WO2008064796A1 - Verfahren zum herstellen eines werkstücks und werkstück - Google Patents

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WO2008064796A1
WO2008064796A1 PCT/EP2007/009992 EP2007009992W WO2008064796A1 WO 2008064796 A1 WO2008064796 A1 WO 2008064796A1 EP 2007009992 W EP2007009992 W EP 2007009992W WO 2008064796 A1 WO2008064796 A1 WO 2008064796A1
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workpiece
injection molding
permanent magnet
motor
molding material
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PCT/EP2007/009992
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Holger Sedlak
Oliver Kniffler
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Efficient Energy Gmbh
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    • B29C45/14—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor incorporating preformed parts or layers, e.g. injection moulding around inserts or for coating articles
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
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    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2077/00—Use of PA, i.e. polyamides, e.g. polyesteramides or derivatives thereof, as moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2705/00—Use of metals, their alloys or their compounds, for preformed parts, e.g. for inserts

Definitions

  • the present invention relates to manufacturing processes, and more particularly to manufacturing processes for manufacturing workpieces comprising permanent magnets, and to such workpieces.
  • a permanent magnet rotates in an electric field and induces a voltage there, so that the rotation of the magnet in the field is converted into electrical energy.
  • the opposite principle in which a particular field is applied and due to the field, a magnet mounted on a shaft begins to rotate is known as the principle of an electric motor.
  • a magnet is attached to a shaft.
  • the shaft on which the magnets are located is associated with some type of wheel, such as a gear on an engine or a radial wheel on a generator or turbine, with this turbine a flowing medium, such as a vaporous medium, due to its motion, drives the radial wheel and the shaft connected thereto.
  • a rotating member in such a motor / generator, and especially when the motor / generator is used in conjunction with a compressor of gases, is thus a relatively complicated object which is expensive to manufacture.
  • the shaft is typically first made of metal to then attach the magnets to the shaft. Further, a specially made wheel, such as radial wheel is then attached to the shaft. After all, the shaft must of course also be stored be so that on the shaft also still bearing elements must be attached.
  • non-contact bearings which are also referred to as a magnetic bearing, this permanent magnets are needed.
  • Permanent magnetic bearings are used with repulsive force effect at the bearing gap, as described in British Patent 642,353.
  • Permanent magnetic bearings have both magnetic rotor-side and stator-side magnetic rings axially magnetized so that above the ring, e.g. is 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 coercitive field strength.
  • NdFeB neodymium-iron-boron
  • 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 position gap are magnetized in the same direction.
  • the axially directed "breakout force" is used here to absorb the rotor weight, such that a breakout force results when the rotor is displaced relative to the stator
  • electrical stabilizing coils are used directly on the circumference of the stator magnets, whereby the coil current is controlled so that When the shaft magnet moves in the direction of this stator magnet, it dampens the surface current of the stator magnet surrounded by the coil and thus its tensile force
  • the current regulation is controlled by a sensor that continuously measures the axial position of the wave magnets sor be used. You will be charged for this with a high-frequency current. Induced short-circuit currents at the ends of the waves influence the high-frequency current in the coils.
  • Such permanent magnetic bearings are used for rotary anode storage in an x-ray tube, for a spinning centrifuge, for a gas-cleaning vacuum gauge, for a neutron disk chopper, for a turbomolecular pump, for an X-ray pulse selector, for a neutron beam drum chopper, for a flywheel energy store or inside a crystal puller.
  • a permanent magnet mounted synchronous motor so the motor axis is initially manufactured during its production. Then the motor shaft is screwed with appropriate bearings or connected via press fit.
  • permanent magnets are mounted on the motor axle and may even be sheathed with a carbon fiber composite material comprising carbon fiber and resin. The production of such a motor shaft including storage thus includes many individual steps that are difficult to automate and significantly increase the cost of mass production.
  • This object is achieved by a method for producing a workpiece according to claim 1 or a workpiece according to claim 9.
  • the present invention is based on the finding that the individual components which are necessary on a motor shaft are fixed and manufactured in one step, as a result of which time and production costs are saved.
  • workpieces are produced according to the invention with permanent magnets, wherein the permanent magnets are placed in a mold. Thereafter, liquid casting material is introduced into the mold, taking care, however, that the temperature of the liquid casting material is less than the Curie temperature of the permanent magnet.
  • 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. Reinforcing areas are reinforced by introducing reinforcing material into the mold before the material is poured.
  • the liquid casting material is cooled and the workpiece having the permanent magnet and the hardened casting material is removed from the casting mold and optionally further processed.
  • a motor shaft including bearing and radial wheel is thus made of a highly rigid plastic in plastic injection molding technology.
  • 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, which leads to a certain selection of materials, preferably plastics.
  • the plastic in conjunction with the carbon fibers creates a highly tensile and resilient layer in one operation.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a method according to the invention for producing a workpiece
  • 2A is a schematic representation of a compressor for a heat pump with a plurality of sequentially arranged turbomachines.
  • 2B is a schematic representation of a setting of speeds of cascaded flow machine NEN as a function of a target temperature of a heat pump system
  • 2C is a schematic plan view of a radial wheel of a turbomachine, as is produced in one preferred embodiment of the present invention, in one piece with shaft and magnet;
  • Fig. 2D is a schematic cross-sectional view with a merely schematic representation of the Radialrad blades for illustrating the different extension of the blades with respect to the radius of the Radialrads;
  • FIG. 3 is a schematic representation of an actively controlled repulsive magnetic bearing
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the operation of a repulsive magnetic bearing
  • FIG. 5 shows a preferred embodiment of the workpiece according to the invention with radial wheel, motor / generator section and abutment section;
  • 6A is a schematic diagram of a heat pump in which the workpiece according to the invention can be advantageously used
  • Fig. 6B is a table illustrating various pressures and evaporative temperatures for water associated with these pressures
  • Fig. 7 is 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.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention for producing a workpiece.
  • first at least one permanent magnet is placed in a casting mold and fixed. As needed, further non-magnetic z.
  • 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.
  • step 12 in a preferred embodiment of the present invention, specific areas are then 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 the casting mold and when plastic material is used as the casting material which is introduced into the mold in a step 14.
  • Typical plastic materials already have "filling" fibers, but these fibers are limited to a certain relatively short length in order for the liquid plastic material to retain its flow properties, particularly when the same fibers are used in step 12 to reinforce specific areas, but with a larger one
  • the fibers introduced into the mold are then flowed through by the step 14 of the plastic injection-molding material containing the short fibers, which results in the formation of a length which is already present in the plastic injection-molding material if a cooling of the cast mold takes place in a step 16, an optimum bond between plastic injection-molding material and the fibers additionally introduced in step 12.
  • a step 14 such a plastic is used, which is already liquid at a temperature which is lower than the Curie temperature of the magnet.
  • FeNdB is used as a magnetic material having a Curie temperature of about 310 0 C.
  • a plastic material is preferably used as the casting material, which has polyarylamide, and which can be injected at 260 0 C to 280 0 C.
  • the workpiece 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.
  • the workpiece now consists of cooled casting material, which has at least one permanent magnet, which is surrounded by the casting material at least partially materially. If the casting process has worked correctly, the permanent magnet of the casting material is surrounded with material fit from all sides, which has defined the casting mold, without intermediate spaces and is therefore well embedded in the material.
  • anchoring techniques known from plastic injection molding can be used, but in the applications according to the invention in which rotating workpieces are produced that are heated at high temperatures. Care is taken to ensure that such anchors, which are then encased in the plastic, do not lead to an imbalance of the shaft.
  • a plastic radial impeller of a compressor of a heat pump is injected with the same on the shaft by the use of plastic, and there is a completely finished motor shaft with storage and radial wheel, which has been made material fit in only one step, which directly leads to low production costs and a high quality product.
  • FIGS. 2A to 2D A specific scenario will be discussed below with reference to FIGS. 2A to 2D, in which the motor shaft together with the radial wheel and bearing can preferably be used.
  • special embodiments of the radial wheel will be described in FIGS. 2C and 2D.
  • the fluid machine is configured as a rotary compressor with a rotatable wheel, where the wheel may be a low-speed radial, medium-radial, semi-axial, or propeller, as known in the art.
  • Radial compressors are described in "Turbomachines", C. Pfleiderer, H. Petermann, Springer-Verlag, 2005, pages 82 and 83. Such radial compressors thus include as a rotatable wheel the so-called. Center runner whose form depends on the individual requirements.
  • any turbomachines can be used, as they are known as turbine compressors, fans, blowers or turbocompressors.
  • the radial compressor 16 is designed as a plurality of independent turbomachines, which can be controlled independently of each other at least in terms of their speed, so that two turbomachines can have different speeds.
  • Fig. 2a Such an implementation is shown in Fig. 2a, in which the compressor is designed as a cascade of n fluid flow machines.
  • At any point after the first turbomachine one or more heat exchangers, for example, for hot water heating, which are denoted by 170, is preferably provided. These heat exchangers are designed to cool the gas which has been heated (and compressed) by a preceding turbomachine 172.
  • the overheat enthalpy is meaningfully used to increase the efficiency of the entire compaction 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. 4O 0 C to heat.
  • 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 load and with less energy than if a single turbomachine without gas cooling would be present.
  • the cascaded independently operated flow machines are preferably controlled by a controller 250, which on the input side receives a nominal temperature in the heating circuit and possibly also an actual temperature in the heating circuit.
  • a controller 250 which on the input side receives a nominal temperature in the heating circuit and possibly also an actual temperature in the heating circuit.
  • the rotational speed of a turbomachine arranged earlier in the cascade which is denoted by ni by way of example
  • the rotational speed n 2 of a turbomachine which is arranged later in the cascade
  • intersection between the individually plotted rotational speeds ni and n 2 can take place at any desired location, that is to say at any desired temperature and, if appropriate, can not take place. In general, however, it is preferable to lift a turbomachine arranged closer to the condenser in the cascade more strongly in terms of its rotational speed than a turbomachine arranged earlier in the cascade, if a higher desired temperature is desired.
  • 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. Furthermore, this ensures that the blade angle of blades of a radial wheel, as also explained with reference to FIGS. 2c and 6d, is always as good as possible with respect to the velocity 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.
  • a turbomachine arranged in the cascade more in the direction of the condenser has a direction of rotation of the radial wheel. which is opposite to the direction of rotation of a previously arranged in the cascade radial wheel.
  • a nearly optimal entry angle of the blades of both radial wheels can be achieved in the gas flow, such that a favorable efficiency of the turbomachine cascade occurs not only in a small target temperature range, but in a much larger target temperature range between 20 and 50 degrees, which is an optimal range for typical heating applications.
  • the rotation number control according to the invention and optionally the use of counter-rotating radial wheels thus provides an optimal match between the variable gas flow at changing target temperature on the one hand and the fixed blade angles of the radial wheels on the other.
  • At least one or preferably all of the radial wheels of all turbomachines are made of plastic having 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, so that radial wheels of the fault machines can be made of this plastic and yet can be operated at high speeds.
  • Radial wheels are preferably used according to the invention, as shown for example in Fig. 2c at reference numeral 260.
  • Fig. 2c shows a schematic plan view of such a radial wheel
  • Fig. 2d shows a schematic cross-sectional view of such a radial wheel.
  • a radial wheel as known in the art, includes a plurality of inwardly outwardly extending vanes 262. The vanes extend from a distance of a central axis 264, designated r w , entirely outward with respect to the axis 264 of the radial wheel.
  • the radial wheel comprises a base 266 and a lid 268 which is directed to the intake manifold or to an earlier stage compressor.
  • the radial impeller comprises an intake tion, which is designated by ri to suck gas, this gas is then discharged from the radial wheel laterally, as indicated at 270 in Fig. 2d.
  • the gas in the direction of rotation in front of the blade 262 is at a relatively higher speed, while behind the blade 262 it is at a reduced speed.
  • the gas be ejected from the radial wheel at the side as far as possible, that is, at 270 in Fig. 2d, at as uniform a speed as possible.
  • mount the blades 262 as close as possible.
  • blades 272, 274, 276, respectively that extend less than the blade 262.
  • the vanes extend not 272 w r of fully to the outside, but from R 1 to the outside with respect to the radial-flow, wherein Ri is greater than r w.
  • vanes 274 extend outwardly from R 2 only, while vanes 276 extend outwardly only from R 3 , where R 2 is greater than Ri and R 3 is greater than R 2 is.
  • FIG. 2d These relationships are shown diagrammatically in FIG. 2d, with a double hatching, for example in the region 278 in FIG. 2d, indicating that there are two blades in this region which overlap and are therefore characterized by the double-hatched region.
  • the hatching shown from bottom left to top right in area 278 indicates a blade 262 that extends from r w to the very outside while those from the top left hatching 272 extending to the bottom right in region 278, which extends only from Ri to outward with respect to the radial wheel.
  • At least one blade which does not extend so far inwardly, is thus arranged between two blades extending deeper inwardly.
  • 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 particularly homogeneous in the preferred radial wheel according to the invention in FIG.
  • the relatively complex and complicated shape of the radial wheel in Fig. 2c can be made particularly favorable with plastic injection, in particular, can be easily achieved that all blades, including the blades that are not completely extend internally to the very outside, so the blades 272, 274, 276 are firmly anchored, since they are both connected to the lid 268 so on the base 266 of Fig. 2d.
  • plastic in particular with plastic injection molding technology, makes it possible to produce any shapes accurately and inexpensively, which is air wheels made of metal is not readily or very expensive or possibly even impossible.
  • plastic is also favorable due to the superior impact resistance of plastic. So it is not always ruled out that ice crystals or water droplets hit the radial wheel at least the first compressor stage. Due to the high accelerations very high impact forces of synthetic materials with sufficient impact resistance readily excluding 'e- keep built here. Furthermore, the liquefaction in the liquefier preferably takes place on the basis of the cavitation principle. Here steam bubbles fall due to this principle in a volume of water in itself. Considerably microscopically, this also produces considerable speeds and forces which, viewed in the long term, can lead to material fatigue which, however, is easily manageable if a plastic with sufficient impact resistance is used.
  • Stator 502 has a number of magnetic rings 560a, 560b, 560c, 56Od, 56Oe and 56Of attached thereto. Also, magnetic rings 562a, 562b, ..., 562e are also attached to the rotor.
  • controller 516 is coupled on the input side to a control device 517, which is also shown in Fig. Ia and performs a detection of the gap 504 in any known manner.
  • a gap length of the gap 504 is detected capacitively, inductively, optically and in any other way either directly or indirectly via a position determination of the rotor and / or the stator and used as the actual value in the gap detection device 517 or the regulator 517.
  • 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 fed to the controller 516, which then provides the input signal or control signal 514 to the mechanical actuator 512.
  • the actuator 512 causes displacement of the stator or the magnet rings mounted on the stator, or generally the bearing portion coupled to the stator, such that the relative position between the bearing portion of the stator and the bearing portion of the rotor changes becomes.
  • FIG. 4 shows a cross section through three magnetic rings stacked on top of each other whose magnetization is indicated by directional arrows 564, the arrow direction of the arrow 564 indicating whether the north pole or south pole of the magnetic field is at the top or bottom. netlauten ring is. After attract oppositely polarized rings, an upper force F 0 and a lower attraction force F u exists, as marked out in FIG. 4.
  • Fig. 5 shows a preferred embodiment of a workpiece according to the present invention in the form of a radial impeller for the turbocompressor including an integrally manufactured shaft including an active bearing portion, an abutment portion and a motor / generator portion in which permanent magnets are used.
  • Fig. 5 shows a preferred embodiment of the present invention for supporting a radial impeller for a turbocompressor, as e.g. in the compressor 16 of Fig. 7 or in a turbomachine 172 or 174 of Fig. IIA is used, and as described in more detail in Fig. HC and Fig. HD.
  • a rotor shaft 570 which extends through a bore 572 in the stator, is arranged on the rotor 500.
  • the bearing again comprises a stator bearing portion 560 and a rotor bearing portion 562, wherein the same polarized magnetic rings in the two bearing portions are opposite when the bearing is in the optimally balanced storage position or when no axial force acts on the rotor 500.
  • the actuator 512 is arranged to mechanically couple the stator section 560 to 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.
  • Fig. 5 the pressure distribution is indicated when the radial wheel in the heat pump of Fig. 6A operates. 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.
  • a typical piezo ring 512 or a piezo actuator in the form of a plurality of radially distributed rods can easily keep up.
  • the change in force thus has a lower slope than the Aktuaktor can endure by working on train or pressure.
  • a piezoelectric actuator having a disk-like structure and which is typically supplied with a controlled DC voltage and having a maximum voltage of e.g. 2kV / mm can withstand.
  • the actuator is deflected in an acceleration phase to then be decelerated
  • 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 is then safely landed safely, without destructive mechanical stresses.
  • the shaft 570 further comprises, as a one-piece arrangement, 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, the stator coils being mounted on a stator 583 which is fixed with respect to the shaft 570.
  • the shaft 570 further includes a schematically depicted support bearing portion 584 which, like the upper radial gear bearing formed of the bearing portions 560, 562, is constructed with permanent magnet rings, the shaft 570 having a rotating bearing portion 592 fixed to one Bearing portion 590 opposite, wherein the bearing portion 590 is associated with a fixed bearing stator 591.
  • the shaft 570 together with the radial gear and magnets to be integrally manufactured, which means directly that the motor / generator section stator section 583 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 can, for example by a snap closure or something similar. Since the shaft rotates very fast while the stator does not rotate, the shaft shaft requirements and shaft shape and other characteristics are much higher than the precision and alignment requirements of the fixed parts.
  • the shaft 570 together with the radial and permanent magnets rotates 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 preferably not mounted directly on the shaft, but on cantilever sections 595, 596, thus ensuring that the outward force acting on the permanent magnets is absorbed by the material and not from the magnetic ring itself or from an attachment of the magnetic ring to the shaft. It is therefore preferred to reinforce the boom sections 595, 596 and in particular their connection to the shaft as well as the outer sections of the rotor by carbon fibers in the plastic injection mold at corresponding locations or, generally speaking, fibers which also comprise glass fibers can be installed.
  • the motor / generator section is constructed Depending on the phase angle and the corresponding control either energy generation or energy consumption takes place. In certain applications, the direction of rotation of the motor shaft is opposite for both cases. In the case of power generation, the rotor is driven by flowing steam, while in the case of energy consumption, the rotor is driven to compress a gas. In the first case, a heat pump, as will be described below, would act as cooling, while in the second case, the heat pump would act as a heating heat pump.
  • 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.
  • This resulting angular shapes are for plastic injection molding applications, however, no problem, since the injection mold can be almost arbitrarily complicated, since it only needs to be made once and also a certain effort for the plastic injection mold then when many workpieces are produced, readily amortized.
  • FIGS. 6A, 6B and 7 A heat pump will now be described with reference to FIGS. 6A, 6B and 7, in which the workpiece produced according to the invention in the form of a shaft together with radial wheel, motor / generator section and permanent magnetic bearing can be preferably used.
  • FIG. 6 a shows a heat pump according to the invention which initially has a water evaporator 10 for evaporating water as the working fluid in order to produce a steam in a working steam line 12 on the output side.
  • the evaporator includes an evaporation space (not shown in FIG. 6a) and is configured to generate an evaporation pressure of less than 20 hPa in the evaporation space that the water evaporates at temperatures below 15 ° C in the evaporation chamber.
  • the water is preferably groundwater, brine free in the ground or circulating in collector pipes, ie water with a certain salinity, river water, seawater or seawater.
  • all types of water ie, calcareous water, lime-free water, saline water, or salt-free water
  • all types of water that is all of these "hydrogens” have the favorable water property, namely that water, also known as "R 718", is an enthalpy difference ratio useful for the heat pump process of 6 has, which is more than 2 times the typical usable enthalpy difference ratio of z.
  • R 718 water, also known as “R 718”
  • B. R134a corresponds.
  • the steam is fed through the suction line 12 to a compressor / condenser system 14, which is a turbomachine such.
  • B. has a radial compressor, for example in the form of a turbocompressor, which is designated in Fig. 6a with 16.
  • 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 0 C, which may already be a sufficient heating flow temperature of a floor heating, at least on relatively warm days.
  • a pressure of 60 hPa can be generated with the flow machine 16, wherein a pressure of 30 hPa, a condensing temperature of 24 0 C, has a liquefaction temperature of 36 ° C, and a Pressure of 100 hPa corresponds to a liquefaction temperature of 45 0 C.
  • Underfloor heating systems are designed to heat sufficiently with a flow temperature of 45 ° C, even on very cold days.
  • the turbomachine is coupled to a condenser 18, which is designed to liquefy the compressed working steam.
  • a condenser 18 By liquefying, the energy contained in the working steam is added to the liquefier 18. leads to then be supplied via the flow 20a a heating system.
  • the working fluid flows back into the condenser via the return 20b.
  • the heat (energy) which is taken up 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 circuit.
  • a material entry into the condenser or the heating system takes place, which is regulated by a drain 22, such that the liquefier has a water level in its liquefier, which always remains below a maximum level despite the constant supply of water vapor and thus condensate ,
  • the medium directly there as well that is, when thinking of a house with underfloor heating, the water which from the evaporator comes to circulate directly in the underfloor heating.
  • a heat exchanger on the condenser side, which is supplied with the supply line 20a and which has the return line 20b, this heat exchanger dissipating the water present in the condenser. cools and thus heats a separate underfloor heating fluid, which will typically be water.
  • the degree of 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, since the system is always fed only distilled water and the water in the drain 22 is thus not polluted.
  • turbomachines have the properties that - similar to an aircraft turbine - they do not associate the compressed medium with problematic substances such as oil. Instead, the water vapor is compressed only by the turbine or the turbocompressor, but not associated with oil or other purity impairing medium and thus contaminated.
  • the distilled water discharged through the drain can thus - if no other regulations stand in the way - be easily returned to the groundwater. Alternatively, however, it can also be used here, for example. B. in the garden or in an open space to be seeped, or it can be supplied via the channel, if regulations dictate - a sewage treatment plant.
  • the water evaporator comprises an evaporation chamber 100 and a riser 102, in which groundwater from a groundwater reservoir 104 in the direction of arrow 106 moves up into the evaporation chamber 100.
  • the riser 102 opens 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, that is to say in the form of a paraboloid of revolution of any shape. It can have round or angular transitions.
  • the diameter facing the evaporation chamber 100 or the area facing the evaporation chamber 100 is greater than the cross-sectional area of the riser pipe in order to improve the evaporation process. If it is assumed that about 1 1 per second by the Rising pipe flows upward into the evaporation chambers, with a heating power of about 10 kW about 4 ml per second are evaporated in the evaporator. The remainder, cooled by about 2.5 ° C., passes over the expander 108 and lands in a collection sump 110 in the evaporation chamber.
  • the collecting sump 110 has a drain 112, in which the amount of 1 1 per second less the evaporated 4 ml per second is discharged again, preferably back into the groundwater reservoir 104.
  • a pump 114 and a Valve provided for overflow control. It should be noted that nothing has to be pumped actively here, since due to gravity, when the pump or the valve 114 is opened, water flows from the evaporator catch basin 110 via a return pipe 113 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 no water vapor penetrates into the drain pipe 112 or that the evaporation chamber is reliably decoupled from the situation at the "lower" end of the return pipe 113.
  • the riser is arranged in a riser 116, which is filled by a preferably provided pump 118 with water.
  • the levels in 116 and 108 are interconnected according to the communicating tube principle, with gravity and the different pressures in 116 and 108 providing water transport from 116 to 108.
  • the water level in the riser tank 116 is preferably arranged so that even at different air pressures, the level never falls below the inlet of the riser 102, so that the ingress of air is avoided.
  • the evaporator 10 includes a gas separator configured to receive at least a portion, e.g. For example, at least 50% of a gas dissolved in the water to be evaporated is to be removed from the water to be evaporated, so that the removed part of the gas is not sucked from the compressor via the evaporation space.
  • the gas separator is arranged to supply the removed part of the gas to a non-evaporated water, so that the gas is transported away 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 can be arranged below the expander 108, so that oxygen vaporized in the gas separator etc.
  • the separated gas can also be collected and disposed of at certain intervals or continuously vented, that is delivered to the atmosphere.
  • the groundwater, seawater, river water, seawater, brine or any other naturally occurring aqueous solution will have a temperature between 8 0 C and 12 0 C.
  • a power of 4.2 kW can be generated.
  • the water is cooled by 2.5 ° C, a power of 10.5 kW is generated.
  • 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.
  • the evaporator When the heat pump is operating at a relatively high load, the evaporator will vaporize about 6 ml per second, which corresponds to a vapor volume of about 1.2 cubic meters per second.
  • the turbomachine is controlled with regard to its compaction performance. If a heating flow temperature of 45 ° C is desired, which is by far sufficient even for extremely cold days, then the turbomachine must increase the steam produced at perhaps 10 hPa to a pressure of 100 hPa. In contrast, a flow temperature of z. B. 25 ° for underfloor heating, so only by a factor of 3 must be compressed by the turbomachine.
  • 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.
  • the compression factor ie how much compressed the compressor
  • the volume flow generated by the compressor As the volumetric flow increases, the evaporator must vaporize more, with the pump 118 conveying more groundwater into the riser basin 116, so that more groundwater is supplied to the vaporization chamber. If, on the other hand, the turbomachine delivers a lower compression factor, less groundwater flows from the bottom to the top.
  • the level in the container 116 or the delivery rate of the pump 118 determines the flow through the riser.
  • 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.
  • the negative pressure on the return side is again brought into high pressure, the energy required for this being supplied by a pump 152.
  • the pump 152 and the turbine 150 are coupled together via a power coupling 154 so that the turbine drives the pump with the energy that the turbine has extracted from the medium.
  • a motor 156 is only needed to equalize the losses that the system has of course, and to achieve the circulation so as to bring a system from its rest position to the dynamic mode shown in FIG. 5a.
  • the fluid machine is configured as a rotary compressor with a rotatable wheel, where the wheel may be a low-speed radial, medium-radial, semi-axial, or propeller, as known in the art.
  • Radial compressors are described in "Turbomachines", C. Pfleiderer, H. Petermann, Springer-Verlag, 2005, pages 82 and 83. Such radial compressors thus include as a rotatable wheel the so-called. Center runner whose form depends on the individual requirements.
  • any turbomachines can be used, as they are known as turbine compressors, fans, blowers or turbocompressors.
  • the heat pump which is equipped with the workpiece according to the invention, thus serves for the efficient heat supply of buildings and no longer requires working equipment which has a global climate-damaging influence.
  • water is evaporated under very low pressure, compressed by one or more turbomachines arranged one behind the other and liquefied again into water.
  • the transported energy is used for heating.
  • a heat pump is used, which is preferably an open system. Open system here means that groundwater or other available thermal energy-carrying water medium is evaporated under low pressure, compressed and liquefied.
  • the water is used directly as a working medium.
  • the contained energy is therefore not transferred to a closed system.
  • the liquefied water is preferably used directly in the heating system and then fed back to the groundwater. To decouple the heating system capacitively, it can also be completed via a heat exchanger.
  • the eighth comes from the fact that only in the most extreme cold a sixth must be spent, and z. For example, at transition temperatures such as in March or at the end of October, the efficiency can increase to a value greater than 12, so that a maximum of one-eighth must be spent on average over the year.
  • the housing of the evaporator, the compressor and / or the condenser and also especially the radial wheel of the flow machine made of plastic and in particular of injection-molded plastic.
  • Plastic is well suited, since plastic is corrosion-resistant with respect to water and, according to the invention, advantageously the maximum temperatures are significantly below the deformation temperatures of usable plastics in comparison with conventional heaters.
  • the assembly is particularly simple, since there is negative pressure in the system of evaporator, compressor and condenser. This means that there are far fewer requirements for the seals, since the entire atmospheric pressure helps to keep the housings tight.
  • Plastic is also particularly well, since at no point high temperatures occur in the system according to the invention, which would require the use of expensive special plastics, metal or ceramic.
  • plastic injection molding the shape of the radial wheel can be arbitrarily optimized and yet easily and inexpensively manufactured in spite of complicated shape.

Abstract

Zur schnellen und preisgünstigen Herstellung von Werkstucken mit Magneten werden Permanentmagnete in einer Gussform platziert. Dann wird Verstarkungsmaterial zum Verstarken von einem oder mehreren ausgewählten Bereichen eingebracht. Hierauf wird ein flussiges Gussmaterial in die Form eingebracht, wobei die Temperatur des flussigen Gussmaterials unter der Curie-Temperatur der Permanentmagnete ist. Nach Abkühlen des Gussmaterials wird das Werkstuck mit den Permanentmagneten und dem geharteten Gussmaterial aus der Form entnommen. Insbesondere durch Einsatz von Kunststoff und der Kunststoff-Spritzgusstechnik und durch Einsatz von Verstarkungsf asern, die ebenfalls vor dem Spritzen in der Form platziert werden, wird eine preisgünstige Herstellung eines Werkstucks erreicht, das ein Radialrad, eine Welle, einen Motor/Generator-Abschnitt sowie ein Lager und ein Widerlager umfasst.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks und Werkstück
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Herstellungsverfahren und insbesondere auf Herstellungsverfahren zum Herstellen von Werkstücken, die Permanentmagnete umfassen, und auf solche Werkstücke.
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 ei- ner 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 die- ser Turbine ein strömendes Medium, wie beispielsweise ein dampfförmiges Medium aufgrund seiner Bewegung das Radialrad und die damit verbundene Welle antreibt.
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 typi- scherweise 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.
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 Ar- beitsfluid kommt.
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.
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 La- ger, 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.
Insbesondere werden permanentmagnetische Lager mit repulsi- ver 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.
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.
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 Mag- netrings 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 un- mittelbar 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 Stator- magneten 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 Po- larität 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 Röntgen- pulsselektor, für einen Trommelchopper für Neutronenstrahlen, für einen Schwungrad-Energiespeicher oder innerhalb einer Kristallziehanlage eingesetzt.
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.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbes- sertes Konzept zum Herstellen eines Werkstücks sowie ein Werkstück zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks gemäß Patentanspruch 1 oder ein Werkstück gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
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.
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.
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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Werkstücks;
Fig. 2A eine schematische Darstellung eines Verdichters für eine Wärmepumpe mit mehreren hintereinander angeordneten Strömungsmaschinen;
Fig. 2B eine schematische Darstellung einer Einstellung von Drehzahlen von kaskadierten Strömungsmaschi- nen in Abhängigkeit von einer Soll-Temperatur einer Wärmepumpenanlage;
Fig. 2C eine schematische Draufsicht eines Radialrads ei- ner Strömungsmaschine, wie es bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einstückig mit Welle und Magneten hergestellt wird;
Fig. 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;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines aktiv geregelten repulsiven Magnetlagers;
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise eines repulsiven Magnetlagers;
Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkstücks mit Radialrad, Motor/Generator- Abschnitt und Widerlager-Abschnitt;
Fig. 6A eine Prinzipdarstellung einer Wärmepumpe, in der das erfindungsgemäße Werkstück vorteilhaft eingesetzt werden kann;
Fig. 6B eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und der diesen Drücken zugeordneten Verdampfungstemperaturen für Wasser;
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Wärmepumpe, die mit Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser oder Sole betrieben wird, in der das erfindungsgemäße Werkstück vorteilhaft eingesetzt werden kann. Fig. 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 be- stimmt, bis zu dem der Permanentmagnet permanentmagnetisch ist. Wird der Permanentmagnet über diese Curie-Temperatur erwärmt, so verliert er seine magnetischen Eigenschaften.
In einem Schritt 12 werden dann bei einem bevorzugten Aus- führungsbeispiel 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 ein- gebrachten 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 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 Verarbeitungstempera- tur des flüssigen Gussmaterials und der Curie-Temperatur ein „Sicherheitsabstand" von wenigstens 10 Kelvin existiert.
Vorzugsweise wird FeNdB als Magnetmaterial verwendet, das als Curie-Temperatur etwa 3100C hat. Ferner wird vorzugsweise als Gussmaterial ein Kunststoffmaterial eingesetzt, das Polyarylamid aufweist, und das bei 2600C bis 2800C gespritzt werden kann.
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.
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 ein- gebettet. 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 Tempera- tur rotieren, darauf geachtet wird, dass solche Verankerungen, die dann vom Kunststoff umflossen werden, zu keiner Unwucht der Welle führen.
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.
Nachfolgend wird anhand der Fig. 2A bis 2D auf ein spezielles Szenario eingegangen, in dem die Motorwelle samt Radi- alrad und Lagerung vorzugsweise eingesetzt werden kann. Insbesondere wird in den Fig. 2C und 2D auf spezielle Ausführungsformen des Radialrads eingegangen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Strömungs- maschine 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 Tur- boverdichter, Ventilatoren, Gebläse oder Turbokompressoren bekannt sind.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Radial-Verdichter 16 als mehrere unabhän- gige 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 Fig. 2a dargestellt, bei der der Verdichter als Kaskade 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 Überhit- zungsenthalpie 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. 4O0C 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 thermi- sehen Beanspruchung und mit weniger Energie den geforderten Gasdruck im Verflüssiger erreichen, als wenn eine einzige Strömungsmaschine ohne Gaskühlung vorhanden sein würde.
Die kaskadierten unabhängig voneinander betriebenen Strö- mungsmaschinen 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 ni bezeichnet ist, und die Drehzahl n2 einer später in der Kaskade angeordneten Strömungsmaschine so geändert, wie es anhand von Fig. 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 ni in Fig. 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/ni der beiden Drehzahlen aufgetragen wird, sich im Diagramm von Fig. 2b eine Gerade mit einer positiven Steigung ergibt.
Der Schnittpunkt zwischen den einzeln aufgetragenen Drehzahlen ni 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.
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 Fig. 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.
Im Hinblick darauf wird es ferner bevorzugt, dass eine in der Kaskade mehr in Richtung des Verflüssigers angeordnete Strömungsmaschine eine Drehrichtung des Radialrads auf- weist, 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 Dreh- Zahlsteuerung 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.
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 bevor- zugter 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.
Vorzugsweise werden Radialräder erfindungsgemäß eingesetzt, wie sie beispielsweise in Fig. 2c bei Bezugszeichen 260 gezeigt sind. Fig. 2c zeigt eine schematische Draufsicht eines solchen Radialrads, wobei Fig. 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 Ansaugöff- nung, die mit ri bezeichnet ist, um Gas anzusaugen, wobei dieses Gas vom Radialrad dann seitlich ausgegeben wird, wie es bei 270 in Fig. 2d angegeben ist.
Wenn Fig. 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 bevor- zugt, dass das Gas überall mit einer möglichst gleichförmigen Geschwindigkeit aus dem Radialrad seitlich, also bei 270 in Fig. 2d ausgestoßen wird. Zu diesem Zweck besteht der Wunsch, die Schaufeln 262 möglichst dicht anzubringen.
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 ri mehr und mehr blockiert wird.
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 Ri größer als rw ist. Analog hierzu erstrecken sich, wie es in Fig. 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 Ri und wobei R3 größer als R2 ist.
Diese Verhältnisse sind in Fig. 2d schematisch dargestellt, wobei eine doppelte Schraffur, beispielsweise im Bereich 278 in Fig. 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 eine Schaufel 272 andeutet, die sich lediglich von Ri bis nach außen bezüglich des Radialrads erstreckt.
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 Ge- schwindigkeitsverteilung des austretenden Gases ist bei dem erfindungsgemäßen bevorzugten Radialrad in Fig. 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 Fig. 2c dargestellt ist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die relativ aufwendige und komplizierte Form des Radialrads in Fig. 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 Fig. 2d ver- bunden sind. Die Verwendung von Kunststoff insbesondere mit der Kunststoff-Spritzgusstechnik ermöglicht es, beliebige Formen genau und kostengünstig herzustellen, was mit Radi- airädern aus Metall nicht ohne weiteres bzw. nur sehr aufwendig oder möglicherweise sogar gar nicht möglich ist.
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.
In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Kunststoff auch aufgrund der überragen- den 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 Kunststof- fen mit ausreichender Schlagfestigkeit ohne weiteres ausg'e- halten 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.
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 Fig. 3 und 4 auf Betrieb und Aufbau und insbesondere auf eine aktive Regelung eines solchen Radialrads eingegangen. Nachfolgend wird bezugnehmend auf Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei dem ein Permanentmagnetlager mit magnetisierten aufeinander gestapelten Ringen eingesetzt wird. Am Stator 502 ist eine Anzahl von magnetischen Ringen 560a, 560b, 560c, 56Od, 56Oe und 56Of 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 Fig. Ia 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.
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.
Diese aktive Regelung des Magnetlagers findet in der Arbeitsposition bzw. im Arbeitsbetrieb des Rotors statt und wird Bezug nehmend auf Fig. 4 näher erläutert. Fig. 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 mag- netisierten Rings ist. Nachdem sich entgegengesetzt polarisierte Ringe anziehen, existiert eine obere Kraft F0 und eine untere Anziehungskraft Fu, wie sie in Fig. 4 angezeichnet ist. Dann, wenn eine Axialkraft auf den Rotor aus- geübt wird, wenn sich der Rotor also z.B. nach oben bewegt, wird die Kraft F0 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 kom- pensieren, wird der Stator so geregelt, dass er ebenfalls nach oben ausgelenkt wird, so dass die Kraft F0 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 Fig. 4 gezeichneten Tabelle dargestellt. Daraus ergibt sich, dass der Stator im Regelungsbereich, der schematisch in Fig. 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.
Fig. 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.
Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Lagern eines Radialrads für einen Turboverdichter, wie er z.B. im Verdichter 16 von Fig. 7 oder in einer Strömungsmaschine 172 bzw. 174 von Fig. IIA eingesetzt wird, und wie er in Fig. HC und Fig. HD näher beschrieben ist.
Insbesondere ist an dem Rotor 500 eine Rotorwelle 570 angeordnet, die sich durch eine Bohrung 572 im Stator ers- treckt. Das Lager umfasst wieder einen Stator- Lagerabschnitt 560 sowie eine Rotor-Lagerabschnitt 562, wobei sich gleich polarisierte Magnetringe in den beiden Lagerabschnitten gegenüberliegen, wenn sich das Lager in der optimal ausgeregelten Lagerposition befindet bzw. wenn keine Axialkraft auf den Rotor 500 wirkt. In Fig. 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.
Ferner ist in Fig. 5 die Druckverteilung eingezeichnet, wenn das Radialrad in der Wärmepumpe von Fig. 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.
Der Axialschub ist also nach oben gerichtet. Dieser Axial- schub 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.
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 Fig. 2d nach unten, wobei durch die Magnetlagerkräfte und insbesondere durch das immer größer werdende Fu und das immer kleiner werdende F0 von Fig. 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 gewis- sermaßen sicher „gelandet" wird, und zwar ohne zerstörerische mechanische Beanspruchungen.
Die Welle 570 umfasst als einstückige Anordnung ferner einen Motor/Generator-Abschnitt, in dem wenigstens ein Rotor- magnet 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 Wi- derlager-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 Fig. 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 wer- den 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 An- forderungen an Präzision und Ausrichtung der feststehenden Teile.
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 Fig. 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 be- vorzugt, 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.
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 entgegenge- setzt. 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, wäh- rend im zweiten Fall die Wärmepumpe als Heiz-Wärmepumpe wirken würde.
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.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die Fig. 6A, 6B und 7 eine Wärmepumpe beschrieben, in der das erfindungsgemäß hergestellte Werkstück in Form einer Welle samt Radialrad, Motor/Generator-Abschnitt und permanentmagnetischer Lage- rung vorzugsweise eingesetzt werden kann.
Fig. 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 Fig. 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, Fluss- wasser, 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.
Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Ver- dichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z. B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in Fig. 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 220C, 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 240C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstempera- tur von 36°C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 450C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45°C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können.
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 zuge- führt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Arbeits- fluid wieder in den Verflüssiger zurück.
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.
Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Ver- flüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt.
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 beden- ken, dass dieser Wärmetauscher wieder Verluste und apparativen Aufwand bedeutet.
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 .
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 ab- kühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt.
Aufgrund der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser ver- wendet 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.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie - ähnlich einer Flugzeugturbine - das verdichtete Medium nicht mit proble- matischen 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.
Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit - wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen - ohne weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt werden. Al- ternativ 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.
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 erforderlichen 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.
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 Fig. 4a noch erläutert wird, eine Blasenverdampfung zu triggern, damit die Verdampfungseffizienz erhöht wird.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf Fig. 7 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Der Wasserverdampfer umfasst eine Verdampfungs- kammer 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 aufzuwei- ten, 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 gerichte- te 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 1 pro Sekunde durch das Steigrohr nach oben in die Verdampfungskämmer fließt, werden bei einer Heizleistung von ca. 10 kW etwa 4 ml pro Sekunde im Verdampfer verdampft. Der Rest läuft um etwa 2,5 0C 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 1 pro Sekunde weniger die verdampften 4 ml pro Sekunde wieder abgeführt wird, und zwar vorzugsweise zurück in das Grundwasserreservoir 104. Hierzu ist vorzugs- weise 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.
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.
Vorzugsweise umfasst der Verdampfer 10 einen Gasabscheider, der ausgebildet ist, um wenigstens einen Teil, z. B. we- nigstens 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. Vor- zugsweise ist der Gasabscheider angeordnet, um den entfernten Teil des Gases einem nicht verdampften Wasser zuzuführen, damit das Gas von dem nicht verdampften Wasser abtransportiert wird. Gelöste Gase können Sauerstoff, Kohlen- dioxid, 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.
Typischweise wird das Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser, die Sole oder eine sonstige in der Natur vorkommende wässrige Lösung eine Temperatur zwischen 80C und 120C haben. Durch die Absenkung der Temperatur von 1 1 Wasser um I0C 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.
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 ge- steuert. 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.
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 verdamp- fen, 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.
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 Förder- menge 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.
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 Fig. 5a eingesetzt wird. In Fig. 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 Unterdrück 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, auszuglei- chen, und um die Umwälzung zu erreichen, um also ein System aus seiner Ruhelage in den in Fig. 5a gezeigten dynamischen Modus zu bringen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Strömungs- maschine 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 Tur- boverdichter, Ventilatoren, Gebläse oder Turbokompressoren bekannt sind.
Die Wärmepumpe, die mit dem erfindungsgemäßen Werkstück ausgestattet ist, dient somit zur effizienten Wärmeversor- gung 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 transpor- tiere 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 wässri- ges 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.
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 aufgewen- det werden, da die Strömungsmaschine nur etwa ein Achtel des gesamten Wärmebedarfs liefern muss.
Das Achtel ergibt sich daher, dass nur bei extremster Kälte ein Sechstel aufgewendet werden muss, und z. B. bei Über- gangstemperaturen 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.
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. 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 Strömungs- maschine 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 da- bei 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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks, mit folgenden Merkmalen:
Platzieren (10) und Fixieren eines Permanentmagnets (562a, 562b, 580, 592) in einer Spritzgussform, wobei der Permanentmagnet eine Curie-Temperatur hat;
Einbringen (12) von Verstärkungsmaterial an einer ausgewählten Stellen in die Spritzgussform;
nach dem Schritt (12) des Einbringens (12) von Verstärkungsmaterial, Spritzgießen (14) von flüssigem Spritzgussinaterial, das ein Kunststoff ist, in die Form, wobei eine Temperatur des flüssigen Spritzgussmaterials kleiner als die Curie-Temperatur des Permanentmagneten ist; und
Entnehmen (16) des Werkstücks nach einer Abkühlung des flüssigen Spritzgussmaterials aus der Spritzgussform, wobei das Werkstück den Permanentmagneten und gehärtetes Spritzgussmaterial aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Spritzgussform 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.
3. Verfahren nach Anspruch 2, 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 Permanent- magnet-Lagerabschnitt und in dem Motor/Generator- Abschnitt angeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt (12) des Einbringens ein Fixieren des Verstärkungsmaterials an der ausgewählten Stelle der Spritzgussform aufweist, wobei sich das Verstärkungsmaterial zumindest von einer Komponente des Spritzgussmaterials unterscheidet, wenn das Spritzgussmaterial ein Mehrkomponentenmaterial ist, oder wobei sich das Verstärkungsmaterial von dem Spritzgussmaterial unterscheidet, wenn das Spritzgussmaterial ein Einkom- ponenten-Material ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Verstärkungsma- terial Kohlefasern oder Glasfasern aufweist, und
bei dem das Spritzgussmaterial Kunststoff mit eingebrachten Kohle- oder Glasfasern ist, die im Vergleich zu Kohlefasern oder Glasfasern des Verstärkungsmate- rials gekürzt sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Spritzgussform 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.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Permanentmagnet aus FeNdB ist, und
bei dem das Spritzgussmaterial ein Kunststoffmaterial aus ist, das Polyarylamid aufweist.
8. Werkstück aus abgekühltem Spritzgussmaterial, das einen oder mehrere Permanentmagnete (562, 580, 592) aufweist, der bzw. die von dem Spritzgussmaterial zumindest teilweise materialschlüssig umgeben ist bzw. sind, und das ferner einen durch ein Verstärkungsmaterial verstärkten Bereich aufweist, wobei der verstärkte Bereich von Kunststoff umgebene Kohlefasern oder Glasfasern aufweist, und wobei das Spritzgussmaterial Kunststoff mit eingebrachten Kohle- oder Glasfasern ist, die im Vergleich zu Kohlefasern oder Glasfasern in dem verstärkten Bereich gekürzt sind.
9. Werkstück nach Anspruch 8, 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.
10. Werkstück nach Anspruch 9, 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 .
11. Werkstück nach Anspruch 9 oder 10, 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.
12. Werkstück nach einem der Ansprüche 8 bis 11, das aus- gebildet ist, um als rotierender Gegenstand in einer
Strömungsmaschine/Motor-Generator-Kombination einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung oder Gebäudekühlung eingesetzt zu werden.
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