DE102019101744A1

DE102019101744A1 - Kolbenmaschine und doppelter thermodynamischer Kreisprozess

Info

Publication number: DE102019101744A1
Application number: DE102019101744.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine, umfassend- einen Hochdruckteil (1), welcher einen Hochdruckzylinder (101), einen Hochdruckkolben (103) und eine Hochdruckkolbenstange (105) aufweist, wobei der Hochdruckzylinder (101) und der Hochdruckkolben (103) einen Hochdruckzylinderraum (109) einschließen, der ein Hochdruckvolumen (HV) aufnimmt,- einen Niederdruckteil (3), welcher einen Niederdruckzylinder (301), einen Niederdruckkolben (303), eine Niederdruckkolbenstange (305) und eine Niederdruckzylinder-Ummantelung (307) aufweist, wobei der Niederdruckzylinder (301) und der Niederdruckkolben (303) einen Niederdruckzylinderraum (309) einschließen, der ein Niederdruckvolumen (NV) aufnimmt, und- zumindest eine mechanische Verbindung (5) zwischen der Hochdruckkolbenstange (105) und der Niederdruckkolbenstange (305),wobei der Hochdruckkolben (103) an seinem einen Ende zumindest teilweise einen nach außen freilegbaren Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) aufweist,wobei der Niederdruckzylinder (301) an seinem einen Ende zumindest teilweise einen Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011) aufweist, der von der Niederdruckzylinder-Ummantelung (307) umgeben ist und in dem Zwischenraum ein Wärmetauschervolumen (WV) definiert,wobei das Hochdruckvolumen (HV) und das Wärmetauschervolumen (WV) über eine Bohrung (7) in fluiddynamischer Verbindung stehen, wobei an der Bohrung (7) für die fluiddynamische Verbindung ein Ventil (9) vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf einen doppelten thermodynamischen Kreisprozess, der mit einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine durchführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine und einen mit dieser Kolbenmaschine ausführbaren doppelten thermodynamischen Kreisprozess, womit es ermöglicht wird, thermische Energie aus der Umgebungsluft zu entnehmen und in mechanische Arbeit umzusetzen.
Kolbenmaschinen und thermodynamische Kreisprozesse sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt.
Die Nachteile bekannter Wärmekraftmaschinen, bzw. Kolbenmaschinen, liegen beispielsweise darin, dass alle thermodynamischen Kraftmaschinen grundsätzlich begrenzt verfügbare Brennstoffe verbrennen und damit die Umwelt belasten. Ausgenommen davon sind Photovoltaik und Windenergie, die aber einerseits endliche Rohstoffe zu ihrer Herstellung benötigen und andererseits systembedingt starke Versorgungslücken aufweisen können. Generell ist es schwierig, eine notwendige Energieversorgung auf Zufallsereignissen wie Wind und Sonne aufzubauen, geeignete Energiespeicher großtechnisch noch nicht in zuverlässiger Weise zur Verfügung stehen.
In 3 wird exemplarisch ein einfacher Prozess, d.h. ein allgemeiner, unspezifische, thermodynamischer Prozess, gezeigt, welcher den Stand der Technik verdeutlichen soll. Die (hypothetische) Kolbenmaschine besteht nur aus einem Zylinder und einem Kolben, die Startposition ist Mitte Kolbenhub. Der Kolben bewegt sich zunächst aufwärts, es entstehen ein Verdichtungsdruck und eine Verdichtungstemperatur, welche über der Umgebungstemperatur liegt. Dies hat zur Folge, dass Wärme an die Umgebung abgegeben wird, wobei die Temperatur und der Druck sinken. Bei dem dann folgenden Entspannen wird die Verdichtungskurve wie auch die Temperaturkurve etwa parallel nach unten verschoben. Bei der weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens (über die Startposition hinaus) entsteht Unterdruck und Untertemperatur, was dann Wärme aus der Umgebung in die Maschine einfließen lässt. Dadurch erhöhen sich wieder Druck und Temperatur, bis die Ausgangssituation erneut erreicht wird. Das Integral aller Drücke ist Null, Wärme wird nur pendelnd hin und her geschoben. Das zeigt, diese (hypothetische) Kolbenmaschine führt eigentlich nur einen „Sinnlosprozess“ aus. Es passiert real nichts, weil keine externe Wärme zugeführt wurde.
Es besteht daher der Bedarf für einen verbesserten thermodynamischen Kreisprozess, der nachfolgend als „doppelter Kreisprozess“ bezeichnet wird, bei welchem die Verdichtungswärme nicht an die Umgebung abgeführt, sondern weiterverarbeitet und damit nutzbar gemacht wird. Es ist das Ziel, in einer Art „Doppelprozess“ insgesamt eine positive Energiebilanz zu erhalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Kolbenmaschine bereitzustellen sowie einen thermodynamischen Kreisprozess anzugeben, die einerseits unabhängig von begrenzt verfügbaren Brennstoffen und andererseits unabhängig von meteorologischen Zufallsereignissen sind. Die Kolbenmaschine und der thermodynamische Kreisprozess sollen insgesamt eine positive Energiebilanz aufweisen und dadurch Verdichtungswärme weiterverarbeitet nutzbar machen.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Kolbenmaschine gelöst, umfassend

- einen Hochdruckteil (1), welcher einen Hochdruckzylinder (101), einen Hochdruckkolben (103) und eine Hochdruckkolbenstange (105) aufweist, wobei der Hochdruckzylinder (101) und der Hochdruckkolben (103) einen Hochdruckzylinderraum (109) einschließen, der ein Hochdruckvolumen (HV) aufnimmt,
- einen Niederdruckteil (3), welcher einen Niederdruckzylinder (301), einen Niederdruckkolben (303), eine Niederdruckkolbenstange (305) und eine Niederdruckzylinder-Ummantelung (307) aufweist, wobei der Niederdruckzylinder (301) und der Niederdruckkolben (303) einen Niederdruckzylinderraum (309) einschließen, der ein Niederdruckvolumen (NV) aufnimmt, und
- zumindest eine mechanische Verbindung (5) zwischen der Hochdruckkolbenstange (105) und der Niederdruckkolbenstange (305),
- wobei der Hochdruckkolben (103) an seinem einen Ende zumindest teilweise einen nach außen freilegbaren Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) aufweist,
- wobei der Niederdruckzylinder (301) an seinem einen Ende zumindest teilweise einen Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011) aufweist, der von der Niederdruckzylinder-Ummantelung (307) umgeben ist und in dem Zwischenraum ein Wärmetauschervolumen (WV) definiert,
- wobei das Hochdruckvolumen (HV) und das Wärmetauschervolumen (WV) über eine Bohrung (7) in fluiddynamischer Verbindung stehen, wobei an der Bohrung (7) für die fluiddynamische Verbindung ein Ventil (9) vorgesehen ist.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der durch einen doppelten thermodynamischen Kreisprozess gelöst, der mit einer wie vorstehend beschrieben ausgeführten Kolbenmaschine durchführbar ist, umfassend die Schritte

a) Bewegen der Hochdruckkolbenstange (105) und der Niederdruckkolbenstange (305) mittels des Kurbeltriebs (11) und dabei Entspannen des Hochdruckvolumens (HV) in dem Hochdruckteil (1) bei gleichzeitigem Verdichten des Niederdruckvolumens (NV) in dem Niederdruckteil (3), wobei in dem Niederdruckteil (3) eine Verdichtungstemperatur (T2) erzeugt wird, während im Hochdruckteil (1) durch die Entspannung eine Wärmeabgabe an den Niederdruckteil (3) erfolgt,
b) Herausführen des Hochdruckkolbens (103) zumindest teilweise aus dem Hochdruckzylinder (101) heraus bis zu einem äußeren Hochdruckkolben-Totpunkt (OT) des Hochdruckkolben (103), wobei zumindest der Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) eine geringere Temperatur aufweist als die Umgebungsatmosphäre,
c) Aufnehmen von Wärme aus der Umgebungsatmosphäre in den Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031),
d) Einziehen des Hochdruckkolbens (103) in den Hochdruckzylinder (101) hinein und dabei Verdichten des Hochdruckvolumens (HV) in dem Hochdruckteil (1) bei gleichzeitigem Entspannen des Niederdruckvolumens (NV) in dem Niederdruckteil (3), wobei in dem Hochdruckteil (1) eine Verdichtungstemperatur (T1) erzeugt wird, während im den Niederdruckteil (3) durch die Entspannung eine Wärmeabgabe erfolgt,
e) Abführen der in Schritt d) erzeugten Wärme aus dem Hochdruckteil (1) über die fluiddynamische Verbindung der Bohrung (7) in das Wärmetauschervolumen (WV) und Übertragen derselben auf den Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011),
f) Aufnehmen der übertragenen Wärme in den Niederdruckteil (3) und Ausgleichen der in Schritt d) erfolgten Wärmeabgabe, wobei die übertragene Wärme höher ist als die erfolgte Abkühlung und ein Wärmeüberschuss erzeugt wird,
g) Nutzbarmachen des erzeugten Wärmeüberschusses,
h) Herausführen des Niederdruckkolben (303) bis zu einem äußeren Niederdruckkolben-Totpunkt (NT) und erneutes Ausführen ab Schritt a).

Die vorliegende Erfindung hat allgemein den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu bekannten thermodynamischen Kreisprozessen, wie z. B. dem Dieselprozess oder dem Ottoprozess, keine durch Verbrennung erzeugte Wärmeenergie benötigt, sondern Wärmeenergie nutzt, die immer und in großer Menge in der Umgebungsluft enthalten ist. Die vorliegende Erfindung ist damit unabhängig von Wind, Wetter, Sonneneinstrahlung, dem täglichen Tag/Nacht-Zyklus, dem Gezeitenkraftstrom und in begrenztem Maße auch vom Wasserstrom bei Wasserkraftwerken. Die Kolbenmaschine und der doppelte thermodynamische Kreisprozess laufen weitgehend geräuscharm und haben keine physiologischen Einflüsse auf Mensch oder Umwelt. Ein Landschaftsverbrauch ist praktisch nicht vorhanden und die Tierwelt wird in keiner Weise gefährdet.
Bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und in dem erfindungsgemäßen doppelten thermodynamischen Kreisprozess findet im Wesentlichen kein Austausch von gasförmigem Medium mit der Umgebung statt. Das bedeutet im nachstehend als Ausführungsbeispiel beschriebenen Fall von Luft, dass kein Gasaustausch vorgenommen wird und das in der Kolbenmaschine vorhandene Gasvolumen praktisch als „Bauteil“ zu betrachten ist, welches immer nach dem „Selbstaufpumpen“ funktionell vorhanden ist.
Aufgrund des fehlenden Gasaustauschs kann die erfindungsgemäße Kolbenmaschine auf Einlassstutzen und/oder Auslassstutzen verzichten, was die Konstruktion vereinfacht und einen Vorteil gegenüber bekannten thermodynamischen Vorrichtungen darstellt.
Nachstehend wird die Erfindung im Detail beschrieben. Wenn in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine Verfahrensmerkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf den erfindungsgemäßen doppelten thermodynamischen Kreisprozess. Ebenso beziehen sich gegenständliche Merkmale, die in der Beschreibung des erfindungsgemäßen doppelten thermodynamischen Kreisprozesses angeführt werden, auf die erfindungsgemäße Kolbenmaschine.
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, welche zunächst einen Hochdruckteil (1) umfasst, welcher einen Hochdruckzylinder (101), einen Hochdruckkolben (103) und eine Hochdruckkolbenstange (105) aufweist, wobei der Hochdruckzylinder (101) und der Hochdruckkolben (103) einen Hochdruckzylinderraum (109) einschließen, der ein Hochdruckvolumen (HV) aufnimmt. Der Hochdruckteil (1) stellt für sich genommen bereits eine Art Motor dar.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine umfasst ferner einen Niederdruckteil (3), welcher einen Niederdruckzylinder (301), einen Niederdruckkolben (303), eine Niederdruckkolbenstange (305) und eine Niederdruckzylinder-Ummantelung (307) aufweist, wobei der Niederdruckzylinder (301) und der Niederdruckkolben (303) einen Niederdruckzylinderraum (309) einschließen, der ein Niederdruckvolumen (NV) aufnimmt. Auch der Niederdruckteil (3) stellt für sich genommen bereits eine Art Motor dar.
Erfindungsgemäß umfasst die Kolbenmaschine zumindest eine mechanische Verbindung (5) zwischen der Hochdruckkolbenstange (105) und der Niederdruckkolbenstange (305). Auf diese Weise sind die beiden für sich genommenen „Motoren“, d.h. der Hochdruckteil (1) und der Niederdruckteil (3) miteinander zunächst mechanische gekoppelt.
Der Hochdruckkolben (103) weist an seinem einen Ende zumindest teilweise einen nach außen freilegbaren Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) auf, während der Niederdruckzylinder (301) an seinem einen Ende zumindest teilweise einen Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011) aufweist, der von der Niederdruckzylinder-Ummantelung (307) umgeben ist und in dem Zwischenraum ein Wärmetauschervolumen (WV) definiert.
Neben der vorstehend schon beschriebenen mechanischen Kopplung von Hochdruckteil (1) und der Niederdruckteil (3) stehen darüber hinaus das Hochdruckvolumen (HV) und das Wärmetauschervolumen (WV) über eine Bohrung (7) in fluiddynamischer Verbindung. An der Bohrung (7) für die fluiddynamische Verbindung ist ein Ventil (9) vorgesehen.
Auf diese Weise ist es möglich, zwei für sich genommen einzelne Motoren (Hochdruckteil (1) und Niederdruckteil (3)) miteinander zu verknüpfen, wodurch es möglich ist auch die für sich genommen einzelnen thermodynamischen Einzelprozesse in vorteilhafter Weise miteinander zu verknüpfen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kolbenmaschinen (z.B. Ottomotoren oder Dieselmotoren) wird zum Starten keine durch Verbrennung erzeugte Wärmeenergie benötigt, sondern Wärmeenergie genutzt, die immer und in großer Menge in der Umgebungsluft enthalten ist.
Die notwendige Wärmeenergie kann auch dann aus der Umgebung entnommen werden, wenn es z. B. im Winter sehr kalt ist (wenn auch mit geringen Leistungsverlusten). Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine ist damit im Wesentlichen temperaturunabhängig. Die der Umgebungsluft entnommene Energie ist letztlich Sonnenenergie, die ständig (kostenlos) nachgeliefert wird.
Als „Hochdruckteil“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung der Teil bezeichnet, in dem verglichen mit dem „Niederdruckteil“ ein höherer Druck herrscht, d.h. im „Niederdruckteil“ herrscht ein niedrigerer Druck. Die entsprechenden Drücke lassen sich durch Manipulation der Verdichtungsvolumina erreichen.
Wie nachstehend in Bezug auf den doppelten thermodynamischen Kreisprozess noch genauer ausgeführt wird, muss verhindert werden, dass bei der Entspannung des Hochdruckteils (1) dessen Druck unter den Umgebungsdruck fällt. Für das Starten der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine ist es daher wichtig, über das Ventil (9) den notwendigen Anfangsdruck bereitzustellen. Ein weiterer Effekt ergibt sich darin, dass technisch bedingte Verluste an fluidem Medium über das Ventil (9) ausgeglichen werden.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Hochdruckkolben (103) im Bereich des Hochdruckwärmetauscherabschnitts (1031) zur Hochdruckkolbenstange (105) hin einen Hohlraum (1033) bildet, der einen Teil des Hochdruckvolumens (HV) aufnimmt und der in fluiddynamischer Verbindung mit dem Hochdruckzylinderraum (109) steht.
Durch das in dem Hohlraum (1033) befindliche zusätzliche Volumen V1 wird der Wärmetausch mit der Umgebung weiter verbessert.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine sieht vor, dass

- der Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) als Struktur mit vergrößerter Oberfläche in der Außenseite des Hochdruckkolbens (103) ausgebildet ist, und/oder
- Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011) als Struktur mit vergrößerter Oberfläche in der Außenseite des Niederdruckzylinders (301) ausgebildet ist.

Als „Struktur mit vergrößerter Oberfläche“ werden in Sinne der vorliegenden Erfindung alle Strukturen bezeichnet, welche eine größere Oberfläche als ein entsprechender glatter Abschnitt aufweisen. Konkret kann die „Struktur mit vergrößerter Oberfläche“ durch eine oder mehrere eingestochene Rillen oder durch eine oder mehrere eingebrachte Wellen gebildet werden. Diese Strukturen, insbesondere die eingestochenen Rillen können in radialer Ausrichtung angebracht sein oder in axialer Ausrichtung. Während sich radial eingestochene Rillen einfacher herstellen lassen, bieten axial eingestochene Rillen den Vorteil, weil für die Wärmedurchgangseigenschaften noch ein zusätzlicher Konvektionsanteil hinzu kommt.
Durch diese Merkmale wird eine größere Grenzfläche zwischen Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) und Umgebungsatmosphäre bzw. zwischen Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011) und Wärmetauschervolumen (WV) erzeugt und damit der Wärmeübergang verbessert.
In einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine sind das Hochdruckvolumen (HV) und das Niederdruckvolumen (NV) jeweils abgeschlossene Volumina, die miteinander nicht in fluiddynamischer Verbindung stehen.
Diese konstruktiven Merkmale verhindern ein Vermischen der fluiden Medien der Volumina und erhöhen damit den Wärmetausch und die Effizienz der vorliegenden Erfindung. Gleichwohl existiert eine thermodynamische Verbindung, welche zum Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine wesentlich beiträgt.
In einer speziellen Ausführungsform kann zumindest die mechanische Verbindung (5) oder die Hochdruckkolbenstange (105) und/oder die Niederdruckkolbenstange (305) durch einen Kurbeltrieb (11) bewegt werden.
Der Kurbeltrieb (11) kann in einer Ausführungsform für das mechanische Starten der Kolbenmaschine verwendet werden. Wenn die Kolbenmaschine dann in Betrieb ist, kann der Kurbeltrieb (11) die gewonnene mechanische Arbeit weiterleiten. In einer alternativen Ausführungsform kann der Kurbeltrieb (11) darüber hinaus den Betrieb von Hochdruckkolbenstange (105) und Niederdruckkolbenstange (305) synchronisieren.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die erfindungsgemäße Kolbenmaschine mit Ausnahme der mechanisch beweglichen Teile eine thermische Isolierung aufweist.
Zu den mechanisch beweglichen Teilen gehören beispielsweise der Kurbeltrieb (11) sowie insbesondere der nach außen bewegliche Hochdruckkolben (103), wobei naturgemäß der nach außen freilegbare Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) nicht, zumindest nicht vollständig, von der thermischen Isolierung abgedeckt sein darf.
Die thermische Isolierung sorgt dafür, dass die erfindungsgemäß erzeugte Verdichtungswärme nicht nutzlos an die Umgebung abgegeben wird. Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass die erfindungsgemäße Kolbenmaschine nicht überhitzt werden kann, weil die höchste jemals darin erzeugte Temperatur die Temperatur T1 ist. Im Falle des nachstehend in Bezug auf 6 beschriebenen Motors sind dies 980 K.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen doppelten thermodynamischen Kreisprozess, der mit einer wie vorstehend beschrieben ausgeführten Kolbenmaschine durchführbar ist. Dieser Kreisprozess umfasst in Schritt a) zunächst das Bewegen der Hochdruckkolbenstange (105) und der Niederdruckkolbenstange (305) mittels des Kurbeltriebs (11) und dabei das Entspannen des Hochdruckvolumens (HV) in dem Hochdruckteil (1) bei gleichzeitigem Verdichten des Niederdruckvolumens (NV) in dem Niederdruckteil (3). Hierdurch wird in dem Niederdruckteil (3) eine Verdichtungstemperatur (T2) erzeugt, während im Hochdruckteil (1) durch die Entspannung eine Wärmeabgabe an den Niederdruckteil (3) erfolgt.
In Schritt b) des erfindungsgemäßen Kreisprozesses wird der Hochdruckkolben (103) zumindest teilweise aus dem Hochdruckzylinder (101) heraus geführt bis zu einem äußeren Hochdruckkolben-Totpunkt (OT) des Hochdruckkolben (103), wobei zumindest der Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) eine geringere Temperatur aufweist als die Umgebungsatmosphäre. In Schritt c) erfolgt das Aufnehmen von Wärme aus der Umgebungsatmosphäre in den Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031).
Schritt d) des erfindungsgemäßen Kreisprozesses sieht vor, den Hochdruckkolben (103) in den Hochdruckzylinder (101) hinein einzuziehen und dabei das Hochdruckvolumen (HV) in dem Hochdruckteil (1) bei gleichzeitigem Entspannen des Niederdruckvolumens (NV) in dem Niederdruckteil (3) verdichten. Dabei wird in dem Hochdruckteil (1) eine Verdichtungstemperatur (T1) erzeugt, während im den Niederdruckteil (3) durch die Entspannung eine Wärmeabgabe erfolgt.
Die in Schritt d) erzeugte Wärme wird in Schritt e) des erfindungsgemäßen Kreisprozesses aus dem Hochdruckteil (1) über die fluiddynamische Verbindung der Bohrung (7) in das Wärmetauschervolumen (WV) abgeführt und dieselben auf den Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011) übertragen.
Diese übertragene Wärme wird in Schritt f) in den Niederdruckteil (3) aufgenommen und gleicht die in Schritt d) erfolgte Wärmeabgabeaus, wobei die übertragene Wärme höher ist als die erfolgte Abkühlung. Hierdurch wird erfindungsgemäß ein Wärmeüberschuss erzeugt, der in Schritt g) nutzbar gemacht wird (bspw. als mechanische Arbeit).
In anderen Worten werden in Schritt f) beim Aufnehmen der übertragenen Verdichtungswärme in den Niederdruckteil (3) Druck und Temperatur erhöht, nachdem im Hochdruckteil (1) zunächst Energie von außen zugeführt bzw. aufgenommen wurde, die anschließend aufgrund der systematischen Wärmeangabe in Richtung Niederdruckteil (3) in geringerem Maße als positiven Anteil genutzt werden konnte. Die aus dem Hochdruckteil (1) übertragene Wärme mit ihrer Verdichtungstemperatur (T1) ist höher als die Temperatur im Niederdruckteil (3), so dass wegen des bestehenden Temperaturgefälles der Wärmeübergang ermöglicht wird.
Im Hochdruckteil (1) wird also beim Verdichten ein großer Negativenergieanteil und beim Entspannen ein kleiner Positivanteil erzeugt, während im Niederdruckteil (3) beim Verdichten ein mittlerer Negativenergieanteil und beim Entspannen ein großer Positivenergieanteil erzeugt wird. Wie bereits erwähnt ist die energetische Gesamtbilanz positiv.
Schließlich wird in Schritt h) das Herausführen des erfindungsgemäßen Kreisprozesses der Niederdruckkolben (303) bis zu einem äußeren Niederdruckkolben-Totpunkt (UT) herausgeführt, wonach der Kreisprozess ab Schritt a) erneut ausgeführt wird und der Kreis der Prozessschritte geschlossen ist.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung kein „perpetuum mobile“ beschreibt, sondern einen real durchführbaren Prozess. Im Detail wird im Niederdruckteil (3) eine Verdichtungstemperatur (T2) erzeugt, während im Hochdruckteil (1) durch Wärmeabgabe an den Niederdruckteil (3), konkret an den Niederdruckzylinder (301), eine Abkühlung auf die Temperatur T131 und eine Druckabsenkung auf den Druck P131 erfolgt. Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann durch Entspannung (mit gleichzeitiger Arbeitsrückgewinnung) bei v00 die Temperatur T00 erreicht, welche so tief liegt, dass im Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) Wärmeenergie aus der Umgebungsluft aufgenommen wird.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass im Niederdruckteil (3) beim Entspannen nicht ganz der Umgebungsdruck erreicht wird, weshalb ein geringer Restdruck verbleibt, Dieser kann über eine kleine Bohrung (von z.B. 2 mm) am Niederdruckkolben-Totpunkt (NT) abgebaut werden, was bewirkt, dass der nächste Laufzyklus wieder bei Umgebungsdruck beginnen kann.
Der erfindungsgemäße doppelte thermodynamische Kreisprozess weist grundsätzlich die gleichen Vorteile wir die erfindungsgemäße Kolbenmaschine auf. Konkret wird im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik keine durch Verbrennung erzeugte Wärmeenergie für den Prozess benötigt, sondern die Wärmeenergie nutzt, die immer und in großer Menge in der Umgebungsluft enthalten ist. Dabei wird das für die Energieentnahme notwendige Temperaturgefälle erfindungsgemäß dadurch erzeugt, dass zwei thermodynamische Einzelprozesse interagierend miteinander verknüpft werden. Dies ist bei den bekannten Prozessen (z.B. Ottoprozess oder Dieselprozess) nicht möglich.
Wie vorstehend schon erwähnt, kann die notwendige Wärmeenergie auch dann aus der Umgebung entnommen werden, wenn es z. B. im Winter sehr kalt ist (wenn auch mit geringen Leistungsverlusten), so dass der erfindungsgemäße doppelte thermodynamische Kreisprozess damit im Wesentlichen temperaturunabhängig ist.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kreisprozesses besteht zwischen dem Hochdruckteil (1) und dem Niederdruckteil (3) ein Phasenverschiebungswinkel zwischen 160 Grad und 200 Grad, bevorzugt zwischen 170 Grad und 190 Grad.
Mit dem veränderbaren Phasenverschiebungswinkel besteht ein mechanisch wirkendes Werkzeug zur Optimierung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine und des erfindungsgemäßen doppelten thermodynamischen Kreisprozesses.
Es ist für den erfindungsgemäßen Kreisprozess bevorzugt, wenn das für die Verdichtung und Entspannung verwendete fluide Medium ausgewählt ist aus Luft, Helium, Argon ist.
Während Gase mit geringerer Dichte (im Vergleich zu Luft) zwar Vorteile bringen, sind diese in der praktischen Handhabung aber komplizierter. Die schwerere Luft hingegen kann bei zu erwartenden Leckverlusten sich leicht aus der Umgebung ausgleichen.
Unter diesen fluiden Medien ist Luft besonders bevorzugt. Grundsätzlich wird die einmal in den verschiedenen Volumina aufgenommene Luft während der gesamten Laufzeit nicht ausgetauscht.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreisprozesses sieht vor, mittels des Ventils (9) zu verhindern, dass bei der Entspannung des Hochdruckteils (1) dessen Druck unter den Umgebungsdruck fällt.
Würde der Druck im Hochdruckteil (1) unter den Umgebungsdruck fallen, könnte bei der weiteren Bewegung des Hochdruckkolbens (103) in dem Hochdruckvolumen (HV) ein negativer Wert erreicht werden, der sowohl für die Kolbenmaschine wie auch für den Kreisprozess schädlich wäre. Fällt der Druck unter den Umgebungsdruck, dann muss dazu Energie aufgewendet werde. Beim Überschreiten des Niederdruckkolben-Totpunkt (NT) steigt der Druck zwar wieder an, aber nicht bis zu Umgebungsdruck. Das beutet, dass der nächste Laufzyklus bereits bei geringerem Unterdruck beginnt und deshalb nicht den systematischen Druck P1 erreicht. Dieses wiederholt sich bei jedem folgenden Zyklus, bis schließlich der Druck P1 nahezu gegen den Umgebungsdruck geht und der erfindungsgemäße Kreisprozess nach kürzester Zeit keine Wirkung mehr hat.
Neben dem vorstehend beschriebenen Starten des Kreisprozesses mit Hilfe des Ventils (9) können ferner auch technisch bedingte Verluste an fluidem Medium (insbesondere an Luft) über das Ventil (9) ausgeglichen werden.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine nach einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Kolbenmaschine in zwei verschiedenen Betriebsstellungen,
3 eine schematische Darstellung eines allgemeinen, unspezifischen, thermodynamischen Prozesses,
4a ein P-V-Diagramm für den Hochdruckteil 1 einer experimentellen Kolbenmaschine nach einer Ausführungsform der Erfindung,
4b ein P-V-Diagramm für den Niederdruckteil 3 einer experimentellen Kolbenmaschine nach einer Ausführungsform der Erfindung,
5 Drehmomentverläufe zweier experimenteller Kolbenmaschinen und
6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.

Gleiche Teile haben in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen, aus Gründen der Übersichtlichkeit werden jedoch nicht alle Teile in allen Figuren mit Bezugszeichen versehen.
Für den ersten Teil der nachfolgenden Beschreibung ist es zweckmäßig, die schematischen Darstellungen einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine in den 1 und 2 gemeinsam mit den P-V-Diagrammen der 4a und 4b zu betrachten.
In 1 wird eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine nach einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. In dieser Darstellung sind Hochdruckteil 1 und Niederdruckteil 3 koaxial übereinander angeordnet, die Hochdruckkolbenstange 105 und die Niederdruckkolbenstange 305 sind zumindest kraftschlüssig, bevorzugt stoffschlüssig und einstückig ausgeführt.
Der Hochdruckteil 1 dieser Ausführungsform weist einen kleineren Durchmesser für Hochdruckzylinder 101 und Hochdruckkolben 103 und damit einen höheren Druck auf, während dementsprechend der Niederdruckteil 3 einen größeren Durchmesser für Niederdruckzylinder 301 und Niederdruckkolben 303 und damit einen niedrigeren Druck aufweist.
Eine zu dieser Anordnung alternative Ausführungsform wird im Übrigen in 6 schematisch dargestellt.
Zwischen Hochdruckteil 1 und Niederdruckteil 3 ist ein Zylinderkopf 13 angeordnet, der einerseits eine Führung 1301 und andererseits eine Dichtung 1303 für die jeweilige Kolbenstange 105, 305 enthält. Führung 1301 und Dichtung 1303 sind notwendig, um den Hochdruckzylinderraum 109 und den Niederdruckzylinderraum 309 voneinander zu trennen.
Hochdruckkolben 103 und Niederdruckkolben 303 werden in dieser Ausführungsform gemeinsam von einem Kurbeltrieb 11, der aber hier nicht weiter beschrieben werden muss, periodisch nach oben oder nach unten bewegt. Die Konstruktion ist so ausgelegt, dass der Niederdruckkolben 303 beim Aufwärtsgehen bis zum oberen Totpunkt, d.h. Hochdruckkolben-Totpunkt OT verdichtet, der Hochdruckkolben 103 dagegen verdichtet beim Abwärtsgehen zum unteren Totpunkt, Niederdruckkolben-Totpunkt UT, woraus sich in diesem Fall eine Phasenverschiebung von 180 Grad ergibt.
Der Hochdruckkolben 103 bildet am oberen Ende mittels eingestochener Rillen (Struktur mit vergrößerter Oberfläche) den Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031. Dieser wird in der Nähe des Niederdruckkolben-Totpunkts UT vom Hochdruckzylinder 101 abgedeckt. Beim Aufwärtsgehen jedoch tritt der Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031 mehr und mehr aus dem Hochdruckzylinder 101 heraus und bekommt dadurch Kontakt mit der Umgebungsluft.
In 1 sind ferner die Verdichtungsvolumina des Hochdruckteils 1 dargestellt. Das Volumen unter dem Hochdruckkolben 103 ist das Hochdruckvolumen HV, das variabel ist. Der Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031 kann auf seiner Innenseits zur Hochdruckkolbenstange 105 hin in dem Hohlraum 1033 ein Volumen V1 bilden, wenn sein innerer Durchmesser erweitert ist. Ferner besteht ein Volumen V2 im Spalt um die Hochdruckkolbenstange 105 herum, das im Wesentlichen nicht variabel ist.
In der Bohrung 7 für die fluiddynamische Verbindung besteht ein weitere Volumen V3, das schließlich in das Wärmetauschervolumen WV am Niederdruckwärmetauscherabschnitt 3011 übergeht.
Der Niederdruckwärmetauscherabschnitt 3011 ist ringförmig um den Niederdruckzylinder 301 herum angeordnet und weist im oberen Bereich außen in eine Wand ebenfalls eingestochene Rillen (Struktur mit vergrößerter Oberfläche) zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche auf. Er bildet zusammen mit einer Niederdruckzylinder-Ummantelung 307 einen engen Kontakt mit dem Niederdruckvolumen NV des Niederdruckzylinders 301, wodurch ein optimaler Wärmeübergang von Wärmetauschervolumen WV zu nach Niederdruckvolumen NV erreicht wird. In den überleitenden Bohrung 7 befindet sich ein Ventil 9, das nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung des Prozesses näher erklärt wird.
Mit dieser Anordnung wird sichergestellt, dass in der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine nur Wärme, aber keinesfalls aber Zylinderinhalte (z.B. Luft) transportiert oder vermischt werden. Dies unterschiedet die erfindungsgemäße Kolbenmaschine von bekannten Kolbenmaschinen.
Aus diesem Grund kann bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine auf Lufteinlässe und Luftauslässe verzichtet werden. Das in der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine befindliche fluide Medium (in den vorliegenden Ausführungsformen Luft) ist konstant und bleibt so. Lediglich einige geringe Leckverluste, die beispielsweise über die Kolbendichtungen entstehen, können über das Ventil 9 automatisch ergänzt werden. Bei einem kurzzeitigen Öffnen des Ventils 9 strömt zunächst eine winzige Luftmenge ein, die aber sofort (eigentlich fast gleichzeitig) wieder ausgestoßen wird durch die im Zylinder dadurch kurzzeitige eintretende Druckerhöhung. Dies kann grundsätzlich nicht als Masseaustausch bezeichnet werden.
In 2 wird die in 1 gezeigte Kolbenmaschine schematische in einer weiteren Betriebsstellung gezeigt. Konkret stellt die 2 linkerhand den Zustand der 1 dar, in dem der Hochdruckteil 1 maximal entspannt ist und der Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031 gegenüber der Umgebung vollständig freiliegt. In dieser Betriebsstellung wird Wärme aus der Umgebung aufgenommen. Rechterhand wird die entgegengesetzt Betriebsstellung der Kolbenmaschine dargestellt, in welcher der Hochdruckteil 1 maximal verdichtet ist und die aufgenommene Wärme über den Niederdruckwärmetauscherabschnitt 3011 an den Niederdruckteil 3 abgibt.
Vor dem Hintergrund der Beschreibung der Kolbenmaschine wird nachstehend nun der erfindungsgemäße doppelte thermodynamische Kreisprozess nach einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Vereinfacht betrachtet setzt sich der doppelte thermodynamische Kreisprozess aus zwei Einzelprozessen zusammen, welche interagieren. Daraus ergeben sich zwei Kolbendrücke P1 und P2, sowie zwei Verdichtungstemperaturen T1 und T2. Index 1 bezeichnet dabei den Hochdruckprozess und Index 2 bezeichnet den Niederdruckprozess. Der Faktor P1/P2 ist eine Optimierungsfrage abhängig von der konkreten Geometrie der Kolbenmaschine. Vorzugsweise beträgt der Faktor P1/P2 erfindungsgemäß 2,0 bis 2,5.
Da T1 größer ist als T2, ergibt sich daraus ein Temperaturgefälle im Niederdruckwärmetauscherabschnitt 3011, welcher Wärme vom Hochdruckteil 1 in den Niederdruckteil 3 mit dem Ergebnis strömen lässt, dass T2 ansteigt und T1 absinkt. Dadurch erhöht sich der Energiegehalt im Niederdruckteil 3. Darin gleicht die erfindungsgemäße Kolbenmaschine einem herkömmlichen Verbrennungsmotor: Wird Wärme zugeführt steigt der Energiegehalt und die Maschine kann mechanische Leistung abgeben.
4a und 4b zeigen jeweils im oberen Bereich das T-V-Diagramm, d.h. es wird die Abhängigkeit der Temperatur (hier des fluiden Mediums Luft) von dem jeweiligen Verdichtungsvolumen dargestellt, und im unteren Bereich das P-V-Diagramm, d.h. die Abhängigkeit des Druckes vom Verdichtungsvolumen. Für beide Teildiagramme sind die Abszissen identisch, auf den Ordinaten sind linkerhand der Druck (in [Kp/m²]) und rechterhand die Temperatur (in K) aufgetragen. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde in den 4a und 4b jeweils der gleiche Maßstab für die Abszissen verwendet.
Zunächst die Kurve des Kolbendruckes: Sie beginnt rechts unten mit dem Anfangsdruck P01 = 10.000 Kp/m² und verläuft weiter nach links oben in einer Potenzkurve bis zum Druck P1. Diese Kurve ist annähernd eine Adiabate. In 1 wurden die Bereiche deutlich gemacht, in denen sich der Druck P1 ausbreitet, nämlich im oberen Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031, der aber bei P1 vollkommen vom Hochdruckzylinder 101 abgedeckt ist, und weiterhin im Niederdruckwärmetauscherabschnitt 3011.
Von P1 nach P131 erfolgt eine Druckabsenkung durch die Wärmeabgabe an den Niederdruckteil 3. Die Kurve bei Px gibt den Druckverlauf nach Öffnen des Ventils 9 an. Bei v00 durchdringt die Entspannungskurve die Atmosphärenlinie.
Gleichzeitig wird im oberen Temperaturdiagramm die ebenfalls nach einer (anderen) Potenzkurve ansteigende Temperatur gezeigt, die bei P1 die Temperatur T1 erreicht. Sie beginnt bei der Umgebungstemperatur T01, hier z.B. 295 K und endet bei T1.
Von T1 nach T131 erfolgt eine Temperaturabsenkung durch die Wärmeabgabe an den Niederdruckteil 3. T100 entspricht dabei einer Temperatur von 268 K bei Durchgang der Entspannungsdruckkurve durch den Atmosphärendruck. Die Kurve bei Tx gibt den Temperaturverlauf nach Öffnen des Ventils 9 an.
Die Temperatur des verwendeten Mediums Luft liegt bei v00 bis v01 deutlich unter der Umgebungstemperatur und bewirkt, dass Wärme aus der Umgebung in das System der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine fließt, was gleichbedeutend ist mit Energieentnahme aus der Umgebung und damit den autonomen Lauf der Kolbenmaschine mit dem doppelten thermodynamischen Kreisprozess bewirkt.
Alle diese Erklärungen für den Hochdruckteil 1 lassen sich sinngemäß auch auf Niederdruckteil 3 anwenden: $Anfangsdruck P02 = P01 = 10.000 {kp/m}^{2}, Enddruck = P2$
$Anfangstemperatur = T02 = T01 = 295 K, Endtemperatur = T2 .$
In dieser Konstellation stehen sich also zunächst Temperatur T1 und Temperatur T02 im Niederdruckwärmetauscherabschnitt 3011 direkt gegenüber, es lassen sich also die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz Δtm1 bzw. Δtm2 und damit die Temperaturen ΔT1 und ΔT2 ermitteln. Hieraus ergeben sich folgende Temperaturen und Drücke: $\begin{matrix} T131 = T1 - T Δ 1 : & T231 = T2 + Δ T2 \end{matrix}$
Mit dieser Temperaturänderung ändern sich gleichzeitig die Drücke. $P131 = P1 * (T131 / T1) (k / (k - 1))$
$P231 = P2 * (T231 / T2) (k / (k - 1))$
Dies ist die Situation nach dem Wärmetausch. Die Temperatur- und Druck-Bezeichnungen T131, T231, P131, P231 sind Bezeichnungen aus dem Basic-Programm, „k“ ist der Adiabatenexponent.
Von P131 ausgehend wird das fluide Medium entspannt. Die Entspannungskurve entspricht der Verdichtungskurve, sie liegt aber wegen der niedrigeren Starttemperatur entsprechend tiefer, so dass sie bereits bei etwa Mitte des Kolbenhubes die Atmosphärenlinie schneidet. Das bedeutet, dass das Ventil 9 in der Bohrung 7 zunächst indifferent reagiert und unmittelbar danach minimal öffnet, so dass eine winzige Luftmenge in das System eindringen kann, die aber direkt wieder ausgeschoben wird, weil mit der Frischluftzufuhr die lokale Mischtemperatur etwas erhöht und damit das Volumen vergrößert wird. Dieser Vorgang wird in winzigen Schritten ständig wiederholt bis beim Hochdruckkolben-Totpunkt OT wieder der Anfangsdruck P01 erreicht ist. Der Abszissenpunkt hat die Bezeichnung „v00“.
Für das P-V-Diagramm bedeutet dies, dass die Druckkurve von v00 an bis v01 etwa horizontal verläuft. Real wird sie aber eine leichte Wölbung, bedingt durch die notwendige Ventilfeder, nach unten zeigen.
Ein die Kolbenmaschine wichtiges Merkmal erkennt man, wenn man die vertikale Linie „v00“ nach oben bis in das Temperaturdiagramm verfolgt: Die Temperaturkurve wie auch die Druckkurve verlaufen bei der Entspannung um die Differenztemperatur ΔT1, bzw. Differenzdruck ΔP1, nach unten versetzt. Dies hat zur Folge, dass die Zylindertemperatur bei v00 deutlich unter der Umgebungstemperatur legt. Da aber der Hochdruckkolben 103 mit dem Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031 beim Aufwärtsgehen zuerst teilweise, dann aber vollständig aus dem Hochdruckzylinder 101 herausgetreten ist, wird hier der Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031 aktiv. Von der Umgebungstemperatur bis zur Zylinderinnentemperatur ergibt sich ein deutliches Temperaturgefälle, was Wärme aus der Außenluft in die Kolbenmaschine strömen lässt. Die einzige Bedingung ist, dass der Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031 Zugang zur Außenluft haben muss. Gegebenenfalls kann das erreicht werden durch eine nach außen geführte Luftleitung falls die Kolbenmaschine in einem Innenraum betrieben wird.
Im Niederdruckteil 3 sieht die Sache viel einfacher aus. Da der Niederdruckteil 3 so ausgelegt ist, dass sich gegenüber P1 ein viel geringerer Druck ergibt (Niederdruckzylinder 301) als im Hochdruckzylinder 101, wird die Verdichtungskurve entsprechend flach. Wie weiter oben beschrieben, wird dem Niederdruckzylinder 301 Wärme zugeführt, und zwar ein Teil der Verdichtungswärme aus dem Hochdruckzylinder 101, wobei hier der Innendruck an auf P231 ansteigt. Beim folgenden Entspannen bleibt am Ende des Entspannungsweges ein kleiner Restdruck Pr übrig, der unbedingt abgebaut werden muss. Gelöst wurde diese Aufgabe dadurch, dass am Kolbenhubende eine kleine Druckentlastungsbohrung in Niederdruckzylinder 301 angebracht wurde, die diesen wieder auf den Anfangszustand zurücksetzt, wodurch der nachfolgende Laufzyklus wieder mit den gleichen Anfangsbedingungen ablaufen kann.
Eine weitere wichtige Rolle spielt das Ventil 9. Bei vielen Messdurchläufen des vorliegenden Ausführungsbeispiels musste zuerst das sog. „Kaltmoment“ des Anlassermotors bestimmt werden, weil dieses allein die gesamten Reibmomente kennzeichnet und zur Ermittlung des von der Kolbenmaschine entwickelten Wirkmomentes unbedingt notwendig ist, ohne irgendeine Eigenwirkung der Kolbenmaschine selbst (diese ist ja noch kalt, d.h. auf Umgebungstemperatur). Dabei wurde zunächst immer wieder festgestellt, dass der zeitliche Verlauf der Anlassermomente zuerst relativ niedrig begann, dann aber, nach ca. 10 min., einen Maximalwert erreichte und von da an beständig bis zu Minimalmoment abfiel. Es stellte sich die Frage, ob dieses Maximalmoment bereits das Kaltmoment ist. Dies konnte in der Praxis verneint werden, denn zu Zeitpunkt des Maximalmomentes war die Kolbenmaschine bereits etwa 10 min. gelaufen und daher keinesfalls noch kalt. Das gesuchte wirkliche Kaltmoment konnte auf diese Weise nicht bestimmt werden. Daher wurde etwa an gleicher Stelle wie das Ventil 9 ein weiteres handelsübliches Überdruckventil angebracht, über welches mit einer einfachen Pumpe, (z.B. eine Fahrradluftpumpe, ca. 1 Pumpenhub) der Druck auf den wirklichen Anfangsdruck erhöht werden konnte.
Von da an waren die Messungen plausibel. Es war zu beobachten, dass der richtige Kolbendruck sich autonom einstellte, auch wenn nach dem Aufpumpen der Kolbendruck etwas zu hoch oder etwas zu niedrig war. Das bedeutet, dass in der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine sich immer ein bestimmter „Nenndruck“ einstellt, welcher von der gewählten Kolben/Zylindergeometrie abhängt und höher als der Umgebungsdruck ist.
Es gibt also einen sog. durchschnittlichen Mitteldruck in der Kolbenmaschine, welcher durch die geometrische Auslegung der Maschine bestimmt ist. Wenn der beschriebene Pumpvorgang ausgelassen wird, pumpt sich die Kolbenmaschine quasi in winzigen Schritten selbst auf, was etwa 10 mi. dauert. Dies tritt ebenso auf, wenn Leckverluste vorkommen. Bei einer in der Praxis verwendbaren Maschine spielt das aber keine Rolle, wenn einige Minuten Zeit vorhanden sind.
Das Ventil 9 hat daneben eine weitere wichtige Funktion. Da aus dem Hochdruckteil 1 Wärme in Richtung des Niederdruckteils 3 abgeführt wurde fallen Druck P1 und Temperatur T1 ab. Der sich dann ergebende Druck wurde mit P131, die sich dann ergebende Temperatur mit T131. P131 ist zwangsläufig kleiner als P1, aber P131 kann immer noch entspannt werden und ergibt eine entsprechend geringere Energieausbeute, die beim Entspannen des Kolbens positiv zu Buche schlägt. Diese Entspannungskurve ist jedoch so niedrig, dass sie bereits bei etwa Mitte des Kolbenhubs die Atmosphärendrucklinie erreicht. Bei weiterer Kolbenbewegung würde diese einen negativen Druck (gegenüber dem Atmosphärendruck) erbringen. Dieses wäre kontraproduktiv, weil zur Erzeugung eines Unterdruckes ebenfalls Leistung verbraucht wird. Aus diesem Grunde war es notwendig, das Ventil 9 vorzusehen, mit welchem der Kolbendruck nicht unter den Atmosphärendruck sinken kann.
Für die vorliegende Erfindung, d.h. eine bevorzugte Ausführungsform derselben, wurden folgende Betrachtungen zur Energiebilanz vorgenommen.
In P-V-Diagramm für den Hochdruckteil 1 ist die Fläche unter der Verdichtungskurve gleichbedeutend mit der zugeführten Energie. Die Entspannungskurve beginnt aber, wie vorstehend beschrieben, bei P131, also weit tiefer, und endet bei v00. Diese kleinere Fläche ist gleichbedeutend mit der zurückgewonnenen Energie, so dass man feststellen kann: Die Energiebilanz des Hochdruckteils 1 allein ist negativ.
Der weitere Verlauf der Druckkurve (weitgehend horizontal) ist nicht energierelevant. Der Niederdruckteil 3 hingegen bringt beim Abwärtsgehen des Niederdruckkolbens 303 einen weit höheren Wert als beim vorangegangenen Verdichten, weil Wärme zugeführt wurde. Die Energiebilanz ist hier positiv.
Insgesamt zeigt die Summe aller Energieanteile ein positives Ergebnis. Sie ist identisch (im Rahmen der real erreichbaren Messgenauigkeiten) mit der weiter oben erwähnten Energiezufuhr im Hochdruckteil 1 mittels Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031.
Gut erkennbar war auch, dass die Kolbenmaschine ein konstantes Drehmoment bei allen Drehzahlen entwickelt, was auch das Basic-Programm aussagte. Bei Erhöhung der Antriebsdrehzahl durch Erhöhung der Stromspannung verblieb das gemessene Drehmoment weitgehend bei einem bestimmten Moment, kleine Abweichungen müssen wohl auf erhöhte Strömungsverluste in den Überleitungsbohrungen zurückzuführen sein.
Nachstehend werden nun Messungen und Erfahrungen mit einem Funktionsmodell der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine dargestellt.
Um die Richtigkeit der zuvor beschriebenen theoretischen Eigenschaften des doppelten thermodynamischen Kreisprozesses zu untermauern und zu beweisen, wurden vier Kolbenmaschinen unterschiedlicher Bauweise angefertigt, die aber alle den Vorgaben des erfindungsgemäßen Prozesses folgten. Die vorliegend beschriebene Kolbenmaschine ist die, mit welcher letztlich Messreihen durchgeführt wurden. Obwohl diese Kolbenmaschine sehr gut arbeitete, können noch konstruktive Verbesserungen vorgenommen werden, um diese weiter zu optimieren.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine der vorliegenden Ausführungsform wurde ohne professionelle Voraussetzungen mehr oder weniger in einer „Kellerwerkstatt“ konstruiert und gebaut. Mit den zur Verfügung stehenden Mitteln waren mache technische Notwendigkeiten nicht zufriedenstellend zu bewältigen. Einige dieser Probleme werden nachfolgend erwähnt.
Bei der gewählten Bauart wurden die beiden Zylinder (Hochdruckzylinder 101, Niederdruckzylinder 301) und die beiden Kolben (Hochdruckkolben 103, Niederdruckkolben 303) achsengleich übereinander angeordnet. Hierdurch entstand ein statisch überbestimmtes System, bestehend aus Kolbenführung XX, Kolbenführung XX, Kolbenstangenführung XX und Hochdruckzylinder 101, was in der Praxis besser vermieden werden sollte. Präzisionsmängel in der Fertigung führten zum Klemmen der Kolben, was dadurch einigermaßen behoben werden konnte, dass die obere Verbindung des Kolbens mit der Kolbenstange schwimmend ausgeführt wurde.
Die gewählte Bauart lässt keine vernünftige Schmierung zu, weil das Einbringen von Schmieröl in Kolben-/Zylindergleitfläche dazu führte, dass die auftretenden Leckölverluste nach unten absackten, über die Bohrung 7 in das Ventil 9 und letztlich in den Niederdruckwärmetauscherabschnitt 3011 eindrangen und sich dort ansammelten.
Das bewirkte, dass das Verdichtungsvolumen immer kleiner und der Wärmetausch zunehmend unwirksam wurde.
Das Problem der Kolbendichtung konnte nicht zufriedenstellend gelöst werden. Ein herkömmlicher Kolbenmotor verwendet normalerweise metallische, geteilte Kolbenringe. Diese verlangen aber bezgl. der Zylinderlauffläche wie auch der Einbaubedingungen eine erhöhte Präzision, die mit den hier verfügbaren Fertigungsmöglichkeiten nicht zu erreichen war, so dass zwangsläufig auf normale Kolbendichtungen aus den üblichen kautschukartigen Werkstoffen (z.B. NBR) zurückgegriffen werden musste. Diese können gut beispielsweise für Hydraulikzylinder verwendet werden, sie lassen aber laut Herstellerangabe gewöhnlich nur Medientemperaturen von maximal 100 °C zu. Das hatte zur Folge, dass der maximale Arbeitsdruck konstruktiv auf etwa 1,4 bar begrenzt werden musste. Wenn man davon ausgeht, dass Drücke in der Nähe von Otto- oder Dieselmotoren denkbar sind, ist der o.g. Wert nur lächerlich gering und die Ausbeute entsprechend klein. Dieses war von Anfang an klar, wie auch die Tatsache, dass der Motor kaum autonom laufen könnte. Jedoch konnte die erfindungsgemäße Wirkung trotzdem eindrucksvoll nachgewiesen werden.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine der vorliegenden Ausführungsform benötigte einen Startermotor, im vorliegenden Falle war dies ein kleiner Gleichstrommotor, welcher mit der Kolbenmaschine über einen Freilauf verbunden war. Das Gehäuse des Startermotors wurde frei drehbar mittels Kugellager und mit einem Schiebegewicht ausgerüstet, wodurch damit eine Drehmomentwaage entstand.
Eine verwendete Messmethode war die Messung von Strom, Spannung und Drehzahl, aus denen sich das Antriebsmoment errechnen lässt. Alle Antriebsmomente wurden immer parallel mit beiden Messverfahren gleichzeitig ermittelt. Der Versuchsablauf war folgender:

Startermotor und erfindungsgemäße Kolbenmaschine der vorliegenden Ausführungsform wurden im kalten Zustand gestartet, wobei „kalt“ die normale Umgebungstemperatur bedeutet. Hierbei wurde das Antriebsmoment des Startermotors gemessen. Dieses „Kaltmoment“ ist gleichbedeutend mit der Summe aller Reibmomente, weil im Augenblick des Startens noch keine Eigenwirkung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine der vorliegenden Ausführungsform zu erwarten ist. Da in der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine keine Verbrennung stattfindet, benötigte der Warmlauf eine ziemlich lange Zeit, weil die Erwärmung der metallischen Massen ausschließlich von der Verdichtungswärme gedeckt werden musste. Der Weg bis zur Erreichung der Betriebstemperatur zeigte folgende Erscheinungen. Bei konstant gehaltener Spannung stieg die Antriebsdrehzahl ständig an und der Antriebsstrom wie auch das gemessene Antriebsmoment fielen ständig ab, bis dieses sich asymptotisch dem Nennmoment, speziell dieser Kolbenmaschine, näherte. Das Nennmoment lag bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine immer noch im positiven Bereich, d.h. der Motor konnte nicht autonom laufen. Diesen Vorgang zeigt 5.

Das in 5 dargestellte Diagramm zeigt die laufende Entwicklung des Antriebsmomentes über die Warmlaufzeit zweier Motoren, wovon einer die beschriebene erfindungsgemäße Kolbenmaschine war (Kurve a). Das Diagramm ist unmaßstäblich und soll die Vorgänge nur qualitativ und nicht quantitativ darstellen. Die Kurve a der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine beginnt bei einem nicht benanntem Kaltmoment und verläuft weiter in einer flachen Kurve bis zum Zeitpunkt des Versuchsendes, wobei sie sich asymptotisch dem systematischen Endmoment nähert. Die Kurve a der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine erreicht jedoch nicht die Momenten-Nulllinie, während die postulierte Momentenkurve (Kurve b) eines hypothetischen und professionell hergestellten Motors zunächst bei einem größeren Startmoment beginnt, dann aber bald die Nulllinie durchschreitet und schließlich sein Endmoment im negativen Bereich erreicht. Beim Durchtritt durch die Nulllinie sind das Antriebsmoment und das vo der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine erzeugte Eigenmoment identisch. Von da an hat letzteres gegenüber dem Antriebsmoment ein Überschussmoment, das sich bis zum Endmoment stets vergrößert. Das bedeutet, der hypothetische Motor neigt zum Überdrehen und muss gebremst werden, z.B. durch eine Leistungsabnahme, was das eigentliche Ziel der Entwicklung war.
Mit einem weiteren wichtigen Versuchslauf konnte die Richtigkeit der Theorie klar belegt werden. Es lag die Frage zugrunde, was passiert, wenn man versuchsweise den Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031 temporär unwirksam macht. Logischerweise kann die erfindungsgemäße Kolbenmaschine dann keine Wirkung zeigen, weil keine Energie aus der Umgebungsluft mehr zugeführt wird. Dieser Zustand wurde ganz einfach mit einer aus Schaumstoff hergestellten Kappe erreicht, welche über das obere Ende des Hochdruckteils 1, berührungsfrei mit dem Hochdruckkolben 103, gestülpt wurde. Die Wirkung war beeindruckend, das gemessene Moment lag in der Nähe von Null. Beispielhaft wird das gemessene, von der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine erzeugte Moment gezeigt, wobei das Durchschnittsmoment über viele Messdurchgänge und über beide Messverfahren gemeint ist: $\begin{matrix} Δ M = 0,95 cmkp & (Hochdruckw \ddot{a} rmetauscherabschnitt 1031, offen) \end{matrix}$
$Δ M = 0 cmkp (Hochdruckw \ddot{a} rmetauscherabschnitt 1031, abgedeckt)$
Dieses Ergebnis ist bemerkenswert, zumal die totale Abdeckung des Hochdruckwärmetauscherabschnitts 1031nicht möglich war: die Abdeckkappe benötigte eine kleine Öffnung weil innerhalb der Kappe der herausragende Hochdruckwärmetauscherabschnitt 1031 sich zyklisch auf und ab bewegt und damit bei jedem Kolbenhub zwangsläufig Luft ausschob und wieder einsaugte, so dass von einer totalen Abschottung des Hochdruckwärmetauscherabschnitts 1031 keine Rede sein kann. Das mit einem Basic-Programm errechnete Moment betrug etwa 1,46 cmkp. Die Relation zwischen Theorie und Praxis ist plausibel, ein ähnlicher Wert ist auch bei Verbrennungsmotoren üblich.
Als Fazit kann gezogen werden, dass die beschriebene erfindungsgemäße Kolbenmaschine, wie bereits erwähnt, ein Versuchsmodell ohne Anspruch auf technische oder technologische Perfektion war. Zum Beispiel hat die beschriebene erfindungsgemäße Kolbenmaschine keine Steuerung/Regelung und keine autonome Schmierung. Konstruktiv kann die beschriebene erfindungsgemäße Kolbenmaschine noch weiterentwickelt werden, allerdings wurden bereits bei dem relativ einfachen Versuchsmodell die Richtigkeit der theoretischen Überlegungen gezeigt und die Grundlagen für eine neuartige Kolbenmaschine und einen doppelten thermodynamischen Kreisprozess gelegt.
Bei der praktischen Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird zunächst an eine stationäre Kolbenmaschine gedacht. Diese könnte beispielsweise eine Maschine zur Stromerzeugung sein.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in 6 schematisch dargestellt wird, werden Hochdruckteil 1 und Niederdruckteil 3 nebeneinander angeordnet. Bei diesem Entwurf wurden die geometrischen Abmessungen der Zylinder (Hochdruckzylinder 101, Niederdruckzylinder 301) und der Kolben (Hochdruckkolben 103, Niederdruckkolben 303) etwa linear verdoppelt. Zudem sind die Durchmesser der von Hochdruckzylinder 101 und Niederdruckzylinder 301 und von Hochdruckkolben 103 und Niederdruckkolben 303 jeweils gleich.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung verachtfachen sich die zu erwartenden Leistungen, wogegen die Reibverluste sich nur verdoppeln. Außerdem wurden die Kolbendrücke konstruktiv auf ein professionelles Maß angehoben. Es ergab sich damit eine rechnerisch erreichbare Leistung von etwa 28 kW.
Diese Kolbenmaschine der zweiten Ausführungsform hat grobe Außenabmessungen von ca. 250 mm x 500 mm x 600 mm und ist so konstruiert, dass eine beliebige Anzahl von einzelnen Kolbenmaschinen aneinander gereiht werden kann. Geht man dabei von vier Einzelmaschinen aus, ergibt sich eine Leistung, welche den gesamten Energiebedarf eines Einfamilienhauses, einschließlich Heizung, decken könnte.
Diese Kolbenmaschine der zweiten Ausführungsform hat etwa die Komplexität eines Zweizylinder-Zweitakt- Motors, jedoch ohne Vergaser, Kühlung, Zündung, Luftfilter und Brennstoffversorgung. Sie ist so einfach, dass sie praktisch von jeder mittleren Maschinenfabrik hergestellt werden kann.
Nachstehend werden Überlegungen zu der Frage dargestellt, wie sich die erfindungsgemäße Kolbenmaschine bei einem praktischen Einsatz verhält.
Zunächst muss man davon ausgehen, dass die erfindungsgemäße Kolbenmaschine hauptsächlich für einen stationären Einsatz geeignet ist, insbesondere zur Versorgung mit elektrischer Energie. Im Gegensatz zu einer normalen Kolben- oder Strömungsmaschine, welche z.B. durch Regelung der zugeführten Brennstoffmenge spontan die Eigenschaften geändert werden können, verhält sich die erfindungsgemäße Kolbenmaschine recht träge, weil hier keine Fremdenergie zugeführt wird und weil beim Erwärmen allein durch den Verdichtungsdruck große metallische Massen erwärmt werden müssen. Denkt man dabei an einen Wechselstromgenerator, dann muss hier natürlich die erzeugte Leistung spontan und auch relativ genau die Wechselfrequenz eingeregelt werden. Als Lösung kommt in Frage, einen Gleichstromgenerator zu verwenden und den erzeugten Gleichstrom mit einem Wechselrichter auszurüsten, so wie es auch bei der Solarenergie gemacht wird. Im stationären Betrieb hat die erfindungsgemäße Kolbenmaschine ferner den Vorteil, dass Energie dezentral erzeugt wird. Auf diese Weise können auch größere oder kleinere Gruppen von Verbrauchern zusammenschaltet werden.
Ferner kann die Frage, ob die erfindungsgemäße Kolbenmaschine auch zum Antrieb eines Fahrzeugs geeignet ist, zumindest vorsichtig bejaht werden. Geht man davon aus, dass die erfindungsgemäße Kolbenmaschine voll durchentwickelt und optimiert ist, dann kann sich die Lösung relativ einfach darstellen. Elektrisch angetriebene Fahrzeuge fahren bereits auf allen Straßen. Bei einem solchen Fahrzeug ist einfach nur der Akku durch die erfindungsgemäße Kolbenmaschine (zumindest teilweise) zu ersetzen. Zumindest kann der Akku radikal verkleinert werden, weil nur Energie zu Anlassen zur Verfügung stehen muss. Das verbleibende Problem hierbei ist der Platzbedarf, der ggf. durch Vergrößerung des Innenraumes oder durch den verkleinerten Akku geschaffen werden könnte. Die verbleibenden Akkus könnte immer noch so leistungsfähig beschaffen sein, dass etwa die erste viertel Stunde auch damit gefahren werden kann. Damit würde man die Aufheizungsphase überbrücken und sofort losfahren. Dies ist natürlich ein ernstzunehmendes Problem, aber es ist anzunehmen, dass dieses von manchen oder vielen Autofahrern akzeptiert wird. Sie werden im Hinblick auf Brennstoffe belohnt durch einen vollständig schadstofffreien Antrieb und durch einen kostenfreien Betrieb.
Bezugszeichenliste

1: Hochdruckteil
101: Hochdruckzylinder
103: Hochdruckkolben
1031: freilegbarer Hochdruckwärmetauscherabschnitt
1033: Hohlraum
105: Hochdruckkolbenstange
109: Hochdruckzylinderraum
3: Niederdruckteil
301: Niederdruckzylinder
3011: Niederdruckwärmetauscherabschnitt
303: Niederdruckkolben
305: Niederdruckkolbenstange
307: Niederdruckzylinder-Ummantelung
309: Niederdruckzylinderraum
5: mechanische Verbindung
7: Bohrung
9: Ventil
11: Kurbeltrieb
13: Zylinderkopf
1301: Führung
1303: Dichtung
HV: Hochdruckvolumen
NT: Niederdruckkolben-Totpunkt
NV: Niederdruckvolumen
OT: Hochdruckkolben-Totpunkt
V1: Volumen im Hohlraum 1033
V2: Volumen im Spalt um die Hochdruckkolbenstange 105 herum
V3: Volumen in der Bohrung 7
WV: Wärmetauschervolumen

Claims

Kolbenmaschine, umfassend - einen Hochdruckteil (1), welcher einen Hochdruckzylinder (101), einen Hochdruckkolben (103) und eine Hochdruckkolbenstange (105) aufweist, wobei der Hochdruckzylinder (101) und der Hochdruckkolben (103) einen Hochdruckzylinderraum (109) einschließen, der ein Hochdruckvolumen (HV) aufnimmt, - einen Niederdruckteil (3), welcher einen Niederdruckzylinder (301), einen Niederdruckkolben (303), eine Niederdruckkolbenstange (305) und eine Niederdruckzylinder-Ummantelung (307) aufweist, wobei der Niederdruckzylinder (301) und der Niederdruckkolben (303) einen Niederdruckzylinderraum (309) einschließen, der ein Niederdruckvolumen (NV) aufnimmt, und - zumindest eine mechanische Verbindung (5) zwischen der Hochdruckkolbenstange (105) und der Niederdruckkolbenstange (305), wobei der Hochdruckkolben (103) an seinem einen Ende zumindest teilweise einen nach außen freilegbaren Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) aufweist, wobei der Niederdruckzylinder (301) an seinem einen Ende zumindest teilweise einen Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011) aufweist, der von der Niederdruckzylinder-Ummantelung (307) umgeben ist und in dem Zwischenraum ein Wärmetauschervolumen (WV) definiert, wobei das Hochdruckvolumen (HV) und das Wärmetauschervolumen (WV) über eine Bohrung (7) in fluiddynamischer Verbindung stehen, wobei an der Bohrung (7) für die fluiddynamische Verbindung ein Ventil (9) vorgesehen ist.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1, wobei der Hochdruckkolben (103) im Bereich des Hochdruckwärmetauscherabschnitts (1031) zur Hochdruckkolbenstange (105) hin einen Hohlraum (1033) bildet, der einen Teil des Hochdruckvolumens (HV) aufnimmt und der in fluiddynamischer Verbindung mit dem Hochdruckzylinderraum (109) steht.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei - der Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) als Struktur mit vergrößerter Oberfläche in der Außenseite des Hochdruckkolbens (103) ausgebildet ist, und/oder - Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011) als Struktur mit vergrößerter Oberfläche in der Außenseite des Niederdruckzylinders (301) ausgebildet ist.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Hochdruckvolumen (HV) und das Niederdruckvolumen (NV) jeweils abgeschlossene Volumina sind, die miteinander nicht in fluiddynamischer Verbindung stehen.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest die mechanische Verbindung (5) oder die Hochdruckkolbenstange (105) und/oder die Niederdruckkolbenstange (305) durch einen Kurbeltrieb (11) bewegt werden.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die mit Ausnahme der mechanisch beweglichen Teile eine thermische Isolierung aufweist.
Doppelter thermodynamischer Kreisprozess, der mit einer Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführbar ist, umfassend die Schritte a) Bewegen der Hochdruckkolbenstange (105) und der Niederdruckkolbenstange (305) mittels des Kurbeltriebs (11) und dabei Entspannen des Hochdruckvolumens (HV) in dem Hochdruckteil (1) bei gleichzeitigem Verdichten des Niederdruckvolumens (NV) in dem Niederdruckteil (3), wobei in dem Niederdruckteil (3) eine Verdichtungstemperatur (T2) erzeugt wird, während im Hochdruckteil (1) durch die Entspannung eine Wärmeabgabe an den Niederdruckteil (3) erfolgt, b) Herausführen des Hochdruckkolbens (103) zumindest teilweise aus dem Hochdruckzylinder (101) heraus bis zu einem äußeren Hochdruckkolben-Totpunkt (OT) des Hochdruckkolben (103), wobei zumindest der Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031) eine geringere Temperatur aufweist als die Umgebungsatmosphäre, c) Aufnehmen von Wärme aus der Umgebungsatmosphäre in den Hochdruckwärmetauscherabschnitt (1031), d) Einziehen des Hochdruckkolbens (103) in den Hochdruckzylinder (101) hinein und dabei Verdichten des Hochdruckvolumens (HV) in dem Hochdruckteil (1) bei gleichzeitigem Entspannen des Niederdruckvolumens (NV) in dem Niederdruckteil (3), wobei in dem Hochdruckteil (1) eine Verdichtungstemperatur (T1) erzeugt wird, während im den Niederdruckteil (3) durch die Entspannung eine Wärmeabgabe erfolgt, e) Abführen der in Schritt d) erzeugten Wärme aus dem Hochdruckteil (1) über die fluiddynamische Verbindung der Bohrung (7) in das Wärmetauschervolumen (WV) und Übertragen derselben auf den Niederdruckwärmetauscherabschnitt (3011), f) Aufnehmen der übertragenen Wärme in den Niederdruckteil (3) und Ausgleichen der in Schritt d) erfolgten Wärmeabgabe, wobei die übertragene Wärme höher ist als die erfolgte Abkühlung und ein Wärmeüberschuss erzeugt wird, g) Nutzbarmachen des erzeugten Wärmeüberschusses, h) Herausführen des Niederdruckkolben (303) bis zu einem äußeren Niederdruckkolben-Totpunkt (NT) und erneutes Ausführen ab Schritt a).
Doppelter thermodynamischer Kreisprozess nach Anspruch 7, wobei zwischen dem Hochdruckteil (1) und dem Niederdruckteil (3) ein Phasenverschiebungswinkel zwischen 160 Grad und 200 Grad, bevorzugt zwischen 170 Grad und 190 Grad, besteht.
Doppelter thermodynamischer Kreisprozess nach Anspruch 7 oder 8, wobei das für die Verdichtung und Entspannung verwendete fluide Medium Luft, Helium, Argon ist.
Doppelter thermodynamischer Kreisprozess nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei technisch bedingte Verluste an fluidem Medium über das Druckausgleichsventil (9) ausgeglichen werden.