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 „Permanentmagnetische Lager" von Johan K. Fremerey vom November 2000 (die über den Link ww3w.fz-juelich.de/zat/magnet/0b30.pdf zugegriffen werden kann, liefert eine Übersicht über permanentmagnetische Lager, welche zur berührungslosen Lagerung eingesetzt werden können. Insbesondere sind solche Lager verschleiß- und wartungsfrei und sind solche Lager ferner frei von reibungsbedingten Energieverlusten. Die komplette Ausschaltung der lagerbedingten Reibungsverluste kommt bei schnell bewegten Systemen nur unter weitest gehendem Ausschluss der Luftreibung, d.h. unter Vakuumbedingungen, zum tragen. Allerdings ist der Reibungsverlust auch dann, wenn das Lager nicht im Vakuum betrieben wird, wesentlich geringer als bei entsprechenden Berührungs-Lagern, wie beispielsweise Kugellagern, Wälzlagern oder anderen Gleitlagern.The Internet publication "Permanent Magnetic Bearings" by Johan K. Fremerey dated November 2000 (which can be found via the link ww3w.fz-juelich.de/zat/magnet/0b30.pdf can be accessed, provides an overview of permanent magnetic bearings that can be used for non-contact storage. In particular, such bearings are wear and maintenance-free and such bearings are also free of friction energy losses. The complete elimination of the bearing-related frictional losses in fast-moving systems only with the greatest possible exclusion of air friction, ie under vacuum conditions to bear. However, even if the bearing is not operated in vacuum, the friction loss is much lower than with corresponding contact bearings, such as ball bearings, roller bearings or other plain bearings.

Insbesondere werden permanentmagnetische Lager mit repulsiver Kraftwirkung am Lagerspalt verwendet, wie sie im britischen Patent 642,353 beschrieben sind. Permanentmagnetische Lager weisen sowohl auf Rotor-Seite als auch auf Stator-Seite aneinander angrenzend angeordnete magnetische Ringe auf, die axial magnetisiert sind, so dass oberhalb des Rings z.B. der Nordpol ist und unterhalb des Rings der Südpol ist. Solche Ringe werden aus kristallinem Pulver hergestellt. Das Magnetpulver wird in Gegenwart eines starken Magnetfelds in eine Form gepresst. Dabei richten sich die Kristalle mit ihrer bevorzugten Magnetisierungsachse in Richtung des Magnetfelds aus. Die Presslinge werden anschließend gesintert. Als Material eignet sich Neodym-Eisen-Bor, (NdFeB), welches eine hohe Koerzitivfeldstärke hat. Solche Permanentmagnetringe aus diesem Material können zu vergleichsweise niedrigen Preisen hergestellt werden.In particular, permanent magnetic bearings are used with repulsive force on the bearing gap, as in British Patent 642,353 are described. Permanent magnetic bearings have both on the rotor side and on the stator side adjacent to each other arranged magnetic rings which are axially magnetized, so that above the ring, for example, the north pole and below the ring is the south pole. Such rings are made of crystalline powder. The magnetic powder is pressed into a mold in the presence of a strong magnetic field. The crystals align with their preferred magnetization axis in the direction of the magnetic field. The pellets are then sintered. Suitable material is neodymium-iron-boron, (NdFeB), which has a high coercive force. Such permanent magnet rings made of this material can be produced at comparatively low prices.

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:

1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Werkstücks; 1 a schematic diagram of a method according to the invention for producing a workpiece;

2A eine schematische Darstellung eines Verdichters für eine Wärmepumpe mit mehreren hintereinander angeordneten Strömungsmaschinen; 2A a schematic representation of a compressor for a heat pump with a plurality of sequentially arranged turbomachines;

2B eine schematische Darstellung einer Einstellung von Drehzahlen von kaskadierten Strömungsmaschi nen in Abhängigkeit von einer Soll-Temperatur einer Wärmepumpenanlage; 2 B a schematic representation of an adjustment of rotational speeds of cascaded Strömungsmaschi NEN as a function of a target temperature of a heat pump system;

2C eine schematische Draufsicht eines Radialrads einer Strömungsmaschine, wie es bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einstückig mit Welle und Magneten hergestellt wird; 2C a schematic plan view of a radial impeller of a turbomachine, as it is made in one preferred embodiment of the present invention integral with shaft and magnet;

2D eine schematische Querschnittsansicht mit einer lediglich schematischen Darstellung der Radialrad-Schaufeln zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Erstreckung der Schaufeln im Hinblick auf den Radius des Radialrads; 2D a schematic cross-sectional view with a merely schematic representation of the Radialrad-blades to illustrate the different extent of the blades with respect to the radius of the Radialrads;

3 eine schematische Darstellung eines aktiv geregelten repulsiven Magnetlagers; 3 a schematic representation of an actively controlled repulsive magnetic bearing;

4 eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise eines repulsiven Magnetlagers; 4 a schematic diagram of the operation of a repulsive magnetic bearing;

5 eine bevorzugte-Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkstücks mit Radialrad, Motor/Generator-Abschnitt und Widerlager-Abschnitt; 5 a preferred embodiment of the workpiece according to the invention with radial wheel, motor / generator section and abutment section;

6A eine Prinzipdarstellung einer Wärmepumpe, in der das erfindungsgemäße Werkstück vorteilhaft eingesetzt werden kann; 6A a schematic diagram of a heat pump in which the workpiece according to the invention can be advantageously used;

6B eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und der diesen Drücken zugeordneten Verdampfungstemperaturen für Wasser; 6B a table illustrating various pressures and evaporation temperatures associated with these pressures for water;

7 ein Blockschaltbild einer Wärmepumpe, die mit Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser oder Sole betrieben wird, in der das erfindungsgemäße Werkstück vorteilhaft eingesetzt werden kann. 7 a block diagram of a heat pump, which is operated with groundwater, seawater, river water, seawater or brine, in which the workpiece according to the invention can be advantageously used.

1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Werkstücks. In einem Schritt 10 wird zunächst wenigstens ein Permanentmagnet in einer Gussform platziert und fixiert. Je nach Bedarf werden weitere ggf. nicht-magnetische z. B. metallische Teile ebenfalls in einer solchen Gussform platziert. Der Permanentmagnet, der in der Gussform platziert worden ist, hat eine Curie-Temperatur, die den Temperaturbereich bestimmt, bis zu dem der Permanentmagnet permanentmagnetisch ist. Wird der Permanentmagnet über diese Curie-Temperatur erwärmt, so verliert er seine magnetischen Eigenschaften. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention for producing a workpiece. In one step 10 First, at least one permanent magnet is placed in a mold and fixed. As needed, further non-magnetic z. B. metallic parts also placed in such a mold. The permanent magnet placed in the mold has a Curie temperature that determines the temperature range to which the permanent magnet is permanently magnetic. If the permanent magnet is heated above this Curie temperature, it loses its magnetic properties.

In einem Schritt 12 werden dann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung spezielle Bereiche durch Einbringen und Fixieren von Fasern in die Gussform verstärkt. Der vorzugsweise eingesetzte Schritt 12 ist besonders dann vorteilhaft, wenn als Gussform eine Kunststoff-Spritzgussform verwendet wird, und wenn als Gussmaterial, das in einem Schritt 14 in die Form eingebracht wird, Kunststoffmaterial verwendet wird. Typischer Kunststoffmaterialien haben bereits als „Füllung" Fasern. Diese Fasern sind jedoch auf eine gewisse relativ kurze Länge begrenzt, damit das flüssige Kunststoffmaterial seine Flusseigenschaften behält. Besonders günstig ist, wenn im Schritt 12 zum Verstärken spezieller Bereiche die selben Fasern, jedoch mit einer größeren Länge eingesetzt werden, wie sie in dem Kunststoff-Spritzgussmaterial ohnehin bereits vorkommen. Dies führt dazu, dass die in die Form eingebrachten Fasern dann aufgrund des Schritts 14 von dem Kunststoff-Spritzgussmaterial, das die kurzen Fasern enthält, umflossen wird. Damit entsteht, wenn in einem Schritt 16 eine Abkühlung der gegossenen Form stattfindet, ein optimaler Verbund zwischen Kunststoff-Spritzgussmaterial und den im Schritt 12 zusätzlich eingebrachten Fasern.In one step 12 Then, in a preferred embodiment of the present invention, specific areas are reinforced by introducing and fixing fibers into the mold. The preferably used step 12 is particularly advantageous when a plastic injection mold is used as a mold, and if as a cast material, in one step 14 is introduced into the mold, plastic material is used. Typical plastic materials already have "stuffing" fibers, but these fibers are limited to a certain relatively short length so that the liquid plastic material retains its flow properties 12 to reinforce specific areas the same fibers, but with a greater length are used, as they already occur in the plastic injection molding material anyway. This results in the fibers being introduced into the mold then due to the step 14 from the plastic injection molding material containing the short fibers is flown around. This creates, if in one step 16 a cooling of the cast form takes place, an optimal bond between plastic injection molding material and in the step 12 additionally introduced fibers.

In einem Schritt 14 wird ein solcher Kunststoff verwendet, der bereits bei einer Temperatur flüssig ist, die niedriger ist als die Curie-Temperatur des Magnets. Damit wird sichergestellt, dass der Magnet seine Wirkung nicht durch die Herstellung verliert und beim Herstellen der Welle bzw. allgemein gesagt, des Werkstücks, Schaden erleitet. Daher wird es bevorzugt, die Permanentmagnet-Wahl und die Materialwahl des flüssigen Gussmaterials so durchzuführen, dass zwischen der Fließtemperatur bzw. der Verarbeitungstemperatur des flüssigen Gussmaterials und der Curie-Temperatur ein „Sicherheitsabstand" von wenigstens 10 Kelvin existiert.In one step 14 Such a plastic is used which is already liquid at a temperature which is lower than the Curie temperature of the magnet. This ensures that the magnet does not lose its effect during manufacture and causes damage during manufacture of the shaft or, more generally, of the workpiece. Therefore, it is preferable to perform the permanent magnet selection and the material selection of the liquid casting material so that a "safety margin" of at least 10 Kelvin exists between the flow temperature or the processing temperature of the liquid casting material and the Curie temperature.

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 16 wird das Werkstück aus der Gussform entnommen, nachdem das Gussmaterial abgekühlt ist. Das Werkstück muss vor bei der Entnahme nicht vollständig ausgehärtet sein, sondern es genügt, wenn das Werkstück teilweise ausgehärtet ist, und neben gehärtetem Material auch noch ungehärtetes oder nicht vollständig gehärtetes Material aufweist.Then, in one step 16 becomes the work piece is removed from the mold after the casting material has cooled. The workpiece must not be completely cured before removal, but it is sufficient if the workpiece is partially cured, and in addition to hardened material also uncured or not fully cured material.

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 2A bis 2D auf ein spezielles Szenario eingegangen, in dem die Motorwelle samt Radialrad und Lagerung vorzugsweise eingesetzt werden kann. Insbesondere wird in den 2C und 2D auf spezielle Ausführungsformen des Radialrads eingegangen.The following is based on the 2A to 2D on a special scenario, in which the motor shaft including radial wheel and bearing can be preferably used. In particular, in the 2C and 2D on specific embodiments of the radial wheel.

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 "Strömungsmaschinen", C. Pfleiderer, H. Petermann, Springer-Verlag, 2005, Seiten 82 und 83 beschrieben. Solche Radialverdichter umfassen somit als drehbares Rad den sog. Mittelläufer, dessen Form von den einzelnen Anforderungen abhängt. Generell können beliebige Strömungsmaschinen eingesetzt werden, wie sie als Turboverdichter, Ventilatoren, Gebläse oder Turbokompressoren bekannt sind.In the preferred embodiment, the turbomachine is configured as a rotary compressor with a rotatable wheel, wherein the wheel may be a low-speed radial, medium-radial, semi-axial, or propeller, as known in the art. Radial compressors are in "Turbomachines", C. Pfleiderer, H. Petermann, Springer-Verlag, 2005, pages 82 and 83 described. Such radial compressors thus include as a rotatable wheel the so-called. Center runner whose form depends on the individual requirements. In general, any flow machines can be used, as they are known as turbo compressors, fans, blowers or turbocompressors.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Radial-Verdichter 16 als mehrere unabhängige Strömungsmaschinen ausgeführt, die zumindest im Hinblick auf ihre Drehzahl unabhängig voneinander gesteuert werden können, so dass zwei Strömungsmaschinen unterschiedliche Drehzahlen haben können. Eine solche Implementierung ist in 2a dargestellt, bei der der Verdichter als Kas kade von n Strömungsmaschinen ausgebildet ist. An beliebigen Stellen nach der ersten Strömungsmaschine wird vorzugsweise einer oder auch mehrere Wärmetauscher beispielsweise zur Brauchwassererwärmung, die mit 170 bezeichnet sind, vorgesehen. Diese Wärmetauscher sind ausgebildet, um das von einer vorherigen Strömungsmaschine 172 erhitzte (und komprimierte) Gas abzukühlen. Hierbei wird die Überhitzungsenthalpie sinnvoll genutzt, um den Wirkungsgrad des gesamten Verdichtungsprozesses zu erhöhen. Das gekühlte Gas wird dann mit einem oder mehreren nachgeschalteten Verdichtern weiter verdichtet oder direkt dem Verflüssiger zugeführt. Es wird Wärme aus dem komprimierten Wasserdampf entnommen, um damit z. B. Brauchwasser auf höhere Temperaturen als z. B. 40°C zu erhitzen. Dies verringert jedoch den Gesamtwirkungsgrad der Wärmepumpe nicht, sondern erhöht ihn sogar noch, da zwei aufeinanderfolgend geschaltete Strömungsmaschinen mit dazwischengeschalteter Gaskühlung mit einer höheren Lebensdauer aufgrund der reduzierten thermischen Beanspruchung und mit weniger Energie den geforderten Gasdruck im Verflüssiger erreichen, als wenn eine einzige Strömungsmaschine ohne Gaskühlung vorhanden sein würde.In the preferred embodiment of the present invention is the radial compressor 16 as a plurality of independent turbomachines running, which can be controlled independently of each other at least in terms of their speed, so that two turbomachines can have different speeds. Such an implementation is in 2a shown, in which the compressor is formed as Kas kade of n turbomachines. At any point after the first turbomachine is preferably one or more heat exchangers, for example for domestic water heating, with 170 are designated provided. These heat exchangers are designed to be that of a previous turbomachine 172 to cool heated (and compressed) gas. Here, the superheat enthalpy is meaningfully used to increase the efficiency of the entire compression process. The cooled gas is then further compressed with one or more downstream compressors or fed directly to the condenser. It is removed heat from the compressed water vapor, so that z. B. service water to higher temperatures than z. B. 40 ° C to heat. However, this does not reduce the overall efficiency of the heat pump, but even increases it, since two consecutively connected gas cooling turbines with a longer service life achieve the required gas pressure in the condenser due to the reduced thermal stress and less energy than if a single turbomachine without gas cooling would be available.

Die kaskadierten unabhängig voneinander betriebenen Strömungsmaschinen werden vorzugsweise von einer Steuerung 250 angesteuert, die eingangsseitig eine Soll-Temperatur im Heizkreis sowie gegebenenfalls auch eine Ist-Temperatur im Heizkreis erhält. Abhängig von der gewünschten Soll-Temperatur werden die Drehzahl einer in der Kaskade früher angeordneten Strömungsmaschine, die beispielhaft mit n1 bezeichnet ist, und die Drehzahl n2 einer später in der Kaskade angeordneten Strömungsmaschine so geändert, wie es anhand von 2b dargestellt ist. Wird eine höhere Soll-Temperatur in die Steuerung 250 eingegeben, so werden beide Drehzahlen erhöht. Allerdings wird die Drehzahl der früher angeordneten Strömungsmaschine, die mit n1 in 2b bezeichnet ist, mit einem kleineren Gradienten angehoben als die Drehzahl n2 einer später in der Kaskade angeordneten Strömungsmaschine. Dies führt dazu, dass dann, wenn das Verhältnis n2/n1 der beiden Drehzahlen aufgetragen wird, sich im Diagramm von 2b eine Gerade mit einer positiven Steigung ergibt.The cascaded independently operated turbomachines are preferably by a controller 250 controlled, the input side receives a target temperature in the heating circuit and possibly also an actual temperature in the heating circuit. Depending on the desired setpoint temperature, the rotational speed of a turbomachine arranged earlier in the cascade, which is denoted by n 1 by way of example, and the rotational speed n 2 of a turbomachine, which is arranged later in the cascade, are changed as indicated by 2 B is shown. Will a higher setpoint temperature in the controller 250 entered, both speeds are increased. However, the speed of the previously arranged turbomachine, with n 1 in 2 B is increased with a smaller gradient than the rotational speed n 2 of a later arranged in the cascade turbo machine. As a result, when the ratio n 2 / n 1 of the two speeds is plotted, the graph of 2 B gives a straight line with a positive slope.

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 2c und 6d erläutert wird, immer möglichst gut bezüglich der Geschwindigkeit des zu verdichtenden Gases steht. So besteht die Einstellung des Schaufelwinkels lediglich in der Optimierung einer möglichst wirbelarmen Kompression des einlaufenden Gases. Die weiteren Parameter der Winkeleinstellung wie Gasdurchsatz und Verdichtungsverhältnis, die sonst einen technischen Kompromiss bei der Wahl des Schaufelwinkels und damit nur bei einer Soll-Temperatur einen optimalen Wirkungsgrad ermöglicht hätten, werden erfindungsgemäß durch die unabhängige Drehzahlregelung auf ihren optimalen Arbeitspunkt gebracht und haben daher keinen Einfluß mehr auf die Wahl des Schaufelwinkels. so ergibt sich trotz eines fest eingestellten Schaufelwinkels immer ein optimaler Wirkungsgrad.The reason for this is that the turbomachine, which is later arranged in the cascade, must process already compressed gas that has been compressed by a turbomachine that was previously arranged in the cascade. Further, this ensures that the blade angle of blades of a radial wheel, as also referring to 2c and 6d is always as good as possible with respect to the speed of the gas to be compressed. Thus, the adjustment of the blade angle is only in the optimization of possible low-turbulence compression of the incoming gas. The other parameters of the angle adjustment such as gas flow rate and compression ratio, which would otherwise have made a technical compromise in the choice of blade angle and thus only at a desired temperature optimum efficiency are brought according to the invention by the independent speed control to its optimum operating point and therefore have no influence more on the choice of blade angle. This results in spite of a fixed blade angle always optimal efficiency.

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 2c bei Bezugszeichen 260 gezeigt sind. 2c zeigt eine schematische Draufsicht eines solchen Radialrads, wobei 2d eine schematische Querschnittsdarstellung eines solchen Radialrads zeigt. Ein Radialrad umfasst, wie es in der Technik bekannt ist, mehrere sich von innen nach außen erstreckende Schaufeln 262. Die Schaufeln erstrecken sich von einem Abstand einer Mittelachse 264, der mit rW bezeichnet ist, ganz nach außen bezüglich der Achse 264 des Radialrads. Insbesondere umfasst das Radialrad eine Basis 266 sowie einen Deckel 268, der zum Saugrohr oder zu einem Verdichter einer früheren Stufe gerichtet ist. Das Radialrad umfasst eine Ansaugöffnung, die mit r1 bezeichnet ist, um Gas anzusaugen, wobei dieses Gas vom Radialrad dann seitlich ausgegeben wird, wie es bei 270 in 2d angegeben ist.Radial wheels are preferably used according to the invention, as for example in 2c at reference numerals 260 are shown. 2c shows a schematic plan view of such a radial wheel, wherein 2d a schematic cross-sectional view of such a radial wheel shows. A radial wheel, as is known in the art, includes a plurality of vanes extending inwardly outwardly 262 , The blades extend from a distance of a central axis 264 , which is designated by r W , completely outward with respect to the axis 264 of the radial wheel. In particular, the radial wheel comprises a base 266 as well as a lid 268 directed to the intake manifold or to an earlier stage compressor. The radial wheel comprises a suction port, which is designated by r 1 to suck gas, this gas is then discharged from the radial wheel laterally, as in 270 in 2d is specified.

Wenn 2c betrachtet wird, so befindet sich das Gas in Drehrichtung vor der Schaufel 262 auf einer relativ höheren Geschwindigkeit, während es hinter der Schaufel 262 auf einer reduzierteren Geschwindigkeit ist. Allerdings wird es für eine hohe Effizienz und einen hohen Wirkungsgrad bevorzugt, dass das Gas überall mit einer möglichst gleichförmigen Geschwindigkeit aus dem Radialrad seitlich, also bei 270 in 2d ausgestoßen wird. Zu diesem Zweck besteht der Wunsch, die Schaufeln 262 möglichst dicht anzubringen.If 2c is considered, the gas is in the direction of rotation in front of the blade 262 at a relatively higher speed while behind the blade 262 is at a reduced speed. However, it is preferred for high efficiency and high efficiency that the gas everywhere with a uniform speed as possible from the radial wheel laterally, ie at 270 in 2d is ejected. For this purpose there is a desire to use the blades 262 as close as possible.

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 272 bzw. 274 bzw. 276 vorzusehen, die sich weniger lang als die Schaufel 262 erstrecken. Insbesondere erstrecken sich die Schaufeln 272 nicht von rW bis ganz nach außen, sondern von R1 nach außen bezüglich des Radialrads, wobei R1 größer als rW ist. Analog hierzu erstrecken sich, wie es in 2c beispielhaft gezeigt ist, die Schaufeln 274 lediglich von R2 nach außen, während sich die Schaufeln 276 lediglich von R3 nach außen erstrecken, wobei R2 größer als R1 und wobei R3 größer als R2 ist.According to the invention, it is therefore preferred to use blades 272 respectively. 274 respectively. 276 provide that is less long than the blade 262 extend. In particular, the blades extend 272 not from r W to the outside, but from outside R 1 with respect to the radial wheel, where R 1 is greater than r W. Analogously extend, as in 2c is shown as an example, the blades 274 only from R 2 to the outside, while the blades 276 only extend from R 3 to the outside, wherein R 2 is greater than R 1 and wherein R 3 is greater than R 2 .

Diese Verhältnisse sind in 2d schematisch dargestellt, wobei eine doppelte Schraffur, beispielsweise im Bereich 278 in 2d angibt, dass sich in diesem Bereich zwei Schaufeln befinden, die sich überdecken und daher durch den doppelt schraffierten Bereich gekennzeichnet sind. So bezeichnet die von links unten nach rechts oben im Bereich 278 gezeigte Schraffur eine Schaufel 262, die sich von rW bis nach ganz außen erstreckt, während die von links oben nach rechts unten im Bereich 278 erstreckende Schraffur ei ne Schaufel 272 andeutet, die sich lediglich von R1 bis nach außen bezüglich des Radialrads erstreckt.These relationships are in 2d shown schematically, with a double hatching, for example in the area 278 in 2d indicates that there are two blades in this area that overlap and are therefore marked by the double-hatched area. So called from the bottom left to the top right in the area 278 hatching shown a shovel 262 that extends from r W to the very outside, while the left from top to bottom right in the area 278 extending hatching a bucket 272 indicates, which extends only from R 1 to the outside with respect to the radial wheel.

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 2c am äußeren Umfang deswegen besonders homogen, da der Abstand von Schaufeln, die das Gas beschleunigen, und aufgrund der „gestapelten" Anordnung der Schaufeln wesentlich kleiner als in einem Fall ist, bei dem z.B. nur die Schaufeln 262 vorhanden sind, welche sich von ganz innen bis ganz außen erstrecken und somit zwangsläufig am äußeren Ende des Radialrads einen sehr großen Abstand aufweisen, der wesentlich größer ist als beim erfindungsgemäßen Radialrad, wie es in 2c dargestellt ist.Preferably, at least one blade, which does not extend so far inwardly, is thus arranged between two blades extending deeper inwardly. This means that the intake is not clogged or areas with a smaller radius are not too heavily occupied with blades, while areas with a larger radius are more densely occupied with blades, so that at the exit of the radial wheel, ie where the compressed gas Radial wheel leaves, as homogeneous a velocity distribution of the exiting gas exists. The velocity distribution of the exiting gas is in the preferred radial wheel according to the invention in 2c particularly homogeneous on the outer circumference, because the distance of blades accelerating the gas and due to the "stacked" arrangement of the blades is substantially smaller than in one case, eg only the blades 262 are present, which extend from the very inside to the outside and thus inevitably have at the outer end of the radial wheel a very large distance, which is substantially larger than the radial wheel according to the invention, as in 2c is shown.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die relativ aufwendige und komplizierte Form des Radialrads in 2c besonders günstig mit Kunststoff-Spritzguss hergestellt werden kann, wobei insbesondere einfach erreicht werden kann, dass alle Schaufeln, auch die Schaufeln, die sich nicht von ganz innen bis ganz außen erstrecken, also die Schaufeln 272, 274, 276 fest verankert sind, da sie sowohl mit dem Deckel 268 also auf der Basis 266 von 2d verbunden sind. Die Verwendung von Kunststoff insbesondere mit der Kunststoff-Spritzgusstechnik ermöglicht es, beliebige Formen genau und kostengünstig herzustellen, was mit Radialrädern aus Metall nicht ohne weiteres bzw. nur sehr aufwendig oder möglicherweise sogar gar nicht möglich ist.At this point it should be noted that the relatively complex and complicated shape of the radial wheel in 2c can be made particularly favorable with plastic injection molding, in particular, can be easily achieved that all blades, including the blades that do not extend from the very inside to the very outside, so the blades 272 . 274 . 276 are firmly anchored, as they are both with the lid 268 so on the base 266 from 2d are connected. The use of plastic in particular with the plastic injection molding technology makes it possible to produce any shapes accurately and inexpensively, which is not readily possible with radial wheels made of metal or only very expensive or possibly even impossible.

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 272, 274, 276 nicht nur mit der Basis, sondern auch mit dem Deckel fest verbunden sind, derart, dass das Radialrad die auftretenden Beschleunigungen ohne weiteres aushalten kann.It should be noted at this point that very high rotational speeds of the radial wheel are preferred, so that the accelerations acting on the blades assume very considerable values. For this reason, it is preferred that in particular the shorter blades 272 . 274 . 276 not only with the base, but also with the lid are firmly connected, such that the radial wheel can withstand the accelerations occurring readily.

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 3 und 4 auf Betrieb und Aufbau und insbesondere auf eine aktive Regelung eines solchen Radialrads eingegangen.In a preferred embodiment of the present invention, it is preferable to permanently magnetically support the radial wheel or the shaft attached to the radial wheel. The following is based on the 3 and 4 on operation and structure and in particular on an active control of such a radial wheel.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei dem ein Permanentmagnetlager mit magnetisierten aufein ander gestapelten Ringen eingesetzt wird. Am Stator 502 ist eine Anzahl von magnetischen Ringen 560a, 560b, 560c, 560d, 560e und 560f befestigt. Ebenfalls sind am Rotor ebenfalls magnetische Ringe 562a, 562b, ..., 562e angebracht. Ferner ist die Steuerung 516 eingangsseitig mit einer Regelungseinrichtung 517 gekoppelt, die auch in 1a gezeigt ist und eine Erfassung des Spalts 504 auf irgend eine bekannte Art und Weise durchführt. Insbesondere wird kapazitiv, induktiv, optisch und auf irgendeine andere Art und Weise entweder direkt oder indirekt über eine Positionsbestimmung des Rotors und/oder des Stators eine Spaltlänge des Spalt 504 erfasst und als Ist-Wert in der Spalterfassungseinrichtung 517 bzw. dem Regler 517 verwendet.Hereinafter, referring to 3 a preferred embodiment of the present invention described in which a permanent magnet bearing is used with magnetized aufein other stacked rings. At the stator 502 is a number of magnetic rings 560a . 560b . 560c . 560d . 560e and 560F attached. Also on the rotor are also magnetic rings 562a . 562b , ..., 562e appropriate. Further, the controller 516 on the input side with a control device 517 coupled, which also in 1a is shown and a detection of the gap 504 in any known manner. In particular, a gap length of the gap is capacitively, inductively, optically and in any other way either directly or indirectly via a position determination of the rotor and / or the stator 504 detected and as an actual value in the gap detection device 517 or the controller 517 used.

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 516 eingespeist, die dann das Eingangssignal bzw. Steuersignal 514 für den mechanischen Betätiger 512 liefert. Der Betätiger 512 bewirkt ansprechend auf das Steuerungssignal 514 somit eine Verschiebung des Stators bzw. der an dem Stator angebrachten Magnetringe bzw. allgemein des Lagerabschnitts, das mit dem Stator gekoppelt ist, so dass die Relativposition zwischen dem Lagerabschnitt des Stators und dem Lagerabschnitt des Rotors verändert wird.There, the actual value is compared with a desired value to provide, depending on the target-actual comparison, a control signal which is filtered by any known loop filter having a desired frequency characteristic. This control signal is in the control device 516 fed, then the input signal or control signal 514 for the mechanical actuator 512 supplies. The actuator 512 causes in response to the control signal 514 Thus, a displacement of the stator or the attached to the stator Magnetic rings or generally the bearing portion which is coupled to the stator, so that the relative position between the bearing portion of the stator and the bearing portion of the rotor is changed.

Diese aktive Regelung des Magnetlagers findet in der Arbeitsposition bzw. im Arbeitsbetrieb des Rotors statt und wird Bezug nehmend auf 4 näher erläutert. 4 zeigt einen Querschnitt durch jeweils drei aufeinander gestapelte Magnetringe, deren Magnetisierung durch Richtungspfeile 564 angezeigt sind, wobei die Pfeilrichtung des Pfeils 564 anzeigt, ob oben oder unten der Nordpol bzw. Südpol des magnetisierten Rings ist. Nachdem sich entgegengesetzt polarisierte Ringe anziehen, existiert eine obere Kraft Fo und eine untere Anziehungskraft Fu, wie sie in 4 ange zeichnet ist. Dann, wenn eine Axialkraft auf den Rotor ausgeübt wird, wenn sich der Rotor also z.B. nach oben bewegt, wird die Kraft Fo größer und wird die Kraft Fu kleiner, so dass die Auslenkung noch durch die inhärent dem magnetischen Lager eigene Kraftsituation verstärkt wird, weshalb das Lager axial metastabil ist. Um diese Situation zu kompensieren, wird der Stator so geregelt, dass er ebenfalls nach oben ausgelenkt wird, so dass die Kraft Fo wieder kleiner wird und die Kraft Fu größer wird, derart, dass wieder ein Kräftegleichwicht eingestellt wird. Entsprechende zueinander zugehörige Größen und Tendenzen sind in der in 4 gezeichneten Tabelle dargestellt. Daraus ergibt sich, dass der Stator im Regelungsbereich, der schematisch in 2d bei 544 eingezeichnete ist, ständig etwas nach oben bzw. nach unten bewegt wird, um auf den Rotor wirkenden Axialkräfte zu kompensieren bzw. um das Lager stabil zu halten.This active control of the magnetic bearing takes place in the working position or in the operating mode of the rotor and is taking reference 4 explained in more detail. 4 shows a cross section through three successive stacked magnetic rings whose magnetization by directional arrows 564 are displayed, the arrow direction of the arrow 564 indicates whether up or down is the north pole or south pole of the magnetised ring. After opposing polarized rings attract, there exists an upper force F o and a lower attraction F u , as shown in FIG 4 is characterized is. Then, when an axial force is applied to the rotor when the rotor thus moves upward, for example, the force F o becomes larger and the force F u becomes smaller, so that the deflection is further enhanced by the inherent magnetic force inherent in the magnetic bearing why the bearing is axially metastable. To compensate for this situation, the stator is controlled so that it is also deflected upward, so that the force F o is again smaller and the force F u is greater, so that again a balance of power is set. Corresponding variables and tendencies are in the in 4 drawn table. It follows that the stator in the control range, which is schematically in 2d at 544 is drawn, is constantly moved slightly upwards or downwards to compensate for axial forces acting on the rotor or to keep the bearing stable.

5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiels eines Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung in Form eines Radialrads für den Turboverdichter einschließlich einer einstückig hergestellten Welle samt einem aktiven Lagerabschnitt, einem Widerlagerabschnitt und einem Motor/Generator-Abschnitt, in denen Permanentmagnete eingesetzt werden. 5 shows a preferred embodiment of a workpiece according to the present invention in the form of a radial wheel for the turbo compressor including an integrally manufactured shaft, including an active bearing portion, an abutment portion and a motor / generator section, in which permanent magnets are used.

5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Lagern eines Radialrads für einen Turboverdichter, wie er z.B. im Verdichter 16 von 7 oder in einer Strömungsmaschine 172 bzw. 174 von 11A eingesetzt wird, und wie er in 11C und 11D näher beschrieben ist. 5 shows a preferred embodiment of the present invention for supporting a radial wheel for a turbocompressor, such as in the compressor 16 from 7 or in a turbomachine 172 respectively. 174 from 11A is used, and how he is in 11C and 11D is described in more detail.

Insbesondere ist an dem Rotor 500 eine Rotorwelle 570 angeordnet, die sich durch eine Bohrung 572 im Stator erstreckt. Das Lager umfasst wieder einen Stator-Lagerabschnitt 560 sowie eine Rotor-Lagerabschnitt 562, wobei sich gleich polarisierte Magnetringe in den beiden La gerabschnitten gegenüberliegen, wenn sich das Lager in der optimal ausgeregelten Lagerposition befindet bzw. wenn keine Axialkraft auf den Rotor 500 wirkt. In 5 ist ferner gezeigt, dass der Betätiger 512 so angeordnet ist, dass er den Stator-Abschnitt 560 mit dem restlichen Stator mechanisch koppelt. Dies hat den Vorteil, dass die Masse, die der Beschleuniger – abgesehen von der Rotormasse – beschleunigen und insbesondere auch wieder abbremsen muss, möglichst klein ist.In particular, on the rotor 500 a rotor shaft 570 arranged, extending through a hole 572 extends in the stator. The bearing again comprises a stator bearing section 560 and a rotor bearing section 562 , wherein the same polarized magnet rings in the two La gerabschnitten face each other when the bearing is in the optimally balanced storage position or if no axial force on the rotor 500 acts. In 5 is further shown that the actuator 512 is arranged so that it is the stator section 560 mechanically coupled with the rest of the stator. This has the advantage that the mass which the accelerator - apart from the rotor mass - has to accelerate and, in particular, also decelerate again, is as small as possible.

Ferner ist in 5 die Druckverteilung eingezeichnet, wenn das Radialrad in der Wärmepumpe von 6A arbeitet. Auf der oberen Seite ist dann ein kleiner Dampfdruck, während auf der unteren Seite ein großer Dampfdruck herrscht. Das bedeutet, dass das Radialrad eine Axialkraft erlebt, die nach oben zum kleinen Druck hin wirkt, so dass aufgrund der Betriebsweise des Radialrads eine Rotorauslenkung nach oben hier stattfindet, die durch eine Statorregelung nach oben zu kompensieren ist.Furthermore, in 5 the pressure distribution is plotted when the radial wheel in the heat pump of 6A is working. On the upper side is then a small vapor pressure, while on the lower side there is a large vapor pressure. This means that the radial wheel experiences an axial force acting upwards to the small pressure, so that due to the operation of the radial wheel, a rotor deflection takes place up here, which is compensated by a Statorregelung up.

Der Axialschub ist also nach oben gerichtet. Dieser Axialschub tritt jedoch relativ langsam auf, weshalb ein typischer Piezoring 512 oder ein Piezo-Betätiger in Form mehrerer radial verteilter Stäbe ohne weiteres Schritt halten kann. Die Kraftänderung hat also eine geringere Steigung als der Aktuaktor aushalten kann, indem er auf Zug oder Druck arbeitet. Als Aktuator bzw. Betätiger wird ein piezoelektrischer Betätiger betätigt, der einen scheibenartigen bzw. schichtartigen Aufbau hat, und der typischerweise mit einer gesteuerten Gleichspannung versorgt wird und eine Maximalspannung von z.B. 2kV/mm aushalten kann.The axial thrust is thus directed upwards. However, this axial thrust occurs relatively slowly, which is why a typical piezo ring 512 or a piezo actuator in the form of several radially distributed rods can hold without further step. The change in force thus has a lower slope than the Aktuaktor can endure by working on train or pressure. As the actuator or a piezoelectric actuator is actuated, which has a disk-like or layered structure, and is typically supplied with a controlled DC voltage and can withstand a maximum voltage of, for example, 2kV / mm.

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 2d nach unten, wobei durch die Magnetlagerkräfte und insbesondere durch das immer größer werdende Fu und das immer kleiner werdende Fo von 4 die Bewegung beschleunigt wird. Dann, kurz vor einem „abzufedernden" Aufprall des Rotors auf der Auflagefläche wird der Betätiger in einer Beschleunigungsphase ausgelenkt, um dann abgebremst zu werden. Vorzugsweise nach dem Verstreichen einer kleinen Zeitdauer nach Beginn der Bremsphase wird der Rotor dann mit dem Stator an der Auflagefläche in Berührung kommen also aufgefangen, wobei dieses „Auftreffen" mechanisch unproblematisch ist, da sich zum Zeitpunkt des Auftreffens der Rotor und der Stator aufgrund des Antriebs durch den Betätiger nahezu gleich schnell bewegen bzw. der Stator sich nur etwas langsamer als der Rotor bewegt. Die Bewegungsverhältnisse und insbesondere die Abbremsung in der Bremsphase sind so eingestellt, dass der Rotor dann gewissermaßen sicher „gelandet" wird, und zwar ohne zerstörerische mechanische Beanspruchungen.As already stated, a return from the working position to the rest position takes place in that, in order to bring about a "downward movement" of the rotor, the stator is deflected to bring the bearing into imbalance, then the rotor moves in a sense from right to left on the movement curve in 2d down, whereby by the magnetic bearing forces and in particular by the ever-increasing F u and the ever-decreasing F o of 4 the movement is accelerated. Then, just before a "collapsing" impact of the rotor on the support surface, the actuator is deflected in an acceleration phase to then be decelerated Preferably, after a lapse of a small period of time after the beginning of the braking phase, the rotor is then engaged with the stator at the support surface Touch are thus collected, this "hitting" is mechanically unproblematic, since at the time of impact, the rotor and the stator due to the drive by the actuator move almost equally fast or the stator moves only slightly slower than the rotor. The movement conditions and in particular the deceleration in the braking phase are adjusted so that the rotor then to a certain extent safe "Landed", without destructive mechanical stresses.

Die Welle 570 umfasst als einstückige Anordnung ferner einen Motor/Generator-Abschnitt, in dem wenigstens ein Rotormagnet 580 angeordnet ist. Wenn die Welle eingebaut ist, kooperiert er mit einem wenigstens einem oder mehreren Statorspulen 582, wobei die Statorspulen an einem Stator 583 angebracht sind, der bezüglich der Welle 570 fest ist. Die Welle 570 umfasst ferner einen schematisch gezeichneten Widerlager-Abschnitt 584, der so wie das obere Radialradlager, das aus den Lagerabschnitten 560, 562 gebildet ist, mit Permanentmagnetringen aufgebaut ist, wobei die Welle 570 einen rotierenden Lagerabschnitt 592 aufweist, der einem feststehenden Lagerabschnitt 590 gegenüberliegt, wobei der Lagerabschnitt 590 einem feststehenden Lagerstator 591 zugeordnet ist. Obgleich in 5 für den Widerlagerabschnitt vier aufeinanderliegende Permanentmagnetringe im Querschnitt gezeichnet sind, die vier solchen Ringen des Stators gegenüberliegen, können als Permanentmagnetlager auch mehr oder weniger Ringe eingesetzt werden. Ferner sei darauf hingewiesen, dass es bevorzugt wird, die Welle 570 samt Radialrad und Magnete so zu bauen, dass sie einstückig hergestellt wird, was unmittelbar bedeutet, dass der Stator-Abschnitt 583 für den Motor/Generator-Abschnitt und der Stator-Abschnitt 591 für das Widerlager so konstruktiv ausgelegt sind, dass die komplette Welle eingelegt werden kann und dass dann der Stator um die Welle herum aufgebaut werden kann, beispielsweise durch einen Klappverschluss oder etwas ähnliches. Nachdem sich die Welle sehr schnell dreht, während der Stator sich nicht dreht, sind die Anforderungen an das Material der Welle und die Formschlüssigkeit und andere Eigenschaften der Welle wesentlich höher als die Anforderungen an Präzision und Ausrichtung der feststehenden Teile.The wave 570 As a one-piece arrangement further comprises a motor / generator section, in which at least one rotor magnet 580 is arranged. When the shaft is installed, it cooperates with at least one or more stator coils 582 , wherein the stator coils on a stator 583 are attached, with respect to the shaft 570 is fixed. The wave 570 further includes a schematically drawn abutment portion 584 The same as the upper radial wheel bearing, the bearing sections 560 . 562 is formed, is constructed with permanent magnet rings, wherein the shaft 570 a rotating bearing section 592 having a fixed bearing section 590 opposite, wherein the bearing section 590 a fixed bearing stator 591 assigned. Although in 5 for the abutment section four superimposed permanent magnet rings are drawn in cross section, the four such rings of the stator are opposite, as a permanent magnet bearing and more or fewer rings can be used. It should also be noted that it is preferred that the shaft 570 including radial wheel and magnets to build so that it is made in one piece, which immediately means that the stator section 583 for the motor / generator section and the stator section 591 are designed so constructive for the abutment that the complete shaft can be inserted and that then the stator can be built around the shaft, for example by a snap closure or something similar. Since the shaft rotates very fast while the stator does not rotate, the shaft material requirements, shaft form and other characteristics are much higher than the precision and orientation requirements of the fixed parts.

Wie es bereits ausgeführt worden ist, dreht sich die Welle 570 samt Radialrad und Permanentmagneten sehr schnell. Es wird daher bevorzugt, die Permanentmagnete der Welle so anzuordnen, dass sie dann, wenn sich die Welle dreht, aufgrund der nach außen gerichteten Kraft auf ein Material drücken. Die Permanentmagnete werden somit vorzugsweise, wie es in 5 gezeigt ist, nicht auf der Welle direkt angebracht, sondern auf Auslegerabschnitten 595, 596, womit sichergestellt wird, dass die nach außen gerichtete auf die Permanentmagnete wirkende Kraft von dem Material aufgenommen wird und nicht von dem Magnetring selbst oder von einer Befestigung des Magnetrings an der Welle. Es wird daher bevorzugt, die Auslegerabschnitte 595, 596 und insbesondere deren Verbindung mit der Welle sowie die außen vorhandenen Abschnitte des Rotors zu verstärken, indem in der Kunststoff-Spritzgussform an entsprechenden Stellen Kohlefasern bzw. allgemein gesagt, Fasern, die auch Glasfasern umfassen können, angebracht werden.As it has already been stated, the shaft turns 570 including radial wheel and permanent magnets very fast. It is therefore preferable to arrange the permanent magnets of the shaft so as to press on a material when the shaft rotates due to the outward force. The permanent magnets are thus preferably as shown in FIG 5 not directly mounted on the shaft, but on boom sections 595 . 596 by ensuring that the outward force acting on the permanent magnets is absorbed by the material and not by the magnetic ring itself or by attachment of the magnetic ring to the shaft. It is therefore preferred, the boom sections 595 . 596 and in particular to reinforce their connection to the shaft and the outer portions of the rotor by attaching carbon fibers in the plastic injection mold at corresponding locations or, generally speaking, fibers which may also comprise glass fibers.

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 597 gezeigt ist, wird es bevorzugt, die Permanentmagnetringe bzw. die Permanentmagnete allgemein von möglichst vielen Seiten materialschlüssig mit Kunststoffmaterial zu umgeben, damit sie sicher und auch auf lange Sicht hochqualitativ gelagert sind. Dabei entstehende eckige Formen sind für Kunststoff-Spritzgussanwendungen jedoch kein Problem, da die Spritzgussform nahezu beliebig kompliziert sein kann, da sie nur einmal hergestellt werden muss und sich auch ein gewisser Aufwand für die Kunst-Stoffspritzgussform dann, wenn viele Werkstücke hergestellt werden, ohne weiteres amortisiert.In a preferred embodiment of the present invention, as in particular 597 is shown, it is preferred that the permanent magnet rings or the permanent magnets generally surrounded from as many sides material fit with plastic material so that they are stored safely and in the long term high quality. However, this resulting angular shapes are no problem for plastic injection molding applications, since the injection mold can be almost arbitrarily complicated, since it only needs to be made once and also a certain effort for the art-injection mold then when many workpieces are produced, readily amortized.

Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die 6A, 6B und 7 eine Wärmepumpe beschrieben, in der das erfindungsgemäß hergestellte Werkstück in Form einer Welle samt Radialrad, Motor/Generator-Abschnitt und permanentmagnetischer Lagerung vorzugsweise eingesetzt werden kann.Hereinafter, referring to the 6A . 6B and 7 a heat pump described, in which the workpiece according to the invention can be preferably used in the form of a shaft including radial wheel, motor / generator section and permanent magnetic bearing.

6a zeigt eine erfindungsgemäße Wärmepumpe, die zunächst einen Wasserverdampfer 10 zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit aufweist, um ausgangsseitig einen Dampf in einer Arbeitsdampfleitung 12 zu erzeugen. Der Verdampfer umfasst einen Verdampfungsraum (in 6a nicht gezeigt) und ist ausgebildet, um in dem Verdampfungsraum einen Verdampfungsdruck kleiner als 20 hPa zu erzeugen, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 15°C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist vorzugsweise Grundwasser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. Erfindungsgemäß werden alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalkfreies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendbar bevorzugt. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese "Wasserstoffe", die günstige Wasser-Eigenschaft haben, nämlich dass Wasser, das auch als "R 718" bekannt ist, eine für den Wärmepumpen-Prozess nutzbares Enthalpie-Differenz-Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnisses von z. B. R134a entspricht. 6a shows a heat pump according to the invention, the first a water evaporator 10 for evaporating water as a working fluid to the output side, a steam in a working steam line 12 to create. The evaporator comprises an evaporation space (in 6a not shown) and is designed to generate an evaporation pressure of less than 20 hPa in the evaporation space, so that the water evaporates at temperatures below 15 ° C in the evaporation space. The water is preferably groundwater, in the ground free or in collector pipes circulating brine, so water with a certain salinity, river water, seawater or seawater. According to the invention, all types of water, ie, calcareous water, lime-free water, saline water, or salt-free water, are usefully used. This is because all kinds of water, so all these "hydrogens", the cheap What water property, namely that water, also known as "R 718", has a usable enthalpy difference ratio of 6 for the heat pump process, which is more than 2 times the typical usable enthalpy difference ratio from Z. B. R134a corresponds.

Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Verdichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z. B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in 6a mit 16 bezeichnet ist. Die Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen Dampfdruck zumindest größer als 25 hPa zu verdichten. 25 hPa korrespondiert mit einer Verflüssigungstemperatur von etwa 22°C, was zumindest an relativ warmen Tagen bereits eine ausreichende Heizungs-Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung sein kann. Um höhere Vorlauftemperaturen zu generieren, können Drücke größer als 30 hPa mit der Strömungsmaschine 16 erzeugt werden, wobei ein Druck von 30 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 24°C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 36°C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45°C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45°C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können.The water vapor gets through the suction line 12 a compressor / condenser system 14 supplied, which is a turbomachine such. B. has a centrifugal compressor, for example in the form of a turbocompressor, in 6a With 16 is designated. The turbomachine is designed to compress the working steam to a vapor pressure at least greater than 25 hPa. 25 hPa corresponds to a liquefaction temperature of about 22 ° C, which can already be a sufficient heating flow temperature of a floor heating, at least on relatively warm days. In order to generate higher flow temperatures, pressures greater than 30 hPa can be achieved with the turbomachine 16 wherein a pressure of 30 hPa has a liquefaction temperature of 24 ° C, a pressure of 60 hPa has a liquefaction temperature of 36 ° C, and a pressure of 100 hPa corresponds to a liquefaction temperature of 45 ° C. Underfloor heating systems are designed to heat sufficiently with a flow temperature of 45 ° C, even on very cold days.

Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Arbeitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück.The turbomachine is with a condenser 18 coupled, which is adapted to liquefy the compressed working steam. By liquefying the energy contained in the working steam is the condenser 18 then fed over the flow 20a to be supplied to a heating system. About the return 20b the working fluid flows back into the condenser.

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 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt.Thus, a material entry takes place in the condenser or the heating system, which by a sequence 22 is regulated, such that the condenser has a water level in its condenser, which remains despite the constant supply of water vapor and thus condensate always below a maximum level.

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 20a gespeist wird und der den Rücklauf 20b aufweist, wobei dieser Wärmetauscher das im Verflüssiger befindliche Wasser abkühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt.Alternatively, however, a heat exchanger can be arranged on the condenser side, with the flow 20a is fed and the return 20b wherein this heat exchanger cools the water in the condenser and thus heats a separate underfloor heating liquid, which will typically be water.

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 22 somit nicht verschmutzt ist.Due to the fact that water is used as the working medium, and due to the fact that only the evaporated portion of the groundwater is fed into the turbomachine, the purity of the water does not matter. The turbomachine, as well as the condenser and possibly directly coupled underfloor heating always supplied with distilled water, so that the system has a reduced maintenance compared to today's systems. In other words, the system is self-cleaning because the system is always fed only distilled water and the water in the drain 22 thus not polluted.

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 206 eines Ablaufrohrs 204, wie es in 4a noch erläutert wird, eine Blasenverdampfung zu triggern, damit die Verdampfungseffizienz erhöht wird.In addition, all associated with the piston compression losses fall away. In addition, the very low water losses which would otherwise be incurred in the throttling can be used to improve the evaporation process, since the effluent water at the effluent temperature, which will typically be higher than the groundwater temperature, will be used to advantage Evaporator by means of a structuring 206 a drainpipe 204 as it is in 4a is still to trigger a bubble evaporation, so that the evaporation efficiency is increased.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf 7 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Der Wasserverdampfer umfasst eine Verdampfungskammer 100 und ein Steigrohr 102, in dem sich Grundwasser von einem Grundwasser-Reservoir 104 in Richtung eines Pfeils 106 nach oben in den Verdampfungsraum 100 bewegt. Das Steigrohr 102 mündet in einem Aufweiter 108, der ausgebildet ist, um den relativ engen Rohrquerschnitt aufzuweiten, um eine möglichst große Verdampfungsfläche zu schaffen. Der Aufweiter 108 wird trichterförmig, also in Form eines Rotationsparaboloids beliebiger Ausprägung sein. Er kann runde oder eckige Übergänge haben. Entscheidend ist lediglich, dass der in die Verdampfungskammer 100 gerichtete Durchmesser bzw. die der Verdampfungskammer 100 zugewandte Fläche größer als die Querschnittsfläche des Steigrohrs ist, um den Verdampfungsprozess zu verbessern. Wenn davon ausgegangen wird, dass etwa 1 l pro Sekunde durch das Steigrohr nach oben in die Verdampfungskammer fließt, werden bei einer Heizleistung von ca. 10 kW etwa 4 ml pro Sekunde im Verdampfer verdampft. Der Rest läuft um etwa 2,5 °C abgekühlt über den Aufweiter 108 hinaus und landet in einem Auffang-Sammelbecken 110 in der Verdampfungskammer. Das Auffang-Sammelbecken 110 hat einen Ablauf 112, in dem die Menge von 1 l pro Sekunde weniger die verdampften 4 ml pro Sekunde wieder abgeführt wird, und zwar vorzugsweise zurück in das Grundwasserreservoir 104. Hierzu ist vorzugsweise eine Pumpe 114 bzw. ein Ventil zur Überlaufregelung vorgesehen. Es sei darauf hingewiesen, dass hier nichts aktiv gepumpt werden muss, da aufgrund der Schwerkraft dann, wenn die Pumpe bzw. das Ventil 114 geöffnet ist, Wasser aus dem Verdampfer-Auffangbecken 110 über ein Rücklaufrohr 113 nach unten in das Grundwasserreservoir fließt. Die Pumpe bzw. das Ventil 114 stellen somit sicher, das das Wasserniveau im Auffangbecken nicht zu hoch steigt oder dass in das Ablaufrohr 112 kein Wasserdampf eindringt bzw. dass die Verdampfungskammer auch von der Situation am „unteren" Ende des Rücklaufrohrs 113 sicher entkoppelt ist.Hereinafter, referring to 7 a preferred embodiment of the present invention explained in detail. The water evaporator comprises an evaporation chamber 100 and a riser 102 in which groundwater from a groundwater reservoir 104 in the direction of an arrow 106 up into the evaporation room 100 emotional. The riser 102 flows into an expander 108 , which is designed to widen the relatively narrow tube cross-section in order to create the largest possible evaporation surface. The expander 108 will be funnel-shaped, so be in the form of a paraboloid of revolution of any expression. It can have round or angular transitions. The only thing that matters is that the in the evaporation chamber 100 directed diameter or the evaporation chamber 100 facing surface is greater than the cross-sectional area of the riser to improve the evaporation process. If it is assumed that about 1 l per second flows through the riser up into the evaporation chamber, about 4 ml per second are evaporated in the evaporator at a heating power of about 10 kW. The remainder is cooled by about 2.5 ° C over the expander 108 out and lands in a catch basin 110 in the evaporation chamber. The collecting basin 110 has a process 112 in which the amount of 1 liter per second less the evaporated 4 ml per second is removed again, preferably back into the groundwater reservoir 104 , For this purpose, preferably a pump 114 or a valve provided for overflow control. It should be noted that here nothing has to be actively pumped because due to gravity then when the pump or the valve 114 open, water from the evaporator catch basin 110 via a return pipe 113 flows down into the groundwater reservoir. The pump or the valve 114 thus ensure that the water level in the catch basin does not rise too high or that in the drain pipe 112 no water vapor penetrates or that the evaporation chamber also from the situation at the "lower" end of the return pipe 113 safely decoupled.

Das Steigrohr ist in einem Steigrohrbecken 116 angeordnet, das von einer vorzugsweise vorgesehenen Pumpe 118 mit Wasser gefüllt wird. Die Pegel in 116 und 108 sind nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden, wobei die Schwerkraft und die unterschiedlichen Drücke in 116 und 108 für einen Transport des Wassers von 116 nach 108 sorgen. Der Wasserpegel im Steigrohrbecken 116 ist vorzugsweise so angeordnet, dass auch bei unterschiedlichen Luftdrücken der Pegel nie unter den Einlass des Steigrohrs 102 fällt, damit ein Eindringen von Luft vermieden wird.The riser is in a riser tank 116 arranged, that of a preferably provided pump 118 filled with water. The levels in 116 and 108 are connected to each other according to the principle of communicating tubes, with gravity and the different pressures in 116 and 108 for a transport of water from 116 to 108 to care. The water level in the riser tank 116 is preferably arranged so that even at different air pressures the level never under the inlet of the riser 102 falls to prevent the ingress of air.

Vorzugsweise umfasst der Verdampfer 10 einen Gasabscheider, der ausgebildet ist, um wenigstens einen Teil, z. B. wenigstens 50 % eines Gases, das in dem zu verdampfenden Wasser gelöst ist, aus dem zu verdampfenden Wasser zu entfernen, so dass der entfernte Teil des Gases nicht über den Verdampfungsraum von dem Verdichter angesaugt wird. Vorzugsweise ist der Gasabscheider angeordnet, um den entfernten Teil des Gases einem nicht verdampften Wasser zuzuführen, damit das Gas von dem nicht verdampften Wasser ab transportiert wird. Gelöste Gase können Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff etc. umfassen. Diese Gase verdampfen zumeist bei einem höheren Druck als Wasser so dass der Gasabscheider unterhalb des Aufweiters 108 angeordnet sein kann, so dass im Gasabscheider verdampfter Sauerstoff etc. aus dem gerade noch nicht verdampfenden Wasser austritt und vorzugsweise in die Rückleitung 113 eingespeist wird. Die Einspeisung erfolgt vorzugsweise an der Stelle des Rückleitung 113, an der der Druck so niedrig ist, dass das Gas von dem zurücklaufenden Wasser wieder ins Grundwasser mitgenommen wird. Alternativ kann das abgeschiedene Gas jedoch auch gesammelt und in bestimmten Intervallen entsorgt werden oder laufend entlüftet, also an die Atmosphäre abgegeben werden.Preferably, the evaporator comprises 10 a gas separator, which is adapted to at least a part, for. To remove at least 50% of a gas dissolved in the water to be evaporated, from the water to be evaporated, so that the removed part of the gas is not sucked through the evaporation space of the compressor. Preferably, the gas separator is arranged to supply the removed part of the gas to a non-evaporated water, so that the gas is transported from the non-evaporated water. Dissolved gases may include oxygen, carbon dioxide, nitrogen, etc. These gases usually evaporate at a higher pressure than water so that the gas separator below the expander 108 may be arranged, so that in the gas separator evaporated oxygen, etc. exits the just not yet evaporating water and preferably in the return line 113 is fed. The feed is preferably at the point of return 113 , where the pressure is so low that the gas from the returning water is taken back into the groundwater. Alternatively, however, the separated gas can also be collected and disposed of at certain intervals or continuously vented, that is delivered to the atmosphere.

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 118 mehr Grundwasser in das Steigrohrbecken 116 befördert, so dass der Verdampfungskammer mehr Grundwasser zugeführt wird. Wird die Strömungsmaschine dagegen einen geringeren Verdichtungsfaktor liefern, so fließt auch weniger Grundwasser von unten nach oben.The power generated is therefore determined by the compressor power, so on the one hand by the compression factor, ie how much compressed the compressor, and on the other by the volume flow generated by the compressor. If the volume flow increases, the evaporator must vaporize more, with the pump 118 more groundwater in the riser tank 116 transported, so that the evaporation chamber is fed more groundwater. If, on the other hand, the turbomachine delivers a lower compression factor, less groundwater flows from the bottom to the top.

An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass es bevorzugt wird, den Durchfluss von Grundwasser durch die Pumpe 118 zu steuern. Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren legt der Füllstand im Behälter 116 bzw. die Fördermenge der Pumpe 118 den Durchfluss durch das Steigrohr fest. Damit kann eine Effizienzsteigerung der Anlage erreicht werden, da die Steuerung des Durchflusses von der Saugleistung der Strömungsmaschine entkoppelt wird.It should be noted, however, that it is preferred that the flow of groundwater through the pump 118 to control. According to the principle of communicating tubes, the filling level is in the tank 116 or the flow rate of the pump 118 the flow through the riser firmly. Thus, an increase in efficiency of the system can be achieved because the control of the flow is decoupled from the suction power of the turbomachine.

Es wird keine Pumpe benötigt, um das Grundwasser von unten in die Verdampfungskammer 100 zu pumpen. Statt dessen geschieht dies von „selbst". Dieses automatische Aufsteigen zur evakuierten Verdampfungskammer hilft auch dabei, dass der Unterdruck von 20 hPa ohne Weiteres erreichbar ist. Hierzu werden keine Evakuierungspumpen oder etwas ähnliches benötigt. Statt dessen wird lediglich ein Steigrohr mit einer Höhe größer 9 m benötigt. Dann wird eine rein passive Unterdruckerzeugung erreicht. Der nötige Unterdruck kann jedoch auch mit einem wesentlich kürzeren Steigrohr erzeugt werden, wenn z. B. die Implementierung von 5a eingesetzt wird. In 5a ist ein wesentlich verkürztes "Steigrohr" gezeigt. Die Umsetzung vom hohen Druck auf den Unterdruck wird über eine Turbine 150 bewirkt, wobei die Turbine hierbei Energie aus dem Arbeitsmedium entzieht. Gleichzeitig wird der Unterdruck auf der Rücklauf-Seite wieder in den hohen Druck gebracht, wobei die dafür nötige Energie durch eine Pumpe 152 geliefert wird. Die Pumpe 152 und die Turbine 150 sind über eine Kraftkopplung 154 miteinander gekoppelt, so dass die Turbine die Pumpe antreibt, und zwar mit der Energie, die die Turbine dem Medium entzogen hat. Ein Motor 156 wird lediglich noch benötigt, um die Verluste, die das System selbstverständlich hat, auszugleichen, und um die Umwälzung zu erreichen, um also ein System aus seiner Ruhelage in den in 5a gezeigten dynamischen Modus zu bringen.No pump is needed to get the groundwater from below into the vaporization chamber 100 to pump. Instead, this is done by "self." This automatic upgrade to the evacuated vaporization chamber also helps to easily reach the 20 hPa negative pressure, without the need for evacuation pumps or anything else, and instead just a riser with a height greater than 9 In this case, a purely passive negative pressure generation is achieved, but the necessary negative pressure can also be generated with a much shorter riser pipe, eg if the implementation of 5a is used. In 5a is shown a much shortened "riser". The implementation of the high pressure on the negative pressure is via a turbine 150 causes, whereby the turbine extracts energy from the working medium. At the same time, the negative pressure on the return side is brought back into high pressure, with the necessary energy through a pump 152 is delivered. The pump 152 and the turbine 150 are via a power coupling 154 coupled so that the turbine drives the pump, with the energy that the turbine has withdrawn from the medium. An engine 156 is only needed to compensate for the losses that the system has of course, and to achieve the circulation, so a system from its rest position in the in 5a to bring shown dynamic mode.

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 "Strömungsmaschinen", C. Pfleiderer, H. Petermann, Springer-Verlag, 2005, Seiten 82 und 83 beschrieben. Solche Radialverdichter umfassen somit als drehbares Rad den sog. Mittelläufer, dessen Form von den einzelnen Anforderungen abhängt. Generell können beliebige Strömungsmaschinen eingesetzt werden, wie sie als Turboverdichter, Ventilatoren, Gebläse oder Turbokompressoren bekannt sind.In the preferred embodiment, the turbomachine is configured as a rotary compressor with a rotatable wheel, wherein the wheel may be a low-speed radial, medium-radial, semi-axial, or propeller, as known in the art. Radial compressors are in "Turbomachines", C. Pfleiderer, H. Petermann, Springer-Verlag, 2005, pages 82 and 83 described. Such radial compressors thus include as a rotatable wheel the so-called. Center runner whose form depends on the individual requirements. In general, any flow machines can be used, as they are known as turbo compressors, fans, blowers or turbocompressors.

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.

Claims (14)

Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks, mit folgenden Merkmalen: Platzieren (10) und Fixieren eines Permanentmagnets (562a, 562b, 580, 592) in einer Gussform, wobei der Permanentmagnet eine Curie-Temperatur hat; Einbringen (12) von Verstärkungsmaterial an einer ausgewählten Stellen in die Gussform; nach dem Schritt (12) des Einbringens (12) von Verstärkungsmaterial, Einbringen (14) von flüssigem Gussmaterial in die Form, wobei eine Temperatur des flüssigen Gussmaterials kleiner als die Curie-Temperatur des Permanentmagneten ist; und Entnehmen (16) des Werkstücks nach einer Abkühlung des flüssigen Gussmaterials aus der Gussform, wobei das Werkstück den Permanentmagneten und gehärtetes Gussmaterial aufweist.Method for producing a workpiece, having the following features: placing ( 10 ) and fixing a permanent magnet ( 562a . 562b . 580 . 592 ) in a mold, wherein the permanent magnet has a Curie temperature; Introduction ( 12 ) reinforcing material at a selected location in the mold; after the step ( 12 ) of introduction ( 12 ) of reinforcing material, introduction ( 14 ) of liquid casting material into the mold, wherein a temperature of the liquid casting material is less than the Curie temperature of the permanent magnet; and removing ( 16 ) of the workpiece after cooling the liquid casting material from the mold, wherein the workpiece comprises the permanent magnet and hardened casting material. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Gussform eine Spritzgussform ist, bei dem das Einbringen (14) ein Spritzgießen aufweist, und bei dem das Gussmaterial ein Kunststoff ist.The method of claim 1, wherein the mold is an injection mold, wherein the introduction ( 14 ) has an injection molding, and wherein the casting material is a plastic. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gussform ausgebildet ist, um ein Radialrad (500), eine Welle (570) und einen Lagerabschnitt (562, 592) oder einen Motor-Generator-Abschnitt (594) zu definieren, bei dem in Schritt (10) des Platzierens und Fixierens Permanentmagnete in dem Lagerabschnitt oder dem Motor-Generator-Abschnitt platziert werden, und bei dem das Werkstück ein rotierbarer Gegenstand ist, der das Radialrad (500), die Welle (570) und den wenigstens einen Lagerabschnitt (562, 597) oder einen Motor/Generator-Abschnitt (594) aufweist.Method according to Claim 1 or 2, in which the casting mold is designed to be a radial wheel ( 500 ), a wave ( 570 ) and a storage section ( 562 . 592 ) or a motor-generator section ( 594 ), in which in step ( 10 ) of placing and fixing permanent magnets are placed in the bearing section or the motor-generator section, and in which the workpiece is a rotatable object, the radial wheel ( 500 ), the wave ( 570 ) and the at least one storage section ( 562 . 597 ) or a motor / generator section ( 594 ) having. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Werkstück ein rotierbarer Gegenstand einer Strömungsmaschine mit gekoppeltem Motor/Generator ist, und bei dem das Werkstück das Radialrad, den Motor-Generator-Abschnitt und wenigstens zwei Permanentmagnet-Lagerabschnitte aufweist, wobei wenigstens ein Permanentmagnet in dem Permanentmagnet-Lagerabschnitt und in dem Motor/Generator-Abschnitt angeordnet ist.The method of claim 3, wherein the workpiece is rotatable Subject of a turbomachine with coupled motor / generator is, and where the workpiece is the radial wheel, the motor generator section and at least two permanent magnet bearing sections, in which at least one permanent magnet in the permanent magnet bearing section and in the motor / generator section is arranged. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt (12) des Einbringens ein Fixieren des Verstärkungsmaterials an der ausgewählten Stelle der Gussform aufweist, wobei sich das Verstärkungsmaterial zumindest von einer Komponente des Gussmaterials unterscheidet, wenn das Gussmaterial ein Mehrkomponentenmaterial ist, oder wobei sich das Verstärkungsmaterial von dem Gussmaterial unterscheidet, wenn das Gussmaterial ein Einkomponenten-Material ist.Method according to one of the preceding claims, in which the step ( 12 ), wherein the reinforcing material is different from at least one component of the cast material, when the cast material is a multi-component material, or where the reinforcing material is different from the cast material, when the cast material is a one-component Material is. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Verstärkungsmaterial Kohlefasern oder Glasfasern aufweist, und bei dem das Gussmaterial Kunststoff mit eingebrachten Kohle- oder Glasfasern ist, die im Vergleich zu Kohlefasern oder Glasfasern des Verstärkungsmaterials gekürzt sind.A method according to claim 5, wherein the reinforcing material comprises carbon fibers or glass fibers, and wherein the casting material is plastic with carbon or glass fibers incorporated which, compared to carbon fibers or glass fibers of the reinforcing material, are carbon fibers or glass fibers kungsmaterials are cut. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gussform so definiert ist, dass sie Abschnitte (595, 596) aufweist, die Haltebereiche für Magnete (580, 592, 562) definieren, wobei die Abschnitte so angeordnet sind, dass ein Magnet dann, wenn das Werkstück rotiert, auf eine Oberfläche des Abschnitts drückt.Method according to one of the preceding claims, in which the casting mold is defined as having sections ( 595 . 596 ), the holding areas for magnets ( 580 . 592 . 562 ), wherein the portions are arranged so that when the workpiece rotates, a magnet presses on a surface of the portion. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Permanentmagnet aus FeNdB ist, und bei dem das Gussmaterial ein Kunststoffmaterial aus ist, das Polyarylamid aufweist.Method according to one of the preceding claims, at the permanent magnet is FeNdB, and where the casting material is a plastic material made of polyarylamide. Werkstück aus abgekühltem Gussmaterial, das einen oder mehrere Permanentmagnete (562, 580, 592) aufweist, der bzw. die von dem Gussmaterial zumindest teilweise materialschlüssig umgeben ist bzw. sind, und das ferner einen durch ein Verstärkungsmaterial verstärkten Bereich aufweist.Workpiece made of cooled casting material containing one or more permanent magnets ( 562 . 580 . 592 ) surrounded by the casting material at least partially materially, and further comprising a reinforced by a reinforcing material area. Werkstück nach Anspruch 9, das folgende integral gefertigte Abschnitte aufweist: ein Radialrad (500) und eine Welle (570) mit einer Lagerabschnitt (562, 592) oder einem Motor/Generator-Abschnitt (94), der den Permanentmagneten aufweist.A workpiece according to claim 9, comprising the following integrally machined sections: a radial wheel ( 500 ) and a wave ( 570 ) with a bearing section ( 562 . 592 ) or a motor / generator section ( 94 ), which has the permanent magnet. Werkstück nach Anspruch 10, bei dem die Welle (570) folgende Abschnitte aufweist: zwei Lagerabschnitte (592, 562) mit jeweils einer Mehrzahl von Permanentmagneten; und einen Motor/Generator-Abschnitt mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten.Workpiece according to Claim 10, in which the shaft ( 570 ) comprises the following sections: two bearing sections ( 592 . 562 ) each having a plurality of permanent magnets; and a motor / generator section having a plurality of permanent magnets. Werkstück nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Permanentmagnete an Magnet-Halteabschnitte (595, 596) materialschlüssig angebracht sind, wobei die Magnet-Halteabschnitte so definiert sind, dass dann, wenn das Werkstück rotiert, die Permanentmagnete aufgrund einer nach außen gerichteten Kraft aufgrund der Rotation auf die Material-Halteabschnitte drücken.Workpiece according to Claim 10 or 11, in which the permanent magnets are attached to magnetic holding sections ( 595 . 596 ) are materially mounted, wherein the magnet holding portions are defined so that when the workpiece rotates, the permanent magnets press due to an outward force due to the rotation on the material holding portions. Werkstück nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das ausgebildet ist, um als rotierender Gegenstand in einer Strömungsmaschine/Motor-Generator-Kombination einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung oder Gebäudekühlung eingesetzt zu werden.workpiece according to one of the claims 9 to 12, which is designed to be used as a rotating object in a turbomachine / motor-generator combination a heat pump for building heating or building cooling used to become. Werkstück nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem der verstärkte Bereich von Kunststoff umgebene Kohlefasern oder Glasfasern aufweist, und bei dem das Gussmaterial Kunststoff mit eingebrachten Kohle- oder Glasfasern ist, die im Vergleich zu Kohlefasern oder Glasfasern in dem verstärkten Bereich gekürzt sind.workpiece according to one of the claims 9 to 13, in which the reinforced Having area surrounded by plastic carbon fibers or glass fibers, and in which the casting material plastic with introduced carbon or Glass fibers is that compared to carbon fibers or glass fibers in the reinforced area reduced are.
DE102006056799A 2006-12-01 2006-12-01 Method for producing a workpiece and workpiece Withdrawn DE102006056799A1 (en)

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