DE102004032215A1

DE102004032215A1 - Durch Über- und Unterdruck angetriebene Kraftmaschine

Info

Publication number: DE102004032215A1
Application number: DE200410032215
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie durch Erwärmen und Abkühlen eines Antriebsmediums (1), umfassend einen Kühler (2), einen Wärmetauscher (3), einen Kolben (4), eine Überdruckleitung (5) für das Antriebsmedium (1) und eine Unterdruckleitung (6) für das Antriebsmedium (1), wobei der Wärmetauscher (3) über die Überdruckleitung (5) mit dem Einlasskanal (7) des Kolbens (4) und der Auslasskanal (8) des Kolbens (4) über die Unterdruckleitung (6) mit dem Kühler (2) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie, wobei ein Antriebsmedium, vorzugsweise ein verflüssigtes Gas, durch Zufuhr von Wärme expandiert und der daraus resultierende Überdruck zum Antrieb einer Kraftmaschine genutzt wird. Dabei wird das Antriebsmedium nach Verlassen des Arbeitsraums der Kraftmaschine durch Abkühlen zur Kontraktion gebracht, der daraus resultierende Unterdruck zusätzlich zum Antrieb der Kraftmaschine genutzt und vorzugsweise das abgekühlte Antriebsmedium zumindest zum Teil im Sinne eines Kreislaufs zurückgeführt. Das zurückgeführte Antriebsmedium wird dabei bevorzugt durch Wärmeaustausch mit frischem, relativ kaltem Antriebsmedium, welches zum Arbeitsraum der Kraftmaschine geleitet wird, soweit wie möglich vorgekühlt, um den zusätzlichen Kühlaufwand (ggf. den Verflüssigungsaufwand) bei der sich anschließenden weiteren Abkühlung möglichst gering zu halten. Dieser Wärmeaustausch erfolgt bevorzugt in einem Rekuperator. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Kraftmaschinen, welche ein inertes Gas oder Gasgemisch als Antriebsmedium nutzen, sind in verschiedener Bauweise im Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise bewegt sich bei einem Stirling-Motor das Antriebsmedium in einem geschlossenen System zwischen zwei Zylindern, wobei der Motor intern ungeregelt ist. Im Arbeitszylinder wird Wärme zur Arbeitsleistung zugeführt, im Kompressionszylinder wird Wärme abgeführt, um die Kompressionsarbeit zu verringern. Beim Verschieben des Antriebsmediums vom Arbeits- zum Kompressionszylinder wird die Restwärme im Regenerator gespeichert, beim Rücktransport des verdichteten Mediums in den Arbeitszylinder kann diese gespeicherte Wärme wieder genutzt werden.

DE-U 201 17 394 offenbart einen Motor mit einem Gehäuse, in dem wenigstens ein Arbeitsraum ausgebildet ist und in dem ein hin- und hergehender Kolben oder wenigstens eine Druckplatte gelagert ist und in dem wenigstens ein Auslasskanal für ein Antriebsmedium mündet, wobei der Kolben oder die Druckplatte über ein Pleuel mit einem rotierenden Kurbeltrieb verbunden ist. Der Motor besitzt keinen eigentlichen Einlasskanal mehr und das Antriebsgas wird mit beaufschlagtem Druck und unter Druck stehend über wenigstens eine Einspritzdüse in wenigstens einen Arbeitsraum eingebracht. Das Antriebsmedium besteht aus flüssigem Stickstoff oder flüssiger Luft oder einem anderen Gas, das mit wenigstens einem vor dem Motor integrierten Wärmetauscher und in diesem mit wenigstens einer integrierten Wärmequelle so erwärmt wird, dass der flüssige Stickstoff oder die flüssige Luft oder das Gas mit dieser Expansion bereits vor dem eigentlichen Motor und vor dem eigentlichen Arbeitsraum erzeugt wird, um somit den Antrieb des Hubkolbens oder der Hubdruckplatte im Zweitakt-Verfahren zu ermöglichen.

Kraftmaschinen dieser Bauart haben den Nachteil, dass die zur Expansion des Antriebsmediums benötigte Wärmemenge später an die Umgebung abgegeben wird. Dies ist aus ökologischer Sicht bedenklich und wurde auch bereits in der deutschen Gesetzgebung berücksichtigt; so wird die energetisch effiziente Nutzung von Wärme steuerlich begünstigt (Kraft-Wärme-Kopplungs-Verordnung). Darüber hinaus zeichnen sich derartige Kraftmaschinen durch einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftmaschine bereitzustellen, welche Vorteile gegenüber den Kraftmaschinen des Standes der Technik aufweist. Insbesondere stellt sich die Erfindung die Aufgabe, Kraftmaschinen mit verbessertem Wirkungsgrad und/oder verminderter Wärmeabgabe an die Umwelt bereitzustellen.

Es wurde überraschend gefunden, dass sich diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie durch Erwärmen eines Antriebsmediums lösen lässt, wobei die Vorrichtung einen Kühler (2), einen Wärmetauscher (3), einen Kolben (4), eine Überdruckleitung (5) für das Antriebsmedium (1) und eine Unterdruckleitung (6) für das Antriebsmedium (1) umfasst und wobei der Wärmetauscher (3) über die Überdruckleitung (5) mit dem Einlasskanal (7) des Kolbens (4) und der Auslasskanal (8) des Kolbens (4) über die Unterdruckleitung (6) mit dem Kühler (2) verbunden ist. Bevorzugt wird das abgekühlte Antriebsmedium zumindest zum Teil im Sinne eines Kreislaufs zurückgeführt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das erwärmte, expandierte Antriebsmedium zunächst zur Erzeugung kinetischer Energie in einer Kraftmaschine eingesetzt, beispielsweise in einem Kolbenmotor. Danach wird das erwärmte Antriebsmedium jedoch bevorzugt nicht vollständig an die Umgebung abgegeben, sondern zumindest teilweise innerhalb der Vorrichtung zurückgeführt. Dies wird dadurch erreicht, dass das erwärmte Antriebsmedium nach dem Durchströmen des Kolbenmotors über eine Rohrleitung zu einem Kühler geführt und dort abgekühlt wird, wodurch es sich kontrahiert und ein Unterdruck in der Rohrleitung (Unterdruckleitung) entsteht. Dieser Unterdruck wird nun zusätzlich dazu genutzt, den Kolbenmotor anzutreiben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert auf der physikalischen Umwandlung eines Antriebsmediums durch Erwärmen und Abkühlen, wobei die infolge der Erwärmung stattfindende Expansion und die infolge der Abkühlung stattfindende Kontraktion des Antriebsmediums beide zur Verrichtung von Arbeit genutzt werden.

Das Antriebsmedium wird dabei keiner chemischen Umwandlung unterworfen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Stickstoff vom flüssigen Zustand durch Zufuhr von Wärme verdampft und anschließend wieder durch Abfuhr von Wärme verflüssigt; es erfolgt also ein Wechsel der Aggregatzustände von flüssig über gasförmig nach flüssig. Es ist aber auch möglich, als Antriebsmedium ein Gas zu verwenden, welches permanent im gasförmigen Zustand vorliegt; ein bevorzugtes Antriebsmedium dieser Art ist Helium. Auch in diesem Fall wird das Antriebsmedium keiner chemischen Umwandlung unterworfen. Es erfolgt lediglich ein Wechsel von abgekühltem Heliumgas über erwärmtes Heliumgas zurück zu abgekühltem Heliumgas.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass die Expansion des Antriebsmediums außerhalb des Arbeitsraums des Kolbens erfolgt. Auch die Kontraktion des Antriebsmediums erfolgt außerhalb des Arbeitsraums des Kolbens.

Eine derartige Vorrichtung hat den Vorteil, dass einerseits weniger Wärme an die Umgebung abgegeben wird, andererseits die Kombination von Über- und Unterdruck durch Erwärmen bzw. Abkühlen des Antriebsmediums zur Energieumwandlung genutzt wird, wodurch sich der Wirkungsgrad der Kraftmaschine erhöht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich ferner durch geringe Spülverluste, einfache Bauart und gute Energiebilanz im Bereich der mechanischen Eigenverluste aus.

Die Expansion des Antriebsmediums erfolgt infolge seiner Erwärmung. Wärme wird dem Antriebsmedium bevorzugt an verschiedenen Stellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt. Eine wesentliche Wärmezufuhr erfolgt im Wärmetauscher, bevorzugt wird dem Antriebsmedium aber auch bereits Wärme zugeführt, bevor es den Wärmetauscher erreicht. Bevorzugt nimmt das Antriebsmedium zunächst Wärme aus einer "Rückkühlung" und dann aus der Umgebungsluft auf und wird anschließend im Wärmetauscher weiter erwärmt. Dabei wird das Antriebsmedium zumindest zum Teil in einem Kreislaufsystem zurückgeführt, wobei das vom Kolben abgeführte, relativ erwärmte Antriebsmedium Wärme an das dem Kolben zugeführte, noch relativ kalte Antriebsmedium in der "Rückkühlung" wieder abgibt.

Als Antriebsmedien für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind Gase bevorzugt, d.h. Stoffe oder Stoffgemische, welche bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck im gasförmigen Zustand vorliegen. Besonders eignen sich Gase oder Gasgemische, welche einen Siedepunkt unterhalb von -30°C, bevorzugter unterhalb von -100°C, insbesondere unterhalb von -170°C aufweisen. Besonders bevorzugt sind Stickstoff oder Luft, beispielsweise sind aber auch Edelgase, wie Helium oder Argon geeignet. Ammoniak ist bevorzugt, wenn die Vorrichtung insgesamt als geschlossenes System ausgebildet ist oder zumindest einen geschlossenen Ammoniakkreislauf umfasst.

Verschiedene charakteristische Temperaturen des Antriebsmediums lassen sich unterscheiden. Die Ausgangstemperatur des Antriebsmediums wird als T⁰ definiert und entspricht bevorzugt der tiefsten Temperatur, die das Antriebsmedium innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufweist. T⁰ liegt bevorzugt unterhalb des Siedepunkts des Antriebsmediums, welches vorzugsweise ein Gas ist; demnach ist das Antriebsmedium bevorzugt bei T⁰ verflüssigt.

Je nach Art des verwendeten Antriebsmediums liegt T⁰ bevorzugt im Bereich von -273 bis 20°C, bevorzugter im Bereich von -250 bis 0°C, noch bevorzugter im Bereich von -200 bis -30°C, am bevorzugtesten im Bereich von -200 bis -100°C und insbesondere im Bereich von -200 bis -170°C.

Das auf die Temperatur T⁰ abgekühlte Antriebsmedium nimmt bevorzugt Wärme aus der Umgebung auf und wird dadurch auf die Temperatur T^U erwärmt. Die Aufnahme von Wärme aus der Umgebung ist besonders vorteilhaft, weil diese in praktisch unbegrenzter Menge frei verfügbar ist. T^U ist definiert als diejenige Temperatur, welche das Antriebsmedium unmittelbar vor der Einleitung in den Wärmetauscher aufweist. Je nach Art des verwendeten Antriebsmediums liegt T^U bevorzugt im Bereich von -150 bis 20°C, bevorzugter von -100 bis 20°C, noch bevorzugter von -75 bis 20°C, am bevorzugtesten von -50 bis 20°C und insbesondere von -25 bis 20°C.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Differenz zwischen T⁰ und T^U zumindest 20°C, bevorzugter zumindest 40°C, noch bevorzugter zumindest 60°C, am bevorzugtesten zumindest 80°C und insbesondere zumindest 100°C.

Im Wärmetauscher wird dem Antriebsmedium weitere Wärme zugeführt, und es wird dadurch auf die Temperatur T^W erwärmt. T^W ist definiert als diejenige Temperatur, welche das Antriebsmedium unmittelbar nach Verlassen des Wärmetauschers aufweist. Bevorzugt ist T^W die höchste Temperatur, die das Antriebsmedium innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht. Je nach Art des verwendeten Antriebsmediums liegt T^W bevorzugt im Bereich von -50 bis 400°C, bevorzugter von 0 bis 200°C, noch bevorzugter von 10 bis 200°C, am bevorzugtesten von 20 bis 175°C und insbesondere von 20 bis 150°C.

Die im Wärmetauscher dem Antriebsmedium zugeführte Wärme kann aus verschiedenen Quellen stammen. Bevorzugt handelt es sich bei der im Wärmetauscher zugeführten Wärme um bei der Verbrennung von Energieträgern freigesetzte Abwärme oder um die Abwärme eine Atomkraftwerks. Beispielsweise ist es aber auch möglich, dem Wärmetauscher regenerative Energien, insbesondere Sonnenenergie zuzuführen, indem z.B. Thermoöl in einem Kreislauf über Sonnenkollektoren erwärmt und dem Wärmetauscher zugeführt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Differenz zwischen T^U und T^W zumindest 20°C, bevorzugter zumindest 40°C, noch bevorzugter zumindest 60°C, am bevorzugtesten zumindest 80°C und insbesondere zumindest 100°C.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Differenz zwischen T⁰ und T^W zumindest 50°C, bevorzugter zumindest 100°C, noch bevorzugter zumindest 150°C, am bevorzugtesten zumindest 200°C und insbesondere zumindest 250°C, wobei der absolute Wert von T⁰ bevorzugt unterhalb von 25°C, bevorzugter unterhalb von 0°C, noch bevorzugter unterhalb von -30°C, am bevorzugtesten unterhalb von -100°C und insbesondere unterhalb von -170°C liegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sie in einem Temperaturbereich Arbeit verrichten kann, der unterhalb der Betriebstemperatur konventioneller Wärmekraftmaschinen, wie z.B. Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, etc. liegt. Diese Eigenschaft macht es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit herkömmlichen Wärmekraftmaschinen zu koppeln und somit deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Überschusswärme dieser herkömmlichen Wärmekraftmaschinen wird dabei zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt, indem die Überschusswärme dem Wärmetauscher zugeführt wird. Während die Betriebstemperatur herkömmlicher Wärmekraftmaschinen gewöhnlich oberhalb von 25°C liegt, liegt die durchschnittliche Betriebstemperatur T^⌀ der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche definiert ist als der Mittelwert von T⁰ und T^W, bevorzugt unterhalb von 25°C.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegt T^⌀ im Bereich von -200°C bis 25°C, bevorzugter im Bereich von -175°C bis 0°C, noch bevorzugter im Bereich von -150°C bis -25°C, am bevorzugtesten im Bereich von -150°C bis -50°C und insbesondere im Bereich von -125°C bis -75°C.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei dem Kühler um einen Gasverflüssiger. Gasverflüssiger verschiedener Bauart sind im Stand der Technik bekannt. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf H. Hausen, H. Linde, "Tieftemperaturtechnik. Erzeugung sehr tiefer Temperaturen, Gasverflüssigung und Zerlegung von Gasgemischen", 2. Auflage, Springer Verlag, 1985 verwiesen werden. Geeignete Gasverflüssiger werden beispielsweise von der Firma Gifford-McMahon (GM) vertrieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung als Kühler einen Luftverflüssiger, welcher derart ausgestaltet ist, dass er den überwiegenden Anteil des Stickstoffs aus der Umgebungsluft auskondensiert, während die Gase mit tieferem Siedepunkt, also insbesondere Sauerstoff und Argon, im gasförmigen Zustand verbleiben und von dem verflüssigten Stickstoff abgetrennt werden können. Bevorzugt erfolgt die Abtrennung des Großteils des Stickstoffs von den übrigen Bestandteilen der Luft durch Membranfiltration.

Zur Erzeugung von flüssigem Stickstoff mit Hilfe eines Luftverflüssigers werden lediglich komprimierte Luft, Kühlwasser und elektrische Energie benötigt. Komprimierte atmosphärische Luft wird dabei bevorzugt beispielsweise mit einem Druck von ca. 6 bar zunächst in ein Trocknungs- und Reinigungssystem geleitet, um den Wasserdampf und möglicherweise vorhandene Kohlenwasserstoffe zu entfernen. In einem Membranfilter wird bevorzugt der größte Teil des Sauerstoffs und der anderen Gasbestandteile entfernt, so dass Stickstoff mit einem Reinheitsgrad von beispielsweise ca. 98 Vol.-% vorliegt. Der Stickstoff strömt dann in den Verflüssigungsteil der Anlage ein, wo er in Wärmetauschern auf seine Kondensationstemperatur bzw. auf T⁰ abgekühlt wird. Der verflüssigte Stickstoff tropft bevorzugt in einen Vorratsbehälter, welcher an dem Verflüssiger montiert ist.

Da das relativ warme Antriebsmedium nach der Verrichtung von Arbeit bevorzugt durch frisches, relativ kaltes Antriebsmedium vorgekühlt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur, wird die Verflüssigung erleichtert und verläuft ökonomischer.

Der mit Hilfe des Luftverflüssigers verflüssigte Stickstoff wird dann bevorzugt als Antriebsmedium, das als Nebenprodukt erhaltene, mit Sauerstoff angereicherte Gasgemisch bevorzugt zur Wärmegewinnung im Wärmetauscher genutzt.

Beispielsweise kann das mit Sauerstoff angereicherte Gasgemisch auch bei der Holzvergasung eingesetzt werden. Das durch die Vergasung des Holzes gewonnene mittelkalorische Gas kann zum Antrieb einer Kraftmaschine und die dabei freigesetzte Abwärme in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erwärmung und Expansion des verflüssigten Stickstoffs als Antriebsmedium genutzt werden. Auf diese Weise wird der im Zuge der Membranfiltration bei der Luftverflüssigung erforderliche zusätzliche Energieaufwand zumindest zum Teil durch eine bessere Nutzung der bei der Holzvergasung freigesetzten Energie kompensiert. Durch die Verwendung des mit Sauerstoff angereicherten Gasgemisches bei der Holzvergasung wird der relative Anteil des inerten Stickstoffs im durch die Holzvergasung gewonnenen Gas vermindert, wodurch dessen spezifischer Brennwert steigt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einer Anlage zur Holzvergasung kombiniert werden. Beispielsweise kann ein Gasmotor, welcher an eine Stromturbine gekoppelt ist und mit einem mittelkalorischen Gas betrieben wird, das aus der Vergasung von Holz mit Luft erhalten wird, mit der erfindungsgemäßen Kraftmaschine gekoppelt werden.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung als Kühler keinen Luftverflüssiger, sondern lediglich einen Gasverflüssiger, welcher nicht mit einem Membranfilter zur Trennung verschiedener Bestandteile eines Gasgemisches (z.B. von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft) ausgestattet ist. Auch auf eine Trocknungs- und Reinigungseinheit kann in diesem Fall verzichtet werden. Da die Trennung der Bestandteile der Luft mit Hilfe eines Membranfilters vergleichsweise energieaufwendig ist, wird auf diese Trennung erfindungsgemäß vorzugsweise vollständig oder zum Teil verzichtet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Antriebsmedium, beispielsweise Stickstoff, nach der Verrichtung von Arbeit dem Gasverflüssiger erneut zugeführt wird, ohne zuvor mit Luft vermischt zu werden. Auf diese Weise kann die Vorrichtung als Kreislaufsystem betrieben werden, so dass eine Trennung von Luft in ihre Bestandteile entfällt. Wird die Vorrichtung als geschlossenes System betrieben, so kann auf die energieaufwendige Membranfiltration von Luft vollständig verzichtet werden, da der Stickstoff (oder ein anderes geeignetes Antriebsmedium) im geschlossenen System im Sinne eines Kreislaufs zurückgeführt wird und seine Reinheit konstant bleibt.

Es ist aber auch möglich, den Stickstoff nur teilweise im Sinne eines Kreislaufsystems zurückzuführen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl einen herkömmlichen Luftverflüssiger mit Trocknungseinheit und Membranfilter, als auch einen Gasverflüssiger, insbesondere einen Stickstoffverflüssiger, welcher weder Trocknungseinheit noch Membranfilter aufweist. Stickstoff dient als Antriebsmedium. Luftverflüssiger und Stickstoffverflüssiger werden dabei bevorzugt derart miteinander kombiniert, dass ein Teil des Antriebsmediums im Sinne eines Kreislaufsystems zurückgeführt, im Stickstoffverflüssiger erneut abgekühlt und dem Vorratsbehälter zugeführt wird. Der übrige Teil des Antriebsmediums wird jedoch nicht zurückgeführt, sondern entweicht in die Atmosphäre. Der mit der Entweichung einhergehende Verlust bezogen auf die Gesamtmenge an Antriebsmedium wird nun durch den Luftverflüssiger ausgeglichen, welcher eine dem entwichenen Antriebsmedium entsprechende Menge Stickstoff der Umgebungsluft entnimmt, verflüssigt und dem Vorratsbehälter zuführt. Auf diese Weise wird nur ein Teil des Stickstoffs als Antriebsmedium der Luft entnommen, getrocknet, im Membranfilter des Luftverflüssigers vom Großteil der übrigen Bestandteile der Luft abgetrennt und durch Abkühlen im Luftverflüssiger der Vorrichtung zugeführt; der andere Teil des Stickstoffs verbleibt jedoch als Antriebsmedium in der Vorrichtung, d.h. wird über das Kreislaufsystem zum Stickstoffverflüssiger zurückgeführt und dort ohne Trocknung und Membranfiltration verflüssigt. Die Gesamtmenge an Stickstoff im System kann dabei konstant gehalten werden, wenn genau soviel Stickstoff durch Luftverflüssigung bereitgestellt wird, wie aus dem System entweicht. Bei dieser Ausführungsform beträgt der Anteil des innerhalb der Vorrichtung zurückgeführten Antriebsmediums bevorzugt mehr als 10 Vol.-%, bevorzugter mehr als 25 Vol.-%, noch bevorzugter mehr als 50 Vol.-%, am bevorzugtesten mehr als 60 Vol.-% und insbesondere mehr als 75 Vol.-%.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen vorzugsweise thermisch isolierten Vorratsbehälter, welcher als Reservoir des verflüssigten Antriebsmediums dient. Über ein Leitungssystem wird verflüssigtes Antriebsmedium kontrolliert dem Vorratsbehälter entnommen, wodurch es bevorzugt bereits in den gasförmigen Zustand übergeht. Das verdampfte aber immer noch vergleichsweise kalte Antriebsmedium nimmt dann Wärme aus der Umgebung auf und wird dem Wärmetauscher mit der Temperatur T^U zugeführt, wo es infolge des Wärmeeintrags auf die Temperatur T^W erwärmt und somit weiter expandiert wird, so dass ein erheblicher Überdruck erzeugt wird. Dieser Überdruck baut sich in der gesamten Überdruckleitung in Richtung des Kolbens auf, erstreckt sich aber auch jenseits des Wärmetauschers in Richtung des Vorratsbehälters, so dass der Überdruck vom Vorratsbehälter bis zum Arbeitsraum der Kraftmaschine reicht. Innerhalb dieses Abschnitts der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen bevorzugt weitgehend isobare Bedingungen vor. Vom Vorratsbehälter bis zum Arbeitsraum besteht ein Temperaturgefälle, da das Antriebsmedium an verschiedenen Stellen der Vorrichtung Wärme aufnimmt, ehe es Arbeit verrichtet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Nähe des Ausgangs des Vorratsbehälters ein elektrisches Thermoelement angebracht, welches eine ausreichende Wärmemenge an das Antriebsmedium abgibt, so dass dieses vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Bevorzugt beträgt die Wärmemenge, welche vom elektrischen Thermoelement übertragen wird, die minimale Menge, welche erforderlich ist, um den Wechsel des Aggregatzustands zu gewährleisten.

Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Vorratsbehälter für das Antriebsmedium, worin dieses bei der Temperatur T⁰ vorliegt, wobei T⁰ tiefer als der Siedepunkt des Antriebsmediums liegt. Über eine Rohrleitung wird das zunächst verflüssigte Antriebsmedium entnommen, und wird bereits in der Rohrleitung (oder im Fall verschiedener Druckkreisläufe in einer oder mehreren Verdampfungskammern), vorzugsweise durch Wärmeeintrag z.B. von einem elektrischen Thermoelement, auf eine Temperatur oberhalb von T⁰ erwärmt. Danach liegt das Antriebsmedium auf seinem Weg vom Vorratsbehälter oder von der Verdampfungskammer zum Wärmetauscher, zum Kolben und zum Kühler bevorzugt im gasförmigen Zustand vor, wobei lediglich die Temperatur des gasförmigen Antriebsmediums variiert, wodurch es sich ausdehnt bzw. kontrahiert, aber stets gasförmig bleibt, ehe es im Kühler erneut in den flüssigen Zustand überführt wird.

Nach Verlassen des Wärmetauschers beträgt der Überdruck des Antriebsmediums bezogen auf Atmosphärendruck bevorzugt mehr als 1 bar, bevorzugter mehr als 2 bar, noch bevorzugter mehr als 5 bar, am bevorzugtesten mehr als 8 bar und insbesondere mehr als 10 bar. Aus Konstruktions- und Sicherheitsgründen beträgt der Überdruck bevorzugt nicht mehr als 100 bar, bevorzugter nicht mehr als 80 bar, noch bevorzugter nicht mehr als 60 bar, am bevorzugtesten nicht mehr als 40 bar und insbesondere nicht mehr als 20 bar.

Vom Wärmetauscher wird das gasförmige und unter Druck stehende Antriebsmedium über eine Überdruckleitung zum Einlasskanal eines Kolbens geführt, wo es kontrolliert bevorzugt über ein Ventil in den Kolbenraum eingeleitet wird. Der Überdruck liegt also anfangs bereits außerhalb des Arbeitsraums des Kolbens vor, und das unter Druck stehende Antriebsmedium wird in diesen eingeleitet. Dies ist ein wesentlicher Unterschied der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu anderen Kraftmaschinen, beispielsweise zum Verbrennungsmotor, bei denen der Treibstoff ggf. zwar bei hohem Druck in den Kolben eingespritzt wird, der Gasdruck, welcher für den eigentlichen Antrieb der Kraftmaschine kausal verantwortlich ist, aber erst im Arbeitsraum des Kolbens durch Zündung des Treibstoffgemischs mit Luft, d.h. durch eine chemische Reaktion aufgebaut wird.

Der sich erfindungsgemäß durch die Einleitung des Antriebsmediums im Kolbenraum aufbauende Druck bewegt den Kolben aus seiner Ausgangslage, wodurch kinetische Energie erzeugt wird. Die Rückführung des Kolbens in seine Ausgangslage kann nun z.B. einerseits durch die Trägheit eines mit dem Kolben über ein Pleuel verbundenen Schwungrades herbeigeführt werden, ergänzend kann diese Bewegung andererseits jedoch mit Hilfe der Unterdruckleitung erreicht werden, welche am Auslasskanal des Kolbens angeschlossen ist und bevorzugt über ein weiteres Ventil gesteuert wird. Die Unterdruckleitung mündet in einen Kühler, vorzugsweise in einen Gasverflüssiger, wodurch das Antriebsmedium abgekühlt und somit innerhalb der Unterdruckleitung kontrahiert wird. Auf diese Weise entsteht in der Unterdruckleitung ein Vakuum, dessen Sog genutzt werden kann, den Kolben in seine Ausgangslage zurückzuführen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt durch Ventile geregelt. So kann der Kolben im Zweitakt-Verfahren betrieben werden, wobei das Ventil der Überdruckleitung, d.h. am Einlasskanal des Kolbens, geöffnet ist, wenn das Ventil der Unterdruckleitung, d.h. am Auslasskanal des Kolbens, geschlossen ist, und umgekehrt. Geeignete Steuerungsanlagen sind dem Fachmann geläufig. Erfindungsgemäß bevorzugt erfolgt die Steuerung der Ventile elektronisch. In der bevorzugten internen Regelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung über Ventile liegt ein wesentlicher Unterschied zum Stirling-Motor, welcher intern ungeregelt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Steuerungssystem, welches geeignet ist, die Zufuhr des kalten, gasförmigen Antriebsmediums in den Wärmetauscher und die Einspeisung des erwärmten, expandierten und unter Überdruck stehenden Antriebsmediums in den Arbeitsraum des Kolbens zu regeln. Dazu umfasst das Steuerungssystem bevorzugt zumindest ein erstes Ventil am Einlasskanal des Kolbens, ein zweites Ventil am Auslasskanal des Kolbens und bevorzugt ein drittes Ventil am Eingang des Wärmetauschers. Bevorzugt sind die Ventile gemeinsam über eine Steuerungseinheit geregelt, um den Betrieb der Vorrichtung im Zweitaktverfahren zu gewährleisten.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Kolben, bevorzugter 2 Kolben, noch bevorzugter 3 Kolben, am bevorzugtesten 4 Kolben und insbesondere 5 oder mehr Kolben. Die Verwendung mehrerer Kolben hat den Vorteil, dass das Antriebsmedium in einem nahezu gleichmäßigen Strom durch die erfindungsgemäße Vorrichtung entlang des Druckgefälles fließt, ohne dass die zeitlich gesteuerte Öffnung und Schließung des Einlasskanals der Kolben zu signifikanten Rückstauungen des Antriebsmediums und damit einhergehenden Druckspitzen innerhalb der Überdruckleitung führt.

Vom Arbeitsraum des Kolbens gelangt das expandierte Antriebsmedium bevorzugt über einen Auslasskanal mit einem Ventil in die Unterdruckleitung, an deren Ende bevorzugt der Kühler angeordnet ist. Durch das Abkühlen des Antriebsmediums wird dieses kontrahiert, wodurch ein Unterdruck entsteht, welcher sich über die Unterdruckleitung bis hin zum Auslasskanal des Kolbens fortsetzt.

Der Druck des Antriebsmediums in der Unterdruckleitung beträgt vorzugsweise weniger als 0,9 bar, bevorzugter weniger als 0,8 bar, noch bevorzugter weniger als 0,7 bar, am bevorzugtesten weniger als 0,6 bar und insbesondere weniger als 0,5 bar.

Im Kühler wird das Antriebsmedium bevorzugt von der Temperatur T^K auf die Ausgangstemperatur T⁰ abgekühlt. T^K ist definiert als diejenige Temperatur, welche das Antriebsmedium unmittelbar vor Einleitung in den Kühler aufweist. Je nach Art des verwendeten Antriebsmediums liegt T^K bevorzugt im Bereich von -150 bis 50°C, bevorzugter von -125 bis 20°C, noch bevorzugter von -100 bis 0°C, am bevorzugtesten von -90 bis -10°C und insbesondere von -80 bis -20°C.

Nach dem Abkühlen des Antriebsmediums im Kühler auf die Temperatur T⁰ wird dieses bevorzugt in den Vorratsbehälter zurückgeführt, vorzugsweise in verflüssigtem Zustand.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung passiert das sich in der Unterdruckleitung befindliche Antriebsmedium zunächst einen Rekuperator, ehe es zum Kühler gelangt. Der Rekuperator befindet sich demnach bevorzugt zwischen Arbeitsraum des Kolbens und Kühler. Der Rekuperator dient dazu, Abwärme im Abgasstrom, also im Strom des expandierten Antriebsmediums, zurückzugewinnen. Das erwärmte Antriebsmedium wird dabei durch Kanäle oder Rohre geleitet, an deren erwärmten Wänden sich das in den Wärmetauscher ziehende relativ kalte Antriebsmedium erwärmt. Die Wand, welche die Wärme vermittelt, kann aus hitzebeständigem Stahl, Gusseisen oder aus keramischen Massen gebildet sein. Der Rekuperator bewirkt, dass die im Antriebsmedium nach Verlassen des Arbeitsraums des Kolbens gespeicherte Restwärme an den Wärmetauscher und somit an nachströmendes kaltes Antriebsmedium abgegeben werden kann, wodurch sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter erhöht. Das erwärmte und expandierte Antriebsmedium gibt im Rekuperator bevorzugt Wärme ab und wird dadurch abgekühlt. Vom Rekuperator wird das vorgekühlte Antriebsmedium anschließend zum Kühler geleitet. Unmittelbar vor Einleitung in den Kühler weist das Antriebsmedium die Temperatur T^K auf.

Geeignete Rekuperatoren sind dem Fachmann bekannt. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf M. Podhorsky, H. Krips, "Wärmetauscher", Vulkan Verlag, 1999; R.K.Shah, D.P. Sekulic, "Fundamentals of Heat Exchanger Design", John Wiley & Sons, 2002; und F.P. Incropera, D.P. DeWitt, "Fundamentals of Heat and Mass Transfer", 5. Auflage, Wiley Text Books, 2001 verwiesen werden.

Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung eines oder mehrerer Rekuperatoren liegt darin, dass das "verbrauchte", d.h. erwärmte und expandierte Antriebsmedium nach der Verrichtung von Arbeit vorgekühlt wird, ehe es den Kühler erreicht, und gleichzeitig das "frische", d.h. abgekühlte und kontrahierte Antriebsmedium vor der Verrichtung von Arbeit vorgewärmt wird, ehe es den Wärmetauscher erreicht. Dies wirkt sich günstig auf die Energiebilanz der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus. Das Antriebsmedium muss nämlich nicht ausgehend von Raumtemperatur auf T⁰ abgekühlt werden, sondern weist unmittelbar vor Einleitung in den Kühler bereits eine Temperatur T^K auf, welche vorzugsweise unterhalb der Raumtemperatur liegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen oder mehrere Rekuperatoren, welche in ihrem Aufbau Schraubenkompressoren nachgebildet sind. Die Schraubenkompressoren sind zweiwellige Drehkolbenmaschinen, die nach dem Verdrängungsprinzip mit innerer Verdichtung arbeiten. Das Fördergas, hier also das in Richtung des Arbeitsraums des Kolbens strömende Antriebsmedium, wird während des Transportes bevorzugt von einem Saugstutzen am oberen Teil des Gehäuses zu einem Druckstutzen am unteren Teil des Gehäuses in sich stetig verkleinernden Kammern komprimiert und in die Ableitung in Richtung des Wärmetauschers ausgefördert. Im Gegenstrom dazu wird dasjenige Antriebsmedium geleitet, welches dem Kühler zuströmt, wobei dieses durch eine Trennwand mit hoher Wärmeleitfähigkeit von den zweiwelligen Drehkolbenmaschinen und dem darin komprimierten Antriebsmedium getrennt ist. Über die Trennwand erfolgt nun ein Wärmeübergang vom relativ warmen Antriebsmedium auf das relativ kalte Antriebsmedium.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen oder mehrere Mehrkammerrekuperatoren, welche jeweils zumindest ein Verteilerventil und zumindest ein Regelventil enthalten. Jeder Mehrkammerrekuperator umfasst mehrere Wärmetauscherkammern, welche bevorzugt rotationssymmetrisch angeordnet sind. Bevorzugt enthält ein Mehrkammerrekuperator 2 bis 60, bevorzugter 3 bis 40, noch bevorzugter 4 bis 20, am bevorzugtesten 5 bis 16 und insbesondere 6 bis 12 Wärmetauscherkammern, welche jeweils einzeln und unabhängig vom Verteilerventil und vom Regelventil geöffnet bzw. geschlossen werden können. Das Antriebsmedium höherer Temperatur strömt bevorzugt über das Verteilerventil in den Mehrkammerrekuperator ein, wobei das Verteilerventil bevorzugt nur eine der Wärmetauscherkammern öffnet, während die übrigen Wärmetauscherkammern geschlossen sind. Auf diese Weise wird die geöffnete Wärmetauscherkammer mit Antriebsmedium geflutet, bis der Druck des Antriebsmediums in der Wärmetauscherkammer dem Druck des zuströmendem Antriebsmedium entspricht oder bis das Verteilerventil den Zufluss unterbricht. Danach öffnet das Verteilerventil bevorzugt die nächste, benachbarte Wärmetauscherkammer und flutet diese mit Antriebsmedium, usw. Zeitlich versetzt dazu öffnet das Regelventil die Wärmetauscherkammer, bevorzugt auf der gegenüberliegenden Seite zum Verteilerventil, lässt das Antriebsmedium entweichen und führt es dem Kühler zu. Umfasst der Mehrkammerrekuperator n Wärmetauscherkammern, so sind zeitgleich bevorzugt n-2 Wärmetauscherkammern geschlossen und mit Antriebsmedium gefüllt, eine Wärmetauscherkammer ist über das Verteilerventil geöffnet und wird mit Antriebsmedium befüllt und eine Wärmetauscherkammer ist über das Regelventil geöffnet und wird entleert. Das Antriebsmedium tieferer Temperatur wird bevorzugt durch ein unabhängiges Leitungssystem geführt, welches über Trennwände hoher Wärmeleitfähigkeit von den Wärmetauscherkammern des Mehrkammerrekuperators getrennt ist. Über diese Trennwände erfolgt nun ein Wärmeaustausch zwischen dem Antriebsmedium höherer Temperatur und dem Antriebsmedium tieferer Temperatur. Bevorzugt befindet sich dieses unabhängige Leitungssystem im Zentrum der rotationssymmetrisch angeordneten Wärmetauscherkammern. Die zeitlich sukzessive Öffnung nur einzelner Wärmetauscherkammern gewährleistet Verweilzeiten des Antriebsmediums, die deutlich länger als in den meisten herkömmlichen Wärmetauschern sind, so dass der Wärmeaustausch besonders effizient erfolgen kann.

Im Rekuperator begegnen sich der Zustrom des relativ abgekühlten Antriebsmediums und der Abstrom des relativ erwärmten Antriebmediums, wobei Zu- und Abstrom Wärme austauschen. Im Rekuperator wird das zu erwärmende Antriebsmedium des Zustroms bevorzugt auf die Temperatur T^R erwärmt. T^R ist definiert als diejenige Temperatur, die das Antriebsmedium unmittelbar nach Verlassen des Rekuperators auf seinem Weg zum Wärmetauscher aufweist; T^R bezieht sich also nicht auf die Temperatur des im Rekuperator abzukühlenden Antriebsmediums, welches über die Unterdruckleitung vom Kolben zum Kühler geleitet wird. Erfindungsgemäß bevorzugt ist T^R ≤ T^U.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Differenz zwischen T^R und T^K nicht mehr als 100°C, bevorzugter nicht mehr als 80°C, noch bevorzugter nicht mehr als 60°C, am bevorzugtesten nicht mehr als 40°C und insbesondere nicht mehr als 20°C.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Rekuperator, das Antriebsmedium ist Stickstoff und die Vorrichtung ist derart ausgelegt, dass Temperaturen des Antriebsmediums T⁰, T^R, T^U, T^W und T^K folgende bevorzugte Werte

Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als geschlossenes System ausgebildet. In diesem Fall entspricht der Massezufluss des Antriebsmediums in der Überdruckleitung dem Masseabfluss des Antriebsmediums in der Unterdruckleitung. In dieser Ausführungsform eignet sich auch verflüssigter Ammoniak als Antriebsmedium, da wegen des geschlossenen Systems ein Entweichen von Ammoniak verhindert wird. Die Verwendung von Ammoniak als Antriebsmedium ist besonders vorteilhaft, da er einen vergleichsweise hohen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei verschiedene Antriebsmedien, welche in getrennten Leitungssystemen zum Antrieb zweier Kraftmaschinen genutzt werden. In diesem Fall beträgt die Temperaturdifferenz der Siedepunkte der beiden verschiedenen Antriebsmedien bei Atmosphärendruck bevorzugt 10 bis 250°C, bevorzugter 30 bis 220°C, noch bevorzugter 50 bis 200°C, am bevorzugtesten 70 bis 180°C und insbesondere 100 bis 170°C. Bevorzugt wird dabei das Antriebsmedium mit dem tieferen Siedepunkt dazu genutzt, in einem geeigneten Wärmetauscher das Antriebsmedium mit dem höheren Siedepunkt zu verflüssigen, nachdem dieses Arbeit verrichtet hat. Demnach umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung im Falle mehrerer verschiedener Antriebsmedien zumindest einen (zusätzlichen) Wärmetauscher, in dem ein Wärmeaustausch zwischen dem Antriebsmedium mit höherem Siedepunkt und dem Antriebsmedium mit tieferen Siedepunkt erfolgt.

Vorzugsweise ist der Kolben der erfindungsgemäßen Vorrichtung über ein Pleuel mit einem Schwungrad versehen, dessen Rotationsachse an einen Stromgenerator angeschlossen ist. Auf diese Weise kann die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden.

Der Massefluss des Antriebsmediums (bezogen auf Raumtemperatur) ist mit der Zielleistung der erfindungsgemäßen Kraftmaschine korreliert. Wird die erfindungsgemäße Kraftmaschine an einen Stromgenerator angeschlossen, so lässt sich die Zielleistung als elektrische Zielleistung in kW angeben. Um eine elektrische Zielleistung von ca. 30 kW zu erreichen, beträgt der Massefluss des Antriebsmediums in der Überdruckleitung bevorzugt 120 ± 20 m³ gasförmiges Antriebsmedium pro Stunde. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch für deutlich höhere oder niedrigere elektrische Zielleistungen ausgelegt werden, wodurch sich der Massefluss des Antriebsmediums entsprechend erhöht bzw. verringert.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Stromgenerator, welcher mit Hilfe der Kraftmaschine angetrieben wird. Bevorzugt ist die Vorrichtung derart ausgelegt, dass die elektrische Zielleistung 1 kW bis 10 GW, bevorzugter 5 kW bis 10 MW, noch bevorzugter 10 bis 1000 kW, am bevorzugtesten 15 bis 500 kW und insbesondere 20 bis 100 kW beträgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Antriebsmedium Stickstoff und der Massefluss beträgt (bezogen auf Raumtemperatur) bevorzugt 10 bis 10.000 m³ N₂ h^–1, bevorzugter 25 bis 1.000 m³ N₂ h^–1, noch bevorzugter 50 bis 750 m³ N₂ h^–1, am bevorzugtesten 75 bis 500 m³ N₂ h^–1 und insbesondere 100 bis 250 m³ N₂ h^–1.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Wärmetauscher mit einem Raum zur Verbrennung von Energieträgern oder zur Zufuhr von Restenergie anderer Wärmequellen ausgestattet. Als zur Verbrennung geeignete Energieträger sind fossile Energieträger, aber auch erneuerbare Energieträger zu nennen. Vorzugsweise eignet sich der Wärmetauscher zur Verbrennung von Gas, Benzin, Öl oder Holz. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dem Wärmetauscher die Abwärme eines Kraftwerks zugeführt, insbesondere die Abwärme eine Blockheiz- oder Atomkraftwerks.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dem Verbrennungsraum des Wärmetauschers ein mit Sauerstoff angereichertes Gasgemisch zugesetzt, welches beispielsweise durch Luftverflüssigung und Abtrennen des Großteils des in der Luft enthaltenen Stickstoffs durch Membranfiltration erhältlich ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird dann bevorzugt als nicht-geschlossenes System betrieben. Flüssiger Stickstoff wird als Antriebsmedium verdampft und kann zumindest zum Teil entweichen, d.h. an die Umgebung abgegeben werden. Dieser Verlust an Antriebsmedium im System wird dadurch ausgeglichen, dass der Luftverflüssiger neuen gasförmigen Stickstoff der Umgebung entnimmt, verflüssigt und dem System wieder zuführt. Das bei der Luftverflüssigung als Nebenprodukt anfallende, mit Sauerstoff angereicherte Gasgemisch kann dabei dem Verbrennungsraum des Wärmetauschers zugeführt werden. Bevorzugt wird das mit Sauerstoff angereicherte Gasgemisch jedoch in einer zweistufigen Verbrennung eingesetzt. Die zweistufige Verbrennung kann beispielsweise in der Vergasung von Holz oder Müll (1. Stufe) und der anschließenden Verbrennung des so gewonnenen mittelkalorischen Gases (2. Stufe) bestehen. Durch die Verwendung des mit Sauerstoff angereicherten Gasgemisches in der 1. Stufe wird der Stickstoffanteil im mittelkalorischen Gas reduziert und somit sein spezifischer Brennwert erhöht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt zur Kraft-Wärme-Kopplung ausgelegt. Beispielsweise kann die Abwärme eines Blockheizkraftwerks dem Wärmetauscher zugeführt werden und dort zur Erwärmung des Antriebsmediums dienen, wobei der Stromgenerator des Blockheizkraftwerks gegebenenfalls über ein geeignetes Getriebe mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gekoppelt ist. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerks erhöht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zu Land und zu Wasser eingesetzt werden, beispielsweise in LKW, Zügen oder Motorbooten. Dabei kann die im Kolben erzeugte kinetische Energie unmittelbar zum Antrieb genutzt werden, wobei der Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftmaschine zum Tragen kommt, dass diese bereits bei sehr niedrigen Drehzahlen, insbesondere in ihrer Anlaufphase, ein vergleichsweise hohes Drehmoment zur Verfügung stellt, welches mit steigender Drehzahl wieder abnimmt. Diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung macht eine Kombination mit herkömmlichen Antriebssystemen, bei denen in der Regel ein hohes Drehmoment erst ab einer gewissen Mindestdrehzahl erreicht werden kann, besonders vorteilhaft. So kann beispielsweise ein LKW, welcher sowohl mit einem Verbrennungsmotor als auch mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Antriebsmittel ausgerüstet ist, besonders kraftvoll und effizient aus dem Stillstand angefahren werden, wenn zunächst die erfindungsgemäße Vorrichtung ihre kinetische Energie zur Verfügung stellt, ehe bei höherer Drehzahl die volle Leistung des Verbrennungsmotors zum Tragen kommt.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Stromgenerator, welcher durch das auf die Temperatur T⁰ abgekühlte Antriebsmedium gekühlt wird. Der Stromgenerator umfasst bevorzugt Windungen, welche aus Materialien gefertigt sind, die bei T⁰ supraleitende Eigenschaften haben. Der Stromgenerator wird mit verflüssigtem Antriebsmedium auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur gekühlt. Supraleitende Generatoren sind im Stand der Technik bekannt und sind beispielsweise bei der Firma American Superconductor kommerziell erhältlich.

In Anbetracht der Sprungtemperaturen derzeit verfügbarer Hochtemperatursupraleiter sind bei dieser Ausführungsform nicht beliebige Antriebsmedien zur Kühlung des supraleitenden Generators geeignet. Bevorzugt erfolgt die Kühlung des supraleitenden Generators mit flüssigem Stickstoff als Antriebsmedium.

Die Kühlung kann entweder dadurch erfolgen, dass man den Generator in den Vorratsbehälter für das abgekühlte und vorzugsweise verflüssigte Antriebsmediums, besonders bevorzugt in flüssigen Stickstoff, einbringt und darin betreibt. Alternativ kann auch aus dem Vorratsbehälter abgekühltes Antriebsmedium als Kühlmittel über ein Leitungssystem abgetrennt und dem Generator zugeführt werden. Der Stromgenerator wird bevorzugt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung angetrieben.

Die Verwendung eines supraleitenden Stromgenerators hat insbesondere den Vorteil, dass auf einen Großteil des sonst bei Generatoren üblicherweise verwendeten Kupfers verzichtet werden kann, wodurch sich das Gewicht des Generators erheblich reduzieren lässt, beispielsweise von 1.000 auf 200 bis 400 kg. Darüber hinaus wirkt sich die Supraleitung günstig auf den Wirkungsgrad in Bezug auf die Stromerzeugung aus; der Wirkungsgrad in Bezug auf die Stromerzeugung kann um bis zu 5% erhöht werden und auch der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann gesteigert werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie unter Verwendung einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(a) Expandieren des verflüssigten Antriebsmediums (1) durch Zufuhr von Wärme,
(b) Verrichten von Arbeit mit Hilfe des durch die Expansion entstehenden Überdrucks,
(c) Kontrahieren des expandierten Antriebsmediums (1) durch Abfuhr von Wärme, und
(d) Verrichten von Arbeit mit Hilfe des durch die Kontraktion entstehenden Unterdrucks,

wobei zumindest ein Teil der in Schritt (a) zugeführten Wärmemenge zumindest ein Teil der in Schritt (c) abgeführten Wärmemenge ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst Schritt (a) die folgenden Teilschritte:

(i) Überführen des Antriebsmediums (1) vom flüssigen in den gasförmigen Zustand durch Erwärmen;
(ii) Erwärmen des gasförmigen Antriebsmediums (1) durch Wärmeaustausch mit gasförmigem Antriebsmedium, welches bereits Arbeit verrichtet hat (vgl. Schritt (c));
(iii) Erwärmen des gasförmigen Antriebsmediums (1) auf eine Temperatur T^U durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebung; und
(iv) Erwärmen des Antriebsmediums (1) auf eine Temperatur T^W oberhalb von T^U durch Aufnahme von Wärme im Wärmetauscher (3).

Bevorzugt liegt T^U im Bereich von -150 bis 20°C und T^W im Bereich von -50 bis 400°C.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die in Schritt (c) beim Kontrahieren des Antriebsmediums abgeführte Wärme in einem Rekuperator zumindest zum Teil zum Expandieren des Antriebsmediums von Schritt (a) genutzt. In diesem Fall erfolgt die Erwärmung auf T^U durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebung und zusätzlich durch Aufnahme von Wärme aus dem vom Wärmetauscher zum Kühler zurückgeleiteten Antriebsmedium im Rekuperator.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Antriebsmedium ausgehend von einem Vorratsbehälter und der Ausgangstemperatur T⁰, welche unterhalb des Siedepunkts des Antriebsmediums liegt, durch einen Rekuperator geleitet und auf die Temperatur T^U erwärmt, wobei T^U > T⁰. Anschließend erfolgt eine Erwärmung des Antriebsmediums im Wärmetauscher auf eine Temperatur T^W, wobei T^W > T^U. Das erwärmte Antriebsmedium verrichtet nun Arbeit und wird anschließend in dem Rekuperator abgekühlt. Vom Rekuperator gelangt zumindest ein Teil des Antriebsmediums zum Kühler, durch den es von der Temperatur T^K auf die Ausgangstemperatur T⁰ abgekühlt wird, wobei T^W > T^K > T⁰. Durch die Abkühlung auf T⁰ kondensiert das Antriebsmedium aus und wird im Vorratsbehälter aufgefangen. Im Rekuperator erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem vom Vorratsbehälter zum Wärmetauscher geleiteten Antriebsmedium (relativ kalt) und dem vom Wärmetauscher zum Kühler geleiteten Antriebsmedium (relativ warm).

1 bis 8 zeigen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem thermisch isolierten Vorratsbehälter (18), in dem sich das Antriebsmedium (1) in verflüssigtem Zustand befindet. Über Rohrleitung (19) kann das Antriebsmedium (1) aus dem Vorratsbehälter entnommen und bevorzugt in den gasförmigen Zustand überführt werden. Über die Rohrleitung (19) kann das Antriebsmedium (1) zum Mehrkammerrekuperator (9) gelangen, wo es vorgewärmt wird. Den Mehrkammerrekuperator (9) verlässt das vorgewärmte Antriebsmedium (1) über Rohrleitung (20) und gelangt zum Wärmetauscher (3). Der Zufluss des vorgewärmten Antriebsmediums (1) in den Wärmetauscher (3) wird durch das Steuersystem (21) geregelt. Dem Wärmetauscher (3) wird von außen über den Raum (11) thermische Energie zugeführt, wodurch sich das Antriebsmedium innerhalb des Wärmetauschers ausdehnt. Dies kann z.B. durch Verbrennung fossiler Energieträger geschehen, z.B. über einen Auspuff, ein Kraftwerk oder einen Verbrennungsmotor. Es entsteht ein Überdruck, welcher über die Überdruckleitung (5) zum Einlasskanal (7) des Kolbens (4) im Zylinder (23) geleitet wird. Am Einlasskanal (7) wird die Einleitung des unter Druck stehenden Antriebsmediums (1) in den Arbeitsraum des Kolbens (4) durch das Einlassventil (22) kontrolliert. Die zeitlich gesteuerte Einleitung des unter Druck stehenden Antriebsmediums (1) in den Zylinder (23) bewirkt, dass sich der Kolben (4) innerhalb des Zylinders (23) nach unten in Bewegung setzt, wodurch über die Vorrichtung (12), welche das Pleuel (12a) und das Schwungrad (12b) umfasst, die Bewegung des Kolbens (4), d.h. der Kolbenhub in eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse (13) umgewandelt wird. Die Drehbewegung des Schwungrades (12b) wird durch das Steuersystem (21) gemessen und dementsprechend die weitere Zufuhr des vorgewärmten Antriebsmediums (1) in den Wärmetauscher (3) reguliert. Durch die Bewegung verlässt der Kolben (4) seinen oberen Totpunkt und gelangt zum unteren Totpunkt. Das Einlassventil (22) wird rechtzeitig geschlossen, und das Auslassventil (24) wird geöffnet. Auf diese Weise gelangt das Antriebsmedium, nachdem es Arbeit verrichtet hat, über den Auslasskanal (8) und die Unterdruckleitung (6) zum Mehrkammerrekuperator (9), wo seine Restwärme dazu dient, neues kaltes Antriebsmedium (1) vorzuwärmen, welches seinerseits über die Rohrleitung (20) dem Wärmetauscher (3) zugeführt wird. Das so im Mehrkammerrekuperator (9) abgekühlte Antriebsmedium (1) gelangt über Rohrleitung (25) zum Kühler (2), wo es verflüssigt und in den Vorratsbehälter (18) zurückgeführt wird. Der Kühler enthält bevorzugt einen Kompressor, da ein gewisser Mindestunterdruck erforderlich ist, um das Antriebsmedium aus dem Mehrkammerrekuperator zu saugen, und ein gewisser Mindestüberdruck erforderlich ist, um das Antriebsmedium bis in den Verflüssigen zu transportieren. Die Verflüssigung bewirkt zusammen mit der Abkühlung im Mehrkammerrekuperator (9), dass sich das Antriebsmedium (1) kontrahiert, wodurch ein Unterdruck entsteht, der über Rohrleitung (25) und Unterdruckleitung (6) bis zum Auslasskanal (8) des Zylinders (23) des Kolbens (4) wirkt. Das Öffnen des Auslassventils (24) bei Erreichen des Kolbens (4) am unteren Totpunkt bewirkt, dass bei der durch die Trägheit des Schwungrads (12b) induzierten Rückbewegung des Kolbens (4) innerhalb des Zylinders (23) zum oberen Totpunkt das im expandierten Zustand im Arbeitsraum befindliche Antriebsmedium (1) den Zylinder (23) verlassen kann. Wesentlich ist nun, dass dieser Vorgang aktiv durch den Unterdruck in der Unterdruckleitung (6) unterstützt wird, da der bei Öffnen des Auslassventils (24) entstehende Sog die Rückführung des Kolbens (4) vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt erleichtert.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche mit einer weiteren Vorrichtung (15) zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie, d.h. zur Verrichtung von Arbeit, gekoppelt ist. Dabei weist diese weitere Vorrichtung (15) einen Raum (16) auf, dessen Auspuff (17) mit dem Wärmetauscher (3) verbunden ist. Raum (16) ist beispielsweise zur Verbrennung von Energieträgern geeignet, beispielsweise von Benzin in einem Verbrennungsmotor. Es ist aber auch möglich, Raum (16) externe Abwärme zuzuführen, beispielsweise aus Verbrennungsmotoren, Blockheizkraftwerken, etc., aber auch z.B. aus Sonnenkollektoren. Die weitere Vorrichtung (15) ist bevorzugt über Kopplung (27a) mit dem Stromgenerator (14) verbunden und dient somit bevorzugt ihrerseits der Stromerzeugung. Zusätzlich wird dieser Stromgenerator (14) durch das Aggregat (26) angetrieben, welches durch Überdruckleitung (5) mit unter Überdruck stehendem Antriebsmedium (1) versorgt wird und Arbeit verrichtet. Als Aggregat (26) eignet sich beispielsweise der in 1 dargestellte Kolben (4) mit Zylinder (23), Pleuel (12a) und Schwungrad (12b). Somit zeigt 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der eine erfindungsgemäße Kraftmaschine mit einem Stromgenerator gekoppelt ist, welcher z.B. durch die Verbrennung fossiler Energieträger betrieben wird, wobei die dabei freiwerdende Abwärme zum Betreiben der erfindungsgemäßen Kraftmaschine genutzt wird. Eine derartige Vorrichtung zeichnet sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad aus. Darüber hinaus verringert sich die Abwärme aus der Verbrennung fossiler Energieträger erheblich.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der ein Hochtemperaturaggregat (26a) und ein Niedertemperaturaggregat (26b) über Kupplungen (27a) und (27b) an einen Stromgenerator (14) angeschlossen sind. Die Vorrichtung umfasst einen Vorratsbehälter (18) für das Antriebsmedium (1) und einen Gasverflüssiger (2). Verflüssigtes Antriebsmedium (1) gelangt über Rohrleitung (19) und Rekuperator (9a) zum Wärmetauscher (3a), welcher einen Raum (16) zur Verbrennung fossiler Energieträger umfasst. Die dabei freigesetzte Wärme wird genutzt, das Antriebsmedium (1) im Wärmetauscher (3a) zu erwärmen und über die Überdruckleitung (5a) zum Aggregat (26a) zu leiten. Nachdem das expandierte Antriebsmedium (1) Arbeit im Aggregat (26a) verrichtet hat und dabei elektrische Energie im Stromgenerator (14) erzeugt wurde, wird das expandierte Antriebsmedium (1) über Unterdruckleitung (6a) an einen zweiten Wärmetauscher (3b) abgegeben, wo es dazu dient, das über den Rekuperator (9b) und Rohrleitung (20) ebenfalls zum Wärmetauscher (3b) geführte kalte Antriebsmedium zu expandieren. Der dabei entstehende Überdruck wird über Überdruckleitung (5b) zum Aggregat (26b) geleitet und ebenfalls zur Stromerzeugung genutzt. Die Betriebstemperatur von Aggregat (26a) liegt demzufolge höher als die Betriebstemperatur von Aggregat (26b). In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Betriebstemperatur von Aggregat (26a) im Bereich zwischen 50 und 350°C, bevorzugter zwischen 100 und 300°C, am bevorzugtesten zwischen 150 und 250°C und insbesondere zwischen 175 und 225°C und die Betriebstemperatur von Aggregat (26b) im Bereich zwischen -100 und 200°C, bevorzugter zwischen -50 und 150°C, am bevorzugtesten zwischen 0 und 100°C und insbesondere zwischen 25 und 75°C. Bevorzugt liegt die Differenz der beiden Betriebstemperaturen zwischen 25 und 275°C, bevorzugter zwischen 50 und 250°C, noch bevorzugter zwischen 75 und 225°C, am bevorzugtesten zwischen 100 und 200°C, insbesondere zwischen 125 und 175°C.
4 zeigt eine bevorzugte Abwandlung der Vorrichtung nach 3, bei der die Vorrichtung nach 3 zusätzlich zum Gasverflüssiger (2a) mit einem Membranfilter (2b) und mit einer weiteren Rohrleitung (29) ausgestattet sein. Diese Rohrleitung (29) dient dazu, ein im Zuge der Luftverflüssigung erhaltenes, mit Sauerstoff angereichertes Gasgemisch der Verfeuerung eines Energieträgers im Raum (16) des Wärmetauschers (3a) zuzuführen. In dieser Ausführungsform erfüllt der Membranfilter (2b) zweierlei Aufgaben: Einerseits entnimmt er Luft aus der Umgebung, trennt den Großteil des darin enthaltenen Stickstoffs ab und führt diesen dem Gasverflüssiger (2a) zu, wo dieser verflüssigt und dem Vorratsbehälter (18) des Antriebsmediums (1) zugeführt wird, andererseits erzeugt er bei der Membranfiltration der Luft als Nebenprodukt ein mit Sauerstoff angereichertes Gasgemisch, welches über Rohrleitung (29) vorteilhaft bei der Verfeuerung fossiler Energieträger oder der Holzverfeuerung eingesetzt werden kann. Damit die Gesamtmenge an Antriebsmedium im System nicht stetig wächst, weist Rekuperator (9b) einen Abluftstutzen auf, über den gasförmiges Antriebsmedium an die Umgebung abgegeben wird.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welcher der Kühlwasserkreislauf eines Aggregats (26a) zum Erwärmen des Antriebsmediums (1) genutzt wird. Das Aggregat (26a) kann beispielsweise ein Benzinmotor sein, dessen erwärmtes Kühlwasser über Rohrleitung (30) in den Wärmetauscher (3a) geleitet und über Rohrleitung (31) zum Aggregat (26a) zurückgeführt wird. Aggregate (26a) und (26b) sind über eine Kupplung (32) miteinander verbunden. Wie über Bezugszeichen (33) bis (35) angedeutet, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, zum Antrieb von Rädern auf Straße und Schiene oder zum Antrieb von Schiffsschrauben genutzt werden.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welcher zwei verschiedene Antriebsmedien (1a) und (1b) über Kupplungen (27a) und (27b) zwei miteinander gekoppelte Aggregate (26a) und (26b) antreiben und somit über Generator (14) Strom erzeugen. Bevorzugt ist Antriebsmedium (1a) Stickstoff, Antriebsmedium (1b) Ammoniak. Der Stickstoff (1a) befindet sich anfangs im Vorratsbehälter (18a) und gelangt über Rohrleitung (19a), Rekuperator (9) und Rohrleitung (20) zum Wärmetauscher (3c), in dem ein Wärmeaustausch zwischen dem relativ kalten Stickstoff (1a) und dem relativ warmen Ammoniak (1b) erfolgt, so dass letzterer auf eine Temperatur unterhalb seines Siedepunkts abgekühlt wird. Im Austausch wird der Stickstoff (1a) im Wärmetauscher (3c) vorgewärmt und gelangt in Wärmetauscher (3b), wo ebenfalls ein Wärmeaustausch zwischen dem relativ warmen Ammoniak (1b) und dem noch relativ kalten Stickstoff (1a) erfolgt. Dabei wird der Stickstoff (1a) weiter erwärmt und expandiert, wodurch ein Überdruck entsteht. Der unter Überdruck stehende Stickstoff (1a) wird über Überdruckleitung (5a) in Aggregat (26a) eingeleitet und verrichtet dort Arbeit. Über Unterdruckleitung (6a) gelangt der Stickstoff (1a) schließlich zu Rekuperator (9), wo er zum erwärmen von frischem kalten Stickstoff genutzt wird und schließlich in die Atmosphäre abgelassen wird. Luftverflüssiger (2) entnimmt im Gegenzug Luft aus der Atmosphäre und verflüssigt den darin enthaltenen Stickstoff, welcher in Vorratsbehälter (18a) gesammelt wird. Das im Zuge der Luftverflüssigung anfallende, mit Sauerstoff angereicherte Gasgemisch wird über Rohrleitung (29) zur Erzeugung von Wärme für Wärmetauscher (3a) genutzt. In Wärmetauscher (3a) wird Ammoniak (1b), welcher aus Vorratsbehälter (18b) und Rohrleitung (19b) dorthin gelangt, erwärmt und der daraus resultierende Überdruck in Aggregat (26) zur Verrichtung von Arbeit genutzt. Über Unterdruckleitung (6b) gelangt Ammoniak (1b), nachdem er Arbeit verrichtet hat, in Wärmetauscher (3b), wo er im Zuge des Wärmeaustauschs mit relativ kaltem Stickstoff (1a) abgekühlt wird. In Wärmetauscher (3c) wird der vorgekühlte Ammoniak (1b) durch Wärmeaustausch mit noch kälterem Stickstoff (1a) auf eine Temperatur unterhalb seines Siedepunkts abgekühlt, so dass er auskondensiert und in Vorratsbehälter (18b) gesammelt wird.
Generator (14) ist bevorzugt ein supraleitender Stromgenerator, welcher über Rohleitungen (10a) und (10b) mit flüssigem Stickstoff (1a) auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur gekühlt wird.
7 zeigt den schematischen Aufbau eines Schraubenkompressors, welcher erfindungsgemäß bevorzugt als Rekuperator genutzt wird. 7a zeigt einen Querschnitt der zweiwelligen Drehkolbenmaschine, 7b einen Längsschnitt. Wie in 7a gezeigt, umfasst der Rekuperator zwei Wellen (9a) mit schraubenförmig angeordneten Erhebungen (9b) bzw. Aussparungen (9c) an der Mantelfläche. Die Wellen (9a) sind parallel zueinander in einem Abstand angeordnet, dass die Erhebungen (9b) an der Mantelfläche der einen Welle in die Aussparungen (9c) der Mantelfläche der anderen Welle eingreifen und umgekehrt. Der die Wellen umgebende Raum ist von einer thermisch leitfähigen Trennwand (9d) umgeben, so dass ein Hohlraum (9e) zwischen der äußeren Hülle des Rekuperators und der thermisch leitfähigen Trennwand (9d) gebildet wird. Gleichzeitig begrenzt die thermisch leitfähige Trennwand (9d) die Aussparungen (9c) an der Mantelfläche der Wellen, so dass weitere Hohlräume im Innenraum des Rekuperators gebildet werden. Durch diese Hohlräume im Innenraum des Rekuperators und den Hohlraum (9e) kann nun Antriebsmedium verschiedener Temperatur geleitet werden, so dass über die thermisch leitfähige Trennwand (9d) ein Temperaturausgleich stattfinden kann. Durch die Drehbewegung der Schrauben wird das diese umgebende Antriebsmedium in Richtung parallel der Achsen der Schrauben transportiert. Hohlraum (9e) kann über Öffnungen (9f) und (9g) kontinuierlich mit Antriebsmedium durchflutet werden.
8 zeigt den schematischen Aufbau eines Mehrkammerrekuperators, welcher erfindungsgemäß bevorzugt genutzt wird. 8a zeigt in seitlicher Ansicht (Abwicklung) die Wärmetauscherkammern (36), Verteilerventil (9a) und Regelventil (9b). 8b zeigt eine schematische Draufsicht mit zentraler Leitungsröhre (37), Trennwand aus wärmeleitfähigem Material (38) und Befüllungsstutzen (39) des Verteilerventils (9a).

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie durch Erwärmen und Abkühlen eines Antriebsmediums (1), umfassend – einen Kühler (2), – einen Wärmetauscher (3), – einen Kolben (4), – eine Überdruckleitung (5) für das Antriebsmedium (1) und – eine Unterdruckleitung (6) für das Antriebsmedium (1), wobei der Wärmetauscher (3) über die Überdruckleitung (5) mit dem Einlasskanal (7) des Kolbens (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (8) des Kolbens (4) über die Unterdruckleitung (6) mit dem Kühler (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (2) ein Gasverflüssiger ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal des Kolbens (4) ein Ventil aufweist und der Auslasskanal des Kolbens (4) ein Ventil aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) derart ausgestaltet ist, dass ihm Abwärme zugeführt werden kann, welche bei der Verbrennung von Energieträgern oder beim Betrieb eines Atomkraftwerks freigesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Auslasskanal (8) des Kolbens (4) und dem Kühler (2) ein Rekuperator (9) angeordnet ist, der einen Wärmeaustausch zwischen dem zum Wärmetauscher (3) hinströmenden und dem vom Wärmetauscher (3) abströmenden Antriebsmedium ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rekuperator ein Mehrkammerrekuperator mit Verteilerventil (9a) und Regelventil (9b) ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) mit einer Vorrichtung (12) verbunden ist, welche den Kolbenhub in eine Rotationsbewegung umwandelt und deren Rotationsachse (13) mit einem Stromgenerator (14) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (14) ein supraleitendes Material umfasst und der Kühler (2) derart ausgestaltet ist, das Antriebsmedium (1) auf eine Temperatur abzukühlen, die unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (14) zusätzlich mit einer weiteren Vorrichtung (15) zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie gekoppelt ist, wobei diese weitere Vorrichtung (15) einen Raum (16) zur Verbrennung von Energieträgern umfasst, deren Auspuff (17) mit dem Wärmetauscher (3) verbunden ist.
Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend die Schritte (a) Expandieren des verflüssigten Antriebsmediums (1) durch Zufuhr von Wärme, (b) Verrichten von Arbeit mit Hilfe des durch die Expansion entstehenden Überdrucks, (c) Kontrahieren des expandierten Antriebsmediums (1) durch Abfuhr von Wärme, und (d) Verrichten von Arbeit mit Hilfe des durch die Kontraktion entstehenden Unterdrucks, wobei zumindest ein Teil der in Schritt (a) zugeführten Wärmemenge zumindest ein Teil der in Schritt (c) abgeführten Wärmemenge ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmedium (1) einen Siedepunkt unterhalb von -30°C hat.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmedium (1) Stickstoff oder Luft ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) die folgenden Teilschritte umfasst: (i) Überführen des Antriebsmediums (1) vom flüssigen in den gasförmigen Zustand durch Erwärmen; (ii) Erwärmen des gasförmigen Antriebsmediums (1) durch Wärmeaustausch mit gasförmigem Antriebsmedium, welches bereits Arbeit verrichtet hat; (iii) Erwärmen des gasförmigen Antriebsmediums (1) auf eine Temperatur T^U durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebung; und (iv) Erwärmen des Antriebsmediums (1) auf eine Temperatur T^W oberhalb von T^U durch Aufnahme von Wärme im Wärmetauscher (3).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass T^U im Bereich von -150 bis 20°C und T^U im Bereich von -50 bis 400°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (c) beim Kontrahieren des Antriebsmediums abgeführte Wärme in einem Rekuperator zumindest zum Teil zum Expandieren des Antriebsmediums von Schritt (a) genutzt wird.