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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umwandeln
von Wärmeenergie
in elektrische Energie.
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Im
Kraftfahrzeugbereich gewinnen unabhängig vom Verbrennungsmotor
arbeitende Heizungen zunehmend an Bedeutung. Derartige Zusatzheizungen
sind als Standheizungen für
den Betrieb bei ruhendem Verbrennungsmotor und/oder Zuheizer für den Betrieb
bei laufendem Verbrennungsmotor ausgebildet.
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Für den Start
und die Aufrechterhaltung des Betriebs derartiger Zusatzheizungen
wird elektrische Energie benötigt,
beispielsweise für
ein Warmluftgebläse,
die Umwälzung
eines Wasserkreislaufes bei Wasserheizungen, eine Kraftstoffpumpe,
ein Brennluftgebläse
und einen elektrisch beheizbaren Glühstift für den Start der Heizung. Diese
benötigte
elektrische Energie belastet zusätzlich
den elektrischen Energiehaushalt des Kraftfahrzeugs. Insbesondere im
Falle eines Standheizungsbetriebs ist dies kritisch, da eine Entladung
der Batterie erfolgt. Diese Entladung der Batterie kann zwar durch
eine geeignete Steuerung der Standheizung begrenzt werden, indem
beim Erreichen eines kritischen Entladezustandes der Standheizungsbetrieb
unterbrochen wird, wobei dies jedoch dann in den meisten Fällen zu
einer unzureichenden Betriebsdauer der Standheizung führt. Weiterhin
ist selbst trotz des Abbruchs des Heizbetriebes aufgrund eines niedrigen
Ladezustandes der Batterie nicht sichergestellt, dass der batterieabhängige Startvorgang
des Verbrennungsmotors zuverlässig
stattfinden kann, da dies entscheidend vom sonstigen Zustand des
Kraftfahrzeugs und den herrschenden Umgebungstemperaturen abhängt. Im
schlimmsten Fall wird man demnach mit einem kalten und vereisten
Fahrzeug konfrontiert, dessen Verbrennungsmotor sich nicht mehr
starten lässt.
Das Erreichen eines solchen Zustandes ist umso wahrscheinlicher,
je kürzer
die Strecken sind, die man zwischen den einzelnen Betriebsphasen
der Standheizung mit dem Kraftfahrzeug zurücklegt, da kurze Strecken nicht
ausreichen, um einen befriedigenden Ladezustand der Batterie herbeizuführen.
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Um
diesem Nachteil abzuhelfen, wurde bereits vorgeschlagen, die von
der Zusatzheizung erzeugte Wärmeenergie
teilweise in elektrische Energie umzuwandeln, und diese elektrische
Energie für den
Betrieb der Standheizung zu nutzen. Auf diese Weise würde eine
unerwünschte
Entladung der Fahrzeugbatterie ausbleiben. Ein Beispiel für ein solches Konzept
wird in der
DE 102
35 601 A1 beschrieben. Im Rahmen dieses Konzeptes wird
eine thermoelektrische Einrichtung verwendet, die zwischen einem eine "heiße Seite" bildenden Gehäuseabschnitt
und einem eine "kalte
Seite" bildenden
Gehäuseabschnitt angeordnet
ist. Während
des Betriebs des Heizgerätes
kann somit an der thermoelektrischen Einrichtung eine Spannung abgegriffen
werden. Problematisch an dieser Lösung sind allerdings die Aufrechterhaltung
möglichst
hoher Temperaturdifferenzen, die für den wirkungsvollen Betrieb
von Thermoelementen erforderlich sind, thermische Ausdehnungen im
Bereich der thermoelektrischen Einrichtung und eine mangelhafte
Wärmeleitfähigkeit
zwischen der thermoelektrischen Einrichtung und den Gehäuseabschnitten.
Letztlich können
diese Probleme dazu führen,
dass die für
den Betrieb der Zusatzheizung erforderliche elektrische Leistung
nicht in vollem Umfang zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zum Umwandeln
von Wärmeenergie
in elektrische Energie zur Verfügung
zu stellen, so dass in jedem Fall sichergestellt ist, dass eine
ausreichende Leistung für
den Betrieb der Zusatzheizung zur Verfügung steht.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Lösung
der Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie
in elektrische Energie mit einem Gehäuse, dessen freies inneres
Volumen zumindest zum Teil mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist,
einer Wärmequelle
zur Abgabe von Wärmeenergie
an das Arbeitsmedium, einer Wärmesenke
zur Aufnahme von Wärmeenergie
aus dem Arbeitsmedium, einem in dem Gehäuse angeordneten beweglichen
Element, das durch einen wärmebedingten
mit einer Volumenänderung
einhergehenden Phasenübergang des
Arbeitsmediums bewegbar ist, wobei aufgrund einer Bewegung des beweglichen
Elementes zuvor von der Wärmequelle
erwärmtes
Arbeitsmedium von der Wärmesenke
abkühlbar
ist, zuvor von der Wärmesenke
abgekühltes
Arbeitsmedium von der Wärmequelle
erwärmbar
ist und ein elektrische Energie erzeugender Generator antreibbar
ist. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht somit in der Ausnutzung
eines Phasenüberganges
in einem Arbeitsmedium. Die Erfindung wird beispielhaft an dem Phasenübergang
fest-flüssig
erläutert,
wobei andere Phasenübergänge, die
mit einer ausreichenden Volumenänderung
einhergehen, ebenfalls die Grundlage für die Ausführung der Erfindung bilden
können;
beispielsweise können
sublimierende Substanzen zum Einsatz kommen, das heißt ein Phasenübergang fest-gasförmig kann
genutzt werden. Aufgrund der Anwesenheit eines beweglichen Elementes
kann ein wärmebedingter
Phasenübergang
unter Volumenvergrößerung stattfinden.
Die Bewegungsenergie des beweglichen Elementes kann dann über einen Generator
in elektrische Energie umgewandelt werden. Weiterhin wird aufgrund
der Bewegung des Elementes ermöglicht,
dass das zuvor durch Erwärmung verdampfte
Arbeitsmedium mit einem Bereich zur Kühlung des Arbeitsmediums, das
heißt
einer Wärmesenke,
in Berührung
tritt und so wieder einen Phasenübergang
vom gasförmigen
in den festen Aggregatszustand vollzieht. Hierdurch wird unmittelbar eine
Druckverringerung und eine somit entgegen gerichtete Bewegung des
beweglichen Elementes herbeigeführt,
beziehungsweise es wird mittelbar die Vorraussetzung für einen
Druckabbau und die hierdurch herbeigeführte Bewegung des beweglichen Elementes
geschaffen. In jedem Fall gelangt das bewegliche Element im Sinne
eines Kreisprozesses wieder in eine Position, die den erneuten Phasenübergang
unter Erhöhung
des Volumens erlaubt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das bewegliche Element
das Innenvolumen des Gehäuses
in ein erstes und ein zweites variables Teilvolumen unterteilt,
wobei das erste Teilvolumen mit der Wärmequelle verbunden ist und
das zweite Teilvolumen mit der Wärmesenke
verbunden ist und wobei in einer ersten Lage des beweglichen Elementes
ein Übertritt
von Arbeitsmedium zwischen dem ersten und dem zweiten Teilvolumen
und ein Eintritt von Arbeitsmedium in das erste und das zweite Teilvolumen gehemmt
oder verhindert wird, in einer zweiten Lage des beweglichen Elementes
ein Eintritt von zuvor in dem zweiten Teilvolumen abgekühltem Arbeitsmedium
in das erste Teilvolumen ermöglicht
wird und ein Übertritt
von Arbeitsmedium zwischen dem ersten und dem zweiten Teilvolumen
verhindert wird und in einer dritten Lage des beweglichen Elementes
ein Übertritt
von zuvor in dem ersten Teilvolumen erwärmtem Arbeitsmedium in das
zweite Teilvolumen ermöglicht
wird. In der ersten Lage des beweglichen Elementes kann ausgehend
vom flüssigen
Zustand des Arbeitsmediums eine Verdampfung unter Wärmezufuhr
stattfinden. Aufgrund der hierdurch bewirkten Bewegung des beweglichen
Elementes wird das Volumen, welches für den Phasenübergang
erforderlich ist, zur Verfügung
gestellt, und weiterhin wird das bewegliche Element in eine zweite
Lage gebracht, in der flüssiges
Arbeitsmedium in das erste Teilvolumen eintreten kann. Dieses flüssige Medium
ist während einer
vorangehenden Periode des Kreisprozesses vom gasförmigen in
den flüssigen
Aggregatszustand übergetreten.
Das bewegliche Element wird dann weiter von der zweiten Lage in
eine dritte Lage bewegt, die dann zusätzlich gestattet, dass das
gasförmige
Arbeitsmedium von dem ersten Teilvolumen in das zweite Teilvolumen übertritt.
Dieser Übertritt
wird stattfinden, da der Druck im ersten Teilvolumen deutlich höher ist,
als der Druck in dem mit der Wärmesenke
in Verbindung stehenden zweiten Teilvolumen. Das übergetretene
Arbeitsmedium kann dann im zweiten Teilvolumen kondensieren, und
das bewegliche Element wird beispielsweise aufgrund der Gewichtskraft
oder auch aufgrund einer sonstigen Kraft, beispielsweise einer elastischen
Kraft, in eine entgegen gesetzte Richtung bewegt. Während oder
am Ende dieser Bewegung kann dann flüssiges Arbeitsmedium aus dem
zweiten Teilvolumen für
den Übertritt
in das erste Volumen bereitgestellt werden, wobei dieser Übertritt
dann erfolgen wird, wenn das bewegliche Element während der
nächsten
Periode des Kreisprozesses wieder die zweite Lage einnimmt.
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Nützlicherweise
ist vorgesehen, dass das bewegliche Element ein Kolben ist.
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Die
Rückströmung des
flüssigen
Arbeitsmediums vom zweiten Teilvolumen in das erste Teilvolumen,
kann dann so reali siert sein, dass in einem den Kolben führenden
Wandabschnitt des Gehäuses mindestens
ein Rückströmkanal vorgesehen
ist, der in der ersten Lage des Kolbens mit dem zweiten Teilvolumen
verbunden und mit dem ersten Teilvolumen nicht verbunden ist, dass
in der zweiten Lage des Kolbens der mindestens eine Rückströmkanal mit dem
ersten Teilvolumen verbunden und mit dem zweiten Teilvolumen nicht
verbunden ist und dass zwischen der ersten und der zweiten Lage
keine Zwischenlage existiert, in der sowohl das erste als auch das
zweite Teilvolumen mit dem mindestens einen Rückströmkanal verbunden sind. Die
Anordnung von Rückströmkanälen in der
Wandung des Gehäuses
ist nützlich,
da auf dieser Grundlage der Kolben einfach ausgeführt sein
kann. Es ist aber auch möglich,
die Rückströmkanäle auf der
Grundlage geeigneter Mechanismen in den Kolben zu integrieren. Wesentlich für die Erfindung
ist, dass eine Rückströmung zu
einem geeigneten Zeitpunkt stattfinden kann, so dass der Kreisprozess
kontinuierlich ohne Erneuerung des Arbeitsmediums abläuft. Dass
zwischen der ersten und der zweiten Lage keine Zwischenstellung
existiert, in der sowohl das erste als auch das zweite Teilvolumen
mit dem mindestens einen Rückströmkanal verbunden
sind, stellt sicher, dass durch die hohe Druckdifferenz zwischen
dem ersten Teilvolumen und dem zweiten Teilvolumen kein flüssiges Arbeitsmedium
vom ersten Teilvolumen in das zweite Teilvolumen gedrückt wird.
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Die
Erfindung ist weiterhin bevorzugt dadurch ausgebildet, dass in einem
den Kolben führenden
Wandabschnitt des Gehäuses
mindestens ein Überströmkanal vorgesehen
ist, der in der dritten Lage des Kolbens den Übertritt von zuvor in dem ersten
Teilvolumen erwärmtem
Arbeitsmedium in das zweite Teilvolumen ermöglicht. Ein so angeordneter Überströmkanal ermöglicht in
einfacher Weise den Druckausgleich zwischen den Teilvolumina, wobei durch
dessen Anordnung in der Gehäusewand
wiederum erreicht wird, dass der Kolben in einfacher Weise ausgebildet
sein kann.
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Es
ist aber auch möglich,
dass in dem Kolben ein verschließbarer Überströmkanal vorsehen ist, der in
der dritten Lage des Kolbens offen ist und so den Übertritt
von zuvor in dem ersten Teilvolumen erwärmtem Arbeitsmedium in das
zweite Teilvolumen ermöglicht.
Dies kann durch einen Mechanismus erreicht werden, der einen oder
mehrerer Kanäle
in dem Kolben in dem Moment öffnet,
wenn der Kolben eine bestimmte Position erreicht hat. Insbesondere ist
hierdurch der obere "Totpunkt" gut definiert.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das bewegliche
Element ein Faltenbalg ist. Ein solcher Faltenbalg kann in effizienter
Weise aus einem Kunststoff geformt werden. Bei geeigneter Auslegung
des Formwerkzeugs kann der Faltenbalg in einem einheitlichen Arbeitsgang
mit Klappen, Ventilen oder ähnlichen
Mitteln bestückt
werden, so dass diese die Rückströmkanäle und/oder
die Überströmkanäle zur Verfügung stellen
können.
Bei einer Lösung mit
einem Faltenbalg kann daher das Gehäuse ohne jegliche Kanäle ausgebildet
werden. Selbstverständlich
ist aber auch im Zusammenhang mit einem Faltenbalg möglich, die Überströmkanäle und/oder
die Rückströmkanäle im Gehäuse anzuordnen.
Ein Faltenbalg bietet außerdem
die Möglichkeit,
das Verhältnis
des ersten Teilvolumens zum zweiten Teilvolumen groß zu wählen. Dies
ist von Vorteil, da hierdurch relativ zum gesamten Dampfvolumen
geringe vom ersten Teilvolumen in das zweite Teilvolumen übertretende
Dampfmengen ausreichen, um einen Druckausgleich herbeizuführen. Auf
diese Weise kann die Gefahr eines Siedens der Flüssigkeit im ersten Teilvolumen
während
der Überströmphase des Dampfes
in das zweite Teilvolumen verringert werden, und die Arbeitsfrequenz
des Kolbens kann aufgrund der geringen übertretenden Dampfmenge erhöht werden.
Eine erhöhte
Arbeitsfrequenz erlaubt dann wiederum eine Vereinfachung des Generators.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das bewegliche
Element eine Membran ist. Eine solche Lösung hat vergleichbare Besonderheiten
und Vorteile, wie die Lösung
mit einem Faltenbalg, insbesondere was die Anordnung der Kanäle und die
Einfachheit in der Herstellung angeht.
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Die
Erfindung kann weiterhin in der Form realisiert sein, dass das bewegliche
Element mindestens eine Sperre für
das Arbeitsmedium aufweist und das bewegliche Element das innere
Volumen des Gehäuses
in ein erstes und ein zweites variables Teilvolumen unterteilt,
wobei bei einer Bewegung des beweglichen Elementes in eine erste
Richtung das erste Teilvolumen vergrößert wird, das zweite Teilvolumen
verkleinert wird, das erste Teilvolumen einen vergrößerten Kontaktbereich
mit der Wärmesenke erhält und das
zweite Teilvolumen einen verkleinerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke
erhält
und wobei bei einer Bewegung des beweglichen Elementes in eine zweite
Richtung das erste Teilvolumen verkleinert wird, das zweite Teilvolumen
vergrößert wird, das
erste Teilvolumen einen verkleinerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke
erhält
und das zweite Teilvolumen einen vergrößerten Kontaktbereich mit der
Wärmesenke
erhält.
Im Gegensatz zu den bisher genannten Ausführungsformen erfolgt bei der zuletzt
genannten Lösung
sowohl die Verdampfung als auch die Kondensation des Arbeitsmediums
auf derselben "Seite" des beweglichen
Elementes. Um eine Bewegung des beweglichen Elementes in entgegen
gesetzte Richtung zu realisieren, was eine Vorraussetzung für den kontinuierlichen
Betrieb des Generators darstellt, sind zwei solche Teilvolumina vorgesehen,
in denen identische oder vergleichbare Prozesse stattfinden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie
in elektrische Energie mit den Schritten:
- – Bereitstellen
von Wärmeenergie,
- – Erwärmen eines
Arbeitsmediums unter Verwendung der Wärmeenergie, wodurch ein erster
Phasenübergang,
eine Druckerhöhung
in einem Teilvolumen eines Gehäuses
und eine Vergrößerung des
Teilvolumens durch Bewegen eines beweglichen Elementes in eine erste
Richtung herbeigeführt
werden,
- – Abkühlen des
Arbeitsmediums, wodurch ein dem ersten Phasenübergang entgegen gesetzter zweiter
Phasenübergang,
eine Druckminderung in dem zuvor erwärmten Arbeitsmedium und eine Verringerung
des Teilvolumens durch Bewegen eines beweglichen Elementes in eine
zweite Richtung herbeigeführt
werden, und
- – Umwandeln
der Bewegungsenergie des beweglichen Elementes in elektrische Energie.
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Auf
diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch
in einem Verfahren umgesetzt.
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Im
Hinblick auf die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfaltet dieses
seine besonderen Vorzüge
dadurch, dass die Wärmeenergie zumindest
teilweise von einer Standheizung eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt
wird und die elektrische Energie zumindest teilweise für den Betrieb
der Standheizung genutzt wird.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine unter allen Umständen ausreichende
Lieferung einer elektrischen Leistung auf der Grundlage eines vergleichsweise
einfachen thermodynamischen Prozesses zur Verfügung gestellt werden kann.
Ein Medium erfährt
durch Erwärmung
und einen Phasenübergang
eine starke Volumenausdehnung, die durch die Bewegung eines beweglichen Elementes
ermöglicht
wird. Die resultierende Volumenarbeit kann über einen Generator in elektrische Energie
umgesetzt werden. Indem die flüssigen
und gasförmigen
Mengen des Arbeitsmediums in geeigneter Weise geführt werden,
kann ein Kreisprozess ablaufen, der insbesondere ohne Verbrauch
des Arbeitsmediums kontinuierlich eine elektrische Leistung zur
Verfügung
stellt, die bei konkreten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beispielsweise im Bereich von 50 bis
100 W liegt, das heißt
im allgemeinen ausreichend sein wird, um den Betrieb der Zusatzheizung
mit ausreichender Reserve aufrechtzuerhalten. Überschüssige elektrische Leistung kann
in das Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist und beispielsweise zum
Laden der Batterie verwendet werden.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand
besonders bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer ersten Arbeitsstellung;
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2 die
Ausführungsform
gemäß 1 in einer
zweiten Arbeitsstellung;
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3 die
Ausführungsform
gemäß 1 in einer
dritten Arbeitsstellung;
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4 eine
Schnittdarstellung eines Kolbens zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer ersten Arbeitstellung;
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5 den
Kolben gemäß 4 in
einer zweiten Arbeitstellung;
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6 eine
Schnittdarstellung eines weiteren Kolbens zur Verwendung in einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer ersten Arbeitstellung;
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7 den
Kolben gemäß 6 in
einer zweiten Arbeitstellung;
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8 eine
Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer ersten Arbeitsstellung und
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9 die
Ausführungsform
gemäß 8 in einer
zweiten Arbeitsstellung.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare
Komponenten.
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Die 1 bis 3 zeigen
Schnittdarstellungen einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in drei verschiedenen Arbeitstellungen. Ein Gehäuse 10, das vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet
ist, beherbergt einen Kolben 18 und einen Generator 26.
Der Kolben 18 steht über
einen Stößel 44 mit
dem Generator 26 zum Zwecke des Antriebs des Generators 26 in
Verbindung. Der Kolben 18 unterteilt das innere Volumen des
Gehäuses 10 in
ein erstes Teilvolumen 28 unterhalb des Kolbens 18 und
ein zweites Teilvolumen 30 oberhalb des Kolbens 18.
Aufgrund einer Bewegungsmöglichkeit
des Kolbens 18 in dem Gehäuse 10, sind die Teilvolumina 28, 30 variabel.
Das freie innere Volumen des Gehäuses 10 ist
mit einem Arbeitsmedium 12 gefüllt, wo bei das im flüssigen Aggregatszustand
vorliegende Arbeitsmedium 12 dargestellt ist. Das restliche
freie Volumen des Gehäuses 10 ist
mit dem Arbeitsmedium in gasförmiger Phase
entsprechend dem jeweiligen Dampfdruck des flüssigen Arbeitsmediums 12 in
den Teilvolumina 28, 30 gefüllt. Als Arbeitsmedium kommen
beispielsweise Wasser oder Alkohole in Frage. Der Kolben 18 hat
eine glatte zylinderförmige
Außenwand, über die er
in dem Gehäuse 10 geführt wird.
Die im Wesentlichen zylinderförmige
Innenwand des Gehäuses 10 ist
mit Kanälen 32, 34 versehen.
Es sind Rückströmkanäle 32 und Überströmkanäle 34 vorgesehen,
wobei diese Bezeichnung der Kanäle 32, 34 im
Rahmen der nachfolgenden Funktionsbeschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläutert
wird. Das Gehäuse 10 stellt
eine Wärmequelle 14 und
eine Wärmesenke 16 zur
Verfügung,
wobei die Wärmequelle 14 von
einer Standheizung erzeugte Wärmeenergie an
das Teilvolumen 28 abgeben und die Wärmesenke 16 durch
das Kühlsystem
des Fahrzeugs beliefert werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß den 1 bis 3 arbeitet
wie folgt. In der Darstellung gemäß 1 befindet
sich der Kolben 18 in einer ersten Lage, seiner unteren
Endlage. In diesem Zustand werden die Überströmkanäle 34 durch den Kolben 18 verschlossen.
Ebenso wird durch den Kolben 18 verhindert, dass in den
Rückströmkanälen 32 vorliegendes
Arbeitsmedium 12 in das erste Teilvolumen 28 eintreten
kann. Da das erste Teilvolumen 28, das heißt das im
ersten Teilvolumen 28 vorliegende Arbeitsmedium 12,
mit einer Wärmequelle 14 in
Verbindung steht, kann dieses von der Wärmequelle 14 erwärmt werden.
Die mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften des Systems
sind nun so ausge legt, dass das Arbeitsmedium 12 im ersten
Teilvolumen 28 eine starke Volumenänderung aufgrund eines Phasenübergangs
erfährt,
wobei diese Volumenänderung
durch die Beweglichkeit des Kolbens 18 ermöglicht wird.
Aufgrund der Erwärmung
des Arbeitsmediums 12 im ersten Teilvolumen 28 wird
der Kolben folglich in seine in 2 dargestellte
Lage überführt. Im
Hinblick auf die Überströmkanäle 34 ist die
in 2 dargestellte Lage des Kolbens 18 äquivalent
zu der in 1 dargestellten Lage. Allerdings hat
der Kolben zum Erreichen der in 2 dargestellten
Lage mit seiner oberen Begrenzung das obere Ende der Rückströmkanäle 32 überstrichen,
bevor er dann das untere Ende der Rückströmkanäle 32 freigegeben
hat, das heißt
mit dem ersten Teilvolumen verbunden hat. Demgemäß konnte das in den Rückströmkanälen 32 vorliegende
flüssige
Arbeitsmedium in das erste Teilvolumen 28 zurückfließen. In dieser
Situation erfolgt weiterhin eine Erwärmung des Arbeitsmediums 12 im
ersten Teilvolumen 28, so dass eine weitere Bewegung des
Kolbens 18 in seine in 3 dargestellte
Lage stattfindet. Bezüglich
der Rückströmkanäle 32 ist
die in 3 dargestellte Lage des Kolbens äquivalent
zu der in 2 dargestellten Lage. Allerdings
werden die Überströmkanäle 34 nun
nicht mehr von dem Kolben 18 verschlossen. Folglich kann
gasförmiges
Arbeitsmedium über die Überströmkanäle 34 aus
dem ersten Teilvolumen 28 in das zweite Teilvolumen 30 unter
Druckminderung im ersten Teilvolumen 28 und Druckerhöhung im zweiten
Teilvolumen 30 überströmen. Auf
diese Weise erfolgt ein Druckausgleich zwischen den Teilvolumina 28, 30,
und der Kolben 18 kann sich in seine in 1 dargestellte
Lage zurückbewegen.
Die Abwärtsbewegung
des Kolbens kann durch Gewichtskraft und/oder die Kraft einer während der
Aufwärtsbewegung
gespannten nicht dargestellten Feder und/oder durch den Generator
zur Verfügung
gestellt werden. Unterdessen kondensiert das in das zweite Teilvolumen 30 übergetretene
Arbeitsmedium durch Wärmeabgabe
an die Wärmesenke 16,
die durch das zweite Teilvolumen 30 begrenzende kältere Gehäuseabschnitte
zur Verfügung
gestellt wird. Dieses kondensierte Arbeitsmedium 12 sammelt
sich dann wieder zumindest teilweise in den Rückströmkanälen 32, so dass es
für den
nächsten
Arbeitszyklus zum Übertritt
in das erste Teilvolumen 28 zur Verfügung steht.
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Die 4 und 5 zeigen
einen Kolben 20 mit einem darin vorgesehenen Überströmkanal 36. Ein
Gehäuse,
das einen solchen Kolben 20 beherbergt, muss daher nicht
die in den 1 bis 3 dargestellten Überströmkanäle 34 aufweisen.
In dem Kolben 20 ist eine bistabile Feder 46 angeordnet
und fest mit dem Kolben 20 verbunden. Die beiden stabilen
Stellungen der bistabilen Feder 46 sind in den 4 und 5 jeweils
dargestellt. Die bistabile Feder 46 ist mittig mit einer
ein Langloch 48 aufweisenden Stange 50 verbunden.
An ihrer anderen Seite ist die bistabile Feder 46 über eine
weitere Stange 52 mit einem Deckel 54 verbunden,
der geeignet ist, den Überströmkanal 36 zu
verschließen
oder freizugeben. Die verschlossene Stellung des Überströmkanals 36 ist
in 4 dargestellt, während die geöffnete Stellung
des Überströmkanals 36 in 5 dargestellt ist.
Weiterhin ist ein Zapfen 56 zu erkennen, der fest mit dem
hier nicht dargestellten Gehäuse
verbunden ist und der folglich bei einer Bewegung des Zylinders 20 in
dem Langloch 48 wandert.
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In 4 ist
die Lage des Zapfens 56 bezüglich des Langlochs 48 in
einer unteren Stellung des Kolbens dargestellt. In diesem Zustand
ist die bistabile Feder 46 nach oben gewölbt, und
folglich verschließt
der Deckel 54 den Überströmkanal 36.
Bewegt sich nun der Kolben 20 aufgrund der Phasenumwandlung
des Arbeitsmediums nach oben, so bleibt der Überströmkanal 36 zunächst verschlossen, und
der Zapfen 56 bewegt sich relativ zum Langloch 48 nach
unten. Erreicht der Zapfen 56 das untere Ende des Langloches,
so führt
dies dazu, dass auf die bistabile Feder 56 eine nach unten
gerichtete mittig angreifende Kraft ausgeübt wird, was dazu führt, dass
die bistabile Feder 46 ihre nach unten gewölbte Stellung
einnimmt. Folglich wird der Überströmkanal 36 durch
Abheben des Deckels 54 vom Kolben 20 geöffnet.
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Auf
der Grundlage dieses in den 4 und 5 dargestellten
Kolbens 20 ergibt sich mitunter ein günstigeres Betriebsverhalten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
da der Überströmkanal 36 erst kurz
vor dem oberen Totpunkt geöffnet
wird und bis zum Erreichen der unteren Endlage geöffnet bleibt.
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In
den 6 und 7 ist eine Variante der Ausführungsformen
gemäß den 4 und 5 dargestellt.
Um das erste Teilvolumen 28 (siehe 1 bis 3)
möglichst
groß zu
gestalten, was die bereits beschriebenen Vorteile während des
Betriebs nach sich zieht, ist der verschließbare Bereich des Kolbens 22 sehr
kurz gestaltet, und unterhalb des Deckels 54 befindet sich
ein zusätzliches
Volumen, dass dem ersten Teilvolumen zugerechnet werden kann.
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Ein
vergleichbarer Aufbau mit großem
erstem Teilvolumen ergibt sich auch in dem Fall, dass ein Faltenbalg
anstelle eines Kolbens verwendet wird. Auch diese Ausführungsform
kann anhand der 6 und 7 erkannt
werden, wenn man davon ausgeht, dass der das freie Volumen unterhalb
des Deckels begrenzende Bereich faltenbalgartig aufgebaut ist. Der
untere Endbereich dieses Faltenbalges ist dann fest mit dem hier
nicht dargestellten Gehäuse
verbunden, beispielsweise über
einen umlaufenden sich in radialer Richtung erstreckenden Kragen, der
durch einen unteren und einen oberen Gehäuseteil vollumfänglich eingeklemmt
wird. In vergleichbarer Weise kann eine Membran als bewegliches
Element im Gehäuse
angeordnet sein.
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Die 8 und 9 zeigen
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wobei zwei aufeinander folgende Betriebszustände dargestellt sind. Die Vorrichtung
weist ein Gehäuse 10 auf,
in dem ein flüssiges
Arbeitsmedium 12 vorliegt. Es sind eine Wärmequelle 14 und
eine Wärmesenke 16 vorgesehen.
Die Wärmequelle
erstreckt sich entlang der Unterseite des Gehäuses 10, die mit dem
flüssigen
Arbeitsmedium 12 in Verbindung steht. Die Wärmesenke 16 steht
mit anderen Bereichen des freien Innenvolumens in Verbindung. Ein
in dem Gehäuse 10 angeordnetes
bewegliches Element 24 weist zwei Sperren 38 auf,
die das Volumen in dem Gehäuse 10 in
drei Teilvolumina 40, 42, 58 unterteilt. Das
bewegliche Element 24 ist drehbar gelagert, so dass es über eine
Welle 60 ein Generator antreiben kann.
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Die
in den 8 und 9 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung
arbeitet wie folgt. Geht man von dem in 8 dargestellten
Zustand aus und betrachtet man das Teilvolumen 40, so erkennt
man eine größere Menge
an flüssigem
Arbeitsmedium 12. Dieses flüssige Arbeitsmedium 12 wird über die
Wärmequelle 14 erwärmt, so
dass ein Phasenübergang unter
Volumenerhöhung
stattfindet. Diese Volumenerhöhung
wird durch eine Bewegung der Sperre 38 zusammen mit dem
beweglichen Element 24 ermöglicht. Aufgrund dieser Bewegung
kommt das verdampfte Arbeitsmedium mit kühleren Bereichen des Gehäuses 10,
das heißt
mit der Wärmesenke 16,
in Verbindung. Unterdessen ist aber bereits in dem Teilvolumen 42 vorhandenes
gasförmiges
Arbeitsmedium kondensiert, so dass nun das Teilvolumen 42 die anfängliche
Rolle des Teilvolumens 40 übernimmt. Das im Teilvolumen 42 vorliegende
flüssige
Arbeitsmedium 12 wird folglich erwärmt, während im Teilvolumen 40 eine
Druckverminderung aufgrund der Kondensation des Arbeitsmediums stattfindet.
Letztlich kann dann also eine Bewegung des beweglichen Elementes 24 in
die entgegen gesetzte Richtung erfolgen, um wieder den in 8 dargestellten
Zustand zu erreichen.
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Im
Hinblick auf die beteiligten Oberflächen innerhalb der im Rahmen
der vorliegenden Erfindung beschriebenen Ausführungsformen, spielen die folgenden
Umstände,
insbesondere im Hinblick auf den Wärmeübergang, eine Rolle. Das erste
Teilvolumen der Vorrichtungen, die im Zusammenhang mit den 1 bis 7 beschrieben
wurden, wird durch das flüssige
Arbeitsmedium benetzt. Da zusätzlich
eine relativ hohe Temperaturdifferenz zwischen der Brennerflamme,
die beispielsweise direkt auf den die Wärmequelle bildenden Gehäuseabschnitt
wirken kann, und dem flüssigen
Arbeitsmedium besteht, ist hier der Wärmeübergang unproblematisch. Aller dings
ist die Temperaturdifferenz zwischen der kondensierenden Flüssigkeit
und dem Kühlwasser,
das vorzugsweise die Vorraussetzungen für eine Wärmesenke schafft, gering. Daher
ist hier der Wärmeübergang trotz
beidseitiger Benetzung der Gehäusewand
ungünstiger.
Damit die äußeren Gehäuseabmaße im Zusammenhang
mit der Bereitstellung einer hinreichenden Oberfläche nicht
zu groß werden,
ist es möglich,
die Kondensationsfläche
im zweiten Teilvolumen mit einer Struktur zu versehen, beispielsweise mit
Pyramidenstümpfen,
deren Oberfläche
gegebenenfalls zusätzlich
durch Ätzen
weiter vergrößert werden
kann.
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Ein
weiterer Aspekt, der mit der vorliegenden Erfindung und mit allen
beschriebenen Ausführungsformen
in einem Zusammenhang steht, betrifft die Ausführung des Generators. Für den Magneten
des Generators kann beispielsweise ein Ringmagnet verwendet werden,
wie er in Lautsprechern zum Einsatz kommt. Ein Magnetring aus einem
Lautsprecher mit einer Leistung von 100 W hat beispielsweise einen Außendurchmesser
ca. 100 mm, ein Innenloch von ca. 57 mm und eine Höhe von ca.
14 mm. Auf der Ober- und Unterseite des Magneten können Bleche
zur Feldführung
angebracht werden. Die Spulen können im
Innenring angeordnet werden, das heißt der Magnetring umschließt das Spulenpaket.
Bei der im Zusammenhang mit den 1 bis 7 relevanten Auf-
und Abbewegung des Kolbens kann diese dann auf den Magnetring übertragen
werden, der sich an der Längsachse
der Spulen auf- und abbewegt. Da der Generator im zweiten Teilvolumen
angeordnet sein kann, kann eine Bewegung des Magneten das gasförmige Arbeitsmedium
im zweiten Teilvolumen bewegen und so eine Strömung an der Kondensationsfläche erzeugen.
Auch dies verbessert den Wärmeübergang.
Als Spulen können
zwei Spulengruppen vorgesehen sein, die durch Versatz in der Höhe zwei
in einer Phase gegeneinander verschobene Spannungen liefern. Jede
Spulengruppe kann aus drei Einzelspulen bestehen, die gleichmäßig auf
dem Umfang des Ringes verteilt sind. So sind die Rückwirkungskräfte zwischen
Magnet und Spulenkern gleichmäßig verteilt,
und ein Kippen des Magneten wird verhindert. Damit beim Übergang
zwischen den beiden Phasen keine "Rastkräfte" zu einer ruckartigen Bewegung des Magneten
führen,
sollten sich die Kerne in der Höhenprojektion überschneiden.
Durch Veränderung
der Querschnitte kann in Folge der Sättigung des Spulenkerns ein
gleitender Übergang
des Magnetfeldes erzielt werden. Die Spulenkerne selbst können aus
Ferritmaterial oder senkrecht stehenden Trafoblechen bestehen.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Gehäuse
- 12
- Arbeitsmedium
- 14
- Wärmequelle
- 16
- Wärmesenke
- 18
- Kolben
- 20
- Kolben
- 22
- Kolben
- 24
- bewegliches
Element
- 26
- Generator
- 28
- erstes
Teilvolumen
- 30
- zweites
Teilvolumen
- 32
- Rückströmkanal
- 34
- Überströmkanal
- 36
- Überströmkanal
- 38
- Sperre
- 40
- Teilvolumen
- 42
- Teilvolumen
- 44
- Stößel
- 46
- bistabile
Feder
- 48
- Langloch
- 50
- Stange
- 52
- Stange
- 54
- Deckel
- 56
- Zapfen
- 58
- Teilvolumen
- 60
- Welle