AT515217B1 - Vorrichtung und Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (20) und Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem Rotor (21) für ein einen geschlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, wobei der Rotor (21) eine Verdichtereinheit (23) mit mehreren Verdichtungskanälen (25) und eine Entspannungseinheit (24) mit mehreren Entspannungskanälen (26) aufweist, wobei der Rotor (21) weiters Wärmetauscher (1', 1'') für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium aufweist, und mit einem relativ zu dem Rotor (21) drehbaren Schaufelrad (30), wobei das Schaufelrad (30) zwischen im Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums zuführenden Zuleitungskanälen (31) und zumindest einem im Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums abführenden Ableitungskanal (32) des Rotors (21) angeordnet ist, wobei die Zuleitungskanäle (31) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) verlaufende, bis unmittelbar vor eine Eintrittsöffnung (33) des Schaufelrads (30) erstreckte Austrittsabschnitte (34) aufweisen, so dass einzelne Strömungen des Arbeitsmediums aus den Zuleitungskanälen (31) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) in das Schaufelrad (30) führbar sind.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie niedrigerTemperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und um¬gekehrt mit einem drehbar um eine Drehachse gelagerten Rotor für ein einen geschlossenenKreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, wobei der Rotor eine Verdichtereinheit mit mehre¬ren Verdichtungskanälen, in welchen Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckerhöhung inBezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen führbar sind, und eine Entspan¬nungseinheit mit mehreren Entspannungskanälen, in welchen Strömungen des Arbeitsmediumszur Druckverringerung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach innen führbarsind, aufweist, wobei der Rotor weiters Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischendem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium aufweist, und mit einem relativ zudem Rotor drehbaren Schaufelrad, welches in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur Auf¬rechterhaltung der Strömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oder ineinem Generatorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmediumsvorgesehen ist.

[0002] Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedri¬ger Temperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie undumgekehrt, wobei ein Arbeitsmedium in einem um eine Drehachse rotierenden Rotor einengeschlossenen Kreisprozess durchläuft, wobei mehrere Strömungen des Arbeitsmediums zurDruckerhöhung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen geführt wer¬den, wobei die Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckverringerung in Bezug auf die Dreh¬achse im Wesentlichen radial nach innen geführt werden, wobei ein Wärmeaustausch zwischendem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgenommen wird, wobei das Ar¬beitsmedium in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der Strömungendes Arbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oder in einem Generatorbetriebszu¬stand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums durch ein Schaufelrad geführtwird.

[0003] Aus dem Stand der Technik sind bereits rotierende Wärmepumpen bzw. Wärmekraftma¬schinen bekannt, bei denen ein gasförmiges Arbeitsmedium in einem geschlossenen thermo¬dynamischen Kreisprozess geführt wird.

[0004] In der WO 2009/015402 A1 ist eine Wärmepumpe beschrieben, bei der das Arbeitsme¬dium in einem Rohrleitungssystem eines Rotors einen Kreisprozess mit den Arbeitsschritten a)Verdichtung des Arbeitsmediums, b) Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium mittels eines Wärme¬tauschers, c) Entspannung des Arbeitsmediums und d) Wärmezufuhr zum Arbeitsmediummittels eines weiteren Wärmetauschers durchläuft. Die Druckerhöhung bzw. Druckverringerungdes Arbeitsmediums stellt sich vorwiegend durch die Zentrifugalbeschleunigung ein, wobei dasArbeitsmedium in einer Verdichtungseinheit bezüglich einer Drehachse radial nach außen undin einer Entspannungseinheit radial nach innen strömt. Die Wärmeabfuhr vom Arbeitsmediuman ein Wärmeaustauschmedium des Wärmetauschers erfolgt in einem axialen bzw. parallel zurDrehachse verlaufenden Abschnitt des Rohrleitungssystems, dem ein mitrotierender, das Wär¬meaustauschmedium aufweisender Wärmetauscher zugeordnet ist.

[0005] Darüber hinaus wurde bei diesem Stand der Technik bereits ein Schaufelrad eingesetzt,welches insbesondere dazu verwendet wird, um die Strömung des Arbeitsmediums im Rotati¬onsbetrieb aufrechtzuerhalten. Das Schaufelrad kann einerseits drehfest angeordnet sein,wobei sich aufgrund der drehfesten Anordnung eine Relativbewegung zu dem das Arbeitsmedi¬um führenden Rohrleitungssystem ergibt. Andererseits wurde bereits vorgeschlagen, dass demSchaufelrad ein Motor zur Erzeugung einer Relativbewegung zu dem Rohrleitungssystem zu¬geordnet ist. Weiters kann das Schaufelrad bei dieser Vorrichtung mit einem Generator verbun¬den sein, um die erzeugte Wellenleistung durch die Relativbewegung des Schaufelrades inelektrische Energie umzuwandeln.

[0006] Im Stand der Technik sind verschiedenste Schaufelräder zur Aufrechterhaltung einer

Fluidströmung bekannt, wobei solche Schaufelräder als Verdichter, Entspannungsturbinen oderLeiträder ausgeführt sein können. Im Stand der Technik sind als Grenzformen für die Durch¬strömungsart von Schaufelrädern einerseits axiale und andererseits radiale Ausführungenbekannt. Bei Mischformen wie diagonal durchströmten Schaufelrädern gelten weitgehend die¬selben Überlegungen für die radiale bzw. axiale Strömungskomponente. Bei Verwendung vonaxial durchströmten Schaufelrädern, sogenannten Axialventilatoren (bzw. allgemein Axialver¬dichter) oder Axialturbinen, kann im Wesentlichen eine herkömmliche Dimensionierung ange¬wendet werden. Die axiale Bauform hat jedoch den Nachteil, dass im Vergleich zur radialenBauform geringere Druckerhöhungen bewirkt werden können, wodurch die axialen Schaufelrä¬der meist mehrstufig aufgebaut werden müssen. Bei einer mehrstufigen Ausführung werdenzwischen den Schaufelrädern sogenannte Leiträder angebracht, um die Strömung umzulenken.Dadurch wird ein Drall mit der Rotation der umgebenden rotierenden Axialschaufeln erzeugt,der Drall im Wesentlichen vollständig aus der Strömung genommen oder ein Drall gegen dieDrehrichtung erzeugt. Hinsichtlich des Einbaus von radialen Schaufelrädern, welche gegenüberaxialen Schaufelrädern den Vorteil höherer Drücke pro Stufe haben und daher oft einstufigausgeführt werden können, wurde bisher auf eine Variante zurückgegriffen, wie sie auch beimehrstufigen Radialverdichtern bzw. Zentripetalturbinen verwendet wird, bei welchen dieSchaufelräder in einem stillstehenden Gehäuse angeordnet sind.

[0007] Bei umfangreichen Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass die vom Stand der Technikbekannte Anordnung der Schaufelräder bei gattungsgemäßen Vorrichtungen, bei welchen dieZu- und Ableitungen des Schaufelrads in dem Rotorgehäuse rotierend angeordnet sind, keinezufriedenstellende Ergebnisse liefert. Es wurde beobachtet, dass beispielsweise der Wirkungs¬grad eines Radialventilators von 80% bei nicht rotierendem Gehäuse auf 25% bei rotierendemGehäuse absinkt.

[0008] Demnach besteht ein großer Bedarf für Verbesserungen an den Schaufelrädern, um diekomplexen Randbedingungen während des mehrere Arbeitsschritte aufweisenden Prozessesinnerhalb des Rotors besser berücksichtigen zu können.

[0009] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine rotierende Vorrichtungzum Umwandeln thermischer Energie, wie eingangs angegeben, zu schaffen, bei welcher dieNachteile des Standes der Technik eliminiert bzw. zumindest deutlich gelindert werden. Dem¬nach setzt sich die Erfindung insbesondere zum Ziel, die Strömung des Arbeitsmediums um dieDrehachse mit möglichst geringen Energieverlusten aufrechtzuerhalten.

[0010] Erfindungsgemäß ist das Schaufelrad zwischen im Wärmepumpenbetriebszustand dieStrömung des Arbeitsmediums zuführenden Zuleitungskanälen und zumindest einem im Wär¬mepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums abführenden Ableitungskanaldes Rotors angeordnet, wobei die Zuleitungskanäle im Wesentlichen parallel zur Drehachseverlaufende, bis unmittelbar vor eine Eintrittsöffnung des Schaufelrads erstreckte Austrittsab¬schnitte auf, so dass einzelne Strömungen des Arbeitsmediums aus den Zuleitungskanälen imWesentlichen parallel zur Drehachse in das Schaufelrad führbar sind.

[0011] Demnach beruht die Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis, dass der Wirkungs¬grad des Schaufelrads dadurch wesentlich verbessert werden kann, dass das Arbeitsmediumvor dem Eintritt in das Schaufelrad in einzelnen Strömungen parallel zur Drehachse, d.h. inaxialer Richtung, geführt wird. Für die Zwecke dieser Offenbarung bedeutet die Erstreckung derAustrittsabschnitte der Zuleitungskanäle bis unmittelbar vor das Schaufelrad, dass die Strö¬mungen des Arbeitsmediums in den Zuleitungskanälen nicht zusammengeführt, sondern ge¬trennt voneinander dem Schaufelrad zugeführt werden. Bevorzugt sind die Austrittsabschnitteder Zuleitungskanäle in regelmäßigen Winkelabständen und in demselben radialen Abstand umdie Drehachse angeordnet. Demnach werden mehrere axiale Strömungen des Arbeitsmediumsin das Schaufelrad eingeleitet. Danach strömt das Arbeitsmedium in den zumindest einen Ablei¬tungskanal des Rotors. Demnach wird das Arbeitsmedium aus dem Schaufelrad direkt, d.h.ohne Zwischenschaltung eines stillstehenden Gehäuses, in den Rotor geführt. Der Rotor bildetdaher ein rotierendes Gehäuse für das Schaufelrad, welches das Schaufelrad vorzugsweise vollständig umschließt. Das Arbeitsmedium wird also durch das im Inneren des Rotors befindli¬che Schaufelrad geführt, wobei das Arbeitsmedium anders als beim Stand der Technik nicht ineinem stillstehenden Gehäuse geführt wird. Dadurch kann die Strömungsenergie des Arbeits¬mediums beim Durchlaufen des Kreisprozesses im Wesentlichen beibehalten werden. Vorteil¬haft ist zudem, dass dynamische Dichtungen des Arbeitsmediums zur Umgebung nicht erforder¬lich sind. Bei der herkömmlichen Auslegung von Schaufelrädern war ein stillstehendes Gehäu¬se vorgesehen. Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Rotor vorgese¬hen, so dass die das Schaufelrad umgebenden Komponenten im Betrieb rotieren. Um die un¬terschiedliche Einbausituation zu berücksichtigen, wäre es naheliegend gewesen, allein dierelativen Drehzahlen zwischen dem Schaufelrad und dem Rotor zu betrachten, d.h. die Diffe¬renzdrehzahl zwischen der absoluten Rotordrehzahl und der absoluten Schaufelraddrehzahl.Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Betrachtung grundlegend fehlschlägt. Bei der im Standder Technik üblichen radialen Zuströmung des Arbeitsmediums von den rotierenden Zulei¬tungskanälen in das Schaufelrad entsteht beim radialen Austritt aus dem Zuleitungskanal,insbesondere durch die Coriolisbeschleunigung, ein Drall, der bei einer Strömung, vom relati¬ven, rotierenden System aus betrachtet, radial nach innen entgegen der Drehrichtung ausgebil¬det ist. Dieser Drall verändert die Charakteristik der Einströmung, insbesondere die Geschwin¬digkeitsdreiecke, maßgeblich, wodurch eine Dimensionierung nach herkömmlichen Methodenerfolglos sein musste. Erfindungsgemäß wird das Arbeitsmedium jedoch in axialer Richtung ausden das Arbeitsmedium befördernden Zuleitungskanälen herausgeführt. Dies hat vorteilhafter¬weise zur Folge, dass die Coriolisbeschleunigung annähernd null wird und sich kein bzw. keinwesentlicher Drall einstellt. Dadurch ist der Übertritt ins Schaufelrad einfacher berechenbar undvorteilhafterweise auch nicht von den Drehzahlen des Schaufelrades sowie des umgebendenGehäuses des Rotors als auch nicht von der relativen Strömungsgeschwindigkeit abhängig.

[0012] Um einen stabilen Betrieb zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn eine möglichst gerin¬ge Anzahl von radialen Ableitungskanälen an das Schaufelrad angeschlossen wird. Je geringerdie Anzahl der angeschlossenen radialen Ableitungskanäle ist, desto stabiler ist der Betrieb, dadie Wahrscheinlichkeit eines Strömungsabrisses eines Ableitungskanales mit sinkender Anzahlan Ableitungskanälen immer geringer wird. In einer bevorzugten Ausführung ist daher genauein Ableitungskanal pro Schaufelrad vorgesehen. Bei dieser Ausführung wird daher für jedenAbleitungskanal, der radial nach außen geführt wird, genau ein Schaufelrad vorgesehen, wobeimehrere Schaufelräder (und eine entsprechende Anzahl von Ableitungskanälen) vorgesehensein können. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist bei einer alternativen bevorzugten Ausfüh¬rung vorgesehen, dass das Schaufelrad mit mindestens drei Ableitungskanälen verbunden ist.Bevorzugt sind nicht mehr als zwölf Ableitungskanäle an das Schaufelrad angeschlossen. Diebeschriebene Ausführung bezieht sich lediglich auf die Anzahl der direkt radial vom Schaufelradwegführenden Ableitungskanäle. Es ist jedoch durchaus möglich, dass ein radialer Ableitungs¬kanal im achsfernen Bereich, vorzugsweise nach einer Umlenkung in die axiale Richtung, inmehrere Wärmetauscherkanäle aufgeteilt wird.

[0013] Um beim Durchströmen der Verdichtungs- und Entspannungskanäle Druckunterschiedemit hohen Wirkungsgraden zu erzielen, jedoch die Ausbildung von Drallströmungen vor demEintritt in das Schaufelrad zuverlässig zu verhindern, ist es günstig, wenn die Zuleitungskanäleim Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Zuleitungsabschnitte aufweisen, welche zwi¬schen den Austrittsabschnitten und in Bezug auf die Drehachse inneren Wärmetauschern an¬geordnet sind. Die Zuleitungsabschnitte sind vorzugsweise länger als die Austrittsabschnitte derZuleitungskanäle.

[0014] Um einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaus¬tauschmedium bei höherer Temperatur zu bewerkstelligen, ist es günstig, wenn der zumindesteine Ableitungskanal mit den Verdichtungskanälen verbunden ist, welche mit in Bezug auf dieDrehachse äußeren Wärmetauschern verbunden sind.

[0015] Um den Kreisprozess im Betrieb mit möglichst geringem Energieaufwand aufrechtzuer¬halten, ist es günstig, wenn das Schaufelrad in radialer Richtung näher an der Drehachse alsder innere Wärmetauscher angeordnet ist, wobei das Schaufelrad bevorzugt konzentrisch um die Drehachse des Rotors angeordnet ist. Demnach sind die Drehachsen des Rotors und desSchaufelrads bevorzugt fluchtend angeordnet. Dadurch kann eine besonders effiziente Be¬triebsweise erzielt werden.

[0016] Um die radialen Strömungen des Arbeitsmediums in den Zuleitungskanälen vor demEintritt in das Schaufelrad in axiale Strömungen umzuwandeln, ist es von Vorteil, wenn dieZuleitungskanäle an den Austrittsabschnitten bogenförmig gekrümmte Wandungen aufweisen,welche eine Umlenkung des Arbeitsmediums um im Wesentlichen 90° von den Zuleitungsab¬schnitten in die Austrittsabschnitte bewirken. Durch die bogenförmigen Wandungen der Ent¬spannungskanäle am Austrittsende kann das Arbeitsmedium kontinuierlich in eine axiale Strö¬mung umgelenkt werden, wobei die Strömungen des Arbeitsmediums durch die Umlenkungnicht bzw. nur unwesentlich gestört werden.

[0017] Um die Strömungen des Arbeitsmediums einzeln, d.h. im Wesentlichen unvermischtbzw. getrennt voneinander, in das Schaufelrad einzuleiten, ist es vorteilhaft, wenn die Austritts¬abschnitte der Zuleitungskanäle zwischen im Wesentlichen in radialer und axialer Richtung zurDrehachse erstreckten Trennelementen, insbesondere im Wesentlichen ebenen Trennwänden,gebildet sind. Durch die Anordnung von Trennwänden kann auf besonders einfache Weiseerreicht werden, dass die axialen Strömungen des Arbeitsmediums in den Austrittsabschnittender Zuleitungskanäle unvermischt und im Wesentlichen drallfrei in Bezug auf den rotierendenRotor, der das Gehäuse für das Schaufelrad darstellt, in das Schaufelrad geführt werden.

[0018] Für eine bessere Regelbarkeit, insbesondere im Teillastbereich, ist es günstig, wenn dieTrennelemente vor dem Schaufelrad verstellbar sind. Vorteilhafterweise kann so ein definierterEintrittsdrall erzeugt werden, welcher über die Trennelemente eingestellt werden kann. ImUnterschied zu dem beim Stand der Technik am Eintritt in das Schaufelrad auftretenden Drallaufgrund der Coriolisbeschleunigung lässt sich dieser definierte Eintrittsdrall bei der Auslegungder Vorrichtung berechnen bzw. simulieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird üblicher¬weise für einen bestimmten Betriebspunkt ausgelegt. Hierbei kann insbesondere der Eintritts¬winkel der Trennelemente derart dimensioniert werden, dass die Strömung bei Betrachtung imrelativen, rotierenden Schaufelrad-System einen stetigen Übergang, d.h. ein Einströmen ohnewesentliche Richtungsänderung, in den Schaufelbereich des Schaufelrades aufweist. Bei einerDrehzahlveränderung des Schaufelrades und/oder bei variierenden relativen Strömungsge¬schwindigkeiten, also bei einem Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes, ändern sich übli¬cherweise die Einströmwinkel der Strömung, wodurch eine unstetige Einströmung in denSchaufelbereich des Schaufelrades entstehen würde. Dieser Effekt reduziert den Wirkungsgraddes Schaufelrades bei Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes. Um diesen Nachteil zu be¬heben, können die Trennelemente für einen Betrieb außerhalb des Auslegungspunktes derartverstellt werden, dass das Arbeitsmedium, bezogen auf das relative, rotierende Schaufelrad-System, beim Eintritt in den Schaufelbereich des Schaufelrades in stetiger Weise strömt.Dadurch kann der Wirkungsgrad erhöht werden. Das Schaufelrad kann durch diese Maßnahmezudem einen höheren Druck und einen höheren maximalen Volumenstrom erzeugen, wodurchder Einsatzbereich erweitert wird.

[0019] Zur Aufrechterhaltung der Strömung des Arbeitsmediums beim Durchlaufen des Kreis¬prozesses ist es günstig, wenn das Schaufelrad eine Mehrzahl von insbesondere bogenförmiggekrümmten Schaufeln aufweist. Durch die Schaufeln wird das Arbeitsmedium in Umfangrich¬tung in Bezug auf die Drehachse beschleunigt, bevor das Arbeitsmedium über Austrittsöffnun¬gen zwischen den äußeren Kanten der Schaufeln des Schaufelrads in die Verdichtungskanälegeführt wird.

[0020] Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist das Schaufelrad auf der der Drehachsezugewandten Seite einen von Schaufeln freien Radialabschnitt auf. In dem ringförmigen Radi¬alabschnitt des Schaufelrads werden die in den Zuleitungskanälen getrennt geführten Strömun¬gen des Arbeitsmediums zusammengeführt. Dadurch kann das Arbeitsmedium in dem Radial¬abschnitt homogenisiert werden, bevor das vom Radialabschnitt radial nach außen strömendeArbeitsmedium durch die rotierenden Schaufeln beschleunigt und danach in die Ableitungska- näle abgeführt wird.

[0021] Um das in axialer Richtung einströmende Arbeitsmedium den Schaufeln zuzuführen, istes günstig, wenn das Schaufelrad an dem Radialabschnitt eine bogenförmig gekrümmte Um¬lenkwand aufweist, mit welcher das Arbeitsmedium um im Wesentlichen 90° in radialer Rich¬tung umlenkbar ist.

[0022] Um die Strömungsenergie des Arbeitsmediums im Wesentlichen beizubehalten, ist esvorteilhaft, wenn der zumindest eine Ableitungskanal einen schräg zur radialen Richtung ange¬ordneten Eintrittsabschnitt aufweist, welcher mit einem im Wesentlichen in radialer Richtungverlaufenden Ableitungsabschnitt verbunden ist. Der Eintrittsabschnitt des Ableitungskanalserstreckt sich bevorzugt in jene Richtung, in der sich ein stetiger Übergang der Strömung, d.h.in der ein Einströmen ohne wesentliche Richtungsänderung vorhanden ist, ergibt. Dies wird beider Auslegung durch Vektorenaddition erzielt. Demnach wird das Arbeitsmedium in tangentialerRichtung, bezogen auf eine im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmige Umhüllende bzw.Außenfläche des Schaufelrads, in die Eintrittsabschnitte eingebracht, welche mit den im We¬sentlichen in radialer Richtung verlaufenden Ableitungsabschnitten verbunden sind. Die Ein¬trittsabschnitte und die Verdichtungsabschnitte sind bevorzugt über bogenförmig gekrümmteÜbergangsabschnitte miteinander verbunden.

[0023] Um das Schaufelrad anzutreiben und so das Arbeitsmedium beim Durchgang zu be¬schleunigen bzw. um die Rotationsenergie des Schaufelrads zu nutzen, ist es von Vorteil, wenndas Schaufelrad eine insbesondere parallel zur Drehachse des Rotors rotierbare Schaufelrad¬welle aufweist, welche mit einem Motor oder mit einem Generator verbunden ist. Demnachkann das Schaufelrad einerseits mit einem Motor verbunden sein, um eine Relativbewegungzwischen dem Rotor und dem Schaufelrad zu erzeugen. Bei dieser Ausführung ist das Schau¬felrad in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der Kreisführung desArbeitsmediums eingerichtet. Andererseits kann das Schaufelrad mit einem Generator verbun¬den sein, um die an der Schaufelradwelle vorliegende Wellenleistung durch die Relativbewe¬gung des Schaufelrades in elektrische Energie umzuwandeln. Bei einer solchen Verwendungder Vorrichtung wird aufgrund der unterschiedlichen Temperaturniveaus an den Wärmetau¬schern eine Strömung in der Art eines Naturumlaufes erhalten. Die Energie der Strömung wirddann in dem als Turbine wirkenden Schaufelrad in Wellenleistung umgewandelt, welche inweiterer Folge mittels eines Generators in elektrischen Strom umgewandelt wird. Vorzugsweisewird ein Teil dieser Energie für einen Motor aufgewendet, welcher den Rotor antreibt. In dervorliegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Eintritt" und „Austritt" auf die Funktion desSchaufelrades zur Aufrechterhaltung der Strömung des Arbeitsmediums um die Drehachse, d.h.wenn das Schaufelrad in einem Wärmepumpenbetriebszustand als Ventilator verwendet wird.Bei der Funktion des Schaufelrades als Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie ist dieStrömungsrichtung des Arbeitsmediums vertauscht, so dass beispielsweise die Austrittsab¬schnitte der Zuleitungen zu den Eintrittsabschnitten der Ableitungen werden.

[0024] In einer bevorzugten Ausführung fallen die Drehachsen des Schaufelrads und des Ro¬tors zusammen. Wenn die Schaufelradwelle fluchtend auf der Welle des Rotors angeordnetwird, können vorteilhafterweise keine asymmetrischen Kräfte aufgrund der Zentrifugalbeschleu¬nigung auf die Lagerung des Schaufelrads entstehen. Bevorzugt ist ein eigener Mo-tor/Generator für die Schaufelradwelle vorgesehen, so dass das Schaufelrad unabhängig vondem die Verdichtungs- und Entspannungskanäle aufweisenden Rotor antreibbar ist; in diesemFall ist der Rotor mit einem zweiten Motor verbunden. Alternativ kann auch derselbe Motor fürden Antrieb des Schaufelrads und des Rotors bzw. derselbe Generator für die Nutzung derRotationsenergie des Schaufelrads und des Rotors verwendet werden.

[0025] Es hat sich überraschend als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Motor zur Rotation desSchaufelrads in derselben Drehrichtung wie der Rotor mit den Entspannungs- und Verdich¬tungskanälen für das Arbeitsmedium eingerichtet ist. Vorteilhafterweise kann bei einer Rotationdes Schaufelrads in die gleiche Richtung wie der Hauptrotor das Beschleunigungsfeld desHauptrotors ausgenutzt werden. Dadurch kann die Effizienz des Schaufelrades sogar gegen¬ über einer Anordnung mit nicht rotierendem Gehäuse erhöht werden, da der Verdichtungsanteilim Schaufelrad selbst aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung erhöht wird und diese Verdich¬tung einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist als die Druckerhöhung aufgrund von Ge¬schwindigkeitsänderungen, welche beispielsweise beim Übertritt von dem Schaufelrad zu demAbleitungskanal erfolgen.

[0026] Die erfindungsgemäße Vorrichtung nützt die Zentrifugalbeschleunigung beim Durch¬strömen der Verdichtungs- und Entspannungskanäle des Rotors, um verschiedene Druck- bzw.Temperaturniveaus des Arbeitsmediums zu erzeugen. Zur Umwandlung von thermischen Ener¬gie des Arbeitsmediums mittels kinetischer Energie und umgekehrt ist es günstig, wenn zumin¬dest ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher und zumindest ein in Bezug aufdie Drehachse äußerer Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedi¬um und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehen sind. Die Wärmetauscher sind in demRotor mitrotierend angeordnet. Je nach Strömungsrichtung des Arbeitsmediums kann die Vor¬richtung einerseits als Wärmepumpe, bei welcher der Rotor mit einem Antrieb in Drehbewegungversetzt wird und die Kreislaufströmung durch einen Ventilator erzeugt wird, betrieben werden.Die umgekehrte Strömungsrichtung entspricht einem Betrieb als Wärme-Kraft-Maschine zurErzeugung von elektrischem Strom, wobei unterschiedliche Temperaturniveaus zur Erzeugungeiner Strömung genutzt werden, welche in dem als Turbine wirkenden Schaufelrad in mechani¬sche Energie umgewandelt wird, die schließlich in einem Generator in elektrische Energieumgewandelt wird. In diesem Betriebszustand wird der Rotor mit einem Motor angetrieben,welcher z.B. durch die gewonnene elektrische Energie aus der Turbine versorgt wird.

[0027] Bevorzugt sind die Wärmetauscher im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotorsangeordnet. Die Wärmetauscher sind hierbei zwischen die Verdichtungs- und Entspannungs¬kanäle geschaltet.

[0028] Der innere Wärmetauscher ist für einen Wärmeaustausch bei niedrigerer Temperaturund der äußere Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch bei höherer Temperatur vorgese¬hen.

[0029] Zur Erhöhung der Leistung der Vorrichtung ist es günstig, wenn jeweils mehrere innereWärmetauscher und äußere Wärmetauscher vorgesehen sind. Bevorzugt sind die innerenWärmetauscher einerseits und die äußeren Wärmetauscher andererseits in regelmäßigenWinkelabständen bezüglich der Drehachse angeordnet. Bevorzugt sind ebenso viele innerebzw. äußere Wärmetauscher wie Verdichtungs- und Entspannungskanäle vorgesehen. Dem¬nach sind die inneren und die äußeren Wärmetauscher paarweise über jeweils einen Verdich¬tungs- und einen Entspannungskanal miteinander verbunden. Darüber hinaus ist bevorzugtvorgesehen, dass die Anzahl der Zuleitungs- und Ableitungskanäle für das Schaufelrad derAnzahl der inneren bzw. äußeren Wärmetauscher entspricht.

[0030] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung entspricht die Anzahl der inneren Wär¬metauscher einem Vielfachen der äußeren Wärmetauscher oder umgekehrt.

[0031] Der Wärmeaustausch kann besonders effizient gestaltet werden, wenn der zumindesteine innere Wärmetauscher und der zumindest eine äußere Wärmetauscher im Wesentlichenparallel zur Drehachse erstreckt sind, wobei die Verdichtungs- und Entspannungskanäle zwi¬schen dem inneren Wärmetauscher und dem äußeren Wärmetauscher verlaufen. Bevorzugtsind mehrere innere Wärmetauscher und mehrere äußere Wärmetauscher vorgesehen, welchejeweils in gleichen radialen Abständen zur Drehachse angeordnet sind. Bei dieser Ausführungist zudem bevorzugt vorgesehen, dass eine der Zahl der inneren bzw. äußeren Wärmetauscherentsprechende Anzahl von Verdichtungs- bzw. Entspannungskanälen vorgesehen ist.

[0032] Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei welcher das Schaufelrad mehrere hinter¬einander von dem Arbeitsmedium durchströmbare Schaufelradstufen aufweist. Die Zuleitungs¬kanäle weisen bei dieser Ausführung im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufendeAustrittsabschnitte auf, welche bis unmittelbar vor die Eintrittsöffnung der in Strömungsrichtunggesehen ersten Schaufelradstufe erstreckt sind. Die aufeinanderfolgenden Schaufelradstufen sind jeweils über eine Umlenkung miteinander verbunden, mit welcher das Arbeitsmediumzwischen den Schaufelradstufen umgelenkt wird. Bevorzugt weist die Umlenkung im Wesentli¬chen parallel zur Drehachse verlaufende Austrittsabschnitte auf, welche bis unmittelbar vor dieEintrittsöffnung der in Strömungsrichtung gesehen folgenden Schaufelradstufe erstreckt sind.Dadurch wird das Arbeitsmedium stets bis vor die nächste Schaufelradstufe geführt und inRichtung der Drehachse eingeleitet. Die in Strömungsrichtung gesehen letzte Schaufelradstufeist mit dem zumindest einen Ableitungskanal verbunden.

[0033] Bei dem Kreisprozess wird für einen steigenden Massenstrom eine nicht stetig steigendeDruckdifferenz an dem Schaufelrad beobachtet. Demnach wird speziell bei niedrigen Massen¬strömen und hohen Drehzahlen des Rotors mit steigendem Massenstrom eine fallende Druck¬differenz am Schaufelrad hervorgerufen, bevor diese wieder ansteigt. Aus diesem Grund ist esgünstig, wenn ein Schaufelrad verwendet wird, das einen möglichst steilen Verlauf aufweist,d.h. dass bei einer bestimmten Drehzahl des Schaufelrades sowie einer Hauptrotordrehzahl abdem Erreichen des maximalen Drucks ein möglichst steil abfallender Verlauf bevorzugt wird. Einderartiger Verlauf wird insbesondere mit mehrstufigen Schaufelrädern erzielt. Da die Prozess¬kennlinie (d.h. der benötigte Druck über dem Massenstrom) und die Schaufelkennlinie (d.h. dererzeugte Druck über dem Massenstrom) in der Regel zwei Schnittpunkte aufweisen, jedoch nureiner davon ein stabiler Betriebspunkt ist, wäre eine vertikale Kennlinie für die Druckerzeugungideal. Dies könnte beispielsweise durch Verdrängermaschinen (wie z.B. Kolbenmaschinen)realisiert werden. Eine mehrstufige Druckerhöhung mit Schaufelrädern erzielt jedoch in vorteil¬hafter Weise einen ähnlichen Effekt, indem ab einem bestimmten Punkt ein sehr steiler Verlauferzielt wird.

[0034] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren der ein¬gangs angeführten Art gelöst, bei welchem einzelne Strömungen des Arbeitsmediums in demWärmepumpenbetriebszustand bis unmittelbar vor das Schaufelrad geführt und im Wesentli¬chen parallel zur Drehachse in das Schaufelrad eingeleitet werden. Demnach werden die Strö¬mungen des Arbeitsmediums einzeln bzw. getrennt voneinander und in axialer Richtung in dasSchaufelrad geführt.

[0035] Die Vorteile und technischen Effekte dieses Verfahrens ergeben sich aus den vorste¬henden Erläuterungen, auf welche hiermit verwiesen werden kann.

[0036] Überraschenderweise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Schaufelrad inderselben Drehrichtung und mit einer höheren absoluten Drehzahl wie der Rotor mit den Ent-spannungs- und Verdichtungskanälen rotiert wird. Durch die Rotation des Schaufelrads in Dreh¬richtung des Rotors wird eine höhere absolute Drehzahl des Schaufelrads vorgesehen, welcheeine entsprechend höhere Zentrifugalbeschleunigung und damit eine effizientere Verdichtungdes Arbeitsmediums bewirkt. Bei gleicher Drehrichtung von Schaufelrad und Rotor wird derzentrifugale Verdichtungseffekt anteilsmäßig erhöht und dadurch die Effizienz gesteigt.

[0037] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugtenAusführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. ImEinzelnen zeigen in der Zeichnung: [0038] Fig. 1 schematisch eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie, bei der ein Arbeitsmedium in einem Ro¬tor einen geschlossenen Kreisprozess durchläuft, wobei der Kreisprozess mit¬tels eines rotierenden Schaufelrads geschlossen wird; [0039] Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1, wobei der besseren Über¬ sicht halber nur die für die Funktion des Schaufelrads relevanten Bauteile ge¬zeigt sind; [0040] Fig. 2a ein Temperatur/Entropie - Diagramm des in der erfindungsgemäßen Vorrich¬ tung durchgeführten Kreisprozesses; [0041] Fig. 3 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 1, 2 im Bereich des Schaufel¬ rads; [0042] Fig. 4 einen Querschnitt der Vorrichtung gemäß der Linie IV-IV in Fig. 2 im Bereich des Schaufelrads, wobei die Austrittsabschnitte der Zuleitungskanäle einerseitsund die Eintrittsabschnitte der Ableitungskanäle andererseits ersichtlich sind; [0043] Fig. 5 eine schematische schaubildliche Ansicht von Teilen des Rotors im Bereich der

Zuleitungskanäle, welche vor dem Eintritt in das Schaufelrad in axialer Richtungverlaufende Austrittsabschnitte aufweisen; [0044] Fig. 6 schematisch eine schaubildliche Ansicht des Schaufelrads der in Fig. 1 bis 5 dargestellten Vorrichtung; und [0045] Fig. 7 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 3 im Bereich des Schaufelrads, welches bei dieser Ausführung mehrere hintereinander durchströmbare Schau¬felradstufen aufweist.

[0046] Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 20 zur Umwandlung von Wärmeenergie mittels mechani¬scher Energie und umgekehrt, welche in der gezeigten Ausführung als Wärmepumpe verwen¬det wird. Die Vorrichtung 20 umfasst einen Rotor 21, der mittels eines (nicht dargestellten)Motors um eine Drehachse 22 rotierbar ist. Der Rotor 21 weist eine Verdichtereinheit 23 undeine Entspannungseinheit 24 auf, welche Strömungskanäle für ein Arbeitsmedium aufweisen.Beim Durchströmen des Rotors 21 durchläuft das Arbeitsmedium, beispielsweise ein Edelgas,einen geschlossenen Kreisprozess, welcher die Arbeitsschritte a) Verdichtung des Arbeitsmedi¬ums, b) Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmediumin einem äußeren Wärmetauscher T, c) Entspannung des Arbeitsmediums und d) Wärmeaus¬tausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium in einem innerenWärmetauscher 1" aufweist. Zu diesem Zweck weist die Verdichtereinheit 23 im Wesentlichenin radialer Richtung verlaufende Verdichtungskanäle 25 auf, in welchen das Arbeitsmedium mitBezug auf die Drehachse 22 in radialer Richtung nach außen strömt. Aufgrund der Zentrifugal¬beschleunigung wird das Arbeitsmedium in den Verdichtungskanälen 25 verdichtet. Entspre¬chend wird das Arbeitsmedium zur Druckverringerung in Entspannungskanälen 26 der Ent¬spannungseinheit 24 im Wesentlichen radial nach innen geführt.

[0047] Die Verdichtereinheit 23 und die Entspannungseinheit 24 sind durch axial, d.h. in Rich¬tung der Drehachse 22, verlaufende Strömungskanäle miteinander verbunden, in denen einWärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium, bei¬spielsweise Wasser, erfolgt. Zu diesem Zweck sind in Bezug auf die Drehachse äußere Wärme¬tauscher T und innere Wärmetauscher 1" vorgesehen, welche im Wesentlichen parallel zurDrehachse 22 erstreckt sind. Wenn die Vorrichtung 20 als Wärmepumpe betrieben wird, gibtdas in den Verdichtungskanälen 25 verdichtete Arbeitsmedium in den äußeren Wärmetau¬schern T Wärme an ein Wärmeaustauschmedium einer ersten, vergleichsweise hohen Tempe¬ratur ab, wobei das in den Entspannungskanälen 26 entspannte Arbeitsmedium Wärme vomWärmeaustauschmedium einer zweiten, vergleichsweise niedrigen Temperatur aufnimmt.Demnach wird die auf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalbeschleunigung dazu ausge¬nützt, um verschiedene Druckniveaus bzw. Temperaturniveaus zu erzeugen. Dem verdichtetenArbeitsmedium wird Wärme hoher Temperatur entzogen, und dem entspannten Arbeitsmediumwird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt. In einem Betrieb der Vorrichtung20 als Motor werden die Strömungskanäle vom Arbeitsmedium in umgekehrter Richtung durch¬strömt. Entsprechend ändert sich der Wärmeaustausch, wobei am äußeren Wärmetauscher 1 ’Wärme dem Arbeitsmedium zugeführt und am inneren Wärmetauscher 1" Wärme dem Ar¬beitsmedium entzogen wird.

[0048] Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, sind jeweils mehrere, in der gezeigten Ausführungzwölf, innere Wärmetauscher T und mehrere, in der gezeigten Ausführung zwölf, äußere Wär¬metauscher T vorgesehen, welche in regelmäßigen Winkelabständen bezüglich der Drehachseangeordnet sind. Die inneren Wärmetauscher T und die äußeren Wärmetauscher T sind jeweils im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 erstreckt, wobei die Verdichtungs- 23 und Entspan¬nungskanäle 25 zwischen den inneren Wärmetauschern 1' und den äußeren Wärmetauschern1' verlaufen.

[0049] In Fig. 2 sind Teile der Vorrichtung 20 im Längsschnitt dargestellt, wobei lediglich einerder inneren Wärmetauscher 1" und einer der äußeren Wärmetauscher T eingezeichnet sind.Darüber hinaus ist in Fig. 2 ein Schaufelrad 30 ersichtlich, mit welchem in der gezeigten Ausfüh¬rung die Strömung des Arbeitsmediums um die Drehachse 22 aufrechterhalten wird. DasSchaufelrad 30 ist einerseits mit Zuleitungskanälen 31 verbunden, welche das Arbeitsmediumvon den inneren Wärmetauschern 1" übernehmen. Darüber hinaus ist das Schaufelrad 30 mitAbleitungskanälen 32 verbunden, mit welchen das Arbeitsmedium in die Verdichtungskanäle 25der Verdichtereinheit 23 geführt wird. Die Verdichtungskanäle 25 sind mit den äußeren Wärme¬tauscher T verbunden.

[0050] Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, ist das Schaufelrad 30 in radialer Richtung näher ander Drehachse 22 als der innere Wärmetauscher 1" angeordnet. In der gezeigten Ausführungist die Drehachse des Schaufelrades 30 fluchtend auf der Drehachse 22 des Rotors 21 ange¬ordnet, um die Belastungen aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung auf die Lagerung der Welledes Schaufelrades 30 zu reduzieren.

[0051] Fig. 2a zeigt ein Temperatur (T) - Entropie (S) - Diagramm, wobei die einzelnen Zustän¬de des Arbeitsmediums mit Z1 bis Z7 bezeichnet sind. In Fig. 2 sind entsprechend die Positio¬nen innerhalb der Vorrichtung 20 markiert, an welchen das Arbeitsmedium die Zustände Z1 bisZ7 im Wesentlichen erreicht. Demnach werden bei einem Betrieb als Wärmepumpe die folgen¬den Prozessschritte durchlaufen (bei einem Betrieb als Wärme-Kraft-Maschine würde der Krei¬sprozess in umgekehrter Richtung durchgeführt): [0052] - 1 nach 2: im Wesentlichen isentrope Verdichtung aufgrund der Hauptrotation vomRadius Z1 des achsnahen Wärmetauschers 1" bis zum Radius Z2 des achsfernen Wärmetau¬schers T; [0053] - 2 nach 3: im Wesentlichen isobare Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium an das Wär¬meaustauschmedium in dem äußeren Wärmetauscher 1' bei vergleichsweise hoher Temperaturund bei konstantem Radius der Strömung; [0054] - 3 nach 4: im Wesentlichen isentrope Entspannung aufgrund der Hauptrotation vomRadius des äußeren Wärmetauschers T bis zum Radius des inneren Wärmetauschers 1"; [0055] - 4 nach 5: im Wesentlichen isobare Wärmeabfuhr bei vergleichsweise niedriger Tempe¬ratur bei konstantem Radius in dem inneren Wärmetauscher 1"; [0056] - 5 nach 6: im Wesentlichen isentrope Entspannung aufgrund der Hauptrotation vomRadius des inneren Wärmetauschers bis zum Eintrittsradius des Schaufelrades; [0057] - 6 nach 7: Verdichtung innerhalb des Schaufelrades, wobei die Verluste eine Entropie¬erhöhung bewirken; und [0058] - 7 nach 1: im Wesentlichen isentrope Verdichtung aufgrund der Hauptrotation vomAustritt des Schaufelrades bis zum Radius gemäß Zustand Z1.

[0059] Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die Zuleitungskanäle 31 im Wesentlichen parallel zurDrehachse 22 verlaufende, bis direkt vor eine Eintrittsöffnung 33 des Schaufelrads 30 erstreck¬te Austrittsabschnitte 34 auf, so dass die Strömungen des Arbeitsmediums in den Zuleitungs¬kanälen 31 getrennt voneinander und im Wesentlichen parallel zur Drehachse 22 in das Schau¬felrad 30 geführt werden.

[0060] Wie aus Fig. 3 weiters ersichtlich, weisen die Zuleitungskanäle 31 im Wesentlichen inradialer Richtung verlaufende Zuleitungsabschnitte 35 auf, welche zwischen den in das Schau¬felrad 30 mündenden Austrittsabschnitten 34 und den inneren Wärmetauschern 1" angeordnetsind. Die Ableitungskanäle 32 sind mit den Verdichtungskanälen 25 verbunden, welche dasArbeitsmedium zu den äußeren Wärmetauschern T führen.

[0061] Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die Zuleitungskanäle 31 an den Aus¬trittsabschnitten 34 bogenförmig gekrümmte Wandungen 36 auf, welche eine Umlenkung desArbeitsmediums um im Wesentlichen 90° von den radialen Zuleitungsabschnitten 35 in dieaxialen Austrittsabschnitte 34 bewirken.

[0062] Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich, sind die Austrittsabschnitte 34 der Zuleitungs¬kanäle 31 durch im Wesentlichen in radialer und axialer Richtung zur Drehachse 22 erstreckteTrennelemente 37 begrenzt, welche in der gezeigten Ausführung durch im Wesentlichen ebeneTrennwänden gebildet sind. Die Trennelemente 37 haben eine radiale Erstreckung und sindsternförmig angeordnet. In der gezeigten Ausführung sind die Austrittsabschnitte 34 daherregelmäßig und in konstanten radialen Abständen um die Drehachse 22 des Rotors 21 ange¬ordnet.

[0063] Aus Fig. 4 ist weiters ersichtlich, dass das Schaufelrad 30 eine Vielzahl von bogenförmiggekrümmten Schaufeln 38 aufweist, mit welchen das Arbeitsmedium beim Durchströmen desSchaufelrads 30 in Drehrichtung 39 des Schaufelrads 30 beschleunigt wird. Das Schaufelrad 30weist auf der der Drehachse 22 zugewandten Seite einen von Schaufeln 38 freien Radialab¬schnitt 40 auf, in welchem die Strömungen des Arbeitsmediums aus den Zuleitungskanälen 31zusammengeführt und homogenisiert werden. An dem Radialabschnitt 40 ist eine bogenförmiggekrümmte Umlenkwand 41 vorgesehen (vgl. Fig. 3), mit welcher das Arbeitsmedium um imWesentlichen 90° von der axialen Strömung beim Eintritt in das Schaufelrad 30 in eine radialeStrömung vor den Schaufeln 38 umgelenkt wird.

[0064] Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weisen die Ableitungskanäle 32 in Bezug auf eine Umhüllen¬de des Schaufelrads 30, d.h. in Bezug auf die im Querschnitt kreisförmige Außenfläche desSchaufelrads 30, zur radialen Richtung geneigt verlaufende Eintrittsabschnitte 42 auf, welchemit im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden Ableitungsabschnitten 43 verbundensind.

[0065] Wie aus Fig. 4, 6 schematisch ersichtlich, weist das Schaufelrad 30 eine Schaufelrad¬welle 44 auf, welche mit einem Motor (nicht gezeigt) verbunden ist. Der Motor ist dazu einge¬richtet, das Schaufelrad 30 in die Drehrichtung 45 des Rotors 21 zu rotieren. In der gezeigtenAusführung fallen die Drehachse des Schaufelrads 44 und die Drehachse 22 des Rotors 21zusammen. Bei dem Betrieb als Wärmekraftmaschine ist an das Schaufelrad 30, welches dannals Turbine arbeitet, ein Generator angeschlossen. Die Turbine wandelt bei einer Durchströ¬mung mit einem entsprechenden Massenstrom einen entstandenen Differenzdruck in Wellen¬leistung um.

[0066] Wie aus Fig. 5 ersichtlich, weist die Vorrichtung 20 dynamische Dichtspalte 46 auf,welche Rückströmungen aufgrund eines erhöhten Drucks am Ausgang des Schaufelrades 30gegenüber dem Eingang minimieren sollen. In die Dichtspalten 46 greifen Gegenlamellen 47des Schaufelrades 30 ein, um mehrere möglichst kleine Spalte zu erzeugen.

[0067] Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführung, bei welcher das einzelne Schaufelrad 30 meh¬rere, in der gezeigten Ausführung zwei, hintereinander durchströmbare Schaufelradstufen 30',30" aufweist. Die Schaufelradstufen 30', 30" sind über eine Umlenkung 30"' miteinander ver¬bunden, mit welcher das Arbeitsmedium von einer Strömung radial nach außen im Anschlussan die erste Schaufelradstufe 30" zunächst in eine Strömung radial nach innen und danach ineine Strömung in Richtung der Drehachse 22 bis unmittelbar vor die zweite Schaufelradstufe30' umgelenkt wird. Jede Schaufelradstufe 30', 30" ist entsprechend der einstufigen Ausführunggemäß Fig. 1 bis 6 aufgebaut. In der gezeigten Ausführung sind die Schaufelradstufen 30', 30"auf derselben Schaufelradwelle 44 angeordnet, welche mit einem Motor oder mit einem Gene¬rator verbunden ist. Die Schaufelradstufen 30', 30" können alternativ auf getrennten Schaufel¬radwellen gelagert sein, wobei jede Schaufelradstufe 30', 30" mit einem Motor bzw. Generatorverbunden ist.

Claims (18)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung (20) zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermischeEnergie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einem dreh¬bar um eine Drehachse (22) gelagerten Rotor (21) für ein einen geschlossenen Kreispro¬zess durchlaufendes Arbeitsmedium, wobei der Rotor (21) eine Verdichtereinheit (23) mitmehreren Verdichtungskanälen (25), in welchen Strömungen des Arbeitsmediums zurDruckerhöhung in Bezug auf die Drehachse (22) im Wesentlichen radial nach außen führ¬bar sind, und eine Entspannungseinheit (24) mit mehreren Entspannungskanälen (26), inwelchen Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckverringerung in Bezug auf die Dreh¬achse (22) im Wesentlichen radial nach innen führbar sind, aufweist, wobei der Rotor (21)weiters Wärmetauscher (T, 1") für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmediumund einem Wärmeaustauschmedium aufweist, und mit einem relativ zu dem Rotor (21)drehbaren Schaufelrad (30), welches in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur Auf¬rechterhaltung der Strömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse (22) des Rotors (21) und/oder in einem Generatorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie desArbeitsmediums vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30)zwischen im Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsmediums zuführen¬den Zuleitungskanälen (31) und zumindest einem im Wärmepumpenbetriebszustand dieStrömung des Arbeitsmediums abführenden Ableitungskanal (32) des Rotors (21) ange¬ordnet ist, wobei die Zuleitungskanäle (31) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22)verlaufende, bis unmittelbar vor eine Eintrittsöffnung (33) des Schaufelrads (30) erstreckteAustrittsabschnitte (34) aufweisen, so dass einzelne Strömungen des Arbeitsmediums ausden Zuleitungskanälen (31) im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) in das Schaufel¬rad (30) führbar sind.
2. 2. Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungskanäle(31) im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Zuleitungsabschnitte (35) aufweisen,welche zwischen den Austrittsabschnitten (34) und in Bezug auf die Drehachse (22) inne¬ren Wärmetauschern (1") angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindesteine Ableitungskanal (32) mit den Verdichtungskanälen (25) verbunden ist, welche mit inBezug auf die Drehachse (22) äußeren Wärmetauschern (T) verbunden sind.
4. 4. Vorrichtung (20) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufel¬rad (30) in radialer Richtung näher an der Drehachse (22) als der innere Wärmetauscher(1") angeordnet ist, wobei das Schaufelrad (30) bevorzugt konzentrisch um die Drehachse (22) des Rotors (11) angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieZuleitungskanäle (31) an den Austrittsabschnitten (34) bogenförmig gekrümmte Wandun¬gen (36) aufweisen, welche eine Umlenkung des Arbeitsmediums um im Wesentlichen 90°von den Zuleitungsabschnitten (35) in die Austrittsabschnitte (34) bewirken.
6. 6. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieAustrittsabschnitte (34) der Zuleitungskanäle (31) zwischen im Wesentlichen in radialerund axialer Richtung zur Drehachse erstreckten Trennelementen (37), insbesondere imWesentlichen ebenen Trennwänden, gebildet sind.
7. 7. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dasSchaufelrad (30) eine Mehrzahl von insbesondere bogenförmig gekrümmten Schaufeln(38) aufweist.
8. 8. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dasSchaufelrad (30) auf der der Drehachse (22) zugewandten Seite einen von Schaufeln (38)freien Radialabschnitt (40) aufweist.
9. 9. Vorrichtung (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30)an dem Radialabschnitt (40) eine bogenförmig gekrümmte Umlenkwand (41) aufweist, mitwelcher das Arbeitsmedium um im Wesentlichen 90° in radialer Richtung umlenkbar ist.
10. 10. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass derzumindest eine Ableitungskanal (32) einen schräg zur radialen Richtung angeordneten Ein¬trittsabschnitt (42) aufweist, welcher mit einem im Wesentlichen in radialer Richtung verlau¬fenden Ableitungsabschnitt (43) verbunden ist.
11. 11. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dasSchaufelrad (30) eine insbesondere parallel zur Drehachse (22) des Rotors (21) rotierbareSchaufelradwelle (44) aufweist, welche mit einem Motor oder mit einem Generator verbun¬den ist.
12. 12. Vorrichtung (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor zur Rotationdes Schaufelrads (30) in derselben Drehrichtung (39, 45) wie der Rotor (21) mit den Ent-spannungs- (25) und Verdichtungskanälen (26) für das Arbeitsmedium eingerichtet ist.
13. 13. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dasszumindest ein in Bezug auf die Drehachse innerer Wärmetauscher (1") und zumindest einin Bezug auf die Drehachse (22) äußerer Wärmetauscher (1') vorgesehen sind, wobei be¬vorzugt jeweils mehrere innere Wärmetauscher (1") und äußere Wärmetauscher (1') vor¬gesehen sind.
14. 14. Vorrichtung (20) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der inne¬ren Wärmetauscher (1") einem Vielfachen der äußeren Wärmetauscher (1') oder umge¬kehrt entspricht.
15. 15. Vorrichtung (20) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zumin¬dest eine innere Wärmetauscher (1") und der zumindest eine äußere Wärmetauscher (1')im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) erstreckt sind, wobei die Verdichtungs- (25)und/oder Entspannungskanäle (26) zwischen dem inneren Wärmetauscher (1") und demäußeren Wärmetauscher (1') verlaufen.
16. 16. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dasSchaufelrad (30) mehrere hintereinander von dem Arbeitsmedium durchström bare Schau¬felradstufen (30', 30") aufweist.
17. 17. Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Temperatur in thermische Ener¬gie höherer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt, wobei ein Arbeits¬medium in einem um eine Drehachse (22) rotierenden Rotor (21) einen geschlossenenKreisprozess durchläuft, wobei mehrere Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckerhö¬hung in Bezug auf die Drehachse (22) im Wesentlichen radial nach außen geführt werden,wobei die Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckverringerung in Bezug auf die Dreh¬achse im Wesentlichen radial nach innen geführt werden, wobei ein Wärmeaustausch zwi¬schen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgenommen wird, wobeidas Arbeitsmedium in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung derStrömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oder in einem Gene¬ratorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmediums durch einSchaufelrad (30) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Strömungen desArbeitsmediums in dem Wärmepumpenbetriebszustand bis unmittelbar vor das Schaufel¬rad (30) geführt und im Wesentlichen parallel zur Drehachse (22) in das Schaufelrad (30)eingeleitet werden.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) inderselben Drehrichtung (39, 45) und mit einer höheren absoluten Drehzahl wie der Rotor(21) mit den Entspannungs- (25) und Verdichtungskanälen (26) rotiert wird. Hierzu 8 Blatt Zeichnungen