WO2025021283A1 - Cooling circuit device and heat pump - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a refrigeration circuit device for a heat pump and a heat pump for heating and/or cooling a building.
- a high degree of integration of the individual components of a refrigeration circuit is intended to achieve a particularly compact design of the refrigeration circuit device with as few refrigeration lines as possible. This also makes it possible to achieve particularly safe and low-maintenance operation of the heat pump.
- Modern heat pumps are characterized by a high level of efficiency and can therefore be used in an ecologically and economically attractive way for heating and/or cooling a building, especially a residential building or office building.
- heating with environmental heat is climate-friendly.
- energy suppliers have been offering special heat pump tariffs for several years that are financially more attractive than a normal electricity tariff.
- the German patent application DE 10 2018 102 670 A1 describes a heat pump 1 with an integrated buffer storage tank 3, which is shown schematically in Fig. 1.
- the heat pump system 10 shown in Fig. 1 consists, in a known manner, of a heat pump 1 and a heat sink 2.
- a heating circuit 2.1 with a large number of radiators 2.3 and a hot water tank 2.2 are shown as heat sink 2 in Fig. 1. In normal operation or heating operation, ambient heat is transferred from the heat pump 1 to the heat sink 2.
- the heat pump system 10 has a heat exchanger 6 which operates as a condenser and through which a heating circuit medium flows.
- An output 3.2 of the buffer tank 3 is connected upstream of an inlet 6.2 of the heat exchanger 6 in the flow direction of the heating circuit medium.
- the heating circuit medium flows via a return line RL from the heat sink 2 or from the outlet 3.2 of the buffer tank 3 in the direction of the heat pump 1, which is indicated in Fig. 1 by an arrow pointing to the left.
- the heating circuit medium flows via a flow line VL from the heat pump to the heat sink 2 or to the inlet 3.1 of the buffer tank 3, which is indicated in Fig. 1 by an arrow pointing to the right.
- the heat pump system 10 shown in Fig. 1 consists of two interconnected system parts, one of which is located inside the building and one outside the building. Such a configuration is also referred to as a split heat pump.
- the two system parts are usually referred to as the outdoor unit (ODU) and the indoor unit (IDU).
- the coolant circulates between the outdoor unit ODU and the indoor unit IDU.
- the buffer tank 3 is also located in the indoor unit IDU.
- the outdoor unit ODU and the indoor unit IDU are arranged in a common housing.
- a heating circuit pump 7 for circulating the heating circuit medium is arranged between the inlet 6.2 of the heat exchanger 6 on the return line RL and the buffer tank 3. Furthermore, a temperature sensor 11 for measuring the return temperature of the heating circuit medium is arranged in the return line RL.
- the coolant of the heat pump 1 absorbs ambient heat via the external unit ODU (Fig. 1 shows a schematic of the evaporator with a fan 8).
- the coolant is then transported via a compressor 9.1 to the heat exchanger 6, which works as a condenser, in order to release the absorbed heat to the heating circuit medium.
- the coolant is then expanded in a known manner via an expansion valve 9.2 before it returns to the evaporator 5.
- the heating circuit medium first passes through the flow line VL to a valve 4, which is designed as a 4/3-way valve, for example.
- the heating circuit medium is then directed to the heating circuit 2.1 with the radiators 2.3 and/or to the hot water tank 2.2.
- the cooled heating circuit medium returns to the heat exchanger 6 via the return line RL through the inlet 6.2 to close the circuit.
- a refrigeration circuit device which consists of several refrigeration circuit components and several refrigeration circuit lines connecting the refrigeration circuit components to one another. At least one part of a refrigeration circuit component and at least one refrigeration circuit line are formed in a monolithic body produced by primary molding, whereby the number and length of lines in the refrigerant circuit are to be reduced.
- primary forming is to be understood as a main group of manufacturing processes in which a solid body with a geometrically defined shape is produced from a shapeless material or blank.
- Primary forming can in particular include a milling process, a casting process, a sintering process, an additive process and the like.
- one-piece or monolithic components can also be manufactured by forming, e.g. by deep drawing a single sheet of metal.
- a monolithic body formed by primary forming can, for example, be a workpiece that is made from a single, connected metal blank by machining such as milling.
- a monolithic body formed by primary forming is a workpiece formed from metal powder or plastic powder by additive processes (e.g. laser deposition welding or sintering or 3D printing).
- a component manufactured by an injection molding process or by a metal casting process can be a monolithic body formed by primary molding.
- the refrigerant circuit of a heat pump of the type described above according to the prior art can have a large number of lines, which can be made of copper and/or other metals and/or plastics, for example. These lines can be designed in particular as pipes and/or hoses and can therefore be rigid or movable. Individual pipe sections and/or hose sections can be firmly connected, for example by soldering, pressing or welding or a similar process, or they can be detachably connected to one another using a sealed coupling. There is a risk of leaks occurring, particularly at such detachable connections.
- Reducing the total length of pipes and the number of connections can also enable a more compact design and thus a lower weight of the heat pump.
- This can be particularly useful for monoblock Heat pumps can be advantageous.
- a small size and low weight can be an advantage, for example, when manufacturing and installing heat pumps, and especially when retrofitting a heat pump heating system in an old building.
- reducing the overall length of pipes can also reduce the noise emitted by the heat pump.
- a heat pump can be operated as quietly as possible. This can also make it possible to dispense with relief pipes, which are used in some heat pumps to avoid vibrations.
- the refrigeration circuit device disclosed therein comprises several refrigeration circuit components and several refrigeration circuit lines connecting the refrigeration circuit components to one another. At least one part of a refrigeration circuit component and at least one refrigeration circuit line are formed in a monolithic body produced by primary molding. An interface connected in the body to one part of one refrigeration circuit component or to one refrigeration circuit line is arranged on this body for the external connection of one of the other refrigeration circuit components or one of the other refrigeration circuit lines.
- parts of the refrigeration circuit components and parts of the refrigeration circuit lines are formed in a body which is essentially a monolithic block which is produced by primary molding. This makes it possible to provide a particularly compact device for connecting further circuit components and lines. Such a block can also be produced particularly easily.
- a refrigeration circuit device for a heat pump according to claim 1 is provided.
- a second aspect of the present invention relates to a heat pump for heating and/or cooling a building according to claim 20. Such a heat pump is usually also used for hot water preparation.
- a heat pump according to the invention for heating and/or cooling a building comprises a refrigeration circuit device according to the present invention.
- the flow direction of the refrigerant in the refrigerant circuit can preferably be reversed, for example by means of a 4/2-way valve or the like.
- the condenser and the evaporator each swap their function. In other words, the condenser becomes the evaporator and the evaporator becomes the condenser.
- a “module” or “refrigeration circuit module” is preferably understood to mean a component or assembly of the refrigerant circuit that comprises several parts or components that are often but not necessarily arranged in a module housing or on or on a carrier in such a way that they are designed to be pre-assembled together in a unit.
- the parts or components are assembled into modules along predefined locations. Accordingly, the resulting assembly or component can be transported as a unit and installed in or removed from the refrigeration circuit device.
- the refrigeration circuit device comprises a first refrigeration circuit module and a second refrigeration circuit module.
- the refrigeration circuit device can have more than two refrigeration circuit modules.
- the refrigeration circuit modules form at least part of a refrigerant circuit of the heat pump.
- the entire refrigerant circuit of the heat pump can be formed by the refrigeration circuit modules of the refrigeration circuit device.
- a refrigeration circuit module combines components of a sub-process of a refrigerant circuit of a heat pump into a compact assembly, so that at least part of the refrigerant circuit or the entire refrigerant circuit of the heat pump can be constructed by combining several refrigeration circuit modules, whereby the individual refrigeration circuit modules can each be exchanged for a similar refrigeration circuit module in order to enable the heat pump to be manufactured and maintained as easily as possible.
- a “module” or “refrigeration circuit module” is preferably understood to mean a component or assembly of the refrigerant circuit that can be transported as a unit and installed in or removed from the refrigeration circuit device.
- the individual sub-processes in the refrigerant circuit of a heat pump include, in simplified terms, the compression of the refrigerant, the liquefaction of the refrigerant, the expansion of the refrigerant and the evaporation of the refrigerant. Compression preferably takes place in a compressor. Condensation takes place in a first heat exchanger, known as a condenser, where the refrigerant releases the heat it has absorbed to a heating circuit medium of an external heating circuit. The expansion of the refrigerant takes place in an expansion valve. The evaporation of the refrigerant takes place, for example, in a second heat exchanger, known as an evaporator, where the refrigerant preferably absorbs the ambient heat.
- a further circuit carrying heating circuit medium can be connected, which is connected to an evaporator, where the heating circuit medium absorbs ambient heat.
- both heat exchangers arranged on the refrigerant circuit can be designed as compact plate heat exchangers, while the relatively large evaporator, in the case of an air-water heat pump, for example, can be arranged spatially separate from the installation space of the refrigerant circuit.
- Certain subcomponents such as sensors, actuators, drives, electronics and the like can be arranged as external functional assemblies on an outer surface of a refrigeration circuit module and interact with components arranged inside the refrigeration circuit module.
- a refrigeration circuit module is characterized in that at least some of the flow paths for the refrigerant for supplying and discharging the refrigerant to and from the relevant sub-process are arranged inside the refrigeration circuit module.
- a refrigeration cycle module can preferably also integrate more than one sub-process in one assembly. By increasing the degree of integration, the refrigeration cycle device can be constructed even more compactly, which saves space and weight and further reduces the overall length of refrigerant lines.
- the refrigeration circuit device according to the invention with refrigeration circuit modules can reduce the risk of leaks in which refrigerant escapes. Furthermore, the total amount of refrigerant required in the refrigerant circuit can be reduced. This can contribute to the safe operation of the heat pump, particularly when using a flammable or easily flammable and/or toxic refrigerant.
- the first refrigeration circuit module comprises a compressor for compressing a refrigerant and flow paths for the refrigerant.
- the first refrigeration circuit module can also be referred to as a compressor module.
- the first refrigeration circuit module thus integrates all components required for the process of compressing the refrigerant, as well as at least some of the flow paths to and from the compressor, i.e. a supply line and a return line of the compressor.
- the second refrigeration circuit module comprises an expansion valve for expanding the refrigerant and flow paths for the refrigerant.
- the second refrigeration circuit module can therefore also be referred to as an expansion module.
- the expansion valve can in particular be a thermostatic expansion valve, an electronic expansion valve or a throttle.
- a characteristic curve of the expansion valve can, for example, be linear or equal percentage.
- the Expansion valves can be controlled unipolarly or bipolarly. One of the tasks of the expansion valve is to keep the refrigerant circuit in balance and to ensure an even distribution of the refrigerant in the circuit.
- the first refrigeration circuit module is fluidly connected to the second refrigeration circuit module.
- the first refrigeration circuit module can be connected directly via a suitable interface on an outer surface of the first refrigeration circuit module to a corresponding interface on an outer surface of the second refrigeration circuit module.
- openings for connecting the flow paths are arranged in these interfaces.
- the interfaces of the first refrigeration circuit module and the second refrigeration circuit module can preferably be arranged in one plane.
- the first refrigeration circuit module and the second refrigeration circuit module can each have a plurality of connections in order to establish a flow connection between the first refrigeration circuit module and the second refrigeration circuit module. These connections can, for example, be combined in interfaces in order to enable the refrigeration circuit modules to be connected easily and in a time-saving manner. As a result, assembly and maintenance of the refrigeration circuit device can be carried out particularly easily and in a time-saving manner.
- the flow paths in the refrigeration circuit modules can preferably have connecting pieces and connection pieces.
- the connecting pieces are, for example, sections of the flow paths, each of which can be arranged in a plane running through the refrigeration circuit module.
- the connection pieces are preferably sections of the flow paths, each of which can be arranged perpendicular to the plane, for example. This makes it possible to achieve a particularly simple and space-saving structure that is easy to manufacture.
- connections are preferably arranged as interfaces for connecting to corresponding connections of adjacent refrigeration circuit modules.
- This advantageously allows Predefined interfaces between the refrigeration circuit modules are implemented, which allow individual refrigeration circuit modules to be replaced with refrigeration circuit modules that have the same function, but which can also be designed differently on the inside. This allows a high level of modularity to be achieved, so that different designs of refrigerant circuits can be implemented by exchanging individual refrigeration circuit modules.
- the second refrigeration circuit module preferably comprises a first expansion valve and a second expansion valve.
- the second refrigeration circuit module can also have a third expansion valve.
- the expansion valves can each be arranged in different flow paths in the second refrigeration circuit module. For example, by providing changeover valves, the various expansion valves can be integrated into the active circuit depending on the desired configuration, so that different refrigerant circuits can be implemented.
- the second refrigeration circuit module can comprise a switching valve or several switching valves for switching between branches of the refrigeration circuit and/or for reversing a flow direction of the refrigeration agent.
- a switching valve can be designed, for example, as a 4/3-way valve or 4/2-way valve.
- the second refrigeration circuit module can thus also be referred to as a valve module in which a large number of valves are arranged.
- the second refrigeration circuit module can have a bypass line instead of a reversing valve or in addition to a reversing valve.
- the bypass line is a flow path which is provided, for example, to enable hot gas bypass defrosting.
- the second refrigeration circuit module can have a phase separator.
- the phase separator can in particular be a refrigerant collector for Collection of the refrigerant. Liquid refrigerant and/or gaseous refrigerant can be tapped from the phase separator.
- a phase separator can also be referred to as an accumulator.
- the refrigerant collector preferably serves as an equalizing tank to regulate a pressure in the refrigerant circuit.
- the phase separator can alternatively be designed as a liquid separator. In the refrigerant collector, for example, a phase separation between liquid and gaseous refrigerant can take place.
- a refrigerant collector is usually used in an area of the refrigerant circuit with high pressure.
- a liquid separator is usually used in an area of the refrigerant circuit with low pressure.
- the second refrigeration cycle module may comprise a front part with a flat first connection surface, a rear part with a flat second connection surface and a flat sealing element, wherein the first connection surface is arranged parallel to the second connection surface and the sealing element is arranged between the first connection surface and the second connection surface.
- a sealing element according to the invention is preferably a seal for sealing and/or for thermal insulation. Depending on the requirements, it can also have a particularly high thermal conductivity. Depending on the intended use, the sealing element can be made of a suitable material.
- the front part and the rear part of the second refrigeration cycle module can each be a monolithic body manufactured by primary molding.
- the front part and the rear part can each be half-shell-shaped, so that by connecting the front part and the rear part, a plurality of flow paths and/or a refrigerant collector for the refrigerant are formed.
- the front part and rear part of a refrigeration cycle module according to the invention can be formed by forming.
- the front part and rear part can be formed by a roll bonding process
- the sealing element can also be formed in between.
- the front part and rear part can each be formed by deep drawing a single sheet of metal.
- the compressor of the first refrigeration circuit module is preferably a reciprocating piston compressor that comprises a crankshaft and at least one piston connected to the crankshaft.
- a reciprocating piston compressor can be particularly advantageous because it can be operated with little or even no oil, particularly in the working space or at the contact points with the refrigerant or the refrigeration circuit. This can prevent the refrigerant from being mixed with oil. This can increase the longevity of the refrigerant, the refrigerant circuit and the refrigerant-carrying components, so that the heat pump according to the invention can be operated with particularly little maintenance.
- the use of an additional oil separator in the refrigerant circuit can preferably be dispensed with, which can reduce the complexity of the refrigerant circuit, which in turn can simplify production and reduce costs.
- the amount of refrigerant required can be advantageously reduced because it is not bound to oil.
- particularly safe operation of the heat pump can be ensured because sufficient lubrication does not have to be ensured at operating points, which can be particularly advantageous when starting or switching, for example.
- the advantages described here can also help to improve the overall energy efficiency of the heat pump or the entire HVAC system (heating, ventilation, air conditioning and refrigeration technology).
- the reciprocating piston compressor preferably has an even number of cylinders.
- the reciprocating piston compressor can have two, four, six or eight cylinders.
- An even number of cylinders can preferably be arranged in pairs along a common cylinder axis.
- the pistons of a pair of cylinders can each have a phase shift of 180 degrees. This means that the pistons move in opposite directions so that the vibrations generated compensate for each other. This allows the compressor to operate with particularly low vibrations.
- a particularly preferred reciprocating piston compressor has three pairs of cylinders, each arranged at an angle of 60 degrees to one another. Such an arrangement is also referred to as star-shaped. This makes it particularly advantageous to avoid or at least reduce oscillating first and second order mass forces in order to achieve particularly low-vibration operation of the compressor.
- the cylinder axes of the three cylinder pairs are preferably in a common plane.
- the cylinders are particularly preferably arranged in a star shape. This allows a particularly compact and flat design of the compressor to be achieved, so that space can be saved.
- the crankshaft is preferably arranged between the cylinders. If the cylinders are arranged in a star shape, the crankshaft can be arranged at a center point between the plurality of cylinders. The forces acting on the crankshaft can thus be compensated and first and second order vibrations can be avoided or at least reduced.
- the pistons are preferably driven by the rotating crankshaft in such a way that they move away from the crankshaft in pairs in opposite cylinders in the same phase during compression. In this way, a particularly favorable arrangement can be created in which the oscillating first and second order mass forces that occur can be particularly easily avoided or at least reduced.
- the flow paths of the first refrigeration circuit module can in particular comprise a supply channel and a return channel.
- the return channel is located on a low-pressure side and supplies the refrigerant to the compressor, for example via inlet valves.
- the supply channel is located on a high-pressure side and supplies the compressed refrigerant away from the compressor in the direction of an evaporator in the refrigeration circuit.
- the feed channel and the return channel can preferably each be ring-shaped.
- the feed channel and the return channel are preferably arranged parallel to one another and an axis of symmetry of the feed channel and the return channel is preferably arranged perpendicular to the cylinder axes of the compressor. This makes it possible to achieve a particularly compact design of the reciprocating piston compressor, in particular if the reciprocating piston compressor has three pairs of cylinders arranged in a star shape.
- Thermal insulation is preferably arranged between the flow channel and the return channel.
- the thermal insulation can be achieved, for example, by arranging an insulating material with very low thermal conductivity or by arranging an air gap or a vacuum. With an air gap, heat transfer by convection is very low. Heat can therefore be transferred via an air gap or a vacuum almost exclusively by radiation, which is negligible at the temperatures occurring in a refrigeration circuit.
- the heat conduction along the surrounding material can also preferably be very small. The thermal insulation can therefore set heat transfer between the flow and return to a negligible level.
- the first refrigeration circuit module preferably comprises a drive unit for driving the crankshaft of the compressor.
- the drive unit can comprise, for example, an electric motor and is preferably arranged on an outer surface of the first refrigeration circuit module.
- the first refrigeration circuit module can comprise a control unit for controlling the drive unit
- the drive unit preferably comprises an inverter to control a speed of the compressor and thus a compression power of the compressor.
- a preferred refrigeration circuit device comprises a third refrigeration circuit module, which comprises a condenser for transferring heat from the refrigerant to a heating circuit medium of an external heating circuit.
- the third refrigeration circuit module can thus also be referred to as a condenser module.
- the condenser can be a heat exchanger with a condenser, where the gaseous refrigerant condenses and thereby transfers heat to the heating circuit medium. Accordingly, the third refrigeration circuit module can also have connections for connecting lines of the external heating circuit.
- a preferred refrigeration circuit device comprises a fourth refrigeration circuit module, which comprises an evaporator for transferring heat from an ambient medium to the refrigerant.
- the fourth refrigeration circuit module can thus also be referred to as an evaporator module.
- the evaporator can be a heat exchanger at which the refrigerant absorbs heat from the ambient air, whereby the refrigerant evaporates.
- the evaporator in the fourth refrigeration circuit module can be a plate heat exchanger, as described, for example, in the published patent application No. DE 102010 021692 A2.
- the fourth refrigeration circuit module can have a heat exchanger, which is preferably designed as a plate heat exchanger, at which heat is transferred between the coolant and a heat transfer medium of a secondary circuit.
- This secondary circuit preferably comprises an evaporator, at which heat can be absorbed from an ambient medium, such as the ground in the case of a brine-water heat pump or the ambient air in the case of an air-water heat pump.
- Brine for example, can be used as the heat transfer medium in the secondary circuit. which is pumped through a geothermal probe or a flat-plate geothermal collector.
- a large evaporator with a fan can be used, which can be arranged in the secondary circuit outside the refrigeration circuit device. This means that the refrigeration circuit device can still be manufactured compactly and with a high degree of integration.
- the fourth refrigeration circuit module can be arranged at a distance from the other refrigeration circuit modules.
- pipes or hoses can be used as lines for the coolant. These lines include in particular a supply line and a return line. The lines should each be no longer than 100 cm, preferably no longer than 50 cm.
- a preferred refrigeration circuit device comprises a fifth refrigeration circuit module which comprises an internal heat exchanger for transferring heat from a first partial circuit of the refrigeration circuit to a second partial circuit of the refrigeration circuit.
- the internal heat exchanger can be used for cooling a converter.
- a preferred refrigeration circuit device comprises a sixth refrigeration circuit module with a plurality of flow paths for the refrigerant and a plurality of connections for connecting the flow paths to other refrigeration circuit modules.
- the sixth refrigeration circuit module can also be referred to as a distributor module and serve as an interface between at least two of the remaining refrigeration circuit modules in order to connect the components in the refrigeration circuit modules to one another according to a preferred embodiment of the refrigerant circuit and to distribute the refrigerant accordingly between the refrigeration circuit modules.
- two or more of the plurality of flow paths in the distributor module can branch and/or
- the distribution module can have an expansion tank or refrigerant collector or liquid separator.
- the sixth refrigeration circuit module is preferably fluidly connected to the second refrigeration circuit module. Further preferably, the sixth refrigeration circuit module is fluidly connected to the third refrigeration circuit module and/or to the fourth refrigeration circuit module and/or to the fifth refrigeration circuit module.
- part of the refrigerant can be used after liquefaction to generate steam with the help of an additional heat exchanger (for example the internal heat exchanger) and an additional expansion valve, which can be injected directly into the compressor.
- This additional steam injection can advantageously increase the efficiency.
- Such steam injection can be used in the reciprocating piston compressor described in more detail later and, in alternative embodiments, in particular in a scroll compressor.
- thermal insulation can be arranged between the sixth refrigeration circuit module and the second refrigeration circuit module.
- the thermal insulation serves to prevent or at least minimize heat transfer between the refrigerant in the sixth refrigeration circuit module and the refrigerant in the second refrigeration circuit module. This allows, for example, a hot partial circuit to be thermally separated from a cold partial circuit of the refrigerant circuit.
- the sixth refrigeration circuit module has a front part with a flat first connection surface, a rear part with a flat second connection surface and a flat sealing element.
- the first connection surface is preferably arranged parallel to the second connection surface.
- the sealing element is preferably arranged between the first connection surface and the second connection surface and prevents refrigerant from escaping at the interface between the first and second connecting surfaces.
- the front part and the rear part can preferably each be a monolithic body produced by primary molding.
- the front part and the rear part are also preferably half-shell-shaped, so that a plurality of flow paths and/or a collecting container for the coolant can be formed by connecting the front part and the rear part.
- the collecting container can preferably take on different functions in the cooling circuit depending on its position in the coolant circuit.
- At least one of the plurality of refrigeration cycle modules may comprise at least one of the following components: a refrigerant collector for collecting the refrigerant; a liquid separator; an internal heat exchanger; an economizer; a phase separator; a filter; an oil separator; a dryer; a sensor for measuring a temperature of the refrigerant; a sensor for measuring a pressure of the refrigerant; a sensor for measuring a volume flow of the refrigerant; an actuator for actuating a changeover valve and/or an expansion valve; a safety high-pressure switch; a coil for controlling a valve.
- a preferred refrigeration circuit device comprises a housing which surrounds the refrigeration circuit modules, wherein the housing preferably has an opening in which a fan or ventilator for sucking in ambient air
- a fan or ventilator for sucking in ambient air Preferably, an evaporator of the refrigeration circuit device is arranged in an air flow generated by the fan.
- the heat pump can be a monoblock heat pump, which can be designed in particular as an air-water heat pump.
- a monoblock heat pump preferably uses the energy of the ambient air for heating.
- the refrigerant circuit of a monoblock heat pump is in a single unit. In other words, the refrigerant circuit of the monoblock heat pump is arranged in a common housing.
- a monoblock heat pump is preferably installed outside a building to be heated (or cooled), for example on a roof of the building or on a plot of land next to the building.
- a further exemplary embodiment of the heat pump according to the invention is a water-water heat pump, a brine-water heat pump or a geothermal heat pump.
- the two heat exchangers evaporator and condenser
- the two heat exchangers can in particular be designed as plate heat exchangers.
- the heat pump has no more than two refrigerant-carrying lines arranged outside one of the refrigeration circuit modules.
- These two lines can be, for example, pipes or These can be hoses that are connected to a heat exchanger in the refrigerant circuit.
- the two lines are each no longer than 100 cm, more preferably no longer than 50 cm, particularly preferably no longer than 30 cm.
- Particularly preferred embodiments of the present invention can completely dispense with such lines outside the refrigeration circuit modules. In other words, in such embodiments, all flow paths for the refrigerant are formed in the refrigeration circuit modules.
- the refrigeration circuit device of the heat pump does not have any lines for the coolant arranged outside the refrigeration circuit modules.
- the refrigeration circuit modules are directly connected to one another.
- the third refrigeration circuit module, the fourth refrigeration circuit module and the fifth refrigeration circuit module, each of which preferably has a plate heat exchanger, can be connected directly to the sixth refrigeration circuit module. In this way, a very compact design of the refrigeration circuit device can be achieved.
- a preferred heat pump further comprises an inverter thermally coupled to an internal heat exchanger of the refrigeration cycle device to cool the inverter.
- the inverter can, for example, convert a frequency of an alternating current to drive the compressor. More preferably, the inverter can provide a three-phase current to operate the compressor.
- An inverter can, for example, convert a supply voltage with a predetermined frequency into an alternating voltage with a different frequency to control a motor speed of the compressor.
- a DC motor can be used.
- Such a motor can, for example, use a DC converter that generates a pulse width modulation signal (PWM signal).
- PWM signal pulse width modulation signal
- FIG. 1 illustrates a heat pump heating system according to the state of the art.
- FIG. 2 shows a perspective view of a refrigeration circuit device according to the invention.
- FIG. 3 shows an exploded view of the refrigeration circuit device from Fig. 2.
- FIG. 4 shows a second refrigeration circuit module and a sixth refrigeration circuit module of the refrigeration circuit device from Fig. 2.
- FIG.5 illustrates a refrigeration circuit of the refrigeration circuit device of Fig.
- FIG. 6 shows a section through the reciprocating piston compressor from Fig. 2 and 3.
- Fig. 2 shows a perspective view of a refrigeration circuit device 10 according to the invention for a heat pump.
- Fig. 3 shows an exploded view of the refrigeration circuit device 10 from Fig. 2.
- Fig. 4 shows a view of a second refrigeration circuit module 12 and a sixth refrigeration circuit module 16 of the refrigeration circuit device from Fig. 2.
- Fig. 2 and Fig. 4 a right-handed orthogonal coordinate system with axes X, Y and Z is shown.
- the refrigeration circuit device 10 in Fig. 2 and Fig. 3 comprises a first refrigeration circuit module 11, a second refrigeration circuit module 12, a third Refrigeration circuit module 13, a fourth refrigeration circuit module 14, a fifth refrigeration circuit module 15, a sixth refrigeration circuit module 16, a motor 17, a control device 18, and coils 19.
- the first refrigeration circuit module 11 comprises a reciprocating piston compressor which comprises a crankshaft (not shown in Fig. 3) and six pistons llf connected to the crankshaft.
- the reciprocating piston compressor comprises six cylinders Ile, each of which is arranged in pairs along a common cylinder axis. A piston llf is mounted in each cylinder Ile. Each cylinder Ile also has a valve flap 11g.
- the three cylinder pairs are arranged in a star shape and are each at an angle of 60 degrees to one another.
- the cylinder axes of the three cylinder pairs lie in a common plane, which is shown here parallel to the XY plane. This allows the compressor to be particularly compact and flat, saving space.
- the star-shaped arrangement of the pistons means that the compressor can be operated with particularly low vibration and therefore low noise. This also minimizes another cause of leaks and improves the service life or extends the maintenance interval.
- the crankshaft (not shown in Fig. 3) is arranged between the cylinders and is driven by an external motor 17.
- the motor 17 is controlled by the control device 18.
- an inverter can be used to control the motor 17.
- the control device 18 can also be used to control the valves of the compressor.
- Fig. 6 shows a sectional view of the compressor through a cylinder Ile and through the supply line 11a and the return line 11b.
- the first refrigeration circuit module 11 comprises an annular supply line 11a and an annular return line 11b.
- the supply line 11a and the return line 11b are arranged concentrically around the crankshaft 11k and the crankshaft 11k is arranged parallel to the Z axis.
- the annular feed channel 11a and the annular return channel 11b are arranged parallel to one another and an axis of symmetry of the feed channel 11a and return channel 11b is arranged perpendicular to the cylinder axes of the compressor. This, together with the star-shaped arrangement of the cylinders Ile, makes it possible to achieve a particularly compact design of the reciprocating piston compressor.
- a thermal insulation lld is arranged between the supply channel 11a and the return channel 11b in order to minimize heat transfer between the return channel 11b and the supply channel 11a.
- a compressor housing 11c which is also ring-shaped, serves as a structural support for the cylinders Ile as well as for the supply channel 11a and the return channel 11b.
- the motor 17 is controlled by the control device 18, which drives the crankshaft. Furthermore, coils 19 are controlled via the control device 18 in order to open or close changeover valves or expansion valves in the second refrigeration circuit module 12. In addition, the control device 18 can control inlet and outlet valves 11g in the compressor. The heat output or cooling output of the heat pump can thus be controlled by means of the control device 18.
- the control device 18 can also receive measured values from sensors, in particular from temperature sensors, pressure sensors and volume flow sensors.
- crankshaft 11k The rotary motion of the crankshaft 11k is transmitted via connecting rods 11h into an up and down motion of the pistons 11f in the cylinders Ile, see Fig. 6. If a piston 11f moves outwards in the cylinder Ile (upwards in Fig. 6), it compresses the gaseous refrigerant contained therein, which is guided to the supply channel 11a by corresponding opening and closing of inlet and outlet valves 11g.
- Refrigerant is admitted from the return line 11b into the pistons llf via an inlet valve 11g when the piston llf moves towards the crankshaft 11k.
- the inlet valve 11g is closed and the piston llf compresses the refrigerant in the cylinder Ile.
- the outlet valve 11g is opened towards the supply line 11a in order to release the compressed refrigerant via the compressor housing 11c to the supply line 11a.
- the thermal insulation lld between the compressor housing 11c and the supply channel 11a minimizes heat transfer between the supply channel 11a and the return channel 11b and can dampen pulsating movements of the refrigeration circuit module 11 that occur during operation due to the pressure difference between the return channel 11b and the supply channel 11a.
- the second refrigeration circuit module 12 comprises a first expansion valve 12e and a second expansion valve 12f as well as a plurality of flow channels for the refrigerant.
- the second refrigeration circuit module 12 also comprises a changeover valve 12g for reversing a flow direction of the refrigerant.
- the changeover valve 12g can be designed as a 4/2-way valve, for example.
- the valves 12e, 12f and 12g can be controlled by means of coils 19.
- the second refrigeration circuit module 12 comprises an expansion tank 12d for collecting the refrigerant and for equalizing a pressure in the refrigerant circuit.
- the expansion tank 12d is arranged here in a middle pressure range of the refrigerant circuit and is designed as a phase separator. In alternative embodiments, the expansion tank can preferably also be designed as a liquid separator.
- a return line to the expansion tank 12d (flow path F) is preferably connected to an upper region of the expansion tank 12d in order to supply preferably gaseous refrigerant to the expansion tank 12d.
- a phase separation between gaseous and liquid can take place in the expansion tank 12d.
- the outlet of the expansion tank 12d through the flow path with connection G (or supply line of the expansion tank 12d) is preferably connected to a lower region of the expansion tank 12d in order to discharge preferably liquid refrigerant.
- the second refrigeration cycle module 12 comprises a front part 12a with a flat first connection surface, a rear part 12b with a flat second connection surface and a flat sealing element 12c.
- the first connection surface is arranged parallel to the second connection surface and the sealing element 12c is arranged between the first connection surface and the second connection surface in order to seal the front part 12a against the rear part 12b.
- the front part 12a and the rear part 12b of the second refrigeration cycle module 12 are each monolithic bodies manufactured by primary molding or forming.
- the front part 12a and the rear part 12b are each half-shell-shaped, so that by assembling and connecting the front part 12a and the rear part 12b with the sealing element 12c therebetween, a plurality of flow paths and the expansion tank 12d for the refrigerant are formed.
- Front part 12a, rear part 12b and sealing element 12c can be attached to one another, for example, by gluing them together with an adhesive.
- circumferential clamps can be used, which can be attached to the peripheral edge of front part 12a, rear part 12b and sealing element 12c.
- the parts can be connected to one another by means of screws or tie rods.
- the refrigeration circuit device 10 in Fig. 2 and 3 comprises three heat exchangers.
- the first heat exchanger is arranged in the third refrigeration circuit module 13 and serves as a condenser, where heat is transferred from the refrigerant to a heating circuit medium of an external heating circuit 8.
- the second heat exchanger is arranged in the fourth refrigeration circuit module 14 and serves as an evaporator, where ambient heat is transferred to the refrigerant.
- the third heat exchanger is arranged in the fifth refrigeration circuit module 15 and serves as an internal heat exchanger to increase the efficiency of the system and to realize suction gas superheating.
- the internal heat exchanger can be used, for example, to cool an inverter 9 or to cool other components of the heat pump.
- the heat exchangers can be designed, for example, as plate heat exchangers. Other forms of Heat exchangers are also possible depending on the intended use or requirements of the refrigeration circuit device 10 or the heat pump.
- the heat exchanger of the evaporator can also be a fin-tube evaporator or finned heat exchanger, which enables direct heat transfer from air to refrigerant without a liquid intermediate medium.
- the third refrigeration circuit module 13, the fourth refrigeration circuit module 14 and the fifth refrigeration circuit module 15 are fluidly connected to the second refrigeration circuit module 12 via a sixth refrigeration circuit module 16.
- the sixth refrigeration circuit module 16 comprises a plurality of flow paths for the refrigerant and serves as a distributor module or as an interface between the refrigeration circuit modules in order to distribute the refrigerant between the refrigeration circuit modules.
- the sixth refrigeration cycle module 16 comprises a front part 16a with a flat first connection surface, a rear part 16b with a flat second connection surface and a flat sealing element 16c.
- the first connection surface is arranged parallel to the second connection surface.
- the sealing element 16c is arranged between the first connection surface and the second connection surface and prevents refrigerant from leaking out at the interface between the first and second connection surfaces.
- the front part 16a, the sealing element 16c and the rear part 16b can be glued together, for example using an adhesive, so that a multi-layer laminated body is created.
- the adhesive can be applied, for example, to the large areas between the flow paths or to the peripheral edge.
- the three parts of the sixth refrigeration circuit module 16 can be fastened to one another, in particular at its peripheral edge, using clamps or the like.
- the second refrigeration circuit module 12 can be manufactured in a similar way.
- the front part 16a and the rear part 16b of the sixth refrigeration cycle module 16 are each monolithic bodies manufactured by primary molding or by forming.
- front part 16a and the rear part 16b are each half-shell-shaped, so that a plurality of flow paths for the refrigerant are formed by connecting the front part 16a and the rear part 16b.
- the front part 16a and the rear part 16b can be manufactured, for example, by deep drawing metal sheets or by an injection molding process.
- the flow paths in the sixth refrigeration circuit module 16 and in the second refrigeration circuit module 12 are described in more detail below with reference to Fig. 4 and the schematic circuit in Fig. 5.
- the refrigeration circuit modules 11, 13, 14 and 15 are each indicated by rectangles made of dashed lines to show that the refrigeration circuit modules 11, 13, 14 and 15 also include flow paths and sensors in addition to a functional component of the refrigerant circuit.
- FIG. 4 the second refrigeration circuit module 12 and the sixth refrigeration circuit module 16 are shown spaced apart from one another, similar to Fig. 3, although the components of the three-part refrigeration circuit modules 12 and 16 are not shown spaced apart from one another as in Fig. 3.
- the first refrigeration circuit module 11, the third refrigeration circuit module 13, the fourth refrigeration circuit module 14 and the fifth refrigeration circuit module 15 have been omitted in Fig. 4.
- the flow paths in the second refrigeration circuit module 12 and in the sixth refrigeration circuit module 16 are each aligned along the XY plane. Perpendicular to this, i.e. parallel to the Z axis, connections for connecting the refrigeration circuit modules are provided.
- all connections of flow paths in the sixth refrigeration cycle module 16 are arranged in a plane parallel to the XY plane. This can enable a particularly compact design when connecting to other refrigeration cycle modules.
- the connections on the opposite side The connections arranged in the sixth refrigeration circuit module 16 and thus not directly visible in Fig. 4 can be arranged in a plane parallel to the XY plane. All of these connections can preferably be connected directly to another refrigeration circuit module without the need for external lines running outside the refrigeration circuit modules.
- clamps and/or tension elements such as screws or tie rods can be used to connect the connections or second refrigeration circuit modules, which exert a force on the refrigeration circuit modules.
- sealing elements can be arranged between the refrigeration circuit modules.
- a one-piece, level, flat sealing element (not shown) can be arranged between the second refrigeration circuit module 12 and the sixth refrigeration circuit module 16, which has corresponding cutouts for the openings of the connections.
- the sealing element can also serve to thermally insulate between refrigeration circuit modules.
- the second refrigeration circuit module 12 and the sixth refrigeration circuit module 16 can also be connected to one another by gluing.
- the adhesive can also advantageously serve as a sealant for sealing the connections between the connections.
- the sixth refrigeration circuit module 16 has a cutout for the expansion tank 12d of the second refrigeration circuit module 12, which is curved further outwards or parallel to the Z direction than the connections.
- the cutout in the sixth refrigeration circuit module 16 enables the second refrigeration circuit module 12 to be arranged particularly closely next to or on the sixth refrigeration circuit module 16.
- a changeover valve 12g and an expansion valve 12f are formed in a group 12h of connections and flow paths.
- a single changeover valve or several changeover valves can be arranged in the group 12h.
- the changeover valves are used, for example, to reverse the flow direction of the refrigerant and/or to switch between sub-circuits of the refrigerant circuit.
- Reference symbol A shows the connection where the refrigerant at high pressure from the compressor flow (i.e. from the first refrigeration circuit module 11) enters the second refrigeration circuit module 12.
- Reference symbol B shows the outlet of the second refrigeration circuit module, where the return flow to the compressor or to the first refrigeration circuit module 11 is connected.
- the refrigerant can then flow to the connecting line with reference symbol C in the sixth refrigeration circuit module 16 in order to reach the condenser in the third refrigeration circuit module 13.
- the refrigerant flows back into the sixth refrigeration circuit module 16 and further through the flow path D to the first expansion valve 12f in the second refrigeration circuit module 12. From the first expansion valve 12f, the refrigerant flows via the inlet E in the sixth refrigeration circuit module to the internal heat exchanger in the fifth refrigeration circuit module 15. The outlet of the internal heat exchanger in the fifth refrigeration circuit module 15 is connected to the connecting line F in the sixth refrigeration circuit module 16.
- the internal heat exchanger of the fifth refrigeration circuit module 15 is used here, for example, to increase the overall efficiency of the system or to cool an inverter 9 for driving a motor of the compressor.
- the return line E to the internal heat exchanger and the flow line F from the internal heat exchanger are defined as the primary circuit of the internal heat exchanger.
- a return line K to the internal heat exchanger and a flow line J from the internal heat exchanger are defined as the secondary circuit of the internal heat exchanger.
- the return line K is connected to the changeover valve 12g.
- the flow line J is connected to the return line B of the compressor 11. As shown in Fig. 5, the flow path F is connected to the expansion tank 12d in the second refrigeration circuit module 12.
- the outlet of the expansion tank 12d is connected to the second expansion valve 12e, from where the refrigerant flows further via the connections G to the fourth refrigeration circuit module 14 with the evaporator.
- the flow path with the connections G can thus also be referred to as the return of the evaporator.
- the outlet of the fourth refrigeration circuit module 14 is connected to the flow path H in the sixth refrigeration circuit module 16.
- the flow path H can be referred to as the supply line of the evaporator, which supplies the refrigerant to the changeover valve 12g in the second refrigeration circuit module 12.
- the evaporator is thus arranged between connection G and flow path H in the sixth refrigeration circuit module 16, see also Fig. 3.
- the refrigeration circuit device 10 comprises a plurality of sensors for measuring the temperature of the refrigerant and for measuring the pressure of the refrigerant. Furthermore, the refrigeration circuit device 10 can have sensors (not shown in Fig. 5) for measuring a volume flow of the refrigerant.
- the temperature sensors in the refrigerant circuit are marked with 0 in Fig. 5 and the pressure sensors are marked with p.
- a temperature sensor 0 is arranged in the return line E to the internal heat exchanger of the fifth refrigeration circuit module. Furthermore, a temperature sensor 0 is arranged in the return line G to the evaporator in the fourth refrigeration circuit module 14. In addition, a temperature sensor 0 is preferably arranged in the return line B to the compressor and in the flow line A from the compressor. A further temperature sensor 0 can be arranged in the flow line of the external heating circuit 8, which absorbs heat from the refrigerant at the condenser of the third refrigeration circuit module 13.
- two pressure sensors p are arranged in the supply line A and in the return line B of the compressor.
- a compression performance of the compressor can be determined from the measured values of the pressure sensors p.
- a control device 18 can evaluate the measured values of the pressure sensors p and/or the temperature sensors 0 and control an operating state of the compressor or of a drive motor 17 of the compressor and the two expansion valves 12e and 12.
- the refrigeration cycle device 10 or the heat pump comprises a fan 20 which generates an air flow in which the fourth refrigeration cycle module 14 with the evaporator is arranged.
- the fan 20 can be arranged, for example, at an opening in a housing in which the refrigeration cycle device 10 is arranged.
- the described embodiment of the refrigeration circuit device 10 according to the invention completely dispenses with lines for coolant arranged outside the refrigeration circuit modules 11 to 16. In other words, all flow paths for the coolant are integrated into the refrigeration circuit modules 11 to 16. This makes it possible to create a very compact refrigeration circuit device 10.
- the advantages of such an embodiment include, for example, one or more of the following advantages: a particularly low risk of leaks, a particularly small amount of coolant required, a particularly compact and space-saving design, particularly simple production, particularly simple installation, particularly low-maintenance operation, particularly low noise.
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Abstract
Description
KÄLTEKREISVORRICHTUNG UND WÄRMEPUMPE REFRIGERATION CYCLE DEVICE AND HEAT PUMP
Gebiet der Erfindung field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kältekreisvorrichtung für eine Wärmepumpe sowie eine Wärmepumpe zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes. Insbesondere soll durch einen hohen Integrationsgrad der einzelnen Komponenten eines Kältemittelkreislaufs eine besonders kompakte Bauweise der Kältekreisvorrichtung mit möglichst wenigen Kältemittelleitungen erreicht werden. Hierdurch kann zudem ein besonders sicherer und wartungsarmer Betrieb der Wärmepumpe erreicht werden. The present invention relates to a refrigeration circuit device for a heat pump and a heat pump for heating and/or cooling a building. In particular, a high degree of integration of the individual components of a refrigeration circuit is intended to achieve a particularly compact design of the refrigeration circuit device with as few refrigeration lines as possible. This also makes it possible to achieve particularly safe and low-maintenance operation of the heat pump.
Hintergrund der Erfindung Background of the invention
Moderne Wärmepumpen zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus und können daher unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten besonders attraktiv zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes, insbesondere eines Wohngebäudes oder Bürogebäudes, verwendet werden. Das Heizen mit Umweltwärme ist einerseits klimafreundlich. Andererseits bieten viele Energieversorger seit einigen Jahren spezielle Wärmepumpentarife an, die finanziell attraktiver sind als ein normaler Stromtarif. Modern heat pumps are characterized by a high level of efficiency and can therefore be used in an ecologically and economically attractive way for heating and/or cooling a building, especially a residential building or office building. On the one hand, heating with environmental heat is climate-friendly. On the other hand, many energy suppliers have been offering special heat pump tariffs for several years that are financially more attractive than a normal electricity tariff.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2018 102 670 Al beschreibt eine Wärmepumpe 1 mit einem integrierten Pufferspeicher 3, welche in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die in Fig. 1 dargestellte Wärmepumpenanlage 10 besteht in bekannter Weise zunächst aus einer Wärmepumpe 1 und einer Wärmesenke 2. Als Wärmesenke 2 sind in Fig. 1 beispielhaft ein Heizkreis 2.1 mit einer Vielzahl von Heizkörpern 2.3 und ein Warmwasserspeicher 2.2 dargestellt. Im Normalbetrieb bzw. Heizbetrieb wird Umgebungswärme von der Wärmepumpe 1 an die Wärmesenke 2 übertragen. The German patent application DE 10 2018 102 670 A1 describes a heat pump 1 with an integrated buffer storage tank 3, which is shown schematically in Fig. 1. The heat pump system 10 shown in Fig. 1 consists, in a known manner, of a heat pump 1 and a heat sink 2. As an example, a heating circuit 2.1 with a large number of radiators 2.3 and a hot water tank 2.2 are shown as heat sink 2 in Fig. 1. In normal operation or heating operation, ambient heat is transferred from the heat pump 1 to the heat sink 2.
Die Wärmepumpenanlage 10 weist einen als Kondensator arbeitenden und von einem Heizkreismedium durchströmten Wärmetauscher 6 auf. Ein Ausgang 3.2 des Pufferspeichers 3 ist in Strömungsrichtung des Heizkreismediums gesehen einem Eingang 6.2 des Wärmetauschers 6 vorgeschaltet. Das Heizkreismedium fließt über einen Rücklauf RL von der Wärmesenke 2 bzw. vom Ausgang 3.2 des Pufferspeichers 3 in Richtung Wärmepumpe 1, was in Fig. 1 durch einen nach links zeigenden Pfeil angedeutet ist. Entsprechend fließt das Heizkreismedium über einen Vorlauf VL von der Wärmepumpe zur Wärmesenke 2 bzw. zum Eingang 3.1 des Pufferspeichers 3, was in Fig. 1 durch einen nach rechts zeigenden Pfeil angedeutet ist. The heat pump system 10 has a heat exchanger 6 which operates as a condenser and through which a heating circuit medium flows. An output 3.2 of the buffer tank 3 is connected upstream of an inlet 6.2 of the heat exchanger 6 in the flow direction of the heating circuit medium. The heating circuit medium flows via a return line RL from the heat sink 2 or from the outlet 3.2 of the buffer tank 3 in the direction of the heat pump 1, which is indicated in Fig. 1 by an arrow pointing to the left. Accordingly, the heating circuit medium flows via a flow line VL from the heat pump to the heat sink 2 or to the inlet 3.1 of the buffer tank 3, which is indicated in Fig. 1 by an arrow pointing to the right.
Die in Fig. 1 dargestellte Wärmepumpenanlage 10 besteht aus zwei miteinander verbundenen Anlagenteilen, von denen einer im Gebäude und einer außerhalb des Gebäudes angeordnet ist. Eine solche Konfiguration wird auch als Split- Wärmepumpe bezeichnet. Die beiden Anlagenteile werden üblicherweise als Außeneinheit („Outdoor Unit“, ODU) und Inneneinheit („Indoor Unit“, IDU) bezeichnet. Zwischen Außeneinheit ODU und Inneneinheit IDU zirkuliert hier das Kältemittel. Der Pufferspeicher 3 ist bei dieser Ausführung ebenfalls in der Inneneinheit IDU angeordnet. Bei einer bekannten Monoblock-Wärmepumpe sind Außeneinheit ODU und Inneneinheit IDU in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. The heat pump system 10 shown in Fig. 1 consists of two interconnected system parts, one of which is located inside the building and one outside the building. Such a configuration is also referred to as a split heat pump. The two system parts are usually referred to as the outdoor unit (ODU) and the indoor unit (IDU). The coolant circulates between the outdoor unit ODU and the indoor unit IDU. In this design, the buffer tank 3 is also located in the indoor unit IDU. In a known monoblock heat pump, the outdoor unit ODU and the indoor unit IDU are arranged in a common housing.
Zwischen dem Eingang 6.2 des Wärmetauschers 6 am Rücklauf RL und dem Pufferspeicher 3 ist hier eine Heizkreispumpe 7 zum Umwälzen des Heizkreismediums angeordnet. Ferner ist im Rücklauf RL ein T emperatursensor 11 zum Messen der Rücklauftemperatur des Heizkreismediums angeordnet. A heating circuit pump 7 for circulating the heating circuit medium is arranged between the inlet 6.2 of the heat exchanger 6 on the return line RL and the buffer tank 3. Furthermore, a temperature sensor 11 for measuring the return temperature of the heating circuit medium is arranged in the return line RL.
Im Normalbetrieb nimmt das Kältemittel der Wärmepumpe 1 über die Außeneinheit ODU (in Fig.1 ist schematisch der Verdampfers mit einem Ventilator 8 dargestellt) Umgebungswärme auf. Das Kältemittel wird dann über einen Verdichter 9.1 zum als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher 6 transportiert, um dort die aufgenommene Wärme an das Heizkreismedium abzugeben. Das Kältemittel wird dann in bekannter Weise über ein Expansionsventil 9.2 entspannt, bevor es wieder zum Verdampfer 5 gelangt. Vom Wärmetauscher 6 gelangt das Heizkreismedium dabei zunächst über den Vorlauf VL zu einem Ventil 4, das beispielsweise als 4/3-Wegeventil ausgeführt ist. Je nach Bedarf wird dann das Heizkreismedium zum Heizkreis 2.1 mit den Heizkörpern 2.3 und/oder zum Warmwasserspeicher 2.2 geleitet. Über den Rücklauf RL gelangt das abgekühlte Heizkreismedium durch den Eingang 6.2 in den Wärmetauscher 6 zurück, um den Kreislauf zu schließen. In normal operation, the coolant of the heat pump 1 absorbs ambient heat via the external unit ODU (Fig. 1 shows a schematic of the evaporator with a fan 8). The coolant is then transported via a compressor 9.1 to the heat exchanger 6, which works as a condenser, in order to release the absorbed heat to the heating circuit medium. The coolant is then expanded in a known manner via an expansion valve 9.2 before it returns to the evaporator 5. From the heat exchanger 6, the heating circuit medium first passes through the flow line VL to a valve 4, which is designed as a 4/3-way valve, for example. Depending on requirements, the heating circuit medium is then directed to the heating circuit 2.1 with the radiators 2.3 and/or to the hot water tank 2.2. The cooled heating circuit medium returns to the heat exchanger 6 via the return line RL through the inlet 6.2 to close the circuit.
Ferner ist aus der internationalen Patentanmeldung WO 2010/014878 Al eine Kältekreislaufvorrichtung bekannt, die aus mehreren Kältekreislaufkomponenten und mehreren, die Kältekreislaufkomponenten miteinander verbindenden Kältekreislaufleitungen besteht. Mindestens ein Teil einer Kältekreislaufkomponente und mindestens eine Kältekreislaufleitung sind hierbei in einem durch Urformen hergestellten monolithischen Körper ausgebildet, wodurch Anzahl und Länge von Leitungen im Kältemittelkreislauf reduziert werden sollen. Furthermore, from the international patent application WO 2010/014878 A1, a refrigeration circuit device is known which consists of several refrigeration circuit components and several refrigeration circuit lines connecting the refrigeration circuit components to one another. At least one part of a refrigeration circuit component and at least one refrigeration circuit line are formed in a monolithic body produced by primary molding, whereby the number and length of lines in the refrigerant circuit are to be reduced.
Wie bei Wikipedia (siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Urformen) ist hier und nachfolgend in der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff „Urformen“ eine Hauptgruppe von Fertigungsverfahren zu verstehen, bei denen aus einem formlosen Stoff bzw. Rohling ein fester Körper hergestellt wird, der eine geometrisch definierte Form hat. Urformen kann insbesondere ein Fräsverfahren, ein Gussverfahren, ein Sinterverfahren, ein additives Verfahren und dergleichen umfassen. Alternativ zum Urformen können einstückige bzw. monolithische Komponenten auch durch Umformen, z.B. durch Tiefziehen eines einzelnen Bleches, gefertigt werden. As in Wikipedia (see https://de.wikipedia.org/wiki/Urformen), here and in the following description, the term "primary forming" is to be understood as a main group of manufacturing processes in which a solid body with a geometrically defined shape is produced from a shapeless material or blank. Primary forming can in particular include a milling process, a casting process, a sintering process, an additive process and the like. As an alternative to primary forming, one-piece or monolithic components can also be manufactured by forming, e.g. by deep drawing a single sheet of metal.
Das vorstehend verwendete Adjektiv „monolithisch“ (wiederum wie bei Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Monolith) bedeutet hier und nachfolgend in der vorliegenden Beschreibung so viel wie „kompakt“ oder „aus einem Guss“ bzw. „einstückig“ oder „zusammenhängend“. Ein durch Urformen gebildeter monolithischer Körper kann beispielsweise ein Werkstück sein, das durch spanende Bearbeitung wie z.B. Fräsen aus einem einzigen, zusammenhängenden Metallrohling gefertigt wird. Ein weiteres Beispiel für einen durch Urformen gebildeten monolithischen Körper ist ein Werkstück, das durch additive Verfahren (z.B. Laserauftragschweißen oder Sintern oder 3D-Drucken) aus Metallpulver oder Kunststoffpulver gebildet wird. Weiter beispielsweise kann ein durch ein Spritzgussverfahren oder durch ein Metallgussverfahren hergestelltes Bauteil ein durch Urformen gebildeter monolithischer Körper sein. The adjective "monolithic" used above (again as in Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Monolith) means here and in the following in this description something like "compact" or "from a single cast" or "in one piece" or "connected". A monolithic body formed by primary forming can, for example, be a workpiece that is made from a single, connected metal blank by machining such as milling. Another example of a monolithic body formed by primary forming A monolithic body formed by a mold is a workpiece formed from metal powder or plastic powder by additive processes (e.g. laser deposition welding or sintering or 3D printing). Furthermore, for example, a component manufactured by an injection molding process or by a metal casting process can be a monolithic body formed by primary molding.
Der Kältemittelkreislauf einer wie oben beschriebenen gattungsgemäßen Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik kann eine Vielzahl von Leitungen aufweisen, die beispielsweise aus Kupfer und/oder anderen Metallen und/oder Kunststoffen gefertigt sein können. Diese Leitungen können insbesondere als Rohre und/oder Schläuche ausgeführt sein und somit starr oder beweglich sein. Dabei können einzelne Rohrstücke und/oder Schlauchstücke beispielsweise fest verbunden werden, z.B. durch Löten, Pressen oder Schweißen oder ähnliches Verfahren, oder sie können lösbar unter Verwendung einer abgedichteten Kupplung miteinander verbunden werden. Insbesondere an solchen lösbaren Verbindungen besteht ein Risiko, dass Lecks auftreten. The refrigerant circuit of a heat pump of the type described above according to the prior art can have a large number of lines, which can be made of copper and/or other metals and/or plastics, for example. These lines can be designed in particular as pipes and/or hoses and can therefore be rigid or movable. Individual pipe sections and/or hose sections can be firmly connected, for example by soldering, pressing or welding or a similar process, or they can be detachably connected to one another using a sealed coupling. There is a risk of leaks occurring, particularly at such detachable connections.
Da insbesondere Kupfer als Rohstoff hohe Kosten in der Fertigung mit sich bringen kann, besteht ein Bedürfnis, eine möglichst kleine Gesamtlänge aller betreffenden Leitungen im Kältekreislauf zu erreichen. Das Reduzieren der Gesamtlänge der Leitungen kann zudem in vorteilhafter Weise die benötigte Menge an Kältemittel reduzieren. Ferner soll die Anzahl von Verbindungen zwischen einzelnen Leitungsstücken reduziert werden. Hierdurch kann das Risiko von Leckagen deutlich verringert werden. Dies kann insbesondere bei Verwendung eines brennbaren und/oder giftigen und/oder umweltschädlichen Kältemittels vorteilhaft sein. Insbesondere bei Verwendung des natürlichen Kältemittels R290 (Propan) ist es aufgrund dessen Brennbarkeit vorteilhaft, wenn die Gesamtmenge an Kältemittel und das Risiko von Leckagen so klein wie möglich sind. Since copper in particular as a raw material can entail high costs in production, there is a need to achieve the smallest possible total length of all the relevant lines in the refrigeration circuit. Reducing the total length of the lines can also advantageously reduce the amount of refrigerant required. Furthermore, the number of connections between individual line sections should be reduced. This can significantly reduce the risk of leaks. This can be particularly advantageous when using a flammable and/or toxic and/or environmentally harmful refrigerant. In particular, when using the natural refrigerant R290 (propane), it is advantageous if the total amount of refrigerant and the risk of leaks are as small as possible due to its flammability.
Das Verringern der Gesamtlänge von Leitungen und der Anzahl von Verbindungen kann zudem eine kompaktere Bauweise und somit auch ein geringeres Gewicht der Wärmepumpe ermöglichen. Dies kann insbesondere bei Monoblock- Wärmepumpen vorteilhaft sein. Eine geringe Baugröße und ein geringes Gewicht können z.B. beim Fertigen sowie bei der Installation von Wärmepumpen, sowie insbesondere beim Nachrüsten einer Wärmepumpenheizung in einem Altbau von Vorteil sein. Reducing the total length of pipes and the number of connections can also enable a more compact design and thus a lower weight of the heat pump. This can be particularly useful for monoblock Heat pumps can be advantageous. A small size and low weight can be an advantage, for example, when manufacturing and installing heat pumps, and especially when retrofitting a heat pump heating system in an old building.
Darüber hinaus können durch das Reduzieren der Gesamtlänge von Leitungen auch die von der Wärmepumpe abgegebenen Geräusche verringert werden. Insbesondere in Wohngebäuden ist es vorteilhaft, wenn eine Wärmepumpe möglichst leise betrieben werden kann. Dadurch kann es zudem in vorteilhafter Weise möglich sein, auf Entlastungsleitungen, die in manchen Wärmepumpen zum Vermeiden von Schwingungen verwendet werden, zu verzichten. In addition, reducing the overall length of pipes can also reduce the noise emitted by the heat pump. In residential buildings in particular, it is advantageous if a heat pump can be operated as quietly as possible. This can also make it possible to dispense with relief pipes, which are used in some heat pumps to avoid vibrations.
Ein Ansatz zum Reduzieren von Leitungen eines Kältekreislaufs wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 102022116 807 beschrieben. Die darin offenbarte Kältekreislaufvorrichtung umfasst mehrere Kältekreislaufkomponenten und mehrere, die Kältekreislaufkomponenten miteinander verbindende Kältekreislaufleitungen. Mindestens ein Teil einer Kältekreislaufkomponente und mindestens eine Kältekreislaufleitung sind in einem durch Urformen hergestellten monolithischen Körper ausgebildet. An diesem Körper ist eine zur äußeren Anbindung einer der übrigen Kältekreislaufkomponenten oder einer der übrigen Kältekreislaufleitungen eine im Körper mit dem einen Teil der einen Kältekreislaufkomponente oder mit der einen Kältekreislaufleitung verbundene Schnittstelle angeordnet. One approach to reducing lines in a refrigeration circuit is described, for example, in the German patent application DE 102022116 807. The refrigeration circuit device disclosed therein comprises several refrigeration circuit components and several refrigeration circuit lines connecting the refrigeration circuit components to one another. At least one part of a refrigeration circuit component and at least one refrigeration circuit line are formed in a monolithic body produced by primary molding. An interface connected in the body to one part of one refrigeration circuit component or to one refrigeration circuit line is arranged on this body for the external connection of one of the other refrigeration circuit components or one of the other refrigeration circuit lines.
Mit anderen Worten, Teile der Kältekreislaufkomponenten und Teile der Kältekreislaufleitungen sind in einem Körper ausgebildet, der im Wesentlichen ein monolithischer Block ist, welcher durch Urformen hergestellt wird. Hierdurch kann eine besonders kompakte Vorrichtung zum Anschließen weiterer Kreislaufkomponenten und Leitungen bereitgestellt werden. Ein solcher Block kann zudem besonders einfach hergestellt werden. In other words, parts of the refrigeration circuit components and parts of the refrigeration circuit lines are formed in a body which is essentially a monolithic block which is produced by primary molding. This makes it possible to provide a particularly compact device for connecting further circuit components and lines. Such a block can also be produced particularly easily.
Der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe Ausgehend vom bekannten Stand der Technik, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Kältekreislaufkomponenten und Kältemittelleitungen zunehmend in einer möglichst geringen Anzahl von Bauteilen bzw. Baugruppen zu integrieren, um eine verbesserte Wärmepumpe mit möglichst geringem Gewicht, möglichst kleiner Baugröße und möglichst geringer Gesamtlänge von Leitungen im Kältemittelkreislauf bereitzustellen. The problem underlying the invention Based on the known prior art, it is an object of the present invention to increasingly integrate refrigeration circuit components and refrigerant lines in as small a number of components or assemblies as possible in order to provide an improved heat pump with the lowest possible weight, the smallest possible size and the shortest possible total length of lines in the refrigerant circuit.
Erfindungsgemäße Lösung Inventive solution
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kältekreisvorrichtung für eine Wärmepumpe nach Anspruch 1 bereitgestellt. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Wärmepumpe zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes nach Anspruch 20. Eine solche Wärmepumpe wird üblicherweise auch für die Warmwasserbereitung verwendet. Eine erfindungsgemäße Wärmepumpe zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes umfasst eine Kältekreisvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Zeichnungen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. According to a first aspect of the present invention, a refrigeration circuit device for a heat pump according to claim 1 is provided. A second aspect of the present invention relates to a heat pump for heating and/or cooling a building according to claim 20. Such a heat pump is usually also used for hot water preparation. A heat pump according to the invention for heating and/or cooling a building comprises a refrigeration circuit device according to the present invention. Further aspects of the present invention are the subject of the dependent claims, the drawings and the following description of exemplary embodiments.
Um den Betrieb der Wärmepumpe zwischen Heizen und Kühlen umzuschalten, kann vorzugsweise eine Fließrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf umgekehrt werden, beispielsweise mittels eines 4/2-Wege-Ventils oder dergleichen. Dabei vertauschen der Verflüssiger und der Verdampfer jeweils ihre Funktion. Mit anderen Worten, der Verflüssiger wird zum Verdampfer und der Verdampfer wird zum Verflüssiger. In order to switch the operation of the heat pump between heating and cooling, the flow direction of the refrigerant in the refrigerant circuit can preferably be reversed, for example by means of a 4/2-way valve or the like. In this case, the condenser and the evaporator each swap their function. In other words, the condenser becomes the evaporator and the evaporator becomes the condenser.
Unter einem "Modul" bzw. "Kältekreislaufmodul" ist vorliegend vorzugsweise ein Bauteil bzw. eine Baugruppe des Kältemittelkreislaufs zu verstehen, das mehrere Teile oder Komponenten umfasst, die häufig aber nicht zwingend in einem Modulgehäuse oder an bzw. auf einem T räger angeordnet sind, dergestalt, dass sie miteinander vormontierbar in einer Einheit ausgestaltet sind. Allgemein gesagt werden bei einem derartigen modularisierten Aufbau die Teile oder Komponenten entlang vordefinierter Stellen zusammengesetzt zu Modulen. Entsprechend kann die dadurch entstehende Baugruppe oder das Bauteil als Einheit transportiert und in die Kältekreisvorrichtung eingebaut bzw. aus der Kältekreisvorrichtung ausgebaut werden. In the present case, a "module" or "refrigeration circuit module" is preferably understood to mean a component or assembly of the refrigerant circuit that comprises several parts or components that are often but not necessarily arranged in a module housing or on or on a carrier in such a way that they are designed to be pre-assembled together in a unit. Generally speaking, in such a modularized structure, the parts or components are assembled into modules along predefined locations. Accordingly, the resulting assembly or component can be transported as a unit and installed in or removed from the refrigeration circuit device.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung Preferred embodiments of the invention
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Advantageous training and further education, which can be used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims.
Die Kältekreisvorrichtung umfasst ein erstes Kältekreislaufmodul und ein zweites Kältekreislaufmodul. Gemäß bevorzugten Ausführungen kann die Kältekreisvorrichtung mehr als zwei Kältekreislaufmodule aufweisen. Die Kältekreislaufmodule bilden mindestens einen Teil eines Kältemittelkreislaufs der Wärmepumpe. In bevorzugten Ausführungen kann der gesamte Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe durch die Kältekreislaufmodule der Kältekreisvorrichtung ausgebildet sein. The refrigeration circuit device comprises a first refrigeration circuit module and a second refrigeration circuit module. According to preferred embodiments, the refrigeration circuit device can have more than two refrigeration circuit modules. The refrigeration circuit modules form at least part of a refrigerant circuit of the heat pump. In preferred embodiments, the entire refrigerant circuit of the heat pump can be formed by the refrigeration circuit modules of the refrigeration circuit device.
Ein Kältekreislaufmodul fasst Komponenten eines Teilprozesses eines Kältemittelkreislaufs einer Wärmepumpe zu einer kompakten Baugruppe zusammen, so dass mindestens ein Teil des Kältemittelkreislaufs oder der gesamte Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe durch Kombinieren mehrerer Kältekreislaufmodule aufgebaut werden kann, wobei die einzelnen Kältekreislaufmodule jeweils gegen ein gleichartiges Kältekreislaufmodul austauschbar sind, um eine möglichst einfache Fertigung und Wartung der Wärmepumpe zu ermöglichen. A refrigeration circuit module combines components of a sub-process of a refrigerant circuit of a heat pump into a compact assembly, so that at least part of the refrigerant circuit or the entire refrigerant circuit of the heat pump can be constructed by combining several refrigeration circuit modules, whereby the individual refrigeration circuit modules can each be exchanged for a similar refrigeration circuit module in order to enable the heat pump to be manufactured and maintained as easily as possible.
Unter einem "Modul" bzw. "Kältekreislaufmodul" ist vorliegend vorzugsweise ein Bauteil bzw. eine Baugruppe des Kältemittelkreislaufs zu verstehen, das bzw. die als Einheit transportiert und in die Kältekreisvorrichtung eingebaut bzw. aus der Kältekreisvorrichtung ausgebaut werden kann. Die einzelnen Teilprozesse im Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe umfassen vereinfacht dargestellt das Verdichten des Kältemittel, das Verflüssigen des Kältemittels, das Entspannen des Kältemittels und das Verdampfen des Kältemittels. Das Verdichten erfolgt vorzugsweise in einem Verdichter beziehungsweise einem Kompressor. Das Verflüssigen erfolgt in einem ersten Wärmetauscher, der als Verflüssiger bezeichnet wird, wo das Kältemittel die aufgenommene Wärme an ein Heizkreismedium eines externen Heizkreises abgibt. Das Entspannen des Kältemittels erfolgt in einem Expansionsventil. Das Verdampfen des Kältemittels erfolgt beispielsweise in einem zweiten Wärmetauscher, der als Verdampfer bezeichnet wird, wo vorzugsweise das Kältemittel die Umgebungswärme aufnimmt. In the present case, a "module" or "refrigeration circuit module" is preferably understood to mean a component or assembly of the refrigerant circuit that can be transported as a unit and installed in or removed from the refrigeration circuit device. The individual sub-processes in the refrigerant circuit of a heat pump include, in simplified terms, the compression of the refrigerant, the liquefaction of the refrigerant, the expansion of the refrigerant and the evaporation of the refrigerant. Compression preferably takes place in a compressor. Condensation takes place in a first heat exchanger, known as a condenser, where the refrigerant releases the heat it has absorbed to a heating circuit medium of an external heating circuit. The expansion of the refrigerant takes place in an expansion valve. The evaporation of the refrigerant takes place, for example, in a second heat exchanger, known as an evaporator, where the refrigerant preferably absorbs the ambient heat.
Weiter vorzugsweise kann ein weiterer, Heizkreismedium führender Kreis angeschlossen sein, der mit einem Verdampfer verbunden ist, wo das Heizkreismedium Umgebungswärme aufnimmt. Vorteilhafterweise können dabei beide am Kältemittelkreislauf angeordneten Wärmeübertrager als kompakte Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein, während der verhältnismäßig große Verdampfer, im Falle beispielsweise einer Luft-Wasser-Wärmepumpe räumlich getrennt vom Bauraum des Kältemittelkreislaufs angeordnet sein kann. Further preferably, a further circuit carrying heating circuit medium can be connected, which is connected to an evaporator, where the heating circuit medium absorbs ambient heat. Advantageously, both heat exchangers arranged on the refrigerant circuit can be designed as compact plate heat exchangers, while the relatively large evaporator, in the case of an air-water heat pump, for example, can be arranged spatially separate from the installation space of the refrigerant circuit.
Bestimmte Teilkomponenten wie z.B. Sensoren, Aktoren, Antriebe, Elektronik und dergleichen können als externe Funktionsbaugruppen an einer äußeren Oberfläche eines Kältekreislaufmoduls angeordnet sein und mit im Inneren des Kältekreislaufmoduls angeordneten Komponenten wechselwirken. Certain subcomponents such as sensors, actuators, drives, electronics and the like can be arranged as external functional assemblies on an outer surface of a refrigeration circuit module and interact with components arranged inside the refrigeration circuit module.
Ferner zeichnet sich ein Kältekreislaufmodul dadurch aus, dass zumindest ein Teil der Strömungswege für das Kältemittel zum Zuführen und Abführen des Kältemittels zu und von dem betreffenden Teilprozess im Inneren des Kältekreislaufmodul angeordnet sind. Somit kann auf herkömmliche Leitungen wie Rohre oder Schläuche ganz oder zumindest teilweise verzichtet werden, so dass eine Vielzahl von Vorteilen erreicht werden kann. Ein Kältekreislaufmodul kann vorzugsweise auch mehr als einen Teilprozess in einer Baugruppe integrieren. Durch Erhöhen des Integrationsgrads, kann die Kältekreisvorrichtung noch kompakter aufgebaut werden, wodurch Platz und Gewicht gespart werden können und eine Gesamtlänge von Kältemittelleitungen weiter reduziert werden kann. Furthermore, a refrigeration circuit module is characterized in that at least some of the flow paths for the refrigerant for supplying and discharging the refrigerant to and from the relevant sub-process are arranged inside the refrigeration circuit module. This means that conventional lines such as pipes or hoses can be completely or at least partially dispensed with, so that a variety of advantages can be achieved. A refrigeration cycle module can preferably also integrate more than one sub-process in one assembly. By increasing the degree of integration, the refrigeration cycle device can be constructed even more compactly, which saves space and weight and further reduces the overall length of refrigerant lines.
Beispielsweise kann durch die erfindungsgemäße Kältekreisvorrichtung mit Kältekreislaufmodulen ein Risiko von Leckagen, bei denen Kältemittel austritt, verringert werden. Ferner kann die benötigte Gesamtmenge an Kältemittel im Kältemittelkreislauf verringert werden. Insbesondere bei der Verwendung eines brennbaren bzw. leicht entflammbaren und/oder giftigen Kältemittels kann somit ein Beitrag zu einem sicheren Betrieb der Wärmepumpe geleistet werden. For example, the refrigeration circuit device according to the invention with refrigeration circuit modules can reduce the risk of leaks in which refrigerant escapes. Furthermore, the total amount of refrigerant required in the refrigerant circuit can be reduced. This can contribute to the safe operation of the heat pump, particularly when using a flammable or easily flammable and/or toxic refrigerant.
Darüber hinaus kann durch das Integrieren der Kältemittelleitungen in die Kältekreislaufmodule ein schwingungsarmer Betrieb der Wärmepumpe erreicht werden, so dass die Wärmepumpe besonders leise betrieben werden kann und eine Lebensdauer der Komponenten bzw. der Wärmepumpe verbessert werden kann. In addition, by integrating the refrigerant lines into the refrigeration circuit modules, low-vibration operation of the heat pump can be achieved, so that the heat pump can be operated particularly quietly and the service life of the components or the heat pump can be improved.
Das erste Kältekreislaufmodul umfasst einen Verdichter zum Verdichten eines Kältemittels und Strömungswege für das Kältemittel. Das erste Kältekreislaufmodul kann entsprechend auch als Verdichtermodul bezeichnet werden. Das erste Kältekreislaufmodul integriert somit alle Komponenten, die für den Prozess des Verdichtens des Kältemittels benötigt werden, sowie mindestens einen Teil der Strömungswege zum Verdichter hin und vom Verdichter weg, also einen Vorlauf und einen Rücklauf des Verdichters. The first refrigeration circuit module comprises a compressor for compressing a refrigerant and flow paths for the refrigerant. The first refrigeration circuit module can also be referred to as a compressor module. The first refrigeration circuit module thus integrates all components required for the process of compressing the refrigerant, as well as at least some of the flow paths to and from the compressor, i.e. a supply line and a return line of the compressor.
Das zweite Kältekreislaufmodul umfasst ein Expansionsventil zum Entspannen des Kältemittels und Strömungswege für das Kältemittel. Das zweite Kältekreislaufmodul kann somit auch als Expansionsmodul bezeichnet werden. Das Expansionsventil kann insbesondere ein thermostatisches Expansionsventil, ein elektronisches Expansionsventil oder eine Drossel sein. Eine Kennlinie des Expansionsventils kann beispielsweise linear oder gleichprozentig sein. Das Expansionsventil kann unipolar oder bipolar angesteuert werden. Eine Aufgabe des Expansionsventils ist es, den Kältemittelkreislauf im Gleichgewicht zu halten und eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels im Kreislauf zu gewährleisten. The second refrigeration circuit module comprises an expansion valve for expanding the refrigerant and flow paths for the refrigerant. The second refrigeration circuit module can therefore also be referred to as an expansion module. The expansion valve can in particular be a thermostatic expansion valve, an electronic expansion valve or a throttle. A characteristic curve of the expansion valve can, for example, be linear or equal percentage. The Expansion valves can be controlled unipolarly or bipolarly. One of the tasks of the expansion valve is to keep the refrigerant circuit in balance and to ensure an even distribution of the refrigerant in the circuit.
Das erste Kältekreislaufmodul ist mit dem zweiten Kältekreislaufmodul strömungsverbunden. Vorzugsweise kann das erste Kältekreislaufmodul direkt über eine geeignete Schnittstelle auf einer äußeren Oberfläche des ersten Kältekreislaufmodul mit einer entsprechenden Schnittstelle auf einer äußeren Oberfläche des zweiten Kältekreislaufmoduls verbunden werden. In diesen Schnittstellen sind insbesondere Öffnungen zum Verbinden der Strömungswege angeordnet. Die Schnittstellen des ersten Kältekreislaufmoduls und des zweiten Kältekreislaufmoduls können vorzugsweise in einer Ebene angeordnet sein. The first refrigeration circuit module is fluidly connected to the second refrigeration circuit module. Preferably, the first refrigeration circuit module can be connected directly via a suitable interface on an outer surface of the first refrigeration circuit module to a corresponding interface on an outer surface of the second refrigeration circuit module. In particular, openings for connecting the flow paths are arranged in these interfaces. The interfaces of the first refrigeration circuit module and the second refrigeration circuit module can preferably be arranged in one plane.
Das erste Kältekreislaufmodul und das zweite Kältekreislaufmodul können jeweils eine Vielzahl von Anschlüssen aufweisen, um eine Strömungsverbindung zwischen erstem Kältekreislaufmodul und zweitem Kältekreislaufmodul herzustellen. Diese Anschlüsse können beispielsweise in Schnittstellen zusammengefasst sein, um ein einfaches und zeitsparendes Verbinden der Kältekreislaufmodule zu ermöglichen. Folglich kann eine Montage bzw. eine Wartung der Kältekreisvorrichtung besonders einfach und zeitsparend erfolgen. The first refrigeration circuit module and the second refrigeration circuit module can each have a plurality of connections in order to establish a flow connection between the first refrigeration circuit module and the second refrigeration circuit module. These connections can, for example, be combined in interfaces in order to enable the refrigeration circuit modules to be connected easily and in a time-saving manner. As a result, assembly and maintenance of the refrigeration circuit device can be carried out particularly easily and in a time-saving manner.
Die Strömungswege in den Kältekreislaufmodulen können vorzugsweise Verbindungsstücke und Anschlussstücke aufweisen. Die Verbindungsstücke sind beispielsweise Abschnitte der Strömungswege, jeweils in einer durch das Kältekreislaufmodul verlaufenden Ebene angeordnet sein können. Die Anschlussstücke sind vorzugsweise Abschnitte der Strömungswege, die beispielsweise jeweils senkrecht zur Ebene angeordnet sein können. Hierdurch kann einerseits ein besonders einfacher und platzsparender Aufbau realisiert werden, der einfach zu fertigen ist. The flow paths in the refrigeration circuit modules can preferably have connecting pieces and connection pieces. The connecting pieces are, for example, sections of the flow paths, each of which can be arranged in a plane running through the refrigeration circuit module. The connection pieces are preferably sections of the flow paths, each of which can be arranged perpendicular to the plane, for example. This makes it possible to achieve a particularly simple and space-saving structure that is easy to manufacture.
An den Enden der Anschlussstücke sind vorzugsweise Anschlüsse als Schnittstellen zum Verbinden mit entsprechenden Anschlüssen benachbarter Kältekreislaufmodule angeordnet. Hierdurch können in vorteilhafter Weise vorgegebene Schnittstellen zwischen den Kältekreislaufmodulen realisiert werden, welche es ermöglichen, dass einzelne Kältekreislaufmodule gegen insbesondere funktionsgleiche Kältekreislaufmodule ersetzt werden können, die im Inneren jedoch auch unterschiedlich ausgeführt sein können. Somit kann eine hohe Modularität erreicht werden, so dass durch Austauschen einzelner Kältekreislaufmodule unterschiedliche Ausführungen von Kältemittelkreisläufen realisiert werden können. At the ends of the connectors, connections are preferably arranged as interfaces for connecting to corresponding connections of adjacent refrigeration circuit modules. This advantageously allows Predefined interfaces between the refrigeration circuit modules are implemented, which allow individual refrigeration circuit modules to be replaced with refrigeration circuit modules that have the same function, but which can also be designed differently on the inside. This allows a high level of modularity to be achieved, so that different designs of refrigerant circuits can be implemented by exchanging individual refrigeration circuit modules.
Das zweite Kältekreislaufmodul umfasst vorzugsweise ein erstes Expansionsventil und ein zweites Expansionsventil. In bevorzugten Ausführungen kann das zweite Kältekreislaufmodul auch ein drittes Expansionsventil aufweisen. Die Expansionsventile können jeweils in verschiedenen Strömungswegen im zweiten Kältekreislaufmodule angeordnet sein. Beispielsweise durch Vorsehen von Umschaltventilen können die verschiedenen Expansionsventile je nach gewünschter Konfiguration in den aktiven Kreislauf eingebunden werden, so dass unterschiedliche Kältemittelkreisläufe realisiert werden können. The second refrigeration circuit module preferably comprises a first expansion valve and a second expansion valve. In preferred embodiments, the second refrigeration circuit module can also have a third expansion valve. The expansion valves can each be arranged in different flow paths in the second refrigeration circuit module. For example, by providing changeover valves, the various expansion valves can be integrated into the active circuit depending on the desired configuration, so that different refrigerant circuits can be implemented.
In bevorzugten Ausführungen kann das zweite Kältekreislaufmodul ein Umschaltventil oder mehrere Umschaltventile zum Umschalten zwischen Zweigen des Kältemittelkreislaufs und/oder zum Umkehren einer Fließrichtung des Kältemittels umfassen. Ein Umschaltventil kann beispielsweise als 4/3- Wegeventil oder 4/2-Wegeventil ausgeführt sein. Das zweite Kältekreislaufmodul kann somit auch als Ventilmodul bezeichnet werden, in dem eine Vielzahl von Ventilen angeordnet ist. In preferred embodiments, the second refrigeration circuit module can comprise a switching valve or several switching valves for switching between branches of the refrigeration circuit and/or for reversing a flow direction of the refrigeration agent. A switching valve can be designed, for example, as a 4/3-way valve or 4/2-way valve. The second refrigeration circuit module can thus also be referred to as a valve module in which a large number of valves are arranged.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann insbesondere das zweite Kältekreislaufmodul anstelle eines Umkehrventils oder zusätzlich zu einem Umkehrventil eine Bypassleitung aufweisen. Die Bypassleitung ist ein Strömungsweg, der z.B. dafür vorgesehen ist, um ein Heißgas-Bypass-Abtauen zu ermöglichen. According to a preferred embodiment, in particular the second refrigeration circuit module can have a bypass line instead of a reversing valve or in addition to a reversing valve. The bypass line is a flow path which is provided, for example, to enable hot gas bypass defrosting.
Vorzugsweise kann das zweite Kältekreislaufmodul einen Phasentrenner aufweisen. Der Phasentrenner kann insbesondere ein Kältemittelsammler zum Sammeln des Kältemittels sein. Vom Phasentrenner kann flüssiges Kältemittel und/oder gasförmiges Kältemittel abgezapft werden. Preferably, the second refrigeration circuit module can have a phase separator. The phase separator can in particular be a refrigerant collector for Collection of the refrigerant. Liquid refrigerant and/or gaseous refrigerant can be tapped from the phase separator.
Ein Phasentrenner kann auch als Akkumulator bezeichnet werden. Der Kältemittelsammler dient vorzugsweise als Ausgleichsbehälter, um einen Druck im Kältemittelkreislauf zu regulieren. Der Phasentrenner kann alternativ als Flüssigkeitsabscheider ausgeführt sein. Im Kältemittelsammler kann beispielsweise eine Phasentrennung zwischen flüssigem und gasförmigem Kältemittel stattfinden. Ein Kältemittelsammler wird in der Regel in einem Bereich des Kältemittelkreislaufs mit hohem Druck verwendet. Ein Flüssigkeitsabscheider wird in der Regel in einem Bereich des Kältemittelkreislaufs mit niedrigem Druck verwendet. A phase separator can also be referred to as an accumulator. The refrigerant collector preferably serves as an equalizing tank to regulate a pressure in the refrigerant circuit. The phase separator can alternatively be designed as a liquid separator. In the refrigerant collector, for example, a phase separation between liquid and gaseous refrigerant can take place. A refrigerant collector is usually used in an area of the refrigerant circuit with high pressure. A liquid separator is usually used in an area of the refrigerant circuit with low pressure.
Das zweite Kältekreislaufmodul kann ein Frontteil mit einer ebenen ersten Verbindungsfläche, ein Rückteil mit einer ebenen zweiten Verbindungsfläche und ein ebenes Dichtelement umfassen, wobei die erste Verbindungsfläche parallel zur zweiten Verbindungsfläche angeordnet ist und das Dichtelement zwischen erster Verbindungsfläche und zweiter Verbindungsfläche angeordnet ist. The second refrigeration cycle module may comprise a front part with a flat first connection surface, a rear part with a flat second connection surface and a flat sealing element, wherein the first connection surface is arranged parallel to the second connection surface and the sealing element is arranged between the first connection surface and the second connection surface.
Ein erfindungsgemäßes Dichtelement ist vorzugsweise eine Dichtung zum Abdichten und/oder zum thermischen Isolieren. Je nach Anforderung kann es auch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Je nach Einsatzzweck kann das Dichtelement aus einem jeweils geeigneten Material gefertigt sein. A sealing element according to the invention is preferably a seal for sealing and/or for thermal insulation. Depending on the requirements, it can also have a particularly high thermal conductivity. Depending on the intended use, the sealing element can be made of a suitable material.
Das Frontteil und das Rückteil des zweiten Kältekreislaufmoduls können jeweils ein durch Urformen gefertigter monolithischer Körper sein. Das Frontteil und das Rückteil können jeweils halbschalenförmig sein, so dass durch Verbinden des Frontteils und des Rückteils eine Vielzahl von Strömungswegen und/oder ein Kältemittelsammler für das Kältemittel gebildet werden. The front part and the rear part of the second refrigeration cycle module can each be a monolithic body manufactured by primary molding. The front part and the rear part can each be half-shell-shaped, so that by connecting the front part and the rear part, a plurality of flow paths and/or a refrigerant collector for the refrigerant are formed.
Gemäß einer alternativen Ausführung können Frontteil und Rückteil eines erfindungsgemäßen Kältekreislaufmoduls durch Umformen gebildet werden. Beispielsweise können Frontteil und Rückteil durch ein Roll-Bonding-Verfahren gefertigt werden. Besonders vorzugsweise kann dabei auch das Dichtelement dazwischen ausgebildet werden. Weiter vorzugsweise können Frontteil und Rückteil jeweils durch Tiefziehen eines einzelnen Bleches ausgebildet werden. According to an alternative embodiment, the front part and rear part of a refrigeration cycle module according to the invention can be formed by forming. For example, the front part and rear part can be formed by a roll bonding process Particularly preferably, the sealing element can also be formed in between. Further preferably, the front part and rear part can each be formed by deep drawing a single sheet of metal.
Der Verdichter des ersten Kältekreislaufmoduls ist vorzugsweise ein Hubkolbenverdichter, der eine Kurbelwelle und mindestens einen mit der Kurbelwelle verbundenen Kolben umfasst. Ein Hubkolbenverdichter kann besonders vorteilhaft sein, da er insbesondere im Arbeitsraum bzw. an den Kontaktstellen zum Kältemittel bzw. zum Kältekreislauf ölarm oder sogar ölfrei betrieben werden kann. Somit kann verhindert werden, dass das Kältemittel mit Öl vermischt wird. Dies kann die Langlebigkeit des Kältemittels, des Kältemittelkreislaufs und der kältemittelführenden Komponenten erhöhen, so dass die erfindungsgemäße Wärmepumpe besonders wartungsarm betrieben werden kann. Ferner kann hierbei vorzugsweise auf die Verwendung eines zusätzlichen Ölabscheiders im Kältemittelkreislauf verzichtet werden, wodurch die Komplexität des Kältemittelkreislaufs verringert werden kann, was wiederum die Fertigung vereinfachen und die Kosten reduzieren kann. Insbesondere kann in vorteilhafter Weise die Menge des benötigten Kältemittels reduziert werden, da es nicht an Öl gebunden wird. Ferner kann ein besonders sicherer Betrieb der Wärmepumpe gewährleistet werden, da an Betriebspunkten nicht auf eine ausreichende Schmierung geachtet werden muss, was zum Beispiel beim Starten oder Umschalten besonders vorteilhaft sein kann. Die hier beschriebenen Vorteile können zudem dazu beitragen, dass eine energetische Gesamteffizienz der Wärmepumpe bzw. der gesamten HLKK-Anlage (Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kältetechnik) verbessert werden kann. The compressor of the first refrigeration circuit module is preferably a reciprocating piston compressor that comprises a crankshaft and at least one piston connected to the crankshaft. A reciprocating piston compressor can be particularly advantageous because it can be operated with little or even no oil, particularly in the working space or at the contact points with the refrigerant or the refrigeration circuit. This can prevent the refrigerant from being mixed with oil. This can increase the longevity of the refrigerant, the refrigerant circuit and the refrigerant-carrying components, so that the heat pump according to the invention can be operated with particularly little maintenance. Furthermore, the use of an additional oil separator in the refrigerant circuit can preferably be dispensed with, which can reduce the complexity of the refrigerant circuit, which in turn can simplify production and reduce costs. In particular, the amount of refrigerant required can be advantageously reduced because it is not bound to oil. Furthermore, particularly safe operation of the heat pump can be ensured because sufficient lubrication does not have to be ensured at operating points, which can be particularly advantageous when starting or switching, for example. The advantages described here can also help to improve the overall energy efficiency of the heat pump or the entire HVAC system (heating, ventilation, air conditioning and refrigeration technology).
Der Hubkolbenverdichter weist vorzugsweise eine gerade Anzahl von Zylindern auf. Beispielsweise kann der Hubkolbenverdichter zwei, vier, sechs oder acht Zylinder aufweisen. Eine gerade Anzahl von Zylindern kann vorzugsweise paarweise entlang einer gemeinsamen Zylinderachse angeordnet werden. Bei einer paarweisen Anordnung von Zylindern können sich die durch die Bewegung der Kolben in den Zylindern erzeugten Schwingungen besonders vorteilhaft paarweise kompensieren. Die Hubkolben eines Zylinderpaares können jeweils eine Phasenverschiebung von 180 Grad aufweisen. Das bedeutet, dass sich die Kolben jeweils in entgegengesetzter Richtung bewegen, so dass sich die erzeugten Schwingungen kompensieren. Somit kann ein besonders schwingungsarmer Betrieb des Verdichters erreicht werden. The reciprocating piston compressor preferably has an even number of cylinders. For example, the reciprocating piston compressor can have two, four, six or eight cylinders. An even number of cylinders can preferably be arranged in pairs along a common cylinder axis. When cylinders are arranged in pairs, the vibrations generated by the movement of the pistons in the cylinders can be compensated in pairs in a particularly advantageous manner. The pistons of a pair of cylinders can each have a phase shift of 180 degrees. This means that the pistons move in opposite directions so that the vibrations generated compensate for each other. This allows the compressor to operate with particularly low vibrations.
Ein besonders bevorzugter Hubkolbenverdichter weist drei Zylinderpaare auf, die jeweils mit einem Winkel von 60 Grad zueinander angeordnet sind. Eine solche Anordnung wird auch als sternförmig bezeichnet. Hierdurch können in besonders vorteilhafter Weise oszillierende Massenkräfte erster und zweiter Ordnung vermieden oder zumindest vermindert werden, um einen besonders schwingungsarmen Betrieb des Verdichters zu erreichen. A particularly preferred reciprocating piston compressor has three pairs of cylinders, each arranged at an angle of 60 degrees to one another. Such an arrangement is also referred to as star-shaped. This makes it particularly advantageous to avoid or at least reduce oscillating first and second order mass forces in order to achieve particularly low-vibration operation of the compressor.
Die Zylinderachsen der drei Zylinderpaare liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene. Besonders vorzugsweise sind die Zylinder sternförmig angeordnet. Hiermit kann eine besonders kompakte und flache Bauweise des Verdichters erreicht werden, so dass Platz gespart werden kann. The cylinder axes of the three cylinder pairs are preferably in a common plane. The cylinders are particularly preferably arranged in a star shape. This allows a particularly compact and flat design of the compressor to be achieved, so that space can be saved.
Die Kurbelwelle ist vorzugsweise zwischen den Zylindern angeordnet. Bei einer sternförmigen Anordnung der Zylinder kann die Kurbelwelle entsprechend in einem Mittelpunkt zwischen der Vielzahl von Zylindern angeordnet sein. Somit können die auf die Kurbelwelle wirkenden Kräfte kompensiert und Schwingungen erster und zweiter Ordnung vermieden oder zumindest reduziert werden. The crankshaft is preferably arranged between the cylinders. If the cylinders are arranged in a star shape, the crankshaft can be arranged at a center point between the plurality of cylinders. The forces acting on the crankshaft can thus be compensated and first and second order vibrations can be avoided or at least reduced.
Die Kolben werden vorzugsweise so von der umlaufenden Kurbelwelle angetrieben, dass sie sich beim Verdichten paarweise in gegenüberliegenden Zylindern in gleicher Phase von der Kurbelwelle wegbewegen. Auf diese Weise kann eine besonders günstige Anordnung geschaffen werden, bei der die auftretenden oszillierenden Massenkräfte erster und zweiter Ordnung besonders einfach vermieden oder zumindest reduziert werden können. Die Strömungswege des ersten Kältekreislaufmoduls können insbesondere einen Vorlaufkanal und einen Rücklaufkanal umfassen. Der Rücklaufkanal befindet sich auf einer Niederdruckseite und führt dem Verdichter das Kältemittel zu, beispielsweise über Einlassventile. Der Vorlaufkanal befindet sich auf einer Hochdruckseite und führt das verdichtete Kältemittel vom Verdichter weg in Richtung eines Verdampfers im Kältemittelkreislauf. The pistons are preferably driven by the rotating crankshaft in such a way that they move away from the crankshaft in pairs in opposite cylinders in the same phase during compression. In this way, a particularly favorable arrangement can be created in which the oscillating first and second order mass forces that occur can be particularly easily avoided or at least reduced. The flow paths of the first refrigeration circuit module can in particular comprise a supply channel and a return channel. The return channel is located on a low-pressure side and supplies the refrigerant to the compressor, for example via inlet valves. The supply channel is located on a high-pressure side and supplies the compressed refrigerant away from the compressor in the direction of an evaporator in the refrigeration circuit.
Der Vorlaufkanal und der Rücklaufkanal können vorzugsweise jeweils ringförmig ausgebildet sein. Der Vorlaufkanal und der Rücklaufkanal sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet und eine Symmetrieachse von Vorlaufkanal und Rücklaufkanal ist vorzugsweise senkrecht zu den Zylinderachsen des Verdichters angeordnet. Hierdurch kann eine besonders kompakte Bauweise des Hubkolbenverdichters erreicht werden, insbesondere wenn der Hubkolbenverdichter drei Zylinderpaare aufweist, die sternförmig angeordnet sind. The feed channel and the return channel can preferably each be ring-shaped. The feed channel and the return channel are preferably arranged parallel to one another and an axis of symmetry of the feed channel and the return channel is preferably arranged perpendicular to the cylinder axes of the compressor. This makes it possible to achieve a particularly compact design of the reciprocating piston compressor, in particular if the reciprocating piston compressor has three pairs of cylinders arranged in a star shape.
Zwischen Vorlaufkanal und Rücklaufkanal ist vorzugsweise eine Wärmeisolierung angeordnet. Die Wärmeisolierung kann beispielsweise durch Anordnen eines Dämmmaterials mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit oder durch Anordnen eines Luftspalts oder eines Vakuums erreicht werden. Beim Luftspalt ist eine Wärmeübertragung durch Konvektion sehr gering. Über einen Luftspalt bzw. ein Vakuum kann Wärme somit fast ausschließlich durch Strahlung übertragen werden, die bei den in einem Kältekreislauf auftretenden Temperaturen vernachlässigbar ist. Auch die Wärmeleitung entlang des umgebenden Materials kann vorzugsweise sehr klein sein. Somit kann durch die Wärmeisolierung eine Wärmeübertragung zwischen Vorlauf und Rücklauf auf ein vernachlässigbar kleines Niveau eingestellt werden. Thermal insulation is preferably arranged between the flow channel and the return channel. The thermal insulation can be achieved, for example, by arranging an insulating material with very low thermal conductivity or by arranging an air gap or a vacuum. With an air gap, heat transfer by convection is very low. Heat can therefore be transferred via an air gap or a vacuum almost exclusively by radiation, which is negligible at the temperatures occurring in a refrigeration circuit. The heat conduction along the surrounding material can also preferably be very small. The thermal insulation can therefore set heat transfer between the flow and return to a negligible level.
Das erste Kältekreislaufmodul umfasst vorzugsweise eine Antriebseinheit zum Antreiben der Kurbelwelle des Verdichters. Die Antriebseinheit kann beispielsweise einen Elektromotor umfassen und ist vorzugsweise an einer äußeren Oberfläche des ersten Kältekreislaufmoduls angeordnet. Ferner kann das erste Kältekreislaufmodul eine Steuereinheit zum Steuern der Antriebseinheit umfassen. Die Antriebseinheit umfasst vorzugsweise einen Umrichter, um eine Drehzahl des Verdichters und damit eine Verdichtungsleistung des Verdichters zu steuern. The first refrigeration circuit module preferably comprises a drive unit for driving the crankshaft of the compressor. The drive unit can comprise, for example, an electric motor and is preferably arranged on an outer surface of the first refrigeration circuit module. Furthermore, the first refrigeration circuit module can comprise a control unit for controlling the drive unit The drive unit preferably comprises an inverter to control a speed of the compressor and thus a compression power of the compressor.
Eine bevorzugte Kältekreisvorrichtung umfasst ein drittes Kältekreislaufmodul, das einen Verflüssiger zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel auf ein Heizkreismedium eines externen Heizkreises umfasst. Das dritte Kältekreislaufmodul kann somit auch als Verflüssigermodul bezeichnet werden. Der Verflüssiger kann ein Wärmeübertrager mit einem Kondensator sein, wo das gasförmige Kältemittel kondensiert und dabei Wärme an das Heizkreismedium überträgt. Entsprechend kann das dritte Kältekreislaufmodul auch Anschlüsse zum Anschließen von Leitungen des den externen Heizkreises aufweisen. A preferred refrigeration circuit device comprises a third refrigeration circuit module, which comprises a condenser for transferring heat from the refrigerant to a heating circuit medium of an external heating circuit. The third refrigeration circuit module can thus also be referred to as a condenser module. The condenser can be a heat exchanger with a condenser, where the gaseous refrigerant condenses and thereby transfers heat to the heating circuit medium. Accordingly, the third refrigeration circuit module can also have connections for connecting lines of the external heating circuit.
Eine bevorzugte Kältekreisvorrichtung umfasst ein viertes Kältekreislaufmodul, das einen Verdampfer zum Übertragen von Wärme von einem Umgebungsmedium auf das Kältemittel umfasst. Das vierte Kältekreislaufmodul kann somit auch als Verdampfermodul bezeichnet werden. Der Verdampfer kann ein Wärmeübertrager sein, an dem das Kältemittel Wärme von der Umgebungsluft aufnimmt, wobei das Kältemittel verdampft. A preferred refrigeration circuit device comprises a fourth refrigeration circuit module, which comprises an evaporator for transferring heat from an ambient medium to the refrigerant. The fourth refrigeration circuit module can thus also be referred to as an evaporator module. The evaporator can be a heat exchanger at which the refrigerant absorbs heat from the ambient air, whereby the refrigerant evaporates.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann der Verdampfer im vierten Kältekreislaufmodul ein Lamellenwärmeübertrager sein, wie er beispielsweise in der Offenlegungsschrift Nr. DE 102010 021692 A2 beschrieben wird. According to a preferred embodiment, the evaporator in the fourth refrigeration circuit module can be a plate heat exchanger, as described, for example, in the published patent application No. DE 102010 021692 A2.
Alternativ kann das vierte Kältekreislaufmodul einen Wärmeübertrager, der vorzugsweise als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist, aufweisen, an dem ein Wärmeübertrag zwischen dem Kältemittel und einem Wärmeträgermedium eines Sekundärkreises stattfindet. Dieser Sekundärkreis umfasst vorzugsweise einen Verdampfer, an dem Wärme von einem Umgebungsmedium, wie z.B. dem Erdreich im Falle einer Sole-Wasser-Wärmepumpe oder der Umgebungsluft im Falle einer Luft-Wasser-Wärmepumpe aufgenommen werden kann. Als Wärmeträgermedium im Sekundärkreis kann beispielsweise Sole verwendet werden, die durch eine Erdsonde oder einen Erdwärme-Flachkollektor gepumpt wird. Alternatively, the fourth refrigeration circuit module can have a heat exchanger, which is preferably designed as a plate heat exchanger, at which heat is transferred between the coolant and a heat transfer medium of a secondary circuit. This secondary circuit preferably comprises an evaporator, at which heat can be absorbed from an ambient medium, such as the ground in the case of a brine-water heat pump or the ambient air in the case of an air-water heat pump. Brine, for example, can be used as the heat transfer medium in the secondary circuit. which is pumped through a geothermal probe or a flat-plate geothermal collector.
Bei einer Ausführung als Luft-Wasser-Wärmepumpe kann insbesondere ein großer Verdampfer mit Lüfter verwendet werden, der im Sekundärkreis außerhalb der Kältekreisvorrichtung angeordnet werden kann. Somit kann die Kältekreisvorrichtung trotzdem kompakt und mit einem hohen Integrationsgrad gefertigt werden. In an air-water heat pump design, a large evaporator with a fan can be used, which can be arranged in the secondary circuit outside the refrigeration circuit device. This means that the refrigeration circuit device can still be manufactured compactly and with a high degree of integration.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann das vierte Kältekreislaufmodul beabstandet von den übrigen Kältekreislaufmodulen angeordnet sein. Dazu können hier Rohrleitungen oder Schläuche als Leitungen für das Kältemittel verwendet werden. Diese Leitungen umfassen insbesondere eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung. Die Leitungen sollen jeweils nicht länger als 100 cm, vorzugsweise nicht länger als 50 cm sein. In a preferred embodiment of the invention, the fourth refrigeration circuit module can be arranged at a distance from the other refrigeration circuit modules. For this purpose, pipes or hoses can be used as lines for the coolant. These lines include in particular a supply line and a return line. The lines should each be no longer than 100 cm, preferably no longer than 50 cm.
Eine bevorzugte Kältekreisvorrichtung umfasst ein fünftes Kältekreislaufmodul, das einen internen Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme eines ersten Teilkreises des Kältemittelkreislaufs auf einen zweiten Teilkreis des Kältemittelkreislaufs umfasst. Vorzugsweise kann der interne Wärmeübertrager zum Kühlen eines Umrichters verwendet werden. A preferred refrigeration circuit device comprises a fifth refrigeration circuit module which comprises an internal heat exchanger for transferring heat from a first partial circuit of the refrigeration circuit to a second partial circuit of the refrigeration circuit. Preferably, the internal heat exchanger can be used for cooling a converter.
Eine bevorzugte Kältekreisvorrichtung umfasst ein sechstes Kältekreislaufmodul mit einer Vielzahl von Strömungswegen für das Kältemittel und einer Vielzahl von Anschlüssen zum Verbinden der Strömungswege mit anderen Kältekreislaufmodulen. Das sechste Kältekreislaufmodul kann auch als Verteilermodul bezeichnet werden und als Schnittstelle zwischen mindestens zwei der übrigen Kältekreislaufmodule dienen, um die Komponenten in den Kältekreislaufmodulen gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Kältemittelkreislaufs miteinander zu verbinden und das Kältemittel entsprechend zwischen den Kältekreislaufmodulen zu verteilen. Hierzu können sich zwei oder mehr der Vielzahl von Strömungswegen im Verteilermodul verzweigen und/oder vereinen. Ferner kann das Verteilermodul einen Ausgleichsbehälter bzw. Kältemittelsammler oder Flüssigkeitsabscheider aufweisen. A preferred refrigeration circuit device comprises a sixth refrigeration circuit module with a plurality of flow paths for the refrigerant and a plurality of connections for connecting the flow paths to other refrigeration circuit modules. The sixth refrigeration circuit module can also be referred to as a distributor module and serve as an interface between at least two of the remaining refrigeration circuit modules in order to connect the components in the refrigeration circuit modules to one another according to a preferred embodiment of the refrigerant circuit and to distribute the refrigerant accordingly between the refrigeration circuit modules. For this purpose, two or more of the plurality of flow paths in the distributor module can branch and/or Furthermore, the distribution module can have an expansion tank or refrigerant collector or liquid separator.
Das sechste Kältekreislaufmodul ist vorzugsweise mit dem zweiten Kältekreislaufmodul strömungsverbunden. Weiter vorzugsweise ist das sechste Kältekreislaufmodul mit dem dritten Kältekreislaufmodul und/oder mit dem vierten Kältekreislaufmodul und/oder mit dem fünften Kältekreislaufmodul strömungsverbunden. The sixth refrigeration circuit module is preferably fluidly connected to the second refrigeration circuit module. Further preferably, the sixth refrigeration circuit module is fluidly connected to the third refrigeration circuit module and/or to the fourth refrigeration circuit module and/or to the fifth refrigeration circuit module.
In einer bevorzugten Ausführung kann ein Teil des Kältemittels nach der Verflüssigung genutzt werden, um mithilfe eines zusätzlichen Wärmetauschers (beispielsweise der interne Wärmeübertrager) und eines zusätzlichen Expansionsventils Dampf zu erzeugen, der direkt in den Verdichter eingespritzt werden kann. Durch diese zusätzliche Dampfeinspritzung kann der Wirkungsgrad vorteilhaft erhöht werden. Eine solche Dampfeinspritzung kann beim später näher beschriebenen Hubkolbenverdichter und in alternativen Ausführungen insbesondere auch bei einem Scrollverdichter angewendet werden. In a preferred embodiment, part of the refrigerant can be used after liquefaction to generate steam with the help of an additional heat exchanger (for example the internal heat exchanger) and an additional expansion valve, which can be injected directly into the compressor. This additional steam injection can advantageously increase the efficiency. Such steam injection can be used in the reciprocating piston compressor described in more detail later and, in alternative embodiments, in particular in a scroll compressor.
Vorzugsweise kann eine Wärmeisolierung zwischen dem sechsten Kältekreislaufmodul und dem zweiten Kältekreislaufmodul angeordnet sein. Die Wärmeisolierung dient dazu, einen Wärmeübertrag zwischen dem Kältemittel im sechsten Kältekreislaufmodul und dem Kältemittel im zweiten Kältekreislaufmodul zu verhindern oder zumindest zu minimieren. Hierdurch kann beispielsweise ein heißer Teilkreis von einem kalten Teilkreis des Kältemittelkreislaufs thermisch getrennt werden. Preferably, thermal insulation can be arranged between the sixth refrigeration circuit module and the second refrigeration circuit module. The thermal insulation serves to prevent or at least minimize heat transfer between the refrigerant in the sixth refrigeration circuit module and the refrigerant in the second refrigeration circuit module. This allows, for example, a hot partial circuit to be thermally separated from a cold partial circuit of the refrigerant circuit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist das sechste Kältekreislaufmodul ein Frontteil mit einer ebenen ersten Verbindungsfläche, ein Rückteil mit einer ebenen zweiten Verbindungsfläche und ein ebenes Dichtelement auf. Die erste Verbindungsfläche ist vorzugsweise parallel zur zweiten Verbindungsfläche angeordnet. Das Dichtelement ist vorzugsweise zwischen der ersten Verbindungsfläche und der zweiten Verbindungsfläche angeordnet und verhindert ein Austreten von Kältemittel an der Schnittstelle zwischen erster und zweiter Verbindungsfläche. According to a preferred embodiment, the sixth refrigeration circuit module has a front part with a flat first connection surface, a rear part with a flat second connection surface and a flat sealing element. The first connection surface is preferably arranged parallel to the second connection surface. The sealing element is preferably arranged between the first connection surface and the second connection surface and prevents refrigerant from escaping at the interface between the first and second connecting surfaces.
Das Frontteil und das Rückteil können vorzugsweise jeweils ein durch Urformen gefertigter monolithischer Körper sein. Weiter vorzugsweise sind das Frontteil und das Rückteil jeweils halbschalenförmig, so dass durch Verbinden des Frontteils und des Rückteils eine Vielzahl von Strömungswegen und/oder ein Sammelbehälter für das Kältemittel gebildet werden können. Der Sammelbehälter kann vorzugsweise je nach seiner Position im Kältemittelkreislauf unterschiedliche Funktionen im Kältekreis übernehmen. The front part and the rear part can preferably each be a monolithic body produced by primary molding. The front part and the rear part are also preferably half-shell-shaped, so that a plurality of flow paths and/or a collecting container for the coolant can be formed by connecting the front part and the rear part. The collecting container can preferably take on different functions in the cooling circuit depending on its position in the coolant circuit.
Mindestens eines der Vielzahl von Kältekreislaufmodulen kann mindestens eine der folgenden Komponenten umfassen: einen Kältemittelsammler zum Sammeln des Kältemittels; einen Flüssigkeitsabscheider; einen internen Wärmeübertrager; einen Economiser; einen Phasentrenner; einen Filter; einen Ölabscheider; einen Trockner; einen Sensor zum Messen einer Temperatur des Kältemittels; einen Sensor zum Messen eines Drucks des Kältemittels; einen Sensor zum Messen eines Volumenstroms des Kältemittels; einen Aktor zum Betätigen eines Umschaltventils und/oder eines Expansionsventils; einen Sicherheitshochdruckschalter; eine Spule zum Steuern eines Ventils. At least one of the plurality of refrigeration cycle modules may comprise at least one of the following components: a refrigerant collector for collecting the refrigerant; a liquid separator; an internal heat exchanger; an economizer; a phase separator; a filter; an oil separator; a dryer; a sensor for measuring a temperature of the refrigerant; a sensor for measuring a pressure of the refrigerant; a sensor for measuring a volume flow of the refrigerant; an actuator for actuating a changeover valve and/or an expansion valve; a safety high-pressure switch; a coil for controlling a valve.
Eine bevorzugte Kältekreisvorrichtung umfasst ein Gehäuse, das die Kältekreislaufmodule umgibt, wobei das Gehäuse vorzugsweise eine Öffnung aufweist, in der ein Ventilator bw. Lüfter zum Ansaugen von Umgebungsluft angeordnet ist. Vorzugsweise ist ein Verdampfer der Kältekreisvorrichtung in einem vom Ventilator erzeugten Luftstrom angeordnet. A preferred refrigeration circuit device comprises a housing which surrounds the refrigeration circuit modules, wherein the housing preferably has an opening in which a fan or ventilator for sucking in ambient air Preferably, an evaporator of the refrigeration circuit device is arranged in an air flow generated by the fan.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann die Wärmepumpe eine Monoblockwärmepumpe sein, welche insbesondere als Luft-Wasser- Wärmepumpe ausgeführt sein kann. Eine solche Monoblockwärmepumpe nutzt vorzugsweise die Energie der Umgebungsluft zum Heizen. Anders als bei Luft- Wasser-Wärmepumpen in Split-Bauweise befindet sich der Kältemittelkreislauf einer Monoblockwärmepumpe in einer einzigen Einheit. Mit anderen Worten, der Kältemittelkreislauf der Monoblockwärmepumpe ist in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. According to a preferred embodiment, the heat pump can be a monoblock heat pump, which can be designed in particular as an air-water heat pump. Such a monoblock heat pump preferably uses the energy of the ambient air for heating. Unlike air-water heat pumps in a split design, the refrigerant circuit of a monoblock heat pump is in a single unit. In other words, the refrigerant circuit of the monoblock heat pump is arranged in a common housing.
Eine Monoblockwärmepumpe wird vorzugsweise außerhalb eines zu beheizenden (bzw. zu kühlenden) Gebäudes aufgestellt, beispielsweise auf einem Dach des Gebäudes oder auf einem Grundstück neben dem Gebäude. Es ist jedoch auch möglich, die Monoblockwärmepumpe im Gebäude aufzustellen. Aufgrund ihrer kompakten Bauweise kann eine Monoblockwärmepumpe in vorteilhafter Weise als Nachrüstlösung für bestehende Gebäude verwendet werden. Im Vergleich zu einer Wärmepumpe in Split-Bauweise kann der Arbeitsaufwand beim Installieren der Monoblockwärmepumpe geringer ausfallen, da insbesondere keine Kältemittelleitungen zwischen Außeneinheit und Inneneinheit verlegt werden müssen. Darüber hinaus kann der Wartungsaufwand bei Monoblockwärmepumpen geringer sein als bei Wärmepumpen in Split-Bauweise. A monoblock heat pump is preferably installed outside a building to be heated (or cooled), for example on a roof of the building or on a plot of land next to the building. However, it is also possible to install the monoblock heat pump inside the building. Due to its compact design, a monoblock heat pump can be used advantageously as a retrofit solution for existing buildings. Compared to a split-design heat pump, the amount of work involved in installing the monoblock heat pump can be less, especially since no refrigerant lines need to be laid between the outdoor unit and the indoor unit. In addition, the maintenance effort for monoblock heat pumps can be lower than for split-design heat pumps.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe, eine Sole-Wasser- Wärmepumpe bzw. eine Erdwärmepumpe. Bei einer solchen Ausführung können insbesondere die beiden Wärmeübertrager (Verdampfer und und Verflüssiger) als Plattenwärmetauscher ausgeführt sein. A further exemplary embodiment of the heat pump according to the invention is a water-water heat pump, a brine-water heat pump or a geothermal heat pump. In such an embodiment, the two heat exchangers (evaporator and condenser) can in particular be designed as plate heat exchangers.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die Wärmepumpe nicht mehr als zwei Kältemittel führende Leitungen auf, die außerhalb eines der Kältekreislaufmodule angeordnet sind. Diese zwei Leitungen können beispielsweise Rohrleitungen oder Schläuche sein, die mit einem Wärmeübertrager im Kältemittelkreislauf verbunden sind. Die zwei Leitungen sind jeweils nicht länger als 100 cm, weiter vorzugsweise nicht länger als 50 cm, besonderes vorzugsweise nicht länger als 30 cm. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können gänzlich auf solche Leitungen außerhalb der Kältekreislaufmodule verzichten. Mit anderen Worten, in solchen Ausführungsformen sind aller Strömungswege für das Kältemittel in den Kältekreislaufmodulen ausgebildet. According to a preferred embodiment, the heat pump has no more than two refrigerant-carrying lines arranged outside one of the refrigeration circuit modules. These two lines can be, for example, pipes or These can be hoses that are connected to a heat exchanger in the refrigerant circuit. The two lines are each no longer than 100 cm, more preferably no longer than 50 cm, particularly preferably no longer than 30 cm. Particularly preferred embodiments of the present invention can completely dispense with such lines outside the refrigeration circuit modules. In other words, in such embodiments, all flow paths for the refrigerant are formed in the refrigeration circuit modules.
Besonders vorzugsweise weist die Kältekreisvorrichtung der Wärmepumpe keine außerhalb der Kältekreislaufmodule angeordneten Leitungen für das Kältemittel auf. Bei einer solchen Ausführung sind die Kältekreislaufmodule direkt miteinander verbunden. Insbesondere können das dritte Kältekreislaufmodul, das vierte Kältekreislaufmodul und das fünfte Kältekreislaufmodul, die jeweils vorzugsweise einen Plattenwärmetauscher aufweisen, direkt an das sechste Kältekreislaufmodul angeschlossen werden. Auf diese Weise kann eine sehr kompakte Bauweise der Kältekreisvorrichtung erreicht werden. Particularly preferably, the refrigeration circuit device of the heat pump does not have any lines for the coolant arranged outside the refrigeration circuit modules. In such an embodiment, the refrigeration circuit modules are directly connected to one another. In particular, the third refrigeration circuit module, the fourth refrigeration circuit module and the fifth refrigeration circuit module, each of which preferably has a plate heat exchanger, can be connected directly to the sixth refrigeration circuit module. In this way, a very compact design of the refrigeration circuit device can be achieved.
Eine bevorzugte Wärmepumpe umfasst ferner einen Umrichter, der mit einem internen Wärmetauscher der Kältekreisvorrichtung thermisch gekoppelt ist, um den Umrichter zu kühlen. Der Umrichter kann beispielsweise eine Frequenz eines Wechselstroms umwandeln, um den Verdichter damit anzutreiben. Weiter vorzugsweise kann der Umrichter einen Drehstrom bereitstellen, um den Verdichter zu betreiben. Ein Umrichter kann beispielsweise eine Versorgungsspannung mit einer vorgegebenen Frequenz in eine Wechselspannung mit einer anderen Frequenz umrichten, um eine Motordrehzahl des Verdichters zu steuern. A preferred heat pump further comprises an inverter thermally coupled to an internal heat exchanger of the refrigeration cycle device to cool the inverter. The inverter can, for example, convert a frequency of an alternating current to drive the compressor. More preferably, the inverter can provide a three-phase current to operate the compressor. An inverter can, for example, convert a supply voltage with a predetermined frequency into an alternating voltage with a different frequency to control a motor speed of the compressor.
Weiter vorzugsweise kann ein Gleichstrommotor verwendet werden. Ein solcher Motor kann beispielsweise einen DC-Umrichter verwenden, der ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) erzeugt. Further preferably, a DC motor can be used. Such a motor can, for example, use a DC converter that generates a pulse width modulation signal (PWM signal).
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben. Es zeigen schematisch: Short description of the drawings Further advantageous embodiments are described in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawings, to which the invention is not limited, however. They show schematically:
Figur 1 Fig. 1 illustriert eine Wärmepumpenheizung gemäß dem Stand der Technik. Figure 1 Fig. 1 illustrates a heat pump heating system according to the state of the art.
Figur 2 Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kältekreisvorrichtung. Figure 2 Fig. 2 shows a perspective view of a refrigeration circuit device according to the invention.
Figur 3 Fig. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung der Kältekreisvorrichtung aus Fig. 2. Figure 3 Fig. 3 shows an exploded view of the refrigeration circuit device from Fig. 2.
Figur 4 Fig. 4 zeigt ein zweites Kältekreislaufmodul und ein sechstes Kältekreislaufmodul der Kältekreisvorrichtung aus Fig. 2. Figure 4 Fig. 4 shows a second refrigeration circuit module and a sixth refrigeration circuit module of the refrigeration circuit device from Fig. 2.
Figur 5 Fig.5 illustriert einen Kältekreislauf der Kältekreisvorrichtung aus Fig. Figure 5 Fig.5 illustrates a refrigeration circuit of the refrigeration circuit device of Fig.
2. 2nd
Figur 6 Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch den Hubkolbenverdichter aus Fig. 2 und 3. Figure 6 Fig. 6 shows a section through the reciprocating piston compressor from Fig. 2 and 3.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen Detailed description of implementation examples
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. In the following description of a preferred embodiment of the present invention, like reference numerals designate like or comparable components.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kältekreisvorrichtung 10 für eine Wärmepumpe. Fig. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung der Kältekreisvorrichtung 10 aus Fig. 2. Fig. 4 zeigt eine Ansicht eines zweiten Kältekreislaufmoduls 12 und eines sechsten Kältekreislaufmoduls 16 der Kältekreisvorrichtung aus Fig. 2. In Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 ist jeweils ein rechtshändiges orthogonales Koordinatensystem mit Achsen X, Y und Z dargestellt. Fig. 2 shows a perspective view of a refrigeration circuit device 10 according to the invention for a heat pump. Fig. 3 shows an exploded view of the refrigeration circuit device 10 from Fig. 2. Fig. 4 shows a view of a second refrigeration circuit module 12 and a sixth refrigeration circuit module 16 of the refrigeration circuit device from Fig. 2. In Fig. 2, Fig. 3 and Fig. 4, a right-handed orthogonal coordinate system with axes X, Y and Z is shown.
Die Kältekreisvorrichtung 10 in Fig. 2 und Fig. 3 umfasst ein erstes Kältekreislaufmodul 11, ein zweites Kältekreislaufmodul 12, ein drittes Kältekreislaufmodul 13, ein viertes Kältekreislaufmodul 14, ein fünftes Kältekreislaufmodul 15, ein sechstes Kältekreislaufmodul 16, einen Motor 17, eine Steuereinrichtung 18, und Spulen 19. The refrigeration circuit device 10 in Fig. 2 and Fig. 3 comprises a first refrigeration circuit module 11, a second refrigeration circuit module 12, a third Refrigeration circuit module 13, a fourth refrigeration circuit module 14, a fifth refrigeration circuit module 15, a sixth refrigeration circuit module 16, a motor 17, a control device 18, and coils 19.
Das erste Kältekreislaufmodul 11 umfasst einen Hubkolbenverdichter, der eine Kurbelwelle (in Fig. 3 nicht dargestellt) und sechs mit der Kurbelwelle verbundene Kolben llf umfasst. Der Hubkolbenverdichter umfasst sechs Zylinder Ile, die jeweils paarweise entlang einer gemeinsamen Zylinderachse angeordnet sind. In jedem Zylinder Ile ist ein Kolben llf gelagert. Jeder Zylinder Ile weist zudem eine Ventilklappe 11g auf. The first refrigeration circuit module 11 comprises a reciprocating piston compressor which comprises a crankshaft (not shown in Fig. 3) and six pistons llf connected to the crankshaft. The reciprocating piston compressor comprises six cylinders Ile, each of which is arranged in pairs along a common cylinder axis. A piston llf is mounted in each cylinder Ile. Each cylinder Ile also has a valve flap 11g.
Die drei Zylinderpaare sind sternförmig angeordnet und weisen jeweils einen Winkel von 60 Grad zueinander auf. Die Zylinderachsen der drei Zylinderpaare liegen in einer gemeinsamen Ebene, die hier parallel zur XY-Ebene dargestellt ist. Hiermit kann eine besonders kompakte und flache Bauweise des Verdichters erreicht werden, so dass Platz gespart werden kann. Durch die sternförmige Anordnung der Hubkolben kann der Verdichter besonders schwingungsarm und somit geräuscharm betrieben werden. Außerdem kann hierdurch eine weitere Ursache von Leckagen minimiert und die Lebensdauer verbessert bzw. ein Wartungsintervall verlängert werden. The three cylinder pairs are arranged in a star shape and are each at an angle of 60 degrees to one another. The cylinder axes of the three cylinder pairs lie in a common plane, which is shown here parallel to the XY plane. This allows the compressor to be particularly compact and flat, saving space. The star-shaped arrangement of the pistons means that the compressor can be operated with particularly low vibration and therefore low noise. This also minimizes another cause of leaks and improves the service life or extends the maintenance interval.
Die Kurbelwelle (in Fig. 3 nicht dargestellt) ist zwischen den Zylindern angeordnet und wird von einem externen Motor 17 angetrieben. Der Motor 17 wird von der Steuereinrichtung 18 gesteuert. Beispielsweise kann zum Steuern des Motors 17 ein Umrichter verwendet werden. Ferner kann die Steuereinrichtung 18 auch zum Steuern der Ventile des Verdichters verwendet werden. The crankshaft (not shown in Fig. 3) is arranged between the cylinders and is driven by an external motor 17. The motor 17 is controlled by the control device 18. For example, an inverter can be used to control the motor 17. Furthermore, the control device 18 can also be used to control the valves of the compressor.
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht des Verdichters durch einen Zylinder Ile sowie durch Vorlauf 11a, Rücklauf 11b. Das erste Kältekreislaufmodul 11 umfasst einen ringförmigen Vorlaufkanal 11a und einen ringförmigen Rücklaufkanal 11b. Vorlaufkanal 11a und Rücklaufkanal 11b sind konzentrisch um die Kurbelwelle 11k angeordnet und die Kurbelwelle 11k ist parallel zur Z-Achse angeordnet. Der ringförmige Vorlaufkanal 11a und der ringförmige Rücklaufkanal 11b sind parallel zueinander angeordnet und eine Symmetrieachse von Vorlaufkanal 11a und Rücklaufkanal 11b ist senkrecht zu den Zylinderachsen des Verdichters angeordnet. Hierdurch kann zusammen mit der sternförmigen Anordnung der Zylinder Ile eine besonders kompakte Bauweise des Hubkolbenverdichters erreicht werden. Fig. 6 shows a sectional view of the compressor through a cylinder Ile and through the supply line 11a and the return line 11b. The first refrigeration circuit module 11 comprises an annular supply line 11a and an annular return line 11b. The supply line 11a and the return line 11b are arranged concentrically around the crankshaft 11k and the crankshaft 11k is arranged parallel to the Z axis. The annular feed channel 11a and the annular return channel 11b are arranged parallel to one another and an axis of symmetry of the feed channel 11a and return channel 11b is arranged perpendicular to the cylinder axes of the compressor. This, together with the star-shaped arrangement of the cylinders Ile, makes it possible to achieve a particularly compact design of the reciprocating piston compressor.
Zwischen Vorlaufkanal 11a und Rücklaufkanal 11b ist hier eine Wärmeisolierung lld angeordnet, um einen Wärmeübertrag zwischen Rücklaufkanal 11b und Vorlaufkanal 11a zu minimieren. Ein ebenfalls ringförmiges Verdichtergehäuse 11c dient als struktureller Träger der Zylinder Ile sowie von Vorlaufkanal 11a und Rücklaufkanal 11b. A thermal insulation lld is arranged between the supply channel 11a and the return channel 11b in order to minimize heat transfer between the return channel 11b and the supply channel 11a. A compressor housing 11c, which is also ring-shaped, serves as a structural support for the cylinders Ile as well as for the supply channel 11a and the return channel 11b.
Der Motor 17 wird von der Steuereinrichtung 18 angesteuert, wodurch die Kurbelwelle angetrieben wird. Ferner werden über die Steuereinrichtung 18 Spulen 19 angesteuert, um Umschaltventile bzw. Expansionsventile im zweiten Kältekreislaufmodul 12 zu öffnen oder zu schließen. Außerdem kann die Steuereinrichtung 18 Ein- und Auslassventile 11g im Verdichter steuern. Mittels der Steuereinrichtung 18 kann somit eine Wärmeleistung bzw. Kühlleistung der Wärmepumpe gesteuert werden. Die Steuereinrichtung 18 kann zudem Messwerte von Sensoren empfangen, insbesondere von Temperatursensoren, Drucksensoren und Volumenstromsensoren. The motor 17 is controlled by the control device 18, which drives the crankshaft. Furthermore, coils 19 are controlled via the control device 18 in order to open or close changeover valves or expansion valves in the second refrigeration circuit module 12. In addition, the control device 18 can control inlet and outlet valves 11g in the compressor. The heat output or cooling output of the heat pump can thus be controlled by means of the control device 18. The control device 18 can also receive measured values from sensors, in particular from temperature sensors, pressure sensors and volume flow sensors.
Die Drehbewegung der Kurbelwelle 11k wird über Pleuel 11h in eine Auf- und Abwärtsbewegung der Kolben llf in den Zylindern Ile übertragen, siehe Fig. 6. Bewegt sich ein Kolben llf im Zylinder Ile nach außen (in Fig. 6 nach oben), verdichtet er das darin befindliche gasförmige Kältemittel, was durch entsprechendes Öffnen und Schließen von Ein- und Auslassventilen 11g zum Vorlaufkanal 11a geleitet wird. The rotary motion of the crankshaft 11k is transmitted via connecting rods 11h into an up and down motion of the pistons 11f in the cylinders Ile, see Fig. 6. If a piston 11f moves outwards in the cylinder Ile (upwards in Fig. 6), it compresses the gaseous refrigerant contained therein, which is guided to the supply channel 11a by corresponding opening and closing of inlet and outlet valves 11g.
Über ein Einlassventil 11g wird Kältemittel vom Rücklauf 11b in die Kolben llf eingelassen, wenn sich der Kolben llf auf die Kurbelwelle 11k zubewegt. Im unteren Totpunkt wird das Einlassventil 11g geschlossen und der Kolben llf verdichtet das Kältemittel im Zylinder Ile. Kurz vor dem oberen T otpunkt wird das Auslassventil 11g zum Vorlauf 11a hin geöffnet, um das verdichtete Kältemittel über das Verdichtergehäuse 11c zum Vorlauf 11a zu entlassen. Die Wärmedämmung lld zwischen Verdichtergehäuse 11c und Vorlaufkanal 11a minimiert eine Wärmeübertragung zwischen Vorlaufkanal 11a und Rücklaufkanal 11b und kann im Betrieb durch den Druckunterschied zwischen Rücklaufkanal 11b und Vorlaufkanal 11a anfallende pulsierende Bewegungen des Kältekreislaufmoduls 11 abdämpfen. Refrigerant is admitted from the return line 11b into the pistons llf via an inlet valve 11g when the piston llf moves towards the crankshaft 11k. At bottom dead center, the inlet valve 11g is closed and the piston llf compresses the refrigerant in the cylinder Ile. Shortly before the top dead center, the outlet valve 11g is opened towards the supply line 11a in order to release the compressed refrigerant via the compressor housing 11c to the supply line 11a. The thermal insulation lld between the compressor housing 11c and the supply channel 11a minimizes heat transfer between the supply channel 11a and the return channel 11b and can dampen pulsating movements of the refrigeration circuit module 11 that occur during operation due to the pressure difference between the return channel 11b and the supply channel 11a.
Das zweite Kältekreislaufmodul 12 umfasst ein erstes Expansionsventil 12e und ein zweites Expansionsventil 12f sowie eine Vielzahl von Strömungskanälen für das Kältemittel. Ferner umfasst das zweite Kältekreislaufmodul 12 ein Umschaltventil 12g zum Umkehren einer Fließrichtung des Kältemittels. Das Umschaltventil 12g kann beispielsweise als 4/2-Wegeventil ausgeführt sein. Die Ventile 12e, 12f und 12g können mittels Spulen 19 angesteuert werden. The second refrigeration circuit module 12 comprises a first expansion valve 12e and a second expansion valve 12f as well as a plurality of flow channels for the refrigerant. The second refrigeration circuit module 12 also comprises a changeover valve 12g for reversing a flow direction of the refrigerant. The changeover valve 12g can be designed as a 4/2-way valve, for example. The valves 12e, 12f and 12g can be controlled by means of coils 19.
Außerdem umfasst das zweite Kältekreislaufmodul 12 einen Ausgleichsbehälter 12d zum Sammeln des Kältemittels und zum Ausgleichen eines Drucks im Kältemittelkreis. Der Ausgleichsbehälter 12d ist hier in einem mittleren Druckbereich des Kältemittelkreislaufs angeordnet und als Phasentrenner ausgebildet. In alternativen Ausführungen kann der Ausgleichsbehälter vorzugsweise auch als Flüssigkeitsabscheider ausgebildet sein. In addition, the second refrigeration circuit module 12 comprises an expansion tank 12d for collecting the refrigerant and for equalizing a pressure in the refrigerant circuit. The expansion tank 12d is arranged here in a middle pressure range of the refrigerant circuit and is designed as a phase separator. In alternative embodiments, the expansion tank can preferably also be designed as a liquid separator.
Ein Rücklauf zum Ausgleichsbehälter 12d (Strömungsweg F) ist vorzugsweise mit einem oberen Bereich des Ausgleichsbehälters 12d verbunden, um dem Ausgleichsbehälter 12d vorzugsweise gasförmiges Kältemittel zuzuführen. Im Ausgleichsbehälter 12d kann eine Phasentrennung zwischen gasförmig und flüssig erfolgen. Der Ausgang des Ausgleichsbehälter 12d durch den Strömungsweg mit Anschluss G (bzw. Vorlauf des Ausgleichsbehälters 12d) ist vorzugsweise an einem unteren Bereich des Ausgleichsbehälters 12d verbunden, um vorzugsweise flüssiges Kältemittel abzuführen. Das zweite Kältekreislaufmodul 12 umfasst ein Frontteil 12a mit einer ebenen ersten Verbindungsfläche, ein Rückteil 12b mit einer ebenen zweiten Verbindungsfläche und ein ebenes Dichtelement 12c. Die erste Verbindungsfläche ist parallel zur zweiten Verbindungsfläche angeordnet und das Dichtelement 12c ist zwischen erster Verbindungsfläche und zweiter Verbindungsfläche angeordnet, um das Frontteil 12a gegen das Rückteil 12b abzudichten. A return line to the expansion tank 12d (flow path F) is preferably connected to an upper region of the expansion tank 12d in order to supply preferably gaseous refrigerant to the expansion tank 12d. A phase separation between gaseous and liquid can take place in the expansion tank 12d. The outlet of the expansion tank 12d through the flow path with connection G (or supply line of the expansion tank 12d) is preferably connected to a lower region of the expansion tank 12d in order to discharge preferably liquid refrigerant. The second refrigeration cycle module 12 comprises a front part 12a with a flat first connection surface, a rear part 12b with a flat second connection surface and a flat sealing element 12c. The first connection surface is arranged parallel to the second connection surface and the sealing element 12c is arranged between the first connection surface and the second connection surface in order to seal the front part 12a against the rear part 12b.
Das Frontteil 12a und das Rückteil 12b des zweiten Kältekreislaufmoduls 12 sind jeweils durch Urformen oder Umformen gefertigte monolithische Körper. Das Frontteil 12a und das Rückteil 12b sind jeweils halbschalenförmig, so dass durch Zusammensetzen und Verbinden des Frontteils 12a und des Rückteils 12b mit dem Dichtelement 12c dazwischen eine Vielzahl von Strömungswegen und der Ausgleichsbehälter 12d für das Kältemittel ausgebildet werden. The front part 12a and the rear part 12b of the second refrigeration cycle module 12 are each monolithic bodies manufactured by primary molding or forming. The front part 12a and the rear part 12b are each half-shell-shaped, so that by assembling and connecting the front part 12a and the rear part 12b with the sealing element 12c therebetween, a plurality of flow paths and the expansion tank 12d for the refrigerant are formed.
Frontteil 12a, Rückteil 12b und Dichtelement 12c können beispielsweise durch Verkleben mit einem Klebstoff aneinander befestigt werden. Zusätzlich oder stattdessen können umlaufende Klammern verwendet werden, welche am umfänglichen Rand von Frontteil 12a, Rückteil 12b und Dichtelement 12c befestigt werden können. Außerdem können die Teile mittels Schrauben oder Zugankern miteinander verbunden werden. Front part 12a, rear part 12b and sealing element 12c can be attached to one another, for example, by gluing them together with an adhesive. In addition or instead, circumferential clamps can be used, which can be attached to the peripheral edge of front part 12a, rear part 12b and sealing element 12c. In addition, the parts can be connected to one another by means of screws or tie rods.
Die Kältekreisvorrichtung 10 in Fig. 2 und 3 umfasst drei Wärmetauscher. Der erste Wärmetauscher ist im dritten Kältekreislaufmodul 13 angeordnet und dient als Verflüssiger, wo Wärme vom Kältemittel an ein Heizkreismedium eines externen Heizkreises 8 übertragen wird. Der zweite Wärmetauscher ist im vierten Kältekreislaufmodul 14 angeordnet und dient als Verdampfer, wo Umgebungswärme auf das Kältemittel übertragen wird. Der dritte Wärmetauscher ist im fünften Kältekreislaufmodul 15 angeordnet und dient als interner Wärmetauscher zum Steigern der Effizienz des Systems und zum Realisieren einer Sauggasüberhitzung. Zusätzlich kann der interne Wärmetausche beispielsweise zum Kühlen eines Umrichters 9 oder zum Kühlen anderer Komponenten der Wärmepumpe verwendet werden. Die Wärmetauscher können beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein. Andere Formen von Wärmetauschern sind ebenfalls je nach Einsatzzweck oder Anforderung an die Kältekreisvorrichtung 10 bzw. die Wärmepumpe möglich. Beispielsweise kann der Wärmetauscher des Verdampfers auch ein Fin-Tube-Verdampfer bzw. Lamellenwärmeübertrager sein, der eine direkte Wärmeübertragung von Luft auf Kältemittel ohne ein flüssiges Zwischenmedium ermöglicht. The refrigeration circuit device 10 in Fig. 2 and 3 comprises three heat exchangers. The first heat exchanger is arranged in the third refrigeration circuit module 13 and serves as a condenser, where heat is transferred from the refrigerant to a heating circuit medium of an external heating circuit 8. The second heat exchanger is arranged in the fourth refrigeration circuit module 14 and serves as an evaporator, where ambient heat is transferred to the refrigerant. The third heat exchanger is arranged in the fifth refrigeration circuit module 15 and serves as an internal heat exchanger to increase the efficiency of the system and to realize suction gas superheating. In addition, the internal heat exchanger can be used, for example, to cool an inverter 9 or to cool other components of the heat pump. The heat exchangers can be designed, for example, as plate heat exchangers. Other forms of Heat exchangers are also possible depending on the intended use or requirements of the refrigeration circuit device 10 or the heat pump. For example, the heat exchanger of the evaporator can also be a fin-tube evaporator or finned heat exchanger, which enables direct heat transfer from air to refrigerant without a liquid intermediate medium.
Das dritte Kältekreislaufmodul 13, das vierte Kältekreislaufmodul 14 und das fünfte Kältekreislaufmodul 15 sind über ein sechstes Kältekreislaufmodul 16 mit dem zweiten Kältekreislaufmodul 12 strömungsverbunden. Das sechste Kältekreislaufmodul 16 umfasst eine Vielzahl von Strömungswegen für das Kältemittel und dient als Verteilermodul bzw. als Schnittstelle zwischen den Kältekreislaufmodulen, um das Kältemittel zwischen den Kältekreislaufmodulen zu verteilen. The third refrigeration circuit module 13, the fourth refrigeration circuit module 14 and the fifth refrigeration circuit module 15 are fluidly connected to the second refrigeration circuit module 12 via a sixth refrigeration circuit module 16. The sixth refrigeration circuit module 16 comprises a plurality of flow paths for the refrigerant and serves as a distributor module or as an interface between the refrigeration circuit modules in order to distribute the refrigerant between the refrigeration circuit modules.
Ähnliche wie das zweite Kältekreislaufmodul 12 umfasst das sechste Kältekreislaufmodul 16 ein Frontteil 16a mit einer ebenen ersten Verbindungsfläche, ein Rückteil 16b mit einer ebenen zweiten Verbindungsfläche und ein ebenes Dichtelement 16c. Die erste Verbindungsfläche ist parallel zur zweiten Verbindungsfläche angeordnet. Das Dichtelement 16c ist zwischen der ersten Verbindungsfläche und der zweiten Verbindungsfläche angeordnet und verhindert ein Austreten von Kältemittel an der Schnittstelle zwischen erster und zweiter Verbindungsfläche. Similar to the second refrigeration cycle module 12, the sixth refrigeration cycle module 16 comprises a front part 16a with a flat first connection surface, a rear part 16b with a flat second connection surface and a flat sealing element 16c. The first connection surface is arranged parallel to the second connection surface. The sealing element 16c is arranged between the first connection surface and the second connection surface and prevents refrigerant from leaking out at the interface between the first and second connection surfaces.
Beim Fertigen des sechsten Kältekreislaufmoduls 16 können das Frontteil 16a, das Dichtelement 16c und das Rückteil 16b beispielsweise mittels eines Klebstoffs miteinander verklebt werden, so dass ein mehrlagiger laminierter Körper entsteht. Der Klebstoff kann beispielsweise an den großflächigen Bereichen zwischen den Strömungswegen bzw. am umfänglichen Rand aufgetragen werden. Alternativ oder zusätzlich können die drei Teile des sechsten Kältekreislaufmoduls 16 insbesondere an dessen umfänglichen Rand durch Klammern oder dergleichen aneinander befestigt werden. Das zweite Kältekreislaufmodul 12 kann auf ähnliche Weise gefertigt werden. Das Frontteil 16a und das Rückteil 16b des sechsten Kältekreislaufmoduls 16 sind jeweils durch Urformen oder durch Umformen gefertigte monolithische Körper. Außerdem sind das Frontteil 16a und das Rückteil 16b jeweils halbschalenförmig, so dass durch Verbinden des Frontteils 16a und des Rückteils 16b eine Vielzahl von Strömungswegen für das Kältemittel gebildet werden. Das Frontteil 16a und das Rückteil 16b können beispielsweise durch Tiefziehen von Metallblechen oder durch ein Spritzgussverfahren gefertigt werden. When manufacturing the sixth refrigeration circuit module 16, the front part 16a, the sealing element 16c and the rear part 16b can be glued together, for example using an adhesive, so that a multi-layer laminated body is created. The adhesive can be applied, for example, to the large areas between the flow paths or to the peripheral edge. Alternatively or additionally, the three parts of the sixth refrigeration circuit module 16 can be fastened to one another, in particular at its peripheral edge, using clamps or the like. The second refrigeration circuit module 12 can be manufactured in a similar way. The front part 16a and the rear part 16b of the sixth refrigeration cycle module 16 are each monolithic bodies manufactured by primary molding or by forming. In addition, the front part 16a and the rear part 16b are each half-shell-shaped, so that a plurality of flow paths for the refrigerant are formed by connecting the front part 16a and the rear part 16b. The front part 16a and the rear part 16b can be manufactured, for example, by deep drawing metal sheets or by an injection molding process.
Die Strömungswege im sechsten Kältekreislaufmodul 16 und im zweiten Kältekreislaufmodul 12 werden im Folgenden anhand von Fig. 4 und dem schematischen Kreislauf der Fig. 5 genauer beschrieben. In Fig. 5 sind die Kältekreislaufmodule 11, 13, 14 und 15 jeweils durch Rechtecke aus gestrichelten Linien angedeutet, um darzustellen, dass die Kältekreislaufmodule 11, 13, 14 und 15 neben einer funktionellen Komponente des Kältemittelkreislaufs auch Strömungswege und Sensoren umfassen. The flow paths in the sixth refrigeration circuit module 16 and in the second refrigeration circuit module 12 are described in more detail below with reference to Fig. 4 and the schematic circuit in Fig. 5. In Fig. 5, the refrigeration circuit modules 11, 13, 14 and 15 are each indicated by rectangles made of dashed lines to show that the refrigeration circuit modules 11, 13, 14 and 15 also include flow paths and sensors in addition to a functional component of the refrigerant circuit.
In Fig. 4 sind das zweite Kältekreislaufmodul 12 und das sechste Kältekreislaufmodul 16 ähnlich wie in Fig. 3 beabstandet voneinander dargestellt, wobei die Komponenten der jeweils dreiteiligen Kältekreislaufmodule 12 und 16 aber nicht wie in Fig. 3 voneinander beabstandet dargestellt sind. Für eine vereinfachte Darstellung wurden das erste Kältekreislaufmodul 11, das dritte Kältekreislaufmodul 13, das vierte Kältekreislaufmodul 14 und das fünfte Kältekreislaufmodul 15 in Fig. 4 weggelassen. In Fig. 4, the second refrigeration circuit module 12 and the sixth refrigeration circuit module 16 are shown spaced apart from one another, similar to Fig. 3, although the components of the three-part refrigeration circuit modules 12 and 16 are not shown spaced apart from one another as in Fig. 3. For a simplified illustration, the first refrigeration circuit module 11, the third refrigeration circuit module 13, the fourth refrigeration circuit module 14 and the fifth refrigeration circuit module 15 have been omitted in Fig. 4.
Die Strömungswege im zweiten Kältekreislaufmodul 12 und im sechsten Kältekreislaufmodul 16 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 jeweils entlang der XY-Ebene ausgerichtet. Senkrecht dazu, also parallel zur Z-Achse sind Anschlüsse zum Verbinden der Kältekreislaufmodule vorgesehen. In the embodiment of Fig. 4, the flow paths in the second refrigeration circuit module 12 and in the sixth refrigeration circuit module 16 are each aligned along the XY plane. Perpendicular to this, i.e. parallel to the Z axis, connections for connecting the refrigeration circuit modules are provided.
Wie in Fig. 4 dargestellt, sind alle Anschlüsse von Strömungswegen im sechsten Kältekreislaufmodul 16 in einer Ebene parallel zur XY-Ebene angeordnet. Dies kann eine besonders kompakte Bauweise beim Verbinden mit anderen Kältekreislaufmodulen ermöglichen. Auch die auf der gegenüberliegenden Seite des sechsten Kältekreislaufmoduls 16 angeordneten und somit in Fig. 4 nicht direkt sichtbaren Anschlüsse können in einer zur XY-Ebene parallelen Ebene angeordnet sein. Alle diese Anschlüsse können vorzugsweise direkt mit einem weiteren Kältekreislaufmodul verbunden werden, ohne dass externe, also außerhalb der Kältekreislauf module verlaufende Leitungen nötig sein. As shown in Fig. 4, all connections of flow paths in the sixth refrigeration cycle module 16 are arranged in a plane parallel to the XY plane. This can enable a particularly compact design when connecting to other refrigeration cycle modules. The connections on the opposite side The connections arranged in the sixth refrigeration circuit module 16 and thus not directly visible in Fig. 4 can be arranged in a plane parallel to the XY plane. All of these connections can preferably be connected directly to another refrigeration circuit module without the need for external lines running outside the refrigeration circuit modules.
Zum Verbinden der Anschlüsse bzw. zweiter Kältekreislaufmodule können beispielsweise Klammern und/oder Zugelemente wie z.B. Schrauben oder Zuganker verwendet werden, welche eine Kraft auf die Kältekreislaufmodule ausüben. Um die Verbindungen abzudichten, können jeweils Dichtelemente zwischen die Kältekreislaufmodule angeordnet werden. Beispielsweise kann zwischen dem zweiten Kältekreislaufmodul 12 und dem sechsten Kältekreislaufmodul 16 ein einstückiges, ebenes, flaches Dichtelement (nicht dargestellt) angeordnet werden, welches entsprechende Ausschnitte für die Öffnungen der Anschlüsse aufweist. Das Dichtelement kann gleichzeitig zum thermischen Isolieren zwischen Kältekreislaufmodulen dienen. For example, clamps and/or tension elements such as screws or tie rods can be used to connect the connections or second refrigeration circuit modules, which exert a force on the refrigeration circuit modules. In order to seal the connections, sealing elements can be arranged between the refrigeration circuit modules. For example, a one-piece, level, flat sealing element (not shown) can be arranged between the second refrigeration circuit module 12 and the sixth refrigeration circuit module 16, which has corresponding cutouts for the openings of the connections. The sealing element can also serve to thermally insulate between refrigeration circuit modules.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können insbesondere das zweite Kältekreislaufmodul 12 und das sechste Kältekreislaufmodul 16 auch durch Verkleben miteinander verbunden werden. Hierbei kann der Klebstoff gleichzeitig in vorteilhafter Weise als Dichtmittel zum Abdichten der Verbindungen zwischen den Anschlüssen dienen. According to a preferred embodiment, in particular the second refrigeration circuit module 12 and the sixth refrigeration circuit module 16 can also be connected to one another by gluing. In this case, the adhesive can also advantageously serve as a sealant for sealing the connections between the connections.
Wie in Fig. 4 gezeigt weist das sechste Kältekreislaufmodul 16 einen Ausschnitt für den weiter als die Anschlüsse nach außen bzw. parallel zur Z-Richtung gewölbten Ausgleichsbehälter 12d des zweiten Kältekreislaufmoduls 12 auf. Der Ausschnitt im sechsten Kältekreislaufmodul 16 ermöglicht ein besonders dichtes Anordnen des zweiten Kältekreislaufmoduls 12 neben bzw. auf dem sechsten Kältekreislaufmodul 16. As shown in Fig. 4, the sixth refrigeration circuit module 16 has a cutout for the expansion tank 12d of the second refrigeration circuit module 12, which is curved further outwards or parallel to the Z direction than the connections. The cutout in the sixth refrigeration circuit module 16 enables the second refrigeration circuit module 12 to be arranged particularly closely next to or on the sixth refrigeration circuit module 16.
Ein Umschaltventil 12g sowie ein Expansionsventil 12f sind in einer Gruppe 12h von Anschlüssen und Strömungswegen ausgebildet. In der Gruppe 12h kann ein einzelnes Umschaltventil oder es können mehrere Umschaltventile angeordnet sein. Die Umschaltventile dienen beispielsweise zum Umkehren einer Fließrichtung des Kältemittels und/oder zum Umschalten zwischen Teilkreisen des Kältemittelkreislaufs. A changeover valve 12g and an expansion valve 12f are formed in a group 12h of connections and flow paths. A single changeover valve or several changeover valves can be arranged in the group 12h. The changeover valves are used, for example, to reverse the flow direction of the refrigerant and/or to switch between sub-circuits of the refrigerant circuit.
Bezugszeichen A zeigt den Anschluss, wo das Kältemittel mit hohem Druck vom Vorlauf des Verdichters (also vom ersten Kältekreislaufmodul 11) kommend in das zweite Kältekreislaufmodul 12 eintritt. Bezugszeichen B zeigt den Ausgang des zweiten Kältekreislaufmoduls, wo der Rücklauf zum Verdichter bzw. zum ersten Kältekreislaufmodul 11 angeschlossen wird. Reference symbol A shows the connection where the refrigerant at high pressure from the compressor flow (i.e. from the first refrigeration circuit module 11) enters the second refrigeration circuit module 12. Reference symbol B shows the outlet of the second refrigeration circuit module, where the return flow to the compressor or to the first refrigeration circuit module 11 is connected.
Je nach Einstellung des Umschaltventils 12g kann das Kältemittel anschließend zur Verbindungsleitung mit Bezugszeichen C im sechsten Kältekreislaufmodul 16 fließen, um zum Verflüssiger im dritten Kältekreislaufmodul 13 zu gelangen. Depending on the setting of the changeover valve 12g, the refrigerant can then flow to the connecting line with reference symbol C in the sixth refrigeration circuit module 16 in order to reach the condenser in the third refrigeration circuit module 13.
Vom Verflüssiger im dritten Kältekreislaufmodul 13 fließt das Kältemittel zurück ins sechste Kältekreislaufmodul 16 und weiter durch den Strömungsweg D zum ersten Expansionsventil 12f im zweiten Kältekreislaufmodul 12. Vom ersten Expansionsventil 12f fließt das Kältemittel über den Eingang E im sechsten Kältekreislaufmodul weiter zum internen Wärmeübertrager im fünften Kältekreislaufmodul 15. Der Ausgang des internen Wärmeübertragers im fünften Kältekreislaufmodul 15 ist mit der Verbindungsleitung F im sechsten Kältekreislaufmodul 16 verbunden. From the condenser in the third refrigeration circuit module 13, the refrigerant flows back into the sixth refrigeration circuit module 16 and further through the flow path D to the first expansion valve 12f in the second refrigeration circuit module 12. From the first expansion valve 12f, the refrigerant flows via the inlet E in the sixth refrigeration circuit module to the internal heat exchanger in the fifth refrigeration circuit module 15. The outlet of the internal heat exchanger in the fifth refrigeration circuit module 15 is connected to the connecting line F in the sixth refrigeration circuit module 16.
Der interne Wärmeübertrager des fünften Kältekreislaufmoduls 15 dient hier beispielsweise zum Erhöhen der Gesamteffizienz des Systems bzw. zum Kühlen eines Umrichters 9 zum Antreiben eines Motors des Verdichters. Der Rücklauf E zum internen Wärmeübertrager und der Vorlauf F vom internen Wärmeübertrager werden als Primärkreis des internen Wärmeübertragers definiert. Ein Rücklauf K zum internen Wärmeübertrager und ein Vorlauf J vom internen Wärmeübertrager werden als Sekundärkreis des internen Wärmeübertragers definiert. Der Rücklauf K ist mit dem Umschaltventil 12g verbunden. Der Vorlauf J ist mit dem Rücklauf B des Verdichters 11 verbunden. Wie in Fig. 5 dargestellt ist der Strömungsweg F mit dem Ausgleichsbehälter 12d im zweiten Kältekreislaufmodul 12 verbunden. Der Ausgang des Ausgleichsbehälters 12d ist mit dem zweiten Expansionsventil 12e verbunden, von wo das Kältemittel weiter über die Anschlüsse G zum vierten Kältekreislaufmodul 14 mit dem Verdampfer fließt. Der Strömungsweg mit den Anschlüssen G kann somit auch als Rücklauf des Verdampfers bezeichnet werden. The internal heat exchanger of the fifth refrigeration circuit module 15 is used here, for example, to increase the overall efficiency of the system or to cool an inverter 9 for driving a motor of the compressor. The return line E to the internal heat exchanger and the flow line F from the internal heat exchanger are defined as the primary circuit of the internal heat exchanger. A return line K to the internal heat exchanger and a flow line J from the internal heat exchanger are defined as the secondary circuit of the internal heat exchanger. The return line K is connected to the changeover valve 12g. The flow line J is connected to the return line B of the compressor 11. As shown in Fig. 5, the flow path F is connected to the expansion tank 12d in the second refrigeration circuit module 12. The outlet of the expansion tank 12d is connected to the second expansion valve 12e, from where the refrigerant flows further via the connections G to the fourth refrigeration circuit module 14 with the evaporator. The flow path with the connections G can thus also be referred to as the return of the evaporator.
Der Ausgang des vierten Kältekreislaufmoduls 14 ist mit dem Strömungsweg H im sechsten Kältekreislaufmodul 16 verbunden. Der Strömungsweg H kann als Vorlauf des Verdampfers bezeichnet werden, der das Kältemittel dem Umschaltventil 12g im zweiten Kältekreislaufmodul 12 zuführt. Der Verdampfer ist somit zwischen Anschluss G und Strömungsweg H im sechsten Kältekreislaufmodul 16 angeordnet, siehe auch Fig. 3. The outlet of the fourth refrigeration circuit module 14 is connected to the flow path H in the sixth refrigeration circuit module 16. The flow path H can be referred to as the supply line of the evaporator, which supplies the refrigerant to the changeover valve 12g in the second refrigeration circuit module 12. The evaporator is thus arranged between connection G and flow path H in the sixth refrigeration circuit module 16, see also Fig. 3.
Wie im schematischen Kältekreislauf der Fig. 5 dargestellt, umfasst die Kältekreisvorrichtung 10 eine Vielzahl von Sensoren zum Messen der Temperatur des Kältemittels und zum Messen des Drucks des Kältemittels. Ferner kann die Kältekreisvorrichtung 10 in Fig. 5 nicht dargestellte Sensoren zum Messen eines Volumenstroms des Kältemittels aufweisen. Die Temperatursensoren im Kältemittelkreislauf sind in Fig. 5 mit 0 gekennzeichnet und die Drucksensoren sind mit p gekennzeichnet. As shown in the schematic refrigeration circuit of Fig. 5, the refrigeration circuit device 10 comprises a plurality of sensors for measuring the temperature of the refrigerant and for measuring the pressure of the refrigerant. Furthermore, the refrigeration circuit device 10 can have sensors (not shown in Fig. 5) for measuring a volume flow of the refrigerant. The temperature sensors in the refrigerant circuit are marked with 0 in Fig. 5 and the pressure sensors are marked with p.
Insbesondere ist im Rücklauf E zum internen Wärmetauscher des fünften Kältekreislaufmoduls ein Temperatursensor 0 angeordnet. Ferner ist im Rücklauf G zum Verdampfer im vierten Kältekreislaufmodul 14 ein Temperatursensor 0 angeordnet. Außerdem ist vorzugsweise jeweils im Rücklauf B zum Verdichter und im Vorlauf A vom Verdichter ein Temperatursensor 0 angeordnet. Ein weiterer Temperatursensor 0 kann im Vorlauf des externen Heizkreises 8 angeordnet sein, der am Verflüssiger des dritten Kältekreislaufmoduls 13 Wärme vom Kältemittel aufnimmt. In particular, a temperature sensor 0 is arranged in the return line E to the internal heat exchanger of the fifth refrigeration circuit module. Furthermore, a temperature sensor 0 is arranged in the return line G to the evaporator in the fourth refrigeration circuit module 14. In addition, a temperature sensor 0 is preferably arranged in the return line B to the compressor and in the flow line A from the compressor. A further temperature sensor 0 can be arranged in the flow line of the external heating circuit 8, which absorbs heat from the refrigerant at the condenser of the third refrigeration circuit module 13.
Zwei Drucksensoren p sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 5 jeweils im Vorlauf A und im Rücklauf B des Verdichters angeordnet. Anhand der Messwerte der Drucksensoren p kann beispielsweise eine Verdichtungsleistung des Verdichters bestimmt werden. Insbesondere kann eine Steuereinrichtung 18 die Messwerte der Drucksensoren p und/oder der Temperatursensoren 0 auswerten und einen Betriebszustand des Verdichters bzw. eines Antriebsmotors 17 des Verdichters und die beiden Expansionsventile 12e und 12 steuern. In the present embodiment of Fig. 5, two pressure sensors p are arranged in the supply line A and in the return line B of the compressor. For example, a compression performance of the compressor can be determined from the measured values of the pressure sensors p. In particular, a control device 18 can evaluate the measured values of the pressure sensors p and/or the temperature sensors 0 and control an operating state of the compressor or of a drive motor 17 of the compressor and the two expansion valves 12e and 12.
Wie in Fig. 5 gezeigt umfasst die Kältekreisvorrichtung 10 bzw. die Wärmepumpe einen Ventilator 20, der einen Luftstrom erzeugt, in dem das vierte Kältekreislaufmodul 14 mit dem Verdampfer angeordnet ist. Der Ventilator 20 kann beispielsweise an einer Öffnung in einem Gehäuse angeordnet sein, in dem die Kältekreisvorrichtung 10 angeordnet ist. As shown in Fig. 5, the refrigeration cycle device 10 or the heat pump comprises a fan 20 which generates an air flow in which the fourth refrigeration cycle module 14 with the evaporator is arranged. The fan 20 can be arranged, for example, at an opening in a housing in which the refrigeration cycle device 10 is arranged.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kältekreisvorrichtung 10 verzichtet komplett auf außerhalb der Kältekreislauf module 11 bis 16 angeordnete Leitungen für Kältemittel. Mit anderen Worten, alle Strömungswege für das Kältemittel sind in die Kältekreislaufmodule 11 bis 16 integriert. Somit kann eine sehr kompakte Kältekreisvorrichtung 10 realisiert werden. Die Vorteile einer solchen Ausführung umfassen beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Vorteile: ein besonders geringes Risiko von Leckagen, eine besonders geringe Menge an benötigtem Kältemittel, eine besonders kompakte und platzsparende Bauweise, eine besonders einfache Fertigung, ein besonders einfacher Einbau, ein besonders wartungsarmer Betrieb, eine besonders geringe Geräuschentwicklung. The described embodiment of the refrigeration circuit device 10 according to the invention completely dispenses with lines for coolant arranged outside the refrigeration circuit modules 11 to 16. In other words, all flow paths for the coolant are integrated into the refrigeration circuit modules 11 to 16. This makes it possible to create a very compact refrigeration circuit device 10. The advantages of such an embodiment include, for example, one or more of the following advantages: a particularly low risk of leaks, a particularly small amount of coolant required, a particularly compact and space-saving design, particularly simple production, particularly simple installation, particularly low-maintenance operation, particularly low noise.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. The features disclosed in the above description, the claims and the drawings can be important both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.
Claims
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