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
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
Die
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
Die Kolbenmaschine
Des Weiteren weist die Kolbenmaschine
Die Kolbenmaschine
In dem Generator-Modus wird der Arbeitsraum
Die Druckvariation kann z. B. mittels dafür vorgesehener Einrichtungen (in den
Der Arbeitsraum
Bei einer Kompressionsbewegung des Kolbens
Bei der Ausführung der Doppelkolbenmaschine
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
Gemäß
Die Multikolbenmaschine
Bei der Verwendung der Multikolbenmaschine
Bei den Ausführungsformen gemäß den
Die
Bei der Verwendung der Rankine-Maschine
Bei der Verwendung der Rankine-Maschine
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]
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-
2011
- 2011-11-18 DE DE102011055511A patent/DE102011055511A1/en not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: KAUFMANN, SIGFRID, DOZ., DR.-ING., HABIL., DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |