DE102006056799A1 - Method for producing a workpiece and workpiece - Google Patents
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Abstract
Zur schnellen und preisgünstigen Herstellung von Werkstücken mit Magneten werden Permanentmagnete in einer Gussform platziert. Dann wird Verstärkungsmaterial zum Verstärken von einem oder mehreren ausgewählten Bereichen eingebracht. Hierauf wird ein flüssiges Gussmaterial in die Form eingebracht, wobei die Temperatur des flüssigen Gussmaterials unter der Curie-Temperatur der Permanentmagnete ist. Nach Abkühlen des Gussmaterials wird das Werkstück mit den Permanentmagneten und dem gehärteten Gussmaterial aus der Form entnommen. Insbesondere durch Einsatz von Kunststoff und der Kunststoff-Spritzgusstechnik und durch Einsatz von Verstärkungsfasern, die ebenfalls vor dem Spritzen in der Form platziert werden, wird eine preisgünstige Herstellung eines Werkstücks erreicht, das ein Radialrad, eine Welle, einen Motor/Generator-Abschnitt sowie ein Lager und ein Widerlager umfasst.For fast and cost-effective production of workpieces with magnets permanent magnets are placed in a mold. Then reinforcing material is introduced for reinforcing one or more selected areas. Thereafter, a liquid casting material is introduced into the mold, wherein the temperature of the liquid casting material is below the Curie temperature of the permanent magnets. After cooling the casting material, the workpiece with the permanent magnets and the hardened casting material is removed from the mold. In particular, through the use of plastic and plastic injection molding technology and by the use of reinforcing fibers, which are also placed in the mold before spraying, a low-cost production of a workpiece is achieved, which includes a radial wheel, a shaft, a motor / generator section and a Includes bearings and an abutment.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Herstellungsverfahren und insbesondere auf Herstellungsverfahren zum Herstellen von Werkstücken, die Permanentmagnete umfassen, und auf solche Werkstücke.The The present invention relates to manufacturing methods and in particular to manufacturing processes for the manufacture of workpieces, the permanent magnets include, and on such workpieces.
Insbesondere in Verbindung mit Motoren und Generatoren werden Permanentmagnete eingesetzt. So rotiert beispielsweise ein Permanentmagnet in einem elektrischen Feld und induziert dort eine Spannung, so dass die Rotation des Magneten in dem Feld in eine elektrische Energie umgewandelt wird. Das entgegengesetzte Prinzip, bei dem ein bestimmtes Feld angelegt wird und aufgrund des Feldes ein an einer Welle angebrachter Magnet zu rotieren beginnt, ist als Elektromotorprinzip bekannt. In beiden Fällen wird ein Magnet an einer Welle befestigt. Sowohl bei Generatoren als auch bei Motoren ist die Welle, an der sich die Magnete befinden, mit einem irgendwie gearteten Rad verbunden, wie beispielsweise einem Zahnrad bei einem Motor oder einem Radialrad bei einem Generator bzw. bei einer Turbine, wobei bei dieser Turbine ein strömendes Medium, wie beispielsweise ein dampfförmiges Medium aufgrund seiner Bewegung das Radialrad und die damit verbundene Welle antreibt.Especially in connection with motors and generators become permanent magnets used. For example, a permanent magnet rotates in one electric field and induces a voltage there, so that the Rotation of the magnet in the field is converted into electrical energy becomes. The opposite principle in which a particular field is created and due to the field one attached to a shaft Magnet begins to rotate, is known as the electric motor principle. In both cases a magnet is attached to a shaft. Both generators as well as motors, the shaft on which the magnets are located, associated with some kind of wheel, such as a gear in an engine or a radial wheel in a generator or in a turbine, wherein in this turbine, a flowing medium, such as a vaporous Medium due to its movement the radial wheel and the associated Wave drives.
Ein rotierendes Bauglied in einem solchen Motor/Generator, und insbesondere dann, wenn der Motor/Generator in Verbindung mit einem Verdichter von Gasen eingesetzt wird, ist also ein relativ komplizierter Gegenstand, der in seiner Herstellung aufwendig ist. Insbesondere wird bei der Herstellung eines solchen Gegenstands zunächst die Welle typischerweise aus Metall hergestellt, um dann an der Welle die Magnete anzubringen. Ferner wird an der Welle dann ein eigens gefertigtes Rad, wie beispielsweise Radialrad angebracht. Schließlich muss die Welle natürlich auch gelagert werden, so dass an der Welle ferner noch Lagerelemente befestigt werden müssen. Insbesondere bei berührungslosen Lagern, die auch als Magnetlager bezeichnet werden, sind hierfür Permanentmagnete nötig.One rotating member in such a motor / generator, and in particular then when the motor / generator in conjunction with a compressor of Is used as a relatively complicated object, which is expensive in its production. In particular, at the Making such an article initially the shaft typically made of metal, to then attach to the shaft, the magnets. Further, on the shaft then a specially made wheel, such as Radial wheel attached. After all of course, the wave has to be stored, so that on the shaft also still bearing elements must be attached. Especially for contactless Bearings, which are also referred to as magnetic bearings, are permanent magnets for this purpose necessary.
Konventionelle Wärmepumpen haben den Nachteil, dass dann, wenn sie auf der Basis eines Kolben-Prinzips arbeiten, inhärente Verluste aufgrund der Tatsache haben, dass der Kolben hin- und herbewegt werden muss. Ferner muss der Kolben geschmiert werden, wobei nicht oder nur schwer verhindert werden kann, dass das Schmiermittel in Kontakt mit dem Arbeitsfluid kommt.conventional Heat pumps have the disadvantage that if they are based on a piston principle work, inherent Losses due to the fact that the piston reciprocates must become. Furthermore, the piston must be lubricated, not being or difficult to prevent the lubricant in Contact with the working fluid is coming.
Es wurde herausgefunden, dass der Ersatz einer Kolbenpumpe durch einen Radialverdichter, der z.B. nach dem Turboprinzip arbeitet, einige Vorteile mit sich bringt. Ein entscheidender Vorteil eines solchen Prinzips besteht darin, dass als Arbeitsmittel Wasser verwendet werden kann, wobei dieses Wasser sogar einem offenen Kreislauf entstammen kann. Unabhängig davon ob tatsächlich ein vollständig geschlossener oder ein vollständig offener Kreislauf eingesetzt wird, soll in einer solchen Wasserdampfatmosphäre keine Kontamination des Wasserdampfes bzw. des Wassers mit Schmiermitteln stattfinden. Andererseits soll dann, wenn ein Radialverdichter in einer Wärmekraftmaschine eingesetzt wird, der Wirkungsgrad möglichst hoch sein, so dass für die Lagerung eines Radialrads, das zusätzlich hohe Drehzahlen haben kann, auch möglichst wenig Energie aufgewendet werden soll.It It was found that the replacement of a piston pump by a Radial compressor, e.g. works on the turbo principle, some Benefits. A decisive advantage of such Principle is that used as a working fluid water can be, with this water even come from an open circuit can. Independently whether or not a complete one closed or a complete one open circuit is used in such a steam atmosphere no Contamination of water vapor or water with lubricants occur. On the other hand, if a radial compressor in a heat engine is used, the efficiency should be as high as possible, so that for the Storage of a radial wheel, which also have high speeds can, if possible little energy should be spent.
Die
Internet-Veröffentlichung
Insbesondere
werden permanentmagnetische Lager mit repulsiver Kraftwirkung am
Lagerspalt verwendet, wie sie im
Ein repulsives Lager ist aus mehreren aufeinander gestapelten, axial magnetisierten Ringen am Rotor und am Stator aufgebaut, wobei die Magnetisierungsrichtung benachbarter Ringe innerhalb jedes Stapels entgegengesetzt ist. Die am Lagespalt auf gleicher Höhe gegenüberstehenden Rotor- und Statormagnete sind in der selben Richtung magnetisiert. Damit stehen am Lagerspalt entgegengerichtete Oberflächenströme mit radialabstoßender Wirkung gegenüber, so dass das Lager radial stabil ist.A repulsive bearing is constructed of a plurality of stacked, axially magnetized rings on the rotor and the stator with the magnetization direction of adjacent rings within each stack opposite. The rotor and stator magnets facing each other at the same height at the same position are magneti in the same direction Siert. Thus, opposing surface currents with radial repulsive effect against the bearing gap, so that the bearing is radially stable.
Solange die Magnetringe des Rotors und des Stators auf gleicher Höhe stehen, sind die repulsiven Kräfte in axialer Richtung ausgeglichen. Beim Verlassen dieser Gleichge wichtsposition kommt die Repulsivkraft aber im zunehmendem Maße genau in der Verschieberichtung zur Wirkung. Das Lager hat die Tendenz, sich aus der instabilen axialen Gleichgewichtsposition und dem Betrag der Höhe eines einzelnen Magnetrings in axialer Richtung zu verschieben. Der um eine Ringhöhe ausgelenkten Position stehen sich entgegengesetzt magnetisierte Ringe am Lagerspalt in gleicher Höhe gegenüber. Das repulsive Lager wandelt sich zu einem radialattraktiven Lager mit radialem Flussverlauf im Lagerspalt und entsprechender Lagerinstabilität. Die axialgerichtete „Ausbrechkraft" wird hier zur Aufnahme des Rotorgewichts genutzt. Eine solche Ausbrechkraft ergibt sich bei einer Verschiebung des Rotors bezüglich des Stators. Zur axialen Verschiebung werden elektrische Stabilisierungsspulen unmittelbar am Umfang der Statormagnete eingesetzt, wobei der Spulenstrom so geregelt wird, dass er den Oberflächenstrom des von der Spule umgebenen Statormagneten und damit dessen Zugkraft abschwächt, wenn der Wellenmagnet sich in Richtung dieses Statormagneten bewegt. Am gegenüberliegenden Statormagneten sorgt die dort angebrachte Spule gleichzeitig für eine Verstärkung des dortigen Oberflächenstroms, so dass dessen Zugkraft ansteigt. Mit Hilfe der Spulen lässt sich somit eine stabile Axialpositionierung einer Welle zwischen den Statormagneten erreichen. Die Stromregelung wird durch einen Sensor kontrolliert, der die axiale Position der Wellenmagnete kontinuierlich misst. Oftmals können die Stabilisierungsspulen selbst als Sensor eingesetzt werden. Sie werden hierzu mit einem Hochfrequenzstrom beauftragt. Durch induzierte Kurzschlussströme an den Stirnseiten der Wellen wird der Hochfrequenzstrom in den Spulen beeinflusst. Bei Annäherung der Welle steigt der Strom in der betreffenden Spule an. Die Ströme beider Spulen werden in einer Differenzschaltung miteinander verglichen. Das Differenzsignal wird gleichgerichtet und dient als Sensorsignal, dessen Polarität und Amplitude eindeutig die Richtung und den Betrag der axialen Wellenauslenkung wiedergeben. Solche permanentmagnetischen Lager werden zur Drehanodenlagerung in einer Röntgenröhre, für eine Spinnzentrifuge, für ein Gasrei bungsvakuummeter, für einen Scheibenchopper für Neutronenstrahlen, für eine Turbomolekularpumpe, für einen Röntgenpulsselektor, für einen Trommelchopper für Neutronenstrahlen, für einen Schwungrad-Energiespeicher oder innerhalb einer Kristallziehanlage eingesetzt.So long the magnet rings of the rotor and the stator are at the same height, are the repulsive forces balanced in the axial direction. When leaving this equilibrium weight position However, the repulsive force comes increasingly in the direction of displacement to the effect. The camp has a tendency to get out of the unstable axial equilibrium position and the amount of height of one to move individual magnet ring in the axial direction. The um a ring height deflected position are oppositely magnetized Rings opposite the bearing gap at the same height. The repulsive camp is changing to a radial attractive bearing with radial flow in the bearing gap and corresponding bearing instability. The axially directed "breaking force" is here for recording used the rotor weight. Such a breaking force results in a displacement of the rotor relative to the stator. To the axial Shifting electric stabilizing coils directly used on the circumference of the stator magnet, the coil current so it is regulated that it is the surface current of the coil surrounded stator magnets and thus attenuates its traction when the wave magnet moves in the direction of this stator magnet. At the opposite Magnetic stator ensures the attached coil at the same time for a reinforcement of the there surface current, so that its tensile force increases. With the help of the coils can be thus a stable axial positioning of a shaft between the Reach stator magnet. The current regulation is controlled by a sensor controls the axial position of the wave magnets continuously measures. Often you can the stabilizing coils themselves are used as a sensor. she are charged for this purpose with a high-frequency current. Induced by Short-circuit currents at the ends of the waves is the high frequency current in the coils affected. When approaching the wave increases the current in the coil in question. The currents of both Coils are compared in a differential circuit. The difference signal is rectified and serves as a sensor signal, its polarity and amplitude clearly the direction and the amount of axial Play shaft deflection. Such permanent magnetic bearings are used for rotary anode storage in an X-ray tube, for a spinning centrifuge, for a gas-filled vacuum gauge, for one Disc chopper for Neutron beams, for a turbomolecular pump, for an x-ray pulse selector, for one Drum chopper for neutron beams, for one Flywheel energy storage or within a crystal puller used.
Wenn man also beispielsweise einen permanentmagnetisch gelagerten Synchronmotor betrachtet, so wird bei dessen Herstellung zunächst die Motorachse gefertigt. Dann wird die Motorachse mit entsprechenden Lagerungen verschraubt oder via Presspassung verbunden. Ausserdem werden Permanentmagneten an der Motorachse angebracht und vielleicht sogar noch mit einem Kohlefaserverbundwerkstoff, der Kohlefaser und Harz aufweist, ummantelt. Die Fertigung einer solchen Motorwelle inklusive Lagerung beinhaltet also sehr viele Einzelschritte, die schlecht automatisierbar sind und die Massenfertigung deutlich verteuern.If So for example, a permanently magnetically mounted synchronous motor considered, the motor shaft is first manufactured during its production. Then the motor shaft is screwed with appropriate bearings or connected via press fit. In addition, permanent magnets attached to the engine axle and maybe even with one Carbon fiber composite material comprising carbon fiber and resin encased. The manufacture of such a motor shaft including storage includes So many individual steps that are difficult to automate and make mass production much more expensive.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zum Herstellen eines Werkstücks sowie ein Werkstück zu schaffen.It The object of the present invention is an improved concept for producing a workpiece as well as a workpiece to accomplish.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks gemäß Patentanspruch 1 oder ein Werkstück gemäß Patentanspruch 9 gelöst.These The object is achieved by a method for producing a workpiece according to claim 1 or a workpiece according to claim 9 solved.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die einzelnen Komponenten, die auf einer Motorwelle nötig sind, in einem Schritt fixiert und gefertigt werden, wodurch Zeit und Herstellungskosten eingespart werden. Insbesondere werden erfindungsgemäß Werkstücke mit Permanentmagneten hergestellt, wobei die Permanentmagnete in einer Gussform platziert werden. Hierauf wird flüssiges Gussmaterial in die Form eingebracht, wobei jedoch darauf geachtet wird, dass die Temperatur des flüssigen Gussmaterials kleiner als die Curie-Temperatur des Permanentmagneten ist. Dieses Kriterium bestimmt die Materialauswahl für das flüssige Gussmaterial, wobei insbesondere flüssiges Kunststoff material bevorzugt wird, und wobei insbesondere das Einbringen des flüssigen Kunststoffmaterials mittels der Kunststoff-Spritzgusstechnik erfolgt. Zu verstärkende Bereiche werden durch Einbringen von Verstärkungsmaterial in die Gussform verstärkt, bevor dann das Material eingegossen wird.Of the The present invention is based on the finding that the individual Components that are needed on a motor shaft, in one step be fixed and manufactured, reducing time and manufacturing costs be saved. In particular, according to the invention with workpieces Permanent magnets produced, wherein the permanent magnets in one Mold are placed. This is followed by liquid casting material in the Form, taking care, however, that the temperature of the liquid Casting material smaller than the Curie temperature of the permanent magnet is. This criterion determines the choice of material for the liquid casting material, in particular liquid Plastic material is preferred, and wherein in particular the introduction of the liquid Plastic material by means of plastic injection molding technology. To reinforce areas be by introducing reinforcing material into the mold strengthened before then the material is poured.
Hierauf wird das flüssige Gussmaterial abgekühlt und das Werkstück, das den Permanentmagneten und das gehärtete Gussmaterial aufweist, wird aus der Gussform entnommen und ggf. weiterverarbeitet.hereupon becomes the liquid Cooled casting material and the workpiece, having the permanent magnet and the hardened casting material, is taken from the mold and processed if necessary.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird somit eine Motorwelle samt Lager und Radialrad aus einem hochsteifen Kunststoff in Kunststoff-Spritzgusstechnik hergestellt. Hierbei werden alle benötigten Permanentmagnete innerhalb der Spritzgussform vorplatziert und entsprechend ihrer Belastung mit Kohlefasern verstärkt. Entscheidend ist, dass der eigentliche Gießvorgang unterhalb der Curie-Temperatur des verwendeten permanentmagnetischen Materials stattfindet, was zu einer bestimmten Auswahl von Materialien, vorzugsweise Kunststoffen führt. Durch den Kunststoff in Verbindung mit den Kohlefasern entsteht eine hoch zugfeste und belastbare Schicht in einem Arbeitsgang.In a preferred embodiment, a motor shaft including bearing and radial wheel is thus made of a highly rigid plastic in plastic injection molding technology. Here, all the required permanent magnets are placed inside the injection mold and reinforced according to their load with carbon fibers. It is crucial that the actual casting process takes place below the Curie temperature of the permanent magnetic material used, resulting in a certain selection of materials, preferably Plastics leads. The plastic in conjunction with the carbon fibers creates a highly tensile and resilient layer in one operation.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIG the accompanying drawings explained in detail. Show it:
In
einem Schritt
In
einem Schritt
Vorzugsweise wird FeNdB als Magnetmaterial verwendet, das als Curie-Temperatur etwa 310°C hat. Ferner wird vorzugsweise als Gussmaterial ein Kunststoffmaterial eingesetzt, das Polyarylamid aufweist, und das bei 260°C bis 280°C gespritzt werden kann.Preferably FeNdB is used as the magnetic material, the Curie temperature about 310 ° C has. Further, preferably as a casting material is a plastic material used, which has polyarylamide, and injected at 260 ° C to 280 ° C. can be.
Dann,
in einem Schritt
Das Werkstück besteht nun aus abgekühltem Gussmaterial, das wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, der von dem Gussmaterial zumindest teilweise materialschlüssig umgeben ist. Wenn der Gussvorgang korrekt funktioniert hat, ist der Permanentmagnet von dem Gussmaterial also ohne Zwischenräume materialschlüssig von allen Seiten, die die Gussform definiert hat, umgeben und ist somit gut in das Material eingebettet. Aus der Kunststoff-Spritzgusstechnik bekannte Techniken des Verankerns können eingesetzt werden, wobei jedoch bei den erfindungsgemäßen Anwendungen, bei denen rotierende Werkstücke erzeugt werden, die bei hoher Temperatur rotieren, darauf geachtet wird, dass solche Verankerun gen, die dann vom Kunststoff umflossen werden, zu keiner Unwucht der Welle führen.The workpiece consists now of cooled Casting material comprising at least one permanent magnet, the surrounded by the casting material at least partially materially is. If the casting process has worked correctly, the permanent magnet is of the casting material so without gaps material fit of surrounded and thus is all sides that defined the mold well embedded in the material. Made of plastic injection molding technology known techniques of anchoring can be used, wherein however, in the applications according to the invention, in which rotating workpieces be made, which rotate at high temperature, paid attention is that such Anankerun gene, which then surrounded by the plastic will lead to no imbalance of the wave.
Erfindungsgemäß wird also durch den Einsatz von Kunststoff ein Kunststoff-Radialrad eines Verdichters einer Wärmepumpe gleich mit auf die Welle gespritzt, und es entsteht eine komplett fertige Motorwelle mit Lagerung und Radialrad, die in nur einem Schritt materialschlüssig hergestellt worden ist, was unmittelbar zu günstigen Herstellungskosten und einem hochqualitativen Produkt führt.Thus, according to the invention through the use of plastic a plastic radial wheel of a compressor a heat pump immediately injected with the wave, and it creates a complete finished motor shaft with bearing and radial wheel, which in only one Step material-locking has been produced, which immediately leads to low production costs and a high quality product.
Nachfolgend
wird anhand der
Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Strömungsmaschine
als Radialverdichter mit drehbarem Rad ausgeführt, wobei das Rad ein langsamläufiges Radialrad,
ein mittelläufiges
Radialrad, ein Halbaxialrad oder ein Axialrad bzw. ein Propeller sein
kann, wie es in der Technik bekannt sind. Radialverdichter sind
in
Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist der Radial-Verdichter
Die
kaskadierten unabhängig
voneinander betriebenen Strömungsmaschinen
werden vorzugsweise von einer Steuerung
Der Schnittpunkt zwischen den einzeln aufgetragenen Drehzahlen n1 und n2 kann an beliebiger Stelle, also an beliebiger Soll-Temperatur erfolgen und kann gegebenenfalls auch nicht erfolgen. Generell wird jedoch bevorzugt, eine in der Kaskade näher am Verflüssiger angeordnete Strömungsmaschine im Hinblick auf ihre Drehzahl stärker anzuheben als eine früher in der Kaskade angeordnete Strömungsmaschine, wenn eine höhere Soll-Temperatur gewünscht wird.The intersection between the individually applied rotational speeds n 1 and n 2 can take place at any desired point, that is to say at any desired temperature and, if appropriate, can not take place. Gene However, it is preferred to raise a turbomachine arranged closer to the condenser in the cascade in terms of its speed than a turbomachine formerly arranged in the cascade, if a higher setpoint temperature is desired.
Der
Grund hierfür
besteht darin, dass die später
in der Kaskade angeordnete Strömungsmaschine
bereits verdichtetes Gas, das von einer früher in der Kaskade angeordneten
Strömungsmaschine verdichtet
worden ist, weiterverarbeiten muss. Ferner stellt dies sicher, dass
der Schaufelwinkel von Schaufeln eines Radialrads, wie es auch Bezug
nehmend auf
Im Hinblick darauf wird es ferner bevorzugt, dass eine in der Kaskade mehr in Richtung des Verflüssigers angeordnete Strömungsmaschine eine Drehrichtung des Radialrads aufweist, die zu der Drehrichtung eines früher in der Kaskade angeordneten Radialrads entgegengesetzt ist. Damit kann ein nahezu optimaler Eintrittswinkel der Schaufeln beider Radialräder in den Gasstrom erreicht werden, derart, dass ein günstiger Wirkungsgrad der Strömungsmaschinen-Kaskade nicht nur in einem kleinen Soll-Temperaturbereich auftritt, sondern in einem wesentlich größeren Soll-Temperaturbereich zwischen 20 und 50 Grad, was für typische Heizungsanwendungen ein optimaler Bereich ist. Die erfindungsgemäße Drehzahlsteuerung sowie gegebenenfalls die Verwendung von gegenläufigen Radialrädern liefert somit eine optimale Abstimmung zwischen dem variablen Gasstrom bei sich verändernder Soll-Temperatur einerseits und den festen Schaufelwinkeln der Radialräder andererseits.in the In view of this, it is further preferred that one in the cascade more towards the condenser arranged turbomachine has a direction of rotation of the radial wheel, which is to the direction of rotation one sooner in the cascade arranged radial wheel is opposite. In order to can a nearly optimal angle of entry of the blades of both radial wheels in the Gas flow can be achieved, such that a favorable efficiency of the turbomachine cascade not only occurs in a small target temperature range, but in a much larger target temperature range between 20 and 50 degrees, what for typical heating applications is an optimal range. The speed control according to the invention and optionally the use of counter-rotating radial wheels thus provides an optimal match between the variable gas flow in itself changing Target temperature on the one hand and the fixed blade angles of the radial wheels on the other.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird zumindest eines oder vorzugsweise sämtliche Radialräder aller Strömungsmaschinen aus Kunststoff mit einer Zugfestigkeit oberhalb 80 MPa hergestellt. Ein bevorzugter Kunststoff hierfür ist Polyamid 6.6 mit eingelegten Karbonfasern. Dieser Kunststoff hat den Vorteil der Zugfestigkeit, so dass Radialräder der Störungsmaschinen aus diesem Kunststoff hergestellt werden können und dennoch mit hohen Drehzahlen betrieben werden können.at preferred embodiments The present invention is at least one or preferably all radial impellers all turbomachines made of plastic with a tensile strength above 80 MPa. A preferred plastic for this is polyamide 6.6 with inserted carbon fibers. This plastic has the advantage of tensile strength, allowing radial wheels of the fault machines can be made from this plastic and yet with high Speeds can be operated.
Vorzugsweise
werden Radialräder
erfindungsgemäß eingesetzt,
wie sie beispielsweise in
Wenn
Eine beliebig dichte Anbringung von sich von innen, also vom Radius rW nach außen erstreckenden Schaufeln ist jedoch aus technischen Gründen nicht möglich, da dann die Ansaugöffnung mit dem Radius r1 mehr und mehr blockiert wird.However, for technical reasons, an arbitrarily tight attachment of from the inside, ie from the radius r W outwardly extending blades is not possible because then the suction port with the radius r 1 is more and more blocked.
Erfindungsgemäß wird es
daher bevorzugt, Schaufeln
Diese
Verhältnisse
sind in
Vorzugsweise
ist somit zwischen zwei sich tiefer nach innen erstreckenden Schaufeln
wenigstens eine Schaufel angeordnet, die sich nicht so weit nach
innen erstreckt. Dies führt
dazu, dass der Ansaugbereich nicht verstopft wird bzw. Bereiche
mit kleinerem Radius nicht zu stark mit Schaufeln belegt werden,
während
Bereiche mit größerem Radius dichter
mit Schaufeln belegt werden, so dass am Ausgang des Radialrads,
also dort, wo das komprimierte Gas das Radialrad verlässt, eine
möglichst
homogene Geschwindigkeitsverteilung des austretenden Gases existiert.
Die Geschwindigkeitsverteilung des austretenden Gases ist bei dem
erfindungsgemäßen bevorzugten
Radialrad in
An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die relativ aufwendige
und komplizierte Form des Radialrads in
An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sehr hohe Drehzahlen
des Radialrads bevorzugt werden, so dass die auf die Schaufeln wirkenden
Beschleunigungen ganz erhebliche Werte annehmen. Aus diesem Grund
wird es bevorzugt, dass insbesondere die kürzeren Schaufeln
In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Kunststoff auch aufgrund der überragenden Schlagfestigkeit von Kunststoff günstig ist. So ist nicht immer auszuschließen dass Eiskristalle oder Wassertröpfchen auf das Radialrad zumindest der ersten Verdichterstufe aufschlagen. Aufgrund der hohen Beschleunigungen entstehen hier sehr hohe Aufprallkräfte, die von Kunststoffen mit ausreichender Schlagfestigkeit ohne weiteres ausgehalten werden. Des Weiteren findet die Verflüssigung im Verflüssiger bevorzugt aufgrund des Kavitations-Prinzips statt. Hier fallen Dampfbläschen aufgrund dieses Prinzips in einem Wasservolumen in sich zusammen. Dort entstehen ebenfalls mikroskopisch betrachtet ganz erhebliche Geschwindigkeiten und Kräfte, die auf lange Sicht betrachtet zu Materialermüdungen führen können, welche jedoch dann, wenn ein Kunststoff mit einer ausreichender Schlagfestigkeit eingesetzt wird, leicht beherrschbar sind.In In this context it should also be noted that the use of plastic also due to the superior impact resistance of Plastic cheap is. So is not always excluded that ice crystals or water droplets hit the radial wheel at least the first compressor stage. Due to the high accelerations arise here very high impact forces, the of plastics with sufficient impact resistance readily be withstood. Furthermore, the liquefaction takes place in the liquefier preferably due to the cavitation principle instead. This is where steam bubbles fall due to this principle in a volume of water together. There arise as well Seen microscopically, quite considerable speeds and forces that viewed in the long term can lead to material fatigue, which, however, if a plastic used with a sufficient impact resistance is, are easily manageable.
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, das Radialrad bzw. die an
dem Radialrad angebrachte Welle permanentmagnetisch zu lagern. Nachfolgend
wird anhand der
Nachfolgend
wird bezugnehmend auf
Dort
wird der Ist-Wert mit einem Soll-Wert verglichen, um abhängig von
dem Soll-Ist-Vergleich ein Regelungssignal zu liefern, das mit irgendeinem bekannten
Schleifenfilter gefiltert wird, welches eine gewünschte Frequenzcharakteristik
aufweist. Dieses Regelungssignal wird in die Steuerungseinrichtung
Diese
aktive Regelung des Magnetlagers findet in der Arbeitsposition bzw.
im Arbeitsbetrieb des Rotors statt und wird Bezug nehmend auf
Insbesondere
ist an dem Rotor
Ferner
ist in
Der
Axialschub ist also nach oben gerichtet. Dieser Axialschub tritt
jedoch relativ langsam auf, weshalb ein typischer Piezoring
Wie
es bereits ausgeführt
worden ist, findet eine Rückführung von
der Arbeitsposition in die Ruheposition dahingehend statt, dass,
um eine „Abwärtsbewegung" des Rotors zu bewirken,
der Stator ausgelenkt wird, um das Lager in das Ungleichgewicht
zu bringen. Dann bewegt sich der Rotor gewissermaßen von
rechts nach links auf der Bewegungskurve in
Die
Welle
Wie
es bereits ausgeführt
worden ist, dreht sich die Welle
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Motor/Generator-Abschnitt so aufgebaut, dass abhängig von dem Phasenwinkel und der entsprechenden Ansteuerung entweder eine Energieerzeugung oder ein Energieverbrauch stattfindet. Bei bestimmten Anwendungen ist die Drehrichtung der Motorwelle für beide Fälle entgegengesetzt. Im Falle einer Energieerzeugung wird der Rotor durch strömenden Dampf angetrieben, während im Falle des Energieverbrauchs der Rotor angetrieben wird, um ein Gas zu verdichten. Im ersten Fall würde eine Wärmepumpe, wie sie nachfolgend noch beschrieben wird, als Kühlung wirken, während im zweiten Fall die Wärmepumpe als Heiz-Wärmepumpe wirken würde.at a preferred embodiment of present invention, the motor / generator section is constructed so that dependent from the phase angle and the corresponding drive either an energy production or an energy consumption takes place. at certain applications is the direction of rotation of the motor shaft for both Cases opposite. In the case of power generation, the rotor is flowing steam driven while in the case of energy consumption the rotor is driven to one To compress gas. In the first case, a heat pump would, as below is still described as cooling act while in the second case, the heat pump as a heating heat pump would work.
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, wie es insbesondere bei
Nachfolgend
wird Bezug nehmend auf die
Der
Wasserdampf wird durch die Saugleitung
Die
Strömungsmaschine
ist mit einem Verflüssiger
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dem energiereichen Wasserdampf direkt durch das kältere Heizungswasser die Wärme (-energie) zu entziehen, welche vom Heizungswasser aufgenommen wird, so dass dieses sich erwärmt. Dem Dampf wird hierbei so viel Energie entzogen, dass dieser verflüssigt wird und ebenfalls am Heizungskreislauf teilnimmt.It becomes according to the invention preferably, the high-energy steam directly through the colder heating water the heat (-energie) to withdraw, which is absorbed by the heating water, so that it heats up. The steam is so much energy withdrawn that this is liquefied and also participates in the heating cycle.
Damit
findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem
statt, der durch einen Ablauf
Wie es bereits ausgeführt worden ist, wird es bevorzugt, einen offenen Kreislauf zu nehmen, also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher zu verdampfen. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass dieser Wärmetauscher wieder Verluste und apparativen Aufwand bedeutet.As it already executed it is preferred to take an open circuit, So the water, the heat source represents, directly without heat exchanger to evaporate. Alternatively could However, the water to be evaporated first via a heat exchanger from an external heat source be heated. It should be noted, however, that this heat exchanger again losses and equipment expenditure means.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, um auch Verluste für den zweiten Wärmetauscher, der auf Verflüssiger-Seite bisher notwendigerweise vorhanden ist, zu vermeiden, auch dort das Medium direkt zu verwenden, also, wenn an ein Haus mit Fußbodenheizung gedacht wird, das Wasser, das von dem Verdampfer stammt, direkt in der Fußbodenheizung zirkulieren zu lassen.Furthermore it is preferred to include losses for the second heat exchanger, the on condenser side previously necessarily exists, to avoid, even there Medium to use directly, so if to a house with underfloor heating is thought, the water that comes from the evaporator, directly in the floor heating to circulate.
Alternativ
kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite
ein Wärmetauscher
angeordnet werden, der mit dem Vorlauf
Aufgrund
der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, und
aufgrund der Tatsache, dass von dem Grundwasser nur der verdampfte
Anteil in die Strömungsmaschine
eingespeist wird, spielt der Reinheitsgrad des Wassers keine Rolle.
Die Strömungsmaschine
wird, genauso wie der Verflüssiger
und die ggf. direkt gekoppelte Fußbodenheizung immer mit destilliertem
Wasser versorgt, derart, dass das System im Vergleich zu heutigen
Systemen einen reduzierten Wartungsaufwand hat. Anders ausgedrückt ist
das System selbstreinigend, da dem System immer nur destilliertes
Wasser zugeführt
wird und das Wasser im Ablauf
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie – ähnlich einer Flugzeugturbine – das verdichtete Medium nicht mit problematischen Stoffen, wie beispielsweise Öl, in Verbindung bringen. Statt dessen wird der Wasserdampf lediglich durch die Turbine bzw. den Turboverdichter verdichtet, jedoch nicht mit Öl oder einem sonstigen Reinheitsbeeinträchtigenden Medium in Verbindung gebracht und damit verunreinigt.Furthermore it should be noted that turbomachinery have the properties that - like an aircraft turbine - the condensed Medium not with problematic substances, such as oil, in connection bring. Instead, the water vapor is only through the turbine or compressed the turbo compressor, but not with oil or a other purity impairing Medium associated and thus contaminated.
Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit – wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen – ohne weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt werden. Alternativ kann es hier jedoch auch z. B. im Garten oder in einer Freifläche versickert werden, oder es kann über den Kanal, sofern dies Vorschriften gebieten – einer Kläranlage zugeführt werden.The discharged through the process distilled water can thus - if no other rules stand in the way - easily the groundwater fed again become. Alternatively, however, it may also be z. B. in the garden or seeped into an open space be, or it can over If required by regulations, channel the sewer into a sewage treatment plant.
Die erfindungsgemäße Kombination von Wasser als Arbeitsmittel mit dem um das 2-fache besseren nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnis im Vergleich zu R134a und aufgrund der damit reduzierten Anforderungen an die Geschlossenheit des Systems (es wird vielmehr ein offenes System bevorzugt), und aufgrund des Einsatzes der Strömungsmaschine, durch den effizient und ohne Reinheitsbeeinträchtigungen die erfor derlichen Verdichtungsfaktoren erreicht werden, wird ein effizienter und umweltneutraler Wärmepumpenprozess geschaffen, der dann, wenn im Verflüssiger der Wasserdampf direkt verflüssigt wird, noch effizienter wird, da dann im gesamten Wärmepumpenprozess kein einziger Wärmetauscher mehr benötigt wird.The inventive combination of water as a working medium with that by 2 times better usable enthalpy difference ratio compared to R134a and because of the reduced requirements for the closure of the system (rather, an open system is preferred), and due to the use of the turbomachine, achieved by the efficient and without purity impairments neces sary compression factors A more efficient and environmentally friendly heat pumping process is created, which, if liquefied directly in the condenser, becomes even more efficient, as no heat exchanger is needed in the entire heat pump process.
Darüber hinaus
fallen sämtliche
mit der Kolbenverdichtung verbundenen Verluste weg. Zudem können die
bei Wasser sehr gering ausfallenden Verluste, die sonst bei der
Drosselung anfallen, dazu verwendet werden, den Verdampfungsprozess
zu verbessern, da das Ablaufwasser mit der Ablauftemperatur, die
typischerweise höher
als die Grundwasser-Temperatur sein wird, vorteilhaft verwendet
werden, um im Verdampfer mittels einer Strukturierung
Nachfolgend
wird bezugnehmend auf
Das
Steigrohr ist in einem Steigrohrbecken
Vorzugsweise
umfasst der Verdampfer
Typischweise wird das Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser, die Sole oder eine sonstige in der Natur vorkommende wässrige Lösung eine Temperatur zwischen 8°C und 12°C haben. Durch die Absenkung der Temperatur von 1 l Wasser um 1°C kann eine Leistung von 4,2 kW erzeugt werden. Wird das Wasser um 2,5°C abgekühlt, so wird eine Leistung von 10,5 kW erzeugt. Vorzugsweise wird das Steigrohr von einem Wasserstrom mit einer Stromstärke in Abhängigkeit von der Heizleistung durchströmt, im Beispiel ein Liter pro Sekunde.Typically, the groundwater, seawater, river water, seawater, brine or any other naturally occurring aqueous solution will have a temperature between 8 ° C and 12 ° C. By lowering the temperature of 1 liter of water by 1 ° C, a power of 4.2 kW can be generated. If the water is cooled by 2.5 ° C, then generates a power of 10.5 kW. Preferably, the riser is flowed through by a stream of water with a current in dependence on the heating power, in the example one liter per second.
Wenn die Wärmepumpe auf relativ hoher Last arbeitet, wird der Verdampfer etwa 6 ml pro Sekunde verdampfen, was einem Dampfvolumen von ca. 1,2 Kubikmeter pro Sekunde entspricht. Je nach geforderter Heizungswassertemperatur wird die Strömungsmaschine im Hinblick auf ihre Verdichtungsleistung gesteuert. Wird eine Heizungs-Vorlauftemperatur von 45°C gewünscht, was selbst für extrem kalte Tage bei weitem ausreicht, so muss die Strömungsmaschine den bei vielleicht 10 hPa erzeugten Dampf auf einen Druck von 100 hPa erhöhen. Reicht dagegen eine Vorlauftemperatur von z. B. 25° für die Fußbodenheizung, so muss nur um einen Faktor 3 durch die Strömungsmaschine verdichtet werden.If the heat pump operating at a relatively high load, the evaporator is about 6 ml per Second evaporate, giving a vapor volume of about 1.2 cubic meters equals per second. Depending on the required heating water temperature becomes the turbomachine controlled in terms of their compaction performance. Will a heating flow temperature from 45 ° C desired what for yourself extremely cold days is far enough, so has the turbomachine the steam produced at perhaps 10 hPa to a pressure of 100 Increase hPa. In contrast, a flow temperature of z. B. 25 ° for underfloor heating, so only has to be compressed by a factor of 3 by the turbomachine.
Die
erzeugte Leistung wird daher durch die Verdichterleistung bestimmt,
also zum einen durch den Verdichtungsfaktor, also wie stark der
Verdichter verdichtet, und zum anderen durch von dem Verdichter
erzeugten Volumenstrom. Erhöht
sich der Volumenstrom, so muss der Verdampfer mehr verdampfen, wobei
die Pumpe
An
dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass es bevorzugt wird,
den Durchfluss von Grundwasser durch die Pumpe
Es
wird keine Pumpe benötigt,
um das Grundwasser von unten in die Verdampfungskammer
Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Strömungsmaschine
als Radialverdichter mit drehbarem Rad ausgeführt, wobei das Rad ein langsamläufiges Radialrad,
ein mittelläufiges
Radialrad, ein Halbaxialrad oder ein Axialrad bzw. ein Propeller sein
kann, wie es in der Technik bekannt sind. Radialverdichter sind
in
Die Wärmepumpe, die mit dem erfindungsgemäßen Werkstück ausgestattet ist, dient somit zur effizienten Wärmeversorgung von Gebäuden und benötigt kein Arbeitsmittel mehr, das einen Weltklima-schädigenden Einfluss hat. Erfindungsgemäß wird Wasser unter sehr geringem Druck verdampft, durch eine oder mehrere hintereinander angeordnete Strömungsmaschinen verdichtet und wieder verflüssigt zu Wasser. Die transportiere Energie wird zum Heizen benutzt. Erfindungsgemäß wird eine Wärmepumpe verwendet, die bevorzugt ein offenes System darstellt. Offenes System bedeutet hier, dass Grundwasser oder ein anderes verfügbares Wärmeenergie-tragendes wässriges Medium unter geringem Druck verdampft, verdichtet und verflüssigt wird. Das Wasser wird direkt als Arbeitsmittel verwendet. Die enthaltene Energie wird also nicht an ein geschlossenes System übertragen. Das verflüssigte Wasser wird vorzugsweise direkt im Heizungssystem verwendet und anschließend dem Grundwasser wieder zugeführt. Um das Heizsystem kapazitiv zu entkoppeln, kann es ebenso über einen Wärmetauscher abgeschlossen werden.The heat pump, equipped with the workpiece according to the invention is, thus, for the efficient heat supply of buildings and needed no more work equipment that has a global climate-damaging influence. According to the invention, water vaporized under very low pressure, by one or more in a row arranged turbomachines compacted and liquefied again to water. The transporting energy is used for heating. According to the invention is a heat pump used, which is preferably an open system. Open system here means groundwater or another available thermal energy-carrying aqueous Medium is evaporated under low pressure, compressed and liquefied. The water is used directly as a working medium. The included Energy is not transferred to a closed system. The liquefied Water is preferably used directly in the heating system and subsequently fed back to the groundwater. To decouple the heating system capacitively, it can also have a heat exchangers be completed.
Die Effizienz und Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung wird anhand eines Zahlenbeispiels dargestellt. Wenn von einem Jahreswärmebedarf von 30.000 kWh ausgegangen wird, müssen erfindungsgemäß hierfür etwa maximal 3750 kWh elektrischer Strom für den Betrieb der Strömungsmaschine aufgewendet werden, da die Strömungsmaschine nur etwa ein Achtel des gesamten Wärmebedarfs liefern muss.The efficiency and usefulness of the present invention will be illustrated by way of a numerical example. If it is assumed that an annual heat demand of 30,000 kWh, according to the invention for this purpose about a maximum of 3750 kWh elektri scher current for the operation of the turbomachine expended, since the turbomachine has to deliver only about one-eighth of the total heat demand.
Das Achtel ergibt sich daher, dass nur bei extremster Kälte ein Sechstel aufgewendet werden muss, und z. B. bei Übergangstemperaturen wie im März oder Ende Oktober der Wirkungsgrad bis auf einen Wert größer 12 steigen kann, so dass im Mittel über das Jahr maximal ein Achtel aufgewendet werden muss.The One-eighth, therefore, that only in the most extreme cold Sixth must be spent, and z. B. at transition temperatures such as in March or At the end of October, the efficiency will rise to a value greater than 12 can, so on average over the year a maximum of one eighth must be spent.
Bei Stromkosten von etwa 10 Cent pro kWh, die für Strom erreicht werden können, wenn Strom gekauft wird, für den das Kraftwerk keine Unterbrechungsfreiheit garantieren muss, entspricht dies etwa jährlichen Kosten von 375 Euro. Wenn man 30.000 kWh mit Öl erzeugen möchte, würde man etwa 4000 1 brauchen, was bei derzeitigen Ölkosten, die in Zukunft sehr wahrscheinlich nicht fallen werden, einem Preis von 2800 Euro entsprechen würde. Erfindungsgemäß kann man daher pro Jahr 2425 Euro einsparen! Ferner sei auch darauf hingewiesen, dass im Vergleich zur Verbrennung von Öl oder Gas zu Zwecken der Heizung durch das erfindungsgemäße Konzept bis zu 70 % der Menge an freigesetztem CO2 eingespart wird.With electricity costs of about 10 cents per kWh, which can be achieved for electricity when electricity is purchased, for which the power plant does not have to guarantee freedom of interruption, this corresponds to an annual cost of about 375 euros. If you want to produce 30,000 kWh of oil, you would need about 4,000 1, which would correspond to a current price of oil, which is unlikely to fall in the future, a price of 2800 euros. According to the invention, one can therefore save 2425 euros per year! It should also be noted that compared to the combustion of oil or gas for heating purposes by the inventive concept, up to 70% of the amount of released CO 2 is saved.
Zur Reduktion der Herstellungskosten und auch zur Reduktion der Wartungs- und Montagekosten wird es bevorzugt, die Gehäuse des Verdampfers, des Verdichters und/oder des Verflüssigers und auch besonders das Radialrad der Strö mungsmaschine aus Kunststoff und insbesondere aus Spritzguss-Kunststoff auszuführen. Kunststoff eignet sich gut, da Kunststoff bezüglich Wasser korrosionsresistent ist und erfindungsgemäß vorteilhafterweise die maximalen Temperaturen im Vergleich zu konventionellen Heizungen deutlich unter den Verformungstemperaturen einsetzbarer Kunststoffe liegen. Ferner ist die Montage besonders einfach, da im System aus Verdampfer, Verdichter und Verflüssiger Unterdruck herrscht. Damit werden an die Dichtungen wesentlich weniger Anforderungen gestellt, da der gesamte Atmosphärendruck dabei hilft, die Gehäuse dicht zu halten. Kunststoff eignet sich ferner besonders gut, da an keiner Stelle im erfindungsgemäßen System hohe Temperaturen auftreten, die den Einsatz von teuren Spezialkunststoffen, Metall oder Keramik erforderlich machen würden. Durch Kunststoffspritzguss kann auch die Form des Radialrads beliebig optimiert und dennoch trotz komplizierter Form einfach und kostengünstig hergestellt werden.to Reduction of manufacturing costs and reduction of maintenance costs and mounting costs, it is preferred, the housing of the evaporator, the compressor and / or the liquefier and especially the radial wheel of the plastic flow machine and in particular made of injection-molded plastic. plastic works well because plastic is corrosion resistant with respect to water is and advantageously according to the invention the maximum temperatures compared to conventional heaters significantly below the deformation temperatures of usable plastics lie. Furthermore, the assembly is particularly simple, since in the system of evaporator, Compressor and condenser Negative pressure prevails. This will be much less to the seals Required because the entire atmospheric pressure helps the housing tight to keep. Plastic is also particularly well, because at no Place high in the system according to the invention Temperatures occur, the use of expensive special plastics, Metal or ceramic would be required. By plastic injection can also be the shape of the radial wheel arbitrarily optimized and yet despite their complicated shape, they are simple and inexpensive to produce.
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