DE1601062C3 - Heiz- und Kühlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heiz- und Kühlvorrichtung, bei der ein angetriebener Rotor und eine Fluidstromführung in dem Rotor vorgesehen sind.

Eine bekannte Vorrichtung der vorgenannten Art ist in der US-Patentschrift 23 93 338 beschrieben und deren Grundform ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt und im Abschnitt der Beispielsbeschreibung unter Verwendung von Bezugsziffern erläutert.

Obgleich der thermodynamische Prozeß dieser bekannten Vorrichtung sich dem Carnot-Prozeß stark annähert und damit hochwirksam ist, ist die für diese Vorrichtung vorgeschlagene praktische Ausführungsform jedoch wenig geeignet, da sie einen gesonderten mechanischen Kompressor für die Arbeitsluft und weiter komplizierte und daher teure Gasabdichtungen am Einlaß und Auslaß des rotierenden Rohres benötigt. Ferner sind außerordentlich hohe Drehzahlen in der Größenordnung von 100 000 bis 200 000 Umdrehungen pro Minute erforderlich, um einen wirksamen Betrieb der Vorrichtung zu gewährleisten. Aufgrund dieser schwerwiegenden Mängel ist die Vorrichtung nicht wirtschaftlich ausnutzbar.

In der US-Patentschrift 29 24 081 ist eine weitere Vorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben. Diese Vorrichtung ist kompliziert aufgebaut und daher nur mit beträchtlichem Kostenaufwand herstellbar. Außerdem ist der Wirkungsgrad dieser Vorrichtung derart niedrig, daß sie aus diesem Grunde keine praktische Bedeutung erlangen kann. Schließlich gibt sich hinsichtlich der hier vorgeschlagenen Lösung der nachstehenden Aufgabe keinerlei Anregungen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Heiz- und Kühlvorrichtung der einleitend angeführten Art, die unter Wegfall externer Kompression und durch Erzielung einer Fliehkraft mit relativ geringen Drehzahlen eine hohe Leistung erbringt sowie gravitationsunabhängig arbeitet und die einfach und kompakt aufgebaut sowie kostengünstig herstellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Fluidstromführung aus einem ersten, sich von der Rotationsachse des Rotors nach außen erstreckenden Abschnitt, aus einem zweiten, sich zu der Achse erstreckenden Abschnitt, aus einem Kontraktionsabschnitt, aus einem Expansionsabschnitt und aus einem Kanalabschnitt zum Zurückleiten eines Arbeitsfluids vom Expansionsabschnitt zum ersten Abschnitt besteht, daß eine Einrichtung zum Zuführen von Wärme zu dem aus dem ersten Abschnitt strömenden Arbeitsfluid, daß eine Einrichtung zum Abführen von Wärme aus dem den Kontraktionsabschnitt durchströmenden Arbeitsfluid und daß eine Einrichtung zum Leiten von Wärme von einer zu kühlenden Substanz zu dem Arbeitsfluid im Expansionsabschnitt zwecks Leistung der Kühlung vorgesehen sind.

Nach dieser Lösung kann eine Vorrichtung geschaffen werden, die einen hohen Wirkungsgrad hat und zur Erzielung einer ausreichenden Fliehkraft mit relativ kleinen Antriebsdrehzahlen für den Rotor auskommt, was eine entsprechend geringe Antriebsleistung für den Rotor erfordert. Die Anwendung relativ niedriger Drehzahlen ist dadurch möglich, daß das Arbeitsfluid der Vorrichtung eine verhältnismäßig hohe Dichte aufweist und abwechselnd den gasförmigen und flüssigen Aggregatzustand durchläuft. Das Arbeitsfluid kann mit einem hohen Anfangsdruck in der geschlossenen Schleife des Rotors eingeschlossen sein. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, daß für die Kompression des Arbeitsfluids kein externer Kompressor erforderlich ist, da für die Bewegung des Fluids in der geschlossenen Schleife nach dem Prinzip einer thermodynamischen Pumpe gearbeitet wird. Somit entfallen auch die Anschlußleilungen zum Rotor der Vorrichtung und die hierfür benötigten Gasabdichtungen einschließlich des konstruktiven Aufwands für deren Lagerung. Aus diesen baulichen Vereinfachungen ergibt sich, daß die Vorrichtung nach der Erfindung einfach und kompakt aufgebaut ist und mit relativ niedrigem Kostenaufwand hergestellt werden kann. Daraus ergibt sich ferner der Vorteil einer vereinfachten Wartung der Vorrichtung. Die Vorrichtung arbeitet auch gravitationsunabhängig, so daß sie auch im Weltraum funktioniert.

Die Vorrichtung ist nachstehend anhand der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der eingangs erwähnten bekannten Vorrichtung,

Fig.2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 3 eine perspektivische schematische Ansicht der Vorrichtung nach Fi g. 2 mit teilweise weggebrochenen Teilen,

Fig.4 ein Schema einer weiteren Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 5 eine perspektivische schematische Ansicht der Vorrichtung nach F i g. 4 mit teilweise weggebrochenen Teilen,

F i g. 6 und 7 grafische Darstellungen der qualitativen Änderungen der verschiedenen Arbeitsparameter der Vorrichtung nach den F i g. 2 und 3,

Fig.8 und 9 schematische Darstellungen zweier weiterer Vorrichtungen nach der Erfindung,

F i g. 10 einen Achsschnitt einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 11 einen teilweisen schematischen Querschnitt nach der Linie 11-11 der F i g. 10,

Fig. 12 eine Teilansicht nach der Linie 12-12 der Fig. 10.

Bei der bekannten Vorrichtung nach Fig. 1 wird ein

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in Lagern 12 abgestütztes, U-förmig gebogenes Rohr 10 mit sehr hoher Drehzahl um eine Mittelachse 14 in Umdrehung versetzt, wie mit dem Pfeil 16 angezeigt ist. Komprimierte Luft wird am Einlaß 18 in das Rohr 10 eingeführt und bewegt sich im Rohr zwischen den Punkten 20 und 22 von der Achse 14 radial nach außen, wo sie durch die Zentrifugalkraft des rotierenden Rohres komprimiert und erwärmt wird. Während der Bewegung zwischen diesen Punkten wird die Luft durch Wasser gekühlt, welches Kühlschlangen durchströmt, so daß die Temperatur der Luft im wesentlichen konstant bleibt. Zwischen den Punkten 22 und 24 wird die Luft durch die Rohrrotation nicht beeinflußt. Während der Luftbewegung vom Punkt 24 zum Punkt 26 expandiert die Luft jedoch und kühlt sich wesentlich ab. Die abgekühlte Luft strömt dann zum weiteren Kühlen aus der Auslaßöffnung 28 des Rohres 10 aus.

F i g. 2 ist eine schematische Darstellung eines Teiles der vollständigen thermodynamischen Vorrichtung nach F i g. 3 und soll dazu dienen, die Erläuterung der Arbeitsprinzipien der Erfindung zu erleichtern.

Der Aufbau, der die Führung für die arbeitende Flüssigkeitsströmung nach F i g. 2 definiert, besteht aus einer Welle 30 mit hohlem Strömungskanal 32 für die Arbeitsflüssigkeit und vollen Endteilen 34 und 36. Mehrere Rohre, die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 37 angedeutet sind, werden an den entgegengesetzten Enden des zentralen Kanals 32 der Welle 30 angeschlossen. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist jedoch in F i g. 2 nur ein solches Rohr gezeigt.

Das Rohr 37, welches aus einem geeigneten, thermisch leitendem Material hergestellt ist, enthält einen ersten Abschnitt 38, der radial vom linken Ende des Kanals 32 nach außen verläuft, und einen zweiten Abschnitt 40, der zurück zur Drehachse 41 der Welle 30 mit einem spitzen Winkel zur Achse verläuft. Ein weiterer Abschnitt 42 verläuft radial zur Achse 41, ein weiterer Abschnitt 44 parallel zur Achse 41 und ein anschließender Abschnitt 46 mit einem spitzen Winkel zur Achse 41 nach außen. Ein Abschnitt 48 schließt sich dann radial nach innen zur Achse 41 gerichtet an, und ein abschließender Abschnitt 50 verläuft mit einem spitzen Winkel zur Achse 41 und kommuniziert mit dem rechten Ende des Kanals 32.

Der Kanal 32 und das Rohr 37, welches die Enden des Kanals verbindet, bilden eine geschlossene Schleifenführung zur Aufnahme des Arbeitsmediums. Die Rohrabschnitte 38,40 und 42 bilden eine thermodynamische Pumpe 51, durch die die Flüssigkeit in Richtung der angezeigten Pfeile durch die Leitung gepumpt wird, und die Rohrabschnitte 46, 48 und 50 bilden einen Kühlabschnitt 53, der nach demselben Prinzip arbeitet, wie die bekannte Vorrichtung nach F i g. 1.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Arbeitsflüssigkeit vorzugsweise ein Gas mit einer Dichte, die gegenüber der Dichte von Luft verhältnismäßig hoch ist. Geeignete Gase hoher Dichte sind in der Technik bekannt. Zum Beispiel kann jedes der Gefriermittel aus Fluorchlormethan und Fluorchloräthan bestehen, wie es beispielsweise unter dem Warenzeichen »FREON« durch die Firma Dupont vertrieben wird und eine Dichte besitzt, die mehrfach größer ist als die Dichte der Luft unter üblichen Bedingungen und welches sehr geeignet ist, als Arbeitsflüssigkeit im vorliegenden Fall zu dienen. Wie im einzelnen nachstehend erläutert wird, reduziert die Verwendung von Flüssigkeiten hoher Dichte die Drehzahl erheblich, mit der die Schleife umlaufen muß.

Das thermodynamische System nach F i g. 2 arbeitet folgendermaßen: Die Welle 30 wird um die Achse 41 in Umdrehung versetzt, wie durch den Pfeil 52 angedeutet ist. Die durch die Drehung entstehende Zentrifugalkraft komprimiert die Flüssigkeit im Abschnitt 38. Der Abschnitt 38 ist so isoliert, daß das Gas in ihm im wesentlichen adiabatisch komprimiert wird, d. h. ohne Aufnahme oder Verlust von Wärme durch die Wandungen.

ίο Die Änderungen im Gasdruck und Volumen sind qualitativ in F i g. 7 dargestellt. Der Ausgangspunkt im Diagramm nach F i g. 7 liegt im gleichen Abstand R\ von der Achse 41 wie die Mitte des Rohrteiles 44. An diesem Punkt sind der Gasdruck und die Temperatur im Rohr 38 Fi und 71. Auf einem größeren Radius R2 ist das Gas auf einem Druck Pz komprimiert, und der Gasdruck ist um den Betrag AP₃ angestiegen. Wie in Fig.6 gezeigt ist, die qualitativ die Änderungen der Gastemperatur mit dem Leitungsradius R erläutert, ist die Temperatur T^ am Radius R2 ebenfalls wesentlich oberhalb der Temperatur Ti angestiegen, und zwar wegen der Kompression des Gases.

Sobald das Gas im Abschnitt 40 zurück zur Achse 41 strömt, fällt der Gasdruck ab, sobald sich der radiale Abstand verringert. Gleichzeitig tendiert die Temperatur des Gases zum Absinken, und zwar wegen der Expansion des Gases, und dies vermindert die Expansion, verglichen mit dem isothermischen Fall. Es wird jedoch dem Gas aus einer Wärmequelle 54 Wärme zugeführt, so daß das Gas isothermisch expandiert und eine geringere Dichte aufweist, als es sonst haben würde. Der Winkel, um den der Rohrabschnitt 40 zur Achse 41 geneigt ist, wird auf einen solchen Wert eingestellt, daß durch die Menge der durch die Wärmequelle 54 zugesetzten Wärme die Temperatur im Gas entlang der ganzen Länge des Rohrabschnittes 40 konstant gehalten wird, womit eine isothermische Expansion des Gases entlang des Abschnittes 40 erreicht wird. Obgleich das Rohr 40 in F i g. 2 gerade ausgebildet dargestellt ist, ist es verständlich, daß auch ein zusammengesetztes Bogenprofil vorgesehen werden kann, um zu gewährleisten, daß die Expansion des Gases an allen Punkten entlang des Abschnittes 40 isothermisch verläuft. Die adiabatischen Änderungen im Zustand des Gases sind in den Fig.6 und 7 mit den Bezugszeichen A und die isothermischen Änderungen mit den Bezugszeichen /gekennzeichnet

Der Rohrabschnitt 42 verläuft von einem Radius R3 zum Radius /?i in Richtung zur Achse 41. Die Rohrabschnitte 42 und 44 sind isoliert, so daß die Expansion des Gases in ihnen adiabatisch verläuft. Wird nun wieder auf F i g. 6 und 7 Bezug genommen, so besitzt das Gas am innersten Ende des Abschnittes 42 einen Druck Pi, und eine Temperatur Tj. Die unterschiedlichen Dichten des Gases in Abschnitten 38 und 40—42 ergeben eine Druckdifferenz, die durch die Wirkung der Zentrifugalkraft auf die Gassäulen erheblich vergrößert wird. Der Druck Pa ist geringer als der Druck Pz am äußersten Ende des Abschnittes 38, und zwar um eine Größe AP_a minus APb (Fig.7). Diese Druckdifferenz ist der Pumpendruck, der durch die Pumpeinheit 51 erzeugt wird.

Die Temperatur T₃ des Gases im Abschnitt 44 ist vorzugsweise etwa gleich der des umgebenden Mediums. Im Abschnitt 46 wird das Gas wieder komprimiert, aber durch Wärmeübergang an das umgebende Medium gekühlt, so daß seine Temperatur im wesentlichen konstant gehalten wird, z. B. innerhalb der Grenzen von

5 bis 10% der Temperatur T3. Somit wird das Gas, wie in F i g. 6 und 7 angedeutet ist, an einem Radius Ra, auf einen höheren Druck P5 isothermisch komprimiert. Anstelle von Luft kann Wasser oder eine andere Flüssigkeit als Kühlmittel verwendet werden, wie es in der Technik bekannt ist.

Das Gas wird dann adiabatisch im Abschnitt 48 auf einen geringeren Druck Pe und eine tiefere Temperatur T4 expandiert. Im Abschnitt 50 expandiert das Gas weiter isothermisch und strömt durch den axialen Kanal 32 und kehrt dann auf den Anfangsdruck und die Anfangstemperatur P\ und Ti zurück. Die Abschnitte 32 und 48 sind isoliert, um adiabatische Zustände herzustellen. Die Expansion im Abschnitt 40 wird im wesentlichen isothermisch durchgeführt, und zwar durch Abziehen von Wärme aus dem umgebenden Medium und durch Wärmeübertragung auf das Gas. Der Pfeil 56 zeigt die Strömung der umgebenden Luft entweder zur oder weg von der Achse 41 und in Berührung mit dem Abschluß 50 an, womit der ,20 gewünschte Wärmeübergang hervorgerufen wird. Die kalte Luft wird dann zur Luftkühlung oder zur Kühlung allgemein in gewünschter Weise verwendet.

Es ist festzustellen, daß im Abschnitt 46 ein positiver Druck im Gas geschaffen wird und ein negativer oder Rückdruck in den Abschnitten 48 und 50, und zwar infolge der abweichenden Gasdichten, hervorgerufen durch die Zentrifugalkraft. Der negative oder Rückdruck ist größer als der positive oder Vorwärtsdruck. Dieses Übermaß an Rückdruck versucht dem Vorwärtsdruck, erzeugt durch den Pumpenabschnitt 51, entgegenzuwirken und versucht somit der Flüssigkeitsströmung in der Leitung entgegenzuarbeiten. Der Vorwärtspumpendruck ist jedoch immer größer als der Rückdruck, und das Gas strömt durch die geschlossene Schleife in Richtung der Pfeile nach Fig. 2. Der Vorgang ist thermodynamisch reversibel, womit seine hohe Leistungsfähigkeit angedeutet ist.

Die Vorrichtung und das beschriebene Verfahren können sowohl zum Erwärmen als auch zum Kühlen verwendet werden. Zum Beispiel könnte in einem Haushaltsheizsystem die Wärmequelle der Haushaltsofen sein, wobei das kalte Ende der Vorrichtung mit der Luft außerhalb des Hauses kommuniziert, und die Wärmeverteilung beim isothermischen Komprimieren der Arbeitsflüssigkeit im Abschnitt 46 könnte dazu benutzt werden, die Luft im Haus zu erwärmen. Ein solches System würde diejenige hohe thermodynamische Leistungsfähigkeit aufweisen, welche in bisherigen Systemen fehlt, ohne daß eine außergewöhnliche Kompliziertheit vorliegt. Andere Anordnungen, die die Erfindung zum Erwärmen benutzen, können entsprechend der bekannten Technik vorgesehen sein.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß der maximale Radius des Rotors verhältnismäßig klein sein kann (z. B. 5 bis 10 cm), auch dann, wenn die Drehzahl der Vorrichtung niedrig ist (z. B. 1000 bis 3000 Umdrehungen pro Minute). Die Höhe der durch die Vorrichtung erzeugten Kompression ist eine Funktion des maximalen Radius der Strömungsleitung und der Dichte der Arbeitsflüssigkeit. Durch die Verwendung einer Arbeitsflüssigkeit hoher Dichte, z. B. FREON-Gase, werden die geforderten Drehzahlen und der maximale Leitungsradius auf ein Minimum herabgesetzt. Tatsächlich wird die Drehzahl durch die Erfindung in den Bereich der möglichen Praxis gebracht, indem die erforderliche Drehzahl von 100 000 bis 200 000 Umdrehungen pro Minute, wie sie früher erforderlich war, in die Nähe von 1000 bis 3000 Umdrehungen pro Minute reduziert wird. Ein wichtiger Vorteil dieser Drehzahlreduzierung besteht darin, daß die Wärme in das Drehsystem oder aus dem Drehsystem durch einfache Rippen anstatt durch komplizierte Flüssigkeitsleitungssysteme zugeführt wird, die früher erforderlich waren. Die Rippen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die zur Verwendung als Gebläseflügel passend ist, um Gase außerhalb der drehenden Anordnung durch die Führungen für kalte und warme Luft zu bewegen. Weiterhin werden durch das Vorsehen einer geschlossenen Schleifenleitung, welche vollständig innerhalb der drehenden Vorrichtung enthalten ist, störende Abdichtungen nicht mehr erforderlich, um die Arbeitsflüssigkeit in das rotierende System einzuleiten oder abzuleiten. Dies erspart erheblich an Aufbauteilen, an Erhaltung und Kosten für die Vorrichtung und macht es möglich, Arbeitsflüssigkeiten hoher Dichte zu verwenden und sie in der geschlossenen Schleife mit verhältnismäßig hohem Druck einzuschließen.

Die vollständige thermodynamische Vorrichtung nach F i g. 3 besteht aus einem Rotoraufbau 58 und einem schematisch angedeuteten Rotor 60, der den Rotor 58 antreibt. Geeignete Lager sind an den Enden 34 und 36 der zentralen Welle 30 vorgesehen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Motor 60 nicht sehr stark zu sein braucht, da seine einzige Funktion nach dem Antrieb des Rotors 58 auf seine Arbeitsdrehzahl darin besteht, den Rotor auf diese erreichte Drehzahl zu halten und die Gebläseflügel anzutreiben, die am Rotor befestigt sind. Die Aufrechterhaltung der Rotordrehzahl erfordert nur eine sehr kleine Leistung des Motors, da die Energiequelle für das thermodynamische System die Wärmequelle 54 und nicht etwa der Motor ist.

Wie sich aus Fig.3 ergibt, sind die vom Gas durchströmten Rohre 37 symmetrisch zur Drehachse 41 angeordnet. In Fig.3 ist schematisch angedeutet, daß drei Paar gegenüberliegender Rohre 37 (6 getrennte Rohre) in der Vorrichtung vorgesehen sind. Die Zahl der einzelnen Rohre ist jedoch wählbar.

Jedes Rohr 37 ist an jedem Ende in einer Rohrverzweigung 67 befestigt, die auf der Außenseite der Welle 30 befestigt ist. Jedes Rohr kommuniziert mit dem Kanal 32 mittels eines gesonderten Einlasses 64 in der Wandung der Welle 30. Die Dicke der Wandung der Welle 30 ist verhältnismäßig groß gemacht, um ihr eine ausreichende Aufbaufestigkeit trotz der Schwächung durch die Einlasse 64 zu erteilen.

Der Rotor 68 besteht aus einem ersten Gehäuseabschnitt 66, vorteilhaft aus Metall, der um den Pumpenteil 51 des Aufbaues herumläuft und gegen die Gasstromleitungen mittels einer Isolation 68 an allen Stellen mit Ausnahme des Abschnittes 40 isoliert ist. Das Metall des Gehäuses stellt einen innigen Kontakt mit dem Metall des Abschnittes 40 her. Mehrere radiale wärmeübertragende Rippen 70 verlaufen von der Außenfläche des Gehäuseabschnittes 66 nach außen.

Eine stationäre Gasführungsanordnung 74 ist auf einem geeigneten äußeren Tragrahmen montiert, jedoch nicht dargestellt. Die Führungsanordnung 74 besitzt ein erstes Ringführungsglied 76, welches um das Gehäuse 66 herumläuft und einen verhältnismäßig großen Abstand von dem Gehäuse aufweist. Rechts der Platte 76 befindet sich ein Isolierglied 78, ebenfalls in Ringform, welches sich den Konturen eines äußeren Abschnittes 80 aus Isoliermaterial dicht anpaßt, welcher die Rohrabschnitte 42 und 44 abdeckt. Heiße Luft oder

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ίο

ein anderes Gas wird zwischen der Isolierung 78 und der Platte 76 eingeführt und strömt zu den Rippen 70. Die Rippen 70 besitzen Durchbohrungen 72, die mit Abstand auf dem Umfang vorgesehen sind, welche die erhitzte Luft drosseln und diese Luft von einer Rippe zur nächsten leiten und die Luft radial nach außen drücken, nachdem deren Wärme auf die Rohrabschnitte 40 im Rotor übertragen worden ist. Die Konstruktion 74 enthält eine weitere Ringplatte 82 mit Abstand rechts von der Isolierung 78, welche kalte Luft zu mehreren Rippen 84 mit Durchbohrungen leitet, die auf der Außenseite eines weiteren Metallgehäuses 86 befestigt sind, welches sich mit dem Teil 46 der Gasführungsleitung in inniger Berührung befindet. Die kalte Luft wird durch die Bohrungen der Rippen von einer zur nächsten Rippe weitergeleitet und nach außen abgenommen, nachdem Wärme an die Luft abgegeben worden ist. Ein weiteres Metallgehäuse 87 befindet sich in inniger Berührung mit den Abschnitten 50 der Gasführungsrohre, während der Rohrabschnitt 48 mittels der Isolation 88 isoliert ist. Mehrere Rippen 84 laufen vom Gehäuse 86 aus. Ein weiterer Isolierring 91 erstreckt sich um die Isolierung 88 herum und in unmittelbarer Nähe dieser Isolierung. Der Ring 91 trennt die Rippen 84 von den Rippen 90, um die Gasströme zu und weg von den Rippensätzen gegeneinander zu isolieren. Jede Rippe 90 besitzt mehrere einwärtsgebogene Flügelteile 92, die als Gebläseflügel arbeiten, um die kalte Luft vorwärts zu treiben, wie mit den Pfeilen 94 angedeutet ist. Warme Luft wird zu den Rippen 90 aus der Atmosphäre angesaugt, wird gekühlt infolge der Berührung mit den kalten Rohrteilen 50 und den Rippen 92 und wird dann durch die Gebläseflügel 92 nach außen getrieben. Wie in der Technik bekannt ist, können hier viele andere Formen von wärmeaustauschenden Rippen verwendet werden, und die Gasströme können in gewünschter Weise geleitet werden.

Die Vorrichtung nach F i g. 3 ist in idealer Weise zur Luftkonditionierung oder Luftkühlung geeignet und ist besonders in den Fällen wertvoll, in denen eine Wärmequelle bereits zur Verfügung steht, wie es z. B. in Automobilen oder ähnlichen Fällen der Fall ist. Die Wärme kann von dem Motor des Automobils abgenommen werden, und die von der Vorrichtung abgegebene warme Luft kann aus dem Fahrzeug ausgestoßen werden. Die zu kühlende Luft wird aus dem Inneren oder außerhalb des Fahrzeuges abgenommen, gekühlt und dann im Fahrzeug in Umlauf gebracht. Somit wird ein einfacher, kompakter, in sich geschlossener und verhältnismäßig billiger Automobilluftkühler erreicht.

Die Radien, die Drehzahl, der Anfangsdruck, mit dem die Flüssigkeit in der Vorrichtung eingeschlossen ist, und die Wahl der Arbeitsflüssigkeit können vorteilhaft sehr schnell variiert werden, um die Arbeitsweise der Vorrichtung speziellen Zwecken anzupassen. Die Arbeitsflüssigkeit soll in gewünschter Weise so gewählt werden, daß sie sich bei den gewählten Drehzahlen und Radien nicht verflüssigt. Jedoch bei den Ausführungen nach den F i g. 4,5 und 8 werden das Gas, die Radien und die Drehzahl so gewählt, daß sie in überlegter Weise ein Flüssigwerden des Arbeitsgases hervorrufen.

In der Vorrichtung 100 nach F i g. 4 und 5 wird das Kühlgas, vorzugsweise FREON ausgewählt, um bei einem gewählten Druck und einer gewählten Temperatur sich zu verflüssigen, und der maximale Radius der Strömungsleitung und die Drehzahl des Rotors werden so gewählt, daß sie das Gas bei einem gegebenen Radius verflüssigen, während es im gasförmigen Zustand an der Achse erhalten bleibt.

Unter Bezugnahme zunächst auf das Schema nach F i g. 4 enthält die Vorrichtung 100 ein axiales Rohr 102, welches an seinen offenen Enden mit mehreren radialen Leitungen kommuniziert, die von der Drehachse 104 des Rohres 102 nach außen verlaufen und mit Behältern in Nähe der äußersten Fläche der Vorrichtung kommunizieren. Aus Vereinfachungsgründen ist nur ein Satz ίο Leitungen und Behälter in F i g. 4 dargestellt.

Das Gas im axialen Rohr 102 strömt in eine erste radiale Leitung oder einen Kanal 106, und wegen der hohen Dichte des Gases, des Radius und der Drehzahl der Vorrichtung und der Art des verwendeten Gases verflüssigt sich das Gas an irgendeinem Punkt des Kanals. Die Flüssigkeit strömt dann in einen Behälter oder eine Kammer 108, in der sie sich sammelt. Die Kammer 108 besitzt eine Außenfläche 111, die im allgemeinen parallel zur Drehachse 104 verläuft. Eine Wärmequelle 110 liefert Wärme gegen die Fläche 111, um die Flüssigkeit zu erwärmen und sie zum Kochen zu bringen und damit zurückzubringen in den gasförmigen Zustand. Die Kammer 108 sieht eine verhältnismäßig große äußere Wärmeübertragungsfläche 111 vor und einen verhältnismäßig großen Bereich der Flüssigkeitsfläche, durch die das Gas zum Kochen gebracht wird.

Das aus der Kammer 108 verdampfte Gas strömt nach innen zur Achse 104 durch eine Leitung 114 und kühlt sich infolge der Expansion ab, die sich aus der Herabsetzung der auf das Gas einwirkenden Zentrifugalkraft ergibt. Das Gas strömt dann in eine weitere Leitung 116, die radial nach außen verläuft, und wird durch die Zentrifugalkraft wieder komprimiert und wieder verflüssigt. Die Flüssigkeit strömt aus der Leitung 116 in eine zweite Kammer 118 mit einer Außenfläche 120, die in Richtung der Achse 104 verläuft. Wärme wird aus der kondensierenden Flüssigkeit an der Fläche 120 abgezogen, und die Flüssigkeit strömt durch eine Expansionsdüse 120 in eine dritte Kammer 124.

Infolge des Wärmeverlustes der Flüssigkeit in der Kammer 118 und deren Strömung durch die Expansionsdüse 120 verdampft ein Teil der Flüssigkeit als Gas in der Kammer 124, und ein Teil strömt durch die Düse 22 in flüssiger Form und sammelt sich bei 126 auf der Innenseite der Außenwandung 128 der Kammer 124. Wärme wird an der Fläche 128 aus der Flüssigkeit abgenommen, oder sie wird gekühlt, und die Flüssigkeit 126 verdampft und strömt durch den nach innen gerichteten radialen Kanal 130 zurück zur Leitung 102, womit der geschlossene Kreislauf vervollständigt ist. Die Verdampfung der Flüssigkeit in der Kammer 124 kühlt die Flüssigkeit 126 und die Fläche 128 und_s erzeugt eine ausgezeichnete Kühlung.

Die Flüssigkeit und das Gas werden durch eine Pumpe durch den geschlossenen Kreislauf getrieben, wobei eine Pumpe zur Anwendung kommt, wie sie bei der Ausführung nach F i g. 2 und 3 Verwendung findet. Die Kanäle 106, 108 und 114 bilden einen Pumpenabschnitt. Die Flüssigkeit und das Gas im Kanal 106 besitzen eine weit größere Dichte als das Gas im Kanal 114. Somit werden die durch die Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeiten im Kanal 106 ausgeübten Drücke die Drücke des Gases im Kanal 114 weit übersteigen, und die sich ergebende Druckdifferenz pumpt die Flüssigkeiten durch den geschlossenen Kreislauf.

Diese Ausführungsform der Erfindung hat einen Vorteil, indem die Außenflächen 11t, 120 und 128 der Flüssigkeitskammern tO8, 118 und 124 verhältnismäßig

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große Flächenbereiche bilden, durch die der maximale Wärmeübergang erreicht wird. Der Wärmeübergang wird weiter durch die Tatsache verbessert, daß sich jede Fläche mit einer Flüssigkeit in Kontakt befindet, die mit großer Kraft gegen diese Fläche geschleudert wird. Die Flüssigkeit leitet Wärme sehr viel besser als ein Gas. Eine Isolation der Kanäle und der Kammern ist an allen Stellen vorgesehen, an denen ein Wärmeübergang nicht spezifisch gewünscht wird, um somit die Leistung der Vorrichtung auf ein Maximum zu bringen. ι ο

Die Kammern 108 und 124 befinden sich nach F i g. 4 auf einem größeren Radius als die Kammer 118. Dies ist nur zur Erläuterung durchgeführt worden, um zu zeigen, daß die radiale Lage jeder Kammer 108, 118 und 124 eingestellt werden kann, wie es für den besonderen thermodynamischen Zweck gefordert wird, zu dem die Einrichtung eingesetzt werden soll.

Die Konstruktion der vollständigen thermodynamischen Einrichtung ist in F i g. 5 dargestellt und enthält eine Anzahl radialer Abstandsglieder 132, vorzugsweise ,20 aus thermisch isolierendem Material, von denen jedes mit einer Kante gegen das Rohr 102 stößt und sich nach außen zu den Außenflächen 111, 120 und 128 der Flüssigkeitskammer 108, 118 und 124 erstreckt. Die Abstandsglieder sind länger als das Rohr 102 und stoßen an ihren Enden gegen isolierende Abschlußplatten 134 und 136, von denen jede eine zentral gelagerte Welle 138 oder 140 aufweist. Dieser Aufbau trennt den Rotor wirksam in mehrere radiale Abteilungen (16 Abteilungen in der Vorrichtung nach F i g. 5), deren Querschnitt wie der Sektor eines Kreises profiliert ist. Die Trennglieder 132 sind so vorgesehen, daß die Flüssigkeit und die Gase in den Kanälen in radialer Richtung im Rotor nicht infolge von Coriolis-Kräften wirbeln. Ein Motor 142 treibt den Rotor 100 mit gewünschter Drehzahl an.

Jedes Abstandsglied 132 besitzt vorzugsweise mehrere große Hohlräume 144,146 und 148, um das Gewicht herabzusetzen und Zugang zum Füllen der Räume rund um die Strömungskanäle mit Isoliermaterial zu schaffen.

Eine Rippe 150 mit Durchbohrungen und mehrere weitere Rippen 152 verlaufen von der Fläche 111 der Flüssigkeitskammer 108 nach außen. Jede Rippe 152 besitzt eine Reihe auf dem Umfang verteilter Bohrungen 154. Eine weitere Rippe 156 ohne Durchbohrungen ist an der am weitesten rechts liegenden Kante der Fläche 111 vorgesehen. Eine stationäre Luftführung ist durch ein Paar paralleler Ringplatten 158 und 160 hergestellt, die um die Einheit 100 in unmittelbarer Nähe der Mittelrippen auf der Fläche 111 verlaufen. Heiße Luft wird in die Führung zwischen den Platten 158 und 160 eingeleitet und strömt zwischen den Rippen mittels der Bohrungen in den Rippen und wird dann nach außen ausgestoßen, nachdem sie ihre Wärme an die Rippen abgegeben hat.

Mehrere andere radiale Rippen 162 mit Durchbohrungen verlaufen von der Außenfläche 120 der Kammer 118. Eine volle Rippe 166 liegt an der linken Kante der Fläche 120 und ist mit der Rippe 156 auf der Fläche 111 mittels der Isolierung 164 verbunden. Eine weitere Ringplatte 168 und eine Ringisolierung 170 führen kalte Luft zu den Rippen 162. Die Luft strömt durch die Bohrungen der Rippen nach außen, nachdem sie die Wärme der Rippen und der Fläche 120 absorbiert hat. Ein weiterer feststehender Ringisolator 171 verläuft um den Isolator 164 herum. Die Isolatoren 170 und 171 dienen dazu, benachbarte Rippen und die erwähnten Luftströmungen gegeneinander zu isolieren.

Die Rippen 172 ragen von der Fläche 128 der Kammer 124 nach außen. Luft wird aus dem umgebenden Medium in die Rippen 172 angesaugt und wird in Richtung der Pfeile 173 mittels der Gebläseflügel 174 der Rippen 162 in der gleichen Weise nach außen geblasen, wie mit den Flügeln 92 der Rippen nach Fig.3. Die Rippen 172 leiten Wärme aus der umgebenden Luft in die Flüssigkeit 126 der Kammer 124, so daß die Luft gekühlt und die Flüssigkeit verdampft wird. Die kalte Luft wird dann zur Kühlung verwendet. Naturgemäß kann die Vorrichtung 100 auch zur Erwärmung benutzt werden, und zwar im wesentlichen in der gleichen Weise wie mit der Vorrichtung nach F i g. 2 und 3.

Ein weiterer Vorteil der Ausführung nach Fig.4 und 5 besteht darin, daß sie einen erheblich größeren Gesamtbereich für die Wärmeübertragung auf dem gleichen Raumvolunien aufweist, der von der Ausführung nach F i g. 2 und 3 eingenommen wird. Die radialen Trennglieder 132 verbessern auch die Steifigkeit der Konstruktion.

Die Ausführung nach Fig. 8 ist mit derjenigen nach Fig.4 und 5 identisch, mit der Ausnahme, daß eine Gaspumpeneinheit 175 ähnlich der Einheit 51 nach Fig. 2 die Flüssigkeitspumpeneinheit nach Fig.4 ersetzt. Insbesondere ersetzt ein winkeliger Kanal 176 und ein gerader Kanal 178 die Kammer 108 und den Kanal 114. Die Abstände der Kammern 118 und 124 von der Achse 104 können eingestellt werden, und zwar in Anpassung an die gewünschten thermodynamischen Arbeitsbedingungen. Die radialen Abmessungen der Pumpeneinheit 175 sind größer gemacht als diejenigen der Kammern 118 und 124, um den durch die Pumpeneinheit erzeugten Pumpendruck auf ein Maximum zu bringen. Jedoch die Arbeitsflüssigkeit, der Anfangsdruck und weitere Veränderliche sind so gewählt, daß die Arbeitsflüssigkeit in den Kanälen 106, 176 und 178 im wesentlichen im gasförmigen Zustand jederzeit verbleibt, trotz der Tatsache, daß die Flüssigkeit sich in der Kammer 118 verflüssigt, die einen kleineren Radius besitzen kann. Der Unterschied besteht darin, daß die Wärme in der Kammer 118 abgenommen wird und nicht im Pumpenabschnitt. Der Gaspumpenabschnitt erzeugt einen Druck, um die Flüssigkeit und das Gas durch den geschlossenen Kreis zu drücken, und zwar in derselben Weise wie zu F i g. 2 beschrieben ist.

Die F i g. 9 gibt eine weitere Ausführung der Erfindung wieder, die mit der Ausführung nach F i g. 2 und 3 identisch ist, mit der Ausnahme, daß ein verlängerter Leitungsabschnitt 180 parallel zum Axialabschnitt 32 zusammen mit mehreren thermisch leitenden Scheiben 182 vorgesehen ist, die durch eine Isolation 184 voneinander getrennt sind. Ebenfalls wird nur der Abschnitt 50 vom Abschnitt 180 zur Achse zurückgeführt, und der radiale Abschnitt 48 ist nicht vorgesehen. Somit erfolgt die Bewegung des Gases durch den Abschnitt 50 im wesentlichen isothermisch, um somit die Reversierbarkeit der Kühl- und Regenerativen Wärmeaustauschvorgänge beizubehalten. Das Gas im Abschnitt 180 führt seine Wärme zu gegenüberliegenden relativ kurzen Teilen des Rohres 32 über die gegenseitig isolierten Scheiben 182 und wird somit durch das Kühlen des Systems in einer thermischen Rückkopplungs- oder Regenerationsanordnung vorgekühlt. Dies läßt das Vorsehen von sehr niedrigen kalten Temperaturen im Abschnitt 50 zu und macht die thermodynamische Vorrichtung sehr wertvoll

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für die Verwendung zur Verflüssigung von Gasen oder für andere Zwecke, bei denen sehr niedrige Temperaturen erforderlich sind.

Alternativ kann die Isolation in Form von Scheiben ausgebildet sein, und die Zwischenräume zwischen diesen Scheiben können entweder mit einer Flüssigkeit oder einem Gas als Wärmeleiter gefüllt sein. Radiale, nicht dargestellte Abstandselemente, wie z. B. die Elemente 132 nach F i g. 5, können verwendet werden, um eine Coriolis-Wirbelung der Flüssigkeiten in den Räumen zu verhindern. Die Flüssigkeiten erzeugen den Wärmeübergang zwischen den Abschnitten 180 und 32 anstatt der Scheiben. Die Flüssigkeiten sind vorzugsweise unterschiedlich von denen, die durch den geschlossenen Kreis strömen, und/oder werden auf einem unterschiedlichen Druck gehalten, um die Wärmeübertragung auf ein Maximum zu bringen.

Einer der wichtigen Vorteile der Erfindung besteht darin, daß eine genügende Anzahl einstellbarer Parameter vorhanden ist, um zuzulassen, daß siqh der thermodynamische Betrieb so nahe wie möglich einem Carnot-Kreis anpaßt, der zwischen drei willkürlich gewählten Temperaturen arbeitet. Durch den Zusatz einer Mehrzahl thermisch leitender Abschnitte im geschlossenen Leitungssystem kann die Wärme isothermisch mit mehreren äußeren Behältern bei verschiedenen Temperaturen ausgetauscht werden.

Viele unterschiedliche und bekannte Wärmequellen und Mittel zur Wärmeübertragung können benutzt werden. Zum Beispiel kann ein System zur Benutzung aus einem Reflektor zum Sammeln von Sonnenenergie und Rippen zur Ausstrahlung von Wärme aus dem Zwischentemperaturabschnitt verwendet werden. Nachdem einmal der Rotor in Umdrehung versetzt worden ist, wäre nur eine sehr geringe Energie erforderlich, um seine Drehung aufrechtzuerhalten. Als Alternative könnte eine Radio-Isotopenquelle als Wärmequelle verwendet werden.

Die Vorrichtung nach F i g. 10 besitzt einen Rotor 210 mit einer Welle 212 in geeigneten Lagern, die durch einen Motor 214 um Achse 216 in Umdrehung versetzt wird.

Der Rotor 210 enthält eine ringförmig profilierte Flüssigkeitskammer 218 mit einer Flüssigkeitsmenge 219, in der ein Kältemittel adsorbiert ist. Die Flüssigkeit 219 strömt aus der Kammer 218 in eine äußere ringförmige Separierkammer 220 über einen Kanal 226, der in Nähe des äußersten Teiles der Kammer 220 mündet. Eine weitere Leitung 228, deren äußerstes Ende näher liegt als der Kanal 226 zur innersten Wandung der Kammer 220, leitet die Flüssigkeit aus der Separierkammer 220 zurück in die Flüssigkeitskammer 218.

Eine Kondensierkammer 222 liegt in Nähe der Achse 216 des Rotors 210. Eine Leitung 230 verbindet die Separierkammer 220 und die Kondensierkammer 222 mit der Einlaßöffnung 231 der Leitung 230, die an der innersten Wandung der Kammer 220 liegt. Das innerste Ende 233 der Leitung 230 liegt in der Kammer 222 in Nähe der zentralen Achse 216.

Eine Verdampfungskammer 224 liegt links der Kammern 218, 222 und 224, und ein verlängertes Rohr 232 mit einer eingeengten Mündung 234 am äußersten Ende verläuft zu einem Punkt in Nähe der linken Wandung der Kammer 224. Ein Teil 236 ist an dem linken Ende des Rohres 232 befestigt, um das Rohr an seiner Stelle zu halten. Zwei Trennrippen 240 und 242 liegen auf der Innenfläche der äußersten Wandung 237 der Verdampfungskammer 224, um die Flüssigkeit zu sammeln und zu halten, die aus dem Rohr austritt. Ein weiteres Rohr 244 kleinen Querschnitts läuft durch die Rippen 240 und 242 und nach außen in die Flüssigkeit 219 der Kammer 218. Das Rohr 244 besitzt eine Durchbohrung 245, um zuzulassen, daß Flüssigkeit aus dem Raum zwischen den Rippen 240 und 242 einströmt.

Die Flüssigkeit und das Gas sind hermetisch im Rotor 210 eingeschlossen. Als spezifisches Beispiel ist die absorbierende Flüssigkeit Wasser und das Kältemittel Ammoniak. Es ist jedoch verständlich, daß andere Flüssigkeitskombinationen in absorbierenden Beheizungs- und Kühlsystemen mit den Prinzipien der Erfindung verwendet werden können.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 10 ist folgende. Sobald sich die Einheit in der Ruhestellung befindet, wobei sich die Leitungen 226 und 228 vertikal nach unten erstrecken, wie in F i g. 10 gezeigt ist, füllt die Flüssigkeit 219 die Kammer 220 und die Leitungen 226 und 228 vollständig und füllt die Kammer 218 und die Leitung 230 bis auf einen Pegel, der durch die gestrichelte Linie 246 angedeutet ist. Sodann wird der Rotor 210 bis auf eine konstante Drehzahl durch den Motor 214 angetrieben. Gleichzeitig wird Wärme der Flüssigkeit in der Kammer 220 über die Rippen 249 zugesetzt, die auf der äußeren Wandung 251 der Kammer 220 befestigt sind, und Wärme wird aus den Flüssigkeiten in den Kammern 218 und 222 über eine gemeinsame thermisch leitende Wandung 250 mittels der Rippen 252 abgenommen. Wärme wird auch aus dem flüssigen Kältemittel in der Verdampfungskammer 224 mittels der Rippen 254 abgezogen, die mit der Außenwandung 237 der Kammer 224 fest verbunden sind.

Der Zusatz von Wärme zur Flüssigkeit in der Kammer 220 verursacht, daß die erhitzte Flüssigkeit in Näher der äußersten Wandung 251 der Kammer 220 in der Kammer zirkuliert und sich nach innen zur Leitung 228 bewegt. Gleichzeitig bewegt sich kältere Flüssigkeit, die dichter ist als die Flüssigkeit in der Kammer 220, unter der Wirkung der Zentrifugalkraft aus der Kammer 218 nach außen in die Kammer 220. Die wärmere und weniger dichte Flüssigkeit strömt nach innen durch die Leitung 228 zur Kammer 218. Die durch das Rohr 226 abwärts strömende Flüssigkeit ist erheblich mit Ammoniak beladen. Während ihres Durchganges durch die Kammer 220 verliert sie viel von diesem Ammoniak und wird erhitzt und bewegt sich zurück aufwärts zur Kammer 218, wo sie gekühlt wird und mehr Ammoniak absorbiert, worauf sie sich wieder durch den gleichen Kreislauf hindurchbewegt Dieser konvektive Flüssigkeitsstrom wird durch die Wirkung der Zentrifugalkraft auf die beiden Wassersäulen in den Leitungen 226 und 228 erheblich verstärkt Da die Flüssigkeit in der Säule 226 eine größere Dichte aufweist als die in der Leitung 228, verursacht die normale Druckdifferenz, daß die Flüssigkeiten durch die Zentrifugalkraft in stark vermehrter Weise zirkulieren. Dies läßt es zu, daß die Abmessung der Vorrichtung sehr erheblich reduziert werden kann.

Gleichzeitig mit der konvektiven Zirkulation der Flüssigkeiten zwischen den Kammern 218 und 220 verursacht die Beheizung der Flüssigkeit in der Separierkammer 220, daß das in der Flüssigkeit absorbierte Gas aus der Flüssigkeit herausgetrennt wird. Das Ammoniakgas, welches eine viel geringere Dichte als die Flüssigkeit aufweist, strömt nach innen durch das Rohr 230 in die Kammer 222, wo es durch den Wärmeübergang mittels der Rippen 252 gekühlt wird

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und sich verflüssigt. Der Flüssigkeitsstrom aus der Kammer 222 wird durch die Mündung 234 am Ende des Rohres 232 gedrosselt. Dies läßt es zu, daß sich eine Menge 255 flüssigen Ammoniaks in der Kammer 222 sammelt und läßt es zu, daß der Druck des Gases in der Kammer 222 auf einen hohen Pegel ansteigt. Die Kondensationswärme des Gases wird mittels der Rippen 252 zerstreut. Die Flüssigkeit 255 strömt aus der Kammer 222 durch die Mündung 234 unter Druck in gesteuerter Menge aus.

Das flüssige Ammoniak, welches aus dem Rohr 232 austritt und nicht unmittelbar verdampft, sammelt sich in ringförmig profilierten Mulden 238 zwischen den Rippen 240 und 242. Die Rippe 240 besitzt Ausschnitte 257, um zuzulassen, daß Flüssigkeit über die Rippe 240 und in den Raum zwischen den Rippen 240 und 242 strömt. Die Rippen 254 leiten Wärme zu der Flüssigkeit 238, die die Außenwandung 237 der Kammer 224 berührt, und somit verdampft die Flüssigkeit. Das gasförmige Ammoniak bewegt sich sodann nach rechts zur Oberfläche des Wassers 219 in der Kammer 218, wie durch die gestrichelten Pfeile 259 angedeutet ist, wo es wieder absorbiert wird.

Wie bekannt ist, soll die Temperatur des Wassers auf einem niedrigen Pegel gehalten werden, um die Ammoniakabsorption hochzuhalten. Die Temperatur der Flüssigkeit 219 wird mittels der Kühlrippen 252 und Berührung mit dem kalten Ammoniak niedriggehalten. Die Kühlwirkung kann mit den Anforderungen eines gegebenen Systems geändert werden.

Der Zweck des Abzugsrohres 244 besteht darin, irgendwelches Wasser in die Kammer 218 zurückzuleiten, welches in der Verdampfungskammer 224 verspritzt sein kann, wenn der Rotor stillsteht. Sobald der Rotor 210 mit geeigneter Drehzahl umläuft, wird das flüssige Ammoniak das Rohr 254 füllen. Das untere Ende des Rohres 244 taucht jedoch in Wasser bis zu einer Tiefe, durch die eine weitere Strömung flüssigen Ammoniaks in das Wasser verhindert wird. Da das Wasser eine größere Dichte als das Ammoniak aufweist, wird der Druck des Wassers am Ende des Rohres 244 den Druck des Ammoniaks ausgleichen und die Strömung von Ammoniak in die Kammer 218 verhindern. Das Ende des Rohres 244 im Wasserbehälter besitzt einen ausreichend kleinen Querschnitt, um die Diffusion von Ammoniak beladenem Wasser in den Behälter 218 in vernachlässigbaren Verhältnissen zu reduzieren, so daß diese Leitung 244 keinen dauernden Abzug für Ammoniak entweder in fließender oder diffundierender Form bildet.

Eine Wärmeisolation 260 ist zwischen den Kammern 218 und 220, zwischen der Flüssigkeit in der Kammer 220 und der Wandung der Leitung 226 und um den Teil der Leitung 230 vorgesehen, der durch die Kammer 218 verläuft. Diese Isolation schützt gegen unerwünschten Wärmeübergang zwischen den so gegeneinander isolierten Leitungen. In gleicher Weise kann eine Isolation an anderen Stellen der Vorrichtung vorgesehen werden, um eine unerwünschte Wärmeübertragung zu verhindern.

Der Zusatz von Wärme zur Separierkammer 220 wird vorzugsweise dadurch vervollständigt, daß heiße Luft in Richtung des Pfeiles 248 zwischen einem Paar ringförmiger stationärer Stauglieder bzw. Prallglieder 262 und 264 gedrückt wird. Das Stauglied 262 besteht vorteilhaft aus wärmeisolierendem Material, um den Wärmeübergang zu den Rippen 254 auf ein Minimum herabzusetzen. Jede radiale Rippe 249 besitzt mehrere auf dem Umfang verteilte Durchbohrungen 253 (Fig. 11). Die erwärmte Luft strömt nach innen zwischen den Führungen 262 und 264, und zwar durch die Durchbohrung 253 von einer zur nächsten Rippe, und strömt dann nach außen, nachdem sie ihre Wärme mit den Rippen ausgetauscht hat. Ein weiterer ringförmiger Stau 266 an der rechten Kammer 222 führt die warme Luft von den Rippen 249 nach außen und verhindert eine Vermischung mit der Luft, die durch die Rippen 252 abgeleitet wird.

Wie sich am besten aus F i g. 12 ergibt, sind die Rippen 252 spiralförmig angeordnet, um die Luft schnell durch sie hindurchzupumpen und den Wärmeübergang zu verstärken. Die Rippen können aber auch irgendeine andere Formgebung besitzen. Wie ebenfalls bekannt ist, kann der Wärmeübergang weiter verstärkt werden, indem anstelle von Gasen Flüssigkeiten als Kühlmittel verwendet werden.

Jede Rippe 254 besitzt mehrere ausgestanzte Abschnitte 268, die Gebläseflügel bilden. Diese Gebläseflügel saugen umgebende zu kühlende Luft an, kühlen die Luft und blasen die Luft nach links, wo sie in gewünschter Weise zur Kühlung verwendet werden kann. Es ist verständlich, daß die Vorrichtung vorteilhaft sowohl zur Erwärmung als auch zur Kühlung verwendet werden kann, indem in einfacher Weise die von den Rippen 252 abgegebene Wärme zu Beheizungszwecken verwendet wird.

Die Flüssigkeitsrücklauf leitung 228 ist in Fig. 10 schematisch dargestellt, um die Arbeitsweise der Erfindung klar zu erläutern. Die tatsächliche vorzugsweise Ausführung ist in F i g. 11 wiedergegeben. Eine radiale Trennplatte 270 verläuft axial über die ganze Weite jeder Kammer 218 und 220 und verläuft nach innen zu dem maximalen innersten Flüssigkeitspegel, der in erwarteter Weise erreicht wird, sobald die Vorrichtung arbeitet. Die Leitung 228 befindet sich tatsächlich hinter der Leitung 226 in Fig. 10 und wird durch eine Wandung 272 gebildet, die von der Radialwandung 273 (Fig. 10) nach außen ragt und eine Führung auf der anderen Seite der Unterteilung 270 von der Leitung 226 bildet. Die Leitung 226 ist in gleicher Weise durch eine andere Wandung 274 gebildet, die von der Wandung 273 ausgeht.

Entsprechend der Erfindung wird die Strömung durch die beiden Leitungen 226 und 228 um einen so groß wie möglichen Umfangsabstand getrennt. Dies wird durchgeführt, um den Abstand so maximal zu halten, über den die kalte Flüssigkeit aus der Kammer 218 in die Kammer 220 strömt und um somit die Höhe des Wärmeübergangs auf die Flüssigkeit maximal zu halten. In ähnlicher Weise trennt die Wandung 270 .die Strömung in den beiden Leitungen, so daß die erwärmte Flüssigkeit, die durch die Leitung 238 aufwärts strömt, vollständig um den Umfang der Ringkammer 218 herumläuft, um die Leitung 226 zu erreichen. Dies erhöht vorteilhaft den Wärmeübergang der Wärme von der Flüssigkeit über die Rippen 252 und erhöht die Berührungszeit zwischen der Flüssigkeit und dem Gas aus der Kammer 224, so daß damit die maximale Gasabsorption in der Flüssigkeit erreicht wird.

Die Lage der Leitung 230 zur Führung des Gases in die Kammer 222 ist nicht besonders kritisch, wie jedoch in Fig. 11 gezeigt ist, ist sie um etwa 180° gegenüber der Unterteilung 270 verlagert. Diese Lage ist in F i g. 10 nicht genau gezeigt, und zwar wegen der schematischen Erläuterung zu Fig. 10, durch die die Wirkungsweise der Erfindung erklärt ist. Es ist naturgemäß verständlich,

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daß Gewichte angebracht werden, um den Aufbau auszubalancieren, wenn irgendwelche exzentrischen Belastungen infolge unsymmetrischer Lage der Strömungskanäleauftreten.

Einer der besonderen Vorteile der Erfindung besteht darin, daß das gasförmige Ammoniak in der Kammer 222 sehr wirksam auf einen verhältnismäßig hohen Druck ohne Verwendung eines mechanischen Kompressors komprimiert wird. Diese Kompression wird durch die Wirkung der Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeit in der Kammer 218 und der Leitung 226 und auf das Gas in der Leitung 230 hervorgerufen. Da die Dichte der Flüssigkeit sehr viel größer ist als die des Gases, muß das Gas in erheblichem Maße komprimiert werden, bevor es einen Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit in der Kammer 220 ausüben kann, der ausreicht, um den großen Druck auszugleichen, der durch die Wirkung der Zentrifugalkraft auf die Flüssigkeit in der Kammer 218 und der Leitung 226 erzeugt wird. Der Druck, auf den das Gas komprimjert wird, ist annähernd durch die folgende Gleichung gegeben.

ω² (Ar)²Q

Dabei ist:

P = der Gasdruck,

ω = die Drehzahl des Rotors,

Ar = R₂-Ri (Fig. 10) die Differenz zwischen den Radien der Flüssigkeitspegel in den Kammern

218 und 220 und,
ρ = die Dichte der Flüssigkeit.

Zu der vorstehenden Gleichung ist angenommen worden, daß die Dichte des Gases sehr viel geringer ist als die der Flüssigkeit und daher vernachlässigt werden kann.

Wegen der sehr hohen Drücke, die im Ammoniakgas erreicht werden können, wird die Temperatur, bei der die Kondensation in der Kammer 222 auftritt, erheblich erhöht, und die Temperaturdifferenz zwischen der Kammer 222 und der Umgebung wird entsprechend erhöht. Dies führt zu einem schnelleren Wärmeübergang aus der Kammer 222. Dadurch ist es möglich, die räumliche Abmessung der Vorrichtung weiter herabzusetzen. Ebenso macht die höhere Temperatur in der Kammer 222 es möglich, daß das System in einem umgebenden Medium höherer Temperatur arbeitet, als

ίο es sonst möglich sein würde.

Wie schon erwähnt wurde, ist eine weitere Abmessungsherabsetzung möglich gemacht, weil die konvektive Wasserströmung durch die Zentrifugalkraft erheblich vergrößert wird. Ebenso sind die die Wärme übertragenden Flächen in Kontakt mit Flüssigkeiten, so daß dadurch die Menge des Wärmestromes wesentlich vergrößert wird und eine hohe Wärmepumpenkapazität in einer verhältnismäßig kleinen Vorrichtung zuläßt. Somit kann die Einheit so klein hergestellt werden, daß sie als Teil eines Astronautenraumanzuges untergebracht werden kann und als Teil einer biologischen Packung mit einem zusammengehörigen Kühlsystem benutzt werden kann.

Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, daß die Vorrichtung nach der Erfindung einen Ersatz für ein Gravitationsfeld erzeugt und weiterhin keine äußere Pumpeneinheit erfordert. Somit kann sie verwendet werden, wenn keine Möglichkeit besteht, ein Gravitationsfeld zu verwenden, z. B. in einem Raum oder in einem Fahrzeug, in welchem die Axialität des Systems gegenüber dem Gravitationsfeld nicht konstant ist.

Innerhalb des Lösungsgedankens der Erfindung können verschiedene Abänderungen vorgenommen werden. Zum Beispiel ist es bei den dargestellten Ausführungen möglich, ein nichtabsorbiertes Puffergas in den Bereich mit geringem Druck des Kühlmittels zu verwenden und verschiedene Wärmeaustauschsysteme zu benutzen, um das System in einem sogenannten regenerativen Kühlsystem verwenden zu können.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

16 Ol 062- Patentansprüche:

1. Heiz- und Kühlvorrichtung, bei der ein angetriebener Rotor und eine Fluidstromführung in dem Rotor vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidstromführung aus einem ersten, sich von der Rotationsachse (41) des Rotors nach außen erstreckenden Abschnitt (38), aus einem zweiten, sich zu der Achse (4t) erstreckenden Abschnitt (40), aus einem Kontraktionsabschnitt (46), aus einem Expansionsabschnitt (50) und aus einem Kanalabschnitt (32) zum Zurückleiten eines Arbeitsfluids vom Expansionsabschnitt zum ersten Abschnitt besteht, daß eine Einrichtung (54, 70) zum Zuführen von Wärme zu dem aus dem ersten Abschnitt (38) strömenden Arbeitsfluid, daß eine Einrichtung (84) zum Abführen von Wärme aus dem den Kontraktionsabschnitt (46) durchströmenden Arbeitsfluid und daß eine Einrichtung (90)_4<zum Leiten von Wärme von einer zu kühlenden Substanz zu dem Arbeitsfluid im Expansionsabschnitt zwecks Leistung der Kühlung vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kontraktionsabschnitt (46) von der Achse (41) weggerichtet erstreckt und daß sich der Expansionsabschnitt (50) in Richtung zur Achse (41) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Expansionsabschnitt (50) unter einem spitzen Winkel zur Achse (41) erstreckt, dessen Größe so gewählt ist, daß die Temperatur des durch den Expansionsabschnitt strömenden Fluids im wesentlichen konstant bleibt in bezug auf einen gegebenen Wert der dem Expansionsabschnitt zugeführten Wärme.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein sechster Abschnitt (48) vorgesehen ist, der den Kontraktionsabschnitt (46) mit dem Expansionsabschnitt (50) verbindet, wobei er sich radial in Richtung zur Achse (41) erstreckt, und daß Isolationsmittel (48) für den sechsten Abschnitt vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Leiten von Wärme in den Expansionsabschnitt eine Vielzahl von Leitplatten (90) mit winklig geneigten Teilen (92) umfaßt, die als Lüfterschaufeln dienen, um ein umgebendes Gas über den Expansionsabschnitt (50) zu bewegen und um einen Strom gekühlten umgebenden Gases zu bilden.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsfluid aus einem Fluorchlormethan- oder Fluorchloräthan-Kältemittel besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalabschnitt (32) angrenzend an die Rotationsachse (41) des Rotors verläuft und weiter gekennzeichnet durch einen weiteren Abschnitt (180), der mit radialem Abstand von der Achse (41) vorgesehen ist und der die Kontraktionsabschnitte (46) und die Expansionsabschnitte (50) miteinander verbindet, wobei der weitere Abschnitt (180) sich im wesentlichen parallel zur Achse (41) erstreckt, und durch eine Vielzahl von in Längsrichtung einen Abstand voneinander besitzenden und gegeneinander isolierten Wärmeleitmitteln (182), deren jedes zwischen dem Kanalabschnitt (32) und

dem weiteren Abschnitt (180) gekuppelt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der wärmeleitenden Mittel ein abgedichtetes radiales Abteil mit einem Fluid aufweist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Abschnitt (40) in einem spitzen Winkel in Richtung zur Achse (41) erstreckt.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von zueinander parallelgeschalteten Leitungen vorgesehen ist, wobei die Leitungen radiale Wände (132) aufweisen, durch die die Leitungen umfangsmäßig voneinander getrennt werden und durch die die Fluidströmung durch die Leitungen in einer Richtung geführt wird, die parallel zur Achse (41) verläuft.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 — 10, gekennzeichnet durch eine Expansionsdüse (122), die den Kontraktionsabschnitt (118) mit dem Expansionsabschnitt (124) verbindet.

12. Absorptionsheiz- und Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, mit einer ersten, den Absorber j bildenden Kammer und mit einer zweiten, den Austreiber bildenden Kammer, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (226) der Fluidstromführung die Förderung der Kältemittel-Absorptionsmittellösung von der ersten in die zweite Kammer bewirkt und sich zwischen der radial äußeren Wand der ersten Kammer (218) und dem radial äußeren Bereich der zweiten Kammer (220) erstreckt, die in einem größeren radialen Abstand zur Rotationsachse (216) angeordnet ist als die erste Kammer (218), daß eine weitere Leitung (228) vorgesehen ist, die sich von einem radial weiter innen liegenden Bereich der zweiten Kammer (220) zur ersten Kammer (218) erstreckt und die Rückführung der Kältemittel-Absorptionsmittellösung von der zweiten in die erste Kammer bewirkt, daß die Einrichtung (249), durch die dem aus dem ersten Abschnitt (226) strömenden Arbeitsfluid Wärme zugeführt wird, im Bereich der radialen äußeren Wand der zweiten Kammer (220) angeordnet ist und das Austreiben von Kältemittel aus der Lösung in diese Kammer bewirkt, daß sich der zweite Leitungsabschnitt (231) von der radial inneren Wand der zweiten Kammer (220) zu dem Kontraktionsabschnitt (222) erstreckt, der in radial geringerem Abstand von der Rotationsachse angeordnet ist als die erste Kammer (218), wobei die dem Kontraktionsabschnitt (222) zugeordnete Einrichtung (250, 252) zum Abführen von Wärme so bemessen ist, daß das über den zweiten Leitungsabschnitt (231) zugeführte gasförmige Kältemittel im Kontraktionsabschnitt kondensiert und daß der Expansionsabschnitt (224) zwischen dem Kontraktionsabschnitt (222) und der ersten Kammer (218) in einem radialen Abstand zur Rotationsachse angeordnet ist, der zwischen den radialen Achsabständen des Kontraktionsabschnitts (222) und der ersten Kammer (218) liegt, wobei die Einrichtung (254) zum Leiten von Wärme von einer zu kühlenden Substanz zu dem vom Kontraktionsabschnitt zugeführten flüssigen Kältemittel im Expansionsabschnitt (224) so bemessen ist, daß dieses verdampft.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsabschnitt (224)

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aus einer Kammer besteht und eine äußerste Wand (237) mit sich in Richtung der Achse (216) erstreckenden Rippen (240, 242) aufweist und daß die Einrichtung (254) zum Leiten von Wärme von einer zu kühlenden Substanz an dem Expansionsabschnitt (224) aus Lüfterschaufeln besteht.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den Absorber bzw. den Austreiber bildenden Kammern aus ringförmigen Kammern (218 bzw. 220) bestehen und die sich dazwischen erstreckenden zwei Leitungen (226,228) in Umfangsrichtung gegeneinander getrennt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (220) die erste Kammer (218) umgibt und daß ein Trennglied (270) sich radial von der äußersten Wand (251) der zweiten Kammer (220) bis zu einer Position erstreckt, die in bezug auf den normalen innersten Rotationswasserspiegel in der ersten Kammer (218) innenliegend vorgesehen ist, wobei eine der beiden Leitungen (226,228) auf einer Seite des Trenngliedes (270) und die andere Leitung auf der anderen Seite dieses Gliedes vorgesehen ist.