DE102010054170A1 - Device for generating electrical energy by converting heat into torques and method for operating a power generator by torque generation by means of heat - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie durch Drehmomentenerzeugung. Dabei wird im Wesentlichen ein Generator, eine Pumpe oder Verdichter und eine Turbine verwendet, die durch ein gemeinsames Kraftübertragungsmittel miteinander verbunden sind. In einem hermetisch abgeschlossenen und mit flüssigen Kohlendioxid gefüllten Gehäuse sind diese Teile untergebracht, wobei innerhalb eines geschlossenen Strömungskreislaufes, der ebenfalls mit Kohlendioxid gefüllt ist, die Wärme von einem Wärmetauscher entnommen wird und dadurch ein Antreiben der Turbine bewirkt wird. Ferner wird ein Verfahren beschrieben zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a device for converting heat into electrical energy by generating torque. Essentially, a generator, a pump or compressor and a turbine are used, which are connected to one another by a common force transmission means. These parts are housed in a hermetically sealed housing filled with liquid carbon dioxide, the heat being removed from a heat exchanger within a closed flow circuit, which is also filled with carbon dioxide, thereby causing the turbine to be driven. A method for operating such a device is also described.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bei der durch eine Drehmomentenerzeugung eine Umwandlung von Wärme in elektrische Energie erfolgt, wobei die Vorrichtung im Wesentlichen aus einem Generator, einer Pumpe oder einem Verdichter und einer Turbine besteht. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Stromerzeugers über eine Drehmomentenerzeugung, insbesondere aus Wärme.The invention relates to a device in which by a torque generation, a conversion of heat into electrical energy, wherein the device consists essentially of a generator, a pump or a compressor and a turbine. Likewise, the invention relates to a method for operating a power generator via a torque generation, in particular from heat.

Wärme kann bekanntlich von einem Körper höherer auf einen solchen niederer Temperatur durch Leitung, Konvektion und Strahlung übertragen werden. Hierzu werden Vorrichtungen verwendet, die als Wärmetauscher bezeichnet werden. In den Wärmetauschern wird von einem wärmetragenden Medium, z. B. einem Gas oder einer Flüssigkeit, ein Teil seiner Wärmemenge entweder unmittelbar oder mittelbar zweckgebunden auf ein anderes Medium übertragen. Dieses andere Medium kann beispielsweise ein Kühlmittel sein.Heat can be transferred from a higher body to such a lower temperature by conduction, convection and radiation. For this purpose, devices are used, which are referred to as heat exchangers. In the heat exchangers is from a heat-carrying medium, for. As a gas or a liquid, a portion of its amount of heat either directly or indirectly earmarked transferred to another medium. This other medium may for example be a coolant.

Ein solcher Wärmetauscher zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie ist beispielsweise der DE 198 11 800 A1 zu entnehmen. Dabei wird z. B. eine Gasturbine mit geschlossenem Arbeitskreis verwendet, in der Wärmeenergie durch einen Wärmeübertrager an ein Gas übertragen wird und das Gas in einem geschlossenen System zirkuliert, mechanische Arbeit leitet, die in Koppelung mit einem elektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.Such a heat exchanger for converting heat into electrical energy is for example the DE 198 11 800 A1 refer to. This z. For example, a closed-cycle gas turbine is used in which heat energy is transferred through a heat exchanger to a gas and the gas is circulated in a closed system, conducting mechanical work that is converted into electrical energy in coupling with an electrical generator.

Die DE 10 234 568 A1 betrifft ein Verfahren zur konvektiven Energiegewinnung in einem strömungstechnisch geschlossenen Kreislaufsystem, in dem ein Wärmeträgermedium, welches zugleich Arbeitsmedium ist, zirkuliert, das hydro- und thermodynamisch mindestens eine Wärmequelle und eine Wärmesenke unterschiedlicher Temperatur miteinander verbindet und in den Bereichen der Wärmequelle und -senke ein Wärmeaustausch zwischen dem zirkulierenden Wärmeträgermedium und Wärmereservoir insbesondere über installierte Wärmeaustauscher vollzogen wird, wobei die Wärmequelle insbesondere örtlich unterhalb der Wärmesenke lokalisiert ist, so dass infolge stattfindender Wärmeaustauschprozesse das Wärmeträgermedium einer konvektiven hydromechanischen Strömung unterworfen wird, so dass sich über lokale Abschnitte des Kreislaufsystems oder innerhalb des strömenden Wärmeträgermediums Druckunterschiede aufbauen, die zusammenfassend einen thermisch initiierten gravimetrisch konvektiv strömenden Wärmeträger-Medienkreislaufffluss ergeben. Dabei wird aus dem kollektiv getriebenen Wärmeträger Medienfluss, welcher im Leitungsstrangsystem einen hydro- und thermodynamisch geschlossenen Kreisprozess mit Phasenumwandlung durchläuft, mittelt Arbeitsmaschinen Energie gewonnen und ausgekoppelt.The DE 10 234 568 A1 relates to a method for convective energy production in a fluidically closed circulation system, in which a heat transfer medium, which is also working fluid circulates, the hydro- and thermodynamically at least one heat source and a heat sink of different temperature with each other and in the areas of the heat source and sink a heat exchange between the circulating heat transfer medium and heat reservoir, in particular via installed heat exchangers, wherein the heat source is located in particular locally below the heat sink, so that as a result of heat exchange processes, the heat transfer medium is subjected to a convective hydromechanical flow, so that over local sections of the circulatory system or within the flowing Heat transfer medium pressure differences build, summarizing a thermally initiated gravimetrically convective flowing heat transfer Me resulting in circulation. Here, from the collectively driven heat transfer medium flow, which undergoes a hydro- and thermodynamically closed loop process with phase transformation in the wiring harness system, work machines averages and decouples energy.

Ein Gegenstromwärmetauscher mit zwei voneinander getrennten Volumenströmen und einem Wärmetauschelement wird durch die Offenbarung der DE 20 2008 010 691 A1 bekannt.A countercurrent heat exchanger with two separate volume flows and a heat exchange element is disclosed by the disclosure of DE 20 2008 010 691 A1 known.

Die allgemeine Verteuerung der Energieträger hat einen großen Anreiz zur Energieverbrauchssenkung ausgelöst. Hierbei spielt auch die Rückgewinnung von Wärmeenergie mit Hilfe von Wärmetauschern eine große Rolle.The general increase in the cost of energy has triggered a major incentive to reduce energy consumption. The recovery of heat energy with the help of heat exchangers also plays a major role here.

Sowohl die zunehmende Knappheit der Energieträger in Verbindung mit den laufend größer werdenden Problemen der mengenmäßigen Beschaffungssicherung als auch Wirtschaftlichkeitsüberlegungen besonders infolge der starken Energiepreissteigerungen bewirkt, dass beispielsweise aus Abwärme elektrische Energie erzeugt wird. Hierbei spielt in der Gesamtheit der Maßnahmen der Einsatz von Wärmetauschern eine herausragende Rolle.Both the increasing scarcity of energy sources in connection with the ever-increasing problems of quantitative security of supply as well as cost-effectiveness considerations, in particular as a result of the strong increases in energy prices, mean that, for example, waste heat generates electrical energy. Here, the use of heat exchangers plays a prominent role in the entirety of the measures.

Bei den Wärmetauschern werden beispielsweise natürliche Kältemittel, wie Ammoniak, Wasser, Kohlenwasserstoffe, Luft (Edelgas) und Kohlendioxid verwendet. Diese Mittel haben kein Ozonzerstörungspotential und kein oder nur ein geringes Treibhauspotential. Das natürliche Kältemittel Kohlendioxid ist nicht brennbar und nicht toxisch. Kohlendioxid besitzt eine sehr große volumetrische Kälteleistung, das umlaufende Kältemittelvolumen ist daher relativ klein. Kohlendioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff (CO2). Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe, insbesondere von fossilen Energieträgern. Unterhalb einer kritischen Temperatur von 31° Celsius kann Kohlendioxid durch Drucksteigerung zu einer farblosen Flüssigkeit verdichtet werden. Je nach Temperatur geschieht dies bei einem Druck von 5,18 bar oder mehr. Bei einer Raumtemperatur ist dazu dagegen ein Druck von ca. 60 bar nötig. Der kritische Druck bei der kritischen Temperatur liegt etwa bei 73,8 bar.In the heat exchangers, for example, natural refrigerants such as ammonia, water, hydrocarbons, air (noble gas) and carbon dioxide are used. These agents have no ozone depletion potential and no or only a low global warming potential. The natural refrigerant carbon dioxide is non-flammable and non-toxic. Carbon dioxide has a very large volumetric cooling capacity, the circulating volume of refrigerant is therefore relatively small. Carbon dioxide is a chemical compound of carbon and oxygen (CO 2 ). Carbon dioxide is produced by burning carbonaceous fuels, especially fossil fuels. Below a critical temperature of 31 ° Celsius, carbon dioxide can be compressed by increasing the pressure to a colorless liquid. Depending on the temperature, this happens at a pressure of 5.18 bar or more. At room temperature, on the other hand, a pressure of about 60 bar is required. The critical pressure at the critical temperature is approximately 73.8 bar.

Als Kältemittel kommt Kohlendioxid unter der Bezeichnung R 744 im Fahrzeug und stationären Klimaanlagen, bei industrieller Kältetechnik usw. zum Einsatz.The refrigerant used is carbon dioxide under the name R 744 in vehicles and stationary air conditioning systems, in industrial refrigeration technology, etc.

Kohlendioxid als Kältemittel wird beispielsweise für einen Kältemittelkreislauf verwendet, der in der DE 10 2005 017 918 A1 beschrieben wird.Carbon dioxide as a refrigerant is used for example for a refrigerant circuit, which in the DE 10 2005 017 918 A1 is described.

Turbinen oder Pumpen, die nach dem gleichen Prinzip aufgebaut sind, können beispielsweise der US 6 227 795 , US 2002/0182054 und US 1 329 559 entnommen werden. Derartige Vorrichtungen besitzen einen Läufer, der aus einer Anzahl von festen, flachen Scheiben besteht, die auf einer Welle befestigt sind. Die Scheiben sind entsprechend durch Zwischenringe distanziert und weisen in ihrer Mitte mehrere Öffnungen auf, die beispielsweise speichenartig oder dgl. ausgeführt sein können. Untergebracht ist dieser Läufer in einem Gehäuse, welches an seinem Umfang mindestens einen Einlass aufweist. Als Auslass werden in der Nähe der Welle die vorhandenen Durchbrüche verwendet. Bei der Verwendung als Turbine trifft die vor beschriebene Einbringung des Mediums über den äußeren Einlass zu, jedoch bei Verwendung als Pumpe wird über den mittleren Bereich der Durchbrüche das zu pumpende und zu kompremierende Medium entgegengesetzt eingeführt.Turbines or pumps, which are constructed according to the same principle, for example, the US 6,227,795 . US 2002/0182054 and US Pat. No. 1,329,559 be removed. Such devices have a runner, which consists of a Number of solid, flat discs, which are mounted on a shaft. The discs are distanced accordingly by intermediate rings and have at their center a plurality of openings, which may for example be spoke-like or the like. Housed is this rotor in a housing which has at least one inlet at its periphery. As an outlet, the existing breakthroughs are used near the shaft. When used as a turbine, the above-described introduction of the medium via the outer inlet applies, but when used as a pump, the medium to be pumped and compressed is introduced in the opposite direction over the central region of the openings.

Durch die EP 0 161 832 B1 ist ein ringförmiges Dauermagnetsystem bekannt geworden. Dieses Dauermagnetsystem dient zur Erzeugung homogener Magnetfelder und besteht dabei aus einzelnen Segmenten, die nicht dicht aneinander mit Lücken platziert worden sind. Durch diese besondere Anordnung der Magnete wird in dem Innenraum ein vorgewähltes magnetisches Feld erzeugt, wobei die Magnetsegmente in unterschiedlichen bestimmten Richtungen magnetisiert worden sind, um so ein homogenes Magnetfeld im Innenraum zu erzeugen.By the EP 0 161 832 B1 an annular permanent magnet system has become known. This permanent magnet system is used to generate homogeneous magnetic fields and consists of individual segments that have not been placed close to each other with gaps. By this particular arrangement of the magnets, a preselected magnetic field is generated in the interior, wherein the magnet segments have been magnetized in different specific directions, so as to produce a homogeneous magnetic field in the interior.

Ähnliche Systeme sind aus der US 2003/0094873 A1 und beispielsweise aus der JP 2007-15 92 41 A1 zu entnehmen.Similar systems are out of the US 2003/0094873 A1 and for example from the JP 2007-15 92 41 A1 refer to.

Eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine zeigt die DE 10 2004 017 507 A1 bei der innerhalb eines Rotorkörpers Permanentmagnete eingebettet sind, die aus einer Vielzahl von anisotropen Einzelmagneten besteht, die in dem Rotorkörper entlang von Linien angeordnet und magnetisiert sind.A rotor assembly for an electric machine shows the DE 10 2004 017 507 A1 in which permanent magnets are embedded within a rotor body, which consists of a plurality of anisotropic individual magnets, which are arranged in the rotor body along lines and magnetized.

Mit der DE 10 2004 017 157 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung und eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine dargelegt worden. Bei dem Verfahren zur Herstellung der Rotoranordnung wird bei dem Rotorkörper eine Anordnung aus Permanentmagneten, die aus isotropem Magnetmaterial in dem Rotorkörper speichenartig eingebettet werden und durch eine externe Magnetisierungseinrichtung im eingebauten Zustand magnetisiert werden, beschrieben.With the DE 10 2004 017 157 B4 For example, a method of manufacturing a rotor assembly and a rotor assembly for an electric machine has been set forth. In the method of manufacturing the rotor assembly, an arrangement of permanent magnets which are embedded in a spoke-like manner of isotropic magnetic material in the rotor body and magnetized by an external magnetization device in the installed state is described in the rotor body.

Die DE 44 14 527 C1 offenbart eine elektrisch kommutierte Gleichstrommaschine, welche einen Permanentmagnetrotor mit einem zylindrischen Luftspalt und homogenem Magnetfeld mit gradlinigem und radialem Feldlinienverlauf und ständig wechselnder Polarität aufweist. Es wird eine eisenlose Statoranordnung mit einer selbsttragenden Statorwicklung, die aus drahtförmigem Leitermaterial und ausgehärtetem Kunstharz besteht, verwendet, die gerade Wicklungsabschnitt aufweist, die sich innerhalb des Luftspaltes erstrecken.The DE 44 14 527 C1 discloses an electrically commutated DC machine having a permanent magnet rotor with a cylindrical air gap and a homogeneous magnetic field with a straight line and radial field line course and constantly changing polarity. There is used an ironless stator assembly having a self-supporting stator winding consisting of wire-shaped conductor material and cured synthetic resin having straight winding section extending inside the air gap.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie aus unterschiedlichen Wärmequellen in elektrische Energie zu schaffen mittels einer Drehmomentenerzeugung, die äußerst effektiv arbeitet. Eine solche Vorrichtung soll einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und in der Herstellung kostengünstig sein, ferner wird ein wartungsfreier Betrieb gefordert, der keine oder nur geringe Betriebskosten erfordert.The object of the invention is to provide a device for converting heat energy from different heat sources into electrical energy by means of a torque generation which works extremely effectively. Such a device should have a high efficiency and be inexpensive to manufacture, also a maintenance-free operation is required, which requires no or low operating costs.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Umwand von Wärme in elektrische Energie mittels Drehmomentenerzeugung durch die Ansprüche 1 und 2 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Stromerzeugung mittels Drehmomentenerzeugung gelöst. Die Unteransprüche geben dabei eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens wieder.The object of the invention is achieved by a device for converting heat into electrical energy by means of torque generation by the claims 1 and 2 and by a method for operating a power generation by means of torque generation. The dependent claims provide a further embodiment of the inventive concept again.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist im Wesentlichen eine Turbine mit auf einer gemeinsamen Welle angeordneten Pumpe sowie einem Generator auf. Sowohl der Generator als auch die Pumpe und die Turbine sind durch das gemeinsame Kraftübertragungsmittel zwangsweise miteinander verbunden. Um aus Wärmequellen jeglicher Art, insbesondere Abwärmequellen deren Energie sonst verloren ist und nur zur Umweltbelastung beiträgt elektrische Energie zu gewinnen wird ein erster Wärmetauscher eingesetzt, dem durch einen Kreislauf entsprechende Wärme entzogen wird. Diese primär entzogene Wärme wird mittels eines Mediums, vorzugsweise eines Kälte- oder Kühlmittels, das vorzugsweise aus Kohlendioxid besteht und in diesem Punkt flüssig ist, in die Turbine eingelassen. Bei einer ersten Inbetriebnahme der Vorrichtung ist es notwendig, dass dem Generator, der in diesem Falle als Motor verwendet wird, von außen entsprechende elektrische Energie zugeführt wird, damit der gesamte Prozess angestoßen wird. Dieses bedeutet, dass der Motor in Drehbewegung gerät und damit zwangsläufig die Pumpe und die Turbine mit antreibt. Aufgrund der Drehbewegung des Motors verdichtet die Pumpe das Kühlmittel und drückt es unter hohem Druck durch den ersten Wärmetauscher zur Aufnahme der Wärmeenergie und anschließend in die Turbine. Die Turbine ist in einer bevorzugten Ausführungsform so ausgebildet, dass diese einen Läufer besitzt, der aus einer Anzahl von festen, beabstandeten flachen Scheiben besteht, die auf der gemeinsamen Welle festgesetzt sind. Die Scheiben weisen gleichzeitig im Bereich der Welle mehrere Öffnungen auf, die dazu dienen, das eingelassene Kältemittel wieder austreten zu lassen.The device according to the invention essentially has a turbine with a pump arranged on a common shaft and a generator. Both the generator and the pump and the turbine are forcibly connected to each other by the common power transmission means. To heat sources of any kind, especially waste heat sources whose energy is otherwise lost and only contributes to the environmental impact of generating electrical energy, a first heat exchanger is used, which is deprived of heat by a circuit corresponding. This primarily extracted heat is introduced into the turbine by means of a medium, preferably a refrigerant or coolant, which preferably consists of carbon dioxide and is liquid at this point. In a first start-up of the device, it is necessary that the generator, which is used in this case as a motor, is supplied from the outside corresponding electrical energy, so that the entire process is triggered. This means that the motor starts to rotate and inevitably drives the pump and the turbine with it. Due to the rotational movement of the motor, the pump compresses the coolant and presses it under high pressure through the first heat exchanger to absorb the heat energy and then into the turbine. The turbine is, in a preferred embodiment, configured to have a rotor consisting of a number of fixed, spaced, flat disks fixed on the common shaft. The discs have at the same time in the region of the shaft a plurality of openings which serve to let the recessed refrigerant escape again.

Wird nun bei der Inbetriebnahme die Welle durch den Motor in Rotation versetzt, so wird auch das Scheibenpaket der Turbine in Rotation versetzt. Aufgrund des Kreislaufes wird das Kühlmittel von dem ersten Wärmetauscher unter Druck in einem flüssigen Zustand zwischen die rotierenden Scheiben eingelassen. Hier entsteht durch Adhäsion und innerer Reibung der Scheiben das flüssige Kühlmittel von den Scheiben mitgenommen und es ist gleichzeitig zwei Kräften ausgesetzt. Dieses führt zu einer tangentialen Kraft in Bewegungsrichtung und in eine radial nach außen wirkende Kraft. Durch die Summenwirkung dieser Tangentialkräfte und Fliehkräfte wird das Kühlmittel mit ständig anwachsender Geschwindigkeit in einer Spiralbahn fortbewegt, bis es an den Auslass im Bereich der durchgehenden gemeinsamen Welle ankommt. Dabei werden die einzelnen Flüssigkeitsteilchen des Kühlmittels mehrere Umläufe innerhalb der Turbine machen, was zu einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit einer solchen Turbine und einer Umschaltung des Anlaufsmotors auf Generatorbetrieb führt. Gleichzeitig ist damit eine Zunahme und Vergrößerung der Umfangsgeschwindigkeit verbunden. Die Turbine mit dem flüssigen eingelassenen Kühlmittel wird zum Antrieb für die gesamte Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmomentes aus Wärme. Es versteht sich, dass der Abstand der einzelnen Scheiben untereinander umso größter sein kann, je größer der Scheibendurchmesser und je länger der Spiralweg des Kühlmittels und damit je größer deren innere Reibung ist. Diese Reibung treibt die Turbine an.If the shaft is set in rotation by the motor during commissioning, so will the disk package of the turbine is set in rotation. Due to the circulation, the coolant is admitted by the first heat exchanger under pressure in a liquid state between the rotating disks. Here, by adhesion and internal friction of the discs, the liquid coolant is taken from the discs and it is exposed to two forces simultaneously. This leads to a tangential force in the direction of movement and in a radially outward force. Due to the cumulative effect of these tangential forces and centrifugal forces, the coolant is moved at an ever increasing rate in a spiral path until it arrives at the outlet in the region of the continuous common shaft. In this case, the individual liquid particles of the coolant will make several revolutions within the turbine, which leads to an increase in the performance of such a turbine and a switchover of the starter motor to generator operation. At the same time an increase and increase in the peripheral speed is associated with it. The turbine with the liquid coolant introduced becomes the drive for the entire device for generating a torque of heat. It is understood that the greater the disc diameter and the longer the spiral path of the coolant and thus the greater their internal friction, the greater the distance between the individual discs can be. This friction drives the turbine.

Das Kühlmittel, das vorzugsweise als Kohlendioxid im flüssigen Zustand in die Turbine eingelassen wird, verlässt die Turbine im gasförmigen Zustand durch die Öffnungen der Scheiben im Bereich der Antriebswelle. Das aus der Turbine austretende Energieträgermedium in Form des Kühlmittels, das jetzt gasförmig ist, tritt in die Welle ein und wird über Auslässe der Welle zu einem zweiten Wärmetauscher geführt. An diesem Wärmetauscher wird eine weitere Abkühlung des Kühlmittels bewirkt. Nach der Abkühlung durch den zweiten Wärmetauscher wird das Kühlmittel über den Kühlmittelkreislauf wieder in die gemeinsame Welle eingebracht, wobei jedoch eine Trennwand zwischen den vorgeschriebenen Auslässen und den nun wirksam werdenden Einlässen der Antriebswelle im Bereich der Pumpe vorhanden ist. Das abgekühlte Kältemittel wird im Bereich der Welle durch einen analogen Aufbau der Pumpe gegenüber der Turbine durch die Durchbrüche innerhalb der Scheiben im Bereich der gemeinsamen Welle in die Pumpe eingeleitet. Das Kühlmittel wird nun aufgrund der Rotation der Scheiben, wie bereits ausgeführt, bei der Turbine mitgenommen und es nimmt seinen gewundenen Weg und erfährt dadurch eine Komprimierung zu dem am Auslass und damit an dem größten Umfang der Scheiben befindlichen Ausgang. Durch die Komprimierung wird das Kühlmittel wieder verflüssigt und tritt dann im verflüssigten Zustand in den ersten Wärmetauscher wieder ein. Damit ist der Kühlmittelkreislauf in sich geschlossen. Sobald der Motor eine bestimmte Drehzahl erhalten hat, wird aufgrund der dem ersten Wärmetauscher entzogenen Wärme die Turbine mit der Pumpe selbst laufen, so dass eine Umschaltung des Motors auf Generatorbetrieb durchgeführt werden kann. So lange, wie entsprechende Wärmeenergie über den ersten Wärmetauscher zugeführt wird und über den zweiten Wärmetauscher eine Abkühlung des Kühlmittels erfolgt, läuft die Vorrichtung weiter und hat somit an der Welle, die als Kraftübertragungsmittel bezeichnet werden kann, eine Drehmomentenerzeugung zur Folge.The coolant, which is preferably introduced into the turbine as carbon dioxide in the liquid state, leaves the turbine in the gaseous state through the openings of the disks in the region of the drive shaft. The emerging from the turbine energy carrier medium in the form of the coolant, which is now gaseous, enters the shaft and is guided via outlets of the shaft to a second heat exchanger. At this heat exchanger, a further cooling of the coolant is effected. After cooling by the second heat exchanger, the coolant is introduced via the coolant circuit back into the common shaft, but a partition between the prescribed outlets and the now inactive take-offs of the drive shaft is present in the pump. The cooled refrigerant is introduced into the pump in the area of the shaft by an analogous structure of the pump with respect to the turbine through the openings in the discs in the area of the common shaft. The coolant is now entrained in the turbine due to the rotation of the discs, as already stated, and it takes its tortuous path and thereby undergoes compression to the outlet located at the outlet and thus at the largest circumference of the discs. By the compression, the coolant is liquefied again and then enters the liquefied state in the first heat exchanger again. Thus, the coolant circuit is closed in itself. Once the engine has received a certain speed, due to the heat extracted from the first heat exchanger, the turbine will run with the pump itself, so that the engine can be switched over to generator operation. As long as corresponding heat energy is supplied via the first heat exchanger and cooling of the coolant takes place via the second heat exchanger, the device continues to run and thus results in torque generation on the shaft, which can be referred to as a force transmission means.

Durch ein solches Verfahren mit einer solchen Vorrichtung kann auf effektive Art und Weise aus einer Wärmequelle mittels einer Drehmomentenerzeugung elektrische Energie kostengünstig erzeugt werden.By such a method with such a device, electrical energy can be generated inexpensively from a heat source by means of torque generation in an effective manner.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die vor beschriebene Vorrichtung durch ein gemeinsames Gehäuse verschlossen werden. Der Vorteil eines solchen Gehäuses liegt darin, dass auch dieses Gehäuse mit dem innerhalb des Kreislaufes vorhandenen Kühlmittel angefüllt ist. Dieses bedeutet, dass hier unter dem kritischen Punkt von ca. 73 bar und einer Temperatur von 31° Celsius das Kohlendioxid flüssig vorliegtIn a further preferred embodiment, the device described above can be closed by a common housing. The advantage of such a housing is that also this housing is filled with the existing coolant within the circuit. This means that here at the critical point of about 73 bar and a temperature of 31 ° Celsius, the carbon dioxide is liquid

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform besteht der Vorteil darin, dass keine Leckagen zu einer Auffüllung des Strömungskreislaufes für den Betrieb der Vorrichtung auftreten können, da aufgrund des gemeinsamen Gehäuses die Umgebung der beschriebenen Vorrichtung ebenfalls mit dem Kühlmittel angefüllt ist.In this preferred embodiment, the advantage is that no leakage to a filling of the flow circuit for the operation of the device may occur because due to the common housing, the environment of the described device is also filled with the coolant.

Da aufgrund der gestellten Aufgabe eine derartige Vorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten soll, wird neben der Verwendung der effektiven Turbine und der Pumpe mit ihrem Scheibenaufbau ein Generator verwendet, der sowohl als Generator als auch Motor betreibbar ist. Dieser besteht aus einer stehenden, zylinderförmigen Tauchspule, die als selbsttragende Luftspule mit mindestens zwei Wicklungen ausgeführt ist. Je nach Anzahl der Phasen kann die Spule auch mehrere Wicklungen aufweisen. Die einzelnen Wicklungen sind bifilar und gleichzeitig meanderförmig gewickelt, und zwar in der Art, dass die Bifilarität nicht gegensinnig ausgeführt wird. So werden die einzelnen Wicklungen bifilar gewickelt und gleichsinning in Reihe geschaltet, so dass eine Tauchspule geschaffen wird, die mit einer doppelten Windungszahl eine etwa vierfache Induktivität gegenüber herkömmlichen Spulen aufweist. Durch eine derartige Wickelanordnung wird erreicht, dass im Arbeitsspalt sich die magnetischen Felder addieren und gleichzeitig im Wickelkopf diese sich aufheben. Durch das Aufheben der elektrischen Felder in den Wickelköpfen werden Verluste reduziert, die sonst in Wärme umgesetzt werden.Since, due to the stated object, such a device should operate with high efficiency, in addition to the use of the effective turbine and the pump with its disc structure, a generator is used, which is operable both as a generator and a motor. This consists of a standing, cylindrical plunger coil, which is designed as a self-supporting air coil with at least two windings. Depending on the number of phases, the coil may also have a plurality of windings. The individual windings are bifilar and at the same time wound meander-shaped, in such a way that the bifilarity is not carried out in opposite directions. Thus, the individual windings are bifilar wound and gleichsinning connected in series, so that a plunger coil is created, which has a double turn number about four times the inductance over conventional coils. By such a winding arrangement is achieved that add in the working gap, the magnetic fields and at the same time cancel this in the winding head. By lifting the electric fields in the Winding heads are reduced losses, which are otherwise converted into heat.

Eine derartige Tauchspule wird mittels eines entsprechenden temperaturresistenten Harzes getränkt, wobei das Harz auch noch mit beispielsweise Glasfasern verstärkt werden kann.Such a plunger coil is impregnated by means of a corresponding temperature-resistant resin, wherein the resin can also be reinforced with, for example, glass fibers.

Das Leitermaterial für die einzelnen Wicklungen besteht aus einer oder einer Mehrzahl von verdrillten Litzen.The conductor material for the individual windings consists of one or a plurality of twisted strands.

Um die zylinderförmige, stehende Tauchspule sind in einer ersten bevorzugten Ausführungsform außen in einer sich drehenden Form direkt aneinander gesetzte Permanenteinzelmagnetsegmente in ihrem Durchmesser angeordnet. Dabei sind die Permanenteinzelmagnetsegmente nach außen hin durch eine Ringanordnung in Form einer äußeren Abschirmung umschlossen. Somit wird gleichzeitig eine EMV-dichte elektrische Maschine geschaffen und andererseits für einen ausreichenden magnetischen Rückschluss gesorgt. Aufgrund der noch zu beschreibenden Einzelmagnetsegmente ist der Anteil der nach außen austretenden magnetischen Feldlinien zwar gering, jedoch wird auch dieses geringe Maß noch quasi in seiner gesamten Stärke durch den Rückschluss eliminiert.To the cylindrical, standing plunger coil are arranged in a first preferred embodiment outside in a rotating mold directly juxtaposed permanent single magnetic segments in their diameter. The permanent single magnet segments are enclosed to the outside by a ring arrangement in the form of an outer shield. Thus, an EMC-dense electrical machine is created at the same time and on the other hand provided for a sufficient magnetic inference. Due to the individual magnetic segments to be described, the proportion of outward magnetic field lines is indeed small, but even this small amount is still virtually eliminated in its entirety by the inference.

Die direkt aneinander ohne Lücken gesetzten Permanenteinzelmagnetsegmente weisen jeweils gegenüber dem benachbarten Permanentmagnetsystem eine magnetische Ausführung in unterschiedlicher Polzahl auf. Entsprechend der Ausführung der Tauchspule in ihrer Polzahl wird es somit möglich, dass die Permanenteinzelmagnetsegmente in Gruppen zusammenfasst in der gleichen Anzahl wie die elektrischen Pole auch in der Luftspule vorhanden sind. Dadurch, dass die einzelnen unterschiedlichen Permanentmagnetsegmente verschiedene Vorzugsmagnetisierungsrichtungen aufweisen, entsteht ein gerichtetes magnetisches, verstärktes homogenes Magnetfeld, das mit seiner Polarität und Polzahl zu der Luftspule ausgerichtet ist.The Permanenteinzelmagnetsegmente directly to each other without gaps have each with respect to the adjacent permanent magnet system on a magnetic design in different number of poles. According to the design of the plunger coil in their number of poles, it is thus possible that the Permanenteinzelmagnetsegmente summarized in groups in the same number as the electric poles are also present in the air-core coil. Due to the fact that the individual different permanent magnet segments have different preferred magnetization directions, a directional magnetic, amplified homogenous magnetic field results, which is aligned with its polarity and number of poles to the air-core coil.

Derartige permanentmagneterregte Motoren oder Generatoren haben den Vorteil, dass diese keine zusätzliche Energie benötigen, um ihr eigenes Magnetfeld zu erzeugen. Durch diese Tatsache wird der Wirkungsgrad wesentlich erhöht. Ebenfalls benötigen derartige elektrische Maschinen einen wesentlich geringeren Bauraum. Es fällt der Verlustanteil der Erregerwicklung weg, weil diese durch Permanentmagnete ersetzt worden sind. Dabei zählen permanentmagneterregte Motoren zu den Gleichstrommotoren. Ebenfalls durch die Verwendung der auswechselbaren Tauchspule wird eine Verringerung der Bauform geschaffen, die bis auf den Abschirmungsring eisenlos ausgeführt ist. Dadurch entfällt das üblicherweise vorhandene Rastmoment, was dazu führt, dass sich eine derartige elektrische Maschine vollkommen frei drehen lässt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Verwendung der zylinderförmigen stehenden Tauchspule auch wesentlich höhere Drehzahlen mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad erzielt werden können. Dieses liegt unter anderem daran, dass das Rotationsträgheitsmoment wesentlich geringer ist.Such permanent magnet excited motors or generators have the advantage that they require no additional energy to generate their own magnetic field. This fact significantly increases the efficiency. Likewise, such electrical machines require a much smaller space. There is no loss of the excitation winding, because they have been replaced by permanent magnets. Permanent magnet-excited motors are among the DC motors. Also by the use of the replaceable plunger coil a reduction in the design is created, which is ironless except for the shielding ring. This eliminates the usually existing cogging torque, which means that such an electric machine can rotate completely free. Another advantage is that even significantly higher speeds can be achieved with a much higher efficiency by the use of the cylindrical standing plunger coil. This is partly because the rotational moment of inertia is much lower.

Eine derartige vor beschriebene elektrische Maschine kann neben der Ausführung als Motor auch als Generator verwendet werden. Dabei wandelt der Generator beispielsweise mechanische Energie aus der Drehmomentenerzeugung oder dergleichen in elektrische Energie um. Diese mechanische Energie kann beispielsweise durch Antrieb mittels Gasturbine, Dampfturbine, Dampfthermie, Windkraft oder dergleichen erzeugt werden.Such an electric machine described above can be used in addition to the execution as a motor as a generator. In this case, the generator converts, for example, mechanical energy from the generation of torque or the like into electrical energy. This mechanical energy can be generated for example by driving by gas turbine, steam turbine, steam heat, wind power or the like.

Sowohl der Motor als auch der Generator der vor beschriebenen Art sind als Synchronmaschine zu bezeichnen.Both the engine and the generator of the type described above are to be referred to as a synchronous machine.

Um eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades zu erzielen, wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß dem Anspruch 2 eine elektrische Maschine vorgeschlagen, die auch innerhalb der zylinderförmigen Tauchspule noch eine Permanenteinzelmagnetsegmentanordnung aufweist. Dadurch bildet sich zwischen dem äußeren, aus einzelnen Permanentmagnetsegmenten bestehenden Ring und der inneren Permanenteinzelmagnetsegmentanordnung ein Arbeitsspalt, der von der Tauchspule bereichsweise eingenommen wird. Jeweils seitlich der Tauchspule sind auf jeder Seite Luftspalte vorhanden.In order to achieve a further increase in the efficiency, an electric machine is proposed in a further preferred embodiment according to claim 2, which also has a permanent single magnetic segment arrangement within the cylindrical plunger coil. As a result, a working gap, which is partially occupied by the plunger coil, is formed between the outer ring consisting of individual permanent magnet segments and the inner permanent magnet magnet segment arrangement. On each side of the plunger coil there are air gaps on each side.

Die innere Permanenteinzelmagnetsegmentanordnung ist mit der äußeren Ringanordnung der Permanenteinzelmagnetsegmente kraft- und formschlüssig gekoppelt und entsprechend der Anzahl der Pole der äußeren Ringanordnung so angeordnet, dass eine unipolare Ausführung entsteht.The inner Permanenteinzelmagnetsegmentanordnung is positively and positively coupled to the outer ring assembly of the Permanenteinzelmagnetsegmente and arranged according to the number of poles of the outer ring assembly so that a unipolar design.

Die Permanenteinzelmagnetsegmente der äußeren Ringanordnung werden vor der Montage innerhalb der Abschirmung nach einem bestimmten Schema so magnetisiert, dass diese jeweils eine unterschiedliche Vorzugsmagnetisierungseinrichtung einnehmen. Hierdurch entsteht ein gerichtetes, verstärktes, magnetisches homogenes Magnetfeld innerhalb der Tauchspule. Die einzelnen, direkt ohne Lücken oder Abstände aneinander gereihten Permanenteinzelmagnetsegmente nehmen im Wesentlichen eine trapezförmige Form in ihrem Querschnitt ein, wobei die Basis durch den Innendurchmesser der umgebenden Abschirmung bestimmt wird. Entsprechend dem Radius der Tauchspule wird die obere Fläche der annähernden Trapezform bestimmt.The Permanenteinzelmagnetsegmente the outer ring assembly are magnetized prior to assembly within the shield according to a certain scheme so that they each occupy a different preferred magnetization. This creates a directional, amplified, magnetic homogeneous magnetic field within the plunger coil. The individual permanent magnet segments, which are arranged directly without gaps or spacings, essentially assume a trapezoidal shape in their cross section, the base being determined by the inner diameter of the surrounding shield. The upper surface of the approximate trapezoidal shape is determined according to the radius of the plunger coil.

Bei der unterschiedlichen Vorzugsmagnetisierung handelt es sich um ein so genanntes Halbachsystem. Ein derartiges Halbachmagnetsystem erzeugt ein äußerst homogenes Magnetfeld. Bei den erfindungsgemäßen Permanentmagneten erhält somit quasi jedes Segment eine bestimmte Vorzugsrichtung. Hierdurch ergibt sich aufgrund der Größe der einzelnen Magnetsegmente eine Abweichung von der Homogenität des im Bereich der Tauchspule erzeugten magnetischen Feldes. Um diese Abweichung im Magnetfeld so gering wie möglich zu halten, ist es deshalb notwendig, eine feine Segmentierung vorzunehmen. Dadurch vergrößert sich zwar der Herstellungsaufwand, aber es entsteht ein homogeneres Magnetfeld. The different preferred magnetization is a so-called Halbach system. Such Halbachmagnetsystem generates an extremely homogeneous magnetic field. In the case of the permanent magnets according to the invention, virtually every segment thus receives a specific preferred direction. Due to the size of the individual magnet segments, this results in a deviation from the homogeneity of the magnetic field generated in the region of the plunger coil. To keep this deviation in the magnetic field as low as possible, it is therefore necessary to make a fine segmentation. Although this increases the production cost, but it creates a more homogeneous magnetic field.

Die Permanenteinzelmagnetsegmente bestehen aus isotropem Dauermagnetmaterial. Dadurch, dass das gesamte Magnetsystem aus einer Vielzahl von dicht aneinander angeordneten Permanenteinzelmagnetsegmenten besteht, ist es notwendig, dass die Vorzugsmagnetisierungsrichtung auch innerhalb der einzelnen Segmente örtlich variiert.The permanent single magnetic segments are made of isotropic permanent magnet material. Because the entire magnet system consists of a multiplicity of permanent magnet segments arranged close to one another, it is necessary for the preferred direction of magnetization also to vary locally within the individual segments.

Als Magnetmaterial werden isotrope Materialien mit einer im zweiten Quadranten annähernd linearen Kennlinie verwendet. Ferner können auch Materialien verwendet werden, bei denen die Koerzitivfeldstärke wesentlich größer ist als das Verhältnis von Remanenz zur magnetischen Feldkonstanten. Bei derartigen Materialien handelt es sich um gesinterte oder kunststoffgebundene Ferrite oder Seltene-Erden-Magnete.The magnet material used is isotropic materials with an approximately linear characteristic in the second quadrant. Furthermore, materials can also be used in which the coercive field strength is substantially greater than the ratio of remanence to the magnetic field constant. Such materials are sintered or plastic bonded ferrites or rare earth magnets.

Mit den vorbeschriebenen Vorrichtungen lässt sich beispielsweise aus Abwärme oder dergleichen kostengünstig elektrische Energie erzeugen. Insbesondere eignet sich die Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie in Verbindung mit Anlagen, bei denen beispielsweise durch Sonneneinstrahlung eine Erwärmung eines Energieträgers erfolgt.With the above-described devices can be produced, for example, from waste heat or the like cost electrical energy. In particular, the device is suitable for generating electrical energy in connection with systems in which, for example, by solar radiation heating of an energy carrier takes place.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to various embodiments.

Es zeigt:It shows:

1: Eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform; 1 : A schematic representation of a first preferred embodiment;

2: eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform; 2 a schematic representation of a second preferred embodiment;

3: eine schematische Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform; 3 a schematic representation of a third preferred embodiment;

4: eine schematische Schnittdarstellung einer Generatorausführung; 4 a schematic sectional view of a generator design;

5: eine Anordnung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine mit der Anordnung einer Tauchspule und einer äußeren Magnetanordnung; 5 FIG. 1 shows an arrangement of a first preferred embodiment of the electric machine with the arrangement of a plunger coil and an outer magnet arrangement; FIG.

6: wie 3, jedoch mit einem inneren Magnetsystem, das innerhalb der Tauchspule angeordnet ist; 6 : as 3 but with an internal magnet system disposed within the plunger coil;

7: eine schematische Darstellung der Verteilung der magnetischen, gerichteten Feldstärken innerhalb der Permanenteinzelmagnetsegmente; 7 a schematic representation of the distribution of the magnetic, directed field strengths within the permanent single magnetic segments;

8: ein Permanenteinzelmagnetsegment in einer Ausführung mit einer Vorzugsmagnetisierungsrichtung; 8th a permanent single magnet segment in a preferred magnetization direction embodiment;

9: wie 8, jedoch mit einer geänderten Vorzugsmagnetisierungsrichtung; 9 : as 8th but with a changed preferred direction of magnetization;

10: wie 9, jedoch mit einer geänderten Vorzugsmagnetisierungsrichtung; 10 : as 9 but with a changed preferred direction of magnetization;

11: ein Wickelschema für eine Tauchspule. 11 : a winding diagram for a plunger coil.

Die 1 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mittels einer Drehmomentenerzeugung. Hierfür ist ein Motor/Generator 2 vorhanden, der auf einem Kraftübertragungsmittel 4 in Form einer Welle oder Achse mit einer Pumpe 3 oder einem Verdichter in Wirkverbindung steht, wobei gleichzeitig das Kraftübertragungsmittel 4 auch in Wirkverbindung mit einer Turbine 5 steht. Das Kraftübertragungsmittel 4 ist beispielsweise zwischen der Turbine 5 und der Pumpe 3 als Hohlwelle mit einer Trennwand 7 ausgeführt, auf die noch später zurückgegriffen wird.The 1 shows a first preferred embodiment of a device for converting heat into electrical energy by means of a torque generation. This is a motor / generator 2 available on a power transmission vehicle 4 in the form of a shaft or axle with a pump 3 or a compressor is operatively connected, wherein at the same time the force transmission means 4 also in operative connection with a turbine 5 stands. The power transmission means 4 is for example between the turbine 5 and the pump 3 as a hollow shaft with a partition 7 executed, which will be used later.

Über einen geschlossenen Strömungskreislauf durch einen ersten Wärmetauscher ist die Turbine 5 mittels der Welle 4 und einem zweiten Wärmetauscher 1 mit anschließendem Eintritt in die Welle 4 über eine Pumpe 3 wieder zu dem ersten Wärmetauscher 8 als geschlossener Kreislauf dargestellt. Sowohl die Turbine 5 als auch die Pumpe 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel als scheibenförmige Gebilde in analoger Art und Weise ausgebildet. Der Strömungskreislauf weist ein Kühlmittel auf, das vorzugsweise aus Kohlendioxid besteht. Kohlendioxid ist einfach herstellbar bzw. liegt in ausreichender Form vor. Bei einer ersten Inbetriebnahme einer derartigen Vorrichtung gemäß der 1 ist es notwendig, dass der Generator 2 mit seiner Motorfunktion über das Anlegen einer äußeren Energie in Rotation versetzt wird. Ab einer bestimmten Drehzahl, bei der als Energielieferant der erste Wärmetauscher 8 mit seiner Wärmeabgabe fungiert, kann eine Umschaltung der Motorfunktion auf Generatorfunktion erfolgen.About a closed flow circuit through a first heat exchanger is the turbine 5 by means of the shaft 4 and a second heat exchanger 1 with subsequent entry into the wave 4 via a pump 3 back to the first heat exchanger 8th shown as a closed circuit. Both the turbine 5 as well as the pump 3 are formed in this embodiment as a disk-shaped structure in an analogous manner. The flow circuit has a coolant, which preferably consists of carbon dioxide. Carbon dioxide is easy to produce or is in sufficient form. In a first startup of such a device according to the 1 it is necessary that the generator 2 is set in rotation with its motor function by applying an external energy. From a certain speed, when the energy supplier as the first heat exchanger 8th with his Heat dissipation acts, can switch the engine function to generator function.

Durch den ersten Wärmetauscher 8 wird dem ganzen System die notwendige Energie zugeführt. Ein solcher Wärmetauscher wird am effektivsten als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt, weil dadurch eine insgesamt höhere Wirkungsleistung erzielt wird. Durch die Pumpe 3 wird das Kühlmittel verflüssigt und gleichzeitig komprimiert. Dieses verflüssigte komprimierte Kühlmittel wird durch den ersten Wärmetauscher 8 gedrückt wobei sich das Arbeitsfluid erwärmt. Nach dem Verlassen des ersten Wärmetauschers 8 wird aufgrund des Strömungskreislaufes das Kühlmittel in die Turbine 5 eingelassen. Dieses Einlassen geschieht über entsprechende Einlassdüsen, wobei die Turbine 5 auch als Resonanzturbine, vorzugsweise in einer Duplexanordnung, ausgeführt sein kann. Bei einer derartigen Resonanzturbine würden die einzelnen Scheiben an ihrem Umfang kleine Taschen bzw. Ausbuchtungen aufweisen, um so das flüssige Kältemittel noch besser dazu anzuregen, die Turbine 5 in Rotation zu versetzen. Dabei wird das Kältemittel mit einer annähernd gleichen Strömungsgeschwindigkeit in die Turbine 5 eingeführt. Anschließend wird das Kältemittel nun auf seinem gewohnten Weg beständig gegen den zentralen Auslass, der sich im Bereich der Welle 4 befindet und nicht dargestellt ist, expandieren. Dabei erfolgt die Expansion hauptsächlich entlang der spiralen Wege, weil die Ausdehnung nach innen der Fliehkraft und der große Widerstand gegen radiale Ausströmung entgegenwirken. Durch diese Art der Einführung des Kältemittels in die Turbine 5 wird diese auf eine hohe Rotationsgeschwindigkeit gebracht, die gleichzeitig die Pumpe 3 und den Generator 2 antreibt. Nach dem Verlassen der Turbine 5 hat sich das Kältemittel entspannt und wird über die hohle Welle 4 mittels der Auslässe 6 anschließend im gasförmigen Zustand zu einem zweiten Wärmetauscher 1 weitergeleitet. In dem zweiten Wärmetauscher 1 erfolgt eine Abkühlung des Kühlmittels. Nach erfolgter Abkühlung führt der Strömungskreislauf das gasförmige Kühlmittel zu der Pumpe 3 über in der Welle 4 vorhandene Einlässe 9. Die in diesem Bereich hohle Welle 4 weist zwischen den Auslässen 6 und den Einlässen 9 eine Trennwand 7 auf, so dass das Kühlmittel nicht von der einen Seite zu der anderen Seite gelangen kann. Das herabgekühlte Kühlmittel wird über den Strömungskreislauf in den zentralen Bereich der Pumpe 3 eingelassen und durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit und aufgrund der Adhäsion und der inneren Reibung über die Scheiben, die eine glatte Oberfläche bzw. eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweisen, mitgenommen. Durch diese Wirbelentstehung innerhalb der Pumpe 3 wird gleichzeitig eine Komprimierung des Kühlmittels in der Art erfolgen, dass dieses sich wieder verflüssigt und so im flüssigen Zustand an den Eingang des ersten Wärmetauschers 8 gelangt. Von hier aus beginnt der Kreislauf des Kühlmittels von neuem, was zu einer Erwärmung mit nachfolgender Einlassung in die Turbine 5 führt.Through the first heat exchanger 8th the necessary energy is supplied to the whole system. Such a heat exchanger is most effectively carried out as a countercurrent heat exchanger, because thereby an overall higher efficiency is achieved. Through the pump 3 the coolant is liquefied and compressed at the same time. This liquefied compressed refrigerant is passed through the first heat exchanger 8th pressed with the working fluid heated. After leaving the first heat exchanger 8th is due to the flow circuit, the coolant in the turbine 5 admitted. This intake is done via corresponding inlet nozzles, the turbine 5 can also be designed as a resonance turbine, preferably in a duplex arrangement. In such a resonant turbine, the individual disks would have small pockets or bulges at their periphery, so as to better encourage the liquid refrigerant to the turbine 5 to set in rotation. In this case, the refrigerant with an approximately equal flow rate in the turbine 5 introduced. Subsequently, the refrigerant is now on its usual path resistant to the central outlet, which is in the area of the shaft 4 is located and not shown, expand. The expansion takes place mainly along the spiral paths, because the expansion inward counteract the centrifugal force and the great resistance to radial outflow. By this way of introducing the refrigerant into the turbine 5 this is brought to a high rotational speed, which at the same time the pump 3 and the generator 2 drives. After leaving the turbine 5 the refrigerant has relaxed and gets over the hollow shaft 4 by means of the outlets 6 subsequently in the gaseous state to a second heat exchanger 1 forwarded. In the second heat exchanger 1 Cooling of the coolant takes place. After cooling, the flow circuit carries the gaseous coolant to the pump 3 over in the wave 4 existing inlets 9 , The hollow shaft in this area 4 points between the outlets 6 and the inlets 9 a partition 7 so that the coolant can not get from one side to the other side. The cooled down coolant is transferred via the flow circuit into the central area of the pump 3 taken in and taken by the high rotational speed and due to the adhesion and the internal friction on the discs having a smooth surface or a microstructured surface. Due to this vortex formation within the pump 3 At the same time, the coolant will be compressed in such a way that it liquefies again and thus in the liquid state at the inlet of the first heat exchanger 8th arrives. From here, the cycle of the coolant begins anew, resulting in a warming with subsequent entry into the turbine 5 leads.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie über eine Drehmomentenerzeugung in elektrische Energie zeigt die 2. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel 2 ein zusätzliches Gehäuse 10 vorhanden, welches den gesamten Aufbau der vorgeschrieben bevorzugten Ausführungsform hermetisch umschließt. In diesem Gehäuse 10 ist nach entsprechender Evakuierung ebenfalls das Kühlmittel in Form von Kohlendioxid eingefüllt worden. Auch dieses Kohlendioxid wird unter dem hohen Druck verflüssigt eingefüllt. Es versteht sich, dass bei dem ersten Wärmetauscher 8 und dem zweiten Wärmetauscher 1 die Teile der Wärmetauscher 1, 8, die nicht von dem Strömungskreislauf durchflossen werden, außerhalb des Gehäuses 10 sich befinden. Für entsprechende Isolierung ist an dieser Stelle Sorge getragen.A further preferred embodiment of a device for converting thermal energy via a torque generation into electrical energy shows the 2 , In contrast to the embodiment of 1 is an additional housing in this embodiment 2 10 present, which hermetically encloses the entire structure of the prescribed preferred embodiment. In this case 10 After appropriate evacuation, the coolant has also been filled in the form of carbon dioxide. This carbon dioxide is also filled under the high pressure liquefied. It is understood that in the first heat exchanger 8th and the second heat exchanger 1 the parts of the heat exchangers 1 . 8th , which are not traversed by the flow circuit, outside the housing 10 to find oneself. For appropriate insulation care is taken at this point.

Der Vorteil der Ausführung eines derartigen hermetisch geschlossenen Gehäuses 10 liegt darin, dass auf den gesamten sich drehenden Teilen und Dichtungen nur eine geringe Druckdifferenz gegenüber dem Druck innerhalb des Strömungskreislaufes vorliegt. Dieses bedeutet eine wesentliche Verlängerung der Lebenszeit einer solchen Vorrichtung.The advantage of the execution of such a hermetically sealed housing 10 This is because there is only a slight pressure difference with respect to the pressure within the flow circuit on the entire rotating parts and seals. This means a substantial extension of the lifetime of such a device.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß der 3 wird noch eine Steigerung des Wirkungsgrades erzielt. Hierfür wird durch einen Bypass 67 ein Teil des abgekühlten Kühlmittels aus dem zweiten Wärmetauscher 1 abgezweigt und es wird damit eine Kühlung des Generators 2 mit seinen Wicklungen erzielt. Das erwärmte, austretende Kühlmittel aus dem Generator 2 wird entweder direkt in den Bereich der Hohlwelle 4 über einen Einlass 9 eingefügt und gelangt somit in den Strömungskreislauf der Pumpe 3 oder es kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsart auch noch über einen weiteren zusätzlichen Wärmetauscher 66 geführt werden. Dieser Wärmetauscher 66 wird u. a. durch den Strömungskreislauf auf der einen Seite durchflossen, was bedeutet, dass hier eine so genannte Vorheizung des Kühlmittels durchgeführt wird, bevor es in den ersten Wärmetauscher 8 gelangt.In a further preferred embodiment according to the 3 is still achieved an increase in efficiency. This is done by a bypass 67 a portion of the cooled coolant from the second heat exchanger 1 diverted and it is thus a cooling of the generator 2 achieved with his windings. The heated, escaping coolant from the generator 2 is either directly in the area of the hollow shaft 4 over an inlet 9 inserted and thus enters the flow circuit of the pump 3 or in another preferred embodiment, it may also have a further additional heat exchanger 66 be guided. This heat exchanger 66 Among other things, flows through the flow circuit on the one hand, which means that here a so-called preheating of the coolant is carried out before it in the first heat exchanger 8th arrives.

Eine solche Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mittels Drehmomentenerzeugung läuft mit einer sehr hohen Drehzahl, was gleichzeitig eine Steigerung des Wirkungsgrades beinhaltet.Such a device for converting heat into electrical energy by means of torque generation runs at a very high speed, which at the same time includes an increase in the efficiency.

Anschließend wird jetzt auf die Ausführung des Generators Bezug genommen.Subsequently, reference will now be made to the execution of the generator.

Eine derartige Ausführung einer elektrischen Maschine als Generator/Motor 2 kann der 4 in einer schematischen Darstellung entnommen werden. Mittels der Regelung 30 wird die erzeugte Energie in Form von elektrischer Energie über die Anschlussleitungen entnommen. Die Welle 4 ist über Lager 49 in einem Lagerbock 48 drehgelagert. Such an embodiment of an electric machine as a generator / motor 2 can he 4 are taken in a schematic representation. By means of the scheme 30 The generated energy is extracted in the form of electrical energy via the connecting cables. The wave 4 is over camp 49 in a bearing block 48 rotatably mounted.

Wie bereits ausgeführt worden ist, sind die einzelnen Permanentmagnetsegmente 12 bis 23 möglichst klein gehalten worden, wobei jedoch auch die Wirtschaftlichkeit in der Herstellung derartiger Magnetsegmente berücksichtigt werden muss. In den 8 bis 10 wird noch einmal auf den geometrischen Querschnitt der stabförmigen Permanentmagnetsegmente 16, 17, 18 und deren Vorzugsmagnetisierungsrichtung eingegangen. Dabei haben die Permanentmagnetsegmente 16, 17, 18, die hier exemplarisch aus dem gesamten Magnetring herausgenommen worden sind, im Wesentlichen die Form eines Trapezes. Dieses wäre die wirtschaftlichste vertretbare Ausführungsform, weil eine derartige Herstellung mit geringen Kosten verbunden ist. Will man jedoch die Effizienz eines derartigen Permanentmagnetsegmentes erhöhen und gleichzeitig auch die Einbausicherheit, dann kann beispielsweise im Außenbereich der Permanentmagnetsegmente 16, 17, 18 gemäß der 8, 9, 10 ein Radius 64 angebracht sein, der dem inneren Radius eines Abschlussringes 11 entspricht. Hierdurch wird eine gute Kontaktierung zu dem Abschlussring 11 ausgeführt. Im Innenbereich der elektrischen Maschine, d. h. an der schmaleren unteren Seite des trapezförmigen Trapezsegmentes ist eine weitere Verschleifung dieser Seite in Form eines Radiuses 65 gegeben. Dieser Radius 65 gleicht sich in der Form einem äußeren Luftspalt 32 an. Die Form des Permanentmagnetsegmentes mit seinen äußeren Segmentachsen 28 wird dadurch bestimmt, dass von dem äußeren Radius 64 ausgehend auf den Mittelpunkt der gesamten Anordnung bezogen, seitliche Segmentachsen 28 vorhanden sind. Somit können sich beispielsweise Verdrehungen der Segmentachsen von 15° zum voraus bestehenden Permanentmagnetsystem als besonders wirtschaftlich herausstellen. Es sind jedoch bei entsprechender Konstruktion auch andere Winkelgrade von Segmentachsen mit einer anderen Polzahl möglich.As already stated, the individual permanent magnet segments are 12 to 23 kept as small as possible, but also the economy in the production of such magnet segments must be considered. In the 8th to 10 is again on the geometric cross-section of the rod-shaped permanent magnet segments 16 . 17 . 18 and their preferred direction of magnetization received. The permanent magnet segments have this 16 . 17 . 18 , which have been taken out here by way of example from the entire magnetic ring, essentially the shape of a trapezoid. This would be the most economically viable embodiment, because such a production is associated with low costs. However, if you want to increase the efficiency of such a permanent magnet segment and at the same time the installation safety, then, for example, in the outer region of the permanent magnet segments 16 . 17 . 18 according to the 8th . 9 . 10 a radius 64 be attached to the inner radius of a closing ring 11 equivalent. This will make a good contact with the end ring 11 executed. In the interior of the electric machine, ie on the narrower lower side of the trapezoidal trapezoidal segment is a further slurping of this page in the form of a radius 65 given. This radius 65 is similar in shape to an outer air gap 32 at. The shape of the permanent magnet segment with its outer segment axes 28 is determined by that of the outer radius 64 based on the center of the entire arrangement, lateral segment axes 28 available. Thus, for example, rotations of the segment axes of 15 ° to the existing permanent magnet system may prove to be particularly economical. However, it is possible with appropriate design, other degrees of segment axes with a different number of poles.

Die einzelnen Permanentmagnetsegmente 12 bis 23 sind mit unterschiedlichen Vorzugsmagnetisierungsrichtungen ausgestattet. Dieses kann ebenfalls den 7, 8, 9 und 10 in einer Detaildarstellung nochmals entnommen werden. Quasi in der halben Höhe eines Permanentmagnetsegmentes 16, 17, 18 befindet sich eine imaginäre Feldachse 29. Ausgehend von dieser Feldachse 29 wird eine in der Richtung unterschiedliche Magnetisierung vorgenommen, die sich ca. um 90° zu der Feldachse 29 erstreckt. Die Magnetisierung ändert sich aufgrund der kreisförmigen Gestaltung der Permanentmagnetsegmente 12 bis 23 bei jedem der Einzelmagnete beispielsweise um einen festen Winkelgrad. So ist bei dem Ausführungsbeispiel der 8 die Vorzugsmagnetisierungsrichtung Nord-Süd, ausgehend von der Feldachse 29 diametral gegen den Radius 64 und 65 mit Nord-Süd gerichtet. Bei dem sich an das Permanentmagnetsegment 18 anschließende weitere Permanentmagnetsegment 17 ist diese Segmentachse 28 um einen bestimmten Winkelgrad, der sich nach der Anzahl der Pole des Generators 2 richtet, im Uhrzeigersinn gewandert. Dieses bedeutet, dass die Vorzugsmagnetisierungsrichtung wie es der 9 entnommen werden kann, nicht mehr diametral gegeben ist. Bei der Betrachtung der 10 wird deutlich, dass die Feldachse 29 um einen festen Winkelgrad weiter im Uhrzeigersinn sich gedreht hat und somit auch die Magnetisierungsrichtung Nord-Süd weiter im Uhrzeigersinn gedreht ist.The individual permanent magnet segments 12 to 23 are equipped with different preferred magnetization directions. This can also the 7 . 8th . 9 and 10 be taken again in a detailed representation. Almost half the height of a permanent magnet segment 16 . 17 . 18 there is an imaginary field axis 29 , Starting from this field axis 29 a different magnetization is made in the direction, which is approximately 90 ° to the field axis 29 extends. The magnetization changes due to the circular shape of the permanent magnet segments 12 to 23 For example, at each of the individual magnets to a fixed angle degree. Thus, in the embodiment of the 8th the preferred magnetization direction north-south, starting from the field axis 29 diametrically opposed to the radius 64 and 65 directed north-south. In which the permanent magnet segment 18 subsequent further permanent magnet segment 17 is this segment axis 28 by a certain angular degree, which varies according to the number of poles of the generator 2 directed, wandered in a clockwise direction. This means that the preferential magnetization direction like the 9 can be taken, no longer given diametrically. When considering the 10 it becomes clear that the field axis 29 has rotated by a fixed angle degree further clockwise and thus the magnetization direction north-south is rotated further in a clockwise direction.

Aus der 5 kann das Zusammenspiel der einzelnen Permanentmagnetsegmente 12 bis 23 noch einmal in der Gesamtheit innerhalb des Abschirmungsringes 11, der auch gleichzeitig als magnetischer Rückschluss dient, betrachtet werden. Bei dieser Ausführung handelt es sich um eine vierpolige Ausführung, so dass stets die Feldachse 29 und 30° innerhalb der einzelnen Permanentmagnetsegmente 12 bis 23 im Uhrzeigersinn sich dreht. Dieses wird sowohl bei einer Ausführung als Motor 2 oder Generator in gleicher Weise angewendet.From the 5 can the interaction of the individual permanent magnet segments 12 to 23 once again in its entirety within the shielding ring 11 , which also serves as a magnetic inference, are considered. This version is a four-pole version, so always the field axis 29 and 30 ° within the individual permanent magnet segments 12 to 23 turns clockwise. This is both in an execution as a motor 2 or generator applied in the same way.

Die sich durch die Vorzugsmagnetisierungsrichtung ergebende Magnetisierung der einzelnen Permanentmagnetsegmente 12 bis 23 kann in der 7 in einer schematischen Darstellung entnommen werden. Hier zeigt es sich, dass es zu gruppierten Feldverteilungen 46, 47 für Nord- und Südpol kommt und damit ein gerichteter magnetischer Fluss des Magnetfeldes mit den Polen zur Spule 24 gegeben ist. Weiter kann dieser Darstellung der 7 entnommen werden, dass nach außen hin eine Abschwächung der magnetischen Felder erfolgt und somit es zu einer gerichteten Konzentration in Richtung auf die Spule 24 kommt.The magnetization of the individual permanent magnet segments resulting from the preferred magnetization direction 12 to 23 can in the 7 are taken in a schematic representation. Here it turns out that there are grouped field distributions 46 . 47 for the north and south poles comes and thus a directed magnetic flux of the magnetic field with the poles to the coil 24 given is. Next, this illustration of the 7 can be taken that outward weakening of the magnetic fields takes place and thus it to a directed concentration in the direction of the coil 24 comes.

Bei dem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der 6 ist zusätzlich in das Zentrum der Tauchspule 24 unter Zuhilfenahme eines Trägers 38 eine weitere Magnetsegmentanordnung 34, 35, 36, 37 gekommen. Da es sich bei der äußeren Anordnung der Magnetsegmente 12 bis 23 um eine vierpolige Ausführung eines Generators 2 handelt, ist natürlich auch das Zentrum mit dem Magnetträger 38 als vierpolige Ausführung mit den Magnetsegmenten 34 bis 37 ausgeführt worden. Dabei sind die Permanentmagnetsegmente 34 bis 37 mit ihren Magnetpolen gegenüber den äußeren Magnetpolen der Permanentmagnetsegmente 17 bis 23 unipolar angeordnet. Im Arbeitsspalt zwischen den äußeren Permanentmagnetsegmenten 12 bis 23 und den inneren Permanentmagnetsegmenten 34, 35, 36, 37 ist die Tauchspule 24 ortsfest eingesetzt. Somit bilden sich bei dieser Ausführungsform zwei Luftspalte, nämlich ein äußerer Luftspalt 32 und ein innerer Luftspalt 33 mit der dazwischen liegenden Tauchspule 24. Das innere Permanentmagnetsegment 34 bis 37 ist kraft- und formschlüssig in der dargestellten Ausrichtung mit dem äußeren Magnetsegment 31 verbunden, so dass eine erhöhte Effizienz gegeben ist, wobei beide Permanentmagnetsegmente sich synchron gleichförmig drehen.In the further preferred embodiment of the 6 is additionally in the center of the plunger coil 24 with the help of a carrier 38 another magnet segment arrangement 34 . 35 . 36 . 37 came. Since it is in the outer arrangement of the magnet segments 12 to 23 around a four-pole version of a generator 2 is, of course, the center with the magnetic carrier 38 as a four-pole version with the magnet segments 34 to 37 have been carried out. Here are the permanent magnet segments 34 to 37 with their magnetic poles relative to the outer magnetic poles of the permanent magnet segments 17 to 23 arranged unipolar. In the working gap between the outer Permanent magnet segments 12 to 23 and the inner permanent magnet segments 34 . 35 . 36 . 37 is the plunger coil 24 used stationary. Thus, in this embodiment, two air gaps, namely an outer air gap, are formed 32 and an inner air gap 33 with the intermediate coil 24 , The inner permanent magnet segment 34 to 37 is non-positive and positive in the illustrated orientation with the outer magnet segment 31 connected, so that an increased efficiency is given, wherein both permanent magnet segments rotate synchronously uniform.

Die Anzahl der Pole einer solchen elektrischen Maschine sowohl bei Ausführung eines Motors 2 als auch eines Generators 8 ist beliebig und kann durch die Verwendung beispielsweise vorgegeben werden. Ebenso ist es der Verwendung überlassen, die Anzahl der Phasen einer solchen elektrischen Maschine festzulegen.The number of poles of such an electric machine both when executing an engine 2 as well as a generator 8th is arbitrary and can be specified by the use, for example. It is also up to the use to determine the number of phases of such an electrical machine.

Aus der 11 kann ein bevorzugtes Wickelschema, beispielsweise für eine sechsphasige Ausführung einer Spule 24 entnommen werden. Durch diese Darstellung des Wickelschemas wird deutlich, dass die einzelnen Wicklungen meanderförmig und bifilar, vorzugsweise unter Verwendung von verdrillten Litzen, herstellt worden sind. Bei der Betrachtung beispielsweise eines Wicklungsanfanges 55 wird deutlich, dass in den oberen und unteren Wickelköpfen 56, 57 es zu einer Aufhebung der magnetischen Felder aufgrund der Anordnung der einzelnen Litzen kommt. Dieses trifft auch für die anderen dargestellten Wicklungsanfänge 50, 51, 52, 53 und 54 zu, die insgesamt an den Wicklungsenden 58, 59, 60, 61, 62, 63 enden. Ferner kann dieser Darstellung der 11 entnommen werden, dass bei den bifilar ausgeführten Wicklungen der Spule 24 die Einspeisung über den Wicklungsanfang 50 bis 55 und das Ende des Wicklungsendes 58 bis 63 an einem Punkt liegen. Ebenfalls ergibt sich die Bifilarität dadurch, dass die einzelnen Litzen quasi hin- und zurückgeführt werden und nicht wie es üblich ist, einmal umlaufen. Durch einen solchen Aufbau entsteht ein Magnetfeld mit abwechselnder Polarität. Dabei addieren sich im Arbeitsspalt der elektrischen Maschine die Felder und in den Wickelköpfen heben sich diese auf. Die Effizienz wird dadurch gesteigert. Die einzelnen Drähte oder Litzen der Wicklungen für die Spule 24 werden vorzugsweise durch einen faserverstärkten Kunststoff zusammengehalten.From the 11 may be a preferred winding scheme, for example, for a six-phase design of a coil 24 be removed. This illustration of the winding diagram makes it clear that the individual windings have been produced in a meandering and bifilar manner, preferably using twisted strands. When considering, for example, a winding start 55 it becomes clear that in the upper and lower winding heads 56 . 57 there is a cancellation of the magnetic fields due to the arrangement of the individual strands. This also applies to the other illustrated winding beginnings 50 . 51 . 52 . 53 and 54 to, the total at the coil ends 58 . 59 . 60 . 61 . 62 . 63 end up. Furthermore, this representation of the 11 be taken that with the bifilar running windings of the coil 24 the supply via the winding start 50 to 55 and the end of the winding end 58 to 63 lying at one point. Likewise, the bifilarity results from the fact that the individual strands are virtually led back and back and not circulate once as usual. Such a structure results in a magnetic field of alternating polarity. The fields add up in the working gap of the electric machine and in the winding heads they cancel each other out. The efficiency is thereby increased. The individual wires or strands of windings for the coil 24 are preferably held together by a fiber-reinforced plastic.

Als bevorzugten Magnetwerkstoff werden isotrope Materialien verwendet, die gesintert oder kunststoffgebunden sind und der Gruppe der Seltenen-Erden angehören.As a preferred magnetic material isotropic materials are used which are sintered or plastic bonded and belong to the group of rare earths.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
zweiter Wärmetauschersecond heat exchanger
22
Generator/MotorGenerator / motor
33
Pumpe/VerdichterPump / compressor
44
KraftübertragungsmittelPower transmission means
55
Turbineturbine
66
Auslassoutlet
77
Trennwandpartition wall
88th
erster Wärmetauscherfirst heat exchanger
99
Einlassinlet
1010
Gehäusecasing
1111
Abschlussringend ring
1212
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
1313
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
1414
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
1515
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
1616
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
1717
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
1818
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
1919
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
2020
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
2222
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
2323
PermanenteinzelmagnetsegmentPermanent individual magnetic segment
2424
SpuleKitchen sink
2525
Zentralelementcentral element
2626
Magnetsegmentmagnetic segment
2727
Magnetsegmentmagnetic segment
2828
Segmentachsesegment axis
2929
Feldachsefield axis
3030
Regelungregulation
3131
äußeres Magnetsystemouter magnet system
3232
äußerer Luftspaltouter air gap
3333
innerer Luftspaltinner air gap
3434
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
3535
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
3636
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
3737
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
3838
Trägercarrier
3939
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
4040
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
4141
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
4242
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
4343
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
4444
PermanentmagnetsegmentPermanent magnet segment
4545
Bodenground
4646
Feldverteilungfield distribution
4747
Feldverteilungfield distribution
4848
Lagerbockbearing block
4949
Lagercamp
5050
Wicklungsanfangwinding start
5151
Wicklungsanfangwinding start
5252
Wicklungsanfangwinding start
5353
Wicklungsanfangwinding start
5454
Wicklungsanfangwinding start
5555
Wicklungsanfangwinding start
5656
Wicklungskopfwinding head
5757
Wicklungskopfwinding head
5858
Wicklungsendewinding end
5959
Wicklungsendewinding end
60 60
Wicklungsendewinding end
6161
Wicklungsendewinding end
6262
Wicklungsendewinding end
6363
Wicklungsendewinding end
6464
Radiusradius
6565
Radiusradius
6666
Wärmetauscherheat exchangers
6767
Bypassstrombypass flow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19811800 A1 [0003] DE 19811800 A1 [0003]
  • DE 10234568 A1 [0004] DE 10234568 A1 [0004]
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  • EP 0161832 B1 [0012] EP 0161832 B1 [0012]
  • US 2003/0094873 A1 [0013] US 2003/0094873 A1 [0013]
  • JP 2007-159241 A1 [0013] JP 2007-159241 A1 [0013]
  • DE 102004017507 A1 [0014] DE 102004017507 A1 [0014]
  • DE 102004017157 B4 [0015] DE 102004017157 B4 [0015]
  • DE 4414527 C1 [0016] DE 4414527 C1 [0016]

Claims (13)

Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie durch Drehmomentenerzeugung, im Wesentlichen bestehend aus einem Generator (2), einer Pumpe (3) oder einem Verdichter und einer Turbine (5), die durch ein gemeinsames Kraftübertragungsmittel (4) miteinander gekoppelt sind, und in einem hermetisch abgeschlossenen und mit flüssigem Kühlmittel gefülltem Gehäuse (10) untergebracht sind, wobei die Turbine (5) und die Pumpe (3) oder der Verdichter durch einen inneren Strömungskreislauf über einen ersten Wärmetauscher (8) und einen zweiten Wärmetauscher (1) verbunden sind, wobei in diesem Strömungskreislauf ebenfalls das Kühlmittel in flüssiger und gasförmiger Form vorhanden ist.Device for converting heat into electrical energy by torque generation, essentially consisting of a generator ( 2 ), a pump ( 3 ) or a compressor and a turbine ( 5 ) transmitted by a common transmission 4 ) are coupled together and in a hermetically sealed and filled with liquid coolant housing ( 10 ), the turbine ( 5 ) and the pump ( 3 ) or the compressor through an inner flow circuit via a first heat exchanger ( 8th ) and a second heat exchanger ( 1 ) are connected, wherein in this flow circuit also the coolant is present in liquid and gaseous form. Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie durch Drehmomentenerzeugung, im Wesentlichen bestehend aus einem Generator (2), einer Pumpe (3) oder einem Verdichter und einer Turbine (5), die durch ein gemeinsames Kraftübertragungsmittel (4) miteinander gekoppelt sind, wobei die Turbine (5) und die Pumpe (3) oder der Verdichter durch einen inneren Strömungskreislauf über einen ersten Wärmetauscher (8) und einem zweiten Wärmetauscher (1) verbunden sind, wobei in diesem Strömungskreislauf das Kühlmittel in flüssiger und gasförmiger Form vorhanden ist.Device for converting heat into electrical energy by torque generation, essentially consisting of a generator ( 2 ), a pump ( 3 ) or a compressor and a turbine ( 5 ) transmitted by a common transmission 4 ) are coupled together, wherein the turbine ( 5 ) and the pump ( 3 ) or the compressor through an inner flow circuit via a first heat exchanger ( 8th ) and a second heat exchanger ( 1 ) are connected, wherein in this flow circuit, the coolant is present in liquid and gaseous form. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsmittel (4) als gemeinsame Welle ausgeführt, die zwischen der Turbine (5) und der Pumpe (3) als Hohlwelle mit einer Trennwand (7) ausgeführt ist, wobei die Hohlwelle auf ihrem Umfang Auslässe (6) und Einlässe (9) für das Kältemittel aufweist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the force transmission means ( 4 ) running as a common shaft between the turbine ( 5 ) and the pump ( 3 ) as a hollow shaft with a partition wall ( 7 ) is executed, wherein the hollow shaft on its circumference outlets ( 6 ) and inlets ( 9 ) for the refrigerant. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (5) und die Pumpe (3) in ihrer Bauart identisch ausgeführt sind.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the turbine ( 5 ) and the pump ( 3 ) are identical in design. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Aufbau der Turbine (5) und der Pumpe (3) im Wesentlichen aus mit dem Kraftübertragungsmittel (4) in Abständen voneinander angeordneten parallelen, kreisrunden Scheiben besteht, wobei im Bereich des Kraftübertragungsmittels (4) Öffnungen vorhanden sind.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the mechanical structure of the turbine ( 5 ) and the pump ( 3 ) substantially out of the power transmission means ( 4 ) arranged in spaced parallel, circular discs, wherein in the region of the force transmission means ( 4 ) Openings are present. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Scheiben glatt oder microstrukturiert ausgebildet ist.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the surfaces of the discs is formed smooth or microstructured. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (5) als Resonanzturbine vorzugsweise in einer Duplexanordnung mit zwei Einlassdüsen ausgeführt ist.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the turbine ( 5 ) is designed as a resonant turbine, preferably in a duplex arrangement with two inlet nozzles. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Resonanzturbine (5) am Umfang der Scheiben Taschen oder Einbuchtungen ausgebildet sind.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the resonant turbine ( 5 ) are formed on the circumference of the discs pockets or indentations. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Auslässe (6) an der Turbine (5) der Hohlwelle (4) strömungstechnische Verbindungen zu dem zweiten Wärmetauscher (1) und von diesem zu den Einlässen (9) der Hohlwelle (4) an der Pumpe (3) vorhanden sind.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the region of the outlets ( 6 ) on the turbine ( 5 ) of the hollow shaft ( 4 ) fluidic connections to the second heat exchanger ( 1 ) and from this to the inlets ( 9 ) of the hollow shaft ( 4 ) on the pump ( 3 ) available. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator/Motor (2) mit einer stehenden, zylinderförmigen Tauchspule (24), die als selbsttragende Luftspule mit mindestens zwei Wicklungen ausgeführt ist, die bifilar und meanderförmig gewickelt sind und von einer drehenden, aus einer direkt aneinander gesetzten Vielzahl von Permanentmagnetsegmenten (12 bis 23) bestehenden Ringanordnung mit einem äußeren Abschirmungsring (11) umschlossen wird, wobei die einzelnen Magnetsegmente (12 bis 23) jeweils eine unterschiedliche Vorzugsmagnetisierungsrichtung zum vorhergehenden Permanentmagnetsegment aufweisen, die mindestens eine zweipolige magnetische Ausführung der elektrischen Maschine ermöglicht, und dass durch die einzelnen unterschiedlichen Vorzugsmagnetisierungsrichtungen ein, der Anzahl der magnetischen Pole entsprechend ein gerichtetes, magnetisches, verstärktes, homogenes Magnetfeld zu der Spule (24) vorhanden ist.Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the generator / motor ( 2 ) with a standing, cylindrical plunger coil ( 24 ), which is designed as a self-supporting air-core coil with at least two windings wound in a bifilar and meandering manner and by a rotating, directly juxtaposed plurality of permanent magnet segments ( 12 to 23 ) existing ring assembly with an outer shielding ring ( 11 ), wherein the individual magnet segments ( 12 to 23 ) each have a different preferred direction of magnetization to the preceding permanent magnet segment, which allows at least one bipolar magnetic design of the electric machine, and that by the individual different preferred magnetization directions, the number of magnetic poles according to a directed, magnetic, amplified, homogeneous magnetic field to the coil ( 24 ) is available. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Wicklungen der Spule (24) Einspeisung und Endpunkt an der gleichen Stelle liegen und durch die bifilar, meanderförmig ausgeführten Wicklungen in dem Arbeitsspalt zwischen den permanent Einzelmagnetsegmenten (12 bis 23, 34, 35) und der Spule (24) eine Addition der magnetischen Felder und in den Wickeltöpfen (56, 57) der Wicklungen eine Aufhebung der magnetischen Felder bewirkt wird, und dass die Spulen (24) austauschbar und für unterschiedliche Spannungen und/oder Phasen auslegbar sind, und dass das Leitermaterial aus jeder Wicklung aus einer oder einer Vielzahl von verdrillten Litzen besteht, wobei die Spule (24) durch faserverstärkten Kunststoff zusammengehalten wird.Apparatus according to claim 10, characterized in that in the individual windings of the coil ( 24 ) And the end point lie in the same place and through the bifilar, meandering windings in the working gap between the permanent individual magnet segments ( 12 to 23 . 34 . 35 ) and the coil ( 24 ) an addition of the magnetic fields and in the winding pots ( 56 . 57 ) causes the windings to cancel the magnetic fields, and that the coils ( 24 ) are interchangeable and interpretable for different voltages and / or phases, and that the conductor material consists of each winding of one or a plurality of twisted strands, wherein the coil ( 24 ) is held together by fiber reinforced plastic. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (12 bis 23) als Stabmagnete ausgeführt sind und als Magnetmaterial isotrope Materialien verwendet werden, die gesintert und kunststoffgebunden sind und der Gruppe der Seltenen-Erden angehören und im Wesentlichen einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die einzelnen Permanentmagnetsegmente (12 bis 23) vor der Montage innerhalb der Abschirmung (11), magnetisiert worden sind.Device according to claim 10 or 11, characterized in that the permanent magnets ( 12 to 23 ) are designed as bar magnets and as Magnetic material isotropic materials are used which are sintered and plastic bonded and belong to the group of rare earths and have a substantially trapezoidal cross-section, wherein the individual permanent magnet segments ( 12 to 23 ) before mounting inside the shield ( 11 ), have been magnetized. Verfahren zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie durch Drehmomentenerzeugung gemäß den vorhergehenden Ansprüchen nach folgenden Verfahrensschritten: – Der erste Wärmetauscher (8) ist der Energielieferant, – das verdichtete und aufgewärmte flüssige Kohlendioxid wird aufgrund seines Druckes in die Turbine (2) eingeleitet, – in der Turbine (2) wird das flüssige Kohlendioxid durch Adhäsion und innere Reibung von den Scheiben mitgenommen und tangentialen und radialen Kräften ausgesetzt, so dass durch eine spiralförmige Bewegung das Kohlendioxid expandiert und seinen flüssigen Aggregatzustand in einen gasförmigen Zustand umwandelt und in die Hohlwelle (4) eintritt, – dass das gasförmige Kohlendioxid in einem zweiten Wärmetauscher (1) abgekühlt wird, – nach erfolgter Abkühlung wird das gasförmige Kohlendioxid über das andere Ende der Hohlwelle (4) in den zentrischen Einlass der Pumpe (3) mit annähernd gleicher Strömungsgeschwindigkeit eingeleitet, – das Kohlendioxid wird in der Pumpe (3) komprimiert und verflüssigt sich wieder, – das verflüssigte Kohlendioxid wird dem ersten Wärmetauscher (8) zugeführt, um diesem wieder Wärmeenergie zu entnehmen.Method for converting heat into electrical energy by torque generation according to the preceding claims by the following method steps: - the first heat exchanger ( 8th ) is the energy supplier, - the compressed and heated liquid carbon dioxide is due to its pressure in the turbine ( 2 ), - in the turbine ( 2 ), the liquid carbon dioxide is taken by adhesion and internal friction of the discs and exposed to tangential and radial forces, so that by a spiral movement, the carbon dioxide expands and its liquid state is converted into a gaseous state and into the hollow shaft ( 4 ), - that the gaseous carbon dioxide in a second heat exchanger ( 1 ) is cooled, after cooling, the gaseous carbon dioxide through the other end of the hollow shaft ( 4 ) into the centric inlet of the pump ( 3 ) introduced at approximately the same flow rate, - the carbon dioxide is in the pump ( 3 ) and liquefies again, - the liquefied carbon dioxide is the first heat exchanger ( 8th ) is supplied to this again to remove heat energy.
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