DE102005040866B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie. Die beim Betrieb einer Standheizung erzeugte Wärme wird teilweise verwendet, um ein Arbeitsmedium (12) zu verdampfen. Indem das Arbeitsmedium mit einem beweglichen Element (18, 20, 22, 24) wechselwirkt, wird Volumenarbeit geleistet, die in einem Generator (26) in elektrische Energie umgewandelt wird. Es wird ein Kreisprozess beschrieben, der ohne Erneuerung des Arbeitsmediums abläuft, indem gemäß bevorzugten Ausführungsformen geeignete Maßnahmen getroffen werden, um ein Überströmen des Arbeitsmediums in seinen verschiedenen Aggregatzuständen zwischen Teilvolumina eines Gehäuses (10) zu erstatten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Andere Konzepte zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie sind in der DE 10 2004 018 631 A1 , DE 197 15 929 C1 und DE 195 29 564 A1 offenbart.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • 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.
  • 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.
  • Nützlicherweise ist vorgesehen, dass das bewegliche Element ein Kolben ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch in einem Verfahren umgesetzt.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Arbeitsstellung;
  • 2 die Ausführungsform gemäß 1 in einer zweiten Arbeitsstellung;
  • 3 die Ausführungsform gemäß 1 in einer dritten Arbeitsstellung;
  • 4 eine Schnittdarstellung eines Kolbens zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Arbeitstellung;
  • 5 den Kolben gemäß 4 in einer zweiten Arbeitstellung;
  • 6 eine Schnittdarstellung eines weiteren Kolbens zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Arbeitstellung;
  • 7 den Kolben gemäß 6 in einer zweiten Arbeitstellung;
  • 8 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Arbeitsstellung und
  • 9 die Ausführungsform gemäß 8 in einer zweiten Arbeitsstellung.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie mit – einem Gehäuse (10), dessen freies inneres Volumen zumindest zum Teil mit einem Arbeitsmedium (12) gefüllt ist, – einer Wärmequelle (14) zur Abgabe von Wärmeenergie an das Arbeitsmedium, – einer Wärmesenke (16) zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Arbeitsmedium, – einem in dem Gehäuse angeordneten beweglichen Element (18, 20, 22, 24), 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 (26) antreibbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element das Innenvolumen des Gehäuses in ein erstes (28) und ein zweites (30) variables Teilvolumen unterteilt, wobei das erste Teilvolumen mit der Wärmequelle (14) verbunden ist und das zweite Teilvolumen mit der Wärmesenke (16) verbunden ist und wobei – in einer ersten Lage des beweglichen Elementes (18, 20, 22) 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.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element ein Kolben (18, 20, 22) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass in einem den Kolben (18, 20, 22) führenden Wandabschnitt des Gehäuses (10) mindestens ein Rückströmkanal (32) 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.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem den Kolben (18) führenden Wandabschnitt des Gehäuses mindestens ein Überströmkanal (34) vorgesehen ist, der in der dritten Lage des Kolbens den Übertritt von zuvor in dem ersten Teilvolumen erwärmtem Arbeitsmedium in das zweite Teilvolumen ermöglicht.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolben (20, 22) ein verschließ barer Überströmkanal (36) 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.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element ein Faltenbalg ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element eine Membran ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (24) mindestens eine Sperre (38) für das Arbeitsmedium aufweist und das bewegliche Element das innere Volumen des Gehäuses in ein erstes (40) und ein zweites (42) variables Teilvolumen unterteilt, – wobei bei einer Bewegung des beweglichen Elementes (24) in eine erste Richtung das erste Teilvolumen (40) vergrößert wird, das zweite Teilvolumen (42) verkleinert wird, das erste Teilvolumen einen vergrößerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke (16) erhält und das zweite Teilvolumen einen verkleinerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke erhält und – wobei bei einer Bewegung des beweglichen Elementes (24) in eine zweite Richtung das erste Teilvolumen (40) verkleinert wird, das zweite Teilvolumen (42) vergrößert wird, das erste Teilvolumen einen verkleinerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke (16) erhält und das zweite Teilvolumen einen vergrößerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke erhält.
  10. Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie mit den Schritten: – Bereitstellen von Wärmeenergie, – Erwärmen eines Arbeitsmediums (12) unter Verwendung der Wärmeenergie, wodurch ein erster Phasenübergang, eine Druckerhöhung in einem Teilvolumen (28, 40, 42) eines Gehäuses (10) und eine Vergrößerung des Teilvolumens durch Bewegen eines beweglichen Elementes (18, 20, 22, 24) 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 (28, 40, 42) durch Bewegen eines beweglichen Elementes in eine zweite Richtung herbeigeführt werden, und – Umwandeln der Bewegungsenergie des beweglichen Elementes in elektrische Energie.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, 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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