CN108699922A - 压力平衡多腔容器、热力学能量转换器及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热力学能量转换器(1)，包括用于将工作介质(102)封闭在可变的内部容积内的至少一个第一容积元件和至少一个第二容积元件(10a，10b)，该容积元件包括将内部容积分隔成换热器腔(110，120)和工作腔(200)的壁，其中在工作腔(200)内形成有分隔件(230)，所述分隔件将工作腔(200)分隔成供应有工作介质(201)的工作室(210)和供应有置换流体(202)的力传递室(212)，换热器腔(110，120)与工作室(210)相互连接，使得容积元件(10a，10b)内的工作介质(102)具有相同的压力，并且每个换热器腔(110，120)通过入口以及与入口分隔开形成的出口与工作室(210)连接。根据本发明，作为换热器腔(110，120)和工作室(210)之间的连接的入口和出口分开设计，利用至少一个旋转阀(220)，从而阻止流体流动通过换热器腔(110，120)中的至少一个换热器腔，并支持流体流动通过换热器腔(110，120)中的至少另一个换热器腔。

Description

压力平衡多腔容器、热力学能量转换器及操作方法
本发明涉及一种用于热力学能量转换器的压力平衡多腔容器、热力学能量转换器及操作所述热力学能量转换器的方法。所述能量转换器分别用于将热能转换为机械能以及用于将机械能转换为热能。在热力学循环中，通过供给高温热能从外部加热气态工作介质，并通过去除低温热能从外部以循环的顺序冷却气态工作介质。机械能通过膨胀做攻产生。当完成一个循环后达到初始状态。所谓的压力平衡多腔容器是用于封闭工作介质的容积元件，该容积元件包括多个腔室，工作介质的压力在多个腔室之间自我平衡。
循环至关重要的方面是完成一次这样的循环后，工作装置呈现出与循环开始时相同的状态。如果气体作为工作介质，它的状态可以由三个状态参数p(压力)、V(体积)和T(温度)定义。假设为理想气体，这三个参数之间的关系如下：
如果遵循热力学的这个基本原理，并将其作为构建工作或热机的基础，那么所需要的只是能够选择性地使状态参数p、V和T单独地或以组合的方式保持恒定或者改变的要素。利用这一要素，然后就可能实现以最佳方式单独改变工作装置的状态(例如，等容、等温、等压、绝热或多方状态变化)。因此，仅通过使用此单独的要素对工作装置的状态进行一系列不同的改变，就可以技术上实现任何期望的循环。
该循环可以在配备有气缸和活塞的热机中进行，通过机械运动活塞、连杆和曲轴的旋转运动将膨胀功转换为机械能。在US 8 938 942 B2中描述了这样的热机。该文献中公开了一种外燃闭式循环热机。该热机包括被封闭的气腔、加热器和冷却器。流体路径连接气腔和加热器与冷却器各自的入口侧和出口侧，入口和出口可以通过开关阀门开启或关闭。此外，还提供了一种用于移动工作气体的装置。通过开关阀门执行加热器和冷却器之间的工作气体的供应切换。提供一种由工作气体压缩或膨胀驱动的工作装置，特别是具有活塞和曲轴驱动器的气缸。加热器或冷却器的容积不影响该热机的效率，并且该热机在不同的工况下运转。
分别用于将热能转换为机械能以及用于将机械能转换为热能的这种已知的系统，在每种情况下都遵循单独的、固定的循环。这一点是不利的，在各自的操作领域中，该设计操作的范围在此方面会受到限制。但是，压缩主要是由曲轴驱动器的刚性运动模式引起的。
EP 2 775 109 A1公开了另一种用于将热能转换为机械能的能量转换器。该文献的公开内容同样利用了如下效果，借助于单一的状态变化，从一定量的气态工作介质中仅可以获得一次功。为了反复获得功，工作装置必须返回到初始状态。假设完全可逆，状态变化的简单逆转将会在这两种情况下仅消耗掉先前获得的功。如果需要获得功，则需要通过不同的方式达到初始状态。在这种情况下，状态周期性变化，即工作装置经过一个循环。然后只有这样才能将热能不断地转换为功。气态工作介质位于与外界封闭的容积中。
两个部分填充有作为置换流体的液压油的压力容器，通过网状管道与阀门液压连接。如果在第一压力容器中的工作介质的膨胀做功导致置换流体的覆盖表面向一个方向移动，如向下，并且置换流体从第一压力容器向第二压力容器移动，用于补偿第一压力容器中的置换流体的第二压力容器中的置换流体的覆盖表面将会向相反的方向移动。集成在两个压力容器之间的网状管道中的是力传递单元，如液压马达或线性驱动器，通过该力传递装置可以利用机械能。虽然有冲程顺序的状态变化，但由于两个液压连接的压力容器，也会产生两个循环同时发生。
由于膨胀做功的力传递不是通过气缸内的机械活塞实现的，而是通过几乎不可压缩的液压液体(如液压油)实现的，由此可以克服由曲轴驱动的运动模式产生的一系列过程的几何压缩的问题。液压油同时通过管道提供力传递，如，通过液压马达将机械能转换成旋转运动，从而利用此旋转运动。
由于借助于现有技术提出的阀门和管道风扇的转速提供调节的设计，工作介质可能有各种多变的压缩路径和膨胀路经。然而，这些都会受到他们的调节及压力容器空间容积的限制。
本发明的目的是通过新颖的方法和能量转换器及其部件新颖的设计来提高能量转换器的性能。
本目的尤其是通过具有容积元件作为基础元件的热力学能量转换器来实现的，该容积元件用于将工作介质封闭在大小可变的容积内，下文将该容积元件称为压力平衡多腔容器，用于容纳气态工作介质。压力平衡多腔容器包括将内部容积分隔成换热器腔和工作腔的壁，其中，工作腔的内部形成有分隔件，分隔件将工作腔分隔成供应有工作介质的工作室和供应有置换流体的力传递室。换热器腔和工作室彼此流体连通，使得容积元件内部的工作介质具有相同的压力，并且每个换热器腔通过入口以及与入口分开形成的出口与工作室连接。
工作腔在供应有工作介质的区域形成为工作室，操作期间在工作室中产生预期的热力学循环。工作腔通过至少一个各自可控的工作介质通道开口与高温换热器腔和低温换热器腔连接。
根据本发明，作为换热器腔和工作室之间的连接的入口和出口分开设计，该入口和出口具有至少一个用于影响工作介质流动通过换热器腔的装置，从而阻止工作介质流动通过换热器腔中的至少一个换热器腔，并支持工作介质流动通过换热器腔中的至少另一个换热器腔。
因此，通过用于影响工作介质流动通过换热器腔的装置来控制流体流动通过工作介质通道开口，该装置也被称为封闭装置。在本发明的优选设计例中，两个换热器腔通过共同的循环管道与他们各自的工作腔连接，使得工作介质可以在相应的一个换热器腔和工作腔之间循环，相应的一个换热器腔具有开启的工作介质通道开口。本发明还包括单独的循环管道，但也会涉及增加的结构效果。特定的实施例需要例外的情况下可以应用例外情况。
这种实施例的示例是工作腔设计成管状，其中，软管状、柔性分隔件插入到管状工作腔内并与管状工作腔的端部连接，以形成密封。因此，力传递室形成在管状工作腔和分隔件之间，而工作室形成在软管状分隔件内。
换热器腔布置在管状工作腔外部，例如换热器腔形成为多个单独的腔室，多个单独的腔室提供足够的空间，用于容纳换热器并优选相对于管状工作腔在纵向上延伸。作为此方案的可选择的方案，在尤其节省空间的设计中，设置包覆管用于容纳换热器。出于此目的，包覆管被分隔成两个半壳体，以形成两个分隔开的腔。为了实现换热器的足够性能，优选换热器设计成具有较小直径的多个换热器的形式，使得这些换热器可以在包覆管和管状工作腔之间的狭长空间内彼此平行延伸地安装。
在工作腔的端面和换热器的端面之间存在能够使工作介质通过的连接。这里设置有封闭装置，并且可选地附加有风扇，以使能够选择性地控制工作介质通过。
热力学能量转换器配备有至少一个第一压力平衡多腔容器和至少一个第二压力平衡多腔容器。在供应有置换流体并形成力传递室的工作腔区域，每个压力平衡多腔容器通过至少一个用于置换流体的主管道与流体能量转换器组件连接，该流体能量转换器组件用于在流体能量转换器组件的不同的入口处将置换流体的流体动能(下文简称为流体能量)转换为机械能。在第一压力平衡多腔容器和第二压力平衡多腔容器之间有压差的情况下，置换流体通过流体能量转换器组件从具有高压的力传递室流动至具有低压的力传递室。
根据本发明的有利设计示例，设置用于控制工作介质通道开口的旋转阀，该旋转阀降低工作介质通道开口的横截面的流动区域，至少足够阻碍工作介质的流动。
热力学能量转换器的目的是将可获得的热能转换成动能，或者在相反过程中，将动能转换成热能(加热或冷却)。就转换成动能而言，热能用于加热工作介质。假设工作介质为理想气体，如果工作介质的质量保持恒定，该加热会导致压力和/或工作介质占据的体积增大。于是体积变化导致颗粒运动，因而转化为动能。
根据本发明的热力学能量转换器由至少两个压力平衡多腔容器形成，两个压力平衡多腔容器通过在力传递室区域内的至少一个主管道相互液压连接。在引导置换流体的主管道中，设置流体能量转换器组件，该流体能量转换器组件包括流体能量转换器和阀门组件。也可以将三个、四个或更多个压力平衡多腔容器连接到主管道，使得置换流体压力梯度引起通过流体能量转换器的流动，并且流动能量可以转换成至少一种其他形式的能量。
这种压力平衡多腔容器还用作温度控制容器，用于控制工作介质的温度。其构造成具有至少三个彼此开放的腔的压力平衡多腔容器，使得一个腔中的工作介质的温度或体积的改变始终会引起多个腔之间的质量传递，但是在质量传递之后，多个腔之间的压差始终为零。
容器的设计成高温换热器腔的至少一个腔中设置有高温换热器，并且容器的形成为低温换热器腔的至少一个第二腔中布置有低温换热器。至少一个第三腔至少部分地填充有置换流体。此第三腔设计成工作腔。填充有工作介质的区域被定义为工作室，该区域也被设置在腔内。填充有置换流体的工作腔区域被定义为力传递室。
在操作期间的大部分情况下，第三腔(即工作腔)仅部分填充有置换流体。原则上，也可以在工作室容积VAR＝0时达到上止点，这种情况下，只有换热器腔的容积会在膨胀期间起作用。因此，VAR＝0时的热量和机械效率会明显低于VAR＞0时的热量和机械效率。
每个设计成高温换热器腔或低温换热器腔的腔具有两个开口，该两个开口也称为工作介质通道开口，腔内的一部分被定义为工作室，但是仅高温换热器腔或低温换热器腔中的其中一个换热器腔，被封闭装置堵塞，或者如果需要，增大其流动阻力。此方法也被称作遮挡，其中封闭装置不需要以压力密封的方式封闭开口，为了能够保持腔中的压差。相应地，换热器腔和工作腔之间的连接设置有封闭装置，该封闭装置能够通过增加流动阻力来阻碍流动通过换热器腔中的至少一个换热器腔，使得工作介质优选流动通过换热器腔中的其他换热器腔。这可以通过设计成孔(Blenden)、旋转阀或其他节流装置的封闭装置实现。因此，腔始终彼此开放，但是只有当两个开口都开启时，即，未被遮挡时，才会出现通过两个腔的流动。
在特殊的操作情况下，可以通过增加一个开口或多个开口处的流动阻力阻碍通过两个换热器腔的流动，使得气态工作介质在绝热而不是等温的情况下发生膨胀或压缩。在这种情况下，工作介质会通过循环管道传输到换热器腔内或从换热器腔输出，而气体不会通过高温换热器腔或低温换热器腔循环。
在最常见的操作情况下，热量被永久地供应给高温换热器腔中的工作介质并且被永久地从低温换热器腔中的工作介质中去除。因此，高温换热器腔中的工作介质永久被加热，即，工作介质会持续高温，低温换热器腔中的工作介质始终被冷却，即，工作介质会持续低温。处于稳定状态的工作室中的工作介质的平均温度与其他两个腔中的冷却功率和加热功率之间的比率相对应。
由于强制对流下明显较高的热传导，选择流动通过换热器腔中的第一换热器腔以及与腔彼此开放的工作室，同时阻止流动通过第二换热器，两者一起导致工作室内的工作介质达到工作介质流动通过的换热器腔的温度。如果容积保持恒定，整个压力平衡多腔容器的压力将会在冷却时减小并在加热时增大。通过选择性设置流动路径实现可选择的通过，例如通过堵塞或开启进入工作室的入口、孔或工作介质通道开口。此外，被引入流动路径的流体单元(例如风扇或循环压缩机)可以设置主动强制增加工作介质的容积流率的通道。根据本发明的方法，也可以在没有流体单元的情况下进行，尽管这种情况下，由于仅有低密度热气流入仅会引起有限的循环，其效率非常低。
在示例的初始情况下，冷气作为在压力平衡多腔容器的所有三个腔中的工作介质(高温换热器腔、低温换热器腔、工作室)。在根据本发明的装置启动时，气体在高温换热器腔中被加热。由于高温换热器腔与其他腔彼此开放，一部分热气通过开口流入低温换热器腔和工作室。在低温换热器腔中，气体立即再次被冷却，并在工作室中达到混合温度。当流动通过工作室和高温换热器腔时，其中的气体被加热。在此过程中，气体也会流入低温换热器腔，因为压力始终是平衡的。但是，没有气体会从低温换热器腔出去，因为不会产生通过低温换热器腔的流动。
压力平衡多腔容器的优选设计是，在工作介质通道开口中的至少一个工作介质通道开口和/或循环管道的区域提供流体单元，流体单元用于增加工作腔和压力平衡多腔容器的多个腔中的至少一个腔之间工作介质的流速。流体单元(例如，循环压缩机或风扇)在流动路径中产生压力梯度，但是压力始终会在所有三个腔中自我平衡。
为了使工作介质能够主动地流动通过换热器腔，流体单元理想地将工作介质从工作室传送至换热器腔，通过换热器腔返回至工作室。为了实现工作介质的传递和质量流率的调节，根据本发明的压力平衡多腔容器的优选实施例，流体单元的容积流率通过例如转速控制风扇来控制。为了实现工作室内的工作介质的快速冷却或加热，需要使从工作介质到压力平衡多腔容器的壁的热传输最小化，反之亦然。出于此目的，至少工作腔，优选整个压力平衡多腔容器，具有绝热体，特别是导热性很低的内部绝热体。
此外，优选在置换流体的表面布置分隔件，分隔件会随着置换流体的液面的降低或提升而下降或上升。分隔件可以是绝热的，或者其自身由绝热材料组成，或者包括涂覆有绝热材料或由绝热材料组成的膜。因此，分隔件至少用作置换流体和工作介质之间的隔热件，在优选的设计实施例中，分隔件除了减少热传递之外，也可以阻止二者之间可能的相互作用，例如，置换流体蒸发到工作介质中或工作介质的一部分溶解到置换流体中。在优选的实施例中，分隔件是可移动的。可移动的分隔件设计成，通过选择分隔件的材料和/或形状实现分隔件相对于置换流体的浮力大于自身的重力。因此，分隔件始终会停留在置换流体的表面。
在分隔件的尤其有利的设计示例中，分隔件包括绝热体或其自身由绝热材料组成，并阻止工作介质和置换流体之间不利的热传递。
在其他实施例中，工作介质和置换流体之间的绝热体包括安装在工作室内部的弹性分隔件或具有可移动分隔件的膜。弹性分隔件和膜同时也形成为屏障，以在置换流体和工作介质之间不渗透物质。
根据本发明，绝热进一步提高了热力学能量转换器的效率。在有利的实施例中，分隔件设计成具有边缘的盘状件，该边缘远离置换流体垂直或成锥形向上升起，或者分隔件设计成中空结构，或分隔件设计成扁平的椭圆柱状回转体。分隔件可以另外包括密封构件，用于封闭朝向容器内部的绝热体的间隙。如果分隔件包括朝向力传递室内壁的周向密封件，使得工作介质不会与置换流体直接接触，则分隔件的功能与活塞式蓄能器的功能相似。那么，分隔件对应活塞，其中布置有至少可纵向移动的分隔件的工作腔对应气缸。
工作腔的内部绝热和朝向置换流体的绝热也可通过集成的膜来实现，该膜也被称为囊状物。本实施例的有利之处在于，膜另外将工作室与置换流体密封地分隔开并且避免了密封性的问题。通过这种方式，可以比分隔件的情况更好地防止工作介质溶解到置换流体中和工作介质从置换流体中脱离，尤其是在压力改变的情况下。
为了实现更好地控制换热器腔的温度，即，根据本发明通过热力学能量转换器内的换热器，利用工作介质控制从外部热源或外部冷源传递的并且在各个处理步骤中所需的热流，换热器腔中的至少一个换热器腔可以设计成可控的。为了实现这一点，例如，可以在换热器腔中布置多个单独可控的换热器，或可由高温换热器或低温换热器形成各个单独可控的换热器。这些腔之间的相互连接可依次包括节流功能，例如通过翻板(Klappen)、孔或滑动阀。根据系统的操作方式，对于加热、维持特定的温度以及非等温地膨胀或压缩需要不同的热量。借助于本发明意义上的节流功能，热量可以暂时地存储在腔系统的外部或内部。
此外，可以使用可替换的壁、控制活塞或将换热器腔的下部填充液体到用于改变换热器腔内的有效容积的可变高度，使得在高温换热器腔和低温换热器腔之间始终有最佳功率比。换热器腔的容积可调，有助于实现系统高效的运行，因为换热器腔的容积与工作室的容积相比越小，可使用的功率就越大。因此，根据需要的热量或冷量，需要不同的换热器腔容积。因此，根据本发明的压力平衡多腔容器，换热器腔中的至少一个换热器腔具有可调操作点，其中换热器腔的容积可调。可通过包括气缸元件和控制活塞的控制活塞组件，或通过可借助于控制翻板选择的控制腔，或通过液体控制系统实现容积调节，其中控制液体占据换热器腔的容积的一部分。
这些温度控制容器中的两个温度控制容器通过管子或软管连接或连接钻孔形式的主管道经由流体能量转换器组件连接，这些温度控制容器设计成压力平衡多腔容器。这种连接具有至少一个集成的流体能量转换器。例如，可以是旋转作用的流体马达，但也可以是线性马达或其他可移动的执行机构。
主管道也具有集成的阀门组件，使得可以调节通过流体能量转换器的流体。于是流体能量转换器组件设计为，用于置换流体的主管道通过阀门组件与流体能量转换器连接，使得不管工作腔之间的流动方向如何，流体能量转换器内的流动方向是可调节的，和/或根据压力容器内的工作介质的压力和/或温度控制置换流体的流量。通过这种方式，例如，无论压力平衡容器在何种操作阶段，旋转能量转换器可以始终具有相同的旋转方向。
与主管道并联的是，两个或者更多个压力平衡多腔容器可另外通过具有阀门的旁通管道连接，从而能够将置换流体从压力平衡多腔容器中的一个压力平衡多腔容器的力传递室快速传递到压力平衡多腔容器中的另一个压力平衡多腔容器的力传递室。这是因为在压差小的情况下，通过主管道传递的功率仅很小，总的来说，为了能够快速进行到下一个处理步骤，通过旁通管道加速压力平衡过程更为有效。为此，在第一工作腔和第二工作腔之间的能量转换器中设置有可控制置换流体流动的旁通管道，其中旁通管道在力传递室的区域与每个供应有置换流体的工作腔联结。
在具有壁通道的压力平衡多腔容器的情况下，得到很大优点，所述壁通道中设置有包括蓄热填充物的蓄热器，该蓄热器可以在第一通道方向吸收热量，并在第二通道方向释放热量。通道方向可以借助于封闭装置控制，该封闭装置例如设计成旋转阀，并且设计成壁通道的至少两个分隔开的区域。可选的将蓄热器添加到压力平衡多腔容器中进一步提高整体效率。蓄热器是具有填充物的换热器，该填充物用作短期蓄热，也被称为热物质，热工作介质和冷工作介质交替流动通过蓄热器。首先热量从工作介质传递到蓄热器，随后释放热量到接下来的冲程中随后通过的工作介质中。例如，如果工作介质在加热期间也流入低温换热器腔中，则热量可以提前被释放到蓄热器的热物质中并被蓄存在其中。因此，工作介质在低温换热器腔中不需要被完全冷却，而是已经以预冷状态进入低温换热器腔。当工作介质离开低温换热器腔时，蓄存在蓄热器中的热量可以传递到工作介质中，因此热量的加热工作介质所需的一部分热量不需要由外部热源提供。
根据本发明的有利实施例，压力平衡多腔容器配备有旋转阀，如果循环管道布置为通道分隔壁中的壁通道，则该旋转阀也控制循环管道。
本目的通过用于操作前述热力学能量转换器的方法来进一步实现。在所述方法中，
a.在第一种方式中，热量通过高温换热器传递到第一压力平衡多腔容器的高温换热器腔中的工作介质，并且工作介质也在第一压力平衡多腔容器的工作腔中膨胀，和/或热量通过低温换热器从第二压力平衡多腔容器的低温换热器腔中去除，并且工作介质也在第二压力平衡多腔容器的工作腔中被压缩，其中，由于压力平衡多腔容器中的工作介质的压差，导致置换流体通过主管道和流体能量转换器组件，被从第一压力平衡多腔容器的工作腔压到第二压力平衡多腔容器的工作腔中，并且置换流体的动能被转换成机械能，并且
b.在第二种方式中，热量通过高温换热器传递到第二压力平衡多腔容器的高温换热器腔中的工作介质，并且工作介质也在第二压力平衡多腔容器的工作腔中膨胀，和/或热量通过低温换热器从第一压力平衡多腔容器的低温换热器腔中去除，并且工作介质也在第一压力平衡多腔容器的工作腔中被压缩，其中，由于压力平衡多腔容器中工作介质的压差，导致置换流体通过主管道和流体能量转换器组件，被从第二压力平衡多腔容器的工作腔压到第一压力平衡多腔容器的工作腔中，并且置换流体的动能被转换成机械能。
上述根据本发明的热力学能量转换器，能够通过不同的热力学状态改变的变化和组合以及其在整个过程中的顺序来灵活执行各种循环。例如，通过控制流体能量转换器装置中的流体体积来控制工作介质的容积变化，以及通过选择性的控制热能的供应与移除可以实现各个容器中工作介质等温、等压、等容和绝热(等熵)的状态改变。通过特别是借助于至少一个流体单元(例如，通风设备、风扇或循环压缩机)选择性地控制通过换热器腔的流动，以及通过压力平衡多腔容器中的封闭装置来封闭单个开口，以及通过与第二压力平衡多腔容器或其他的压力平衡多腔容器的相互作用，来实现等温、等压、等容和绝热的状态改变，其中力传递室通过液压装置连接。液压装置主要包括主管道以及与主管道和旁通管道连接的装置(阀门组件、流体能量转换器组件)。
有利地，上述的能量转换器可包括流体能量装换器和具有至少一个第一压力平衡多腔容器和至少一个第二压力平衡多腔容器的至少两对或至少两组压力平衡多腔容器。他们之间通过阀门组件以如下方式连接，成对的工作腔的移动阶段的并联操作能够几乎连续地将置换流体供应到流体能量转换器中。这可以实现能量连续输出。
通过以下参考相关附图对实施例的描述，本发明的进一步的细节、特征和优点会显而易见。在示意图中：
图1示出了根据本发明的热力学能量转换器的一种实施例；
图2示出了根据本发明的具有大小可变的换热器腔的换热器组件的一种实施例；
图3示出了根据本发明的具有两个大小可变的换热器腔的换热器组件的另一种实施例；
图4示出了根据本发明的具有通过控制腔大小可变的换热器腔的换热器组件的另一种实施例；
图5示出了根据本发明的具有通过液体控制系统大小可变的换热器腔的换热器组件的另一种实施例；
图6示出了根据本发明的利用模块结构原理的换热器组件的另一种实施例；
图7示出了根据本发明的具有流体单元的换热器组件的另一种实施例；
图8示出了根据本发明的具有在循环管道中的流体单元的换热器组件的一种实施例；
图9示出了根据本发明的设计紧凑的换热器组件的一种实施例；
图10示出了根据本发明的具有在两种操作状态下的蓄热器的换热器组件的一种实施例；
图11示出了根据本发明的热力学能量转换器的分隔件的五个实施例的横截面；
图12示出了根据本发明的具有弹性分隔件的换热器组件的一种实施例；
图13示出了根据本发明的具有膜和分隔件的换热器组件的一种实施例；
图14a和14b示出了管状压力平衡多腔容器的另一种实施例的纵截面；
图15a至图15c示出了管状压力平衡多腔容器的另一种实施例的横截面；
图16a和图16b示出了管状压力平衡多腔容器的另一种实施例的、如图14b中截面A-A和截面B-B的横截面。
图1示意性地示出了根据本发明的热力学能量转换器1的实施例，热力学能量转换器1包括两个换热器组件100以及与所述两个换热器组件100连接的两个工作腔200，其中换热器组件100和工作腔200一起形成各自的压力平衡多腔容器10a、10b。在具有工作腔200的能量转换器1中，气态工作介质102在循环中发生一系列的不同状态改变，该循环分别包括在各个工作腔200内交替的压缩和膨胀。这可以采用通过高温换热器122的较高温的热能流的供应和通过低温换热器112的较低温的热能流的移除交替进行来实现。优选地，工作介质的冷却和加热借助于规定的换热器112和122以及致动驱动器和/或流体单元142(参照图7至图10)来产生，流体单元为如风扇或通风设备。
两个工作腔200分别包括上部区域和下部区域，其中上部区域供应有工作介质102并被称为工作室210，其中形成在工作室210下方的下部区域供应有置换流体202并被称为力传递室212。置换流体202是几乎不可压缩的流体。因此，其作用方式与机械系统中具有活塞杆的活塞相似，并用于将由工作介质102施加的压力的力传递并传递至置换流体202。两个工作腔200至少通过具有阀门组件320和流体能量转换器组件300的主管道321连接。阀门组件320包括阀门并且优选地还包括致动控制驱动器，流体能量转换器组件300包括至少一个流体能量转换器310，例如液压马达。因此，主管道321用于在两个力传递室212之间输送置换流体202。
此外，如果向力传递室212供应置换流体，则可自由移动的绝热分隔件230位于工作室210(即工作腔200的上部区域)和力传递室212之间。
在本发明列举的优选实施例中，示出的尤其有利的一个方面是，在状态变化的一系列冲程中，消除了在大温差下发生的并影响最佳运行的压力变化。压力变化对例如用于阀门或流体单元的致动驱动器具有负面影响。他们主要通过高频的状态变化产生，根据本发明，他们可以通过所有腔(即换热器腔110、120和工作腔200)中的压力平衡来避免。这凭借通过开口相互连通的腔来实现，所述开口也允许压力平衡。换热器腔110、120通过腔桥(compartment bridge)130连通。
通过额外的旁通(即旁通管道240)以及在工作腔200之间用于控制旁通的阀门250，可以快速地将置换流体202从一个工作腔200输送到另一个工作腔200，例如在操作阶段即将结束压力平衡多腔容器10a、10b之间仅存在小的压差时，用于加速操作。
具有不同尺寸的换热器腔110、120的一对换热器腔通过循环管道140连接到工作腔200内部的工作室210。为此，循环管道140优选直接通向换热器腔110、120(参照图8)或者如这里所示，循环管道140通向腔桥130，换热器腔110、120通过腔桥130桥接。换热器腔110、120中的其中一个换热器腔与工作室210之间的连接可以通过旋转阀220导通或截止，工作室210包含工作介质102并在封闭装置(例如旋转阀220)和可移动的分隔件230之间延伸。通过循环管道140以及换热器腔110、120中的其中一个换热器腔与工作室210之间的连接能够实现循环，该循环借助于旋转阀220通过开启、遮挡或关闭作为工作介质通道开口114、124的开口来控制。
也可以参考图1对根据本发明的方法进行描述。下面以斯特林循环(Stirlingcycle)为例说明并描述根据本发明的能量转换器的操作。这里的循环通过工作室210和换热器腔110、120中的其中一个换热器腔之间的至少两个开口连接产生，其中至少两个开口连接中的至少一个开口连接能够被封闭装置220(例如旋转阀段)截止或遮挡。通过换热器腔110并从换热器腔110中出来或者通过换热器腔120并从换热器腔120中出来发生这里的循环，每种情况下尤其经由循环管道140进入工作室210，循环管道140作为第二开口连接并且可以设计成例如单独的管道，或简单地设计成进入工作室210的第二出口。
如果工作介质102被压缩并同时被进一步持续冷却，使得压力保持恒定，或者气体膨胀并且温度根据体积增加而增加，则实现了等压处理步骤。
气态工作介质102位于具有相同结构的、两个连接的压力平衡多腔容器10之间。换热器122、112一方面与热介质接触，另一方面与冷介质接触，所述介质分别作为热源和冷源。在两个压力平衡多腔容器10a、10b之间的主管道321和旁通管道240在力传递室212的区域被截止。
在第一压力平衡多腔容器10a中设置旋转阀220，使得工作室210和低温换热器腔110之间的连接被隔开(bulkhead)，并且工作介质102优选通过高温换热器腔120和工作室210循环。因此，工作介质102被加热，并且压力平衡多腔容器10a的容器全容积中的压力增加。
借助于封闭装置，例如借助于旋转阀220的旋转阀段(rotary valve segment)的分隔不是完全封闭的，这就是这种方式的封闭也被称为“遮挡”的原因。该旋转阀段移动到形成为工作介质通道开口114、124的开口的前方位置，但这不会构成气密封闭。它只增加流动阻力，使得气态工作介质102流动通过具有较低流动阻力的流动路径，并且优选通过上述路径循环。与使用公知的阀门以及由这些阀门封闭的腔并且由此导致压差的情况相比，本发明具有特别的优势。这些阀门非常复杂且昂贵。因此，本发明省去了这些元件，并仅通过有效的减少可通过的截面来增加流动阻力。
封闭装置220与底座平行地设置在第一压力平衡多腔容器10a和第二压力平衡多腔容器10b内，使得工作室210和高温换热器腔120之间的连接被分隔开并且工作介质102优选通过低温换热器腔110和工作室210循环。因此，在第二压力平衡多腔容器10b内的工作介质102被冷却，并且第二压力平衡多腔容器10b的容器全容积中的压力降低。
因此，在两个压力平衡多腔容器10a、10b之间产生压差，从而有可能执行工作。
在随后的第二处理步骤中，用于置换流体202的主管道321通过阀门组件320导通，主管道321连接第一压力平衡多腔容器10a的力传递室212和第二压力平衡多腔容器10b的力传递室212。第一压力平衡多腔容器10a中的工作介质102膨胀，而第二压力平衡多腔容器10b中的工作介质102被压缩。在这种情况下，第一压力平衡多腔容器10a的力传递室212中的置换流体202被推出并进入第二压力平衡多腔容器10b的力传递室212中，同时置换流体202流动通过执行工作的流体能量转换器310。在此过程中，两个压力平衡多腔容器10a、10b中的压力越来越相互平衡。一旦压力达到平衡，该运动停止，即置换流体202的流动停止。
如果封闭装置220保持与处理步骤一相同的位置并且工作介质102持续被循环，则膨胀和压缩几乎或完全会等温发生。如果借助于封闭装置220截断所有各自的换热器110、120的连接，则膨胀和压缩会绝热地发生。
为了加速压力平衡多腔容器10a、10b中的压力平衡，在可选的第三处理步骤中，为了将置换流体202从第一压力平衡多腔容器10快速地输送至第二压力平衡多腔容器10b中，可使主管道321截止并使旁通管道240导通，并因此建立压力平衡。在处理步骤三结束时，旁通管道240再次截止。
在第四处理步骤中，将第一压力平衡多腔容器10a中的封闭装置220移动到与低温换热器腔110的连接开启并且与高温换热器腔120的连接封闭的位置。因此，工作介质102通过第一压力平衡多腔容器10a中的低温换热器腔110和工作室210循环。
工作室210中的工作介质102由此被冷却，整个第一压力平衡多腔容器10a中的压力降低。在第二压力平衡多腔容器10b中，移动封闭装置220，使得与高温换热器腔120的连接开启，并且与低温换热器腔110的连接封闭。此时第二压力平衡多腔容器10b中的工作介质102通过工作室210和高温换热器腔120循环。第二压力平衡多腔容器10b中的工作介质102的温度和压力增加。
在随后的第五处理步骤中，主管道321再次导通，第二压力平衡多腔容器10b中的工作介质102膨胀，而第一压力平衡多腔容器10a中的工作介质102被压缩。在这种情况下，置换流体202从第二压力平衡多腔容器10b的力传递室212通过流体能量转换器310流入第一压力平衡多腔容器10a的力传递室212中，直到两个压力平衡多腔容器10a、10b达到压力相同或者主管道321截止。如果封闭装置220的旋转阀段保持在与处理步骤四的位置，则膨胀和压缩会再次等温地进行，如果腔110、120、210之间的连接被封闭，则膨胀和压缩会绝热地进行。处理步骤五实际是相反的做功冲程。
在第六处理步骤中，旁通管道240能够再次导通，以实现两个压力平衡多腔容器10a、10b之间快速的压力平衡。在这六个处理步骤后，又达到初始状态，处理步骤再次从处理步骤一开始。根据本发明的方法总共包括六个处理步骤，其中包括两个可选的旁通步骤。
压力平衡多腔容器10a、10b中，气体在恒定容积下的加热或冷却(涉及以上描述的处理步骤一和处理步骤三)，构成等容状态变化。
如果工作介质102被压缩并同时被进一步持续冷却，使得压力保持恒定，或者气体膨胀并且温度根据体积增加而增加，则实现了等压处理步骤。始终适用下列关系：
并且，根据是否提供或移除热量以及是否发生容积改变，压力平衡多腔容器10a、10b(即通过与第二压力平衡多腔容器的相互作用)能够实现工作介质102任何所需的状态变化。
然而，处理步骤二也提供绝热膨胀或压缩的可能。如果封闭装置220封闭了工作腔210与换热器腔110、120之间的两个连接，则能量转换器不会以斯特林循环(Stirlingcycle)工作，而是以奥托循环(Otto cycle)工作。
如果膨胀冲程和压缩冲程相反，且体积变化量相等，则循环的冲程数可以不等于四，例如具有五冲程的赛林埃过程(Seilinger-Prozess)或者具有六冲程的阿特金森过程(Atkinson-Kreisprozess)。此外，只有在180°转换的压缩冲程具有较低的压力时，才会发生膨胀。
如果可能的循环方向相反(逆时针循环)，则机械能被转换成热能。根据本发明的能量转换器(也被称为液压气动能量转换器)，因此用作冰箱或热泵。
具有通过再加热或冷却保持温度恒定的情况下的膨胀或压缩的等温过程，不进行膨胀工作的等容过程，以及具有在压力和温度同时变化的情况下的膨胀或压缩的绝热过程也是可以的。
图2示意性地示出了根据本发明的换热器组件100的另一种实施例。图中示出了换热器组件100的如下设计，低温换热器腔110的容积不变，而换热器腔110、120之间的尺寸差异可以如下变化，通过预设控制活塞组件150来适应高温工作介质102的高温换热器腔120的容积，从而可以适应不同的温差。控制活塞组件150包括布置在气缸元件153内的控制活塞152。气缸元件153包括高温换热器腔120的区域。控制活塞152以可移动的方式布置在此区域内并且包括用于操作的活塞杆154。换热器腔110、120容积的改变可以提高工作介质102的热传递效率。
图3示意性地示出了根据本发明的换热器组件100的另一种实施例。该图示出怎样通过在两个换热器腔110、120中布置可变的控制活塞组件150、160来实现为工作介质102的温差提供不同适应性的设计。第二控制活塞组件160同样包括控制活塞162、气缸元件163和活塞杆164。通过此装置，整个换热器组件100可以适应热源和冷源的温度水平，使得两个换热器腔110、120可以在最佳功率范围内工作。
特别有利的、可选择的实施例提供了如图1、图2和图4至图8中所示的循环管道140。
图4示意性地示出了根据本发明的换热器组件100的另一种实施例。可以看出，也可以通过经由控制翻板172或阀门选择多个小的控制腔171来实现换热器腔中的其中一个换热器腔中的工作介质102的容积变化，这里的换热器腔是高温换热器腔120。选择的控制腔171越多，高温换热器腔120的有效容积就越大。这也有助于在热传递期间实现最佳工作条件。
图5示意性地示出了根据本发明的换热器组件100的另一种实施例。换热器腔的容积变化的另一种形式可以通过液体控制系统173实现，这里的换热器腔是高温换热器腔120，并可以通过将合适的控制液174(例如导热油)可变地填充到高温换热器腔120的一部分中来实现换热器腔的容积变化。控制液储存器176通过控制管道177和阀门与高温换热器腔120连接，控制液储存器176是用于控制液174的存储容器。控制液174可以聚集在控制容积178内，控制容积178有利地布置在高温换热器腔120中，使得高温换热器腔120的能够被工作介质102使用的容积可以被改变。
图6示意性地示出了根据本发明的换热器组件100的另一种实施例。根据该图，可以通过模块结构系统实现高温换热器腔120的容积调整，该模块结构系统借助于布置在多个可更换并可延伸的控制腔181中的控制翻板182和/或阀门，能够灵活地连接多个可更换并可延伸的控制腔181。在所示实施例中，每个控制腔181包括优选设计成管套式换热器的高温换热器122。通过能够操作以开启或封闭每个控制腔181的两个控制翻板182，可以实现从一个控制腔181到下一个控制腔181的循环。
图7示意性地示出了根据本发明的换热器组件100的另一种实施例。流体单元142(例如为风扇)与至少一个工作介质通道开口114、124配合，这样，可以加速工作介质102在换热器腔110、120中的其中一个换热器腔与工作室210之间的交换。在图示中，由于旋转阀220的位置，使工作介质通道开口124开启，而工作介质通道开口114封闭，或者至少被遮挡以阻止工作介质102流动通过。
图8示意性地示出了根据本发明的换热器组件100的另一种实施例，其中循环压缩机142或者另一个流体单元插入到循环管道140中，这样，不必为每个工作介质通道开口114、124提供单独的流体单元142。借助于循环压缩机142，可以加速工作介质102在换热器腔110、120中的其中一个换热器腔和工作室210之间的交换，从而可以缩短循环的持续时间。
此外，图示的实施例中的换热器组件100特别紧凑。省去了腔桥。替代地，仅是通过分隔壁127将腔110、120分开，其中分隔壁127中的通孔形成为腔110、120和在此区域开启的循环管道140之间的连接。
图9示意性地示出了根据本发明的换热器组件100的另一种实施例的横截面图示，其特点是设计特别紧凑，并具有容纳在其内部的用于有效循环的所有需要的元件。通道分隔壁128将腔110、120分隔开，通道分隔壁128除了其分隔的效果以外还具有循环管道的功能。为此，通道分隔壁128容纳壁通道129，工作介质102可以通过壁通道129流动，以便从工作室210循环到至少一个换热器腔110、120中并返回，其中，逆流分别通过开口114、124中的至少一个开口发生，开口114、124由旋转阀220或另外的封闭装置控制。
图9中也提供了流体单元142，该流体单元142也集成在通道分隔壁128内，这样，优选实施例中的通道分隔壁128容纳作为流体单元142的实施例的循环压缩机。如上文所讨论，循环压缩机用于改善多个腔之间的循环。流动方向用箭头表示。
图10示意性地示出了根据本发明的换热器组件100的另一种实施例的横截面图示，其内部再一次地容纳有用于有效循环的所有需要的元件。通道分隔壁128将腔110、120分隔开，通道分隔壁128除了其分隔的效果以外还具有循环管道的功能。为此，通道分隔壁128容纳壁通道129，工作介质102可以通过壁通道129从工作室210流到换热器腔110、120中的至少一个换热器腔，其中，逆流分别通过开口114、124中的至少一个开口循环回到工作室，开口114、124由旋转阀220或另外的封闭装置控制。
此外，通道分隔壁128包括起到换热器功能的蓄热器144，蓄热器144能够从通过的工作介质102吸收热量或向工作介质释放热量。在优选的实施例中，该功能可以通过包含在蓄热器144内蓄热的填充物146来实现或提高。如果工作介质102待冷却，则填充物146吸收热量，然后可以在工作介质102待加热时，释放给工作介质102。因此，加热和冷却不需要完全通过外部的热源和冷源来发生，而是节省了外部能量，从而提高了能量转换器的效率。
流体单元142也集成在通道分隔壁128内部，这样，在优选实施例中，通道分隔壁128容纳循环压缩机142。如上文所讨论，所述循环压缩机用于改善多个腔之间的循环。
在优选的实施例中，蓄热器144不需要任何引导工作介质102流动的移动元件，而是由壁通道129形成用于冷却和加热的两个不同的流动路径，并通过提供的旋转阀220选择不同的流动路径。冷却和加热过程分别在图11的图a)和图b)中示出，其中，箭头表示流动方向。根据图a)，热的工作介质102被从工作室210引导至壁通道129中并且在经过蓄热器144时释放热量，并在冷却状态下流入低温换热器腔110中进一步冷却。相反，根据图b)，冷的工作介质102被从工作室210引导至高温换热器腔120中。在这个过程中，工作介质102沿着被加热过的蓄热器144通过，此时蓄热填充物146将先前吸收的热量释放到工作介质102中。因此，从高温换热器122到热的工作介质102中将需要更少的能量。
图11示意性地示出了根据本发明的热力学能量转换器的分隔件230的五个实施例的横截面。可自由移动的绝热分隔件230尤其在图1中示出处于工作腔200内的工作介质102和置换流体202之间，该分隔件230优选质量小和稳定性高。在相等质量的情况下，用示出的形状A、B、C、D和E改善了分隔条件，尤其是通过对工作腔200的内壁的更好的密封性来改善分隔条件。
形状A具有向工作室折起的边缘，不仅提供更好的密封性，而且还防止卡住。形状B与形状A具有相同的优点，并且额外具有封闭的内部空间。形状C与形状A具有相同的优点，并且具有改善抗卡止性能的特点。形状D具有封闭的内部空间，由于其与工作腔的内套表面线接触，使其降低卡住的敏感性并具有良好的密封性。形状E示出了加厚的边缘区域。至少形状B和D以及形状E的边缘区域包括封闭空间，用于容纳绝热材料，即绝热体232。
根据可选择的实施例，分隔件230自身可由绝热材料构成，这样，绝热体232与分隔件230形成为一体，并实际形成分隔件230。
图12示意性地示出了根据本发明的换热器组件的工作腔200的另一种实施例的横截面。工作介质102和置换流体202之间的绝热由弹性分隔件231保证，弹性分隔件231优选以流体密封的方式固定到工作腔200的内边缘区域。根据工作介质102的体积，弹性分隔件231或多或少地向置换流体202扩展(偏离位置的分隔件231’用虚线示出)并将置换流体202排出工作腔。在相反的过程中，弹性分隔件231再次收缩。
弹性分隔件231除了绝热外，还能保证良好的密封性，从而可靠地防止置换流体202进入工作介质102中发生化学相互作用和蒸发，以及可靠地防止工作介质102溶解到置换流体202中。
图13示意性地示出了根据本发明的换热器组件的工作腔200的另一种实施例的横截面，工作腔200构成了绝热的弹性分隔件231(参照图12)和绝热的可移动分隔件230(参照图11)的结合。这里，弹性膜233以流体密封的方式固定到工作腔200的内边缘区域并确保良好的密封性，从而可靠地防止置换流体202进入工作介质202中发生化学相互作用和蒸发，以及可靠地防止工作介质102溶解到置换流体202中。另一方面，由绝热体232提供绝热，绝热体232包括与膜233连接的分隔件230，其中，分隔件不需要延伸到工作腔200的壁。因此，绝热体232可以容易地以低摩擦在工作腔200内移动。在可选择的实施例中，可省去绝热体232，因为可以将弹性膜233本身设计为作为绝热体。
图14a和图14b示意性地示出了根据本发明的用于能量转换器内使用的压力平衡多腔容器20a、20b的另一种实施例的纵截面。压力平衡多腔容器20a、20b的部件的整个布置基本上是同轴的，包覆管22形成外边界。具有高温换热器123的高温换热器腔121以及具有低温换热器113的低温换热器腔111分别在包覆管22内形成为细长的设计。这使在要求空间小的情况下能够使用大换热表面。
压力平衡多腔容器20a、20b的中心被具有工作室211和力传递室213的工作腔201占用。工作室211和力传递室213被分隔软管234分隔开。通过分隔软管234，将工作介质102的压力传递到置换流体202中，该压力可以通过主管道321离开或进入压力平衡多腔容器20a、20b。
通过旋转阀220和风扇142控制并加速工作介质102通过换热器113、123的传递，旋转阀220设置在管状工作腔201的两端，风扇142设置在工作腔201的一端。箭头表示通道方向。
如果图14a中示出的工作介质102通过低温换热器113冷却，则工作室211中工作介质102的体积减小。因此，如图14b所示，力传递室213的容积增大，并且置换流体202通过主管道321进入力传递室213。
图15a至图15c示意性地示出了管状压力平衡多腔容器20a、20b的另一种实施例的、如图14b所示的截面A-A、B-B和C-C的横截面。在该示例中，圆柱状包覆管22仅容纳工作腔201，而具有高温换热器123的高温换热器腔121和具有低温换热器113的低温换热器腔111安装在包覆管22的外侧。在横截面A-A中，旋转阀220显示为开启位置。
置换流体202通过主管道321的入口进入工作室213，如图15b示出的截面B-B。所述截面也示出了在工作介质102低压状态(即小容积的工作室211)的分隔软管234，而分隔软管234’的虚线表示工作室211的最大容积，同时也是力传递室213的最小容积。根据图15c所示的截面C-C示出了风扇142。
图16a和图16b也示出了图14b中的截面A-A和B-B，而这些图示意性地示出了完全圆柱形的实施例的管状压力平衡多腔容器20a、20b的另一种实施例的横截面示意图。因此，包覆管22不仅包围工作腔201，还包围具有高温换热器123的高温换热器腔121以及具有低温换热器113的低温换热器腔111。设置多个较小直径的换热器113、123，使这些换热器安装在工作腔201和包覆管22之间的狭窄空隙中，并始终提供足够大的换热表面。图16a的横截面A-A也示出了旋转阀220、风扇142和分隔软管234，旋转阀220被遮盖并用虚线表示。图16a也示出了主管道321的入口。
根据图16b示出的横截面B-B可以看出，分隔软管234内部具有带有工作介质102的工作室211。带有置换流体202的力传递室213在分隔软管234外侧延伸。
附图标记说明
1 能量转换器
10a、10b 压力平衡多腔容器
20a、20b 压力平衡多腔容器
100 换热器组件
22 包覆管
102 工作介质
110、111 换热器腔、低温换热器腔、(腔)
112、113 换热器、低温换热器
114 开口、工作介质通道开口
142 流体单元
120、121 换热器腔、高温换热器腔、(腔)
122、123 换热器、高温换热器
124 开口、工作介质通道开口
127 分隔壁
128 通道分隔壁
129 壁通道
130 腔桥
140 循环管道
142 流体单元、循环压缩机、风扇
144 蓄热器
146 填充物
150 控制活塞组件
152 控制活塞
153 气缸元件
154 活塞杆
160 控制活塞组件
162 控制活塞
163 气缸元件
164 活塞杆
171 控制腔
172 控制翻板
173 液体控制系统
174 控制液体
176 控制液体储存器
177 控制管道
178 控制容积
181 控制腔
182 控制翻板
200、201 工作腔、(腔)
202 置换流体
210、211 工作室
212、213 力传递室
220 封闭装置、旋转阀
230 可移动分隔件
231、231’ 弹性分隔件
232 分隔件绝热体
233 分隔件、膜
234、234’ 分隔件、分隔软管
240 旁通管道
250 阀门
300 流体能量转换器组件
310 流体能量转换器
320 阀门组件
321 主管道

Claims (26)

1.一种用于将工作介质(102)封闭在大小可变的内部容积内的容积元件(10a，10b，20a，20b)，该容积元件包括将所述内部容积分隔成换热器腔(110，111，120，121)和工作腔(200，201)的壁，其中，
-所述工作腔(200，201)内形成有分隔件(230，231，233，234)，所述分隔件(230，231，233，234)将所述工作腔(200，201)分隔成供应有所述工作介质(201)的工作室(210，211)和供应有置换流体(202)的力传递室(212，213)，
-所述换热器腔(110，111，120，121)和所述工作室(210，211)彼此流体连通，使得所述容积元件(10a，10b，20a，20b)内的所述工作介质(102)具有相同的压力，并且
-每个换热器腔(110，111，120，121)通过入口以及与所述入口分隔开形成的出口与所述工作室(210，211)连接，
其特征在于，作为所述换热器腔(110，111，120，121)和所述工作室(210，211)之间的连接的入口和出口分开设计，所述入口和所述出口具有至少一个用于影响所述工作介质(102)流动通过所述换热器腔(110，111，120，121)的装置(220)，从而阻止所述工作介质(102)流动通过所述换热器腔(110，111，120，121)中的至少一个换热器腔，并支持所述工作介质(102)流动通过所述换热器腔(110，111，120，121)中的至少另一个换热器腔。
2.根据权利要求1所述的容积元件(10a，10b，20a，20b)，其中，所述装置(220)由孔或翻板形成，或所述装置(220)形成为至少一个旋转阀。
3.根据权利要求1或2所述的容积元件(10a，10b，20a，20b)，其中，所述工作室(210，211)和所述换热器腔(110，111，120，121)之间形成用于支持所述工作腔(210，211)和所述换热器腔(110，111，120，121)之间的所述工作介质(102)的循环通过的至少一个装置(142)。
4.根据权利要求3所述的容积元件(10a，10b，20)，其中，所述装置(142)是转速可控制的。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的容积元件(10a，10b，20a，20b)，其中，所述换热器腔(110，111，120，121)的入口内布置有用于储存热量的蓄热器(144)，使得所述工作介质(102)在进入所述第一换热器腔(110，111)时吸收热量，并在进入所述第二换热器腔(120，121)时释放热量。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的容积元件(10a，10b，20a，20b)，其中，该容积元件(10a，10b，20a，20b)的壁包括内部绝热体。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的容积元件(10a，10b)，其中，所述分隔件(230)设计成流体密封的，并具有比自重大的浮力，以使所述分隔件(230)始终置于所述置换流体的表面上。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的容积元件(10a，10b)，其中，所述分隔件(230)设计成包括绝热体或由绝热材料形成。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的容积元件(10a，10b)，其中，所述分隔件(230)
-设计成盘状件，该盘状件封闭所述工作腔(200)的横截面区域，并具有朝向所述工作室(210)定向的边缘，或者
-设计成中空筒状件，该中空筒状件封闭所述工作腔(200)的横截面区域，
-或者
-设计成椭圆柱状回转体，该椭圆柱状回转体封闭所述工作腔(200)的横截面区域。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的容积元件(10a，10b)，其中，所述壁的所述绝热体和所述分隔件(230)一体形成为可变形的膜。
11.根据权利要求1-6中任一项所述的容积元件(20)，其中，该容积元件的工作腔(201)设计成管状，并包括在其内部的所述力传递室(213)和所述工作室(211)，所述力传递室(213)和所述工作室(211)同轴布置并且通过设计成分隔软管(234)的分隔件在横截面上分隔开，其中所述分隔软管(234)具有弹性，所述换热器腔(111，121)布置在所述工作腔(201)的外圆周处，所述工作腔(201)的端面上设置有分开的入口和出口，作为所述换热器腔(111，121)和所述工作室(211)之间的连接，并且至少一个入口或出口设计为包括用于影响所述工作介质(102)流动通过所述换热器腔(111，121)的装置(220)，从而阻止所述工作介质(102)流动通过所述换热器腔(110，120)中的至少一个换热器腔，并支持所述工作介质(102)流动通过所述换热器腔(110，120)中的至少另一个换热器腔。
12.根据权利要求11所述的容积元件(20)，其中，所述换热器腔(111，121)在所述工作腔(201)的两侧彼此相对布置。
13.根据权利要求12所述的容积元件(20)，其中，每个换热器腔(111，121)形成为布置在所述工作腔(201)周围的半壳体，并且每个换热器腔(111，121)内部具有多个平行布置的换热器(113，123)。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的容积元件(20)，其中，所述工作腔(201)的至少一端设置有用于支持流动的装置(142)。
15.一种用于将热能、机械能和内能互相转换的装置(1)，该装置包括至少两个根据权利要求1-14中任一项所述的容积元件(10a，10b，20a，20b)，以及至少一个用于将流体的动能转换成机械能的组件(300)，其中
-第一换热器腔(110，111)内布置有至少一个用于冷却所述工作介质的低温换热器(112，113)，第二换热器腔(120，121)内布置有至少一个用于加热所述工作介质(102)的高温换热器(122，123)，以及，
-在供应有所述置换流体的所述力传递室(212，213)区域内，所述容积元件(10a，10b，20a，20b)通过连接管道(321)液压连接，其中，用于转换流体的动能的所述组件(300)形成在所述连接管道(321)内。
16.根据权利要求15所述的装置(1)，其中，所述换热器腔(110，111，120，121)中的至少一个换热器腔被分隔成多个子腔，其中，低温换热器(112，113)或者高温换热器(122，123)相应地布置在各个子腔中，并且多个子腔彼此流体连通。
17.根据权利要求16所述的装置(1)，其中，用于阻止流动的装置(220)或者用于支持流动的装置(142)形成在两个子腔之间形成的开口处。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的装置(1)，其中，所述换热器腔(110，111，120，121)中的至少一个换热器腔设计成具有可变的内部容积。
19.根据权利要求15所述的装置(1)，其中，所述换热器腔(110，111，120，121)
-由至少两个能够互相封闭的子腔形成，和/或
-包括朝向所述换热器腔(110，111，120，121)的壁流体密封的并且可移动的活塞，和/或
-填充有液面可变的液体。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的装置(1)，其中，用于转换流体能量的所述组件(300)由至少一个旋转作用的液压马达或至少一个线性马达形成。
21.根据权利要求15-20中任一项所述的装置(1)，其中，用于转换流体能量的所述组件(300)包括阀门组件(320)。
22.根据权利要求15-21中任一项所述的装置(1)，其中，在供应有所述置换流体(202)的所述力传递室(212，213)区域内，所述容积元件(10a，10b，20a，20b)通过旁通管道(240)液压连接，其中，所述旁通管道(240)包括用于导通和截止横截面的流动区域的阀(250)。
23.一种用于操作根据权利要求15-22中任一项所述的装置(1)的方法，该方法包括如下步骤：
a)冷却第一容积元件(10a，20a)和第二容积元件(10b，20b)中的各个容积元件的第一换热器腔(110，111)内的气态工作介质，并且加热所述第一容积元件(10a，20a)和第二容积元件(10b，20b)中的各个容积元件的第二换热器腔(120，121)内的所述气态工作介质，其中，如下设置用于影响流动通过所述换热器腔(110，111)的各自的装置(220)
-在所述第一容积元件(10a，20a)内的所述工作介质在所述第二换热器腔(120，121)和工作室(210，211)之间循环并被加热，以增加恒定的内部容积内所述工作介质(102)的压力，以及
-在所述第二容积元件(10b，20b)内的所述工作介质(102)在所述第一换热器腔(110，111)和工作室(210，211)之间循环并被冷却，以降低恒定的内部容积内所述工作介质(102)的压力，以及
-在封闭在所述容积元件(10a，10b，20a，20b)内的所述工作介质(102)之间建立压差，
b)打开连接管道(321)并连接所述容积元件(10a，10b，20a，20b)的力传递室(212，213)，所述力传递室供应有置换流体(202)，
c)使所述第一容积元件(10a，20a)内的所述工作介质(102)膨胀，并且使所述第二容积元件(10b，20b)内的所述工作介质(102)压缩，其中，
-所述置换流体(202)从所述第一容积元件(10a，20a)的所述力传递室(212，213)流入所述第二容积元件(10b，20b)的所述力传递室(212，213)中，以及
-用于转换流体能量的组件(300)供应有所述置换流体(202)并被所述置换流体(202)驱动，所述组件(300)形成在所述连接管道(321)内，
-直到封闭在所述容积元件(10a，10b，20a，20b)内的所述工作介质(202)具有相同的压力，
d)如下调整用于影响流动通过所述换热器腔(110，111)的所述装置(220，221)，
-在所述第一容积元件(10a，20a)内的所述工作介质(102)在所述第一换热器腔(110，111)和所述工作室(210，211)之间循环并被冷却，以降低恒定的内部容积内的所述工作介质(102)的压力，以及
-在所述第二容积元件(10b)内的所述工作介质(102)在所述第二换热器腔(120，121)和所述工作室(210，211)之间循环并被加热，以增加恒定的内部容积内的所述工作介质(102)的压力，以及
-在封闭在所述容积元件(10a，10b，20a，20b)内的所述工作介质(102)之间建立压差，
e)导通所述连接管道(321)并连接所述容积元件(10a，10b，20a，20b)的所述力传递室(212，213)，所述力传递室供应有所述置换流体(102)，
f)使所述第二容积元件(10b，20b)内的所述工作介质(102)膨胀，并使所述第一容积元件(10a，20a)内的所述工作介质(102)压缩，其中，
-所述置换流体(202)从所述第二容积元件(10b，20b)的所述力传递室(212，213)流入所述第二容积元件(10a，20a)的所述力传递室(212，213)中，以及
-用于转换流体能量的组件(300)供应有所述置换流体(202)并被所述置换流体(202)驱动，所述组件(300)形成在所述连接管道(321)内，
直到封闭在所述容积元件(10a，10b，20a，20b)内的所述工作介质(102)具有相同的压力。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述工作介质(102)流动经过所述第一换热器腔(110，111)内的至少一个低温换热器(112，113)以被冷却，所述低温换热器供应有第一热载体，并且，所述工作介质(102)流动经过所述第二换热器腔(120，121)内的至少一个高温换热器(122，123)以被加热，所述高温换热器供应有第二热载体。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述置换流体(202)的动能被转换为机械能。
26.根据权利要求23-25中任一项所述的方法，其中，在方法步骤c)和/或f)之后，所述连接管道(321)截止，旁通管道(240)导通以连接所述容积元件(10a，10b，20a，20b)的所述力传递室(212，213)，所述力传递室(212，213)供应有所述置换流体(202)，以平衡所述容积元件(10a，10b，20a，20b)内的压力，所述旁通管道在压力平衡后截止。
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