DE102006056799A1

DE102006056799A1 - Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks und Werkstück

Info

Publication number: DE102006056799A1
Application number: DE102006056799A
Authority: DE
Inventors: Holger Sedlak; Oliver Kniffler
Original assignee: Efficient Energy GmbH
Current assignee: Efficient Energy GmbH
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2008-06-05
Also published as: WO2008064796A1

Abstract

Zur schnellen und preisgünstigen Herstellung von Werkstücken mit Magneten werden Permanentmagnete in einer Gussform platziert. Dann wird Verstärkungsmaterial zum Verstärken von einem oder mehreren ausgewählten Bereichen eingebracht. Hierauf wird ein flüssiges Gussmaterial in die Form eingebracht, wobei die Temperatur des flüssigen Gussmaterials unter der Curie-Temperatur der Permanentmagnete ist. Nach Abkühlen des Gussmaterials wird das Werkstück mit den Permanentmagneten und dem gehärteten Gussmaterial aus der Form entnommen. Insbesondere durch Einsatz von Kunststoff und der Kunststoff-Spritzgusstechnik und durch Einsatz von Verstärkungsfasern, die ebenfalls vor dem Spritzen in der Form platziert werden, wird eine preisgünstige Herstellung eines Werkstücks erreicht, das ein Radialrad, eine Welle, einen Motor/Generator-Abschnitt sowie ein Lager und ein Widerlager umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Herstellungsverfahren und insbesondere auf Herstellungsverfahren zum Herstellen von Werkstücken, die Permanentmagnete umfassen, und auf solche Werkstücke.
Insbesondere in Verbindung mit Motoren und Generatoren werden Permanentmagnete eingesetzt. So rotiert beispielsweise ein Permanentmagnet in einem elektrischen Feld und induziert dort eine Spannung, so dass die Rotation des Magneten in dem Feld in eine elektrische Energie umgewandelt wird. Das entgegengesetzte Prinzip, bei dem ein bestimmtes Feld angelegt wird und aufgrund des Feldes ein an einer Welle angebrachter Magnet zu rotieren beginnt, ist als Elektromotorprinzip bekannt. In beiden Fällen wird ein Magnet an einer Welle befestigt. Sowohl bei Generatoren als auch bei Motoren ist die Welle, an der sich die Magnete befinden, mit einem irgendwie gearteten Rad verbunden, wie beispielsweise einem Zahnrad bei einem Motor oder einem Radialrad bei einem Generator bzw. bei einer Turbine, wobei bei dieser Turbine ein strömendes Medium, wie beispielsweise ein dampfförmiges Medium aufgrund seiner Bewegung das Radialrad und die damit verbundene Welle antreibt.
Ein rotierendes Bauglied in einem solchen Motor/Generator, und insbesondere dann, wenn der Motor/Generator in Verbindung mit einem Verdichter von Gasen eingesetzt wird, ist also ein relativ komplizierter Gegenstand, der in seiner Herstellung aufwendig ist. Insbesondere wird bei der Herstellung eines solchen Gegenstands zunächst die Welle typischerweise aus Metall hergestellt, um dann an der Welle die Magnete anzubringen. Ferner wird an der Welle dann ein eigens gefertigtes Rad, wie beispielsweise Radialrad angebracht. Schließlich muss die Welle natürlich auch gelagert werden, so dass an der Welle ferner noch Lagerelemente befestigt werden müssen. Insbesondere bei berührungslosen Lagern, die auch als Magnetlager bezeichnet werden, sind hierfür Permanentmagnete nötig.
Konventionelle Wärmepumpen haben den Nachteil, dass dann, wenn sie auf der Basis eines Kolben-Prinzips arbeiten, inhärente Verluste aufgrund der Tatsache haben, dass der Kolben hin- und herbewegt werden muss. Ferner muss der Kolben geschmiert werden, wobei nicht oder nur schwer verhindert werden kann, dass das Schmiermittel in Kontakt mit dem Arbeitsfluid kommt.
Es wurde herausgefunden, dass der Ersatz einer Kolbenpumpe durch einen Radialverdichter, der z.B. nach dem Turboprinzip arbeitet, einige Vorteile mit sich bringt. Ein entscheidender Vorteil eines solchen Prinzips besteht darin, dass als Arbeitsmittel Wasser verwendet werden kann, wobei dieses Wasser sogar einem offenen Kreislauf entstammen kann. Unabhängig davon ob tatsächlich ein vollständig geschlossener oder ein vollständig offener Kreislauf eingesetzt wird, soll in einer solchen Wasserdampfatmosphäre keine Kontamination des Wasserdampfes bzw. des Wassers mit Schmiermitteln stattfinden. Andererseits soll dann, wenn ein Radialverdichter in einer Wärmekraftmaschine eingesetzt wird, der Wirkungsgrad möglichst hoch sein, so dass für die Lagerung eines Radialrads, das zusätzlich hohe Drehzahlen haben kann, auch möglichst wenig Energie aufgewendet werden soll.
Die Internet-Veröffentlichung „Permanentmagnetische Lager" von Johan K. Fremerey vom November 2000 (die über den Link ww3w.fz-juelich.de/zat/magnet/0b30.pdf zugegriffen werden kann, liefert eine Übersicht über permanentmagnetische Lager, welche zur berührungslosen Lagerung eingesetzt werden können. Insbesondere sind solche Lager verschleiß- und wartungsfrei und sind solche Lager ferner frei von reibungsbedingten Energieverlusten. Die komplette Ausschaltung der lagerbedingten Reibungsverluste kommt bei schnell bewegten Systemen nur unter weitest gehendem Ausschluss der Luftreibung, d.h. unter Vakuumbedingungen, zum tragen. Allerdings ist der Reibungsverlust auch dann, wenn das Lager nicht im Vakuum betrieben wird, wesentlich geringer als bei entsprechenden Berührungs-Lagern, wie beispielsweise Kugellagern, Wälzlagern oder anderen Gleitlagern.
Insbesondere werden permanentmagnetische Lager mit repulsiver Kraftwirkung am Lagerspalt verwendet, wie sie im britischen Patent 642,353 beschrieben sind. Permanentmagnetische Lager weisen sowohl auf Rotor-Seite als auch auf Stator-Seite aneinander angrenzend angeordnete magnetische Ringe auf, die axial magnetisiert sind, so dass oberhalb des Rings z.B. der Nordpol ist und unterhalb des Rings der Südpol ist. Solche Ringe werden aus kristallinem Pulver hergestellt. Das Magnetpulver wird in Gegenwart eines starken Magnetfelds in eine Form gepresst. Dabei richten sich die Kristalle mit ihrer bevorzugten Magnetisierungsachse in Richtung des Magnetfelds aus. Die Presslinge werden anschließend gesintert. Als Material eignet sich Neodym-Eisen-Bor, (NdFeB), welches eine hohe Koerzitivfeldstärke hat. Solche Permanentmagnetringe aus diesem Material können zu vergleichsweise niedrigen Preisen hergestellt werden.
Ein repulsives Lager ist aus mehreren aufeinander gestapelten, axial magnetisierten Ringen am Rotor und am Stator aufgebaut, wobei die Magnetisierungsrichtung benachbarter Ringe innerhalb jedes Stapels entgegengesetzt ist. Die am Lagespalt auf gleicher Höhe gegenüberstehenden Rotor- und Statormagnete sind in der selben Richtung magnetisiert. Damit stehen am Lagerspalt entgegengerichtete Oberflächenströme mit radialabstoßender Wirkung gegenüber, so dass das Lager radial stabil ist.
Solange die Magnetringe des Rotors und des Stators auf gleicher Höhe stehen, sind die repulsiven Kräfte in axialer Richtung ausgeglichen. Beim Verlassen dieser Gleichge wichtsposition kommt die Repulsivkraft aber im zunehmendem Maße genau in der Verschieberichtung zur Wirkung. Das Lager hat die Tendenz, sich aus der instabilen axialen Gleichgewichtsposition und dem Betrag der Höhe eines einzelnen Magnetrings in axialer Richtung zu verschieben. Der um eine Ringhöhe ausgelenkten Position stehen sich entgegengesetzt magnetisierte Ringe am Lagerspalt in gleicher Höhe gegenüber. Das repulsive Lager wandelt sich zu einem radialattraktiven Lager mit radialem Flussverlauf im Lagerspalt und entsprechender Lagerinstabilität. Die axialgerichtete „Ausbrechkraft" wird hier zur Aufnahme des Rotorgewichts genutzt. Eine solche Ausbrechkraft ergibt sich bei einer Verschiebung des Rotors bezüglich des Stators. Zur axialen Verschiebung werden elektrische Stabilisierungsspulen unmittelbar am Umfang der Statormagnete eingesetzt, wobei der Spulenstrom so geregelt wird, dass er den Oberflächenstrom des von der Spule umgebenen Statormagneten und damit dessen Zugkraft abschwächt, wenn der Wellenmagnet sich in Richtung dieses Statormagneten bewegt. Am gegenüberliegenden Statormagneten sorgt die dort angebrachte Spule gleichzeitig für eine Verstärkung des dortigen Oberflächenstroms, so dass dessen Zugkraft ansteigt. Mit Hilfe der Spulen lässt sich somit eine stabile Axialpositionierung einer Welle zwischen den Statormagneten erreichen. Die Stromregelung wird durch einen Sensor kontrolliert, der die axiale Position der Wellenmagnete kontinuierlich misst. Oftmals können die Stabilisierungsspulen selbst als Sensor eingesetzt werden. Sie werden hierzu mit einem Hochfrequenzstrom beauftragt. Durch induzierte Kurzschlussströme an den Stirnseiten der Wellen wird der Hochfrequenzstrom in den Spulen beeinflusst. Bei Annäherung der Welle steigt der Strom in der betreffenden Spule an. Die Ströme beider Spulen werden in einer Differenzschaltung miteinander verglichen. Das Differenzsignal wird gleichgerichtet und dient als Sensorsignal, dessen Polarität und Amplitude eindeutig die Richtung und den Betrag der axialen Wellenauslenkung wiedergeben. Solche permanentmagnetischen Lager werden zur Drehanodenlagerung in einer Röntgenröhre, für eine Spinnzentrifuge, für ein Gasrei bungsvakuummeter, für einen Scheibenchopper für Neutronenstrahlen, für eine Turbomolekularpumpe, für einen Röntgenpulsselektor, für einen Trommelchopper für Neutronenstrahlen, für einen Schwungrad-Energiespeicher oder innerhalb einer Kristallziehanlage eingesetzt.
Wenn man also beispielsweise einen permanentmagnetisch gelagerten Synchronmotor betrachtet, so wird bei dessen Herstellung zunächst die Motorachse gefertigt. Dann wird die Motorachse mit entsprechenden Lagerungen verschraubt oder via Presspassung verbunden. Ausserdem werden Permanentmagneten an der Motorachse angebracht und vielleicht sogar noch mit einem Kohlefaserverbundwerkstoff, der Kohlefaser und Harz aufweist, ummantelt. Die Fertigung einer solchen Motorwelle inklusive Lagerung beinhaltet also sehr viele Einzelschritte, die schlecht automatisierbar sind und die Massenfertigung deutlich verteuern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zum Herstellen eines Werkstücks sowie ein Werkstück zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks gemäß Patentanspruch 1 oder ein Werkstück gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die einzelnen Komponenten, die auf einer Motorwelle nötig sind, in einem Schritt fixiert und gefertigt werden, wodurch Zeit und Herstellungskosten eingespart werden. Insbesondere werden erfindungsgemäß Werkstücke mit Permanentmagneten hergestellt, wobei die Permanentmagnete in einer Gussform platziert werden. Hierauf wird flüssiges Gussmaterial in die Form eingebracht, wobei jedoch darauf geachtet wird, dass die Temperatur des flüssigen Gussmaterials kleiner als die Curie-Temperatur des Permanentmagneten ist. Dieses Kriterium bestimmt die Materialauswahl für das flüssige Gussmaterial, wobei insbesondere flüssiges Kunststoff material bevorzugt wird, und wobei insbesondere das Einbringen des flüssigen Kunststoffmaterials mittels der Kunststoff-Spritzgusstechnik erfolgt. Zu verstärkende Bereiche werden durch Einbringen von Verstärkungsmaterial in die Gussform verstärkt, bevor dann das Material eingegossen wird.
Hierauf wird das flüssige Gussmaterial abgekühlt und das Werkstück, das den Permanentmagneten und das gehärtete Gussmaterial aufweist, wird aus der Gussform entnommen und ggf. weiterverarbeitet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird somit eine Motorwelle samt Lager und Radialrad aus einem hochsteifen Kunststoff in Kunststoff-Spritzgusstechnik hergestellt. Hierbei werden alle benötigten Permanentmagnete innerhalb der Spritzgussform vorplatziert und entsprechend ihrer Belastung mit Kohlefasern verstärkt. Entscheidend ist, dass der eigentliche Gießvorgang unterhalb der Curie-Temperatur des verwendeten permanentmagnetischen Materials stattfindet, was zu einer bestimmten Auswahl von Materialien, vorzugsweise Kunststoffen führt. Durch den Kunststoff in Verbindung mit den Kohlefasern entsteht eine hoch zugfeste und belastbare Schicht in einem Arbeitsgang.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Werkstücks;
2A eine schematische Darstellung eines Verdichters für eine Wärmepumpe mit mehreren hintereinander angeordneten Strömungsmaschinen;
2B eine schematische Darstellung einer Einstellung von Drehzahlen von kaskadierten Strömungsmaschi nen in Abhängigkeit von einer Soll-Temperatur einer Wärmepumpenanlage;
2C eine schematische Draufsicht eines Radialrads einer Strömungsmaschine, wie es bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einstückig mit Welle und Magneten hergestellt wird;
2D eine schematische Querschnittsansicht mit einer lediglich schematischen Darstellung der Radialrad-Schaufeln zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Erstreckung der Schaufeln im Hinblick auf den Radius des Radialrads;
3 eine schematische Darstellung eines aktiv geregelten repulsiven Magnetlagers;
4 eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise eines repulsiven Magnetlagers;
5 eine bevorzugte-Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkstücks mit Radialrad, Motor/Generator-Abschnitt und Widerlager-Abschnitt;
6A eine Prinzipdarstellung einer Wärmepumpe, in der das erfindungsgemäße Werkstück vorteilhaft eingesetzt werden kann;
6B eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und der diesen Drücken zugeordneten Verdampfungstemperaturen für Wasser;
7 ein Blockschaltbild einer Wärmepumpe, die mit Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser oder Sole betrieben wird, in der das erfindungsgemäße Werkstück vorteilhaft eingesetzt werden kann.
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Werkstücks. In einem Schritt 10 wird zunächst wenigstens ein Permanentmagnet in einer Gussform platziert und fixiert. Je nach Bedarf werden weitere ggf. nicht-magnetische z. B. metallische Teile ebenfalls in einer solchen Gussform platziert. Der Permanentmagnet, der in der Gussform platziert worden ist, hat eine Curie-Temperatur, die den Temperaturbereich bestimmt, bis zu dem der Permanentmagnet permanentmagnetisch ist. Wird der Permanentmagnet über diese Curie-Temperatur erwärmt, so verliert er seine magnetischen Eigenschaften.
In einem Schritt 12 werden dann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung spezielle Bereiche durch Einbringen und Fixieren von Fasern in die Gussform verstärkt. Der vorzugsweise eingesetzte Schritt 12 ist besonders dann vorteilhaft, wenn als Gussform eine Kunststoff-Spritzgussform verwendet wird, und wenn als Gussmaterial, das in einem Schritt 14 in die Form eingebracht wird, Kunststoffmaterial verwendet wird. Typischer Kunststoffmaterialien haben bereits als „Füllung" Fasern. Diese Fasern sind jedoch auf eine gewisse relativ kurze Länge begrenzt, damit das flüssige Kunststoffmaterial seine Flusseigenschaften behält. Besonders günstig ist, wenn im Schritt 12 zum Verstärken spezieller Bereiche die selben Fasern, jedoch mit einer größeren Länge eingesetzt werden, wie sie in dem Kunststoff-Spritzgussmaterial ohnehin bereits vorkommen. Dies führt dazu, dass die in die Form eingebrachten Fasern dann aufgrund des Schritts 14 von dem Kunststoff-Spritzgussmaterial, das die kurzen Fasern enthält, umflossen wird. Damit entsteht, wenn in einem Schritt 16 eine Abkühlung der gegossenen Form stattfindet, ein optimaler Verbund zwischen Kunststoff-Spritzgussmaterial und den im Schritt 12 zusätzlich eingebrachten Fasern.
In einem Schritt 14 wird ein solcher Kunststoff verwendet, der bereits bei einer Temperatur flüssig ist, die niedriger ist als die Curie-Temperatur des Magnets. Damit wird sichergestellt, dass der Magnet seine Wirkung nicht durch die Herstellung verliert und beim Herstellen der Welle bzw. allgemein gesagt, des Werkstücks, Schaden erleitet. Daher wird es bevorzugt, die Permanentmagnet-Wahl und die Materialwahl des flüssigen Gussmaterials so durchzuführen, dass zwischen der Fließtemperatur bzw. der Verarbeitungstemperatur des flüssigen Gussmaterials und der Curie-Temperatur ein „Sicherheitsabstand" von wenigstens 10 Kelvin existiert.
Vorzugsweise wird FeNdB als Magnetmaterial verwendet, das als Curie-Temperatur etwa 310°C hat. Ferner wird vorzugsweise als Gussmaterial ein Kunststoffmaterial eingesetzt, das Polyarylamid aufweist, und das bei 260°C bis 280°C gespritzt werden kann.
Dann, in einem Schritt 16 wird das Werkstück aus der Gussform entnommen, nachdem das Gussmaterial abgekühlt ist. Das Werkstück muss vor bei der Entnahme nicht vollständig ausgehärtet sein, sondern es genügt, wenn das Werkstück teilweise ausgehärtet ist, und neben gehärtetem Material auch noch ungehärtetes oder nicht vollständig gehärtetes Material aufweist.
Das Werkstück besteht nun aus abgekühltem Gussmaterial, das wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, der von dem Gussmaterial zumindest teilweise materialschlüssig umgeben ist. Wenn der Gussvorgang korrekt funktioniert hat, ist der Permanentmagnet von dem Gussmaterial also ohne Zwischenräume materialschlüssig von allen Seiten, die die Gussform definiert hat, umgeben und ist somit gut in das Material eingebettet. Aus der Kunststoff-Spritzgusstechnik bekannte Techniken des Verankerns können eingesetzt werden, wobei jedoch bei den erfindungsgemäßen Anwendungen, bei denen rotierende Werkstücke erzeugt werden, die bei hoher Temperatur rotieren, darauf geachtet wird, dass solche Verankerun gen, die dann vom Kunststoff umflossen werden, zu keiner Unwucht der Welle führen.
Erfindungsgemäß wird also durch den Einsatz von Kunststoff ein Kunststoff-Radialrad eines Verdichters einer Wärmepumpe gleich mit auf die Welle gespritzt, und es entsteht eine komplett fertige Motorwelle mit Lagerung und Radialrad, die in nur einem Schritt materialschlüssig hergestellt worden ist, was unmittelbar zu günstigen Herstellungskosten und einem hochqualitativen Produkt führt.
Nachfolgend wird anhand der 2A bis 2D auf ein spezielles Szenario eingegangen, in dem die Motorwelle samt Radialrad und Lagerung vorzugsweise eingesetzt werden kann. Insbesondere wird in den 2C und 2D auf spezielle Ausführungsformen des Radialrads eingegangen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Strömungsmaschine als Radialverdichter mit drehbarem Rad ausgeführt, wobei das Rad ein langsamläufiges Radialrad, ein mittelläufiges Radialrad, ein Halbaxialrad oder ein Axialrad bzw. ein Propeller sein kann, wie es in der Technik bekannt sind. Radialverdichter sind in "Strömungsmaschinen", C. Pfleiderer, H. Petermann, Springer-Verlag, 2005, Seiten 82 und 83 beschrieben. Solche Radialverdichter umfassen somit als drehbares Rad den sog. Mittelläufer, dessen Form von den einzelnen Anforderungen abhängt. Generell können beliebige Strömungsmaschinen eingesetzt werden, wie sie als Turboverdichter, Ventilatoren, Gebläse oder Turbokompressoren bekannt sind.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Radial-Verdichter 16 als mehrere unabhängige Strömungsmaschinen ausgeführt, die zumindest im Hinblick auf ihre Drehzahl unabhängig voneinander gesteuert werden können, so dass zwei Strömungsmaschinen unterschiedliche Drehzahlen haben können. Eine solche Implementierung ist in 2a dargestellt, bei der der Verdichter als Kas kade von n Strömungsmaschinen ausgebildet ist. An beliebigen Stellen nach der ersten Strömungsmaschine wird vorzugsweise einer oder auch mehrere Wärmetauscher beispielsweise zur Brauchwassererwärmung, die mit 170 bezeichnet sind, vorgesehen. Diese Wärmetauscher sind ausgebildet, um das von einer vorherigen Strömungsmaschine 172 erhitzte (und komprimierte) Gas abzukühlen. Hierbei wird die Überhitzungsenthalpie sinnvoll genutzt, um den Wirkungsgrad des gesamten Verdichtungsprozesses zu erhöhen. Das gekühlte Gas wird dann mit einem oder mehreren nachgeschalteten Verdichtern weiter verdichtet oder direkt dem Verflüssiger zugeführt. Es wird Wärme aus dem komprimierten Wasserdampf entnommen, um damit z. B. Brauchwasser auf höhere Temperaturen als z. B. 40°C zu erhitzen. Dies verringert jedoch den Gesamtwirkungsgrad der Wärmepumpe nicht, sondern erhöht ihn sogar noch, da zwei aufeinanderfolgend geschaltete Strömungsmaschinen mit dazwischengeschalteter Gaskühlung mit einer höheren Lebensdauer aufgrund der reduzierten thermischen Beanspruchung und mit weniger Energie den geforderten Gasdruck im Verflüssiger erreichen, als wenn eine einzige Strömungsmaschine ohne Gaskühlung vorhanden sein würde.
Die kaskadierten unabhängig voneinander betriebenen Strömungsmaschinen werden vorzugsweise von einer Steuerung 250 angesteuert, die eingangsseitig eine Soll-Temperatur im Heizkreis sowie gegebenenfalls auch eine Ist-Temperatur im Heizkreis erhält. Abhängig von der gewünschten Soll-Temperatur werden die Drehzahl einer in der Kaskade früher angeordneten Strömungsmaschine, die beispielhaft mit n₁ bezeichnet ist, und die Drehzahl n₂ einer später in der Kaskade angeordneten Strömungsmaschine so geändert, wie es anhand von 2b dargestellt ist. Wird eine höhere Soll-Temperatur in die Steuerung 250 eingegeben, so werden beide Drehzahlen erhöht. Allerdings wird die Drehzahl der früher angeordneten Strömungsmaschine, die mit n₁ in 2b bezeichnet ist, mit einem kleineren Gradienten angehoben als die Drehzahl n₂ einer später in der Kaskade angeordneten Strömungsmaschine. Dies führt dazu, dass dann, wenn das Verhältnis n₂/n₁ der beiden Drehzahlen aufgetragen wird, sich im Diagramm von 2b eine Gerade mit einer positiven Steigung ergibt.
Der Schnittpunkt zwischen den einzeln aufgetragenen Drehzahlen n₁ und n₂ kann an beliebiger Stelle, also an beliebiger Soll-Temperatur erfolgen und kann gegebenenfalls auch nicht erfolgen. Generell wird jedoch bevorzugt, eine in der Kaskade näher am Verflüssiger angeordnete Strömungsmaschine im Hinblick auf ihre Drehzahl stärker anzuheben als eine früher in der Kaskade angeordnete Strömungsmaschine, wenn eine höhere Soll-Temperatur gewünscht wird.
Der Grund hierfür besteht darin, dass die später in der Kaskade angeordnete Strömungsmaschine bereits verdichtetes Gas, das von einer früher in der Kaskade angeordneten Strömungsmaschine verdichtet worden ist, weiterverarbeiten muss. Ferner stellt dies sicher, dass der Schaufelwinkel von Schaufeln eines Radialrads, wie es auch Bezug nehmend auf 2c und 6d erläutert wird, immer möglichst gut bezüglich der Geschwindigkeit des zu verdichtenden Gases steht. So besteht die Einstellung des Schaufelwinkels lediglich in der Optimierung einer möglichst wirbelarmen Kompression des einlaufenden Gases. Die weiteren Parameter der Winkeleinstellung wie Gasdurchsatz und Verdichtungsverhältnis, die sonst einen technischen Kompromiss bei der Wahl des Schaufelwinkels und damit nur bei einer Soll-Temperatur einen optimalen Wirkungsgrad ermöglicht hätten, werden erfindungsgemäß durch die unabhängige Drehzahlregelung auf ihren optimalen Arbeitspunkt gebracht und haben daher keinen Einfluß mehr auf die Wahl des Schaufelwinkels. so ergibt sich trotz eines fest eingestellten Schaufelwinkels immer ein optimaler Wirkungsgrad.
Im Hinblick darauf wird es ferner bevorzugt, dass eine in der Kaskade mehr in Richtung des Verflüssigers angeordnete Strömungsmaschine eine Drehrichtung des Radialrads aufweist, die zu der Drehrichtung eines früher in der Kaskade angeordneten Radialrads entgegengesetzt ist. Damit kann ein nahezu optimaler Eintrittswinkel der Schaufeln beider Radialräder in den Gasstrom erreicht werden, derart, dass ein günstiger Wirkungsgrad der Strömungsmaschinen-Kaskade nicht nur in einem kleinen Soll-Temperaturbereich auftritt, sondern in einem wesentlich größeren Soll-Temperaturbereich zwischen 20 und 50 Grad, was für typische Heizungsanwendungen ein optimaler Bereich ist. Die erfindungsgemäße Drehzahlsteuerung sowie gegebenenfalls die Verwendung von gegenläufigen Radialrädern liefert somit eine optimale Abstimmung zwischen dem variablen Gasstrom bei sich verändernder Soll-Temperatur einerseits und den festen Schaufelwinkeln der Radialräder andererseits.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird zumindest eines oder vorzugsweise sämtliche Radialräder aller Strömungsmaschinen aus Kunststoff mit einer Zugfestigkeit oberhalb 80 MPa hergestellt. Ein bevorzugter Kunststoff hierfür ist Polyamid 6.6 mit eingelegten Karbonfasern. Dieser Kunststoff hat den Vorteil der Zugfestigkeit, so dass Radialräder der Störungsmaschinen aus diesem Kunststoff hergestellt werden können und dennoch mit hohen Drehzahlen betrieben werden können.
Vorzugsweise werden Radialräder erfindungsgemäß eingesetzt, wie sie beispielsweise in 2c bei Bezugszeichen 260 gezeigt sind. 2c zeigt eine schematische Draufsicht eines solchen Radialrads, wobei 2d eine schematische Querschnittsdarstellung eines solchen Radialrads zeigt. Ein Radialrad umfasst, wie es in der Technik bekannt ist, mehrere sich von innen nach außen erstreckende Schaufeln 262. Die Schaufeln erstrecken sich von einem Abstand einer Mittelachse 264, der mit r_W bezeichnet ist, ganz nach außen bezüglich der Achse 264 des Radialrads. Insbesondere umfasst das Radialrad eine Basis 266 sowie einen Deckel 268, der zum Saugrohr oder zu einem Verdichter einer früheren Stufe gerichtet ist. Das Radialrad umfasst eine Ansaugöffnung, die mit r₁ bezeichnet ist, um Gas anzusaugen, wobei dieses Gas vom Radialrad dann seitlich ausgegeben wird, wie es bei 270 in 2d angegeben ist.
Wenn 2c betrachtet wird, so befindet sich das Gas in Drehrichtung vor der Schaufel 262 auf einer relativ höheren Geschwindigkeit, während es hinter der Schaufel 262 auf einer reduzierteren Geschwindigkeit ist. Allerdings wird es für eine hohe Effizienz und einen hohen Wirkungsgrad bevorzugt, dass das Gas überall mit einer möglichst gleichförmigen Geschwindigkeit aus dem Radialrad seitlich, also bei 270 in 2d ausgestoßen wird. Zu diesem Zweck besteht der Wunsch, die Schaufeln 262 möglichst dicht anzubringen.
Eine beliebig dichte Anbringung von sich von innen, also vom Radius r_W nach außen erstreckenden Schaufeln ist jedoch aus technischen Gründen nicht möglich, da dann die Ansaugöffnung mit dem Radius r₁ mehr und mehr blockiert wird.
Erfindungsgemäß wird es daher bevorzugt, Schaufeln 272 bzw. 274 bzw. 276 vorzusehen, die sich weniger lang als die Schaufel 262 erstrecken. Insbesondere erstrecken sich die Schaufeln 272 nicht von r_W bis ganz nach außen, sondern von R₁ nach außen bezüglich des Radialrads, wobei R₁ größer als r_W ist. Analog hierzu erstrecken sich, wie es in 2c beispielhaft gezeigt ist, die Schaufeln 274 lediglich von R₂ nach außen, während sich die Schaufeln 276 lediglich von R₃ nach außen erstrecken, wobei R₂ größer als R₁ und wobei R₃ größer als R₂ ist.
Diese Verhältnisse sind in 2d schematisch dargestellt, wobei eine doppelte Schraffur, beispielsweise im Bereich 278 in 2d angibt, dass sich in diesem Bereich zwei Schaufeln befinden, die sich überdecken und daher durch den doppelt schraffierten Bereich gekennzeichnet sind. So bezeichnet die von links unten nach rechts oben im Bereich 278 gezeigte Schraffur eine Schaufel 262, die sich von r_W bis nach ganz außen erstreckt, während die von links oben nach rechts unten im Bereich 278 erstreckende Schraffur ei ne Schaufel 272 andeutet, die sich lediglich von R₁ bis nach außen bezüglich des Radialrads erstreckt.
Vorzugsweise ist somit zwischen zwei sich tiefer nach innen erstreckenden Schaufeln wenigstens eine Schaufel angeordnet, die sich nicht so weit nach innen erstreckt. Dies führt dazu, dass der Ansaugbereich nicht verstopft wird bzw. Bereiche mit kleinerem Radius nicht zu stark mit Schaufeln belegt werden, während Bereiche mit größerem Radius dichter mit Schaufeln belegt werden, so dass am Ausgang des Radialrads, also dort, wo das komprimierte Gas das Radialrad verlässt, eine möglichst homogene Geschwindigkeitsverteilung des austretenden Gases existiert. Die Geschwindigkeitsverteilung des austretenden Gases ist bei dem erfindungsgemäßen bevorzugten Radialrad in 2c am äußeren Umfang deswegen besonders homogen, da der Abstand von Schaufeln, die das Gas beschleunigen, und aufgrund der „gestapelten" Anordnung der Schaufeln wesentlich kleiner als in einem Fall ist, bei dem z.B. nur die Schaufeln 262 vorhanden sind, welche sich von ganz innen bis ganz außen erstrecken und somit zwangsläufig am äußeren Ende des Radialrads einen sehr großen Abstand aufweisen, der wesentlich größer ist als beim erfindungsgemäßen Radialrad, wie es in 2c dargestellt ist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die relativ aufwendige und komplizierte Form des Radialrads in 2c besonders günstig mit Kunststoff-Spritzguss hergestellt werden kann, wobei insbesondere einfach erreicht werden kann, dass alle Schaufeln, auch die Schaufeln, die sich nicht von ganz innen bis ganz außen erstrecken, also die Schaufeln 272, 274, 276 fest verankert sind, da sie sowohl mit dem Deckel 268 also auf der Basis 266 von 2d verbunden sind. Die Verwendung von Kunststoff insbesondere mit der Kunststoff-Spritzgusstechnik ermöglicht es, beliebige Formen genau und kostengünstig herzustellen, was mit Radialrädern aus Metall nicht ohne weiteres bzw. nur sehr aufwendig oder möglicherweise sogar gar nicht möglich ist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sehr hohe Drehzahlen des Radialrads bevorzugt werden, so dass die auf die Schaufeln wirkenden Beschleunigungen ganz erhebliche Werte annehmen. Aus diesem Grund wird es bevorzugt, dass insbesondere die kürzeren Schaufeln 272, 274, 276 nicht nur mit der Basis, sondern auch mit dem Deckel fest verbunden sind, derart, dass das Radialrad die auftretenden Beschleunigungen ohne weiteres aushalten kann.
In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung von Kunststoff auch aufgrund der überragenden Schlagfestigkeit von Kunststoff günstig ist. So ist nicht immer auszuschließen dass Eiskristalle oder Wassertröpfchen auf das Radialrad zumindest der ersten Verdichterstufe aufschlagen. Aufgrund der hohen Beschleunigungen entstehen hier sehr hohe Aufprallkräfte, die von Kunststoffen mit ausreichender Schlagfestigkeit ohne weiteres ausgehalten werden. Des Weiteren findet die Verflüssigung im Verflüssiger bevorzugt aufgrund des Kavitations-Prinzips statt. Hier fallen Dampfbläschen aufgrund dieses Prinzips in einem Wasservolumen in sich zusammen. Dort entstehen ebenfalls mikroskopisch betrachtet ganz erhebliche Geschwindigkeiten und Kräfte, die auf lange Sicht betrachtet zu Materialermüdungen führen können, welche jedoch dann, wenn ein Kunststoff mit einer ausreichender Schlagfestigkeit eingesetzt wird, leicht beherrschbar sind.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, das Radialrad bzw. die an dem Radialrad angebrachte Welle permanentmagnetisch zu lagern. Nachfolgend wird anhand der 3 und 4 auf Betrieb und Aufbau und insbesondere auf eine aktive Regelung eines solchen Radialrads eingegangen.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei dem ein Permanentmagnetlager mit magnetisierten aufein ander gestapelten Ringen eingesetzt wird. Am Stator 502 ist eine Anzahl von magnetischen Ringen 560a, 560b, 560c, 560d, 560e und 560f befestigt. Ebenfalls sind am Rotor ebenfalls magnetische Ringe 562a, 562b, ..., 562e angebracht. Ferner ist die Steuerung 516 eingangsseitig mit einer Regelungseinrichtung 517 gekoppelt, die auch in 1a gezeigt ist und eine Erfassung des Spalts 504 auf irgend eine bekannte Art und Weise durchführt. Insbesondere wird kapazitiv, induktiv, optisch und auf irgendeine andere Art und Weise entweder direkt oder indirekt über eine Positionsbestimmung des Rotors und/oder des Stators eine Spaltlänge des Spalt 504 erfasst und als Ist-Wert in der Spalterfassungseinrichtung 517 bzw. dem Regler 517 verwendet.
Dort wird der Ist-Wert mit einem Soll-Wert verglichen, um abhängig von dem Soll-Ist-Vergleich ein Regelungssignal zu liefern, das mit irgendeinem bekannten Schleifenfilter gefiltert wird, welches eine gewünschte Frequenzcharakteristik aufweist. Dieses Regelungssignal wird in die Steuerungseinrichtung 516 eingespeist, die dann das Eingangssignal bzw. Steuersignal 514 für den mechanischen Betätiger 512 liefert. Der Betätiger 512 bewirkt ansprechend auf das Steuerungssignal 514 somit eine Verschiebung des Stators bzw. der an dem Stator angebrachten Magnetringe bzw. allgemein des Lagerabschnitts, das mit dem Stator gekoppelt ist, so dass die Relativposition zwischen dem Lagerabschnitt des Stators und dem Lagerabschnitt des Rotors verändert wird.
Diese aktive Regelung des Magnetlagers findet in der Arbeitsposition bzw. im Arbeitsbetrieb des Rotors statt und wird Bezug nehmend auf 4 näher erläutert. 4 zeigt einen Querschnitt durch jeweils drei aufeinander gestapelte Magnetringe, deren Magnetisierung durch Richtungspfeile 564 angezeigt sind, wobei die Pfeilrichtung des Pfeils 564 anzeigt, ob oben oder unten der Nordpol bzw. Südpol des magnetisierten Rings ist. Nachdem sich entgegengesetzt polarisierte Ringe anziehen, existiert eine obere Kraft F_o und eine untere Anziehungskraft F_u, wie sie in 4 ange zeichnet ist. Dann, wenn eine Axialkraft auf den Rotor ausgeübt wird, wenn sich der Rotor also z.B. nach oben bewegt, wird die Kraft F_o größer und wird die Kraft F_u 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 F_o wieder kleiner wird und die Kraft F_u größer wird, derart, dass wieder ein Kräftegleichwicht eingestellt wird. Entsprechende zueinander zugehörige Größen und Tendenzen sind in der in 4 gezeichneten Tabelle dargestellt. Daraus ergibt sich, dass der Stator im Regelungsbereich, der schematisch in 2d bei 544 eingezeichnete ist, ständig etwas nach oben bzw. nach unten bewegt wird, um auf den Rotor wirkenden Axialkräfte zu kompensieren bzw. um das Lager stabil zu halten.
5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiels eines Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung in Form eines Radialrads für den Turboverdichter einschließlich einer einstückig hergestellten Welle samt einem aktiven Lagerabschnitt, einem Widerlagerabschnitt und einem Motor/Generator-Abschnitt, in denen Permanentmagnete eingesetzt werden.
5 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Lagern eines Radialrads für einen Turboverdichter, wie er z.B. im Verdichter 16 von 7 oder in einer Strömungsmaschine 172 bzw. 174 von 11A eingesetzt wird, und wie er in 11C und 11D näher beschrieben ist.
Insbesondere ist an dem Rotor 500 eine Rotorwelle 570 angeordnet, die sich durch eine Bohrung 572 im Stator erstreckt. Das Lager umfasst wieder einen Stator-Lagerabschnitt 560 sowie eine Rotor-Lagerabschnitt 562, wobei sich gleich polarisierte Magnetringe in den beiden La gerabschnitten gegenüberliegen, wenn sich das Lager in der optimal ausgeregelten Lagerposition befindet bzw. wenn keine Axialkraft auf den Rotor 500 wirkt. In 5 ist ferner gezeigt, dass der Betätiger 512 so angeordnet ist, dass er den Stator-Abschnitt 560 mit dem restlichen Stator mechanisch koppelt. Dies hat den Vorteil, dass die Masse, die der Beschleuniger – abgesehen von der Rotormasse – beschleunigen und insbesondere auch wieder abbremsen muss, möglichst klein ist.
Ferner ist in 5 die Druckverteilung eingezeichnet, wenn das Radialrad in der Wärmepumpe von 6A arbeitet. Auf der oberen Seite ist dann ein kleiner Dampfdruck, während auf der unteren Seite ein großer Dampfdruck herrscht. Das bedeutet, dass das Radialrad eine Axialkraft erlebt, die nach oben zum kleinen Druck hin wirkt, so dass aufgrund der Betriebsweise des Radialrads eine Rotorauslenkung nach oben hier stattfindet, die durch eine Statorregelung nach oben zu kompensieren ist.
Der Axialschub ist also nach oben gerichtet. Dieser Axialschub tritt jedoch relativ langsam auf, weshalb ein typischer Piezoring 512 oder ein Piezo-Betätiger in Form mehrerer radial verteilter Stäbe ohne weiteres Schritt halten kann. Die Kraftänderung hat also eine geringere Steigung als der Aktuaktor aushalten kann, indem er auf Zug oder Druck arbeitet. Als Aktuator bzw. Betätiger wird ein piezoelektrischer Betätiger betätigt, der einen scheibenartigen bzw. schichtartigen Aufbau hat, und der typischerweise mit einer gesteuerten Gleichspannung versorgt wird und eine Maximalspannung von z.B. 2kV/mm aushalten kann.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, findet eine Rückführung von der Arbeitsposition in die Ruheposition dahingehend statt, dass, um eine „Abwärtsbewegung" des Rotors zu bewirken, der Stator ausgelenkt wird, um das Lager in das Ungleichgewicht zu bringen. Dann bewegt sich der Rotor gewissermaßen von rechts nach links auf der Bewegungskurve in 2d nach unten, wobei durch die Magnetlagerkräfte und insbesondere durch das immer größer werdende F_u und das immer kleiner werdende F_o von 4 die Bewegung beschleunigt wird. Dann, kurz vor einem „abzufedernden" Aufprall des Rotors auf der Auflagefläche wird der Betätiger in einer Beschleunigungsphase ausgelenkt, um dann abgebremst zu werden. Vorzugsweise nach dem Verstreichen einer kleinen Zeitdauer nach Beginn der Bremsphase wird der Rotor dann mit dem Stator an der Auflagefläche in Berührung kommen also aufgefangen, wobei dieses „Auftreffen" mechanisch unproblematisch ist, da sich zum Zeitpunkt des Auftreffens der Rotor und der Stator aufgrund des Antriebs durch den Betätiger nahezu gleich schnell bewegen bzw. der Stator sich nur etwas langsamer als der Rotor bewegt. Die Bewegungsverhältnisse und insbesondere die Abbremsung in der Bremsphase sind so eingestellt, dass der Rotor dann gewissermaßen sicher „gelandet" wird, und zwar ohne zerstörerische mechanische Beanspruchungen.
Die Welle 570 umfasst als einstückige Anordnung ferner einen Motor/Generator-Abschnitt, in dem wenigstens ein Rotormagnet 580 angeordnet ist. Wenn die Welle eingebaut ist, kooperiert er mit einem wenigstens einem oder mehreren Statorspulen 582, wobei die Statorspulen an einem Stator 583 angebracht sind, der bezüglich der Welle 570 fest ist. Die Welle 570 umfasst ferner einen schematisch gezeichneten Widerlager-Abschnitt 584, der so wie das obere Radialradlager, das aus den Lagerabschnitten 560, 562 gebildet ist, mit Permanentmagnetringen aufgebaut ist, wobei die Welle 570 einen rotierenden Lagerabschnitt 592 aufweist, der einem feststehenden Lagerabschnitt 590 gegenüberliegt, wobei der Lagerabschnitt 590 einem feststehenden Lagerstator 591 zugeordnet ist. Obgleich in 5 für den Widerlagerabschnitt vier aufeinanderliegende Permanentmagnetringe im Querschnitt gezeichnet sind, die vier solchen Ringen des Stators gegenüberliegen, können als Permanentmagnetlager auch mehr oder weniger Ringe eingesetzt werden. Ferner sei darauf hingewiesen, dass es bevorzugt wird, die Welle 570 samt Radialrad und Magnete so zu bauen, dass sie einstückig hergestellt wird, was unmittelbar bedeutet, dass der Stator-Abschnitt 583 für den Motor/Generator-Abschnitt und der Stator-Abschnitt 591 für das Widerlager so konstruktiv ausgelegt sind, dass die komplette Welle eingelegt werden kann und dass dann der Stator um die Welle herum aufgebaut werden kann, beispielsweise durch einen Klappverschluss oder etwas ähnliches. Nachdem sich die Welle sehr schnell dreht, während der Stator sich nicht dreht, sind die Anforderungen an das Material der Welle und die Formschlüssigkeit und andere Eigenschaften der Welle wesentlich höher als die Anforderungen an Präzision und Ausrichtung der feststehenden Teile.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, dreht sich die Welle 570 samt Radialrad und Permanentmagneten sehr schnell. Es wird daher bevorzugt, die Permanentmagnete der Welle so anzuordnen, dass sie dann, wenn sich die Welle dreht, aufgrund der nach außen gerichteten Kraft auf ein Material drücken. Die Permanentmagnete werden somit vorzugsweise, wie es in 5 gezeigt ist, nicht auf der Welle direkt angebracht, sondern auf Auslegerabschnitten 595, 596, womit sichergestellt wird, dass die nach außen gerichtete auf die Permanentmagnete wirkende Kraft von dem Material aufgenommen wird und nicht von dem Magnetring selbst oder von einer Befestigung des Magnetrings an der Welle. Es wird daher bevorzugt, die Auslegerabschnitte 595, 596 und insbesondere deren Verbindung mit der Welle sowie die außen vorhandenen Abschnitte des Rotors zu verstärken, indem in der Kunststoff-Spritzgussform an entsprechenden Stellen Kohlefasern bzw. allgemein gesagt, Fasern, die auch Glasfasern umfassen können, angebracht werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Motor/Generator-Abschnitt so aufgebaut, dass abhängig von dem Phasenwinkel und der entsprechenden Ansteuerung entweder eine Energieerzeugung oder ein Energieverbrauch stattfindet. Bei bestimmten Anwendungen ist die Drehrichtung der Motorwelle für beide Fälle entgegengesetzt. Im Falle einer Energieerzeugung wird der Rotor durch strömenden Dampf angetrieben, während im Falle des Energieverbrauchs der Rotor angetrieben wird, um ein Gas zu verdichten. Im ersten Fall würde eine Wärmepumpe, wie sie nachfolgend noch beschrieben wird, als Kühlung wirken, während im zweiten Fall die Wärmepumpe als Heiz-Wärmepumpe wirken würde.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es insbesondere bei 597 gezeigt ist, wird es bevorzugt, die Permanentmagnetringe bzw. die Permanentmagnete allgemein von möglichst vielen Seiten materialschlüssig mit Kunststoffmaterial zu umgeben, damit sie sicher und auch auf lange Sicht hochqualitativ gelagert sind. Dabei entstehende eckige Formen sind für Kunststoff-Spritzgussanwendungen jedoch kein Problem, da die Spritzgussform nahezu beliebig kompliziert sein kann, da sie nur einmal hergestellt werden muss und sich auch ein gewisser Aufwand für die Kunst-Stoffspritzgussform dann, wenn viele Werkstücke hergestellt werden, ohne weiteres amortisiert.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die 6A, 6B und 7 eine Wärmepumpe beschrieben, in der das erfindungsgemäß hergestellte Werkstück in Form einer Welle samt Radialrad, Motor/Generator-Abschnitt und permanentmagnetischer Lagerung vorzugsweise eingesetzt werden kann.
6a zeigt eine erfindungsgemäße Wärmepumpe, die zunächst einen Wasserverdampfer 10 zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit aufweist, um ausgangsseitig einen Dampf in einer Arbeitsdampfleitung 12 zu erzeugen. Der Verdampfer umfasst einen Verdampfungsraum (in 6a nicht gezeigt) und ist ausgebildet, um in dem Verdampfungsraum einen Verdampfungsdruck kleiner als 20 hPa zu erzeugen, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 15°C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist vorzugsweise Grundwasser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. Erfindungsgemäß werden alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalkfreies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendbar bevorzugt. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese "Wasserstoffe", die günstige Wasser-Eigenschaft haben, nämlich dass Wasser, das auch als "R 718" bekannt ist, eine für den Wärmepumpen-Prozess nutzbares Enthalpie-Differenz-Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnisses von z. B. R134a entspricht.
Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Verdichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z. B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in 6a mit 16 bezeichnet ist. Die Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen Dampfdruck zumindest größer als 25 hPa zu verdichten. 25 hPa korrespondiert mit einer Verflüssigungstemperatur von etwa 22°C, was zumindest an relativ warmen Tagen bereits eine ausreichende Heizungs-Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung sein kann. Um höhere Vorlauftemperaturen zu generieren, können Drücke größer als 30 hPa mit der Strömungsmaschine 16 erzeugt werden, wobei ein Druck von 30 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 24°C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 36°C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45°C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45°C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können.
Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Arbeitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dem energiereichen Wasserdampf direkt durch das kältere Heizungswasser die Wärme (-energie) zu entziehen, welche vom Heizungswasser aufgenommen wird, so dass dieses sich erwärmt. Dem Dampf wird hierbei so viel Energie entzogen, dass dieser verflüssigt wird und ebenfalls am Heizungskreislauf teilnimmt.
Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, wird es bevorzugt, einen offenen Kreislauf zu nehmen, also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher zu verdampfen. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass dieser Wärmetauscher wieder Verluste und apparativen Aufwand bedeutet.
Darüber hinaus wird es bevorzugt, um auch Verluste für den zweiten Wärmetauscher, der auf Verflüssiger-Seite bisher notwendigerweise vorhanden ist, zu vermeiden, auch dort das Medium direkt zu verwenden, also, wenn an ein Haus mit Fußbodenheizung gedacht wird, das Wasser, das von dem Verdampfer stammt, direkt in der Fußbodenheizung zirkulieren zu lassen.
Alternativ kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite ein Wärmetauscher angeordnet werden, der mit dem Vorlauf 20a gespeist wird und der den Rücklauf 20b aufweist, wobei dieser Wärmetauscher das im Verflüssiger befindliche Wasser abkühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt.
Aufgrund der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, und aufgrund der Tatsache, dass von dem Grundwasser nur der verdampfte Anteil in die Strömungsmaschine eingespeist wird, spielt der Reinheitsgrad des Wassers keine Rolle. Die Strömungsmaschine wird, genauso wie der Verflüssiger und die ggf. direkt gekoppelte Fußbodenheizung immer mit destilliertem Wasser versorgt, derart, dass das System im Vergleich zu heutigen Systemen einen reduzierten Wartungsaufwand hat. Anders ausgedrückt ist das System selbstreinigend, da dem System immer nur destilliertes Wasser zugeführt wird und das Wasser im Ablauf 22 somit nicht verschmutzt ist.
Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie – ähnlich einer Flugzeugturbine – das verdichtete Medium nicht mit problematischen Stoffen, wie beispielsweise Öl, in Verbindung bringen. Statt dessen wird der Wasserdampf lediglich durch die Turbine bzw. den Turboverdichter verdichtet, jedoch nicht mit Öl oder einem sonstigen Reinheitsbeeinträchtigenden Medium in Verbindung gebracht und damit verunreinigt.
Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit – wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen – ohne weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt werden. Alternativ kann es hier jedoch auch z. B. im Garten oder in einer Freifläche versickert werden, oder es kann über den Kanal, sofern dies Vorschriften gebieten – einer Kläranlage zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße Kombination von Wasser als Arbeitsmittel mit dem um das 2-fache besseren nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnis im Vergleich zu R134a und aufgrund der damit reduzierten Anforderungen an die Geschlossenheit des Systems (es wird vielmehr ein offenes System bevorzugt), und aufgrund des Einsatzes der Strömungsmaschine, durch den effizient und ohne Reinheitsbeeinträchtigungen die erfor derlichen Verdichtungsfaktoren erreicht werden, wird ein effizienter und umweltneutraler Wärmepumpenprozess geschaffen, der dann, wenn im Verflüssiger der Wasserdampf direkt verflüssigt wird, noch effizienter wird, da dann im gesamten Wärmepumpenprozess kein einziger Wärmetauscher mehr benötigt wird.
Darüber hinaus fallen sämtliche mit der Kolbenverdichtung verbundenen Verluste weg. Zudem können die bei Wasser sehr gering ausfallenden Verluste, die sonst bei der Drosselung anfallen, dazu verwendet werden, den Verdampfungsprozess zu verbessern, da das Ablaufwasser mit der Ablauftemperatur, die typischerweise höher als die Grundwasser-Temperatur sein wird, vorteilhaft verwendet werden, um im Verdampfer mittels einer Strukturierung 206 eines Ablaufrohrs 204, wie es in 4a noch erläutert wird, eine Blasenverdampfung zu triggern, damit die Verdampfungseffizienz erhöht wird.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf 7 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert. Der Wasserverdampfer umfasst eine Verdampfungskammer 100 und ein Steigrohr 102, in dem sich Grundwasser von einem Grundwasser-Reservoir 104 in Richtung eines Pfeils 106 nach oben in den Verdampfungsraum 100 bewegt. Das Steigrohr 102 mündet in einem Aufweiter 108, der ausgebildet ist, um den relativ engen Rohrquerschnitt aufzuweiten, um eine möglichst große Verdampfungsfläche zu schaffen. Der Aufweiter 108 wird trichterförmig, also in Form eines Rotationsparaboloids beliebiger Ausprägung sein. Er kann runde oder eckige Übergänge haben. Entscheidend ist lediglich, dass der in die Verdampfungskammer 100 gerichtete Durchmesser bzw. die der Verdampfungskammer 100 zugewandte Fläche größer als die Querschnittsfläche des Steigrohrs ist, um den Verdampfungsprozess zu verbessern. Wenn davon ausgegangen wird, dass etwa 1 l pro Sekunde durch das Steigrohr nach oben in die Verdampfungskammer fließt, werden bei einer Heizleistung von ca. 10 kW etwa 4 ml pro Sekunde im Verdampfer verdampft. Der Rest läuft um etwa 2,5 °C abgekühlt über den Aufweiter 108 hinaus und landet in einem Auffang-Sammelbecken 110 in der Verdampfungskammer. Das Auffang-Sammelbecken 110 hat einen Ablauf 112, in dem die Menge von 1 l pro Sekunde weniger die verdampften 4 ml pro Sekunde wieder abgeführt wird, und zwar vorzugsweise zurück in das Grundwasserreservoir 104. Hierzu ist vorzugsweise eine Pumpe 114 bzw. ein Ventil zur Überlaufregelung vorgesehen. Es sei darauf hingewiesen, dass hier nichts aktiv gepumpt werden muss, da aufgrund der Schwerkraft dann, wenn die Pumpe bzw. das Ventil 114 geöffnet ist, Wasser aus dem Verdampfer-Auffangbecken 110 über ein Rücklaufrohr 113 nach unten in das Grundwasserreservoir fließt. Die Pumpe bzw. das Ventil 114 stellen somit sicher, das das Wasserniveau im Auffangbecken nicht zu hoch steigt oder dass in das Ablaufrohr 112 kein Wasserdampf eindringt bzw. dass die Verdampfungskammer auch von der Situation am „unteren" Ende des Rücklaufrohrs 113 sicher entkoppelt ist.
Das Steigrohr ist in einem Steigrohrbecken 116 angeordnet, das von einer vorzugsweise vorgesehenen Pumpe 118 mit Wasser gefüllt wird. Die Pegel in 116 und 108 sind nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden, wobei die Schwerkraft und die unterschiedlichen Drücke in 116 und 108 für einen Transport des Wassers von 116 nach 108 sorgen. Der Wasserpegel im Steigrohrbecken 116 ist vorzugsweise so angeordnet, dass auch bei unterschiedlichen Luftdrücken der Pegel nie unter den Einlass des Steigrohrs 102 fällt, damit ein Eindringen von Luft vermieden wird.
Vorzugsweise umfasst der Verdampfer 10 einen Gasabscheider, der ausgebildet ist, um wenigstens einen Teil, z. B. wenigstens 50 % eines Gases, das in dem zu verdampfenden Wasser gelöst ist, aus dem zu verdampfenden Wasser zu entfernen, so dass der entfernte Teil des Gases nicht über den Verdampfungsraum von dem Verdichter angesaugt wird. Vorzugsweise ist der Gasabscheider angeordnet, um den entfernten Teil des Gases einem nicht verdampften Wasser zuzuführen, damit das Gas von dem nicht verdampften Wasser ab transportiert wird. Gelöste Gase können Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff etc. umfassen. Diese Gase verdampfen zumeist bei einem höheren Druck als Wasser so dass der Gasabscheider unterhalb des Aufweiters 108 angeordnet sein kann, so dass im Gasabscheider verdampfter Sauerstoff etc. aus dem gerade noch nicht verdampfenden Wasser austritt und vorzugsweise in die Rückleitung 113 eingespeist wird. Die Einspeisung erfolgt vorzugsweise an der Stelle des Rückleitung 113, an der der Druck so niedrig ist, dass das Gas von dem zurücklaufenden Wasser wieder ins Grundwasser mitgenommen wird. Alternativ kann das abgeschiedene Gas jedoch auch gesammelt und in bestimmten Intervallen entsorgt werden oder laufend entlüftet, also an die Atmosphäre abgegeben werden.
Typischweise wird das Grundwasser, Meerwasser, Flusswasser, Seewasser, die Sole oder eine sonstige in der Natur vorkommende wässrige Lösung eine Temperatur zwischen 8°C und 12°C haben. Durch die Absenkung der Temperatur von 1 l Wasser um 1°C kann eine Leistung von 4,2 kW erzeugt werden. Wird das Wasser um 2,5°C abgekühlt, so wird eine Leistung von 10,5 kW erzeugt. Vorzugsweise wird das Steigrohr von einem Wasserstrom mit einer Stromstärke in Abhängigkeit von der Heizleistung durchströmt, im Beispiel ein Liter pro Sekunde.
Wenn die Wärmepumpe auf relativ hoher Last arbeitet, wird der Verdampfer etwa 6 ml pro Sekunde verdampfen, was einem Dampfvolumen von ca. 1,2 Kubikmeter pro Sekunde entspricht. Je nach geforderter Heizungswassertemperatur wird die Strömungsmaschine im Hinblick auf ihre Verdichtungsleistung gesteuert. Wird eine Heizungs-Vorlauftemperatur von 45°C gewünscht, was selbst für extrem kalte Tage bei weitem ausreicht, so muss die Strömungsmaschine den bei vielleicht 10 hPa erzeugten Dampf auf einen Druck von 100 hPa erhöhen. Reicht dagegen eine Vorlauftemperatur von z. B. 25° für die Fußbodenheizung, so muss nur um einen Faktor 3 durch die Strömungsmaschine verdichtet werden.
Die erzeugte Leistung wird daher durch die Verdichterleistung bestimmt, also zum einen durch den Verdichtungsfaktor, also wie stark der Verdichter verdichtet, und zum anderen durch von dem Verdichter erzeugten Volumenstrom. Erhöht sich der Volumenstrom, so muss der Verdampfer mehr verdampfen, wobei die Pumpe 118 mehr Grundwasser in das Steigrohrbecken 116 befördert, so dass der Verdampfungskammer mehr Grundwasser zugeführt wird. Wird die Strömungsmaschine dagegen einen geringeren Verdichtungsfaktor liefern, so fließt auch weniger Grundwasser von unten nach oben.
An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, dass es bevorzugt wird, den Durchfluss von Grundwasser durch die Pumpe 118 zu steuern. Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren legt der Füllstand im Behälter 116 bzw. die Fördermenge der Pumpe 118 den Durchfluss durch das Steigrohr fest. Damit kann eine Effizienzsteigerung der Anlage erreicht werden, da die Steuerung des Durchflusses von der Saugleistung der Strömungsmaschine entkoppelt wird.
Es wird keine Pumpe benötigt, um das Grundwasser von unten in die Verdampfungskammer 100 zu pumpen. Statt dessen geschieht dies von „selbst". Dieses automatische Aufsteigen zur evakuierten Verdampfungskammer hilft auch dabei, dass der Unterdruck von 20 hPa ohne Weiteres erreichbar ist. Hierzu werden keine Evakuierungspumpen oder etwas ähnliches benötigt. Statt dessen wird lediglich ein Steigrohr mit einer Höhe größer 9 m benötigt. Dann wird eine rein passive Unterdruckerzeugung erreicht. Der nötige Unterdruck kann jedoch auch mit einem wesentlich kürzeren Steigrohr erzeugt werden, wenn z. B. die Implementierung von 5a eingesetzt wird. In 5a ist ein wesentlich verkürztes "Steigrohr" gezeigt. Die Umsetzung vom hohen Druck auf den Unterdruck wird über eine Turbine 150 bewirkt, wobei die Turbine hierbei Energie aus dem Arbeitsmedium entzieht. Gleichzeitig wird der Unterdruck auf der Rücklauf-Seite wieder in den hohen Druck gebracht, wobei die dafür nötige Energie durch eine Pumpe 152 geliefert wird. Die Pumpe 152 und die Turbine 150 sind über eine Kraftkopplung 154 miteinander gekoppelt, so dass die Turbine die Pumpe antreibt, und zwar mit der Energie, die die Turbine dem Medium entzogen hat. Ein Motor 156 wird lediglich noch benötigt, um die Verluste, die das System selbstverständlich hat, auszugleichen, und um die Umwälzung zu erreichen, um also ein System aus seiner Ruhelage in den in 5a gezeigten dynamischen Modus zu bringen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Strömungsmaschine als Radialverdichter mit drehbarem Rad ausgeführt, wobei das Rad ein langsamläufiges Radialrad, ein mittelläufiges Radialrad, ein Halbaxialrad oder ein Axialrad bzw. ein Propeller sein kann, wie es in der Technik bekannt sind. Radialverdichter sind in "Strömungsmaschinen", C. Pfleiderer, H. Petermann, Springer-Verlag, 2005, Seiten 82 und 83 beschrieben. Solche Radialverdichter umfassen somit als drehbares Rad den sog. Mittelläufer, dessen Form von den einzelnen Anforderungen abhängt. Generell können beliebige Strömungsmaschinen eingesetzt werden, wie sie als Turboverdichter, Ventilatoren, Gebläse oder Turbokompressoren bekannt sind.
Die Wärmepumpe, die mit dem erfindungsgemäßen Werkstück ausgestattet ist, dient somit zur effizienten Wärmeversorgung von Gebäuden und benötigt kein Arbeitsmittel mehr, das einen Weltklima-schädigenden Einfluss hat. Erfindungsgemäß wird Wasser unter sehr geringem Druck verdampft, durch eine oder mehrere hintereinander angeordnete Strömungsmaschinen verdichtet und wieder verflüssigt zu Wasser. Die transportiere Energie wird zum Heizen benutzt. Erfindungsgemäß wird eine Wärmepumpe verwendet, die bevorzugt ein offenes System darstellt. Offenes System bedeutet hier, dass Grundwasser oder ein anderes verfügbares Wärmeenergie-tragendes wässriges Medium unter geringem Druck verdampft, verdichtet und verflüssigt wird. Das Wasser wird direkt als Arbeitsmittel verwendet. Die enthaltene Energie wird also nicht an ein geschlossenes System übertragen. Das verflüssigte Wasser wird vorzugsweise direkt im Heizungssystem verwendet und anschließend dem Grundwasser wieder zugeführt. Um das Heizsystem kapazitiv zu entkoppeln, kann es ebenso über einen Wärmetauscher abgeschlossen werden.
Die Effizienz und Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung wird anhand eines Zahlenbeispiels dargestellt. Wenn von einem Jahreswärmebedarf von 30.000 kWh ausgegangen wird, müssen erfindungsgemäß hierfür etwa maximal 3750 kWh elektrischer Strom für den Betrieb der Strömungsmaschine aufgewendet werden, da die Strömungsmaschine nur etwa ein Achtel des gesamten Wärmebedarfs liefern muss.
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.
Bei Stromkosten von etwa 10 Cent pro kWh, die für Strom erreicht werden können, wenn Strom gekauft wird, für den das Kraftwerk keine Unterbrechungsfreiheit garantieren muss, entspricht dies etwa jährlichen Kosten von 375 Euro. Wenn man 30.000 kWh mit Öl erzeugen möchte, würde man etwa 4000 1 brauchen, was bei derzeitigen Ölkosten, die in Zukunft sehr wahrscheinlich nicht fallen werden, einem Preis von 2800 Euro entsprechen würde. Erfindungsgemäß kann man daher pro Jahr 2425 Euro einsparen! Ferner sei auch darauf hingewiesen, dass im Vergleich zur Verbrennung von Öl oder Gas zu Zwecken der Heizung durch das erfindungsgemäße Konzept bis zu 70 % der Menge an freigesetztem CO₂ eingespart wird.
Zur Reduktion der Herstellungskosten und auch zur Reduktion der Wartungs- und Montagekosten wird es bevorzugt, die Gehäuse des Verdampfers, des Verdichters und/oder des Verflüssigers und auch besonders das Radialrad der Strö mungsmaschine aus Kunststoff und insbesondere aus Spritzguss-Kunststoff auszuführen. Kunststoff eignet sich gut, da Kunststoff bezüglich Wasser korrosionsresistent ist und erfindungsgemäß vorteilhafterweise die maximalen Temperaturen im Vergleich zu konventionellen Heizungen deutlich unter den Verformungstemperaturen einsetzbarer Kunststoffe liegen. Ferner ist die Montage besonders einfach, da im System aus Verdampfer, Verdichter und Verflüssiger Unterdruck herrscht. Damit werden an die Dichtungen wesentlich weniger Anforderungen gestellt, da der gesamte Atmosphärendruck dabei hilft, die Gehäuse dicht zu halten. Kunststoff eignet sich ferner besonders gut, da an keiner Stelle im erfindungsgemäßen System hohe Temperaturen auftreten, die den Einsatz von teuren Spezialkunststoffen, Metall oder Keramik erforderlich machen würden. Durch Kunststoffspritzguss kann auch die Form des Radialrads beliebig optimiert und dennoch trotz komplizierter Form einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks, mit folgenden Merkmalen: Platzieren (10) und Fixieren eines Permanentmagnets (562a, 562b, 580, 592) in einer Gussform, wobei der Permanentmagnet eine Curie-Temperatur hat; Einbringen (12) von Verstärkungsmaterial an einer ausgewählten Stellen in die Gussform; nach dem Schritt (12) des Einbringens (12) von Verstärkungsmaterial, Einbringen (14) von flüssigem Gussmaterial in die Form, wobei eine Temperatur des flüssigen Gussmaterials kleiner als die Curie-Temperatur des Permanentmagneten ist; und Entnehmen (16) des Werkstücks nach einer Abkühlung des flüssigen Gussmaterials aus der Gussform, wobei das Werkstück den Permanentmagneten und gehärtetes Gussmaterial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Gussform eine Spritzgussform ist, bei dem das Einbringen (14) ein Spritzgießen aufweist, und bei dem das Gussmaterial ein Kunststoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gussform ausgebildet ist, um ein Radialrad (500), eine Welle (570) und einen Lagerabschnitt (562, 592) oder einen Motor-Generator-Abschnitt (594) zu definieren, bei dem in Schritt (10) des Platzierens und Fixierens Permanentmagnete in dem Lagerabschnitt oder dem Motor-Generator-Abschnitt platziert werden, und bei dem das Werkstück ein rotierbarer Gegenstand ist, der das Radialrad (500), die Welle (570) und den wenigstens einen Lagerabschnitt (562, 597) oder einen Motor/Generator-Abschnitt (594) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Werkstück ein rotierbarer Gegenstand einer Strömungsmaschine mit gekoppeltem Motor/Generator ist, und bei dem das Werkstück das Radialrad, den Motor-Generator-Abschnitt und wenigstens zwei Permanentmagnet-Lagerabschnitte aufweist, wobei wenigstens ein Permanentmagnet in dem Permanentmagnet-Lagerabschnitt und in dem Motor/Generator-Abschnitt angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt (12) des Einbringens ein Fixieren des Verstärkungsmaterials an der ausgewählten Stelle der Gussform aufweist, wobei sich das Verstärkungsmaterial zumindest von einer Komponente des Gussmaterials unterscheidet, wenn das Gussmaterial ein Mehrkomponentenmaterial ist, oder wobei sich das Verstärkungsmaterial von dem Gussmaterial unterscheidet, wenn das Gussmaterial ein Einkomponenten-Material ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Verstärkungsmaterial Kohlefasern oder Glasfasern aufweist, und bei dem das Gussmaterial Kunststoff mit eingebrachten Kohle- oder Glasfasern ist, die im Vergleich zu Kohlefasern oder Glasfasern des Verstärkungsmaterials gekürzt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gussform so definiert ist, dass sie Abschnitte (595, 596) aufweist, die Haltebereiche für Magnete (580, 592, 562) definieren, wobei die Abschnitte so angeordnet sind, dass ein Magnet dann, wenn das Werkstück rotiert, auf eine Oberfläche des Abschnitts drückt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Permanentmagnet aus FeNdB ist, und bei dem das Gussmaterial ein Kunststoffmaterial aus ist, das Polyarylamid aufweist.
Werkstück aus abgekühltem Gussmaterial, das einen oder mehrere Permanentmagnete (562, 580, 592) aufweist, der bzw. die von dem Gussmaterial zumindest teilweise materialschlüssig umgeben ist bzw. sind, und das ferner einen durch ein Verstärkungsmaterial verstärkten Bereich aufweist.
Werkstück nach Anspruch 9, das folgende integral gefertigte Abschnitte aufweist: ein Radialrad (500) und eine Welle (570) mit einer Lagerabschnitt (562, 592) oder einem Motor/Generator-Abschnitt (94), der den Permanentmagneten aufweist.
Werkstück nach Anspruch 10, bei dem die Welle (570) folgende Abschnitte aufweist: zwei Lagerabschnitte (592, 562) mit jeweils einer Mehrzahl von Permanentmagneten; und einen Motor/Generator-Abschnitt mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten.
Werkstück nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Permanentmagnete an Magnet-Halteabschnitte (595, 596) materialschlüssig angebracht sind, wobei die Magnet-Halteabschnitte so definiert sind, dass dann, wenn das Werkstück rotiert, die Permanentmagnete aufgrund einer nach außen gerichteten Kraft aufgrund der Rotation auf die Material-Halteabschnitte drücken.
Werkstück nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das ausgebildet ist, um als rotierender Gegenstand in einer Strömungsmaschine/Motor-Generator-Kombination einer Wärmepumpe zur Gebäudeheizung oder Gebäudekühlung eingesetzt zu werden.
Werkstück nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem der verstärkte Bereich von Kunststoff umgebene Kohlefasern oder Glasfasern aufweist, und bei dem das Gussmaterial Kunststoff mit eingebrachten Kohle- oder Glasfasern ist, die im Vergleich zu Kohlefasern oder Glasfasern in dem verstärkten Bereich gekürzt sind.