DE10220391A1 - Wärmepumpe oder Kältemaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer Wärmepumpe oder Kältemaschine wird der mit dem Verdichter (1) verflüssigte Wärmeträger über ein als Expansionsturbine (15) ausgebildetes Drosselorgan (10) in den Verdampfer (11) expandiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe oder Kältema­ schine. Wärmepumpen und Kältemaschinen, die als Verdichter meist einen mit Ventilen bestückten Kolbenkompressor aufwei­ sen, besitzen zwar grundsätzlich den selben Aufbau, haben je­ doch einen unterschiedlichen Zweck. Die Wärmepumpe nimmt aus der Umgebung Energie in Form von Niedrigwärme auf und trans­ feriert diese auf eine für Heizzwecke nützliche Temperatur, während eine Kältemaschine einem geschlossenen Raum Energie in Form von Wärme entzieht, um sie außerhalb dieses Raumes an die Umgebung abzugeben.

Der Verdichter wird im allgemeinen von einem asynchronen Elektromotor ein- oder mehrphasig angetrieben. Die Antriebs­ energie wird im Normalfall aus dem Stromnetz bezogen. Durch den Verdichter steigt der Druck und die Temperatur des flüs­ sigen Wärmeträgers an. Bei der Kältemaschine wird diese Wärme über Kühlschlangen direkt an die Umgebungsluft abgegeben; bei der Wärmepumpe über einen Wärmetauscher meistens an das Was­ ser einer Zentralheizungsanlage.

Damit sich im System ein Druck zur Wärmeabgabe aufbauen kann, ist zwischen dem Druckbereich, in dem die Wärmeabgabe er­ folgt, und dem Verdampfer ein Drosselventil vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Wärme­ pumpe oder Kältemaschine zu erhöhen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Drossel­ organ als Expansionsturbine ausgebildet ist, die durch den expandierenden Wärmeträger angetrieben wird.

Während nach dem Stand der Technik das Drosselventil einen Teil der Energie, die dem Wärmeträger durch den Verdichter zugeführt worden ist, durch Molekularreibung in der Düse des Drosselventils in Wärme umgesetzt wird, kann erfindungsgemäß durch die als Drosselorgan verwendete Expansionsturbine etwa die Hälfte der vom Verdampfer aufgebrachten Energie zurückge­ wonnen werden.

Vorzugsweise ist eine Rückkopplung der Drehbewegung der Ex­ pansionsturbine auf den Antrieb des Verdichters vorgesehen. Damit wird ein Teil, und zwar etwa die Hälfte der aufgebrach­ ten Antriebsenergie für den Verdichter wieder zum mechani­ schen Antrieb des Verdichters zurückgeführt. Die Energiebi­ lanz der Wärmepumpe bzw. der Kältemaschine steigt dadurch von durchschnittlich 1 : 3 auf 1 : 6. Das heißt, bei einem von einem Elektromotor angetriebenen Verdichter werden aus 1 kW-Stunde elektrischer Energie für den Motor des Verdichters 6 kW-Stunden Wärmeenergie für die Heizung gewonnen.

Die Expansionsturbine ist vorzugsweise als Zahnradturbine ausgebildet. Der Druckabbau in dem Drosselorgan erfolgt damit in den sich drehenden Zahnradlücken. Der unter Druck stehende flüssige Wärmeträger füllt die einzelnen umlaufenden Zahnradlücken der beiden im Eingriffsbereich abdichtenden Zahnräder und dreht dieselben unter Abgabe eines nach außen geführten Drehmoments in Richtung Verdampfer, sodass sich der flüssige Wärmeträger nach Verlassen des Eingriffsbereichs der beiden Zahnräder schlagartig entspannen kann. Das Entspannen des Wärmeträgers erfolgt damit ohne wesentliche Reibungsverluste.

Zudem weist eine Zahnradturbine einen kompakten kostengünsti­ gen Aufbau auf.

Die Zahnradturbine wird vorzugsweise in dem Gehäuse des von dem Wärmeträger durchströmten Drosselorgans angeordnet, wo­ durch die Schmierung und Abdichtung unproblematisch ist. So braucht das Gehäuse nach außen lediglich an dem Anschluss an den Druckbereich und, wenn die Rückkopplung der Drehbewegung der Expansionsturbine durch ein Getriebe erfolgt, an der Ab­ triebswelle der Expansionsturbine bzw. des Getriebes abge­ dichtet zu werden. Zur Abdichtung der Abtriebswelle wird vor­ zugsweise eine Gleitringdichtung verwendet. Die vorzugsweise durch eine Feder belastete Gleitringdichtung kann an einem Innenteil vorgesehen sein, das beispielsweise über eine Dich­ tung an dem Gehäuse des Drosselorgans angeflanscht ist. Das Gehäuse des Drosselorgans besteht vorzugsweise aus Kunst­ stoff.

Zwischen der Expansionsturbine und dem Antrieb des Verdich­ ters ist vorzugsweise eine Kupplung vorgesehen. Um zu verhin­ dern, dass bei schnellem Umlauf des Verdichters die Expansi­ onsturbine den Verdichter bremst, kann die Kupplung eine Freilaufeinrichtung aufweisen. Über die Kupplung wird die me­ chanische Antriebsleistung der Expansionsturbine direkt an den Verdichter abgegeben.

Der Verdichter kann durch einen asynchronen Elektromotor an­ getrieben sein. Wenn der asynchrone Motor durch die Expansi­ onsturbine angetrieben wird, wird der Schlupf des Asynchron­ motors im Vergleich zur Synchrondrehzahl wesentlich redu­ ziert, wodurch der Stromverbrauch des Asynchronmotors ent­ sprechend herabgesetzt wird.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Wärmepumpe oder Käl­ temaschine eine Regeleinrichtung auf, um die Durchflussmenge des Wärmeträgers durch die Expansionsturbine an den Solldruck und/oder die Solltemperatur des Wärmeträgers anzupassen.

Diese Regelung auf Solldruck und/oder Solltemperatur lässt sich erfindungsgemäß auf verschiedene Art und Weise errei­ chen.

Die Durchflussmenge des Wärmeträgers ist von der Drehzahl der Expansionsturbine abhängig, und diese von dem Übersetzungs­ verhältnis des Abtriebs in mechanischer Verbindung zum Ver­ dichter.

Eine Regelmöglichkeit mit großem Regelbereich besteht damit durch eine stufenlose Veränderung der Untersetzung der Expan­ sionsturbine zum Antrieb des Verdichters. Dabei kommen alle üblichen stufenlosen Untersetzungsmöglichkeiten auf mechani­ scher oder hydrostatischer Basis in Frage. Zudem kann eine magnetische, elektromagnetische, hydraulische oder pneumati­ sche Rückkopplung der Drehbewegung der Expansionsturbine auf den Antrieb des Verdichters vorgesehen sein. So kann von der Expansionsturbine eine hydraulische oder pneumatische Pumpe angetrieben werden, die im Drosselorgangehäuse angeordnet sein kann. Damit brauchen nach außen nur Leitungen durchge­ führt zu werden, also keine Abtriebswellen oder dergleichen sich drehenden Bauteile, sodass die Notwendigkeit einer Wel­ lenabdichtung entfällt. Die hydraulische oder pneumatische Pumpe kann dann beispielsweise einen Hydraulik- oder Pneuma­ tikmotor zum Antrieb des Elektromotors des Verdichters an­ treiben.

Das Getriebe kann auch so gestaltet werden, dass die Unter­ setzung zwischen der hochtourigen Expansionsturbine und dem Verdichterantrieb zwischen zwei festen Untersetzungen hin- und herpendeln kann. Über eine unter Last schaltbare Kupplung wird je nach Nachregelbedürfnis von der niederen auf die hohe Untersetzung umgeschaltet und umgekehrt.

Dadurch wird eine einfache Zweipunktregeleinrichtung gebil­ det, die für den Nachregelungsbedarf bei Wärmepumpen und Kühlmaschinen im unteren Leistungsbereich ausreichend ist.

Zur elektromagnetischen Rückkopplung der Drehbewegung der Ex­ pansionsturbine auf den Elektromotor des Verdichters kann auch ein Stromgenerator als regeltechnisch vorteilhafte Lö­ sung vorgesehen sein. Damit, wie vorstehend im Zusammenhang mit der Hydraulik bzw. Pneumatikpumpe beschrieben, die Not­ wendigkeit einer Wellenabdichtung entfällt, ist der Stromge­ nerator vorzugsweise in dem Drosselorgangehäuse angeordnet. Derartige kleindimensionierte Generatoren mit hohem Wirkungs­ grad beispielsweise mit elektronischer Kommutierung sind im Handel erhältlich.

Moderne Wärmepumpen über 1 kW Leistung werden heute bereits häufig mit einem Frequenzwandler zur Leistungsanpassung be­ trieben, um das unwirtschaftliche häufige Hochstarten beim Ein-/Aus-Betrieb zu vermeiden. Solche Frequenzwandler werden im Normalfall mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis be­ schrieben. Die Expansionsturbine kann hochtourig und dadurch einen sehr kompakt ausgeführten Drehstromgenerator mit perma­ nentmagnetischer Erregung antreiben. Eine ein- oder mehrpha­ sige Dioden-Brückenschaltung kann als Gleichrichter einge­ setzt werden. Die mit einem Kondensator stabilisierte Gleich­ spannung kann vom Generator über eine Regelschaltung zur An­ passung an den Solldruck und/oder die Solltemperatur dann vorzugsweise Impulsbreiten moduliert über einen elektroni­ schen Schalter, z. B. MOSFET-Transistor oder Tyristor, auf den bereits vorhandenen Gleichspannungs-Zwischenkreis geschaltet werden.

Zur Regelung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe oder Kältema­ schine, also um die Durchflussmenge des Wärmeträgers durch die Expansionsturbine an den Solldruck und/oder die Solltem­ peratur des Wärmeträgers anzupassen, hat sich eine weitere Ausführungsform mit integriertem elektrischen Regelkreis ohne eigenen Energiebedarf als besonders vorteilhaft herausge­ stellt.

Dabei wird der Elektromotor zum Antrieb des Verdichters mit der Expansionsturbine angetrieben, wobei die Motorwelle des Elektromotors eine Verdichterturbine antreibt, die den Ver­ dichter beim Verflüssigen des Wärmeträgers unterstützt und vorzugsweise ebenfalls als Zahnradturbine ausgebildet ist.

Das eine Zahnrad der als Zahnradturbine ausgebildeten Expan­ sionsturbine kann auch auf der Welle des vorzugsweise als Schrittmotor ausgebildeten Elektromotors befestigt und gela­ gert sein. Dabei kann ein handelsüblicher Schrittmotor in zweiphasig bipolarer Ausführung verwendet werden. Auf der Mo­ torwelle des Schrittmotors ist zugleich das Zahnrad der als Zahnradturbine ausgebildeten Verdichterturbine befestigt und gelagert, vorzugsweise auf der der Expansionsturbine gegenü­ berliegenden Seite des Schrittmotors.

Die Verdichterturbine kann dabei auf der Saugseite des Ver­ dichters vorgesehen sein, und zwar vorzugsweise bei größeren Wärmepumpen oder Kältemaschinen mit mehrzylindrigen Kolben­ verdichtern oder mit Schraubenverdichtern.

Dabei ist vorzugsweise eine Bypass-Leitung vorgesehen, die die Verdichterturbine überbrückt und mit einem Rückschlagven­ til versehen ist, das verhindert, dass der Wärmeträger über die Bypass-Leitung zurückströmt.

Bei kleineren Wärmepumpen oder Kältemaschinen mit einzylind­ rigem Kolbenverdichter kann die Verdichterturbine parallel zum Verdichter angeordnet, also einerseits an die Saugseite und andererseits an die Druckseite des Verdichters ange­ schlossen sein.

Einzylindrige Kolbenverdichter erzeugen einen im Druck stark pulsierenden Wärmeträgerstrom auf der Druckseite. Durch die parallel angeordnete Verdichterturbine werden diese Drucklü­ cken gefüllt. Dadurch wird eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades der gesamten Anlage erreicht.

Um ein Zurückströmen des Wärmeträgers durch die parallel an­ geordnete Verdichterturbine zu verhindern, ist zwischen der Druckseite des Verdichters und der Verdichterturbine ein Rückschlagventil vorgesehen.

Um der Druckseite des Verdichters zusätzlich Wärmeträger zu­ zuführen, kann der Wärmeträger auf der Druckseite ähnlich wie das Wasser einer Wasserstrahlpumpe aus einer Düse in ein er­ weitertes Rohr eintreten, an das die Verdichterturbine auf ihrer Druckseite angeschlossen ist.

Durch eine Resonanzabstimmung der Leitungen der Wärmepumpe oder Kältemaschine kann eine weitere deutliche Steigerung der Leitzahl erreicht werden.

Die Expansionsturbine, die Verdichterturbine und der Elektro­ motor sind vorzugsweise in das Gehäuse des Verdichters integ­ riert.

Ferner ist vorzugsweise eine Schrittmotorregelung zur Expan­ sionsanpassung vorgesehen, die einen wesentlichen Teil der Expansionsrückkopplung bildet.

Dazu ist der Schrittmotor als bipolar zweiphasig gewickelter Schrittmotor mit einer Generatorwicklung und einer Bremswick­ lung ausgebildet. Ferner ist ein Gleichrichter zur Umwandlung der Generatorspannung vorgesehen. Zur Stabilisierung der Ge­ neratorspannung bzw. Gleichspannung ist ein Kondensator vor­ gesehen. Der Plus- oder Minuspol des Gleichrichters ist über eine Regeleinrichtung und die Bremswicklung mit dem Minus- bzw. Plus-Pol des Gleichrichters verbunden, wobei die Re­ geleinrichtung thermisch leitend stromabwärts der Expansions­ turbine und/oder stromaufwärts der Verdichterturbine mit dem Wärmeträger verbunden ist.

Die Regeleinrichtung kann durch wenigstens einen NTC (negati­ ver Temperaturkoeffizient)-Widerstand gebildet sein, der mit dem Wärmeträger thermisch leitend stromabwärts der Expansi­ onsturbine bzw. stromaufwärts der Verdichterturbine verbunden ist, sowie durch wenigstens einen Festwiderstand. Bei einem NTC-Widerstand nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab. Dadurch fließt mehr Strom in die Bremswicklung nach dem Prinzip der Gleichstrombremse.

Zudem kann zwischen dem Gleichrichter und der Regeleinrich­ tung bzw. dem Festwiderstand ein Trimmpotenziometer vorgese­ hen sein, um in den Regelkreis einzugreifen.

Da die Expansion des Wärmeträgers - statt wie bisher analog in einem Drosselventil - erfindungsgemäß digital in den Zahn­ lücken der Zahnradturbine stattfindet, werden Wärmeverluste, wie bei der bisher üblichen analogen Drosselung durch Moleku­ lar-Reibung, erfindungsgemäß weitgehend vermieden und der Ge­ samtwirkungsgrad der Anlage verbessert. Die Turbinendrehzahl mal der Zähnezahl der ineinander greifenden Zahnräder geteilt durch 60 ergibt die Expansionsfrequenz. Diese Frequenz kann sich im kHz-Bereich bis über die menschliche Hörschwelle hin­ aus bewegen.

Eine einfache digitale Regeleinrichtung mit dem bipolar­ zweiphasig gewickelten Schrittmotor mit Generatorwicklung und Bremswicklung ist kann auch durch eine impulsbreiten Modula­ tion mit üblichen einfachen Trigger-Bauteilen, wie Triggerdi­ ode, insbesondere SBS-Element oder integrierter Schaltung, sowie mit einem Temperaturfühler möglich, der thermisch lei­ tend mit dem Wärmeträger stromabwärts der Expansionsturbine bzw. stromaufwärts des der Verdichterturbine verbunden ist. Eine besonders einfache Temperaturregelung wird mit dem bipo­ lar zweiphasig gewichteten Schrittmotor durch einen Tempera­ turschalter erzielt.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeich­ nung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Wärmepumpe; und

Fig. 2 und 3 das als Expansionsturbine ausgebildete Drosselorgan der Wärmepumpe nach Fig. 1 mit teilweise weggeschnittenem Drosselorgangehäuse bzw. einen Längsschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 schematisch eine Wärmepumpe mit Verdichtertur­ bine;

Fig. 5 eine zum Teil geschnittene Ansicht eines Elekt­ romotors mit einer Expansionsturbine und einer Verdichterturbine;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch die Expansionsturbine entlang der Linie V-V in Fig. 4;

Fig. 7 eine Seitenansicht auf die Verdichterturbine nach Fig. 5;

Fig. 8 einen Längsschnitt durch die auf der Druckseite des Verdichters vorgesehene Düse;

Fig. 9 die Schaltung des Schrittmotors und der Re­ geleinrichtung.

Gemäß Fig. 1 wird der Wärmeträger mit einem Verdichter 1, der als mit Ventilen 2, 3 bestückter, von einem Elektromotor 5 angetriebener Kolbenkompressor 4 ausgebildet ist, verflüssigt und über die Leitung 6 dem als Wärmetauscher ausgebildeten Verflüssiger 7 zugeführt, in dem der auf eine hohe Temperatur von z. B. 50°C erwärmte flüssige Wärmeträger seine Wärme z. B. über Rohrschlange 8 an eine Raumheizung abgibt. Der Verflüs­ siger 7 ist über eine Leitung 9 an ein Drosselorgan 10 ange­ schlossen, über das der z. B. auf eine Temperatur von 40°C ab­ gekühlte flüssige Wärmeträger in den Verdampfer 11 expan­ diert. Die hierzu notwendige Verdampfungswärme wird der Umge­ bung, beispielsweise dem Grundwasser, das den als Wärmetau­ scher ausgebildeten Verdampfer 11 gemäß den Pfeilen 12 und 13 durchströmt, entzogen, worauf der gasförmige Wärmeträger dem Verdichter 1 gemäß dem Pfeil 14 im Kreislauf wieder zugeführt wird.

Gemäß Fig. 2 und 3 ist das Drosselorgan 10 als Zahnradturbine 15 ausgebildet. Dazu sind zwei walzenförmige Zahnräder 16, 17, die im Bereich 18 ineinandergreifen, in einem Turbinenge­ häuse 19 drehbar gelagert. An den Einlass der Expansionstur­ bine 15 ist ein Rohrstutzen 21 angeschlossen, der mit der an den Verflüssiger 7 angeschlossenen Leitung 9 z. B. über eine Schraubverbindung 20 verbunden ist.

Die Zahnradturbine 15 ist in dem Gehäuse 22 des Drosselorgans 10 angeordnet. Das Gehäuse 22 wird dazu an einer Seite von dem Rohrstutzen 21 durchsetzt. Das andere Ende des Gehäuses 22 ist an den Verdampfer 11 angeschlossen.

An der Welle 23 des Zahnrades 16 ist ein Ritzel 24 befestigt, das zur Untersetzung mit dem Zahnrad 25 kämmt. Das Zahnrad 25 ist an einem Flansch 26 gelagert, der am Turbinengehäuse 19 und dem Stutzen 21 befestigt ist, sowie an einem plattenför­ migen Innenteil 27.

Die Abtriebswelle 28 ist mit einer federbelasteten Gleitring­ dichtung 29 abgedichtet. Das Innenteil 27 ist unter Zwischen­ schaltung einer Dichtung 31 an das Gehäuse 22 innen ange­ flanscht. Das am Rohrstutzen 21 befestigte Turbinengehäuse 19 kann gleichfalls an dem Innenteil 27 befestigt sein.

Wie in Fig. 1 durch den Doppelpfeil 32 schematisch darge­ stellt ist, wird die Drehbewegung der Expansionsturbine 15 über die Abtriebswelle 28 auf den Elektromotor 5 des Verdich­ ters 1 übertragen.

Der Druckabbau des die Zahnradturbine gemäß dem Pfeil 33 durchströmenden Wärmeträgers erfolgt in den Zahnlücken der sich drehenden Zahnräder 16, 17. Das heißt, der unter Druck stehende flüssige Wärmeträger füllt jede der umlaufenden Zahnlücken der im Bereich 18 ineinandergreifenden und sich abdichtenden Zahnräder 16, 17, wodurch die Zahnräder sich in Richtung des Verdampfers 11 drehen, sodass sich der im Ein­ griffsbereich 18 zwischen den Zahnlücken der Zahnräder 16, 17 eingeschlossene flüssige Wärmeträger schlagartig entspannt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist vor dem Kolbenkom­ pressor 5 in der Leitung 39, die den Verdampfer 11 mit dem Kolbenkompressor 4 verbindet, eine Verdichterturbine 40 als Vorverdichter vorgesehen.

Die Verdichterturbine 40 kann stattdessen, wie gestrichelt dargestellt, auch parallel zum Kolbenkompressor 4, also mit der Leitung 41 an die Leitung 39 auf der Saugseite und mit der Leitung 42 an die Leitung 6 auf der Druckseite des Kol­ benverdichters 4 angeschlossen sein.

Bei der als Vorverdichter ausgebildeten Verdichterturbine 40 ist zur Überbrückung der Verdichterturbine 40 eine Bypass- Leitung 43 mit einem Rückschlagventil 44 vorgesehen, das ver­ hindert, dass der Wärmeträger über die Bypassleitung 43 zu­ rückströmt. Demgegenüber ist bei der parallel angeordneten Verdichterturbine 40 das Rückschlagventil 45 in der Leitung 42 angeordnet.

Um der Druckseite des Kolbenkompressors 4 zusätzlich Wärme­ träger zuzuführen, ist, wie in Fig. 8 dargestellt, in der Leitung 6 ähnlich einer Wasserstrahlpumpe, eine Düse 46 vor­ gesehen, durch die der Wärmeträger auf der Druckseite des Kolbenkompressors 4 in ein erweitertes Rohr 47 eintritt, an das die Leitung 42 angeschlossen ist.

Gemäß Fig. 5 wird der Elektromotor 5 zum Antrieb des Ver­ dichters 4 mit der Expansionsturbine 48 angetrieben, wobei die Motorwelle 49 des Elektromotors 5 die Verdichterturbine 40 antreibt.

Die Verdichterturbine 40 und die Expansionsturbine 48 sind als Zahnradpumpen ausgebildet.

Wie aus Fig. 5 und 6 ersichtlich, bestehen die Turbinen 40 und 48 dazu aus einem plattenförmigen Kunststoffgehäuse 51, 52 mit zwei ineinandergreifenden Zahnrädern 53, 54 und 55, 56, die ebenfalls aus Kunststoff bestehen können. In dem Ge­ häuse 51 sind Kanäle 58, 59 vorgesehen. Die Kanäle 58, 59 in dem Gehäuse 51 verbinden die Leitungen 63, 64 mit dem Ein­ griffsbereich der Zahnräder 55, 56 auf der einen bzw. anderen Seite. Die Leitung 63 ist dabei an die Leitung 9 und die Lei­ tung 64 an die Leitung 38 angeschlossen (Fig. 4).

Die Leitungen 41 und 42 sind über entsprechende Kanäle in dem Gehäuse 52 mit dem Eingriffsbereich der Zahnräder 55, 56 auf der einen bzw. auf der anderen Seite verbunden (Fig. 4 und 7).

Durch die Platten 65 und 66 werden die Kanäle in den Gehäuse­ platten 51, 52 an der Außenseite verschlossen und durch die plattenförmigen Abschnitte 67, 68 der Motorhalterung 69 an der Innenseite.

Das Zahnrad 55 der Expansionsturbine 48 ist an der Motorwelle 49 des als Schrittmotor ausgebildeten Elektromotor 5 befes­ tigt und gelagert. In gleicher Weise ist das Zahnrad 53 der Verdichterturbine 40 auf der Motorwelle 49 auf der anderen Seite des Elektromotors 5 befestigt und gelagert.

Die Verdichterturbine 40, die Expansionsturbine 48 und der Elektromotor 5 können dabei in das Gehäuse des Kolbenkompres­ sors 4 integriert sein. Die Leitungen 41 und 42 der Verdich­ terturbine 40 können intern in diesem Gehäuse verlaufen, wäh­ rend die Leitungen 63, 64 nach aussen geführt und an die Lei­ tung 9 bzw. 38 angeschlossen sind.

Gemäß Fig. 9 ist der Elektromotor 5 als bipolarer, zweipha­ sig gewickelter Schrittmotor mit einer Generatorwicklung 70 und einer Bremswicklung 71 ausgebildet, wobei ein Dioden­ gleichrichter 72 zur Umwandlung der Generatorspannung vorge­ sehen ist. Mit einem Kondensator 73 wird die Gleichspannung stabilisiert. Der Pluspol des Gleichrichters 72 ist über ei­ nen Schalter 74 mit einem Trimmerpotentiometer 75 an eine Kombination aus einem Festwiderstand 76 und zwei NTC- Widerständen 77 in Serienschaltung mit der Bremswicklung 71 zum Minuspol des Gleichrichters 72 und des Kondensat 73 ge­ führt. Die NTC-Widerstände 77 sind über die Leitung 78 ther­ misch leitend mit dem Wärmeträger in der Leitung 41 der Ver­ dichterturbine 40 verbunden und bewirken so eine Gleichstrom­ bremsung durch die Bremswicklung 71 des Schrittmotors 5 bei einem zu starken Temperaturanstieg des Wärmeträgers in der Leitung 41. Auch kann der Steuerleitung 78 mit dem Wärmeträ­ ger in der Leitung 38 (Fig. 4) verbunden sein.

Steigt die Verdampfer-Rücklauftemperatur in der Leitung 41 an, so reduziert sich der Widerstand der NTC-Widerstände 77, wodurch die Expansionsturbine 48 durch den auf derselben Wel­ le 49 sitzenden Schrittmotor 5 mit der Bremswicklung 71 ent­ sprechend abgebremst wird. Dadurch steigt die Druckdifferenz zwischen den Leitungen 63 und 64 und die Verdampungstempera­ tur wird soweit abgesenkt, bis wieder ein Gleichgewicht der Parameter hergestellt ist.

Durch das Trimmpontentiometer 75 kann ein willkürlicher Ein­ fluss auf den Regelkreis ausgeübt werden. Mit dem Schalter 74 kann die ganze Regelschaltung unterbrochen werden. Wird die­ ser Schalter 74 als Bimetall-Thermoschalter wärmeleitend mit der zu kontrollierenden Leitung verbunden, so wirkt er be­ reits als Zweipunkt-Regler und die Bauteile 75, 76, 77 und 78 können weggelassen werden.

Claims (29)

1. Wärmepumpe oder Kältemaschine mit einem Verdichter zum Verflüssigen eines Wärmeträgers, der über ein Drosselor­ gan in einem Verdampfer expandiert, dadurch gekennzeich­ net, dass das Drosselorgan (10) als eine durch den expan­ dierenden Wärmeträger angetriebene Expansionsturbine aus­ gebildet ist.

2. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückkopplung (32) der Drehbewe­ gung der Expansionsturbine (15) auf den Antrieb des Ver­ dichters (1) vorgesehen ist.

3. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rückkopplung (32) der Drehbewegung der Expansionsturbine (15) auf den Antrieb des Verdichters (1) ein Getriebe zwischen der Expansionsturbine (15) und dem Antrieb des Verdichters (1) vorgesehen ist.

4. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Regeleinrichtung zur Anpassung der Durchflussmenge des Wärmeträgers durch die Expansionsturbine (15) an den Solldruck und/oder die Solltemperatur des Wärmeträgers ausgebildet ist.

5. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als stufenloses Getrie­ be ausgebildet ist.

6. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein me­ chanisches oder hydraulisches Getriebe ist.

7. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe durch zwei feste unter­ schiedliche Untersetzungen eine Zweipunkt-Regeleinrich­ tung bildet.

8. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung zwischen der Expansionsturbine (15) und dem Antrieb des Verdichters (1) vorgesehen ist.

9. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische, elektromagneti­ sche, hydraulische oder pneumatische Rückkopplung (32) der Drehbewegung der Expansionsturbine (15) auf den An­ trieb des Verdichters (1) vorgesehen ist.

10. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb des Verdichters (1) ein Elektromotor (5) vorgesehen ist.

11. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektromagnetischen Rückkopplung (32) der Drehbewegung der Expansionsturbine (15) auf den Elektromotor (5) des Verdichters (1) ein Stromgenerator vorgesehen ist.

12. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (5) als Asynchronmotor ausgebildet ist.

13. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb des Elektromotors (5) ein Frequenz-Wandler vorgesehen ist.

14. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (5) von der Expan­ sionsturbine (15, 48) angetrieben wird.

15. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichterturbine (40) zur Un­ terstützung des Verdichters (4) beim Verdichten des Wär­ meträgers vorgesehen ist, welche von der Motorwelle (49) des Elektromotors (5) angetrieben wird.

16. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterturbine (40) in Serie vor dem Verdichter (4) als Vorverdichter angeordnet ist.

17. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (4) ein mehrzylindri­ ger Kolbenverdichter oder ein Schraubenverdichter ist.

18. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterturbine (40) parallel zum Verdichter (4) angeordnet ist.

19. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein einzylindriger Kolbenverdichter (4) ist.

20. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträger auf der Druckseite des Verdichters (4) aus einer Düse (46) in ein erweitertes Rohr (47) strömt, an das die Verdichterturbi­ ne (40) auf der Druckseite angeschlossen ist.

21. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsturbine (15, 48) und/oder die Verdichterturbine (40) als Zahnradturbi­ ne ausgebildet ist.

22. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsturbi­ ne (48) und/oder die Verdichterturbine (40) und/oder der Elektromotor (5) in das Gehäuse des Verdichters (4) ein­ gebaut ist.

23. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (5) ein Schrittmotor ist.

24. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (5) ein bipolarer zweiphasig gewickelter Schrittmotor mit einer Generator­ wicklung (70), einer Bremswicklung (71) ist, wobei ein Gleichrichter (72) zur Umwandlung der Generatorspannung vorgesehen ist und der Plus- oder Minuspol des Gleich­ richters (72) über eine Regeleinrichtung und die Brems­ wicklung (71) mit dem Minus- bzw. Pluspol des Gleichrich­ ters (72) verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung ther­ misch leitend stromabwärts der Expansionsturbine (48) und/oder stromaufwärts der Verdichterturbine (40) mit dem Wärmeträger verbunden ist.

25. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (73) zur Stabilisie­ rung der Gleichspannung vorgesehen ist.

26. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung wenigs­ tens einen NTC-Widerstand (77) aufweist.

27. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung wenigstens ei­ nen Festwiderstand (76) aufweist.

28. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung durch ein Triggerbauteil mit einem Temperaturfühler gebildet wird.

29. Wärmepumpe oder Kältemaschine nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung durch einen Temperaturschalter gebildet wird.