DE2649377A1

DE2649377A1 - Klimaanlage fuer geschlossene raeume

Info

Publication number: DE2649377A1
Application number: DE19762649377
Authority: DE
Inventors: Amir L Ecker; Thomas C Edwards
Original assignee: Rovac Corp
Current assignee: Rovac Corp
Priority date: 1975-10-30
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-05-05
Also published as: FR2329948A1; GB1566411A; JPS5275045A; FR2329948B3

Description

OR .INI DirL.-INS M. SC. ' DIPL.-ΙΉ/». DR. ΟΙίι...Λ)Υ5. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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28. Oktober 1976

Rovac Corporation 100 Rovac Parkway Rockledge, Florida 32955 U.S.A.

Klimaanlage für geschlossene Räume

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für geschlossene Räume.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Klimaanlage der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, die sowohl im Sommerals auch im Winterbetrieb bei Gebäuden aller Art in allen Klimazonen sparsam und wirksam arbeitet, die eine lange Lebensdauer aufweist und wenig Wartung benötigt und die schließlich einen geringen Platzbedarf hat.

Diese Aufgabe wird durch eine Klimaanlage der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Kompressor mit einer Ein- und einer Auslaßöffnung und einen Expander mit

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einer Ein- und einer Auslaßöffnung, die beide miteinander gekoppelte Rotorinittel mit Schaufeln aufweisen, welche beim Umlauf durch positive Verdrängung ein Medium komprimieren bzw. expandieren, einen Innenraum-Wärmeaustauscher in dem geschlossenen Raum, einen Außenraum-Wärme_austauscher in der Umgebungsatmosphäre, wobei einer der Wärmeaustauscher in einer Primärposition zwischen der Kompressorauslaßöffnung und der Expandereinlaßöffnung und der andere Wärmeaustauscher in einer Sekundärposition zwischen der Expander-Auslaßöffnung und der Kompressoreinlaßöffnung geschaltet ist, so daß ein mit einem Medium gefüllter, geschlossener Kreislauf entsteht, Ventile zum Umschalten der Verbindungen der Wärmeaustauscher zur Verwendung des Innenraum-Wärmeaustauschers als Heizung im Winter und als Kühlung in Sommer, eine dem Außenraum-Wärmeaustauscher zugeordnete, flächig ausgebildete Sonneneinheit mit einer Medienleitung und mit dieser thermisch gekoppelten Wärmeabsorptionsflächen zur Erwärmung der Leitung durch die Sonnenstrahlen sowie durch Mittel zur Verhinderung der Sonnenabsorption durch die Sonneneinheit im Sommer.

Weitere vorteilhafte, im Rahmen der Erfindung liegende Ausbildungen der Klimaanlage sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage gemäß der Erfindung mit einer Sonneneinheit als Wärmeabsorber in einer Arbeitsweise, die als Winter- oder Wärmepumpenbetrieb zu kennzeichnen ist;

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Fig. 2 eine Schnittansicht des in der Anlage der Figur 1 benutzten Kompressor-Expander-Aggregates;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines in der Anläge· der Figur 1 verwendeten regenerativen Wärmetauschers;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Sonnen einheit der Figur 1 bei Ansicht in Richtung der Pfeile 4 in Figur 1;

Fig. 5 eine schematische Ansicht der Klimaanlage der Figur 1 im Sommer- oder Kühlbetrieb, die zusätzlich eine automatische Temperaturkontrolle aufweist;

Fig. 5a, 5b und 5c drei Stellungen eines wahlweise in der Anlage der Figur 5 verwendbaren Hilfsventiles;

Fig. 6 eine schematische Teilansicht einer anderen Ausführungsform einer Sonneneinheit im Sommerbetrieb;

Fig. 7 eine Ansicht der Sonneneinheit der Figur 6 im Winterbetrieb;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines auf Winterbetriebsstellung gestellten Ventils;

Fig. 9 eine Ansicht ähnlich Figur 8 mit dem Ventil in Sommerbetriebsstellung;

Fig.10 eine schematische Ansicht eines thermostatisch gesteuerten Winter-Sommersystems zur' automatischen Modulation des Druckes und damit der Wärmeübertragungsleistung;

Fig.11 eine schematische Ansicht einer Klimaanlage ähnlich der von Figur 1 in Winter-Tagesbetrieb mit einem zusätzlichen thermischen Speicher;

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Fig.11a die Ansicht' einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines in der Anlage der Figur 11 verwendbaren thermischen Speichers;

Fig.12 eine schematische Ansicht ähnlich Figur 11 im Winter-Nachtbetrieb ;

Fig.13 eine schematische Ansicht ähnlich Figur 5 im normalen • Sommerbetrieb unter Zusatz eines thermischen Speichers und

Fig.14 eine Ansicht ähnlich Figur 13 in einer Betriebsart zum Speichern von Wärme unter den Bedingungen des Sommerendes .

In Fig. 1 ist ein abgeschlossener Raum 11 dargestellt, typischerweise ein Haus mit einem Boden 12, isolierten Seitenwänden 13 und isoliertem Dach 14, die alle so aufgebaut sind, daß Wärmeverluste in die Umgebung 15 möglichst klein gehalten werden. In der unmittelbar folgenden Beschreibung wird angenommen, daß die Temperatur im Inneren auf etv/a 23,9° C (75° F) gehalten werden soll, während sie in der Umgebung bei etwa -17,8° C (0° F) liegt. ·

Das Kernstück der erfindungsgemäßen Klimaanlage ist ein Kompressor-Expander-Aggregat 16, welches in einem Raum außerhalb des Hauses auf einer geeigneten Betonplatte 18 montiert sein kann, welches aber wegen der Kompaktheit der gesamten Anlage auch ohne weiteres im Inneren des Hauses angeordnet sein kann. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist das Kompressor-Expander-Aggregat 16 eine Kammer 19 mit ovalem Querschnitt auf. Diese.Kammer ist an den beiden Seitenflächen in nicht dargestellter Weise von parallelen Seitenwänden verschlossen. Im Inneren der Kammer

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ist ein Rotor 20 mit radial abstehenden, verschiebbaren Schaufeln drehbar gelagert. Kr kann beispielsweise 10 Schaufeln aufweisen, die mit dem Bezugszeichen 21 bis 30 bezeichnet sind. Der Rotor hat eine Welle 32, die in in der Figur nicht dargestellten, an den Seitenwänden angeordneten Lagern gelagert und mit einem Antriebsmotor 33 -verbunden ist. Die Geschwindigkeit dieses Antriebsmotors kann in der Größenordnung von 1750 Umdrehungen/min, liegen. Die Schaufeln v/erden in ihren jeweiligen Schlitzen unter dem Einfluß der Zentrifugalkräfte nach außen gedrückt und bilden dabei geschlossene Schaufelkammern 21' bis 30' , die in aufeinanderfolgenden Ifalbperioden zyklisch eine Abnahme und dann wieder eine Zunahme ihres Volumens erfahren. Wenn man die Drehrichtung des Motors annimmt, wie durch den Pfeil angegeben, dann wirkt die linke Halbseite des Aggregats als positiver Ver drängungs kompressor mit einer Einlaßöffnung 41 und einer Auslaßöffnung 42, während die rechte Seite als positiver Expander wirkt mit einer Einlaßöffnung 43 und einer Auslaßöftnung 44.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind im Innenraum ein Innenraum-Wärmeaustauscher und in der Außenumgebung ein Außenraum-Wärmeaustauscher vorgesehen, wobei einer der Wärmeaustauscher im "Primär"-Betrieb oder im Heizbetrieb zwischen die. Kompressor-Auslaßöffnung und die Expander-Einlaßöffnung geschaltet ist, während der andere Wärmeaustauscher im "Sekundär"-oder Kühlbetrieb zwischen die Expander-Auslaßöffnung und die Kompressor-Einlaßöffnung geschaltet ist, so daß dadurch ein abgeschlossenes System mit einer bestimmten „Luftmenge entsteht. Ferner sind Ventile zum Umschalten der Verbindungen der Wärmeaustauscher vorgesehen, mit denen der Innenraum-Wärmeaustauscher im Winter als Heizung und im Sommer als Kühlung benutzt werden kann. Der mit dem Bezugszeichen 50 versehene Innenraum-Wärmeaustauscher hat einen Einlaßanschluß 51 und einen Auslaßanschluß 52. Wenn er im

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Winterbetrieb betrieben wird, ist der Wärmeaustauscher 50 in Primärposition geschaltet, er ist also zwischen die Kompressor- ?iuslaßöffnung 42 und die Expander-Einlaßöffnung 43 geschaltet. Um im Innenraum die Wärmeübertragung und die Luftzirkulation zu steigern, ist ein von einem Motor 54 angetriebener Ventilator vorgesehen.

Der mit dem Bezugszeichen 60 versehene Außenraum-Wärmeaustauscher hat einen Einlaßanschluß 61 und einen Auslaßanschluß 62; er ist im Winterbetrieb zwischen die Expander-Auslaßöffnung 44 und die Kompressor-Einlaßöffnung 41 geschaltet.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in dem geschlossenen Kreislauf Feuchtigkeit eingeführt, um die Wärmekapazität pro Volumeneinheit des in den Kompressor einströmenden Mediums zu erhöhen, während dadurch gleichzeitig die Temperatur des aus dem Kompressor austretenden Mediums niedriger sein kann als im Falle eines trockenen Mediums. Dadurch wird die zur Korn-' pression der Luft benötigte Arbeit und damit die zum Antrieb des Rotors aufzubringende Energie verringert. Die beim Expansionsprozess auftretende Wasserkondensation führt infolge der Freisetzung von Verdampfungswärme zu einem Temperaturanstieg der expandierten Luft, wodurch die Expansionsarbeit und damit die zum Antrieb des Rotors benötigte Energie herabgesetzt wird. Um ein "Beladen" der Luft mit Feuchtigkeit zu erreichen, kann ein Wasserinjektor 70 mit einer Wasserleitung 71 und einer Einspritzdüse ■(Fig. 2) vorgesehen sein, welchletztere aus einem Wasservorrat über eine Pumpe 74 und ein Drosselventil 75 mit Wasser versorgt wird.

Ebenfalls im Rahmen der Erfindung ist ein regenerativer Wärmeaustauscher zur thermischen Kopplung der in den Kompressor eintreten-

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den und der in den Expander austretenden Luft\ Dieser mit dem

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Bezugszeichen 80 bezeichnete regenerative Wärmeaustauscher hat mit der Kompressor-Eingangsöffnung in Verbindung stehende Kompressoranschlüsse 81 und 82 sowie mit der Expander-Eingangsöffnung in Verbindung stehende Expander-Anschlüsse 83, 84. Wenn die Klimaanlage in dem in Fig. 1 dargestellten Winterbetrieb gefahren wird, kann die in den Expander eintretende und durch die Anschlüsse 8 3 und 84 strömende Luft Wärme an die durch die Anschlüsse 81 und 82 in den Kompressor strömende Luft übertragen. Wenn die Anlage daher als Wärmepumpe unter extrem kalten Bedingungen betrieben wird, "sieht" sie die Außenluft mit einer etwas höheren Temperatur; dadurch erniedrigt sich der Temperaturgradient, um den die Wärmemenge hinaufgepumpt werden muß, und es ergibt sich eine Steigerung der Heizkapazität, Der regenerative Wärmeaustauscher 80 weist einen Sumpf 85 auf, in·dem sich Feuchtigkeit ansammeln kann, die mit Hilfe einer Drainageleitung 86 in den Wasservorrat 73 zurückführbar ist. Der regenerative Wärmeaustauscher kann über ein Ventil 87 und eine Leitung 88 wahlweise umgangen werden.

Gemäß einem der Merkmale der vorliegenden Erfindung sind Umsteuerventile vorgesehen, mit denen die Verbindungen der Wärmeaustauscher umgeschaltet werden können, so daß der Innenraum-Wärmeaustauscher im Winter als Heizung und im Sommer als Kühlung verwendet werden kann. Ein solches Umsteuerventil 90 kann als Vierwegeventil mit Anschlüssen 91, 92, 93 und 94 ausgebildet sein, wobei der Anschluß 91 mit der Auslaßöffnung 42 des Kompressors verbunden ist. Ein gleichartiges Umsteuerventil 100 mit Anschlüssen 101, 102, 103 und 104 ist auf der Expanderseite vorgesehen, wobei der Anschluß 101 mit der Auslaßöffnung des Expanders verbunden ist. Eine praktische Ausführungsform eines Umsteuerventils 90 oder 100 wird anhand der Fig. 8, in welcher das Ventil in der Winterbetriebsstellung entsprechend Fig. 1

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dargestellt ist, und der Fig. 9, in welcher das Ventil in der Sommerbetriebsstellung entsprechend der Fig. 5 dargestellt ist, beschrieben. Jedes Ventil hat einen Stator oder ein Gehäuse 110 und einen Kolben 111, der von Hand zwischen seinen zwei Endstellungen verschoben werden kann. Diese Verschiebung kann von Hand über den Betätigungsgriff 112 erfolgen, es ist aber auch möglich, die Ventile'nach Wunsch mit üblichen Mitteln automatisch zu verschieben, beispielsweise durch wechselweises Anlegen von Druckluft an den gegenüberliegenden Seiten. Ventile der beschriebenen Form sind im Handel beispielsweise von der Firma Ranco Incorporated of Columbus, Ohio, U.S.A. erhältlich.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung hat der. Außenraum-Wärmeaustauscher 60 die Form einer Sonneneinheit mit einer Luftleitung und thermisch mit dieser Leitung gekoppelten Wärmeabsorptionsflächen zur Erwärmung der Luftleitung mittels der Sonnenstrahlung. Ferner weist der Außenraum-Wärmeaustauscher 60 mit der Luftleitung thermisch gekoppelte Kühlpassagen zum Kühlen der Fläche durch den Luftstrom der umgebenden Luft auf. Im Winterbetrieb, kann der Strom der umgebenden Luft abgeschirmt werden, so daß die Fläche als wirksamer Wärmeabsorber wirkt. Umgekehrt ist es möglich, die Fläche im Sommer gegenüber den Sonnenstrahlen abzuschirmen, so daß die Fläche infolge des Umgebungsluftstromes durch die Kühlpassagen als wirksamer Wärmeabstrahier wirkt. In den Fig. 1 und 4, die die erfingungsgemäße Anlage im Winterbetrieb zeigen, ist der Außenraum-Wärmeaustauscher 60 in einem Gehäuse in der Form eines, flachen Quaders mit einer' "unteren" Seitenwand 121, einer "oberen" Seitenwand 122 und mit seitlichen Wänden 123 und 124 untergebracht. Das Gehäuse ist von einer durchsichtigen, an den Seitenwänden anliegenden Deckplatte 125 abgedeckt, die aus Glas, Gipsputz oder dergleichen bestehen kann und den Durchgang der Sonnenstrahlen R zuläßt, während die

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Luftzirkulation der umgebenden Luft verhindert wird. Die Luft des Kompressor-Expander-Aggregates wird durch eine Leitung 126 mit Wärnieabsorptions flächen geführt, die nur schematisch in der Form von Rippen 127 dargestellt sind.

Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Klimaanlage im Winterbetrieb wird anhand der diagrammatischen Darstellung der Fig. 1 beschrieben. Die kalte, aus der Expander-Auslaßöffnung 44 austretende Luft mit einer erheblich unter -17,8° C (0° F) liegenden Temperatur wird über das Ventil 100 in das Sonnenflächengehäuse geleitet. Die frei durch die Deckplatte 125 hindurchtretenden Sonnenstrahlen erwärmen die l/armeabsorptionsrippen 127, so daß die durch die Leitung 126 strömende und die Sonnenfläche über den Auslaßanschluß 62 verlassende Luft aufgewärmt wird. Anschließend fließt sie über das Urcsteuerventil 90 zur Einlaßöffnung 41 des Kompressors.

In der linken Hälfte des Kompressor-Expander-Aggregates (Fig. 2) wird die Luft komprimiert, wobei sowohl ihr Druck als auch ihre Temperatur ansteigen. Anschließend strömt sie über das Ventil 90 in dem Innenraum-Wärmeaustauscher 50. Zur Erreichung einer angenehmen Raumtemperatur v/ird dem Wärmeaustauscher im Innenraum Wärme entzogen. Die von dem Innenraum-Wärmeaustauscher rückströmende Luft wird dem Expanderanschluß 43 zugeführt. In der rechten Hälfte des Kompressor-Expander-Aggregates v/ird die Luft dann expandiert oder entspannt, wobei sowohl Druck als auch Temperatur absinken. Damit ist ein Umlaufzyklus beendet.

Gemäß der Erfindung kann die Anlage durch Abänderung der Verbindung der Innenraum- und Außenraum-Wärmeaustauscher im Sommeroder Kühlbetrieb betrieben werden, so daß der Innenraum-Wärmeaustauscher der Kühlung statt der Heizung dient. Dazu wird die Strahlungszufuhr zu der Sonnen einheit ,das heißt zu dem Außenraum-

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Wärmeaustauscher, abgeschnitten und außerdem wird ein Raumluftstrom durch das Sonnenflächengehäuse ermöglicht. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, sind dazu die Umsteuerventile 90 und 100 umgeschaltet worden (vgl. auch Fig. 9), woduch der Innenraum-Wärmeaustauscher 50 in eine Sekundär- oder Kühlposition und der Außenraum-Wärmeaustauscher 60 in die Primär- oder Ilei2position des Leitungssystemes geschaltet sind. Um eine Erwärmung der Leitung 126 durch die Sonnenstrahlen zu vermeiden, wird eine Abschirmung 130 aufgelegt. Eine derartige Abschirmung kann aus einer festen Platte aus undurchsichtigem, lichtreflektierendem Material bestehen, das etwa gleich groß ist wie die Glasdeckplatte 125 und von dieser vorzugsweise mittels kurzer Abstandshalter 131 im Abstand gehalten ist, um zwischen der Abschirmung und der Deckplatte eine Ventilationsströmung zu erhalten.

Zusätzlich zur Zvbschirmung der Sonnenfläche von den Sonnenstrahlen wird das Sonnenflächengehäuse an seiner unteren und an seiner oberen Seite zur Erzeugung einer Umgebungsluft-Konvektionsströmung zu Kühlzwecken geöffnet. Zu diesem Zweck sind die "untere" und die "obere" Seitenwand 121 bzw. 122 des Gehäuses vorzugsweise schwenkbar angelenkt, so daß sie von der Luftabschlußstellung der Fig. 1 in die einen Konvektionsstrom gestattende Stellung der Fig. 5 verschwenkt werdenkönnen. Die mit dem Bezugszeichen 135 gekennzeichnete Konv'ektionsluftströmung kann dann nach oben an den Windungen der Leitung 126 entlangstreifen und die Leitung und die heiße durch-fließende Leitungsluft abkühlen. Kurz zusammengefaßt kann die Sonneneinheit 120 im Winter als wirksamer Absorber der Sonnenstrahlen und im Sommer als wirksame Wärmeabstrahlung verwendet werden, wenn die Sonnenstrahlen abgeschirmt sind und die abgestrahlte Wärme von einem kühlenden Luft-Konvektionsstrom abgeführt wird.

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Die vorliegende Erfindung ist in Verbindung mit einer fortlaufenden Abschirmung 130 beschrieben worden. Die Sonneneinheit kann aber für den Sommerbetrieb auch mit Hilfe einer Vielzahl dicht nebeneinander angeordneter, umklappbarer Flügel abgedeckt werden, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, in welcher die der Darstellung der Fig. 5 entsprechenden Teile mit gleichen Bezügszeichen unter Hinzufügung von a bezeichnet sind. Im Winter werden die Flügel in eine senkrechte, im wesentlichen parallel zu den Sonnenstrahlen verlaufende Richtung geschwenkt, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Ferner werden die Seitenflächen 121a und 122a geschlossen.

Anhand von Fig. 5 wird im folgenden der Sommerbetrieb kurz beschrieben. Die kalte, aus der Expander-Auslaßöffnung 44 abgegebene Luft strömt über das Umsteuerventil 100 in den Innenraum-Wärmeaustauscher 50 und kühlt dort den Innenraum ab. Die Luft fließt dann durch das Umsteuerventil 90 und über den regenerativen Wärmeaustauscher in den Kompressor, in welchem Temperatur und Druck der Luft erhöht werden. Die erwärmte Luft strömt über das Umsteuerventil 90 in die abgeschirmte Sonneneinheit, in der sie abgekühlt wird. Aus der Sonneneinheit fließt die Luft durch den regenerativen Wärmeaustauscher 80 und tritt in die Expander-Eintrittsöffnung 43 ein. Im Expander werden Druck und Temperatur der Luft erniedrigt; damit ist ein kompletter Umlaufzyklus beendet.

Um beim Sommerbetrieb den Kühleffekt der als Außenraum-Wärmeaustauscher benutzten Sonneneinheit zu erhöhen, ist man nicht allein auf den Konvektionsstrom 135 angewiesen", man kann auch einen Ventilator benützen und einen erzwungenen Luftstrom durch das Sonnenflächengehäuse schicken. Eine solche Ausführungsform liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung; sie kann ein Gebläse an der unteren Seitenwand 123 und einen Abzug 124 auf der gegenüber-

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liegenden Seitenwand 124 umfassen. Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch daran gedacht, bei Sommerbetrieb unter besonders heißen Umständen einen zusätzlichen Außenraum-Wärmeaustauscher vorzusehen, der mit dem normalen Außenraum-Wärmeaustauscher 60 in Tandemanordnung geschaltet sein kann. Ein solcher mit dem Bezugszeichen 140 bezeichneter Hilfswärmeaustauscher hat einen Einlaßanschluß 141, einen Auslaßanschluß' 142 und einen von einem Motor 144 angetriebenen Ventilator 143. Mit den Anschlüssen 141 und 142 verbundene Ventile 145 bzw.- 146 können geöffnet werden, wenn eine zusätzliche Kühlwirkung erwünscht wird, und bleiben in allen übrigen Zeiten geschlossen.

Anstelle des Ventiles 145 kann wahlweise ein Dreiwegeventil 145a eingeschaltet werden, welches in den Fig. 5a, 5b und 5c dargestellt ist. Wahlweise kann ferner ein nockenbetätigter Schalter 147 mit Kontakten 148 vorgesehen sein, der den Hilfsventilatormotor 144 steuert und diesen in beiden Sommerbetriebsarten einschaltet. Ein in der gleichen Weise wie das Ventil 145a aufgebautes Ventil kann anstelle des Ventils 146 treten.

Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Einblasen von Luft in den Kreislauf vorgesehen, um in dem sekundären Wärmeaustauscher einen wesentlich über Atmosphärendruck liegenden Druck erzeugen zu können. Dadurch soll die Wärmetransportrate des Systems erhöht werden. Umgekehrt ist eine Einrichtung vorgesehen, mit welcher man Luft aus dem Kreislauf entfernen kann, um so die Wärmetransportleistung des Systems herabzusetzen. Dadurch kann man eine" Wärmetransportleistung einstellen, die dem an das System gestellten Forderungen für einen Heiz- oder Kühleffekt entsprechen. Gemäß der Erfindung wird das durch eine als Injektor-Ablaßpumpe

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ausgebildete positive Verdrängerpumpe erreicht, deren eine Öffnung mit dem Kreislauf verbunden ist und die mittels eines umkehrbaren Motors angetrieben v/ird. In Fig. 10 ist eine Luftpumpe 150 des Verdrüngertyps mit Anschlüssen 151 und 152 dargestellt, wobei der Anschluß 151 einer Injektions-Ablaß-Leitung 153 mit der Kompressor-Einlaßöffnung' 41 verbunden ist. Die Pumpe ist über eine mechanische Kupplung 154 mit einem Motor 160 verbunden, der Vorwärts- und Rückwärtsanschlüsse 161 bzw. 162 sowie einen gemeinsamen mit einer Spannungsquelle 164 verbundenen Anschluß 163 aufweist. Handbetätigbare Schalter 165 und 166 können mit den Motoranschlüssen 161 und 162 in Reihe geschaltet sein; mit ihnen kann man den Druck und damit die Wärrneübertragungsleistung des Systems erhöhen oder erniedrigen. Durch Verwendung eines Schnekkentriebes bei der Kupplung 154 wird vermieden, daß die Pumpe selbst als "Motor" wirkt.

Gemäß der Erfindung sind ferner im Raum 11 Temperaturmeßeinrichtungen vorgesehen, die beim Anstieg oder Abfall der Temperatur über bzw. unter den Sollwert ein Ausgangssignal liefern. Abhängig von diesen Ausgangssignalen werden der Motor und damit die Pumpe in der einen oder in der anderen Richtung angetrieben, so daß eine Korrekturänderung im Systemdruck erfolgt.

Beim Sommerbetrieb ist, wie in Fig. 10 dargestellt, ein "Sommer"-Thermostat mit einem küvettenähnlichen Gefäß 171, einer Kapillare 172 und einem Balgen 173 vorgesehen, wobei das Gefäß und der Balgen.mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllt sind. Der Balgen ist an einem flexiblen, mittels einer Nockenscheibe 175 positionierten Träger 174 gehalten; die Nockenscheibe v/ird über einen Einstellknopf 176 eingestellt. Mit dem freien Ende des Balgens ist ein Schalter 180 mit einem ersten Kontakt 181 und zusammenwirkenden Kontakten 182 und 183 verbunden, weichletztere Kontakte gabelähnlich angeordnet sind und den Motorkontakten für Vorwärts-

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richtung und Rückwärtsrichtung 161 bzv/. 162 zugeordnet sind. Der "Sommer"-Schaltkontakt S ist geschlossen.

Wenn die Temperatur im Raum 11 über den mit Hilfe des Einstellknopfes 176 einstellbaren Sollwert steigt, bewirkt dieser Temperaturanstieg eine Ausdehnung des Balgens 173 und damit eine Aufwärtsbewegung des Kontaktes 181, bis er am Kontakt 182 anliegt. Dadurch wird der Vorwärtskontakt 161 des Motors geschlossen und die Pumpe 150 wird so betrieben, daß sie über die Leitung 153 Luft in das System pumpt oder injiziert. Dadurch wird die Wärmeleistungsübertragung des Systems derart erhöht, daß in dem Innenraum - Wärmeaustauscher 50 eine stärkere Kühlung erfolgt, welche die Temperatur wieder auf den Sollwert zurückzuführen sucht.

Um einen Modulationseffekt zu erreichen und um einen Druckaufbau über ein bestimmtes Maß hinaus zu verhindern, ist eine einstellbare Folgesteuerung 190 mit einer zu einem Folgebalgsn oder einer ähnlichen auf den Systemdruck ansprechenden Vorrichtung führenden Kapillare 19.2 vorgesehen. Zur erleichterten Einstellung ist der Balgen 193 auf einem flexiblen, von einer Nockenscheibe 195 positionierbaren Träger 194 gehalten. Die Nockenscheibe 195 kann mit Hilfe eines Einstellknopfs 196 eingestellt werden. Bei einer Druckerhöhung im Leitungssystem als Folge einer Berührung der Kontakte 181 und 182 dehnt sich der Balgen 193 aus, hebt den oberen Kontakt 182 vom Kontakt 181 ab und unterbricht so die Stromzufuhrleitung zum Pumpenmotor 160,

Der umgekehrte Vorgang tritt ein, wenn die Temperatur in dem geschlossenen Raum unter den Sollwert absinken sollte. Dabei zieht sich der Balgen 173 zusammen und bewirkt eine Berührung ·

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der Kontakte 181 und 183. Dadurch dreht sich der Motor 160 in der umgekehrten Richtung, so daß Luft·aus dem System abgezogen wird, indem sie in kleinen Mengen herausgepumpt und über den Anschluß 152 abgeführt wird. Durch den Abfall des Druckes im System zieht sich der Balgen 193 zusammen und senkt dabei den Kontakt 183 ab, der seinerseits von dem Thermostatkontakt 181 abgehoben wird, bevor der Druck im System zu niedrig wird. Das System arbeitet dann mit einer reduzierten Wärmetransportleistung, bis die Temperatur in dem Raum wieder auf den eingestellten Wert angestiegen ist, wobei ein Überschießen, d.h. ein zu starkes Absinken des Druckes, durch die Folgesteuerung ver-. mieden wird.

Eine automatische Steuerung der Temperatur erfolgt in einer völlig analogen Weise beim Winterbetrieb. Dabei wird der "Winter"-Kontakt W geschlossen und der "Sommer"-Kontakt S geöffnet. Entsprechende Teile des Winter-TemperaturSteuersystems sind in der Zeichnung mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, denen der Buchstabe a zugefügt ist. Zur Erläuterung der Vorrichtung genügt es zu sagen, daß beim Winterbetrieb ein Temperaturabfall am Gefäß 171a den Motor 160a einschaltet/ der die Pumpe über die Welle 154a in Vorwärtsrichtung antreibt und dabei die Wärmetransportleistung erhöht, während ein Anstieg der Temperatur in dem abgeschlossenen Raum die umgekehrte Wirkung hat.

Es ist einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Klimaanlage, daß dasselbe Kompressor-Expanderaggregat sowohl im Winterbe-trieb als auch im Sommerbetrieb mit erheblich differierenden Durchschnittsdrücken und damit erheblich differierenden Wärmeübertragungsleistungen arbeitet. Eine kompakte Klimaan-

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lage, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist, kann mit einem relativ niedrigen Druck leicht ein kleines Haus kühlen. Dieselbe Einheit kann im Winterbetrieb dasselbe Haus heizen, in dem es einfach bei erheblich höherem Druck arbeitet und damit eine Wärmeübertragungsleistung liefert, die die hohe^bei einer Winterheizung nötigen Heizleistungen (Kilokaloriewerte) erbringt.

Die bisherige Ausfuhrungsform der Erfindung stellt eire relativ einfache Ausführungsform dar, die keine thermischen Speicher verwendet. Im folgenden wird nun anhand der Figuren 11 bis 14 eine weitere bevorzugte Ausfuhrungsform beschrieben, in welcher die Klimaanlage sowohl einen Speicher für die Wärmespeicherung des Wintertages für die Winternacht als auch einen Speicher für die "Kälte" des Winters für den Sommer aufweist, sozusagen einen Jahreszeitspeicher.

In Figur 11 ist die erfindungsgemäße Klimaanlage an einem typischen Wintertag dargestellt. Die anhand der Figuren T bis 10 beschriebenen Teile sind mit demselben Bezugszeichen bezeichnet, denen ein Strich zugefügt ist. Der allgemein mit dem Bezugszeichen 200 gekennzeichnete Kältespeicher hat die Form eines isolierten, mit Wasser gefüllten Behälters 201, durch den eine Luftleitung 202 führt, die mit dem Wasser über Rippen oder ähnliche Vorrichtungen in thermischem'Kontakt steht. Die Leitung 202 hat Endstücke 203 und 204 mit einem wahlweisen vorgesehenen Umgehungsventil 205, welches für die unmittelbar folgende Beschreibung in einer Stellung angenommen wird, in welcher der Kältespeicher nicht umgangen wird. Gemäß der Erfindung ist der Kältespeicher 200 im Winter mit der Auslaßöffnung des Expanders und im Sommer mit der Einlaßöffnung des Expanders in Reihe geschaltet. Dies wird im vorliegenden Beispiel dadurch e.rreicht,

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daß man den Anschluß 102' des Umsteuerventils 100' öffnet und die Leitung 202 des Kältespeichers 200 zwischen das Umsteuerventil und den Einlaßanschluß 61 ' der Sonneneinheit schalbet. Der Kältespeicher wird daher· von der extrem kalten, vom Auslaßanschluß 44' des Expanders durch die Anschlüsse 101' und 102' des Umsteuerventils strömende Luft durchlaufen. Dadurch wird bei einer täglichen Benutzung der Anlage im Winter die in dem Behälter 201 aufbewahrte Wassermenge allmählich zu Eis. Diese Zustandsänderung führt zur Absorption einer großen Wärmemenge, oder umgekehrt ausgedrückt, durch das Frieren des Wassers wird eine große Wärmenmengen-Absorptionskapazität öder eine Kältemenge, die zweckmässigerweise in Kilokalorien zu messen ist, vom Winter in den Sommer gespeichert. Wenn der Speicherbehälter ein Würfel mit einer Kantenlänge von 3,048 m (10 foot) ist, kann in ihm genügend "Kälte" gespeichert werden, um eine Wohnung während eines Zeitraumes in der Größenordnung von zwei Monaten kühl zu halten. Während dieser Zeit wird das Kompressor-Expander-Aggregat 16' von seinem Antriebsmotor. 33' mehr oder weniger leer betrieben. Selbst wenn das Eis vollständig geschmolzen ist, ist die spürbare, vom Wasser beim Anstieg seiner Temperatur um etwa 28°C aufgenommene Wärmemenge noch ausreichend, um die Wohnung während weiterer Wochen abzukühlen, ehe die normale mechanische Kühlkapazität des Systemes voll eingesetzt werden muß.

Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, an einem Wintertag einen Wärmespeicher mit der Auslaßöffnung des Kompressors und während der Winternacht mit der Einlaßöffnung des Kompressors in Reihe zu schalten. Der allgemein mit dem Bezugszeichen 210 gekennzeichnete Wärmespeicher hat die Form eines isolierten, mit Wasser

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gefüllten Behälters 211, durch den eine Luftleitung 212 mit Anschlüssen 213 und 214 führt.

Den Anschlüssen 213 und 214 sind zwei Umgehungsventile 215 bzw. 216 zugeordnet. Mit dem Wärmespeicher 210 in Reihe geschaltet ist ein Warmwasseraufbereiter 220 für die Hausversorgung mit einem isolierten Behälter 220, einer Luftleitung 222, einem Einlaßanschluß 223 und einem Auslaßanschluß 224. Die Anschlüsse werden von einem Umgehungsventil 225 überbrückt. In den Behälter 221 führen eine mit dem Hausversorgungssystem verbundene Kaltwasserzufuhrleitung 226 hinein und eine die Wasserhähne der Wohnung versorgende Heißwasserversorgungsleitung 227 heraus.

In der Anordnung der Figur 11 wird der Ventilsatz vervollständigt durch Ventile 231, 232, 233, 234 und 235. Alle den Speichern zugeordnete Ventile sind übliche Dreiwegeventile, mit denen man einen der Anschlüsse sperren und gleichzeitig die übrigen beiden Anschlüsse miteinander verbinden kann.

In Figur 11 befinden sich die Ventile in Winterbetriebsstellung, in welcher der Speicher 210 über den zum Haus gehörenden Warmwasseraufbereiter 220 mit der Auslaßöffnung des Korn- . pressors verbunden ist, so daß während des Tages Wärme für die Nacht gespeichert wird, in welcher der Außenraumwärmeaustauscher 60' in der Sonneneinheit ;■·:"■ 120' unwirksam ist und abgedreht wird. Die Strömungsrichtung der Luft während der in Figur 11 dargestellten Betriebsweise ist durch Pfeile angedeutet. An der Auslaßöffnung 42' des Kompressors wird Luft mit hoher Temperatur und hohem Druck abgegeben. Sie strömt von dort durch das Umsteuerventil 90', das Ventil 234 zu dem dem Warmwasseraufbereiter zugeordneten Ventil 225. Wei-

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terhin fließt die Luft durch die Leitung 222 in dem Behälter, TOn dort durch das Ventil 215 in die Leitung 212 des Wärmespeichers, in welchem sie das Wasser aufheizt. Die Größe des Wärmespeichers ist auf die Größe des zu klimatisierenden Raumes abgestimmt; typischerweise hat der Behälter 211 eine Kapazität zwischen 15 100 1 (4000 Gallonen) und 30 300 1 (8000 Gallonen) Wasser.

Der Wärmespeicher 210 hat eine Doppelfunktion. Er speichert nicht nur Wärme, um sie in der Nacht wieder abzugeben, er entzieht auch der heißen, unter hohem Druck stehenden, aus dem Kompressor austretenden Luft Wärme mit dem Ergebnis, daß die in den Expander eintretende Luft eine relativ niedrige .Temperatur hat, die bei der Expansion noch weiter abgesenkt wird.

Die Luft strömt dann vom Wärmespeicher 210, in dem sie einen Teil ihrer Wärmemenge abgegeben hat, durch das Ventil 231 und von dort über den Einlaßanschluß 51' in den Innenraum-Wärmeaustauscher 50', in dem ein großer Teil der verbleibenden Eigenwärme in den umgebenden, abgeschlossenen Raum abgegeben wird,

Im weiteren Verlauf tritt die Luft wieder aus dem Innenraum-Wärmeaustauscher aus und wird nach dem Durchgang durch das Umsteuerventil 100' und den regenerativen Wärmeaustauscher 80' der Einlaßöffnung des Expanders zugeführt. Nach der Expansion hat die Luft eine sehr niedrige Temperatur, die unterhalb von - 30°C liegen kann. Sie strömt dann wieder durch das Umsteuerventil 100' und durch den Kältespeicher 200, der bereits be-, schrieben worden ist, und von diesem weiter durch das Ventil 235 in die Sonneneinheit. Nachdem die Luft· in dem Speicher 200 bereits eine Temperaturerhöhung erfahren hat, wird sie in der

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Sonneneinheit noch weiter aufgeheizt. Die erwärmte Luft fließt durch Ventile 232, 233 und das Umsteuerventil 90 über den regenerativen Wärmeaustauscher zur Einlaßöffnung 41' des Kompressors, von wo sie einen neuen Umlauf beginnt. Als Ergebnis des Tagesbetriebes und mit Hilfe der Sonneneinheit wird das Innere des Wohnraumes warmgehalten. Ferner ist das Wasser in dem Warmwasseraufbereiter 220 aufgewärmt und Wärme ist im Speicher 210 gespeichert worden. Zusätzliches Eis hat sich im Kältespeicher 2OO gebildet.

Nach dem Sonnenuntergang, oder auch etwas davor, werden die Ventilstellungen geändert, so daß die Anlage in der in Figur dargestellten Betriebsweise betrieben wird, die als Winternachtbetrieb bezeichnet wird. Die Stellungen der Ventile 215, 216, 231, 232, 234 und 235 sind alle in der angegebenen Weise anders eingestellt. Die Umsteuerventile 90' und 100' bleiben jedoch in ihrer Anfangsstellung. Als Ergebnis der Umstellung der Ventile wird der Wärmespeicher von der inreiheschaltung mit der Auslaßöffnung des Kompressors nunmehr in Reihe mit der Einlaßöffnung des Kompressors geschaltet. Dies läßt sich durch ein Verfolgen des Kreislaufes anschaulich machen, wobei bei der Auslaßöffnung 44' des Expanders begonnen wird. Die eine sehr niedrige Temperatur aufweisende Luft wird von dieser öffnung In den Kältespeicher 200 geführt, in welcher die Bildung von Eis fortgesetzt wird, und in welcher die Luft eine Temperaturerhöhung erfährt. Da das Ventil 235 die Sonneneinheit abtrennt, tritt die Luft von dem Kältespeicher durch die Ventile 232 und 231 über den Anschluß 213 in den Wärmespeicher 210 .ein. Die von der in diesem Wärmespeicher 210 gespeicherten Wärme aufgewärmte Luft strömt dann durch die Ventile 215 216, 233 sowie das Umsteuerventil 90' durch den regenerativen

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Wärmeaustauscher in die Einlaßöffnung 41' des Kompressors. Der Wärmespeicher tritt also bei Winternachtbetrieb an die Stelle der Sonneneinheit und dient als "Überbrückung", um einen wirksamen Betrieb der Anlage auch dann zu gewährleisten, wenn die Sonne nicht scheint.

Wenn die Sonne am folgenden Tag wieder aufgeht, werden die Ventile wieder in die Tagesstellung gebracht, wie es in Figur 11 dargestellt ist.

Nach der Erläuterung des Winterbetriebes mit thermischem Speicher wird anhand der Darstellung der Figur 13 im folgenden die Ventileinstellung für den Sommerbetrieb der Anlage beschrieben, bei v/elcher ebenfalls eine Warmwasseraufbereitung vorgesehen ist, bei welcher aber der Wärmespeicher 210 abgetrennt ist.

Im Sommerbetrieb werden die Umsteuerventile 90' und 100' in die in der Figur dargestellte Position verschoben, die Ventile 215, 216 und 225 im unteren Teil der Abbildung v/erden eingestellt, die Ventile 232, 233, 234 und 235 v/erden ebenfalls in der dargestellten Weise eingestellt, die Stellung des Ventiles 231 ist belanglos. Wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Figur 5 bereits erläutert, werden an der Sonnereinheit für den Sommerbetrieb zwei Dinge geändert, es wird nämlich die wärmeabsorbierende Fläche mittels einer Abschirmung 130' abdeckt und es werden die untere und die obere Seitenwand 121' bzw. 122' des Sonnenflächengehauses hochgeklappt, so daß ein freier Luftkonvektionsstrom 135' durch das Gehäuse hindurchtreten kann, Dadurch wird die Sonnereinheit von einer wärmeabsorbierenden Vorrichtung zu einer wärmeabstrahlenden Vorrichtung, bei v/elcher Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.

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Die Umstellung des Umsteuerventiles 100' führt dazu, daß der Kältespeicher 200' vom Ausgang des Expanders an den Eingang des Expanders geschaltet wird. In diesem Zusammenhang wird noch einmal daran erinnert, daß der Kältespeicher beim Winterbetrieb der kalten Ausgangsluft des Expanders ausgesetzt war, die das darin enthaltene Wasser von der flüssigen Form in die feste Form übergeführt hat, wobei eine große Wärmeabsorptionskapazität gespeichert worden ist. Mit dem Umschalten des Umsteuerventiles 100 wird nun diese Wärmeabsorptionskapazität ausgenützt, um die Temperatur der in die Expandereingangsöffnung 43' eintretenden Luft abzusenken. Die Tatsache, daß der Kältespeicher 200 in Figur 13 in Reihe mit der Expandereinlaßöffnung und vor dieser eingeschaltet ist, kann leicht dadurch geprüft werden, daß die Pfeile der Figur 13 verfolgt v/erden. Die durch den Kältespeicher fließende Luft tritt durch das Ventil 205 und fließt von dort durch die Anschlüsse 102' und 103' des Umsteuerventiles sowie durch den regenerativen Wärmeaustauscher 80" zur Einlaßöffnung 43' des Expanders. Durch Absenken der Temperatur der in den Expander eintretenden Luft kann die Temperatur der aus der Auslaßöffnung 44' des Expanders austretenden Luft entsprechend abgesenkt werden, oder mit anderen Worten, die Kühleffektivität des Expanders wird erhöht. Die abgekühlte Luft dient dann in dem Innenraum-Wärmeaustauscher 50* zur Kühlung des Innenraumes. ·;·";··

Durch Umstellen der Ventile auf Sommerbetrieb wird eine dauernde Versorgung mit Warmwasser gewährleistet. Die heiße, komprimierte, aus der Kompressor-Auslaßöffnung 42' austretende Luft fließt über das Umsteuerventil 90", die Ventile 233 und 223 in die Leitung 222 des Warmwasseraufbereiters, wobei nicht nur das Wasser infolge der hohen Lufttemperatur erwärmt wird,

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sondern wobei auch die heiße, komprimierte Luft wunschgemäß abgekühlt wird. Die aus dem Warmwasseraufbereiter austretende Luft fließt über Ventile 215, 216 und 232 in die Sonneneinheit, in welcher die Luft in dem von dem Luftkonvektionsstrom 135¹ umströmten Wärmeaustauscher 60' zusätzlich gekühlt wird. Die nun kühlere Luft strömt von der Sonneneinheit über das Ventil 235 durch den Kältespeicher 200 und von dort weiter zu der Expandereinlaßöffnung, wie oben beschrieben.

Wegen der niedrigen Temperatur der in den Expander eintretenden Luft, die selbst bei heißen Sommerbedingungen wegen des Abschmelzens des Eises in den Kältespeicher 200 niedrig ist, kann die Anlage weitgehend leerlaufen, mit dem Ergebnis, daß die Wärmeabsorptionskapazität des Eises den zum Antrieb des Motores 33' benötigten Strom erheblich, im wesentlichen bis zum Leerlaufstrom, erniedrigt, und das während einer Zeit in der Größenordnung von zwei Monaten, bis nämlich das Eis in dem Kältespeicher geschmolzen ist und bis das entstehende Wasser eine deutlich höhere Temperatur angenommen hat.

Am Ende des Sommers sowie im Herbst und im Frühjahr, wenn gelegentlich kalte Tage oder Tage mit starker Bewölkung zu erwarten sind, kann man die Anlage durch Umschalten der Ventile so betreiben, wie es in Figur 14 dargestellt ist. In dieser Betriebsart wird Wärme im Wärmespeicher 210 gespeichert, so daß die Anlage in einen bereiten Zustand überführt wird. Die Stellung der Ventile unterscheidet sich von der Stellung in der Figur 13 dadurch, daß die Ventile 215, 231, 232 und 233 so gestaltet sind, daß der Wärmespeicher 210 mit dem Warmwasseraufbereiter in Reihe geschaltet ist; mit anderen Worten wird der Wärmespeicher in den Kreislauf eingeschaltet, um dem Luftstrom

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vor dessen überführung in die Sonneneinheit Wärme zu entziehen.

Die Luft aus dem Warmwasseraufbereiter wird also über das Ventil 215 in den Speicher 210 geführt, tritt bei Anschluß 213 wieder aus und strömt über die Ventile 231 und 232 zum Anschluß 62 · der Sonneneinheit Während der Wohnraum von dem Innenraum-Wärmeaustauscher 50' in der in Figur 13 dargestellten Weise abgekühlt wird, wird der Wärmespeicher 210 als Nebenprodukt aufgewärmt und steht daher für einen kühlen, bedeckten Tag zur Verfügung, an welchem die Anlage in den Winter-Nacht-Betrieb umgeschaltet wird (Figur 12), wobei der "Winter"-Kontakt W (Figur 10) geschlossen ist. Bei einer solchen Betriebsart übernimmt der Wärmespeicher 210 wirksam die Funktion der Sonneneinheit. Der Ausdruck "Winter", wie er hier gebraucht wird, umfaßt jeden Tag, an welchem der Wohnraum geheizt werden muß. Der Ausdruck "Sommer" entspricht dem Gegenteil.

Die durch Verstellen der Ventile in der oben beschriebenen Weise erzielte Flexibilität gestattet eine schnelle und einfache Anpassung der Anlage an plötzliche und extreme Wetteränderungen! An einem warmen Sommertag, an dem man veränderliches Wetter erwartet, wird die Anlage in der in Figur 14 dargestellten Betriebsweise betrieben. An einem kalten, jedoch sonnigen oder nur teilweise bedeckten Tag wird die Anlage in der in Figur 11 dargestellten Weise betrieben. An einem kalten Tag, an dem die Sonne vollständig verdeckt ist und die Sonneneinheit daher relativ unwirksam bleibt, oder in Winternächten wird die Anlage in der in Figur 12 beschriebenen Weise betrieben. In allen Betriebsarten wird das Kompressor-Expander-Aggregat fortlaufend betrieben, wobei wegen der Steuervorrichtung der Figur 10 eine automatische Modulation eintritt, so daß der Druck in dem sekundären Wärmeaustauscher gegebenenfalls unter Atmosphären-

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druck liegt, wenn wenig Bedarf besteht, so daß der Antriebsmotor im wesentlichen leerläuft. Um die Einstellung der verschiedenen Betriebsarten zu erleichtern, ist vorgesehen, die Ventile vorzugsweise als fernbetätigbare elektromagnetische Ventile auszubilden, so daß sie mit Hilfe eines gemeinsamen Wahlschalters in die vorbestimmten, anhand der Figuren 11 bis 14 beschriebenen Kombinationen geschaltet werden können. Der Wahlschalter kann gleichermaßen dazu benutzt werden, die entsprechenden Kontakte "W" und "S" in Figur 10 zu betätigen.

Wenn als Ergebnis eines langen, kalten Winters das Wasser im Kältespeicher 200 zu einem unterkühlten Eisblock gefroren ist, kann das Umwegventil 205 in die Umwegstellung verstellt werden, so daß die von dem Luftstrom zu leistende Reibungsarbeit verringert wird.

In der beschriebenen Anlage wird im Wärmespeicher 210 als Speichermedium Wasser verwendet. Falls erwünscht, kann der Wärmespeicher entsprechend der Darstellung der Figur 11a aufgebaut sein, in welcher entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen tragen, denen der Buchstabe a zugefügt ist. Wie in Figur 11a dargestellt ist, ist ein abgeschlossener Behälter 211a mit Felsen, zerbrochenen Steinen oder Brocken aus anderen Feststoffen gefüllt, die eine hohe Wärmekapazität auf v/eisen. Zwischen den einzelnen Brocken sind statistische Durchtritte für die Luft freigelassen. Die Luft wird durch eine Einlaßöffnung 212a eingelassen und tritt durch eine Auslaßöffnung 213a wieder aus. Der Behälter 211a ist vorzugsweise abgeschlossen und druckbeständig, so daß auch angesichts der heißen, komprimierten, von der Ausgangsöffnung des Kompressors zuströmenden Luft Undichtigkeiten vermieden werden.

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Es wird darauf hingewiesen, daß der Ausdruck Wärmeübertragungsleistung in dem Sinne verstanden wird, daß dadurch die pro Zeiteinheit übertragene Wärmemenge gemeint ist, die beim Heizen oder beim Kühlen zwischen dem Wohnraum und der Umgebung übertragen wird.

Während in der vorstehenden Beschreibung die Sonneneinheit auf dem Dach des Gebäudes und dabei vorzugsweise schräg angeordnet war, um im Sommerbetrieb einen Luftkonvektxonsstrom zu erhalten, kann sie gemäß der Erfindung auch flach an der

Außenseite der Südwand eines Gebäudes angeordnet sein. Gerade diese vertikale Position an einer Hauswand hat sich in Bezug auf eine Reihe von Merkmalen als ungewöhnlich und vorteilhaft herausgestellt: Zunächst ergibt sich bei dieser Anordnung im Sommerbetrieb eine bessere Konvektion der Kühlluft. Ferner, wird beim Winterbetrieb jegliche von der Sonneneinheit nach innen abgestrahlte Wärmemenge direkt durch die Wand in den Wohnraum abgestrahlt und nicht, wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, in die Dachkonstruktion. Die Sonneneinheit ist in senkrechter Position an einer Außenwand auch leichter zu installieren; der Hauseigentümer kann selbst große Sonneneinheiten selbst montieren. Während des Sommers, wenn Kinder normalerweise außerhalb des Hauses spielen, wird die Sonneneinheit gemäß der Erfindung durch die Abschirmung 130, 130a nicht nur gegen die Sonnenstrahlen, sondern auch körperlich abgeschirmt, so daß Zerstörungen vermieden werden können. Die Abschirmung muß nicht unbedingt als Schild oder Platte ausgeführt sein,, jedes Mittel kann verwendet werden, das die Sonnenwärme unwirksam macht.

Die Anordnung der Sonnen einheit in senkrechter Stellung an einer

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Häuserwand führt im Winter auch nicht zu einer erheblichen Herabsetzung der Isolation, da die Sonne in dieser Jahreszeit in den Gebieten, in denen geheizt werden muß, eine relativ niedrige Bahn am Himmel hat. Untersuchungen haben ergeben, daß die Anordnung der Sonneneinheitan einer Hauserwand'in Bezug auf die absorbierte Strahlung nur etwa eine Einbuße in der Größenordnung auf 15 % gegenüber der Anordnung auf dem Dach bringt, die durch die verbesserte Kühlwirkung im Sommer und die anderen oben erwähnten Vorteile aufgewogen wird. Der Ausdruck "geneigt", der in Bezug auf die Orientierung der Sonneneinheit hier verwendet wird, bedeutet daher jegliche Orientierung der Sonneneihheit, in welcher ein senkrechter Konvektions-Luftstrom erzeugt wird; diese Bezeichnung schließt mithin auch eine Orientierung ein, in wicher die Sonneneinheit mit einer "Neigung" von 90°, d.h. in vertikaler Orientierung angeordnet ist.

Der Ausdruck "Wohnraum" bezieht sich allgemein auf das gesamte Wohngebiet, welches regelbar geheizt oder gekühlt wird. Der Ausdruck "Klimaanlage" bezeichnet die gesamte Vorrichtung, die die Heizung oder Kühlung bewirkt. Luft ist in der vorstehenden Beschreibung als bevorzugtes Wärmeleitmedium beschrieben worden. Die Verwendung von Luft ist auch besonders günstig, wenn das Auffüllen des Kreislaufsystems aus der Atmosphäre erfolgt und wenn die Abgabe überschüssigen V7ärmeleitmediums in die Atmosphäre erfolgt. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung von Luft beschränkt, andere kompressible Gase können ebenso verwendet werden, insbesondere nicht kondensierbare Gase. In diesei,

Falle kann der Anschluß 152 der Pumpe 150 zu einem Akkumulator geführt sein, der in Form eines Druckspeicherbehältersausgebildet ist und in dem das Medium normalerweise unter einem zwischen den Extremwerten liegenden Druck aufbewahrt wird.

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Der Ausdruck "Luft" ist daher allgemein zu verstehen, er steht einerseits für "Luft" und andererseits für statt dessen verwendbare Medien.

Einer der Vorteile des oben beschriebenen abgeschlossenen Drucksystems ist darin zu sehen, daß das umlaufende Medium mit einer bestimmten Menge eines Schmiermittels beladen werden kann, so daß die Schaufeln und die die Schaufeln führenden und tragenden Rollen geschmiert werden. Wenn Wasser benutzt wird, um die nötige Antriebsenergie zu erniedrigen und um die Wärmetransportleistung zu erhöhen, wie es in den oben erwähnten US-Patenten '327 und '904 beschrieben ist, kann das Schmiermittel, falls es gewünscht wird, in emulgierter Form verwendet werden. Der Ausdruck "Wasser" oder "Feuchtigkeit" soll allgemein verstanden werden und äquivalente kondensierbare Flüssigkeiten umfassen.

Obwohl das Kompressor-Expander-Aggregat vorzugsweise derart ausgebildet ist, daß sowohl die Kompression als auch die Expansion in verschiedenen Teilen derselben Kammer stattfinden, liegt es auch im Rahmen der Erfindung, Kompressor und Expanderteile voneinander zu trennen, sie jedoch mechanisch miteinander zu koppeln .Und während in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel flache, in radialer Richtung verschiebliche Schaufeln verwendet werden, kann der Ausdruck. "Schaufel" auch andere Mittel beschreiben, die abgeschlossene,beim Umlauf des Rotors zunehmend verkleinerte und wieder vergrößerte Kammern bilden.

In der bevorzugten Ausführungsform wird ein sekundärer Wärmeaustauscher verwendet, der das System abschließt und der oberhalb von AtmoSphärendruck betrieben wird. Die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt und umfaßt die Möglichkeit, die

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zum sekundären Wärmeaustauscher führende Leitung für die direkte Abgabe von Luft zu "öffnen". So können beispielsweise in der Anlage der Figur 5, die den Sommerbetrieb darstellt, die Anschlüsse 51 und 52 des Wärmeaustauschers 50 geöffnet v/erden, so daß kalte Luft direkt aus der Leitung 52 in den Wohnraum abgegeben und warme Luft über den Anschluß 51 direkt aus dem Wohnraum abgesaugt wird. In diesem Falle wird der Wohnraum selbst zum "Innenraum-Wärmeaustauscher". In gleicher Weise kann in dem in Figur 1 dargestellten Winterbetrieb der Anschluß 62 geöffnet werden, so daß kalte Luft aus dem Expander direkt in die Umgebung abgegeben wird, wodurch die Umgebung selbst der "Außenraum-Wärmeaustauscher" v/ird. Tatsächlich ist der Ausdruck "Wärmeaustauscher" als allgemeiner Ausdruck für jegliche Wärmetauschvorrichtung vorgesehen, die aus einem einzigen oder aus mehreren Teilen bestehen kann, wobei es belanglos ist, sämtliche Teile oder nur einige davon wirklich zum Wärmeaustauschen verwendet werden.

Der regenerative Wärmeaustauscher 80, 80' v/ird in manchen Fällen eingeschaltet und in anderen Fällen umgangen. Der tatsächliche Vorteil bei der Verwendung dieses Wärmetauschers hängt von den allgemeinen Bedingungen ab: Berechnungen haben ergeben, daß seine Verwendung vorteilhaft ist im Winter-Hachtbetrieb, jedoch nicht, an einem strahlenden, sonnigen Wintertag. Daher v/ird der regenerative Wärmeaustauscher als fakultativ betrachtet.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Klimaanlage ist darin zu sehen, daß die Anlage auch im Sommerbetrieb, wenn sie fast in den Leerlauf zurückgeschaltet ist, für die Entfeuchtung der klimatisierten Räume sorgt. Selbstverständlich können aber auch Mittel vorgesehen sein, den Motor 33 vollständig abzuschalten, vorzugsweise im Winterbetrieb. Dieses Abschalten tritt als

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Alternative neben den Leerlaufbetrieb; dadurch kann die Energie für die Überwindung der Maschinenreibung gespart werden.

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Claims

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Patentansprüche:

Klimaanlage für geschlossene Räume, gekennzeichnet durch einen Kompressor mit einer Ein- und einer Auslaßöffnung (41 ,41 ' bzw. 42,42') und einen Expander mit einer Ein- und einer Auslaßöffnung (43,43' bzw. 44,44'), die beide miteinander gekoppelte Rotormittel (20) mit Schaufeln (21 - 30) aufweisen, welche beim Um lauf durch positive Verdrängung ein Medium komprimieren bzw. expandieren, einen Innenraum-Wärmeaustauscher (50,50") in dem geschlossenen Raum (11,11'), einen Außenraum-Wärmeaustauscher (60,6O¹) in der Umgebungsatmosphäre (15,15'), wobei einer der Wärmeaustauscher (50, 50' oder 60,60') in einer Primärposition zwischen der Kompressorauslaßöffnung (42,42·) und der Expandereinlaßöffnung (43,43') und der andere Wärmeaustauscher (60,6O¹ oder 50,50') in einer Sekundärposition zwischen der Expander-Auslaßöffnung (44,44') und der Kompressoreinlaßoffnung (41,41') geschaltet ist, so daß ein mit einem Medium gefüllter, geschlossener Kreislauf entsteht, Ventile (90,9O¹; 100,100') zum Umschalten der Verbindungen der Wärmeaustauscher (50,5O¹; 60, 60') zur Verwendung,des Innenraum-Wärmeaustauschers (50, 50') als Heizung im Winter und als Kühlung im Sommer, eine dem Außenraum-Wärmeaustauscher (60,6O¹) zugeordnete, flächig ausgebildete Sonneneinheit mit einer Medienleitung und mit dieser thermisch gekoppelten Wärmeabsorptionsflächen zur Erwärmung der Leitung durch die Sonnenstrahlen sowie durch Mittel (130,130') zur Verhinderung der Sonnenabsorption durch die Sonneneinheit im Sommer.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium im Kreislauf Luft eingefüllt ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher in Sekundärposition abgeschlossen

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ist und somit einen geschlossenen Kreislauf mit einer eingeschlossenen Luftmenge bildet, wobei die Luft in dem Wärmeaustauscher in Sekundärposition unter Druck steht.

4. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines im Winterbetrieb erheblich über dem Atmosphärendruck liegenden Druckes in dem in Sekundärposition geschalteten Wärmeaustauscher eine Einrichtung (150) zur Injektion von Luft in den Kreislauf und zur Reduzierung des Druckes und damit der Wärmeübertragungsleistung im Sommer eine Vorrichtung (152) zum Ablassen von Luft aus dem Kreislauf vorgesehen sind.

5. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonneneinheit Kühlluftdurchtritte zum Kühlen der Leitung mittels eines Luftstromes aufweist und daß Mittel (130,13O¹; 130a; 121, 121'; 122,122'; 121a, 122a) vorgesehen sind, um abwechselnd die Wärmeabsorptionsflächen der Sonneneinwirkung und die Kühlluftdurchtritte der Kühlluft auszusetzen, so daß der Außenraum-Wärmeaustauscher (60, 60') abwechselnd im Winter als Sonnenwärmeabsorber bzw. in Sommer als Wärmeabstrahier arbeitet.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (70) zum Befeuchten der in den Kompressor eintretenden Luft vorgesehen ist.

7. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossenen Luftmenge eine eingeschlossene Wassermenge zugefügt ist.

8. Klimaanlage nach, einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur thermischen Kopplung der in den Kom-

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pressor eintretenden und der in den Expander eintretenden Luft ein regenerativer Wärmeaustauscher (80,8O¹) vorgesehen ist.

9. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Temperatur in dem geschlossenen Raum (11 ,11 ') ein Thermostat (171, 171a, 174, 174a, 181, 181a, 182, 182a, 183, 183a) vorgesehen ist, welcher eine Einrichtung (150) zur Variation der Wärmeübertragungsleistung des Kompressors und des Expanders steuert.

10. Klimaanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem geschlossenen Raum (11,11') ein Temperaturfühler (171, 171a) angeordnet ist, der beim Abweichen der Temperatur von einem vorbestimmten Wert Steuersignale erzeugt, welche zur Aufrechterhaltung der Temperatur die Injektoreinrichtung

(150) oder die Luftablaßvorrichtung (152) betätigen.

11. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonneneinheit Mittel zur Erzeugung aufwärts geneigter Kühlluftdurchtritte aufweist.

12. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß Absperrmittel (121, 122; 121', 122'; 121a, 122a) für den Kühlluftstrom durch die Kühlluftdurchtritte und eine Abschirmung (130, 13O^1-/ Ί 30a) gegen Sonnenstrahlen für die Sonneneinheit vorgesehen sind.

13. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kältespeicher (200) sowie Ventile (205) vorgesehen sind, mittels welcher der Kältespeicher im Kreis-

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lauf im Sommerbetrieb in Reihe mit der Einlaßöffnung (43') des Expanders und im Winterbetrieb in Reihe mit der Auslaßöffnung (44') des Expanders schaltbar ist.

14. Klimaanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältespeicher (200) einen mit Wasser gefüllten Behälter (201) umfaßt, durch den eine thermisch daran angekoppelte Luftleitung (202) führt, die einen Teil des Kreislaufes bildet und im Winter Wasser zu Eis friert, sowie im Sommer Eis zu Wasser schmilzt.

15. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch .gekennzeichnet, daß ein Wärmespeicher (210, 210a) sowie Ventile (215, 216) vorgesehen sind, mittels welcher der Wärmespeicher im Winter-Tagesbetrieb in Reihe mit der Auslaßöffnung (42')des Kompressors und im Winter-Nachtbetrieb in Reihe mit der Einlaßöffnung (41*) des Kompressors schaltbar ist.

16. Klimaanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (210) einen mit Wasser gefüllten Behälter (211) umfaßt, durch den eine thermisch daran angekoppelte

"Luftleitung (212) führt, die einen Teil des Kreislaufes bildet.

17. Klimaanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf geschlossen ist und" der Wärmespeicher (210a) ein verschlossener Behälter (211a) mit einem Lufteinlaß (212a) und einem Luftauslaß (213a) ist, die in Reihe mit dem Kreislauf liegen, und daß der Behälter (211a) mit brokkenförmigem, festem Material mit großer Wärmekapazität gefüllt ist, zwischen denen statistisch verteilte Luftdurchlässe frei bleiben.

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28. Oktober 1976 - ye -

18. Klimaanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (235) zum Abtrennen der Luftleitung der Sonneheinheit vom Kreislauf während Winternächten vorgesehen sind.

19. Klimaanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Warmwasseraufbereiter (220) mit einem mit Wasser gefüllten Behälter (221) vorgesehen ist, durch den eine thermisch daran angekoppelte, von heißer Luft durchströmte Luftleitung (222) führt, die in den Kreislauf anschließend an die Auslaßöffnung (42') des Kompressors ·einschaltbar ist und somit im Winter und im Sommer Warmwasser liefert.

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