CN102893103A - 用于转化热能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于借助于机械能将较低温度的热能转化成更高温度的热能的和反过来的装置(1)或方法，装置(1)带有围绕旋转轴(3)可旋转地支承的转子(2)，在其中设置有用于经历闭合的循环过程的工作介质的流动通道，其中，流动通道具有压缩通道(8)、减压通道(10)和大致平行于旋转轴(3)伸延的两个连接通道(9,11)，并且此外，设置有换热器(13,14)用于在工作介质与换热介质之间的热交换，其中，压缩通道(8)和减压通道(10)相应具有换热部段(8',10')，其相应关联有与压缩通道(8)或减压通道(10)一起转动的换热器(13,14)，换热器(13,14)相应由引导换热介质的至少一个换热通道(15,18)形成。

Description

用于转化热能的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助于机械能将较低温度的热能转化成更高温度的热能的和反过来的装置，其带有围绕旋转轴可旋转地支承的转子，在转子中设置有用于经历闭合的循环过程的工作介质的流动通道，其中，流动通道具有：压缩通道，在其中工作介质为了压力提高可关于旋转轴大致径向向外引导；减压通道(Entspannungskanal)，在其中工作介质为了压力减小可关于旋转轴大致径向向内引导；和大致平行于旋转轴伸延的两个连接通道，并且此外设置有换热器用于工作介质与换热介质之间的热交换，其中，压缩通道和减压通道相应具有换热部段(Wärmetauschabschnitt)，其相应关联有与压缩通道或减压通道一起转动的换热器。

此外，本发明涉及一种用于借助于机械能将较低温度的热能转化成更高温度的热能的和反过来的方法，其利用围绕旋转轴转动的工作介质，该工作介质经历闭合的热力学循环过程，其中，工作介质在压缩期间关于旋转轴大致径向向外地而在减压期间关于旋转轴径向向内地被引导，其中，工作介质的压力提高或压力减小通过对工作介质起作用的离心加速度(Zentrifugalbeschleunigung)来产生，并且工作介质将热量发出到换热介质处或从换热介质吸收热量，其中，热交换经由与工作介质围绕旋转轴一起转动的换热介质至少部分地在压缩或减压期间实现。

背景技术

从现有技术中已知热泵(Wärmepumpe)或热力机器(Wärmekraftmaschine)，在其中气态的工作介质在闭合的热力学循环过程中被引导。

从文件GB 1 466 580中已知一种热泵，其具有容纳在壳体中的转子，在转子中气态的流体经历循环过程。流体在转子的压缩机侧上为了压力提高借助于离心作用被径向向外引导而接下来经由短的、平行于旋转轴伸延的部段被导引到减压器侧(Entspannerseite)中，在该部段中第一流体相对于旋转轴径向向内流动。为了在第一流体与第二或第三流体之间的热交换，在压缩机侧上设置有换热器且在减压器侧上设置有换热器，它们一起转动地布置在转子中。换热器相应具有多个环绕的、在径向上相间隔的换热管路(Wärmetauschleitung)；设置用于压缩流体的散热(Wärmeabfuhr)的换热器在此比在减压器侧上处于内部的换热器在径向上进一步布置在外面。因此，换热管路在压缩侧或者膨胀侧上相应横向于流体的流动方向、也就是说在转子的周向上伸延。该实施方案然而具有该缺点，即在径向上流过压缩机侧或减压器侧时实现不连续的热交换，这导致相对大的能量损失。

在文件WO 2009/015402 A1中说明了一种热泵，在其中工作介质在转子的管路系统(Rohrleitungssystem)中经历循环过程，其带有这些工作步骤：工作介质的压缩、工作介质借助于换热器的散热、工作介质的减压和借助于另一换热器给工作介质的供热(Wärmezufuhr)。工作介质的压力提高或压力减小由离心加速度调节，其中，工作介质在压缩单元中关于旋转轴径向向外而在减压单元中径向向内流动。工作介质到换热器的换热介质处的散热在管路系统的轴向于或平行于旋转轴伸延的部段中实现，该部段与一起转动的、具有换热介质的换热器相关联。该装置原则上使能够从较低温度的热能和机械能非常有效地转化成更高温度的热能。为了保证在管路系统的轴向部段中的所期望的散热，该部段然而必须具有一定的纵向延伸。这具有该缺点，即该设备不能低于在轴向上的最小长度，使得在转子中保留有很多未利用的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开头所列举的类型的装置或方法，在其中以高的效率在节约空间的稳定的布置中可获得从机械能到热能的和反过来的转化。

对于开头所列举的类型的装置这由此来获得，即换热通道在换热部段的区域中邻近于压缩或减压通道来布置并且大致平行于压缩或减压通道伸延。

相应地，工作介质与换热介质之间的热交换在压缩或减压通道的特别为利用所属的换热器的热交换所设立的、在径向上伸延的换热部段中实现，该换热部段可延伸直至压缩或减压通道的最大长度。工作介质在该循环过程期间优选地以气态的状态存在；然而原则上也可考虑液态的或处于两相状态中的工作介质。通过换热部段构造在压缩或减压通道中，可获得特别节约空间的布置，因为将压缩通道与减压通道相连接的轴向的连接通道不必实现特别的目的、尤其不必实现热交换。尤其地，连接通道(其在已知的设备中鉴于利用轴向伸延的换热器的热交换相应伸长地来构造)因此可相对较短，因为利用根据本发明的连接通道仅须保证转向到相应另一在径向上伸延的压缩或减压通道中。相应地，根据本发明的装置的尺寸尤其在旋转轴的方向上相对于已知的热泵或热力机器可显著减小。这例如也使多个这样的装置沿着共同的旋转轴的串联成为可能，其中，总共供使用的功率大致对应于各个装置的总和。此外，利用换热器沿着压缩或减压通道的换热部段的根据本发明的径向布置可获得带有较高稳定性的转子，因为根据本发明径向布置的换热器相对于轴向伸延的换热器更好地适合于在转子的运行中吸收高的离心力。以该方式，转子或与转子相关联的驱动、例如电动机可利用较高的角速度来驱动。根据本发明的装置的紧凑的、刚性的实施方案使较高的圆周速度成为可能，其对应于较高的温度膨胀(Temperaturspreizung)。

压缩通道和减压通道以及所属的换热器容纳在共同的转子中并且因此构造用于围绕旋转轴的同步转动。工作介质的封闭的流动通道相应地在循环过程期间完全在该装置的转动的构件中伸延。以该方式尽可能避免流动损失(其会在工作介质从转子中导入或导出时产生)，从而在当前的装置中以较高的效率实现较低温度的热能转化成更高温度的热能且反过来。

鉴于有效的热交换，设置用于构造换热器的、引导换热介质的换热通道布置在邻近于压缩或减压通道的换热部段的区域中且大致平行于压缩或减压通道伸延。

为了获得特别刚性的布置(其在运行时可经受住较高的离心力)，当换热通道和压缩或减压通道在换热部段中由在共同的、优选地盘状的或板状的体中的凹口来形成时，是有利的。相应地，换热通道和压缩或减压通道在换热部段中相应在换热体的凹口中来引导，其中，工作介质与换热介质之间的热交换在彼此面对的或相对而置的邻近的凹口中实现。

为了提高可利用根据本发明的装置获得的功率，当设置有多个优选地以有规律的角度间距对称地围绕旋转轴布置的压缩或减压通道以及换热通道(其相应具有布置在换热器体的凹口中的换热部段)时，是有利的。在该实施方案中，机械能到热能的和反过来的转化可以以较高的功率在空间需求同时较小的情况下来实现。当将多个根据本发明的装置串联时，能够进一步提高可获得的功率。

根据所选择的尺寸、尤其压缩或减压通道的横截面面积，当在换热部段中压缩或减压通道分叉到换热器体的至少两个凹口中时，关于有效的热交换可以是有利的。相应地，每个压缩或减压通道可关联有换热体的至少两个单独的凹口。优选地，在压缩或减压通道与换热器体的所属的凹口之间的过渡的区域中设置有环形的分配槽(Verteilungsnut)。在转子的另一实施方案中，然而当至少两个压缩或减压通道构造在换热器体的共同的凹口中时，相反的情况可以是有利的。

为了在相应的换热体中获得工作介质与换热介质之间的有效的热交换，当在关于换热体的主延伸平面相面对的侧面处构造有薄片(Lamelle)(关于换热体向外敞开的凹口为了在换热部段中构造压缩或减压通道或换热通道布置在薄片之间)，是有利的。

为了获得适合于高离心力(高的圆周速度)的换热体，当薄片在两侧从整面的壁(其壁厚优选地在1mm与20mm之间)伸出时，是有利的。在整面的壁的相对的侧面上，大量薄片相应将相应数目的凹口分开。在设置用于工作介质的散热的换热器中，换热通道或压缩通道的换热部段构造在邻近的、相对的凹口中；在设置用于供热到工作介质处的散热器中，换热通道的换热部段以相应方式面对减压通道的换热部段。

鉴于在换热体中的适宜的热交换，当薄片的宽度大致对应于凹口的宽度时，是有利的。

在换热体中的热流的试验得出，当换热器板或盘的薄片或凹口在切向上相互错位地布置时，传热损失较小或相对于压差的稳定性较高，其中，该错位对应于凹口或薄片的宽度，使得薄片和凹口彼此相应相对而置。

为了获得稳定的且同时具有良好的导热性的换热体，当换热体由带有高的强度和导热性或较小的材料密度的材料、优选地铝或纤维强化的塑料材料构成时，是有利的。

鉴于换热体的不复杂的制造，其中，此外使凹口的特别精确的匹配成为可能，当换热器体的凹口通过铣削来形成时，是有利的。在一备选的实施方案中，换热器体的凹口以铸造方法来制造。

为了在压缩或减压通道的换热部段中获得有效的热传递，在一优选的实施方案中设置成，作为换热器设置有带有壳体的板式换热器，在其中板通过间隙分离地来布置，在间隙中交替地引导工作介质或换热介质。相应地，这样的板式换热器具有多个板，其在壳体中这样布置，使得换热介质或工作介质相应在相继的间隙中流动。例如相互焊接的或拧紧的板向外且相应对邻近的用于相应另一介质的间隙密封。

板式换热器的主要缺点在于其较小的压力稳定性。在装置的运行中，在板式换热器中出现高的内压力，其引起板的变形或挠曲(Durchbiegung)。在压力非常高的情况下，在此可超过板式换热器的负荷极限。为了能够经受住尤其换热介质的较高的内压力，当板式换热器的壳体借助于尤其液压的压力产生装置可加载以压力(其对应于与板式换热器的内压力的较小的压差)时，是有利的。相应地，利用压力产生装置施加外压力到板式换热器上，其尽可能地防止板的挠曲。外压力在此优选从所有侧面作用于板式换热器，其中，它近似被布置在压力容器中。以该方式，例如在使用带有直至350 bar的压力的氩气作为换热介质时可确保该布置的稳定性。

为了鉴于该布置的改善的稳定性提高在板式换热器中的工作介质的压力，当工作介质腔与压缩机、尤其气缸活塞压缩机相连接，使得工作介质的体积被压缩时，是有利的。

为了将板式换热器中的工作介质的压力提升到大致相应于板式换热器中的换热介质的压力的水平上，当液压的压力产生装置的设立用于将压力施加到板式换热器的壳体上的液体通道分叉到另一液体通道(其作用于气缸活塞压缩机的气缸)中时，是有利的。相应地，工作介质的压力水平可被平衡到换热介质处，其中，经由液压的压力产生装置的液体通道将相应的外压力施加到板式换热器的壳体上。

当在压缩或减压通道的换热部段中设置有用于在流动的工作介质中产生涡流的涡流产生装置时，可获得热交换的效率的改善。利用该涡流产生装置来干扰工作介质在换热部段中的流动，由此产生局部的涡流或局部地提高涡流，从而改善与换热介质的热交换。

鉴于在压缩或减压通道的换热部段中适宜地、结构简单地获得涡流或回流，当作为涡流产生装置在压缩或减压通道的壁处设置有至少一个尤其弧形地弯曲的突出部或在板式换热器的板处设置有成型部(Profilierung)时，是有利的。只要凹口被铣削到换热体中(例如借助于圆盘铣刀(Scheibenfräser))，可通过铣削深度的变化来获得突出部。

为了提高该装置的效率，当压缩或减压通道的横截面面积在邻接到叶轮处的或在叶轮之前的部段中关于旋转轴径向向外扩展时，是有利的。工作介质在循环过程中的流动通过尤其磁性地靠近旋转轴固定在减压通道中的叶轮来维持。为了避免损失，当工作介质以提高的流动速度被引入叶轮中或从其中引出时，是有利的，这通过减压通道在叶轮之前的逐渐变细(Verjüngung)或压缩通道在叶轮之后的扩展来实现。以该方式，在工作介质转入叶轮中时可获得最佳的进入或排出角度，这显著地提高设备的效率。流动横截面在以喷嘴的类型的减压通道中的减小(在流动方向上观察)可在没有重要的损失的情况下在相对短的距离上实现。在流动横截面在以扩散器的类型的压缩通道中增大(在流动方向上观察)的情况中，需要尽可能长的距离，以便将损失保持较小或以便提高扩散器效率。在此充分利用，在接近轴线的区域中存在相对高的而在远离轴线的区域中存在相对低的相对流动速度。

为了获得工作介质在压缩或减压通道的在换热体之外伸延的部段中的无回流的流动，当压缩或减压通道关于旋转轴径向向外至少一次分叉成两个子部段(在其中相应的压缩或减压通道由分隔壁(Teilungswand)划分成两个半部)时，是有利的。

在工作介质在径向上流动时，除了引起工作介质的压缩或减压的离心力之外，此外出现横向于离心力起作用的科式力(Corioliskraft)，使得在每个压缩或减压通道中构造有压力侧和抽吸侧。为了将工作介质均匀地分配到子部段中，当分隔壁从压缩或减压通道的平行于由旋转轴和工作介质的流动方向张开的平面布置的中间平面朝向压缩或减压通道的抽吸侧偏移地布置时，是有利的。在该情况中，工作介质在两个子部段中具有相同的由科式力引起的速度轮廓(Geschwindigkeitsprofil)。

工作介质到子部段中的均匀分配在分隔壁布置在中心的情况下优选地可由此实现，即分隔壁的主延伸平面至少逐段地切向于或垂直于旋转轴来布置。流动通道在中间的该划分以结构上简单的方式是可能的且不要求复杂的设计。

在一特别优选的实施形式中设置成，分隔壁的主延伸平面具有扭转的走向，其中，分隔壁的主延伸平面的靠近旋转轴布置的端部区域大致切向于或垂直于旋转轴来布置而分隔壁的主延伸平面的另外远离旋转轴的端部区域大致平行于旋转轴伸延。相应地，工作介质首先在分隔壁的面向旋转轴的、垂直于旋转轴布置的端部区域处以相同的份额被划分成子部段。在子部段中，分隔壁具有扭转大致90°的走向，使得分隔壁的主延伸平面在分隔壁的另一端部区域处平行于旋转轴来布置。在到子部段处的联接部中，设置有压缩或减压通道的重新的分叉(Gabelung)；根据相应的压缩或减压通道的径向尺寸，当压缩或减压通道多次、尤其三次在径向向外联接的部段中分叉开时，是适宜的，其中，子部段的数目随着每个分叉而加倍。

鉴于压缩或减压通道的成本有利的、结构简单的设计，当压缩通道和减压通道逐段地构造在热绝缘的、优选地由塑料制成的旋转体中时，是有利的。旋转体例如可以以注塑方法来制造。

为了获得转子的紧凑的、特别稳定的实施方案，当设置有一起转动的块状的镶边(Einfassung)(换热器体和旋转体布置在其中)时，是有利的。利用优选地由塑料制成的块状的镶边将转子的各个部件以刚性的、模块式的布置(其经受住高的负荷)接在一起。

尤其鉴于有效的安全步骤，当块状的镶边布置在静止的外部壳体中时，是有利的。利用壳体可将转动的构件受保护地布置在装置的内部中。此外，通过在该壳体中产生真空，使外摩擦最小化。

开头所列举的类型的方法特征在于，换热介质在热交换期间邻近于且大致平行于工作介质来引导。利用根据本发明的方法因此获得与利用根据本发明的装置相同的优点，从而为了避免重复参照前述实施方案。

为了在经历循环过程中获得高的效率，当工作介质在热交换之前被大致绝热地压缩或绝热地减压时，是有利的，其中，为了避免或减少涡流，工作介质的平均的流动速度v、旋转运动的角速度w和工作介质在切向上的延伸a满足该关系：

。

在遵循上述条件的情况下，可避免或减少使效率低下的涡流，如果工作介质的由科式力引起的速度轮廓、也就是说横向于旋转轴的速度分布的偏斜(Schieflage)变得大于平均的流动速度v，则涡流出现。因此，尤其在流动速度v较小或角速度w较高时可以是适宜的，其使流动的工作介质在径向联接的子部段中分叉开，如前面已阐述的那样。

另一方面，在热交换期间回流或涡流可以是所期望的，因为由此可提高热交换的效率。相应地，有利的是，在热交换期间为了获得回流，工作介质的平均的流动速度v、旋转运动的角速度w和工作介质在旋转轴的方向上的延伸a满足关系：

。

为了改善工作介质与换热介质之间的导热，当换热介质和工作介质在换热部段中以相同的流动方向围绕旋转轴被导引时，令人惊讶地证实为有利的。相应地，在该实施方案中应用平流原理(Gleichstromprinzip)，由此，介质之间的平均温度差相对于逆流原理(Gegenstromprinzip)被最小化。

鉴于循环过程的效率的改善，当闭合循环过程中的压力在10 bar与150 bar之间时，是有利的。

为了获得基于离心力的高的压缩，作为工作介质优选地使用带有较低比热容的气体、尤其惰性气体，优选地氩气、氪气或氙气。

鉴于工作介质与换热介质之间的有效的热交换，当为了散热和供热使用带有至少1 kJ/(kg*K)的高比热容和/或大致1的等熵指数κ的换热介质，尤其水、水乙二醇混合物、油、氦气或空气时，是有利的。

附图说明

下面根据在附图中所示的优选的实施例还进一步阐述本发明，然而本发明不应限于这些实施例。其中：

图1显示了根据本发明的一实施形式的用于借助于机械能将较低温度的热能转化成更高温度的热能的和反过来的装置的剖面图；

图2显示了根据本发明的另一实施形式的这样的装置的剖面图；

图3显示了一图表，从其中示意性地可见气态工作介质在经历闭合循环过程时的温度和熵的曲线；

图4显示了根据本发明的换热器的截段的示意性的剖面图，在其中薄片在两侧从整面的壁伸出；

图5显示了根据图4的换热器的示意性的剖面图，其中，薄片在相对的侧面处彼此偏移地来布置；

图6显示了具有大量以有规律的角度间距布置的压缩或减压通道的旋转体的截段的示意性的剖面图；

图7显示了一透视图，从其中示意性地可见布置在压缩或减压通道中的分隔壁的扭转的走向；

图8显示了压缩或减压通道的示意性的视图，从其中可见工作介质的由科式力引起的速度轮廓；

图9显示了压缩或减压通道的换热部段的示意性的视图，在其中在壁处设置有用于在流动的工作介质中产生涡流的突出部；

图10显示了板式换热器的拉开的透视图；

图11显示了根据本发明的装置的一实施形式，在其中设置有根据图10的板式换热器；以及

图12显示了带有对压板(Gegenplatte)的备选的换热器的示意性的剖面图。

具体实施方式

在图1中显示了用于将机械能转化成热能的和反过来的根据本发明的装置1，其在所示出的实施例中作为热泵来运行。装置1包括转子2，其由马达4的旋转轴3来驱动。转子2具有块状的镶边5，其在其方面容纳在外部的、处于静止的壳体6中。在转子2内构造有用于执行循环过程的工作介质的闭合的流动通道，该工作介质在整个循环期间以气态的状态存在。工作介质、例如氩气顺时针或在箭头方向7上从压缩通道8经由第一连接通道9被引导到减压通道10中，减压通道10经由第二连接部段11与压缩通道8处于连接中。压缩通道8和减压通道10相应大致垂直于旋转轴3来布置，而连接通道9、11大致平行于旋转轴3伸延。工作介质的流动例如通过磁性固定的叶轮12来引起或维持，叶轮12靠近旋转轴3布置在减压通道10中，以便保持损失功率较小。

通过转子2的旋转运动，离心力作用于在压缩通道8中径向向外流动的工作介质，该离心力引起工作介质的压力或者温度提高。同样地，在减压通道10中作用于工作介质的离心力在向旋转轴3的方向上减小，由此，降低工作介质的压力或温度。该状况在热泵中被用于产生不同的压力级(Druckniveaus)或温度级。较高温度的热量被从压缩的工作介质取得，而相对低温度的热量被供给给减压的工作介质。为了该目的，设置有两个换热器13、14，其中，一个换热器13设立用于工作介质的散热而另一换热器14设立用于工作介质的供热。

根据本发明，通过压缩通道8和减压通道10相应具有换热部段8'、10'(其相应设立用于利用一起转动地布置在转子2中的换热器13、14的热交换)，热交换经由与工作介质围绕旋转轴3一起转动的换热介质部分地在压缩或减压期间实现；换热器13、14相应地在径向上垂直于旋转轴3布置。因为连接通道9、11在当前的装置1中仅设置用于工作介质从压缩通道8到减压通道10中和反过来的转向(而不用于供热和散热)，该连接通道9、11可以比较短。

为了构造换热器13、14，相应设置有优选地引导液态换热介质的换热通道15、18，其在它的相应的换热部段15'、18'的区域中大致平行于压缩或减压通道8、10布置。换热通道15、18和压缩通道8或减压通道10在换热部段8'、10'中由在相应的换热器13、14的共同的、优选地盘状或板状体17中的凹口16形成，其结合附图4和5来详细阐述。

在闭合的循环过程(工作介质沿着它的在转子中的流动通道经历该循环过程)的进程中的各个步骤可示意性被从图3中的温度/熵图得出，其中，步骤的每个开始和结束对应有在流动通道中工作介质的在图1和2中利用字母A至F来表示的位置。相应地，工作介质首先在压缩通道8的远离热体(Wärmekörper)13的部段8''中从A向B大致绝热地来压缩。接下来，工作介质进入换热器13的凹口16中，在那里其在压缩通道8的换热部段8'中从B向C将热量发出到换热通道15的平行引导的换热部段15'处。经由第一连接通道9，工作介质被导引到减压通道10中，在那里其在减压通道10的部段10''中从C向D大致绝热地来减压。接着，工作介质在减压通道10的换热部段10'中从D向E吸收在换热通道18的换热部段18'中所引导的换热介质的热量。由于该事实，即叶轮12不可直接联接到换热器14处，需要一连接件(其具有不同的出口和入口半径(点E和F))，由此温度略微减小。在带有相当小的内部流动损失的绝热流动中，然而该偏差不引起对于整个系统的损失。热交换相应尽可能靠近等温线实现，这在现实条件下不可完全实现，其中，该不可避免的偏差在图2中所示的图表中夸大地示出。在闭合的、完全在转子2内伸延的流动通道中的工作介质的流动能量在循环过程期间除了由流动在通道壁处的摩擦以及流动的内部的摩擦引起的相对小的损失之外保持近似恒定，由此获得高的效率。工作介质的压力在经历循环过程时在10与150 bar之间。

为了使所示出的装置1作为热力机器运行，以相反的方向经历循环过程，其中，代替驱动转子2的马达4设置有发电机。在该实施方案中，在换热器13中在温度相对高时供给热量而在换热器14中在温度相对低时散走热量。

如在图4和5中可见，优选地设置有换热器13、14的多个以有规律的角度间距对称地围绕旋转轴布置的换热通道15、18以及多个压缩通道8或减压通道10(见图6)，它们在换热部段8'、10'、15'、18'中构造在盘状的或板状的换热体17的相应的凹口16中。

在本发明的一优选的实施方案中，每个减压通道10或每个压缩通道8在相应的换热部段8'、10'中关联有换热体17的刚好一个凹口16。在有些情况中，然而可以是有意义的是不同于该设计方案，使得压缩或减压通道8、10的数目不再与在换热体17中的凹口16的数目相一致。

在图2中示意性地表示一这样的变体，在其中在至压缩通道8的换热部段8'的过渡处(且相应地在至减压通道10的过渡处)示意性地表示出环状的分配槽25，利用其来建立在压缩通道8或减压通道10与换热器13、14的限制换热体的凹口16的至少两个表面之间的接触。

图4和5相应示意性显示了根据本发明的换热体17的截段，换热体17通过由铝构成的盘或板来形成，铝将非常好的导热性与较高的刚性相组合。换热体17具有中央的整面的壁19，其主延伸平面垂直于旋转轴3布置。通过铣削来产生薄片20，在其之间(在与压缩通道8相关联的换热器13的情况中)在换热部段8'中在一侧上设置有用于换热通道15的凹口16而在相对侧上设置有用于压缩通道8的凹口16。与减压通道10相关联的换热器14类似地来设计。

换热体17的整面的壁19在不影响稳定性的情况下可薄壁地来构造，其中，用于获得有效的热传递的壁厚d在考虑稳定性的情况下为大约1至5mm。薄片20的宽度s'、也就是它的垂直于旋转轴3的延伸大致对应于垂直于旋转轴3的凹口16的宽度s。在薄片20的纵向延伸h、也就是它的在旋转轴3的方向上的延伸与其宽度s'之间的比例为大约1至20。在槽宽度(通道宽度)保持相等且薄片数目保持相等时，宽度s、s'在径向上连续增大。

在图5中示出的换热体17的实施例如此不同于根据图4的实施例，即换热体17的凹口16或薄片20在垂直于旋转轴3的方向上相互错位地布置。该错位刚好对应于凹口16的宽度s或薄片20的宽度s'，使得薄片20和凹口16彼此相应相对而置。利用该布置，可减少在换热器13、14中的导热损失，以及改善对压差的强度。在薄片20的纵向延伸h大于其宽度s'的情况中，如果壁19的壁厚d大于或等于薄片20的宽度s'，那么刚好实现导热的改善。当薄片20的纵向延伸h小于或等于宽度s'时，在任一情况中实现导热能力的改善。当存在相对小的直径时，该关系尤其在接近轴线的区域中有效。

从图6中示意性地显示了优选地由塑料制成的旋转体21的截段的剖面图，在其中构造有多个关于旋转轴3以有规律的角度间距布置的压缩通道8。减压通道10相应地布置在板状的构造的旋转体21的相面对的侧面处，如从根据图1和图2的装置1的剖面图中可见。

在压缩通道8中在箭头方向7上径向向外流动的工作介质受科式力，其在垂直于角速度w或垂直于在箭头7上的流动的方向上、亦即大致垂直于旋转轴3起作用。以该方式在压缩通道8中(且相应地在减压通道10中)建立在图9中示意性地利用箭头所说明的速度轮廓，其中，工作介质的流动速度v_s从压力侧朝向抽吸侧连续地增加。

为了避免在压缩通道8或减压通道10中可能出现的回流，当工作介质的平均流动速度v、旋转运动的角速度w和工作介质在切向上的延伸a满足该关系

时，压缩或减压通道8、10具有相应关于旋转轴3径向向外扩展的伸延，如从图6中可见。

为了避免在压缩通道8或减压通道10的整个径向延伸上的回流，压缩通道8(和相应地减压通道10)关于旋转轴3径向向外多次地分叉成由分隔壁22分开的子部段8a、8b。

在图6中所示分隔壁22在压缩通道8或减压通道10中布置在中间时，工作介质被不均匀地分到两个半部中，因为导引到一个半部中的工作介质包含由科式力引起的速度轮廓的具有压力侧的部分而导引到另一半部中的工作介质包含速度轮廓的具有抽吸侧的部分(在其中流动速度平均更高)。

工作介质在过渡处均匀分到压缩通道8或减压通道10的子部段中尤其可以以两个不同的类型实现。

一方面，平行于旋转轴3布置的分隔壁22可从压缩或减压通道8、10的平行于旋转轴3伸延的中间平面朝向压缩通道8或减压通道10的抽吸侧偏移地来布置。以该方式，引导到子部段8a、8b中的流相应具有同一速度轮廓。

备选于此，每个分隔壁22的主延伸平面为了气流的均匀分配至少逐段地垂直于旋转轴3来布置。分隔壁22的一实施方案表现为特别有利的，其在图7中示意性地示出。在此，分隔壁22的主延伸平面具有扭转的走向。分隔壁22的主延伸平面的面向旋转轴3的端部区域22'在此垂直于旋转轴3来布置。分隔壁22联接于此地扭转总共90°地伸延，其中，分隔壁22的主延伸平面的另一端部区域22''大致平行于旋转轴3伸延。在该实施方案中不需要的是，分隔壁22的端部区域22'、22''与平行或垂直于旋转轴3伸延的中间平面错位地来布置。

不同于压缩通道8或减压通道10的在换热体17之外伸延的部段8''、10''，可期望在换热部段8'、10'中出现涡流或回流。为了该目的，压缩通道8或减压通道10在换热部段8'、10'中可具有涡流产生装置23，利用其可在在换热体17的凹口16中流动的工作介质中针对性地产生涡流。这可以以结构上简单的方式(如在图9中所示)通过在压缩通道8或减压通道10的壁24处的弧形地弯曲的突出部23'实现。突出部23'可以不复杂地通过在铣削凹口16时不同的铣削深度被设置到换热体17中。此外，这样的涡流器也可简单地借助于铸造方法来制造。

在本发明的另一实施方案中作为换热器13、14相应设置有板式换热器13'、14'，其基本原理从图10可见。

在图10中示意性地示出的板式换热器13'、14'具有带有接口27的两件式的壳体26，在其中由间隙29、29'分开地布置有例如四个成型的板28。示意性地以箭头30表明的工作介质在间隙29中流动。如利用箭头31所示，换热介质在间隙29'中来引导。相应地，用于工作介质的间隙29和用于换热介质的间隙29'彼此交替。当然，间隙29、29'的顺序可交换。此外，一实施方案是可能的，在其中接口27仅设置在壳体件处。板28相互焊接或旋紧。

图11显示了带有板式换热器13'、14'的装置1的一实施形式，其结构大致对应于根据由图10所阐述的板式换热器13'、14'的结构。用于工作介质或换热介质的接口27然而这里设置在相对的侧面处。为了避免重复，下面应仅对装置1的相对于根据图1或图2的实施方案改变的特征进行研究。

换热器13'、14'这样布置在装置1中，使得其板28大致垂直于旋转轴3伸延。相应地，在本发明的该实施方案中也实现在径向上的热交换。工作介质从压缩通道8的部段8''经由短的水平的连接件11'和相应的接口27流动到换热器13'中，在其中间隙29作为径向伸延的换热部段8'起作用。相邻的间隙29(换热介质在其中流动)用作板式换热器13'的径向布置的换热部段15'。接下来，工作介质离开板式换热器13'并且经由连接通道9或减压通道10被引导到第二换热器14'中。为了在循环过程中维持工作介质的流动，设置经由磁体12'固定的叶轮12。

为了鉴于尤其换热介质的高的压力来匹配板式换热器13'，板式换热器13'的壳体26与液压的压力产生装置32相连接，利用压力产生装置32经由利用在图中未示出的器件(例如气缸-活塞-线性驱动)可压力加载的液体通道33可将外压力施加到板式换热器13'的壳体26上。换热器14'可与相应的压力产生装置32(未示出)相关联，对于换热器14'因此相同的想法适用。利用压力产生装置32对板式换热器32的壳体26所施加的压力大致对应于板式换热器13'的内压力，以便防止板28的影响该组件的稳定性的变形。

为了在板式换热器13'中将工作介质的压力与换热介质的压力平衡，压缩通道8的在板式换热器13'前的部段具有到带有气缸36和活塞37的压缩机35的连接通道34。活塞37由从压力产生装置32的液体通道33分岔的液体通道33'来操纵，以便通过使气体循环的总体积变小而将工作介质在整个气体循环中压缩。因此，板式换热器13'的活塞37和壳体26经由压力产生装置32可同时被供应以相应的压力，以便可靠地减小在板式换热器13'中的压差。活塞37也可被薄膜(未示出)代替。

图12显示了换热器13、14的一备选的实施方案，其改进了在图4和5中所示的换热体17。为了实现在工作介质与换热介质之间的更好的热交换，带有薄片39的对压板38作用到在换热体17的薄片20之间的凹口16中。换热体17的薄片20或对压板38的薄片39的宽度s1或s4最佳地在1与10mm之间。换热体17的凹口16或对压板38的相应的凹口的宽度s2或s3相应比插入的薄片39或20宽0.5至15mm。由此得出0.25至7.5mm的流动通道宽度x2。由于该相对小的间隙宽度，实现相应较小的水力直径，由此显著提高介质到邻接的壁上的热传递。为了确保均匀的流动，在薄片20两侧或在薄片20的端侧处相应留有间隙41或42，其宽度x1或x2近似等大。此外通过间隙42确保，插入的薄片39被压向换热体17，由此，高的热传递是可能的。

Claims (31)

1. 一种用于借助于机械能将较低温度的热能转化成更高温度的热能的和反过来的装置(1)，其带有围绕旋转轴(3)可旋转地支承的转子(2)，在所述转子(2)中设置有用于经历闭合的循环过程的工作介质的流动通道，其中，所述流动通道具有：压缩通道(8)，在其中所述工作介质为了压力提高能够关于所述旋转轴(3)大致径向向外地引导；减压通道，在其中所述工作介质为了压力减小能够关于所述旋转轴(3)大致径向向内地引导；和大致平行于所述旋转轴(3)伸延的两个连接通道(9, 11)，并且此外，设置有换热器(13, 14)用于在所述工作介质与换热介质之间的热交换，其中，所述压缩通道(8)和所述减压通道(10)相应具有换热部段(8', 10')，其相应关联有与所述压缩通道(8)或所述减压通道(10)一起转动的换热器(13, 14)，所述换热器(13, 14)相应由引导所述换热介质的至少一个换热通道(15, 18)形成，其特征在于，所述换热通道(15, 18)布置在邻近于所述压缩通道(8)或所述减压通道(10)的所述换热部段(8', 10')的区域中并且大致平行于所述压缩通道(8)或所述减压通道(10)伸延。

2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述换热通道和所述压缩通道(8)或减压通道(10)在所述换热部段(8', 10')中由在共同的、优选地盘状的或板状的体(17)中的凹口(16)形成。

3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，设置有多个优选地以有规律的角度间距对称地围绕所述旋转轴(3)布置的压缩通道(8)或减压通道(10)以及换热通道(15, 18)，其相应具有布置在所述换热器体(17)的凹口(16)中的换热部段(8 ' , 10' , 15' , 18')。

4. 根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，在所述换热部段(8', 10')中压缩通道(8)或减压通道(10)在所述换热器体(17)的至少两个凹口(16)中分叉。

5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在关于所述换热体(17)的主延伸平面相对而置的侧面处构造有薄片(20)，关于所述换热体(17)向外敞开的所述凹口(16)在所述换热部段(8', 10', 15', 18')中为了构造所述压缩通道(8)或减压通道(10)或换热通道(15, 17)布置在所述薄片(20)之间。

6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述薄片(20)从整面的壁(19)两侧伸出，其壁厚(d)优选地在1mm与20mm之间。

7. 根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述薄片(20)的宽度(s')对应于所述凹口(16)的宽度(s)。

8. 根据权利要求4至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述换热器体(17)的薄片(20)或凹口(16)在切向上相互错位布置，其中，所述错位对应于凹口(16)的宽度(s)或薄片(20)的宽度(s')，使得薄片(20)和凹口(16)彼此相应相对而置。

9. 根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述换热体(17)由带有高的强度和导热性或小的材料密度的材料、优选地铝或纤维强化的塑料材料构成。

10. 根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述换热器体(17)的凹口(16)通过铣削来形成。

11. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，作为换热器(13, 14)设置有带有壳体(26)的板式换热器(13', 14')，在其中板(28)通过间隙(29, 29')分离地来布置，在所述间隙(29, 29')中交替地引导所述工作介质或所述换热介质。

12. 根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述板式换热器(13', 14')的壳体(26)借助于尤其液压的压力产生装置(32)能够加载以压力，其对应于与所述板式换热器(13', 14')的内压力的较小的压差。

13. 根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，工作介质腔与压缩机(35)、尤其气缸-活塞-压缩机(35; 36, 37)相连接，使得在运行中所述工作介质的体积被压缩。

14. 根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述液压的压力产生装置(32)的设立用于将所述压力施加到所述板式换热器(13', 14')的壳体(26)上的液体通道(33)分叉到另一液体通道(33')中，其对所述气缸-活塞-压缩机(35; 36, 37)的气缸(36)起作用。

15. 根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其特征在于，在所述压缩通道(8)或所述减压通道(10)的换热部段(8', 10')中设置有涡流产生装置(23)用于在流动的所述工作介质中产生涡流。

16. 根据权利要求15所述的装置，其特征在于，作为涡流产生装置(23)，在所述压缩通道(8)或减压通道(10)的壁(24)处设置有至少一个尤其弧形地弯曲的突出部(23')或者在所述板式换热器(13', 14')的板(28)处设置有成型部。

17. 根据权利要求1至16中任一项所述的装置，其特征在于，所述压缩通道(8)或减压通道(10)的横截面面积在联接到叶轮(12)处的部段中或在所述叶轮(12)之前的部段中关于所述旋转轴(3)径向向外扩展。

18. 根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述压缩通道(8)或所述减压通道(10)关于所述旋转轴(3)径向向外至少一次分叉成两个子部段(8a, 8b)，在其中相应的所述压缩通道(8)或所述减压通道(10)由分隔壁(22)划分成两个半部。

19. 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述分隔壁(22)的主延伸平面切向于或大致垂直于所述旋转轴(3)布置，其中，所述分隔壁(22)从所述压缩通道(8)或所述减压通道(10)的平行于由所述旋转轴(3)和所述工作介质的流动方向所张开的平面伸延的中间平面朝向所述压缩通道(8)或所述减压通道(10)的抽吸侧偏移地来布置。

20. 根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述分隔壁(22)的主延伸平面至少逐段地切向于或垂直于所述旋转轴(3)布置。

21. 根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述分隔壁(22)的主延伸平面具有扭转的走向，其中，所述分隔壁(22)的主延伸平面的靠近所述旋转轴(3)布置的端部区域(22')大致切向于或垂直于所述旋转轴(3)布置而所述分隔壁(22)的主延伸平面的另外远离所述旋转轴(3)的端部区域(22'')大致平行于所述旋转轴(3)伸延。

22. 根据权利要求1至21中任一项所述的装置，其特征在于，所述压缩通道(8)和所述减压通道(10)逐段地在热绝缘的、优选地由塑料制成的旋转体(21)中来构造。

23. 根据权利要求22所述的装置，其特征在于，设置有一起转动的块状的镶边(5)，所述换热器体(17)和所述旋转体(21)布置在所述镶边(5)中。

24. 根据权利要求23所述的装置，其特征在于，所述块状的镶边(5)布置在静止的外部的壳体(6)中。

25. 一种用于借助于机械能将较低温度的热能转化成更高温度的热能的和反过来的方法，其利用围绕旋转轴(3)旋转的工作介质，所述工作介质经历闭合的热力学循环过程，其中，所述工作介质在压缩期间关于所述旋转轴(3)大致径向向外地而在减压期间关于所述旋转轴(3)径向向内地被引导，其中，所述工作介质的压力提高或压力减小通过作用于所述工作介质的离心力来产生，并且所述工作介质发出热量到换热介质处或从换热介质吸收热量，其中，热交换经由与所述工作介质围绕所述旋转轴(3)一起转动的换热介质至少部分地在所述压缩或减压期间实现，其特征在于，所述换热介质在热交换期间邻近于且大致平行于所述工作介质被引导。

26. 根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述工作介质在热交换之前大致绝热地来压缩或绝热地来减压，其中，为了避免或减小回流或涡流，所述工作介质的平均的流动速度v、旋转运动的角速度w和所述工作介质在切向上的延伸a满足关系：

。

27. 根据权利要求25或26所述的方法，其特征在于，在热交换期间为了获得回流或涡流，所述工作介质的平均的流动速度v、旋转运动的角速度w和所述工作介质在切向上的延伸a满足关系：

。

28. 根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述换热介质和所述工作介质在所述换热部段(8', 10')中以相同的流动方向围绕所述旋转轴(3)来引导。

29. 根据权利要求25至28中任一项所述的方法，其特征在于，在所述闭合的循环过程中的压力在10 bar与150 bar之间。

30. 根据权利要求25至29中任一项所述的方法，其特征在于，作为工作介质使用惰性气体，优选地氩气、氪气或氙气。

31. 根据权利要求25至30中任一项所述的方法，其特征在于，为了散热和供热，使用带有至少1 kJ/(kg*K)的高比热容和/或大致1的等熵指数κ的换热介质，尤其水、水乙二醇混合物、油、氦气或者空气。

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