<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit einem Luftwärmetauscher, einem Flüssig- keitswärmetauscher, über den ein flüssiger Wärmeträger mit dem Arbeitsmedium der Wärmepumpe in Wärmetausch steht, einem Elektromotor, der zwischen einem Stator und einem Läufer eine sphäri- sche, magnetisch durchlässige Trennwand aufweist, und einem mit dem Läufer gekoppelten Kompres- sor, der annähernd mit Synchrondrehzahl angetrieben ist, wobei das Kompressorgehäuse umlaufend gelagert ist und über das Reaktionsmoment des Kompressors in Umdrehung gesetzt wird.
Wärmepumpen dienen zur Temperaturanhebung eines ersten Wärmeträgerstromes, um diesen einem zweiten Wärmeträger-Kreislauf bei einer erhöhten Temperatur aufzuprägen. Aus diesem Grund werden Wärmepumpen unter anderem zur Anhebung der Temperatur von Wärmeträgern, die über einen Sonnenkollektor aufgeheizt werden, eingesetzt. Da aber die Einstrahlung der Sonne zu ausser- ordentlich unterschiedlichen Temperaturen dieses Wärmeträgers führt, eignen sich bekannte Wärme- pumpen für diese Aufgabe nur bedingt.
Wird beispielsweise die Wärme zur Raumheizung benötigt, so wird während der Winterperiode die Temperatur der von Solarkollektoren gelieferten Wärmeträgerströme unter der Raumtemperatur liegen. In diesem Fall ist der Einsatz einer Wärmepumpe zwingend notwendig. Bei Einstrahlun- gen während der Übergangsmonate dagegen wird die Temperatur des Wärmeträgers in einem Solar- kollektor in aller Regel über der Raumtemperatur liegen. In diesen Fällen ist nur ein Wärme- übertrager notwendig. Zwischen diesen beiden Grenzsituationen gibt es jedoch ein Übergangsgebiet, in dem sinnvollerweise ein erster Teil der Wärme durch Wärmetausch, ein zweiter Teil durch Anhebung der Temperatur des Wärmestromes durch eine Wärmepumpe dem Nutzwärmeverbraucher zugeführt werden kann.
Es sind Wärmepumpen bekanntgeworden, bei denen der Stator eines Elektromotors stillsteht, während der Läufer einen Kompressor antreibt, der seinerseits in einem Gehäuse angeordnet ist, welches umlaufend gelagert ist. Kompressor und Läufer sind dabei zwar hermetisch gekapselt, bedürfen keiner Wartung, die Lagerung der gesamten Wärmepumpeneinheit dagegen erfolgt mittels Lagern, die ausserhalb des hermetisch gekapselten Raumes angeordnet sind und damit dem Staub und der Luft ausgesetzt sind und einer Wartung bedürfen.
Aufgabe der Erfindung ist eine Wärmepumpe mit einem Luftwärmetauscher, einem Flüssigkeitswärmetauscher, über den ein flüssiger Wärmeträger mit dem Arbeitsmedium der Wärmepumpe in Wärmetausch steht, einem Elektromotor, der zwischen einem Stator und einem Läufer eine sphärische, magnetisch durchlässige Trennwand aufweist, und einem mit dem Läufer gekoppelten Kompressor, der annähernd mit Synchrondrehzahl angetrieben ist, wobei das Kompressorgehäuse umlaufend gelagert ist und über das Reaktionsmoment des Kompressors in Umdrehung gesetzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Luftwärmetauscher in an sich bekannter Weise mit dem umlaufenden Kompressorgehäuse und mit dem Flüssigkeitswärmetauscher eine Einheit bildet, wobei nach der Erfindung die Einheit unterhalb des Kompressorgehäuses gelagert ist und der Schwerpunkt der Einheit unterhalb des Lagers liegt.
Der Nachteil aller bekannten luftdurchströmten Wärmetauscher, die die Luft abkühlen, ist die Wasserfilmbildung durch Kondensation, gleichgültig, ob es sich um Raumluft handelt (beim Kühlantrieb) oder um abzukühlende Aussenluft (bei Heizbetrieb). An den kühlen Wärmetauschflächen erfolgt Kondensation bei Unterschreitung des Taupunktes, das Wasser versperrt die Luftkanäle zwischen den Rippen, deshalb kommt es bei stationären Wärmetauschern leicht zur völligen Versperrung zwischen benachbarten Rippen, so dass in der Praxis sehr grosse Rippenabstände gewählt werden, die zu ausserordentlich grossen Dimensionen des Luft-Wärmetauschers führen.
Die Erfindung sieht deshalb vor, einen Luftwärmetauscher zu verwenden, der in an sich bekannter Weise als rotierender Wärmetauscher ausgebildet ist, bei dem das sich bildende Kondensat abgeschleudert wird.
Erfindungsgemäss erfolgt die Abstützung der rotierenden Einheit durch ein Lager, welches eine Abdichtung für den flüssigen Wärmeträger bildet. Es hat sich gezeigt, dass für diesen Zweck hydro-dynamische sphärische Lager besonders geeignet sind, bei denen geeignete fischgrätenförmige Rillen ringförmige Druckbereiche aufbauen. Der Vorteil dieser Lager liegt darin, dass sie durch die Wärmeträgerflüssigkeit, also in der Regel durch Wasser, geschmiert werden, so dass keinerlei Wartung der Maschine erforderlich ist.
<Desc/Clms Page number 2>
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen beschrieben werden : Fig. l zeigt vereinfacht den Aufbau der erfindungsgemässen Wärmeübertrager-Wärmepumpe, Fig. 2 zeigt das Schaltbild dieser Wärmeübertrager-Wärmepumpe bei Raumheizbetrieb, Fig. 3 zeigt das Schaltbild bei Kühlbetrieb.
Fig. 1 zeigt schematisiert den Aufbau einer erfindungsgemässen Wärmeübertrager-Wärmepumpe.
Zwischen dem nicht umlaufenden Motoren-Stator-l-und einem hydro-dynamischen, vom Wärmeträgerwasser geschmierten und gleichzeitig als Dichtelement dienenden Kalottenlager --2-- ist das Wärmepumpengehäuse --3-- angeordnet, das mit dem rotierenden Wärmetauscher --4--, der in engem axialem Abstand voneinander in Rotationsebenen verlaufende kreisringförmige Rippen --5-- aufweist, eine umlaufende Einheit bildet. Der Motorenläufer --6-- treibt den Läufer des Kompressors - relativ zum raumfesten Bezugssystem mit z. B. 3000 min-1 an. Ober das Gehäuse des Kompres- sors -7-- wird das Antriebsdrehmoment auf das rotierende Gerätegehäuse --3-- und den Umlauftauscher --4-- übertragen.
Der umlaufende Wärmetauscher --4-- wirkt dabei als Scherspannungsgebläse, sein Drehmoment steigt quadratisch mit der Drehzahl, so dass sich relativ zum raumfesten Bezugssystem eine definierte Drehzahl von z. B. 450 min-J eingestellt. Damit bildet sich zwischen dem Kompressorgehäuse --7-- und dem Kompressorläufer --6-- eine Relativdrehzahl aus, die
EMI2.1
--6-- und--2--, das gleichzeitig eine Wellendichtung bildet, bedarf keiner Wartung, da es durch das Wärmeträgerwasser geschmiert wird.
Im Kugelzenit der magnetisch durchlässigen Trennwand --8-- ist eine Achse --9-- befestigt, die über die Kugellager --10 und 11-im im Stator --1-- gelagert ist, so dass der Luftspalt zwischen dem Stator --1, 12-- des Motors und der Trennkalotte --8-- unab- hängig von der Lage der Rotationsachse --13-- definiert ist. Auf der Kompressorwelle ist auch der Läufer eines Expansionsmotors-14-befestigt. In diesem Expansionsmotor --14-- wird die Entspannungsarbeit des verflüssigten Arbeitsmediums zurückgewonnen. Im Nadir der Kalottenlager- schale --2-- wird der flüssige Wärmeträger durch die Rohre --15 und 16-- ein- und ausgeleitet.
Der Wärmetausch zwischen Wärmeträgerflüssigkeit und Arbeitsmedium vollzieht sich im Wärmetauscher --17--, der über Speichen --18-- mit dem Gehäuse --3-- verbunden ist. Durch diese Speichen hindurch verlaufen auch die Leitungen, die zu den Rohren --19-- des rotierenden Wärmetauschers - führen. Der innere Bereich --20-- wird vom flüssigen Wärmeträger durchströmt, das Schwenkzentrum --21-- der gesamten rotierenden Einheit --3, 4-- liegt oberhalb des Schwerpunktes, so dass die Einheit nur ein sphärisches Lager erfordert, die über das mittels Streben --22-- abgestützte Kalottenlager --2-- drehbar gelagert ist. Durch den Hebelarm --23-- wird der Motorstator - an einer Verdrehung infolge seines Reaktionsmomentes gehindert.
Ein elektromagnetischer Rüttler --24-- besorgt bei Einschalten des Motors die Überwindung der Haftreibung.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild der erfindungsgemässen Wärmepumpe bei Raumheizungsbetrieb.
Die Wärme wird über den Wasserstrom --31-- über den Rohrkranz --32--, der die Ringrippen des umlaufenden Wärmetauschers durchsetzt, zugeleitet. Nach Abkühlung von 40 auf 32 C durchströmt der Wärmeträger den Rohrkranz --33--, so dass sich ein Kreuz-Gegenstrom-Wärmetausch zwischen den Ringrippen --34-- und der Raumluft --40-- einstellt. Danach gelangt das Wärmeträgerwasser mit 32 C in den Wärmetauscher --34b--, der als Verdampfer für den Frigen-Kreislauf - dient. Der Kompressor --36-- komprimiert den gasförmigen Wärmeträger, die Verflüssigung erfolgt in den Rohrkränzen --37 und 38-- des umlaufenden Wärmetauschers --4--. Das Wärmeträgerwasser verlässt durch das Rohr --41-- die Umlaufwärmepumpe mit 17 C.
Fig. 3 zeigt die gleiche umlaufende Wärmepumpe, jedoch durch Umschaltung des 4-Wege-Ventils - mit gegenläufigem Arbeitsmedien-Kreislauf betrieben. Das Rücklaufwasser einer Fernheizanlage tritt mit 170C in die Wärmetauschrohrkränze --32 und 33-- ein, wird dann zusätzlich im Wärmetauscher --34b--, der nunmehr als wärmeabgebender Verflüssiger arbeitet, aufgeheizt und verlässt das Gerät durch den Austritt --31-- mit etwa 400C. Die Verdampfung erfolgt in den Rohrkränzen - 37 und 38-. Der Raumluft wird also ein Teil der Wärme durch Wärmetausch entzogen, danach erfolgt. die weitere Abkühlung durch den Kältekreislauf in dem Wärmetauscherbereich bei --37 und 38--.