DE102011055511A1 - Cyclic working piston machine used in heat pump, has electrodes that are arranged in electrical contact with liquid piston at a distance in relative to direction of movement of liquid piston and orientation of magnetic field - Google Patents

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Abstract

The piston machine (1) has working chamber (3) to receive working medium (5). An electrically conductive liquid piston (7) positioned in channel adjacent to working space (9) moves such that volume of working chamber varies according to position of liquid piston. A magnet (13) generates magnetic field (15) which is perpendicular to movement direction of liquid piston at location of liquid piston. Two electrodes (19,21) are arranged in electrical contact with the liquid piston at a distance in relative to direction of movement of liquid piston and orientation of the magnetic field.

Description

Die Erfindung betrifft Kolbenmaschinen, z. B. zur Verwendung als Kraftmaschine oder Arbeitsmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung zyklisch arbeitende Kolbenmaschinen mit einem elektromechanischen An- bzw. Abtrieb, z. B. zur Verwendung als Kompressions- oder Expansionsmaschine in thermodynamischen Kreisprozessen.The invention relates to piston engines, z. For use as an engine or work machine. In particular, the invention relates to cyclically operating piston engines with an electromechanical input and output, z. B. for use as a compression or expansion machine in thermodynamic cycles.

Kolbenmaschinen ermöglichen mittels der Realisierung thermodynamischer Kreisprozesse die Umwandlung thermischer und mechanischer Energie ineinander, wobei jedoch bei realen, nichtidealen Kreisprozessen immer ein Teil der thermischen Energie als ungenutzte Abwärme verloren geht, wodurch der Gesamtwirkungsgrad verringert wird. Diese Abwärme kann z. B. zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine oder zum Betreiben eines thermoelektrischen Generators verwendet und somit nutzbar gemacht werden.Piston machines enable the conversion of thermal and mechanical energy into one another by means of the realization of thermodynamic cyclic processes, but in the case of real, non-ideal cyclic processes always a part of the thermal energy is lost as unused waste heat, whereby the overall efficiency is reduced. This waste heat can z. B. used to operate a heat engine or to operate a thermoelectric generator and thus be made usable.

So beschreibt z. B. die US 7 520 133 B2 eine Wärmekraftmaschine zur Gewinnung von mechanischer Energie aus der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors, wobei die Wärmekraftmaschine mehrere voluminöse Nebenaggregate (z. B. Wärmetauscher, Kondensator, Kondensatpumpe) aufweist.So describes z. B. the US Pat. No. 7 520 133 B2 a heat engine for obtaining mechanical energy from the exhaust heat of an internal combustion engine, wherein the heat engine has a plurality of voluminous accessories (eg., Heat exchanger, condenser, condensate pump).

Die DE 10 2008 050 655 A1 beschreibt eine nach dem Stirling-Prinzip wirkende Wärmekraftmaschine zur Nutzung der Abgaswärme eines Kraftfahrzeugs, wobei die Wärmekraftmaschine mechanisch bewegte Teile in Form eines Expanders mit einem Zylinder und einem Kolben aufweist, sodass die Wärmekraftmaschine einem entsprechenden mechanischen Verschleiß unterliegt.The DE 10 2008 050 655 A1 describes a working according to the Stirling principle heat engine for using the exhaust heat of a motor vehicle, the heat engine having mechanically moving parts in the form of an expander with a cylinder and a piston, so that the heat engine is subject to a corresponding mechanical wear.

Als ein anderes Beispiel kann Abgaswärme (z. B. eines Fahrzeugs) mittels eines thermoelektrischen Generators in Form eines Peltierelements in elektrische Energie umgewandelt werden, wobei Peltierelemente zwar verschleißunanfällig sind, jedoch (insbesondere bei geringen anliegenden Temperaturdifferenzen) lediglich einen geringen Wirkungsgrad aufweisen.As another example, exhaust heat (eg, a vehicle) may be converted into electrical energy by means of a thermoelectric generator in the form of a Peltier element, although Peltier elements are susceptible to wear but have low efficiency (especially at low applied temperature differences).

Durch die Erfindung wird eine Kolbenmaschine geschaffen, die eine hohe Lebensdauer aufweist, einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht, vielseitig einsetzbar ist und zudem kompakt, einfach und kostengünstig herstellbar ist.The invention provides a piston machine is provided which has a long service life, allows high efficiency, versatile and is also compact, easy and inexpensive to produce.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine zyklisch bzw. periodisch arbeitende Kolbenmaschine bereitgestellt. Die Kolbenmaschine weist einen Arbeitsraum (bzw. eine Arbeitskammer) zum Aufnehmen eines Arbeitsmediums der Kolbenmaschine (z. B. eines – gasförmigen oder flüssigen – Arbeitsfluids) auf. Die Kolbenmaschine weist ferner einen Flüssigkolben aus einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit auf, wobei der Flüssigkolben in einem an den Arbeitsraum angrenzenden Kanal bewegbar derart angeordnet ist, dass das Volumen des Arbeitsraums entsprechend der Position (bzw. entsprechend der Bewegung) des Flüssigkolbens variiert, wobei das Arbeitsmedium (welches sich in dem Arbeitsraum befindet) in Verdrängungs-Wechselwirkung mit dem Flüssigkolben steht. Die Kolbenmaschine weist zudem einen Magneten auf, der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld am Ort des Flüssigkolbens einen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Flüssigkolbens orientierten Anteil (sog. „Vertikalanteil“) aufweist (d. h. die Feldlinien des Magnetfelds nicht vollständig parallel zur Bewegungsrichtung des Flüssigkolbens verlaufen). Schließlich weist die Kolbenmaschine zwei Elektroden auf, die in elektrischem Kontakt mit dem Flüssigkolben in einem Abstand zueinander derart angeordnet sind, dass die Abstandsrichtung (d. h. die Verlaufsrichtung des Abstands der beiden Elektroden) einen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Flüssigkolbens und einen senkrecht zur Orientierung des Magnetfeldes (bzw. des Vertikalanteils des Magnetfeldes) am Ort des Flüssigkolbens verlaufenden Anteil aufweist.In accordance with one aspect of the invention, a cyclically operating reciprocating engine is provided. The piston engine has a working space (or a working chamber) for receiving a working medium of the piston engine (eg a - gaseous or liquid - working fluid). The piston engine further comprises a liquid piston made of an electrically conductive liquid, wherein the liquid piston is arranged movably in a channel adjacent to the working space such that the volume of the working space varies according to the position (or according to the movement) of the liquid piston, wherein the working medium (which is in the working space) is in displacement interaction with the liquid piston. The piston machine also has a magnet which is designed and arranged such that the magnetic field generated by it at the location of the liquid piston has a component oriented perpendicular to the direction of movement of the liquid piston (so-called "vertical component") (ie not completely parallel to the field lines of the magnetic field to the direction of movement of the liquid piston). Finally, the piston machine has two electrodes, which are arranged in electrical contact with the liquid piston at a distance from each other such that the distance direction (ie the direction of the distance between the two electrodes) perpendicular to the direction of movement of the liquid piston and perpendicular to the orientation of the magnetic field ( or the vertical portion of the magnetic field) at the location of the liquid piston extending portion.

Indem der Kolben als Flüssigkolben ausgeführt ist, kann die Kolbenmaschine im Wesentlichen ohne mechanischen Verschleiß betrieben und somit eine hohe Lebensdauer ermöglicht werden; zugleich ermöglicht die Ausführung mit einem Flüssigkolben eine kompakte, beliebig skalierbare und einfache Ausgestaltung der Kolbenmaschine. Die Kolbenmaschine ist daher mit kleinen Abmessungen und somit entsprechend hohen Resonanzfrequenzen ausbildbar und kann daher unkompliziert als schnelllaufende Kolbenmaschine ausgeführt werden. Mittels der Ausführung des Flüssigkolbens aus einem elektrisch leitfähigen (bzw. elektrisch leitenden) Material und der Anordnung des Magneten und der beiden Elektroden ist sowohl ein elektromechanischer Antrieb der Kolbenmaschine unter Einkopplung elektrischer Energie als auch ein elektromechanischer Abtrieb von der Kolbenmaschine unter Auskopplung elektrischer Energie ermöglicht, sodass die Kolbenmaschine vielseitig sowohl als Kraftmaschine als auch als Arbeitsmaschine einsetzbar ist. Zudem ermöglicht die direkte Ankopplung des elektromechanischen Antriebs einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer, mechanischer und thermischer Energie ineinander.By the piston is designed as a liquid piston, the piston engine can be operated substantially without mechanical wear, thus allowing a long life; at the same time, the design with a liquid piston enables a compact, arbitrarily scalable and simple design of the piston engine. The piston engine can therefore be formed with small dimensions and thus correspondingly high resonance frequencies and can therefore be easily implemented as a high-speed piston engine. By means of the embodiment of the liquid piston made of an electrically conductive (or electrically conductive) material and the arrangement of the magnet and the two electrodes, both an electromechanical drive of the piston engine with the input of electrical energy and an electromechanical output of the piston engine with the extraction of electrical energy is possible, so that the piston engine can be used in many ways both as an engine and as a work machine. In addition, the direct coupling of the electromechanical drive allows high efficiency in the conversion of electrical, mechanical and thermal energy into each other.

Das Arbeitsmedium in dem Arbeitsraum kann z. B. ein (inertes) Gas sein. Zum Betreiben der Kolbenmaschine kann – in für Druck-Volumen-Maschinen (wie z. B. Kolbenmaschinen) bekannter Art und Weise – vorgesehen sein, den Flüssigkolben mittels abwechselnder Volumenzunahme und Volumenabnahme des Arbeitsmediums periodisch hin- und herzubewegen, oder aber mittels externen Antreibens des Flüssigkolbens zu einer periodischen Hin- und Herbewegung das Volumen des Arbeitsraums abwechselnd zu vergrößern und zu verkleinern. Die Verdrängungs-Wechselwirkung zwischen dem Flüssigkolben und dem Arbeitsmedium wird durch Einbindung der Kolbenmaschine in einen thermischen Kreislauf realisiert, wobei entweder durch die Bewegung des Kolbens eine Verdrängung des Arbeitsmediums hervorgerufen wird oder umgekehrt, wobei das Arbeitsmedium für den jeweiligen thermodynamischen Kreisprozess charakteristische Zustände im Druck-Volumen-Temperatur-Phasenraum (p-V-T-Phasenraum) durchläuft.The working medium in the working space can, for. B. be an (inert) gas. In order to operate the piston engine, it is possible - in a manner known per se for pressure-volume machines (such as, for example, piston engines) - to periodically return the liquid piston by means of alternating volume increase and volume decrease of the working medium to move, or alternatively by means of external driving of the liquid piston to a periodic reciprocation, the volume of the working space to increase and decrease alternately. The displacement interaction between the liquid piston and the working medium is realized by incorporating the piston engine in a thermal circuit, either caused by the movement of the piston displacement of the working medium or vice versa, the working fluid for the respective thermodynamic cycle process characteristic states in the pressure Passes through the volume temperature phase space (pVT phase space).

Die elektrisch leitfähige Flüssigkeit kann z. B. ein Flüssigmetall (z. B. eine eutektische Natrium-Kalium-Legierung oder Gallium-Indium-Zinn-Legierung), eine ionische Lösung oder ionische Flüssigkeit sein; wobei das jeweilige Material bei der Betriebstemperatur der Kolbenmaschine im flüssigen Aggregatzustand vorliegt.The electrically conductive liquid may, for. A liquid metal (eg a eutectic sodium-potassium alloy or gallium-indium-tin alloy), an ionic solution or ionic liquid; wherein the respective material is in the liquid state of aggregation at the operating temperature of the reciprocating engine.

Der Magnet kann z. B. ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein. Es kann vorgesehen sein, den Magneten derart auszubilden und anzuordnen, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld (bzw. die zugehörigen Feldlinien) am Ort des Flüssigkolbens (im Wesentlichen) senkrecht zur Bewegungs- bzw. Strömungsrichtung des Flüssigkolbens verläuft, wobei die Feldlinien z. B. mittels eines dafür vorgesehenen magnetischen Kreises aus einem weichmagnetischen Material entsprechend gebündelt und geführt sein können. Ferner kann vorgesehen sein, die beiden Elektroden in einem Abstand zueinander derart anzuordnen, dass die zugehörige Abstandsrichtung (im Wesentlichen) senkrecht zur Richtung des Magnetfelds am Ort des Flüssigkolbens und/oder senkrecht zur Bewegungsrichtung des Flüssigkolbens ist. The magnet can z. B. be a permanent magnet or an electromagnet. It can be provided to form and arrange the magnet in such a way that the magnetic field (or the associated field lines) generated by it at the location of the liquid piston runs (substantially) perpendicular to the movement or flow direction of the liquid piston, the field lines z. B. by means of a dedicated magnetic circuit of a soft magnetic material can be bundled and guided accordingly. Furthermore, provision may be made for the two electrodes to be arranged at a distance from one another such that the associated spacing direction is (substantially) perpendicular to the direction of the magnetic field at the location of the liquid piston and / or perpendicular to the direction of movement of the liquid piston.

Die Anordnung aus dem elektrisch leitfähigen Flüssigkolben, dem Magneten und den beiden Elektroden bildet einen elektromechanischen Wandler; wobei z. B. durch eine Bewegung des Flüssigkolbens entlang der Längsrichtung des Kanals mittels der elektromagnetischen Lorentzkraft eine Trennung ungleichnamiger elektrischer Ladungen erfolgt und zwischen den beiden Elektroden eine entsprechende elektrische Spannung ausgebildet wird, also mechanische Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird; und wobei umgekehrt z. B. bei Anlegen einer externen Wechselspannung an die beiden Elektroden eine entsprechende Hin- und Herbewegung des Flüssigkolbens entlang der Längsrichtung des Kanals hervorgerufen wird, also elektrische Energie in mechanische Bewegungsenergie umgewandelt wird.The arrangement of the electrically conductive liquid piston, the magnet and the two electrodes forms an electromechanical transducer; where z. B. by a movement of the liquid piston along the longitudinal direction of the channel by means of the electromagnetic Lorentz force separation of unlike electric charges takes place and between the two electrodes, a corresponding electrical voltage is formed, so mechanical kinetic energy is converted into electrical energy; and conversely z. B. upon application of an external AC voltage to the two electrodes, a corresponding reciprocation of the liquid piston along the longitudinal direction of the channel is caused, ie electrical energy is converted into mechanical kinetic energy.

Der Flüssigkolben ist in einem an den Arbeitsraum angrenzenden Kanal bewegbar angeordnet, wobei das Volumen des Arbeitsraums entsprechend der Bewegungsposition des Flüssigkolbens variiert (z. B. indem die Flüssigkeit des Flüssigkolbens in den Arbeitsraum hinein- bzw. herausströmt). Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass von dem Flüssigkolben eine Begrenzungsfläche des Arbeitsraums gebildet ist, wobei der Flüssigkolben (bzw. eine Stirnfläche davon) in direktem Kontakt mit dem Arbeitsmedium steht bzw. unmittelbar an das Arbeitsmedium angrenzt. The liquid piston is movably arranged in a channel adjoining the working space, wherein the volume of the working space varies in accordance with the movement position of the liquid piston (eg by the liquid of the liquid piston flowing in and out of the working space). For example, it can be provided that a boundary surface of the working space is formed by the liquid piston, wherein the liquid piston (or an end face thereof) is in direct contact with the working medium or directly adjacent to the working medium.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Flüssigkolben thermisch von dem Arbeitsmedium isoliert bzw. entkoppelt. Gemäß dieser Ausführungsform kann ein Wärmeübertrag zwischen dem Flüssigkolben und dem Arbeitsmedium wirksam unterdrückt werden, wodurch z. B. ein Energieverlust durch Erhitzen oder Abkühlen des Arbeitsmediums verhindert werden kann und somit der Wirkungsgrad der Kolbenmaschine weiter erhöht werden kann.According to one embodiment, the liquid piston is thermally isolated or decoupled from the working medium. According to this embodiment, a heat transfer between the liquid piston and the working medium can be effectively suppressed, whereby z. B. energy loss can be prevented by heating or cooling of the working fluid and thus the efficiency of the piston engine can be further increased.

Die thermische Isolierung kann z. B. mittels einer entsprechenden Materialwahl des Arbeitsmediums und/oder des Flüssigkolbens als Materialien mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und/oder geringen Wärmekapazität realisiert sein.The thermal insulation can z. B. be realized by means of a suitable choice of material of the working medium and / or the liquid piston as materials with a low thermal conductivity and / or low heat capacity.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Flüssigkolben mittels einer thermischen Isolationsschicht, die (z. B. an der entsprechenden Stirnfläche des Kolbens) zwischen dem Flüssigkolben und dem Arbeitsmedium angeordnet ist, thermisch von dem Arbeitsmedium isoliert bzw. entkoppelt; wobei der Flüssigkolben lediglich mittelbar an das Arbeitsmedium angrenzt und nicht in direktem Kontakt mit demselben steht.According to one embodiment, the liquid piston is thermally isolated or decoupled from the working medium by means of a thermal insulation layer, which is arranged between the liquid piston and the working medium (eg at the corresponding end face of the piston); wherein the liquid piston is only indirectly adjacent to the working medium and is not in direct contact therewith.

Die Isolationsschicht kann z. B. eine Schicht einer Barriereflüssigkeit (z. B. ein Öl) sein; wobei die Barriereflüssigkeit z. B. eine Flüssigkeit mit einer Dichte ist, die zwischen derjenigen des Flüssigkolben-Materials und derjenigen des Arbeitsmediums liegt. Ferner ist die Barriereflüssigkeit bevorzugt derart gewählt, dass sie gegenüber dem Flüssigkolben-Material und dem Arbeitsmedium chemisch inert ist. Die thermische Isolationsschicht kann zudem als kraftübertragendes Element, als Korrosionsschutz für die elektrisch leitfähige Flüssigkeit des Flüssigkolbens und/oder als Kontaminationsschutz für das Arbeitsmedium fungieren. Die Isolationsschicht kann auch eine zwischen dem Kolben und dem Arbeitsmedium angeordnete Trennlage aus einem festen Material sein (z. B. in Form einer Folie).The insulation layer may, for. A layer of barrier liquid (eg, an oil); wherein the barrier liquid z. B. is a liquid having a density which is between that of the liquid piston material and that of the working medium. Furthermore, the barrier liquid is preferably chosen such that it is chemically inert to the liquid piston material and the working medium. The thermal insulation layer can also act as a force-transmitting element, as corrosion protection for the electrically conductive liquid of the liquid piston and / or as contamination protection for the working medium. The insulating layer can also be a separating layer arranged between the piston and the working medium and made of a solid material (eg in the form of a foil).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kolbenmaschine zum Beaufschlagen der beiden Elektroden mit einer externen (periodischen) Wechselspannung (d. h. zum Anlegen einer Wechselspannung zwischen den beiden Elektroden) ausgebildet, wobei der Flüssigkolben mittels der Wechselspannung (periodisch) entsprechend der Frequenz der Wechselspannung hin- und herbewegt wird und das Volumen des Arbeitsraums entsprechend der Bewegung des Flüssigkolbens variiert.According to a further embodiment, the piston machine is designed to act on the two electrodes with an external (periodic) alternating voltage (ie for applying an alternating voltage between the two electrodes), wherein the liquid piston by means of AC voltage (periodically) is reciprocated according to the frequency of the AC voltage and the volume of the working space varies according to the movement of the liquid piston.

Gemäß dieser Ausführungsform kann der elektromechanische Wandler als Motor zum Antreiben des Flüssigkolbens fungieren, wobei der Flüssigkolben mittels Zuführens elektrischer Energie in eine Schwingbewegung versetzt werden kann und als Verdränger für das Arbeitsmedium wirken kann. Somit kann die Kolbenmaschine z. B. als Verdichter bzw. als Kompressions-/Expansionsvorrichtung in einem via den Arbeitsraum bzw. das Arbeitsmedium angekoppelten thermodynamischen Kreisprozess, wie etwa einer Wärmepumpe (bzw. Kältemaschine), fungieren.According to this embodiment, the electromechanical transducer can function as a motor for driving the liquid piston, wherein the liquid piston can be vibrated by supplying electric energy and can act as a displacer for the working medium. Thus, the piston engine z. B. as a compressor or as a compression / expansion device in a via the working space or the working medium coupled thermodynamic cycle, such as a heat pump (or chiller) act.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kolbenmaschine zum periodischen, abwechselnden Druckbeaufschlagen und Druckentlasten des Arbeitsraums ausgebildet, wobei das Volumen des Arbeitsraums entsprechend der zeitlichen Druckvariation periodisch variiert und der Flüssigkolben entsprechend (und mittels) der Variation des Arbeitsraumvolumens hin- und herbewegt wird.According to a further embodiment, the piston machine is designed for the periodic, alternating pressurization and depressurization of the working space, whereby the volume of the working space varies periodically according to the temporal pressure variation and the liquid piston is reciprocated correspondingly (and by means of) the variation of the working space volume.

Gemäß dieser Ausführungsform kann der elektromechanische Wandler als Abtrieb zum Auskoppeln elektrischer Energie bzw. Arbeit aus der Kolbenmaschine und somit als Stromgenerator fungieren, wobei der Flüssigkolben mittels der (periodischen) Druckvariation des Arbeitsmediums in eine Schwingbewegung versetzt werden kann und eine entsprechende Wechselspannung zwischen den beiden Elektroden erzeugen kann. According to this embodiment, the electromechanical transducer can act as an output for coupling out electrical energy or work from the piston engine and thus as a current generator, wherein the liquid piston can be set into oscillating motion by means of the (periodic) pressure variation of the working medium and a corresponding alternating voltage between the two electrodes can generate.

Die Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung des Arbeitsraums kann in für Kolbenmaschinen bekannter Art und Weise durch Einbinden des Arbeitsraumes (und des Arbeitsmediums) in einen thermodynamischen Kreisprozess realisiert werden. So kann z. B. vorgesehen sein, eine Druckvariation des Arbeitsmediums bei abgeschlossenem Arbeitsraum (d. h. ohne Austausch von Arbeitsmedium mit einem externen System) durch abwechselndes Erhitzen und Abkühlen des Arbeitsmediums zu realisieren. Es kann auch vorgesehen sein, eine Druckvariation durch abwechselndes Einlassen und Auslassen von Arbeitsmedium in den Arbeitsraum (z. B. über dafür an der Arbeitskammer vorgesehene Einlass- und Auslassventile) zu realisieren; wobei zusätzlich vorgesehen sein kann, dem Arbeitsmedium beim Einlassen thermische Energie von außen zuzuführen und/oder beim Auslassen zu entnehmen. The pressurization or pressure relief of the working space can be realized in a known manner for piston engines by incorporating the working space (and the working medium) in a thermodynamic cycle. So z. For example, it may be provided to realize a pressure variation of the working medium when the working space is closed (i.e., without exchange of working medium with an external system) by alternately heating and cooling the working medium. It may also be provided to implement a pressure variation by alternately introducing and discharging working medium into the working space (eg via inlet and outlet valves provided for this purpose on the working chamber); wherein it can additionally be provided to supply thermal energy to the working fluid when it is being introduced from the outside and / or to remove it during discharge.

Des Weiteren kann die Kolbenmaschine eine Steuereinrichtung aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass von ihr die Kolbenmaschine selektiv in einen Motor-Modus oder in einen Generator-Modus schaltbar ist, wobei in dem Motor-Modus die beiden Elektroden mit einer externen Wechselspannung beaufschlagt werden und der elektromechanische Wandler als Motor zum Antreiben des Flüssigkolbens fungiert, wohingegen in dem Generator-Modus der Arbeitsraum (von extern) mit einer periodischen Druckvariation beaufschlagt wird und der elektromechanische Wandler als elektrischer Generator fungiert (sodass an den beiden Elektroden eine Wechselspannung abgegriffen werden kann).Furthermore, the piston engine may have a control device which is designed such that the piston engine can be selectively switched into a motor mode or into a generator mode by it, wherein in the motor mode the two electrodes are subjected to an external alternating voltage and the electromechanical converter acts as a motor for driving the liquid piston, whereas in the generator mode the working space is subjected (externally) to a periodic pressure variation and the electromechanical converter acts as an electrical generator (so that an AC voltage can be tapped at the two electrodes).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der Arbeitsraum und/oder der Kanal zumindest teilweise mit einem porösen, offenporigen Material gefüllt. Gemäß dieser Ausführungsform kann die elektrisch leitfähige Flüssigkeit des Flüssigkolbens durch Kapillarkräfte gehalten und durch die offenporige Struktur mechanisch geführt sein, sodass ein schwallfreier und/oder lageunabhängiger Betrieb der Kolbenmaschine ermöglicht ist.According to a further embodiment, the working space and / or the channel are at least partially filled with a porous, open-pored material. According to this embodiment, the electrically conductive liquid of the liquid piston can be held by capillary forces and guided mechanically by the open-pore structure, so that a bumpless and / or position-independent operation of the piston machine is made possible.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kolbenmaschine zwei Arbeitsräume auf, wobei der Flüssigkolben derart angeordnet ist, dass er mit seiner ersten Stirnfläche an den einen Arbeitsraum angrenzt und mit seiner anderen Stirnfläche an den anderen Arbeitsraum angrenzt (sog. doppelt-wirkende Kolbenmaschine). Gemäß dieser Ausführungsform kann die Kolbenmaschine durch Anbindung eines zweiten Arbeitsraums an den elektromechanischen Wandler als doppelt wirkende Druck-Volumen-Maschine (kurz: „pV-Maschine“) ausgeführt sein, wobei eine Expansion eines der Arbeitsräume mit einer Kompression des jeweils anderen Arbeitsraums einhergeht.According to a further embodiment, the piston engine has two working spaces, wherein the liquid piston is arranged such that it adjoins the one working space with its first end face and adjoins the other working space with its other end face (so-called double-acting piston machine). According to this embodiment, the piston engine by connecting a second working space to the electromechanical transducer as a double-acting pressure-volume machine (in short: "pV machine") to be executed, wherein an expansion of one of the working spaces associated with a compression of the other working space.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Doppelkolbenmaschine mit einer ersten und einer zweiten Kolbenmaschine gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Ein Arbeitsraum der ersten Kolbenmaschine steht über eine Thermotauschvorrichtung in Fluidverbindung mit einem Arbeitsraum der zweiten Kolbenmaschine, wobei die Thermotauschvorrichtung in Richtung von dem Arbeitsraum der ersten Kolbenmaschine zu dem Arbeitsraum der zweiten Kolbenmaschine hin nacheinander eine Kühleinrichtung (zum Kühlen des Arbeitsmediums), einen Regenerator (bzw. Wärme-Zwischenspeicher), und einen Wärmetauscher (zum Austausch von Wärme mit dem Arbeitsmedium) aufweist. Jede der beiden Kolbenmaschinen weist zudem einen zugehörigen elektrisch leitfähigen Flüssigkolben und einen elektromechanischen Wandler (mit einem Magneten, zwei Elektroden und dem Flüssigkolben) auf.In accordance with another aspect of the invention, there is provided a dual piston engine having a first and a second piston engine according to any of the embodiments described above. A working chamber of the first piston engine is in fluid communication with a working space of the second piston engine via a thermal exchange device, wherein the thermal exchange device sequentially radiates a cooling device (for cooling the working fluid) in the direction from the working chamber of the first piston engine to the working chamber of the second piston engine, a regenerator (resp Heat buffer), and a heat exchanger (for exchanging heat with the working medium). Each of the two piston machines also has an associated electrically conductive liquid piston and an electromechanical transducer (with a magnet, two electrodes and the liquid piston).

Die Doppelkolbenmaschine kann z. B. als alpha-Stirling-Maschine ausgebildet sein, wobei die beiden Flüssigkolben den Hochtemperaturseite-Kolben und den Niedertemperaturseite-Kolben der alpha-Stirling-Maschine bilden, und wobei die erste Kolbenmaschine als Kompressions-pV-Maschine und die zweite Kolbenmaschine als Expansions-pV-Maschine fungiert. Bei Ausbildung bzw. Verwendung der Doppelkolbenmaschine als Kraftmaschine wird der Doppelkolbenmaschine (bzw. dem Arbeitsmedium) mittels des Wärmetauschers der Thermotauschvorrichtung thermische Energie von außen zugeführt, d. h. der Wärmetauscher fungiert als Erhitzer; wohingegen bei Verwendung der Doppelkolbenmaschine als Wärmepumpe der Wärmetauscher als Niedertemperatur-Kältequelle (bzw. als kalter Wärmetauscher) fungiert, an welcher Kälte abgegriffen werden kann. Die Realisierung des thermodynamischen Kreisprozesses erfolgt über die zueinander phasenverschobene elektrische Ansteuerung der elektromagnetischen Wandler der beiden Kolbenmaschinen, wobei die Kompressionsmaschine elektrische Arbeit aufnimmt (d. h. als Motor wirkt) und die Expansionsmaschine elektrische Arbeit abgibt (d. h. als Generator wirkt). Bei Ausbildung bzw. Verwendung der Doppelkolbenmaschine als Kraftmaschine ist die von der Expansionsmaschine abgegebene elektrische Arbeit größer als die von der Kompressionsmaschine aufgenommene elektrische Arbeit; wohingegen bei Ausbildung bzw. Verwendung der Doppelkolbenmaschine als Wärmepumpe (bzw. Kältemaschine) die abgegebene elektrische Arbeit geringer ist als die aufgenommene elektrische Arbeit.The double piston engine can, for. B. be designed as alpha-Stirling machine, wherein the two liquid piston the high-temperature side piston and the low-temperature side of the piston alpha stirling machine, and wherein the first piston machine acts as a compression pV machine and the second piston machine as an expansion pV machine. In training or use of the double piston engine as an engine of the double piston engine (or the working fluid) by means of the heat exchanger of the thermal exchange device, thermal energy supplied from the outside, ie the heat exchanger acts as a heater; whereas when using the double-piston engine as a heat pump, the heat exchanger acts as a low-temperature cooling source (or as a cold heat exchanger), at which cold can be tapped. The realization of the thermodynamic cycle process via the mutually phase-shifted electrical control of the electromagnetic transducer of the two reciprocating engines, wherein the compression engine receives electrical work (ie acts as a motor) and the expansion machine electrical work (ie acts as a generator). In training or use of the double-piston engine as an engine, the output from the expansion machine electrical work is greater than the recorded by the compression machine electrical work; whereas, in training or use of the double piston engine as a heat pump (or chiller), the electrical power output is less than the recorded electrical work.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Multikolbenmaschine mit mehreren doppelt-wirkenden Kolbenmaschinen gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform bereitgestellt (wobei jede der Kolbenmaschinen zwei Arbeitsräume aufweist). Der erste Arbeitsraum jeder Kolbenmaschine fungiert als Kompressionskammer, wohingegen der zweite Arbeitsraum jeder Kolbenmaschine als Expansionskammer fungiert. Die Kolbenmaschinen sind ringförmig seriell (d. h. als Reihenschaltung) miteinander verbunden, indem jeweils die Kompressionskammer einer Kolbenmaschine über eine Thermotauschvorrichtung in Fluidverbindung mit der Expansionskammer der in der Reihenschaltung nachfolgenden Kolbenmaschine steht. Die Thermotauschvorrichtungen gleichen in Aufbau und Wirkungsweise der oben beschriebenen Thermotauschvorrichtung der Doppelkolbenmaschine, wobei jede der Thermotauschvorrichtungen in Richtung von der jeweiligen Kompressionskammer zu der jeweiligen Expansionskammer hin nacheinander eine Kühleinrichtung (zum Kühlen des Arbeitsmediums), einen Regenerator (bzw. Wärme-Zwischenspeicher), und einen Wärmetauscher (zum Austausch von Wärme mit dem Arbeitsmedium) aufweist.According to another aspect of the invention, there is provided a multi-piston machine having a plurality of double-acting reciprocating engines according to the above-described embodiment (each of the reciprocating engines having two working spaces). The first working space of each piston engine acts as a compression chamber, whereas the second working space of each piston engine acts as an expansion chamber. The reciprocating engines are interconnected in a ring-serially (i.e., series) manner by each of the compression chambers of a reciprocating engine being in fluid communication with the expansion chamber of the reciprocating engine following a series connection via a thermal exchange device. The thermal exchanging apparatuses are similar in structure and operation to the above-described double-reciprocating heat exchanging apparatus, wherein each of the thermo-exchanging apparatuses successively provide a cooling means (for cooling the working medium), a regenerator (or heat buffer) in the direction from the respective compression chamber to the respective expansion chamber a heat exchanger (for exchanging heat with the working medium).

Gemäß diesem Aspekt der Erfindung bewirkt eine Kompression des Arbeitsmediums in einer Kompressionskammer einer Kolbenmaschine eine Expansion des Arbeitsmediums in die angebundene Expansionskammer der nachfolgenden Kolbenmaschine. Die Verschaltung mehrerer Kolbenmaschinen ermöglicht eine Leistungssteigerung gegenüber Kolbenmaschinen mit lediglich einem einzigen Kolben; zudem hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße zyklische Serienschaltung eine Selbstsynchronisation der Multikolbenmaschine bewirkt, d. h. die (hinsichtlich des Wirkungsgrades der Multikolbenmaschine) optimalen Phasenwinkel zwischen Kompression und Expansion stellen sich automatisch ein.According to this aspect of the invention, compression of the working fluid in a compression chamber of a reciprocating engine causes expansion of the working fluid into the connected expansion chamber of the subsequent reciprocating engine. The interconnection of several piston machines allows an increase in performance over piston engines with only a single piston; In addition, it has been found that the cyclic series circuit according to the invention effects a self-synchronization of the multi-piston machine, ie. H. the optimum phase angles (in terms of the efficiency of the multi-piston machine) between compression and expansion are set automatically.

Bei serieller Verschaltung von N Kolbenmaschinen wird eine Phasenverschiebung von jeweils 2π/N zwischen den Schwingbewegungen der Flüssigkolben zweier in der Reihenschaltung aufeinanderfolgender Kolbenmaschinen realisiert. Es kann z. B. vorgesehen sein, drei bzw. vier Kolbenmaschinen seriell und zyklisch zu verschalten, wobei die Phasenverschiebung zwischen der Hubbewegung eines Flüssigkolbens und der Hubbewegung des benachbarten Flüssigkolbens entsprechend 120 Grad bzw. 90 Grad beträgt. Bei der Ausbildung der Multikolbenmaschine als Kraftmaschine kann die elektrische Arbeit direkt als mehrphasige Spannung bzw. mehrphasiger Strom (mit N Phasen) abgegriffen werden; wohingegen bei der Ausbildung als Wärmepumpe die Multikolbenmaschine direkt mit mehrphasigem Strom angesteuert bzw. beaufschlagt werden kann. Hinsichtlich der Kompatibilität mit standardisierten elektrischen Versorgungsnetzen, welche Dreiphasenwechselstrom bereitstellen, ist die Ausbildung der Multikolbenmaschine mit drei Kolben vorteilhaft. Die elektrische Ansteuerung erfolgt bevorzugt mit einer der Resonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz der Multikolbenanordnung entsprechenden Wechselspannungs-Frequenz.In the case of serial interconnection of N reciprocating engines, a phase shift of 2π / N in each case between the oscillatory movements of the liquid pistons of two reciprocating piston machines succeeding in series is realized. It can, for. B. be provided to connect three or four piston machines serially and cyclically, wherein the phase shift between the stroke of a liquid piston and the lifting movement of the adjacent liquid piston is 120 degrees or 90 degrees. In the formation of the multi-piston engine as an engine, the electrical work can be tapped directly as multi-phase voltage or multi-phase current (with N phases); whereas in the training as a heat pump, the multi-piston machine can be controlled or acted upon directly with multi-phase current. With regard to compatibility with standard electric power supply networks which provide three-phase alternating current, the design of the three-piston multi-piston machine is advantageous. The electrical control is preferably carried out with one of the resonant frequency or natural frequency of the multi-piston arrangement corresponding AC voltage frequency.

Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung werden eine Wärmepumpe und eine Stromerzeugungsvorrichtung mit einer Kolbenmaschine gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt.According to further aspects of the invention, there is provided a heat pump and a power generating device including a reciprocating engine according to any of the embodiments described above.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die 1 bis 7 veranschaulicht, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:The invention will be described below with reference to embodiments with reference to the 1 to 7 illustrated, wherein the same or similar features are provided with the same reference numerals; Here are shown schematically:

1A eine Darstellung einer Kolbenmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1A an illustration of a piston engine according to an embodiment of the invention;

1B eine Perspektivansicht des elektromechanischen Wandlers der Kolbenmaschine gemäß 1; 1B a perspective view of the electromechanical transducer of the piston engine according to 1 ;

2 eine Darstellung einer doppelt-wirkenden Kolbenmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 2 an illustration of a double-acting piston engine according to an embodiment of the invention;

3A eine Doppelkolbenmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Barriereflüssigkeit; 3A a double-piston engine according to an embodiment of the invention with a barrier fluid;

3B eine Doppelkolbenmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Pulsrohr; 3B a double-piston engine according to an embodiment of the invention with a pulse tube;

4 eine Multikolbenmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit drei Einzelkolbenmaschinen; 4 a multi-piston machine according to an embodiment of the invention with three single-piston engines;

5 eine Darstellung eines Arbeitsraums mit einer Ventilanordnung und einer porösen Füllstruktur; 5 a representation of a working space with a valve assembly and a porous filling structure;

6A eine Kompressions-Kühlvorrichtung mit einer als Verdichter fungierenden Kolbenmaschine; 6A a compression cooling device having a piston engine functioning as a compressor;

6B eine Joule-Thomson-Kühlvorrichtung mit einer als Verdichter fungierenden Kolbenmaschine; und 6B a Joule-Thomson cooling device with a piston engine functioning as a compressor; and

7 eine Rankine-Kraftmaschine mit einer als Verdichter fungierenden Kolbenmaschine. 7 a Rankine engine with a piston engine functioning as a compressor.

1A veranschaulicht eine Kolbenmaschine 1 gemäß einer Ausführungsform, wobei die Kolbenmaschine einen Arbeitsraum 3 aufweist, in dem ein gasförmiges Arbeitsmedium 5 der Kolbenmaschine 1 aufgenommen ist. Die Kolbenmaschine 1 weist ferner einen Flüssigkolben 7 aus einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit auf. Der Flüssigkolben bzw. die Flüssigkeit 7 ist in einem an den Arbeitsraum 3 angrenzenden Kanal 9 derart gehalten, dass sie in dem Kanal 9 entlang der Kanallängsrichtung schwingend hin- und herströmen kann (in den 1A und 1B ist die Bewegungsrichtung der Flüssigkeit durch den Doppelpfeil 10 veranschaulicht und verläuft innerhalb des Kanals 9 parallel zur y-Richtung des in den 1A und 1B dargestellten xyz-Koordinatensystems) und in den angrenzenden Arbeitsraum 3 ein- und aus demselben hinausströmen kann, sodass das Volumen des Arbeitsraums 3 entsprechend der Bewegung bzw. entsprechend der jeweiligen Position des Flüssigkolbens 7 variiert. Gemäß der Ausführungsform nach 1 bildet die Stirnfläche 11 des Kolbens 7 eine Begrenzungsfläche des Arbeitsraumvolumens 3 und steht in direktem Kontakt mit dem Arbeitsmedium 5. 1A illustrates a piston engine 1 according to an embodiment, wherein the piston engine has a working space 3 in which a gaseous working medium 5 the piston engine 1 is included. The piston engine 1 also has a liquid piston 7 from an electrically conductive liquid. The liquid piston or the liquid 7 is in one to the work space 3 adjacent canal 9 held so that they are in the channel 9 can oscillate back and forth along the channel longitudinal direction (in the 1A and 1B is the direction of movement of the liquid through the double arrow 10 illustrates and runs within the channel 9 parallel to the y-direction of the in 1A and 1B represented xyz coordinate system) and in the adjacent work space 3 can flow in and out of it, so that the volume of the working space 3 according to the movement or according to the respective position of the liquid piston 7 varied. According to the embodiment according to 1 forms the end face 11 of the piston 7 a boundary surface of the working space volume 3 and is in direct contact with the working medium 5 ,

Die Kolbenmaschine 1 weist ferner (siehe auch 1B) einen Magneten 13 auf, wobei der Magnet gemäß 1B als Permanentmagnet 13 ausgebildet ist. Der Magnet 13 ist derart angeordnet, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld 15 am Ort des Flüssigkolbens 7 senkrecht zur Bewegungsrichtung (y-Richtung) des Flüssigkolbens orientiert ist. Gemäß 1B wird das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld 15 zu diesem Zweck mittels eines magnetischen Kreises 17 aus einem weichmagnetischen Material (z. B. Eisen) derart gebündelt und geführt, dass es am Ort des Flüssigkolbens 7 bzw. innerhalb des Kanals 9 (im Wesentlichen) senkrecht zur Kanallängsrichtung bzw. Strömungsrichtung 10 der Flüssigkeit 7 orientiert ist, wobei die Feldlinien des Magnetfelds 15 gemäß den 1A und 1B innerhalb des Kanals 9 (im Wesentlichen) in negative z-Richtung weisen.The piston engine 1 also indicates (see also 1B ) a magnet 13 on, wherein the magnet according to 1B as a permanent magnet 13 is trained. The magnet 13 is arranged such that the magnetic field generated by it 15 at the location of the liquid piston 7 is oriented perpendicular to the direction of movement (y-direction) of the liquid piston. According to 1B becomes the magnetic field generated by the magnet 15 for this purpose by means of a magnetic circuit 17 made of a soft magnetic material (eg iron) bundled and guided so that it is at the location of the liquid piston 7 or within the channel 9 (substantially) perpendicular to the channel longitudinal direction or flow direction 10 the liquid 7 is oriented, the field lines of the magnetic field 15 according to the 1A and 1B within the channel 9 (essentially) pointing in negative z-direction.

Des Weiteren weist die Kolbenmaschine 1 zwei Elektroden 19, 21 auf, die in direktem elektrischen Kontakt mit der Flüssigkeit 7 stehen. Die Elektroden 19, 21 sind in einem sowohl bezüglich der Strömungsrichtung 10 (d. h. der y-Richtung) als auch bezüglich der Magnetfeldrichtung 15 am Ort des Kolbens (d. h. der z-Richtung) senkrechten Abstand zueinander angeordnet (d. h. die Elektroden 19, 21 sind entlang der x-Richtung voneinander beabstandet) und bilden jeweils einen Abschnitt der Begrenzungswand des Kanals 9.Furthermore, the piston engine 1 two electrodes 19 . 21 on, in direct electrical contact with the liquid 7 stand. The electrodes 19 . 21 are in one with respect to both the direction of flow 10 (ie, the y-direction) as well as the magnetic field direction 15 at the location of the piston (ie, the z-direction) perpendicular to each other (ie, the electrodes 19 . 21 are spaced apart along the x-direction) and each form a portion of the boundary wall of the channel 9 ,

Die Kolbenmaschine 1 weist eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) auf, mittels derer die Kolbenmaschine 1 selektiv in einen Motor-Modus oder in einen Generator-Modus geschaltet werden kann. In dem Motor-Modus werden die beiden Elektroden 19, 21 mit einer (externen) periodischen Wechselspannung beaufschlagt, wodurch der Flüssigkolben 7 mit einer der Frequenz der Wechselspannung entsprechenden Schwingfrequenz in dem Kanal 9 hin- und herbewegt wird und somit das freie Volumen des Arbeitsraums 3 periodisch von dem Kolben 7 variiert wird. In dem Motor-Modus kann der Flüssigkolben 7 z. B. als Verdrängerkolben für das Arbeitsmedium wirken (und dieses z. B. periodisch komprimieren und expandieren, oder periodisch aus dem Arbeitsraum hinausdrängen und in den Arbeitsraum hinein saugen) und somit z. B. einen angebundenen thermodynamischen Kreisprozess antreiben.The piston engine 1 has a control device (not shown), by means of which the piston engine 1 can be selectively switched to a motor mode or a generator mode. In the motor mode, the two electrodes 19 . 21 subjected to an (external) periodic alternating voltage, whereby the liquid piston 7 with an oscillation frequency corresponding to the frequency of the AC voltage in the channel 9 is moved back and forth and thus the free volume of the working space 3 periodically from the piston 7 is varied. In the engine mode, the liquid piston 7 z. B. act as a displacer for the working fluid (and this z., Periodically compress and expand, or periodically push out of the working space and suck into the workspace) and thus z. B. drive a connected thermodynamic cycle.

In dem Generator-Modus wird der Arbeitsraum 3 in für pV-Maschinen bekannter Art und Weise einer periodische Druckvariation unterworfen, wobei mittels der Druckvariation der Flüssigkolben 7 in eine periodische Schwingbewegung versetzt wird und – aufgrund der Wirkung der Lorentzkraft auf die bewegten elektrischen Ladungen des Flüssigkolbens 7 in dem Magnetfeld 15 – eine Wechselspannung zwischen den Elektroden 19, 21 erzeugt wird und abgegriffen werden kann.In generator mode, the workspace becomes 3 subjected to a periodic pressure variation in a known manner for pV machines, wherein by means of the pressure variation of the liquid piston 7 is placed in a periodic oscillating motion and - due to the effect of the Lorentz force on the moving electric charges of the liquid piston 7 in the magnetic field 15 - an AC voltage between the electrodes 19 . 21 is generated and can be tapped.

Die Druckvariation kann z. B. mittels dafür vorgesehener Einrichtungen (in den 1A, 1B nicht dargestellt) durch abwechselndes Erhitzen und Abkühlen eines abgeschlossenen Arbeitsmedium-Volumens oder durch abwechselndes Einlassen von Arbeitsmedium in den Arbeitsraum 3 und Auslassen von Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum 3 hervorgerufen werden.The pressure variation can z. B. by means provided therefor (in the 1A . 1B not shown) by alternately heating and cooling a closed working medium volume or by alternately introducing working fluid into the working space 3 and omitting of working medium from the working space 3 be caused.

2 veranschaulicht eine Kolbenmaschine 23 gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche sich von der in den 1A und 1B veranschaulichten Kolbenmaschine 1 dadurch unterscheidet, dass die Kolbenmaschine 23 als doppelt-wirkende Kolbenmaschine ausgeführt ist, wobei an jeder der beiden Stirnflächen 11, 11’ des Flüssigkolbens 7 eine Arbeitskammer 3 angebunden ist. Eine Verkleinerung des Volumens eines/einer der Arbeitsräume bzw. Arbeitskammern 3 aufgrund einer entsprechenden Bewegung des Flüssigkolbens 7 geht somit stets mit einer Vergrößerung des Volumens der jeweils anderen Arbeitskammer 3 einher. 2 illustrates a piston engine 23 according to a further embodiment, which differs from that in the 1A and 1B illustrated piston engine 1 this distinguishes that the piston engine 23 is designed as a double-acting piston engine, wherein at each of the two end faces 11 . 11 ' of the liquid piston 7 a working chamber 3 is connected. A reduction in the volume of one / of the workrooms or working chambers 3 due to a corresponding movement of the liquid piston 7 thus always goes with an increase in the volume of the other working chamber 3 associated.

3A veranschaulicht eine Doppelkolbenmaschine 25 gemäß einer Ausführungsform, welche nach dem alpha-Stirling-Funktionsprinzip arbeitet. Die Doppelkolbenmaschine 25 weist eine erste Kolbenmaschine 27, die als Komressions-pV-Maschine 27 fungiert, und eine zweite Kolbenmaschine 29, die als Expansions-pV-Maschine fungiert, auf. Die Kompressionsmaschine 27 weist einen Arbeitsraum 3 auf, die Expansionsmaschine 29 weist einen Arbeitsraum 3’ auf. Jede der beiden Kolbenmaschinen 27, 29 weist einen zugehörigen elektromechanischen Wandler mit einem Flüssigkolben 7, einem Magneten (in 3A nicht dargestellt) und einem magnetischen Kreis 17, und zwei Elektroden 19, 21 wie oben mit Bezug auf die 1A und 1B beschrieben auf. 3A illustrates a twin-piston engine 25 according to an embodiment which works according to the alpha-Stirling principle of operation. The double piston engine 25 has a first piston engine 27 that as a compression pv machine 27 acts, and a second piston engine 29 acting as an expansion pV machine. The compression machine 27 has a workspace 3 on, the expansion machine 29 has a workspace 3 ' on. Each of the two piston engines 27 . 29 has an associated electromechanical transducer with a liquid piston 7 , a magnet (in 3A not shown) and a magnetic circuit 17 , and two electrodes 19 . 21 as above with respect to the 1A and 1B described on.

Der Arbeitsraum 3 der Kompressionsmaschine 27 steht über eine Thermotauschvorrichtung 31 in Fluidverbindung mit dem Arbeitsraum 3’ der Expansionsmaschine 29. Die Thermotauschvorrichtung 31 weist – in Richtung von dem Arbeitsraum 3 der Kompressionsmaschine 27 her zu dem Arbeitsraum 3’ der Expansionsmaschine 29 hin – aufeinanderfolgend eine Kühleinrichtung 33, einen Regenerator 35 und einen Wärmetauscher 37 auf.The workroom 3 the compression machine 27 is about a thermal exchange device 31 in fluid communication with the working space 3 ' the expansion machine 29 , The thermal exchange device 31 points - in the direction of the work space 3 the compression machine 27 to the workroom 3 ' the expansion machine 29 towards - consecutively a cooling device 33 , a regenerator 35 and a heat exchanger 37 on.

Bei einer Kompressionsbewegung des Kolbens 7 der Kompressionsmaschine 27 wird das Arbeitsmedium 5 von dem Arbeitsraum 3 der Kompressionsmaschine 27 in den Arbeitsraum 3’ der Expansionsmaschine 29 gedrängt (und umgekehrt); wobei das Arbeitsmedium 5 die Thermotauschvorrichtung 31 durchströmt. Die Kühleinrichtung 33 ist zum Kühlen des durch sie hindurchströmenden Arbeitsmediums 5 ausgebildet. Der Regenerator 35 ist zum Zwischenspeichern der thermischen Energie des durch ihn in der einen Richtung hindurchströmenden Arbeitsmediums 5 und Abgeben der gespeicherten thermischen Energie an das durch ihn in der anderen Richtung hindurchströmende Arbeitsmedium 5 ausgebildet. Zum Beispiel kann der Regenerator 35 zum Zwischenspeichern der thermischen Energie des durch ihn in Richtung von der Expansionsmaschine 29 zu der Kompressionsmaschine 27 hin hindurchströmenden Arbeitsmediums 5 und Abgeben der gespeicherten thermischen Energie an das durch ihn in Richtung von der Kompressionsmaschine 27 zu der Expansionsmaschine 29 hin hindurchströmenden Arbeitsmediums 5 wirken. During a compression movement of the piston 7 the compression machine 27 becomes the working medium 5 from the workroom 3 the compression machine 27 in the workroom 3 ' the expansion machine 29 crowded (and vice versa); the working medium 5 the thermal exchange device 31 flows through. The cooling device 33 is for cooling the working medium flowing therethrough 5 educated. The regenerator 35 is for temporarily storing the thermal energy of the working medium flowing through it in one direction 5 and delivering the stored thermal energy to the working medium passing therethrough in the other direction 5 educated. For example, the regenerator 35 for temporarily storing the thermal energy through it in the direction of the expansion machine 29 to the compression machine 27 towards working medium 5 and delivering the stored thermal energy to it through it in the direction of the compression engine 27 to the expansion machine 29 towards working medium 5 Act.

Bei der Ausführung der Doppelkolbenmaschine 25 als Kraftmaschine bzw. Stromerzeugungsvorrichtung fungiert der Wärmetauscher 37 als Erhitzer zum Erhitzen des durch ihn hindurchströmenden Arbeitsmediums 5, wobei die thermische Energie z. B. aus der Abgaswärme eines Kraftfahrzeugs stammt. Bei der Ausführung der Doppelkolbenmaschine 25 als Wärmepumpe bzw. Kältemaschine fungiert der Wärmetauscher 37 als kalter Wärmetauscher bzw. als Kältequelle, wobei das hindurchströmende Arbeitsmedium 5 thermische Energie aufnehmen kann und somit als Kühlung fungiert.In the execution of the double piston engine 25 as an engine or power generating device, the heat exchanger functions 37 as a heater for heating the working medium flowing therethrough 5 , wherein the thermal energy z. B. from the exhaust heat of a motor vehicle. In the execution of the double piston engine 25 as heat pump or chiller the heat exchanger acts 37 as a cold heat exchanger or as a source of cold, wherein the working medium flowing through 5 can absorb thermal energy and thus acts as a cooling.

Die Realisierung des thermodynamischen Stirling-Kreisprozesses erfolgt sowohl bei der Ausführung als Kraftmaschine als auch als Wärmepumpe mittels zueinander phasenverschobener elektrischer Ansteuerung der elektromechanischen Wandler der beiden pV-Maschinen 27, 29 (d. h. Beaufschlagung der jeweiligen Elektrodenpaare der pV-Maschinen 27 und 29 mit einer externen elektrischen Wechselspannung). Die Kompressionsmaschine 27 nimmt (in Summe) elektrische Arbeit auf, d. h. wirkt als Motor, und die Expansionsmaschine 29 gibt (in Summe) elektrische Arbeit ab, d. h. wirkt als Generator. Bei der Ausführung als Kraftmaschine ist die von der Expansionsmaschine 29 abgegebene elektrische Arbeit größer als die von der Kompressionsmaschine 27 aufgenommene elektrische Arbeit, wobei über den als Erhitzer wirkenden Wärmetauscher 37 zugeführte thermische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei der Ausführung als Wärmepumpe ist die von der Expansionsmaschine 29 abgegebene elektrische Arbeit kleiner als die von der Kompressionsmaschine 27 aufgenommene elektrische Arbeit, wobei unter Aufbringung elektrischer Energie der Wärmetauscher 37 gekühlt wird.The realization of the thermodynamic Stirling cycle takes place both in the embodiment as an engine and as a heat pump by means of mutually phase-shifted electrical control of the electromechanical converter of the two pV machines 27 . 29 (ie admission of the respective electrode pairs of the pV machines 27 and 29 with an external electrical AC voltage). The compression machine 27 takes up (in total) electrical work, ie acts as a motor, and the expansion machine 29 gives (in total) electrical work, ie acts as a generator. When running as an engine is that of the expansion engine 29 delivered electrical work greater than that of the compression machine 27 recorded electrical work, wherein the heat exchanger acting as a heater 37 supplied thermal energy is converted into electrical energy. In the version as heat pump is that of the expansion machine 29 delivered electrical work smaller than that of the compression machine 27 recorded electrical work, with application of electrical energy of the heat exchanger 37 is cooled.

Gemäß 3A ist der Flüssigkolben 7 der Expansionsmaschine 29 mittels einer thermischen Isolationsschicht 39 in Form einer Barriereflüssigkeit-Schicht thermisch von dem Arbeitsmedium 5 und dem Wärmetauscher 37 separiert bzw. entkoppelt. Mittels der thermischen Isolationsschicht 39 ist ein Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium 5 (bzw. Wärmetauscher 37) und dem Flüssigkolben 7 wirksam unterdrückt, sodass damit einhergehende thermische Verluste wirksam unterbunden sind. Zum Beispiel ist bei der Verwendung der Doppelkolbenmaschine 25 als Kraftmaschine durch die Isolationsschicht 39 ein Erwärmen des Flüssigkolbens 7 und ein damit einhergehender Leistungsverlust verhindert (durch ein solches Erwärmen würde ein Teil der über den – als Erhitzer wirkenden – Wärmetauscher 37 zugeführten thermischen Energie nicht mehr zum Leisten von Expansionsarbeit und somit auch nicht mehr zur Erzeugung elektrischer Energie in der Expansionsmaschine 29 zur Verfügung stehen, wodurch der Wirkungsgrad entsprechend verringert würde, eine analoge Wirkungsweise ergibt sich bei der Verwendung der Doppelkolbenmaschine 25 als Wärmepumpe). Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, den Flüssigkolben 7 auf der Seite der Kompressionsmaschine 27 mittels einer thermischen Isolationsschicht von dem Arbeitsraum 3 (bzw. dem Kühler 33) thermisch zu entkoppeln.According to 3A is the liquid piston 7 the expansion machine 29 by means of a thermal insulation layer 39 in the form of a barrier liquid layer thermally from the working medium 5 and the heat exchanger 37 separated or decoupled. By means of the thermal insulation layer 39 is a heat exchange between the working medium 5 (or heat exchanger 37 ) and the liquid piston 7 effectively suppressed, so that associated thermal losses are effectively prevented. For example, when using the double-piston engine 25 as an engine through the insulation layer 39 a heating of the liquid piston 7 and a concomitant loss of performance prevented (By such a heating would be part of the heat exchanger - acting as a heater - 37 supplied thermal energy is no longer to perform expansion work and thus no longer to generate electrical energy in the expansion machine 29 be available, whereby the efficiency would be reduced accordingly, an analogous mode of action results when using the double-piston engine 25 as a heat pump). Additionally or alternatively it can be provided, the liquid piston 7 on the side of the compression machine 27 by means of a thermal insulation layer of the working space 3 (or the radiator 33 ) decouple thermally.

3B veranschaulicht eine Doppelkolbenmaschine 41 gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche als Pulsrohr-Maschine ausgeführt ist. Die Ausführung gemäß 3B unterscheidet sich von der Ausführung gemäß 3A dadurch, dass anstelle der Barriereflüssigkeits-Schicht 39 eine kompressible Gassäule 43 in einem Pulsrohr 45 als thermische Isolationsschicht vorgesehen ist. Die Gassäule 43 kann zum Beispiel aus demselben Material bzw. Medium bestehen wie das Arbeitsmedium 5. 3B illustrates a twin-piston engine 41 according to another embodiment, which is designed as a pulse tube machine. The execution according to 3B differs from the design according to 3A in that instead of the barrier fluid layer 39 a compressible gas column 43 in a pulse tube 45 is provided as a thermal insulation layer. The gas column 43 may for example consist of the same material or medium as the working medium 5 ,

4 veranschaulicht eine Multikolbenmaschine 47 gemäß einer Ausführungsform, wobei die Multikolbenmaschine 47 mehrere, hier: drei, doppelt-wirkende Einzelkolbenmaschinen 23, 23’, 23’’ aufweist. Jede der drei Kolbenmaschinen 23, 23’, 23’’ weist einen zugehörigen elektromechanischen Wandler mit einem Flüssigkolben 7, einem Magneten (in 4 nicht dargestellt) mit einem magnetischen Kreis 17, und zwei Elektroden 19, 21, wie oben mit Bezug auf die 1A und 1B beschrieben, auf (in 4 lediglich exemplarisch am Beispiel der Kolbenmaschine 23 gekennzeichnet) sowie zwei Arbeitsräume bzw. -kammern 3, 3’’, wobei jeweils der Arbeitsraum 3 als Expansionskammer und der Arbeitsraum 3’’ als Kompressionskammer fungieren. Die Kolbenmaschinen 23, 23’ und 23’’ sind ringförmig seriell verschaltet, indem jeweils die Kompressionskammer 3’’ einer Kolbenmaschine über eine Thermotauschvorrichtung 31 mit der Expansionskammer 3 der in der Reihenschaltung nachfolgenden Kolbenmaschine in Fluidverbindung steht. Jede der Thermotauschvorrichtungen 31 gleicht in Aufbau und Wirkungsprinzip der oben mit Bezug auf die 3A beschriebenen Thermotauschvorrichtung 31 und weist – in Richtung von der Kompressionskammer 3’’ einer Kolbenmaschine zu der Expansionskammer 3’’ der folgenden Kolbenmaschine hin – aufeinanderfolgend eine Kühleinrichtung 33, einen Regenerator 35 und einen Wärmetauscher 37 auf. 4 illustrates a multi-piston machine 47 according to an embodiment, wherein the multi-piston engine 47 several, here: three, double-acting single piston machines 23 . 23 ' . 23 '' having. Each of the three piston engines 23 . 23 ' . 23 '' has an associated electromechanical transducer with a liquid piston 7 , a magnet (in 4 not shown) with a magnetic circuit 17 , and two electrodes 19 . 21 as above with respect to the 1A and 1B described on (in 4 merely exemplified by the example of the piston engine 23 marked) and two workrooms or chambers 3 . 3 '' , where respectively the work space 3 as an expansion chamber and the work space 3 '' act as a compression chamber. The piston engines 23 . 23 ' and 23 ' 'are connected in a ring-shaped series, each by the compression chamber 3 '' a piston engine via a thermal exchange device 31 with the expansion chamber 3 the piston machine following in the series connection is in fluid connection. Each of the thermal exchangers 31 is similar in construction and principle of action above with respect to the 3A described thermal exchange device 31 and points - in the direction of the compression chamber 3 '' a piston engine to the expansion chamber 3 '' the following piston machine - consecutively a cooling device 33 , a regenerator 35 and a heat exchanger 37 on.

Die Multikolbenmaschine 47 kann analog zu den mit Bezug auf die 3A und 3B beschriebenen Doppelkolbenmaschinen als Kraftmaschine oder als Wärmepumpe betrieben bzw. verwendet werden, wobei jeweils eine Verkleinerung des freien Volumens der Kompressionskammer 3’’ einer Kolbenmaschine zu einer Vergrößerung des freien Volumens der Expansionskammer 3 der nachfolgenden Kolbenmaschine führt. Die Ansteuerung der Multikolbenmaschine 47 mit drei Kolben erfolgt mittels Beaufschlagens der Elektrodenpaare der Kolbenmaschinen 23, 23’, 23’’ mit entsprechenden Wechselspannungen, wobei die Phasen der Wechselspannungen aufeinanderfolgender Elektrodenpaare jeweils um 2π/3 bzw. 120 Grad zueinander verschoben sind.The multi-piston machine 47 can be analogous to those with respect to the 3A and 3B described double piston engines operated as an engine or as a heat pump or used, wherein in each case a reduction of the free volume of the compression chamber 3 '' a piston engine to increase the free volume of the expansion chamber 3 the subsequent piston engine leads. The control of the multi-piston machine 47 with three pistons by means of acting on the electrode pairs of the reciprocating engines 23 . 23 ' . 23 '' with corresponding alternating voltages, wherein the phases of the alternating voltages of successive pairs of electrodes are each shifted by 2π / 3 or 120 degrees to each other.

Bei der Verwendung der Multikolbenmaschine 47 als Kraftmaschine fungieren die Wärmetauscher 37 (wie mit Bezug auf 3A beschrieben) jeweils als Erhitzer zum Erhitzen des durch sie hindurchströmenden Arbeitsmediums 5; bei der Ausführung als Wärmepumpe bzw. Kältemaschine fungieren die Wärmetauscher 37 jeweils als kalter Wärmetauscher bzw. als Kältequelle, wobei das hindurchströmende Arbeitsmedium 5 thermische Energie aufnimmt und somit als Kühlung fungiert. Bei der Verwendung als Kraftmaschine ist die an den elektromagnetischen Wandlern aufgenommene elektrische Arbeit kleiner als die an denselben abgegebene elektrische Arbeit, wobei die abgegebene elektrische Arbeit vorteilhafterweise direkt als mehrphasige(r) Spannung/Strom abgegriffen werden kann. Bei der Verwendung als Wärmepumpe ist die die an den elektromagnetischen Wandlern aufgenommene elektrische Arbeit größer als die an denselben abgegebene elektrische Arbeit, wobei die Elektrodenpaare direkt mit einer mehrphasigen (hier: dreiphasigen) Spannung angesteuert werden können.When using the multi-piston machine 47 The heat exchangers function as engines 37 (as related to 3A each described as a heater for heating the working medium flowing therethrough 5 ; in the embodiment as a heat pump or chiller, the heat exchangers function 37 each as a cold heat exchanger or as a source of cold, wherein the working medium flowing through 5 absorbs thermal energy and thus acts as a cooling. When used as an engine, the electrical work received by the electromagnetic transducers is less than the electrical work delivered to them, and the electrical work delivered can advantageously be picked up directly as a multi-phase voltage / current. When used as a heat pump, the electrical work taken up by the electromagnetic transducers is greater than the electrical work delivered to them, and the pairs of electrodes can be driven directly by a multiphase (here: three-phase) voltage.

Bei den Ausführungsformen gemäß den 3A, 3B und 4 sind thermodynamische Kreisprozesse mit abgeschlossenen Arbeitsmedium-Volumina realisiert. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, thermodynamische Kreisprozesse mittels periodischen Einlassens von Arbeitsmedium in einen Arbeitsraum und Auslassens aus demselben zu realisieren.In the embodiments according to the 3A . 3B and 4 are thermodynamic cycles with completed working medium volumes realized. However, it can also be provided to realize thermodynamic cycle processes by means of periodically introducing working medium into a working space and discharging it from the same.

5 veranschaulicht diesbezüglich als Detailansicht einen Abschnitt eines Arbeitsraums 3 mit einem Einlassventil 49, einem Auslassventil 51 und einem an den Arbeitsraum 3 angrenzenden Kanal 9. Der Kanal 9 ist mit einer offenporigen Füllstruktur 53 gefüllt. Die elektrisch leitfähige Flüssigkeit des Flüssigkolbens 7 ist mittels einer thermischen Isolationsschicht in Form einer Barriere-Flüssigkeit 39 von dem Arbeitsraum 3 (bzw. dem Arbeitsmedium 5) thermisch entkoppelt. Mittels des Einlassventils 49 und des Auslassventils 51 kann Arbeitsmedium 5 in den Arbeitsraum 3 hinein- oder aus demselben hinausgelangen und somit eine Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung des Arbeitsraums 3 bewirkt werden. Die elektrische Ansteuerung der Kolbenmaschine erfolgt auch in diesem Fall mittels Beaufschlagens zweier Elektroden (nicht dargestellt) mit einer Wechselspannung, wobei die elektrische Umsteuerung bzw. Spannungsumpolung entweder mit der Resonanzfrequenz des Kolbensystems erfolgt oder mittels Erfassens des Erreichens einer vorgegebenen Umkehrposition (an der die Bewegungsrichtung des Flüssigkolbens 7 umgekehrt werden soll) mittels zweier entsprechend positionierter elektrischer Kontaktgeber 55, 57. Die Steuerung der Ventile 49, 51 kann entweder selbst-synchronisierend oder ebenfalls über eine elektrische Kontaktgabe erfolgen. 5 Illustrates in this regard as a detail view of a section of a working space 3 with an inlet valve 49 , an exhaust valve 51 and one to the workroom 3 adjacent canal 9 , The channel 9 is with an open-pored filling structure 53 filled. The electrically conductive liquid of the liquid piston 7 is by means of a thermal insulation layer in the form of a barrier liquid 39 from the workroom 3 (or the working medium 5 ) thermally decoupled. By means of the inlet valve 49 and the exhaust valve 51 can be working medium 5 in the workroom 3 get in or out of the same and thus a pressurization or pressure relief of the working space 3 be effected. The electrical control of the piston engine also takes place in this case by means of Subjecting two electrodes (not shown) with an alternating voltage, wherein the electrical reversal or Spannungsumpolung done either with the resonant frequency of the piston system or by detecting the achievement of a predetermined reversing position (at which the direction of movement of the liquid piston 7 should be reversed) by means of two correspondingly positioned electrical contactor 55 . 57 , The control of the valves 49 . 51 can either be self-synchronizing or also via an electrical contact.

Die 6A, 6B und 7 veranschaulichen die Realisierung thermodynamischer Kreisprozesse mit ventilgesteuerten Maschinen mit Ventilanordnungen analog zu 5 mit einem Einlassventil 49 und einem Auslassventil 51.The 6A . 6B and 7 illustrate the realization of thermodynamic cycles with valve-controlled machines with valve arrangements analogous to 5 with an inlet valve 49 and an exhaust valve 51 ,

6A veranschaulicht eine Kompressions-Kühlvorrichtung 59 mit einer als Verdichter 61 fungierenden Kolbenmaschine 61 gemäß einer Ausführungsform. Die Kolbenmaschine 61 ist analog zu der mit Bezug auf die 1A und 1B beschriebenen Kolbenmaschine 1 ausgebildet und weist ein Einlassventil 49 und ein Auslassventil 51 zum Austausch von Arbeitsmedium 5 mit dem angebundenen Kühlkreis auf. Die Kolbenmaschine 61 wirkt mittels Beaufschlagens der beiden Elektroden 19, 21 mit einer externen elektrischen Wechselspannung als Verdichter 61 zum Verdichten des Arbeitsmediums 5. Der angebundene Kühlkreis weist – in Richtung von dem Auslassventil 51 zu dem Einlassventil 49 hin – einen Kondensationskühler 63 zum Kondensieren des verdichteten Arbeitsmediums 5, eine Entspannungsvorrichtung 65 (z. B. ein Drosselventil) und einen als Wärmetauscher fungierenden Verdampfer 67 zum Verdampfen des Arbeitsmediums 5 unter Aufnahme thermischer Energie (d. h. Kühlung) auf. Das entspannte Arbeitsmedium 5 wird über das Einlassventil 49 wieder dem Verdichter 61 zugeführt. 6A illustrates a compression cooling device 59 with one as a compressor 61 functioning piston engine 61 according to one embodiment. The piston engine 61 is analogous to that with reference to the 1A and 1B described piston machine 1 formed and has an inlet valve 49 and an exhaust valve 51 for the exchange of working medium 5 with the connected cooling circuit. The piston engine 61 acts by applying the two electrodes 19 . 21 with an external AC electrical voltage as a compressor 61 for compacting the working medium 5 , The connected cooling circuit points - in the direction of the exhaust valve 51 to the inlet valve 49 towards - a condensation cooler 63 for condensing the compressed working medium 5 , a relaxation device 65 (For example, a throttle valve) and acting as a heat exchanger evaporator 67 for evaporation of the working medium 5 taking up thermal energy (ie cooling). The relaxed working medium 5 is via the inlet valve 49 back to the compressor 61 fed.

6B veranschaulicht eine nach dem Joule-Thomson-Effekt arbeitende Kühlvorrichtung 69 mit einer – analog zu der Kolbenmaschine 61 gemäß 6A – als Verdichter 61 fungierenden Kolbenmaschine 61 gemäß einer Ausführungsform. Der angebundene Kühlkreis weist – in Richtung von dem Auslassventil 51 zu dem Einlassventil 49 hin – einen Nachkühler 71 zum Kühlen des verdichteten Arbeitsmediums 5, einen Rekuperator 73 zum weiteren Abkühlen des Arbeitsmediums 5, eine Entspannungsvorrichtung 65 und einen als Wärmetauscher fungierenden Verdampfer 67 auf. Das entspannte Arbeitsmedium 5 wird über das Einlassventil 49 wieder dem Verdichter 61 zugeführt. Das von dem Auslassventil 51 kommende Arbeitsmedium 5 wird entweder bereits im Nachkühler 71 oder anschließend im Rekuperator 73 kondensiert. Der Rekuperator 73 dient der Übertragung von Restkälte von dem verdampften Arbeitsmedium 5 auf das zu verdampfende Arbeitsmedium 5. 6B illustrates a cooling device operating according to the Joule-Thomson effect 69 with a - analogous to the piston engine 61 according to 6A - as a compressor 61 functioning piston engine 61 according to one embodiment. The connected cooling circuit points - in the direction of the exhaust valve 51 to the inlet valve 49 out - an aftercooler 71 for cooling the compressed working medium 5 , a recuperator 73 for further cooling of the working medium 5 , a relaxation device 65 and an evaporator functioning as a heat exchanger 67 on. The relaxed working medium 5 is via the inlet valve 49 back to the compressor 61 fed. That of the exhaust valve 51 coming working medium 5 is either already in the aftercooler 71 or subsequently in the recuperator 73 condensed. The recuperator 73 serves to transfer residual refrigeration from the evaporated working medium 5 on the working medium to be evaporated 5 ,

7 veranschaulicht eine nach dem Rankine-Kreisprozess arbeitende Maschine 75 (sog. „Rankine-Maschine“) mit einer Kolbenmaschine 77 gemäß einer Ausführungsform. Die Kolbenmaschine 77 ist analog zu der mit Bezug auf die 1A und 1B beschriebenen Kolbenmaschine 1 ausgebildet und weist ein Einlassventil 49 und ein Auslassventil 51 zum Austausch von Arbeitsmedium 5 mit dem angebundenen Kühlkreis auf. Der angebundene thermische Kreislauf weist – in Richtung von dem Auslassventil 51 zu dem Einlassventil 49 hin – einen Kondensationswärmetauscher 79, eine Kondensatpumpe 81 (die über ein Einlassventil 49’ und ein Auslassventil 51’ angebunden ist) und einen als Verdampfer bzw. Überhitzer fungierenden Wärmetauscher 83 auf. Der Ausgang des Wärmetauschers 83 ist mit dem Einlassventil 49 verbunden. Die Steuerung der Ventile 49, 51 kann auch hier entweder selbst-synchronisierend oder über eine elektrische Kontaktgabe erfolgen. 7 illustrates a machine operating according to the Rankine cycle 75 (so-called "Rankine machine") with a piston machine 77 according to one embodiment. The piston engine 77 is analogous to that with reference to the 1A and 1B described piston machine 1 formed and has an inlet valve 49 and an exhaust valve 51 for the exchange of working medium 5 with the connected cooling circuit. The connected thermal circuit points - in the direction of the exhaust valve 51 to the inlet valve 49 towards - a condensation heat exchanger 79 , a condensate pump 81 (which has an inlet valve 49 ' and an exhaust valve 51 ' connected) and acting as an evaporator or superheater heat exchanger 83 on. The output of the heat exchanger 83 is with the inlet valve 49 connected. The control of the valves 49 . 51 can also be done here either self-synchronizing or via an electrical contact.

Bei der Verwendung der Rankine-Maschine 75 als Kraftmaschine wird das Arbeitsmedium 5 mittels der Kondensatpumpe 81 mit Druck beaufschlagt (wobei die Kondensatpumpe 81 z. B. auch eine Kolbenmaschine gemäß einer Ausführungsform sein kann), das Arbeitsmedium 5 wird im Wärmetauscher 83 – z. B. unter Verwendung der Abgaswärme eines Fahrzeugs – erhitzt und expandiert unter Antrieb der Kolbenmaschine 77, wobei die Bewegungsenergie des Flüssigkolbens 7 via den elektromechanischen Wandler in elektrische Energie umgewandelt wird, die über die beiden Elektroden 19, 21 abgegriffen werden kann. Anschließend wird das Arbeitsmedium 5 über das Auslassventil 51 ausgelassen und in dem Kondensationswärmetauscher 79 kondensiert. When using the Rankine machine 75 as an engine becomes the working medium 5 by means of the condensate pump 81 pressurized (the condensate pump 81 z. B. may also be a piston engine according to one embodiment), the working medium 5 is in the heat exchanger 83 - z. B. using the exhaust heat of a vehicle - heated and expanded under the drive of the piston engine 77 , wherein the kinetic energy of the liquid piston 7 via the electromechanical transducer is converted into electrical energy, passing through the two electrodes 19 . 21 can be tapped. Subsequently, the working medium 5 via the outlet valve 51 discharged and in the condensation heat exchanger 79 condensed.

Bei der Verwendung der Rankine-Maschine 75 als Wärmepumpe wird der Flüssigkolben 7 der Kolbenmaschine 77 unter Aufbringung elektrischer Energie angetrieben und wirkt als Verdichter zum Verdichten des Arbeitsmediums; in diesem Fall wirkt der Wärmetauscher 83 als kalter Wärmetauscher bzw. Kältequelle.When using the Rankine machine 75 as a heat pump, the liquid piston 7 the piston engine 77 driven by application of electrical energy and acts as a compressor for compressing the working medium; In this case, the heat exchanger acts 83 as a cold heat exchanger or cold source.

Die erfindungsgemäßen Kolbenmaschinen bzw. pV-Maschinen mit elektromechanischem An- bzw. Abtrieb können als Kompressions- und Expansionsmaschinen in Kraft-, Wärme- und Kältekreisprozessen eingesetzt werden. Sie können insbesondere zum An- und/oder Abtrieb in kleinen, schnelllaufenden Maschinen vorgesehen sein, welche z. B. als Antriebsmaschine bzw. Range-Extender für Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb (mit einem Elektroantrieb), zur Abgaswärme-Rückgewinnung bei Kraftfahrzeugen, für mobile oder stationäre unterbrechungsfreie Stromversorgungsaggregate (z. B. Hilfs- bzw. Notstromgeneratoren), als Kleinstverdichter z. B. in mobilen und stationären Haushalts-Kühlgeräten bzw. für (Gemisch-)Joule-Thomson-Kryokühler, und als Druckwellen-Maschinen in regenerativen kryogenen Kleinkältemaschinen, wie z. B. Stirling- und Pulse-Tube-Kühlern eingesetzt werden können.The piston machines according to the invention or pV machines with electromechanical drive or output can be used as compression and expansion machines in power, heat and refrigeration cycle processes. They can be provided in particular for input and / or output in small, high-speed machines, which z. B. as a prime mover or range extender for motor vehicles with hybrid drive (with an electric drive), for exhaust heat recovery in motor vehicles, for mobile or stationary uninterruptible power supply units (eg. Emergency generators), as a mini compressor z. B. in mobile and stationary household refrigerators or for (mixture) Joule-Thomson cryocooler, and as a pressure wave machines in regenerative cryogenic small refrigeration machines such. B. Stirling and pulse tube coolers can be used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Kolbenmaschine piston engine
3, 3’, 3’’3, 3 ', 3' '
Arbeitsraum working space
55
Arbeitsmedium working medium
77
Flüssigkolben liquid pistons
99
Kanal channel
1010
Bewegungsrichtung des Flüssigkolbens Direction of movement of the liquid piston
11, 11’11, 11 '
Stirnfläche des Flüssigkolbens Face of the liquid piston
1313
Magnet magnet
1515
Magnetfeld magnetic field
1717
magnetischer Kreis magnetic circle
19, 2119, 21
Elektroden electrodes
23, 23’, 23’’23, 23 ', 23' '
doppelt-wirkende Kolbenmaschine double-acting piston machine
2525
alpha-Stirling-Doppelkolbenmaschine alpha-Stirling double-piston engine
2727
Kompressions-pV-Maschine / Kompressionsmaschine Compression pv machine / compression machine
2929
Expansions-pV-Maschine / Expansionsmaschine Expansion pv machine / expansion machine
3131
Thermotauschvorrichutng Thermotauschvorrichutng
3333
Kühleinrichtung cooling device
3535
Regenerator regenerator
3737
Wärmetauscher heat exchangers
3939
thermische Isolationsschicht thermal insulation layer
4141
Pulsrohr-Doppelkolbenmaschine Pulse tube double piston engine
4343
Gassäule gas column
4545
Pulsrohr pulse tube
4747
Multikolbenmaschine Multi-piston engine
49, 49’49, 49 '
Einlassventil intake valve
51, 51’51, 51 '
Auslassventil outlet valve
5353
offenporige Füllstruktur open-pore filling structure
55, 5755, 57
elektrische Kontaktgeber electrical contactors
5959
Kompressions-Kühlvorrichtung Compression Cooler
6161
Verdichter-Kolbenmaschine Compressor piston engine
6363
Kondensationskühler condensor
6565
Entspannungsvorrichtung relief device
6767
Verdampfer-Wärmetauscher Evaporator heat exchanger
6969
Joule-Thomson-Kühlvorrichtung Joule-Thomson cooler
7171
Nachkühler aftercooler
7373
Rekuperator recuperator
7575
Rankine-Maschine Rankine machine
7777
Kolbenmaschine piston engine
7979
Kondensationswärmetauscher Condensation heat exchanger
8181
Kondensatpumpe condensate pump
8383
Wärmetauscher heat exchangers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7520133 B2 [0003] US 7520133 B2 [0003]
  • DE 102008050655 A1 [0004] DE 102008050655 A1 [0004]

Claims (11)

Zyklisch arbeitende Kolbenmaschine (1, 23), aufweisend: – einen Arbeitsraum (3) zum Aufnehmen eines Arbeitsmediums (5), – einen Flüssigkolben (7) aus einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, wobei der Flüssigkolben in einem an den Arbeitsraum angrenzenden Kanal (9) bewegbar derart angeordnet ist, dass das Volumen des Arbeitsraums entsprechend der Position des Flüssigkolbens variiert, – einen Magneten (13) zum Erzeugen eines Magnetfelds (15), der derart ausgebildet und angeordnet ist, dass das Magnetfeld am Ort des Flüssigkolbens (7) einen senkrecht zur Bewegungsrichtung (10) des Flüssigkolbens orientierten Anteil aufweist, und – zwei Elektroden (19, 21), die in elektrischem Kontakt mit dem Flüssigkolben (7) in einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand sowohl einen bezüglich der Bewegungsrichtung (10) des Flüssigkolbens senkrechten Anteil als auch einen bezüglich der Orientierung des Magnetfelds (15) am Ort des Flüssigkolbens senkrechten Anteil aufweist. Cyclic piston engine ( 1 . 23 ), comprising: - a work space ( 3 ) for recording a working medium ( 5 ), - a liquid piston ( 7 ) of an electrically conductive liquid, wherein the liquid piston in an adjacent to the working space channel ( 9 ) is movably arranged such that the volume of the working space varies according to the position of the liquid piston, - a magnet ( 13 ) for generating a magnetic field ( 15 ), which is designed and arranged such that the magnetic field at the location of the liquid piston ( 7 ) one perpendicular to the direction of movement ( 10 ) of the liquid piston oriented portion, and - two electrodes ( 19 . 21 ) in electrical contact with the liquid piston ( 7 ) are arranged at a distance to each other, wherein the distance both with respect to the direction of movement ( 10 ) of the liquid piston vertical portion as well as one with respect to the orientation of the magnetic field ( 15 ) has a vertical portion at the location of the liquid piston. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, wobei der Flüssigkolben (7) thermisch von dem Arbeitsmedium (5) isoliert ist.Piston engine according to claim 1, wherein the liquid piston ( 7 ) thermally from the working medium ( 5 ) is isolated. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, wobei der Flüssigkolben (7) mittels einer thermischen Isolationsschicht (39) thermisch von dem Arbeitsmedium (5) isoliert ist.Piston engine according to claim 2, wherein the liquid piston ( 7 ) by means of a thermal insulation layer ( 39 ) thermally from the working medium ( 5 ) is isolated. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kolbenmaschine zum Beaufschlagen der beiden Elektroden (19, 21) mit einer periodischen Wechselspannung ausgebildet ist, wobei der Flüssigkolben (7) mittels der Wechselspannung periodisch hin- und herbewegt wird und das Volumen des Arbeitsraums (3) entsprechend der Bewegung des Flüssigkolbens variiert.Piston engine according to one of claims 1 to 3, wherein the piston engine for applying the two electrodes ( 19 . 21 ) is formed with a periodic alternating voltage, wherein the liquid piston ( 7 ) is periodically reciprocated by means of the alternating voltage and the volume of the working space ( 3 ) varies according to the movement of the liquid piston. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kolbenmaschine zum abwechselnden Druckbeaufschlagen und Druckentlasten des Arbeitsraums (3) ausgebildet ist, wobei das Volumen des Arbeitsraums entsprechend der Druckvariation periodisch variiert und der Flüssigkolben (7) mittels der Variation des Arbeitsraumvolumens hin- und herbewegt wird.Piston engine according to one of claims 1 to 4, wherein the piston engine for alternately pressurizing and depressurizing the working space ( 3 ), wherein the volume of the working space varies periodically according to the pressure variation and the liquid piston ( 7 ) is reciprocated by means of the variation of the working space volume. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Arbeitsraum (3) und/oder der Kanal (9) zumindest teilweise mit einem porösen, offenporigen Material (53) gefüllt ist.Piston engine according to one of claims 1 to 5, wherein the working space ( 3 ) and / or the channel ( 9 ) at least partially with a porous, open-pored material ( 53 ) is filled. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kolbenmaschine (23) zwei Arbeitsräume (3) aufweist, wobei der Flüssigkolben (7) derart angeordnet ist, dass er mit seiner ersten Stirnfläche (11) an den einen Arbeitsraum und mit seiner anderen Stirnfläche (11’) an den anderen Arbeitsraum angrenzt.Piston engine according to one of claims 1 to 6, wherein the piston engine ( 23 ) two workrooms ( 3 ), wherein the liquid piston ( 7 ) is arranged such that it with its first end face ( 11 ) to one working space and with its other end face ( 11 ' ) adjacent to the other working space. Doppelkolbenmaschine (25, 41) mit einer ersten (27) und einer zweiten (29) Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei: – die erste Kolbenmaschine (27) einen Arbeitsraum (3) und die zweite Kolbenmaschine einen Arbeitsraum (3’) aufweist, und – der Arbeitsraum (3) der ersten Kolbenmaschine (27) über eine Thermotauschvorrichtung (31) in Fluidverbindung mit dem Arbeitsraum (3’) der zweiten Kolbenmaschine (29) steht, wobei – die Thermotauschvorrichtung (31) in Richtung von dem Arbeitsraum (3) der ersten Kolbenmaschine (27) zu dem Arbeitsraum (3’) der zweiten Kolbenmaschine (29) hin nacheinander eine Kühleinrichtung (33), einen Regenerator (35) und einen Wärmetauscher (37) aufweist.Double piston machine ( 25 . 41 ) with a first ( 27 ) and a second ( 29 ) Piston engine according to one of claims 1 to 7, wherein: - the first piston engine ( 27 ) a work space ( 3 ) and the second piston machine a working space ( 3 ' ), and - the working space ( 3 ) of the first piston engine ( 27 ) via a thermal exchange device ( 31 ) in fluid communication with the working space ( 3 ' ) of the second piston engine ( 29 ), wherein - the thermal exchange device ( 31 ) in the direction of the working space ( 3 ) of the first piston engine ( 27 ) to the workspace ( 3 ' ) of the second piston engine ( 29 ) in succession a cooling device ( 33 ), a regenerator ( 35 ) and a heat exchanger ( 37 ) having. Multikolbenmaschine (47) mit mehreren Kolbenmaschinen nach Anspruch 7, wobei: – jede der Kolbenmaschinen (23, 23’, 23’’) einen als Kompressionskammer fungierenden ersten Arbeitsraum (3’’) und einen als Expansionskammer fungierenden zweiten Arbeitsraum (3) aufweist, wobei – die Kolbenmaschinen (23, 23’, 23’’) ringförmig seriell miteinander verbunden sind, indem jeweils die Kompressionskammer (3’’) einer Kolbenmaschine über eine Thermotauschvorrichtung (31) in Fluidverbindung mit der Expansionskammer (3) der nachfolgenden Kolbenmaschine steht, und wobei – jede der Thermotauschvorrichtungen (31) in Richtung von der Kompressionskammer (3’’) zu der Expansionskammer (3) hin nacheinander eine Kühleinrichtung (33), einen Regenerator (35) und einen Wärmetauscher (37) aufweist.Multi-piston machine ( 47 ) with a plurality of piston engines according to claim 7, wherein: - each of the piston engines ( 23 . 23 ' . 23 '' ) acting as a compression chamber first working space ( 3 '' ) and a second working space acting as an expansion chamber ( 3 ), wherein - the piston engines ( 23 . 23 ' . 23 '' ) are serially connected in series, each by the compression chamber ( 3 '' ) of a piston engine via a thermal exchange device ( 31 ) in fluid communication with the expansion chamber ( 3 ) of the following piston engine, and wherein - each of the thermal exchange devices ( 31 ) in the direction of the compression chamber ( 3 '' ) to the expansion chamber ( 3 ) in succession a cooling device ( 33 ), a regenerator ( 35 ) and a heat exchanger ( 37 ) having. Wärmepumpe mit einer Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Heat pump with a piston engine according to one of claims 1 to 9. Stromerzeugungsvorrichtung mit einer Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Power generating device with a piston engine according to one of claims 1 to 9.
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