(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械エネルギーを用いて低い温度の熱エネルギーを高い温度の熱エネルギーへ変換し、また、これとは逆の変換をする装置（２０）であって、
閉じた循環プロセスを通過する作動媒体のために、回転軸（２２）の周りを回転できるように配置されたローター（２１）を有し、
前記ローター（２１）が、複数の圧縮通路（２５）を備えた圧縮ユニット（２３）と、複数の膨張通路（２６）を備えた膨張ユニット（２４）とを有し、前記圧縮通路内では、圧力を上昇させるために、作動媒体の流れが回転軸（２２）に関して半径方向外側へ向かって案内され、前記膨張通路内では、圧力を低下させるために、作動媒体の流れが回転軸（２２）に関して半径方向内側へ向かって案内され、
前記ローター（２１）が、更に、作動媒体と熱交換媒体との間で熱交換するための熱交換器（１’、１”）を有しており、更に、前記ローター（２１）に対して回転可能な羽根車（３０）を有しており、前記羽根車は、ヒートポンプ運転状態においては前記ローター（２１）の回転軸（２２）を中心とする作動媒体の流れを維持するために、また、発電機駆動状態においては作動媒体の流れエネルギーを利用するために、設けられている、
装置において、
前記羽根車（３０）が、ヒートポンプ運転状態において作動媒体の流れを供給する、前記ローター（２１）の供給導管通路（３１）と、ヒートポンプ運転状態において作動媒体の流れを排出する、少なくとも１つの排出導管通路（３２）と、の間に配置されており、前記供給導管通路（３１）からの作動媒体の個々の流れが、回転軸（２２）に対して平行に羽根車（３０）内へ案内されるように、前記供給導管通路（３１）が、前記羽根車（３０）の入口開口部（３３）のすぐ前まで回転軸（２２）に対して平行に延びる出口部分（３４）を有している、ことを特徴とする、
熱エネルギーを変換する装置（２０）。
【請求項２】
前記供給導管通路（３１）が、半径方向に延びる供給導管部分（３５）を有し、前記供給導管部分が、前記出口部分（３４）と、前記回転軸（２２）に関して内側の熱交換器（１”）と、の間に配置されている、ことを特徴とする、
請求項１に記載の装置（２０）。
【請求項３】
前記少なくとも１つの排出導管通路（３２）が、前記圧縮通路（２５）と接続されており、前記圧縮通路が、前記回転軸（２２）に関して外側の熱交換器（１'）と接続されている、ことを特徴とする、
請求項１又は２に記載の装置（２０）。
【請求項４】
前記羽根車（３０）が、半径方向において内側の熱交換器（１”）よりも前記回転軸（２２）の近傍に配置されており、前記羽根車（３０）が、前記ローター（２１）の前記回転軸（２２）を中心に同心に配置されていることが好ましい、ことを特徴とする、
請求項２又は３に記載の装置（２０）。
【請求項５】
前記供給導管通路（３１）が、前記出口部分（３４）にアーチ形状に湾曲した壁（３６）を有しており、前記壁が、前記作動媒体を、前記供給導管部分（３５）から前記出口部分（３４）内へ９０°方向変換させている、ことを特徴とする、
請求項２から４のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項６】
前記供給導管通路（３１）の前記出口部分（３４）が、前記回転軸に対して半径方向及び軸方向に延びる分離部材（３７）の間に形成されており、特に、平坦な分離壁の間に形成されている、ことを特徴とする、
請求項１から５のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項７】
前記羽根車（３０）が、多数の羽根（３８）を有し、特に、アーチ状に湾曲した羽根（３８）を有している、ことを特徴とする、
請求項１から６のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項８】
前記羽根車（３０）が、前記回転軸（２２）に面した側に、羽根（３８）のない半径方向部分（４０）を有している、ことを特徴とする、
請求項１から７のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項９】
前記羽根車（３０）が、前記作動媒体を、９０°半径方向へ方向変換するために、前記半径方向部分（４０）に、アーチ状に湾曲した方向変換壁（４１）を有している、ことを特徴とする、
請求項８に記載の装置（２０）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの排出導管通路（３２）が、半径方向に対して斜めに配置された入口部分（４２）を有しており、前記入口部分が、半径方向に延びる排出導管部分（４３）と接続されている、ことを特徴とする、
請求項１から９のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項１１】
前記羽根車（３０）が、羽根車軸（４４）を有し、前記羽根車軸（４４）が、前記ローター（２１）の前記回転軸（２２）に対して平行に回転可能であり、前記羽根車軸が、モーター又は発電機と結合されている、ことを特徴とする、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項１２】
モーターが、前記羽根車（３０）を、前記作動媒体のための前記膨張通路（２６）と前記圧縮通路（２５）とを有する前記ローター（２１）と同一の回転方向（３９、４５）に回転させるように配置されている、ことを特徴とする、
請求項９に記載の装置（２０）。
【請求項１３】
前記回転軸（２２）に関して内側の少なくとも１つの熱交換器（１”）と、前記回転軸（２２）に関して外側の少なくとも１つの熱交換器（１'）と、が設けられており、好ましくは、それぞれが、複数の内側の熱交換器（１”）と、複数の外側の熱交換器（１'）と、である、ことを特徴とする、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項１４】
前記内側の熱交換器（１”）の数が、前記外側の熱交換器（１'）の数の倍数であり、あるいは、前記外側の熱交換器（１'）の数が、前記内側の熱交換器（１”）の数の倍数である、ことを特徴とする、
請求項１３に記載の装置（２０）。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの内側の熱交換器（１”）と前記少なくとも１つの外側の熱交換器（１'）とが、前記回転軸（２２）に対して平行に延びており、前記圧縮通路（２５）及び／又は前記膨張通路（２６）が、前記内側の熱交換器（１”）と前記外側の熱交換器（１'）との間に延びている、ことを特徴とする、
請求項１３又は１４に記載の装置（２０）。
【請求項１６】
前記羽根車（３０）が、複数の羽根車段（３０’、３０"）を有しており、前記作動媒体が、前記複数の羽根車段を順番に通って流れることができる、ことを特徴とする、
請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置（２０）。
【請求項１７】
機械的なエネルギーを用いて低い温度の熱エネルギーを高い温度の熱エネルギーに変換し、また、これとは逆の変換をする方法であって、
作動媒体が、回転軸（２２）の周りを回転するローター（２１）内の閉じた循環プロセスを通過し、
作動媒体の複数の流れが、圧力を上昇させるために、回転軸（２２）に関して半径方向外側へ案内され、
作動媒体の流れが、圧力を低下させるために、回転軸に関して半径方向内側へ案内され、
作動媒体と熱交換媒体との間で熱交換が行われ、
作動媒体は、ヒートポンプ運転においてはローターの回転軸を中心とする作動媒体の流れを維持するため、及び／又は、発電機駆動においては作動媒体の流れエネルギーを利用するために、羽根車（３０）を通して案内される、
方法において、
前記作動媒体の個々の流れが、ヒートポンプ運転の状態において、前記羽根車（３０）のすぐ前まで案内され、前記回転軸に対して平行に前記羽根車（３０）内へ導入される、ことを特徴とする、
熱エネルギーを変換する方法。
【請求項１８】
前記羽根車（３０）が、膨張通路（２６）と圧縮通路（２５）とを有する前記ローター（２１）と同じ回転方向（３９、４５）に回転され、かつ、前記ローターより高い絶対回転数で回転される、ことを特徴とする、
請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的なエネルギーを用いて低い温度の熱エネルギーを高い温度の熱エネルギーへ変換し、また、その逆の変換をする装置に関するものであって、この装置が、閉じた循環プロセス（geschlossenen Kreisprozess）を通過する作動媒体用の、回転軸の周りを回転できるように配置されたローターを有し、この場合に、ローターは、複数の圧縮通路を備えた圧縮ユニットと、複数の膨張通路を備えた膨張ユニットと、を有しており、圧縮通路内では、作動媒体の流れが、圧力を上昇させるために回転軸に関して実質的に半径方向外側へ案内可能であり、膨張通路内では、作動媒体の流れが、圧力を低下させるために回転軸に関して実質的に半径方向内側へ案内可能であって、この場合に、ローターが、更に、作動媒体と熱交換媒体との間で熱を交換するための熱交換器を有しており、また、ローターに対して回転可能な羽根車を有しており、この羽根車は、ヒートポンプ運転においてはローターの回転軸を中心とする作動媒体の流れを維持するために、及び／又は、発電機駆動においては作動媒体の流れエネルギーを利用するために、設けられている。
【０００２】
更に、本発明は、機械的エネルギーを用いて低い温度の熱エネルギーを高い温度の熱エネルギーへ変換し、また、その逆に変換する方法に関するものであって、この場合に、作動媒体は、回転軸を中心に回転するローター内で閉じた循環プロセスを通過し、この場合に、作動媒体の複数の流れが圧力を上昇させるために回転軸に関して実質的に半径方向外側へ向かって案内され、また、作動媒体の複数の流れが圧力を低下させるために回転軸に関して実質的に半径方向内側へ向かって案内され、この場合に、作動媒体と熱交換媒体との間で熱交換が行われ、作動媒体は、ヒートポンプ運転においてはローターの回転軸を中心とする作動媒体の流れを維持するために、及び／又は、発電機駆動においては作動媒体の流れエネルギーを利用するために、羽根車を通して案内される。
【背景技術】
【０００３】
従来技術からは、すでに、回転するヒートポンプもしくは熱機関が知られており、これらにおいて、ガス状の作動媒体が閉じた熱力学的循環プロセス内で案内される。
【０００４】
特許文献１には、ヒートポンプが記述されており、これにおいて、作動媒体がローターの配管系内で、ａ）作動媒体を圧縮し、ｂ）熱交換器によって作動媒体から熱を引き出し、ｃ）作動媒体を膨張させ、ｄ）他の熱交換器によって作動媒体へ熱を供給する、作業ステップを有する、循環プロセスを通過する。作動媒体の圧力上昇もしくは圧力低下は、主として遠心加速によって生じ、この場合に、作動媒体は、圧縮ユニット内では回転軸に関して半径方向外側へ向かって、膨張ユニット内では半径方向内側へ向かって流れる。作動媒体から熱交換器の熱交換媒体への熱の引き出しは、回転軸に対して軸方向に延びる部分、及び／又は、回転軸に対して平行に延びる部分内で行われ、この配管系と一緒に回転する、熱交換媒体を有する熱交換器が対応づけられている。
【０００５】
更に、従来技術においては、すでに羽根車が使用されており、その羽根車は、回転駆動における作動媒体の流れを維持するために用いられる。羽根車は、一方で、相対回動不能に配置することができ、その場合に相対回動不能の配置に基づいて作動媒体を案内する配管系に対して相対運動が生じる。他方ではすでに、羽根車に、配管系に対する相対運動を発生させるためのモーターを対応づけることが、提案されている。更に、この装置において羽根車は、発電機と結合することができ、それによって発生された軸出力が羽根車の相対運動によって電気エネルギーに変換される。
【０００６】
従来技術においては、流体流を維持するための様々な羽根車が知られており、その場合にこの種の羽根車は、圧縮器、膨張タービン、又はガイドベーンとして形成することができる。従来技術において、羽根車を通過する流れのタイプによる限定として、軸方向の仕様と半径方向の仕様が知られている。対角線状に貫流される羽根車のような混合形式においては、半径方向もしくは軸方向の流れコンポーネントについてとほぼ同一の考え方が有効である。軸方向に貫流される羽根車、いわゆる軸流ファン（もしくは一般的に軸流圧縮器）あるいは軸流タービンを使用する場合には、実質的に従来の寸法設計を適用することができる。しかし、軸方向の組立形式は欠点を有し、半径方向の組立形式に比較してより小さい圧力上昇しかもたらすことができず、それによって軸方向の羽根車は、大体において多段に構成されなければならない。多段に形成する場合には、流れの方向を変えるために、羽根車の間にいわゆるガイドベーンが取り付けられる。ガイドベーンは、回転する軸流羽根の回転に伴う旋回を発生するか、流れから旋回を実質的に完全に除去するか、又は、回転方向とは反対方向の旋回を発生する。軸方向の羽根車に対して、段毎の圧力が高い利点を有し、したがって、しばしば、１段で形成することができる、半径方向の羽根車の組み込みに関しては、これまで多段の半径方向圧縮器もしくは求心タービンにおいても使用されるような変形例が利用されており、それらにおいて、羽根車は、静止したハウジング内に配置されている。
【０００７】
しかし、広範な実験において明らかにされたことは、羽根車の供給導管と排出導管がローターハウジング内に回転するように配置されている、一般的な装置では、従来技術から知られた羽根車の配置が、満足できる結果をもたらさないことである。たとえば、回転しないハウジングにおけるラジアルファンの８０％の効率は、ハウジングが回転する場合には２５％に低下することが観察された。
【０００８】
したがってローター内部の複数の作業ステップを有するプロセスの間の複雑な周辺条件をよりよく考慮することができるようにするためには、羽根車をおおいに改良しなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２００９／０１５４０２（Ａ１）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって本発明の課題は、従来技術の欠点を除去し、もしくは少なくとも著しく緩和する、冒頭に記載したような、熱エネルギーを変換するための回転する装置を提供することにある。したがって本発明は、特に、回転軸を中心とする作動媒体の流れをできるだけ少ないエネルギー損失で維持することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、羽根車は、ヒートポンプ運転において作動媒体の流れを供給するローターの供給導管通路と、ヒートポンプ運転において作動媒体の流れを排出する排出導管通路との間に配置されており、その場合に供給導管通路が、羽根車の入口開口部のすぐ前まで、回転軸に対して実質的に平行に延びる出口部分を有しているので、作動媒体の個々の流れが供給導管通路から回転軸に対して実質的に平行に羽根車内へ案内可能である。
【００１２】
それによれば、本発明は、作動媒体が羽根車内へ流入する前に個々の流れにおいて回転軸に対して平行、すなわち軸方向に案内されることによって、羽根車の効率を著しく改良することができる、という驚くべき認識に基づいている。この開示の目的のために、供給通路の出口部分が羽根車のすぐ前まで延びるということは、作動媒体の流れが供給導管通路内でまとめられず、互いに分離されて羽根車へ供給されることを、意味している。好ましくは供給導管通路の出口部分は、規則的な角度間隔かつ同一の半径方向の間隔で回転軸を中心に配置されている。したがって作動媒体の複数の軸方向の流れが羽根車内へ案内される。その後、作動媒体はローターの少なくとも１つの排出導管内へ流入する。したがって作動媒体は羽根車から直接、すなわち静止したハウジングを介在させることなく、ローター内へ案内される。したがってローターは、羽根車のための回転するハウジングを形成し、そのハウジングが羽根車を好ましくは完全に包囲する。したがって作動媒体は、ローターの内部に位置する羽根車を通して案内され、その場合に作動媒体は、従来技術とは異なり、静止したハウジング内で案内されない。それによって、作動媒体の流れエネルギーは、循環プロセスを通過する際に実質的に維持することができる。好ましくは更に、周囲に対して作動媒体を動的に密閉する必要がない。羽根車の従来の設計においては、静止したハウジングが設けられていた。それに対して本発明に係る装置においては、ローターが設けられているので、羽根車を包囲するコンポーネントが駆動中に回転する。様々な組み込み状況を考慮するために、羽根車とローターの間の相対的な回転数、すなわち絶対的なローター回転数と絶対的な羽根車回転数との間の回転数差のみを考察することは、容易に想到される。しかし、この考察が失敗に終わることは、明らかにされている。従来技術において一般的なように、作動媒体が回転する供給導管通路から羽根車内へ半径方向に供給される場合には、供給導管から半径方向に流出する際に、特にコリオリの加速によって、旋回流が生じ、その旋回流は、相対的な回転するシステムから見て流れている場合に、回転方向とは反対方向に半径方向内側へ向かって形成される。この旋回流が、流入の特性、特に速度三角形を著しく変化させ、それによって従来の方法に基づく寸法設計は成果のないものになってしまう。しかし、本発明によれば、作動媒体は、作動媒体を移送する供給導管通路から軸方向に導出される。これが好ましい結果をもたらし、コリオリ加速がほぼゼロとなり、旋回流は生じないか、もしくは生じないに等しいほど小さい。それによって羽根車内への溢流は、簡単に計算可能であり、好ましくは羽根車及び包囲するローターのハウジングの回転数にも、相対的な流れ速度にも依存しない。
【００１３】
安定した駆動を可能にするために、できる限り少ない数の半径方向の排出導管通路が羽根車に接続されていると、効果的である。接続されている半径方向の排出導管通路の数が少なくなるほど、それだけ駆動が安定する。というのは、排出導管通路の数の減少に伴って、排出導管通路の流れが途切れる確率がそれだけ少なくなるからである。したがって好ましい形態においては、羽根車につき正確に１つの排出導管通路が設けられている。したがってこの形態においては、半径方向外側へ向かって案内される各排出導管通路のために、正確に１つの羽根車が設けられており、その場合に複数の羽根車（そしてそれに応じた数の排出導管通路）を設けることができる。経済的な理由から、代替的な好ましい形態においては、羽根車が少なくとも３本の排出導管通路と接続されている。好ましくは、１つの羽根車に１２より多くの排出導管通路は接続されない。上述した形態は、羽根車から直接半径方向へ離れるように案内される排出導管通路の数のみに関する。しかし、半径方向の排出導管通路が軸から遠い領域内で、好ましくは軸方向へ方向変換した後に、複数の熱交換器通路に分割されることも、まったく可能である。
【００１４】
圧縮通路及び膨張通路を貫流する際に高い効率を有する圧力差を得るため、しかし羽根車内へ流入する前に旋回した流れの形成を確実に阻止するために、供給導管通路が実質的に半径方向に延びる供給導管部分を有し、その供給導管部分が出口部分と、回転軸に関して内側の熱交換器との間に配置されていると、効果的である。供給導管部分は、好ましくは供給導管通路の出口部分よりも長い。
【００１５】
作動媒体と熱交換媒体との間の熱交換をより高い温度において行うために、少なくとも１つの排出導管通路が圧縮通路と接続されており、その圧縮通路が回転軸に関して外側の熱交換器と接続されていると、効果的である。
【００１６】
駆動中の循環プロセスをできるかぎり少ないエネルギー消費で維持するために、羽根車が半径方向において内側の熱交換器よりも回転軸の近傍に配置されており、その場合に羽根車が好ましくはローターの回転軸を中心に同心に配置されていると、効果的である。したがってローターと羽根車の回転軸は、好ましくは整合して配置されている。それによって特に効率的な駆動方法を得ることができる。
【００１７】
供給導管通路内の作動媒体の半径方向の流れを、羽根車へ流入する前に軸方向の流れに変換するために、供給導管通路が出口部分にアーチ形状に湾曲した壁を有しており、その壁が作動媒体を供給導管部分から出口部分へ実質的に９０°方向変換させると、効果的である。出口端部に設けられた膨張通路のアーチ状の壁を通して作動媒体を連続的に軸方向の流れに方向変換することができ、その場合に作動媒体の流れは方向変換によって妨げられず、もしくは問題とならない程度に妨げられる。
【００１８】
作動媒体の流れを個々に、すなわち実質的に混合されず、もしくは互いに分離して羽根車内へ導入するために、供給導管通路の出口部分が、回転軸に対して実質的に半径方向及び軸方向に延びる分離部材、特に実質的に平坦な分離壁の間に形成されていると、効果的である。分離壁を配置することによって、特に簡単なやり方で、作動媒体の軸方向の流れは、供給導管通路の出口部分内で混合されず、また、羽根車のためのハウジングとなる回転するローターに関して実質的に旋回なしで、羽根車内へ案内することができる。
【００１９】
特に部分負荷領域内で、良好にコントロール可能にするために、羽根車の前の分離部材が変位可能であると、効果的である。それによって流入旋回を発生させることができ、その流入旋回は、分離部材を介して調節することができる。従来技術において羽根車内へ流入する際にコリオリ加速に基づいて発生する旋回とは異なり、この流入旋回は、装置を設計する際に計算し、もしくはシミュレートされる。本発明に係る装置は、通常、所定の駆動点のために設計される。その場合に特に分離部材の進入角度を次のように、すなわち相対的な回転する羽根車システムにおいて考えた場合に、流れが羽根車の羽根領域内への一定の移行、すなわち本質的な方向変化なしの流入、を有するように、寸法設計することができる。羽根車の回転数が変化する場合、及び／又は相対的な流れ速度が変化する場合、したがって設計点外の駆動の場合に、通常、流れの流入角度が変化し、それによって羽根車の羽根領域内への不定の流入が生じることになる。この効果は、設計点外の駆動における羽根車の効率を減少させる。この欠点を除去するために、設計点外の駆動のために分離部材は、作動媒体が、相対的な回転する羽根車システムに関して、羽根車の羽根領域内へ流入する際に変化せずに流入するように、調節することができる。それによって効率が向上する。羽根車は、この措置によって更に、より高い圧力とより高い最大の体積流を発生させることができ、それによって使用領域が拡張される。
【００２０】
循環プロセスを通過する際に作動媒体の流れを維持するために、羽根車が多数の、特にアーチ状に湾曲した羽根を有していると、効果的である。羽根によって作動媒体が回転軸に関して周方向に加速され、その後作動媒体が羽根車の羽根の外側のエッジの間の出口開口部を介して圧縮通路内へ案内される。
【００２１】
好ましい形態によれば、羽根車は回転軸へ向いた側に、羽根のない半径方向部分を有している。羽根車のリング状の半径方向部分内では、供給導管通路内で分離して案内された作動媒体の流れがまとめて案内される。それによって作動媒体は半径方向部分内で均質化することができ、その後、半径方向部分から半径方向外側へ向かって流れる作動媒体が、回転する羽根によって加速されて、その後排出導管通路内へ排出される。
【００２２】
軸方向に流入する作動媒体を羽根に供給するために、羽根車が半径方向部分においてアーチ状に湾曲した方向変換壁を有すると効果的であって、その方向変換壁によって作動媒体が実質的に９０°半径方向へ方向変換される。
【００２３】
作動媒体の流れエネルギーを実質的に維持するために、少なくとも１つの排出導管通路が半径方向に対して斜めに配置された入口部分を有し、その入口部分が実質的に半径方向に延びる排出導管部分と接続されていると、効果的である。排出導管通路の入口部分は、好ましくは、流れの不変の移行が生じ、すなわち本質的な方向変化のない流入が存在する方向に延びている。これは、設計する際にベクトル加算によって得られる。それによれば作動媒体は、羽根車の実質的に円形断面のエンベロープもしくは外側面に関して接線方向に入口部分内へ投入され、その入口部分は実質的に半径方向に延びる排出導管部分と接続されている。入口部分と圧縮部分は、好ましくはアーチ状に湾曲した移行部分を介して互いに接続されている。
【００２４】
羽根車を駆動し、それによって通過する際に作動媒体を加速するため、もしくは羽根車の回転エネルギーを利用するために、羽根車が特にローターの回転軸に対して平行に回転可能な羽根車軸を有し、その羽根車軸がモーター又は発電機と結合されていると、効果的である。それによれば、羽根車は、一方で、モーターと結合することができ、それによってローターと羽根車との間に相対運動を発生させることができる。この形態において、羽根車はヒートポンプ運転において作動媒体の循環案内を維持するように整えられている。他方で羽根車は、発電機と結合することができ、それによって羽根車軸に存在する軸エネルギーを羽根車の相対運動によって電気エネルギーに変換することができる。装置をこのように使用する場合に、熱交換器における温度水準が異なることに基づいて、自然回転の形式の流れが得られる。流れのエネルギーは、その後、タービンとして作用する羽根車内で軸出力に変換され、その軸出力がその後発電機によって電流に変換される。好ましくは、このエネルギーの一部がモーターのために消費され、そのモーターがローターを駆動する。この開示において「入口」と「出口」の概念は、回転軸を中心とする作動媒体の流れを維持するための、すなわち羽根車がヒートポンプ運転状態においてファンとして使用される場合の、羽根車の機能に関する。羽根車が電気エネルギーを発生させるためのタービンとして機能する場合には、作動媒体の流れ方向が交換されているので、たとえば供給導管の出口部分が排出導管の入口部分となる。
【００２５】
好ましい形態においては、羽根車とローターの回転軸が一致する。羽根車軸がローターの軸に整合して配置されている場合に、好ましくは、羽根車の軸受に作用する遠心加速に基づく非対称の力は発生しない。好ましくは羽根車軸のために専用のモーター／発電機が設けられるので、羽根車は圧縮通路及び膨張通路を有するローターに関係なく駆動することができる。この場合において、ローターは第２のモーターと結合されている。代替的に、同一のモーターを羽根車とローターを駆動するため、もしくは同一の発電機を羽根車とローターの回転エネルギーを利用するために、使用することもできる。
【００２６】
驚くべくことに、モーターが羽根車を、作動媒体のための膨張通路と圧縮通路を有するローターと同一の回転方向に回転させるように整えられていると、好ましいことが明らかにされた。好ましくは、羽根車がメインローターと同一の方向に回転する場合に、メインローターの加速フィールドを利用することができる。それによって回転するハウジングをもたない配置に比較して羽根車の効率を向上させることができる。というのは、羽根車自体内の圧縮割合が遠心加速に基づいて増大され、この圧縮が、たとえば羽根車から排出導管通路へ溢流する場合に行われる速度変化に基づく圧力上昇よりもずっと高い効率を有するからである。
【００２７】
本発明に係る装置は、作動媒体の種々の圧力水準もしくは温度水準を発生させるために、圧縮通路と膨張通路を貫流する際の遠心加速を利用している。運動エネルギーを用いて作動媒体の熱エネルギーを変換し、また、逆に変換するために、作動媒体と熱交換媒体の間で熱交換するために、回転軸に関して内側の少なくとも１つの熱交換器と回転軸に関して外側の少なくとも１つの熱交換器が設けられていると、効果的である。これらの熱交換器は、ローター内に一緒に回転するように配置されている。それぞれ作動媒体の流れ方向に従って、装置は、一方では、ヒートポンプとして駆動することができ、それにおいてローターは駆動装置によって回転され、ファンによって循環流が発生される。逆の流れ方向は、電流を発生させるための熱−力−機械に相当し、その場合に流れを発生させるために異なる温度水準が利用され、その流れがタービンとして作用する羽根車内で機械的なエネルギーに変換され、その機械的エネルギーが最終的に発電機内で電気エネルギーに変換される。この駆動状態において、ローターはモーターによって駆動され、そのモーターが、たとえばタービンから獲得されたエネルギーを供給される。
【００２８】
好ましくは、熱交換器はローターの回転軸に対して実質的に平行に配置されている。その場合に熱交換器は、圧縮通路と膨張通路の間に接続されている。内側の熱交換器は低い温度で熱交換するため、そして外側の熱交換器は高い温度で熱交換するために設けられている。
【００２９】
装置の出力を高めるために、それぞれ複数の内側の熱交換器と外側の熱交換器が設けられていると、効果的である。好ましくは内側の熱交換器及び外側の熱交換器は、回転軸に関して規則的な角度間隔で配置されている。好ましくは内側もしくは外側の熱交換器は、圧縮通路及び膨張通路と同じ数設けられている。それによれば、内側の熱交換器と外側の熱交換器は対をなして、それぞれ圧縮通路と膨張通路を介して互いに接続されている。好ましくは更に、羽根車のための供給導管通路と排出導管通路の数が、内側もしくは外側の熱交換器の数に相当する。
【００３０】
他の好ましい形態によれば、内側の熱交換器の数は、外側の熱交換器の数倍に相当し、あるいはその逆となる。
【００３１】
熱交換器は、少なくとも１つの内側の熱交換器と少なくとも１つの外側の熱交換器が回転軸に対して実質的に平行に延びており、その場合に圧縮通路と膨張通路が内側の熱交換器と外側の熱交換器の間に延びていると、特に効率的に形成することができる。好ましくは複数の内側の熱交換器と複数の外側の熱交換器が設けられており、それらはそれぞれ回転軸に対して等しい半径方向間隔で配置されている。この形態において好ましくは更に、内側もしくは外側の熱交換器の数に相当する数の圧縮通路もしくは膨張通路が設けられている。
【００３２】
特に好ましい形態において、羽根車は、作動媒体によって相前後して貫流可能な複数の羽根車段を有している。この形態において、供給導管通路は、回転軸に対して実質的に平行に延びる出口部分を有しており、その出口部分が流れ方向に見て第１の羽根車段の入口開口部のすぐ前まで延びている。互いに連続する羽根車段は、それぞれ方向変換部を介して互いに接続されており、その方向変換部によって作動媒体が羽根車段の間で方向変換される。好ましくは方向変換部は、回転軸に対して実質的に平行に延びる出口部分を有しており、その出口部分が流れ方向に見て次の羽根車段の入口開口部のすぐ前まで延びている。それによって作動媒体は常に次の羽根車段の前まで案内され、回転軸の方向に導入される。流れ方向に見て最後の羽根車段は、少なくとも１つの排出導管通路と接続されている。
【００３３】
循環プロセスにおいて、上昇する質量流について、羽根車において連続的に上昇しない圧力差が観察される。それによれば、特に質量流が低く、上昇する質量流によってローターの回転数が高い場合に、羽根車において下降する圧力差がもたらされ、その後圧力差が再び上昇する。この理由から、できるだけ急峻な推移を有する羽根車が使用されると、効果的であり、すなわち羽根車の回転数及びメインローター回転数が所定である場合に最大圧力に達してから、できるだけ急峻に下降する推移が効果的である。この種の推移は、特に多段の羽根車において得られる。プロセス特性曲線（すなわち質量流を介して必要とされる圧力）及び羽根特性曲線（すなわち質量流を介して発生される圧力）は、通常２つの交点を有するが、そのうち安定した駆動点は１つだけなので、圧力上昇のためには垂直の特性曲線が理想的である。これはたとえば、押し退け機械（たとえばピストン機械）によって実現することができる。しかし羽根車による多段の圧力上昇は、所定の時点から極めて急峻な推移が得られることにより、効果的に類似の効果を得る。
【００３４】
本発明の基礎となる課題は、更に、冒頭で挙げた種類の方法によって解決され、その方法において、作動媒体の個々の流れがヒートポンプ運転状態において、羽根車のすぐ前まで案内され、回転軸に対して実質的に平行に羽根車内へ導入される。それによれば、作動媒体の流れは個別に、もしくは互いに分離され、軸方向に羽根車内へ案内される。
【００３５】
この方法の利点と技術的効果は、上述した説明から明らかにされ、これをもってそれを参照することができる。
【００３６】
驚くべきことに、羽根車が、膨張通路と圧縮通路を有するローターと同一の回転方向かつより高い絶対的な回転数で回転されると、好ましいことが明らかにされた。ローターの回転方向に羽根車が回転することによって、羽根車のより高い絶対的な回転数が定められ、その回転数がそれに応じた、より高い遠心加速とそれに伴って作動媒体のより効率的な圧縮をもたらす。羽根車とローターの回転方向が等しい場合に、遠心の圧縮効果が持ち分に応じて増大し、それによって効率が上昇する。
【００３７】
以下、図面に示す実施例を用いて本発明を更に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】熱エネルギーを変換するための本発明に係る装置を図式的に示す斜視図であって、作動媒体がローター内で閉じた循環プロセスを通過し、その場合に循環プロセスは回転する羽根車によって閉じられている。
【図２】図２は、図１の装置を示す縦断面図であって、見やすくするために、羽根車の機能にとって重要な構成部分のみが示されており、図２ａは、本発明に係る装置内で実施される循環プロセスの温度／エントロピーダイアグラムである。
【図３】図１、２に示す装置を羽根車の領域において示す縦断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線に沿って装置の羽根車の領域を示す横断面図であって、供給導管通路の出口部分と排出導管通路の入口部分が示されている。
【図５】羽根車への入口の前に軸方向に延びる出口部分を有する、供給導管通路の領域内でローターの部分を図式的に示す斜視図である。
【図６】図１から５に示す装置の羽根車を図式的に示す斜視図である。
【図７】図３に示す装置の羽根車の領域を示す縦断面図であって、この形態において羽根車は相前後して貫流可能な複数の羽根車段を有している。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、機械的エネルギーによって熱エネルギーを、そしてその逆に、変換する装置２０を示しており、装置は図示の実施例においてヒートポンプとして使用される。装置２０はローター２１を有しており、そのローターは（図示されない）モーターによって回転軸２２を中心に回転可能である。ローター２１は、圧縮ユニット２３と膨張ユニット２４を有しており、それらは作動媒体用の流れ通路を有している。ローター２１を貫流する場合に、作動媒体、たとえば貴ガスは閉じた循環プロセスを通過し、その循環プロセスは作業ステップａ）作動媒体の圧縮、ｂ）作動媒体と他の熱交換器１’内の熱交換媒体との間の熱交換、ｃ）作動媒体の膨張及びｄ）作動媒体と内部の熱交換器１”内の熱交換媒体との間の熱交換、を有している。この目的のために、圧縮ユニット２３は、実質的に半径方向に延びる圧縮通路２５を有し、その圧縮通路内で作動媒体は回転軸２２に関して半径方向外側へ向かって流れる。遠心加速に基づいて作動媒体が圧縮通路２５内で圧縮される。同様に作動媒体は圧力を低下させるために膨張ユニット２４の膨張通路２６内で実質的に半径方向内側へ向かって案内される。
【００４０】
圧縮ユニット２３と膨張ユニット２４は、軸方向、すなわち回転軸２２の方向に延びる流れ通路によって互いに接続されており、その流れ通路内で作動媒体と熱交換媒体、たとえば水との間で熱交換が行われる。この目的のために、回転軸に関して外側の熱交換器１’と内側の熱交換器１”が設けられており、それらは回転軸２２に対して実質的に平行に延びている。装置２０がヒートポンプとして駆動される場合に、圧縮された作動媒体が外側の熱交換器１’内で熱を、第１の比較的高い温度の熱交換媒体へ放出し、その場合に膨張通路２６内で膨張した作動媒体が、第２の比較的低い温度の熱交換媒体から熱を吸収する。
【００４１】
したがって作動媒体へ作用する遠心加速が、種々の圧力水準もしくは温度水準を発生させるために利用される。圧縮された作動媒体から高い温度の熱が引き出され、膨張した作動媒体に比較的低温の熱が供給される。装置２０がモーターとして駆動される場合には、流れ通路は作動媒体によって逆方向に貫流される。それに応じて熱交換が変化し、その場合に外側の熱交換器１’において熱が作動媒体へ供給されて、内側の熱交換器１”においては作動媒体から熱が引き出される。
【００４２】
図１から更に明らかなように、それぞれ複数の、図示の形態においては１２の、内側の熱交換器１”と、複数の、図示の形態においては１２の、外側の熱交換器１’が設けられており、それらが回転軸に関して規則的な角度間隔で配置されている。内側の熱交換器１”と外側の熱交換器１’は、それぞれ回転軸２２に対して実質的に平行に延びており、その場合に内側の熱交換器１”と外側の熱交換器１’の間に圧縮通路２５と膨張通路２６が延びている。
【００４３】
図２は、装置２０の部分を縦断面で示しており、その場合に内側の熱交換器１”と外側の熱交換器１’のみが記入されている。更に図２には、羽根車３０が示されており、図示の形態においてはその羽根車によって回転軸２２を中心とする作動媒体の流れが維持される。羽根車３０は、一方で、供給導管通路３１と接続されており、その供給導管通路が内側の熱交換器１”から作動媒体を受け取る。更に羽根車３０は排出導管通路３２と接続されており、その排出導管通路によって作動媒体が圧縮ユニット２３の圧縮通路２５内へ供給される。圧縮通路２５は、外側の熱交換器１’と接続されている。
【００４４】
図２から更に明らかなように、羽根車３０は半径方向において、内側の熱交換器１”よりも回転軸２２の近傍に配置されている。図示される形態において、遠心加速によって羽根車３０の軸の軸受にかかる負荷を減少させるために、羽根車３０の回転軸はローター２１の回転軸２２と整合して配置されている。
【００４５】
図２ａは、温度（Ｔ）−エントロピー（Ｓ）ダイアグラムを示しており、その場合に作動媒体の個々の状態が符号Ｚ１からＺ７で示されている。それに応じて図２では、装置２０の内部で作動媒体が状態Ｚ１からＺ７へ実質的に達する位置が記入されている。それによれば、ヒートポンプとして駆動される場合に、以下のプロセスステップが実施される（熱−力−機械として駆動される場合には、循環プロセスは逆方向に実施される）：
−１から２：軸近傍の熱交換器１”の半径Ｚ１から軸から遠い熱交換器１’の半径Ｚ２までの主要回転に基づく実質的に等エントロピーの圧縮；
−２から３：比較的温度が高く、流れの半径が一定である場合の、作動媒体から外側の熱交換器１’内の熱交換媒体への実質的に等圧の熱排出；
−３から４：外側の熱交換器１’の半径から内側の熱交換器１”の半径までの主回転に基づく実質的に等エントロピーの膨張；
−４から５：内側の熱交換器１”内の一定の半径における、比較的温度が低い場合の実質的に等圧の熱排出：
−５から６：内側の熱交換器の半径から羽根車の入口半径までの主回転に基づく実質的に等エントロピーの膨張；
−６から７：羽根車の内部の圧縮であって、その場合に損失がエントロピー上昇をもたらす；そして
−７から１：羽根車の出口から状態Ｚ１に基づく半径までの主回転に基づく実質的に等エントロピーの圧縮。
【００４６】
図３から明らかなように、供給導管通路３１は、羽根車３０の入口開口部３３のすぐ前まで、回転軸２２に対して実質的に平行に延びる出口部分３４を有しているので、供給導管通路３１内の作動媒体の流れが互いに分離されて、回転軸２２に対して実質的に平行に羽根車３０内へ案内される。
【００４７】
図３から更に明らかなように、供給導管通路３１は実質的に半径方向に延びる供給導管部分３５を有しており、その供給導管部分は、羽根車３０内へ連通する出口部分３４と内側の熱交換器１”との間に配置されている。排出導管通路３２は、圧縮通路２５と接続されており、その圧縮通路が作動媒体を外側の熱交換器１’へ案内する。
【００４８】
特に図３から明らかなように、供給導管通路３１は出口部分３４にアーチ状に湾曲した壁３６を有しており、その壁が作動媒体を半径方向の供給導管部分３５から軸方向の出口部分３４内へ実質的に９０°方向変換させる。
【００４９】
特に図４から明らかなように、供給導管通路３１の出口部分３４は、回転軸２２に対して実質的に半径方向及び軸方向に延びる分離部材３７によって仕切られており、それらの分離部材は図示の形態において実質的に平坦な分離壁によって形成されている。分離部材３７は、半径方向の延びを有し、かつ星形に配置されている。したがって図示される形態において、出口部分３４はローター２１の回転軸２２を中心に規則的かつ一定の半径方向の間隔で配置されている。
【００５０】
図４から更に明らかなように、羽根車３０はアーチ状に湾曲した多数の羽根３８を有しており、それらの羽根によって作動媒体は羽根車３０を貫流する際に羽根車３０の回転方向３９に加速される。羽根車３０は、回転軸２２を向いた側に羽根３８のない半径方向部分４０を有しており、その半径方向部分内で供給導管通路３１からの作動媒体の流れがまとめられて、均質化される。半径方向部分４０には、アーチ形状に湾曲した方向変換壁４１が設けられており（図３を参照）、その方向変換壁によって作動媒体が、羽根車３０内へ流入する際に軸方向の流れから実質的に９０°羽根３８の前の半径方向の流れへ方向変換される。
【００５１】
図４から明らかなように、排出導管通路３２は羽根車３０のエンベロープに関して、すなわち羽根車３０の断面円形の外側面に関して、半径方向に対して傾斜して延びる入口部分４２を有しており、その入口部分が実質的に半径方向に延びる排出導管部分４３と接続されている。
【００５２】
図４、６から図式的に明らかなように、羽根車３０は羽根車軸４４を有しており、その羽根車軸がモーター（図示せず）と結合されている。モーターは、羽根車３０をローター２１の回転方向４５に回転させるように整えられている。図示の形態において、羽根車の回転軸４４とローター２１の回転軸２２とは、一致する。熱−力−機械として駆動する場合に、その場合にはタービンとして作動する羽根車３０に発電機が接続されている。タービンは、然るべき質量流によって貫流される際に生じる差圧を軸出力に変換する。
【００５３】
図５から明らかなように、装置２０は、動的なシールギャップ４６を有しており、そのシールギャップは、入口に比べて羽根車３０の出口の圧力が増大していることに基づいて、還流を減少させようとする。複数のできるだけ小さいシールギャップを形成するために、羽根車３０の相手側薄板４７がシールギャップ４６内へ嵌入する。
【００５４】
図７に示す代替的な形態において、個々の羽根車３０が複数の、図示の形態においては２つの、相前後して貫流可能な羽根車段３０’、３０"を有している。羽根車段３０’、３０”は、方向変換部３０’”を介して互いに接続されており、その方向変換部によって作動媒体が第１の羽根車段３０”に連続する半径方向外側へ向かう流れから、まず半径方向内側へ向かう流れに、そしてその後第２の羽根車段３０’のすぐ前まで回転軸２２の方向の流れへ変換される。各羽根車段３０’、３０”は、図１から６に示す１段の形態に従って構築される。図示される形態において、羽根車段３０’、３０”は、同一の羽根車軸４４上に配置されており、その羽根車軸がモーターと、あるいは発電機と結合されている。羽根車段３０’、３０”は、代替的に分離された羽根車軸上に軸承することができ、その場合に各羽根車段３０’、３０”がモーターもしくはローターと結合される。
【図１】
0006496010.tif 000002
【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
0006496010.tif 000006
【図５】
0006496010.tif 000007
【図６】
0006496010.tif 000008
【図７】
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