Rohrleitungsstück
    9
    Wärmeübertrager
    10
    Rohrleitungsstück
    11
    Rohrleitungsstück
    12
    Umwälzpumpe
    13
    Rohrleitungsstück
    14
    3-Wege-Ventil
    15
    3-Wege-Ventil
    16
    Zuleitung
    17
    Ableitung
    18
    Expansionsventil
    19
    Peltierelement
    20
    zweiter Kreislauf
    21
    Rohrleitungsstück
    22
    Turboverdichter
    23
    Rohrleitungsstück
    24
    Rückleitung
    25
    Lüfter
    26
    Gebläse
    27
    Leitung
    28
    Leitungsabschnitt
    29
    Lüfter
    30
    Vorlaufleitung 3-Wege-Ventil
    31
    Umwälzpumpe
    32
    3-Wege-Ventil
    33
    3-Wege-Ventil
    34
    Kurzschlussleitung
    35
    3-Wege-Ventil
    36
    3-Wege-Ventil
    37
    Rücklaufleitung 3-Wege-Ventil

Claims (15)

  1. Verfahren zum Temperieren eines Mediums, wobei ein erstes Wärmemedium in einem ersten geschlossenen Wärmemediumkreislauf geführt und darin von einem ersten Fördermittel in Zirkulation gehalten wird, um Wärme aufzunehmen und abzugeben, wobei das erste Wärmemedium in dem ersten Wärmemediumkreislauf durch einen ersten Wärmeübertrager geführt wird zum Austausch von Wärme mit einem Umgebungsmedium und wobei das erste Wärmemedium durch einen zweiten Wärmeübertrager geführt wird zum Austausch von Wärme mit dem zu temperierende Medium, wobei das erste Wärmemedium in dem ersten Wärmemediumkreislauf geführt wird, ohne in dem ersten Wärmemediumkreislauf Phasenübergänge zu durchlaufen, dass für ein Erwärmen des zu temperierenden Mediums das erste Wärmemedium von dem Fördermittel durch den ersten Wärmeübertrager geführt wird, um dort Wärme aufzunehmen, dass das erste Wärmemedium nach dem Durchströmen des ersten Wärmeübertragers durch einen dritten Wärmeübertrager geführt wird, der in einem zweiten geschlossenen Wärmemediumkreislauf eingebunden ist, in dem ein zweites, gasförmiges Wärmemedium ohne Phasenübergänge im Kreis geführt ist, wobei in dem zweiten Wärmemediumkreislauf ein Verdichter angeordnet ist, der in Strömungsrichtung des zweiten Wärmemediums gesehen vor dem dritten Wärmeübertrager angeordnet ist und das zweite Wärmemedium komprimiert und erwärmt, wobei das erste Wärmemedium in dem dritten Wärmeübertrager Wärme von dem zweiten Wärmemedium aufnimmt, dass das erste Wärmemedium nach Durchlaufen des dritten Wärmeübertragers durch den zweiten Wärmeübertrager geführt wird, in dem es Wärme an das zu temperierende Medium abgibt, und dass das erste Wärmemedium nach dem Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers entspannt und/oder abgekühlt und zu dem ersten Wärmeübertrager zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmemedium nach dem Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers und vor dem erneuten Durchströmen des ersten Wärmeübertragers durch einen vierten Wärmeübertrager geführt wird, der in den zweiten Wärmemediumkreislauf eingebunden ist und von dem zweiten Wärmemedium durchströmt wird, bevor dieses durch den Verdichter komprimiert wird, und durch den das erste Wärmemedium in einem weiteren Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs geführt ist, und zwar nach dem Durchströmen des ersten Wärmeübertragers und vor dem Durchströmen des dritten Wärmeübertragers, wobei das in diesem weiteren Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs in diesem vierten Wärmeübertrager Wärme sowohl von dem zweiten Wärmemedium als auch von dem in dem Abschnitt zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und dem ersten Wärmeübertrager in Richtung des ersten Wärmeübertragers rückgeführten ersten Wärmemedium aufnimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmemedium zwischen dem Verlassen des vierten Wärmeübertragers und vor der erneuten Zuführung zu dem ersten Wärmeübertrager entspannt und/oder abgekühlt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Kühlung des zu temperierenden Mediums die Förderrichtung des Fördermittels und damit die Strömungsrichtung des ersten Wärmemediums umgekehrt wird, wobei zugleich der zweite Wärmemediumkreislauf unterbrochen und/oder abgekoppelt wird, wobei das erste Wärmemedium durch den zweiten Wärmeübertrager geführt wird, um dort Wärme von dem zu temperierenden Medium aufzunehmen, anschließend den dritten Wärmeübertrager durchströmt, ohne dort einen weiteren Wärmeaustausch vorzunehmen, oder um diesen dritten Wärmetauscher herumgeleitet wird, anschließend den ersten Wärmeübertrager durchströmt, um dort Wärme an das Umweltmedium abzugeben, und anschließend zu dem zweiten Wärmeübertrager zur erneuten Aufnahme von Wärme aus dem zu temperierenden Medium zurückgeführt wird, wobei das erste Wärmemedium diesen Kreislauf ohne Phasenübergänge durchläuft.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmemedium in einem Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs in Durchströmungsrichtung nach dem ersten Wärmeübertrager und vor dem zweiten Wärmeübertrager aktiv gekühlt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Wärmemedium eine Flüssigkeit verwendet wird, die bei Normaldruck jedenfalls im Temperaturbereich von -50°C bis + 60°C flüssig ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Wärmemedium ein Hydrofluorether verwendet wird.
  7. Vorrichtung eingerichtet zur Durchführung eines Verfahren zum Temperieren eines Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Komponenten:
    a. einem ersten geschlossenen Wärmemediumkreislauf (3), in dem ein erstes Wärmemedium zirkuliert, wobei das erste Wärmemedium so gewählt ist, dass es ohne Phasenübergänge in dem ersten Wärmekreislauf zirkuliert,
    b. einem zweiten geschlossenen Wärmemediumkreislauf (20), in dem ein zweites, gasförmiges Wärmemedium zirkuliert, wobei das zweite gasförmige Wärmemedium so gewählt ist, dass es ohne Phasenübergänge den zweiten Wärmemediumkreislauf durchströmt,
    c. einem ersten, in dem ersten Wärmemediumkreislauf (3) angeordneten, Wärmeübertrager (1; 1 '), in dem das erste Wärmemedium mit einem Umgebungsmedium in Wärmeaustausch gebracht werden kann,
    d. einem zweiten, in dem ersten Wärmemediumkreislauf (3) angeordneten, Wärmeübertrager (5; 5'), in dem das erste Wärmemedium mit dem zu temperierenden Medium in Wärmeaustausch gebracht werden kann,
    e. einem in dem ersten Wärmemediumkreislauf (3) angeordneten ersten Fördermittel (12) zum Bewegen des ersten Wärmemediums in dem ersten Wärmemediumkreislauf (3),
    f. einem in dem zweiten geschlossenen Wärmekreislauf (20) angeordneten Verdichter (22) zum Komprimieren des zweiten, gasförmigen Wärmemediums,
    g. einem dritten Wärmeübertrager (9), der in Durchströmungsrichtung gesehen hinter dem Verdichter (22) und in Kontakt mit dem zweiten Wärmemediumkreislauf (20) angeordnet ist und in Wärmaustausch mit dem ersten Wärmemedium in dem ersten Wärmemediumkreislauf (3) steht,
    h. einem Mittel (18, 19) zum Abkühlen und/oder Entspannen des ersten Wärmemediums in dem ersten Wärmemediumkreislauf (3), dadurch gekennzeichnet, dass
    i. ein vierter Wärmeübertrager (7) vorgesehen ist, der in den zweiten Wärmemediumkreislauf (20) integriert ist und dort in Durchströmungsrichtung gesehen vor dem Verdichter (22) angeordnet ist und der mit dem in dem ersten Wärmemediumkreislauf (3) geführten ersten Wärmemedium in Wärmeaustauschverbindung steht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als das erste Wärmemedium eine Flüssigkeit verwendet wird, die bei Normaldruck jedenfalls im Temperaturbereich von -50°C bis +60°C flüssig ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmemedium ein Hydrofluorether ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch wenigstens ein Peltier-Element (19) als Mittel zum Abkühlen des ersten Wärmemediums.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Wärmeübertrager (7) drei untereinander in Wärmeaustausch stehende, getrennte Leitungsstränge aufweist, von denen ein erster Leitungsstrang zu dem zweiten Wärmemediumkreislauf (20) gehört, ein zweiter Leitungsstrang zu einem ersten Abschnitt (4, 21) des ersten Wärmemediumkreislaufs (3) und ein dritter Leitungsstrang (16, 17) zu einem zweiten Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs (3) gehört.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt des ersten Wärmemediumkreislaufs, zu dem der dritte Leitungsstrang (16, 17) gehört, über entsprechende Ventile (14, 15) in den ersten Wärmemediumkreislauf (3) eingebunden oder von diesem getrennt und überbrückt werden kann.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Abschnitt (16, 17) ein, insbesondere regelbares, Expansionsventil (18) angeordnet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, das erste Fördermittel (12) hinsichtlich der Förderrichtung umkehrbar ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (22) ein Turboverdichter ist.
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