EP4339534A1 - Rotor - Google Patents

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Publication number
EP4339534A1
EP4339534A1 EP22195656.8A EP22195656A EP4339534A1 EP 4339534 A1 EP4339534 A1 EP 4339534A1 EP 22195656 A EP22195656 A EP 22195656A EP 4339534 A1 EP4339534 A1 EP 4339534A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat transfer
channels
rotor
rotor plates
working medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22195656.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Adler
Christian RAKUSCH
Andreas LÄNGAUER
Johannes Erhard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecop Technologies GmbH
Original Assignee
Ecop Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ecop Technologies GmbH filed Critical Ecop Technologies GmbH
Priority to EP22195656.8A priority Critical patent/EP4339534A1/de
Priority to PCT/EP2023/075263 priority patent/WO2024056788A1/de
Publication of EP4339534A1 publication Critical patent/EP4339534A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B3/00—Self-contained rotary compression machines, i.e. with compressor, condenser and evaporator rotating as a single unit

Definitions

  • a rotary heat pump is known in which the centrifugal acceleration of the rotor is used to generate different pressure or temperature levels. Heat at a high temperature is removed from the compressed working medium and heat at a comparatively low temperature is supplied to the expanded working medium.
  • the rotary heat pump has internal heat exchangers and external heat exchangers, which are arranged essentially parallel to the axis of rotation of the rotor. The inner heat exchangers are set up for heat exchange at a lower temperature and the outer heat exchangers are set up for heat exchange at a higher temperature.
  • This type of rotary heat pump has significant advantages over stationary heat pumps. The disadvantage, however, is the high design effort of the known rotary heat pump. In addition, there is a need for improvement with regard to the rotor dynamics, which in the prior art is impaired by the mechanical connection of the individual components. Finally, there are always efforts to further increase the efficiency of such rotary heat pumps (COP - Coefficient of Performance).
  • the present invention therefore sets itself the task of alleviating or eliminating at least individual disadvantages of the prior art.
  • the aim of the invention is preferably to create a rotor which combines low design effort with high efficiency.
  • first and second rotor plates are provided, wherein the first and / or the second rotor plates have the compression channels, the expansion channels, the first heat transfer channels for the working medium and the second heat transfer channels for the heat transfer medium, the first and the second rotor plates along their Main extension levels are connected to each other.
  • the arrangement of the first and second rotor plates forms a compact rotor element that is particularly stable in relation to rotational forces, which combines the functions separated into individual components such as inner and outer heat exchangers as well as expansion and compression channels in the prior art.
  • the first and second rotor plates are stacked in contact with one another and connected to one another at their meeting main extension planes.
  • the working medium flows through flow channels, which form the first heat transfer channels, the compression channels and the expansion channels. Accordingly, the heat transfer medium flows through the second heat transfer channels of the first and/or second rotor plates in order to enable heat transfer with the working medium.
  • a rotor in particular a rotary heat pump or a heat-power machine for providing electrical current from a heat flow, in which the essential process steps are integrated into the interior of the package consisting of the first and second rotor plates.
  • This design achieves particularly favorable rotor dynamics. What has proven to be particularly advantageous is that the first and second rotor plates virtually cannot move against each other, so that the number of balancing runs can be significantly reduced or balancing runs can be avoided entirely.
  • the rotor element can be realized from the first and second rotor elements in different designs, in particular also with smaller dimensions. This has the advantage that production can be simplified and a weaker drive machine can be used. Compared to the discrete heat exchangers in the prior art, the heat exchanger surfaces available during operation of the rotor can also be increased. The integral design of the rotor element also allows the number of sealing points to be significantly reduced.
  • the location and direction information relates to the intended use state of the rotor, with “radial”, “axial” and “circumferential” referring to the axis of rotation.
  • “inside” means closer to the axis of rotation of the rotor and “outside” means further from the axis of rotation.
  • the Main extension planes of the first and second rotor plates ie their plate planes, in which the first and second rotor plates each have their greatest extent, are each arranged essentially perpendicular to the axis of rotation.
  • the axis of rotation preferably passes through the centers of the first and second axes of rotation.
  • the first and second rotor plates are arranged essentially congruently when viewed in the direction of the axis of rotation.
  • the first rotor plates each have at least one of the compression channels, at least one of the expansion channels and at least one of the first heat transfer channels for the working medium and the number of second rotor plates each have at least one of the second heat transfer channels for the heat transfer medium.
  • the first rotor plates each have at least one flow channel for the working medium, the at least one flow channel having an inlet opening for the working medium at a first end and an outlet opening for the working medium at a second end.
  • the flow channel has a preferably substantially radially outwardly extending flow channel section for forming one of the compression channels and/or a preferably substantially radially inwardly extending flow channel section for forming one of the expansion channels and/or a preferably substantially circumferentially extending flow channel section Formation of one of the first heat transfer channels.
  • the working medium can thus be distributed via the inlet openings to the flow channels within the first rotor plates.
  • the working medium then flows along the flow channels to the outlet openings, at which the working medium is led out of the rotor element.
  • the working medium In the flow channel section leading to the outside, the working medium can be compressed by the effect of centrifugal acceleration in the rotating state of the rotor. In the inwardly leading flow channel section, the working medium, also due to the centrifugal force. Heat can be transferred between the working medium and the heat transfer medium in the flow channel cross section that runs essentially in the circumferential direction.
  • the individual flow channel sections are connected so that the working medium can flow through the flow channel within the first rotor plate from the inlet to the outlet opening.
  • the inlet openings and/or the outlet openings of the first rotor plates are each arranged in alignment, i.e. in a line parallel to the axis of rotation.
  • the inlet openings and/or the outlet openings are preferably congruent when viewed in the direction parallel to the axis of rotation.
  • the second rotor plates in this embodiment preferably each have through openings arranged in alignment with the inlet openings or in alignment with the outlet openings.
  • the working medium can thus be supplied to one side of the rotor element and distributed to the first rotor plates via the inlet openings, with second rotor plates arranged in between being passed through the through openings.
  • the outlet openings are arranged in central regions of the first rotor plates through which the axis of rotation passes.
  • the axis of rotation preferably passes through the centers of the outlet openings.
  • the working medium can be guided along the flow channels to the outlet openings in the central regions of the first rotor plates and can be drained out of the first rotor plates via the outlet openings, which are preferably arranged in alignment.
  • several flow channels of the first rotor plate can share the same outlet opening in the central area.
  • a fan is provided.
  • the fan is preferably arranged in the axial direction outside the rotor element made up of the first and second rotor plates.
  • a circular flow of the working medium can be effected from the fan via the inlet openings through the flow channels within the rotor element, via the outlet openings back to the fan and finally back to the inlet openings in the flow channels within the rotor element.
  • This means that the working medium can go through a circular process.
  • different types of cycle processes can be achieved, for example a Joule process with essentially isobaric heat transfer.
  • the fan can be connected to a fan drive, with which a blade wheel of the fan can be set in rotation.
  • the blade wheel can be rotated relative to the rotor element, which is preferably set in rotation with a motor that is different from the fan drive.
  • the inlet openings of the first rotor plates can be connected to an outlet of the fan and/or the outlet openings of the first rotor plates can be connected to an inlet of the fan.
  • the first rotor plates each have a plurality of flow channels, each with at least one preferably substantially radially outwardly extending flow channel section and/or with at least one preferably substantially substantially radially inwardly extending flow channel section and/or with at least one flow channel section that preferably runs essentially in the circumferential direction.
  • several flow channels can be formed on the first rotor plates, through which the working medium can flow in parallel.
  • the flow channels can cover the surface of the first Rotor plate be distributed.
  • more than three, in particular more than six, for example twelve, flow channels are provided at different angular positions per first rotor plate.
  • the flow channels of the first rotor plates each have a plurality of flow channel sections, which preferably run essentially in the circumferential direction, at different radial distances from the axis of rotation in order to form a plurality of first heat transfer channels.
  • the flow channel sections running in the circumferential direction are preferably arranged in loops.
  • there are a plurality of inner, for example S-shaped, loops for heat exchange with the heat transfer medium in inner loops of one of the second heat transfer channels of one of the second rotor plates and/or a plurality of outer, for example S-shaped, loops for heat exchange with the heat transfer medium in outer loops of one of the second Heat transfer channels of one of the second rotor plates are provided.
  • intermediate compression or expansion can be effected during the heat exchange with the heat transfer medium. This can ensure that the temperature is raised again after heat transfer in order to either transfer the heat at a substantially constant temperature or to increase efficiency if an application with a small temperature difference between the inlet and outlet of the heat transfer medium is intended.
  • two adjacent flow channels of the first rotor plates are arranged mirrored with respect to a plane of symmetry spanned in the axial and radial directions, with the two adjacent flow channels having a common inlet and a common outlet opening for the working medium split.
  • 12 flow channels are provided at different angular positions per first rotor plate, in this embodiment only six connections are required for the Entry of the working medium is required.
  • the second rotor plates each have at least one inner flow channel and at least one outer flow channel each to form one of the second heat transfer channels, the outer flow channel being arranged further out in the radial direction than the inner flow channel.
  • the outer flow channel can be designed as an external heat exchanger, in which the heat transfer medium, here the sink medium, absorbs heat from the working medium.
  • the inner flow channel can be designed as an internal heat exchanger, in which the heat transfer medium, here the source medium, releases heat to the working medium.
  • the rotor can be designed as a heat-power machine.
  • the first rotor plates have the second heat transfer channels for the heat transfer medium.
  • the second rotor plates can be designed as separating plates for the first rotor plates, with the second separating plates preferably being free of flow channels for both the working medium and the heat transfer medium.
  • first rotor plates and the second rotor plates are connected to one another via diffusion connections, i.e. by diffusion bonding.
  • first rotor plates and/or at least 50, in particular at least 200, for example from 300 to 800, second rotor plates are preferably provided.
  • the first and/or the second rotor plates can have a wall thickness, i.e. an extension perpendicular to the main extension or plate plane from one outer surface to the other, from 0.2 mm to 5 mm, in particular from 0.5 mm to 4 mm, for example 2 mm to 3 mm.
  • the flow channels can have a width, i.e. an extent on the outer surface of the respective first or second rotor plate transverse to the flow direction, of 0.5 mm to 5 mm, in particular from 1 mm to 3 mm.
  • the depth of the flow channels, i.e. their extension perpendicular to the main extension plane at the deepest point can be from 0.2 mm to 3 mm, in particular from 1 mm to 2 mm.
  • the first and second rotor plates are in plan view, ie looking in axial direction, each circular.
  • the heat transfer surfaces can be optimized at a predetermined length, ie axial extent, of the rotor element consisting of the first and second rotor plates.
  • the first and second rotor plates are each non-round when viewed in the direction of the axis of rotation, i.e. not circular, in particular essentially rectangular.
  • This embodiment can be favorable when producing the rotor element by diffusion bonding of the first and second rotor plates, since rectangular vacuum presses can be used for diffusion bonding.
  • the manufacturing process can be optimized in this way; In addition, larger radial extents can be achieved.
  • one of the first rotor plates and one of the second rotor plates are preferably arranged alternately. If the working medium is guided in the first rotor plates and the heat transfer medium is guided in the second rotor plates, the first heat transfer channels of the first rotor plates and the second heat transfer channels of the second rotor plates run essentially at the same radial distances and along the same sections in the circumferential direction, i.e. next to each other. When the working medium and the heat transfer medium are guided in the first rotor plates, the first heat transfer channels and the second heat transfer channels run essentially at the same radial distances and along the same sections in the circumferential direction opposite each other on the first rotor plates.
  • the first rotor plates and/or the second rotor plates each have at least one recess.
  • this can achieve weight savings. Insulation can also be achieved in areas where unwanted heat transfer needs to be minimized. Thus, it can Recess, for example, form an insulation area between the compression and expansion channels or between the outer heat exchanger, in particular with a comparatively high temperature, and the inner heat exchanger, in particular with a comparatively low temperature.
  • the first and second rotor plates are formed from a material selected from austenite, duplex steel, copper, titanium and aluminum.
  • first rotor plates and the second rotor plates are connected to one another by diffusion bonding, in particular in a vacuum press.
  • the compression, the expansion, the first heat transfer channels and/or the second heat transfer channels are preferably formed in the first and/or second rotor plates by etching or milling.
  • the design of the rotor element from the first and second rotor plates enables application with high pressures.
  • the maximum pressure of the working medium in the rotating state of the rotor within the first rotor plates is at least 80 bar, in particular at least 120 bar, for example from 160 bar to 240 bar.
  • these pressures result in lower pressure losses for the same mass flow and thus higher efficiency, which is determined with the “Coefficient of Performance” (COP) when the rotor is designed as a heat pump.
  • COP Coefficient of Performance
  • Fig. 1 shows a rotor 1, which in the embodiment shown is designed as a device for converting mechanical energy into thermal energy (and vice versa).
  • the rotor 1 is used in particular as a rotary heat pump.
  • the rotor 1 can be accommodated in a stationary housing in which a negative pressure can prevail.
  • the rotor 1 has a rotation axis 2, which is preferably horizontal in the operating state, around which the rotor 1 is rotated with the aid of a motor 37.
  • the rotor 1 has two pivot bearings 3.
  • the rotor 1 has an in Fig.
  • rotor element 4 which is connected on one side with connections 5 for a heat transfer medium, in particular water, and on the other side with connections 6 for a working medium, for example a noble gas. Furthermore, a fan 7 is provided to maintain a circular flow of the working medium. The fan 7 is connected to a fan drive 8 in order to rotate a blade wheel of the fan 7 relative to the rotor element 4 rotated by the motor 37. Furthermore are in Fig. 1 Rotary unions 9 for the (water) connections 5 can be seen.
  • Fig. 2A , Fig. 2B and Fig. 3 show schematically an embodiment of the rotor element 4, which is constructed from a plurality of first rotor plates 10 and second rotor plates 11.
  • first rotor plates 10 and second rotor plates 11 are shown.
  • the flow of the working medium is illustrated with solid lines and the flow of the heat transfer medium is illustrated with dashed lines.
  • the first rotor plates 10 and the second rotor plates 11 are connected to one another on their outer surfaces parallel to their main extension or plate planes (which are vertically aligned during operation).
  • the first 10 and the second rotor plates 11 alternate with one another as seen in the axial direction.
  • the first rotor plates 10 each have a plurality of flow channels 12 through which the working medium flows.
  • the working medium flows into an initial section of the flow channel 12 via an inlet opening 13 and out of an end section of the flow channel 12 via an outlet opening 14.
  • several adjacent, parallel flow channels 12 are provided per inlet opening 13, cf Fig. 2A Detail B highlighted with a circle Fig. 2B .
  • the inlet openings 13 are connected to an output of the fan 7.
  • the outlet openings 14 are connected to an input of the fan 7.
  • the outlet openings 14 are arranged in the central regions of the first rotor plates 10 through which the axis of rotation 2 passes.
  • the flow channel 12 has a flow channel section 16 that leads essentially radially outwards, in which the working medium is guided away from the axis of rotation 2 to increase the pressure due to the centrifugal acceleration.
  • the essentially radially outwardly leading flow channel section 16 is adjoined by at least one essentially circumferentially extending flow channel section 17, with which a first heat transfer channel 18 is formed for heat exchange with the heat transfer medium.
  • the peripheral flow channel section 17 is adjoined by a flow channel section 19 which leads essentially radially inwards and, as a relaxation channel 20, causes a pressure reduction in the working medium due to the centrifugal acceleration.
  • Adjacent to the essentially radially inwardly leading flow channel section 19 is at least one further essentially circumferentially extending flow channel section 21, which is designed as a further first heat transfer channel 18 for heat exchange with the heat transfer medium.
  • the inlet openings 13 and the outlet openings 14 of the first rotor plates 10 are each arranged in alignment.
  • the second rotor plates 11 have corresponding through openings 32 for the passage of the working medium.
  • the second rotor plates 11 each have second heat transfer channels 22 through which the heat transfer medium flows.
  • the second rotor plates 11 each have at least one inner flow channel 23 with at least one section 24 running in the circumferential direction to form an inner heat exchanger and at least one outer flow channel 25 with a section 26 running in the circumferential direction to form an outer heat exchanger.
  • the outer flow channel 25 is arranged further outward than the inner flow channel 23 when viewed in the radial direction.
  • the circumferentially extending section 24 of the inner heat exchanger of the second rotor plate 11 runs next to the circumferentially extending flow channel section 21 of the first rotor plate 10.
  • the circumferentially extending section 26 of the outer heat exchanger of the second rotor plate 11 runs next to the circumferentially extending flow channel section 17 of the first rotor plate 10.
  • the inner flow channel 23 of the second rotor plate 11 has an inlet opening 27 for the entry of the heat transfer medium and an outlet opening 28 for the exit of the heat transfer medium.
  • the outer flow channel 25 has a further inlet opening 29 for the entry of the heat transfer medium and a further outlet opening 30 for the exit of the heat transfer medium.
  • the input openings 27, the output openings 28, the further input openings 29 and the further output openings 30 are each arranged in alignment.
  • the first rotor plates 10 have corresponding passage openings 31 for the passage of the heat transfer medium.
  • first 10 and the second rotor plates 11 are circular in the direction of rotation of the axis of rotation 2.
  • Each of the first rotor plates 10 has several, for example 12, flow channels 12, which are identical and distributed at different angular positions over the first rotor plates 10.
  • a plurality of flow channels 12 can also be provided at each angular position, which are located next to one another Extend inlet opening 13 to outlet opening 14.
  • the flow channels 12 each have a plurality of circumferentially extending flow channel sections 21 in a radially inner region of the first rotor plate 10 and a plurality of circumferentially extending flow channel sections 17 in a radially outer region of the first rotor plate 10, each in loops at different radii R1 , R2, R3 are arranged to the axis of rotation 2.
  • the second rotor plates 11 have several, for example 12, inner flow channels 23 and several, for example 12, outer flow channels 24.
  • the inner flow channels 23 of the second rotor plates 11 each have a plurality of sections 24 running in the circumferential direction as an inner heat exchanger and a plurality of sections 26 running in the circumferential direction as an outer heat exchanger, which in addition to the flow channel sections 21 running in the circumferential direction in the radially inner region of the first rotor plate 10 or next to the flow channel sections 17 running in the circumferential direction in the radially outer region of the first rotor plate 10.
  • the working medium is compressed or expanded during heat transfer.
  • FIG. 4 A further embodiment is shown, for example using one of the first rotor plates 10, in which two adjacent flow channels 12 are arranged mirrored with respect to a plane of symmetry S spanned in the axial and radial directions.
  • the two adjacent flow channels 12 each share a common inlet opening 13 and a common outlet opening 14 for the working medium.
  • the flow channels of the second rotor plates 11 run congruently with the flow channels 12 of the first rotor plates 10 in the area of the heat transfer channels and are preferably flowed through in countercurrent.
  • FIG. 5 Fig. 6 and Fig. 7 A further embodiment is shown in each case, in which the working medium is compressed or expanded during heat transfer.
  • the working medium is compressed during the external heat transfer, preferably in order to achieve low temperature differences between the working medium and the heat transfer medium on the sink side at low spreads or at a substantially constant temperature of the heat transfer medium on the sink side. Furthermore, the working medium is expanded during the internal heat transfer in order to achieve a low temperature difference between the working medium and the heat transfer medium on the source side at low spreads or at a substantially constant temperature of the heat transfer medium on the source side. Low temperature differences between the working medium and the respective heat transfer medium lead to low exergy losses and high efficiency (COP) of the entire system. The prerequisite is that the respective heat transfer medium and the working medium are guided through the channels in the countercurrent principle.
  • the working medium is compressed during the external heat transfer, preferably in order to achieve low temperature differences between the working medium and the heat transfer medium on the sink side at low spreads or at a substantially constant temperature of the heat transfer medium on the sink side. Furthermore, the working medium is also compressed during the internal heat transfer in order to achieve a low temperature difference between the working medium and the heat transfer medium on the source side with high spreads of the heat transfer medium on the source side.
  • the respective heat transfer medium and the working medium are guided through the channels in the countercurrent principle.
  • the working medium is expanded in order to achieve low temperature differences between the working medium and the heat transfer medium on the sink side with high spreads of the heat transfer medium on the sink side. Furthermore, the working medium is compressed during the internal heat transfer in order to achieve high spreads of the Heat transfer medium on the source side in turn to achieve a low temperature difference between the working medium and the heat transfer medium on the source side.
  • the respective heat transfer medium and the working medium are guided through the channels in the countercurrent principle.
  • FIG. 8 A further embodiment is shown in which no intermediate compression or intermediate expansion of the working medium takes place.
  • the working medium flows through only one flow channel section 21 running in the circumferential direction in the radially inner region of the first rotor plate 10 per flow channel 12, ie not as in Fig. 2A , Fig. 2B and Fig. 3 several flow sections 21 connected to one another in loops.
  • the working medium in the radially outer region of the first rotor plate 10 flows through only one flow channel section 17 running in the circumferential direction per flow channel 12, ie not as in Fig. 2A , Fig. 2B and Fig. 3 several flow channel sections 17 connected to one another in loops.
  • FIG. 9 A further embodiment is shown, in which the first rotor plates 10 and/or the second rotor plates 11 each have at least one recess 33.
  • the recesses 33 can be arranged in such a way that heat transfer between the flows of the working medium in flow channels 12 at different angular positions of the respective first rotor plate 10 is reduced, in particular essentially prevented. Furthermore, the heat transfer of the heat transfer media in the flow channels of the second rotor plates 11 to adjacent channels can be reduced, in particular essentially prevented, with the recesses 33. Furthermore, the recesses 33 can be arranged so that the heat transfer between the working medium and the heat transfer medium can essentially only take place at those points where the heat transfer is desired.
  • Fig. 10A shows a first embodiment variant, in which the first 10 and the second rotor plates 11 are out of round when viewed in the direction of rotation axis 2, here essentially rectangular, are.
  • the two shorter sides of the first 10 and second rotor plates 11 are curved and the two longer sides of the first 10 and second rotor plates 11 are straight.
  • Fig 10B and Fig. 10C show another essentially rectangular design of the rotor element.
  • Fig. 10B one of the first rotor plates 10 is shown, the channels of the adjacent second rotor plate 11 being shown in dashed lines.
  • Fig. 10C the second rotor plate 11 is shown. This version results in the following differences from the exemplary embodiments described above.
  • the first rotor plate 10 in this embodiment has several, preferably between 10 and 200, preferably essentially parallel flow channels 12 for the working medium, which extend between the inlet openings 13 and at least one outlet opening 14, here a common outlet opening 14.
  • the flow channels 12 each have one of the compression channels 15 leading away from the axis of rotation 2 to the outside, an outer one of the first heat transfer channels 18, an expansion channel 20 and an inner one of the first heat transfer channels 18.
  • the first heat transfer channels 18 for forming the outer heat exchanger and the first heat transfer channels 18 for forming the inner heat exchanger are each arranged at different distances from the axis of rotation 2.
  • the first heat transfer channels 18 on the outside are each connected to the corresponding first heat transfer channels 18 on the inside, so that the differences in the distances from the axis of rotation 2 are essentially the same.
  • the innermost channel of the parallel, essentially circumferentially leading first heat transfer channels 18 of the internal heat transfer is also connected to the innermost channel of the parallel, essentially in Circumferentially leading first heat transfer channels 18 of the external heat transfer are connected.
  • the two radii of the connected inner and outer heat transfer channels 18 are designed so that the temperature difference between the inner and outer heat transfer channels is essentially the same in all parallel channels. This enables essentially the same temperature curves and constant heat transfer performance in all parallel heat transfer channels, which means that exergy losses are kept low and there is no preferential flow due to increased or reduced pressure differences.
  • Fig. 10A This is shown using the external heat transfer, in which the working medium in each of the parallel channels is compressed during the heat exchange in such a way that a constant temperature is established in this channel.
  • the temperature spread for the cross-flowing heat transfer medium can be adjusted via the number and radius difference in the heat transfer area of the parallel channels. Due to the high number of parallel channels (with the same radial extent as in the versions with loops described above) and the comparatively short channel length, the pressure loss is reduced compared to the other versions. The same effect can be achieved in the area of internal heat transfer if each of the parallel inner channels is expanded during the heat exchange with the heat transfer medium via a radius reduction in the flow direction in such a way that the temperature within a channel is kept constant.
  • Fig. 11 and Fig. 12 is a part of the rotor element 4 according to the embodiment Fig. 2A , Fig. 2B and Fig. 3 shown in greater detail. Accordingly, several flow channel sections 21 extending essentially in the circumferential direction extend next to each other, six in the example shown radially inner region, substantially circumferentially extending flow channel sections 17 in the radially outer region of the first rotor plates 10, substantially circumferentially extending sections 24 of the inner heat exchanger and substantially circumferentially extending sections 26 of the outer heat exchanger of the second rotor plates 11. Furthermore, in the Fig. 9 and Fig. 10 an end plate 34 without channels can be seen.
  • the flow channels 12 of the first rotor plates 10 and the second heat transfer channels 22 of the second rotor plates 11 are each designed as depressions 35, which sink in relation to the flat outer or connecting surfaces 36 of the first 10 and second rotor plates 11.
  • the closed channels for the working or heat transfer medium are formed.
  • the first rotor plates 10 and the second rotor plates 11 can be connected to one another via diffusion connections. These compounds are, for example, in the EP 3 885 691 described.
  • the first rotor plates 10 not only have the compression channels 15, the expansion channels 20 and the first heat transfer channels 18 for the working medium, but also the second heat transfer channels 22 for the heat transfer medium.
  • the first rotor plates 10 have on their first outer surfaces 36A the depressions 35 for forming the compression channels 15, the expansion channels 20 and the first heat transfer channels 18 for the working medium and on their second outer surfaces 36B depressions 35 for forming the second heat transfer channels 22 for the heat transfer medium on.
  • the second rotor plates 11 are separating plates between the first rotor plates 10, free of the recesses 35 arranged to close the depressions 35 of the first rotor plates 10 in order to form the flow channels 12 and the second heat transfer channels 22.

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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Rotor (1), insbesondere Rotationswärmepumpe, aufweisend:eine Rotationsachse (2),eine Anzahl von Verdichtungskanälen (15), in welchen ein Arbeitsmedium, insbesondere ein Gas, bevorzugt ein Edelgas, zur Druckerhöhung aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung von der Rotationsachse (2) weggeführt wird,eine Anzahl von Entspannungskanälen (20), in welchen das Arbeitsmedium zur Druckverringerung aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung zur Rotationsachse (2) hin geführt wird,eine Anzahl von ersten Wärmeübertragungskanälen (18) für das Arbeitsmedium undeine Anzahl von zweiten Wärmeübertragungskanälen (22) für ein Wärmeträgermedium, insbesondere eine Flüssigkeit, so dass Wärme zwischen dem in den ersten Wärmeübertragungskanälen (18) strömenden Arbeitsmedium und dem in den zweiten Wärmeübertragungskanälen (22) strömenden Wärmeträgermedium übertragen wird,eine Anzahl von ersten (10) und zweiten Rotorplatten (11), welche die Verdichtungskanäle (15), die Entspannungskanäle (20), die ersten Wärmeübertragungskanäle (18) für das Arbeitsmedium und die zweiten Wärmeübertragungskanäle (22) für das Wärmeträgermedium aufweisen,wobei die ersten (10) und die zweiten Rotorplatten (11) entlang ihrer Haupterstreckungsebenen miteinander verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rotor, insbesondere eine Rotationswärmepumpe, aufweisend:
    • eine Rotationsachse,
    • eine Anzahl von Verdichtungskanälen, in welchen ein Arbeitsmedium, insbesondere ein Gas, bevorzugt ein Edelgas, zur Druckerhöhung aufgrund der Zentrifugalkraft von der Rotationsachse weggeführt wird,
    • eine Anzahl von Entspannungskanälen, in welchen das Arbeitsmedium zur Druckverringerung aufgrund der Zentrifugalkraft zur Rotationsachse hin geführt wird,
    • eine Anzahl von ersten Wärmeübertragungskanälen für das Arbeitsmedium und
    • eine Anzahl von zweiten Wärmeübertragungskanälen für ein Wärmeträgermedium, insbesondere eine Flüssigkeit, so dass Wärme zwischen dem in den ersten Wärmeübertragungskanälen strömenden Arbeitsmedium und dem in den zweiten Wärmeübertragungskanälen strömenden Wärmeträgermedium übertragen wird.
  • Aus der WO 2015/103656 ist eine Rotationswärmepumpe bekannt, bei welcher die Zentrifugalbeschleunigung des Rotors genutzt wird, um verschiedene Druck- bzw. Temperaturniveaus zu erzeugen. Dem verdichteten Arbeitsmedium wird hierbei Wärme hoher Temperatur entzogen und dem entspannten Arbeitsmedium wird Wärme vergleichsweise niedriger Temperatur zugeführt. Zu diesem Zweck weist die Rotationswärmepumpe innere Wärmetauscher und äußere Wärmetauscher auf, welche im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Rotors angeordnet sind. Die inneren Wärmetauscher sind für einen Wärmeaustausch bei niedrigerer Temperatur und die äußeren Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch bei höherer Temperatur eingerichtet. Dieser Typ von Rotationswärmepumpen bringt wesentliche Vorteile gegenüber stationären Wärmepumpen mit sich. Nachteilig ist jedoch der hohe Konstruktionsaufwand der bekannten Rotationswärmepumpe. Darüber hinaus gibt es Verbesserungsbedarf hinsichtlich der Rotordynamik, welche beim Stand der Technik durch die mechanische Verbindung der einzelnen Komponenten beeinträchtigt wird. Schließlich gibt es stets Bestrebungen, die Effizienz solcher Rotationswärmepumpen (COP - Coefficient of Performance) weiter zu steigern.
  • Somit stellt sich die vorliegende Erfindung der Aufgabe, zumindest einzelne Nachteile des Standes der Technik zu lindern bzw. zu beheben. Die Erfindung setzt sich bevorzugt zum Ziel, einen Rotor zu schaffen, welcher geringen Konstruktionsaufwand mit hohem Wirkungsgrad verbindet.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Rotor nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß sind eine Anzahl von ersten und zweiten Rotorplatten vorgesehen, wobei die ersten und/oder die zweiten Rotorplatten die Verdichtungskanäle, die Entspannungskanäle, die ersten Wärmeübertragungskanäle für das Arbeitsmedium und die zweiten Wärmeübertragungskanäle für das Wärmeträgermedium aufweisen, wobei die ersten und die zweiten Rotorplatten entlang ihrer Haupterstreckungsebenen miteinander verbunden sind.
  • Die Anordnung aus den ersten und den zweiten Rotorplatten bildet ein kompaktes und gegenüber Rotationskräften besonders stabiles Rotorelement, welches die beim Stand der Technik in einzelne Komponenten wie innere und äußere Wärmetauscher sowie Entspannungs- und Verdichtungskanäle aufgetrennten Funktionen in sich vereint. Zur Ausbildung des Rotorelements sind die ersten und die zweiten Rotorplatten in Kontakt miteinander gestapelt und an ihren aufeinandertreffenden Haupterstreckungsebenen miteinander verbunden. In den ersten und/oder in den zweiten Rotorplatten strömt das Arbeitsmedium durch Strömungskanäle, welche die ersten Wärmeübertragungskanäle, die Verdichtungskanäle und die Entspannungskanäle bilden. Entsprechend strömt das Wärmeträgermedium durch die zweiten Wärmeübertragungskanäle der ersten und/oder zweiten Rotorplatten, um eine Wärmeübertragung mit dem Arbeitsmedium zu ermöglichen. Im Stand der Technik waren bereits sogenannte "Micro Channel Diffusion Bonded Heat Exchanger" bekannt, vgl. z.B. EP 3 885 691 A1 , bei denen ein Stapel von Wärmetauscherplatten mit integrierten Strömungspassagen durch Diffusionsverbindungen (diffusion bonds) miteinander verbunden sind. Die Erfindung ersetzt nun aber nicht nur die inneren und die äußeren Wärmetauscher bekannter Rotationswärmepumpen durch diesen Typ von Wärmetauscher, sondern integriert zudem die Entspannungs- und die Verdichtungskanäle in die ersten bzw. zweiten Rotorplatten des Rotorelements. Somit wird nicht nur der Wärmeübergang zwischen dem Arbeits- und dem Wärmeträgermedium, sondern auch die Verdichtung des Arbeitsmediums beim Strömen weg von der Rotationsachse und die Entspannung des Arbeitsmediums beim Strömen hin zur Rotationsachse in den Strömungskanälen des Rotorelements durchgeführt. Dadurch kann ein Rotor, insbesondere eine Rotationswärmepumpe oder eine Wärme-Kraft-Maschine zur Bereitstellung von elektrischem Strom aus einem Wärmefluss, geschaffen werden, bei welchem die wesentlichen Prozessschritte in das Innere des Pakets aus den ersten und den zweiten Rotorplatten integriert werden. Durch diese Bauweise wird eine besonders günstige Rotordynamik erreicht. Als vorteilhaft hat sich insbesondere herausgestellt, dass sich die ersten und die zweiten Rotorplatten quasi nicht gegeneinander verschieben können, so dass die Zahl von Wuchtungsläufen wesentlich reduziert oder Wuchtungsläufe ganz vermieden werden können. Weiters kann das Rotorelement aus den ersten und den zweiten Rotorelementen in unterschiedlichen Ausführungen, insbesondere auch mit geringeren Abmessungen, realisiert werden. Das bringt den Vorteil mit sich, dass die Fertigung vereinfacht werden kann und eine schwächer dimensionierte Antriebsmaschine verwendet werden kann. Gegenüber den diskreten Wärmetauschern beim Stand der Technik können zudem die zur Verfügung stehenden Wärmetauscherflächen im Betrieb des Rotors gesteigert werden. Durch die integrale Ausbildung des Rotorelements kann zudem die Zahl der Dichtstellen wesentlich reduziert werden.
  • Für die Zwecke dieser Offenbarung beziehen sich die Orts- und Richtungsangaben auf den bestimmungsgemäßen Gebrauchszustand des Rotors, wobei sich "radial", "axial" und "in Umfangsrichtung" auf die Rotationsachse beziehen. In Bezug auf die Strömung des Arbeits- oder Wärmeträgermediums bedeutet "innen" näher an der Rotationsachse des Rotors und "außen" weiter von der Rotationsachse entfernt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Haupterstreckungsebenen der ersten und der zweiten Rotorplatten, d.h. ihre Plattenebenen, in denen die ersten und die zweiten Rotorplatten jeweils ihre größte Ausdehnung haben, jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse angeordnet. Bevorzugt durchsetzt die Rotationsachse die Zentren jeweils der ersten und der zweiten Rotationsachse. Weiters ist es günstig, wenn die ersten und die zweiten Rotorplatten, mit Blick in Richtung der Rotationsachse, im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet sind.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten Rotorplatten jeweils zumindest einen der Verdichtungskanäle, zumindest einen der Entspannungskanäle und zumindest einen der ersten Wärmeübertragungskanäle für das Arbeitsmedium und die Anzahl von zweiten Rotorplatten jeweils zumindest einen der zweiten Wärmeübertragungskanäle für das Wärmeträgermedium auf.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten Rotorplatten jeweils zumindest einen Strömungskanal für das Arbeitsmedium auf, wobei der zumindest eine Strömungskanal an einem ersten Ende eine Eintrittsöffnung für das Arbeitsmedium und an einem zweiten Ende eine Austrittsöffnung für das Arbeitsmedium aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Strömungskanal einen vorzugsweise im Wesentlichen radial nach außen verlaufenden Strömungskanalabschnitt zur Ausbildung eines der Verdichtungskanäle und/oder einen vorzugsweise im Wesentlichen radial nach innen verlaufenden Strömungskanalabschnitt zur Ausbildung eines der Entspannungskanäle und/oder einen vorzugsweise im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitt zur Ausbildung eines der ersten Wärmeübertragungskanäle auf. Somit kann das Arbeitsmedium über die Eintrittsöffnungen auf die Strömungskanäle innerhalb der ersten Rotorplatten verteilt werden. Anschließend strömt das Arbeitsmedium entlang der Strömungskanäle zu den Austrittsöffnungen, an denen das Arbeitsmedium aus dem Rotorelement herausgeführt wird. In dem nach außen führenden Strömungskanalabschnitt kann das Arbeitsmedium durch die Wirkung der Zentrifugalbeschleunigung im rotierenden Zustand des Rotors verdichtet werden. In dem nach innen führenden Strömungskanalabschnitt kann das Arbeitsmedium, ebenfalls aufgrund der Zentrifugalkraft, entspannt werden. In dem im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalquerschnitt kann Wärme zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeträgermedium übertragen werden. Die einzelnen Strömungskanalabschnitte hängen zusammen, so dass das Arbeitsmedium den Strömungskanal innerhalb der ersten Rotorplatte von der Eintritts- bis zur Austrittsöffnung durchströmen kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Eintrittsöffnungen und/oder die Austrittsöffnungen der ersten Rotorplatten jeweils fluchtend, d.h. in einer Linie parallel zur Rotationsachse, angeordnet. Bevorzugt sind die Eintrittsöffnungen und/oder die Austrittsöffnungen jeweils, in Richtung parallel zur Rotationsachse betrachtet, deckungsgleich.
  • Um die Durchleitung des Arbeitsmediums durch die zweiten Rotorplatten zu ermöglichen, weisen die zweiten Rotorplatten bei dieser Ausführungsform bevorzugt jeweils fluchtend mit den Eintrittsöffnungen bzw. fluchtend mit den Austrittsöffnungen angeordnete Durchgangsöffnungen auf. Somit kann das Arbeitsmedium auf der einen Seite des Rotorelements zugeführt und über die Eintrittsöffnungen auf die ersten Rotorplatten verteilt werden, wobei dazwischen angeordnete zweite Rotorplatten über die Durchgangsöffnungen passiert werden.
  • Um die Zahl der Anschlüsse möglichst gering zu halten, sind die Austrittsöffnungen bei einer bevorzugten Ausführungsform in von der Rotationsachse durchsetzten Zentralbereichen der ersten Rotorplatten angeordnet. Bevorzugt geht die Rotationsachse durch die Mittelpunkte der Austrittsöffnungen. Das Arbeitsmedium kann entlang der Strömungskanäle zu den Austrittsöffnungen in den Zentralbereichen der ersten Rotorplatten geführt und über die, bevorzugt fluchtend angeordneten, Austrittsöffnungen aus den ersten Rotorplatten abgeleitet werden. Vorteilhafterweise können sich mehrere Strömungskanäle der ersten Rotorplatte dieselbe Austrittsöffnung im Zentralbereich teilen.
  • Zur Aufrechterhaltung der Strömung des Arbeitsmediums ist bevorzugt ein Ventilator vorgesehen. Der Ventilator ist bevorzugt in axialer Richtung außerhalb des Rotorelements aus den ersten und den zweiten Rotorplatten angeordnet. Mit Hilfe des Ventilators kann eine Kreisströmung des Arbeitsmediums vom Ventilator über die Eintrittsöffnungen durch die Strömungskanäle innerhalb des Rotorelements, über die Austrittsöffnungen zurück zum Ventilator und schließlich wieder zu den Eintrittsöffnungen in die Strömungskanäle innerhalb des Rotorelements bewirkt werden. Somit kann das Arbeitsmedium einen Kreisprozess durchlaufen. Je nach Anordnung der Strömungskanäle in den ersten Rotorplatten können verschiedene Arten von Kreisprozessen erzielt werden, beispielsweise ein Joule-Prozess mit im Wesentlichen isobarer Wärmeübertragung.
  • Je nach Ausführung kann der Ventilator mit einem Ventilatorantrieb verbunden sein, mit welchem ein Schaufelrad des Ventilators in Drehbewegung versetzt werden kann. Mit dem Ventilatorantrieb kann das Schaufelrad relativ zum Rotorelement gedreht werden, welches bevorzugt mit einem vom Ventilatorantrieb verschiedenen Motor in Rotation versetzt wird.
  • Zur Erzielung der Kreisströmung des Arbeitsmediums können die Eintrittsöffnungen der ersten Rotorplatten mit einem Ausgang des Ventilators und/oder die Austrittsöffnungen der ersten Rotorplatten mit einem Eingang des Ventilators verbunden sein.
  • Um den Wärmeübergang zwischen dem Arbeits- und dem Wärmeträgermedium zu verbessern, weisen die ersten Rotorplatten bei einer bevorzugten Ausführungsform jeweils mehrere Strömungskanäle jeweils mit zumindest einem vorzugsweise im Wesentlichen radial nach außen verlaufenden Strömungskanalabschnitt und/oder mit zumindest einem vorzugsweise im Wesentlichen radial nach innen verlaufenden Strömungskanalabschnitt und/oder mit zumindest einem vorzugsweise im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitt auf. Somit können an den ersten Rotorplatten jeweils mehrere Strömungskanäle ausgebildet sein, welche parallel von dem Arbeitsmedium durchströmt werden können. Die Strömungskanäle können über die Fläche der ersten Rotorplatte verteilt sein. Bevorzugt sind mehr als drei, insbesondere mehr als sechs, beispielsweise zwölf, Strömungskanäle an unterschiedlichen Winkelpositionen pro erster Rotorplatte vorgesehen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Strömungskanäle der ersten Rotorplatten jeweils zur Ausbildung mehrerer erster Wärmeübertragungskanäle jeweils mehrere vorzugsweise im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskanalabschnitte in unterschiedlichen Radialabständen zur Rotationsachse auf. Die in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitte sind bevorzugt in Schleifen angeordnet. Bevorzugt sind mehrere innere, beispielsweise S-förmige, Schleifen zum Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgermedium in inneren Schleifen eines der zweiten Wärmeübertragungskanäle einer der zweiten Rotorplatten und/oder mehrere äußere, beispielsweise S-förmige, Schleifen zum Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgermedium in äußeren Schleifen eines der zweiten Wärmeübertragungskanäle einer der zweiten Rotorplatten vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform kann eine Zwischenverdichtung bzw. -entspannung während des Wärmeaustauschs mit dem Wärmeträgermedium bewirkt werden. Damit kann erreicht werden, dass die Temperatur nach einer Wärmeübertragung wieder angehoben wird, um entweder bei im Wesentlichen konstanter Temperatur die Wärme zu übertragen oder um die Effizienz zu steigern, wenn eine Anwendung mit geringer Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt des Wärmeträgermediums vorgesehen ist.
  • Um die notwendigen Anschlüsse für das Arbeitsmedium zu reduzieren, sind bei einer bevorzugten Ausführungsform zwei benachbarte Strömungskanäle der ersten Rotorplatten bezüglich einer in axialer und radialer Richtung aufgespannten Symmetrieebene gespiegelt angeordnet, wobei sich die zwei benachbarten Strömungskanäle eine gemeinsame Eintritts- und eine gemeinsame Austrittsöffnung für das Arbeitsmedium teilen. Wenn beispielsweise 12 Strömungskanäle an unterschiedlichen Winkelpositionen pro erster Rotorplatte vorgesehen sind, werden bei dieser Ausführungsform lediglich sechs Anschlüsse für den Eintritt des Arbeitsmediums benötigt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die zweiten Rotorplatten jeweils zumindest einen inneren Strömungskanal und zumindest einen äußeren Strömungskanal jeweils zur Ausbildung eines der zweiten Wärmeübertragungskanäle auf, wobei der äußere Strömungskanal in radialer Richtung weiter außen als der innere Strömungskanal angeordnet ist. Bei einer Anwendung als Rotationswärmepumpe kann der äußere Strömungskanal als äußerer Wärmetauscher ausgebildet sein, bei dem das Wärmeträgermedium, hier das Senkenmedium, Wärme vom Arbeitsmedium aufnimmt. Der innere Strömungskanal kann als innerer Wärmetauscher ausgebildet sein, bei dem das Wärmeträgermedium, hier das Quellenmedium, Wärme an das Arbeitsmedium abgibt. Alternativ kann der Rotor als Wärme-Kraft-Maschine ausgebildet sein.
  • Be einer weiteren Ausführungsform weisen die ersten Rotorplatten die zweiten Wärmeübertragungskanäle für das Wärmeträgermedium auf. Bei dieser Ausführung können die zweiten Rotorplatten als Trennplatten für die ersten Rotorplatten ausgeführt sein, wobei die zweiten Trennplatten bevorzugt frei von Strömungskanälen sowohl für das Arbeitsmedium als auch für das Wärmeträgermedium sind.
  • Zur integralen Ausbildung der einzelnen Strömungskanäle ist es günstig, wenn die Verdichtungskanäle, die Entspannungskanäle und die ersten Wärmeübertragungskanäle für das Arbeitsmedium als Vertiefungen ausgehend von vorzugsweise im Wesentlichen planen ersten Außenflächen der ersten Rotorplatten ausgebildet sind, wobei die zweiten Wärmeübertragungskanäle für das Wärmeträgermedium
    1. i. als Vertiefungen ausgehend von vorzugsweise im Wesentlichen planen Außenflächen der zweiten Rotorplatten oder
    2. ii. als Vertiefungen ausgehend von vorzugsweise im Wesentlichen planen zweiten Außenflächen der ersten Rotorplatten ausgebildet sind. Die ersten und die zweiten Rotorplatten weisen parallel zu ihren Haupterstreckungsebenen vorzugsweise im Wesentlichen plane Außenflächen auf. In der ersten Ausführungsvariante strömt das Arbeitsmedium in den Vertiefungen der ersten Rotorplatten, wobei das Wärmeträgermedium in den Vertiefungen der zweiten Rotorplatten strömt. Durch die Verbindung der ersten und zweiten Rotorplatten entlang ihrer Haupterstreckungsflächen bilden die Vertiefungen der ersten Rotorplatte mit den benachbarten Außenflächen der zweiten Rotorplatten im Querschnitt geschlossene Strömungskanäle. In der zweiten Ausführungsvariante strömen das Arbeitsmedium und das Wärmeträgermedium jeweils in voneinander getrennten Vertiefungen der ersten Rotorplatten, welche an den gegenüberliegenden ersten und zweiten Außenflächen der ersten Rotorplatten ausgebildet sind. Diese Vertiefungen bilden mit den angrenzenden Außenflächen der zweiten Rotorplatten im Querschnitt geschlossene Strömungskanäle für das Arbeitsmedium und das Wärmeträgermedium.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Rotorplatten und die zweiten Rotorplatten über Diffusionsverbindungen, d.h. durch Diffusion-Bonding, miteinander verbunden.
  • Je nach Ausführung sind bevorzugt zumindest 50, insbesondere zumindest 200, beispielsweise von 300 bis 800, erste Rotorplatten und/oder zumindest 50, insbesondere zumindest 200, beispielsweise von 300 bis 800, zweite Rotorplatten vorgesehen. Die ersten und/oder die zweiten Rotorplatten können eine Wandstärke, d.h. eine Erstreckung senkrecht zur Haupterstreckungs- bzw. Plattenebene von der einen zur anderen Außenfläche, von 0,2 mm bis 5 mm, insbesondere von 0,5 mm bis 4 mm, beispielsweise von 2 mm bis 3 mm aufweisen. Die Strömungskanäle können eine Breite, d.h. eine Erstreckung an der Außenfläche der jeweiligen ersten bzw. zweiten Rotorplatte quer zur Strömungsrichtung, von 0,5 mm bis 5 mm, insbesondere von 1 mm bis 3 mm, aufweisen. Die Tiefe der Strömungskanäle, d.h. ihre Erstreckung senkrecht zur Haupterstreckungsebene an der tiefsten Stelle, kann von 0,2 mm bis 3 mm, insbesondere von 1 mm bis 2 mm, betragen.
  • Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante sind die ersten und die zweiten Rotorplatten in Draufsicht, d.h. mit Blick in axialer Richtung, jeweils kreisförmig. Bei dieser Ausführungsvariante können die Wärmeübertragungsflächen bei einer vorgegebenen Länge, d.h. axialen Erstreckung, des Rotorelements aus den ersten und den zweiten Rotorplatten optimiert werden.
  • Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante sind die ersten und die zweiten Rotorplatten mit Blick in Richtung der Rotationsachse jeweils unrund, d.h. nicht kreisförmig, insbesondere im Wesentlichen rechteckig. Diese Ausführung kann bei einer Herstellung des Rotorelements durch Diffusion-Bonding der ersten und zweiten Rotorplatten günstig sein, da beim Diffusion-Bonding rechteckige Vakuumpressen eingesetzt werden können. Vorteilhafterweise kann so der Herstellungsprozess optimiert werden; zudem können größere radiale Erstreckungen erzielt werden.
  • Zur Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeträgermedium sind bevorzugt abwechselnd eine der ersten Rotorplatten und eine der zweiten Rotorplatten angeordnet. Wenn das Arbeitsmedium in den ersten Rotorplatten und das Wärmeträgermedium in den zweiten Rotorplatten geführt wird, verlaufen die ersten Wärmeübertragungskanäle der ersten Rotorplatten und die zweiten Wärmeübertragungskanäle der zweiten Rotorplatten im Wesentlichen in denselben Radialabständen und entlang derselben Abschnitte in Umfangsrichtung, d.h. nebeneinander. Wenn das Arbeitsmedium und das Wärmeträgermedium in den ersten Rotorplatten geführt werden, verlaufen die ersten Wärmeübertragungskanäle und die zweiten Wärmeübertragungskanäle im Wesentlichen in denselben Radialabständen und entlang derselben Abschnitte in Umfangsrichtung gegenüberliegend an den ersten Rotorplatten.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten Rotorplatten und/oder die zweiten Rotorplatten jeweils zumindest eine Aussparung auf. Hiermit kann einerseits eine Gewichtsersparnis erzielt werden. Zudem kann eine Isolation in Bereichen erzielt werden, in denen die nicht gewünschte Wärmeübertragung minimiert werden soll. Somit kann die Aussparung beispielsweise einen Isolationsbereich zwischen den Verdichtungs- und Expansionskanälen oder zwischen dem äußeren Wärmeübertrager, insbesondere mit vergleichsweise hoher Temperatur, und dem inneren Wärmeübertrager, insbesondere mit vergleichsweise niedriger Temperatur, ausbilden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und die zweiten Rotorplatten aus einem Material ausgewählt aus Austenit, Duplexstahl, Kupfer, Titan und Aluminium gebildet.
  • Die Erfindung bezieht sich weiters auf ein Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen einem Arbeitsmedium, insbesondere einem Edelgas, und einem Wärmeträgermedium, insbesondere einer Flüssigkeit, mit den Schritten:
    • Vorsehen eines Rotors in einer der oben beschriebenen Ausführungsformen,
    • Zuführen des Arbeitsmedium in den Rotor,
    • Zuführen des Wärmeträgermediums in den Rotor, und
    • Rotieren des Rotors um die Drehachse Rotationsachse.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rotors, insbesondere einer Rotationswärmepumpe, weist zumindest die folgenden Schritte auf:
    • Vorsehen von ersten Rotorplatten,
    • Vorsehen von zweiten Rotorplatten,
    • Ausbilden von Verdichtungskanälen, Entspannungskanälen, ersten Wärmeübertragungskanälen für ein Arbeitsmedium und zweiten Wärmeübertragungskanälen für ein Wärmeträgermedium in den ersten und/oder in den zweiten Rotorplatten,
    • Stapeln der ersten und zweiten Rotorplatten,
    Verbinden der ersten Rotorplatten mit den zweiten Rotorplatten entlang ihrer Haupterstreckungsebenen, und
  • Drehlagerung eines aus den ersten und den zweiten Rotorplatten gebildeten Rotorelements um eine Rotationsachse.
  • Wenn die Strömungskanäle für das Arbeitsmedium in den ersten Rotorplatten und die zweiten Wärmeübertragungskanäle für das Wärmeträgermedium in den zweiten Rotorplatten ausgebildet werden sollen, weist das Verfahren zur Herstellung des Rotors, insbesondere einer Rotationswärmepumpe, bevorzugt zumindest die folgenden Schritte auf:
    • Vorsehen der ersten Rotorplatten,
    • Vorsehen der zweiten Rotorplatten,
    • Ausbilden der Verdichtungskanäle, Entspannungskanäle und ersten Wärmeübertragungskanäle für das Arbeitsmedium in den ersten Rotorplatten,
    • Ausbilden der zweiten Wärmeübertragungskanäle für das Wärmeträgermedium in den zweiten Rotorplatten,
    • Stapeln der ersten und der zweiten Rotorplatten,
    • Verbinden der ersten Rotorplatten mit den zweiten Rotorplatten entlang ihrer Haupterstreckungsebenen, und
    • Drehlagerung des aus den ersten und den zweiten Rotorplatten gebildeten Rotorelements um die Rotationsachse.
  • Wenn die Strömungskanäle für das Arbeitsmedium und die zweiten Wärmeübertragungskanäle für das Wärmeträgermedium in den ersten Rotorplatten ausgebildet werden sollen, weist das Verfahren zur Herstellung des Rotors, insbesondere einer Rotationswärmepumpe, bevorzugt zumindest die folgenden Schritte auf:
    • Vorsehen der ersten Rotorplatten,
    • Vorsehen der zweiten Rotorplatten,
    • Ausbilden der Verdichtungskanäle, der Entspannungskanäle und der ersten Wärmeübertragungskanäle für das Arbeitsmedium in den ersten Rotorplatten, vorzugsweise als Vertiefungen von ersten Außenflächen der ersten Rotorplatten,
    • Ausbilden der zweiten Wärmeübertragungskanäle für das Wärmeträgermedium in den ersten Rotorplatten, vorzugsweise als Vertiefungen von zweiten Außenflächen der ersten Rotorplatten,
    • Stapeln der ersten und der zweiten Rotorplatten,
    • Verbinden der ersten Rotorplatten mit den zweiten Rotorplatten entlang ihrer Haupterstreckungsebenen, und
    • Drehlagerung des aus den ersten und den zweiten Rotorplatten gebildeten Rotorelements um die Rotationsachse.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die ersten Rotorplatten und die zweiten Rotorplatten durch Diffusion-Bonding, insbesondere in einer Vakuumpresse, miteinander verbunden.
  • Die Verdichtungs-, die Entspannungs-, die ersten Wärmeübertragungskanäle und/oder die zweiten Wärmeübertragungskanäle werden bevorzugt durch Ätzen oder Fräsen in den ersten und/oder zweiten Rotorplatten ausgebildet.
  • Die Ausführung des Rotorelements aus den ersten und den zweiten Rotorplatten ermöglicht eine Anwendung mit hohen Drücken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Maximaldruck des Arbeitsmediums im rotierenden Zustand des Rotors innerhalb der ersten Rotorplatten zumindest 80 bar, insbesondere zumindest 120 bar, beispielsweise von 160 bar bis 240 bar. Vorteilhafterweise bewirken diese Drücke bei gleichem Massenstrom geringere Druckverluste und damit eine höhere Effizienz, welche bei einer Ausführung des Rotors als Wärmepumpe mit dem "Coefficient of Performance" (COP) bestimmt wird.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert.
    • Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor für eine Verwendung als Rotationswärmepumpe.
    • Fig. 2A, Fig. 2B und Fig. 3 zeigen Ansichten eines aus ersten und zweiten Rotorplatten gebildeten Rotorelements der Rotationswärmepumpe gemäß Fig. 1.
    • Fig. 4 bis 9 zeigen jeweils eine weitere Ausführungsform von Teilen des Rotorelements.
    • Fig. 10A zeigt eine erste rechteckige Ausführung, Fig. 10B und Fig. 10C zeigen eine zweite rechteckige Ausführung.
    • Fig. 11 und Fig. 12 zeigen eine weitere Ausführungsform des Rotorelements, bei welcher das Arbeitsmedium und das Wärmeträgermedium jeweils in Mikro-Kanälen der ersten bzw. zweiten Rotorplatten geführt wird.
    • Fig. 13 und Fig. 14 zeigen eine weitere Ausführungsform des Rotorelements, bei welcher das Arbeitsmedium und das Wärmeträgermedium in Kanälen der ersten Rotorplatten geführt werden, wobei die zweiten Rotorplatten als Trennplatten zwischen den ersten Rotorplatten angeordnet sind.
  • Fig. 1 zeigt einen Rotor 1, welcher in der dargestellten Ausführung als Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie in Wärmeenergie (und umgekehrt) ausgeführt ist. Der Rotor 1 wird insbesondere als Rotationswärmepumpe eingesetzt. Je nach Ausführung kann der Rotor 1 in einem stillstehenden Gehäuse aufgenommen sein, in welchem ein Unterdruck herrschen kann. Der Rotor 1 weist eine, im Betriebszustand bevorzugt horizontale, Rotationsachse 2 auf, um welche der Rotor 1 mit Hilfe eines Motors 37 rotiert wird. Zur Ausbildung der Rotationsachse 2 weist der Rotor 1 zwei Drehlagerungen 3 auf. Der Rotor 1 weist ein in Fig. 1 nur symbolisch dargestelltes Rotorelement 4 auf, welches auf der einen Seite mit Anschlüssen 5 für ein Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, und auf der anderen Seite mit Anschlüssen 6 für ein Arbeitsmedium, beispielsweise ein Edelgas, verbunden ist. Weiters ist ein Ventilator 7 für die Aufrechterhaltung einer Kreisströmung des Arbeitsmediums vorgesehen. Der Ventilator 7 ist mit einem Ventilatorantrieb 8 verbunden, um ein Schaufelrad des Ventilators 7 relativ zum mit dem Motor 37 in Rotation versetzten Rotorelement 4 zu rotieren. Weiters sind in Fig. 1 Drehdurchführungen 9 für die (Wasser-)Anschlüsse 5 ersichtlich.
  • Fig. 2A, Fig. 2B und Fig. 3 zeigen schematisch eine Ausführungsform des Rotorelements 4, welches aus einer Vielzahl von ersten Rotorplatten 10 und zweiten Rotorplatten 11 aufgebaut ist. Der besseren Übersicht halber sind in Fig. 2 nur zwei erste Rotorplatten 10 und zwei zweite Rotorplatten 11 gezeigt. In Fig. 3 ist die Strömung des Arbeitsmediums mit durchgezogenen Linien und die Strömung des Wärmeträgermediums mit strichlierten Linien veranschaulicht. Die ersten Rotorplatten 10 und die zweiten Rotorplatten 11 sind an ihren Außenflächen parallel zu ihren (im Betrieb vertikal ausgerichteten) Haupterstreckungs- bzw. Plattenebenen miteinander verbunden. Die ersten 10 und die zweiten Rotorplatten 11 wechseln einander in axialer Richtung gesehen ab. Bei dieser Ausführungsform weisen die ersten Rotorplatten 10 jeweils mehrere Strömungskanäle 12 auf, welche von dem Arbeitsmedium durchströmt werden. Das Arbeitsmedium strömt über eine Eintrittsöffnung 13 in einen Anfangsabschnitt des Strömungskanals 12 ein und über eine Austrittsöffnung 14 aus einem Endabschnitt des Strömungskanals 12 aus. In der gezeigten Ausführung sind mehrere benachbart, parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle 12 pro Eintrittsöffnung 13 vorgesehen, vgl. das in Fig. 2A mit einem Kreis hervorgehobene Detail B der Fig. 2B. Die Eintrittsöffnungen 13 sind mit einem Ausgang des Ventilators 7 verbunden. Die Austrittsöffnungen 14 sind mit einem Eingang des Ventilators 7 verbunden. Im gezeigten Beispiel sind die Austrittsöffnungen 14 in den von der Rotationsachse 2 durchsetzten Zentralbereichen der ersten Rotorplatten 10 angeordnet. Der Strömungskanal 12 weist zur Ausbildung eines Verdichtungskanals 15 einen im Wesentlichen radial nach außen führenden Strömungskanalabschnitt 16 auf, in welchem das Arbeitsmedium zur Druckerhöhung aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung von der Rotationsachse 2 weggeführt wird. An den im Wesentlichen radial nach außen führenden Strömungskanalabschnitt 16 schließt zumindest ein im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufender Strömungskanalabschnitt 17 an, mit welchem ein erster Wärmeübertragungskanal 18 für den Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgermedium ausgebildet wird. An den umfangseitigen Strömungskanalabschnitt 17 schließt ein im Wesentlichen radial nach innen führender Strömungskanalabschnitt 19 an, welcher als Entspannungskanal 20 eine Druckverringerung des Arbeitsmediums aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung bewirkt. An den im Wesentlichen radial nach innen führenden Strömungskanalabschnitt 19 schließt zumindest ein weiterer im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufender Strömungskanalabschnitt 21 an, welcher als weiterer erster Wärmeübertragungskanal 18 für den Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgermedium ausgebildet ist. Die Eintrittsöffnungen 13 und die Austrittsöffnungen 14 der ersten Rotorplatten 10 sind jeweils fluchtend angeordnet. Die zweiten Rotorplatten 11 weisen entsprechende Durchgangsöffnungen 32 zur Durchleitung des Arbeitsmediums auf.
  • Bei dieser Ausführungsform weisen die zweiten Rotorplatten 11 jeweils zweite Wärmeübertragungskanäle 22 auf, welche von dem Wärmeträgermedium durchströmt werden. Als zweite Wärmeübertragungskanäle 22 weisen die zweiten Rotorplatten 11 jeweils zumindest einen inneren Strömungskanal 23 mit zumindest einem in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt 24 zur Ausbildung eines inneren Wärmetauschers und zumindest einen äußeren Strömungskanal 25 mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt 26 zur Ausbildung eines äußeren Wärmetauschers auf. Der äußere Strömungskanal 25 ist in radialer Richtung gesehen weiter außen als der innere Strömungskanal 23 angeordnet. Der in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitt 24 des inneren Wärmetauschers der zweiten Rotorplatte 11 verläuft neben dem in Umfangsrichtung verlaufendem Strömungskanalabschnitt 21 der ersten Rotorplatte 10. Der in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitt 26 des äußeren Wärmetauschers der zweiten Rotorplatte 11 verläuft neben dem in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitt 17 der ersten Rotorplatte 10. Der innere Strömungskanal 23 der zweiten Rotorplatte 11 weist eine Eingangsöffnung 27 zum Eintritt des Wärmeträgermediums und eine Ausgangsöffnung 28 zum Austritt des Wärmeträgermediums auf. Entsprechend weist der äußere Strömungskanal 25 eine weitere Eingangsöffnung 29 zum Eintritt des Wärmeträgermediums und eine weitere Ausgangsöffnung 30 zum Austritt des Wärmeträgermediums auf. Die Eingangsöffnungen 27, die Ausgangsöffnungen 28, die weiteren Eingangsöffnungen 29 und die weiteren Ausgangsöffnungen 30 sind jeweils fluchtend angeordnet. Die ersten Rotorplatten 10 weisen entsprechende Durchtrittsöffnungen 31 zur Durchleitung des Wärmeträgermediums auf.
  • In der Ausführungsform der Fig. 2A, Fig. 2B und Fig. 3 sind die ersten 10 und die zweiten Rotorplatten 11 in Blickrichtung der Rotationsachse 2 kreisförmig. Jede der ersten Rotorplatten 10 weist mehrere, beispielsweise 12, Strömungskanäle 12 auf, welche ident ausgebildet und an unterschiedlichen Winkelpositionen über die ersten Rotorplatten 10 verteilt sind. Wie oben erwähnt, kann zudem an jeder Winkelposition eine Mehrzahl von Strömungskanälen 12 vorgesehen sein, welche sich nebeneinander von der Eintrittsöffnung 13 zur Austrittsöffnung 14 erstrecken. In der gezeigten Ausführungsform weisen die Strömungskanäle 12 jeweils in einem radial inneren Bereich der ersten Rotorplatte 10 mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskanalabschnitte 21 und in einem radial äußeren Bereich der ersten Rotorplatte 10 mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskanalabschnitte 17 auf, welche jeweils in Schleifen in unterschiedlichen Radien R1, R2, R3 zur Rotationsachse 2 angeordnet sind. Entsprechend weisen die zweiten Rotorplatten 11 mehrere, beispielsweise 12, innere Strömungskanäle 23 und mehrere, beispielsweise 12, äußere Strömungskanäle 24 auf. In der gezeigten Ausführung weisen die inneren Strömungskanäle 23 der zweiten Rotorplatten 11 jeweils mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte 24 als innerer Wärmetauscher und mehrere in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte 26 als äußerer Wärmetauscher auf, welche neben den in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitte 21 im radial inneren Bereich der ersten Rotorplatte 10 bzw. neben den in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitten 17 im radial äußeren Bereich der ersten Rotorplatte 10 verlaufen. Bei der Ausführungsform der Fig. 2A, 2B und Fig. 3 wird das Arbeitsmedium während der Wärmeübertragung verdichtet oder entspannt.
  • In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform, beispielhaft anhand einer der ersten Rotorplatten 10, gezeigt, bei welcher jeweils zwei benachbarte Strömungskanäle 12 bezüglich einer in axialer und radialer Richtung aufgespannten Symmetrieebene S gespiegelt angeordnet sind. Die zwei benachbarten Strömungskanäle 12 teilen sich jeweils eine gemeinsame Eintrittsöffnung 13 und eine gemeinsame Austrittsöffnung 14 für das Arbeitsmedium. Die Strömungskanäle der zweiten Rotorplatten 11 verlaufen bei dieser Ausführungsform im Bereich der Wärmeübertragungskanäle kongruent mit den Strömungskanälen 12 der ersten Rotorplatten 10 und werden bevorzugt im Gegenstrom durchströmt.
  • In Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 ist jeweils eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei welcher das Arbeitsmedium während der Wärmeübertragung verdichtet bzw. entspannt wird.
  • Gemäß Fig. 5 wird während der äußeren Wärmeübertragung das Arbeitsmedium verdichtet, vorzugsweise um bei niedrigen Spreizungen oder bei im Wesentlichen konstanter Temperatur des Wärmeübertragungsmediums auf der Senkenseite niedrige Temperaturdifferenzen zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeträgermedium der Senkenseite zu erzielen. Weiters wird während der inneren Wärmeübertragung das Arbeitsmedium expandiert, um bei niedrigen Spreizungen oder bei im Wesentlichen konstanter Temperatur des Wärmeträgermediums auf der Quellenseite wiederum eine niedrige Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsmedium und dem Wärmeträgermedium der Quellenseite zu erzielen. Niedrige Temperaturdifferenzen zwischen Arbeitsmedium und dem jeweiligen Wärmeträgermedium führen zu niedrigen Exergieverlusten und einem hohen Wirkungsgrad (COP) der gesamten Anlage. Voraussetzung ist, dass das jeweilige Wärmeträgermedium mit dem Arbeitsmedium im Gegenstromprinzip durch die Kanäle geführt wird.
  • Gemäß Fig. 6 wird während der äußeren Wärmeübertragung das Arbeitsmedium verdichtet, vorzugsweise um bei niedrigen Spreizungen oder bei im Wesentlichen konstanter Temperatur des Wärmeübertragungsmediums auf der Senkenseite niedrige Temperaturdifferenzen zwischen Arbeitsmedium und dem Wärmeträgermedium der Senkenseite zu erzielen. Weiters wird auch während der inneren Wärmeübertragung das Arbeitsmedium verdichtet, um bei hohen Spreizungen des Wärmeträgermediums auf der Quellenseite wiederum eine niedrige Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsmedium und dem Wärmeträgermedium der Quellenseite zu erzielen. Das jeweilige Wärmeträgermedium und das Arbeitsmedium werden im Gegenstromprinzip durch die Kanäle geführt.
  • Gemäß Fig. 7 wird während der äußeren Wärmeübertragung das Arbeitsmedium expandiert, um bei hohen Spreizungen des Wärmeübertragungsmediums auf der Senkenseite niedrige Temperaturdifferenzen zwischen Arbeitsmedium und dem Wärmeträgermedium der Senkenseite zu erzielen. Weiters wird während der inneren Wärmeübertragung das Arbeitsmedium verdichtet, um bei hohen Spreizungen des Wärmeträgermediums auf der Quellenseite wiederum eine niedrige Temperaturdifferenz zwischen Arbeitsmedium und dem Wärmeträgermedium der Quellenseite zu erzielen. Das jeweilige Wärmeträgermedium und das Arbeitsmedium werden im Gegenstromprinzip durch die Kanäle geführt.
  • In Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei welcher keine Zwischenverdichtung bzw. Zwischenexpansion des Arbeitsmediums stattfindet. Zu diesem Zweck durchströmt das Arbeitsmedium im radial inneren Bereich der ersten Rotorplatte 10 pro Strömungskanal 12 nur einen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitt 21, d.h. nicht wie bei Fig. 2A, Fig. 2B und Fig. 3 mehrere in Schleifen miteinander verbundene Strömungsabschnitte 21. Entsprechend durchströmt das Arbeitsmedium im radial äußeren Bereich der ersten Rotorplatte 10 pro Strömungskanal 12 nur einen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitt 17, d.h. nicht wie bei Fig. 2A, Fig. 2B und Fig. 3 mehrere in Schleifen miteinander verbundene Strömungskanalabschnitte 17.
  • In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei welcher die ersten Rotorplatten 10 und/oder die zweiten Rotorplatten 11 jeweils zumindest eine Aussparung 33 aufweisen. Die Aussparungen 33 können so angeordnet sein, dass eine Wärmeübertragung zwischen den Strömungen des Arbeitsmediums in Strömungskanälen 12 an unterschiedlichen Winkelpositionen der jeweiligen ersten Rotorplatte 10 reduziert, insbesondere im Wesentlichen unterbunden, wird. Weiters kann mit den Aussparungen 33 die Wärmeübertragung der Wärmeträgermedien in den Strömungskanälen der zweiten Rotorplatten 11 an benachbarten Kanälen reduziert, insbesondere im Wesentlichen unterbunden, werden. Weiters können die Aussparungen 33 so angeordnet sein, dass die Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmeträgermedium im Wesentlichen nur an jenen Stellen erfolgen kann, bei welchen die Wärmeübertragung gewünscht ist.
  • Fig. 10A zeigt eine erste Ausführungsvariante, bei welcher die ersten 10 und die zweiten Rotorplatten 11 in Blickrichtung der Rotationsachse 2 gesehen unrund, hier im Wesentlichen rechteckig, sind. In der gezeigten Ausführung sind die zwei kürzeren Seiten der ersten 10 bzw. zweiten Rotorplatten 11 gebogen und die zwei längeren Seiten der ersten 10 bzw. zweiten Rotorplatten 11 gerade ausgeführt.
  • Fig 10B und Fig. 10C zeigen eine weitere im Wesentlichen rechteckige Ausführung des Rotorelements. In Fig. 10B ist eine der ersten Rotorplatten 10 dargestellt, wobei die Kanäle der benachbarten zweiten Rotorplatte 11 strichliert eingezeichnet sind. In Fig. 10C ist die zweite Rotorplatte 11 dargestellt. Mit dieser Ausführung ergeben sich die folgenden Unterschiede zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Wie aus Fig. 10B ersichtlich, weist die erste Rotorplatte 10 bei dieser Ausführungsform mehrere, bevorzugt zwischen 10 und 200, vorzugsweise im Wesentlichen parallel verlaufende Strömungskanäle 12 für das Arbeitsmedium auf, welche sich zwischen den Eintrittsöffnungen 13 und zumindest einer Austrittsöffnung 14, hier einer gemeinsamen Austrittsöffnung 14, erstrecken. Der besseren Übersicht halber sind in Fig. 10B sieben Strömungskanäle 12 pro Viertel der ersten Rotorplatte 10, d.h. insgesamt 28 Strömungskanäle 12, dargestellt. Die Strömungskanäle 12 weisen jeweils einen der weg von der Rotationsachse 2 nach außen führenden Verdichtungskanäle 15, einen äußeren der ersten Wärmeübertragungskanäle 18, einen Entspannungskanal 20 und einen inneren der ersten Wärmeübertragungskanäle 18 auf. Die ersten Wärmeübertragungskanäle 18 zur Ausbildung des äußeren Wärmetauschers und die ersten Wärmeübertragungskanäle 18 zur Ausbildung des inneren Wärmetauschers sind jeweils in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 2 angeordnet. Die ersten Wärmeübertragungskanäle 18 außen sind jeweils mit den entsprechenden ersten Wärmeübertragungskanälen 18 innen verbunden, so dass die Differenzen der Abstände von der Rotationsachse 2 im Wesentlichen dieselben sind. Somit ist beispielsweise der innerste Kanal der parallelen, im Wesentlichen in Umfangsrichtung führenden ersten Wärmeübertragungskanäle 18 der inneren Wärmeübertragung auch mit dem innersten Kanal der parallelen, im Wesentlichen in Umfangsrichtung führenden ersten Wärmeübertragungskanäle 18 der äußeren Wärmeübertragung verbunden. Die beiden Radien der verbundenen inneren und äußeren Wärmeübertragungskanäle 18 sind darauf ausgelegt, dass die Temperaturdifferenz zwischen den inneren und äußeren Wärmeübertragungskanälen in allen parallel verlaufenden Kanälen im Wesentlichen gleich ist. Dies ermöglicht im Wesentlichen gleiche Temperaturverläufe sowie konstante Wärmeübertagungsleistungen in allen parallelen Wärmeübertragungskanälen, wodurch die Exergieverluste gering gehalten werden sowie es zu keiner bevorzugten Strömung aufgrund erhöhter oder verringerter Druckdifferenz kommt.
  • Weiters strömt das Arbeitsmedium bei der Ausführungsform der Fig. 10B, 10C im Bereich der Wärmeübertragung quer zum Wärmeträgermedium, wobei dennoch niedrige Temperaturdifferenzen (und damit niedrige Exergieverluste) auftreten. In Fig. 10A wird dies anhand der äußeren Wärmeübertragung gezeigt, indem das Arbeitsmedium in jedem der parallel geführten Kanäle während des Wärmeaustauschs derart verdichtet wird, dass sich eine konstante Temperatur in diesem Kanal einstellt. Über die Anzahl und den Radiusunterschied im Bereich der Wärmeübertragung der parallel geführten Kanäle kann die Temperaturspreizung für das querströmende Wärmeträgermedium eingestellt werden. Durch die hohe Anzahl der parallel verlaufenden Kanäle (bei gleicher radialer Erstreckung wie bei den oben beschriebenen Ausführungen mit Schleifen) sowie durch die vergleichsweise kurze Kanallänge ist der Druckverlust im Vergleich zu den anderen Ausführungen reduziert. Derselbe Effekt kann im Bereich der inneren Wärmeübertragung erzielt werden, wenn jeder der parallel geführten inneren Kanäle während des Wärmeaustauschs mit dem Wärmeträgermedium über eine Radiusreduktion in Strömungsrichtung derart expandiert wird, dass die Temperatur innerhalb eines Kanals konstant gehalten wird.
  • In Fig. 11 und Fig. 12 ist ein Teil des Rotorelements 4 der Ausführungsform gemäß Fig. 2A, Fig. 2B und Fig. 3 in größerem Detail dargestellt. Demnach erstrecken sich nebeneinander jeweils mehrere, im gezeigten Beispiel sechs, im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskanalabschnitte 21 im radial inneren Bereich, im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskanalabschnitte 17 im radial äußeren Bereich der ersten Rotorplatten 10, im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte 24 des inneren Wärmetauschers und im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte 26 des äußeren Wärmetauschers der zweiten Rotorplatten 11. Weiters ist in den Fig. 9 und Fig. 10 eine Endplatte 34 ohne Kanäle ersichtlich.
  • Wie die Fig. 11 und Fig. 12 zeigen, sind die Strömungskanäle 12 der ersten Rotorplatten 10 und die zweiten Wärmeübertragungskanäle 22 der zweiten Rotorplatten 11 jeweils als Vertiefungen 35 ausgebildet, welche sich gegenüber den planen Außen- bzw. Verbindungsflächen 36 der ersten 10 bzw. zweiten Rotorplatten 11 einsenken. Durch das Stapeln der ersten 10 und zweiten Rotorplatten 11 bilden sich die geschlossenen Kanäle für das Arbeits- bzw. Wärmeträgermedium. Die ersten Rotorplatten 10 und die zweiten Rotorplatten 11 können über Diffusionsverbindungen miteinander verbunden sein. Diese Verbindungen werden beispielsweise in der EP 3 885 691 beschrieben.
  • In Fig. 13 und der in Fig. 13 mit einem Rechteck markierten Detailansicht der Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform des Rotors dargestellt, wobei nachstehend nur auf die Unterschiede zu den vorangehenden Ausführungen eingegangen wird. Bei der Ausführungsform der Fig. 13 und Fig. 14 weisen die ersten Rotorplatten 10 nicht nur die Verdichtungskanäle 15, die Entspannungskanäle 20 und die ersten Wärmeübertragungskanäle 18 für das Arbeitsmedium auf, sondern zudem die zweiten Wärmeübertragungskanäle 22 für das Wärmeträgermedium auf. Zu diesem Zweck weisen die ersten Rotorplatten 10 an ihren ersten Außenflächen 36A die Vertiefungen 35 zur Ausbildung der Verdichtungskanäle 15, der Entspannungskanäle 20 und der ersten Wärmeübertragungskanäle 18 für das Arbeitsmedium und an ihren zweiten Außenflächen 36B Vertiefungen 35 zur Ausbildung der zweiten Wärmeübertragungskanäle 22 für das Wärmeträgermedium auf. Die zweiten Rotorplatten 11 sind als von den Vertiefungen 35 freie Trennplatten zwischen den ersten Rotorplatten 10 angeordnet, um die Vertiefungen 35 der ersten Rotorplatten 10 im zur Ausbildung der Strömungskanäle 12 und der zweiten Wärmeübertragungskanäle 22 abzuschließen.
    • Bezugsziffernliste:
    1. 1 Rotor
    2. 2 Rotationsachse
    3. 3 Drehlagerungen
    4. 4 Rotorelement
    5. 5 Wasser-Anschlüsse
    6. 6 Gas-Anschlüsse
    7. 7 Ventilator
    8. 8 Ventilatorantrieb
    9. 9 Drehdurchführungen
    10. 10 erste Rotorplatten
    11. 11 zweite Rotorplatten
    12. 12 Strömungskanäle der ersten Rotorplatten 10
    13. 13 Eintrittsöffnungen der Strömungskanäle 12
    14. 14 Austrittsöffnungen der Strömungskanäle 12
    15. 15 Verdichtungskanal
    16. 16 radial nach außen führender Strömungskanalabschnitt
    17. 17 in Umfangsrichtung verlaufender Strömungskanalabschnitt
    18. 18 erster Wärmeübertragungskanal
    19. 19 radial nach innen führender Strömungskanalabschnitt
    20. 20 Entspannungskanal
    21. 21 in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskanalabschnitte
    22. 22 zweite Wärmeübertragungskanäle
    23. 23 innere Strömungskanäle der zweiten Rotorplatten 11
    24. 24 in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte der inneren Strömungskanäle 23
    25. 25 äußere Strömungskanäle der zweiten Rotorplatten 11
    26. 26 in Umfangsrichtung verlaufende Abschnitte der äußeren Strömungskanäle 25
    27. 27 Eingangsöffnungen
    28. 28 Ausgangsöffnungen
    29. 29 weitere Eingangsöffnungen
    30. 30 weitere Ausgangsöffnungen
    31. 31 Durchtrittsöffnungen der ersten Rotorplatten 10
    32. 32 Durchgangsöffnungen der zweiten Rotorplatten 11
    33. 33 Aussparungen
    34. 34 Endplatte
    35. 35 Vertiefungen
    36. 36 Außen bzw. Verbindungsflächen
    37. 37 Motor

Claims (15)

  1. Rotor (1), insbesondere Rotationswärmepumpe, aufweisend:
    eine Rotationsachse (2),
    eine Anzahl von Verdichtungskanälen (15), in welchen ein Arbeitsmedium, insbesondere ein Gas, bevorzugt ein Edelgas, zur Druckerhöhung aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung von der Rotationsachse (2) weggeführt wird,
    eine Anzahl von Entspannungskanälen (20), in welchen das Arbeitsmedium zur Druckverringerung aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung zur Rotationsachse (2) hin geführt wird,
    eine Anzahl von ersten Wärmeübertragungskanälen (18) für das Arbeitsmedium und
    eine Anzahl von zweiten Wärmeübertragungskanälen (22) für ein Wärmeträgermedium, insbesondere eine Flüssigkeit, so dass Wärme zwischen dem in den ersten Wärmeübertragungskanälen (18) strömenden Arbeitsmedium und dem in den zweiten Wärmeübertragungskanälen (22) strömenden Wärmeträgermedium übertragen wird,
    gekennzeichnet durch
    eine Anzahl von ersten (10) und zweiten Rotorplatten (11), welche die Verdichtungskanäle (15), die Entspannungskanäle (20), die ersten Wärmeübertragungskanäle (18) für das Arbeitsmedium und die zweiten Wärmeübertragungskanäle (22) für das Wärmeträgermedium aufweisen,
    wobei die ersten (10) und die zweiten Rotorplatten (11) entlang ihrer Haupterstreckungsebenen miteinander verbunden sind.
  2. Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Anzahl von ersten Rotorplatten (10) jeweils zumindest einen der Verdichtungskanäle (15), zumindest einen der Entspannungskanäle (20) und zumindest einen der ersten Wärmeübertragungskanäle (18) für das Arbeitsmedium und
    die Anzahl von zweiten Rotorplatten (11) jeweils zumindest einen der zweiten Wärmeübertragungskanäle (22) für das Wärmeträgermedium aufweisen.
  3. Rotor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    die ersten Rotorplatten (10) jeweils zumindest einen Strömungskanal (12)
    mit einem vorzugsweise im Wesentlichen radial nach außen verlaufenden Strömungskanalabschnitt (16) zur Ausbildung eines der Verdichtungskanäle (15) und/oder
    mit einem vorzugsweise im Wesentlichen radial nach innen verlaufenden Strömungskanalabschnitt (19) zur Ausbildung eines der Entspannungskanäle (20) und/oder
    mit einem vorzugsweise im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitt (17, 21) zur Ausbildung eines der ersten Wärmeübertragungskanäle (18) aufweisen,
    wobei der zumindest eine Strömungskanal (12) an einem ersten Ende eine Eintrittsöffnung (13) für das Arbeitsmedium und an einem zweiten Ende eine Austrittsöffnung (14) für das Arbeitsmedium aufweist.
  4. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilator (7) zur Aufrechterhaltung der Strömung des Arbeitsmediums vorgesehen ist, wobei bevorzugt die Eintrittsöffnungen (13) mit einem Ausgang des Ventilators (7) und/oder die Austrittsöffnungen (14) mit einem Eingang des Ventilators (7) verbunden sind.
  5. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rotorplatten (10) jeweils mehrere Strömungskanäle (12) jeweils mit zumindest einem vorzugsweise im Wesentlichen radial nach außen verlaufenden Strömungskanalabschnitt (16) und/oder mit zumindest einem vorzugsweise im Wesentlichen radial nach innen verlaufenden Strömungskanalabschnitt (19) und/oder mit zumindest einem vorzugsweise im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Strömungskanalabschnitt (17, 21) aufweisen.
  6. Rotor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (12) der ersten Rotorplatten (10) jeweils zur Ausbildung mehrerer erster Wärmeübertragungskanäle (10) mehrere vorzugsweise im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskanalabschnitte (17, 21) in unterschiedlichen Radialabständen zur Rotationsachse (2) aufweisen.
  7. Rotor (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Strömungskanäle (12) der ersten Rotorplatten (10) bezüglich einer in axialer und radialer Richtung aufgespannten Symmetrieebene gespiegelt angeordnet sind, wobei sich die zwei benachbarten Strömungskanäle (12) eine gemeinsame Eintritts- (13) und eine gemeinsame Austrittsöffnung (14) für das Arbeitsmedium teilen.
  8. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Rotorplatten (11) jeweils zumindest einen inneren Strömungskanal (23) und zumindest einen äußeren Strömungskanal (25) jeweils zur Ausbildung eines der zweiten Wärmeübertragungskanäle (22) aufweisen, wobei der äußere Strömungskanal (25) in radialer Richtung weiter außen als der innere Strömungskanal (23) angeordnet ist.
  9. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rotorplatten (10) die zweiten Wärmeübertragungskanäle (22) für das Wärmeträgermedium aufweisen.
  10. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungskanäle (15), die Entspannungskanäle (20) und die ersten Wärmeübertragungskanäle (18) für das Arbeitsmedium als Vertiefungen (35) ausgehend von vorzugsweise im Wesentlichen planen ersten Außenflächen (36A) der ersten Rotorplatten (10) ausgebildet sind, wobei die zweiten Wärmeübertragungskanäle (22) für das Wärmeträgermedium
    i. als Vertiefungen (35) ausgehend von vorzugsweise im Wesentlichen planen Außenflächen (36) der zweiten Rotorplatten (11) oder
    ii. als Vertiefungen (35) ausgehend von vorzugsweise im Wesentlichen planen zweiten Außenflächen (36B) der ersten Rotorplatten (10) ausgebildet sind.
  11. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rotorplatten (10) und die zweiten Rotorplatten (11) über Diffusionsverbindungen miteinander verbunden sind.
  12. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (10) und die zweiten Rotorplatten (11) jeweils im Wesentlichen kreisförmig oder unrund, insbesondere im Wesentlichen rechteckig, sind.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1), insbesondere einer Rotationswärmepumpe, mit den Schritten:
    Vorsehen von ersten Rotorplatten (10),
    Vorsehen von zweiten Rotorplatten (11),
    Ausbilden von Verdichtungskanälen (15), Entspannungskanälen (20), ersten Wärmeübertragungskanälen (18) für ein Arbeitsmedium und zweiten Wärmeübertragungskanälen (22) für ein Wärmeträgermedium in den ersten (10) und/oder in den zweiten Rotorplatten (11),
    Stapeln der ersten (10) und zweiten Rotorplatten (11), Verbinden der ersten Rotorplatten (10) mit den zweiten Rotorplatten (11) entlang ihrer Haupterstreckungsebenen, und
    Drehlagerung eines aus den ersten (10) und den zweiten Rotorplatten (11) gebildeten Rotorelements (4) um eine Rotationsachse (2).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rotorplatten (10) und die zweiten Rotorplatten (11) durch Diffusion-Bonding miteinander verbunden werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungs- (15), die Entspannungs- (20), die ersten Wärmeübertragungskanäle (18) und/oder die zweiten Wärmeübertragungskanäle (22) bevorzugt durch Ätzen oder Fräsen in den ersten und/oder in den zweiten Rotorplatten (11) ausgebildet werden.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3895491A (en) * 1973-10-11 1975-07-22 Michael Eskeli Turbine with dual rotors
US3937034A (en) * 1973-09-20 1976-02-10 Michael Eskeli Gas compressor-expander
WO2015103656A1 (de) 2014-01-09 2015-07-16 Ecop Technologies Gmbh Vorrichtung zum umwandeln thermischer energie
EP3885691A1 (de) 2018-11-22 2021-09-29 Sumitomo Precision Products Co., Ltd. Diffusionsgebundener wärmetauscher

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3937034A (en) * 1973-09-20 1976-02-10 Michael Eskeli Gas compressor-expander
US3895491A (en) * 1973-10-11 1975-07-22 Michael Eskeli Turbine with dual rotors
WO2015103656A1 (de) 2014-01-09 2015-07-16 Ecop Technologies Gmbh Vorrichtung zum umwandeln thermischer energie
EP3885691A1 (de) 2018-11-22 2021-09-29 Sumitomo Precision Products Co., Ltd. Diffusionsgebundener wärmetauscher

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