EINEM VERFLÜSSIGER

Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Aktuell sind, wahlweise als Kälte- oder Wärmeerzeuger dienende, Kompressionskältemaschinen gefragt, die Wasser (R718) als Kältemittel einsetzen.

Der Kreisprozess solcher Kältemaschinen beinhaltet typischerweise die Verdampfung von Wasser im Grobvakuum, die anschließende Verdichtung des entstandenen Wasserdampfes im Grobvakuum und schließlich die Verflüssigung des Wasserdampfes auf einem höheren Druck- und Temperaturniveau. Um den Wasserdampf des Verdampfers zu sammeln und ihn trotz des über dem Verdampfer herrschenden Grobvakuums dem Ansauger des Verdichters mit kontrolliert zunehmender Geschwindigkeit zuzuleiten, wird ein sogenannter Ansaugtrichter eingesetzt. Dabei ist große Sorgfalt auf eine strömungstechnisch günstige Gestaltung des Ansaugtrichters zu verwenden. Dies deshalb, weil die den Kreisprozess solcher Kältemaschinen treibenden Turboverdichter hohe Ansaugströme bewältigen müssen. Etwaige im Bereich des Strömungstrichters und der dort anzutreffenden, weiteren Druckabsenkung entstehende Strömungsabrisse führen daher zu einer entscheidenden Beeinträchtigung des Wirkungsgrades einer solchen Kältemaschine.

Die bisher zu diesem Zweck konzipierten Ansaugtrichter sind näherungsweise kegelförmig und in sich rotationssymmetrisch. Sie besitzen eine runde Eintrittsöffnung, an die sich zur Abgabeöffnung hin ein immer kleiner werdender Strömungsquerschnitt anschließt, der der zum Ansaugen des Turboverdichters hin immer größer werdenden Geschwindigkeit des angesaugten Wasserdampfstroms Rechnung trägt.

Es ist aus verschiedenen Gründen günstig, die hier in Rede stehende Kältemaschine mit einem innenliegenden Verflüssiger auszurüsten, der oberhalb des Verdampfers angeordnet ist. Eine solche Konzeption der Kältemaschine macht allerdings die Montage des Ansaugtrichters schwierig.

DIE AUFGABE DER ERFINDUNG

Angesichts dessen ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Kältemaschine zu schaffen, bei der sich der Ansaugtrichter einfacher montieren lässt, ohne dass dabei wesentliche Kompromisse bei der Ansaugeffizienz eingegangen werden müssen.

DIE ERFINDUNGSGEMASSE LOSUNG

Die erfindungsgemäße Lösung liegt in einer als Kälte- oder Wärmeerzeuger einsetzbaren Kältemaschine mit einem Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels, einem Ansaugtrichter, einem Verdichter und einem Verflüssiger. Der Ansaugtrichter fängt verdampftes Kältemittel auf, sammelt es und führt es dem an seiner Abgabeöffnung angeschlossenen Verdichter zu. Dabei verringert sich sein lichter Querschnitt von seiner Eintrittsöffnung zu seiner Abgabeöffnung hin, derart, dass trotz der zu seiner Abgabeöffnung zunehmenden Geschwindigkeit des Wasserdampfstroms nirgendwo ein kritischer Unterdrück erreicht wird, bei dessen Unterschreiten ein Strömungsabriss zu erwarten ist. Erfindungsgemäß besitzt der Ansaugtrichter eine Eintrittsöffnung, deren lichter Querschnitt - zumindest im Wesentlichen - eine ellipsenartige Gestalt mit einer ersten lichten Querschnittsfläche LQF 1 aufweist. Darüber hinaus besitzt der Ansaugtrichter eine Abgabeöffnung, deren lichter Querschnitt - zumindest im Wesentlichen - eine ellipsenartige oder kreisrunde Gestalt mit einer zweiten lichten Querschnittsfläche LQF 2 besitzt. Dabei gilt, dass LQF1 > LQF2 ist, wobei bevorzugt gilt LQF1 > 1,75 * LQF2 und der Idealfall sogar der Bedingung LQF1 > 2,75 * LQF2 genügt.

In seinem bevorzugten engeren Sinn bezeichnet der Begriff „ellipsenartige Gestalt" eine - vollständig oder zumindest im Wesentlichen - einer Ellipse entsprechende Gestalt. In seinem weiteren, patentrechtlich motivierten, aber nicht bevorzugten Sinne bezeichnet der Begriff „ellipsenartige Gestalt" aber auch eine von der Kreisform und der echten Ellipsenform abweichende Gestalt. Es handelt sich dann um eine Gestalt, die nur näherungsweise der Ellipsenform entspricht, wie etwa ein Oval oder die Mandelform.

Diese Ausgestaltung des Ansaugtrichters führt dazu, dass der Ansaugtrichter trotz der möglichst großflächigen Gestaltung seiner Eintrittsöffnung auch bei räumlich beengten Einbauverhältnissen relativ problemlos montiert und demontiert werden kann, da er im Zuge des Einbauvorgangs ein- oder mehrfach so gedreht werden kann, dass der Ansaugtrichter mit seiner an der Eintrittsöffnung ausgebildeten Schmalseite an im Zuge des Einbaus zu passierenden Hindernissen vorbeigeschoben werden kann. Auf diese Art und Weise kann man den Ansaugtrichter ein- und ausbauen, ohne den Verflüssiger zu entfernen .

BEVORZUGTES AUSFUHRUNGSBEI SPIEL

Die Figur 1 veranschaulicht den Aufbau und das Funktionsprinzip des als erfindungsgemäße Kältemaschine bzw. Wärmepumpe bevorzugt zum Einsatz kommenden Anlagentyps, hier am Beispiel der Wärmepumpe 2a mit ihrem Verdampfer 3 und ihrem Verflüssiger 4 und den zugehörigen Verdampferein- und - ausgängen 3.1 bzw. 3.2 sowie den zugehörigen Verflüssigerein- und -ausgängen 4.1 bzw. 4.2.

Es handelt sich um ein bis an die Wärmetauscher, die die Systemgrenze des eingehausten Systems bilden mögen, vakuumdichtes System. Dieses wird vorzugsweise mit reinem Wasser als Arbeitsflüssigkeit betrieben, sowohl auf Seiten der Kühlflüssigkeit als auch auf Seiten der Kaltflüssigkeit.

Die Kaltflüssigkeit tritt über den Verdampfereingang 3.1 in den Verdampfer 3 der Wärmepumpe.

Etwa 1 % der eingetretenen Kaltflüssigkeit verdampft im dort herrschenden Vakuum. Die hierfür benötigte Verdampfungsenergie wird dem restlichen Kaltflüssigkeitsstrom KW entzogen, der sich dadurch um ca. 6 °C abkühlt.

Der bei der Verdampfung entstandene Dampf W wird von dem Turboverdichter 17, der mit einem Elektromotor angetrieben wird, mit vorzugsweise mehr als 25.000 Umdrehungen pro Minute auf maximal ein Drittel seines Ausgangsvolumens verdichtet, wobei sich sein Druck und seine Temperatur erhöhen. Er wird dabei in den Verflüssiger 4 gedrückt.

Der erhitzte Dampf W kondensiert im Verflüssiger 4 direkt in den umlaufenden Kühlflüssigkeitsstrom K, die dabei abgegebene Kondensationswärme erwärmt diesen dabei ebenfalls um ca. 6 °C.

Geschlossen wird der Kreislauf über ein selbstregelndes Expansionsorgan 18.

Bemerkenswert ist, dass die Verdampfung und Rekondensation vollständig innerhalb der jeweiligen Wärmepumpe abläuft, d. h. innerhalb der Dose, die die Wärmepumpe gegenüber ihrer Umgebung kapselt. Die Verdampfung und Rekondensation erfolgen nicht in den Wärmetauschern, die in dem zu heizenden oder zu kühlenden Raum angebracht sind und/oder zum Zwecke der Nutzwärmeaufnahme bzw. der Abwärmeabgabe gebäudeaußenseitig.

Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass die Figur 1 die nach Maßgabe der Erfindung vorzugsweise innerhalb des Verdampfers und meist auch innerhalb des Verflüssigers zum Einsatz kommenden Wärmetauscher nicht zeigt. Darüber hinaus zeigt die Figur auch den kaminartig aufsteigenden „Ansaugbereich" nur rudimentär, innerhalb dessen der vom Verdampfer erzeugte Strom aufsteigt und dem Ansauger des Verdichters zugeführt wird.

Die diesbezüglich wünschenswerten Einzelheiten zeigen die Figuren 2 und 3.

Gut in Figur 2 und 3 zu erkennen ist der erfindungsgemäße Ansaugtrichter 6 mit seiner Eintrittsöffnung 7 und seiner Abgabeöffnung 8. Wie man nicht zuletzt an der Figur 3 erkennt, sind der Verdampfer 3 und der Verflüssiger 4 voneinander getrennt. Im vorliegenden Fall erfolgt die Trennung durch die meist horizontal verlaufende, im Regelfall im Wesentlichen in sich ebene Schottwand 9. Wie man sieht, ist der Ansaugtrichter nach Art eines Kamins positioniert (ohne dass in allen Fällen zwingend eine Kaminwirkung erreicht werden muss). Er sammelt den aufsteigenden Dampf und führt ihn dem an seinem anderen Ende angeordneten Radialverdichter 2 auf dessen axialer Saugseite zu. Wie man sieht, durchbricht der Ansaugtrichter 6 die Schottwand 9. Seine Eintrittsöffnung 7 weist meist einen im Regelfall auf der Seite seiner Kontaktfläche geschliffenen Radialflansch 12 auf. Über diesen ist er im Regelfall dicht, aber lösbar mit der Schottwand 9 verbunden. Auf der Seite seiner Abgabeöffnung 8 weist der Ansaugtrichter eine meist auf ihrer Kontaktseite geschliffene Muffe oder einen auf seiner Kontaktseite geschliffenen Einsteckstutzen 13 auf. Hiermit wird der Ansaugtrichter dicht auf oder in den Saugmund des Radialverdichters auf- oder eingeschoben. Das vereinfacht die Montage unter den hier anzutreffenden, räumlich beengten Verhältnissen. Bemerkenswert ist, dass der Wärmetauscher 5 des Verdampfers hier als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist. Die Längsachsen der Rohre des Rohrbündels verlaufen bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse L des Ansaugtrichters .

Zweckmäßigerweise besitzt das Rohrbündel dieses Wärmetauschers, wenn man es auf diejenige gedachte Ebene projiziert, die die Eintrittsöffnung 7 senkrecht zur Ansaugtrichterlängsachse L aufspannt, eine Länge LÄ und eine Breite B - wobei in Ansehung der Fig. 2 zu beachten ist, dass hier nur die halbe Breite des Rohrbündels gezeigt wird. Bevorzugt trägt der Ansaugtrichter 6 dem Rechnung. Dann ist die längste Seite seiner lichten Eintrittsfläche im Wesentlichen oder vollständig parallel zu der der Länge LÄ des Rohrbündelwärmetauschers ausgerichtet. Seine kürzeste Seite ist in entsprechender Art und Weise parallel zur Breite B des Rohrbündelwärmetauschers angeordnet.

Der Verflüssiger 4 ist bevorzugt ebenfalls mit einem Rohrbündelwärmetauscher ausgestattet. Idealerweise gilt für diesen das eben zum Rohrbündelwärmetauscher des Verdampfers Gesagte entsprechend - allerdings mit der Ausnahme, dass der Wärmetauscher 10 des Verflüssigers 4 in mindestens zwei Wärmetauscherkomponenten aufgeteilt ist, die zumindest örtlich zwischen sich einen Bereich oder ein Fenster freilassen. Durch diesen Bereich oder dieses Fenster hindurch kann der Ansaugtrichter 6 hindurchgeschoben werden, um dadurch den Saugmund des zumindest teilweise oberhalb der Wärmetauscherkomponenten liegenden Verdichters 2 zu kontaktieren .

Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen den erfindungsgemäßen Ansaugtrichter 6 als solchen im Detail. Bevorzugt besteht der Ansaugtrichter 6 aus einem durch 3D-Druck hergestellten Material, Kunststoff oder Metall. Er besteht also aus einem Material, das sich im Regelfall zumindest makroskopisch durch seine Körnigkeit zu erkennen gibt, die sozusagen der „Fußabdruck" des 3D-Drucks ist. Bevorzugt wird dieses Material vor der Erstverwendung durch Infiltrieren eines geeigneten Materials oder Additivs versiegelt. Alternativ wird der Ansaugtrichter 6 durch KunststoffSpritzguss oder Metalldrücken hergestellt .

Die genaue Funktionsweise und Ausgestaltbarkeit des erfindungsgemäßen Ansaugtrichters ergibt sich aus dem zuvor Gesagten, den Ansprüchen und den beigefügten Figuren. Bei den Figuren ist alles, was daraus zu erkennen ist, optional erfindungsrelevant ist und kann daher auch nachträglich noch zu einem Teil der Ansprüche gemacht werden. Die Figur 3 zeigt den Ansaugtrichter in etwa aus der von Fig. 2 dargestellten Perspektive, die Fig. 4 zeigt ihn in einer demgegenüber um 90° um die Längsachse L gedrehten Position.

Gut zu erkennen sind auch die zur Verstärkung dienenden Rippen 11.

ABSCHLIESSENDE ANMERKUNG

Unabhängig von den bereits aufgestellten Ansprüchen, bei Bedarf aber in Kombination damit, dann optional auch ohne Rückbezug auf den Anspruch 1, wird auch Schutz für eine Kältemaschine beansprucht mit einem Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels, einem Ansaugtrichter, einem Verdichter und einem Verflüssiger, wobei der Ansaugtrichter verdampftes Kältemittel auffängt und dem an seiner Abgabeöffnung angeschlossenen Verdichter entlang seines sich von seiner Eintrittsöffnung zu seiner Abgabeöffnung hin verringernden lichten Querschnitts zuführt, wobei der Ansaugtrichter überwiegend bzw. im Wesentlichen unsymmetrisch in Bezug auf seine Längsachse L ist. Das ist jedenfalls dann der Fall, wenn der Ansaugtrichter auf dem überwiegenden oder gar vollständigen Teil seiner Länge entlang der Längsachse L keine kreisrunden Querschnitte bei Schnitt senkrecht zur Längsachse L aufweist.

Solcher Schutz wird zudem auch für einen Ansaugtrichter beansprucht, der sich stattdessen dadurch auszeichnet, dass zumindest seine Eintrittsöffnung (deren lichter Querschnitt) unrund ist bzw. elliptisch, oval oder mandelförmig und stetig in den Rest des Ansaugtrichters übergeht.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Kältemaschine

2 Verdichter

3 Verdampfer

3.1 Verdampfereingang

3.2 Verdampferausgang

4 Verflüssiger

4.1 Verflüssigereingang

4.2 Verflüssigerausgang

5 Wärmetauscher des Verdampfers

6 Ansaugtrichter

7 Eintrittsöffnung des Ansaugtrichters

8 Abgabeöffnung des Ansaugtrichters

9 Schottwand

10 Wärmetauscher des Verflüssigers

11 Rippe des Ansaugtrichters (Versteifung)

12 Radialflansch

13 Einstreckstutzen bzw. Muffe

14 bis 15 nicht vergeben

16 Dose/Kapselung (nur in Fig. 1)

17 Turboverdichter

18 Expansionsorgan

W Dampf

K Kühlflüssigkeitsstrom KW Kaltflüssigkeitsstrom

L Längsachse des Ansaugtrichters LÄ Länge Rohrbündel B Breite Rohrbündel

B/2 halbe Breite Rohrbündel

LQF1 erste lichte Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung des Ansaugtrichters

LQF2 zweite lichte Querschnittsfläche der Abgabeöffnung des Ansaugtrichters KL Kaminlängsachse