WO2008064802A2 - Bearing and method for operating a magnetic bearing - Google Patents

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WO2008064802A2
WO2008064802A2 PCT/EP2007/010036 EP2007010036W WO2008064802A2 WO 2008064802 A2 WO2008064802 A2 WO 2008064802A2 EP 2007010036 W EP2007010036 W EP 2007010036W WO 2008064802 A2 WO2008064802 A2 WO 2008064802A2
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stator
actuator
bearing
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Holger Sedlak
Oliver Kniffler
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Efficient Energy Gmbh
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0442Active magnetic bearings with devices affected by abnormal, undesired or non-standard conditions such as shock-load, power outage, start-up or touchdown
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0474Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0476Active magnetic bearings for rotary movement with active support of one degree of freedom, e.g. axial magnetic bearings
    • F16C32/0478Active magnetic bearings for rotary movement with active support of one degree of freedom, e.g. axial magnetic bearings with permanent magnets to support radial load
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2231/00Running-in; Initial operation

Definitions

  • the present invention relates to bearings for rotatably supporting a rotor on a stator, and more particularly to maintenance-free and lubricant-free bearings, which can be used particularly well for supporting a radial gear in a turbomachine of a heat engine, such as a heat pump or a refrigerating machine.
  • the heat pump comprises a closed circuit, By means of a first heat exchanger 80 and the evaporator, so much heat is extracted from the soil or groundwater that the working fluid evaporates Compressor 81 compresses it, which increases the pressure and temperature, and this compression is carried out by a reciprocating compressor.
  • the compressed and high-temperature working fluid now enters the second heat exchanger 82, the condenser. or hot water circuit extracted so much heat that the refrigerant under h ohem pressure and high temperature is liquefied.
  • the working fluid is expanded, ie the working fluid is released.
  • the pressure and temperature are reduced to such an extent that the working fluid is again able to re-absorb energy from the soil or groundwater in the evaporator.
  • the cycle is now closed and starts again.
  • the working medium serves as an energy transporter to pick up heat from the soil or groundwater and deliver it to the heating circuit in the liquefier.
  • the second law of thermodynamics is fulfilled, which states that heat or energy from "self” can only be transferred from the higher temperature level to the lower temperature level, and vice versa only by external energy supply, here the drive work of the compressor, can happen.
  • Fig. 12 shows a typical h, log p diagram (h is the enthalpy, p is the pressure of a substance). Between point 4 and point 1 in the diagram of Fig. 12 an isobaric evaporation of the working fluid at low values for the pressure and the temperature (Ti p ⁇ f) takes place, here the heat is supplied Q ⁇ i.
  • the working fluid of the heat pump thus takes in the evaporator heat from the environment, ie air, water, sewage or soil, on.
  • the condenser serves as a heat exchanger for heating a heating medium.
  • the temperature Ti is slightly below the ambient temperature, the temperature T 2 considerably, the temperature T 2 'slightly above the required heating temperature. The higher the required temperature difference, the more work the compressor has to apply. It is therefore desirable to keep the temperature increase as small as possible.
  • the aspirated working vapor initially has a lower temperature than the cylinder wall of the compressor and absorbs heat from it.
  • the temperature of the working-material vapor finally increases above that of the cylinder wall, so that the working-substance vapor gives off heat to the cylinder wall.
  • the piston sucks in steam again and compressed, the temperature of the piston wall is initially again fallen below and then exceeded, resulting in permanent leads to losses.
  • overheating of the sucked Hästoffdarapfes will be necessary and necessary so that the compressor does not suck a liquid agent.
  • Another disadvantage is the heat exchange with the oil circuit of the reciprocating compressor, which is indispensable for lubrication.
  • the liquefied low-temperature working fluid at the condenser outlet would have to be relieved by an ideal cycle through an engine, such as a turbine, to utilize the excess of energy that existed against the temperature and pre-compression conditions. For reasons of this required large expense, this measure is omitted and the pressure of the working fluid is abruptly reduced by the throttle 83 to the low pressure and the low temperature. The enthalpy of the working substance remains approximately the same. Due to the sudden reduction in pressure, the working fluid must partially evaporate in order to lower its temperature. The necessary heat of evaporation comes from the excess temperature located working fluid, so it is not removed from the heat source. The totality of the losses caused by the expansion in the throttle 83 (FIG. 13) is referred to as relaxation losses.
  • the ratio of the enthalpy difference between point 1 and point 4 to the enthalpy difference between point 2 and point 1 of the h, log p diagram is a measure of the economics of the heat pump process .
  • R134a which has CF 3 -CH 2 F as its chemical formula. This is a working fluid that is no longer harmful to the ozone layer, but has a 1000 times greater effect than carbon dioxide in terms of the greenhouse effect.
  • the Rl34a agent is popular because it has a relatively large enthalpy difference of about 150 kJ / kg.
  • 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 consists of several stacked, axially magnetized rings on the rotor and on the stator constructed with the magnetization direction of adjacent rings within each stack is opposite.
  • the rotor and stator magnets facing each other at the same height at the position gap are magnetized in the same direction.
  • surface flows with radially repelling effect are opposite to the bearing gap, so that the bearing is radially stable.
  • the repulsive forces are balanced in the axial direction.
  • the repulsive force becomes increasingly effective in the displacement direction.
  • the bearing tends to shift from the unstable axial equilibrium position and the magnitude of the height of a single magnet ring in the axial direction.
  • the deflected by a ring height position are oppositely magnetized rings on the bearing gap at the same height opposite.
  • the repulsive bearing transforms into a radially active bearing with radial flow in the bearing gap and corresponding bearing instability.
  • Such a breakout force results from a displacement of the rotor with respect to the stator
  • electrical stabilizing coils are used directly on the circumference of the stator magnets, whereby the coil current is controlled in such a way that it can move the rotor Surface current of the stator magnet surrounded by the coil and thus its tensile strength attenuates when the shaft magnet moves in the direction of this Stator ⁇ vagneten.
  • the opposite stator magnets mounted there coil simultaneously enhances the local surface current, so that its tensile force increases
  • the current regulation is controlled by a sensor which continuously measures the axial position of the wave magnets r be used. she are charged for this purpose with a high-frequency current.
  • the currents of both coils are compared in a differential circuit.
  • the difference signal is rectified and serves as a sensor signal whose polarity and amplitude clearly reflect the direction and magnitude of the axial shaft deflection.
  • Such permanent magnetic bearings are used for rotary anode storage in an X-ray tube, for a spinning centrifuge, for a gas friction vacuum gauge, for a disk chopper for neutron beams, for a turbomolecular pump, for an X-ray pulse selector, for a drum chopper for neutron beams, for a flywheel Energy storage or used within a crystal pulling system.
  • Friction-free or friction-reduced non-contact bearings are characterized namely by the fact that the bearing has a rest position in which the rotor and the stator touch, and in which the rotor is not or only slightly rotates with respect to the stator, and that they have a working position, in which the rotor and the stator do not touch, and in which the rotor can rotate relative to the stator without contact.
  • the object of the present invention is to provide an improved bearing and concept for operating a bearing that is efficient and economical.
  • the present invention is based on the finding that, for a bearing which has a rest position in which the rotor and the stator touch, and which has a working position in which the rotor and the stator do not touch, an actuator for Moving the rotor from the rest position to the working position in response to a control signal is used.
  • This control signal is delivered such that actuation of the actuator with the control signal causes the actuator to first accelerate the rotor or stator from the rest position towards the working position in an acceleration phase and then decelerate the actuator in a deceleration phase.
  • the rotor is not braked by the deceleration of the actuator, so that the rotor detaches due to its mass from contact with the actuator or the stator and continues its movement generated due to the acceleration.
  • the control device is designed to provide a control signal such that the rotor or the stator are driven so strongly that the rotor or the stator are brought into their working position relative to one another.
  • the rotor or the stator is thus “pushed” in order to cover a large part of the distance from the rest position to the working position, so to speak, in free flight
  • the change from the rest position to the working position and also the reverse change becomes dynamic completed, the rotor or stator is thus not “driven” slowly into its working position, but is sufficiently accelerated to fly independently due to the applied acceleration in the working position.
  • a significant advantage of the present invention is that the actuator can thus be implemented much smaller and thus considerably less expensive with regard to its actuating stroke.
  • the actuator does not have to have such a large stroke to overcome the entire distance between the rest position and the working position. Instead, the actuator only needs to have a small stroke, but must be able to achieve very high acceleration in the small stroke.
  • the achievement of a high acceleration, in particular in the direction of propagation is considerably less expensive than that of providing a large stroke length.
  • Preference is given in particular to piezoelectric actuators which are distinguished by a high speed that can be generated, but which at the same time are distinguished by the fact that the price of such actuators increases considerably as the maximum distance increases.
  • a bearing is used as the bearing, which is radially stable to accommodate large radial forces due to high rotational speeds of rotors, but which is axially metastable and requires an active control.
  • the actuator used according to the invention for "throwing" the rotor or stator can be used be used simultaneously for active control of the axial position of the rotor and / or stator, since the stroke, which is required for an active control, is typically much smaller than the distance that the rotor and / or stator must move relative to each other in such camps, to get from the rest position to the working position.
  • this actuator is thus both when starting, so then when it is transitioned from the rest position to the parking position, as well as in operation for active control.
  • the actuator is reused to come into mechanical contact with the rotor after an acceleration phase either at the beginning or during the braking phase, ie to catch the rotor then, at the end of the deceleration phase, safely guide the rotor to the rest position.
  • the inventive dynamic bearing operation could thus be compared to a juggler throwing a plate into the air.
  • the plate is still in the resting position. If the plate is now thrown up, the plate starts from the rest position into the working position. If the juggler then holds the plate in the air with a pole, this corresponds to an active control of the bearing during operation. Then, at the end of the performance, the juggler will drop the plate and not just let it crash to the ground, but catch it with his hand to safely guide the plate to its resting position.
  • the rotor does not move in the park position.
  • the rotor rests on the stator.
  • the rotor is therefore in a lossless rest or "parking position."
  • the working position the rotor rotates, and if the working position is metastable, the remaining free space is lost. level is stabilized by mechanical displacement of the rotor relative to the stator or the stator relative to the rotor.
  • permanent magnetic bearings are used, only such a shift will cause losses, while the entire "bearing work" is provided lossless.
  • one side of an axle is radially stably supported by a fixed permanent magnet (rotor and stator), and the opposite side of the axle is provided with a permanent magnet rotor or stator with the stator mechanically or axially displaced can be.
  • a particularly preferred location of use of the bearing according to the invention is within a turbocompressor arrangement of a heat engine, such as a heat pump or a refrigerating machine.
  • a heat engine such as a heat pump or a refrigerating machine.
  • Normal centrifugal compressors have z. B. ball bearings.
  • electromagnetic bearings which must be continuously supplied with electric power in order to maintain the magnetic field are also known.
  • the bearing of the invention requires, especially when it is designed as a permanent magnet bearing, no permanent electrical power. Even permanent magnets require permanent electromagnetic power when they are provided with coils for damping or amplifying circular currents.
  • the mechanical actuator arrangement according to the invention only consumes power, if necessary, for a change from the rest position to the working position and vice versa, if necessary for active regulation and only when a position change is carried out.
  • the bearing if the bearing is in equilibrium, the operator will also be at rest, and the bearing will require no power during operation.
  • 1a is a schematic representation of a bearing according to the invention according to an embodiment of the present invention, wherein the bearing is in its working position;
  • Fig. Ib is a representation of the bearing, wherein the bearing is in its rest position
  • Fig. 2a is a time-lapse diagram of the distance traveled by the actuator or stator over time
  • Fig. 2b is a velocity-time diagram of the movement of the stator or actuator corresponding to Fig. 2a;
  • Fig. 2c is an acceleration-time diagram of the acceleration exerted by the actuator
  • Fig. 2d is a schematic representation of the distance covered by the rotor
  • Fig. 3 is a schematic representation of a preferred embodiment of the present invention with permanent magnet bearing and piezo actuator
  • Fig. 4 is a schematic representation of the active control performed during operation of the preferred bearing
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the bearing according to the invention for supporting a radial wheel in a turbomachine of a heat pump
  • 6a is a schematic block diagram of the heat pump
  • FIG. 6b shows a table for illustrating various pressures and the evaporation temperatures associated with these pressures
  • Fig. 7 is a block diagram of a preferred embodiment of the heat pump operated with groundwater, seawater, river water, seawater or brine;
  • Fig. 8a shows an alternative embodiment of the condenser of Fig. 7;
  • FIG. 8b shows an alternative embodiment of the condenser with reduced return in off mode
  • Fig. 8c is a schematic representation of the condenser with a gas separator
  • Fig. 9a shows a preferred implementation of the evaporator of Fig. 7;
  • 9b shows an alternative embodiment of the evaporator with the use of the liquefier effluent as boiling aid
  • FIG. 9c shows an alternative embodiment of the evaporator with a heat exchanger for using groundwater for boiling assistance
  • Fig. 9d an alternative embodiment of the evaporator with feed from the side and drain in the middle;
  • 9e is a schematic representation of the expander with indication of preferred dimensions; 10a shows an alternative implementation of the evaporator for reducing the height of the riser pipe;
  • 10b shows an implementation of an alternative realization of a connection of a heating line to the condenser with a turbine / pump combination
  • Fig. IIa is a schematic representation of the compressor executed by a plurality of sequentially arranged turbomachines
  • FIG. IIb shows a schematic representation of the setting of the rotational speeds of two cascaded flow machines as a function of the setpoint temperature
  • Fig. Llc is a schematic plan view of a radial wheel of a turbomachine according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Fig. Hd is a schematic cross-sectional view with a merely schematic representation of the Radialrad blades to illustrate the different extension of the blades with respect to the radius of the Radialrads;
  • Fig. 12 is an exemplary h, log p diagram
  • Fig. 13 shows a known heat pump, which performs the left-handed circuit of FIG. 12.
  • FIG. 1 a shows a bearing for rotatably supporting a rotor 500 on a stator 502, the bearing having a rest position, which is shown in FIG. 1 b, in which the rotor and the stator touch, and wherein the bearing also has a rest position Working position, as shown in Fig. Ia, in which the rotor and the stator do not touch. Instead, a gap 504 exists in this working position between rotor and stator, which is shown in Fig. Ia in the axial direction with respect to a rotation axis 506.
  • the pivot bearing gap 508 is arranged parallel to the axis of rotation 506 and, depending on the design of the rest position, can also exist in the rest position.
  • the rotor is located on the stator on a specially provided support surface 510, which may be specially designed to accommodate mechanical loads well.
  • a specially provided support surface 510 which may be specially designed to accommodate mechanical loads well.
  • the bearing according to the invention in Fig. Ia further comprises the mechanical actuator 512 for moving the rotor of the
  • Control signal 514 by a controller 516 is delivered.
  • the controller 516 is configured to provide a control signal to the actuator that causes the actuator to accelerate the rotor or stator from the rest position toward the working position in an acceleration phase, and further causes the actuator 512 to brake in phase is slowed down.
  • the actuator By braking the actuator is achieved that the rotor or stator detaches due to its mass of a contact with the actuator or possibly the stator and continues its movement.
  • the control device 516 is designed to operate the actuator so that the rotor or stator are driven so strongly that the rotor or stator reaches the working position.
  • the actuator is provided with two "outlets" 520 and 522 which are intended to schematically indicate that the mechanical actuator engages the rotor when the alternative of FIG. 520 occurs or engages the stator is provided if the alternative 522 is present,
  • a mixed solution may be provided in which the actuator is in mechanical engagement with both the rotor and the stator.
  • the mechanical actuator implement only the alternative indicated by the "exit” 522 such that the mechanical actuator is actuated by mechanical actuation of the stator and immediate transmission of force via the seating surface 510 (FIG. Fig. Ib) the rotor 500 quasi “accelerated” indirectly. Then, as the mechanical actuator 512 transitions to the deceleration phase, the stator 502, which is mechanically coupled to the mechanical actuator, is also decelerated while the rotor 500 now detaches from the support surface 510 of the stator 502 and continues to fly the tor by the mechanical actuator 512 braked again and returned to its rest position.
  • the text below discusses the movement or speed or acceleration of the actuator and possibly stator and the rotor, exemplary numerical values being mentioned.
  • the actuator is supplied with a control signal such that it is accelerated from a start deflection value at 0 ⁇ m until it has a maximum velocity at a solution point 530, as shown in Fig. 2b.
  • the speed shown by way of example is 250 ⁇ m / ms.
  • the actuator and the stator preferably connected to the actuator are decelerated, which is reflected in the inflection point 530 of the motion-time diagram of Fig.
  • a further smaller acceleration phase 536 takes place after the deceleration phase 534, which is designated "2a" in FIGURE 1a.
  • the acceleration phase 536 can also be omitted.
  • the negative acceleration would have to be changed from the course in FIG. 2c, for example by transition to an acceleration course which is no longer constant over the Time is and varies only between different states.
  • FIGS. 2a to 2c the course shown in FIGS. 2a to 2c is the same as the course in FIG. 2d.
  • it can be seen from the progressions that it is preferred to decelerate more than to accelerate. This is also readily possible since in the acceleration phase both the stator and the rotor must be accelerated, while in the braking phase only the stator or preferably only a small part of the stator, namely the bearing section of the stator and not the stator Rotor must be braked because the rotor has detached from the stator.
  • the negative acceleration in the deceleration phase 534 is greater in magnitude than the positive acceleration in the acceleration phase 532. Relationships between positive acceleration in the acceleration phase and negative acceleration in the deceleration phase of 2 to 50 are preferred, wherein in Fig. 2c by way of example a ratio of 5 is drawn. In general, this ratio depends on the mass ratio of the mass to be accelerated to the mass to be braked.
  • piezoelectric actuators are preferably designed so that in each case it is ensured that they do not suffer damage in the deceleration phase.
  • piezoelectric actuators have the advantage that in the acceleration phase in the direction in which they can bear the highest load. In the acceleration phase, the acceleration is highest because the actuator must also accelerate the rotor weight. It is therefore preferred to carry out the acceleration phase with an actuator having a piezoelectric construction, by causing an extension of the piezoelectric actuator in the acceleration phase.
  • the actuator is thus preferably claimed in the acceleration phase to pressure and not to train.
  • such mechanical actuators are used, which have an operating distance less than 100 microns.
  • speeds are preferred which reach values of between 50 and 2000 ⁇ m / ms at the end of the acceleration phase and which are at the end of the deceleration phase at -200 to 4000 ⁇ m / ms.
  • FIG. 2 d shows the movement course of the rotor, which has to move over a width of the gap 504 which is> 300 ⁇ m.
  • the actuator deflection is indicated at 540.
  • 540 there is thus a compressed representation of the course of movement of FIG. 2a, wherein attention must be paid to the changed time scale.
  • the rotor disengages from the stator and moves into free motion. Due to the acceleration originally imposed on the rotor, the rotor then continues to fly between time 530 and a time of about 3.5 ms until it is decelerated due to frictional forces or the inherent magnetic bearing force. Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, when the rotor enters the control region 542, the actuator is actively controlled by the actuator, with the duration of the active control shown at 544 in FIG. 2d. From the sketch in FIG. 2 d, it can be seen that the rotor travels most of the gap 504 in free movement, that is to say without contact with the stator or with the actuator. As will be described below with reference to FIG.
  • the amount of the gap eg the region of 300 ⁇ m, is equal to the height of a magnet ring of a repulsive magnetic bearing, as shown in FIG.
  • the gap is greater than the maximum stroke of the actuator and in particular at least two to 20 times as large.
  • the maximum deflection stroke is proportional to the height of the actuator.
  • the ratio between deflection and stroke is at e.g. 0.14 percent. This means that an actuator having a stroke of e.g. 300 microns, in order to overcome in Figure 2d without free movement of the gap 504, would have to have a height which is 215 mm. However, to cover only a height of 20 microns according to the present invention, an actuator with a height of 14 mm is sufficient. From a price point of view, a piezo actuator with a stroke of 20 ⁇ m would cost about 20 euros, while a piezo actuator for a stroke of 300 ⁇ m would cost well over 500 euros.
  • 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. Furthermore, the 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.
  • capacitive, inductive, optical and in any other way either directly or indirectly via a position determination of the rotor and / or the stator detects a gap length of the gap 504 and is used as the actual value in the gap detection device 517 or the regulator 517.
  • the actual value is compared with a desired value in order 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 supplies the input signal or control signal 514 for the mechanical actuator 512.
  • the actuator 512 thus causes a displacement of the stator or the magnetic rings attached to the stator or, in general, of the bearing section coupled to the stator such that the relative position between the bearing section of the stator and the bearing section of the stator Rotor is changed.
  • the controller 511 is for detecting an actual position of the rotor with respect to the stator and / or an actual position change of the rotor with respect to the stator to obtain an actual value. Further, the controller is for moving the rotor or stator so that the actual position of the rotor with respect to the stator approaches a target position of the rotor relative to the stator at the working position, when the actual position has been detected, or that Actual position change at least approaches zero or becomes zero when the actual position change is detected. Measured in this alternative is the change in direction or whether the change is positive, negative or zero, and the position bearing magnet stator to rotor is corrected until the change in direction is approximately or exactly equal to zero
  • FIG. 4 shows a cross section through three stacked each other Magnetic rings whose magnetization is indicated by directional arrows 564, wherein the arrow direction of the arrow 564 indicates whether up or down is the north pole or south pole of the magnetised ring.
  • 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 is arranged on the rotor 500, which extends through a bore 572 in the stator.
  • the bearing again comprises a stator bearing section 560 as well as a rotor bearing section 562, with identically polarized magnet rings facing each other in the two bearing sections when the bearing is in the optimally adjusted bearing position or when no bearings are present. ne axial force on the rotor 500 acts.
  • 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.
  • 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 comprises an evaporation space (not shown in FIG. 6a) and is designed to generate an evaporation pressure of less than 20 hPa in the evaporation space, so that the water evaporates at temperatures below 15 ° C. in the evaporation space.
  • the water is preferably groundwater water, in the ground free or in collector pipes circulating brine, so 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 these "hydrogens” have the favorable water property, namely that water, also known as “R 718”, is an enthalpy difference useful for the heat pump process Has ratio of 6, which is more than 2 times the typical usable enthalpy difference ratio of z.
  • 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.
  • pressures greater than 30 hPa can be generated with the turbomachine 16, wherein a pressure of 30 hPa has a liquefaction temperature of 24 0 C, a pressure of 60 hPa has a liquefaction temperature of 36 0 C, and a pressure of 100 hPa corresponds to a liquefaction temperature of 45 ° C.
  • Underfloor heating systems are designed to heat sufficiently with a flow temperature of 45 ° C, even on very cold days.
  • the turbomachine is coupled to a condenser 18, which is designed to liquefy the compressed working steam.
  • a condenser 18 which is designed to liquefy the compressed working steam.
  • the energy contained in the working steam is supplied to the condenser 18, in order then to be fed to a heating system via the supply line 20 a. to be led.
  • the working fluid flows back into the condenser via the return line 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.
  • 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.
  • 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 very low water losses which would otherwise be incurred in the throttling can be used to improve the evaporation process, since the effluent water at the effluent temperature, which will typically be higher than the groundwater temperature, will be used to advantage Evaporator by means of structuring 206 of a drain pipe 204, as will be explained in Fig. 9a, to trigger a bubble evaporation, so that the evaporation efficiency is increased.
  • 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.
  • about 4 ml per second are evaporated in the evaporator at a heating power of about 10 kW.
  • 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 for overflow control intended. 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 remainder of the gas to a non-evaporated water so that the gas is carried 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 vented on an ongoing basis, ie discharged 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 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. If the volume flow increases, the evaporator must evaporate more, with the pump 118 adding more groundwater to the riser pipe. transported basin 116 so that the evaporation chamber is fed more groundwater. If, on the other hand, the turbomachine delivers a lower compression factor, less groundwater flows from the bottom to the top.
  • 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.
  • Pump 152 and turbine 150 are via a force coupling g 154 coupled so that the turbine drives the pump, with the energy that has removed the turbine from the medium.
  • a motor 156 is still needed only to compensate for the losses that the system has of course, and to achieve the circulation, so a system from its rest position to the dynamic mode shown in Fig. 10a.
  • 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. IIa Such an implementation is shown in Fig. IIa, 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 superheating enthalpy is usefully 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 reduces not the overall efficiency of the heat pump, but even increases it, since two sequential turbomachines with interposed gas cooling with a longer life due to the reduced thermal stress and less energy to achieve the required gas pressure in the condenser, as if a single turbomachine without gas cooling would be present ,
  • the cascaded independently operated turbomachines are preferably controlled by a controller 250, the input side receives a desired 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, and the rotational speed n2 of a turbomachine arranged later in the cascade are changed, as illustrated with reference to FIG.
  • ni the speed of the previously arranged turbomachine
  • ni the speed of the previously arranged turbomachine
  • ni the speed of the previously arranged turbomachine
  • the 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.
  • the turbomachine which is later arranged in the cascade, must process already compressed gas that has been compressed by a turbomachine that was previously arranged in the cascade. Furthermore, this ensures that the blade angle of blades of a radial wheel, as also explained with reference to FIGS.
  • the adjustment of the blade angle consists only in optimizing a low-turbulence compression of the incoming gas.
  • the other parameters of the angle adjustment such as gas flow rate and compression ratio, which would otherwise have made a technical compromise in the choice of blade angle and thus only at a desired temperature optimum efficiency are brought according to the invention by the independent speed control to its optimum operating point and therefore have no influence more on the choice of the blade angle, so there is always an optimal efficiency despite a fixed blade angle.
  • a turbomachine arranged more in the cascade 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 radial wheel previously arranged in the cascade.
  • At least one or preferably all axial wheels of all flow machines are made of plastic with a tensile strength above 80 MPa.
  • a preferred plastic for this is polyamide 6.6 with inserted carbon fibers. This plastic has the advantage of tensile strength, so that Axialender the fault machines can be made of this plastic and yet can be operated at high speeds.
  • Axial wheels are preferably used according to the invention, as shown for example in Fig. 11c at reference numeral 260.
  • Fig. 11c shows a schematic plan view of such a radial wheel, wherein Fig. Hd shows a schematic cross-sectional view of such a radial wheel.
  • a radial wheel includes a plurality of internally outwardly extending vanes 262. The vanes extend from a center axis 264 distance, designated r w , entirely outward of the axis 264 of FIG 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 wheel includes an intake port, designated ri, for sucking gas, which gas is then discharged laterally from the radial wheel, as indicated at 270 in FIG. Hd.
  • the gas When Hc is considered, the gas is at a relatively higher speed in the direction of rotation in front of the blade 262, while at a reduced speed behind the blade 262.
  • the gas be ejected from the radial wheel at all sides with as uniform a speed as possible, ie at 270 in FIG. Hd.
  • mount the blades 262 As close as possible.
  • an arbitrarily tight attachment of from the inside, ie from the radius r w outwardly extending blades is not possible because then the suction port with the radius ri is more and more blocked.
  • blades 272, 274, 276, respectively that extend less than the blade 262.
  • the vanes 272 do not extend from r w to the outside, but extend outward from Ri with respect to the radial wheel, where Ri is greater than rw.
  • 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 where R 3 is greater than R 2 is.
  • FIG. Hd shows diagrammatically in FIG. Hd, with a double hatching, for example in the region 278 in FIG. Hd, indicating that there are two blades in this region which overlap and are therefore characterized by the double-hatched region.
  • the hatching from bottom left to top right in the area 278 denotes a vane 262 w extends from r to by the very outside, while extending from top left to bottom right of the area 278 hatching indicates a vane 272 which merely to extends from Ri to the outside 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 area is not clogged or areas with a smaller radius are not covered too much with blades, while areas with a larger radius are more densely covered with blades, so that at the outlet of the radial wheel, ie where the compressed Gas leaves the radial wheel, as homogeneous a velocity distribution of the exiting gas exists.
  • the GE- Speed 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. Llc 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 inside 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. Hd.
  • the use of plastic in particular with the plastic injection molding technology makes it possible to produce any shape accurately and inexpensively, which is not readily possible or only very consuming or possibly even impossible with axial metal wheels.
  • plastic is also favorable due to the superior impact resistance of plastic. So is not always exclude that ice crystals or water droplets hit the radial wheel at least the first stage compressor. Due to the high accelerations, very high impact forces arise which are easily withstood by plastics with sufficient impact resistance. 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, these also give rise to considerable speeds and forces which, viewed over the long term, can lead to material fatigue which, however, is easily manageable if a plastic with sufficient impact resistance is used.
  • the compressed gas discharged from the last compressor 174 that is to say the compressed steam, is then supplied to the condenser 18, which may be designed as shown in FIG. 7, but which is preferably configured as shown in FIG. 8a is shown.
  • the condenser 18 contains a volume of water 180, and preferably an arbitrarily small volume of steam 182.
  • the condenser 18 is designed to feed the compressed vapor into the water of the volume of water 180, so that where the vapor enters the liquid immediately results in condensation as schematically indicated at 184.
  • the gas supply has a widening region 186, such that the gas is distributed as extensively as possible in the condenser water volume 180.
  • the heating flow is arranged as close as possible to the surface of the water volume 180 in order to always remove the warmest water from the condenser water volume 180.
  • the heating return is fed to the bottom of the condenser, so that the steam to be liquefied always comes in contact with the coolest possible water that is due to the circulation using a heating circulation pump 312 again moved from below in the direction of the steam-water boundary of the expander 186.
  • FIG. 10b shows an implementation of a connection of a heating line to the condenser with a turbine / pump combination if the condenser is to be arranged at a lower height than the heating line or if a conventional heating system requiring a higher pressure is to be connected , If the condenser is therefore to be arranged lower, that is to say below a surface to be heated or the heating line 300, the pump 312 is designed as a driven pump, as shown at 312 in FIG. 10b. Further, a turbine 310 is provided in the heater return 20b for driving the pump 312, which is connected via a power coupling 314 to the pump 312. The high pressure then prevails in the heater and the low pressure prevails in the condenser.
  • the drain 22 is provided, above which, so that the water level in the condenser does not change substantially, also z. B. have to drain about 4 ml per second.
  • a drain pump or a drain valve 192 is provided for pressure control, such that without pressure loss, the required amount of z. B. 4 ml per second, ie the amount that is supplied to the steam liquefier with the compressor running, is discharged again.
  • the required amount of z. B. 4 ml per second ie the amount that is supplied to the steam liquefier with the compressor running, is discharged again.
  • the process into the riser as shown at 194.
  • Fig. 7 In the embodiment shown in Fig. 7 is carried out completely without a heat exchanger.
  • the groundwater is thus evaporated, the steam is then liquefied in the condenser, and the liquefied steam is finally pumped through the heating and returned to the riser.
  • the process since not all of the water flowing through the riser amount of water is evaporated, but always only a (very small) share, thus, water that has flowed through the underfloor heating, fed to the groundwater. If such a thing is prohibited by local regulations, although the present invention does not involve any contamination, the process may also be designed to deliver the amount of 4 ml per second corresponding to about 345 liters per day to the channel. This would ensure that no medium that was in a heating system of a building is directly fed back into the groundwater.
  • the return 112 from the evaporator can be fed without problems into the groundwater, since the water returning there was in contact only with the riser and the return line, but did not exceed the "evaporation limit" between the evaporator expander 108 and the outlet to the turbomachine Has.
  • the evaporation space in the exemplary embodiment shown in FIG. 7 as well as the condenser or the steam space 182 of the condenser are removed. must be sealed. As soon as the pressure in the evaporation chamber rises above the level required for the water pumped through the riser pipe to evaporate, the heat pump process "stops".
  • FIG. 8a illustrates a preferred embodiment for the condenser 18.
  • the compressed steam supply line 198 is placed in the condenser so that the steam just below the surface of the condenser water volume 180 can escape into this volume of water.
  • the end of the steam supply line around the circumference of the tube arranged around nozzles, through which the steam can escape into the water.
  • an expander 200 is provided. This expansion is located in the condenser water volume 180.
  • circulation pump 202 which is designed to suck cold water at the bottom of the condenser and to put through the expander in an upward broadening flow. In this way, the largest possible amounts of the steam entering the liquefier water 180 should be brought into contact with the coldest possible water which is supplied by the circulation pump 202.
  • a sound insulation 208 which may be actively or passively formed. Passive sound insulation, like thermal insulation, will insulate the frequencies of the sound produced by the liquefaction process as well as possible. Likewise, it is also preferred to silencing the other components of the system.
  • the sound insulation may alternatively be actively formed, in which case z. B. a microphone for sound measurement would have and in response to a sound Counteracting effect, such as an in-vibration displacement of an outer condenser wall, etc. with z. B. piezoelectric means.
  • a return valve in line 198 e.g. be arranged in the vicinity of the output of the line from the condenser.
  • line 198 may be directed up to the point where no liquid is returned to the compressor when the compressor is switched off.
  • FIG. 8b An alternative embodiment which overcomes this problem is shown in FIG. 8b.
  • the compressed vapor is now not supplied within a tube below the water level in the condenser. Instead, the vapor is, so to speak, "pumped" into the liquid in the condenser from the surface, for which purpose the condenser comprises a nozzle plate 210, which has nozzles 212 protruding with respect to the plane of the nozzle plate 210.
  • the nozzles 212 extend below the water level of the water volume 180 in the condenser.
  • the recessed portions between two nozzles shown at 214 in Fig.
  • the nozzle 212 has nozzle openings through which the compressed vapor that propagates from the conduit 198 within the vapor volume 182 may enter the condenser water, as shown schematically by arrows 216.
  • the warm water then either enters immediately into the supply line 20a or spreads over the Aufweiter edge in the water volume, as shown by an arrow 218, so that in the liquefier outside of the expander occurs a temperature stratification, in particular due to the up - further form is disturbed as little as possible.
  • the flow velocity at the edge of the expander is substantially lower than in the middle. It is preferred to operate the condenser as a temperature-layer store, such that the heat pump and in particular the compressor do not have to run continuously, but only have to run when may exist, as it is for normal heating systems, for example, work with an oil burner, also the case.
  • Fig. 8c shows a further preferred implementation of the condenser in schematic form.
  • the condenser comprises a gas separator 220, which is coupled to the gas volume 182 in the condenser.
  • Gas generated in the condenser such as oxygen or another gas which may outgas in the condenser, accumulates in the gas separator vessel 220.
  • This gas can then be pumped to the atmosphere by operating a pump 222, preferably at certain intervals, since continuous gas pumping is not necessary due to the small amount of gas produced.
  • the gas can also be docked in the return 112 or 113 of FIG. 7, so that the gas is returned together with the returning groundwater back into the groundwater reservoir, where it is then dissolved again in the groundwater, or when it enters the groundwater reservoir, where it goes into the atmosphere.
  • the system of the invention works with water, even with strong outgassing no gases that were not previously solved in the groundwater, so that the separated gas has no environmental problems in itself.
  • the system according to the invention has at each point as a working medium water or steam, which is at least as clean as the original groundwater, or even cleaner because of the evaporation in the evaporator than the groundwater, since it is distilled water when the compressed steam in Condenser has been re-liquefied.
  • the effluent which is at a heating-return temperature, that is to say a much higher temperature than the groundwater extracted from the earth, is passed through the expander 108 of the evaporator, so that the wall of the drainage tube 204 acts as a germ acts for a bubble boiling.
  • a heating-return temperature that is to say a much higher temperature than the groundwater extracted from the earth
  • the wall of the drainage tube 204 acts as a germ acts for a bubble boiling.
  • a region of the evaporator on which water to be evaporated is located may be made of a rough material in order to supply nuclei for nucleate boiling.
  • a rough grid can be arranged below the water surface of the water to be evaporated.
  • Fig. 9b shows an alternative implementation of the evaporator. While the process in FIG. 9a is merely a "through" support for bubble formation for efficient 9b is used and, as shown in Fig. 9a on the left in the picture, then, when it has passed through the evaporator, is discharged, the process in Fig. 9b itself is used to enhance the formation of bubbles.
  • the condenser outlet 22 of FIG. 7 is optionally connected via a pump 192 or, if conditions permit, without a pump, to a nozzle tube 230 having an end 232 at one end and nozzle openings 234.
  • the warm condenser water which is discharged from the condenser via the drain 22 at a rate of, for example, 4 ml per second, is now fed to the evaporator.
  • a nozzle opening 234 in the nozzle tube 230 or directly at the exit from a nozzle it will evaporate to a certain extent below the water surface of the evaporator water due to the pressure which is too low for the temperature of the discharge water.
  • the resulting vapor bubbles are directly as boiling nuclei for the evaporator water, which is conveyed via the inlet 102, act.
  • efficient bubble boiling in the evaporator can be triggered without major additional measures, such triggering being similar to FIG. 9a due to the fact that the temperature near the rough area 206 in FIG. 9a or in the vicinity of a nozzle opening 234 already is so high that immediately takes place at the present pressure evaporation.
  • This evaporation forces the creation of a vapor bubble, which, if the conditions are favorably chosen, has a very high probability that it will not collapse again, but that it will develop into a surface-going vapor bubble which, as soon as it does has entered the vapor volume in the evaporation chamber is sucked through the suction pipe 12 from the compressor.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 9b requires that condenser water enter the groundwater circuit. is brought, since the emerging from the nozzle tube 230 medium finally enters the overflow of the evaporator in the return 112 and is thus brought into contact with the groundwater.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 9c can be used.
  • the warm condenser water supplied from the condenser outlet 22 is introduced, for example, at a rate of 4 ml per second into a heat exchanger 236 to deliver its heat to a groundwater coming from the main groundwater flow in the line 102 via a branch line 238 and a branch pump 240 has been branched off.
  • the branched groundwater then substantially decreases the heat of the condenser outlet within the heat exchanger 236, so that preheated groundwater, for example, at a temperature of 33 0 C is introduced into the nozzle tube 230 in order by the high temperature compared to the groundwater Bubble boiling in the evaporator to effectively trigger or support.
  • the heat exchanger delivers via a drain line 238 relatively strongly cooled waste water, which is then fed via a drain pump 240 of the sewer. Due to the combination of branch line 238 and branch pump 240 and heat exchanger 236, only groundwater is used or introduced in the evaporator without it being in contact with another medium. A relevance under water law thus does not exist in the exemplary embodiment shown in FIG. 9c.
  • Figure 9d shows an alternative implementation of the edge feed vaporizer.
  • the expander 200 of the evaporator is arranged below the water level 110 in the evaporator. This results in water flowing "from the outside" into the center of the expander, to then be returned to a central conduit 112. While the central conduit in Fig. 7 has served to feed the evaporator, it now serves in Fig. 9d - direct the unevaporated groundwater.
  • the conduit 112 shown in Fig. 7 has been used to remove unevaporated groundwater.
  • this line at the edge acts as a groundwater supply.
  • Fig. 9e shows a preferred implementation of the expander 200 as it can be used in the evaporator or the expander as e.g. can also be used in the condenser, and as shown for example in Fig. 7 or Fig. 8a and 3b.
  • the expander is preferably designed such that its small diameter preferably enters the expander at the center of the "large" expander surface. This diameter of this inlet (in Fig. 9d) is preferably between 3 and 10 cm and especially preferred embodiments between 4 and 6 cm.
  • the large diameter d 2 of the expander is in preferred embodiments between 15 and 100 cm and is smaller than 25 cm in particularly preferred embodiments.
  • the small version of the evaporator is possible when efficient measures for triggering and supporting the bubble boiling are used, as explained above.
  • a curvature region of the expander which is preferably designed to give a laminar flow in this region which is of a fast flow rate, preferably in the range of 7 to 40 cm per Second is lowered to a relatively small flow rate at the edge of the expander. Strong flow rate discontinuities, such as eddies in the area of the line of curvature or "bubbling" above the inlet when viewed from the top of the expander, are preferably avoided as they may be detrimental to efficiency.
  • the expander has a shape which results in the height of the water is above the Aufweiter surface smaller than 15 mm, and preferably between 1 and 5 mm. It is therefore preferred to use an expander 200 which is designed such that in more than 50% of the area of the expander, when viewed from above, there is a water level which is less than 15 mm. This ensures efficient evaporation over the entire area, which, in view of its efficiency, is particularly enhanced when measures are taken to trigger BIAS boiling.
  • the heat pump according to the invention thus serves for efficient heat supply of buildings and no longer requires working equipment that 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 transporting 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 aqueous medium is evaporated, compacted and liquefied under low pressure.
  • 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 efficiency and usefulness of the present invention will be illustrated by way of a numerical example. If an annual heat requirement of 30,000 kWh is assumed, according to the invention about a maximum of 3750 kWh of electric current must be expended for the operation of the turbomachine since the turbomachine only has to supply about one-eighth of the total heat requirement.
  • the eighth comes from the fact that only in the most extreme cold a sixth must be spent, and z. B. at transition temperatures such as in March or the end of October, the efficiency can rise to a value greater than 12, so that a maximum of one-eighth must be spent on average over the year.
  • the housings of the evaporator, the compressor and / or the condenser and also, in particular, 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, the use of expensive special plastics, metal or ceramic would require.
  • plastic injection molding the shape of the radial wheel can be arbitrarily optimized and yet easily and inexpensively manufactured in spite of complicated shape.
  • the method according to the invention can be implemented in hardware or in software.
  • the implementation can be carried out on a digital storage medium, in particular a floppy disk or CD, with electronically readable control signals which can interact with a programmable computer system in such a way that the corresponding method is carried out.
  • the invention thus also consists in a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention, when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Abstract

The invention relates to a bearing for the rotary mounting of a rotor on a stator, which has an idle position and a working position, comprising an actuator for moving the rotor or stator depending on a control signal and a control device to provide the control signal, wherein the control device provides the control signal such that the actuator accelerates the rotor or stator from the idle position in the direction of the working position during an acceleration phase and the actuator is then braked in a braking phase, the rotor or stator being released from the actuator in the braking phase and moves into the working position due to the acceleration imparted during the acceleration phase. A maintenance-free, non-contact, lubricant-free bearing can be achieved which is particularly efficiently operable by use of a permanent magnet bearing the stator section of which can be operated by a piezoelectric accelerator.

Description

Lager und Verfahren zum Betreiben eines Lagers Warehouse and method for operating a warehouse
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lager zum rotatorischen Lagern eines Rotors an einem Stator und insbesondere auf wartungsfreie und schmiermittelfreie Lager, wie sie besonders gut zum Lagern eines Radialrads in einer Strömungsmaschine einer Wärmekraftmaschine, wie beispielsweise einer Wärmepumpe oder einer Kühlmaschine eingesetzt werden kann.The present invention relates to bearings for rotatably supporting a rotor on a stator, and more particularly to maintenance-free and lubricant-free bearings, which can be used particularly well for supporting a radial gear in a turbomachine of a heat engine, such as a heat pump or a refrigerating machine.
Fig. 13 zeigt eine bekannte Wärmepumpe, wie sie in „Technische Thermodynamik", Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen, 14. neu bearbeitete Auflage, Hanser Verlag, 2005, Seiten 278 - 279, beschrieben ist. Die Wärmepumpe um- fasst einen geschlossen Kreislauf, in dem ein Arbeitsmit- tel, wie beispielsweise R 134a, zirkuliert, über einen ersten Wärmetauscher 80 und den Verdampfer wird dem Erdreich bzw. Grundwasser soviel Wärme entzogen, dass das Arbeitsmittel verdampft. Das jetzt energiereiche Arbeitsmittel wird über die Saugleitung vom Verdichter abgesaugt. Im Ver- dichter 81 wird es komprimiert, wodurch Druck und Temperatur erhöht werden. Diese Kompression wird durch einen Kolbenverdichter durchgeführt. Das verdichtete und unter hoher Temperatur stehende Arbeitsmittel gelangt jetzt in den zweiten Wärmetauscher 82, den Verflüssiger. Im Verflüssiger wird dem Arbeitsmittel vom Heizung- oder Brauchwasserkreislauf so viel Wärme entzogen, dass das Kältemittel unter hohem Druck und hoher Temperatur verflüssigt wird. Im Drossel- oder Expansionsorgan 83 wird das Arbeitsmittel expandiert, d.h. das Arbeitsmittel wird entspannt. Hierbei wer- den Druck und Temperatur so weit abgebaut, dass das Arbeitsmittel wieder in der Lage ist, im Verdampfer erneut Energie aus dem Erdreich oder Grundwasser aufzunehmen. Der Kreislauf ist jetzt geschlossen und beginnt von neuem. Wie hieraus ersichtlich ist, dient das Arbeitsmittel als Energietransporteur um aus dem Erdreich bzw. Grundwasser Wärme aufzunehmen und diese im Verflüssiger an den Hei- zungskreislauf abzugeben. Bei dieser Prozessführung ist der 2. Hauptsatz der Thermodynamik erfüllt, in dem es heißt, dass Wärme bzw. Energie von „selbst" nur vom höheren Temperaturniveau auf das niedrigere Temperaturniveau übertragen werden kann, und dass dies umgekehrt nur durch äußere Ener- giezufuhr, hier die Antriebsarbeit des Verdichters, geschehen kann.13 shows a known heat pump, as described in "Technical Thermodynamics", Theoretical Background and Practical Applications, 14th revised edition, Hanser Verlag, 2005, pages 278 - 279. The heat pump comprises a closed circuit, By means of a first heat exchanger 80 and the evaporator, so much heat is extracted from the soil or groundwater that the working fluid evaporates Compressor 81 compresses it, which increases the pressure and temperature, and this compression is carried out by a reciprocating compressor.The compressed and high-temperature working fluid now enters the second heat exchanger 82, the condenser. or hot water circuit extracted so much heat that the refrigerant under h ohem pressure and high temperature is liquefied. In throttling or expansion member 83, the working fluid is expanded, ie the working fluid is released. Here, the pressure and temperature are reduced to such an extent that the working fluid is again able to re-absorb energy from the soil or groundwater in the evaporator. The cycle is now closed and starts again. As can be seen, the working medium serves as an energy transporter to pick up heat from the soil or groundwater and deliver it to the heating circuit in the liquefier. In this process, the second law of thermodynamics is fulfilled, which states that heat or energy from "self" can only be transferred from the higher temperature level to the lower temperature level, and vice versa only by external energy supply, here the drive work of the compressor, can happen.
Fig. 12 zeigt ein typisches h, log p-Diagramm (h ist die Enthalpie, p der Druck eines Stoffes) . Zwischen Punkt 4 und Punkt 1 im Diagramm von Fig. 12 findet eine isobare Verdampfung des Arbeitsmittels bei niedrigen Werten für den Druck und die Temperatur (pχf Ti) statt, hier wird die Wärme Qβi zugeführt.Fig. 12 shows a typical h, log p diagram (h is the enthalpy, p is the pressure of a substance). Between point 4 and point 1 in the diagram of Fig. 12 an isobaric evaporation of the working fluid at low values for the pressure and the temperature (Ti pχ f) takes place, here the heat is supplied Qβi.
Zwischen Punkt 1 und Punkt 2 findet idealerweise eine reversible Verdichtung des Arbeitsmitteldampfes in einem adi- abaten Verdichter auf den Druck p2 statt. Dabei steigt die Temperatur auf T2. Es ist hier eine Verdichtungsarbeit zuzuführen.Between point 1 and point 2, ideally, a reversible compression of the working medium vapor in an adiabatic compressor to the pressure p 2 takes place. The temperature rises to T 2 . It is here to perform a compression work.
Dann wird bei hohem Druck P2 zunächst eine isobare Kühlung des Arbeitsmitteldampfes von 2 auf 2' durchgeführt. Die ü- berhitzung wird abgebaut. Anschließend findet eine Verflüssigung des Arbeitsmittels statt. Insgesamt kann die Wärme Q25 abgeführt werden.Then, at high pressure P 2 , an isobaric cooling of the working medium vapor is first carried out from 2 to 2 '. Overheating is reduced. Subsequently, a liquefaction of the working fluid takes place. Overall, the heat Q 25 can be dissipated.
In der Drossel 83 findet dann die adiabate Drosselung des Arbeitsmittels vom hohen Druck P2 auf den niedrigen Druck pi statt. Dabei verdampft ein Teil des flüssigen Arbeits- mittels und die Temperatur verringert sich auf die Verdampfungstemperatur Ti. In dem h, log p-Diagramm können die E- nergien und Kennzahlen dieses Prozesses mittels Enthalpien berechnet werden und veranschaulicht werden, wie es in Fig. 12 gezeigt ist.In the throttle 83 is then the adiabatic throttling of the working fluid from the high pressure P 2 to the low pressure pi instead. In the process, part of the liquid working fluid evaporates and the temperature decreases to the evaporation temperature Ti. In the h, log p diagram, the energies and indices of this process can be determined by means of enthalpies are calculated and illustrated as shown in FIG.
Das Arbeitsfluid der Wärmepumpe nimmt somit im Verdampfer Wärme aus der Umgebung, d. h. Luft, Wasser, Abwasser oder Erdboden, auf. Der Verflüssiger dient als Wärmeübertrager zum Erwärmen eines Heizmittels. Die Temperatur Ti liegt etwas unter der Umgebungstemperatur die Temperatur T2 erheblich, die Temperatur T2' etwas über der benötigten Hei- zungstemperatur. Je höher die geforderte Temperaturdifferenz ist, umso mehr Arbeit muss der Verdichter aufbringen. Man ist daher bestrebt, die Temperaturerhöhung so klein wie möglich zu halten.The working fluid of the heat pump thus takes in the evaporator heat from the environment, ie air, water, sewage or soil, on. The condenser serves as a heat exchanger for heating a heating medium. The temperature Ti is slightly below the ambient temperature, the temperature T 2 considerably, the temperature T 2 'slightly above the required heating temperature. The higher the required temperature difference, the more work the compressor has to apply. It is therefore desirable to keep the temperature increase as small as possible.
Bezugnehmend auf Fig. 12 wird somit im idealen Fall eine Verdichtung der Arbeitsstoffdämpfe entlang der Kurve für die Entropie s = konstant bis zum Punkt 2 durchgeführt. Von hier bis Punkt 3 verflüssigt sich der Arbeitsstoff. Die Länge der Strecke 2-3 stellt die Nutzwärme Q dar. Vom Punkt 3 bis zum Punkt 4 erfolgt die Entspannung und von Punkt 4 bis Punkt 1 die Verdampfung des Arbeitsstoffes, wobei die Strecke 4-1 die der Wärmequelle entzogene Wärme wiedergibt. Im Gegensatz zum T, s-Diagramm können beim h, log p- Diagramm die Beträge der Wärme und der Arbeit als Strecken entnommen werden. Druckverluste in Ventilen, den Druck- und Saugleitungen, des Verdichters usw. verformen den idealen Verlauf des Kreisprozesses im h, log p-Diagramm und reduzieren die Effektivität des gesamten Prozesses.With reference to FIG. 12, in the ideal case, a compression of the working substance vapors along the curve for the entropy s = constant up to point 2 is thus carried out. From here to point 3 the working fluid liquefies. The length of the section 2-3 represents the useful heat Q. From the point 3 to the point 4, the relaxation takes place and from point 4 to point 1, the evaporation of the working substance, the distance 4-1 reproduces the heat extracted from the heat source. In contrast to the T, s diagram, the amounts of heat and work can be taken as stretches in the h, log p diagram. Pressure losses in valves, the pressure and suction lines, the compressor, etc. deform the ideal course of the cycle in the h, log p diagram and reduce the effectiveness of the entire process.
Bei Kolben-Verdichtern hat der angesaugte Arbeitsstoffdampf zunächst eine niedrigere Temperatur als die Zylinderwandung des Verdichters und nimmt Wärme aus ihr auf. Mit fortschreitender Verdichtung erhöht sich schließlich die Temperatur des Arbeitsstoffdampfes über die der Zylinderwandung, so dass der Arbeitsstoffdampf Wärme an die Zylinderwandung abgibt. Dann, wenn der Kolben erneut Dampf ansaugt und verdichtet, wird die Temperatur der Kolbenwandung zunächst wieder unterschritten und dann überschritten, was zu dau- ernden Verlusten führt. Ferner wird eine Überhitzung des angesaugten Arbeitsstoffdarapfes nötig und erforderlich sein, damit der Verdichter keinen flüssigen Arbeitsstoff ansaugt. Nachteilig ist insbesondere auch der Wärmeaus- tausch mit dem ölkreislauf des Kolbenverdichters, welcher zur Schmierung unverzichtbar ist.In piston compressors, the aspirated working vapor initially has a lower temperature than the cylinder wall of the compressor and absorbs heat from it. As the compression progresses, the temperature of the working-material vapor finally increases above that of the cylinder wall, so that the working-substance vapor gives off heat to the cylinder wall. Then, when the piston sucks in steam again and compressed, the temperature of the piston wall is initially again fallen below and then exceeded, resulting in permanent leads to losses. Furthermore, overheating of the sucked Arbeitsstoffdarapfes will be necessary and necessary so that the compressor does not suck a liquid agent. Another disadvantage is the heat exchange with the oil circuit of the reciprocating compressor, which is indispensable for lubrication.
Auftretende Irreversibilitäten, wie Wärmeverluste bei der Verdichtung, Druckverluste in den Ventilen und Strömungs- Verluste in der Druckleitung zum Verflüssigen und in dem Verflüssiger erhöhen die Entropie, also die Wärme, die nicht mehr wiedergewonnen werden kann. Ferner liegt auch die Temperatur T2 über der Verflüssigungstemperatur. Eine solche „Überhitzungsenthalpie" ist unerwünscht, besonders, weil die dabei auftretenden hohen Temperaturen die Alterung des Verdichters und insbesondere des Schmieröls bei einem Kolben-Verdichter beschleunigen. Auch wird die Effektivität des Prozesses gemindert.Occurring irreversibilities, such as heat losses during compression, pressure losses in the valves and flow losses in the pressure line for liquefying and in the condenser increase the entropy, ie the heat that can not be recovered. Furthermore, the temperature T 2 is also above the liquefaction temperature. Such an "overheat enthalpy" is undesirable, especially because the high temperatures involved accelerate the aging of the compressor and, in particular, the lubricating oil in a piston compressor, and also reduce the effectiveness of the process.
Der verflüssigte Arbeitsstoff auf niedriger Temperatur am Ausgang des Verflüssigers müsste im Rahmen eines idealen Kreisprozesses über eine Kraftmaschine, beispielsweise Turbine, entspannt werden, um den überschuss an Energie, der gegenüber dem Zustand bei der Temperatur und dem Druck vor dem Verdichten bestand, zu nützen. Aus Gründen des hierfür erforderlichen großen Aufwands unterbleibt diese Maßnahme und der Druck des Arbeitsstoffes wird durch die Drossel 83 schlagartig auf den niedrigen Druck und die niedrige Temperatur herabgesetzt. Die Enthalpie des Arbeitsstoffes bleibt hierbei angenähert gleich. Durch die schlagartige Druckminderung muss der Arbeitsstoff teilweise verdampfen, um seine Temperatur abzusenken. Die notwendige Verdampfungswärme stammt aus dem auf Übertemperatur befindlichen Arbeitsstoff, wird also nicht der Wärmequelle entzogen. Die Ge- samtheit der durch die Entspannung in der Drossel 83 (Fig. 13) hervorgerufenen Verluste wird als Entspannungsverluste bezeichnet. Es handelt sich dabei um Exergie-Verluste, weil Wärme der Temperatur T in Wärme der Temperatur T0 umgewan- delt wird. Diese Verluste lassen sich vermindern, wenn der flüssige Arbeitsstoff seine Wärme an ein Medium einer Temperatur kleiner als T abgeben kann. Diese Unterkühlungsenthalpie lässt sich durch einen inneren Wärmeaustausch nutzbar machen, der jedoch ebenfalls wieder zusätzlichen Geräteaufwand erfordert. Auch prinzipiell ist dem inneren Wärmeaustausch eine Grenze gesetzt, weil bei der Verdichtung der Dämpfe die OberhitZungstemperatur T2 ansteigt, wodurch die erzielten Gewinne teilweise wieder ausgeglichen werden, und auch Maschine und Schmieröl thermisch verstärkt beansprucht werden. Schließlich steigt durch die Uberhit- zung das Volumen des Dampfes an, wodurch sich die volu- metrische Heizleistung vermindert. Man nutzt diese Wärme nur zum Vorwärmen der zum Verdichter strömenden Dämpfe des Arbeitsstoffs soweit aus, wie es notwendig ist, damit alle im Dampf des Arbeitsmediums enthaltenen Tröpfchen mit Sicherheit in Dampf umgewandelt sind.The liquefied low-temperature working fluid at the condenser outlet would have to be relieved by an ideal cycle through an engine, such as a turbine, to utilize the excess of energy that existed against the temperature and pre-compression conditions. For reasons of this required large expense, this measure is omitted and the pressure of the working fluid is abruptly reduced by the throttle 83 to the low pressure and the low temperature. The enthalpy of the working substance remains approximately the same. Due to the sudden reduction in pressure, the working fluid must partially evaporate in order to lower its temperature. The necessary heat of evaporation comes from the excess temperature located working fluid, so it is not removed from the heat source. The totality of the losses caused by the expansion in the throttle 83 (FIG. 13) is referred to as relaxation losses. These are exergy losses because heat of temperature T is converted into heat of temperature T 0 . delt is. These losses can be reduced if the liquid agent can deliver its heat to a medium of a temperature less than T. This subcooling enthalpy can be exploited by an internal heat exchange, which, however, again requires additional equipment. In principle, the internal heat exchange is a limit, because in the compression of the vapors, the OberhitZungstemperatur T 2 increases, whereby the profits achieved are partially compensated again, and machine and lubricating oil are subjected to thermal stress. Finally, the overheating increases the volume of the steam, which reduces the volumetric heat output. This heat is used only to preheat the vapors of the working fluid flowing to the compressor as far as necessary to ensure that all the droplets contained in the vapor of the working fluid have been converted to steam with certainty.
Generell kann man sagen, dass das Verhältnis der Enthalpie- Differenz zwischen dem Punkt 1 und dem Punkt 4 zu der Enthalpie-Differenz zwischen dem Punkt 2 und dem Punkt 1 des h, log p-Diagramms ein Maß für die Wirtschaftlichkeit des Wärmepumpen-Prozesses ist.In general, the ratio of the enthalpy difference between point 1 and point 4 to the enthalpy difference between point 2 and point 1 of the h, log p diagram is a measure of the economics of the heat pump process ,
Ein derzeit populäres Arbeitsmittel ist R134a, das als chemische Formel CF3-CH2F hat. Hier handelt es sich um ein Arbeitsmittel, das zwar nicht mehr ozonschädigend ist, das jedoch im Hinblick auf den Treibhauseffekt eine 1000 mal stärkere Wirkung als Kohlendioxid hat. Das Arbeitsmittel Rl34a wird jedoch gerne verwendet, da es eine relativ große Enthalpie-Differenz von etwa 150 kJ/kg hat.A currently popular tool is R134a, which has CF 3 -CH 2 F as its chemical formula. This is a working fluid that is no longer harmful to the ozone layer, but has a 1000 times greater effect than carbon dioxide in terms of the greenhouse effect. However, the Rl34a agent is popular because it has a relatively large enthalpy difference of about 150 kJ / kg.
Obgleich dieses Arbeitsmittel kein "Ozonkiller" mehr ist, existieren dennoch erhebliche Anforderungen an die Ge- schlossenheit des Wärmepumpen-Kreislaufs, derart, dass aus diesem geschlossenen Kreislauf keine Arbeitsmittel-Moleküle austreten, da diese ganz erhebliche Schäden aufgrund des Treibhauseffekts anrichten würden. Diese Kapselung verur- sacht erhebliche Zusatzkosten beim Bau einer Wärmepumpe. Ausserdem werden chemische Schmierstoffe benötigt, die e- benfalls zu einer Umweltbeeinflussung führen können.Although this working fluid is no longer an "ozone killer", there are still considerable demands on the integrity of the heat pump cycle, such that no working fluid molecules escape from this closed circuit, since these would cause very considerable damage due to the greenhouse effect. This encapsulation causes Considerably additional costs when building a heat pump. In addition, chemical lubricants are required, which can also lead to an environmental impact.
Ferner ist davon auszugehen, dass bis zur Umsetzung der nächsten Stufe des Kyoto-Protokolls aufgrund des Treibhaus- Effekts bis zum Jahre 2015 auch Rl34a verboten wird, was auch schon früheren mit wesentlich schädlicheren Mitteln geschehen ist.Furthermore, it can be assumed that until the implementation of the next stage of the Kyoto Protocol due to the greenhouse effect by 2015, Rl34a will also be banned, which has already been done with much more harmful means.
Nachteilig an bestehenden Wärmepumpen ist daher neben der Tatsache der schädlichen Schmierstoffe und des schädlichen Arbeitsmittels auch die Tatsache, dass aufgrund der vielen Verluste im Wärmepumpenkreislauf der Wirkungsgrad der Wär- mepumpe typischerweise nicht über einen Faktor 3 liegt. Anders ausgedrückt, kann man etwa das 2-fache der Energie, die für den Verdichter eingesetzt worden ist, aus der Wärmequelle, wie beispielsweise dem Grundwasser oder dem Erdreich entnehmen. Wenn man nunmehr Wärmepumpen betrachtet, bei denen der Verdichter mit elektrischem Strom angetrieben wird, und wenn man gleichzeitig berücksichtigt, dass der Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung vielleicht gleich 40 % ist, so stellt sich heraus, dass - im Hinblick auf die gesamte Energiebilanz - eine Wärmepumpe vom Nutzen her zwei- felhaft ist. Bezogen auf den Primärenergieträger werden 120 % - 3" 40 % an Heizenergie bereit gestellt. Eine konventionelle Heizanlage mit einem Brenner kommt immerhin auf Wirkungsgrade von 90 - 95 %, d.h. mit einem hohen technischen und damit finanziellen Aufwand wird lediglich eine Verbes- serung von 25 - 30 % erreicht.A disadvantage of existing heat pumps, therefore, apart from the fact of the harmful lubricants and the harmful working fluid and the fact that due to the many losses in the heat pump cycle, the efficiency of the heat pump is typically not more than a factor of 3. In other words, about 2 times the energy used for the compressor can be taken from the heat source, such as groundwater or soil. Considering now heat pumps in which the compressor is driven by electric current, and considering at the same time that the efficiency in power generation is perhaps equal to 40%, it turns out that - in terms of the overall energy balance - a heat pump the benefit is doubtful. Based on the primary energy source, 120% - 3 "40% of heating energy is provided, and a conventional heating system with a burner achieves efficiencies of 90 - 95%, ie with a high technical and thus financial expense only an improvement of 25 - 30% achieved.
Bessere Systeme verwenden zum Antrieb des Verdichters Primärenergie. Es wird also Gas oder öl verbrannt, um mit der durch die Verbrennung frei werdenden Energie die Verdich- terleistung zu schaffen. Vorteilhaft an dieser Lösung ist, dass die Energiebilanz tatsächlich positiver wird. Dies hat als Grund, dass als Antriebsenergie zwar lediglich ca. nur 30 % des Primärenergieträgers gewonnen werden können, aber dafür die Abwärme von dann ca. 70 % mit zur Heizung herangezogen werden kann. Die bereitgestellte Heizenergie beträgt dann 160 % = 3 30 % + 70 % des Primärenergieträgers. Nachteilhaft an dieser Lösung ist jedoch, dass ein Haushalt, obgleich er keine klassische Heizung mehr hat, dennoch einen Verbrennungsmotor und ein Treibstofflager benötigt. Der Aufwand für Motor und Treibstofflager kommen noch zum Aufwand für die Wärmepumpe hinzu, die ja ein hochgeschlossener Kreislauf aufgrund des klimaschädigenden Kühlmittels ist.Better systems use primary energy to drive the compressor. So gas or oil is burnt to create the compressor power with the energy released by the combustion. An advantage of this solution is that the energy balance is actually more positive. This is due to the fact that, although only about 30% of the primary energy carrier can be obtained as drive energy, but for the waste heat of then about 70% can be used with the heating. The heating energy provided is then 160% = 3 30% + 70% of the primary energy source. A disadvantage of this solution, however, is that a household, although he has no more classical heating, still needs an internal combustion engine and a fuel storage. The cost of engine and fuel storage are still added to the cost of the heat pump, which is indeed a high-closed circuit due to the climate-damaging coolant.
Alle diese Dinge haben dazu geführt, dass sich Wärmepumpen in der Konkurrenz zu anderen Heizungsarten nur bedingt behaupten können.All of these things have meant that heat pumps can only compete to a certain extent in competition with other types of heating.
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.Conventional heat pumps have the disadvantage that, when operating on the basis of a piston principle, they have inherent losses due to the fact that the piston has to be reciprocated. In addition, the piston must be lubricated, and it is difficult or impossible to prevent the lubricant from coming into contact with the working fluid.
Es wurde herausgefunden, dass der Ersatz einer Kolbenpumpe durch einen Radialverdichter, der z.B. nach dem Turboprinzip arbeitet, einige Vorteile mit sich bringt. Ein entscheidender Vorteil eines solchen Prinzips besteht darin, dass als Arbeitsmittel Wasser verwendet werden kann, wobei dieses Wasser sogar einem offenen Kreislauf entstammen kann. Unabhängig davon ob tatsächlich ein vollständig geschlossener oder ein vollständig offener Kreislauf eingesetzt wird, soll in einer solchen Wasserdampfatmosphäre keine Kontamination des Wasserdampfes bzw. des Wassers mit Schmiermitteln stattfinden. Andererseits soll dann, wenn ein Radialverdichter in einer Wärmekraftmaschine eingesetzt wird, der Wirkungsgrad möglichst hoch sein, so dass für die Lagerung eines Radialrads, das zusätzlich hohe Drehzahlen haben kann, auch möglichst wenig Energie aufgewendet werden soll.It has been found that the replacement of a piston pump with a centrifugal compressor operating, for example, on the turbo principle has some advantages. A decisive advantage of such a principle is that it is possible to use water as the working medium, and this water can even come from an open circuit. Regardless of whether actually a completely closed or fully open circuit is used, no contamination of the water vapor or of the water with lubricants should take place in such a steam atmosphere. On the other hand, if a radial compressor is used in a heat engine, the efficiency should be as high as possible, so that for the storage of a radial wheel, the additional high speeds have as little energy as possible should be spent.
Die Internet-Veröffentlichung „Permanentmagnetische Lager" von Johan K. Fremerey vom November 2000 (die über den Link www.fz-juelich.de/zat/magnet/0b30.pdf zugegriffen werden kann, liefert eine Übersicht über permanentmagnetische Lager, welche zur berührungslosen Lagerung eingesetzt werden können. Insbesondere sind solche Lager verschleiß- und war- tungsfrei und sind solche Lager ferner frei von reibungsbedingten Energieverlusten. Die komplette Ausschaltung der lagerbedingten Reibungsverluste kommt bei schnell bewegten Systemen nur unter weitest gehendem Ausschluss der Luftreibung, d.h. unter Vakuumbedingungen, zum tragen. Allerdings ist der Reibungsverlust auch dann, wenn das Lager nicht im Vakuum betrieben wird, wesentlich geringer als bei entsprechenden Berührungs-Lagern, wie beispielsweise Kugellagern, Wälzlagern oder anderen Gleitlagern.The Internet publication "Permanent Magnetic Bearings" by Johan K. Fremerey from November 2000 (which can be accessed via the link www.fz-juelich.de/zat/magnet/0b30.pdf) provides an overview of permanent magnetic bearings that are used for non-contact In particular, such bearings are wear and maintenance-free and such bearings are also free from friction energy losses.The complete elimination of the bearing friction losses occurs in fast moving systems only with largely exclusion of air friction, ie under vacuum conditions, wear However, even if the bearing is not operated in vacuum, the friction loss is much lower than with corresponding contact bearings, such as ball bearings, rolling bearings or other plain bearings.
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.In particular, 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. Such permanent magnet rings made of this material can be produced at comparatively low prices.
Ein repulsives Lager ist aus mehreren aufeinander gestapelten, axial magnetisierten Ringen am Rotor und am Stator aufgebaut, wobei die Magnetisierungsrichtung benachbarter Ringe innerhalb jedes Stapels entgegengesetzt ist. Die am Lagespalt auf gleicher Höhe gegenüberstehenden Rotor- und Statormagnete sind in der selben Richtung magnetisiert. Da- mit stehen am Lagerspalt entgegengerichtete Oberflächenströme mit radialabstoßender Wirkung gegenüber, so dass das Lager radial stabil ist.A repulsive bearing consists of several stacked, axially magnetized rings on the rotor and on the stator constructed with the magnetization direction of adjacent rings within each stack is opposite. The rotor and stator magnets facing each other at the same height at the position gap are magnetized in the same direction. As a result, surface flows with radially repelling effect are opposite to the bearing gap, so that the bearing is radially stable.
Solange die Magnetringe des Rotors und des Stators auf gleicher Höhe stehen, sind die repulsiven Kräfte in axialer Richtung ausgeglichen. Beim Verlassen dieser Gleichgewichtsposition kommt die Repulsivkraft aber im zunehmendem Maße genau in der Verschieberichtung zur Wirkung. Das Lager hat die Tendenz, sich aus der instabilen axialen Gleichge- wichtsposition und dem Betrag der Höhe eines einzelnen Magnetrings in axialer Richtung zu verschieben. Der um eine Ringhöhe ausgelenkten Position stehen sich entgegengesetzt magnetisierte Ringe am Lagerspalt in gleicher Höhe gegenüber. Das repulsive Lager wandelt sich zu einem radialatt- raktiven Lager mit radialem Flussverlauf im Lagerspalt und entsprechender Lagerinstabilität. Die axialgerichtete „Ausbrechkraft" wird hier zur Aufnahme des Rotorgewichts genutzt. Eine solche Ausbrechkraft ergibt sich bei einer Verschiebung des Rotors bezüglich des Stators. Zur axialen Verschiebung werden elektrische Stabilisierungsspulen unmittelbar am Umfang der Statormagnete eingesetzt, wobei der Spulenstrom so geregelt wird, dass er den Oberflächenstrom des von der Spule umgebenen Statormagneten und damit dessen Zugkraft abschwächt, wenn der Wellenmagnet sich in Richtung dieses Statorπvagneten bewegt. Am gegenüberliegenden Statormagneten sorgt die dort angebrachte Spule gleichzeitig für eine Verstärkung des dortigen Oberflächenstroms, so dass dessen Zugkraft ansteigt. Mit Hilfe der Spulen lässt sich somit eine stabile Axialpositionierung einer Welle zwischen den Statormagneten erreichen. Die Stromregelung wird durch einen Sensor kontrolliert, der die axiale Position der Wellenmagnete kontinuierlich misst. Oftmals können die Stabilisierungsspulen selbst als Sensor eingesetzt werden. Sie werden hierzu mit einem Hochfrequenzstrom beauftragt. Durch induzierte Kurzschlussströme an den Stirnseiten der Wellen wird der Hochfrequenzstrom in den Spulen beeinflusst. Bei Annäherung der Welle steigt der Strom in der betreffenden Spule an. Die Ströme beider Spulen werden in einer Differenzschaltung miteinander verglichen. Das Differenzsignal wird gleichgerichtet und dient als Sensorsignal, dessen Polarität und Amplitude eindeutig die Richtung und den Betrag der axialen Wellenauslenkung wiedergeben. Solche permanent- magnetischen 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 Neutronenstrah- len, für einen Schwungrad-Energiespeicher oder innerhalb einer Kristallziehanlage eingesetzt.As long as the magnetic rings of the rotor and the stator are at the same level, the repulsive forces are balanced in the axial direction. When leaving this equilibrium position, however, the repulsive force becomes increasingly effective in the displacement direction. The bearing tends to shift from the unstable axial equilibrium position and the magnitude of the height of a single magnet ring in the axial direction. The deflected by a ring height position are oppositely magnetized rings on the bearing gap at the same height opposite. The repulsive bearing transforms into a radially active bearing with radial flow in the bearing gap and corresponding bearing instability. Such a breakout force results from a displacement of the rotor with respect to the stator For axial displacement, electrical stabilizing coils are used directly on the circumference of the stator magnets, whereby the coil current is controlled in such a way that it can move the rotor Surface current of the stator magnet surrounded by the coil and thus its tensile strength attenuates when the shaft magnet moves in the direction of this Statorπvagneten.On the opposite stator magnets mounted there coil simultaneously enhances the local surface current, so that its tensile force increases The current regulation is controlled by a sensor which continuously measures the axial position of the wave magnets r be used. she are charged for this purpose with a high-frequency current. Induced short-circuit currents at the ends of the waves influence the high-frequency current in the coils. As the shaft approaches, the current in the coil in question increases. The currents of both coils are compared in a differential circuit. The difference signal is rectified and serves as a sensor signal whose polarity and amplitude clearly reflect the direction and magnitude of the axial shaft deflection. Such permanent magnetic bearings are used for rotary anode storage in an X-ray tube, for a spinning centrifuge, for a gas friction vacuum gauge, for a disk chopper for neutron beams, for a turbomolecular pump, for an X-ray pulse selector, for a drum chopper for neutron beams, for a flywheel Energy storage or used within a crystal pulling system.
Problematisch bei solchen Lagern bzw. bei anderen reibungsfreien Lagern ist, dass das Lager, ohne mechanische Belas- tungen und damit die Gefahr von Schäden zu erzeugen, von einer Ruheposition in eine Arbeitsposition und zurückgebracht werden müssen. Reibungsfreie oder reibungsreduzierte berührungslose Lager zeichnen sich nämlich dadurch aus, dass das Lager eine Ruheposition hat, in der sich der Rotor und der Stator berühren, und in der sich der Rotor nicht oder nur wenig bezüglich des Stators dreht, und dass sie eine Arbeitsposition aufweisen, in der sich der Rotor und der Stator nicht berühren, und in der sich der Rotor bezüglich des Stators berührungslos drehen kann. Beim Einschal- ten eines solchen Lagers ist es also wichtig, dass der Rotor und der Stator in ihre jeweilige Arbeitsposition kommen, und zwar aus einer Ruheposition heraus, wobei dann, wenn der Rotor bzw. das Arbeitsgerät, in dem der Rotor angeordnet ist, abgeschaltet wird, der Rotor in eine Parkpo- sition bzw. Ruheposition kommt, ohne dass bei diesem Positionswechsel mechanische Beschädigungen auftreten. Andererseits darf dieser Positionswechsel nur wenig Energie verbrauchen und muss durch einfache Maßnahmen eingeleitet werden, damit der Rotor immer dann ausgeschaltet werden kann, wenn kein Bedarf nach der Rotordrehung ist, wie es insbesondere dann der Fall ist, wenn der Rotor zur Energiegewinnung bzw. Energieumsetzung wie beispielsweise in einer Wärmekraftmaschine eingesetzt wird.The problem with such bearings or with other frictionless bearings is that the bearing, without mechanical stress and thus the risk of damage to produce, must be returned from a rest position to a working position and. Friction-free or friction-reduced non-contact bearings are characterized namely by the fact that the bearing has a rest position in which the rotor and the stator touch, and in which the rotor is not or only slightly rotates with respect to the stator, and that they have a working position, in which the rotor and the stator do not touch, and in which the rotor can rotate relative to the stator without contact. When switching on such a bearing, it is therefore important that the rotor and the stator come into their respective working position, namely from a rest position, wherein when the rotor or the working device in which the rotor is arranged, switched off the rotor comes to a parking position or rest position without mechanical damage occurring during this position change. On the other hand, this position change may consume only little energy and must be initiated by simple measures so that the rotor can always be turned off when there is no need for the rotor rotation, as is the case in particular when the rotor for energy production or energy conversion is used for example in a heat engine.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Lager und ein verbessertes Konzept zum Betreiben eines Lagers zu schaffen, das effizient und wirtschaftlich ist.The object of the present invention is to provide an improved bearing and concept for operating a bearing that is efficient and economical.
Diese Aufgabe wird durch ein Lager gemäß Patentanspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Patentanspruch 22 gelöst.This object is achieved by a bearing according to claim 1 or a method according to claim 22.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für ein Lager, das eine Ruheposition hat, in der sich der Rotor und der Stator berühren, und das eine Arbeitspo- sition hat, in der sich der Rotor und der Stator nicht berühren, ein Betätiger zum Bewegen des Rotors aus der Ruheposition in die Arbeitsposition ansprechend auf ein Steuersignal eingesetzt wird. Dieses Steuersignal wird so geliefert, dass eine Ansteuerung des Betätigers mit dem Steuer- signal bewirkt, dass der Betätiger zunächst in einer Beschleunigungsphase den Rotor oder Stator von der Ruheposition in Richtung der Arbeitsposition beschleunigt, und dass der Betätiger dann in einer Bremsphase abgebremst wird. Erfindungsgemäß wird der Rotor jedoch durch die Abbremsung des Betätigers nicht abgebremst, so dass sich der Rotor aufgrund seiner Masse von einer Berührung mit dem Betätiger oder dem Stator löst und seine aufgrund der Beschleunigung erzeugte Bewegung fortsetzt. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung ausgebildet, um ein so beschaffenes Steuer- signal zu liefern, dass der Rotor oder der Stator so stark angetrieben werden, dass der Rotor oder der Stator in ihre Arbeitsposition zueinander gebracht werden. In anderen Worten ausgedrückt wird somit der Rotor oder der Stator „angeschubst", um einen großen Teil der Wegstrecke von der Ruheposition in die Arbeitsposition gewissermaßen in freiem Flug zurückzulegen. Erfindungsgemäß wird also der Wechsel von der Ruheposition in die Arbeitsposition und auch der umgekehrte Wechsel dynamisch vollzogen, der Rotor bzw. Stator wird somit nicht langsam in seine Arbeitsposition „gefahren", sondern wird ausreichend beschleunigt, um aufgrund der ausgeübten Beschleunigung selbstständig in die Arbeitsposition zu fliegen.The present invention is based on the finding that, for a bearing which has a rest position in which the rotor and the stator touch, and which has a working position in which the rotor and the stator do not touch, an actuator for Moving the rotor from the rest position to the working position in response to a control signal is used. This control signal is delivered such that actuation of the actuator with the control signal causes the actuator to first accelerate the rotor or stator from the rest position towards the working position in an acceleration phase and then decelerate the actuator in a deceleration phase. According to the invention, however, the rotor is not braked by the deceleration of the actuator, so that the rotor detaches due to its mass from contact with the actuator or the stator and continues its movement generated due to the acceleration. According to the invention, the control device is designed to provide a control signal such that the rotor or the stator are driven so strongly that the rotor or the stator are brought into their working position relative to one another. In other words, the rotor or the stator is thus "pushed" in order to cover a large part of the distance from the rest position to the working position, so to speak, in free flight According to the invention, the change from the rest position to the working position and also the reverse change becomes dynamic completed, the rotor or stator is thus not "driven" slowly into its working position, but is sufficiently accelerated to fly independently due to the applied acceleration in the working position.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Betätiger somit im Hinblick auf seinen Betätigungshub wesentlich kleiner und damit erheblich preis- günstiger implementiert werden kann. Der Betätiger muss somit nicht einen derart großen Hub haben, um die gesamte Strecke zwischen der Ruheposition und der Arbeitsposition zu überwinden. Stattdessen muss der Betätiger lediglich einen kleinen Hub haben, muss jedoch in der Lage sein, eine sehr hohe Beschleunigung in dem kleinen Hub zu erreichen. Bei auf dem Markt erhältlichen Betätigern ist jedoch das Erreichen einer hohen Beschleunigung insbesondere in Ausbreitungsrichtung im Vergleich zum Bereitstellen einer großen Hubstrecke wesentlich preisgünstiger erreichbar. Bevor- zugt werden insbesondere piezoelektrische Betätiger, die sich durch eine hohe erzeugbare Beschleunigung auszeichnen, die sich jedoch gleichzeitig dadurch auszeichnen, dass der Preis für solche Betätiger mit größer werdender maximaler Hυbstrecke erheblich ansteigt.A significant advantage of the present invention is that the actuator can thus be implemented much smaller and thus considerably less expensive with regard to its actuating stroke. The actuator does not have to have such a large stroke to overcome the entire distance between the rest position and the working position. Instead, the actuator only needs to have a small stroke, but must be able to achieve very high acceleration in the small stroke. In the case of actuators available on the market, however, the achievement of a high acceleration, in particular in the direction of propagation, is considerably less expensive than that of providing a large stroke length. Preference is given in particular to piezoelectric actuators which are distinguished by a high speed that can be generated, but which at the same time are distinguished by the fact that the price of such actuators increases considerably as the maximum distance increases.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als Lager ein Lager eingesetzt, das zwar radial stabil ist, um große Radialkräfte aufgrund hoher Umdrehungsgeschwindigkeiten von Rotoren aufzunehmen, das je- doch axial betrachtet metastabil ist und eine aktive Regelung benötigt. Bei einem solchen Lager mit einem axial betrachteten metastabilen Zustand kann der erfindungsgemäß zum „Werfen" des Rotors bzw. Stators eingesetzte Betätiger gleichzeitig zur aktiven Regelung der Axialposition von Rotor und/oder Stator eingesetzt werden, da der Hub, der für eine aktive Regelung benötigt wird, bei solchen Lagern typischerweise wesentlich kleiner als die Wegstrecke ist, die sich Rotor und/oder Stator relativ zueinander bewegen müssen, um von der Ruheposition in die Arbeitsposition zu kommen. Bei einem solchen bevorzugten Ausführungsbeispiel mit aktiver Axialregelung und zur Verwendung des mechanischen Betätigers wird dieser Betätiger somit sowohl beim Anlau- fen, also dann, wenn von der Ruheposition in die Parkposition übergegangen wird, als auch im Betrieb zur aktiven Regelung eingesetzt. Gleichzeitig wird der Betätiger dann, wenn das Lager von der Arbeitsposition in die Ruheposition übergeht, wieder eingesetzt, um nach einer Beschleunigungs- phase entweder am Beginn oder im Laufe der Abbremsphase in mechanischen Kontakt mit dem Rotor zu kommen, also den Rotor einzufangen, und um dann, am Ende der Abbremsphase, den Rotor sicher in die Ruheposition zu „geleiten".In a preferred embodiment of the present invention, a bearing is used as the bearing, which is radially stable to accommodate large radial forces due to high rotational speeds of rotors, but which is axially metastable and requires an active control. In such a bearing with an axially considered metastable state, the actuator used according to the invention for "throwing" the rotor or stator can be used be used simultaneously for active control of the axial position of the rotor and / or stator, since the stroke, which is required for an active control, is typically much smaller than the distance that the rotor and / or stator must move relative to each other in such camps, to get from the rest position to the working position. In such a preferred embodiment with active axial control and for the use of the mechanical actuator, this actuator is thus both when starting, so then when it is transitioned from the rest position to the parking position, as well as in operation for active control. At the same time, when the bearing moves from the working position to the rest position, the actuator is reused to come into mechanical contact with the rotor after an acceleration phase either at the beginning or during the braking phase, ie to catch the rotor then, at the end of the deceleration phase, safely guide the rotor to the rest position.
Die erfindungsgemäße dynamische Lagerbetriebsweise könnte somit mit einem Jongleur verglichen werden, der einen Teller in die Luft wirft. Wenn der Teller in der Hand des Jongleurs ist, befindet sich der Teller noch in der Ruheposition. Wird der Teller nun hochgeworfen, so startet der Teller aus der Ruheposition in die Arbeitsposition. Wenn der Jongleur den Teller dann mit einer Stange in der Luft hält, entspricht dies einer aktiven Regelung des Lagers im Betrieb. Dann, am Ende der Vorstellung, wird der Jongleur den Teller fallen lassen und nicht einfach zu Boden krachen lassen, sondern mit der Hand auffangen, um den Teller sicher in die Ruheposition zu geleiten.The inventive dynamic bearing operation could thus be compared to a juggler throwing a plate into the air. When the plate is in the hands of the juggler, the plate is still in the resting position. If the plate is now thrown up, the plate starts from the rest position into the working position. If the juggler then holds the plate in the air with a pole, this corresponds to an active control of the bearing during operation. Then, at the end of the performance, the juggler will drop the plate and not just let it crash to the ground, but catch it with his hand to safely guide the plate to its resting position.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bewegt sich der Rotor in der Parkposition nicht. Der Rotor liegt auf dem Stator auf. Der Rotor befindet sich also in einer verlustfreien Ruhe- oder „Parkposition". In der Arbeitsposition rotiert der Rotor jedoch. Ist die Arbeitsposition metastabil, so wird der verbleibende Frei- heitsgrad durch mechanisches Verschieben des Rotors bezüglich des Stators bzw. des Stators bezüglich des Rotors stabilisiert. Insbesondere wenn permanentmagnetische Lager eingesetzt werden, wird nur eine solche Verschiebung Ver- luste Verursachen, während die gesamte „Lagerarbeit" verlustlos bereitgestellt wird.In a preferred embodiment of the present invention, the rotor does not move in the park position. The rotor rests on the stator. The rotor is therefore in a lossless rest or "parking position." However, in the working position, the rotor rotates, and if the working position is metastable, the remaining free space is lost. level is stabilized by mechanical displacement of the rotor relative to the stator or the stator relative to the rotor. In particular, if permanent magnetic bearings are used, only such a shift will cause losses, while the entire "bearing work" is provided lossless.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Seite einer Achse durch einen fest mon- tierten Permanentmagneten (Rotor und Stator) radial stabil gelagert, und ist die gegenüberliegende Seite der Achse mit einem permanentmagnetischen Rotor oder Stator versehen, wobei der Stator mechanisch oder axial verschoben werden kann.In a preferred embodiment of the present invention, one side of an axle is radially stably supported by a fixed permanent magnet (rotor and stator), and the opposite side of the axle is provided with a permanent magnet rotor or stator with the stator mechanically or axially displaced can be.
Ein besonders bevorzugter Einsatzort des erfindungsgemäßen Lagers ist innerhalb einer Turboverdichteranordnung einer Wärmekraftmaschine, wie beispielsweise einer Wärmepumpe o- der einer Kühlmaschine. Normale Radialverdichter besitzen z. B. Kugellager. Wie es ausgeführt worden ist, sind auch elektromagnetische Lager, die ständig mit elektrischen Strom versorgt werden müssen, um das Magnetfeld aufrecht erhalten zu müssen, bekannt. Im Gegensatz zu diesen Lagern benötigt das erfindungsgemäße Lager insbesondere dann, wenn es als Permanentmagnetlager ausgeführt wird, keine permanent elektrische Leistung. Auch Permanentmagnete benötigen permanentelektromagnetische Leistung, wenn sie mit Spulen zum Dämpfen bzw. Verstärken von Kreisströmen versehen sind. Durch die erfindungsgemäße mechanische Betätigeranordnung wird jedoch nur dann, wenn ein Wechsel von der Ruheposition in die Arbeitposition und umgekehrt stattfindet, ggf. zum aktiven Regeln und nur dann, wenn eine Positionsveränderung ausgeführt wird, Leistung verbraucht. Befindet sich das Lager dagegen im Gleichgewichtszustand, so wird sich der Be- tätiger ebenfalls in Ruhe befinden, und das Lager wird im Betrieb keine Leistung benötigen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:A particularly preferred location of use of the bearing according to the invention is within a turbocompressor arrangement of a heat engine, such as a heat pump or a refrigerating machine. Normal centrifugal compressors have z. B. ball bearings. As has been stated, electromagnetic bearings which must be continuously supplied with electric power in order to maintain the magnetic field are also known. In contrast to these bearings, the bearing of the invention requires, especially when it is designed as a permanent magnet bearing, no permanent electrical power. Even permanent magnets require permanent electromagnetic power when they are provided with coils for damping or amplifying circular currents. The mechanical actuator arrangement according to the invention, however, only consumes power, if necessary, for a change from the rest position to the working position and vice versa, if necessary for active regulation and only when a position change is carried out. On the other hand, if the bearing is in equilibrium, the operator will also be at rest, and the bearing will require no power during operation. Preferred embodiments of the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. Ia eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lagers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei sich das Lager in seiner Arbeitsposition befindet;1a is a schematic representation of a bearing according to the invention according to an embodiment of the present invention, wherein the bearing is in its working position;
Fig. Ib eine Darstellung des Lagers, wobei sich das Lager in seiner Ruheposition befindet;Fig. Ib is a representation of the bearing, wherein the bearing is in its rest position;
Fig. 2a ein Strecke-Zeit-Diagramm der von dem Betätiger bzw. Stator zurückgelegten Strecke über der Zeit;Fig. 2a is a time-lapse diagram of the distance traveled by the actuator or stator over time;
Fig. 2b ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm der Bewegung des Stators bzw. Betätigers, das mit Fig. 2a korrespondiert;Fig. 2b is a velocity-time diagram of the movement of the stator or actuator corresponding to Fig. 2a;
Fig. 2c ein Beschleunigungs-Zeit-Diagramm der Beschleunigung, die von dem Betätiger ausgeübt wird;Fig. 2c is an acceleration-time diagram of the acceleration exerted by the actuator;
Fig. 2d eine schematische Darstellung der Strecke, die von dem Rotor zurückgelegt wird;Fig. 2d is a schematic representation of the distance covered by the rotor;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Permanentmagnetlager und Piezo-Betätiger;Fig. 3 is a schematic representation of a preferred embodiment of the present invention with permanent magnet bearing and piezo actuator;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der im Betrieb des bevorzugten Lagers durchgeführten aktiven Regelung;Fig. 4 is a schematic representation of the active control performed during operation of the preferred bearing;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Lagers zum Lagern eines Radialrads in einer Strömungsmaschine einer Wärmepumpe; Fig. 6a ein prinzipielles Blockschaltbild der Wärmepumpe;5 shows a schematic representation of the bearing according to the invention for supporting a radial wheel in a turbomachine of a heat pump; 6a is a schematic block diagram of the heat pump;
Fig. 6b eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und der diesen Drücken zugeordneten Verdamp- fungstemperaturen;FIG. 6b shows a table for illustrating various pressures and the evaporation temperatures associated with these pressures; FIG.
Fig. 7 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Wärmepumpe, die mit Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser oder Sole betrieben wird;Fig. 7 is a block diagram of a preferred embodiment of the heat pump operated with groundwater, seawater, river water, seawater or brine;
Fig. 8a eine alternative Ausführungsform des Verflüssigers von Fig. 7;Fig. 8a shows an alternative embodiment of the condenser of Fig. 7;
Fig. 8b eine alternative Ausführungsform des Verflüssigers mit reduziertem Rücklauf im Aus-Betrieb;FIG. 8b shows an alternative embodiment of the condenser with reduced return in off mode; FIG.
Fig. 8c eine schematische Darstellung des Verflüssigers mit einem Gasabscheider;Fig. 8c is a schematic representation of the condenser with a gas separator;
Fig. 9a eine bevorzugte Implementierung des Verdampfers von Fig. 7;Fig. 9a shows a preferred implementation of the evaporator of Fig. 7;
Fig. 9b eine alternative Ausführungsform des Verdampfers mit Verwendung des Verflüssiger-Ablaufs als Siedeunterstützung;9b shows an alternative embodiment of the evaporator with the use of the liquefier effluent as boiling aid;
Fig. 9c eine alternative Ausführungsform des Verdampfers mit einem Wärmetauscher zur Verwendung von Grund- wasser zur Siedeunterstützung;FIG. 9c shows an alternative embodiment of the evaporator with a heat exchanger for using groundwater for boiling assistance; FIG.
Fig. 9d eine alternative Ausführungsform des Verdampfers mit Einspeisung von der Seite und Ablauf in der Mitte;Fig. 9d an alternative embodiment of the evaporator with feed from the side and drain in the middle;
Fig. 9e eine schematische Darstellung des Aufweiters mit Angabe bevorzugter Maße; Fig. 10a eine alternative Implementierung des Verdampfers zur Reduzierung der Höhe des Steigrohrs;9e is a schematic representation of the expander with indication of preferred dimensions; 10a shows an alternative implementation of the evaporator for reducing the height of the riser pipe;
Fig. 10b eine Implementierung einer alternativen Realisie- rung eines Anschlusses einer Heizungsleitung an den Verflüssiger mit einer Turbinen/Pumpenkombination;10b shows an implementation of an alternative realization of a connection of a heating line to the condenser with a turbine / pump combination;
Fig. IIa eine schematische Darstellung des Verdichters ausgeführt durch mehrere hintereinander angeordnete Strömungsmaschinen;Fig. IIa is a schematic representation of the compressor executed by a plurality of sequentially arranged turbomachines;
Fig. IIb eine schematische Darstellung der Einstellung der Drehzahlen von zwei kaskadierten Strömungsmaschi- nen in Abhängigkeit von der Soll-Temperatur;FIG. IIb shows a schematic representation of the setting of the rotational speeds of two cascaded flow machines as a function of the setpoint temperature; FIG.
Fig. llc eine schematische Draufsicht eines Radialrads einer Strömungsmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;Fig. Llc is a schematic plan view of a radial wheel of a turbomachine according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. Hd eine schematische Querschnittsansicht mit einer lediglich schematischen Darstellung der Radialrad-Schaufeln zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Erstreckung der Schaufeln im Hin- blick auf den Radius des Radialrads;Fig. Hd is a schematic cross-sectional view with a merely schematic representation of the Radialrad blades to illustrate the different extension of the blades with respect to the radius of the Radialrads;
Fig. 12 ein beispielhaftes h, log p-Diagramm; undFig. 12 is an exemplary h, log p diagram; and
Fig. 13 eine bekannte Wärmepumpe, die den linksläufigen Kreislauf von Fig. 12 durchführt.Fig. 13 shows a known heat pump, which performs the left-handed circuit of FIG. 12.
Fig. Ia zeigt ein Lager zum rotatorischen Lagern eines Rotors 500 an einem Stator 502, wobei das Lager eine Ruheposition hat, die in Fig. Ib gezeigt ist, in der sich der Ro- tor und der Stator berühren, und wobei das Lager ferner eine Arbeitsposition aufweist, wie es in Fig. Ia gezeigt ist, in der sich der Rotor und der Stator nicht berühren. Stattdessen existiert in dieser Arbeitposition ein Spalt 504 zwischen Rotor und Stator, der in Fig. Ia in axialer Richtung bezüglich einer Drehachse 506 eingezeichnet ist. Der Drehlagerspalt 508 ist bei dem in Fig. Ia gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zu der Drehachse 506 angeordnet und kann je nach Ausbildung der Ruheposition auch in der Ruheposition existieren.1 a shows a bearing for rotatably supporting a rotor 500 on a stator 502, the bearing having a rest position, which is shown in FIG. 1 b, in which the rotor and the stator touch, and wherein the bearing also has a rest position Working position, as shown in Fig. Ia, in which the rotor and the stator do not touch. Instead, a gap 504 exists in this working position between rotor and stator, which is shown in Fig. Ia in the axial direction with respect to a rotation axis 506. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1a, the pivot bearing gap 508 is arranged parallel to the axis of rotation 506 and, depending on the design of the rest position, can also exist in the rest position.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt der Rotor auf dem Stator auf einer eigens dafür vorgesehenen Auflage- fläche 510, die speziell gestaltet sein kann, um mechanische Belastungen gut aufzunehmen. Allerdings sind für diese Auflageflächen 510 keine speziellen Vorkehrungen nötig, da durch den erfindungsgemäßen Betrieb des mechanischen Betätigers 512 ohnehin sichergestellt wird, dass Rotor und/Stator vorsichtig „abgeworfen" werden und vorsichtig wieder „aufgefangen" werden.In a preferred embodiment, the rotor is located on the stator on a specially provided support surface 510, which may be specially designed to accommodate mechanical loads well. However, no special precautions are necessary for these bearing surfaces 510, since the inventive operation of the mechanical actuator 512 ensures in any case that the rotor and / stator are carefully "thrown off" and carefully "caught" again.
Obgleich in Fig. Ia und Ib der Unterschied zwischen der Ar- beitsposition und der Ruheposition so eingezeichnet ist, dass sich der Rotor bezüglich des Stators in axialer Richtung bewegt, um in die Arbeitsposition zu kommen bzw. um in die Ruheposition zu kommen, ist die vorliegende Erfindung genauso anwendbar auf eine Situation, bei der der Stator in axialer Richtung bezüglich des Rotors bewegt wird. Ferner existieren auf Ausführungsbeispiele, bei denen sowohl der Rotor als auch der Stator zumindest teilweise in unterschiedlichen Richtungen bewegt werden, so dass sich in der Arbeitsposition der Spalt 504 zwischen Rotor und Stator ergibt, der in der Ruheposition nicht vorhanden ist, da der Rotor auf dem Stator aufliegt. Für die nachfolgende Beschreibung wird es jedoch aufgrund der einfacheren Darstellung bevorzugt, die Arbeitsposition so darzustellen, dass der Rotor in die Arbeitsposition bewegt wird.Although in Fig. Ia and Ib the difference between the working position and the rest position is drawn so that the rotor moves relative to the stator in the axial direction to come to the working position or to come to the rest position, the present invention equally applicable to a situation in which the stator is moved in the axial direction with respect to the rotor. Furthermore, there are embodiments in which both the rotor and the stator are at least partially moved in different directions, so that results in the working position of the gap 504 between the rotor and stator, which is not present in the rest position, since the rotor on the Stator rests. For the following description, however, it is preferable, on account of the simpler illustration, to represent the working position so that the rotor is moved to the working position.
Das erfindungsgemäße Lager in Fig. Ia umfasst ferner den mechanischen Betätiger 512 zum Bewegen des Rotors aus derThe bearing according to the invention in Fig. Ia further comprises the mechanical actuator 512 for moving the rotor of the
Ruheposition in die Arbeitsposition ansprechend auf einRest position in the working position in response to a
Steuersignal 514, das von einer Steuerungseinrichtung 516 geliefert wird. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung 516 ausgebildet, um ein Steuersignal an den Betätiger zu liefern, das bewirkt, dass der Betätiger in einer Beschleunigungsphase den Rotor oder Stator von der Ruheposition in Richtung der Arbeitsposition beschleunigt, und das ferner bewirkt, dass der Betätiger 512 in einer Bremsphase abgebremst wird. Durch Abbremsen des Betätigers wird erreicht, dass sich der Rotor oder Stator aufgrund seiner Masse von einer Berührung mit dem Betätiger oder ggf. dem Stator löst und seine Bewegung fortsetzt. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 516 ausgebildet, um den Betätiger so zu betreiben, dass der Rotor oder Stator so stark angetrieben werden, dass der Rotor bzw. Stator die Arbeitsposition erreicht.Control signal 514, by a controller 516 is delivered. In particular, the controller 516 is configured to provide a control signal to the actuator that causes the actuator to accelerate the rotor or stator from the rest position toward the working position in an acceleration phase, and further causes the actuator 512 to brake in phase is slowed down. By braking the actuator is achieved that the rotor or stator detaches due to its mass of a contact with the actuator or possibly the stator and continues its movement. In particular, the control device 516 is designed to operate the actuator so that the rotor or stator are driven so strongly that the rotor or stator reaches the working position.
Zu diesem Zweck existieren verschiedene Möglichkeiten, die auch miteinander kombiniert werden können. Bei dem in Fig. Ia gezeigtem Ausführungsbeispiel ist der Betätiger mit zwei „Ausgängen" 520 und 522 versehen, die schematisiert andeu- ten sollen, dass der mechanische Betätiger in Eingriff mit dem Rotor geht, wenn die Alternative gemäß 520 stattfindet, oder in Eingriff mit dem Stator geht, wenn die Alternative 522 vorhanden ist. Alternativ kann auch eine Mischlösung vorgesehen sein, bei der der Betätiger sowohl mit dem Rotor als auch mit dem Stator in mechanischen Eingriff geht.For this purpose, there are various possibilities that can also be combined with each other. In the embodiment shown in FIG. 1a, the actuator is provided with two "outlets" 520 and 522 which are intended to schematically indicate that the mechanical actuator engages the rotor when the alternative of FIG. 520 occurs or engages the stator is provided if the alternative 522 is present, Alternatively, a mixed solution may be provided in which the actuator is in mechanical engagement with both the rotor and the stator.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird es jedoch bevorzugt, dass der mechanische Betätiger nur die Alternative, die durch den „Ausgang" 522 angedeutet ist, implementiert, so dass der mechanische Betätiger durch mechanisches Betätigen des Stators und unmittelbare Kraftübertragung über die Auflagefläche 510 (Fig. Ib) den Rotor 500 gewissermaßen „indirekt" beschleunigt. Dann, wenn der mechanische Betätiger 512 in die Abbremspha- se übergeht, wird auch der Stator 502, der mit dem mechanischen Betätiger mechanisch gekoppelt ist, abgebremst, während sich nun jedoch der Rotor 500 von der Auflagefläche 510 des Stators 502 löst und weiterfliegt, während der Sta- tor durch den mechanischen Betätiger 512 wieder abgebremst und wieder in seine Ruhelage zurückgebracht wird.However, in a preferred embodiment of the present invention, it is preferred that the mechanical actuator implement only the alternative indicated by the "exit" 522 such that the mechanical actuator is actuated by mechanical actuation of the stator and immediate transmission of force via the seating surface 510 (FIG. Fig. Ib) the rotor 500 quasi "accelerated" indirectly. Then, as the mechanical actuator 512 transitions to the deceleration phase, the stator 502, which is mechanically coupled to the mechanical actuator, is also decelerated while the rotor 500 now detaches from the support surface 510 of the stator 502 and continues to fly the tor by the mechanical actuator 512 braked again and returned to its rest position.
Nachfolgend wird auf die Bewegung bzw. Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des Betätigers und ggf. Stators und des Rotors eingegangen, wobei beispielhafte Zahlenwerte genannt sind. Der Betätiger wird mit einem Steuerungssignal versorgt, derart, dass er von einem Start-Auslenkungswert bei 0 μm beschleunigt wird, bis er bei einem Lösungspunkt 530 eine maximale Geschwindigkeit hat, wie es in Fig. 2b gezeigt ist. Die beispielhaft gezeigte Geschwindigkeit beträgt 250 μm/ms. Dann, nach dem sog. „Lösungspunkt" wird der Betätiger und der mit dem Betätiger vorzugsweise verbundene Stator abgebremst, was sich in dem Wendepunkt 530 des Bewegungs-Zeit-Diagramms von Fig. 2a widerspiegelt. In Fig. 2b ist ersichtlich, dass dadurch die Geschwindigkeit wieder abnimmt und einen Nulldurchgang erreicht, wenn die maximal vorgesehene Auslenkung von 20 μm eines Betätigers erreicht ist. Dann wird die Geschwindigkeit negativ und der Betätiger „zieht sich wieder zusammen", bis er eine maximale negative Geschwindigkeit von beispielsweise -500 μm/ms hat, wobei diese maximale Geschwindigkeit dann wieder auf 0 gebracht wird, wenn der Betätiger dann, nach etwa 400 μs wieder ganz „eingefahren" ist. Im Beschleunigungs-Zeit- Diagramm von Fig. 2c ergibt sich somit zunächst eine Beschleunigungsphase mit einer positiven Beschleunigung von etwa 2000μm/ms2. In der dann an die Beschleunigungsphase 532 abgrenzenden Abgrenzphase 534 wird mit einer negativen Beschleunigung von beispielsweise -10.000 μm/ms2 gearbei- tet, um ein schnelles Abbremsen zu erreichen. Damit der Betätiger am Ende sicher in seiner Ruheposition landet, findet nach der Abbremsphase 534 noch eine weitere kleinere Beschleunigungsphase 536 statt, die in Fig. Ia mit „2a" bezeichnet ist. Je nach Implementierung kann jedoch die Be- schleunigungsphase 536 auch weggelassen werden. Dann müsste jedoch die negative Beschleunigung von dem Verlauf in Fig. 2c geändert werden, beispielsweise durch Übergang zu einem Beschleunigungsverlauf, der nicht mehr konstant über der Zeit ist und lediglich zwischen verschiedenen Zuständen schwankt .The text below discusses the movement or speed or acceleration of the actuator and possibly stator and the rotor, exemplary numerical values being mentioned. The actuator is supplied with a control signal such that it is accelerated from a start deflection value at 0 μm until it has a maximum velocity at a solution point 530, as shown in Fig. 2b. The speed shown by way of example is 250 μm / ms. Then, after the so-called "solution point", the actuator and the stator preferably connected to the actuator are decelerated, which is reflected in the inflection point 530 of the motion-time diagram of Fig. 2a When the maximum displacement of 20 μm of an actuator is reached, the speed decreases and the actuator "contracts again" until it has a maximum negative speed of, for example, -500 μm / ms , wherein this maximum speed is then brought back to 0, when the actuator is then again "retracted" completely after approximately 400 μs. In the acceleration-time diagram of Fig. 2c, an acceleration phase thus results initially with a positive acceleration of approximately 2000μm / ms 2. In the demarcation phase 534 delimiting to the acceleration phase 532, a negative acceleration v on -10,000 μm / ms 2 , for example, to achieve fast braking. In order for the actuator to end up safely in its rest position, a further smaller acceleration phase 536 takes place after the deceleration phase 534, which is designated "2a" in FIGURE 1a., However, the acceleration phase 536 can also be omitted. Then, however, the negative acceleration would have to be changed from the course in FIG. 2c, for example by transition to an acceleration course which is no longer constant over the Time is and varies only between different states.
Es sei darauf hingewiesen, dass der in den Fig. 2a bis 2c gezeigte Verlauf genauso wie der Verlauf in 2d schematisch sind. Allerdings wird aus den Verläufen ersichtlich, dass es bevorzugt wird, stärker abzubremsen als zu beschleunigen. Dies ist auch ohne weiteres möglich, da in der Beschleunigungsphase sowohl der Stator als auch der Rotor be- schleunigt werden müssen, während in der Bremsphase nur noch der Stator oder vorzugsweise nur ein kleiner Teil des Stators, nämlich der Lagerabschnitt des Stators und nicht mehr der Rotor gebremst werden muss, da der Rotor sich von dem Stator gelöst hat. Es wird bevorzugt, dass zur Be- schleunigung mehr als 50 % des maximalen Hubs des Betätigers eingesetzt wird, wobei Werte im Bereich von 65 bis 90 % besonders bevorzugt werden. Daraus ergibt sich auch, dass die negative Beschleunigung in der Abbremsphase 534 betragsmäßig höher ist als die positive Beschleunigung in der Beschleunigungsphase 532. Verhältnisse zwischen positiver Beschleunigung in der Beschleunigungsphase und negativer Beschleunigung in der Abbremsphase von 2 bis 50 werden bevorzugt, wobei in Fig. 2c beispielhaft ein Verhältnis von 5 gezeichnet ist. Generell hängt dieses Verhältnis vom Masse- Verhältnis der zu beschleunigenden Masse zu der abzubremsenden Masse ab.It should be noted that the course shown in FIGS. 2a to 2c is the same as the course in FIG. 2d. However, it can be seen from the progressions that it is preferred to decelerate more than to accelerate. This is also readily possible since in the acceleration phase both the stator and the rotor must be accelerated, while in the braking phase only the stator or preferably only a small part of the stator, namely the bearing section of the stator and not the stator Rotor must be braked because the rotor has detached from the stator. It is preferred that more than 50% of the maximum stroke of the actuator be used for acceleration, with values in the range of 65 to 90% being particularly preferred. It also follows that the negative acceleration in the deceleration phase 534 is greater in magnitude than the positive acceleration in the acceleration phase 532. Relationships between positive acceleration in the acceleration phase and negative acceleration in the deceleration phase of 2 to 50 are preferred, wherein in Fig. 2c by way of example a ratio of 5 is drawn. In general, this ratio depends on the mass ratio of the mass to be accelerated to the mass to be braked.
Ferner wird es bevorzugt, die zweite Beschleunigungsphase 536 mit einer noch höheren positiven Beschleunigung als sie betragsmäßig für die Abbremsphase eingesetzt worden ist, zu betreiben, so dass ein möglichst großer Prozentsatz der Hubstrecke des Betätigers zur Beschleunigung ausgenutzt werden kann, ohne den Betätiger in der Abbremsphase zu ü- berlasten. Insbesondere piezoelektrische Betätiger werden vorzugsweise so ausgelegt, dass in jedem Fall sichergestellt wird, dass sie in der Abbremsphase keine Beschädigung erleiden. Andererseits haben piezoelektrische Betätiger den Vorteil, dass sie in der Beschleunigungsphase in der Richtung belastet werden, in der sie die höchste Belastung aushalten können. In der Beschleunigungsphase ist die Beschleunigung am höchsten, da der Betätiger auch das Rotorgewicht beschleunigen muss. Es wird daher bevorzugt, die Beschleunigungsphase mit einem Betätiger, der eine piezoelektrische Bauweise hat, durchzuführen, indem in der Beschleunigungsphase eine Verlängerung des piezoelektrischen Betätiger herbeigeführt wird. Der Betätiger wird somit in der Beschleunigungsphase vorzugsweise auf Druck und nicht auf Zug beansprucht. Vorzugsweise werden solche mechanischen Betätiger eingesetzt, die eine Betätigungsstrecke kleiner als 100 μm haben. Ferner werden Geschwindigkeiten bevorzugt, die am Ende der Beschleunigungsphase Werte von zwischen 50 und 2000 μm/ms erreichen, und die am Ende der Abbremsphase bei - 200 bis 4000 μm/ms liegen.Furthermore, it is preferable to operate the second acceleration phase 536 with an even higher positive acceleration than was used for the braking phase in absolute terms, so that the largest possible percentage of the actuator's stroke length can be utilized for acceleration, without the actuator in the deceleration phase overloaded. In particular, piezoelectric actuators are preferably designed so that in each case it is ensured that they do not suffer damage in the deceleration phase. On the other hand, piezoelectric actuators have the advantage that in the acceleration phase in the direction in which they can bear the highest load. In the acceleration phase, the acceleration is highest because the actuator must also accelerate the rotor weight. It is therefore preferred to carry out the acceleration phase with an actuator having a piezoelectric construction, by causing an extension of the piezoelectric actuator in the acceleration phase. The actuator is thus preferably claimed in the acceleration phase to pressure and not to train. Preferably, such mechanical actuators are used, which have an operating distance less than 100 microns. Furthermore, speeds are preferred which reach values of between 50 and 2000 μm / ms at the end of the acceleration phase and which are at the end of the deceleration phase at -200 to 4000 μm / ms.
Fig. 2d zeigt den Bewegungsverlauf des Rotors, der sich ü- ber eine Breite des Spalts 504 bewegen muss, die bei > 300 μm liegt. Vergleichsweise ist die Betätiger-Auslenkung bei 540 eingezeichnet. Bei 540 findet sich somit eine komprimierte Darstellung des Bewegungsverlaufs von Fig. 2a, wobei auf die geänderte Zeitskala geachtet werden muss.FIG. 2 d shows the movement course of the rotor, which has to move over a width of the gap 504 which is> 300 μm. By comparison, the actuator deflection is indicated at 540. At 540, there is thus a compressed representation of the course of movement of FIG. 2a, wherein attention must be paid to the changed time scale.
Zum Zeitpunkt 530 löst sich der Rotor von dem Stator ab und geht in eine freie Bewegung über. Aufgrund der ursprünglich dem Rotor aufgeprägten Beschleunigung fliegt der Rotor dann, zwischen dem Zeitpunkt 530 und einem Zeitpunkt von etwa 3,5 ms weiter, bis er aufgrund von Reibungskräften bzw. der inhärenten Magnetlagerkraft abgebremst wird. Fer- ner wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der Betätiger dann, wenn der Rotor in den Regelungsbereich 542 eintritt, durch den Betätiger aktiv geregelt, wobei die Zeitdauer der aktiven Regelung in Fig. 2d bei 544 dargestellt ist. Aus der Skizze in Fig. 2d ist zu sehen, dass der Rotor den größten Teil des Spalts 504 in freier Bewegung, also ohne Kontakt zum Stator bzw. zum Betätiger, zurücklegt. Wie es nachfolgend noch bezugnehmend auf Fig. 3 dargestellt wird, ist der Betrag des Spalts, also z.B. der Bereich von 300 μm gleich der Höhe eines Magnetrings eines repulsiven Magnetlagers, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Erfindungs- gemäß wird es bevorzugt, dass der Spalt größer als der maximale Hub des Betätigers ist und insbesondere wenigstens zwei bis 20 mal so groß ist. Damit kann aufgrund der Tatsache, dass der Betätiger nicht die gesamte Spaltbreite als maximalen Hub haben muss, ein besonders preisgünstiger Be- tätiger eingesetzt werden.At time 530, the rotor disengages from the stator and moves into free motion. Due to the acceleration originally imposed on the rotor, the rotor then continues to fly between time 530 and a time of about 3.5 ms until it is decelerated due to frictional forces or the inherent magnetic bearing force. Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, when the rotor enters the control region 542, the actuator is actively controlled by the actuator, with the duration of the active control shown at 544 in FIG. 2d. From the sketch in FIG. 2 d, it can be seen that the rotor travels most of the gap 504 in free movement, that is to say without contact with the stator or with the actuator. As will be described below with reference to FIG. 3, the amount of the gap, eg the region of 300 μm, is equal to the height of a magnet ring of a repulsive magnetic bearing, as shown in FIG. According to the invention it is preferred that the gap is greater than the maximum stroke of the actuator and in particular at least two to 20 times as large. Thus, due to the fact that the actuator does not have to have the entire gap width as the maximum stroke, a particularly inexpensive operator can be used.
Insbesondere bei piezoelektrischen Betätigern ist der maximale Auslenkungshub proportional zur Höhe des Betätigers. Bei piezoelektrischen Betätigern liegt das Verhältnis zwi- sehen Auslenkung und Hub bei z.B. 0,14 Prozent. Dies bedeutet, dass ein Betätiger, der einen Hub von z.B. 300 μm hat, um in Fig. 2d ohne freie Bewegung den Spalt 504 zu überwinden, eine Höhe haben müsste, die bei 215 mm liegt. Um jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung nur eine Höhe von 20 μm zurückzulegen, genügt ein Betätiger mit einer Höhe von 14 mm. Preislich betrachtet würde ein Piezobetätiger mit einem Hub von 20 μm etwa 20 Euro kosten, während ein Piezobetätiger für einen Hub von 300 μm deutlich über 500 Euro kosten würde.Especially with piezoelectric actuators, the maximum deflection stroke is proportional to the height of the actuator. For piezoelectric actuators, the ratio between deflection and stroke is at e.g. 0.14 percent. This means that an actuator having a stroke of e.g. 300 microns, in order to overcome in Figure 2d without free movement of the gap 504, would have to have a height which is 215 mm. However, to cover only a height of 20 microns according to the present invention, an actuator with a height of 14 mm is sufficient. From a price point of view, a piezo actuator with a stroke of 20 μm would cost about 20 euros, while a piezo actuator for a stroke of 300 μm would cost well over 500 euros.
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.Referring now to Fig. 3, a preferred embodiment of the present invention will be described, in which a permanent magnet bearing with magnetized stacked rings is employed. 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. Furthermore, the 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. In particular, capacitive, inductive, optical and in any other way either directly or indirectly via a position determination of the rotor and / or the stator detects a gap length of the gap 504 and is used as the actual value in the gap detection device 517 or the regulator 517.
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 Frequenzcharakteris- tik aufweist. Dieses Regelungssignal wird in die Steue- rungseinrichtung 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. allge- mein des Lagerabschnitts, das mit dem Stator gekoppelt ist, so dass die Relativposition zwischen dem Lagerabschnitt des Stators und dem Lagerabschnitt des Rotors verändert wird.There, the actual value is compared with a desired value in order 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 supplies the input signal or control signal 514 for the mechanical actuator 512. In response to the control signal 514, the actuator 512 thus causes a displacement of the stator or the magnetic rings attached to the stator or, in general, of the bearing section coupled to the stator such that the relative position between the bearing section of the stator and the bearing section of the stator Rotor is changed.
Der Regler 511 dient zum Erfassen einer Ist-Position des Rotors bezüglich des Stators und/oder einer Ist- Positionsänderung des Rotors bezüglich des Stators, um einen Ist-Wert zu erhalten. Ferner dient der Regler zum Bewegen des Rotors oder Stators so, dass die Ist-Position des Rotors bezüglich des Stators sich an eine Soll-Position des Rotors bezüglich des Stators bei der Arbeitsposition annähert, wenn die Ist-Position erfasst worden ist, oder dass die Ist-Positionsänderung sich einem Null-Wert zumindest annähert oder gleich Null wird, wenn die Ist- Positionsänderung erfasst wird. Gemessen wird bei dieser Alternative als die Richtungsänderung bzw. ob die Änderung positiv, negative oder Null ist, und die Position Lagermagnet-Stator zu -Rotor wird so lange korrigiert, bis die Richtungsänderung näherungsweise oder exakt gleich Null istThe controller 511 is for detecting an actual position of the rotor with respect to the stator and / or an actual position change of the rotor with respect to the stator to obtain an actual value. Further, the controller is for moving the rotor or stator so that the actual position of the rotor with respect to the stator approaches a target position of the rotor relative to the stator at the working position, when the actual position has been detected, or that Actual position change at least approaches zero or becomes zero when the actual position change is detected. Measured in this alternative is the change in direction or whether the change is positive, negative or zero, and the position bearing magnet stator to rotor is corrected until the change in direction is approximately or exactly equal to zero
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 polari- sierte 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 ausgeübt 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 kompensieren, 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.This active control of the magnetic bearing takes place in the working position or in the operating mode of the rotor and will be explained with reference to FIG. 4. Fig. 4 shows a cross section through three stacked each other Magnetic rings whose magnetization is indicated by directional arrows 564, wherein the arrow direction of the arrow 564 indicates whether up or down is the north pole or south pole of the magnetised ring. After oppositely polarized rings attract, there is an upper force F 0 and a lower attraction F u , as indicated in FIG. Then, when an axial force is applied to the rotor, that is, when the rotor moves upward, for example, the force F 0 becomes larger and the force F u becomes smaller, so that the deflection is further enhanced by the inherent magnetic force inherent in the magnetic bearing why the bearing is axially metastable. To compensate for this situation, the stator is controlled so that it is also deflected upward, so that the force F 0 is again smaller and the force F u is greater, so that again a balance of power is set. Corresponding variables and tendencies associated with each other are shown in the table drawn in FIG. It follows that the stator in the control region, which is schematically drawn in Fig. 2d at 544, is constantly moved slightly upwards or downwards to compensate for acting on the rotor axial forces or to keep the bearing stable.
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.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.
Insbesondere ist an dem Rotor 500 eine Rotorwelle 570 angeordnet, die sich durch eine Bohrung 572 im Stator erstreckt. Das Lager umfasst wieder einen Stator- Lagerabschnitt 560 sowie eine Rotor-Lagerabschnitt 562, wobei sich gleich polarisierte Magnetringe in den beiden Lagerabschnitten gegenüberliegen, wenn sich das Lager in der optimal ausgeregelten Lagerposition befindet bzw. wenn kei- ne 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.In particular, a rotor shaft 570 is arranged on the rotor 500, which extends through a bore 572 in the stator. The bearing again comprises a stator bearing section 560 as well as a rotor bearing section 562, with identically polarized magnet rings facing each other in the two bearing sections when the bearing is in the optimally adjusted bearing position or when no bearings are present. ne axial force on the rotor 500 acts. Also shown in FIG. 5, 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.
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.Further, in 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.
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.The axial thrust is thus directed upwards. However, this axial thrust occurs relatively slowly, as a result of which 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. As the actuator, 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.
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 F0 und das im- mer 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 jedoch auftreffen könnten, wenn der Rotor ungebremst auf die Auflagefläche von Fig. Ia prallen würde.As already stated, a return from the working position to the rest position takes place in that, in order to bring about a "downward movement" of the rotor, the stator is deflected to bring the bearing into imbalance, then the rotor moves down to a certain extent from right to left on the movement curve in FIG. 2d, whereby the magnetic bearing forces and, in particular, the ever-increasing F 0 and the im- The decreasing F 0 of FIG. 4 accelerates the movement. Then, just before a "collapsing" impact of the rotor on the support surface, the actuator is deflected in an acceleration phase to then be decelerated Preferably, after a lapse of a small period of time after the beginning of the braking phase, the rotor is then engaged with the stator at the support surface Touch are thus collected, this "hitting" is mechanically unproblematic, since at the time of impact, the rotor and the stator due to the drive by the actuator move almost equally fast or the stator moves only slightly slower than the rotor. The motion 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, which could, however, impact when the rotor impinges unrestrained on the bearing surface of Fig. Ia would.
Nachfolgend wird auf eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Lagers innerhalb einer Wärmepumpe und insbesondere innerhalb eines Turboverdichters einer Wärmepumpe zum Lagern eines Radialrads eingegangen, wobei dort die Vorteile des schmiermittelfreien Lagers besonders zu Tage treten, da das bevorzugte Wärmepumpenkonzept einen offenen Kreislauf darstellt, in dem das Arbeitsmittel Wasser ist, aus der Umwelt entnommen wird und anschließend in die Umwelt wieder abgegeben wird.Hereinafter, a preferred use of the bearing according to the invention within a heat pump and in particular within a turbo compressor of a heat pump for storing a radial wheel, where the advantages of the lubricant-free bearing particularly come to light, since the preferred heat pump concept represents an open circuit in which the working fluid Water is taken from the environment and then released into the environment again.
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 Verdampfungsräum (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 150C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist vorzugsweise Grundwas- ser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. Erfindungsgemäß werden alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalkfreies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendbar bevorzugt. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese "Wasserstoffe", die günstige Wasser- Eigenschaft haben, nämlich dass Wasser, das auch als "R 718" bekannt ist, eine für den Wärmepumpen-Prozess nutzba- res Enthalpie-Differenz-Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz- Verhältnisses von z. B. R134a entspricht.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 comprises an evaporation space (not shown in FIG. 6a) and is designed to generate an evaporation pressure of less than 20 hPa in the evaporation space, so that the water evaporates at temperatures below 15 ° C. in the evaporation space. The water is preferably groundwater water, in the ground free or in collector pipes circulating brine, so water with a certain salinity, river water, seawater or seawater. According to the invention, all types of water, ie, calcareous water, lime-free water, saline water, or salt-free water, are usefully used. This is because all types of water, that is all these "hydrogens", have the favorable water property, namely that water, also known as "R 718", is an enthalpy difference useful for the heat pump process Has ratio of 6, which is more than 2 times the typical usable enthalpy difference ratio of z. B. R134a corresponds.
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 Verflüssigungstemperatur von 360C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45°C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 450C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können.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. In order to generate higher flow temperatures, pressures greater than 30 hPa can be generated with the turbomachine 16, wherein a pressure of 30 hPa has a liquefaction temperature of 24 0 C, a pressure of 60 hPa has a liquefaction temperature of 36 0 C, and a pressure of 100 hPa corresponds to a liquefaction temperature of 45 ° C. Underfloor heating systems are designed to heat sufficiently with a flow temperature of 45 ° C, even on very cold days.
Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zuge- führt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Ar- beitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück.The turbomachine is coupled to a condenser 18, which is designed to liquefy the compressed working steam. By liquefying, the energy contained in the working steam is supplied to the condenser 18, in order then to be fed to a heating system via the supply line 20 a. to be led. The working fluid flows back into the condenser via the return line 20b.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dem energiereichen Was- serdampf 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.According to the invention, it is preferable to extract from the high-energy water vapor directly through the colder heating water 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.
Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des stän- digen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt.Thus, a material entry into the condenser or the heating system takes place, which is regulated by a drain 22, such that the condenser in its condenser has a water level, which always remains below a maximum level despite the constant supply of water vapor and thus condensate ,
Wie es bereits ausgeführt worden ist, wird es bevorzugt, einen offenen Kreislauf zu nehmen, also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher zu verdampfen. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass dieser Wärmetauscher wieder Verluste und appara- tiven Aufwand bedeutet.As has already been stated, it is preferred to take an open circuit, ie to evaporate the water, which is the heat source, directly without a heat exchanger. Alternatively, however, the water to be evaporated could first be heated by a heat exchanger from an external heat source. However, it should be remembered that this heat exchanger again means losses and equipment expense.
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.Moreover, in order to avoid losses for the second heat exchanger, which has hitherto necessarily been present on the condenser side, it is also preferred to use 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.
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.Alternatively, however, it is also possible to arrange 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.
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.Due to the fact that water is used as the working medium and due to the fact that only the vaporized portion of the groundwater is fed into the turbomachine, 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.
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.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.
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. 9a noch erläutert wird, eine Blasenverdampfung zu triggern, damit die Verdampfungseffizienz erhöht wird.The combination according to the invention of water as a working medium with the 2 times better usable enthalpy difference ratio compared to R134a and because of the reduced requirements for the closed system (rather an open system is preferred), and because of the use the turbomachine, through which the required compression factors are achieved efficiently and without purity impairments, an efficient and environmentally neutral heat pump process is created, which becomes even more efficient when the liquefier in the liquefier directly liquefied, since then no heat exchanger is needed throughout the heat pump process , In addition, all associated with the piston compression losses fall away. In addition, the very low water losses which would otherwise be incurred in the throttling can be used to improve the evaporation process, since the effluent water at the effluent temperature, which will typically be higher than the groundwater temperature, will be used to advantage Evaporator by means of structuring 206 of a drain pipe 204, as will be explained in Fig. 9a, to trigger a bubble evaporation, so that the evaporation efficiency is increased.
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 Verdampfungskammer fließt, wer- den 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 vorzugsweise eine Pumpe 114 bzw. ein Ventil zur Überlaufregelung vorgesehen. Es sei darauf hingewiesen, dass hier nichts aktiv gepumpt werden muss, da aufgrund der Schwerkraft dann, wenn die Pumpe bzw. das Ventil 114 geöffnet ist, Wasser aus dem Verdampfer-Auffangbecken 110 über ein Rücklaufrohr 113 nach unten in das Grundwasserreservoir fließt. Die Pumpe bzw. das Ventil 114 stellen somit sicher, das das Wasserniveau im Auffangbecken nicht zu hoch steigt oder dass in das Ablaufrohr 112 kein Wasserdampf eindringt bzw. dass die Verdampfungskammer auch von der Situation am „unteren" Ende des Rücklaufrohrs 113 sicher entkoppelt ist.Hereinafter, referring to FIG. 7, a preferred embodiment of the present invention will be explained in detail. The water evaporator comprises an evaporation chamber 100 and a riser 102, in which groundwater from a groundwater reservoir 104 in the direction of 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. All that matters is that 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. Assuming that about 1 1 per second flows through the riser up into the evaporation chamber, about 4 ml per second are evaporated in the evaporator at a heating power of about 10 kW. The remainder, 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. For this purpose, preferably a pump 114 and a valve for overflow control intended. 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.
Das Steigrohr ist in einem Steigrohrbecken 116 angeordnet, das von einer vorzugsweise vorgesehenen Pumpe 118 mit Wasser gefüllt wird. Die Pegel in 116 und 108 sind nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden, wobei die Schwerkraft und die unterschiedlichen Drücke in 116 und 108 für einen Transport des Wassers von 116 nach 108 sorgen. Der Wasserpegel im Steigrohrbecken 116 ist vorzugsweise so angeordnet, dass auch bei unterschiedlichen Luftdrücken der Pegel nie unter den Einlass des Steigrohrs 102 fällt, damit ein Eindringen von Luft vermieden wird.The riser is 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.
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. Vorzugsweise ist der Gasabscheider angeordnet, um den entfern- ten Teil des Gases einem nicht verdampften Wasser zuzuführen, damit das Gas von dem nicht verdampften Wasser abtransportiert wird. Gelöste Gase können Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff etc. umfassen. Diese Gase verdampfen zumeist bei einem höheren Druck als Wasser so dass der Gasab- scheider 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 o- der laufend entlüftet, also an die Atmosphäre abgegeben werden.Preferably, 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. Preferably, the gas separator is arranged to supply the remainder of the gas to a non-evaporated water so that the gas is carried 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. escapes from the water which is not yet evaporating and is preferably fed into the return line 113. The Feed is preferably at the point of the return line 113, at which the pressure is so low that the gas is taken back by the returning water into the groundwater. Alternatively, however, the separated gas can also be collected and disposed of at certain intervals or vented on an ongoing basis, ie discharged to the atmosphere.
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 2,50C abgekühlt, so wird eine Leistung von 10,5 kW erzeugt. Vorzugsweise wird das Steigrohr von einem Wasserstrom mit einer Stromstärke in Abhängigkeit von der Heizleistung durchströmt, im Beispiel ein Liter pro Sekunde.Typically, the groundwater, seawater, river water, seawater, brine or any other naturally occurring aqueous solution will have a temperature between 8 0 C and 12 0 C. By lowering the temperature of 1 1 of water to I 0 C, a power of 4.2 kW can be generated. If the water is cooled by 2.5 0 C, then a power of 10.5 kW is generated. Preferably, the riser is flowed through by a stream of water with a current in dependence on the heating power, in the example one liter per second.
Wenn die Wärmepumpe auf relativ hoher Last arbeitet, wird der Verdampfer etwa 6 ml pro Sekunde verdampfen, was einem Dampfvolumen von ca. 1,2 Kubikmeter pro Sekunde entspricht. Je nach geforderter Heizungswassertemperatur wird die Strömungsmaschine im Hinblick auf ihre Verdichtungsleistung 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.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. Depending on the required heating water temperature, 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.
Die erzeugte Leistung wird daher durch die Verdichterleistung bestimmt, also zum einen durch den Verdichtungsfaktor, also wie stark der Verdichter verdichtet, und zum anderen durch von dem Verdichter erzeugten Volumenstrom. Erhöht sich der Volumenstrom, so muss der Verdampfer mehr verdampfen, wobei die Pumpe 118 mehr Grundwasser in das Steigrohr- becken 116 befördert, so dass der Verdampfungskammer mehr Grundwasser zugeführt wird. Wird die Strömungsmaschine dagegen einen geringeren Verdichtungsfaktor liefern, so fließt auch weniger Grundwasser von unten nach oben.The power generated is therefore determined by the compressor power, so on the one hand by the compression factor, ie how much compressed the compressor, and on the other by the volume flow generated by the compressor. If the volume flow increases, the evaporator must evaporate more, with the pump 118 adding more groundwater to the riser pipe. transported basin 116 so that the evaporation chamber is fed more groundwater. If, on the other hand, the turbomachine delivers a lower compression factor, less groundwater flows from the bottom to the top.
An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass es bevorzugt wird, den Durchfluss von Grundwasser durch die Pumpe 118 zu steuern. Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren legt der Füllstand im Behälter 116 bzw. die 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.It should be noted, however, that it is preferred to control the flow of groundwater through the pump 118. According to the principle of communicating tubes, the level in the container 116 or the delivery rate of the pump 118 determines the flow through the riser. Thus, an increase in efficiency of the system can be achieved because the control of the flow is decoupled from the suction power of the turbomachine.
Es wird keine Pumpe benötigt, um das Grundwasser von unten in die Verdampfungskammer 100 zu pumpen. Statt dessen geschieht dies von „selbst". Dieses automatische Aufsteigen zur evakuierten Verdampfungskammer hilft auch dabei, dass der Unterdruck von 20 hPa ohne Weiteres erreichbar ist. Hierzu werden keine Evakuierungspumpen oder etwas ähnliches benötigt. Statt dessen wird lediglich ein Steigrohr mit einer Höhe größer 9 m benötigt. Dann wird eine rein passive Unterdruckerzeugung erreicht. Der nötige Unterdruck kann jedoch auch mit einem wesentlich kürzeren Steigrohr erzeugt werden, wenn z. B. die Implementierung von Fig. 10a eingesetzt wird. In Fig. 10a ist ein wesentlich verkürztes "Steigrohr" gezeigt. Die Umsetzung vom hohen Druck auf den Unterdruck wird über eine Turbine 150 bewirkt, wobei die Turbine hierbei Energie aus dem Arbeitsmedium entzieht. Gleichzeitig wird der Unterdruck auf der Rücklauf-Seite wieder in den hohen Druck gebracht, wobei die dafür nötige Energie durch eine Pumpe 152 geliefert wird. Die Pumpe 152 und die Turbine 150 sind über eine Kraftkopplung 154 miteinander gekoppelt, so dass die Turbine die Pumpe antreibt, und zwar mit der Energie, die die Turbine dem Medium entzogen hat. Ein Motor 156 wird lediglich noch benötigt, um die Verluste, die das System selbstverständlich hat, auszugleichen, und um die Umwälzung zu erreichen, um also ein System aus seiner Ruhelage in den in Fig. 10a gezeigten dynamischen Modus zu bringen.No pump is needed to pump the groundwater from below into the vaporization chamber 100. Instead, this is done by "self." This automatic upgrade to the evacuated vaporization chamber also helps to easily reach the 20 hPa negative pressure, without the need for evacuation pumps or anything else, and instead just a riser with a height greater than 9 The necessary negative pressure can, however, also be produced with a significantly shorter riser, if, for example, the implementation of Fig. 10a is used. The implementation of the high pressure on the negative pressure is effected via a turbine 150, wherein the turbine thereby extracts energy from the working medium.At the same time, the negative pressure on the return side is brought back into the high pressure, with the energy required for this by a Pump 152. Pump 152 and turbine 150 are via a force coupling g 154 coupled so that the turbine drives the pump, with the energy that has removed the turbine from the medium. A motor 156 is still needed only to compensate for the losses that the system has of course, and to achieve the circulation, so a system from its rest position to the dynamic mode shown in Fig. 10a.
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.In the preferred embodiment, 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. In general, any turbomachines can be used, as they are known as turbine compressors, fans, blowers or turbocompressors.
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. IIa 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 ü- berhitzungsenthalpie sinnvoll genutzt, um den Wirkungsgrad des gesamten Verdichtungsprozesses zu erhöhen. Das gekühlte Gas wird dann mit einem oder mehreren nachgeschalteten Ver- dichtem 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 thermischen Beanspruchung und mit weniger Energie den geforderten Gasdruck im Verflüssiger erreichen, als wenn eine einzige Strömungsmaschine ohne Gaskühlung vorhanden sein würde.In the preferred embodiment of the present invention, 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. Such an implementation is shown in Fig. IIa, 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. Here, the superheating enthalpy is usefully 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. However, this reduces not the overall efficiency of the heat pump, but even increases it, since two sequential turbomachines with interposed gas cooling with a longer life due to the reduced thermal stress and less energy to achieve the required gas pressure in the condenser, as if a single turbomachine without gas cooling would be present ,
Die kaskadierten unabhängig voneinander betriebenen Strömungsmaschinen werden vorzugsweise von einer Steuerung 250 angesteuert, die eingangsseitig eine Soll-Temperatur im Heizkreis sowie gegebenenfalls auch eine Ist-Temperatur im Heizkreis erhält. Abhängig von der gewünschten SoIl- 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. IIb dargestellt ist. Wird eine höhere SoIl- Temperatur in die Steuerung 250 eingegeben, so werden beide Drehzahlen erhöht. Allerdings wird die Drehzahl der früher angeordneten Strömungsmaschine, die mit ni in Fig. IIb 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. IIb eine Gerade mit einer positiven Steigung ergibt.The cascaded independently operated turbomachines are preferably controlled by a controller 250, the input side receives a desired temperature in the heating circuit and possibly also an actual temperature in the heating circuit. Depending on the desired oil temperature, the rotational speed of a turbomachine arranged earlier in the cascade, which is denoted by ni by way of example, and the rotational speed n2 of a turbomachine arranged later in the cascade are changed, as illustrated with reference to FIG. If a higher oil temperature is input to the controller 250, both speeds are increased. However, the speed of the previously arranged turbomachine, which is denoted by ni in Fig. IIb, raised with a smaller gradient than the rotational speed n2 of a later arranged in the cascade turbomachine. As a result, when the ratio n 2 / ni of the two rotational speeds is plotted, a straight line with a positive slope results in the diagram of FIG. IIb.
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. llc und 6d erläutert wird, immer möglichst gut bezüglich der Geschwindigkeit des zu verdichtenden Gases steht. So besteht die Einstellung des Schaufelwinkels Ie- diglich in der Optimierung einer möglichst wirbelarmen Kompression des einlaufenden Gases. Die weiteren Parameter der Winkeleinstellung wie Gasdurchsatz und Verdichtungsverhältnis, die sonst einen technischen Kompromiss bei der Wahl des Schaufelwinkels und damit nur bei einer Soll-Temperatur einen optimalen Wirkungsgrad ermöglicht hätten, werden erfindungsgemäß durch die unabhängige Drehzahlregelung auf ihren optimalen Arbeitspunkt gebracht und haben daher keinen Einfluß mehr auf die Wahl des Schaufelwinkels, so ergibt sich trotz eines fest eingestellten Schaufelwinkels immer ein optimaler Wirkungsgrad.The 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. The reason for this is that the turbomachine, which is later arranged in the cascade, must process already compressed gas that has been compressed by a turbomachine that was previously arranged in the cascade. Furthermore, this ensures that the blade angle of blades of a radial wheel, as also explained with reference to FIGS. 11c and 6d, is always as good as possible with respect to the speed of the gas to be compressed. Thus, the adjustment of the blade angle consists only in optimizing a low-turbulence compression of the incoming gas. The other parameters of the angle adjustment such as gas flow rate and compression ratio, which would otherwise have made a technical compromise in the choice of blade angle and thus only at a desired temperature optimum efficiency are brought according to the invention by the independent speed control to its optimum operating point and therefore have no influence more on the choice of the blade angle, so there is always an optimal efficiency despite a fixed blade angle.
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 Axialräder 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 Heizungsanwendun- ger\ ein optimaler Bereich ist. Die erfindungsgemäße Drehzahlsteuerung sowie gegebenenfalls die Verwendung von ge- genläufigen Axialrädern liefert somit eine optimale Abstimmung zwischen dem variablen Gasstrom bei sich verändernder Soll-Temperatur einerseits und den festen Schaufelwinkeln der Axialräder andererseits. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird zumindest eines oder vorzugsweise sämtliche Axialräder aller Strömungsmaschinen aus Kunststoff mit ei- ner Zugfestigkeit oberhalb 80 MPa hergestellt. Ein bevorzugter Kunststoff hierfür ist Polyamid 6.6 mit eingelegten Karbonfasern. Dieser Kunststoff hat den Vorteil der Zugfestigkeit, so dass Axialräder der Störungsmaschinen aus diesem Kunststoff hergestellt werden können und dennoch mit hohen Drehzahlen betrieben werden können.In view of this, it is further preferred that a turbomachine arranged more in the cascade 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 radial wheel previously arranged in the cascade. Thus, a nearly optimal entry angle of the blades of both axial 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 area for typical heating applications. The speed control according to the invention and, if appropriate, the use of counter-rotating axial gears thus provides optimum matching between the variable gas flow with changing desired temperature on the one hand and the fixed blade angles of the axial wheels on the other hand. In preferred embodiments of the present invention, at least one or preferably all axial wheels of all flow machines are made of plastic with a tensile strength above 80 MPa. A preferred plastic for this is polyamide 6.6 with inserted carbon fibers. This plastic has the advantage of tensile strength, so that Axialräder the fault machines can be made of this plastic and yet can be operated at high speeds.
Vorzugsweise werden Axialräder erfindungsgemäß eingesetzt, wie sie beispielsweise in Fig. 11c bei Bezugszeichen 260 gezeigt sind. Fig. 11c zeigt eine schematische Draufsicht eines solchen Radialrads, wobei Fig. Hd 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 Mit- telachse 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- nυng, die mit ri bezeichnet ist, um Gas anzusaugen, wobei dieses Gas vom Radialrad dann seitlich ausgegeben wird, wie es bei 270 in Fig. Hd angegeben ist.Axial wheels are preferably used according to the invention, as shown for example in Fig. 11c at reference numeral 260. Fig. 11c shows a schematic plan view of such a radial wheel, wherein Fig. Hd shows a schematic cross-sectional view of such a radial wheel. A radial wheel, as is known in the art, includes a plurality of internally outwardly extending vanes 262. The vanes extend from a center axis 264 distance, designated r w , entirely outward of the axis 264 of FIG radial wheel. In particular, 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 wheel includes an intake port, designated ri, for sucking gas, which gas is then discharged laterally from the radial wheel, as indicated at 270 in FIG. Hd.
Wenn Fig. Hc betrachtet wird, so befindet sich das Gas in Drehrichtung vor der Schaufel 262 auf einer relativ höheren Geschwindigkeit, während es hinter der Schaufel 262 auf einer reduzierteren Geschwindigkeit ist. Allerdings wird es für eine hohe Effizienz und einen hohen Wirkungsgrad bevorzugt, dass das Gas überall mit einer möglichst gleichförmi- gen Geschwindigkeit aus dem Radialrad seitlich, also bei 270 in Fig. Hd 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.When Hc is considered, the gas is at a relatively higher speed in the direction of rotation in front of the blade 262, while at a reduced speed behind the blade 262. However, for high efficiency and high efficiency, it is preferred that the gas be ejected from the radial wheel at all sides with as uniform a speed as possible, ie at 270 in FIG. Hd. For this purpose, there is a desire to mount the blades 262 as close as possible. However, for technical reasons, an arbitrarily tight attachment of from the inside, ie from the radius r w outwardly extending blades is not possible because then the suction port with the radius ri is more and more blocked.
Erfindungsgemäß wird es daher bevorzugt, Schaufeln 272 bzw. 274 bzw. 276 vorzusehen, die sich weniger lang als die Schaufel 262 erstrecken. Insbesondere erstrecken sich die Schaufeln 272 nicht von rw bis ganz nach außen, sondern von Ri nach außen bezüglich des Radialrads, wobei Ri größer als rw ist. Analog hierzu erstrecken sich, wie es in Fig. 11c 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.In accordance with the invention, it is therefore preferred to provide blades 272, 274, 276, respectively, that extend less than the blade 262. In particular, the vanes 272 do not extend from r w to the outside, but extend outward from Ri with respect to the radial wheel, where Ri is greater than rw. Similarly, as shown by way of example in Fig. 11c, 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 where R 3 is greater than R 2 is.
Diese Verhältnisse sind in Fig. Hd schematisch dargestellt, wobei eine doppelte Schraffur, beispielsweise im Bereich 278 in Fig. Hd 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.These relationships are shown diagrammatically in FIG. Hd, with a double hatching, for example in the region 278 in FIG. Hd, indicating that there are two blades in this region which overlap and are therefore characterized by the double-hatched region. Example, the hatching from bottom left to top right in the area 278 denotes a vane 262 w extends from r to by the very outside, while extending from top left to bottom right of the area 278 hatching indicates a vane 272 which merely to extends from Ri to the outside with respect to the radial wheel.
Vorzugsweise ist somit zwischen zwei sich tiefer nach innen erstreckenden Schaufeln wenigstens eine Schaufel angeordnet, die sich nicht so weit nach innen erstreckt. Dies führt dazu, dass der Ansaugbereich nicht verstopft wird bzw. Bereiche mit kleinerem Radius nicht zu stark mit Schaufeln belegt werden, während Bereiche mit größerem Ra- dius 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. 11c am äußeren Umfang deswegen besonders homogen, da der Abstand von Schaufeln, die das Gas beschleunigen, und aufgrund der „ge- stapelten" 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. llc dargestellt ist.Preferably, at least one blade, which does not extend so far inwardly, is thus arranged between two blades extending deeper inwardly. This means that the intake area is not clogged or areas with a smaller radius are not covered too much with blades, while areas with a larger radius are more densely covered with blades, so that at the outlet of the radial wheel, ie where the compressed Gas leaves the radial wheel, as homogeneous a velocity distribution of the exiting gas exists. The GE- Speed distribution of the exiting gas is particularly homogeneous in the preferred radial wheel according to the invention in Fig. 11c on the outer circumference, because the distance of blades accelerating the gas, and due to the "stacked" arrangement of the blades is substantially smaller than in one case in which, for example, only the blades 262 are present, which extend from the very inside to the very outside and thus inevitably at the outer end of the radial wheel have a very large distance, which is substantially larger than the radial wheel according to the invention, as shown in Fig. llc is.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die relativ aufwendige und komplizierte Form des Radialrads in Fig. llc 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. Hd verbunden sind. Die Verwendung von Kunststoff insbesondere mit der Kunststoff-Spritzgusstechnik ermöglicht es, beliebige Formen genau und kostengünstig herzustellen, was mit Axialrädern aus Metall nicht ohne weiteres bzw. nur sehr aufwen- dig oder möglicherweise sogar gar nicht möglich ist.At this point it should be noted that the relatively complex and complicated shape of the radial wheel in Fig. Llc 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 inside 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. Hd. The use of plastic in particular with the plastic injection molding technology makes it possible to produce any shape accurately and inexpensively, which is not readily possible or only very consuming or possibly even impossible with axial metal wheels.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sehr hohe Drehzahlen des Radialrads bevorzugt werden, so dass die auf die Schaufeln wirkenden Beschleunigungen ganz erhebliche Werte annehmen. Aus diesem Grund wird es bevorzugt, dass insbesondere die kürzeren Schaufeln 272, 274, 276 nicht nur mit der Basis, sondern auch mit dem Deckel fest verbunden sind, derart, dass das Radialrad die auftretenden Beschleunigungen ohne weiteres aushalten kann.It should be noted at this point that very high rotational speeds of the radial wheel are preferred, so that the accelerations acting on the blades assume very considerable values. For this reason, it is preferred that, in particular, the shorter blades 272, 274, 276 are fixedly connected not only to the base but also to the cover, such that the radial wheel can readily withstand the accelerations that occur.
In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Kunststoff auch aufgrund der überragenden Schlagfestigkeit von Kunststoff günstig ist. So ist nicht immer auszuschließen dass Eiskristalle oder Wassertröpfchen auf das Radialrad zumindest der ersten Verdichterstufe aufschlagen. Aufgrund der hohen Beschleunigungen entstehen hier sehr hohe Aufprallkräfte, die von Kunststof- fen mit ausreichender Schlagfestigkeit ohne weiteres ausgehalten werden. Des Weiteren findet die Verflüssigung im Verflüssiger bevorzugt aufgrund des Kavitations-Prinzips statt. Hier fallen Dampfbläschen aufgrund dieses Prinzips in einem Wasservolumen in sich zusammen. Dort entstehen e- benfalls mikroskopisch betrachtet ganz erhebliche Geschwindigkeiten und Kräfte, die auf lange Sicht betrachtet zu Materialermüdungen führen können, welche jedoch dann, wenn ein Kunststoff mit einer ausreichender Schlagfestigkeit eingesetzt wird, leicht beherrschbar sind.In this context, it should also be noted that the use of plastic is also favorable due to the superior impact resistance of plastic. So is not always exclude that ice crystals or water droplets hit the radial wheel at least the first stage compressor. Due to the high accelerations, very high impact forces arise which are easily withstood by plastics with sufficient impact resistance. 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, these also give rise to considerable speeds and forces which, viewed over the long term, can lead to material fatigue which, however, is easily manageable if a plastic with sufficient impact resistance is used.
Das von dem letzten Verdichter 174 ausgegebene verdichtete Gas, also der verdichtete Wasserdampf wird dann dem Verflüssiger 18 zugeführt, der ausgestaltet sein kann, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, der jedoch vorzugsweise so aus- gestaltet ist, wie es in Fig. 8a gezeigt ist. Der Verflüssiger 18 enthält ein Wasservolumen 180 und vorzugsweise ein beliebig kleines Dampfvolumen 182. Der Verflüssiger 18 ist ausgebildet, um den komprimierten Dampf in das Wasser des Wasservolumens 180 einzuspeisen, so dass sich dort, wo der Dampf in die Flüssigkeit eintritt, sofort eine Kondensierung ergibt, wie es bei 184 schematisch angezeichnet ist. Hierzu wird es bevorzugt, dass die Gaszuführung einen Aufweitungsbereich 186 hat, derart, dass das Gas möglichst großflächig in dem Verflüssiger-Wasservolumen 180 verteilt wird. Typischerweise stellt sich aufgrund der Temperaturschichten in einem Wassertank oben die höchste Temperatur und unten die kühlste Temperatur ein. Daher wird über einen Schwimmer 188 der Heizungsvorlauf möglichst nahe an der O- berflache des Wasservolumens 180 angeordnet, um immer das wärmste Wasser aus dem Verflüssiger-Wasservolumen 180 zu entnehmen. Der Heizungs-Rücklauf wird unten dem Verflüssiger zugeführt, so dass der zu verflüssigende Dampf immer mit möglichst kühlem Wasser in Verbindung kommt, das sich aufgrund der Umwälzung unter Verwendung einer Heizungs- Umwälzpumpe 312 wieder von unten in Richtung der Dampf- Wasser-Grenze des Aufweiters 186 bewegt.The compressed gas discharged from the last compressor 174, that is to say the compressed steam, is then supplied to the condenser 18, which may be designed as shown in FIG. 7, but which is preferably configured as shown in FIG. 8a is shown. The condenser 18 contains a volume of water 180, and preferably an arbitrarily small volume of steam 182. The condenser 18 is designed to feed the compressed vapor into the water of the volume of water 180, so that where the vapor enters the liquid immediately results in condensation as schematically indicated at 184. For this purpose, it is preferred that the gas supply has a widening region 186, such that the gas is distributed as extensively as possible in the condenser water volume 180. Typically, due to the temperature layers in a water tank above, the highest temperature and below the coolest temperature. Therefore, via a float 188, the heating flow is arranged as close as possible to the surface of the water volume 180 in order to always remove the warmest water from the condenser water volume 180. The heating return is fed to the bottom of the condenser, so that the steam to be liquefied always comes in contact with the coolest possible water that is due to the circulation using a heating circulation pump 312 again moved from below in the direction of the steam-water boundary of the expander 186.
Die Ausführungsform in Fig. 7, bei der nur eine einfache Umwälzpumpe 312 existiert, ist dann ausreichend, wenn der Verflüssiger so in einem Gebäude angeordnet ist, dass die zu heizenden Bereiche unterhalb des Verflüssigers sind, so dass aufgrund der Gravitation in allen Heizungsrohren ein größerer Druck als im Verflüssiger ist.The embodiment in Fig. 7, in which only a single circulating pump 312 exists, is sufficient if the condenser is arranged in a building so that the areas to be heated are below the condenser, so that due to gravity in all heating pipes a larger Pressure as in the liquefier.
Fig. 10b zeigt dagegen eine Implementierung eines Anschlusses einer Heizungsleitung an den Verflüssiger mit einer Turbinen/Pumpenkombination, wenn der Verflüssiger auf ge- ringerer Höhe als die Heizungsleitung angeordnet werden soll, oder wenn eine herkömmliche Heizung, die einen höheren Druck benötigt, angeschlossen werden soll. Soll der Verflüssiger also niedriger angeordnet werden, also unterhalb einer zu beheizenden Fläche bzw. der Heizungsleitung 300, so wird die Pumpe 312 als eine getriebene Pumpe ausgeführt, wie sie bei 312 in Fig. 10b gezeigt ist. Ferner wird eine Turbine 310 im Heizungsrücklauf 20b zum Antreiben der Pumpe 312 vorgesehen, die über eine Kraftkopplung 314 mit der Pumpe 312 verschaltet ist. Der hohe Druck herrscht dann in der Heizung und der niedrige Druck herrscht im Verflüssiger.10b, on the other hand, shows an implementation of a connection of a heating line to the condenser with a turbine / pump combination if the condenser is to be arranged at a lower height than the heating line or if a conventional heating system requiring a higher pressure is to be connected , If the condenser is therefore to be arranged lower, that is to say below a surface to be heated or the heating line 300, the pump 312 is designed as a driven pump, as shown at 312 in FIG. 10b. Further, a turbine 310 is provided in the heater return 20b for driving the pump 312, which is connected via a power coupling 314 to the pump 312. The high pressure then prevails in the heater and the low pressure prevails in the condenser.
Nachdem aufgrund des ständig in den Verflüssiger eingeführten Dampfes der Wasserstand im Verflüssiger immer mehr an- steigen würde, ist der Ablauf 22 vorgesehen, über dem, damit der Wasserstand im Verflüssiger sich im Wesentlichen nicht verändert, ebenfalls z. B. etwa 4 ml pro Sekunde abfließen müssen. Hierzu ist eine Ablauf-Pumpe bzw. ein Ablaufventil 192 zur Druckregelung vorgesehen, derart, dass ohne Druckverlust die erforderliche Menge von z. B. 4 ml pro Sekunde, also die Menge, die an Wasserdampf dem Verflüssiger bei laufendem Verdichter zugeführt wird, wieder abgeführt wird. Je nach Implementierung kann der Ablauf in das Steigrohr eingeführt werden, wie es bei 194 gezeigt ist. Nachdem entlang des Steigrohrs 102 sämtliche Drücke zwischen einem bar und dem im Verdampfungsraum vorhandenen Druck vorliegen, wird es bevorzugt, den Ablauf 22 an der Stelle 194 in das Steigrohr einzuspeisen, an dem annähernd der gleiche Druck existiert wie er nach der Pumpe 192 bzw. dem Ventil 192 vorliegt. Dann muss keine Arbeit verrichtet werden, um das Ablaufwasser dem Steigrohr wieder zuzuführen.As a result of the steam continuously introduced into the condenser, the water level in the condenser would increase more and more, the drain 22 is provided, above which, so that the water level in the condenser does not change substantially, also z. B. have to drain about 4 ml per second. For this purpose, a drain pump or a drain valve 192 is provided for pressure control, such that without pressure loss, the required amount of z. B. 4 ml per second, ie the amount that is supplied to the steam liquefier with the compressor running, is discharged again. Depending on the implementation of the process into the riser, as shown at 194. After all the pressures between a bar and the present in the evaporation space pressure along the riser 102, it is preferred to feed the outlet 22 at the point 194 in the riser at which approximately the same pressure exists as he after the pump 192 and the Valve 192 is present. Then no work must be done to supply the drain water to the riser again.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel wird völlig ohne Wärmetauscher gearbeitet. Das Grundwasser wird also verdampft, der Dampf wird dann im Verflüssiger verflüssigt, und der verflüssigte Dampf wird schließlich durch die Hei- zung gepumpt und dem Steigrohr wieder zugeführt. Nachdem jedoch nicht die gesamte durch das Steigrohr fließende Wassermenge verdampft wird, sondern immer nur ein (sehr kleiner) Anteil, wird somit Wasser, das durch die Fußbodenheizung geflossen ist, dem Grundwasser zugeführt. Falls etwas derartiges aufgrund kommunaler Vorschriften verboten ist, obgleich die vorliegende Erfindung keinerlei Verschmutzung mit sich bringt, kann der Ablauf auch ausgebildet sein, um die Menge von 4 ml pro Sekunde, die etwa 345 1 pro Tag entspricht, dem Kanal zuzuführen. Damit würde sichergestellt werden, dass kein Medium, das sich in einem Heizungssystem eines Gebäudes befunden hat, direkt wieder ins Grundwasser eingespeist wird.In the embodiment shown in Fig. 7 is carried out completely without a heat exchanger. The groundwater is thus evaporated, the steam is then liquefied in the condenser, and the liquefied steam is finally pumped through the heating and returned to the riser. However, since not all of the water flowing through the riser amount of water is evaporated, but always only a (very small) share, thus, water that has flowed through the underfloor heating, fed to the groundwater. If such a thing is prohibited by local regulations, although the present invention does not involve any contamination, the process may also be designed to deliver the amount of 4 ml per second corresponding to about 345 liters per day to the channel. This would ensure that no medium that was in a heating system of a building is directly fed back into the groundwater.
Allerdings kann der Rücklauf 112 aus dem Verdampfer ohne Probleme in das Grundwasser eingespeist werden, da das dort zurücklaufende Wasser lediglich mit dem Steigrohr und der Rückleitung in Kontakt war, jedoch die "Verdampfungsgrenze" zwischen dem Verdampfungs-Aufweiter 108 und dem Ausgang zur Strömungsmaschine nicht überschritten hat.However, the return 112 from the evaporator can be fed without problems into the groundwater, since the water returning there was in contact only with the riser and the return line, but did not exceed the "evaporation limit" between the evaporator expander 108 and the outlet to the turbomachine Has.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Verdampfungsraum bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sowie der Verflüssiger bzw. der Dampfräum 182 des Verflüssigers abge- dichtet sein müssen. Sobald im Verdampfungsraum der Druck über die Marke ansteigt, die nötig ist, damit das durch das Steigrohr geförderte Wasser verdampft, bleibt der Wärmepum- penprozess "stehen".It should be noted that the evaporation space in the exemplary embodiment shown in FIG. 7 as well as the condenser or the steam space 182 of the condenser are removed. must be sealed. As soon as the pressure in the evaporation chamber rises above the level required for the water pumped through the riser pipe to evaporate, the heat pump process "stops".
Nachfolgend wird auf Fig. 8a Bezug genommen, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Verflüssiger 18 darstellt. Die Zufuhrleitung 198 für komprimierten Dampf wird derart in den Verflüssiger platziert, dass der Dampf knapp unterhalb der Oberfläche des Verflüssiger-Wasservolumens 180 in dieses Wasservolumen austreten kann. Hierzu umfasst das Ende der Dampfzuleitung um den Umfang des Rohrs herum angeordnete Düsen, durch die der Dampf in das Wasser austreten kann. Damit eine möglichst gute Durchmischung auf- tritt, damit also der Dampf mit möglichst kaltem Wasser in Berührung kommt, um möglichst schnell und effizient zu verflüssigen, ist ein Aufweiter 200 vorgesehen. Diese Aufweitung ist in dem Verflüssiger-Wasservolumen 180 angeordnet. Sie hat an ihrer schmalen Stelle eine Umwälzpumpe 202, die ausgebildet ist, um kaltes Wasser am Boden des Verflüssigers anzusaugen und durch den Aufweiter in eine nach oben gerichtete sich verbreiternde Strömung zu versetzen. Dadurch sollen möglichst große Mengen des in das Verflüssi- ger-Wasser 180 eintretenden Dampfes mit möglichst kaltem Wasser, das von der Umwälzpumpe 202 geliefert wird, in Verbindung gebracht werden.Reference is now made to FIG. 8a, which illustrates a preferred embodiment for the condenser 18. FIG. The compressed steam supply line 198 is placed in the condenser so that the steam just below the surface of the condenser water volume 180 can escape into this volume of water. For this purpose, the end of the steam supply line around the circumference of the tube arranged around nozzles, through which the steam can escape into the water. To ensure the best possible mixing occurs, so that the steam comes into contact with the coldest possible water in order to liquify as quickly and efficiently as possible, an expander 200 is provided. This expansion is located in the condenser water volume 180. It has at its narrow point a circulation pump 202, which is designed to suck cold water at the bottom of the condenser and to put through the expander in an upward broadening flow. In this way, the largest possible amounts of the steam entering the liquefier water 180 should be brought into contact with the coldest possible water which is supplied by the circulation pump 202.
Ferner wird es bevorzugt, um den Verflüssiger herum eine Schalldämmung 208 vorzusehen, die aktiv oder passiv ausge- bildet sein kann. Eine passive Schalldämmung wird ähnlich einer Wärmedämmung die Frequenzen des durch das Verflüssigen erzeugten Schalls so gut als möglich dämmen. Genauso wird es auch bevorzugt, die anderen Komponenten des Systems schallzudämmen .Further, it is preferred to provide around the condenser a sound insulation 208 which may be actively or passively formed. Passive sound insulation, like thermal insulation, will insulate the frequencies of the sound produced by the liquefaction process as well as possible. Likewise, it is also preferred to silencing the other components of the system.
Die Schalldämmung kann alternativ auch aktiv ausgebildet sein, wobei sie in diesem Fall z. B. ein Mikrophon zur Schallmessung hätte und ansprechend darauf eine Schall- Gegenwirkung auslösen würde, wie beispielsweise eine In- Vibration-Versetzen einer äußeren Verflüssiger-Wand etc. mit z. B. piezoelektrischen Mitteln.The sound insulation may alternatively be actively formed, in which case z. B. a microphone for sound measurement would have and in response to a sound Counteracting effect, such as an in-vibration displacement of an outer condenser wall, etc. with z. B. piezoelectric means.
Das in Fig. 8a gezeigte Ausführungsbeispiel ist dahin gehend etwas problematisch, dass dann, wenn die Wärmepumpe außer Betrieb genommen wird, die im Verflüssiger befindliche Flüssigkeit 180 in das Rohr 198, in dem ansonsten ein komprimierter Dampf vorhanden ist, eindringt. Bei einer Implementierung kann hierfür ein Rücklaufventil in der Leitung 198, z.B. in der Nähe des Ausgangs der Leitung aus dem Verflüssiger angeordnet sein. Alternativ kann die Leitung 198 nach oben geführt werden, und zwar soweit, dass keine Flüssigkeit zurück in den Verdichter läuft, wenn der Ver- dichter ausgeschaltet wird. Wenn der Verdichter dann wieder in Betrieb genommen wird, so wird zunächst durch den komprimierten Dampf das Wasser aus der Dampfleitung 198 in den Verflüssiger gedrückt.The embodiment shown in Fig. 8a is somewhat problematic in that, when the heat pump is taken out of service, the liquid 180 in the condenser penetrates into the tube 198, in which otherwise a compressed vapor is present. In one implementation, a return valve in line 198, e.g. be arranged in the vicinity of the output of the line from the condenser. Alternatively, line 198 may be directed up to the point where no liquid is returned to the compressor when the compressor is switched off. When the compressor is then put back into operation, so is first pressed by the compressed steam, the water from the steam line 198 in the condenser.
Erst dann wird ein Dampf im Verflüssiger zur Kondensierung gebracht, wenn ein genügender Anteil des Wassers aus der Leitung 198 entfernt worden ist. Ein solchermaßen geartetes Ausführungsbeispiel hat somit eine gewisse Verzögerungszeit, die benötigt wird, bis das Wasservolumen 180 wieder vom komprimierten Dampf aufgewärmt wird. Ferner ist die Arbeit, die benötigt wird, um das in die Leitung 198 eingedrungene Wasser aus der Leitung 198 wieder zu entfernen, nicht mehr wiedergewinnbar und somit im Hinblick auf die Heizung „verloren", derart, dass kleinere Wirkungsgrad- Einbußen in Kauf genommen werden müssen.Only then is a vapor in the condenser brought to condensation when a sufficient proportion of the water has been removed from the line 198. Such a kind of embodiment thus has a certain delay time, which is needed until the volume of water 180 is reheated by the compressed steam. Further, the work required to remove the water that has entered the conduit 198 from the conduit 198 is no longer recoverable and thus "lost" in terms of heating, such that lower efficiency losses are tolerated have to.
Eine alternative Ausführungsform, die diese Problematik ü- berwindet, ist in Fig. 8b gezeigt. Im Gegensatz zu Fig. 8a wird der komprimierte Dampf nunmehr nicht innerhalb eines Rohrs unterhalb des Wasserspiegels im Verflüssiger zugeführt. Stattdessen wird der Dampf gewissermaßen in die Flüssigkeit im Verflüssiger von der Oberfläche aus „hineingepumpt". Hierzu umfasst der Verflüssiger eine Düsenplatte 210, die bezüglich der Ebene der Düsenplatte 210 vorstehende Düsen 212 aufweist. Die Düsen 212 erstrecken sich unter den Wasserspiegel des Wasservolumens 180 im Verflüssiger. Die zurückgenommenen Abschnitte zwischen zwei Düsen, die in Fig. 8b bei 214 gezeigt sind, erstrecken sich dagegen oberhalb des Wasserspiegels des Wasservolumens 180 im Verflüssiger, so dass immer zwischen zwei Düsen die Wasseroberfläche des Verflüssiger-Wassers ist, die von einer Düse unterbrochen wird. Die Düse 212 hat Düsenöffnungen, durch die der komprimierte Dampf, der sich von der Leitung 198 innerhalb des Dampfvolumens 182 ausbreitet, in das Verflüssiger- Wasser eindringen kann, wie es schematisch durch Pfeile 216 gezeigt ist.An alternative embodiment which overcomes this problem is shown in FIG. 8b. In contrast to Fig. 8a, the compressed vapor is now not supplied within a tube below the water level in the condenser. Instead, the vapor is, so to speak, "pumped" into the liquid in the condenser from the surface, for which purpose the condenser comprises a nozzle plate 210, which has nozzles 212 protruding with respect to the plane of the nozzle plate 210. The nozzles 212 extend below the water level of the water volume 180 in the condenser. The recessed portions between two nozzles, shown at 214 in Fig. 8b, on the other hand extend above the water level of the water volume 180 in the condenser, so that always between two nozzles is the water surface of the condenser water, which is interrupted by a nozzle. The nozzle 212 has nozzle openings through which the compressed vapor that propagates from the conduit 198 within the vapor volume 182 may enter the condenser water, as shown schematically by arrows 216.
Wenn bei der Implementierung von Fig. 8b der Verdichter außer Betrieb genommen wird, so führt dies dazu, dass die Flüssigkeit nur ein klein wenig in die Düsen 212 der Düsenplatte 210 eindringt, so dass auch nur ganz wenig Arbeit aufgewendet werden muss, um bei einer Wiederinbetriebnahme der Wärmepumpe das Wasser aus den Düsen wieder herauszudrücken. Auf jeden Fall stellt der Aufweiter 200 sicher, dass aufgrund der Führung durch den Aufweiter die durch die Pumpe 202 nach oben beförderten Flüssigkeit immer möglichst kalt ist und mit dem warmen Dampf in Berührung kommt. Das warme Wasser dringt dann entweder gleich in den Vorlauf 20a ein oder verbreitet sich über den Aufweiter-Rand im Wasservolumen, wie es durch einen Pfeil 218 dargestellt ist, so dass im Verflüssiger außerhalb des Aufweiters eine Temperatur-Schichtung auftritt, die insbesondere aufgrund der Auf- weiter-Form möglichst wenig gestört ist.If the compressor is taken out of operation in the implementation of Fig. 8b, this leads to the fact that the liquid penetrates only a little bit into the nozzles 212 of the nozzle plate 210, so that only very little work has to be spent in order to Re-commissioning the heat pump to push out the water from the nozzles again. In any event, the expander 200 ensures that, due to the guide through the expander, the liquid being pumped upwardly by the pump 202 is always as cold as possible and comes in contact with the warm vapor. The warm water then either enters immediately into the supply line 20a or spreads over the Aufweiter edge in the water volume, as shown by an arrow 218, so that in the liquefier outside of the expander occurs a temperature stratification, in particular due to the up - further form is disturbed as little as possible.
Die Flussgeschwindigkeit am Rand des Aufweiters, also dort, wo der Pfeil 218 angedeutet ist, ist wesentlich geringer als in der Mitte. Es wird bevorzugt, den Verflüssiger als Temperaturschichtspeicher zu betreiben, derart, dass die Wärmepumpe und insbesondere der Verdichter nicht ununterbrochen laufen muss, sondern nur dann laufen muss, wenn Be- darf existiert, wie es für normale Heizungsanlagen, die z.B. mit einem ölbrenner arbeiten, ebenfalls der Fall ist.The flow velocity at the edge of the expander, that is, where the arrow 218 is indicated, is substantially lower than in the middle. It is preferred to operate the condenser as a temperature-layer store, such that the heat pump and in particular the compressor do not have to run continuously, but only have to run when may exist, as it is for normal heating systems, for example, work with an oil burner, also the case.
Fig. 8c zeigt eine weitere bevorzugte Implementierung des Verflüssigers in schematischer Form. Insbesondere umfasst der Verflüssiger einen Gasabscheider 220, der mit dem Gasvolumen 182 im Verflüssiger gekoppelt ist. Im Verflüssiger entstehendes Gas, wie beispielsweise Sauerstoff oder ein anderes Gas, das im Verflüssiger ausgasen kann, sammelt sich in dem Gasabscheider-Behälter 220 an. Dieses Gas kann dann durch Betätigung einer Pumpe 222 vorzugsweise in bestimmten Abständen, da eine dauernde Gasabpumpung aufgrund der geringen entstehenden Gasmenge nicht nötig ist, zur Atmosphäre gepumpt werden. Alternativ kann das Gas auch wie- der in den Rücklauf 112 bzw. 113 von Fig. 7 angedockt werden, so dass das Gas wieder zusammen mit dem rücklaufenden Grundwasser zurück in das Grundwasser-Reservoir gebracht wird, wo es dann wieder im Grundwasser gelöst ist, oder dann, wenn es in das Grundwasserreservoir eintritt, dort in die Atmosphäre übergeht.Fig. 8c shows a further preferred implementation of the condenser in schematic form. In particular, the condenser comprises a gas separator 220, which is coupled to the gas volume 182 in the condenser. Gas generated in the condenser, such as oxygen or another gas which may outgas in the condenser, accumulates in the gas separator vessel 220. This gas can then be pumped to the atmosphere by operating a pump 222, preferably at certain intervals, since continuous gas pumping is not necessary due to the small amount of gas produced. Alternatively, the gas can also be docked in the return 112 or 113 of FIG. 7, so that the gas is returned together with the returning groundwater back into the groundwater reservoir, where it is then dissolved again in the groundwater, or when it enters the groundwater reservoir, where it goes into the atmosphere.
Nachdem das erfindungsgemäße System mit Wasser arbeitet, entstehen selbst bei starker Ausgasung keine Gase, die nicht bereits vorher im Grundwasser gelöst waren, so dass das abgeschiedene Gas keinerlei Umweltproblematik in sich birgt. Wieder wird betont, dass aufgrund des erfindungsgemäßen Strömungsmaschine-Verdichtens und des Verwendens von Wasser als Arbeitsflüssigkeit an keiner Stelle Kontaminationen bzw. Verschmutzungen durch ein synthetisches Kältemit- tel oder durch ein öl aufgrund eines ölkreislaufs auftreten. Das erfindungsgemäße System hat an jeder Stelle als Arbeitsmedium Wasser oder Dampf, welches wenigstens so sauber wie das ursprüngliche Grundwasser ist, oder sogar aufgrund der Verdampfung im Verdampfer noch sauberer als das Grundwasser ist, da es sich um destilliertes Wasser handelt, wenn der komprimierte Dampf im Verflüssiger wieder verflüssigt worden ist. Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 9a eine bevorzugte Ausführungsform des Verdampfers dargestellt, um den Verflüssiger-Ablauf vorteilhafterweise zum Beschleunigen des Verdampfungsvorgangs einzusetzen. Hierzu wird der Ab- lauf, der ja auf Heizungs-Rücklauf-Temperatur ist, also eine viel höhere Temperatur hat als das aus der Erde geförderte Grundwasser, durch den Aufweiter 108 des Verdampfers hindurchgeführt, so dass die Wand des Ablauf-Rohrs 204 als Keim für eine Blasensiedung wirkt. Damit wird wesentlich effizienter Dampf durch den Verdampfer erzeugt als wenn keine solche Keimwirkung vorgesehen wird. Ferner wird es bevorzugt, wenigstens im Aufweiter die Wand des Ablaufrohrs 204 möglichst strukturiert zu gestalten, wie es bei 206 dargestellt ist, um die Keimbildung für die Blasensiedung noch zu verbessern. Je rauer die Oberfläche des Ablaufrohrs 204 ist, umso mehr Keime werden für die Blasensiedung erzeugt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Durchlauf durch das Ablaufrohr 22 nur sehr gering ist, da es sich hier nur um die 4 ml pro Sekunde handelt, die in einem Betriebsmodus dem Verflüssiger zugefügt werden. Dennoch kann bereits mit dieser kleiner Menge und aufgrund der im Vergleich zum Grundwasser relativ hohen Temperatur die wesentlich effizientere Blasensiedung herbeigeführt werden, um bei gleicher Effizienz der Wärmepumpe die Größe des Verdampfers zu reduzieren.After the system of the invention works with water, even with strong outgassing no gases that were not previously solved in the groundwater, so that the separated gas has no environmental problems in itself. Again, it is emphasized that due to the turbomachinery compaction according to the invention and the use of water as the working fluid at any point contamination or contamination by a synthetic refrigerant or by an oil due to an oil circuit occur. The system according to the invention has at each point as a working medium water or steam, which is at least as clean as the original groundwater, or even cleaner because of the evaporation in the evaporator than the groundwater, since it is distilled water when the compressed steam in Condenser has been re-liquefied. Referring now to Figure 9a, there is shown a preferred embodiment of the evaporator for advantageously utilizing the condenser flow to accelerate the vaporization process. For this purpose, the effluent, which is at a heating-return temperature, that is to say a much higher temperature than the groundwater extracted from the earth, is passed through the expander 108 of the evaporator, so that the wall of the drainage tube 204 acts as a germ acts for a bubble boiling. This is much more efficient steam generated by the evaporator than if no such germination is provided. Furthermore, it is preferred to make the wall of the drainage pipe 204 as structured as possible, at least in the expander, as shown at 206, in order to further improve nucleation for the bubble boiling. The rougher the surface of the downcomer 204 is, the more nuclei are created for the bubbling. It should be noted that the passage through the drainpipe 22 is only very small, as it is only 4 ml per second added to the condenser in one operating mode. Nevertheless, even with this small amount and due to the relatively high temperature compared to the groundwater, the much more efficient bubble boiling can be brought about in order to reduce the size of the evaporator with the same efficiency of the heat pump.
Zur Beschleunigung des Verdampfungsvorgangs kann alternativ oder zusätzlich auch ein Bereich des Verdampfers, auf dem sich zu verdampfendes Wasser befindet, also die Oberfläche des Aufweiters oder ein Teil davon, aus einem rauen Material ausgeführt sein, um Keime für die Blasensiedung zu liefern. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein raues Gitter (nahe) unter der Wasseroberfläche des zu verdampfenden Wassers angeordnet werden.To accelerate the evaporation process, alternatively or additionally, a region of the evaporator on which water to be evaporated is located, that is to say the surface of the expander or a part thereof, may be made of a rough material in order to supply nuclei for nucleate boiling. Alternatively or additionally, a rough grid (near) can be arranged below the water surface of the water to be evaporated.
Fig. 9b zeigt eine alternative Implementierung des Verdampfers. Während der Ablauf in Fig. 9a lediglich als „Durch- lauf"-Unterstützung der Blasenbildung zum effizienten Ver- dampfen eingesetzt worden ist und, wie es in Fig. 9a links im Bild gezeigt ist, dann, wenn er den Verdampfer durchlaufen hat, abgeführt wird, wird der Ablauf in Fig. 9b selbst dazu verwendet, die Blasenbildung zu verstärken. Hierzu wird der Verflüssiger-Ablauf 22 von Fig. 7 gegebenenfalls über eine Pumpe 192 oder, wenn es die Verhältnisse zulassen, ohne Pumpe, mit einem Düsenrohr 230 verbunden, das an einem Ende einen Abschluss 232 hat, und das Düsenöffnungen 234 aufweist. Das warme Verflüssiger-Wasser, das aus dem Verflüssiger über den Ablauf 22 mit einer Rate von beispielsweise 4 ml pro Sekunde abgeführt wird, wird nunmehr in den Verdampfer eingespeist. Es wird auf seinem Weg zu einer Düsenöffnung 234 in dem Düsenrohr 230 oder unmittelbar am Austritt an einer Düse aufgrund des für die Tempera- tur des Ablaufwassers zu geringen Drucks bereits gewissermaßen unter der Wasseroberfläche des Verdampfer-Wassers verdampfen.Fig. 9b shows an alternative implementation of the evaporator. While the process in FIG. 9a is merely a "through" support for bubble formation for efficient 9b is used and, as shown in Fig. 9a on the left in the picture, then, when it has passed through the evaporator, is discharged, the process in Fig. 9b itself is used to enhance the formation of bubbles. For this purpose, the condenser outlet 22 of FIG. 7 is optionally connected via a pump 192 or, if conditions permit, without a pump, to a nozzle tube 230 having an end 232 at one end and nozzle openings 234. The warm condenser water, which is discharged from the condenser via the drain 22 at a rate of, for example, 4 ml per second, is now fed to the evaporator. On its way to a nozzle opening 234 in the nozzle tube 230 or directly at the exit from a nozzle, it will evaporate to a certain extent below the water surface of the evaporator water due to the pressure which is too low for the temperature of the discharge water.
Die dort entstehenden Dampfblasen werden unmittelbar als Siede-Keime für das Verdampfer-Wasser, das über den Zulauf 102 gefördert wird, wirken. Damit kann ohne größere zusätzliche Maßnahmen eine effiziente Blasensiedung im Verdampfer getriggert werden, wobei diese Triggerung ähnlich zu Fig. 9a aufgrund der Tatsache existiert, dass die Temperatur in der Nähe des rauen Bereichs 206 in Fig. 9a bzw. in der Nähe einer Düsenöffnung 234 bereits so hoch ist, dass bei dem vorliegenden Druck unmittelbar eine Verdampfung stattfindet. Diese Verdampfung erzwingt die Erzeugung eines Dampfbläschens, das dann, wenn die Verhältnisse vorteilhaft ge- wählt sind, eine sehr große Wahrscheinlichkeit hat, dass es nicht wieder zusammenfällt, sondern dass es sich zu einer bis zur Oberfläche gehenden Dampfblase entwickelt, die dann, sobald sie in das Dampfvolumen in der Verdampfungskammer eingetreten ist, über das Saugrohr 12 vom Verdichter abgesaugt wird.The resulting vapor bubbles are directly as boiling nuclei for the evaporator water, which is conveyed via the inlet 102, act. Thus, efficient bubble boiling in the evaporator can be triggered without major additional measures, such triggering being similar to FIG. 9a due to the fact that the temperature near the rough area 206 in FIG. 9a or in the vicinity of a nozzle opening 234 already is so high that immediately takes place at the present pressure evaporation. This evaporation forces the creation of a vapor bubble, which, if the conditions are favorably chosen, has a very high probability that it will not collapse again, but that it will develop into a surface-going vapor bubble which, as soon as it does has entered the vapor volume in the evaporation chamber is sucked through the suction pipe 12 from the compressor.
Das in Fig. 9b gezeigte Ausführungsbeispiel erfordert es, dass Verflüssiger-Wasser in den Grundwasser-Kreislauf ge- bracht wird, da das aus dem Düsenrohr 230 austretende Medium letztendlich über den Überlauf des Verdampfers wieder in den Rücklauf 112 eintritt und damit mit dem Grundwasser in Verbindung gebracht wird.The exemplary embodiment shown in FIG. 9b requires that condenser water enter the groundwater circuit. is brought, since the emerging from the nozzle tube 230 medium finally enters the overflow of the evaporator in the return 112 and is thus brought into contact with the groundwater.
Existieren wasserrechtliche Auflagen oder sonstige Gründe, dass dies nicht zulässig ist, so kann das in Fig. 9c gezeigte Ausführungsbeispiel eingesetzt werden. Hier wird das vom Verflüssiger-Ablauf 22 gelieferte warme Verflüssiger- Wasser beispielsweise mit einer Rate von 4 ml pro Sekunde in einen Wärmetauscher 236 eingeführt, um seine Wärme an ein Grundwasser abzugeben, das von dem Haupt- Grundwasserstrom in der Leitung 102 über eine Zweigleitung 238 und eine Abzweigpumpe 240 abgezweigt worden ist. Das abgezweigte Grundwasser nimmt dann im Wesentlichen die Wärme des Verflüssiger-Ablaufs innerhalb des Wärmetauschers 236 ab, so dass vorgewärmtes Grundwasser beispielsweise bei einer Temperatur von 330C in das Düsenrohr 230 eingebracht wird, um durch die im Vergleich zum Grundwasser hohen Tem- peratur die Blasensiedung im Verdampfer wirksam zu triggern bzw. zu unterstützen. Dagegen liefert der Wärmetauscher ü- ber eine Ablaufleitung 238 relativ stark abgekühltes Ablaufwasser, das dann über eine Ablaufpumpe 240 der Kanalisation zugeführt wird. Aufgrund der Kombination aus Ab- Zweigleitung 238 und Abzweigpumpe 240 und Wärmetauscher 236 wird im Verdampfer nur Grundwasser verwendet bzw. eingebracht, ohne dass es mit einem anderen Medium in Berührung war. Eine wasserrechtliche Relevanz existiert somit bei dem in Fig. 9c gezeigten Ausführungsbeispiel nicht.If water-legal conditions or other reasons exist that this is not permissible, then the exemplary embodiment shown in FIG. 9c can be used. Here, the warm condenser water supplied from the condenser outlet 22 is introduced, for example, at a rate of 4 ml per second into a heat exchanger 236 to deliver its heat to a groundwater coming from the main groundwater flow in the line 102 via a branch line 238 and a branch pump 240 has been branched off. The branched groundwater then substantially decreases the heat of the condenser outlet within the heat exchanger 236, so that preheated groundwater, for example, at a temperature of 33 0 C is introduced into the nozzle tube 230 in order by the high temperature compared to the groundwater Bubble boiling in the evaporator to effectively trigger or support. By contrast, the heat exchanger delivers via a drain line 238 relatively strongly cooled waste water, which is then fed via a drain pump 240 of the sewer. Due to the combination of branch line 238 and branch pump 240 and heat exchanger 236, only groundwater is used or introduced in the evaporator without it being in contact with another medium. A relevance under water law thus does not exist in the exemplary embodiment shown in FIG. 9c.
Fig. 9d zeigt eine alternative Implementierung des Verdampfers mit Randspeisung. Hier ist, im Gegensatz zu Fig. 7, der Aufweiter 200 des Verdampfers unterhalb des Wasserspiegels 110 im Verdampfer angeordnet. Dies führt dazu, dass Wasser „von außen" in die Mitte des Aufweiters fließt, um dann in einer Mittelleitung 112 zurückgeführt zu werden. Während die Mittelleitung in Fig. 7 zur Speisung des Verdampfers gedient hat, dient sie in Fig. 9d nunmehr zum Ab- leiten des nicht verdampften Grundwassers. Dagegen hat die in Fig. 7 gezeigte Leitung 112 zur Abfuhr von nicht verdampftem Grundwasser gedient. In Fig. 9d fungiert diese Leitung am Rand dagegen als Grundwasserzuführung.Figure 9d shows an alternative implementation of the edge feed vaporizer. Here, in contrast to FIG. 7, the expander 200 of the evaporator is arranged below the water level 110 in the evaporator. This results in water flowing "from the outside" into the center of the expander, to then be returned to a central conduit 112. While the central conduit in Fig. 7 has served to feed the evaporator, it now serves in Fig. 9d - direct the unevaporated groundwater. In contrast, the conduit 112 shown in Fig. 7 has been used to remove unevaporated groundwater. In contrast, in FIG. 9d, this line at the edge acts as a groundwater supply.
Fig. 9e zeigt eine bevorzugte Implementierung des Aufweiters 200, wie er im Verdampfer eingesetzt werden kann, oder des Aufweiters, wie er z.B. auch im Verflüssiger eingesetzt werden kann, und wie er beispielsweise in Fig. 7 oder Fig. 8a bzw. 3b gezeigt ist. Der Aufweiter ist derart vorzugsweise ausgeführt, dass sein kleiner Durchmesser vorzugsweise in der Mitte der „großen" Aufweiter-Fläche in den Aufweiter eintritt. Dieser Durchmesser dieses Zulaufs bzw. Ablaufs (in Fig. 9d) liegt vorzugsweise zwischen 3 und 10 cm und bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen zwischen 4 und 6 cm.Fig. 9e shows a preferred implementation of the expander 200 as it can be used in the evaporator or the expander as e.g. can also be used in the condenser, and as shown for example in Fig. 7 or Fig. 8a and 3b. The expander is preferably designed such that its small diameter preferably enters the expander at the center of the "large" expander surface. This diameter of this inlet (in Fig. 9d) is preferably between 3 and 10 cm and especially preferred embodiments between 4 and 6 cm.
Der große Durchmesser d2 des Aufweiters liegt bei bevorzugten Ausführungsbeispielen zwischen 15 und 100 cm und ist bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen kleiner als 25 cm. Die kleine Ausführung des Verdampfers ist möglich, wenn effiziente Maßnahmen zur Triggerung und Unterstützung der Blasensiedung eingesetzt werden, wie sie vorstehend erläutert worden sind. Zwischen dem kleinen Radius di und dem großen Radius d befindet sich ein Krümmungsbereich des Aufweiters, der vorzugsweise so gestaltet ist, dass sich in diesem Bereich eine laminare Strömung ergibt, die von einer schnellen Flussrate, für vorzugsweise im Bereich von 7 bis 40 cm pro Sekunde liegt, auf eine relativ kleine Flussrate am Rand des Aufweiters abgesenkt wird. Starke Diskontinuitäten der Flussrate, wie beispielsweise Wirbel im Bereich der Krümmungslinie oder „Sprudeleffekte" oberhalb des Zulaufs, wenn von oben auf den Aufweiter gesehen wird, werden vorzugsweise vermieden, da sie gegebenenfalls Wirkungsgrad- beeinträchtigend sein können.The large diameter d 2 of the expander is in preferred embodiments between 15 and 100 cm and is smaller than 25 cm in particularly preferred embodiments. The small version of the evaporator is possible when efficient measures for triggering and supporting the bubble boiling are used, as explained above. Between the small radius di and the large radius d Σ there is a curvature region of the expander, which is preferably designed to give a laminar flow in this region which is of a fast flow rate, preferably in the range of 7 to 40 cm per Second is lowered to a relatively small flow rate at the edge of the expander. Strong flow rate discontinuities, such as eddies in the area of the line of curvature or "bubbling" above the inlet when viewed from the top of the expander, are preferably avoided as they may be detrimental to efficiency.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen hat der Aufweiter eine Form, die dazu führt, dass die Höhe des Was- serstands über der Aufweiter-Oberfläche kleiner als 15 mm ist und vorzugsweise zwischen 1 und 5 mm liegt. Es wird daher bevorzugt, einen Aufweiter 200 einzusetzen, der so ausgebildet ist, dass in mehr als 50 % der Fläche des Aufwei- ters, wenn derselbe von oben betrachtet wird, eine Wasserhöhe existiert, die kleiner als 15 nun ist. Damit kann über dem gesamten Bereich eine effiziente Verdampfung sichergestellt werden, die im Hinblick auf ihre Effizienz noch besonders erhöht wird, wenn Maßnahmen zur Triggerung der BIa- sensiedung eingesetzt werden.In particularly preferred embodiments, the expander has a shape which results in the height of the water is above the Aufweiter surface smaller than 15 mm, and preferably between 1 and 5 mm. It is therefore preferred to use an expander 200 which is designed such that in more than 50% of the area of the expander, when viewed from above, there is a water level which is less than 15 mm. This ensures efficient evaporation over the entire area, which, in view of its efficiency, is particularly enhanced when measures are taken to trigger BIAS boiling.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpe dient somit zur effizienten Wärmeversorgung von Gebäuden und benötigt kein Arbeitsmittel mehr, das einen Weltklima-schädigenden Einfluss hat. Erfindungsgemäß wird Wasser unter sehr geringem Druck verdampft, durch eine oder mehrere hintereinander angeordnete Strömungsmaschinen verdichtet und wieder verflüssigt zu Wasser. Die transportiere Energie wird zum Heizen benutzt. Erfindungsgemäß wird eine Wärmepumpe verwendet, die bevor- zugt ein offenes System darstellt. Offenes System bedeutet hier, dass Grundwasser oder ein anderes verfügbares Wärmeenergie-tragendes wässriges Medium unter geringem Druck verdampft, verdichtet und verflüssigt wird. Das Wasser wird direkt als Arbeitsmittel verwendet. Die enthaltene Energie wird also nicht an ein geschlossenes System übertragen. Das verflüssigte Wasser wird vorzugsweise direkt im Heizungssystem verwendet und anschließend dem Grundwasser wieder zugeführt. Um das Heizsystem kapazitiv zu entkoppeln, kann es ebenso über einen Wärmetauscher abgeschlossen werden.The heat pump according to the invention thus serves for efficient heat supply of buildings and no longer requires working equipment that has a global climate-damaging influence. According to the invention, water is evaporated under very low pressure, compressed by one or more turbomachines arranged one behind the other and liquefied again into water. The transporting energy is used for heating. According to the invention, a heat pump is used, which is preferably an open system. Open system here means that groundwater or other available thermal energy-carrying aqueous medium is evaporated, compacted and liquefied under low pressure. 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.
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 elektri- scher Strom für den Betrieb der Strömungsmaschine aufgewendet 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 Übergangstemperaturen wie im März oder Ende Oktober der Wirkungsgrad bis auf einen Wert größer 12 steigen kann, so dass im Mittel über das Jahr maximal ein Achtel aufgewendet werden muss.The efficiency and usefulness of the present invention will be illustrated by way of a numerical example. If an annual heat requirement of 30,000 kWh is assumed, according to the invention about a maximum of 3750 kWh of electric current must be expended for the operation of the turbomachine since the turbomachine only has to supply about one-eighth of the total heat requirement. The eighth comes from the fact that only in the most extreme cold a sixth must be spent, and z. B. at transition temperatures such as in March or the end of October, the efficiency can rise to a value greater than 12, so that a maximum of one-eighth must be spent on average over the year.
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 ölkσsten, die in Zukunft sehr wahrscheinlich nicht fallen werden, einem Preis von 2800 Euro entsprechen würde. Erfindungsgemäß kann man daher pro Jahr 2425 Euro einsparen! Ferner sei auch darauf hingewiesen, dass im Vergleich zur Verbrennung von öl oder Gas zu Zwecken der Heizung durch das erfindungsgemäße Konzept bis zu 70 % der Menge an freigesetztem CO2 eingespart wird.With electricity costs of about 10 cents per kWh, which can be achieved for electricity when electricity is purchased, for which the power plant does not have to guarantee freedom of interruption, this corresponds to an annual cost of about 375 euros. If you want to produce 30,000 kWh with oil, you would need about 4000 1, which would correspond to a current cost of oil, which is unlikely to fall in the future, a price of 2800 €. According to the invention, one can therefore save 2425 euros per year! It should also be noted that compared to the combustion of oil or gas for purposes of heating by the inventive concept, up to 70% of the amount of released CO 2 is saved.
Zur Reduktion der Herstellungskosten und auch zur Reduktion der Wartungs- und Montagekosten wird es bevorzugt, die Gehäuse des Verdampfers, des Verdichters und/oder des Verflüssigers und auch besonders das Radialrad der Strö- mungsmaschine aus Kunststoff und insbesondere aus Spritz- guss-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.In order to reduce the production costs and also to reduce the maintenance and assembly costs, it is preferred to design the housings of the evaporator, the compressor and / or the condenser and also, in particular, 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. Furthermore, 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, the use of expensive special plastics, metal or ceramic would require. By plastic injection molding, the shape of the radial wheel can be arbitrarily optimized and yet easily and inexpensively manufactured in spite of complicated shape.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD, mit elektro- nisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm- Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicher- tera Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft. Depending on the circumstances, the method according to the invention can be implemented in hardware or in software. The implementation can be carried out on a digital storage medium, in particular a floppy disk or CD, with electronically readable control signals which can interact with a programmable computer system in such a way that the corresponding method is carried out. In general, the invention thus also consists in a computer program product with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention, when the computer program product runs on a computer. In other words, the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Claims

Patentansprüche claims
1. Lager zum rotatorischen Lagern eines Rotors (500) an einem Stator (502), wobei das Lager eine Ruheposition, in der der Rotor und der Stator sich berühren, und eine Arbeitsposition aufweist, in der sich der Rotor und der Stator nicht berühren, mit folgenden Merkmalen:A bearing for rotatably supporting a rotor (500) on a stator (502), the bearing having a rest position in which the rotor and the stator are in contact, and a working position in which the rotor and the stator are not in contact, with the following features:
einem Betätiger (512) zum Bewegen des Rotors oder Sta- tors aus der Ruheposition in die Arbeitsposition ansprechend auf eine Steuersignal (514); undan actuator (512) for moving the rotor or stator from the rest position to the working position in response to a control signal (514); and
einer Steuerungseinrichtung (516) zum Liefern des Steuersignals (514), wobei die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, um das Steuersignal (514) an dem Betätiger zu liefern, das bewirkt,control means (516) for providing the control signal (514), the control means being adapted to supply the control signal (514) to the actuator which causes
dass der Betätiger (512) in einer Beschleunigungsphase (532) den Rotor oder Stator von der Ruheposition in Richtung der Arbeitsposition beschleunigt, undin an acceleration phase (532) the actuator (512) accelerates the rotor or stator from the rest position towards the working position, and
dass der Betätiger (512) in einer Bremsphase (534) abgebremst wird, wobei sich der Rotor oder Stator aufgrund seiner Masse von einer Berührung mit dem Betätiger (512), dem Rotor bzw. dem Stator löst, undthat the actuator (512) is decelerated in a braking phase (534), wherein the rotor or stator detaches from contact with the actuator (512), the rotor or the stator due to its mass, and
wobei die Steuerungseinrichtung (516) ferner ausgebil- det ist, um ein solches Steuersignal an den Betätiger zu liefern, das der Rotor oder Stator so stark beschleunigt wird, dass die Arbeitsposition erreicht wird.wherein the control means (516) is further adapted to provide such a control signal to the actuator that the rotor or stator is accelerated so much that the working position is reached.
2. Lager nach Anspruch 1, bei der die Ruheposition stabil ist, und bei der die Arbeitsposition metastabil ist, wobei die Steuerungseinrichtung (516) ferner folgendes Merkmal aufweist: einen Regler (517) zum Erfassen einer Ist-Position des Rotors bezüglich des Stators oder einer Ist- Positionsänderung des Rotors bezüglich des Stators, um einen Ist-Wert zu erhalten und zum Bewegen des Rotors oder Stators so, dass die Ist-Position des Rotors bezüglich des Stators sich an eine Soll-Position des Rotors bezüglich des Stators bei der Arbeitsposition annähert oder dass die Ist-Positionsänderung sich einem Null-Wert zumindest annähert.A bearing according to claim 1, wherein the rest position is stable and the working position is metastable, the control means (516) further comprising a controller (517) for detecting an actual position of the rotor with respect to the stator or an actual position change of the rotor with respect to the stator to obtain an actual value and for moving the rotor or stator such that the actual position of the rotor with respect to the stator approaches a target position of the rotor with respect to the stator at the working position or that the actual position change approaches a zero value at least.
3. Lager nach Anspruch 2, bei der das Lager so ausgebildet ist, dass es in der Arbeitsposition radial bezüglich einer Drehachse (506) des Rotors (500) stabil ist, und in der Arbeitsposition axial bezüglich der Drehachse (506) metastabil ist.3. A bearing according to claim 2, wherein the bearing is formed so that it is stable in the working position radially with respect to a rotational axis (506) of the rotor (500), and in the working position axially with respect to the axis of rotation (506) is metastable.
4. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Rotor (500) in der Ruheposition an wenigstens ei- ner Auflagestelle (510) an dem Stator (502) anliegt, und bei dem der Rotor (500) in der Arbeitsposition durch einen Spalt (504) von dem Stator (502) getrennt ist, wobei der Betätiger (512) an dem Stator (502, 560) mechanisch befestigt ist und an dem Rotor (500) mechanisch nicht befestigt ist.4. Bearing according to one of the preceding claims, wherein the rotor (500) in the rest position at at least one contact point (510) on the stator (502) is applied, and wherein the rotor (500) in the working position through a gap (504) is separated from the stator (502), wherein the actuator (512) is mechanically fixed to the stator (502, 560) and is not mechanically fixed to the rotor (500).
5. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Rotor (500) einen Lagerabschnitt (562) hat, und bei dem der Stator (502) einen Lagerabschnitt (560) hat, wobei eine Masse des Lagerabschnitts des Stators kleiner als eine Masse des Rotors (500) ist.5. Bearing according to one of the preceding claims, wherein the rotor (500) has a bearing portion (562), and wherein the stator (502) has a bearing portion (560), wherein a mass of the bearing portion of the stator is smaller than a mass of the Rotor (500) is.
6. Lager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Betätiger (512) mit dem Stator (502) mechanisch ver- bunden ist, um dem Stator in der Beschleunigungsphase zu beschleunigen und der Bremsphase abzubremsen, so dass sich der Rotor in der Bremsphase von dem Stator löst. 6. Bearing according to one of claims 1 or 2, wherein the actuator (512) with the stator (502) is mechanically connected to accelerate the stator in the acceleration phase and decelerate the braking phase, so that the rotor in the Braking phase releases from the stator.
7. Lager nach Anspruch 2,7. Bearing according to claim 2,
bei dem der Betätiger (512) mit dem Stator (502) me- chanisch verbunden ist, undin which the actuator (512) is mechanically connected to the stator (502), and
bei dem der Regler (517) ausgebildet ist, um dem Stator (502) zu bewegen, um die Ist-Position des Rotors bezüglich des Stators and die Soll-Position des Rotors bezüglich des Stators anzunähern.wherein the controller (517) is adapted to move the stator (502) to approximate the actual position of the rotor with respect to the stator and the desired position of the rotor with respect to the stator.
8. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Magnetlager ausgebildet ist, das einen Rotor- Lagerabschnitt (560) mit einer Anzahl von axial ange- ordneten magnetischen Ringen (560a, 560b, 560c, 56Od) und einen Stator-Lagerabschnitt (560) mit einer Anzahl von axial angeordneten magnetischen Ringen (560a, 560b, 560c, 56Od) aufweist, wobei die Anzahl sowohl für den Rotor-Lagerabschnitt als auch für den Stator- Lagerabschnitt größer oder gleich 1 ist, wobei die Lagerabschnitte (560, 562) so zueinander angeordnet sind, dass sich in der Arbeitsposition gegenüberliegende Ringe magnetisch stärker abstoßen als in der Ruheposition, und wobei in der Ruheposition sich magne- tisch gegenüberliegende Ringe stärker anziehen als in der Arbeitsposition.8. Bearing according to one of the preceding claims, which is designed as a magnetic bearing having a rotor bearing portion (560) with a number of axially disposed magnetic rings (560a, 560b, 560c, 56Od) and a stator bearing portion (560) having a number of axially disposed magnetic rings (560a, 560b, 560c, 56Od), the number being greater than or equal to 1 for both the rotor bearing portion and the stator bearing portion, the bearing portions (560, 562) being so arranged to each other that in the working position opposite rings repel magnetically stronger than in the rest position, and wherein in the rest position magnetically opposite rings attract more than in the working position.
9. Lager nach Anspruch 8, bei dem die magnetischen Ringe permanentmagnetisch sind.9. Bearing according to claim 8, wherein the magnetic rings are permanent magnetic.
10. Lager nach Anspruch 4, bei dem der Spalt (504) in der Arbeitsposition 0,05 bis 3,0 mm beträgt.10. Bearing according to claim 4, wherein the gap (504) in the working position 0.05 to 3.0 mm.
11. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Betätiger (512) eine maximale Hublänge aufweist, die kleiner als eine Strecke ist, um die eine Relativbewegung zwischen dem Rotor und dem Stator auszuführen ist, damit das Lager von der Ruheposition in die Arbeitsposition gebracht wird.A bearing according to any one of the preceding claims, wherein the actuator (512) has a maximum stroke length which is less than a distance to effect relative movement between the rotor and the stator is, so that the bearing is moved from the rest position to the working position.
12. Lager nach Anspruch 11, bei dem der Betätiger (512) eine maximale Hublänge hat, die kleiner als eine halbeThe bearing of claim 11, wherein the actuator (512) has a maximum stroke length that is less than one-half
Strecke ist.Track is.
13. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Betätiger (512) ein piezoelektrischer Linearbetä- tiger ist, der eine Betätigungsrichtung aufweist, wobei der Betätiger so mit dem Stator (502) verbunden ist, das durch eine Betätigung entlang der Betätigungsrichtung eine Bewegung des Stators oder des Rotors parallel zu einer Drehachse des Rotors erreichbar ist.13. A bearing as claimed in any one of the preceding claims, wherein the actuator (512) is a piezoelectric linear actuator having an actuating direction, the actuator being connected to the stator (502) which moves by actuation along the actuating direction of the stator or the rotor is parallel to a rotational axis of the rotor achievable.
14. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Betätiger (512) ausgebildet ist, um abhängig von dem Steuersignal eine Maximalbeschleunigung zu errei- chen, die größer als 150 μm/ms ist.14. Bearing according to one of the preceding claims, wherein the actuator (512) is designed to achieve a maximum acceleration, which is greater than 150 microns / ms depending on the control signal.
15. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beschleunigungsphase und die Bremsphase Teil einer Gesamt-Betatiger-Aktivitätsdauer sind, wobei die Bremsphase kürzer als die Beschleunigungsphase ist.A bearing according to any one of the preceding claims, wherein the acceleration phase and the braking phase are part of a total beta-tiger activity duration, the braking phase being shorter than the acceleration phase.
16. Lager nach Anspruch 15, bei dem ein Anteil der Beschleunigungsphase an der Gesamt-Betätiger- Aktivitätsdauer größer oder gleich 60 % ist.16. A bearing according to claim 15, wherein a portion of the acceleration phase in the total actuator activity duration is greater than or equal to 60%.
17. Lager nach Anspruch 16, bei dem der Rotor (500) und der Betätiger (512) so dimensioniert sind, dass eine Zeitdauer, in der der Rotor nicht mit dem Stator in Berührung ist, wenigstens doppelt so groß ist wie die Gesamt-Betätiger-Aktivitätsdauer.17. A bearing according to claim 16, wherein the rotor (500) and the actuator (512) are dimensioned so that a period of time in which the rotor is not in contact with the stator, at least twice as large as the total actuator -Aktivitätsdauer.
18. Lager nach Anspruch 17, bei der die Steuerungseinrichtung (516) ausgebildet ist, um den Betätiger (512) in einer an die Bremsphase anschließenden Beschleunigungsphase (536) zu beschleunigen, damit der Betätiger mit fallender Geschwindigkeit eine Ausgangsposition erreicht, in der der Betätiger vor einem Start der Be- schleunigungsphase (532) war.18. Bearing according to claim 17, wherein the control means (516) is adapted to the actuator (512) in to accelerate an acceleration phase (536) subsequent to the brake phase to cause the actuator to reach a home position with decreasing speed in which the operator was before a start of the acceleration phase (532).
19. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerungseinrichtung (516) ausgebildet ist, um einen Motor zum Antreiben des Rotors so anzusteuern, dass keine Rotation vor Beginn der Beschleunigungsphase (532) auftritt, und dass eine Rotation erst dann begonnen wird, wenn die Arbeitsposition erreicht ist.19. Bearing according to one of the preceding claims, wherein the control means (516) is adapted to drive a motor for driving the rotor so that no rotation occurs before the beginning of the acceleration phase (532), and that a rotation is only started, when the working position is reached.
20. Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerungseinrichtung (516) ausgebildet ist, um dann, wenn der Rotor in die Ruheposition gehen soll, eine Beschleunigungsphase und eine anschließende Bremsphase (534) durchzuführen, wobei der Betätiger (512) in der Beschleunigungsphase beschleunigt wird und in der Bremsphase abgebremst wird, wobei eine zeitliche Steuerung der Beschleunigungsphase und der Bremsphase so ausgeführt sind, dass der Rotor den Stator in der Bremsphase berührt, und dass der Rotor, während er den Stator berührt, in die Ruheposition ge- bracht wird.A bearing according to any one of the preceding claims, wherein the control means (516) is arranged to perform an acceleration phase and a subsequent braking phase (534) when the rotor is to go to rest, the actuator (512) being in the Acceleration phase is accelerated and braked in the braking phase, with a timing of the acceleration phase and the braking phase are carried out so that the rotor touches the stator in the braking phase, and that the rotor, while it touches the stator, brought into the rest position becomes.
21. Strömungsmaschine mit einem Radialrad, wobei das Radialrad durch ein Lager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 gelagert ist.21 turbomachine with a radial wheel, wherein the radial wheel is supported by a bearing according to one of claims 1 to 20.
22. Verfahren zum Betreiben eines Lagers zum rotatorischen Lagern eines Rotors (500) an einem Stator (502), wobei das Lager eine Ruheposition, in der der Rotor und der Stator sich berühren, und eine Arbeitsposition auf- weist, in der sich der Rotor und der Stator nicht berühren, mit folgenden Schritten: Bewegen (512) des Rotors oder Stators aus der Ruheposition in die Arbeitsposition, wobei in einer Beschleunigungsphase (532) der Rotor oder Stator von der Ruheposition in Richtung der Arbeitsposition beschleu- nigt wird, und wobei in einer Bremsphase (534) ein Betätiger oder der Stator abgebremst wird, wobei sich der Rotor oder Stator aufgrund seiner Masse von einer Berührung mit dem Betätiger (512) , dem Rotor bzw. dem Stator löst, wobei das der Rotor oder Stator in der Beschleunigungsphase so stark beschleunigt werden, dass die Arbeitsposition erreicht wird.22. A method of operating a bearing for rotatably supporting a rotor (500) on a stator (502), the bearing having a rest position in which the rotor and the stator are in contact, and a working position in which the rotor and do not touch the stator, with the following steps: Moving (512) of the rotor or stator from the rest position to the working position, wherein in an acceleration phase (532) the rotor or stator is accelerated from the rest position towards the working position, and wherein in a braking phase (534) an actuator or the Stator is braked, wherein the rotor or stator detaches due to its mass from contact with the actuator (512), the rotor or the stator, wherein the rotor or stator are accelerated in the acceleration phase so strong that the working position is reached ,
23. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 22, wenn das Programm auf einem Computer abläuft. 23. Computer program with a program code for performing the method according to claim 22, when the program runs on a computer.
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