(19)
(11)EP 2 567 158 B1

(12)EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT

(45)Hinweis auf die Patenterteilung:
22.07.2015  Patentblatt  2015/30

(21)Anmeldenummer: 11722711.6

(22)Anmeldetag:  09.05.2011
(51)Internationale Patentklassifikation (IPC): 
F25B 3/00(2006.01)
F25B 9/00(2006.01)
(86)Internationale Anmeldenummer:
PCT/AT2011/000217
(87)Internationale Veröffentlichungsnummer:
WO 2011/137476 (10.11.2011 Gazette  2011/45)

(54)

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM UMWANDELN THERMISCHER ENERGIE

DEVICE AND METHOD FOR CONVERTING THERMAL ENERGY

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ POUR LA CONVERSION D'ÉNERGIE THERMIQUE


(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

(30)Priorität: 07.05.2010 AT 7752010

(43)Veröffentlichungstag der Anmeldung:
13.03.2013  Patentblatt  2013/11

(73)Patentinhaber: Ecop Technologies GmbH
4020 Linz (AT)

(72)Erfinder:
  • Adler, Bernhard
    2440 Gramatneusiedl (AT)
  • Riepl, Sebastian
    1080 Wien (AT)

(74)Vertreter: Sonn & Partner Patentanwälte 
Riemergasse 14
1010 Wien
1010 Wien (AT)


(56)Entgegenhaltungen: : 
AT-A4- 509 231
US-A- 4 793 154
US-A- 3 828 573
  
      
    Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen).


    Beschreibung


    [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse gelagerten Rotor, in dem ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist, wobei der Strömungskanal einen Verdichtungskanal, in dem das Arbeitsmedium zur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen führbar ist, einen Entspannungskanal, in dem das Arbeitsmedium zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach innen führbar ist, und zwei im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufende Verbindungskanäle aufweist, und weiters Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobei der Verdichtungskanal und der Entspannungskanal jeweils einen Wärmetauschabschnitt aufweisen, dem jeweils ein mit dem Verdichtungskanal bzw. dem Entspannungskanal mitrotierender Wärmetauscher zugeordnet ist.

    [0002] Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem um eine Drehachse rotierenden Arbeitsmedium, welches einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, wobei das Arbeitsmedium während einer Verdichtung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen und während einer Entspannung in Bezug auf die Drehachse radial nach innen geführt wird, wobei eine Druckerhöhung bzw. eine Druckverringerung des Arbeitsmediums durch die auf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalbeschleunigung erzeugt wird, und das Arbeitsmedium Wärme an ein Wärmeaustauschmedium abgibt bzw. Wärme von einem Wärmeaustauschmedium aufnimmt, wobei der Wärmeaustausch über ein mit dem Arbeitsmedium um die Drehachse mitrotierendes Wärmeaustauschmedium zumindest teilweise während der Verdichtung bzw. Entspannung erfolgt.

    [0003] Aus dem Stand der Technik sind Wärmepumpen bzw. Wärmekraftmaschinen bekannt, bei denen ein gasförmiges Arbeitsmedium in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess geführt wird.

    [0004] Aus der GB 1 466 580 ist eine Wärmepumpe bekannt, welche einen in einem Gehäuse aufgenommenen Rotor aufweist, in welchem ein gasförmiges Fluid einen Kreiszprozess durchläuft. Das Fluid wird auf der Kompressorseite des Rotors zur Druckerhöhung mittels Zentrifugalwirkung radial nach außen geführt und anschließend über einen kurzen, parallel zur Drehachse verlaufenden Abschnitt in die Entspannerseite geleitet, in welchem das erste Fluid radial nach innen zur Drehachse strömt. Zum Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und einem zweiten bzw. dritten Fluid ist auf der Kompressorseite ein Wärmetauscher und auf der Entspannerseite ein Wärmetauscher vorgesehen, die mitrotierend im Rotor angeordnet sind. Die Wärmetauscher weisen jeweils mehrere umlaufende, in radialer Richtung beabstandete Wärmetauschleitungen auf; der zur Wärmeabfuhr vom verdichteten Fluid vorgesehene Wärmetauscher ist dabei radial weiter außen als der auf Entspannerseite innenliegende Wärmetauscher angeordnet. Die Wärmetauscherleitungen verlaufen daher auf der Komprimierungs- bzw. Expansionsseite jeweils quer zur Strömungsrichtung des Fluids, d.h. in Umfangsrichtung des Rotors. Diese Ausführung hat jedoch den Nachteil, dass beim Durchströmen der Kompressor- bzw. Entspannerseite in radialer Richtung ein diskontinuierlicher Wärmeaustausch erfolgt, was vergleichsweise große Energieverluste zur Folge hat.

    [0005] Eine weitere Wärmepumpe dieser Art ist in der US 3,828,573 A offenbart.

    [0006] In der WO 2009/015402 A1 ist eine Wärmepumpe beschrieben, bei der das Arbeitsmedium in einem Rohrleitungssystem eines Rotors einen Kreisprozess mit den Arbeitsschritten Verdichtung des Arbeitsmediums, Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium mittels eines Wärmetauschers, Entspannung des Arbeitsmediums und Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium mittels eines weiteren Wärmetauschers durchläuft. Die Druckerhöhung bzw. Druckverringerung des Arbeitsmediums stellt sich durch die Zentrifugalbeschleunigung ein, wobei das Arbeitsmedium in einer Verdichtungseinheit bezüglich einer Drehachse radial nach außen und in einer Entspannungseinheit radial nach innen strömt. Die Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium an ein Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers erfolgt in einem axialen bzw. parallel zur Drehachse verlaufenden Abschnitt des Rohrleitungssystems, dem ein mitrotierender, das Wärmeaustauschmedium aufweisender Wärmetauscher zugeordnet ist. Diese Vorrichtung ermöglicht grundsätzlich eine sehr effiziente Umsetzung von mechanischer Energie und Wärmeenergie niedriger Temperatur in Wärmeenergie höherer Temperatur. Um die gewünschte Wärmeabfuhr in dem axialen Abschnitt des Rohrleitungssystems sicherzustellen, muss dieser Abschnitt jedoch eine gewisse Längserstreckung aufweisen. Dies hat den Nachteil, dass die Anlage eine Mindestlänge in axialer Richtung nicht unterschreiten kann, so dass im Rotor viel ungenützter Raum freibleibt.

    [0007] Aus der US 4,793,154 A ist zudem eine andersartige Verdichter-Wärmepumpe bekannt.

    [0008] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs angeführten Art zu schaffen, bei der bzw. bei dem eine Umsetzung von mechanischer Energie in Wärmeenergie und umgekehrt mit hohem Wirkungsgrad in einer platzsparenden, stabilen Anordnung erzielbar ist.

    [0009] Dies wird bei der Vorrichtung der eingangs angeführten Art dadurch erzielt, dass die Wärmeaustauschkanäle im Bereich des Wärmetauschabschnitts benachbart zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal angeordnet sind und im Wesentlichen parallel zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal verlaufen.

    [0010] Demnach erfolgt der Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium in einem speziell für einen Wärmeaustausch mit dem zugehörigen Wärmetauscher eingerichteten, in radialer Richtung verlaufenden Wärmetauschabschnitt des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals, welcher sich bis zur maximalen Länge des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals erstrecken kann. Das Arbeitsmedium liegt während des Kreisprozesses bevorzugt in gasförmigem Zustand vor; es ist jedoch grundsätzlich auch ein flüssiges bzw. in einem Zwei-Phasen-Zustand befindliches Arbeitsmedium denkbar. Indem die Wärmetauschabschnitte in dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal ausgebildet sind, kann eine besonders platzsparende Anordnung erzielt werden, da die den Verdichtungs- mit dem Entspannungskanal verbindenden axialen Verbindungskanäle keine besonderen Aufgaben, insbesondere keinen Wärmeaustausch, erfüllen müssen. Insbesondere können daher die Verbindungskanäle - welche bei bekannten Anlagen im Hinblick auf einen Wärmeaustausch mit einem axial verlaufenden Wärmetauscher entsprechend langgestreckt ausgebildet sind - vergleichsweise kurz sein, da mit den Verbindungskanälen gemäß der Erfindung lediglich eine Umlenkung in den jeweils anderen in radialer Richtung verlaufenden Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal sichergestellt werden muss. Demnach lassen sich die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere in Richtung der Drehachse gegenüber bekannten Wärmepumpen bzw. Wärmekraftmaschinen erheblich reduzieren. Dies ermöglicht beispielsweise auch die Hintereinanderschaltung von mehreren solchen Vorrichtungen entlang einer gemeinsamen Drehachse, wobei die insgesamt zur Verfügung gestellte Leistung im Wesentlichen der Summe der einzelnen Vorrichtungen entspricht. Zudem kann mit der erfindungsgemäßen radialen Anordnung der Wärmetauscher entlang dem Wärmetauschabschnitt des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals ein Rotor mit hoher Stabilität erzielt werden, da die erfindungsgemäß radial angeordneten Wärmetauscher gegenüber axial verlaufenden Wärmetauschern besser dazu geeignet sind, die hohen Fliehkräfte beim Betrieb des Rotors aufzunehmen. Auf diese Weise kann der Rotor bzw. ein dem Rotor zugeordneter Antrieb, beispielsweise ein Elektromotor, mit hohen Winkelgeschwindigkeiten betrieben werden. Die kompakte, steife Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht hohe Umfangsgeschwindigkeiten, die hohen Temperaturspreizungen entsprechen.

    [0011] Der Verdichtungskanal und der Entspannungskanal ebenso wie die zugehörigen Wärmetauscher sind im gemeinsamen Rotor aufgenommen und daher für eine synchrone Rotation um die Drehachse konfiguriert. Der geschlossene Strömungskanal des Arbeitsmediums verläuft demnach während des Kreisprozess vollständig in den rotierenden Bauteilen der Vorrichtung. Auf diese Weise werden Strömungsverluste, die bei einem Ein- bzw. Ausleiten des Arbeitsmediums aus dem Rotor auftreten würden, weitestgehend vermieden, so dass die Umwandlung thermischer Energie niedriger Temperaturen in thermische Energie höherer Temperatur und umgekehrt bei der vorliegenden Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad erfolgt.

    [0012] Im Hinblick auf einen effizienten Wärmeaustausch ist der zur Ausbildung des Wärmetauschers vorgesehene, das Wärmeaustauschmedium führende Wärmetauschkanal im Bereich des Wärmetauschabschnitts benachbart zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal angeordnet und verläuft im Wesentlichen parallel zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal.

    [0013] Zur Erzielung einer besonders steifen Anordnung, die den hohen Fliehkräften beim Betrieb standhalten kann, ist es günstig, wenn der Wärmetauschkanal und der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal im Wärmetauschabschnitt durch Ausnehmungen in einem gemeinsamen, vorzugsweise scheiben- bzw. plattenförmigen Körper gebildet werden. Demnach werden der Wärmetauschkanal und der Verdichtungs- bzw. der Entspannungskanal im Wärmetauschabschnitt jeweils in Ausnehmungen des Wärmetausch-Körpers geführt, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium in einander zugewandten bzw. gegenüberliegend benachbarten Ausnehmungen erfolgt.

    [0014] Zur Erhöhung der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren Leistung ist es günstig, wenn eine Vielzahl von vorzugsweise in regelmäßigen Winkelabständen symmetrisch um die Drehachse angeordneten Verdichtungs- bzw. Entspannungskanälen sowie Wärmetauschkanäle vorgesehen sind, die jeweils einen in einer Ausnehmung des Wärmetauscher-Körpers angeordneten Wärmetauschabschnitt aufweisen. Bei dieser Ausführung kann eine Umwandlung mechanischer Energie in thermische Energie und umgekehrt mit hoher Leistung bei gleichzeitig geringem Platzbedarf realisiert werden. Die erzielbare Leistung kann weiter erhöht werden, wenn mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen in Serie geschalten werden.

    [0015] In Abhängigkeit von den gewählten Dimensionen, insbesondere der Querschnittsfläche des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals kann es hinsichtlich eines effizienten Wärmeaustauschs günstig sein, wenn sich im Wärmetauschabschnitt ein Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal in zumindest zwei Ausnehmungen des Wärmetauscher-Körpers gabelt. Demnach können jedem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal zumindest zwei gesonderte Ausnehmungen des Wärmetausch-Körpers zugeordnet sein. Vorzugsweise ist im Bereich des Übergangs zwischen dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal und den zugehörigen Ausnehmungen des Wärmetauscher-Körpers eine ringförmige Verteilungsnut vorgesehen. Bei anderen Ausführungen des Rotors kann allerdings der umgekehrte Fall günstig sein, wenn zumindest zwei Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle in einer gemeinsamen Ausnehmung des Wärmetauscher-Körpers ausgebildet sind.

    [0016] Um einen effizienten Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium im jeweiligen Wärmetausch-Körper zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn an bezüglich der Haupterstreckungsebene des Wärmetausch-Körpers gegenüberliegenden Seiten Lamellen ausgebildet sind, zwischen denen die in Bezug auf den Wärmetausch-Körper nach außen offenen Ausnehmungen zur Ausbildung der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle bzw. Wärmetauschkanäle im Wärmetauschabschnitt angeordnet sind.

    [0017] Zur Erzielung eines für hohe Fliehkräfte (hohe Umfangsgeschwindigkeiten) geeigneten Wärmetausch-Körpers ist es günstig, wenn die Lamellen beidseitig von einer vollflächigen Wand abstehen, deren Wandstärke vorzugsweise zwischen 1mm und 20mm beträgt. An gegenüberliegenden Seiten der vollflächigen Wand trennen jeweils eine Vielzahl von Lamellen eine entsprechende Anzahl von Ausnehmungen. Im zur Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium vorgesehenen Wärmetauscher sind in benachbarten, gegenüberliegenden Ausnehmungen die Wärmetauschabschnitte von Wärmetauschkanälen bzw. Verdichtungskanälen ausgebildet; im zur Wärmezufuhr an das Arbeitsmedium vorgesehenen Wärmetauscher liegen in entsprechender Art und Weise die Wärmetauschabschnitte der Wärmetauschkanäle jenen der Entspannungskanäle gegenüber.

    [0018] Hinsichtlich eines zweckmäßigen Wärmeaustauschs im Wärmetausch-Körper ist es günstig, wenn eine Breite der Lamellen im Wesentlichen einer Breite der Ausnehmungen entspricht.

    [0019] Untersuchungen der Wärmeströme im Wärmetausch-Körper haben ergeben, dass die Wärmeleitungsverluste gering sind bzw. die Stabilität gegenüber Differenzdrücken hoch ist, wenn die Lamellen bzw. Ausnehmungen der Wärmetauscher-Platte bzw. Scheibe in tangentialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei die Versetzung der Breite einer Ausnehmung bzw. einer Lamelle entspricht, so dass einander jeweils eine Lamelle und eine Ausnehmung gegenüberliegen.

    [0020] Zur Erzielung eines stabilen und gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Wärmetausch-Körpers ist es günstig, wenn der Wärmetausch-Körper aus einem Material mit hoher Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit bzw. geringer Materialdichte, vorzugsweise Aluminium oder faserverstärktem Kunststoffmaterial, besteht.

    [0021] Hinsichtlich einer unaufwendigen Herstellung des Wärmetausch-Körpers, wobei zudem eine besonders präzise Anpassung der Ausnehmungen ermöglicht wird, ist es von Vorteil, wenn die Ausnehmungen des Wärmetauscher-Körpers durch Fräsungen gebildet sind.-Bei einer alternativen Ausführung sind die Ausnehmungen des Wärmetauscher-Körpers in einem Gießverfahren hergestellt.

    [0022] Zur Erzielung eines effizienten Wärmeübergangs im Wärmetauschabschnitt des Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanals ist bei einer bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass als Wärmetauscher ein Plattenwärmetauscher mit einem Gehäuse vorgesehen ist, in dem Platten durch Zwischenräume getrennt angeordnet sind, in denen abwechselnd das Arbeitsmedium bzw. das Wärmeaustauschmedium geführt ist. Demnach weist ein solcher Plattenwärmetauscher eine Mehrzahl von Platten auf, die im Gehäuse derart angeordnet sind, dass jeweils in den aufeinanderfolgenden Zwischenräumen das Wärmeaustauschmedium bzw. das Arbeitsmedium fließt. Die beispielsweise miteinander verlöteten oder verschraubten Platten sind nach außen und jeweils zu den benachbarten Zwischenräumen für das jeweils andere Medium abgedichtet.

    [0023] Ein grundsätzlicher Nachteil von Plattenwärmetauschern liegt in ihrer geringen Druckstabilität. Im Betrieb der Vorrichtung treten hohe Innendrücke im Plattenwärmetauscher auf, die Formänderungen bzw. Durchbiegungen der Platten bewirken. Bei sehr hohen Drücken kann dabei die Belastungsgrenze des Plattenwärmetauschers überschritten werden. Um hohen Innendrücken insbesondere des Wärmeaustauschmediums standhalten zu können, ist es günstig, wenn das Gehäuse des Plattenwärmetauschers mittels einer insbesondere hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung mit einem Druck beaufschlagbar ist, welcher einer geringen Druckdifferenz zum Innendruck des Plattenwärmetauschers entspricht. Demnach wird mit der Druckerzeugungsvorrichtung ein Außendruck auf den Plattenwärmetauscher aufgebracht, welcher eine Durchbiegung der Platten weitestgehend verhindert. Der Außendruck wirkt dabei vorzugsweise von allen Seiten auf den Plattenwärmetauscher, wobei dieser quasi in einem Druckbehälter angeordnet wird. Auf diese Weise kann die Stabilität der Anordnung beispielsweise bei einer Verwendung von Argon als Wärmeaustauschmedium mit einem Druck von bis zu 350 bar gewährleistet werden.

    [0024] Um den Druck des Arbeitsmediums im Plattenwärmetauscher im Hinblick auf eine verbesserte Stabilität der Anordnung zu erhöhen, ist es günstig, wenn ein Arbeitsmediumraum mit einem Verdichter, insbesondere einem Zylinder-Kolben-Verdichter, verbunden ist, so dass das Volumen des Arbeitsmediums komprimiert wird.

    [0025] Um den Druck des Arbeitsmediums im Plattenwärmetauscher auf ein Niveau anzuheben, das im Wesentlichen dem Druck des Wärmeaustauschmedium im Plattenwärmetauscher entspricht, ist es von Vorteil, wenn sich ein zur Ausübung des Drucks auf das Gehäuse des Plattenwärmetauschers eingerichteter Flüssigkeitskanal der hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung in einen weiteren Flüssigkeitskanal gabelt, der auf den Zylinder des Zylinder-Kolben-Verdichters wirkt. Demnach kann das Druckniveau des Arbeitsmediums an das Wärmeaustauschmedium angeglichen werden, wobei über den Flüssigkeitskanal der hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung ein entsprechender Außendruck auf das Gehäuse des Plattenwärmetauschers aufgebracht wird.

    [0026] Verbesserungen im Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs können erzielt werden, wenn im Wärmetauschabschnitt der Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanäle eine Turbulenzerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Turbulenzen im strömenden Arbeitsmedium vorgesehen sind. Mit der Turbulenzerzeugungseinrichtung wird die Strömung des Arbeitsmediums im Wärmetauschabschnitt gestört, wodurch lokale Turbulenzen erzeugt werden bzw. die Turbulenz lokal erhöht wird, so dass der Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschmedium verbessert wird.

    [0027] Hinsichtlich einer zweckmäßigen, konstruktiv einfachen Erzielung von Turbulenzen bzw. Rückströmungen im Wärmetauschabschnitt des Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals ist es günstig, wenn als Turbulenzerzeugungseinrichtung zumindest ein insbesondere bogenförmig gekrümmter Vorsprung an einer Wand der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle oder Profilierungen an den Platten des Plattenwärmetauschers vorgesehen ist. Sofern die Ausnehmungen in den Wärmetausch-Körper gefräst werden (z.B. mittels eines Scheibenfräsers), können die Vorsprünge durch Variation der Frästiefe erzielt werden.

    [0028] Zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Vorrichtung ist es günstig, wenn sich die Querschnittsfläche der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle in einem an ein Schaufelrad anschließenden bzw. einem dem Schaufelrad vorangehenden Abschnitt in Bezug auf die Drehachse radial nach außen erweitert. Die Strömung des Arbeitsmediums im Kreisprozess wird durch das insbesondere magnetisch nahe der Drehachse im Entspannungskanal fixierte Schaufelrad aufrechterhalten. Zur Vermeidung von Verlusten ist es günstig, wenn das Arbeitsmedium mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit in das Schaufelrad eingeleitet bzw. aus diesem herausgeführt wird, was durch die Verjüngung des Entspannungskanals vor dem Schaufelrad bzw. die Erweiterung des Verdichtungskanals nach dem Schaufelrad erzielt wird. Auf diese Weise kann ein optimaler Eintritts- bzw. Austrittswinkel beim Übergang des Arbeitsmediums in das Schaufelrad erzielt werden, was den Wirkungsgrad der Anlage beträchtlich erhöht. Die - in Strömungsrichtung betrachtet - Verringerung des Strömungsquerschnitts im Entspannungskanal in der Art einer Düse kann auf verhältnismäßig kurzer Distanz ohne nennenswerte Verluste erfolgen. Bei einer in Strömungsrichtung betrachtet Vergrößerung des Strömungsquerschnittes im Verdichtungskanal in der Art eines Diffusers ist eine möglichst lange Distanz erforderlich, um die Verluste gering zu halten bzw. um den Diffusorwirkungsgrad zu erhöhen. Dabei wird ausgenützt, dass im achsnahen Bereich eine vergleichsweise hohe und im achsfernen Bereich eine vergleichsweise niedrige relative Strömungsgeschwindigkeit vorliegt.

    [0029] Um eine rückströmungsfreie Strömung des Arbeitsmediums in den außerhalb des Wärmetausch-Körpers verlaufenden Abschnitten der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle zu erzielen, ist günstig, wenn sich die Verdichtungs- bzw. die Entspannungskanäle in Bezug auf die Drehachse radial nach außen zumindest einmal in zwei Teilabschnitte gabeln, in denen der jeweilige Verdichtungs- bzw. der Entspannungskanal durch eine Teilungswand in zwei Hälften geteilt ist.

    [0030] Bei der Strömung des Arbeitsmediums in radialer Richtung tritt neben der eine Verdichtung bzw. Entspannung des Arbeitsmediums bewirkenden Zentrifugalkraft zudem die quer zur Zentrifugalkraft wirkende Corioliskraft auf, so dass in jedem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal eine Druckseite und eine Saugseite ausgebildet wird. Um das Arbeitsmedium gleichmäßig in die Teilabschnitte aufzuteilen, ist es günstig, wenn die Teilungswand von einer parallel zu einer durch die Drehachse und die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums aufgespannten Ebene angeordneten Mittelebene des Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanals zu einer Saugseite des Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanals hin versetzt angeordnet ist. In diesem Fall weist das Arbeitsmedium in beiden Teilabschnitten dasselbe durch die Corioliskraft hervorgerufene Geschwindigkeitsprofil auf.

    [0031] Eine gleichmäßige Aufteilung des Arbeitsmediums in die Teilabschnitte ist bei einer mittigen Anordnung der Teilungswand vorzugsweise dadurch erzielbar, dass die Haupterstreckungsebene der Teilungswand zumindest abschnittsweise tangential bzw. senkrecht zur Drehachse angeordnet ist. Diese Aufteilung der Strömungskanäle in der Mitte ist auf konstruktiv einfache Weise möglich und erfordert keine aufwendige Auslegung.

    [0032] Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Haupterstreckungsebene der Teilungswand einen verdrillten Verlauf aufweist, wobei ein näher an der Drehachse angeordneter Endbereich der Haupterstreckungsebene der Teilungswand im Wesentlichen tangential bzw. senkrecht zur Drehachse angeordnet ist und ein weiter von der Drehachse entfernter Endbereich der Haupterstreckungsebene der Teilungswand im Wesentlichen parallel zur Drehachse verläuft. Demnach wird das Arbeitsmedium zunächst an dem der Drehachse zugewandten, senkrecht zur Drehachse angeordneten Endbereich der Teilungswand zu gleichen Teilen in die Teilabschnitte aufgeteilt. In den Teilabschnitten weist die Teilungswand einen um im Wesentlichen 90° verdrillten Verlauf auf, so dass die Haupterstreckungsebene der Teilungswand am anderen Endbereich der Teilungswand parallel zur Drehachse angeordnet ist. Im Anschluss an die Teilabschnitte kann eine erneute Gabelung der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle vorgesehen sein; in Abhängigkeit von den radialen Abmessungen der jeweiligen Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle ist es zweckmäßig, wenn sich die Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle mehrmals, insbesondere dreimal, in radial nach außen anschließenden Abschnitten aufgabeln, wobei sich die Anzahl der Teilabschnitte mit jeder Gabelung verdoppelt.

    [0033] Hinsichtlich einer kostengünstigen, konstruktiv einfachen Ausgestaltung der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle ist es günstig, wenn die Verdichtungskanäle und die Entspannungskanäle abschnittsweise in einem wärmeisolierenden, vorzugsweise aus Kunststoff hergestellten, Drehkörper ausgebildet sind. Der Drehkörper kann beispielsweise im Spritzgießverfahren hergestellt sein.

    [0034] Zur Erzielung einer kompakten, besonders stabilen Ausführung des Rotors ist es von Vorteil, wenn eine mitrotierende blockförmige Einfassung vorgesehen ist, in der die Wärmetauscher-Körper und der Drehkörper angeordnet sind. Mit der vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten blockförmigen Einfassung werden die einzelnen Teile des Rotors in einer starren, modulartigen Anordnung zusammengefügt, die hohen Belastungen standhält.

    [0035] Insbesondere im Hinblick auf geltende Sicherheitsvorschriften ist es günstig, wenn die blockförmige Einfassung in einem stillstehenden äußeren Gehäuse angeordnet ist. Mit dem Gehäuse können die rotierenden Bauteile im Inneren der Vorrichtung geschützt angeordnet werden. Weiters kann durch Erzeugung eines Vakuums in diesem Gehäuse die Aussenreibung minimiert werden.

    [0036] Das Verfahren der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium während des Wärmeaustauschs benachbart und im Wesentlichen parallel zu dem Arbeitsmedium geführt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden somit dieselben Vorteile wie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt, so dass zwecks Vermeidung von Wiederholungen auf vorstehende Ausführungen verwiesen wird.

    [0037] Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads beim Durchlaufen des Kreisprozesses ist es günstig, wenn das Arbeitsmedium vor dem Wärmeaustausch im Wesentlichen adiabat verdichtet bzw. adiabat entspannt wird, wobei zur Vermeidung bzw. Verringerung von Turbulenzen eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in tangentialer Richtung die Beziehung

    erfüllt. Unter Einhaltung der obigen Bedingung können den Wirkungsgrad erniedrigende Turbulenzen vermieden bzw. verringert werden, welche dann auftreten, wenn ein durch die Corioliskraft hervorgerufenes Geschwindigkeitsprofil des Arbeitsmediums, d.h. eine Schieflage der Geschwindigkeitsverteilung quer zur Drehachse, größer als die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v wird. Demzufolge kann es insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten v bzw. hohen Winkelgeschwindigkeiten w zweckmäßig sein, die das strömende Arbeitsmedium in radial anschließenden Teilabschnitten aufzugabeln, wie vorstehend bereits erläutert wurde.

    [0038] Andererseits können während des Wärmeaustauschs Rückströmungen bzw. Turbulenzen erwünscht sein, da hierdurch die Effektivität des Wärmeaustauschs erhöht werden kann. Demnach ist es günstig, wenn während des Wärmeaustauschs zur Erzielung von Rückströmungen eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in Richtung der Drehachse die Beziehung

    erfüllt.

    [0039] Zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium hat es sich überraschenderweise als günstig herausgestellt, wenn das Wärmeaustauschmedium und das Arbeitsmedium im Wärmetauschabschnitt mit gleicher Strömungsrichtung um die Drehachse geleitet werden. Demnach wird bei dieser Ausführung das Gleichstromprinzip angewandt, wodurch die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den Medien gegenüber dem Gegenstromprinzip minimiert wird.

    [0040] Hinsichtlich einer Verbesserung des Wirkungsgrads des Kreisprozesses ist es von Vorteil, wenn der Druck im geschlossenen Kreisprozess zwischen 10 bar und 150 bar beträgt.

    [0041] Zur Erzielung einer hohen Verdichtung aufgrund der Zentrifugalkraft werden als Arbeitsmedium vorzugsweise Gase mit niedriger spezifischer Wärmekapazität, insbesondere ein Edelgas, vorzugsweise Argon, Krypton oder Xenon, verwendet.

    [0042] Hinsichtlich eines effizienten Wärmeaustausches zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium ist es günstig, wenn zur Wärmeabfuhr und Wärmezufuhr ein Wärmeaustauschmedium mit hoher spezifischer Wärmekapazität von zumindest 1 kJ/(kg*K) und/oder einem Isentropenexponent κ von im Wesentlichen 1, insbesondere Wasser, Wasserglykolgemisch, Öl, Helium, oder Luft, verwendet wird.

    [0043] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen in der Zeichnung:

    Fig. 1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

    Fig. 2 eine Schnittansicht einer derartigen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

    Fig. 3 ein Diagramm, aus dem schematisch der Verlauf von Temperatur und Entropie des gasförmigen Arbeitsmediums beim Durchlaufen des geschlossenen Kreisprozesses ersichtlich ist;

    Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, bei dem Lamellen beidseitig von einer vollflächigen Wand abstehen;

    Fig. 5 eine schematische Schnittansicht des Wärmetauschers gemäß Fig. 4, wobei die Lamellen an den gegenüberliegenden Seiten versetzt zueinander angeordnet sind;

    Fig. 6 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines eine Vielzahl von in regelmäßigen Winkelabständen angeordneten Verdichtungs- bzw. Entspannungskanälen aufweisenden Drehkörpers;

    Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, aus der schematisch ein verdrillter Verlauf einer im Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal angeordneten Teilungswand ersichtlich ist;

    Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals, aus der ein durch die Corioliskraft bewirktes Geschwindigkeitsprofil des Arbeitsmediums ersichtlich ist;

    Fig. 9 eine schematische Ansicht eines Wärmetauschabschnitts eines Verdichtungs- bzw. Entspannungskanals, bei dem an der Wand Vorsprünge zur Erzeugung von Turbulenzen im strömenden Arbeitsmedium vorgesehen sind;

    Fig. 10 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Plattenwärmetauschers;

    Fig. 11 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher Plattenwärmetauscher gemäß Fig. 10 vorgesehen sind; und

    Fig. 12 eine schematische Schnittansicht eines alternativen Wärmetauschers mit Gegenplatten;



    [0044] In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Umwandeln von mechanischer Energie in Wärmeenergie und umgekehrt gezeigt, die bei der dargestellten Ausführung als Wärmepumpe betrieben wird. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Rotor 2, der von einer Drehachse 3 eines Motors 4 angetrieben wird. Der Rotor 2 weist eine blockförmige Einfassung 5 auf, die ihrerseits in einem äußeren, stillstehenden Gehäuse 6 aufgenommen ist. Innerhalb des Rotors 2 ist ein geschlossener Strömungskanal für ein einen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium ausgebildet, das während des gesamten Zyklus im gasförmigen Zustand vorliegt. Das Arbeitsmedium, beispielsweise Argon, wird im Uhrzeigersinn bzw. in Pfeilrichtung 7 von einem Verdichtungskanal 8 über einen ersten Verbindungskanal 9 in einen Entspannungskanal 10 geführt, der über einen zweiten Verbindungsabschnitt 11 mit dem Verdichtungskanal 8 in Verbindung steht. Der Verdichtungskanal 8 und der Entspannungskanal 10 sind jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet, wogegen die Verbindungskanäle 9, 11 im Wesentlichen parallel zur Drehachse 3 verlaufen. Die Strömung des Arbeitsmediums wird durch z.B. ein magnetisch fixiertes Schaufelrad 12 verursacht bzw. aufrechterhalten, das nahe der Drehachse 3 im Entspannungskanal 10 angeordnet ist, um Verlustleistungen gering zu halten.

    [0045] Durch die Drehbewegung des Rotors 2 wirkt auf das im Verdichtungskanal 8 radial nach außen strömende Arbeitsmedium eine Zentrifugalkraft, die eine Druck- bzw. Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums bewirkt. Gleichermaßen verringert sich im Entspannungskanal 10 die auf das Arbeitsmedium einwirkende Zentrifugalkraft in Richtung zur Drehachse 3, wodurch der Druck bzw. die Temperatur des Arbeitsmedium erniedrigt wird. Dieser Umstand wird bei der Wärmepumpe dazu ausgenützt, um verschiedene Druckniveaus bzw. Temperaturniveaus zu erzeugen.Dem verdichteten Arbeitsmedium wird Wärme hoher Temperatur entzogen, und dem entspannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt. Zu diesem Zweck sind zwei Wärmetauscher 13, 14 vorgesehen, wobei der eine Wärmetauscher 13 zur Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium und der andere Wärmetauscher 14 zur Wärmezufuhr an das Arbeitsmedium eingerichtet ist.

    [0046] Erfindungsgemäß erfolgt der Wärmeaustausch über ein mit dem Arbeitsmedium um die Drehachse 3 mitrotierenden Wärmeaustauschmedium teilweise während der Verdichtung bzw. Entspannung, indem der Verdichtungskanal 8 und der Entspannungskanal 10 jeweils einen Wärmetauschabschnitt 8', 10' aufweisen, die jeweils für einen Wärmeaustausch mit den mitrotierend im Rotor 2 angeordneten Wärmetauschern 13, 14 eingerichtet sind; die Wärmetauscher 13, 14 sind demnach in radialer Richtung senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet. Da die Verbindungskanäle 9, 11 bei der vorliegenden Vorrichtung 1 lediglich zur Umlenkung des Arbeitsmediums vom Verdichtungskanal 8 in den Entspannungskanal 10 und umgekehrt vorgesehen sind - und nicht zur Wärmezufuhr bzw. Wärmeabfuhr -, können diese vergleichsweise kurz sein.

    [0047] Zur Ausbildung der Wärmetauscher 13, 14 ist jeweils ein das vorzugsweise flüssige Wärmeaustauschmedium führender Wärmetauschkanal 15, 18 vorgesehen, der im Bereich seines jeweiligen Wärmetauschabschnitts 15', 18' im Wesentlichen parallel zu dem Verdichtungs- bzw. Entspannungskanal 8, 10 angeordnet ist. Die Wärmetauschkanäle 15, 18 und der Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanal 10 werden im Wärmetauschabschnitt 8', 10' durch Ausnehmüngen 16 in einem gemeinsamen, vorzugsweise scheiben- bzw. plattenförmigen Körper 17 des jeweiligen Wärmetauschers 13, 14 gebildet, der im Zusammenhang mit den Fig. 4 und 5 näher erläutert wird.

    [0048] Die einzelnen Schritte im Ablauf des geschlossenen Kreisprozesses, den das Arbeitsmedium entlang seines Strömungskanales im Rotor durchläuft, können schematisch dem Temperatur/Entropie-Diagramm in Fig. 3 entnommen werden, wobei jedem Anfang und Ende eines Schritts eine in den Fig. 1 und 2 mit den Buchstaben A bis F veranschaulichte Position des Arbeitsmediums im Strömungskanal entspricht. Demnach wird das Arbeitsmedium zunächst in einem vom Wärmekörper 13 abliegenden Abschnitt 8'' des Verdichtungskanals 8 von A nach B im Wesentlichen adiabat verdichtet. Anschließend tritt das Arbeitsmedium in die Ausnehmung 16 des Wärmetauschers 13 ein, wo es im Wärmetauschabschnitt 8' des Verdichtungskanals 8 von B nach C Wärme an den parallel geführten Wärmetauschabschnitt 15' des Wärmetauschkanals 15 abgibt. Über den ersten Verbindungskanal 9 wird das Arbeitsmedium in den Entspannungskanal 10 geleitet, wo es in einem Abschnitt 10'' des Entspannungskanals 10 von C nach D im Wesentlichen adiabat entspannt wird. Im Anschluss nimmt das Arbeitsmedium im Wärmetauschabschnitt 10' des Entspannungskanals 10 von D nach E Wärme von dem in dem Wärmetauschabschnitt 18' des Wärmetauschkanals 18 geführten Wärmeaustauschmedium auf. Aufgrund der Tatsache, dass das Schaufelrad 12 nicht unmittelbar an den Wärmetauscher 14 anschließen kann, ist ein Verbindungsstück erforderlich, welches unterschiedliche Austritts- und Eintrittsradien aufweist (Punkte E und F), wodurch die Temperatur geringfügig abnimmt. Bei adiabater Strömung mit sehr geringen inneren Strömungsverlusten bewirkt dieser Versatz jedoch keine Verluste für das Gesamtsystem. Der Wärmeaustausch erfolgt jeweils möglichst nahe an der Isothermen, was unter realen Bedingungen nicht ganz erreichbar ist, wobei diese unvermeidlichen Abweichungen im in Fig. 2 gezeigten Diagramm übertrieben dargestellt sind. Die Strömungsenergie des Arbeitsmediums im geschlossenen, vollständig innerhalb des Rotors 2 verlaufenden Strömungskanals bleibt während des Kreisprozesses bis auf vergleichsweise geringe Verluste, verursacht durch Reibung der Strömung an der Kanalwand, sowie inneren Reibungen der Strömung, annähernd konstant, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Der Druck des Arbeitsmediums beträgt beim Durchlaufen des Kreisprozesses zwischen 10 und 150 bar.

    [0049] Um die dargestellte Vorrichtung 1 als Wärmekraftmaschine zu betreiben, wird der Kreisprozess in umgekehrter Richtung durchlaufen, wobei anstelle eines den Rotor 2 antreibenden Motors 4 ein Generator vorgesehen ist. Bei dieser Ausführung wird im Wärmetauscher 13 Wärme bei vergleichsweise hoher Temperatur zugeführt und im Wärmetauscher 14 Wärme bei vergleichsweise niedriger Temperatur abgezogen.

    [0050] Wie in Fig. 4 und Fig. 5 ersichtlich, sind bevorzugt eine Vielzahl von in regelmäßigen Winkelabständen symmetrisch um die Drehachse angeordnete Wärmetauschkanäle 15, 18 der Wärmetauscher 13, 14 sowie eine Vielzahl von Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanälen 10 (vgl. Fig. 6) vorgesehen, die in Wärmetauschabschnitten 8', 10', 15', 18' in entsprechenden Ausnehmungen 16 des scheiben- bzw. plattenförmigen Wärmetausch-Körpers 17 ausgebildet sind.

    [0051] Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist jedem Entspannungskanal 8 bzw. jedem Verdichtungskanal 10 im jeweiligen Wärmetauschabschnitt 8', 10' gerade eine Ausnehmung 16 des Wärmetausch-Körpers 17 zugeordnet. In machen Fällen kann es allerdings zweckmäßig sein, von dieser Ausgestaltung abzuweichen, so dass die Anzahl der Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle 8, 10 nicht mehr mit jener der Ausnehmungen 16 im Wärmetausch-Körper 17 übereinstimmt.

    [0052] In Fig. 2 ist eine solche Variante schematisch veranschaulicht, indem an den Übergängen zum Wärmetauschabschnitt 8' des Verdichtungskanals 8 - und entsprechend an den Übergängen zum Entspannungskanal 10 - schematisch ringförmige Verteilungsnuten 25 angedeutet sind, mit denen der Kontakt zwischen einem Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanal 10 und zumindest zwei Ausnehmungen 16 des Wärmetausch-Körpers begrenzenden Flächen des Wärmetauscher 13, 14 hergestellt wird.

    [0053] Die Fig. 4 und 5 zeigen jeweils schematisch einen Auschnitt des erfindungsgemäßen Wärmetausch-Körpers 17, der durch eine Scheibe bzw. Platte aus Aluminium, das eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit mit hoher Steifigkeit kombiniert, gebildet ist. Der Wärmetausch-Körper 17 weist eine zentrale vollflächige Wand 19 auf, deren Haupterstreckungsebene senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet ist. Durch Fräsen werden Lamellen 20 erzeugt, zwischen denen - im Fall des dem Verdichtungskanal 8 zugeordneten Wärmetauschers 13 - auf der einen Seite Ausnehmungen 16 für die Wärmetauschkanäle 15 und auf der gegenüberliegenden Seite Ausnehmungen 16 für die Verdichtungskanäle 8 im Wärmetauschabschnitt 8' vorgesehen sind. Der dem Entspannungskanal 10 zugeordnete Wärmetauscher 14 ist analog aufgebaut.

    [0054] Die vollflächige Wand 19 des Wärmetausch-Körpers 17 kann, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen, dünnwandig ausgebildet sein, wobei die Wandstärke d zur Erzielung einer effizienten Wärmeübertragung unter Berücksichtigung der Stabilität etwa 1 bis 5 mm beträgt. Die Breite s' der Lamellen 20, d.h. ihre Erstreckung senkrecht zur Drehachse 3, entspricht im Wesentlichen der Breite s der Ausnehmungen 16 senkrecht zur Drehachse 3. Das Verhältnis zwischen einer Längserstreckung h einer Lamelle 20, d.h. ihrer Erstreckung in Richtung der Drehachse 3, und ihrer Breite s' beträgt in etwa 1 bis 20. Bei gleichbleibender Nutbreite (Kanalbreite) und gleichbleibender Lamellenanzahl ist die Breite s, s' in radialer Richtung kontinuierlich vergrößert.

    [0055] Das Ausführungsbeispiel des in Fig. 5 dargestellten Wärmetausch-Körpers 17 unterscheidet sich von jenem gemäß Fig. 4 dahingehend, dass die Lamellen 20 bzw. Ausnehmungen 16 des Wärmetausch-Körpers 17 in Richtung senkrecht zur Drehachse 3 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Versetzung entspricht gerade der Breite s einer Ausnehmung 16 bzw. s' einer Lamelle 20, so dass einander jeweils eine Lamelle 20 und eine Ausnehmung 16 gegenüberliegen. Mit dieser Anordnung können die Wärmeleitungsverluste im Wärmetauscher 13, 14 vermindert, sowie die Festigkeit gegenüber Differenzdrücken verbessert werden. Eine Verbesserung der Wärmeeleitung wird im Fall, dass die Längserstreckung h der Lamellen 20 größer als ihre Breite s' ist, gerade dann erzielt, wenn die Wandstärke d der Wand 19 größer oder gleich der Breite s' der Lamellen 20 ist. Eine Verbesserung der Wärmeleitungfähigkeit wird in jedem Fall erzielt, wenn die Längserstreckung h der Lamellen 20 kleiner oder gleich der Breite s' ist. Diese Zusammenhänge gelten insbesondere im achsnahen Bereich, wenn vergleichsweise geringe Durchmesser vorliegen.

    [0056] Aus Fig. 6 ist schematisch eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines vorzugsweise aus Kunststoff gefertigten Drehkörpers 21 gezeigt, in dem eine Vielzahl an bezüglich der Drehachse 3 in regelmäßigen Winkelabständen angeordneten Verdichtungskanälen 8 ausgebildet sind. Die Entspannungskanäle 10 sind entsprechend an der gegenüberliegenden Seite des plattenförmig ausgebildeten Drehkörpers 21 angeordnet, wie aus der Schnittansicht der Vorrichtung 1 gemäß den Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich ist.

    [0057] Das in den Verdichtungskanälen 8 in Pfeilrichtung 7 radial nach außen strömende Arbeitsmedium ist der Corioliskraft ausgesetzt, die in eine Richtung senkrecht zur Winkelgeschwindigkeit w bzw. zur Strömung in Pfeilrichtung 7, also im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 3 wirkt. Auf diese Weise stellt sich in den Verdichtungskanälen 8 (und entsprechend in den Entspannungskanälen 10) ein in Fig. 9 schematisch mit Pfeilen veranschaulichtes Geschwindigkeitsprofil ein, wobei die Strömungsgeschwindigkeit vs des Arbeitsmediums von einer Druckseite zu einer Saugseite hin kontinuierlich zunimmt.

    [0058] Zur Vermeidung von Rückströmungen in den Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanälen 10, die auftreten können, wenn eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in tangentialer Richtung die Beziehung

    erfüllen, weisen die Verdichtungs- bzw. Entspannungskanäle 8, 10 einen jeweils in Bezug auf die Drehachse 3 radial nach außen erweiternden Verlauf auf, wie aus Fig. 6 ersichtlich.

    [0059] Um Rückströmungen über die gesamte radiale Erstreckung der Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanäle 10 zu vermeiden, gabeln sich die Verdichtungskanäle 8 (und entsprechend die Entspannungskanäle 10) in Bezug auf die Drehachse 3 radial nach außen mehrmals in durch Teilungswände 22 getrennte Teilabschnitte 8a, 8b.

    [0060] Bei der in Fig. 6 dargestellten mittigen Anordnung der Teilungswände 22 in den Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanälen 10 wird das Arbeitsmedium nicht gleichmäßig auf die beiden Hälften aufgeteilt, da das in die eine Hälfte geleitete Arbeitsmedium einen die Druckseite aufweisenden Teil des durch die Corioliskraft bewirkten Geschwindigkeitsprofils und das in die andere Hälfte geleitete Arbeitsmedium den die Saugseite aufweisenden Teil des Geschwindigkeitsprofils - in der die Strömungsgeschwindigkeit durchschnittlich höher ist - enthält.

    [0061] Eine gleichmäßige Aufteilung des Arbeitsmediums am Übergang in die Teilabschnitte eines Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanals 10 kann insbesondere auf zwei verschiedene Arten erfolgen.

    [0062] Einerseits kann eine parallel zur Drehachse 3 angeordnete Teilungswand 22 von einer parallel zur Drehachse 3 verlaufenden Mittelebene des Verdichtungs- bzw. des Entspannungskanals 8, 10 zu einer Saugseite des Verdichtungs- 8 bzw. des Entspannungskanals 10 hin versetzt angeordnet sein. Auf diese Weise weisen die in die Teilabschnitte 8a, 8b geführten Ströme jeweils dasselbe Geschwindigkeitsprofil auf.

    [0063] Alternativ dazu kann die Haupterstreckungsebene jeder Teilungswand 22 zur gleichmäßigen Aufteilung der Gasströme zumindest abschnittsweise senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet werden. Als besonders vorteilhaft stellt sich eine Ausführung der Teilungswand 22 dar, die in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. Dabei weist die Haupterstreckungsebene der Teilungswand 22 einen verdrillten Verlauf auf. Ein der Drehachse 3 zugewandter Endbereich 22' der Haupterstreckungsebene der Teilungswand 22 ist dabei senkrecht zur Drehachse 3 angeordnet. Die Teilungswand 22 verläuft daran anschließend um insgesamt 90° verdrillt, wobei der andere Endbereich 22'' der Haupterstreckungsebene der Teilungswand 22 im Wesentlichen parallel zur Drehachse 3 verläuft. Bei dieser Ausführung ist es nicht erforderlich, dass die Endbereiche 22', 22'' der Teilungswand 22 von den parallel bzw. senkrecht zur Drehachse 3 verlaufenden Mittelebenen versetzt angeordnet sind.

    [0064] Im Unterschied zu den außerhalb des Wärmetausch-Körpers 17 verlaufenden Abschnitten 8'', 10'' der Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanäle 10 kann das Auftreten von Turbulenzen bzw. Rückströmungen in den Wärmetauschabschnitten 8', 10' erwünscht sein. Zu diesem Zweck können die Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanäle 10 in den Wärmetauschabschnitten 8', 10' eine Turbulenzerzeugungseinrichtung 23 aufweisen, mit der gezielt Turbulenzen in dem in den Ausnehmungen 16 des Wärmetausch-Körpers 17 strömenden Arbeitsmedium erzeugt werden können. Dies kann auf konstruktiv einfache Weise, wie in Fig. 9 dargestellt, durch bogenförmig gekrümmte Vorsprünge 23' an einer Wand 24 der Verdichtungs- 8 bzw. Entspannungskanäle 10 erfolgen. Die Vorsprünge 23' können unaufwendig durch unterschiedliche Frästiefen beim Einfräsen der Ausnehmungen 16 in den Wärmetausch-Körper 17 vorgesehen werden. Weiters können solche Turbulatoren auch einfach mittels Gießverfahren hergestellt werden.

    [0065] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist als Wärmetauscher 13, 14 jeweils ein Plattenwärmetauscher 13', 14' vorgesehen, dessen Grundprinzip aus Fig. 10 ersichtlich ist.

    [0066] Der in Fig. 10 schematisch dargestellte Plattenwärmetauscher 13', 14' weist ein zweiteiliges Gehäuse 26 mit Anschlüssen 27 auf, in dem beispielsweise vier profilierte Platten 28 durch Zwischenräume 29, 29' getrennt angeordnet sind. In den Zwischenräumen 29 strömt das schematisch mit Pfeilen 30 veranschaulichte Arbeitsmedium. Das Wärmeaustauschmedium ist, wie mit Pfeilen 31 veranschaulicht, im Zwischenraum 29' geführt. Demnach wechseln einander Zwischenräume 29 für das Arbeitsmedium und Zwischenräume 29' für das Wärmeaustauschmedium ab. Selbstverständlich kann die Abfolge der Zwischenräume 29, 29' vertauscht sein. Zudem ist eine Ausführung möglich, bei welcher die Anschlüsse 27 lediglich an einem Gehäuseteil vorgesehen sind. Die Platten 28 sind miteinander verlötet oder verschraubt.

    [0067] Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 mit Plattenwärmetauschern 13', 14', deren Aufbau grundsätzlich jenem des anhand von Fig. 10 erläuterten Plattenwärmetauschers 13', 14' entspricht. Die Anschlüsse 27 für das Arbeitsmedium bzw. das Wärmeaustauschmedium sind hier allerdings an gegenüberliegenden Seiten vorgesehen. Zwecks Vermeidung von Wiederholungen soll nachstehend lediglich auf die gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 veränderten Merkmale der Vorrichtung 1 eingegangen werden.

    [0068] Die Wärmetauscher 13', 14' sind derart in der Vorrichtung 1 angeordnet, dass ihre Platten 28 im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 3 verlaufen. Demnach erfolgt auch bei dieser Ausführung der Erfindung ein Wärmeaustausch in radialer Richtung. Das Arbeitsmedium strömt vom Abschnitt 8'' des Verdichtungskanals 8 über ein kurzes waagrechtes Verbindungsstück 11' und den entsprechenden Anschluss 27 in den Wärmetauscher 13', in dem die Zwischenräume 29 als radial verlaufende Wärmetauschabschnitte 8' fungieren. Die benachbarten Zwischenräume 29', in denen das Wärmeaustauschmedium strömt, dienen als radial angeordnete Wärmetauschabschnitte 15' des Plattenwärmetauschers 13'. Anschließend verlässt das Arbeitsmedium den Plattenwärmetauscher 13' und wird über den Verbindungskanal 9 bzw. den Entspannungskanal 10 in den zweiten Wärmetauscher 14' geführt. Zur Aufrechterhaltung der Strömung des Arbeitsmediums im Kreisprozess ist das über Magnete 12' fixiertes Schaufelrad 12 vorgesehen.

    [0069] Um den Plattenwärmetauscher 13' im Hinblick auf die hohen Drücke insbesondere des Wärmeaustauschmediums anzupassen, ist das Gehäuse 26 des Plattenwärmetauschers 13' mit einer hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung 32 verbunden, mit der über einen mit in den Fig. nicht gezeigten Mitteln (bspw. einem Zylinder-Kolben-Linearantrieb) druckbeaufschlagbaren Flüssigkeitskanal 33 ein Außendruck auf das Gehäuse 26 des Plattenwärmetauschers 13' ausgeübt werden kann. Dem Wärmetauscher 14' kann eine entsprechende Druckerzeugungsvorrichtung 32 (nicht gezeigt) zugeordnet sein, für den somit dieselben Überlegungen gelten. Der mit der Druckerzeugungsvorrichtung 32 auf das Gehäuse 26 des Plattenwärmetauschers 32 ausgeübte Druck entspricht im Wesentlichen dem Innendruck des Plattenwärmetauschers 13', um die Stabilität der Anordnung beeinträchtigende Formveränderungen der Platten 28 zu verhindern.

    [0070] Um den Druck des Arbeitsmediums im Plattenwärmetauscher 13' an den Druck des Wärmeaustauschmediums anzugleichen, weist ein dem Plattenwärmetauscher 13' vorangehender Abschnitt des Verdichtungskanals 8 einen Verbindungskanal 34 zu einem Verdichter 35 mit einem Zylinder 36 und einem Kolben 37 auf. Der Kolben 37 wird durch einen vom Flüssigkeitskanals 33 der Druckerzeugungsvorrichtung 32 abgezweigten Flüssigkeitskanal 33' betätigt, um das Arbeitsmedium im gesamten Gaskreislauf zu komprimieren, indem das gesamte Volumen des Gaskreislaufes verkleinert wird. Somit kann der Kolben 37 und das Gehäuse 26 des Plattenwärmetauschers 13' über die Druckerzeugungsvorrichtung 32 gleichzeitig mit entsprechenden Drücken versorgt werden, um Differenzdrücke im Plattenwärmetauscher 13' zuverlässig zu verringern. Der Kolben 37 kann auch durch eine Membran (nicht dargestellt) ersetzt werden.

    [0071] Fig. 12 zeigt eine alternative Ausführung des Wärmetauschers 13, 14, welcher den in Fig. 4 und 5 dargestellten Wärmetausch-Körper 17 fortbildet. Um einen besseren Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeaustauschmedium zu realisieren, greifen Gegenplatten 38 mit Lamellen 39 in die Ausnehmungen 16 zwischen den Lamellen 20 des Wärmetausch-Körpers 17. Die Breiten s1 bzw. s4 der Lamellen 20 des Wärmetausch-Körpers 17 bzw. der Lamellen 39 der Gegenplatten 38 betragen optimalerweise zwischen 1 und 10mm. Die Breiten s2 bzw. s3 der Ausnehmungen 16 des Wärmetausch-Körpers 17 bzw. von entsprechenden Ausnehmungen 40 der Gegenplatten 38 sind jeweils um 0,5 bis 15mm breiter als die hineinstehenden Lamellen 39 bzw. 20. Dadurch ergeben sich Strömungskanalbreiten x2 von 0,25 bis 7,5mm. Durch diese vergleichsweise geringen Spaltbreiten werden entsprechend geringe hydraulische Durchmesser realisiert, wodurch der Wärmeübergang des Mediums auf die angrenzenden Wände deutlich erhöht wird. Um eine gleichmäßige Durchströmung zu gewährleisten, wird beidseitig der Lamellen 20 bzw. an den Stirnseiten der Lamellen 20 jeweils ein Spalt 41 bzw. 42 gelassen, deren Breiten x1 bzw. x2 annähernd gleich groß sind. Durch die Spalte 42 wird außerdem gewährleistet, dass die hineinstehenden Lamellen 39 gegen den Wärmetausch-Körper 17 gepresst werden, wodurch ein hoher Wärmeübertrag möglich ist.


    Ansprüche

    1. Vorrichtung (1) zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse (3) gelagerten Rotor (2), in dem ein Strömungskanal für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium vorgesehen ist, wobei der Strömungskanal einen Verdichtungskanal (8), in dem das Arbeitsmedium zur Druckerhöhung mit Bezug auf die Drehachse (3) im Wesentlichen radial nach außen führbar ist, einen Entspannungskanal, in dem das Arbeitsmedium zur Druckverringerung mit Bezug auf die Drehachse (3) im Wesentlichen radial nach innen führbar ist, und zwei im Wesentlicheh parallel zur Drehachse (3) verlaufende Verbindungskanäle (9, 11) aufweist, und weiters Wärmetauscher (13, 14) für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind, wobei der Verdichtungskanal (8) und der Entspannungskanal (10) jeweils einen Wärmetauschabschnitt (8', 10') aufweisen, dem jeweils ein mit dem Verdichtungskanal (8) bzw. dem Entspannungskanal (10) mitrotierender Wärmetauscher (13, 14) zugeordnet ist, welcher jeweils durch zumindest einen das Wärmeaustauschmedium führenden Wärmetauschkanal (15, 18) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschkanäle (15, 18) im Bereich des Wärmetauschabschnitts (8', 10') benachbart zu dem Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanal (10) angeordnet sind und im Wesentlichen parallel zu dem Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanal (10) verlaufen.
     
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauschkanal und der Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanal (10) im Wärmetauschabschnitt (8', 10') durch, insbesondere durch Fräsungen gebildeten, Ausnehmungen (16) in einem gemeinsamen, vorzugsweise scheiben- bzw. plattenförmigen Körper (17) gebildet werden, wobei insbesondere eine Vielzahl von vorzugsweise in regelmäßigen Winkelabständen symmetrisch um die Drehachse (3) angeordneten Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanälen (10) sowie Wärmetauschkanäle (15, 18) vorgesehen sind, die jeweils einen in einer Ausnehmung (16) des Wärmetauscher-Körpers (17) angeordneten Wärmetauschabschnitt (8',10',15',18') aufweisen.
     
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Wärmetauschabschnitt (8', 10') ein Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanal (10) in zumindest zwei Ausnehmungen (16) des Wärmetauscher-Körpers (17) gabelt.
     
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an bezüglich der Haupterstreckungsebene des Wärmetausch-Körpers (17) gegenüberliegenden Seiten Lamellen (20) ausgebildet sind, zwischen denen die in Bezug auf den Wärmetausch-Körper (17) nach außen offenen Ausnehmungen (16) zur Ausbildung der Verdichtungs-(8) bzw. Entspannungskanäle (10) bzw. Wärmetauschkanäle (15, 17) im Wärmetauschabschnitt (8', 10', 15', 18') angeordnet sind , wobei vorzugsweise die Lamellen (20) beidseitig von einer vollflächigen Wand (19) abstehen, deren Wandstärke (d) vorzugsweise zwischen 1mm und 20mm beträgt, wobei eine Breite (s') der Lamellen (20) insbesondere einer Breite (s) der Ausnehmungen (16) entspricht.
     
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (20) bzw. Ausnehmungen (16) des Wärmetauscher-Körpers (17) in tangentialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei die Versetzung der Breite (s) einer Ausnehmung (16) bzw. (s') einer Lamelle (20) entspricht, so dass einander jeweils eine Lamelle (20) und eine Ausnehmung (16) gegenüberliegen.
     
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetausch-Körper (17) aus einem Material mit hoher Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit bzw. geringer Materialdichte, vorzugsweise Aluminium oder faserverstärktem Kunststoffmaterial, besteht.
     
    7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauscher (13, 14) ein Plattenwärmetauscher (13', 14') mit einem Gehäuse (26) vorgesehen ist, in dem Platten (28) durch Zwischenräume (29, 29') getrennt angeordnet sind, in denen abwechselnd das Arbeitsmedium bzw. das Wärmeaustauschmedium geführt ist, wobei das Gehäuse (26) des Plattenwärmetauschers (13', 14') vorzugsweise mittels einer insbesondere hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung (32) mit einem Druck beaufschlagbar ist, welcher einer geringen Druckdifferenz zum Innendruck des Plattenwärmetauschers (13', 14') entspricht.
     
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsmediumraum mit einem Verdichter (35), insbesondere einem Zylinder-Kolben-Verdichter (35; 36, 37), verbunden ist, so dass im Betrieb das Volumen des Arbeitsmediums komprimiert wird, wobei sich vorzugsweise ein zur Ausübung des Drucks auf das Gehäuse (26) des Plattenwärmetauschers (13', 14') eingerichteter Flüssigkeitskanal (33) der hydraulischen Druckerzeugungsvorrichtung (32) in einen weiteren Flüssigkeitskanal (33') gabelt, der auf den Zylinder (36) des Zylinder-Kolben-Verdichters (35; 36, 37) wirkt.
     
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauschabschnitt (8', 10') der Verdichtungs- (8) bzw. der Entspannungskanäle (10) eine Turbulenzerzeugungseinrichtung (23) zur Erzeugung von Turbulenzen im strömenden Arbeitsmedium vorgesehen sind, wobei als Turbulenzerzeugungseinrichtung (23) vorzugsweise zumindest ein insbesondere bogenförmig gekrümmter Vorsprung (23') an einer Wand (24) der Verdichtungs- (8) bzw. Entspannungskanäle (10) oder Profilierungen an den Platten (28) des Plattenwärmetauschers (13', 14') vorgesehen ist.
     
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche der Verdichtungs-(8) bzw. Entspannungskanäle (10) in einem an ein Schaufelrad (12) anschließenden bzw. in einem dem Schaufelrad (12) vorangehenden Abschnitt in Bezug auf die Drehachse (3) radial nach außen erweitert, sich die Verdichtungs- (8) bzw. die Entspannungskanäle (10) vorzugsweise in Bezug auf die Drehachse (3) radial nach außen zumindest einmal in zwei Teilabschnitte (8a, 8b) gabeln, in denen der jeweilige Verdichtungs- (8) bzw. der Entspannungskanal (10) durch eine Teilungswand (22) in zwei Hälften geteilt ist.
     
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) tangential bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse (3) angeordnet ist, wobei die Teilungswand (22) von einer parallel zu einer durch die Drehachse (3) und die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums aufgespannten Ebene verlaufenden Mittelebene des Verdichtungs- (8) bzw. des Entspannungskanals (10) zu einer Saugseite des Verdichtungs- (8) bzw. des Entspannungskanals (10) hin versetzt angeordnet ist, wobei die Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) vorzugsweise zumindest abschnittsweise tangential bzw. senkrecht zur Drehachse (3) angeordnet ist, wobei die Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) insbesondere einen verdrillten Verlauf aufweist, wobei ein näher an der Drehachse (3) angeordneter Endbereich (22') der Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) im Wesentlichen tangential bzw. senkrecht zur Drehachse (3) angeordnet ist und ein weiter von der Drehachse (3) entfernter Endbereich (22'') der Haupterstreckungsebene der Teilungswand (22) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (3) verläuft.
     
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungskanäle (8) und die Entspannungskanäle (10) abschnittsweise in einem wärmeisolierenden, vorzugsweise aus Kunststoff hergestellten, Drehkörper (21) ausgebildet sind, wobei vorzugsweise eine mitrotierende blockförmige Einfassung (5) vorgesehen ist, in der die Wärmetauscher-Körper (17) und der Drehkörper (21) angeordnet sind, wobei die blockförmige Einfassung (5) insbesondere in einem stillstehenden äußeren Gehäuse (6) angeordnet ist.
     
    13. Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem um eine Drehachse (3) rotierenden Arbeitsmedium, welches einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft, wobei das Arbeitsmedium während einer Verdichtung in Bezug auf die Drehachse (3) im Wesentlichen radial nach außen und während einer Entspannung in Bezug auf die Drehachse (3) radial nach innen geführt wird, wobei eine Druckerhöhung bzw. eine Druckverringerung des Arbeitsmediums durch die auf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalkraft erzeugt wird, und das Arbeitsmedium Wärme an ein Wärmeaustauschmedium abgibt bzw. Wärme von einem Wärmeaustauschmedium aufnimmt, wobei der Wärmeaustausch über ein mit dem Arbeitsmedium um die Drehachse (3) mitrotierendes Wärmeaustauschmedium zumindest teilweise während der Verdichtung bzw. Entspannung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium während des Wärmeaustauschs benachbart und im Wesentlichen parallel zu dem Arbeitsmedium geführt wird.
     
    14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium vor dem Wärmeaustausch im Wesentlichen adiabat verdichtet bzw. adiabat entspannt wird, wobei zur Vermeidung bzw. Verringerung von Rückströmungen bzw. Turbulenzen eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in tangentialer Richtung die Beziehung


    erfüllt,
    wobei während des Wärmeaustauschs zur Erzielung von Rückströmungen bzw. Turbulenzen eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v des Arbeitsmediums, eine Winkelgeschwindigkeit w der Drehbewegung und eine Erstreckung a des Arbeitsmediums in tangentialer Richtung vorzugsweise die Beziehung


    erfüllt.
     
    15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschmedium und das Arbeitsmedium im Wärmetauschabschnitt (8', 10') mit gleicher Strömungsrichtung um die Drehachse (3) geleitet werden.
     


    Claims

    1. A device (1) for converting thermal energy of low temperature into thermal energy of higher temperature by means of mechanical energy and vice versa, comprising a rotor (2) that is rotatably supported about a rotational axis (3), in which rotor a flow channel for a working medium going through a closed cyclic process is provided, the flow channel comprising a compression channel (8) in which the working medium can be guided essentially radially outwards with respect to the rotational axis (3) to increase the pressure, an expansion channel in which the working medium can be guided essentially radially inwards with respect to the rotational axis (3) to reduce the pressure, and two connection channels (9, 11) extending essentially in parallel to the rotational axis (3), and furthermore heat exchangers (13, 14) for a heat exchange between the working medium and a heat exchange medium are provided, the compression channel (8) and the expansion channel (10) each comprising a heat exchange portion (8', 10'), allocated to which is a heat exchanger (13, 14) co-rotating with the compression channel (8) and the expansion channel (10), respectively, which heat exchanger is formed in each case by at least one heat exchange channel (15, 18) carrying the heat exchange medium, characterized in that the heat exchange channels (15, 18) are arranged in the area of the heat exchange portion (8', 10') adjacent to the compression channel (8) and the expansion channel (10), respectively, and extend essentially in parallel to the compression channel (8) and expansion channel (10), respectively.
     
    2. The device according to claim 1, characterized in that the heat exchange channel as well as the compression channel (8) and the expansion channel (10), respectively, are formed in the heat exchange portion (8', 10') by means of recesses (16), which are in particular formed by a milling process, in a joint, preferably disc-shaped or plate-shaped body (17), wherein in particular a plurality of compression channels (8) and expansion channels (10), respectively, arranged symmetrically around the rotational axis (3) preferably in regular angular distances as well as heat exchange channels (15, 18) are provided, which comprise each a heat exchange portion (8', 10', 15', 18') arranged in a recess (16) of the heat exchanger body (17).
     
    3. The device according to claim 2, characterized in that a compression channel (8) and an expansion channel (10), respectively, branches into at least two recesses (16) of the heat exchanger body (17) in the heat exchange portion (8', 10').
     
    4. The device according to claim 3, characterized in that fins (20) are arranged on sides lying opposite with regard to the main extension plane of the heat exchanger body (17), between which fins the recesses (16), open to the outside with regard to the heat exchanger body (17), are arranged to form the compression channels (8) or expansion channels (10) or heat exchange channels (15, 17), respectively, in the heat exchange portion (8', 10', 15', 18'), wherein preferably the fins (20) project from an all-over wall (19) on both sides, the wall thickness (d) of which wall preferably amounts to between 1mm and 20mm, wherein a width (s') of the fins (20) corresponds in particular to a width (s) of the recesses (16).
     
    5. The device according to claim 4, characterized in that the fins (20) and recesses (16), respectively, of the heat exchanger body (17) are arranged in tangential direction offset against one another, the offset corresponding to the width (s) of a recess (16) or width (s') of a fin (20), so that in each case a fin (20) and a recess (16) are facing each other.
     
    6. The device according to any of claims 1 to 5, characterized in that the heat exchanger body (17) consists of a material having a high strength and heat conductivity and low material density, preferably of aluminium or fibre-reinforced plastic material.
     
    7. The device according to claim 1, characterized in that the heat exchanger (13, 14) is a plate heat exchanger (13', 14') comprising a housing (26) in which plates (28) are arranged so as to be separated by spaces (29, 29') in which the working medium or the heat exchange medium is carried alternately, wherein a pressure can be applied on the housing (26) of the plate heat exchanger (13', 14') preferably by means of an especially hydraulic pressure producing device (32), which pressure corresponds to a low pressure difference relative to the internal pressure of the plate heat exchanger (13', 14').
     
    8. The device according to claim 7, characterized in that a working medium space is connected to a compressor (35), in particular a cylinder piston compressor (35; 36, 37), so that in operation the volume of the working medium is compressed, wherein preferably a liquid channel (33) of the hydraulic pressure producing device (32), which is arranged to exert pressure on the housing (26) of the plate heat exchanger (13', 14'), branches into a further liquid channel (33') which acts on the cylinder (36) of the cylinder piston compressor (35; 36, 37).
     
    9. The device according to any of claims 1 to 8, characterized in that a turbulence producing means (23) for causing turbulences in the flowing working medium is provided in the heat exchange portion (8', 10') of the compression channels (8) and the expansion channels (10), respectively, wherein the turbulence producing means (23) preferably in the form of at least one projection (23'), which is curved in particular and realized in an arcuate form, is provided on a wall (24) of the compression channels (8) and expansion channels (10), respectively, or is provided in the form of profile means on the plates (28) of the plate heat exchanger (13', 14').
     
    10. The device according to any of claims 1 to 9, characterized in that the cross-sectional area of the compression channels (8) and expansion channels (10), respectively, widens radially outwards in relation to the rotational axis (3) in a portion downstream of a blade wheel (12) and upstream of the blade wheel (12), respectively, the compression channels (8) and expansion channels (10), respectively, preferably branch radially outwards in relation to the rotational axis (3) at least once into two partial sections (8a, 8b), in which sections the respective compression channel (8) and expansion channel (10), respectively, is divided into two halves by a partition wall (22).
     
    11. The device according to claim 10, characterized in that the main extension plane of the partition wall (22) is arranged tangentially or essentially perpendicularly to the rotational axis (3), the partition wall (22) being arranged offset from a centre plane of the compression channel (8) and expansion channel (10), respectively, to a suction side of the compression channel (8) and expansion channel (10), respectively, which centre plane extends in parallel to a plane defined by the rotational axis (3) and the flow direction of the working medium, wherein the main extension plane of the partition wall (22) is arranged preferably at least in portions tangentially or perpendicularly to the rotational axis (3), wherein the main extension plane of the partition wall (22) has in particular a twisted course, an end portion (22') of the main extension plane of the partition wall (22), which end portion is positioned closer to the rotational axis (3), being arranged essentially tangentially or perpendicularly to the rotational axis (3) and an end portion (22'') of the main extension plane of the partition wall (22), which end portion is further away from the rotational axis (3), extending essentially in parallel to the rotational axis (3).
     
    12. The device according to any of claims 1 to 11, characterized in that the compression channels (8) and the expansion channels (10) are formed section by section in a heat-insulating rotational body (21) which is preferably made of plastics, wherein preferably a co-rotating, block-shaped enclosure (5) is provided, in which the heat exchanger body (17) and the rotational body (21) are arranged, wherein the block-shaped enclosure (5) is arranged in particular in a stationary external housing (6).
     
    13. A method for converting thermal energy of low temperature into thermal energy of higher temperature by means of mechanical energy and vice versa, comprising a working medium that rotates about a rotational axis (3), which working medium passes through a closed thermodynamic cyclic process, the working medium being guided essentially radially outwards during compression with respect to the rotational axis (3) and radially inwards during expansion with respect to the rotational axis (3), whereby a pressure increase or a pressure decrease in the working medium is generated by the centrifugal force acting on the working medium, and the working medium dissipates heat to a heat exchange medium or receives heat from a heat exchange medium, the heat exchange taking place via a heat exchange medium co-rotating with the working medium about the rotational axis (3) at least partially during compression or expansion, characterized in that during the heat exchanging process the heat exchange medium is guided adjacent and essentially in parallel to the working medium.
     
    14. The method according to claim 13, characterized in that the working medium is compressed essentially adiabatically or expanded adiabatically prior to the heat exchanging process, to avoid or reduce backflows or turbulences, an average flow velocity v of the working medium, an angular velocity w of the rotational motion and an extension a of the working medium in tangential direction meeting the correlation


    wherein during the heat exchanging process, to obtain backflows or turbulences, an average flow velocity v of the working medium, an angular velocity w of the rotational motion and an extension a of the working medium in tangential direction preferably meets the correlation


     
    15. The method according to claims 13 or 14, characterized in that the heat exchange medium and the working medium in the heat exchange portion (8', 10') are guided about the rotational axis (3) with the same flow direction.
     


    Revendications

    1. Dispositif (1) servant à convertir une énergie thermique à basse température en une énergie thermique à haute température au moyen d'une énergie mécanique, et inversement, comprenant un rotor (2) monté de manière à pouvoir tourner autour d'un axe de rotation (3), dans lequel un canal d'écoulement pour un fluide moteur traversant un processus cyclique fermé est prévu, sachant que le canal d'écoulement présente un canal de compression (8), dans lequel le fluide moteur peut être guidé essentiellement de manière radiale vers l'extérieur par rapport à l'axe de rotation (3) aux fins de l'augmentation de pression, un canal de détente, dans lequel le fluide moteur peut être guidé essentiellement de manière radiale vers l'intérieur par rapport à l'axe de rotation (3) aux fins de la réduction de pression, et deux canaux de liaison (9, 11) s'étendant essentiellement de manière parallèle par rapport à l'axe de rotation (3), et sachant que par ailleurs des échangeurs de chaleur (13, 14) sont prévus en vue d'un échange de chaleur entre le fluide moteur et un fluide caloporteur, sachant que le canal de compression (8) et le canal de détente (10) présentent respectivement une section d'échange de chaleur (8', 10'), à laquelle est associé respectivement un échangeur de chaleur (13, 14) entraîné en rotation avec le canal de compression (8) ou avec le canal de détente (10), lequel échangeur de chaleur est formé respectivement par au moins un canal d'échange de chaleur (15, 18) guidant le fluide caloporteur, caractérisé en ce que les canaux d'échange de chaleur (15, 18) sont disposés, dans la zone de la section d'échange de chaleur (8', 10'), de manière adjacente au canal de compression (8) ou au canal de détente (10) et s'étendent essentiellement de manière parallèle par rapport au canal de compression (8) ou au canal de détente (10).
     
    2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal d'échange de chaleur et le canal de compression (8) ou le canal de détente (10) dans la section d'échange de chaleur (8', 10') sont formés par des évidements (16), formés en particulier par des fraisages, pratiqués dans un corps (17) commun, présentant de préférence une forme de disque ou de plaque, sachant en particulier que sont prévus une pluralité de canaux de compression (8) ou de canaux de détente (10) ainsi que de canaux d'échange de chaleur (15, 18) disposés de préférence de manière symétrique par rapport à l'axe de rotation (3) à des distances angulaires régulières, lesquels présentent respectivement une section d'échange de chaleur (8', 10', 15', 18') disposée dans un évidement (16) du corps échangeur de chaleur (17).
     
    3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un canal de compression (8) ou un canal de détente (10) bifurque dans au moins deux évidements (16) du corps échangeur de chaleur (17) dans la section d'échange de chaleur (8', 10').
     
    4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que sont réalisées, au niveau de côtés se faisant face par rapport au plan d'extension principale du corps échangeur de chaleur (17), des lamelles (20), entre lesquelles les évidements (16), ouverts vers l'extérieur par rapport au corps échangeur de chaleur (17), servant à former les canaux de compression (8) ou les canaux de détente (10) ou les canaux d'échange de chaleur (15, 17) sont disposés dans la section d'échange de chaleur (8', 10', 15', 18'), sachant que de préférence les lamelles (20) font saillie des deux côtés d'une paroi (19) de surface pleine, dont l'épaisseur de paroi (d) est comprise de préférence entre 1 mm et 20 mm, sachant qu'une largeur (s') des lamelles (20) correspond en particulier à une largeur (s) des évidements (16).
     
    5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les lamelles (20) ou les évidements (16) du corps échangeur de chaleur (17) sont disposés de manière décalée les uns par rapport aux autres dans une direction tangentielle, sachant que le décalage correspond à la largeur (s) d'un évidement (16) ou (s') d'une lamelle (20) de sorte que respectivement une lamelle (20) et un évidement (16) se font face l'un l'autre.
     
    6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le corps échangeur de chaleur (17) est constitué d'un matériau présentant une résistance élevée et une conductivité thermique élevée ou une densité de matériau moindre, est constitué de préférence d'aluminium ou d'un matériau synthétique renforcé par des fibres.
     
    7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'est prévu, en tant qu'échangeur de chaleur (13, 14), un échangeur de chaleur à plaques (13', 14') pourvu d'un boîtier (26), dans lequel sont disposées des plaques (28) de manière séparée par des espaces intermédiaires (29, 29'), dans lesquels est guidé en alternance le fluide moteur ou le fluide caloporteur, sachant que le boîtier (26) de l'échangeur de chaleur à plaques (13', 14') peut être soumis à l'action d'une pression de préférence au moyen d'un dispositif de production de pression (32) en particulier hydraulique, laquelle pression correspond à une légère différence de pression par rapport à la pression interne de l'échangeur de chaleur à plaques (13', 14').
     
    8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'espace de fluide moteur est relié à un compresseur (35), en particulier à un compresseur à piston et à cylindre (35 ; 36, 37) de sorte que, en fonctionnement, le volume du fluide moteur est comprimé, sachant que de préférence un canal de liquide (33), mis au point afin d'appliquer la pression sur le boîtier (26) de l'échangeur de chaleur à plaques (13', 14'), du dispositif de production de pression (32) hydraulique bifurque dans un autre canal de liquide (33'), lequel agit sur le cylindre (36) du compresseur à piston et à cylindre (35 ; 36, 37).
     
    9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'est prévu, dans la section d'échange de chaleur (8', 10') des canaux de compression (8) ou des canaux de détente (10), un système de production de turbulences (23) servant à produire des turbulences dans le flux du fluide moteur, sachant qu'il est prévu, en tant que système de production de turbulences (23), de préférence au moins une partie faisant saillie (23') incurvée de manière à présenter en particulier une forme arquée, au niveau d'une paroi (24) des canaux de compression (8) ou des canaux de détente (10), ou des profilages, au niveau des plaques (28) de l'échangeur de chaleur à plaques (13', 14').
     
    10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la surface de la section transversale des canaux de compression (8) ou des canaux de détente (10) s'élargit radialement vers l'extérieur dans une section située dans le prolongement d'une roue à aubes (12) ou dans une section précédant la roue à aubes (12), par rapport à l'axe de rotation (3), en ce que les canaux de compression (8) ou les canaux de détente (10) bifurquent de préférence radialement vers l'extérieur de préférence par rapport à l'axe de rotation (3), au moins une fois en deux sections partielles (8a, 8b), dans lesquelles le canal de compression (8) respectif ou le canal de détente (10) respectif est divisé en deux moitiés par une paroi de division (22).
     
    11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le plan d'extension principale de la paroi de division (22) est disposé de manière tangentielle ou essentiellement de manière perpendiculaire par rapport à l'axe de rotation (3), sachant que la paroi de séparation (22) est disposée depuis un plan médian, s'étendant de manière parallèle par rapport à un plan étendu entre l'axe de rotation (3) et le sens d'écoulement du fluide moteur, du canal de compression (8) ou du canal de détente (10) de manière décalée en direction d'un côté d'aspiration du canal de compression (8) ou du canal de détente (10), sachant que le plan d'extension principale de la paroi de division (22) est disposé de préférence au moins par endroits de manière tangentielle ou de manière perpendiculaire par rapport à l'axe de rotation (3), sachant que le plan d'extension principale de la paroi de division (22) présente en particulier un contour torsadé, sachant qu'une zone d'extrémité (22'), disposée de manière plus proche de l'axe de rotation (3), du plan d'extension principale de la paroi de division (22) est disposée essentiellement de manière tangentielle ou perpendiculaire par rapport à l'axe de rotation (3) et qu'une autre zone d'extrémité (22''), davantage éloignée de l'axe de rotation (3), du plan d'extension principale de la paroi de division (22) s'étend essentiellement de manière parallèle par rapport à l'axe de rotation (3).
     
    12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les canaux de compression (8) et les canaux de détente (10) sont réalisés par endroits dans un corps de rotation (21) à isolation thermique, fabriqué de préférence à partir d'une matière synthétique, sachant qu'est prévue de préférence une enceinte (5), présentant une forme monobloc, à entraînement en rotation, dans laquelle sont disposés les corps échangeurs de chaleur (17) et le corps de rotation (21), sachant que l'enceinte (5) présentant une forme monobloc est disposée en particulier dans un boîtier (6) extérieur immobile.
     
    13. Procédé servant à convertir une énergie thermique à basse température en une énergie thermique à haute température au moyen d'une énergie mécanique, et inversement, comprenant un fluide moteur tournant autour d'un axe de rotation (3), lequel traverse un processus cyclique thermodynamique fermé, sachant que le fluide moteur est guidé essentiellement radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe de rotation (3) au cours d'une compression et radialement vers l'intérieur par rapport à l'axe de rotation (3) au cours d'une détente, sachant qu'une augmentation de pression ou une diminution de pression du fluide moteur est produite par la force centrifuge agissant sur le fluide moteur, et que le fluide moteur fournit de la chaleur à un fluide caloporteur ou absorbe de la chaleur d'un fluide caloporteur, sachant que l'échange de chaleur se fait au moins en partie au cours de la compression ou de la détente par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur entraîné en rotation avec le fluide moteur autour de l'axe de rotation (3), caractérisé en ce que le fluide caloporteur est guidé, au cours de l'échange de chaleur, de manière adjacente et essentiellement de manière parallèle par rapport au fluide moteur.
     
    14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le fluide moteur est compressé essentiellement de manière adiabatique ou est détendu de manière adiabatique avant l'échange de chaleur, sachant qu'afin d'éviter ou de réduire des reflux ou des turbulences, une vitesse moyenne de l'écoulement v du fluide moteur, une vitesse angulaire w du mouvement de rotation et une extension a du fluide moteur dans la direction tangentielle répondent à la formule


    sachant qu'au cours de l'échange de chaleur, afin d'atteindre des reflux ou des turbulences, une vitesse moyenne d'écoulement v du fluide moteur, une vitesse angulaire w du mouvement de rotation et une extension a du fluide moteur dans la direction tangentielle répondent de préférence à la formule


     
    15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le fluide caloporteur et le fluide moteur sont acheminés, dans la section d'échange de chaleur (8', 10'), selon une direction d'écoulement identique autour de l'axe de rotation (3).
     




    Zeichnung









































    Angeführte Verweise

    IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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    In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente