AT515217A4 - 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

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln thermi¬scher Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höhererTemperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt mit einemdrehbar um eine Drehachse gelagerten Rotor für ein einen ge¬schlossenen Kreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, wobei derRotor eine Verdichtereinheit mit mehreren Verdichtungskanälen,in welchen Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckerhöhung inBezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach außen führ¬bar sind, und eine Entspannungseinheit mit mehreren Entspan¬nungskanälen, in welchen Strömungen des Arbeitsmediums zurDruckverringerung in Bezug auf die Drehachse im Wesentlichen ra¬dial nach innen führbar sind, aufweist, wobei der Rotor weitersWärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedi¬um und einem Wärmeaustauschmedium aufweist, und mit einem rela¬tiv zu dem Rotor drehbaren Schaufelrad, welches in einem Wärme¬pumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der Strömungen desArbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oder in einem Ge¬neratorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Ar¬beitsmediums vorgesehen ist.

Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln ther¬mischer Energie niedriger Temperatur in thermische Energie höhe¬rer Temperatur mittels mechanischer Energie und umgekehrt, wobeiein Arbeitsmedium in einem um eine Drehachse rotierenden Rotoreinen geschlossenen Kreisprozess durchläuft, wobei mehrere Strö¬mungen des Arbeitsmediums zur Druckerhöhung in Bezug auf dieDrehachse im Wesentlichen radial nach außen geführt werden, wo¬bei die Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckverringerung inBezug auf die Drehachse im Wesentlichen radial nach innen ge¬führt werden, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedi¬um und einem Wärmeaustauschmedium vorgenommen wird, wobei dasArbeitsmedium in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrecht¬erhaltung der Strömungen des Arbeitsmediums um die Drehachse desRotors und/oder in einem Generatorbetriebszustand zur Nutzungder Strömungsenergie des Arbeitsmediums durch ein Schaufelradgeführt wird.

Aus dem Stand der Technik sind bereits rotierende Wärmepumpenbzw. Wärmekraftmaschinen bekannt, bei denen ein gasförmiges Ar¬beitsmedium in einem geschlossenen thermodynamischen Kreispro- zess geführt wird.

In der WO 2009/015402 Al ist eine Wärmepumpe beschrieben, beider das Arbeitsmedium in einem Rohrleitungssystem eines Rotorseinen Kreisprozess mit den Arbeitsschritten a) Verdichtung desArbeitsmediums, b) Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedium mittels einesWärmetauschers, c) Entspannung des Arbeitsmediums und d) Wärme¬zufuhr zum Arbeitsmedium mittels eines weiteren Wärmetauschersdurchläuft. Die Druckerhöhung bzw. Druckverringerung des Ar¬beitsmediums stellt sich vorwiegend durch die Zentrifugalbe¬schleunigung ein, wobei das Arbeitsmedium in einer Verdichtungs¬einheit bezüglich einer Drehachse radial nach außen und in einerEntspannungseinheit radial nach innen strömt. Die Wärmeabfuhrvom Arbeitsmedium an ein Wärmeaustauschmedium des Wärmetauscherserfolgt in einem axialen bzw. parallel zur Drehachse verlaufen¬den Abschnitt des Rohrleitungssystems, dem ein mitrotierender,das Wärmeaustauschmedium aufweisender Wärmetauscher zugeordnetist.

Darüber hinaus wurde bei diesem Stand der Technik bereits einSchaufelrad eingesetzt, welches insbesondere dazu verwendetwird, um die Strömung des Arbeitsmediums im Rotationsbetriebaufrechtzuerhalten. Das Schaufelrad kann einerseits drehfest an¬geordnet sein, wobei sich aufgrund der drehfesten Anordnung eineRelativbewegung zu dem das Arbeitsmedium führenden Rohrleitungs¬system ergibt. Andererseits wurde bereits vorgeschlagen, dassdem Schaufelrad ein Motor zur Erzeugung einer Relativbewegung zudem Rohrleitungssystem zugeordnet ist. Weiters kann das Schau¬felrad bei dieser Vorrichtung mit einem Generator verbundensein, um die erzeugte Wellenleistung durch die Relativbewegungdes Schaufelrades in elektrische Energie umzuwandeln.

Im Stand der Technik sind verschiedenste Schaufelräder zur Auf¬rechterhaltung einer Fluidströmung bekannt, wobei solche Schau¬felräder als Verdichter, Entspannungsturbinen oder Leiträderausgeführt sein können. Im Stand der Technik sind als Grenzfor¬men für die Durchströmungsart von Schaufelrädern einerseits axi¬ale und andererseits radiale Ausführungen bekannt. Bei Mischfor¬men wie diagonal durchströmten Schaufelrädern gelten weitgehenddieselben Überlegungen für die radiale bzw. axiale Strömungskom¬ ponente. Bei Verwendung von axial durchströmten Schaufelrädern,sogenannten Axialventilatoren (bzw. allgemein Axialverdichter)oder Axialturbinen, kann im Wesentlichen eine herkömmliche Di¬mensionierung angewendet werden. Die axiale Bauform hat jedochden Nachteil, dass im Vergleich zur radialen Bauform geringereDruckerhöhungen bewirkt werden können, wodurch die axialenSchaufelräder meist mehrstufig aufgebaut werden müssen. Bei ei¬ner mehrstufigen Ausführung werden zwischen den Schaufelrädernsogenannte Leiträder angebracht, um die Strömung umzulenken.Dadurch wird ein Drall mit der Rotation der umgebenden rotieren¬den Axialschaufeln erzeugt, der Drall im Wesentlichen vollstän¬dig aus der Strömung genommen oder ein Drall gegen die Drehrich¬tung erzeugt. Hinsichtlich des Einbaus von radialen Schaufelrä¬dern, welche gegenüber axialen Schaufelrädern den Vorteil höhe¬rer Drücke pro Stufe haben und daher oft einstufig ausgeführtwerden können, wurde bisher auf eine Variante zurückgegriffen,wie sie auch bei mehrstufigen Radialverdichtern bzw. Zentripe-dalturbinen verwendet wird, bei welchen die Schaufelräder in ei¬nem stillstehenden Gehäuse angeordnet sind.

Bei umfangreichen Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass dievom Stand der Technik bekannte Anordnung der Schaufelräder beigattungsgemäßen Vorrichtungen, bei welchen die Zu- und Ableitun¬gen des Schaufelrads in dem Rotorgehäuse rotierend angeordnetsind, keine zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Es wurde beo¬bachtet, dass beispielsweise der Wirkungsgrad eines Radialventi¬lators von 80% bei nicht rotierendem Gehäuse auf 25% bei rotie¬rendem Gehäuse absinkt.

Demnach besteht ein großer Bedarf für Verbesserungen an denSchaufelrädern, um die komplexen Randbedingungen während desmehrere Arbeitsschritte aufweisenden Prozesses innerhalb des Ro¬tors besser berücksichtigen zu können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, einerotierende Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie, wieeingangs angegeben, zu schaffen, bei welcher die Nachteile desStandes der Technik eliminiert bzw. zumindest deutlich gelindertwerden. Demnach setzt sich die Erfindung insbesondere zum Ziel,die Strömung des Arbeitsmediums um die Drehachse mit möglichst geringen Energieverlusten aufrechtzuerhalten.

Erfindungsgemäß ist das Schaufelrad zwischen im Wärmepumpenbe¬triebszustand die Strömung des Arbeitsmediums zuführenden Zulei¬tungskanälen und zumindest einem im Wärmepumpenbetriebszustanddie Strömung des Arbeitsmediums abführenden Ableitungskanal desRotors angeordnet, wobei die Zuleitungskanäle im Wesentlichenparallel zur Drehachse verlaufende, bis unmittelbar vor eineEintrittsöffnung des Schaufelrads erstreckte Austrittsabschnitteauf, so dass einzelne Strömungen des Arbeitsmediums aus den Zu¬leitungskanälen im Wesentlichen parallel zur Drehachse in dasSchaufelrad führbar sind.

Demnach beruht die Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis,dass der Wirkungsgrad des Schaufelrads dadurch wesentlich ver¬bessert werden kann, dass das Arbeitsmedium vor dem Eintritt indas Schaufelrad in einzelnen Strömungen parallel zur Drehachse,d.h. in axialer Richtung, geführt wird. Für die Zwecke dieserOffenbarung bedeutet die Erstreckung der Austrittsabschnitte derZuleitungskanäle bis unmittelbar vor das Schaufelrad, dass dieStrömungen des Arbeitsmediums in den Zuleitungskanälen nicht zu¬sammengeführt, sondern getrennt voneinander dem Schaufelrad zu¬geführt werden. Bevorzugt sind die Austrittsabschnitte der Zu¬leitungskanäle in regelmäßigen Winkelabständen und in demselbenradialen Abstand um die Drehachse angeordnet. Demnach werdenmehrere axiale Strömungen des Arbeitsmediums in das Schaufelradeingeleitet. Danach strömt das Arbeitsmedium in den zumindesteinen Ableitungskanal des Rotors. Demnach wird das Arbeitsmediumaus dem Schaufelrad direkt, d.h. ohne Zwischenschaltung einesstillstehenden Gehäuses, in den Rotor geführt. Der Rotor bildetdaher ein rotierendes Gehäuse für das Schaufelrad, welches dasSchaufelrad vorzugsweise vollständig umschließt. Das Arbeitsme¬dium wird also durch das im Inneren des Rotors befindlicheSchaufelrad geführt, wobei das Arbeitsmedium anders als beimStand der Technik nicht in einem stillstehenden Gehäuse geführtwird. Dadurch kann die Strömungsenergie des Arbeitsmediums beimDurchlaufen des Kreisprozesses im Wesentlichen beibehalten wer¬den. Vorteilhaft ist zudem, dass dynamische Dichtungen des Ar¬beitsmediums zur Umgebung nicht erforderlich sind. Bei der her¬kömmlichen Auslegung von Schaufelrädern war ein stillstehendes

Gehäuse vorgesehen. Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßenVorrichtung ein Rotor vorgesehen, so dass die das Schaufelradumgebenden Komponenten im Betrieb rotieren. Um die unterschied¬liche Einbausituation zu berücksichtigen, wäre es naheliegendgewesen, allein die relativen Drehzahlen zwischen dem Schaufel¬rad und dem Rotor zu betrachten, d.h. die Differenzdrehzahl zwi¬schen der absoluten Rotordrehzahl und der absoluten Schaufelrad¬drehzahl. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Betrachtunggrundlegend fehlschlägt. Bei der im Stand der Technik üblichenradialen Zuströmung des Arbeitsmediums von den rotierenden Zu¬leitungskanälen in das Schaufelrad entsteht beim radialen Aus¬tritt aus dem Zuleitungskanal, insbesondere durch die Coriolis¬beschleunigung, ein Drall, der bei einer Strömung, vom relati¬ven, rotierenden System aus betrachtet, radial nach innen entge¬gen der Drehrichtung ausgebildet ist. Dieser Drall verändert dieCharakteristik der Einströmung, insbesondere die Geschwindig¬keitsdreiecke, maßgeblich, wodurch eine Dimensionierung nachherkömmlichen Methoden erfolglos sein musste. Erfindungsgemäßwird das Arbeitsmedium jedoch in axialer Richtung aus den dasArbeitsmedium befördernden Zuleitungskanälen herausgeführt. Dieshat vorteilhafterweise zur Folge, dass die Coriolisbeschleuni¬gung annähernd null wird und sich kein bzw. kein wesentlicherDrall einstellt. Dadurch ist der Übertritt ins Schaufelrad ein¬facher berechenbar und vorteilhafterweise auch nicht von denDrehzahlen des Schaufelrades sowie des umgebenden Gehäuses desRotors als auch nicht von der relativen Strömungsgeschwindigkeitabhängig.

Um einen stabilen Betrieb zu ermöglichen, ist es von Vorteil,wenn eine möglichst geringe Anzahl von radialen Ableitungskanä¬len an das Schaufelrad angeschlossen wird. Je geringer die An¬zahl der angeschlossenen radialen Ableitungskanäle ist, destostabiler ist der Betrieb, da die Wahrscheinlichkeit eines Strö¬mungsabrisses eines Ableitungskanales mit sinkender Anzahl anAbleitungskanälen immer geringer wird. In einer bevorzugten Aus¬führung ist daher genau ein Ableitungskanal pro Schaufelrad vor¬gesehen. Bei dieser Ausführung wird daher für jeden Ableitungs¬kanal, der radial nach außen geführt wird, genau ein Schaufelradvorgesehen, wobei mehrere Schaufelräder (und eine entsprechendeAnzahl von Ableitungskanälen) vorgesehen sein können. Aus Grün¬ den der Wirtschaftlichkeit ist bei einer alternativen bevorzug¬ten Ausführung vorgesehen, dass das Schaufelrad mit mindestensdrei Ableitungskanälen verbunden ist. Bevorzugt sind nicht mehrals zwölf Ableitungskanäle an das Schaufelrad angeschlossen. Diebeschriebene Ausführung bezieht sich lediglich auf die Anzahlder direkt radial vom Schaufelrad wegführenden Ableitungskanäle.Es ist jedoch durchaus möglich, dass ein radialer Ableitungska¬nal im achsfernen Bereich, vorzugsweise nach einer Umlenkung indie axiale Richtung, in mehrere Wärmetauscherkanäle aufgeteiltwird.

Um beim Durchströmen der Verdichtungs- und EntspannungskanäleDruckunterschiede mit hohen Wirkungsgraden zu erzielen, jedochdie Ausbildung von Drallströmungen vor dem Eintritt in dasSchaufelrad zuverlässig zu verhindern, ist es günstig, wenn dieZuleitungskanäle im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen¬de Zuleitungsabschnitte aufweisen, welche zwischen den Aus¬trittsabschnitten und in Bezug auf die Drehachse inneren Wärme¬tauschern angeordnet sind. Die Zuleitungsabschnitte sind vor¬zugsweise länger als die Austrittsabschnitte der Zuleitungskanä¬le .

Um einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einemWärmeaustauschmedium bei höherer Temperatur zu bewerkstelligen,ist es günstig, wenn der zumindest eine Ableitungskanal mit denVerdichtungskanälen verbunden ist, welche mit in Bezug auf dieDrehachse äußeren Wärmetauschern verbunden sind.

Um den Kreisprozess im Betrieb mit möglichst geringem Energie¬aufwand aufrechtzuerhalten, ist es günstig, wenn das Schaufelradin radialer Richtung näher an der Drehachse als der innere Wär¬metauscher angeordnet ist, wobei das Schaufelrad bevorzugt kon¬zentrisch um die Drehachse des Rotors angeordnet ist. Demnachsind die Drehachsen des Rotors und des Schaufelrads bevorzugtfluchtend angeordnet. Dadurch kann eine besonders effiziente Be¬triebsweise erzielt werden.

Um die radialen Strömungen des Arbeitsmediums in den Zuleitungs¬kanälen vor dem Eintritt in das Schaufelrad in axiale Strömungenumzuwandeln, ist es von Vorteil, wenn die Zuleitungskanäle an den Austrittsabschnitten bogenförmig gekrümmte Wandungen aufwei¬sen, welche eine Umlenkung des Arbeitsmediums um im Wesentlichen90° von den Zuleitungsabschnitten in die Austrittsabschnitte be¬wirken. Durch die bogenförmigen Wandungen der Entspannungskanäleam Austrittsende kann das Arbeitsmedium kontinuierlich in eineaxiale Strömung umgelenkt werden, wobei die Strömungen des Ar¬beitsmediums durch die Umlenkung nicht bzw. nur unwesentlich ge¬stört werden.

Um die Strömungen des Arbeitsmediums einzeln, d.h. im Wesentli¬chen unvermischt bzw. getrennt voneinander, in das Schaufelradeinzuleiten, ist es vorteilhaft, wenn die Austrittsabschnitteder Zuleitungskanäle zwischen im Wesentlichen in radialer undaxialer Richtung zur Drehachse erstreckten Trennelementen, ins¬besondere im Wesentlichen ebenen Trennwänden, gebildet sind.Durch die Anordnung von Trennwänden kann auf besonders einfacheWeise erreicht werden, dass die axialen Strömungen des Arbeits¬mediums in den Austrittsabschnitten der Zuleitungskanäle unver¬mischt und im Wesentlichen drallfrei in Bezug auf den rotieren¬den Rotor, der das Gehäuse für das Schaufelrad darstellt, in dasSchaufelrad geführt werden. Für eine bessere Regelbarkeit, insbesondere im Teillastbereich,ist es günstig, wenn die Trennelemente vor dem Schaufelrad ver¬stellbar sind. Vorteilhafterweise kann so ein definierter Ein¬trittsdrall erzeugt werden, welcher über die Trennelemente ein¬gestellt werden kann. Im Unterschied zu dem beim Stand der Tech¬nik am Eintritt in das Schaufelrad auftretenden Drall aufgrundder Coriolisbeschleunigung lässt sich dieser definierte Ein¬trittsdrall bei der Auslegung der Vorrichtung berechnen bzw. si¬mulieren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird üblicherweisefür einen bestimmten Betriebspunkt ausgelegt. Hierbei kann ins¬besondere der Eintrittswinkel der Trennelemente derart dimensio¬niert werden, dass die Strömung bei Betrachtung im relativen,rotierenden Schaufelrad-System einen stetigen Übergang, d.h. einEinströmen ohne wesentliche Richtungsänderung, in den Schaufel¬bereich des Schaufelrades aufweist. Bei einer Drehzahlverände¬rung des Schaufelrades und/oder bei variierenden relativen Strö¬mungsgeschwindigkeiten, also bei einem Betrieb außerhalb desAuslegungspunktes, ändern sich üblicherweise die Einströmwinkel der Strömung, wodurch eine unstetige Einströmung in den Schau¬felbereich des Schaufelrades entstehen würde. Dieser Effekt re¬duziert den Wirkungsgrad des Schaufelrades bei Betrieb außerhalbdes Auslegungspunktes. Um diesen Nachteil zu beheben, können dieTrennelemente für einen Betrieb außerhalb des Auslegungspunktesderart verstellt werden, dass das Arbeitsmedium, bezogen auf dasrelative, rotierende Schaufelrad-System, beim Eintritt in denSchaufelbereich des Schaufelrades in stetiger Weise strömt.Dadurch kann der Wirkungsgrad erhöht werden. Das Schaufelradkann durch diese Maßnahme zudem einen höheren Druck und einenhöheren maximalen Volumenstrom erzeugen, wodurch der Einsatzbe¬reich erweitert wird.

Zur Aufrechterhaltung der Strömung des Arbeitsmediums beimDurchlaufen des Kreisprozesses ist es günstig, wenn das Schau¬felrad eine Mehrzahl von insbesondere bogenförmig gekrümmtenSchaufeln aufweist. Durch die Schaufeln wird das Arbeitsmediumin Umfangrichtung in Bezug auf die Drehachse beschleunigt, bevordas Arbeitsmedium über Austrittsöffnungen zwischen den äußerenKanten der Schaufeln des Schaufelrads in die Verdichtungskanälegeführt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist das Schaufelrad auf derder Drehachse zugewandten Seite einen von Schaufeln freien Radi¬alabschnitt auf. In dem ringförmigen Radialabschnitt des Schau¬felrads werden die in den Zuleitungskanälen getrennt geführtenStrömungen des Arbeitsmediums zusammengeführt. Dadurch kann dasArbeitsmedium in dem Radialabschnitt homogenisiert werden, bevordas vom Radialabschnitt radial nach außen strömende Arbeitsmedi¬um durch die rotierenden Schaufeln beschleunigt und danach indie Ableitungskanäle abgeführt wird.

Um das in axialer Richtung einströmende Arbeitsmedium den Schau¬feln zuzuführen, ist es günstig, wenn das Schaufelrad an dem Ra¬dialabschnitt eine bogenförmig gekrümmte Umlenkwand aufweist,mit welcher das Arbeitsmedium um im Wesentlichen 90° in radialerRichtung umlenkbar ist.

Um die Strömungsenergie des Arbeitsmediums im Wesentlichen bei¬zubehalten, ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Ablei¬ tungskanal einen schräg zur radialen Richtung angeordneten Ein¬trittsabschnitt aufweist, welcher mit einem im Wesentlichen inradialer Richtung verlaufenden Ableitungsabschnitt verbundenist. Der Eintrittsabschnitt des Ableitungskanals erstreckt sichbevorzugt in jene Richtung, in der sich ein stetiger Übergangder Strömung, d.h. in der ein Einströmen ohne wesentliche Rich¬tungsänderung vorhanden ist, ergibt. Dies wird bei der Auslegungdurch Vektorenaddition erzielt. Demnach wird das Arbeitsmediumin tangentialer Richtung, bezogen auf eine im Querschnitt im We¬sentlichen kreisförmige Umhüllende bzw. Außenfläche des Schau¬felrads, in die Eintrittsabschnitte eingebracht, welche mit denim Wesentlichen in radialer Richtung verlaufenden Ableitungsab¬schnitten verbunden sind. Die Eintrittsabschnitte und die Ver¬dichtungsabschnitte sind bevorzugt über bogenförmig gekrümmteÜbergangsabschnitte miteinander verbunden.

Um das Schaufelrad anzutreiben und so das Arbeitsmedium beimDurchgang zu beschleunigen bzw. um die Rotationsenergie desSchaufelrads zu nutzen, ist es von Vorteil, wenn das Schaufelradeine insbesondere parallel zur Drehachse des Rotors rotierbareSchaufelradwelle aufweist, welche mit einem Motor oder mit einemGenerator verbunden ist. Demnach kann das Schaufelrad einerseitsmit einem Motor verbunden sein, um eine Relativbewegung zwischendem Rotor und dem Schaufelrad zu erzeugen. Bei dieser Ausführungist das Schaufelrad in einem Wärmepumpenbetriebszustand zur Auf¬rechterhaltung der Kreisführung des Arbeitsmediums eingerichtet.Andererseits kann das Schaufelrad mit einem Generator verbundensein, um die an der Schaufelradwelle vorliegende Wellenleistungdurch die Relativbewegung des Schaufelrades in elektrische Ener¬gie umzuwandeln. Bei einer solchen Verwendung der Vorrichtungwird aufgrund der unterschiedlichen Temperaturniveaus an denWärmetauschern eine Strömung in der Art eines Naturumlaufes er¬halten. Die Energie der Strömung wird dann in dem als Turbinewirkenden Schaufelrad in Wellenleistung umgewandelt, welche inweiterer Folge mittels eines Generators in elektrischen Stromumgewandelt wird. Vorzugsweise wird ein Teil dieser Energie füreinen Motor aufgewendet, welcher den Rotor antreibt. In der vor¬liegenden Offenbarung beziehen sich die Begriffe „Eintritt" und„Austritt" auf die Funktion des Schaufelrades zur Aufrechterhal¬tung der Strömung des Arbeitsmediums um die Drehachse, d.h. wenn das Schaufelrad in einem Wärmepumpenbetriebszustand als Ventila¬tor verwendet wird. Bei der Funktion des Schaufelrades als Tur¬bine zur Erzeugung elektrischer Energie ist die Strömungsrich¬tung des Arbeitsmediums vertauscht, so dass beispielsweise dieAustrittsabschnitte der Zuleitungen zu den Eintrittsabschnittender Ableitungen werden.

In einer bevorzugten Ausführung fallen die Drehachsen des Schau¬felrads und des Rotors zusammen. Wenn die Schaufelradwellefluchtend auf der Welle des Rotors angeordnet wird, können vor¬teilhafterweise keine asymmetrischen Kräfte aufgrund der Zentri¬fugalbeschleunigung auf die Lagerung des Schaufelrads entstehen.Bevorzugt ist ein eigener Motor/Generator für die Schaufelrad¬welle vorgesehen, so dass das Schaufelrad unabhängig von dem dieVerdichtungs- und Entspannungskanäle aufweisenden Rotor antreib-bar ist; in diesem Fall ist der Rotor mit einem zweiten Motorverbunden. Alternativ kann auch derselbe Motor für den Antriebdes Schaufelrads und des Rotors bzw. derselbe Generator für dieNutzung der Rotationsenergie des Schaufelrads und des Rotorsverwendet werden.

Es hat sich überraschend als vorteilhaft herausgestellt, wennder Motor zur Rotation des Schaufelrads in derselben Drehrich¬tung wie der Rotor mit den Entspannungs- und Verdichtungskanälenfür das Arbeitsmedium eingerichtet ist. Vorteilhafterweise kannbei einer Rotation des Schaufelrads in die gleiche Richtung wieder Hauptrotor das Beschleunigungsfeld des Hauptrotors ausge¬nutzt werden. Dadurch kann die Effizienz des Schaufelrades sogargegenüber einer Anordnung mit nicht rotierendem Gehäuse erhöhtwerden, da der Verdichtungsanteil im Schaufelrad selbst aufgrundder Zentrifugalbeschleunigung erhöht wird und diese Verdichtungeinen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist als die Druckerhö¬hung aufgrund von Geschwindigkeitsänderungen, welche beispiels¬weise beim Übertritt von dem Schaufelrad zu dem Ableitungskanalerfolgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nützt die Zentrifugalbeschleu¬nigung beim Durchströmen der Verdichtungs- und Entspannungskanä¬le des Rotors, um verschiedene Druck- bzw. Temperaturniveaus desArbeitsmediums zu erzeugen. Zur Umwandlung von thermischen Ener¬ gie des Arbeitsmediums mittels kinetischer Energie und umgekehrtist es günstig, wenn zumindest ein in Bezug auf die Drehachseinnerer Wärmetauscher und zumindest ein in Bezug auf die Dreh¬achse äußerer Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischendem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedium vorgesehensind. Die Wärmetauscher sind in dem Rotor mitrotierend angeord¬net. Je nach Strömungsrichtung des Arbeitsmediums kann die Vor¬richtung einerseits als Wärmepumpe, bei welcher der Rotor miteinem Antrieb in Drehbewegung versetzt wird und die Kreis¬laufströmung durch einen Ventilator erzeugt wird, betrieben wer¬den. Die umgekehrte Strömungsrichtung entspricht einem Betriebals Wärme-Kraft-Maschine zur Erzeugung von elektrischem Strom,wobei unterschiedliche Temperaturniveaus zur Erzeugung einerStrömung genutzt werden, welche in dem als Turbine wirkendenSchaufelrad in mechanische Energie umgewandelt wird, dieschließlich in einem Generator in elektrische Energie umgewan¬delt wird. In diesem Betriebszustand wird der Rotor mit einemMotor angetrieben, welcher z.B. durch die gewonnene elektrischeEnergie aus der Turbine versorgt wird.

Bevorzugt sind die Wärmetauscher im Wesentlichen parallel zurDrehachse des Rotors angeordnet. Die Wärmetauscher sind hierbeizwischen die Verdichtungs- und Entspannungskanäle geschaltet.

Der innere Wärmetauscher ist für einen Wärmeaustausch bei nied¬rigerer Temperatur und der äußere Wärmetauscher für einen Wär¬meaustausch bei höherer Temperatur vorgesehen.

Zur Erhöhung der Leistung der Vorrichtung ist es günstig, wennjeweils mehrere innere Wärmetauscher und äußere Wärmetauschervorgesehen sind. Bevorzugt sind die inneren Wärmetauscher einer¬seits und die äußeren Wärmetauscher andererseits in regelmäßigenWinkelabständen bezüglich der Drehachse angeordnet. Bevorzugtsind ebenso viele innere bzw. äußere Wärmetauscher wie Verdich¬tungs- und Entspannungskanäle vorgesehen. Demnach sind die inne¬ren und die äußeren Wärmetauscher paarweise über jeweils einenVerdichtungs- und einen Entspannungskanal miteinander verbunden.Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass die Anzahl der Zu-leitungs- und Ableitungskanäle für das Schaufelrad der Anzahlder inneren bzw. äußeren Wärmetauscher entspricht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung entspricht die An¬zahl der inneren Wärmetauscher einem Vielfachen der äußeren Wär¬metauscher oder umgekehrt.

Der Wärmeaustausch kann besonders effizient gestaltet werden,wenn der zumindest eine innere Wärmetauscher und der zumindesteine äußere Wärmetauscher im Wesentlichen parallel zur Drehachseerstreckt sind, wobei die Verdichtungs- und Entspannungskanälezwischen dem inneren Wärmetauscher und dem äußeren Wärmetauscherverlaufen. Bevorzugt sind mehrere innere Wärmetauscher und meh¬rere äußere Wärmetauscher vorgesehen, welche jeweils in gleichenradialen Abständen zur Drehachse angeordnet sind. Bei dieserAusführung ist zudem bevorzugt vorgesehen, dass eine der Zahlder inneren bzw. äußeren Wärmetauscher entsprechende Anzahl vonVerdichtungs- bzw. Entspannungskanälen vorgesehen ist.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei welcher das Schau¬felrad mehrere hintereinander von dem Arbeitsmedium durchström-bare Schaufelradstufen aufweist. Die Zuleitungskanäle weisen beidieser Ausführung im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlau¬fende Austrittsabschnitte auf, welche bis unmittelbar vor dieEintrittsöffnung der in Strömungsrichtung gesehen ersten Schau¬felradstufe erstreckt sind. Die aufeinanderfolgenden Schaufel¬radstufen sind jeweils über eine Umlenkung miteinander verbun¬den, mit welcher das Arbeitsmedium zwischen den Schaufelradstu¬fen umgelenkt wird. Bevorzugt weist die Umlenkung im Wesentli¬chen parallel zur Drehachse verlaufende Austrittsabschnitte auf,welche bis unmittelbar vor die Eintrittsöffnung der in Strö¬mungsrichtung gesehen folgenden Schaufelradstufe erstreckt sind.Dadurch wird das Arbeitsmedium stets bis vor die nächste Schau¬felradstufe geführt und in Richtung der Drehachse eingeleitet.Die in Strömungsrichtung gesehen letzte Schaufelradstufe ist mitdem zumindest einen Ableitungskanal verbunden.

Bei dem Kreisprozess wird für einen steigenden Massenstrom einenicht stetig steigende Druckdifferenz an dem Schaufelrad beo¬bachtet. Demnach wird speziell bei niedrigen Massenströmen undhohen Drehzahlen des Rotors mit steigendem Massenstrom eine fal¬lende Druckdifferenz am Schaufelrad hervorgerufen, bevor diesewieder ansteigt. Aus diesem Grund ist es günstig, wenn ein

Schaufelrad verwendet wird, das einen möglichst steilen Verlaufaufweist, d.h. dass bei einer bestimmten Drehzahl des Schaufel¬rades sowie einer Hauptrotordrehzahl ab dem Erreichen des maxi¬malen Drucks ein möglichst steil abfallender Verlauf bevorzugtwird. Ein derartiger Verlauf wird insbesondere mit mehrstufigenSchaufelrädern erzielt. Da die Prozesskennlinie (d.h. der benö¬tigte Druck über dem Massenstrom) und die Schaufelkennlinie(d.h. der erzeugte Druck über dem Massenstrom) in der Regel zweiSchnittpunkte aufweisen, jedoch nur einer davon ein stabiler Be¬triebspunkt ist, wäre eine vertikale Kennlinie für die Drucker¬zeugung ideal. Dies könnte beispielsweise durch Verdrängerma¬schinen (wie z.B. Kolbenmaschinen) realisiert werden. Eine mehr¬stufige Druckerhöhung mit Schaufelrädern erzielt jedoch in vor¬teilhafter Weise einen ähnlichen Effekt, indem ab einem bestimm¬ten Punkt ein sehr steiler Verlauf erzielt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird zudem durch einVerfahren der eingangs angeführten Art gelöst, bei welchem ein¬zelne Strömungen des Arbeitsmediums in dem Wärmepumpenbetriebs¬zustand bis unmittelbar vor das Schaufelrad geführt und im We¬sentlichen parallel zur Drehachse in das Schaufelrad eingeleitetwerden. Demnach werden die Strömungen des Arbeitsmediums einzelnbzw. getrennt voneinander und in axialer Richtung in das Schau¬felrad geführt.

Die Vorteile und technischen Effekte dieses Verfahrens ergebensich aus den vorstehenden Erläuterungen, auf welche hiermit ver¬wiesen werden kann. Überraschenderweise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenndas Schaufelrad in derselben Drehrichtung und mit einer höherenabsoluten Drehzahl wie der Rotor mit den Entspannungs- und Ver¬dichtungskanälen rotiert wird. Durch die Rotation des Schaufel¬rads in Drehrichtung des Rotors wird eine höhere absolute Dreh¬zahl des Schaufelrads vorgesehen, welche eine entsprechend höhe¬re Zentrifugalbeschleunigung und damit eine effizientere Ver¬dichtung des Arbeitsmediums bewirkt. Bei gleicher Drehrichtungvon Schaufelrad und Rotor wird der zentrifugale Verdichtungsef¬fekt anteilsmäßig erhöht und dadurch die Effizienz gesteigt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dar¬gestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedochnicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnenzeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 schematisch eine schaubildliche Ansicht einer erfindungs¬gemäßen Vorrichtung zum Umwandeln thermischer Energie, bei derein Arbeitsmedium in einem Rotor einen geschlossenen Kreispro¬zess durchläuft, wobei der Kreisprozess mittels eines rotieren¬den Schaufelrads geschlossen wird;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 1, wo¬bei der besseren Übersicht halber nur die für die Funktion desSchaufelrads relevanten Bauteile gezeigt sind;

Fig. 2a ein Temperatur/Entropie - Diagramm des in der erfin¬dungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten Kreisprozesses;

Fig. 3 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 1, 2 im Be¬reich des Schaufelrads;

Fig. 4 einen Querschnitt der Vorrichtung gemäß der Linie IV-IVin Fig. 2 im Bereich des Schaufelrads, wobei die Austrittsab¬schnitte der Zuleitungskanäle einerseits und die Eintrittsab¬schnitte der Ableitungskanäle andererseits ersichtlich sind;

Fig. 5 eine schematische schaubildliche Ansicht von Teilen desRotors im Bereich der Zuleitungskanäle, welche vor dem Eintrittin das Schaufelrad in axialer Richtung verlaufende Austrittsab¬schnitte aufweisen;

Fig. 6 schematisch eine schaubildliche Ansicht des Schaufelradsder in Fig. 1 bis 5 dargestellten Vorrichtung; und

Fig. 7 einen Längsschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 3 im Be¬reich des Schaufelrads, welches bei dieser Ausführung mehrerehintereinander durchströmbare Schaufelradstufen aufweist.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 20 zur Umwandlung von Wärmeenergiemittels mechanischer Energie und umgekehrt, welche in der ge¬ zeigten Ausführung als Wärmepumpe verwendet wird. Die Vorrich¬tung 20 umfasst einen Rotor 21, der mittels eines (nicht darge¬stellten) Motors um eine Drehachse 22 rotierbar ist. Der Rotor21 weist eine Verdichtereinheit 23 und eine Entspannungseinheit24 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 Arbeitsmediums,b) Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaus¬tauschmedium in einem äußeren Wärmetauscher 1', c) Entspannungdes Arbeitsmediums und d) Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsme¬dium und einem Wärmeaustauschmedium in einem inneren Wärmetau¬scher 1'' aufweist. Zu diesem Zweck weist die Verdichtereinheit23 im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Verdich¬tungskanäle 25 auf, in welchen das Arbeitsmedium mit Bezug aufdie Drehachse 22 in radialer Richtung nach außen strömt. Auf¬grund der Zentrifugalbeschleunigung wird das Arbeitsmedium inden Verdichtungskanälen 25 verdichtet. Entsprechend wird das Ar¬beitsmedium zur Druckverringerung in Entspannungskanälen 26 derEntspannungseinheit 24 im Wesentlichen radial nach innen ge¬führt .

Die Verdichtereinheit 23 und die Entspannungseinheit 24 sinddurch axial, d.h. in Richtung der Drehachse 22, verlaufendeStrömungskanäle miteinander verbunden, in denen ein Wärmeaus¬tausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmedi¬um, beispielsweise Wasser, erfolgt. Zu diesem Zweck sind in Be¬zug auf die Drehachse äußere Wärmetauscher 1' und innere Wärme¬tauscher 1' vorgesehen, welche im Wesentlichen parallel zurDrehachse 22 erstreckt sind. Wenn die Vorrichtung 20 als Wärme¬pumpe betrieben wird, gibt das in den Verdichtungskanälen 25verdichtete Arbeitsmedium in den äußeren Wärmetauschern 1' Wärmean ein Wärmeaustauschmedium einer ersten, vergleichsweise hohenTemperatur ab, wobei das in den Entspannungskanälen 26 entspann¬te Arbeitsmedium Wärme vom Wärmeaustauschmedium einer zweiten,vergleichsweise niedrigen Temperatur aufnimmt. Demnach wird dieauf das Arbeitsmedium wirkende Zentrifugalbeschleunigung dazuausgenützt, um verschiedene Druckniveaus bzw. Temperaturniveauszu erzeugen. Dem verdichteten Arbeitsmedium wird Wärme hoherTemperatur entzogen, und dem entspannten Arbeitsmedium wird Wär¬ me vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt. In einem Be¬trieb der Vorrichtung 20 als Motor werden die Strömungskanälevom Arbeitsmedium in umgekehrter Richtung durchströmt. Entspre¬chend ändert sich der Wärmeaustausch, wobei am äußeren Wärmetau¬scher 1' Wärme dem Arbeitsmedium zugeführt und am inneren Wärme¬tauscher 1'' Wärme dem Arbeitsmedium entzogen wird.

Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, sind jeweils mehrere, in dergezeigten Ausführung zwölf, innere Wärmetauscher 1' und mehrere,in der gezeigten Ausführung zwölf, äußere Wärmetauscher 1' vor¬gesehen, welche in regelmäßigen Winkelabständen bezüglich derDrehachse angeordnet sind. Die inneren Wärmetauscher 1' und dieäußeren Wärmetauscher 1' sind jeweils im Wesentlichen parallelzur Drehachse 22 erstreckt, wobei die Verdichtungs- 23 und Ent¬spannungskanäle 25 zwischen den inneren Wärmetauschern 1' undden äußeren Wärmetauschern 1' verlaufen.

In Fig. 2 sind Teile der Vorrichtung 20 im Längsschnitt darge¬stellt, wobei lediglich einer der inneren Wärmetauscher 1'' undeiner der äußeren Wärmetauscher 1' eingezeichnet sind. Darüberhinaus ist in Fig. 2 ein Schaufelrad 30 ersichtlich, mit welchemin der gezeigten Ausführung die Strömung des Arbeitsmediums umdie Drehachse 22 aufrechterhalten wird. Das Schaufelrad 30 isteinerseits mit Zuleitungskanälen 31 verbunden, welche das Ar-beitsmedium von den inneren Wärmetauschern 1'' übernehmen. Dar¬über hinaus ist das Schaufelrad 30 mit Ableitungskanälen 32 ver¬bunden, mit welchen das Arbeitsmedium in die Verdichtungskanäle25 der Verdichtereinheit 23 geführt wird. Die Verdichtungskanäle25 sind mit den äußeren Wärmetauscher 1' verbunden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weisen die Zuleitungskanäle 31 imWesentlichen parallel zur Drehachse 22 verlaufende, bis direktvor eine Eintrittsöffnung 33 des Schaufelrads 30 erstreckte Aus¬trittsabschnitte 34 auf, so dass die Strömungen des Arbeitsmedi¬ums in den Zuleitungskanälen 31 getrennt voneinander und im We¬sentlichen parallel zur Drehachse 22 in das Schaufelrad 30 ge¬führt werden.

Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, weisen die Zuleitungskanäle31 im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Zuleitungs- abschnitte 35 auf, welche zwischen den in das Schaufelrad 30mündenden Austrittsabschnitten 34 und den inneren Wärmetauschern1'' angeordnet sind. Die Ableitungskanäle 32 sind mit den Ver¬dichtungskanälen 25 verbunden, welche das Arbeitsmedium zu denäußeren Wärmetauschern 1' führen.

Wie aus Fig. 2 weiters ersichtlich, ist das Schaufelrad 30 inradialer Richtung näher an der Drehachse 22 als der innere Wär¬metauscher 1'' angeordnet. In der gezeigten Ausführung ist dieDrehachse des Schaufelrades 30 fluchtend auf der Drehachse 22des Rotors 21 angeordnet, um die Belastungen aufgrund der Zent¬rifugalbeschleunigung auf die Lagerung der Welle des Schaufelra¬des 30 zu reduzieren.

Fig. 2a zeigt ein Temperatur (T) - Entropie (S) - Diagramm, wo¬bei die einzelnen Zustände des Arbeitsmediums mit ZI bis Z7 be¬zeichnet sind. In Fig. 2 sind entsprechend die Positionen inner¬halb der Vorrichtung 20 markiert, an welchen das Arbeitsmediumdie Zustände ZI bis Z7 im Wesentlichen erreicht. Demnach werdenbei einem Betrieb als Wärmepumpe die folgenden Prozessschrittedurchlaufen (bei einem Betrieb als Wärme-Kraft-Maschine würdeder Kreisprozess in umgekehrter Richtung durchgeführt): - 1 nach 2: im Wesentlichen isentrope Verdichtung aufgrund derHauptrotation vom Radius ZI des achsnahen Wärmetauschers 1'' biszum Radius Z2 des achsfernen Wärmetauschers 1'; - 2 nach 3: im Wesentlichen isobare Wärmeabfuhr vom Arbeitsmedi¬um an das Wärmeaustauschmedium in dem äußeren Wärmetauscher 1'bei vergleichsweise hoher Temperatur und bei konstantem Radiusder Strömung; - 3 nach 4: im Wesentlichen isentrope Entspannung aufgrund derHauptrotation vom Radius des äußeren Wärmetauschers 1' bis zumRadius des inneren Wärmetauschers 1''; - 4 nach 5: im Wesentlichen isobare Wärmeabfuhr bei vergleichs¬weise niedriger Temperatur bei konstantem Radius in dem innerenWärmetauscher 1''; - 5 nach 6: im Wesentlichen isentrope Entspannung aufgrund derHauptrotation vom Radius des inneren Wärmetauschers bis zum Ein¬trittsradius des Schaufelrades; - 6 nach 7: Verdichtung innerhalb des Schaufelrades, wobei dieVerluste eine Entropieerhöhung bewirken; und - 7 nach 1: im Wesentlichen isentrope Verdichtung aufgrund derHauptrotation vom Austritt des Schaufelrades bis zum Radius ge¬mäß Zustand ZI.

Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, weisen die Zuleitungs¬kanäle 31 an den Austrittsabschnitten 34 bogenförmig gekrümmteWandungen 36 auf, welche eine Umlenkung des Arbeitsmediums um imWesentlichen 90° von den radialen Zuleitungsabschnitten 35 indie axialen Austrittsabschnitte 34 bewirken.

Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich, sind die Austrittsab¬schnitte 34 der Zuleitungskanäle 31 durch im Wesentlichen in ra¬dialer und axialer Richtung zur Drehachse 22 erstreckte Trenn¬elemente 37 begrenzt, welche in der gezeigten Ausführung durchim Wesentlichen ebene Trennwänden gebildet sind. Die Trennele¬mente 37 haben eine radiale Erstreckung und sind sternförmig an¬geordnet. In der gezeigten Ausführung sind die Austrittsab¬schnitte 34 daher regelmäßig und in konstanten radialen Abstän¬den um die Drehachse 22 des Rotors 21 angeordnet.

Aus Fig. 4 ist weiters ersichtlich, dass das Schaufelrad 30 eineVielzahl von bogenförmig gekrümmten Schaufeln 38 aufweist, mitwelchen das Arbeitsmedium beim Durchströmen des Schaufelrads 30in Drehrichtung 39 des Schaufelrads 30 beschleunigt wird. DasSchaufelrad 30 weist auf der der Drehachse 22 zugewandten Seiteeinen von Schaufeln 39 freien Radialabschnitt 40 auf, in welchemdie Strömungen des Arbeitsmediums aus den Zuleitungskanälen 31zusammengeführt und homogenisiert werden. An dem Radialabschnitt40 ist eine bogenförmig gekrümmte Umlenkwand 41 vorgesehen (vgl.Fig. 3), mit welcher das Arbeitsmedium um im Wesentlichen 90°von der axialen Strömung beim Eintritt in das Schaufelrad 30 ineine radiale Strömung vor den Schaufeln 39 umgelenkt wird.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weisen die Ableitungskanäle 32 inBezug auf eine Umhüllende des Schaufelrads 30, d.h. in Bezug aufdie im Querschnitt kreisförmige Außenfläche des Schaufelrads 30,zur radialen Richtung geneigt verlaufende Eintrittsabschnitte 42auf, welche mit im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen¬den Ableitungsabschnitten 43 verbunden sind.

Wie aus Fig. 4, 6 schematisch ersichtlich, weist das Schaufelrad30 eine Schaufelradwelle 44 auf, welche mit einem Motor (nichtgezeigt) verbunden ist. Der Motor ist dazu eingerichtet, dasSchaufelrad 30 in die Drehrichtung 45 des Rotors 21 zu rotieren.In der gezeigten Ausführung fallen die Drehachse des Schaufel¬rads 44 und die Drehachse 22 des Rotors 21 zusammen. Bei dem Be¬trieb als Wärmekraftmaschine ist an das Schaufelrad 30, welchesdann als Turbine arbeitet, ein Generator angeschlossen. Die Tur¬bine wandelt bei einer Durchströmung mit einem entsprechendenMassenstrom einen entstandenen Differenzdruck in Wellenleistungum.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, weist die Vorrichtung 20 dynamischeDichtspalte 46 auf, welche Rückströmungen aufgrund eines erhöh¬ten Drucks am Ausgang des Schaufelrades 30 gegenüber dem Eingangminimieren sollen. In die Dichtspalten 46 greifen Gegenlamellen47 des Schaufelrades 30 ein, um mehrere möglichst kleine Spaltezu erzeugen.

Fig. 7 zeigt eine alternative Ausführung, bei welcher das ein¬zelne Schaufelrad 30 mehrere, in der gezeigten Ausführung zwei,hintereinander durchströmbare Schaufelradstufen 30', 30'' auf¬weist. Die Schaufelradstufen 30', 30'' sind über eine Umlenkung30''' miteinander verbunden, mit welcher das Arbeitsmedium voneiner Strömung radial nach außen im Anschluss an die ersteSchaufelradstufe 30'' zunächst in eine Strömung radial nach in¬nen und danach in eine Strömung in Richtung der Drehachse 22 bisunmittelbar vor die zweite Schaufelradstufe 30' umgelenkt wird.Jede Schaufelradstufe 30', 30'' ist entsprechend der einstufigenAusführung gemäß Fig. 1 bis 6 aufgebaut. In der gezeigten Aus¬führung sind die Schaufelradstufen 30', 30'' auf derselbenSchaufelradwelle 44 angeordnet, welche mit einem Motor oder miteinem Generator verbunden ist. Die Schaufelradstufen 30', 30'' können alternativ auf getrennten Schaufelradwellen gelagertsein, wobei jede Schaufelradstufe 30', 30'' mit einem Motor bzw.Generator verbunden ist.

Claims (18)

1. Patentansprüche : 1. Vorrichtung (20) zum Umwandeln thermischer Energie niedrigerTemperatur in thermische Energie höherer Temperatur mittels me¬chanischer Energie und umgekehrt mit einem drehbar um eine Dreh¬achse (22) gelagerten Rotor (21) für ein einen geschlossenenKreisprozess durchlaufendes Arbeitsmedium, wobei der Rotor (21)eine Verdichtereinheit (23) mit mehreren Verdichtungskanälen(25) , in welchen Strömungen des Arbeitsmediums zur Druckerhöhungin Bezug auf die Drehachse (22) im Wesentlichen radial nach au¬ßen führbar sind, und eine Entspannungseinheit (24) mit mehrerenEntspannungskanälen (26), in welchen Strömungen des Arbeitsmedi¬ums zur Druckverringerung in Bezug auf die Drehachse (22) im We¬sentlichen radial nach innen führbar sind, aufweist, wobei derRotor (21) weiters Wärmetauscher (1', 1'') für einen Wärmeaus¬tausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wärmeaustauschmediumaufweist, und mit einem relativ zu dem Rotor (21) drehbarenSchaufelrad (30), welches in einem Wärmepumpenbetriebszustandzur Aufrechterhaltung der Strömungen des Arbeitsmediums um dieDrehachse (22) des Rotors (21) und/oder in einem Generatorbe¬triebszustand zur Nutzung der Strömungsenergie des Arbeitsmedi¬ums vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad(30) zwischen im Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Ar¬beitsmediums zuführenden Zuleitungskanälen (31) und zumindesteinem im Wärmepumpenbetriebszustand die Strömung des Arbeitsme¬diums abführenden Ableitungskanal (32) des Rotors (21) angeord¬net ist, wobei die Zuleitungskanäle (31) im Wesentlichen paral¬lel zur Drehachse (22) verlaufende, bis unmittelbar vor eineEintrittsöffnung (33) des Schaufelrads (30) erstreckte Aus¬trittsabschnitte (34) aufweisen, so dass einzelne Strömungen desArbeitsmediums aus den Zuleitungskanälen (31) im Wesentlichenparallel zur Drehachse (22) in das Schaufelrad (30) führbarsind.
2. 2. Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Zuleitungskanäle (31) im Wesentlichen in radialer Rich¬tung verlaufende Zuleitungsabschnitte (35) aufweisen, welchezwischen den Austrittsabschnitten (34) und in Bezug auf dieDrehachse (22) inneren Wärmetauschern (!'') angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬net, dass der zumindest eine Ableitungskanal (32) mit den Ver¬dichtungskanälen (25) verbunden ist, welche mit in Bezug auf dieDrehachse (22) äußeren Wärmetauschern (1') verbunden sind.
4. 4. Vorrichtung (20) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich¬net, dass das Schaufelrad (30) in radialer Richtung näher an derDrehachse (22) als der innere Wärmetauscher (1'') angeordnetist, wobei das Schaufelrad (30) bevorzugt konzentrisch um dieDrehachse (22) des Rotors (11) angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurchgekennzeichnet, dass die Zuleitungskanäle (31) an den Austritts¬abschnitten (34) bogenförmig gekrümmte Wandungen (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, dadurchgekennzeichnet, dass die Austrittsabschnitte (34) der Zulei¬tungskanäle (31) zwischen im Wesentlichen in radialer und axia¬ler Richtung zur Drehachse erstreckten Trennelementen (37), ins¬besondere im Wesentlichen ebenen Trennwänden, gebildet sind.
7. 7. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) eine Mehrzahl von ins¬besondere bogenförmig gekrümmten Schaufeln (38) aufweist.
8. 8. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurchgekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) auf der der Drehachse (22) zugewandten Seite einen von Schaufeln (38) freien Radialab¬schnitt (40) aufweist.
9. 9. Vorrichtung (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass das Schaufelrad (30) an dem Radialabschnitt (40) eine bo¬genförmig gekrümmte Umlenkwand (41) aufweist, mit welcher dasArbeitsmedium um im Wesentlichen 90° in radialer Richtung um¬lenkbar ist.
10. 10. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ableitungskanal (32) ei¬nen schräg zur radialen Richtung angeordneten Eintrittsabschnitt(42) aufweist, welcher mit einem im Wesentlichen in radialerRichtung verlaufenden Ableitungsabschnitt (43) verbunden ist.
11. 11. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurchgekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) eine insbesondere pa¬rallel zur Drehachse (22) des Rotors (21) rotierbare Schaufel¬radwelle (44) aufweist, welche mit einem Motor oder mit einemGenerator verbunden ist.
12. 12. Vorrichtung (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass der Motor zur Rotation des Schaufelrads (30) in derselbenDrehrichtung (39, 45) wie der Rotor (21) mit den Entspannungs-(25) und Verdichtungskanälen (26) für das Arbeitsmedium einge¬richtet ist.
13. 13. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurchgekennzeichnet, dass zumindest ein in Bezug auf die Drehachseinnerer Wärmetauscher (1'') und zumindest ein in Bezug auf dieDrehachse (22) äußerer Wärmetauscher (1') vorgesehen sind, wobeibevorzugt jeweils mehrere innere Wärmetauscher (111) und äußereWärmetauscher (1') vorgesehen sind.
14. 14. Vorrichtung (20) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,dass die Anzahl der inneren Wärmetauscher (1'') einem Vielfachender äußeren Wärmetauscher (1') oder umgekehrt entspricht.
15. 15. Vorrichtung (20) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn¬zeichnet, dass der zumindest eine innere Wärmetauscher (1'') undder zumindest eine äußere Wärmetauscher (1') im Wesentlichen pa¬rallel zur Drehachse (22) erstreckt sind, wobei die Verdich-tungs- (25) und/oder Entspannungskanäle (26) zwischen dem inne¬ren Wärmetauscher (1'') und dem äußeren Wärmetauscher (1') ver¬laufen .
16. 16. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurchgekennzeichnet, dass das Schaufelrad (30) mehrere hintereinandervon dem Arbeitsmedium durchströmbare Schaufelradstufen (30', 30 ' ') aufweist.
17. 17. Verfahren zum Umwandeln thermischer Energie niedriger Tempe¬ratur in thermische Energie höherer Temperatur mittels mechani¬scher Energie und umgekehrt, wobei ein Arbeitsmedium in einem umeine Drehachse (22) rotierenden Rotor (21) einen geschlossenenKreisprozess durchläuft, wobei mehrere Strömungen des Arbeitsme¬diums zur Druckerhöhung in Bezug auf die Drehachse (22) im We¬sentlichen radial nach außen geführt werden, wobei die Strömun¬gen des Arbeitsmediums zur Druckverringerung in Bezug auf dieDrehachse im Wesentlichen radial nach innen geführt werden, wo¬bei ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und einem Wär¬meaustauschmedium vorgenommen wird, wobei das Arbeitsmedium ineinem Wärmepumpenbetriebszustand zur Aufrechterhaltung der Strö¬mungen des Arbeitsmediums um die Drehachse des Rotors und/oderin einem Generatorbetriebszustand zur Nutzung der Strömungsener¬gie des Arbeitsmediums durch ein Schaufelrad (30) geführt wird,dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Strömungen des Arbeitsme¬diums in dem Wärmepumpenbetriebszustand bis unmittelbar vor dasSchaufelrad (30) geführt und im Wesentlichen parallel zur Dreh¬achse (22) in das Schaufelrad (30) eingeleitet werden.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dasSchaufelrad (30) in derselben Drehrichtung (39, 45) und mit ei¬ner höheren absoluten Drehzahl wie der Rotor (21) mit den Ent-spannungs- (25) und Verdichtungskanälen (26) rotiert wird.