AT518926A1

AT518926A1 - Wärmekraftmaschine

Info

Publication number: AT518926A1
Application number: ATA50700/2016A
Authority: AT
Original assignee: Edelweis Energy Systems Gmbh
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2018-02-15
Also published as: AT518926B1; WO2018023142A1

Abstract

Eine Wärmekraftmaschine bestehend aus zumindest einem Zylinder (1) mit einem zur Erwärmung eines Arbeitsmediums ausgelegten warmen Bereich (2) und einem zur Kühlung desselben Arbeitsmediums ausgelegten kalten Bereich (4), wobei der warme Bereich und der kalte Bereich über einen wärmespeichernden Regeneratorbereich (3) zum Austausch des Arbeitsmediums zwischen dem warmen Bereich und dem kalten Bereich miteinander in Verbindung stehen, wobei im warmen Bereich zumindest ein warmer Kolben (23) zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem warmen Bereich in den kalten Bereich und im kalten Bereich zumindest ein kalter Kolben (43) zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem kalten Bereich in den warmen Bereich vorgesehen ist und der zumindest eine warme Kolben und der zumindest eine kalte Kolben mit einem Getriebe (61 bis 63 oder 71 bis 76) zusammenwirken, und zumindest ein Regeneratorkolben (33) zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem Regeneratorbereich vorgesehen ist, wobei ein Totraum für das Arbeitsmedium vermieden wird.

Description

Wärmekraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine.

Derartige Maschinen gehören zur Gattung der Heißluft - bzw. Stirlingmaschinen, die unter Wärmezufuhr und Kühlung als Motoren arbeiten, und als Wärmepumpen, wenn sie angetrieben werden.

Bei Heißluft- bzw. Stirlingmaschinen existieren wesentliche Problemebereiche: a. ) Der Carnot-Kreisprozess, welcher der Maschine zugrunde liegt, und dessen von dem

Temperaturunterschied zwischen heißem und kaltem Zustand abhängiger Wirkungsgrad kann aufgrund von mechanisch - konstruktiven Einschränkungen (Reibung, Wärmeübertragungsverluste) durch reale Maschinen nicht erreicht werden. b. ) Ein weiterer grundsätzlicher Punkt weshalb der Wirkungsgrad existierender

Stirlingmaschinen nicht dem theoretischen Wirkungsgrad des Carnot-Kreisprozesses folgen kann ist die Tatsache, dass ein Teil des Arbeitsvolumens stets im Regenerator und Wärmetauscher vorhanden ist. Dieses, auch Totraum genannte Volumen führt dazu, dass hier das Arbeitsmedium nicht dazu genutzt werden kann, um Arbeit zu gewinnen und dies wiederum vermindert stets den realisierbaren Wirkungsgrad der Maschine. c. ) Die Erwärmung sowie die Abkühlung des Arbeitsmediums benötigt immer eine gewisse Zeit, weshalb eine kontinuierliche Bewegung der Kolbenkörper dem theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad entgegensteht.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Wärmekraftmaschine, bei welcher ein Totraum weitgehend vermieden werden kann und bei welcher durch eine verbesserte Kolbenkonzeption und Kolbenbewegung der Wirkungsgrad erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einer Wärmekraftmaschine gelöst, erfindungsgemäß bestehend aus zumindest einem Zylinder mit einem zur Erwärmung eines Arbeitsmediums ausgelegten warmen Bereich und einem zur Kühlung desselben Arbeitsmediums ausgelegten kalten Bereich, wobei der warme Bereich und der kalte Bereich über einen wärmespeichernden

Regeneratorbereich zum Austausch des Arbeitsmediums zwischen dem warmen Bereich und dem kalten Bereich miteinander in Verbindung stehen, wobei im warmen Bereich zumindest ein warmer Kolben zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem warmen Bereich in den kalten Bereich und im kalten Bereich zumindest ein kalter Kolben zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem kalten Bereich in den warmen Bereich vorgesehen ist und der zumindest eine warme Kolben und der zumindest eine kalte Kolben mit einem Getriebe Zusammenwirken, und zumindest ein Regeneratorkolben zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem Regeneratorbereich vorgesehen ist, wobei ein Totraum für das Arbeitsmedium vermieden wird.

Dank der Erfindung kann eine Wärmekraftmaschine, die im Prinzip als Stirlingmotor arbeitet mit hohem Wirkungsgrad geschaffen werden.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen

Fig. 1 eine Anordnung der Kolben einer Wärmekraftmaschine nach der Erfindung in einer vereinfachten Schnittdarstellung,

Fig. 2 gleichfalls in einem schematischen Schnitt die Kolbenanordnung nach Fig. 1 samt einer elektromechanischen Steuerung,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung der Fig. 1 mit drei Schnittlinien,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Ebene IV-IV der Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Ebene V-V der Fig. 3,

Fig. 6 einen Schnitt nach der Ebene VI-VI der Fig. 3,

Fig. 7 die einzelnen Phasen eines Arbeitszyklus an Hand der Kolbenbewegungen unter Bezugnahme auf ein pv-Diagramm und

Fig. 8 eine beispielsweise Kopplung von drei Kolben einer Wärmekraftmaschine nach der Erfindung mittels eines mechanischen Getriebes in verschiedenen Arbeitsphasen und

Fig. 9 in geschnittener schaubildlicher Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer Wärmekraftmaschine nach der Erfindung mit flachen Kolben.

Um die Lesbarkeit des Textes zu erhöhen werden vorerst einige später verwendete Begriffe erläutert/definiert.

Bereich des Zylinders:

Unter einem Bereich des Zylinders ist ein Abschnitt zu verstehen welcher: □ jene Oberfläche an der Innenseite des Zylinders darstellt, die dem Kolben gegenüber steht sowie das Volumen, in dem sich der jeweiligen Kolben innerhalb des Zylinders bewegt. □ im warmen Bereich von außen Wärme zugeführt bekommt. □ im Regeneratorbereich innen eine wärmespeichernde Schicht mit der Eigenschaft eines Regenerators aufweist und nach außen isoliert ist. □ im kalten Bereich Wärme nach außen abführen.

Kolben:

Unter einem Kolben ist ein Körper zu verstehen der: □ gegenüber dem Arbeitsraum eine Oberfläche aufweist, die im eingeschobenen Zustand der Oberfläche des Zylinders entspricht und das gesamte Arbeitsvolumen in diesem Bereich verdrängen kann. □ sowohl thermisch als auch mechanisch stabil und dicht gegenüber dem Arbeitsmedium ist. □ geradlinig über den gesamten Bewegungsablauf geführt wird, das heißt von der maximalen Annäherung an die innere Zylinderoberfläche bis zur maximalen Entfernung von der inneren Zylinderoberfläche. Dies entspricht dem gesamten Hub. □ mit einem Getriebe verbunden ist. □ eine thermische Isolation zwischen Arbeitsraum und Getriebe ermöglicht. □ Ein Kolben erfüllt somit die Eigenschaften auf der einen Seite Volumen zu verdrängen und auf der andern Seite Arbeit an ein Getriebe vermitteln zu können. Darüber hinaus kann er eine wärmespeichernde Beschichtung gegenüber dem Arbeitsmedium aufweisen.

Regenerator

Unter Regenerator ist zu verstehen: □ jener Bereich des Zylinders, durch welchen das Arbeitsmedium zwischen dem warmen Bereich des Zylinders und dem kalten Bereich des Zylinders hin sowie wieder zurück strömt. □ Die Beschichtung an der inneren Oberfläche des Zylinders sowie die Beschichtung an der äußeren Oberfläche des Kolbens in diesem Bereich, mit guten Wärmespeichereigenschaften und geringer Wärmeleitfähigkeit entlang des Temperaturgradienten. Diese Schichten stellen den Regenerator dar. □ Der Regeneratorkolben, welcher in der Lage ist, das gesamte Arbeitsmedium aus dem Regeneratorbereich zu verdrängen. □ Die äußere Schicht des Zylinders, welche die innere wärmespeichernde Schicht nach außen thermisch isoliert.

Getriebe:

Unter Getriebe ist eine Vorrichtung zu verstehen welche: □ zu jedem Zeitpunkt jedem Kolben einzeln eine bestimmte Position und Bewegungsrichtung zuweisen kann. □ die Kolben so bewegen kann, dass durch die resultierende Bewegung im Falle der Isochore im Carnot-Prozess das Volumen des Mediums möglichst konstant gehalten werden kann, und im Falle der Isotherme im Carnot-Prozess die Temperatur des Mediums möglichst konstant gehalten werden kann. □ Ein Getriebe kann rein mechanisch oder elektromechanisch oder in einer Mischform ausgefertigt werden.

Die im Folgenden beschriebene Maschine soll einerseits durch ihre besondere Konstruktion der Totraum eliminieren und andererseits durch eine diskontinuierliche Steuerung der Kolben mittels eines Getriebes erreichen, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsmedium und den Wärmetauschern sowie dem Regenerator stets möglichst gering gehalten werden kann. Dies wird durch die Steuerung der Geschwindigkeit und des Flusses des Arbeitsmediums entlang der drei unterschiedlichen Bereiche - warmer Wärmetauscher, Regenerator, kalter Wärmetauscher - erreicht.

Insbesondere wird die Möglichkeit geschaffen, durch einen Regeneratorkolben das Arbeitsmedium vollständig aus dem Regeneratorbereich zu verdrängen.

Im Inneren der Maschine befindet sich das Arbeitsmedium welches bevorzugt ein annähernd ideales Gas, z.B. Helium, Luft oder Stickstoff ist.

Zunächst auf Fig. 1 Bezug nehmend umfasst der Zylinder 1 als solcher drei unterschiedliche Bereiche:

Im warmen Bereich 2 dient ein Teil 22 als warmer Wärmetauscher und wird durch eine externe Wärmequelle, eingezeichnet als Sonnensymbol, kontinuierlich beheizt, um das Arbeitsmedium zu erhitzen.

Der Regeneratorbereich 3 mit einer Speicherschicht 32 sowie einem Regeneratorkolben 33 mit einer Speicherschicht 31 dient dem Austausch der thermischen Energie zwischen dem Arbeitsmedium und den Speicherschichten 31, 32.

Im kalten Bereich 4 dient ein Teil 44 als kalter Wärmetauscher der Abfuhr der thermischen Energie an eine externe Wärmesenke, symbolisch dargestellt als Eiskristall.

Die Kolben können wahlweise mit einem mechanischen Getriebe, das beispielsweise weiter unten in Zusammenhang mit Fig. 8 beschrieben ist, oder jeweils mit elektromechanischen Linearmotoren/-generatoren, die beispielsweise weiter unten in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben sind, verbunden sein.

Sind die Kolben mechanisch mit einem Getriebe verbunden, so erfolgt die Steuerung der Kolbenbewegung über ein Kurvengetriebe, welches eine, auf ein festgelegtes Temperaturgefälle zwischen warmen und kalten Bereich des Zylinders optimierte diskontinuierliche Bewegung und Geschwindigkeit der Kolben ermöglicht.

Erfolgt die Steuerung der Kolben durch Linearmotoren/-generatoren, so werden diese durch eine in Fig. 2 gezeigte Steuer- und Recheneinheit 84 gesteuert, welche aufgrund von Sensordaten, in Abhängigkeit der Druck- und Temperaturzustände in den einzelnen Bereichen des Zylinders, die Bewegungsrichtung sowie die Geschwindigkeit der Kolben beeinflusst,. Dies hat den Vorteil, dass die Optimierung für unterschiedliche Temperaturen im heißen und kalten Teil des Motors ohne Tausch eines Getriebes möglich ist.

Im kalten Bereich 4 des Zylinders 1 sind ein Temperatursensor 82 und ein Drucksensor 83 angeordnet, welche entsprechende Daten erfassen und diese an die Steuer- und Recheneinheit 84 weitergeben. Ein weiterer Temperatursensor 81 erfasst die Temperatur eines latenten Wärmespeichers 24 (siehe auch Fig. 1) und gibt diese Daten ebenfalls an die Steuer- und Recheneinheit 84 weiter.

Die Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtungen der einzelnen Kolben können so durch den Zustand des Arbeitsmediums (Temperatur und Druck) zu jedem Zeitpunkt festgelegt werden.

Auf Fig. 1 zurückkommend erkennt man, dass der (Hohl-)Zylinder 1 an seiner Basis zylindrisch und sodann kegelstumpfförmig verläuft. Der Zylinder 1 weist den „warmen" Bereich 2 sowie den „kalten" Bereich 4 sowie dazwischen den Regeneratorbereich 3 auf. Der kalte Bereich 4 des Zylinders 1 endet - in der Zeichnung rechts - in einem zylindrischen Isolierbereich 5, innerhalb dessen die Kolben z.B. mit nicht gezeigten bekannten Kolbenringen zum druckfesten Abschluss des Arbeitsmediums versehen sein können.

Zur Verbindung des Zylinders 1 mit dem in Fig. 1 nicht gezeigten mechanischen Getriebe oder den Linearmotoren/-generatoren dient der oben erwähnte zylindrische Isolierabschnitt 5.

Der Zylinder 1 besteht im heißen Bereich 2, Teil 22 und im kalten Bereich 4, Teil 42 aus einem druckfesten gut wärmeleitfähigen Material, wie z.B. Eisen oder Kupfer. Im Bereich des Regenerators 3 besteht der Zylinder außen aus einem Isolator 34,wie z.B. Keramik, und innen aus einer gut wärmespeicherfähigen Speicherschicht 32 aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit entlang des Temperaturgradienten.

In dem Zylinder 1 befinden sich drei ineinander bewegliche und konzentrisch angeordnete Kolben 23, 33 und 43. Der innerste Kolben 23 und der äußerste Kolben 43 sind Arbeitskolben, deren Oberflächen je mit Schichten 21,41 hoher Wärmespeicherfähigkeit versehen sind. Der innerste, warme Kolben 23 steht, in der Zeichnung links, im eingeschobenen Totpunkt dem geheizten warmen Bereich 2 des Zylinders 1 und der äußerste kalte Kolben 43 im eingeschobenen Totpunkt dem gekühlten kalten Bereich 4 des Zylinders 1 gegenüber. Die Oberflächen des innersten und des äußersten Kolben 23 und 43 sind mit den Schichten 21,41 hoher Wärmespeicherfähigkeit, wie z.B. Eisen oder Kupfer ausgestattet. Der mittlere Kolben 33 ist der bereits oben erwähnte Regeneratorkolben 33. Er steht im eingeschobenen Totpunkt der Speicherschicht 32 und der Isolierung 34 des Zylinders 1 gegenüber und ist mit der Speicherschicht 31 versehen, welche eine hohe Wärmespeicherfähigkeit bei geringer Wärmeleitfähigkeit in Richtung des Temperaturgradienten aufweist, wie z.B. Eisen oder Kupfer.

Der Teil 22 im warmen Bereich 2 des Zylinders 1 ist an seiner Außenseite von einem Gehäuse 26 umgeben, welches den latenten Wärmespeicher 24 enthält, der beispielsweise aus einem Salz oder Aluminium besteht, um eine wechselnde äußere Wärmezufuhr möglichst zu nivellieren und um die Temperatur dadurch an der Innenseite möglichst konstant zu halten. Der latente Wärmespeicher wird anhand seines Schmelzpunktes und seiner spezifischen Wärme ausgewählt. Beispielsweise kann 1 dm3 flüssiges Aluminium bei 10 kW Wärmeableitung die Temperatur 95 sec lang bei 660° C halten, 1 m3 mehr als 26 Std.

Der Teil 42 im kalten Bereich 4 des Zylinders 1 ist an seiner Außenseite mit einer Kühlvorrichtung 44 umgeben, welche beispielsweise eine Kühlflüssigkeit enthalten kann.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind im kalten Bereich 4 des Zylinders 1 zur Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels eine Zuleitung 45 sowie eine Ableitung 46 vorgesehen.

Ein elektromechanisches Getriebe mit einem Gehäuse 77 beinhaltet die bereits erwähnten Linearmotoren/-generatoren, welche im vorliegenden Fall feststehende Spulen 72, 74, 76 und durch diese bewegte Magnete 71, 73, 75 aufweisen.

Die Steuerung und Bewegung der Kolben erfolgt durch die Steuer- und Recheneinheit 84, welche die Linearmotoren/-generatoren im Ablauf regelt. Der innerste warme Kolben 23 wird durch einen ihm zu geordneten Linearmotor/-generator 71-72 bewegt bzw. steht mit diesem in Verbindung. Ebenso wird der Regeneratorkolben 33 durch einen diesem zugeordneten Linearmotor/-generator 73-74 bewegt und auch der äußerste kalte Kolben 43 wird durch einen eigenen Linearmotor/-generator 75-76 bewegt. Die Linearmotoren sind in einer gemeinsamen Antriebseinheit zusammengefasst, die mit dem Gehäuse lösbar verbunden ist.

Die Steuerung erfolgt durch einen Steuerteil der Steuer- und Recheneinheit 84, welcher Informationen von den Temperatursensoren 81, 82 sowie dem Drucksensor 83 erhält bzw. ausliest und gemeinsam mit den Informationen, welche von Stromsensoren 87, 88, 89 geliefert werden, so verarbeitet, dass die Bewegung der in der später in Fig. 7 dargestellten Form erfolgt. Ein angestrebtes Ziel liegt darin, die Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsmedium und den Wärmetauschern und dem Regenerator möglichst gering zu halten. Dies wird durch die Steuerung der Geschwindigkeit und des Flusses des Arbeitsmediums entlang der Bereiche erreicht.

Ein Leistungsteil 86 der Steuer- und Recheneinheit 84 nimmt die von den Linearmotoren/-generatoren produzierte elektrische Energie auf, um sie an einen externen Stromspeicher (im Falle eines Inselbetriebes) oder an das elektrische Netz weiterzuleiten. Der Leistungsteil 86 der Steuer- und Recheneinheit 84 enthält beispielsweise einen elektrischen Kurzzeit-Energiespeicher 85, z.B. einen Kondensator mit 5000 pF/450 V für 10 kW bei 1200 U/min, welcher der Schwungmasse bei einer rein mechanischen Steuerung entspricht. Dieser Kurzzeitspeicher speichert die Energie aus der Expansion und gibt diese kontinuierlich an Netz oder externen Speicher ab und stellt auch die benötigte elektrische Energie zur Verfügung, um die Linearmotoren während der Kompression zu betreiben.

Bezugnehmend nun auf die Fig. 3 bis 6 zeigt Fig. 4 einen Querschnitt durch den warmen Bereich der Maschine, in welchem sich der innerste, warme Kolben 23 eingeschoben am oberen Totpunkt befindet. Die Kolbenoberfläche ist zur Oberflächenvergrößerung sternförmig ausgeführt und passt in eine entsprechend ausgeführte Oberfläche der

Innenseite des Zylinders 1.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch den Regeneratorbereich der Maschine. Auch der Regeneratorkolben 33 ist zur Oberflächenvergrößerung sternförmig ausgeführt und passt in eine entsprechend ausgeführte Oberfläche der Innenseite des Zylinders 1. Im Zentrum befindet sich der innerste Kolben 23 welcher in diesem Bereich rund bzw. zylindrisch ausgeführt ist.

Ein Querschnitt durch den kalten Bereich der Maschine ist in Fig. 6 gezeigt, in welcher sich der äußerste kalte Kolben 43 eingeschoben am oberen Totpunkt befindet. Die Kolbenoberfläche ist vorne sternförmig und im hinteren Teil rund bzw. zylindrisch ausgeführt. Entsprechend ist auch die zugeordnete Oberfläche der Innenseite des Zylinders 1 rund bzw. zylindrisch ausgeführt. Im Inneren des kalten Kolbens 43 befindet sich sowohl der warme Kolben 23 als auch der Regeneratorkolben 33, die beide in diesem Bereich ebenfalls rund bzw. zylindrisch ausgeführt sind.

Der Ablauf der Bewegungen der über das Getriebe verbundenen Kolben und die Energieaufnahme sowie -abgabe wird nun an Hand der Fig. 7 dargestellt. Mit Q ist die thermische Energie des Arbeitsmediums bezeichnet, welche vom warmen Wärmetauscher bezogen (Q <= warm) oder an den kalten Wärmetauscher geliefert (Q => kalt) oder mit dem

Regenerator (Q <= / => Regenerator) getauscht wird. W bezeichnet die Arbeit am Getriebe. Die Pfeile an den Kolben deuten jene Bewegung an, die in diesem Bild beginnt und bis zum nächsten durchgeführt wird. Es werden insbesondere auch in Fig. 1 für verschiedene Bauteile verwendete Bezugszeichen benutzt, so dass Fig. 7 immer auch mit Fig. 1 zu betrachten ist.

Phase m - a. In dieser Phase wird Arbeit an das Getriebe abgeführt und der warme Kolben 23 bewegt sich durch die Ausdehnung des Arbeitsmediums vom Zylinder 1 weg. Die Temperatur des Arbeitsmediums wird durch die Wärmeabgabe auf Seiten des Teils 22 des Zylinders und der Speicherschicht 21 des warmen Kolbens 23 konstant gehalten.

Phase a - b. Der warme Kolben 23 bewegt sich durch die Ausdehnung des Arbeitsmediums bis zum maximalen Hub und leistet weiterhin Arbeit.

Phase b - c. Der warme Kolben 23 wird durch das Getriebe wieder in Richtung des Zylinders 1 verschoben. Zeitgleich wird der Regeneratorkolben 33 vom Zylinder 1 wegbewegt. Dadurch wird das Arbeitsmedium an den Regenerator-Speicherschichten 31, 32 vorbeigeführt und gibt dabei Wärme an diese ab. Der Vorgang der Wärmeabgabe an die Regenerator-Speicherschichten 31, 32 dauert während der gesamten Phasen b -f an.

Phase c - d. Bei geöffneter Stellung des Regeneratorkolbens 33 wird der kalte Kolben 43 vom Zylinder 1 wegbewegt. Der warme Kolben 23 wird in Richtung Zylinder 1 verschoben. Dadurch kommt es zum Überströmen des Arbeitsmediums über den Regenerator 3 vom warmen in den kalten Bereich des Zylinders 1; dies gilt für die gesamten Phasen c - e.

Phase d - e. Der warme Kolben 23 wird bis zum Zylinder 1 verschoben. Der kalte Kolben 43 wird vom Zylinder 1 wegbewegt.

Phase e - f. Der Regeneratorkolben 33 wird bis zum Zylinder 1 bewegt. Dadurch wird das Arbeitsmedium vollständig in den kalten Bereich 4 des Zylinders 1 verschoben.

Phase f - g. In dieser Phase wird Arbeit durch das Getriebe zugeführt und der kalte Kolben 43 bewegt sich auf den Zylinder 1 zu. Die Temperatur des Arbeitsmediums wird durch die Wärmeaufnahme des kalten Bereichs des Zylinderteils 42 sowie der Speicher Schicht 41 des kalten Kolbens 43 konstant gehalten.

Phase g - h. Der kalte Kolben 43 wird weiter in Richtung Zylinder 1 geschoben, es wird weiterhin Arbeit durch das Getriebe zugeführt.

Phase h - i. Der kalte Kolben 43 wird weiter in Richtung Zylinder 1 bewegt. Der Regeneratorkolben 33 wird vom Zylinder 1 wegbewegt und das Arbeitsmedium beginnt sich in an den Regenerator-Speicherschichten 31, 32 vorbei zu bewegen und nimmt Wärme von diesen auf. Der Vorgang der Wärmeübergabe von den Regenerator-Speicherschichten 31, 32 an das Arbeitsmedium dauert während der Phasen j-m an.

Phase i - k. Bei geöffneter Stellung des Regeneratorkolbens 33 bewegt sich der kalte Kolben 43 weiter auf den Zylinder 1 zu. Der warme Kolben 23 beginnt sich von dem Zylinder 1 zu entfernen.

Phase k - 1. Der warme Kolben 23 wird weiter vom Zylinder 1 wegbewegt und der kalte Kolben 43 wird bis zum Zylinder 1 verschoben. Das Arbeitsmedium wird dadurch weiter in den warmen Bereich 2 des Zylinders 1 verschoben.

Phase 1 - m. Der Regeneratorkolben 33 wird bis zum Zylinder 1 geschoben. Das Arbeitsmedium wird dadurch vollständig vom Regeneratorbereich 3 in den warmen Bereich 2 des Zylinders 1 verschoben. Der warme Kolben 23 wird zeitgleich vom Zylinder 1 wegbewegt.

Auf Fig. 8 Bezug nehmend sei eine beispielsweise mechanische Steuerung erläutert. Die Steuerung und Bewegung der Kolben, welche im Prinzip jenen der Fig. 2 entsprechen aber in Achsrichtung verkürzt dargestellt sind, erfolgt durch ein in der Zeichnung rechts von den Kolben dargestelltes Kurvengetriebe, bei dem die jeweilige Kurvenglieder 62 kraftschlüssig mit einer Kolbenstange 61 verbunden sind.

Die mit den Buchstaben a bis m bezeichneten Phasen der Bewegungen der einzelnen Kolben werden durch die Anordnung der Kurvenglieder 62 so gesteuert, dass bei einem konstanten Temperaturangebot auf der warmen Seite und einer konstanten Temperatur auf der kalten

Seite des Zylinders eine Bewegung der Kolben mit dem Ziel die Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsmedium und den Wärmetauschern und dem Regenerator stets möglichst gering zu halten ermöglicht wird. Dies wird durch die Steuerung der Geschwindigkeit und des Flusses des Arbeitsmediums entlang der Bereiche erreicht.

Die Kurvenglieder 62 sind, in nur schematisch dargestellter, für den Fachmann jedoch klarer Weise erkennbar miteinander und mit einer Schwungmasse über eine Welle 63 verbunden.

An Hand der Fig. 9 soll illustriert werden, dass eine kreiszylindrische Bauart der Kolben und des Zylinders, wenngleich aus fertigungstechnischen Gründen oft bevorzugt, keineswegs zwingend ist. Der Querschnitt der Koben könnte auch elliptisch sein und ist, sozusagen im Extremfall, wie in Fig.9 dargestellt, flach und keilförmig. Diese Anordnung ist zum Beispiel dafür geeignet, die Maschine direkt der Sonnenbestrahlung auszusetzen und die so gewonnene Wärme zu verwenden.

Der warme Kolben 23 liegt hier direkt unter dem der Sonne zugewandten warmen Bereich 2. Darunter befindet sich der obere Regeneratorkolben 33, welcher das Arbeitsmedium aus dem oberen Teil des Regeneratorbereichs 3 verdrängen kann.

Wieder unter diesem befindet sich ein weiterer keilförmiger unterer Regeneratorkolben 33, der das Arbeitsmedium aus dem unteren Teil des Regeneratorbereichs 3 verdrängen kann.

Unterhalb dieses Regeneratorkolbens befindet sich der kalte Kolben 43, welcher dazu dient, das Arbeitsmedium aus dem kalten Bereich 4 zu verdrängen. Im kalten Bereich 4 wird die Wärme gegen eine Wärmesenke (Luft oder Warm- bzw. Heizwasser) ausgetauscht.

Weitere mögliche Ausführungsformen können beispielsweise eine nicht dargestellte 5-Kolben 1-Zylinder Maschine umfassen. Bei einer solchen sind der warme- sowie der kalter Kolben jeweils nochmals konzentrisch geteilt, um in den isothermen Phasen, nämlich f - h: Kühlen und m - b: Heizen eine noch bessere Ausnutzung des Wärmetransfers an und von den Oberflächen der Kolben und des Zylinders zu ermöglichen.

Bezug szeichenliste 1 Zylinder 2 warmer Bereich 21 Speicherschicht, warmer Kolben 22 wärmetauschender Teil des Zylinders, warmer Bereich 23 warmer Kolben 24 latenter Wärmespeicher, Zylinder, warmer Bereich 26 Gehäuse, Zylinder, warmer Bereich 3 Regeneratorbereich 31 Wärmespeicher Schicht, Regeneratorkolben 32 Wärmespeicher Schicht, Zylinder, Regeneratorbereich 33 Regenerator Kolben 34 Isolierung, Zylinder, Regeneratorbereich 4 kalter Bereich 41 Wärmespeicher Schicht, kalter Kolben 42 wärmetauschender Teil des Zylinders, kalter Bereich 43 kalter Kolben 44 Kühlung 45 Kühlwasser Zufuhr 46 Kühlwasser Abfuhr 5 Isolierbereich 6 mechanisches Getriebe 61 Kolbenstangen 62 Kurvenglieder 63 Welle mit Schwungmasse 7 elektromagnetisches Getriebe 71 Magnet, warmer Kolben 72 Spule, warmer Bereich 73 Magnet, Regeneratorkolben 74 Spule, Regeneratorbereich 75 Magnet, kalter Kolben 76 Spule, kalter Bereich 77 Gehäuse, elektromagnetisches Getriebe 8 elektrische Steuerung 81 warmer Temperatur sensor 82 kalter Temperatur sensor 83 Drucksensor 84 Recheneinheit 85 Kurzzeit-Energiespeicher

86 Leistungsteil / Stromausgang 230 V 87 warmer Stromsensor 88 Regenerator Stromsensor 89 kalter Stromsensor

Claims

Patentansprüche

1. Wärmekraftmaschine bestehend aus zumindest einem Zylinder (1) mit einem zur Erwärmung eines Arbeitsmediums ausgelegten warmen Bereich (2) und einem zur Kühlung desselben Arbeitsmediums ausgelegten kalten Bereich (4), wobei der warme Bereich und der kalte Bereich über einen wärmespeichernden Regeneratorbereich (3) zum Austausch des Arbeitsmediums zwischen dem warmen Bereich und dem kalten Bereich miteinander in Verbindung stehen, wobei im warmen Bereich zumindest ein warmer Kolben (23) zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem warmen Bereich in den kalten Bereich und im kalten Bereich zumindest ein kalter Kolben (43) zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem kalten Bereich in den warmen Bereich vorgesehen ist und der zumindest eine warme Kolben und der zumindest eine kalte Kolben mit einem Getriebe (61 bis 63 oder 71 bis 76) Zusammenwirken, und zumindest ein Regeneratorkolben (33) zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem Regeneratorbereich vorgesehen ist, wobei ein Totraum für das Arbeitsmedium vermieden wird.
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regeneratorkolben (33) zumindest einen warmen Kolben (23) und einem kalten Kolben (43) zumindest in einem Teilbereich seiner Längserstreckung berührt und dass zumindest ein kalter Kolben (43) und ein warmer Kolben (23) einen Regeneratorkolben (33) zumindest in einem Teilbereich seiner Längserstreckung berührt.
3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der warmen Kolben (23), der Regeneratorkolben (33) und der kalten Kolben (43) Oberflächen aufweisen, die mit entsprechenden gezahnten bzw. gewellten Oberflächen der inneren Zylinderfläche Zusammenwirken (Fig. 3 bis 6).
4. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (71 bis 76) von Linearmotoren gebildet ist.
5. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Regeneratorkolben (33) von zumindest einem Linearmotor angetrieben ist.
6. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearmotoren in einer gemeinsamen Antriebseinheit zusammengefasst sind, die mit dem Gehäuse lösbar verbunden ist.
7. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse im warmen Bereich und im kalten Bereich ein wärmeleitfähiges Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem metallisches Material, insbesondere Stahl und Kupfer, aufweist.
8. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse im Regeneratorbereich ein wärmeisolierendes Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Keramik, insbesondere poröser Keramik, Kork, Holz, und Schaumstoffe, aufweist.
9. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine eine Steuer- und Recheneinheit (84) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die Linearmotoren, die mit dem kalten Kolben (43) und dem warmen Kolben (23) Zusammenwirken sowie den zumindest einen Linearmotor, der den Regeneratorkolben (33) antreibt, zu steuern.
10. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine eine externe Stromzufuhr und/oder einen Energiespeicher (85) für elektrische Energie aufweist.
11. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben als Flachkolben ausgebildet sind (Fig. 9).
12. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearmotoren, die mit dem zumindest einem Warmkolbenkörper und dem zumindest einem Kaltkolbenkörper Zusammenwirken, zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem warmen Bereich in den kalten Bereich mittels zumindest eines warmen Kolbens (23) und zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem kalten Bereich in den warmen Bereich mittels des zumindest einem kalten Kolbens (43) und der zumindest eine Linearmotor zum Antrieb des zumindest einen Regeneratorkolbens (33) zur Verdrängung des Arbeitsmediums aus dem Regeneratorbereich herangezogen werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern der Linearmotoren das Umschalten zwischen Motorbetrieb und Generatorbetrieb der Linearmotoren umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, elektrische Energie von den mit dem zumindest einem warmen Kolbens (23) und dem zumindest einem kalten Kolbens (43) zusammenwirkenden Linearmotoren bei deren Betrieb als Generatoren zu dem zumindest einen, den Regeneratorkolben (33) antreibenden Linearmotor zu leiten.