Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit einem Kältemit telkreislauf mit einem Verdichter, einem Expansionsorgan, einem Verflüssiger und einem Verdampfer, die an Kältemittelleitungen angeschlossen sind, und einem im Kältemittelkreislauf enthaltenen Kältemittel, welches mittels des Verdichters im Kältemittelkreislauf umgetrieben werden kann.

In Kältemittelkreisläufen von Wärmepumpen werden häufig brennbare Kältemittel (wie R-454-C) verwendet, da diese gegenüber bisher verwendeten Kältemitteln als umweltverträglicher gelten. Jedoch sind bei Verwendung neuerer, vor allem brenn barer Kältemittel häufig erhöhte Sicherheitsanforderungen zu beachten und ent- sprechende Maßnahmen zu erfüllen, wie besondere Anforderungen an den Auf stellort, die die Herstellung und den Betrieb dieser Wärmepumpen verteuern. Dies ist umso spürbarer, je mehr Kältemittel verwendet wird.

Eine Verringerung der Kältemittelmengen wurde bisher über eine Verkleinerung der entsprechenden Komponenten erreicht, was aber zu einer Verminderung der Leistungszahlen der Wärmepumpen führt. Demgegenüber wird, um gewünschte Druckverluste und Übertragungsleistungen, beispielsweise bei Plattenwärmeüber tragern, zu erreichen, die Plattenanzahl soweit erhöht, bis die gewünschten Pro zessdaten im Kältemittelkreislauf erreicht werden. Eine größere Plattenanzahl des Plattenwärmeübertragers führt aber zu einer höheren Kältemittelfüllmenge der An- läge.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf anzugeben, welche die beschriebe- nen Nachteile überwindet und eine Reduzierung der Kältemittelmenge bei weiter hin akzeptablen Leistungszahlen ermöglicht, wodurch Kältemittelkosten reduziert und die Anforderungen an nötige Sicherheitskonzepte gesenkt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Be- vorzugte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmepumpe vorgeschlagen, mit einem Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Expansionsorgan, einem Verflüssiger und einem Verdampfer, die an Kältemittelleitungen angeschlossen sind, und einem im Kältemittelkreislauf enthaltenen Kältemittel, welches mittels des Verdichters im Kältemittelkreislauf umgetrieben werden kann. Der Verflüssiger und der Verdampfer umfassen Wärmeübertrager mit einer Kältemittelseite und ei ner Medienseite, wobei der Wärmeübertrager des Verflüssigers ein Plattenwärme übertrager ist, und der Wärmeübertrager des Verdampfers ein Plattenwärmeüber trager oder ein Lamellenrohrwärmeübertrager sein kann. Weiter erfindungsgemäß sind die Wärmeübertrager vom Verflüssiger und/oder vom Verdampfer, insbesondere wenn diese als Plattenwärmeübertrager ausge führt sind, derart asymmetrisch zwischen der Kältemittelseite und der Medienseite ausgelegt, dass das Volumen der Kältemittelseite gegenüber dem Volumen der Medienseite um mindestens 10% verringert ist. Die erfindungsgemäße asymmetrische Ausgestaltung der Wärmeübertrager führt bei akzeptablen Leistungszahlen zu einer merklichen Reduzierung der benötigten Kältemittelmenge sowie einer Reduzierung von Anforderungen an sicherheitsbe zogene Maßnahmen.

Wärmepumpen können beispielsweise als Sole-Wasser-Wärmepumpen, Wasser- Wasser-Wärmepumpen oder Luft-Wasser-Wärmepumpen ausgeführt sein. Bei Sole-Wasser-Wärmepumpen und Wasser-Wasser-Wärmepumpen wird der Wär meübertrager des Verdampfers häufig als Plattenwärmeübertrager ausgeführt, wogegen dieser bei Luft-Wasser-Wärmepumpen gewöhnlich ein Lamellenrohrwär meübertrager ist. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung weisen die Platten des Wär meübertragers des Verflüssigers und/oder des Verdampfers eine Pfeilprägung auf, mit einem Pfeilungswinkel von mindestens 45° (,,High“-Prägung).

Ein hoher Pfeilungswinkel oder Prägungswinkel bewirkt eine starke Umlenkung des Fluids, was gegebenenfalls zu einer höheren Leistungszahl führen kann und einen größeren Druckverlust zur Folge hat.

Ist der Wärmeübertrager des Verdampfers ein Lamellenrohrwärmeübertrager, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Innendurchmesser der Rohre des Lamel lenrohrwärmeübertragers 3 bis 7 mm und ihr Außendurchmesser 3,5 bis 7,5 mm beträgt, wodurch auch hier eine Reduzierung der Kältemittelmenge erreicht wird.

Um die Effizienz des Lamellenrohrwärmeübertragers weiter zu steigern ist vorge sehen, dass die Innenseite der Rohre des Lamellenrohrwärmeübertragers mit ei ner Berippung versehen ist.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe kann zur weiteren Optimierung des Prozes- ses einen inneren Wärmeübertrager umfassen, der als Plattenwärmeübertrager ausgestaltet ist.

Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass der innere Wärmeübertrager Platten besitzt, die eine Pfeilprägung mit einem Pfeilungswinkel oder Prägungswinkel von weniger als 45° aufweisen. Des Weiteren kann der innere Wärmeübertrager anstatt mit einer Pfeilprägung vor teilhaft mit einer Dimpelprägung ausgeführt sein. Eine Dimple-Prägung ermöglicht eine Reduzierung der Druckverluste auf der Medienseite des Wärmeübertragers sowie eine Reduzierung der Kältemittelmenge.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der innere Wärmeübertrager derart asymmetrisch ausgestaltet ist, dass ein Volumen der Flüssigkeitsseite gegenüber dem Volumen der Gasseite reduziert ist. Hierdurch wird eine weitere Reduzierung der Kältemittelmenge erreicht. Eine weitere Reduzierung der Kältemittelmenge kann dadurch erreicht werden, dass der Innendurchmesser der Flüssigkeitsleitungen, insbesondere der Kältemit telleitungen so gering wie möglich ausgeführt ist.

Neben der Reduzierung der Kältemittelmenge können durch eine gezielte Ausle- gung der Flüssigkeitsleitungen Akustikanforderungen erfüllt werden, indem die In nendurchmesser der Flüssigkeitsleitungen, insbesondere der Kältemittelleitungen nach der Formel ausgelegt werden, wobei bei einer Maximalleistung der Wärmepumpe oder höchs- ten Drehzahl des Verdichters die Strömungsgeschwindigkeit in den Flüssigkeits leitungen mindestens 0,5 m/s höchstens aber 3,5 m/s beträgt. Bei kleinen Wärme pumpenleistungen oder kleinen Verdichterdrehzahlen liegt die minimale Strö mungsgeschwindigkeit vorzugsweise nicht unter 0,05 m/s, 0,3 m/s oder einem Wert zwischen 0,05 m/s und 0,3 m/s. Es gilt die folgende Formel:

In einerweiteren Ausführung umfasst die erfindungsgemäße Wärmepumpe einen Regler, der mit einem Inverter verbunden ist, der den Verdichter ansteuert und der mit dem Expansionsorgan verbunden ist. Dieser Regler ist ausgebildet, den Ver- dichter und das Entspannungsorgan derart anzusteuern, dass die Strömungsge schwindigkeit in den Flüssigkeitsleitungen, insbesondere in den Kältemittelleitun gen höchstens 3,5 m/s beträgt.

Weitere Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Ver weis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:

Figur 1a: ein Schaltbild eines Kältekreislaufs einer erfindungsgemäßen Wärme pumpe mit einem Verdampfer als Plattenwärmeübertrager und mit ei nem inneren Wärmeübertrager, Figur 1b: ein Schaltbild eines Kältekreislaufs einer erfindungsgemäßen Wärme pumpe mit einem Verdampfer als Plattenwärmeübertrager,

Figur 1c: ein Schaltbild eines Kältekreislaufs einer erfindungsgemäßen Wärme pumpe mit einem Verdampfer als Lamellenrohrwärmeübertrager,

Figur 1d: ein Schaltbild eines Kältekreislaufs einer erfindungsgemäßen Wärme pumpe, mit einem Verdampfer als Lamellenrohrwärmeübertrager und mit einem inneren Wärmeübertrager,

Figur 2a: eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines symmetrischen Plattenwärmeübertragers,

Figur 2b: eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines asymmetrischen Plattenwärmeübertragers,

Figur 2c: eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines Blechs eines asym metrischen Plattenwärmeübertragers,

Figur 2d: eine schematische vergrößerte dreidimensionale Schnittansicht eines Blechs eines asymmetrischen Plattenwärmeübertragers, Figur 3a: einen Ausschnitt einer Platte eines Plattenwärmeübertragers, mit einer Pfeilverzahnung mit einem Pfeilungswinkel kleiner 45°,

Figur 3b: einen Ausschnitt einer Platte eines Plattenwärmeübertragers, mit einer Pfeilverzahnung mit einem Pfeilungswinkel größer 45°, Figur 4: einen Ausschnitt einer Platte eines Plattenwärmeübertragers, mit einer Dimple-Prägung,

Figur 5: eine Teilansicht eines Kältemittelkreislaufs, und Figur 6: eine Rohführung des Kältemittelkreislaufs.

Entsprechend dem in Figur 1a, 1b, 1c und 1d dargestellten Schaltbildern eines Kältekreislaufs 100 einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe umfasst der Kälte kreislauf 100 mindestens einen Verdichter 10, ein Entspannungsorgan 20, einen Verflüssiger 30, einen Verdampfer 40, sowie je nach Ausführung einen inneren Wärmeübertrager 50 und ein 4-Wege-Umschaltventil 60.

Das gasförmige Kältemittel wird vom Verdichteter 10 komprimiert und dem Wär meübertrager 32 des Verflüssigers 30 zugeführt, wo es abgekühlt und verflüssigt wird.

Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel nach den Figuren 1b und 1c am Entspannungsorgan 20 entspannt. In den Figuren 1a und 1d erfolgt zunächst eine Unterkühlung im inneren Wärmeübertrager 50.

Das Kältemittel wird anschließend durch den Wärmeübertrager 42 des Verdampfer 40 geleitet, wo es verdampft und überhitzt wird, um anschließend wieder dem Ver dichter 10 zugeführt zu werden (Figuren 1b und 1c). In den Figuren 1a und 1d erfolgt im Anschluss an eine Verdampfung im Verdamp fer 40 gegebenenfalls eine weitere Verdampfung, sowie eine Überhitzung im inne ren Wärmeübertrager 50.

Der Kältekreislauf 100 weist gemäß Figuren 1c und 1d weiterhin das 4-Wege-Um- schaltventil 60 auf. Ein innerer Wärmeübertrager 50 ist in dem Kältemittelkreislauf 100 integriert, wie in den Figuren 1a und 1d gezeigt ist.

Das 4-Wege-Umschaltventil 60 kann weiterhin genutzt werden, um den Wärme übertrager 42 des Verdampfers 40 zu enteisen. Hierzu wird das 4-Wege-Umschalt- ventil 60 so geschaltet, dass es eine in Fließrichtung des Kältemittels verlaufende direkte Verbindung zwischen dem Verdichter 10 und dem Wärmeübertrager 42 des Verdampfers 40 sowie eine weitere Verbindung zwischen dem Wärmeüber trager 32 des Verflüssigers 30 und dem inneren Wärmeübertrager 50 schafft. Hier durch wird, unter Beibehaltung der Fließrichtung des Kältemittels durch den Ver- dichter 10 die Fließrichtung des Kältemittels durch die übrigen Komponenten des Kältemittelkreislaufs 100 umgekehrt. Dabei fließt komprimiertes und erhitztes gas förmiges Kältemittel vom Verdichter 10 durch den Wärmeübertrager 42 des Ver flüssigers 40, um beispielsweise im Fall einer Vereisung den Wärmeübertrager 42 des Verdampfers 40 zu enteisen. Alternativ hierzu kann die Wärmepumpe mit die- ser Schaltung des 4-Wege-Umschaltventils 60 auch als Klimaanlage fungieren. Figur 2a zeigt eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines symmetrischen Plattenwärmeübertragers. Ein solcher Plattenwärmeübertrager besteht aus einer Anzahl an Platten P _n die eine derartige Prägung aufweisen, dass zwischen be nachbarten Platten Kanäle mit Volumina VM, VK von identischer Größe entstehen, durch die ein Fluid fließen kann.

Je nach Tiefe und Form der Prägungen können die beidseits einer einzelnen Platte P _n entstehenden Kanäle gleiche oder auch unterschiedliche Volumina VM, VK auf weisen. Sind die Kanäle, wie in Figur 2a zu sehen, von identischer Größe handelt es sich um einen symmetrischen Plattenwärmeübertrager. D.h., das Volumen V _K des im Plattenwärmeübertrager enthaltenen Kältemittels und das Volumen VM des Mediums, also des Fluids das von dem Kältemittel Wärme aufnimmt oder an die ses abgibt, sind gleich groß, wie in Figur 2a dargestellt.

Demgegenüber sind die Prägungen zweier benachbarter Platten P _n des in Figur 2b dargestellten asymmetrischen Plattenwärmeübertragers derart unterschiedlich, dass die beidseits einer einzelnen Platte entstehenden Kanäle unterschiedliche Volumina V _K und V _M aufweisen, wobei das Volumen V _M des Mediums größer ist als das Volumen V _K des Kältemittels. Der Kältemittelkreislauf 100 der Wärmepumpe entsprechend der vorliegenden Er findung umfasst einen Verflüssiger 30 sowie einen Verdampfer 40, die jeweils ei nen Wärmeübertrager 32, 42 beinhalten, wobei zumindest der Wärmeübertrager 32 des Verflüssigers 30 in Form eines asymmetrischen Plattenwärmeübertragers ausgestaltet sein kann (vgl. Fig. 1). Dabei beträgt die Asymmetrie mindestens 10%, d.h., das Volumen V _K des Kältemittels ist gegenüber dem Volumen V _M des Mediums um mindestens 10% kleiner.

Mit einer aus Rückschlagventilen 71 gebildeten hydraulischen Gleichrichterbau gruppe 70, übertragen aus von der Elektrotechnik bekannten "Grätzbrücke" auf die Hydraulik, wird das Kältemittel in den Betriebszuständen Heizen, Kühlen und Ab tauen immer in einer gleichen Richtung R durch die Expansionseinrichtung und vorteilhaft auch durch den inneren Wärmeaustauscher 50 geleitet.

Die Figuren 2c und 2d zeigen Platten Pn.

Als Prägungen kommen beispielsweise die in den Figuren 3a und 3b gezeigten Pfeilprägungen oder eine Dimple-Prägung wie in Figur 4 zu sehen, zur Anwen dung.

Bei Pfeilprägungen oder auch Fischgräten-Prägungen bestimmt der Pfeilungs- o- der Prägungswinkel ß die Höhe des Druckverlusts zwischen Eingangs- und Aus gangsseite des Plattenwärmeübertragers. Ein Prägungswinkel von ß > 45°, wie in Figur 3b zu sehen, hat einen hohen Druckverlust zur Folge, wohingegen bei einem in Figur 3a gezeigten Prägungswinkel von ß < 45° ein geringer Druckverlust auftritt.

Eine Dimple-Prägung, wie in Figur 4 zu sehen, ermöglicht neben einem geringen Druckverlust des Wärmeübertragers auch eine Verringerung der Kältemittel menge. Der in Figur 5 und Figur 6 ausschnittsweise und schematisch dargestellte Lamel lenrohrwärmeübertrager 42, wie er beispielsweise im Verdampfer 40 des Kältemit telkreises 100 entsprechend Figur 5 eingesetzt ist, beinhaltet eine Anzahl an Ver dampferrohren 44, ein Sammelrohr 46 sowie einen Verteiler 48. Vom Verteiler 48 aus gehen eine Vielzahl von Kapillarrohren 49 mit vorzugsweise einem Innendurchmesser von vorzugsweise 0,5 bis 3 mm zu den Verdampferroh ren 44, wie in Figur 6 gezeigt.

Zur Verbesserung der Leistungszahlen des Lamellenrohrwärmeübertragers 42 so- wie zur Reduzierung der benötigten Kältemittelmenge beträgt der Innendurchmes ser der Rohre 44 des Lamellenrohrwärmeübertragers 42 3 bis 7 mm und ihr Au ßendurchmesser 3,5 bis 7,5 mm. Zusätzlich kann an der Innenseite der Rohre 44 des Lamellenrohrwärmeübertragers 42 eine Berippung angeordnet sein, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Fluid weiter zu verbessern. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs sind durch entsprechende Leitungen miteinander verbunden. Zur weiteren Reduzierung der Kältemittelmenge sind diese mit einem möglichst kleinen Innendurchmesser auszuführen.

Weiterhin soll die Strömungsgeschwindigkeit in den Kältemittelleitungen aus Grün den der Akustik einen Wert von 3,5 m/s nicht überschreiten und im Sinn einer Käl- temittelreduzierung einen Wert von 0,5 m/s bei einer maximalen Leistung der Wär mepumpe oder einer maximalen Drehzahl des Verdichters nicht unterschreiten. Für die Auslegung des Innendurchmessers der Rohre gilt die Formel:

Der Wärmeübertrager 32 des Verflüssigers 30 des Kältekreislaufs 100 nach einer Figur 1a, 1b, 1c oder 1d ist als asymmetrischer Plattenwärmeübertrager, wie im Zusammenhang mit Figur 2b beschrieben, ausgeführt, insbesondere im Fall von Sole-Wasser-Wärmepumpen, Wasser-Wasser-Wärmepumpen oder Luft-Wasser- Wärmepumpen.

Der Wärmeübertrager 42 des Verdampfers 40 ist ein Lamellenrohrwärmeübertra- ger, wie in Figur 5 beschrieben. Selbstverständlich kann der Wärmeübertrager 42 des Verdampfers 40 auch als asymmetrischer Plattenwärmeübertrager (Figur 2b) ausgeführt sein, insbesondere im Fall von Sole-Wasser-Wärmepumpen oderWas- ser-Wasser-Wärmepumpen.

Der innere Wärmeübertrager 50 ist ebenfalls als Plattenwärmeübertrager ausge führt, und weist eine Dimple-Prägung nach Figur 4 auf. Es ist aber ebenfalls mög- lieh, dass dieser mit einer Pfeilprägung versehen ist. Der Plattenwärmeübertrager 50 kann ein symmetrischer oder ein asymmetrischer Plattenwärmeübertrager sein.