此外，本發(fā)明涉及一種用于借助機(jī)械能將較低溫度的熱能轉(zhuǎn)化成較高溫度的熱能和將較高溫度的熱能轉(zhuǎn)化成較低溫度的熱能的方法，其中工作介質(zhì)在圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中通過閉合的循環(huán)過程，其中工作介質(zhì)的多個(gè)流體為了提高壓力而參照旋轉(zhuǎn)軸線基本上徑向向外地導(dǎo)引，其中工作介質(zhì)流為了降低壓力而參照旋轉(zhuǎn)軸線基本上徑向向內(nèi)地導(dǎo)引，在工作介質(zhì)和熱交換介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換，其中工作介質(zhì)在熱泵運(yùn)行狀態(tài)中為了保持工作介質(zhì)圍繞轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線的流動(dòng)和/或在發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為了使用工作介質(zhì)的流動(dòng)能量而通過葉輪導(dǎo)引。

由現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)獲知旋轉(zhuǎn)的熱泵或者熱力機(jī)器，其中氣態(tài)的工作介質(zhì)在閉合的熱動(dòng)態(tài)循環(huán)過程中被導(dǎo)引。

在WO2009/015402A1中描述了一種熱泵，其中工作介質(zhì)在轉(zhuǎn)子的導(dǎo)管系統(tǒng)中經(jīng)歷循環(huán)過程，其具有這些工作步驟：a)壓縮工作介質(zhì)，b)借助換熱器將工作介質(zhì)的熱量排出，c)工作介質(zhì)的減壓和d)借助另外的換熱器向工作介質(zhì)輸入熱量。工作介質(zhì)的壓力提高或壓力減小主要是通過離心加速實(shí)現(xiàn)，其中工作介質(zhì)在壓縮單元中相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線徑向向外地流動(dòng)并且在減壓?jiǎn)卧袕较蛳騼?nèi)地流動(dòng)。工作介質(zhì)向換熱器的熱交換介質(zhì)的熱排放在導(dǎo)管系統(tǒng)的軸向的或平行于旋轉(zhuǎn)軸延伸的部段中進(jìn)行，為該部段配備伴隨旋轉(zhuǎn)的、具有熱交換介質(zhì)的換熱器。

此外，在該現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)使用葉輪，其尤其用于保持工作介質(zhì)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中的流動(dòng)。所述葉輪一方面抗扭地設(shè)置，其中由于抗扭的布置實(shí)現(xiàn)了相對(duì)于導(dǎo)引工作介質(zhì)的導(dǎo)管系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。另一方面已經(jīng)建議，為葉輪配備發(fā)動(dòng)機(jī)，用于產(chǎn)生相對(duì)導(dǎo)管系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。此外，葉輪在該裝置中與發(fā)電機(jī)相連，用于將通過葉輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軸功率轉(zhuǎn)換成電能。

在現(xiàn)有技術(shù)中已知各種非常不同的用于保持流體流動(dòng)的葉輪，其中這些葉輪可以設(shè)計(jì)為壓縮機(jī)、減壓渦輪或?qū)л?。在現(xiàn)有技術(shù)中，作為葉輪的通流形式的邊界形式已知一方面軸向的和另一方面徑向的實(shí)施形式。在混合形式中，如對(duì)角通流的葉輪中，很大程度上適用與用于徑向或軸向流動(dòng)部件的相同的考慮。在使用軸向通流的葉輪時(shí)，即所謂的軸向通風(fēng)機(jī)(或者通常稱為軸向壓縮機(jī))或者軸向渦輪機(jī)時(shí)，基本上使用傳統(tǒng)的尺寸設(shè)計(jì)。但是軸向的結(jié)構(gòu)形式具有的缺點(diǎn)在于，相比于徑向結(jié)構(gòu)形式壓力提高較小，由此軸向葉輪大多必須設(shè)計(jì)為多級(jí)的。在多級(jí)的實(shí)施形式中，在葉輪之間安置所謂的導(dǎo)輪，用于使流體轉(zhuǎn)向。由此隨著環(huán)繞旋轉(zhuǎn)的軸向葉片的旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生渦旋，所述渦旋基本上完全地從流體中產(chǎn)生或者逆向于旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生。在徑向葉輪的構(gòu)造方面，其對(duì)于軸向葉輪的優(yōu)點(diǎn)在于每一級(jí)更高的壓力并且因此常?？梢栽O(shè)計(jì)為單級(jí)的，這種葉輪當(dāng)前可以參照一種變型，其也在多級(jí)的徑向壓縮機(jī)或者向心渦輪機(jī)中使用，其中葉輪設(shè)置在靜止的殼體中。

然而在大量的試驗(yàn)中業(yè)已示出，由現(xiàn)有技術(shù)已知的葉輪的布局在此類裝置(其中葉輪的輸入結(jié)構(gòu)和排出結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)子殼體中旋轉(zhuǎn)地布置)中不能提供滿意的結(jié)果。觀察到的是，例如徑向通風(fēng)機(jī)的效率從在不旋轉(zhuǎn)殼體中的80％下降到在旋轉(zhuǎn)殼體中的25％。

因此對(duì)于改善葉輪存在較大的需求，以便能夠更好地考慮轉(zhuǎn)子中具有多個(gè)工作步驟的過程中的復(fù)雜邊界條件。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種如本文開頭所述的用于轉(zhuǎn)化熱能的旋轉(zhuǎn)的裝置，其中現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)被克服或者至少明顯地減小。因此本發(fā)明的發(fā)明目的尤其在于以盡可能小的能量損失保持工作介質(zhì)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的流動(dòng)。

按照本發(fā)明，葉輪設(shè)置在轉(zhuǎn)子的在熱泵運(yùn)行狀態(tài)中輸入工作介質(zhì)流的輸入通道和轉(zhuǎn)子的至少一個(gè)在熱泵運(yùn)行狀態(tài)中排出工作介質(zhì)流的排出通道之間，其中，輸入通道具有基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線伸展的、直至延伸到葉輪的進(jìn)口之前的出口部段，因此工作介質(zhì)的單獨(dú)的流體能夠從輸入通道基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線地輸入葉輪中。

因此本發(fā)明基于一種出人意料的認(rèn)知，即葉輪的效率可以通過以下方式顯著改善，即工作介質(zhì)在進(jìn)入葉輪之前以多個(gè)單獨(dú)的流體平行于旋轉(zhuǎn)軸線地、也就是沿軸向被導(dǎo)引。為了所述公開內(nèi)容的目的，輸入通道的出口部段直至葉輪之前的延伸表示進(jìn)入輸入通道的工作介質(zhì)流不是匯流的，而是相互分開地輸入葉輪中。輸入通道的出口部段優(yōu)選以均勻的角間距并且以相同的徑向間距圍繞旋轉(zhuǎn)軸線布置。因此工作介質(zhì)的多個(gè)軸向流被導(dǎo)入葉輪中。之后，工作介質(zhì)流進(jìn)轉(zhuǎn)子的至少一個(gè)排出通道中。據(jù)此，工作介質(zhì)從葉輪中直接地、也就是說沒有中間連接靜止殼體地導(dǎo)入轉(zhuǎn)子中。所述轉(zhuǎn)子因此構(gòu)成用于葉輪的旋轉(zhuǎn)的殼體，該殼體優(yōu)選完整地包圍所述葉輪。工作介質(zhì)導(dǎo)引通過位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部的葉輪，其中，工作介質(zhì)與現(xiàn)有技術(shù)不同地并未在靜止的殼體中導(dǎo)引。由此，工作介質(zhì)的流動(dòng)能量可以在經(jīng)過循環(huán)過程時(shí)基本上被保持。此外優(yōu)選的是，工作介質(zhì)相對(duì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)密封是不需要的。在葉輪的傳統(tǒng)布局中設(shè)置靜止的殼體。與之相比，在按照本發(fā)明的裝置中設(shè)置轉(zhuǎn)子，因此包圍葉輪的部件在運(yùn)行中旋轉(zhuǎn)。為了考慮不同的安裝狀態(tài)，可能很容易僅關(guān)注葉輪和轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速，也就是在絕對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和絕對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)速差。但是業(yè)已顯示，這種關(guān)注基本上是失敗的。在現(xiàn)有技術(shù)中常見的工作介質(zhì)從旋轉(zhuǎn)的輸入通道徑向地流入葉輪中時(shí)，在從輸入通道徑向流出時(shí)尤其由于科里奧利加速度形成渦旋，其在流體中、從相對(duì)的旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)觀察徑向向內(nèi)地逆向于旋轉(zhuǎn)方向地構(gòu)成。這種渦旋明顯改變了進(jìn)入流體的特性，尤其是速度三角，由此按照傳統(tǒng)方法的尺寸設(shè)計(jì)必然是失敗的。然而，按照本發(fā)明，工作介質(zhì)沿軸向從供給所述工作介質(zhì)的輸入通道引出。這會(huì)有利地導(dǎo)致，科里奧利加速度幾乎為零并且不會(huì)出現(xiàn)渦旋或者不會(huì)出現(xiàn)顯著的渦旋。由此進(jìn)入葉輪的過程可以更簡(jiǎn)單地計(jì)算，并且也有利地與葉輪轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子的環(huán)繞殼體的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，以及也與相對(duì)流體速度無(wú)關(guān)。

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行，有利的是，盡可能數(shù)量少的徑向排出通道與葉輪相連。相連的徑向排出通道的數(shù)量越小，則運(yùn)行越穩(wěn)定，因?yàn)榕懦鐾ǖ赖牧黧w分隔的可能性隨著排出通道的數(shù)量的減小而越來(lái)越小。因此，在一種優(yōu)選的實(shí)施形式中為每個(gè)葉輪設(shè)置正好一個(gè)排出通道。因此，在該實(shí)施形式中，對(duì)于每個(gè)排出通道(其徑向向外導(dǎo)引)設(shè)置正好一個(gè)葉輪，其中可以設(shè)置多個(gè)葉輪(和相應(yīng)數(shù)量的排出通道)。出于經(jīng)濟(jì)性的原因，在備選的優(yōu)選實(shí)施形式中規(guī)定，葉輪與至少三個(gè)排出通道相連。優(yōu)選的是不超過12個(gè)排出通道與葉輪相連。所述實(shí)施形式僅涉及直接沿徑向從葉輪引出的排出通道的數(shù)量。但是完全可能的是，徑向的排出通道在離軸的區(qū)域中、優(yōu)選在偏轉(zhuǎn)到軸向上之后分為多個(gè)換熱器通道。

為了以較高的效率在流過壓縮通道和減壓通道時(shí)實(shí)現(xiàn)壓力差，但是可靠地避免在進(jìn)入葉輪的進(jìn)口前構(gòu)成渦流，有利的是，輸入通道具有基本上沿徑向延伸的輸入部段，其設(shè)置在出口部段和參照旋轉(zhuǎn)軸線靠?jī)?nèi)的換熱器之間。輸入部段優(yōu)選比輸入通道的出口部段更長(zhǎng)。

為了在更高的溫度時(shí)在工作介質(zhì)和熱交換介質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)熱交換，有利的是，至少一個(gè)排出通道與壓縮通道相連，壓縮通道與參照旋轉(zhuǎn)軸線外部的換熱器相連。

為了在運(yùn)行中以盡可能小的能量耗費(fèi)保持循環(huán)過程，有利的是，葉輪在徑向上相比內(nèi)部的換熱器更靠近旋轉(zhuǎn)軸線，其中葉輪優(yōu)選同中心地圍繞轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線布置。因此，轉(zhuǎn)子和葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線優(yōu)選對(duì)齊地布置。由此可以實(shí)現(xiàn)特別有效的工作方式。

為了將工作介質(zhì)在輸入通道中的徑向流在進(jìn)入葉輪的進(jìn)口前轉(zhuǎn)化成軸向流，有利的是，輸入通道在出口部段處具有弧形彎曲的壁，所述壁引起工作介質(zhì)從輸入部段朝向出口部段的大致90°的轉(zhuǎn)向。通過減壓通道在出口端部處的弧形壁可以使工作介質(zhì)連續(xù)地偏轉(zhuǎn)成軸向流體，其中工作介質(zhì)流不會(huì)被所述偏轉(zhuǎn)干擾或僅不明顯地被干擾。

為了將工作介質(zhì)流單獨(dú)地、也就是基本上不混合地或者相互分開地導(dǎo)入葉輪中，有利的是，輸入通道的出口部段形成于基本上沿徑向和軸向相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線延伸的分隔元件、尤其基本上平的分隔壁之間。通過設(shè)置分隔壁可以以特別簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)工作介質(zhì)不混合地沿軸向流入輸入通道的出口部段中，并且基本上無(wú)渦旋地相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(其構(gòu)成用于葉輪的殼體)引入葉輪中。

為了尤其在部分負(fù)載范圍內(nèi)的更好可調(diào)節(jié)性，有利的是，分隔元件在葉輪前是可調(diào)節(jié)的。因此可以產(chǎn)生定義的進(jìn)口渦旋，其能夠通過分隔元件調(diào)節(jié)。與在現(xiàn)有技術(shù)中在進(jìn)入葉輪的進(jìn)口處由于科里奧利加速度出現(xiàn)的渦旋不同，這種定義的進(jìn)口渦旋在裝置設(shè)計(jì)時(shí)可以被計(jì)算或模擬。按照本發(fā)明的裝置通常設(shè)計(jì)用于特定的工作點(diǎn)。在此，分隔元件的進(jìn)入角尤其可以這樣設(shè)計(jì)尺寸，使得流體在相對(duì)的旋轉(zhuǎn)的葉輪系統(tǒng)中觀察時(shí)具有連續(xù)的過渡，也就是沒有明顯方向改變地流入葉輪的葉片區(qū)域中。在葉輪的轉(zhuǎn)速改變時(shí)和/或在相對(duì)流動(dòng)速度改變時(shí)、即在設(shè)計(jì)點(diǎn)之外運(yùn)行時(shí)，流體的流入角通常會(huì)改變，由此流體可能會(huì)不連續(xù)地流入葉輪的葉片區(qū)域中。這種效應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)點(diǎn)之外運(yùn)行時(shí)減小了葉輪的效率。為了克服這種缺點(diǎn)，分隔元件對(duì)于設(shè)計(jì)點(diǎn)之外的運(yùn)行可以這樣調(diào)節(jié)，使得工作介質(zhì)參照相對(duì)的旋轉(zhuǎn)的葉輪系統(tǒng)、在進(jìn)入葉輪的葉片區(qū)域時(shí)以連續(xù)的方式流動(dòng)。由此提高了效率。葉輪通過這種措施還可以產(chǎn)生更高的壓力和更高的最大體積流量，由此擴(kuò)展應(yīng)用范圍。

為了在進(jìn)行循環(huán)過程中保持工作介質(zhì)的流動(dòng)有利的是，葉輪具有多個(gè)尤其弧形彎曲的葉片。通過所述葉片，在工作介質(zhì)通過葉輪的葉片的外部邊緣之間的出口導(dǎo)引進(jìn)壓縮通道之前，工作介質(zhì)在參照旋轉(zhuǎn)軸線的圓周方向上加速。

按照一種優(yōu)選的實(shí)施形式，葉輪在面向旋轉(zhuǎn)軸線的側(cè)面上具有無(wú)葉輪的徑向部段。在葉輪的環(huán)形的徑向部段中，在輸入通道中分開導(dǎo)引的工作介質(zhì)流被匯合。由此，在從徑向部段徑向向外地流動(dòng)的工作介質(zhì)通過旋轉(zhuǎn)的葉片加速之前，工作介質(zhì)在徑向部段中被均勻化，之后工作介質(zhì)被排出到排出通道中。

為了將沿軸向流入的工作介質(zhì)引入葉片，有利的是，葉輪在徑向部段上具有弧形彎曲的轉(zhuǎn)向壁，工作介質(zhì)借助所述轉(zhuǎn)向壁朝徑向偏轉(zhuǎn)大致90°。

為了基本上保持工作介質(zhì)的流動(dòng)能量，有利的是，至少一個(gè)排出通道具有相對(duì)徑向傾斜布置的進(jìn)口部段，所述進(jìn)口部段與基本上沿徑向延伸的排出部段相連。排出通道的進(jìn)口部段優(yōu)選沿這樣的方向延伸，在該方向上形成流體的連續(xù)過渡，也就是沿該方向存在沒有明顯方向改變的流入。這在設(shè)計(jì)時(shí)通過矢量疊加實(shí)現(xiàn)。因此，工作介質(zhì)沿切向方向、參照葉輪的在橫截面中基本上呈圓形的輪廓或外表面進(jìn)入進(jìn)口部段，所述進(jìn)口部段與基本上徑向延伸的排出部段相連。進(jìn)口部段和壓縮部段優(yōu)選通過弧形彎曲的過渡部段相互連接。

為了驅(qū)動(dòng)葉輪并且因此在通過過程中加速工作介質(zhì)，或者為了使用葉輪的旋轉(zhuǎn)能量，有利的是，葉輪具有尤其可平行于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的葉輪軸，所述葉輪軸與發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)相連。因此葉輪一方面可以與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)子和葉輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在這種實(shí)施形式中，葉輪在熱泵運(yùn)行狀態(tài)中設(shè)置用于保持工作介質(zhì)的循環(huán)導(dǎo)引。另一方面，葉輪可以與發(fā)電機(jī)相連，用于將在葉輪軸上存在的軸功率通過葉輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能。在這樣使用裝置時(shí)，由于在換熱器上不同的溫度水平獲得自然循環(huán)方式的流體。流體的能量然后在用作渦輪機(jī)的葉輪中轉(zhuǎn)化成軸功率，該軸功率之后借助發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電流。優(yōu)選所述能量的一部分用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的發(fā)動(dòng)機(jī)。在本公開內(nèi)容中，概念“進(jìn)”和“出”涉及葉輪的用于保持工作介質(zhì)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線流動(dòng)的功能，也就是當(dāng)葉輪在熱泵運(yùn)行狀態(tài)中用作通風(fēng)機(jī)時(shí)。在葉輪作為用于產(chǎn)生電能的渦輪機(jī)工作時(shí)，工作介質(zhì)的流動(dòng)方向被調(diào)換，因此例如輸入管道的出口部段成為排出管道的進(jìn)口部段。

在一種優(yōu)選的實(shí)施形式中，葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線重合。當(dāng)葉輪軸與轉(zhuǎn)子的軸對(duì)齊地布置時(shí)，有利地不會(huì)在葉輪的支承裝置上形成由于離心加速產(chǎn)生的非對(duì)稱的力。優(yōu)選設(shè)置用于葉輪軸的自身的發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，因此葉輪可以獨(dú)立于具有壓縮通道和減壓通道的轉(zhuǎn)子地被驅(qū)動(dòng)；在這種情況中，轉(zhuǎn)子與第二發(fā)動(dòng)機(jī)相連。備選地，也可以使用相同的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)葉輪和轉(zhuǎn)子，或者使用相同的發(fā)電機(jī)來(lái)使用葉輪和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)能量。

已經(jīng)被出人意料地證明有利的是，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置用于以和轉(zhuǎn)子相同的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)葉輪，該轉(zhuǎn)子具有用于工作介質(zhì)的減壓通道和壓縮通道。在葉輪以和主轉(zhuǎn)子相同的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，主轉(zhuǎn)子的加速場(chǎng)可以有利地被充分利用。由此，葉輪的效率甚至可以相對(duì)具有非旋轉(zhuǎn)殼體的布局被提高，因?yàn)樵谌~輪中的壓縮份額本身由于離心加速被提高并且這種壓縮具有比由于速率改變導(dǎo)致的壓力提高明顯更高的效率，所述速率改變例如在從葉輪向排出通道轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行。

按照本發(fā)明的裝置利用在流過轉(zhuǎn)子的壓縮通道和減壓通道時(shí)的離心加速來(lái)產(chǎn)生工作介質(zhì)的不同的壓力水平或溫度水平。為了借助動(dòng)能轉(zhuǎn)換工作介質(zhì)的熱能并且逆向該過程，有利的是，至少一個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線靠?jī)?nèi)的換熱器和至少一個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線靠外的換熱器設(shè)置用于在工作介質(zhì)和熱交換介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換。換熱器在轉(zhuǎn)子中共同旋轉(zhuǎn)地布置。根據(jù)工作介質(zhì)的流動(dòng)方向，裝置一方面可以用作熱泵，其中借助驅(qū)動(dòng)器使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并且循環(huán)流動(dòng)通過通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生。相反的流動(dòng)方向?qū)?yīng)作為用于產(chǎn)生電流的熱力機(jī)器的運(yùn)行，其中不同的溫度水平被用于產(chǎn)生流動(dòng)，所述流動(dòng)在用作渦輪機(jī)的葉輪中轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，所述機(jī)械能最后在發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)換成電能。在該運(yùn)行狀態(tài)中，轉(zhuǎn)子借助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)例如通過從渦輪機(jī)獲得的電能供給。

所述換熱器優(yōu)選基本上平行于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線布置。換熱器在此連接在壓縮通道和減壓通道之間。內(nèi)部的換熱器用于在較低溫度時(shí)的熱交換，并且外部的換熱器用于在較高溫度時(shí)的熱交換。

為了提高裝置的功率有利的是，分別設(shè)置多個(gè)內(nèi)部換熱器和外部換熱器。優(yōu)選地，一方面內(nèi)部換熱器和另一方面外部換熱器以相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線均勻的角間距布置。優(yōu)選設(shè)置與壓縮和減壓通道同樣多的內(nèi)部或外部換熱器。因此內(nèi)部和外部換熱器成對(duì)地通過各一個(gè)壓縮通道和減壓通道相互連接。此外優(yōu)選地規(guī)定，用于葉輪的輸入通道和排出通道的數(shù)量對(duì)應(yīng)內(nèi)部或外部換熱器的數(shù)量。

按照另一種優(yōu)選的實(shí)施形式，內(nèi)部換熱器的數(shù)量相當(dāng)于外部換熱器的多倍，或者反之亦然。

當(dāng)至少一個(gè)內(nèi)部換熱器和至少一個(gè)外部換熱器基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線延伸時(shí)，熱交換可以特別高效地進(jìn)行，其中壓縮通道和減壓通道在內(nèi)部換熱器和外部換熱器之間延伸。優(yōu)選設(shè)置多個(gè)內(nèi)部換熱器和多個(gè)外部換熱器，它們分別以相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線相同的徑向間距布置。在這種實(shí)施形式中還優(yōu)選規(guī)定，設(shè)置與內(nèi)部或外部換熱器的數(shù)量相應(yīng)數(shù)量的壓縮通道或減壓通道。

特別優(yōu)選的是一種實(shí)施形式，其中葉輪具有多個(gè)相繼被工作介質(zhì)流過的葉輪級(jí)。在這種實(shí)施形式中，輸入通道具有基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線延伸的出口部段，所述出口部段延伸直至沿流動(dòng)方向觀察的第一葉輪級(jí)的進(jìn)口之前。前后相續(xù)的葉輪級(jí)分別通過轉(zhuǎn)向裝置相互連接，工作介質(zhì)借助轉(zhuǎn)向裝置在葉輪級(jí)之間被偏轉(zhuǎn)。所述轉(zhuǎn)向裝置優(yōu)選具有基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線延伸的出口部段，其延伸直至沿流動(dòng)方向觀察的下一個(gè)葉輪級(jí)的進(jìn)口之前。由此工作介質(zhì)連續(xù)地被導(dǎo)引至下一個(gè)葉輪級(jí)之前并且沿旋轉(zhuǎn)軸線的方向?qū)?。沿流?dòng)方向觀察的最后的葉輪級(jí)與至少一個(gè)排出通道相連。

在循環(huán)過程中，對(duì)于增大的質(zhì)量流在葉輪上觀察到不連續(xù)升高的壓力差。因此，在壓力差再次升高之前，尤其在低質(zhì)量流和高轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速時(shí)(具有增加的質(zhì)量流)在葉輪上導(dǎo)致下降的壓力差。出于這種原因有利的是，使用具有盡可能陡峭的變化曲線(Verlauf)的葉輪，也就是在確定的葉輪轉(zhuǎn)速以及自達(dá)到最大壓力起的主轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，盡可能陡峭地下降的變化曲線是優(yōu)選的。這種變化曲線尤其借助多級(jí)葉輪實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫^程特征曲線(也就是質(zhì)量流上所需的壓力)和葉輪特征曲線(也就是通過質(zhì)量流產(chǎn)生的壓力)通常具有兩個(gè)交叉點(diǎn)，但是僅其中之一是穩(wěn)定的工作點(diǎn)，垂直的特征曲線對(duì)于產(chǎn)生壓力是理想的。這可以例如通過擠壓機(jī)器(例如活塞機(jī)器)實(shí)現(xiàn)。然而，借助葉輪實(shí)現(xiàn)的多級(jí)壓力提高能夠以有利的方式實(shí)現(xiàn)相似的效果，方法是自一個(gè)特定的點(diǎn)開始實(shí)現(xiàn)非常陡峭的變化曲線。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題還通過本文開頭所述類型的方法解決，其中工作介質(zhì)的單獨(dú)的流體在熱泵運(yùn)行狀態(tài)中被導(dǎo)引至接近葉輪之前，并且基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線地被引入葉輪中。因此工作介質(zhì)流單獨(dú)地或者相互分開地并且沿軸向引入葉輪中。

所述方法的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果由之前的闡述得出，因此可以引用之前的闡述。

業(yè)已出人意料地被證明有利的是，葉輪以和具有減壓通道和壓縮通道的轉(zhuǎn)子相同的旋轉(zhuǎn)方向、并且以更高的絕對(duì)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。通過葉輪沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的旋轉(zhuǎn)規(guī)定了葉輪的更高的絕對(duì)轉(zhuǎn)速，其相應(yīng)地引起更高的離心加速度并且進(jìn)而引起工作介質(zhì)更有效的壓縮。當(dāng)葉輪和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，離心的壓縮效果成比例地提高并且由此提高效率。

以下結(jié)合在附圖中所示的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但是本發(fā)明不局限于這些實(shí)施例。在附圖中詳細(xì)示出：

圖1示意地示出用于轉(zhuǎn)換熱能的按照本發(fā)明的裝置的示意圖，其中工作介質(zhì)在轉(zhuǎn)子中經(jīng)過閉合的循環(huán)過程，其中循環(huán)回路借助旋轉(zhuǎn)的葉輪閉合；

圖2示出剖切圖1的裝置得到的縱截面，其中為了更好的概覽性僅示出與葉輪工作相關(guān)的構(gòu)件；

圖2a示出在按照本發(fā)明的裝置中實(shí)施的循環(huán)回路的溫度/熵圖；

圖3示出按照?qǐng)D1、2所示的裝置在葉輪區(qū)域中的縱截面；

圖4示出按照?qǐng)D2中的線IV-IV的葉輪區(qū)域中的裝置橫截面，其中一方面示出輸入通道的出口部段，并且另一方面示出排出通道的進(jìn)口部段；

圖5示出在輸入通道的區(qū)域中的轉(zhuǎn)子部件的示意圖，輸入通道在進(jìn)入葉輪之前具有沿軸向延伸的出口部段；

圖6示意性示出圖1至5所示的裝置的葉輪的示意圖；并且

圖7示出按照?qǐng)D3的裝置在葉輪區(qū)域中的縱截面，所述葉輪在該實(shí)施形式中具有多個(gè)可相繼通流的葉輪級(jí)。

圖1示出用于借助機(jī)械能轉(zhuǎn)換熱能并且逆向該過程的裝置20，其在所示實(shí)施形式中用作熱泵。所述裝置20包含轉(zhuǎn)子21，其能夠借助(未示出的)發(fā)動(dòng)機(jī)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線22旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子21具有壓縮單元23和減壓?jiǎn)卧?4，它們具有用于工作介質(zhì)的流動(dòng)通道。在流過轉(zhuǎn)子21時(shí)，工作介質(zhì)例如天然氣經(jīng)過閉合的循環(huán)過程，該循環(huán)過程具有這些工作步驟：a)工作介質(zhì)的壓縮，b)在工作介質(zhì)和外部換熱器1’中的熱交換介質(zhì)之間的熱交換，c)工作介質(zhì)的減壓和d)在工作介質(zhì)和內(nèi)部換熱器1”中的熱交換介質(zhì)之間的熱交換。為此目的，壓縮單元23具有基本上沿徑向延伸的壓縮通道25，工作介質(zhì)在其中參照旋轉(zhuǎn)軸線22沿徑向向外流動(dòng)。由于離心加速度，工作介質(zhì)在壓縮通道25中被壓縮。相應(yīng)地，工作介質(zhì)為了減壓在減壓?jiǎn)卧?4的減壓通道26中基本上徑向向內(nèi)地導(dǎo)引。

壓縮單元23和減壓?jiǎn)卧?4通過軸向的、也就是在旋轉(zhuǎn)軸線22的方向上延伸的流動(dòng)通道相互連接，在所述流動(dòng)通道中在工作介質(zhì)和熱交換介質(zhì)(例如水)之間進(jìn)行熱交換。為此目的設(shè)置參照旋轉(zhuǎn)軸線處于外部的換熱器1’和處于內(nèi)部的換熱器1”，它們基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線22延伸。當(dāng)裝置20作為熱泵運(yùn)行時(shí)，在壓縮通道25中壓縮的工作介質(zhì)在外部換熱器1’中將熱量排放至相對(duì)較高的第一溫度的熱交換介質(zhì)，其中，在減壓通道26中減壓的工作介質(zhì)從相對(duì)較低的第二溫度的熱交換介質(zhì)吸收熱量。

因此作用在工作介質(zhì)上的離心加速度被充分用于產(chǎn)生不同的壓力水平或溫度水平。較高溫度的熱量被從壓縮的工作介質(zhì)中抽出，并且相對(duì)較低溫度的熱量被輸入減壓的工作介質(zhì)。在裝置20作為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，工作介質(zhì)沿相反方向流過流體通道。相應(yīng)地，熱交換發(fā)生改變，其中在外部換熱器1’中熱量被輸入給工作介質(zhì)并且在內(nèi)部換熱器1”中從工作介質(zhì)上抽出熱量。

如圖1另外示出，分別設(shè)置多個(gè)、在所示實(shí)施形式中12個(gè)內(nèi)部換熱器1”和多個(gè)、在所示實(shí)施形式中12個(gè)外部換熱器1’，它們以相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線均勻的角度間隔布置。內(nèi)部換熱器1”和外部換熱器1’分別基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線22延伸，其中壓縮通道23和減壓通道25在內(nèi)部換熱器1”和外部換熱器1’之間延伸。

在圖2中以縱截面示出裝置20的部件，其中僅示出一個(gè)內(nèi)部換熱器1”和一個(gè)外部換熱器1’。此外，在圖2中示出葉輪30，在所示實(shí)施形式中借助葉輪30能夠保持工作介質(zhì)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線22的流動(dòng)。葉輪30一方面與輸入通道31相連，所述輸入通道承接來(lái)自內(nèi)部換熱器1”的工作介質(zhì)。此外，葉輪30與排出通道32相連，工作介質(zhì)借助排出通道導(dǎo)入壓縮單元23的壓縮通道25中。壓縮通道25與外部換熱器1’相連。

此外如圖2所示，葉輪30在徑向上相對(duì)內(nèi)部換熱器1”更靠近旋轉(zhuǎn)軸線22。在所示實(shí)施形式中，葉輪30的旋轉(zhuǎn)軸線與轉(zhuǎn)子21的旋轉(zhuǎn)軸線22對(duì)齊，以便降低由于離心加速作用在葉輪30的軸的支承裝置上的載荷。

圖2a示出溫度(T)—熵(S)—圖，其中工作介質(zhì)的單個(gè)狀態(tài)以Z1至Z7標(biāo)出。在圖2中相應(yīng)地標(biāo)注裝置20內(nèi)部的工作介質(zhì)基本上實(shí)現(xiàn)狀態(tài)Z1-Z7的位置。因此，在作為熱泵運(yùn)行時(shí)經(jīng)過以下過程步驟(在作為熱-力-機(jī)器運(yùn)行時(shí)該循環(huán)過程以相反方向?qū)嵤?：

-1向2：由于從近軸的換熱器1”的半徑Z1直至遠(yuǎn)軸的換熱器1’的半徑Z2的主旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的基本上等熵的壓縮，

-2向3：在相對(duì)較高溫度和流體的半徑恒定時(shí)，工作介質(zhì)基本上等壓地向外部換熱器1’中的熱交換介質(zhì)放熱；

-3向4：由于從外部換熱器1’的半徑直至內(nèi)部換熱器1”的半徑的主旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的基本上等熵的減壓，

-4向5：在相對(duì)較低的溫度處在內(nèi)部換熱器1”的半徑恒定時(shí)基本上等壓地放熱；

-5向6：由于從內(nèi)部換熱器的半徑直至葉輪的進(jìn)口半徑的主旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的基本上等熵的減壓；

-6向7：在葉輪中的壓縮，其中損失導(dǎo)致熵升高；并且

-7向1：由于從葉輪的出口直至按照狀態(tài)Z1的半徑的主旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的基本上等熵的壓縮。

如圖3所示，輸入通道31具有基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線22延伸的、延伸直至葉輪30的進(jìn)口33之前的出口部段34，因此輸入通道31中的工作介質(zhì)流相互分隔并且基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線22地導(dǎo)引進(jìn)葉輪30中。

另外如圖3所示，輸入通道31具有基本上沿徑向延伸的輸入部段35，其設(shè)置在接入葉輪30中的出口部段34和內(nèi)部換熱器1”之間。排出通道32與壓縮通道25相連，所述壓縮通道將工作介質(zhì)導(dǎo)引至外部換熱器1’。

尤其如圖3所示，輸入通道31在出口部段34上具有弧形彎曲的壁36，其導(dǎo)致工作介質(zhì)從徑向輸入部段35向軸向出口部段34大致90°地轉(zhuǎn)向。

尤其如圖4所示，輸入通道31的出口部段34通過基本上沿相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線22的徑向和軸向延伸的分隔元件37限定，所述分隔元件在所示實(shí)施形式中通過基本上平的分隔壁構(gòu)成。分隔元件37具有徑向的延伸并且星狀的布置。因此在所示實(shí)施形式中，出口部段34規(guī)則地并且以恒定的徑向間隔圍繞轉(zhuǎn)子21的旋轉(zhuǎn)軸線22布置。

由圖4還可以看出，葉輪30具有多個(gè)弧形彎曲的葉片38，借助所述葉片使得工作介質(zhì)在流過葉輪30時(shí)沿葉輪30的旋轉(zhuǎn)方向39加速。葉輪30在面向旋轉(zhuǎn)軸線22的一側(cè)具有不帶葉片38的徑向部段40，來(lái)自輸入通道31的工作介質(zhì)流在該徑向部段40中匯聚和變均勻。在徑向部段40上設(shè)置弧形彎曲的轉(zhuǎn)向壁41(參照?qǐng)D3)，借助其使得工作介質(zhì)從在進(jìn)入葉輪30時(shí)的軸向流體偏轉(zhuǎn)90°地成為在葉片38之前的徑向流體。

如圖4所示，排出通道32具有參照葉輪30的輪廓、也就是參照葉輪30的在橫截面中呈圓形的外表面、相對(duì)于徑向傾斜延伸的進(jìn)口部段42，所述進(jìn)口部段與基本上沿徑向延伸的排出部段43相連。

如圖4、6示意地示出，葉輪30具有葉輪軸44，所述葉輪軸與發(fā)動(dòng)機(jī)(未示出)相連。所述發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置用于使葉輪30沿轉(zhuǎn)子21的旋轉(zhuǎn)方向45旋轉(zhuǎn)。在所示實(shí)施形式中，葉輪44的旋轉(zhuǎn)軸線和轉(zhuǎn)子21的旋轉(zhuǎn)軸線22重合。在作為熱力機(jī)器工作時(shí)，葉輪30(此時(shí)作為渦輪機(jī)工作)與發(fā)電機(jī)相連。所述渦輪機(jī)在相應(yīng)的質(zhì)量流流過時(shí)將產(chǎn)生的壓差轉(zhuǎn)換成軸功率。

如圖5所示，裝置20具有動(dòng)態(tài)密封縫隙46，其將由于葉輪30的出口處相對(duì)進(jìn)口處升高的壓力產(chǎn)生的回流最小化。葉輪30的對(duì)應(yīng)薄片47嵌入密封縫隙46中，用于產(chǎn)生多個(gè)盡可能小的縫隙。

圖7示出備選的實(shí)施形式，其中單獨(dú)的葉輪30具有多個(gè)、在所示實(shí)施形式中為兩個(gè)、可相繼通流的葉輪級(jí)30’、30”。所述葉輪級(jí)30’、30”通過轉(zhuǎn)向裝置30”’相互連接，借助該轉(zhuǎn)向裝置工作介質(zhì)首先從徑向向外的流(在與第一葉輪級(jí)30”連接處)轉(zhuǎn)向?yàn)閺较蛳騼?nèi)的流并且之后轉(zhuǎn)向?yàn)槌蛐D(zhuǎn)軸線22的流，直至到達(dá)第二葉輪級(jí)30’之前。每個(gè)葉輪級(jí)30’、30”與按照?qǐng)D1至6所示的單級(jí)實(shí)施形式相應(yīng)地構(gòu)成。在所示實(shí)施形式中，葉輪級(jí)30’、30”設(shè)置在相同的葉輪軸44上，所述葉輪軸與發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)相連。葉輪級(jí)30’、30”可以備選地支承在分開的葉輪軸上，其中每個(gè)葉輪級(jí)30’、30”與發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)相連。