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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe mit einem umlaufenden Luftwärmetauscher und einem Flüssigkeitswärmetauscher sowie einem Antrieb, bei dem das Antriebsdrehmoment durch eine magnetisch durchlässige Trennwand hindurch auf einen umlaufenden Polring und von diesem auf einen mit diesem Polring gekoppelten Läufer des Kompressors übertragen wird, und einem mit den Wärmetauschern umlaufenden Kompressorgehäuse, das über das Reaktionsmoment des Kompressorenläufers in Umdrehung gesetzt wird.
Es sind viele Vorschläge gemacht worden, Wärmepumpen zur Raumheizung einzusetzen. Bei allen verwirklichten Wärmepumpen jedoch liegt die Investition so hoch, dass auch über längere Fristen der Wärmepreis für brennerbetriebene Heizanlagen noch nicht unterboten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wärmepumpenbetriebenes Heizsystem zu schaffen, das diesen Nachteil nicht hat.
Dies wird durch eine erfindungsmässige Lagerung erreicht. Die Kombination mit weiteren, teilweise auch an sich bekannten Vorrichtungen führt zu vorteilhaften Konstruktionen.
Die Erfindung geht von Forderungen aus, die zu erfüllen sind, wenn die Wärmepumpe in grossem Umfang brennerbetriebene Heizanlagen verdrängen soll. Diese Voraussetzungen sind :
1. Eine in Wohnungen zu installierende Wärmepumpe soll geräuschlos arbeiten. Das Geräusch der Ventilatoren wird nicht nur von der zum Wärmetausch erforderlichen Luftgeschwindig- keit, sondern von der zum Fortblasen von entstehendem Kondensat erforderlichen Luftge- schwindigkeit bestimmt.
2. Eine Wärmepumpenanlage soll praktisch wartungsfrei sein.
3. Das Temperaturgefälle zwischen dem Wärmeangebot und dem Wärmeverbrauch soll möglichst klein sein.
4. Die Lebensdauer sollte möglichst die von Heizkesseln erreichen.
Die Erfindung bezieht sich auf Wärmepumpen, die diesen Anforderungen gerecht werden. Die Erfindung sieht vor, dass der Kompressor einer Wärmepumpe durch einen umlaufenden magnetischen Polring angetrieben wird, der durch eine magnetisch durchlässige Trennwand vom drehfelderzeugenden Antrieb hermetisch abgeschlossen ist, wobei der Statorteil des Kompressors seinerseits wieder drehbar gelagert ist und mit einem rotierenden Luft-Wärmetauscher eine hermetisch gekapselte Einheit bildet.
Derartige Kompressor-Lüfter-Einheiten sind zwar bekannt, ihr Nachteil besteht aber darin, dass die Lagerung der drehbaren Kompressor-Wärmetauscher-Einheit nicht in den hermetisch abdichtenden Bereich einbezogen werden kann, so dass derartige Maschinen wieder wartungsbedürftige Lager aufweisen, die ausserdem auf Grund des hohen Maschinengewichtes und der unvermeidlichen Rüttelkräfte einer sehr hohen Lagerbelastung ausgesetzt sind und deshalb nicht geräuschlos arbeiten.
Die Erfindung sieht vor, dass die Wärmepumpe einerseits mit Luft, anderseits mit einem flüssigen Wärmeträger kommuniziert. Ein flüssiger Wärmeträger aber bedingt, dass zu den wartungsbedürftigen Lagern auch noch eine Wellenabdichtung hinzutritt.
Die Erfindung sieht eine wartungsfreie Lagerung vor, die gleichzeitig als Wellenabdichtung ausgebildet ist. Diese besteht erfindungsgemäss aus einer annähernd halbkugelförmigen Lagerschale und einem relativ dazu bewegten konvexen sphärischen Lagerteil. Diese Einheit bildet gleichzeitig die Wellendurchführung, der flüssige Wärmeträger (in der Regel Wasser, deshalb nachstehend stets als Wasser bezeichnet) bewirkt ausserdem die Schmierung des Lagers. Durch geeignete Rillen wird
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Derjenige Teil der umlaufenden Einheit, der unterhalb des Unterstützungspunktes liegt, be- steht im wesentlichen aus Wärmetauschern. Dabei werden die Wärmetauscher zwischen Arbeitsmedium und dem Wärmeträgerwasser längs der Peripherie des rotierenden Wärmetauschers unterhalb des
Luftwärmetauscherbereiches angeordnet.
Der Luftwärmetauscher kann erfindungsgemäss so ausgebildet sein, dass er vom inneren Durchmesser beginnend zunächst von einem Rohrkranz durchsetzt ist, durch den Wärmeträgerwasser strömt, dann erst folgen auf grösseren Durchmessern Rohrkränze, durch welche Arbeitsmedium strömt. Hiedurch ist erfindungsgemäss gewährleistet, dass der Luftwärmetauscher, wenn er Wärme aufnehmen soll, den Teil der angebotenen Wärme, dessen Temperatur oberhalb der Verflüssigertemperatur liegt, unter Umgehung des Wärmepumpenkreislaufes direkt auf das Wärmeträgerwasser überträgt.
Sofern in umgekehrter Wärmestromrichtung dem Wärmeträgerwasser Wärme entzogen werden soll, ist ebenfalls sichergestellt, dass derjenige Anteil der Wärme, dessen Temperatur oberhalb der Temperatur der in den Luftwärmetauscher eintretenden Luft liegt, durch Wärmetausch auf den Luftstrom übertragen wird.
Die Erfindung soll an Hand von Zeichnungen beschrieben werden. Fig. la zeigt einen Querschnitt, Fig. lb eine Draufsicht auf eine umlaufende Wärmepumpe, Fig. 2 zeigt die Ausbildung einer Lagerschale, Fig. 3 zeigt eine Wärmepumpe zur Raumluftbeheizung, Fig. 4 zeigt eine Wärmepumpe für Warmluftabkühlung.
Fig. la zeigt schematisiert den Aufbau einer erfindungsgemässen Wärmeübertrager-Wärmepumpe im Schnitt. Zwischen dem feststehenden Polring --1-- und der Lagerschale --2-- eines hydrodynamischen, vom Wärmeträgerwasser geschmierten Lagers, das gleichzeitig als Dichtelement dient, ist das Wärmepumpengehäuse --3-- angeordnet. Dies bildet mit dem rotierenden Wärmetauscher --4-- eine umlaufende Einheit. Der umlaufende Polring --6-- treibt den Läufer des Kompressors --7-relativ zum raumfesten Bezugssystem mit z. B. 3000 min-1 an. Ober das Gehäuse des Kompressors - wird das Drehmoment auf die umlaufende Einheit --3/4-- übertragen.
Der Wärmetauscher - wirkt dabei als Scherspannungsgebläse, sein Drehmoment steigt quadratisch mit der Drehzahl, so dass sich relativ zum raumfesten Bezugssystem eine Drehzahl von z. B. 300 min-'einstellt.
Damit bildet sich zwischen dem Gehäuse des Kompressors --7-- und dem Kompressorläufer - eine Relativdrehzahl von 2700 min-'aus. Die mit dem Gewicht der umlaufenden Einheit --3/4-belastete Lagerschale --2--, die 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, auf der über die Lager --10 und 11-- der Stator - gelagert ist, so dass der Luftspalt zwischen den Eisenblech-Zähnen --12-- des Motors und der magnetisch durchlässigen Trennkalotte --8-- unabhängig von der Lage der Rotationsachse - definiert ist. Im Nadir der Lagerschale --2-- wird das Wärmeträgerwasser durch die Rohre - 15 und 15-- ein- aus ausgeleitet.
Der Wärmetausch zwischen diesem Wasser und dem Arbeitsmedium vollzieht sich im Wärmetauscher --17--, der über das Rohr --18-- mit dem Gehäuse --3-- verbunden ist. Solche Rohre --18-- dienen gleichzeitig als Speichen zwischen dem Gehäuse --3-- und dem rotierenden Wärmetauscher --4--. Der innere Bereich --20-- wird vom Wärmeträgerwasser durchströmt, der äussere Bereich --19-- vom Arbeitsmedium. Das Schwenkzentrum --21-- der rotierenden Einheit --3, 4--liegt oberhalb ihres Schwerpunktes, so dass die rotierende Einheit nur ein einziges sphärisches Lager erfordert. Die Lagerschale --2-- ist mittels Streben --22--, abgestützt. Durch den Hebelarm --23-- wird der Motorstator --1-- an einer Verdrehung infolge seines Reaktionsmomentes gehindert.
Ein elektromagnetischer Rüttler --24-- besorgt bei Einschalten des Motors die Überwindung der Haftreibung in der Lagerschale --2--. Der Motor ist vorzugsweise so ausgelegt, dass er sowohl zweipolig als durch Umschaltung der Spulen auch z. B. 16-polig betrieben werden kann.
Wenn die gesamte angebotene Wärme bei einer Temperatur anfällt, die oberhalb der Temperatur der von der Wärmepumpe verlangten Wärme liegt, so wird die rotierende Einheit --3/4-- durch die 16-polige Wicklung angetrieben. Der Kompressorläufer rotiert dann nur mit sehr geringer Drehzahl oder steht sogar still, die Drehzahl der umlaufenden Einheit --3/4-- bleibt dadurch weiterhin bei zirka 300 min-1. Das Gerät wirkt dann nur als Wärmetauscher.
Fig. lb zeigt eine Draufsicht auf die Wärmepumpe gemäss Fig. la, wobei die Teile die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. la tragen.
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Fig. 2 zeigt die stationär angeordnete Lagerschale --2--, wobei die umlaufende Einheit - herausgenommen ist. Im Zentrum ist das Rohr -16-- sichtbar. An den Ringspalt --29-schliesst das Rohr --15-- an. Darauf folgt ein dichtender Ringbereich --28--. Alsdann folgen Spiralrillen --27--, die in Umdrehungsrichtung weisen und auf dem Zwischendurchmesser --26-- enden, auf dem auch die von aussen kommenden Spiralrillen --25-- enden. Dadurch baut sich im Bereich dieses Durchmessers -26-- ein hydrodynamischer Druck auf, der zu einer berührungslosen Lagerung führt.
Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer symbolisiert dargestellten erfindungsgemässen Wärmepumpe zur Raumluftaufwärmung. Ein erster Anteil eines Wärmestromes, z. B. eines Fernwärmerücklaufes. wird vom Wärmeträgerwasser --31-- durch die Rohrkränze -32 und 33--, die die Ringrippen
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dampfer für den Arbeitsmittel-Kreislauf --35-- dient, es wird dort bis auf 17 C weiter abgekühlt. Der Kompressor --36-- komprimiert das gasförmige Arbeitsmedium. Die Verflüssigung desselben erfolgt in den Rohrkränzen --37 und 38-- des umlaufenden Wärmetauschers --4--, wodurch der Luftstrom - weiter aufgeheizt wird. Das Wärmeträgerwasser verlässt schliesslich völlig abgekühlt gemäss Pfeil --41-- die Umlaufwärmepumpe.
Fig. 4 zeigt die gleiche umlaufende Wärmepumpe, die jedoch durch Umschaltung des Vierwegeventils --39-- mit gegenläufigem Arbeitsmedium-Kreislauf zum Zwecke der Wärmeträgerwasseraufheizung betrieben wird. Diese Durchströmungsrichtung des Wärmepumpen-Kreislaufes wird gewählt,
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gemäss Pfeil -40-- liegt, wodurch eine erste Abkühlung des Luftstromes --40-- erzielt wird. Danach kühlt der Arbeitsmittelkreislauf --37, 38-- die Luft auf die Endtemperatur.
Diese Schaltung dient jedoch auch zur Wärmegewinnung, wenn beispielsweise ein von einem Solarkollektor erwärmter Luftstrom --40-- angesaugt wird. Diese Luft heizt dann den z. B. mit 35 C eintretenden Heizungswasserkreislauf --31-- in den Rohren-32 und 33-bis auf z. B. 40 C auf. Danach strömt das erwärmte Wasser zum Wärmetauscher --42--, der nunmehr als Verflüssiger arbeitet, und wird dort auf z. B. 45 C weiter aufgeheizt, um in Richtung des Pfeiles --41-- dem zu
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der Luft gemäss Pfeil -40-- unter der Rücklaufwassertemperatur gemäss Pfeil --31--, so wird das Wentil --43-- geöffnet, so dass die Aufheizung des Wasserstromes nur im Verflüssiger erfolgt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmepumpe mit einem umlaufenden Luftwärmetauscher und einem Flüssigkeitswärmetauscher sowie einem Antrieb, bei dem das Antriebsdrehmoment magnetisch durch eine magnetisch durchlässige Trennwand hindurch auf einen umlaufenden Polring und von diesem auf einen mit diesem Polring gekoppelten Läufer des Kompressors übertragen wird, und einem mit den Wärmetauschern umlaufenden Kompressorgehäuse, das über das Reaktionsmoment des Kompressorenläufers in Umdrehung gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus dem Luftwärmetauscher (4), dem durch einen flüssigen Wärmeträger beaufschlagten Wärmetauscher (17) und dem Kompressorgehäuse (3) gebildete umlaufende Einheit oberhalb ihres Schwerpunktes gelagert ist.