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Kreiselwärmepumpe und/oder Kältemaschine mit einem hohlen Rotor Gegenstand
der Erfindung ist eine Wärmepumpe und Kältemaschine von einfacher und gedrungener
Bauart, die für Wohn- und andere Räume als Wärme-und Kühlvorrichtung dienen soll.
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Eine bekannte Maschine dieser Art besitzt einen Rotor mit einem geschlossenen
Kreislauf, in dem das Arbeitsfluidum mit Hilfe einer vom Rotor angetriebenen Rotationspumpe
umläuft. Bei dieser Maschine findet der Wärmeübergang vom Arbeitsfluidum auf einen
von einem Zerstäuber versprühten Wärmeträger während der Kompressionsperiode und
während der Expansionsperiode auf einen anderen versprühten Wärmeträger statt.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend besteht die Erfindung darin,
däß bei einer Kreiselwärmepumpe und/oder Kältemaschine, bei welcher der Motor hohl
ausgebildet ist und in seinem Innenraum ein Arbeitsfluidum, z. B. Luft, Gas oder
Dampf, in einem geschlossenen Kreislauf im Rotor umlaufen kann und dabei abwechselnd
komprimiert und ausgedehnt wird, wobei es sich entsprechend erhitzt oder abkühlt,
eine axial zum Rotor geführte Leitung vorhanden ist, die in thermischem Kontakt
mit diesem steht, so daß Wärme auf das Arbeitsfluidum von einem Strom aus Luft,
Wasser od. dgl. übergehen kann, der durch die axiale Leitung hindurchfließt, nachdem
sich das Arbeitsmittel beim Komprimieren erwärmt und dementsprechend Wärme an die
äußere Peripherie des Rotors abgegeben hat.
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Die Maschine nach der Erfindung hat gegenüber den bekannten Ausführungsformen
den Vorteil, daß sie mit annähernd adiabatischer Kompression und Expansion und daher
mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet. Dieser Erfolg wird außerdem durch eine einfache
und zuverlässige Konstruktion ermöglicht.
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In der Zeichnung ist der erfindungsgemäße Gegenstand in Ansicht, teilweise
im Schnitt, dargestellt. Der hohle Rotor ist zylindrisch ausgestaltet und dreht
sich um seine horizontale Achse mit hoher Geschwindigkeit, angetrieben durch irgendein
bekanntes Mittel.
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In dem gezeigten Beispiel ist der Rotor über eine Riemenscheibe a
durch einen Riemen angetrieben oder wird direkt durch eine Turbine oder eine andere
höchtourige Maschine, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Getriebes, gedreht.
Der Rotor besteht aus zwei relativ zueinander drehbaren Teilen. Zum leichteren Verständnis
wird vorerst angenommen, daß er aus einem einzigen .Teil besteht. Eine derartige
Ausführung führt unter besonderen Bedingungen zu befriedigenden Ergebnissen. Der
zusätzliche Teil wird zweckmäßigerweise dann verwendet, wenn ein optimales Ergebnis
erzielt werden soll, wie weiter unten beschrieben ist.
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Der Rotor besitzt in seiner einfachen Ausführungsform ein innenliegendes
Rohr b, das ein feststehendes, axial verlaufendes Rohr c umgibt. Auf letzterem sind
in Längsrichtung verlaufende Wärmeführungsrippen d angebracht. An den Enden des
Rohres b sind hohle Gebläseräder e und f vorgesehen, die angemessen große Durchlässe
besitzen, durch die das Arbeitsfluidum in Pfeilrichtung fließen kann. Die Gebläseräder
besitzen keilförmige Räume, wie in der Zeichnung dargestellt. Die größte Keilweite
liegt nahe der Achse. Die Peripherien der Gebläseräder sind durch zylindrische und
konzentrische Ummantelungen g und h miteinander verbunden, die einen ringartigen
Durchflußraum i bilden. Der Teil 1z ist aus dünnem NZetall hergestellt und
besitzt gute thermische Leitfähigkeit. Der Teil g kann aus Material mit geringer
thermischer Leitfähigkeit bestehen. Die Gebläseräder können aus Metall hergestellt
sein, wobei sie durch ein Abdeckungsmaterial von geringer thermischer Leitfähigkeit,
wie z. B. Glaswolle, isoliert werden. Sie können auch aus irgendeinem anderen Material
von geringer thermischer Leitfähigkeit bestehen. Auch das Rohr b ist thermisch durch
eine Abdeckung aus Glasfasern oder ähnlichem isoliert, die durch ein Rohr h zusammengehalten
wird.
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Die Bewegung wird auf den Rotor durch die Riemenscheibe a od. dgl.
übertragen, die ebenso wie das Gebläserad f auf der Büchse m befestigt ist. Das
feststehende Rohr c dient als Leitung für den Fluidumstrom, der als Wärmeträger
niedriger Temperatur dient. Das Fluidum kann z. B. Luft, Wasser oder Salzsole sein.
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Auf dem Rohr c ist ein Lager o für den Rotor angebracht. Um den notwendigen
Umlauf des Arbeitsfluidums
im Rotor zu erreichen, ist im Rohr b
nahe beim Gebläserad e ein axial wirkender Flügel p angeordnet, der mit dem Rotor
umläuft.
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Da das arbeitende Fluidum durch Zentrifugalkraft nach außen geschleudert
wird, entsteht im Zentrum ein partielles Vakuum. Um die volle Wirksamkeit des Flügels
und um einen großen Wärmeübergang auf das zentrale Rohr zu sichern, ist es notwendig,
eine möglichst hohe Gasdichte zu haben. Hierbei gibt es praktische Schwierigkeiten,
um den Rotor auf Druck zu bringen. Deshalb sind Öffnungen vorgesehen, die den Rotorraum
mit der Atmosphäre beim Starten und Stoppen verbinden, so daß Luft angesaugt bzw.
ausgestoßen werden kann.
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Der Rotor ist in einem Gehäuse untergebracht, das eine Stirnfläche
q und einen peripherischen zylindrischen Teil r besitzt. An dem Gehäuse befindet
sich ein Lufteinlaß s und -auslaß t, an die Rohrleitungen angeschlossen sind, welche
ein Umlaufsystem bilden, durch das vom Rotor stammende erhitzte Luft vom und abgekühlte
Luft zum Gehäuse fließen kann. Das Gehäuse, das für die meisten Zwecke notwendig
ist, kann erspart werden, wenn ein frei laufender Rotor verwendet werden kann, um
z. B. an die Luft eines zu erwärmenden Raumes direkt Wärme abzugeben.
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Die Arbeitsweise ist folgende: Wenn der Rotor mit hoher Geschwindigkeit
um seine Achse läuft, z. B. mit etwa 10 000 Umdrehungen/Min., verursachen die Zentrifugalkräfte
einen höheren Druck an der Peripherie als im Zentrum. Gleichzeitig fördert der Flügel
das Arbeitsfluidum durch die Umlaufkanäle. Das Fluidum hat dabei folgenden Kreislauf:
1. Kompression im Gebläserad e. Je weiter das Fluidum nach außen kommt, desto mehr
steigt die Temperatur.
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2. Wärmeabführung bei konstantem Druck, wenn das Fluidum sich entlang
des Ringweges i bewegt.
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3. Ausdehnung und Vollendung des Kreislaufes. Die Temperatur fällt
ab, wenn sich das Fluidum nach innen durch das Gehäuserad f bewegt.
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4. Absorption der Wärme bei konstantem Druck, während das Fluidum
den Innenraum durchfließt. Wärme niedriger Temperatur wird also von der Luft, dem
Wasser oder der Sole abgenommen, wenn diese durch das Zentralrohr c fließen, und
Wärme höherer Temperatur wird an der Peripherie des Rotors der im Gehäuse befindlichen
Luft übertragen.
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Wie bereits erwähnt, kann Luft oder ein anderes Gas oder Dampf als
Arbeitsmedium verwendet werden. Wahlweise können auch Gas von geringem Gasdruck
und ein sich verflüssigendes Kühlmittel verwendet werden, wodurch die Vorzüge der
Flüssigkeit dienstbar gemacht werden, nämlich ihre latenten Wärmen und ihr höherer
Wärmeübergangskoeffizient.
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Für den obenerwähnten Zweck ist erfindungsgemäß also eine sehr einfache
Pumpe vorgeschlagen. Der Apparat kann sowohl zum Erwärmen wie auch zum Kühlen verwendet
werden. Wenn gekühlt werden soll, muß die in dem Zentralrohr fließende Flüssigkeit
durch irgendein passendes Rohr oder Rohrsystem fließen.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das gezeigte Beispiel. Es
können konstruktive Einzelheiten bei unterschiedlichen Anforderungen entsprechend
geändert werden. Weiterhin kann, wie schon erwähnt, der Rotor auch anders, als in
der Zeichnung dargestellt, ausgebildet sein.
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Es ist zu berücksichtigen, daß ein mit hoher Geschwindigkeit umlaufender
Rotor durch einen hohen Luftwiderstand belastet ist. Diese Luft steht mit der zylindrischen
Oberfläche des Rotors in Berührung. Dazu kommt noch eine mindestens teilweise auftretende
Luftwirbelung. Demzufolge ist ein entsprechend hoher Kraftbedarf notwendig, um den
Rotor zu drehen. Um diese Belastung zu verringern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
mindestens zwei relativ zueinander drehbare Rotoren zu verwenden, die einen engen
Ringraum zwischen sich besitzen. Im gezeichneten Beispiel besteht einer der Rotorteile
aus dem oben beschriebenen Teil (Rotor), der allein "'für einige besondere Zwecke
genügt. Dieser Teil liegt in einem weiteren Teil, der eine Stirnwand v und einen
zylindrischen Umfangsteil w besitzt. Der zusätzliche Teil ist in den Lagern x frei
drehbar und dreht sich durch den Luftzug, der zwischen beiden Teilen vorhanden ist,
mit geringerer Drehgeschwindigkeit als der angetriebene andere Teil. Der Ringraum
zwischen den Peripherien der beiden Teile ist ferner so eng als möglich zu halten.
Durch dieses Hilfsmittel wird der Treibkraftverlust, der im inneren Teil durch Luftwirbel
verursacht wird, erheblich herabgemindert.
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Wenn der vorstehend beschriebene zweiteilige Rotor benutzt wird, kann
die Konstruktion durch Fortfall des zylindrischen Teiles h oder beider Teile, und
zwar der Teile h und g, vereinfacht werden. Beides bedingt aber eine Verminderung
des Wirkungsgrades in bezug auf die Rotorantriebskraft.