DE102021104458B3

DE102021104458B3 - Device for converting heat into mechanical work

Info

Publication number: DE102021104458B3
Application number: DE102021104458.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Rüther
Original assignee: Ruether Ug Haftungsbeschraenkt & Co Kg
Current assignee: Ruether Ug Haftungsbeschraenkt & Co Kg
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2022-06-30
Anticipated expiration: 2041-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch Wechselwirkung eines ersten Arbeitsfluids und eines zweiten Arbeitsfluids, umfassend ein erstes Reservoir, welches zur Aufnahme des ersten Arbeitsfluids geeignet ist, ein zweites Reservoir, welches zur Aufnahme des zweiten Arbeitsfluids geeignet ist, und eine Arbeitskammer, wobei die Arbeitskammer umfasst: zumindest ein erstes Einlassventil und zumindest ein zweites Einlassventil, welche verschließbar und dazu eingerichtet sind, den Durchtritt von Arbeitsfluid nur in die Arbeitskammer hinein zu ermöglichen, zumindest ein erstes Auslassventil und zumindest ein zweites Auslassventil, welche verschließbar und dazu eingerichtet sind, den Durchtritt von Arbeitsfluid nur aus der Arbeitskammer hinaus zu ermöglichen, wobei das erste Einlassventil fluidleitend mit dem ersten Reservoir verbunden ist, und wobei das zweite Einlassventil fluidleitend mit dem zweiten Reservoir verbunden ist, und wobei die Arbeitskammer im ersten Reservoir angeordnet ist.

The invention relates to a device for converting heat into mechanical work through the interaction of a first working fluid and a second working fluid, comprising a first reservoir which is suitable for holding the first working fluid, a second reservoir which is suitable for holding the second working fluid, and a working chamber, wherein the working chamber comprises: at least one first inlet valve and at least one second inlet valve, which are closable and set up to allow the passage of working fluid only into the working chamber, at least one first outlet valve and at least one second outlet valve, which are closable and are arranged to allow the passage of working fluid only from the working chamber addition, wherein the first inlet valve is fluidly connected to the first reservoir, and wherein the second inlet valve is fluidly connected to the second reservoir, and wherein the Arbe itskammer is arranged in the first reservoir.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch Wechselwirkung eines ersten und eines zweiten Arbeitsfluids und ein entsprechendes Verfahren zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch Wechselwirkung eines ersten und eines zweiten Arbeitsfluids. Offenbart wird zudem die Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung in einem entsprechenden Verfahren.The invention relates to a device for converting heat into mechanical work through the interaction of a first and a second working fluid and a corresponding method for converting heat into mechanical work through the interaction of a first and a second working fluid. The use of a corresponding device in a corresponding method is also disclosed.

Der Gegenstand der Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.The subject matter of the invention is defined in the appended claims.

Aus dem Stand der Technik sind grundsätzlich zahlreiche Wärmekraftmaschinen bekannt, die der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie (Arbeit) dienen. Entsprechende Wärmekraftmaschinen sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken, wo sie beispielsweise als Antriebe für Fahrzeuge eingesetzt werden. Darüber hinaus gibt es jedoch eine große Anzahl an unterschiedlichen Typen von Wärmekraftmaschinen, die jeweils an die verschiedenen Bedürfnisse bestimmter Anwendungen angepasst wurden. Ein System und Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in nützliche Produkte, wie beispielsweise mechanische Arbeit, ist beispielsweise aus der US 2020 / 0 386 122 A1 bekannt.Basically, numerous heat engines are known from the prior art, which are used to convert heat into mechanical energy (work). Corresponding heat engines have become indispensable in everyday life, where they are used, for example, as drives for vehicles. In addition, however, there are a large number of different types of heat engines, each adapted to the various needs of specific applications. A system and method for converting thermal energy into useful products, such as mechanical work, is known, for example, from US 2020/0 386 122 A1.

In Folge eines steigenden Bewusstseins in der Gesellschaft für die Einsparung von Energie und den nachhaltigen Umgang mit Ressourcen gewinnen in den letzten Jahren vermehrt Wärmekraftmaschinen an Bedeutung, mit denen auch solche Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann, die nicht leicht verfügbar, beispielsweise in Form eines verbrennbaren Treibstoffes, vorliegt.As a result of a growing awareness in society for saving energy and the sustainable use of resources, heat engines have become increasingly important in recent years, with which heat energy can also be converted into mechanical work that is not readily available, for example in the form of a combustible fuel.

Es besteht ein fortgesetzter Bedarf nach Wärmekraftmaschinen, die weniger leicht ausnutzbare Wärmequellen, wie beispielsweise die Abwärme von großen Maschinen oder den Energieeintrag durch Sonneneinstrahlung effizient, d.h. mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad, in mechanische Arbeit umwandeln können.There is a continuing need for heat engines that can efficiently, i.e. with the highest possible degree of efficiency, convert less easily exploitable heat sources, such as the waste heat from large machines or the energy input from solar radiation, into mechanical work.

Ein seit langem aus dem Stand der Technik bekannter Ansatz basiert darauf, zur Umwandlung von Wärme in mechanische Energie auf die Verdampfung eines Arbeitsfluides zu setzen. Der mit der Verdampfung verbundene Volumenzuwachs kann dabei mechanische Volumenarbeit verrichten. Dieses Prinzip machten sich bereits die ersten Dampfmaschinen oder auch verwandte Vorrichtungen, wie beispielsweise die von Thomas Savery entwickelte Dampfpumpen, zunutze.An approach that has long been known from the prior art is based on relying on the evaporation of a working fluid to convert heat into mechanical energy. The increase in volume associated with evaporation can perform mechanical volume work. The first steam engines and related devices, such as the steam pumps developed by Thomas Savery, made use of this principle.

Den an den klassischen Dampfmaschinen angelehnten Vorrichtungen sowie den meisten Wärmekraftmaschinen ist das Problem zu eigen, dass in diesen ein beweglicher Laufkörper, beispielsweise ein Kolben, betrieben werden muss, der die Volumenexpansion des Arbeitsfluids beispielsweise in die Rotation einer Welle überführt. Der Einsatz eines entsprechenden Laufkörpers erfordert regelmäßig eine komplexe Dichtung, die im Betrieb ebenso von Verschleiß betroffen ist, wie der Laufkörper selbst und dessen Führungsanordnung. Darüber hinaus ist der Einsatz entsprechender Vorrichtungen, bedingt durch die beweglichen Teile, häufig mit einer ausgeprägten Geräuschentwicklung verbunden. Des Weiteren sind die Möglichkeiten zur dreidimensionalen Ausgestaltung der Arbeitskammer und des Laufkörpers regelmäßig dadurch beschränkt, dass der Laufkörper eine periodische Laufstrecke ungehindert zurücklegen können muss, so dass verwinkelte Aufbauten häufig nicht oder nur mit unvollständiger Raumausnutzung zugänglich sind. Zudem werden für die Führung und Dichtung des Laufkörpers sowie für die für den Kraftübertrag auf die Welle benötigten Teile regelmäßig eine Vielzahl von Einzelkomponenten benötigt, die die Fertigung entsprechender Vorrichtungen verkomplizieren und die für die Aufrechterhaltung eines reibungslosen Betriebs häufig gewartet und geschmiert werden müssen. Diese Einzelkomponenten müssen dabei regelmäßig sehr präzise miteinander zusammenwirken, so dass diese Vorrichtungen in vielen Fällen für Schäden in Folge von Stoßbelastungen anfällig sind.The problem inherent in devices based on classic steam engines and most heat engines is that a moving body, such as a piston, must be operated in them, which converts the volume expansion of the working fluid into the rotation of a shaft, for example. The use of a corresponding running body regularly requires a complex seal, which is also affected by wear during operation, like the running body itself and its guide arrangement. In addition, the use of corresponding devices is often associated with a pronounced noise development due to the moving parts. Furthermore, the possibilities for the three-dimensional design of the working chamber and the running body are regularly limited by the fact that the running body must be able to cover a periodic running distance unhindered, so that angled structures are often not accessible or only with incomplete use of space. In addition, a large number of individual components are regularly required for the guidance and sealing of the running body and for the parts required for the power transmission to the shaft, which complicates the production of corresponding devices and which must be frequently serviced and lubricated to maintain smooth operation. These individual components must regularly interact with one another very precisely, so that in many cases these devices are susceptible to damage as a result of impact loads.

Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beheben oder zumindest abzuschwächen.It was an object of the present invention to eliminate or at least alleviate the disadvantages of the prior art described above.

Insbesondere war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, mit der thermische Energie, d.h. Wärme, effizient in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann.In particular, it was an object of the present invention to specify a device with which thermal energy, i.e. heat, can be efficiently converted into mechanical work.

Hierbei war es eine Aufgabe, eine Vorrichtung anzugeben, die über möglichst wenig Verschleißteile verfügt und die daher wartungsarm ist.It was an object to specify a device that has as few wearing parts as possible and is therefore low-maintenance.

Darüber hinaus war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, die besonders flexibel in der dreidimensionalen Ausgestaltung ist, um insbesondere auch in schwer zugänglichen Bereichen, beispielsweise in Kühlsystemen größerer Maschinen, effizient arbeiten zu können.In addition, it was an object of the present invention to specify a device that is particularly flexible in its three-dimensional configuration, in order to be able to work efficiently in areas that are difficult to access, for example in the cooling systems of larger machines.

Es war eine ergänzende Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Vorrichtung so auszugestalten, dass diese besonders resistent gegen mechanische Belastung, insbesondere Stöße, ist. Insoweit war es wünschenswert, dass die anzugebende Vorrichtung mit möglichst wenig beweglichen Teilen betrieben werden kann, die im Falle einer Stoßbelastung beschädigt werden könnten.It was an additional object of the present invention to design the device in such a way that it is particularly resistant to mechanical stress, in particular impacts. In this respect, it was desirable that the prior to be specified direction can be operated with as few moving parts as possible, which could be damaged in the event of an impact load.

Es war eine ergänzende Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die anzugebende Vorrichtung möglichst wartungsarm und insbesondere ohne die Notwendigkeit einer regelmäßigen Schmierung betreibbar sein sollte.It was an additional object of the present invention that the device to be specified should require as little maintenance as possible and in particular be operable without the need for regular lubrication.

Zudem sollte die anzugebende Vorrichtung idealerweise unter Einsatz leicht verfügbarer Arbeitsfluide betrieben werden können, die idealerweise im Verfahren wiederverwertbar sein sollten, wobei es eine ergänzende Vorgabe war, dass die anzugebende Vorrichtung im Idealfall besonders sicher betrieben werden können sollte, sodass Gefahren und Risiken für Mensch und Umwelt minimiert werden.In addition, the device to be specified should ideally be able to be operated using readily available working fluids, which should ideally be reusable in the process, with an additional requirement being that the device to be specified should ideally be able to be operated particularly safely, so that dangers and risks for people and environment are minimized.

In jedem Fall war es jedoch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Vorrichtung zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit bereitzustellen, die weitere Anwendungsmöglichkeiten bei der Nutzung von Wärmequellen erschließt, insbesondere im Bereich der Abwärme von Maschinen oder der Nutzung von Sonnenstrahlen.In any case, however, it was an object of the present invention to provide an alternative device for converting heat into mechanical work, which opens up further application possibilities in the use of heat sources, in particular in the area of waste heat from machines or the use of solar radiation.

Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat nunmehr erkannt, dass sich die vorstehend beschriebenen Aufgaben lösen lassen, wenn eine Vorrichtung bereitgestellt wird, die in einem Verfahren mit einem ersten und einem zweiten Arbeitsfluid betrieben werden kann. Das Kernstück der entsprechenden Vorrichtung ist dabei eine Arbeitskammer, die im Ausgangszustand mit dem ersten Arbeitsfluid gefüllt wird. Dieses Arbeitsfluid steht beispielsweise mit einer Maschine in thermischem Kontakt und wird infolge der aufgenommenen Abwärme erhitzt. Die Arbeitskammer der Vorrichtung ist nun so ausgelegt, dass durch ein Einlassventil ein zweites Arbeitsfluid in die Arbeitskammer gegeben werden kann, welches so gewählt wird, dass es mit dem ersten Arbeitsfluid nicht vollständig mischbar ist und einen niedrigeren Siedepunkt aufweist als das erste Arbeitsfluid. Infolge der Einspritzung des kälteren zweiten Arbeitsfluid in das heiße erste Arbeitsfluid kommt es zu einer Verdampfung des zweiten Arbeitsfluids und einer Ausdehnung in der Arbeitskammer, durch die Volumenarbeit verrichtet wird. Die Vorrichtung wird so betrieben, dass das expandierende zweite Arbeitsfluid das erste Arbeitsfluid aus einem Auslassventil aus der Arbeitskammer hinausdrückt. Dieses entweichende erste Arbeitsfluid kann anschließend in einem Abnehmer mechanische Arbeit verrichten. Nach Beendigung der Expansion wird die Arbeitskammer wieder in den Ausgangszustand versetzt, indem das zuvor offene Auslassventil geschlossen und stattdessen ein weiteres Auslassventil geöffnet wird, durch welches das gasförmige zweite Arbeitsfluid aus der Arbeitskammer austreten kann, beispielsweise um einem Kühlprozess zugeführt zu werden, in dem es erneut kondensiert. Dieser Schritt wird dadurch unterstützt, dass an der Arbeitskammer ein weiteres Einlassventil vorgesehen ist, durch welches nach Schluss des ersten Auslassventils neues erstes Arbeitsfluid in die Arbeitskammer einströmen kann.The inventor of the present invention has now recognized that the objects described above can be achieved if an apparatus is provided which can be operated in a method with a first and a second working fluid. The core of the corresponding device is a working chamber, which is filled with the first working fluid in the initial state. This working fluid is in thermal contact with a machine, for example, and is heated as a result of the waste heat absorbed. The working chamber of the device is designed in such a way that a second working fluid can be introduced into the working chamber through an inlet valve, which is chosen so that it is not completely miscible with the first working fluid and has a lower boiling point than the first working fluid. As a result of the colder second working fluid being injected into the hot first working fluid, the second working fluid evaporates and expands in the working chamber, as a result of which volume work is performed. The device operates such that the expanding second working fluid forces the first working fluid out of the working chamber through an outlet valve. This escaping first working fluid can then perform mechanical work in a consumer. After the end of the expansion, the working chamber is returned to its initial state by closing the previously open outlet valve and opening another outlet valve instead, through which the gaseous second working fluid can exit the working chamber, for example to be fed to a cooling process in which it condensed again. This step is supported by the fact that a further inlet valve is provided on the working chamber, through which new first working fluid can flow into the working chamber after the first outlet valve has closed.

Mit diesem Aufbau wird eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit und ein entsprechendes Verfahren erhalten, die ohne den Einsatz von beweglichen Laufkörpern, wie beispielsweise Kolben, auskommt. In entsprechenden Vorrichtungen fungiert das erste Arbeitsfluid quasi als Kolben, welcher die Volumenarbeit des expandierenden zweiten Arbeitsfluids in mechanische Arbeit bzw. Druck des zweiten Arbeitsfluids umwandelt. In synergistischer Weise dient das erste Arbeitsfluid dabei gleichzeitig auch zur Aufnahme der thermischen Energie, beispielsweise der Abwärme einer größeren Maschine, welches besonders effizient auch an schwer zugängliche Stellen geführt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise mit Wasser und Öl betrieben werden und ist dadurch vorteilhafterweise unter Einsatz herkömmlicher Arbeitsfluide zu betreiben, die insbesondere auch ein geringes Gefährdungspotential haben, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise besonders risikoarm betrieben werden kann. Durch den reduzierten Bedarf an beweglichen Teilen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung darüber hinaus besonders leise zu betreiben und auch gegen Stöße im Betrieb besonders resistent. Dadurch, dass es sich bei dem die Energie aufnehmenden Medium sowie bei dem quasi als Kolben fungierenden Teil um eine Flüssigkeit handelt, insbesondere um eine ölartige Flüssigkeit, kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhafterweise ohne regelmäßige Wartung aus und ist hinsichtlich der dreidimensionalen Gestaltung der Vorrichtung bzw. der Arbeitskammer besonders flexibel auch an komplexe Strukturen anpassbar.With this structure, a device for converting heat into mechanical work and a corresponding method is obtained, which does not require the use of moving running bodies, such as pistons. In corresponding devices, the first working fluid functions as a kind of piston, which converts the volume work of the expanding second working fluid into mechanical work or pressure of the second working fluid. In a synergistic manner, the first working fluid also serves to absorb the thermal energy, for example the waste heat from a larger machine, which can also be routed particularly efficiently to places that are difficult to access. The device according to the invention can be operated with water and oil, for example, and can therefore advantageously be operated using conventional working fluids, which in particular also have a low risk potential, so that the device according to the invention can advantageously be operated with particularly little risk. Due to the reduced need for moving parts, the device according to the invention can also be operated particularly quietly and is also particularly resistant to impacts during operation. Due to the fact that the medium absorbing the energy and the part that acts as a kind of piston are liquids, in particular oil-like liquids, the device according to the invention advantageously does not require regular maintenance and, with regard to the three-dimensional design of the device or the Working chamber can be adapted particularly flexibly to complex structures.

Die vorstehend genannten Aufgaben werden entsprechend durch eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit und ein entsprechendes Verfahren zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit gelöst, wie sie in den Ansprüchen definiert sind. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.The objects mentioned above are correspondingly achieved by a device for converting heat into mechanical work and a corresponding method for converting heat into mechanical work, as defined in the claims. Preferred configurations according to the invention result from the dependent claims and the following statements.

Solche Merkmale erfindungsgemäßer Vorrichtungen, die nachfolgend als bevorzugt bezeichnet sind, werden in besonders bevorzugten Ausführungsformen mit anderen als bevorzugt bezeichneten Merkmalen kombiniert. Ganz besonders bevorzugt sind somit Kombinationen von zwei oder mehr der nachfolgend als besonders bevorzugt bezeichneten Vorrichtungen. Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen ein in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnetes Merkmal mit ein oder mehreren weiteren Merkmalen kombiniert wird, die in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnet werden. Merkmale bevorzugter Verfahren ergeben sich aus den Merkmalen bevorzugter Vorrichtungen.Such features of devices according to the invention, which are referred to below as preferred, are combined in particularly preferred embodiments with other features referred to as preferred. Combinations of two or more of the following as particularly preferred are therefore very particularly preferred designated devices. Also preferred are embodiments in which a feature identified as preferred to some extent is combined with one or more other features identified as preferred to some extent. Features of preferred methods result from the features of preferred devices.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch Wechselwirkung eines ersten Arbeitsfluids und eines zweiten Arbeitsfluids, umfassend

- ein erstes Reservoir, welches zur Aufnahme des ersten Arbeitsfluids geeignet ist,
- ein zweites Reservoir, welches zur Aufnahme des zweiten Arbeitsfluids geeignet ist, und
- eine Arbeitskammer, wobei die Arbeitskammer umfasst:
- zumindest ein erstes Einlassventil und zumindest ein zweites Einlassventil, welche verschließbar und dazu eingerichtet sind, den Durchtritt von Arbeitsfluid nur in die Arbeitskammer hinein zu ermöglichen,
- zumindest ein erstes Auslassventil und zumindest ein zweites Auslassventil, welche verschließbar und dazu eingerichtet sind, den Durchtritt von Arbeitsfluid nur aus der Arbeitskammer hinaus zu ermöglichen,

wobei das erste Einlassventil fluidleitend mit dem ersten Reservoir verbunden ist, und wobei das zweite Einlassventil fluidleitend mit dem zweiten Reservoir verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammer im ersten Reservoir angeordnet ist.The invention relates to a device for converting heat into mechanical work through the interaction of a first working fluid and a second working fluid, comprising

- a first reservoir, which is suitable for receiving the first working fluid,
- a second reservoir, which is suitable for receiving the second working fluid, and
- a working chamber, the working chamber comprising:
- at least one first inlet valve and at least one second inlet valve, which can be closed and are set up to allow the passage of working fluid only into the working chamber,
- at least one first outlet valve and at least one second outlet valve, which are closable and set up to allow the passage of working fluid only out of the working chamber,

wherein the first inlet valve is fluidly connected to the first reservoir, and wherein the second inlet valve is fluidly connected to the second reservoir, characterized in that the working chamber is arranged in the first reservoir.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit geeignet, wobei diese durch Wechselwirkung eines ersten und eines zweiten Arbeitsfluids erfolgt. Diese Geeignetheit ergibt sich insbesondere, wenn die für die erfindungsgemäße Vorrichtung definierten konstruktivem Merkmale realisiert werden. Der Fachmann versteht insoweit, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung für den Betrieb mit zwei Arbeitsfluiden vorgesehen und bestimmt ist, jedoch ohne die Arbeitsfluide hergestellt und ausgeliefert wird. Die Arbeitsfluide sind somit nicht in jedem Fall Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The device according to the invention is suitable for converting heat into mechanical work, this taking place through the interaction of a first and a second working fluid. This suitability arises in particular when the structural features defined for the device according to the invention are implemented. The person skilled in the art understands to this extent that the device according to the invention is provided and intended for operation with two working fluids, but is manufactured and delivered without the working fluids. The working fluids are therefore not always part of the device according to the invention.

Die Vorrichtung umfasst ein erstes Reservoir, welches zur Aufnahme des ersten Arbeitsfluids geeignet ist. Das erste Arbeitsfluid ist insoweit zu verstehen als das Arbeitsfluid, welches den höheren Siedepunkt hat und welches durch die Expansion des zweiten Arbeitsfluids, d.h. des Arbeitsfluids mit dem niedrigeren Siedepunkt, aus der Arbeitskammer verdrängt wird, um mechanische Arbeit zu verrichten. Somit ist das erste Arbeitsfluid auch das Arbeitsfluid, welches die Wärme aufnimmt, welche beispielsweise durch die Abwärme einer größeren Maschine oder durch direkte Sonneneinstrahlung bereitgestellt wird. In der einfachsten Ausgestaltung kann das erste Reservoir ein gewöhnlicher Behälter, beispielsweise eine Schale oder ein Tank sein. In alternativen Ausgestaltungen kann das erste Reservoir jedoch beispielsweise ein gewundenes Rohrsystem oder der Hohlraum eines komplexer strukturierten Kühlsystems einer Maschine sein, wobei in diesen Fällen durch die Form des ersten Reservoirs gewährleistet wird, dass ein guter Wärmeübertrag in das erste Arbeitsfluid möglich ist.The device includes a first reservoir which is suitable for receiving the first working fluid. The first working fluid is to be understood as the working fluid which has the higher boiling point and which is displaced from the working chamber by the expansion of the second working fluid, i.e. the working fluid with the lower boiling point, in order to perform mechanical work. Thus, the first working fluid is also the working fluid that absorbs the heat that is provided, for example, by the waste heat of a larger machine or by direct solar radiation. In the simplest form, the first reservoir can be an ordinary container, for example a tray or a tank. In alternative configurations, however, the first reservoir can be, for example, a coiled pipe system or the cavity of a complex structured cooling system of a machine, in which case the shape of the first reservoir ensures that good heat transfer into the first working fluid is possible.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zudem ein zweites Reservoir, welches zur Aufnahme des zweiten Arbeitsfluids geeignet ist, d.h. des Arbeitsfluids mit der niedrigeren Siedetemperatur. Auch im Falle des zweiten Reservoirs ist die einfachste Ausgestaltung ein beliebiges Behältnis. Um ungewollte Verluste am zweiten Arbeitsfluid zu vermeiden, ist es jedoch für die meisten Anwendungen bevorzugt, das zweite Reservoir als geschlossenes Reservoir auszuführen, beispielsweise als Flüssigkeitstank.The device according to the invention also comprises a second reservoir which is suitable for receiving the second working fluid, i.e. the working fluid with the lower boiling temperature. Also in the case of the second reservoir, the simplest configuration is any container. In order to avoid unwanted losses of the second working fluid, however, it is preferred for most applications to design the second reservoir as a closed reservoir, for example as a liquid tank.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mehrere erste und/oder mehrere zweite Reservoire umfassen.The device according to the invention can comprise a plurality of first and/or a plurality of second reservoirs.

Neben dem ersten und dem zweiten Reservoir umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine Arbeitskammer, wobei es für bestimmte Anwendungen bevorzugt ist, mehrere Arbeitskammern vorzusehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter der Arbeitskammer dabei der Raum verstanden, in dem die Eingabe des niedriger siedenden zweiten Arbeitsfluids in das durch die Wärmequelle erhitzte, erste Arbeitsfluid erfolgt und in dem es zu einer Expansion des zweiten Arbeitsfluids und der damit verbundenen Verdrängung des ersten Arbeitsfluids aus der Arbeitskammer kommt. Insoweit ist für den Fachmann ersichtlich, dass die Arbeitskammer, abgesehen von den erfindungsgemäß vorgesehenen Einlass- und Auslassventilen, so weit abgeschlossen ist, dass eine Expansion des eingegebenen zweiten Arbeitsfluids infolge der Temperatur des ersten Arbeitsfluids zu einem Druckaufbau führt, wenn sämtliche Einlass- und Auslassventile geschlossen sind.In addition to the first and the second reservoir, the device according to the invention comprises at least one working chamber, it being preferable for certain applications to provide several working chambers. In the context of the present invention, the working chamber is understood as the space in which the lower-boiling second working fluid is introduced into the first working fluid heated by the heat source and in which there is an expansion of the second working fluid and the associated displacement of the first Working fluid comes from the working chamber. In this respect, it is apparent to the person skilled in the art that the working chamber, apart from the inlet and outlet valves provided according to the invention, is closed off to such an extent that an expansion of the second working fluid introduced as a result of the temperature of the first working fluid leads to a pressure build-up if all inlet and outlet valves are closed.

Um die vorstehend beschriebene Erfindung umzusetzen, umfasst die Arbeitskammer erfindungsgemäß jeweils zumindest zwei Einlassventile und Auslassventile, wobei die Einlassventile dazu eingerichtet sind, den Durchtritt von Arbeitsfluiden nur in die Arbeitskammer hinein zu ermöglichen, wohingegen Auslassventile dazu eingerichtet sind, den Durchtritt von Arbeitsfluiden nur aus der Arbeitskammer hinaus zu ermöglichen.In order to implement the invention described above, the working chamber according to the invention comprises at least two inlet valves and outlet valves, the inlet valves being set up to allow the passage of working fluids only into the working chamber, whereas outlet valves are set up to To allow passage of working fluids only from the working chamber.

Im einfachsten Fall wird genau ein erstes Einlassventil und genau ein zweites Einlassventil, sowie genau ein erstes Auslassventil und genau ein zweites Auslassventil vorgesehen. Der Fachmann erkennt jedoch zwanglos, dass unabhängig voneinander jeweils auch mehr erste oder zweite Einlass- und/oder Auslassventile vorgesehen werden können, die dann jeweils gemeinsam dem vorbestimmten Zweck dienen.In the simplest case, precisely one first inlet valve and precisely one second inlet valve, and precisely one first outlet valve and precisely one second outlet valve are provided. However, those skilled in the art will readily recognize that more first or second inlet and/or outlet valves can also be provided independently of one another, which then each serve the predetermined purpose together.

Erfindungsgemäß ist das erste Einlassventil fluidleitend mit dem ersten Reservoir verbunden. Folglich dient das erste Einlassventil insbesondere dazu, im Betrieb erstes Arbeitsfluid in die Arbeitskammer nachzuliefern, wenn selbiges durch die Expansion des zweiten Arbeitsfluids zuvor aus der Arbeitskammer verdrängt wurde. Das zweite Einlassventil ist erfindungsgemäß fluidleitend mit dem zweiten Reservoir verbunden und dient entsprechend dazu, im Betrieb zweites Arbeitsfluid aus dem zweiten Reservoir in die Arbeitskammer einzubringen, in der dieses im ersten Arbeitsfluid dispergiert werden kann und infolge der Temperatur des ersten Arbeitsfluides expandiert, sodass es das erste Arbeitsfluid aus der Arbeitskammer drückt.According to the invention, the first inlet valve is fluidly connected to the first reservoir. Consequently, the first inlet valve is used in particular to supply first working fluid to the working chamber during operation if the latter was previously displaced from the working chamber by the expansion of the second working fluid. According to the invention, the second inlet valve is connected to the second reservoir in a fluid-conducting manner and accordingly serves to introduce second working fluid from the second reservoir into the working chamber during operation, in which it can be dispersed in the first working fluid and expands as a result of the temperature of the first working fluid, so that it expresses first working fluid from the working chamber.

Für den Auslass des ersten Arbeitsfluids aus der Arbeitskammer infolge der Expansion des zweiten Arbeitsfluids ist das erste Auslassventil vorgesehen. Das erste Auslassventil der Arbeitskammer kann mit einem beliebigen Abnehmer, beispielsweise einem Wandler, verbunden werden, zu dem das aus der Arbeitskammer austretende zweite Arbeitsfluid befördert werden soll, damit dieser Abnehmer die mechanische Arbeit bzw. den erzeugten Druck an erstem Arbeitsfluid nutzen kann.The first outlet valve is provided for the outlet of the first working fluid from the working chamber as a result of the expansion of the second working fluid. The first outlet valve of the working chamber can be connected to any consumer, for example a converter, to which the second working fluid emerging from the working chamber is to be conveyed, so that this consumer can use the mechanical work or the pressure generated on the first working fluid.

Das zweite Auslassventil dient im Gegensatz hierzu dazu, das verdampfte zweite Arbeitsfluid, welches spätestens nach dem Verdampfen eine geringere Dichte aufweist als das erste Arbeitsfluid, aus der Arbeitskammer hinaustreten zu lassen, wobei dies, wie vorstehend erläutert, dadurch unterstützt wird, dass durch das erste Einlassventil aus dem ersten Reservoir erstes Arbeitsfluid in die Arbeitskammer nachströmt und das verdampfte zweite Arbeitsfluid dadurch aus der Arbeitskammer verdrängt wird.In contrast, the second outlet valve is used to allow the evaporated second working fluid, which has a lower density than the first working fluid after evaporation at the latest, to escape from the working chamber, with this being supported, as explained above, by the fact that the first Inlet valve flows from the first reservoir first working fluid into the working chamber and the vaporized second working fluid is thereby displaced from the working chamber.

Erfindungsgemäß sind die Einlassventile und Auslassventile verschließbar, wobei die Einlass- und Auslassventile bevorzugt steuerbar sind, sodass sie bei Betrieb der Vorrichtung in automatischer Folge geöffnet und geschlossen werden können, um den vorgesehenen Betrieb der Vorrichtung besonders effizient zu ermöglichen.According to the invention, the inlet valves and outlet valves can be closed, the inlet and outlet valves preferably being controllable so that they can be opened and closed in automatic sequence during operation of the device in order to enable the intended operation of the device to be particularly efficient.

Dies bedeutet, dass bei einer im Ausgangszustand mit dem ersten Arbeitsfluid gefüllten Arbeitskammer nur das zweite Einlassventil geöffnet wird, um das Eintreten des zweiten Arbeitsfluids in die Arbeitskammer zu ermöglichen. Im Anschluss wird das zweite Einlassventil geschlossen und das erste Auslassventil geöffnet, um infolge der Expansion des expandierenden zweiten Arbeitsfluides einen Austritt des ersten Arbeitsfluids, bevorzugt einer vorbestimmten Menge des zweiten Arbeitsfluids, aus dem ersten Auslassventil in Richtung eines gewünschten Abnehmers zu ermöglichen.This means that when the working chamber is filled with the first working fluid in the initial state, only the second inlet valve is opened in order to allow the second working fluid to enter the working chamber. The second inlet valve is then closed and the first outlet valve is opened in order to allow the first working fluid, preferably a predetermined quantity of the second working fluid, to exit from the first outlet valve in the direction of a desired consumer as a result of the expansion of the expanding second working fluid.

Nach zumindest teilweiser Expansion des zweiten Arbeitsfluids wird das erste Auslassventil geschlossen, wobei der Verschluss des ersten Auslassventils bevorzugt erfolgt, bevor sämtliches in der Arbeitskammer enthaltene erstes Arbeitsfluid durch das erste Auslassventil hinausgetreten ist, um zu vermeiden, dass auch ein Teil des verdampften zweiten Arbeitsfluids aus dem ersten Auslassventil austritt.After at least partial expansion of the second working fluid, the first outlet valve is closed, with the closure of the first outlet valve preferably taking place before all of the first working fluid contained in the working chamber has exited through the first outlet valve, in order to prevent part of the evaporated second working fluid from also escaping the first outlet valve.

Anschließend werden das erste Einlassventil und das zweite Auslassventil, gleichzeitig oder zeitversetzt, geöffnet, sodass erstes Arbeitsfluid in die Arbeitskammer nachströmen kann und dabei das verdampfte zweite Arbeitsfluid durch die zweite Auslassöffnung hinaustreibt.The first inlet valve and the second outlet valve are then opened simultaneously or with a time delay, so that the first working fluid can flow into the working chamber and the evaporated second working fluid is expelled through the second outlet opening.

Im Lichte der vorstehenden Offenbarung ist der Fachmann in der Lage, eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu konzipieren. Hierbei passt der Fachmann insbesondere die Position der Einlass- und Auslassventile an seine jeweiligen Erfordernisse an.In the light of the above disclosure, a person skilled in the art is able to design a device according to the invention. Here, the specialist adjusts in particular the position of the intake and exhaust valves to his respective requirements.

Für viele Anwendungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das erste Auslassventil und das zweite Auslassventil auf unterschiedlichen Seiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzusehen, wobei es sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, der sich infolge des Dichtegradienten des verdampften zweiten Arbeitsfluids und des flüssigen ersten Arbeitsfluids einstellenden Phasentrennung Rechnung zu tragen. Entsprechend ist es besonders bevorzugt, die Vorrichtung so auszulegen, dass im später beabsichtigten Betrieb das erste Auslassventil im unteren Bereich der Arbeitskammer und das zweite Auslassventil im oberen Bereich der Arbeitskammer angeordnet ist, sodass das erste Auslassventil bei einer sich einstellenden Phasentrennung zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase in der Arbeitskammer von der Flüssigkeit bedeckt ist, wohingegen das zweite Auslassventil mit der Gasphase in Berührung steht.For many applications it has proven to be advantageous to provide the first outlet valve and the second outlet valve on different sides of the device according to the invention, it having proved to be particularly advantageous for the phase separation that occurs as a result of the density gradient of the vaporized second working fluid and the liquid first working fluid to take into account. Accordingly, it is particularly preferred to design the device in such a way that, in the later intended operation, the first outlet valve is arranged in the lower area of the working chamber and the second outlet valve is arranged in the upper area of the working chamber, so that when a phase separation occurs between a liquid and a gaseous phase in the working chamber is covered by the liquid, whereas the second outlet valve is in contact with the gaseous phase.

Um ungewollte Verluste des ersten Arbeitsfluids zu verhindern, hat es sich auch mit Blick auf das erste Reservoir als vorteilhaft erwiesen, dieses als im Wesentlichen geschlossenen Behälter auszuführen, was bedeutet, dass ein Austritt von Flüssigkeit aus dem Behälter nur durch dafür vorgesehene Öffnung und Ventile möglich ist.In order to prevent unwanted losses of the first working fluid, it has also proven to be advantageous with regard to the first reservoir to design this as an essentially closed container lead, which means that liquid can only escape from the container through the opening and valves provided for this purpose.

Zudem hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das erste Reservoir Mittel zum Temperieren des ersten Arbeitsfluids umfasst. Hierdurch ist es zunächst möglich, die von diesen Mitteln zum Temperieren bereitgestellte Wärme effizient in mechanische Arbeit zu überführen. Entsprechende Mittel zum Temperieren sind jedoch insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung eigentlich primär zur Nutzung von Abwärme verwendet werden soll. Durch entsprechende Mittel zum Temperieren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nämlich auch dann in Betrieb gehalten werden, wenn die Energiequelle, bspw. die Abwärmequelle oder die Sonneneinstrahlung, nicht oder nicht ausreichend Energie zur Verfügung stellen kann. Somit kann der Abnehmer auch dann kontinuierlich mit Druck vom ersten Arbeitsfluid versorgt werden, wenn beispielsweise die Maschine, in deren Kühlsystem die erfindungsgemäße Vorrichtung angeordnet ist, wegen Wartungsarbeiten nicht betrieben wird.In addition, it has proven to be particularly advantageous if the first reservoir includes means for tempering the first working fluid. As a result, it is initially possible to efficiently convert the heat provided by these temperature control means into mechanical work. Appropriate means for temperature control are, however, particularly advantageous when the device according to the invention is actually intended to be used primarily for the utilization of waste heat. The device according to the invention can also be kept in operation by appropriate means for temperature control when the energy source, for example the waste heat source or solar radiation, cannot provide energy or cannot provide sufficient energy. The consumer can thus also be continuously supplied with pressure from the first working fluid when, for example, the machine in whose cooling system the device according to the invention is arranged is not being operated due to maintenance work.

Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das erste Reservoir ein im Wesentlichen geschlossener Behälter ist, wobei das erste Reservoir vorzugsweise Mittel zum Temperieren des ersten Arbeitsfluids umfasst, bevorzugt Heizelemente oder Solarkollektoren, und/oder wobei das erste Reservoir im Kühlsystem einer ölgekühlten Vorrichtung angeordnet ist oder durch das Kühlsystem einer ölgekühlten Vorrichtung gebildet wird.A device according to the invention is therefore preferred, wherein the first reservoir is a substantially closed container, wherein the first reservoir preferably comprises means for tempering the first working fluid, preferably heating elements or solar collectors, and/or wherein the first reservoir is arranged in the cooling system of an oil-cooled device or formed by the cooling system of an oil-cooled device.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszulegen, dass das zweite Arbeitsfluid unter Druck durch das zweite Einlassventil in die Arbeitskammer gespritzt werden kann. Entsprechend ist es zielführend, das zweite Reservoir hierfür auszulegen. Auch wenn es theoretisch möglich ist, den entsprechenden Druck durch eine entsprechende höhere Anordnung des zweiten Reservoirs zu realisieren, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das zweite Reservoir durch einen Drucktank auszubilden, welcher unter Druck gesetzt werden kann. Bevorzugt ist daher eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das zweite Reservoir durch einen Tank gebildet wird, wobei das zweite Reservoir bevorzugt so ausgeführt ist, dass das zweite Arbeitsfluid unter Druck durch das zweite Einlassventil in die Arbeitskammer gespritzt werden kann.It has proven particularly advantageous to design the device according to the invention in such a way that the second working fluid can be injected under pressure through the second inlet valve into the working chamber. Accordingly, it is expedient to design the second reservoir for this. Even if it is theoretically possible to achieve the corresponding pressure by arranging the second reservoir correspondingly higher, it has proven to be particularly advantageous to form the second reservoir with a pressure tank which can be pressurized. A device according to the invention is therefore preferred, wherein the second reservoir is formed by a tank, wherein the second reservoir is preferably designed such that the second working fluid can be injected under pressure through the second inlet valve into the working chamber.

Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass das aus dem zweiten Auslassventil austretende verdampfte zweite Arbeitsfluid prinzipiell nach Belieben in einen gesonderten Kreislauf, eine Abluftleitung oder einfach in die Umgebung entlassen werden kann, was insbesondere bei der Verwendung von Wasser als zweites Arbeitsfluid häufig unproblematisch ist. Für viele Anwendungen ist es jedoch nicht wünschenswert, wenn heiße Dämpfe des verdampften zweiten Arbeitsfluids aus der Arbeitskammer unkontrolliert austreten. Insoweit ist es bevorzugt, wenn das zweite Auslassventil mit einem Leitungssystem verbunden ist, durch welches das verdampfte, zweite Arbeitsfluid von der Arbeitskammer weggeführt werden kann. Als besonders vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, wenn die Zu- und Abfuhr des zweiten Arbeitsfluids als Kreislauf ausgeführt wird, in dem auch eine Kühlvorrichtung vorgesehen wird, die dazu eingerichtet ist, das verdampfte zweite Arbeitsfluid, welches durch das zweite Auslassventil aus der Arbeitskammer hinaustritt, abzukühlen und zu kondensieren, sodass dieses über das zweite Reservoir erneut zur Verfügung steht.It is a particular advantage of the device according to the invention that the vaporized second working fluid emerging from the second outlet valve can in principle be discharged as desired into a separate circuit, an exhaust air line or simply into the environment, which is often unproblematic, especially when water is used as the second working fluid is. For many applications, however, it is not desirable if hot vapors from the vaporized second working fluid escape from the working chamber in an uncontrolled manner. In this regard, it is preferred if the second outlet valve is connected to a line system through which the vaporized, second working fluid can be conducted away from the working chamber. It has proven to be particularly advantageous here if the supply and discharge of the second working fluid is implemented as a circuit in which a cooling device is also provided which is set up to cool the evaporated second working fluid which exits the working chamber through the second outlet valve , to cool down and condense, so that it is available again via the second reservoir.

Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das zweite Reservoir fluidleitend mit einer Kühlvorrichtung für das zweite Arbeitsfluid verbunden ist, wobei die Kühlvorrichtung bevorzugt ein indirekter Wärmetauscher ist. Besonders bevorzugt ist dabei eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Kühlvorrichtung für das zweite Arbeitsfluid fluidleitend mit dem zweiten Auslassventil der Arbeitskammer verbunden ist, um eine Kondensation des in der Arbeitskammer verdampften zweiten Arbeitsfluids in der Kühlvorrichtung zu ermöglichen.Accordingly, a device according to the invention is preferred, wherein the second reservoir is connected in a fluid-conducting manner to a cooling device for the second working fluid, wherein the cooling device is preferably an indirect heat exchanger. A device according to the invention is particularly preferred, wherein the cooling device for the second working fluid is fluidly connected to the second outlet valve of the working chamber in order to allow condensation of the second working fluid evaporated in the working chamber in the cooling device.

Die Arbeitskammer ist bevorzugt eine Druckkammer, d.h. eine Kammer, die bei geschlossenen Ventilen einen gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck ohne Deformation aushält, insbesondere von mehr als 100 kPa Überdruck, bevorzugt mehr als 200 kPa Überdruck, besonders bevorzugt mehr als 300 kPa Überdruck. Auch wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung und die Arbeitskammer vorteilhafterweise besonders flexibel hinsichtlich der dreidimensionalen Ausgestaltung sind, hat es sich insbesondere mit Blick auf die Druckbeständigkeit als vorteilhaft erwiesen, diese mit einem ovalen Querschnitt auszuführen, da entsprechende Arbeitskammern regelmäßig besonders robust sind und auch hohen Drücken standhalten. Aus vergleichbaren Überlegungen hat sich insoweit auch als zielführend erwiesen, die Arbeitskammer im Wesentlichen aus Metall auszubilden. Bevorzugt ist daher eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Arbeitskammer eine Druckkammer ist, wobei die Arbeitskammer bevorzugt einen ovalen Querschnitt aufweist, und wobei die Arbeitskammer vorzugsweise im Wesentlichen aus Metall ausgebildet ist, insbesondere aus Eisen, Stahl oder Aluminium.The working chamber is preferably a pressure chamber, i.e. a chamber which, when the valves are closed, can withstand a pressure that is higher than the ambient pressure without deformation, in particular more than 100 kPa overpressure, preferably more than 200 kPa overpressure, particularly preferably more than 300 kPa overpressure. Even if the device according to the invention and the working chamber are advantageously particularly flexible with regard to the three-dimensional design, it has proven to be advantageous, particularly with regard to pressure resistance, to design them with an oval cross section, since corresponding working chambers are usually particularly robust and can also withstand high pressures. Comparable considerations have also proven to be expedient in this respect to form the working chamber essentially from metal. A device according to the invention is therefore preferred, wherein the working chamber is a pressure chamber, wherein the working chamber preferably has an oval cross section, and wherein the working chamber is preferably made essentially of metal, in particular iron, steel or aluminum.

Der Fachmann erkennt, dass zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine spezifische Verfahrenssteuerung notwendig ist, insbesondere hinsichtlich des Öffnens und des Schließens der Einlass- und Auslassventile. Insbesondere, wenn der Austritt des ersten oder zweiten Arbeitsfluids durch ein nicht dafür vorgesehenes Auslassventil verhindert werden soll, ist es angesichts der geschlossenen und regelmäßig nicht einsehbaren Arbeitskammer zielführend, die Vorrichtung so auszulegen, dass während des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung weitere Informationen gesammelt werden können. Insbesondere die Anordnung von Druck und/oder Temperatursensoren im Inneren der Arbeitskammer hat sich hierbei als besonders zielführend erwiesen, um im Bedarfsfall in Abhängigkeit von den Sensordaten die erfindungsgemäße Vorrichtung zu steuern. Bevorzugt ist daher eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei in der Arbeitskammer bevorzugt ein Sensor angeordnet ist, vorzugsweise ein Druck und/oder Temperatursensor. Bevorzugt ist auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei zumindest eines der Einlassventile oder der Auslassventile, bevorzugt das erste Auslassventil und das zweite Auslassventil, besonders bevorzugt sämtliche Einlassventile und Auslassventile, steuerbare Ventile sind und durch eine Ventilsteuerung gesteuert werden, die dazu eingerichtet ist, das eine oder die mehreren Ventile in Abhängigkeit einer Eingabe zu öffnen und zu schließen, wobei die Eingabe bevorzugt an die Betriebszeit oder den Innendruck in der Arbeitskammer gekoppelt ist, oder durch ein vom zweiten Reservoir oder vom Wandler bereitgestelltes Signal vorgegeben wird.Those skilled in the art recognize that to carry out the method described in the inventions a specific process control is necessary for the device according to the invention, in particular with regard to the opening and closing of the inlet and outlet valves. In particular, if the first or second working fluid is to be prevented from escaping through an outlet valve not provided for this purpose, it is expedient, in view of the closed working chamber that is usually not visible, to design the device in such a way that further information can be collected during operation of the device according to the invention. In particular, the arrangement of pressure and/or temperature sensors inside the working chamber has proven to be particularly expedient in order to control the device according to the invention as a function of the sensor data if necessary. A device according to the invention is therefore preferred, with a sensor preferably being arranged in the working chamber, preferably a pressure and/or temperature sensor. A device according to the invention is also preferred, wherein at least one of the inlet valves or the outlet valves, preferably the first outlet valve and the second outlet valve, particularly preferably all inlet valves and outlet valves, are controllable valves and are controlled by a valve controller that is set up to to open and close the plurality of valves in response to an input, the input preferably being coupled to the operating time or the internal pressure in the working chamber, or being dictated by a signal provided by the second reservoir or the converter.

Die Arbeitskammer ist im ersten Reservoir angeordnet. Dies bedeutet, dass die erste Arbeitskammer im Betrieb zumindest teilweise von dem ersten Arbeitsfluid umgeben ist. Hierdurch ist regelmäßig eine besonders effiziente Nachlieferung des ersten Arbeitsfluids in die Arbeitskammer möglich und die Arbeitskammer wird durch das umgebende warme Arbeitsfluid besonders effizient auf der Temperatur des ersten Arbeitsfluids gehalten, sodass eine ungewollte Kondensation des zweiten Arbeitsfluids im Inneren der Arbeitskammer auch dann verhindert werden kann, wenn das zweite Arbeitsfluid das erste Arbeitsfluid bereits weitgehend aus der Kammer verdrängt hat. Dies hat sich insbesondere dann als zielführend erwiesen, wenn das erfindungsgemäße Verfahren in der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders langsam und kontrolliert ausgeführt werden soll, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn die Arbeitstemperatur des ersten Arbeitsfluids nur geringfügig über der Siedetemperatur des zweiten Arbeitsfluids liegt. Erfindungsgemäß ist daher eine Vorrichtung, wobei die Arbeitskammer im ersten Reservoir angeordnet ist.The working chamber is arranged in the first reservoir. This means that the first working chamber is at least partially surrounded by the first working fluid during operation. As a result, a particularly efficient subsequent delivery of the first working fluid into the working chamber is regularly possible and the working chamber is kept at the temperature of the first working fluid particularly efficiently by the surrounding warm working fluid, so that unwanted condensation of the second working fluid inside the working chamber can also be prevented when the second working fluid has already largely displaced the first working fluid from the chamber. This has proven to be expedient in particular when the method according to the invention is to be carried out particularly slowly and in a controlled manner in the device according to the invention, as is the case, for example, when the working temperature of the first working fluid is only slightly above the boiling point of the second working fluid. According to the invention, therefore, is a device in which the working chamber is arranged in the first reservoir.

Es kann als Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung angesehen werden, dass diese hinsichtlich der Ausgestaltung der Einlass- und Auslassventile relativ flexibel ist. Als besonders geeignete Ausgestaltung für das erste und zweite Einlassventil sowie das erste und zweite Auslassventil haben sich Rückschlagventile erwiesen, die der Fachmann in verschiedenen Ausgestaltungen kennt und die dafür sorgen, dass das Arbeitsfluid nur in jeweils eine Richtung hindurchtreten kann. Bevorzugt ist folglich eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das erste Einlassventil als Rückschlagventil ausgebildet ist, und/oder wobei das zweite Einlassventil als Einspritzventil ausgebildet ist, und/oder wobei das erste Auslassventil als Rückschlagventil ausgebildet ist, und/oder wobei das zweite Auslassventil als Rückschlagventil ausgebildet ist.It can be seen as an advantage of the device according to the invention that it is relatively flexible with regard to the configuration of the inlet and outlet valves. Check valves have proven to be a particularly suitable configuration for the first and second inlet valve and the first and second outlet valve, which are known to those skilled in the art in various configurations and which ensure that the working fluid can only pass through in one direction. A device according to the invention is therefore preferred, in which the first inlet valve is designed as a check valve, and/or the second inlet valve is designed as an injection valve, and/or the first outlet valve is designed as a check valve, and/or the second outlet valve is designed as a check valve is.

Wie vorstehend offenbart, ist es im Prinzip möglich, auch das zweite Einlassventil, d.h. das Einlassventil für das zweite Arbeitsfluid, als Rückschlagventil auszubilden. Jedoch hat es sich in eigenen Versuchen als besonders vorteilhaft erwiesen, dass zweite Einlassventil als Einspritzventil auszubilden, d.h. als Einlassventil, welches das eingegebene zweite Arbeitsfluid beim Eingeben zumindest teilweise zerstäubt. Hintergrund ist, dass durch eine zumindest teilweise Zerstäubung, wie sie durch ein Einspritzventil erzeugt wird, eine besonders große Oberfläche des zweiten Arbeitsfluids erzeugt wird, welches infolge dieses Einspritzens als feiner verteilte Tröpfchen im ersten Arbeitsfluid vorliegt. Hierdurch wird ein besonders effizienter Wärmeübertrag zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsfluid ermöglicht und die Verdampfung des zweiten Arbeitsfluids erfolgt schneller und gleichmäßiger. Hieran ist besonders vorteilhaft, dass mit einer entsprechenden erfindungsgemäßen Vorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren mit einer besonders hohen Taktfrequenz ausgeführt werden kann.As disclosed above, it is in principle possible to also design the second inlet valve, i.e. the inlet valve for the second working fluid, as a check valve. However, in our own tests it has proven particularly advantageous to design the second inlet valve as an injection valve, i.e. as an inlet valve which at least partially atomizes the input second working fluid when it is input. The background is that at least partial atomization, as is generated by an injection valve, produces a particularly large surface area of the second working fluid, which as a result of this injection is present as finely distributed droplets in the first working fluid. This enables a particularly efficient heat transfer between the first and the second working fluid and the evaporation of the second working fluid takes place more quickly and more evenly. It is particularly advantageous here that the method according to the invention can be carried out with a particularly high clock frequency using a corresponding device according to the invention.

Wie vorstehend erläutert, kann das zweite Auslassventil mit einem beliebigen Abnehmer fluidleitend verbunden werden und beim Durchlaufen des erfindungsgemäßen Verfahrens in der erfindungsgemäßen Vorrichtung periodisch Druck der ersten Arbeitsflüssigkeit an den Abnehmer weitergeben. Es ist daher besonders bevorzugt, das erste Auslassventil fluidleitend mit einem Wandler zu verbinden, der den Strom des zweiten Arbeitsfluids bzw. den erzeugten Druck in eine Hub- und/oder Drehbewegung eines beweglichen Elements wandelt. Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das erste Auslassventil fluidleitend mit einem Wandler verbunden ist, wobei der Wandler vorzugsweise dazu eingerichtet ist, einen Strom des ersten Arbeitsfluids und/oder einen durch das erste Arbeitsfluid erzeugten Druck in eine Hub- und/oder Drehbewegung eines beweglichen Elements zu wandeln, wobei die Hub- und/oder Drehbewegung bevorzugt zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt werden kann, wobei der Wandler besonders bevorzugt ein Generator ist.As explained above, the second outlet valve can be fluidly connected to any consumer and, when the method according to the invention is run through in the device according to the invention, periodically pass on the pressure of the first working fluid to the consumer. It is therefore particularly preferred to connect the first outlet valve in a fluid-conducting manner to a converter which converts the flow of the second working fluid or the pressure generated into a lifting and/or rotary movement of a movable element. A device according to the invention is therefore preferred, in which the first outlet valve is fluidly connected to a converter, the converter preferably being set up to convert a flow of the first working fluid and/or a pressure generated by the first working fluid into a lifting and/or rotary movement to convert moving element, the lifting and / or rotary movement preferred for generating electrical energy can be used, the converter particularly preferably being a generator.

Wie vorstehend bereits am Beispiel des zweiten Reservoirs und des Kühlelements erläutert, hat es sich auch als besonders vorteilhaft erwiesen, den Fluss des zweiten Arbeitsfluids als Kreislauf auszugestalten, sodass das zum Wandler geführte erste Arbeitsfluid in bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtungen in das erste Reservoir zurückgeführt werden kann, da in diesen ein entsprechender Kreislauf vorgesehen wird. Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei der Wandler fluidleitend mit dem ersten Reservoir verbunden ist, so dass das erste Arbeitsfluid im Betrieb aus dem Wandler in das erste Reservoir zurückgeführt werden kann.As already explained above using the example of the second reservoir and the cooling element, it has also proven to be particularly advantageous to design the flow of the second working fluid as a circuit, so that the first working fluid guided to the converter can be returned to the first reservoir in preferred devices according to the invention. since a corresponding circuit is provided in these. A device according to the invention is preferred, wherein the converter is connected to the first reservoir in a fluid-conducting manner, so that the first working fluid can be fed back from the converter into the first reservoir during operation.

Der Fachmann versteht, dass die für den Einsatz vorbereitete erfindungsgemäße Vorrichtung im ersten Reservoir das erste Arbeitsfluid und im zweiten Reservoir das zweite Arbeitsfluid umfasst. Auch wenn es denkbar wäre, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zumindest teilweise gasförmigen Arbeitsfluiden zu betreiben, sind das erste und/oder das zweite Arbeitsfluid bei 20 °C und 100 kPa Druck bevorzugt Flüssigkeiten. Wie vorstehend erläutert, sind diese beiden Arbeitsfluide so auszulegen, dass zwischen ihnen eine Differenz im Siedepunkt besteht. Der Fachmann versteht, dass es hierbei besonders zielführend ist, die Differenz im Siedepunkt zwischen den beiden Arbeitsfluiden möglichst groß auszulegen. Hierdurch ist es möglich, dass das erste Arbeitsfluid deutlich heißer sein kann als die Siedetemperatur des zweiten Arbeitsfluids, ohne selbst zu verdampfen. Hierdurch wird regelmäßig eine besonders schnelle Verdampfung des eingegebenen zweiten Arbeitsfluids erreicht. Bevorzugt ist daher eine erfindungsgemäße Vorrichtung, zusätzlich umfassend im ersten Reservoir ein erstes Arbeitsfluid und im zweiten Reservoir ein zweites Arbeitsfluid. Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das erste Arbeitsfluid und/oder das zweite Arbeitsfluid Flüssigkeiten sind, wobei das erste Arbeitsfluid bei Atmosphärendruck vorzugsweise einen höheren Siedepunkt hat als das zweite Arbeitsfluid, wobei die Differenz im Siedepunkt bevorzugt mehr als 30 °C, besonders bevorzugt mehr als 50 °C, ganz besonders bevorzugt mehr als 100 °C, beträgt.The person skilled in the art understands that the device according to the invention prepared for use comprises the first working fluid in the first reservoir and the second working fluid in the second reservoir. Even if it were conceivable to operate the device according to the invention with at least partially gaseous working fluids, the first and/or the second working fluid are preferably liquids at 20° C. and 100 kPa pressure. As discussed above, these two working fluids are designed to have a boiling point difference between them. The person skilled in the art understands that it is particularly expedient here to design the difference in the boiling point between the two working fluids to be as large as possible. This makes it possible for the first working fluid to be significantly hotter than the boiling point of the second working fluid without evaporating itself. As a result, a particularly rapid evaporation of the input second working fluid is regularly achieved. A device according to the invention is therefore preferred, additionally comprising a first working fluid in the first reservoir and a second working fluid in the second reservoir. A device according to the invention is particularly preferred, wherein the first working fluid and/or the second working fluid are liquids, wherein the first working fluid preferably has a higher boiling point at atmospheric pressure than the second working fluid, the difference in the boiling point preferably being more than 30° C., particularly preferably is more than 50°C, most preferably more than 100°C.

Der Fachmann erkennt, dass wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung auch das erste und das zweite Arbeitsfluid umfasst, diese so ausgewählt werden sollten, dass diese nicht vollständig, bevorzugt überhaupt nicht, homogen miteinander mischbar sind. Zwar ist es prinzipiell auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Arbeitsfluiden zu betreiben, die zumindest nicht vollständig miteinander mischbar sind, oder bei denen eine vollständige Mischung der beiden Fluide im Arbeitsraum zu einer Verringerung der Siedetemperatur und damit einem Verdampfen des Gemisches führt, jedoch sind diese Ausgestaltungen eindeutig nicht bevorzugt, insbesondere da sich bei Durchlaufen mehrerer Zyklen eine regelmäßig nur schwer zu behebende Vermischung der zwei Arbeitsfluide einstellen würde. Es kann als besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung angesehen werden, dass als nicht homogen miteinander mischbare Arbeitsfluide vergleichsweise leicht verfügbare Substanzen wie beispielsweise Öle, bspw. Mineralöl, und Wasser verwendet werden können, wobei das Öl die höher siedende Komponente und das Wasser das zweite Arbeitsfluid bildet. Bevorzugt ist also eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das erste Arbeitsfluid und das zweite Arbeitsfluid nicht homogen miteinander mischbar sind, wobei das erste Arbeitsfluid vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ölen, bevorzugt Mineralölen, und wobei das zweite Arbeitsfluid vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus polaren Flüssigkeiten, bevorzugt Wasser.The person skilled in the art recognizes that if the device according to the invention also comprises the first and the second working fluid, these should be selected in such a way that they are not completely, preferably not at all, homogeneously miscible with one another. In principle, it is also possible to operate the device according to the invention with two working fluids that are at least not completely miscible with one another, or in which complete mixing of the two fluids in the working chamber leads to a reduction in the boiling temperature and thus evaporation of the mixture these configurations are clearly not preferred, in particular since running through a number of cycles would result in mixing of the two working fluids, which is usually difficult to rectify. It can be regarded as a particular advantage of the present invention that comparatively readily available substances such as oils, e.g. mineral oil, and water can be used as working fluids that are not homogeneously miscible with one another, with the oil forming the higher-boiling component and the water forming the second working fluid . A device according to the invention is therefore preferred in which the first working fluid and the second working fluid are not homogeneously miscible with one another, the first working fluid preferably being selected from the group consisting of oils, preferably mineral oils, and the second working fluid preferably being selected from the group consisting from polar liquids, preferably water.

Funktional definiert ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu geeignet, dass das zweite Arbeitsfluid aus dem zweiten Reservoir durch das zweite Einlassventil in die Arbeitskammer eingegeben werden kann, die sich durch das erste Einlassventil mit dem im ersten Reservoir angeordneten ersten Arbeitsfluid füllen kann, so dass es infolge der Temperatur des ersten Arbeitsfluids zu einer Verdampfung des zweiten Arbeitsfluids kommen kann, wobei die dabei verrichtete Volumenarbeit das erste Arbeitsfluid aus der Arbeitskammer durch das erste Auslassventil drückt, bevor das gasförmige zweite Arbeitsfluid durch das durch das erste Einlassventil nachströmende erste Arbeitsfluid verdrängt wird und durch das zweite Auslassventil aus der Arbeitskammer austritt.Functionally defined, the device according to the invention is suitable for the second working fluid to be fed from the second reservoir through the second inlet valve into the working chamber, which can be filled through the first inlet valve with the first working fluid located in the first reservoir, so that as a result of the Temperature of the first working fluid can lead to evaporation of the second working fluid, with the volume work performed pushing the first working fluid out of the working chamber through the first outlet valve before the gaseous second working fluid is displaced by the first working fluid flowing through the first inlet valve and by the second exhaust valve exits the working chamber.

Die Erfindung betrifft im Lichte der vorstehenden Ausführungen zudem ein Verfahren zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch Wechselwirkung eines ersten Arbeitsfluids und eines zweiten Arbeitsfluids mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend die Schritte:

a) Eingeben des zweiten Arbeitsfluids aus dem zweiten Reservoir durch das zweite Einlassventil in die mit dem ersten Arbeitsfluid gefüllte Arbeitskammer, wobei das zweite Arbeitsfluid einen niedrigeren Siedepunkt aufweist als das erste Arbeitsfluid und vorzugsweise nicht mit diesem homogen mischbar ist,
b) Verdampfen des zweiten Arbeitsfluids infolge der Temperatur des ersten Arbeitsfluids,
c) Verdrängen des ersten Arbeitsfluids durch das verdampfte zweite Arbeitsfluid aus der Arbeitskammer durch das erste Auslassventil, und
d) Verdrängen des verdampften zweiten Arbeitsfluids aus der Arbeitskammer durch das zweite Auslassventil infolge des durch das erste Einlassventil einströmenden ersten Arbeitsfluids.

In the light of the above statements, the invention also relates to a method for converting heat into mechanical work through the interaction of a first working fluid and a second working fluid with a device according to the invention, comprising the steps:

a) Entering the second working fluid from the second reservoir through the second inlet valve into the working chamber filled with the first working fluid, the second working fluid having a lower boiling point than the first working fluid and preferably not being homogeneously miscible with the latter,
b) evaporation of the second working fluid due to the temperature of the first working fluid,
c) displacing the first working fluid with the vaporized second working fluid from the working chamber through the first outlet valve, and
d) displacement of the vaporized second working fluid from the working chamber through the second outlet valve as a result of the first working fluid flowing in through the first inlet valve.

Bevorzugt ist dabei ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei das verdrängte zweite Arbeitsfluid durch die zweite Auslassöffnung zu einer Kühlvorrichtung geführt und anschließend in das zweite Reservoir zurückgeführt wird, und/oder wobei das aus der Arbeitskammer verdrängte erste Arbeitsfluid an einem Wandler mechanische Arbeit verrichtet, wobei das verdrängte erste Arbeitsfluid vorzugsweise aus dem Wandler wieder in das erste Reservoir zurückgeführt wird, und/oder wobei das erste Arbeitsfluid durch Mittel zum Temperieren des ersten Reservoirs temperiert wird.A method according to the invention is preferred, in which the displaced second working fluid is conducted through the second outlet opening to a cooling device and then returned to the second reservoir, and/or in which the first working fluid displaced from the working chamber performs mechanical work on a converter, the displaced first working fluid is preferably returned from the converter to the first reservoir, and/or wherein the first working fluid is tempered by means for tempering the first reservoir.

Bevorzugt ist zudem ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei das Verfahren so ausgeführt wird, dass das erste Arbeitsfluid nicht durch das zweite Auslassventil aus der Arbeitskammer austritt und/oder dass das zweite Arbeitsfluid nicht durch das erste Auslassventil aus der Arbeitskammer austritt.A method according to the invention is also preferred, the method being carried out in such a way that the first working fluid does not exit the working chamber through the second outlet valve and/or the second working fluid does not exit the working chamber through the first outlet valve.

Abschließend wird zudem die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch Wechselwirkung eines ersten und eines zweiten Arbeitsfluids offenbart, bevorzugt in einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Wärme vorzugsweise die Abwärme einer Vorrichtung ist oder durch Sonneneinstrahlung bereitgestellt wird.Finally, the use of a device according to the invention for converting heat into mechanical work through the interaction of a first and a second working fluid is also disclosed, preferably in a method according to the invention, the heat preferably being the waste heat of a device or being provided by solar radiation.

Nachfolgend werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert und beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren gleiche Bauteile.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt.
2 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Arbeitskammer einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zu drei beispielhaften Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Arbeitskammer einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zu drei beispielhaften Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt schematisch den Querschnitt durch eine Arbeitskammer einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zu drei beispielhaften Zeitpunkten des erfindungsgemäßen Verfahrens.

The invention and preferred embodiments of the invention are explained and described in more detail below with reference to the accompanying figures. In this case, the same reference symbols in different figures denote the same components.

1 shows a schematic representation of a preferred device according to the invention in cross section.
2 shows schematically the cross section through a working chamber of a preferred device according to the invention at three exemplary points in time of the method according to the invention.
3 shows schematically the cross section through a working chamber of a preferred device according to the invention at three exemplary points in time of the method according to the invention.
4 shows schematically the cross section through a working chamber of a preferred device according to the invention at three exemplary points in time of the method according to the invention.

1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in einer bevorzugten Ausführungsform. Die Vorrichtung 10 ist zur Wandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch Wechselwirkung eines ersten Arbeitsfluids 12 und eines zweiten Arbeitsfluids 14 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, wobei die Arbeitsfluide in 1 nicht eingetragen sind. 1 shows a schematic cross-sectional representation of a device 10 according to the invention in a preferred embodiment. The device 10 is suitable for converting heat into mechanical work through the interaction of a first working fluid 12 and a second working fluid 14 by means of the method according to the invention, the working fluids in 1 are not registered.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 umfasst ein erstes Reservoir 16, welches zur Aufnahme des ersten Arbeitsfluids 12 bestimmt ist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 10 ein zweites Reservoir 18, welches zur Aufnahme des zweiten Arbeitsfluids 14 bestimmt ist. Zentral in 1 angeordnet ist die Arbeitskammer 20, die in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 im ersten Reservoir 16 angeordnet ist, über einen ovalen Querschnitt verfügt und aus Edelstahl besteht. Die Arbeitskammer 20 umfasst insgesamt vier Ventile, durch die das Ein- und Ausströmen der Arbeitsfluide in die Arbeitskammer 20 geregelt werden kann.The device 10 according to the invention comprises a first reservoir 16 which is intended to hold the first working fluid 12 . In addition, the device 10 includes a second reservoir 18 which is intended to hold the second working fluid 14 . central in 1 arranged is the working chamber 20, which is arranged in the illustrated preferred embodiment of the device 10 according to the invention in the first reservoir 16, has an oval cross-section and is made of stainless steel. The working chamber 20 comprises a total of four valves, through which the inflow and outflow of the working fluids into the working chamber 20 can be regulated.

Sämtliche der gezeigten Ventile sind verschließbar und erlauben im offenen Zustand nur den Durchtritt von Arbeitsfluid in jeweils eine Richtung. Das erste Einlassventil 22 und das zweite Einlassventil 24 erlauben den Durchtritt von Arbeitsfluid in die Arbeitskammer hinein. Im Gegensatz hierzu erlauben das erste Auslassventil 26 und das zweite Auslassventil 28 den Durchtritt von Arbeitsfluid nur aus der Arbeitskammer 20 hinaus.All of the valves shown can be closed and, in the open state, only allow the passage of working fluid in one direction at a time. The first inlet valve 22 and the second inlet valve 24 allow passage of working fluid into the working chamber. In contrast, the first exhaust valve 26 and the second exhaust valve 28 permit the passage of working fluid only out of the working chamber 20 .

Das erste Einlassventil 22 ist fluidleitend mit dem ersten Reservoir 16 verbunden, was in der dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht wird, dass dieses bei ausreichendem Füllstand des ersten Arbeitsfluids 12 im ersten Reservoir 16 von außen unmittelbar bedeckt wird. Das zweite Einlassventil 24, welches vorliegend als Einspritzventil ausgebildet ist, ist fluidleitend mit dem zweiten Reservoir 18 verbunden.The first inlet valve 22 is fluidly connected to the first reservoir 16, which is achieved in the illustrated embodiment in that it is covered directly from the outside when the first working fluid 12 in the first reservoir 16 is sufficiently filled. The second inlet valve 24, which is embodied as an injection valve in the present case, is connected to the second reservoir 18 in a fluid-conducting manner.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Reservoir 18 fluidleitend mit einer Kühlvorrichtung 30 verbunden, deren anderes Ende fluidleitend mit dem zweiten Auslassventil 28 verbunden ist, sodass für das zweite Arbeitsfluid 14 ein Kühlkreislauf gebildet wird. Das in der Arbeitskammer 20 verdampfte zweite Arbeitsfluid 14 kann nach dem Austritt durch das zweite Auslassventil 28 somit zu der Kühlvorrichtung 30 geführt werden, wo es kondensiert und anschließend wieder ins zweite Reservoir 18 gelangt.In the preferred embodiment shown, the second reservoir 18 is fluidly connected to a cooling device 30, the other end of which is fluidly connected to the second outlet valve 28, so that a cooling circuit is formed for the second working fluid 14. The second working fluid 14 evaporated in the working chamber 20 can thus be conducted to the cooling device 30 after exiting through the second outlet valve 28 , where it condenses and then returns to the second reservoir 18 .

Darüber hinaus ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform das erste Auslassventil 26 fluidleitend mit einem Wandler 32 verbunden, bei dem es sich um einen Wandler handelt, welcher den von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Druck des ersten Arbeitsfluids 12 in die mechanische Bewegung einer Welle überführt. Der Wandler 32 ist an seinem Auslass fluidleitend mit dem ersten Reservoir 16 verbunden, sodass das erste Arbeitsfluid 12, welches aus der Arbeitskammer 20 durch den Wandler 32 geführt wird, anschließend wieder zurück in das erste Reservoir 16 geführt werden kann, wo es für den weiteren Verfahrensverlauf zur Verfügung steht.In addition, in the in 1 In the illustrated embodiment, the first outlet valve 26 is fluidly connected to a converter 32, which is a converter which converts the pressure of the first working fluid 12 generated by the device according to the invention into the mechanical movement of a shaft. The converter 32 is connected to the first reservoir 16 in a fluid-conducting manner at its outlet, so that the first working fluid 12, which is conducted from the working chamber 20 through the converter 32, can then be conducted back into the first reservoir 16, where it can be used for the further process is available.

In der dargestellten Ausführungsform gemäß 1 ist das zweite Reservoir 18 als geschlossener Behälter, nämlich als Drucktank ausgeführt. Das erste Reservoir 16 umfasst an seiner Unterseite Heizelemente, durch die das erste Arbeitsfluid 12 temperiert werden kann (nicht gezeigt). In der abgebildeten Ausführungsform ist im Inneren der Arbeitskammer 20 ein Drucksensor angeordnet (nicht gezeigt), in Abhängigkeit von dessen Messsignal sämtliche Einlassventile und Auslassventile durch eine Ventilsteuerung gesteuert werden. In the illustrated embodiment according to 1 the second reservoir 18 is designed as a closed container, namely as a pressure tank. The first reservoir 16 includes heating elements on its underside, by means of which the first working fluid 12 can be tempered (not shown). In the illustrated embodiment, a pressure sensor (not shown) is arranged in the interior of the working chamber 20, and all of the inlet valves and outlet valves are controlled by a valve controller as a function of its measurement signal.

Die 2, 3 und 4 zeigen jeweils drei schematische Querschnitte durch die Arbeitskammer 20 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zu unterschiedlichen Zeiten des Betriebes im erfindungsgemäßen Verfahren, Insoweit sind die 2 bis 4 gut dazu geeignet, das erfindungsgemäße Verfahren zu visualisieren.the 2 , 3 and 4 each show three schematic cross sections through the working chamber 20 of a device 10 according to the invention at different times of operation in the method according to the invention 2 until 4 well suited to visualize the method according to the invention.

2 zeigt in der linken Darstellung eine Arbeitskammer 20, bei der sämtliche Ventile geschlossen sind. Die Arbeitskammer ist mit dem ersten Arbeitsfluid 12 gefüllt, welches eine erhöhte Temperatur aufweist, In der Mitte der 2 ist schematisch angedeutet, dass das zweite Einlassventil 24 geöffnet wird, um zweites Arbeitsfluid 14 in die Arbeitskammer 20 einzulassen. In der rechten Darstellung von 2 ist visualisiert, wie das Volumen des eingebrachten zweiten Arbeitsfluids 14 infolge der Verdampfung steigt, die durch die erhöhte Temperatur des ersten Arbeitsfluids 12 und die gegenüber dem ersten Arbeitsfluid 12 verringerte Siedetemperatur des zweiten Arbeitsfluids 14 verursacht wird. 2 shows in the illustration on the left a working chamber 20 in which all valves are closed. The working chamber is filled with the first working fluid 12, which has an elevated temperature in the middle of the 2 is indicated schematically that the second inlet valve 24 is opened in order to admit second working fluid 14 into the working chamber 20 . In the right representation of 2 is visualized how the volume of the introduced second working fluid 14 increases as a result of the evaporation caused by the increased temperature of the first working fluid 12 and the reduced boiling temperature of the second working fluid 14 compared to the first working fluid 12 .

Insoweit ist in der rechten Abbildung von 2 zu erkennen, dass das zweite Einlassventil 24 nunmehr geschlossen ist, um einen Zufluss von weiterem zweiten Arbeitsfluid 14 in die Arbeitskammer 20 während der Expansion zu verhindern. Stattdessen ist das erste Auslassventil 26 geöffnet, durch welches im Zuge der Expansion des zweiten Arbeitsfluids 14 das flüssige erste Arbeitsfluid aus der Arbeitskammer 20 hinaustreten kann. In den zwei linken Darstellungen der 3 ist schematisch angedeutet, wie die zunehmende Expansion des zweiten Arbeitsfluids 14 das erste Arbeitsfluid 12 zunehmend aus dem Inneren der Arbeitskammer 20 verdrängt. Dies erfolgt im gezeigten Beispiel so weit, bis die maximale Expansion des zweiten Arbeitsfluids 14 erreicht wird oder bis die Gefahr besteht, dass zweites Arbeitsfluid 14 aus dem ersten Auslassventil 26 austreten könnte. In diesem Moment wird das erste Auslassventil 26 geschlossen. Im Anschluss wird das zweite Auslassventil 28 geöffnet, durch das das gasförmige zweite Arbeitsfluid 14 aus der Arbeitskammer 20 austreten kann.In that regard, in the right figure of 2 to recognize that the second inlet valve 24 is now closed to prevent an inflow of further second working fluid 14 into the working chamber 20 during the expansion. Instead, the first outlet valve 26 is open, through which the liquid first working fluid can escape from the working chamber 20 in the course of the expansion of the second working fluid 14 . In the two illustrations on the left 3 is indicated schematically how the increasing expansion of the second working fluid 14 increasingly displaces the first working fluid 12 from the interior of the working chamber 20 . In the example shown, this takes place until the maximum expansion of the second working fluid 14 is reached or until there is a risk that the second working fluid 14 could escape from the first outlet valve 26 . At this moment, the first outlet valve 26 is closed. The second outlet valve 28 is then opened, through which the gaseous second working fluid 14 can escape from the working chamber 20 .

Um das Austreten des zweiten Arbeitsfluids 14 aus der Arbeitskammer 20 zu beschleunigen und eine neue Befüllung der Arbeitskammer 20 mit dem ersten Arbeitsfluid 12 zu ermöglichen, wird in diesem Beispiel zeitgleich auch das erste Einlassventil 22 geöffnet. Der fortschreitende Prozess der Wiederbefüllung der Arbeitskammer 20 mit dem ersten Arbeitsfluid 12 ist in den beiden linken Darstellungen der 4 abgebildet, wobei in der mittleren Darstellung der Ausgangspunkt erreicht wurde, der der linken Darstellung in 2 entspricht. Die rechte Darstellung in 4 entspricht der mittleren Darstellung von 2 und visualisiert, dass das erfindungsgemäße Verfahren nunmehr erneut von vorne durchgeführt werden kann.In order to accelerate the exit of the second working fluid 14 from the working chamber 20 and to allow the working chamber 20 to be refilled with the first working fluid 12, the first inlet valve 22 is also opened at the same time in this example. The progressive process of refilling the working chamber 20 with the first working fluid 12 is shown in the two illustrations on the left 4 shown, whereby the starting point was reached in the middle representation, that of the left representation in 2 is equivalent to. The right representation in 4 corresponds to the middle representation of 2 and visualizes that the method according to the invention can now be carried out again from the beginning.

BezugszeichenlisteReference List

1010: Vorrichtungcontraption
1212: erstes Arbeitsfluidfirst working fluid
1414: zweites Arbeitsfluidsecond working fluid
1616: erstes Reservoirfirst reservoir
1818: zweites Reservoirsecond reservoir
2020: Arbeitskammerworking chamber
2222: erstes Einlassventilfirst intake valve
2424: zweites Einlassventilsecond intake valve
2626: erstes Auslassventilfirst exhaust valve
2828: zweites Auslassventilsecond exhaust valve
3030: Kühlvorrichtungcooler
3232: Wandlerconverter

Claims

Device (10) for converting heat into mechanical work through the interaction of a first working fluid (12) and a second working fluid (14), comprising - a first reservoir (16) which is suitable for receiving the first working fluid (12), - a second reservoir (18) which is suitable for receiving the second working fluid (14), and - a working chamber (20), the working chamber (20) comprising: - at least one first inlet valve (22) and at least one second inlet valve (24), which are closable and set up to prevent the passage of working fluid only into the working chamber (20) to allow in, - at least one first outlet valve (26) and at least one second outlet valve (28), which are closable and set up to allow the passage of working fluid only out of the working chamber (20), wherein the first inlet valve (22) is fluidly connected to the first reservoir (16), and wherein the second inlet valve (24) is fluidly connected to the second reservoir (18), characterized in that the working chamber (20) is arranged in the first reservoir (16).

Device (10) after claim 1 , wherein the first reservoir (16) is a substantially closed container, wherein the first reservoir (16) preferably comprises means for tempering the first working fluid, preferably heating elements or solar collectors, and / or wherein the first reservoir is arranged in the cooling system of an oil-cooled device or formed by the cooling system of an oil-cooled device.

Device (10) according to one of Claims 1 or 2 , wherein the second reservoir (18) is fluidly connected to a cooling device (30) for the second working fluid (14), wherein the cooling device (30) is preferably an indirect heat exchanger.

Device (10) after claim 3 , wherein the cooling device (30) for the second working fluid (14) is fluidly connected to the second outlet valve (28) of the working chamber (20) in order to condense the second working fluid (14) evaporated in the working chamber (20) in the cooling device ( 30) to allow.

Device (10) according to one of Claims 1 until 4 , A sensor being preferably arranged in the working chamber (20), preferably a pressure and/or temperature sensor.

Device (10) according to one of Claims 1 until 5 , wherein at least one of the intake valves or the exhaust valves, preferably the first exhaust valve (26) and the second exhaust valve (28), particularly preferably all intake valves and exhaust valves, are controllable valves and are controlled by a valve controller that is set up to one or to open and close the plurality of valves depending on an input, the input preferably being linked to the operating time or the internal pressure in the working chamber (20).

Device (10) according to one of Claims 1 until 6 , wherein the first outlet valve (26) is fluidly connected to a converter (32), wherein the converter (32) is preferably set up to convert a flow of the first working fluid (12) and/or a pressure generated by the first working fluid into a stroke - To convert and / or rotary motion of a movable element, wherein the lifting and / or rotary motion can preferably be used to generate electrical energy, wherein the converter (32) is particularly preferably a generator.

Method for converting heat into mechanical work by interaction of a first working fluid (12) and a second working fluid (14) with a device (10) according to one of Claims 1 until 7 , comprising the steps of: a) entering the second working fluid (14) from the second reservoir (18) through the second inlet valve (24) into the working chamber (20) filled with the first working fluid (12), the second working fluid (14) has a lower boiling point than the first working fluid (12) and is preferably not homogeneously miscible with it, b) evaporation of the second working fluid (14) as a result of the temperature of the first working fluid (12), c) displacement of the first working fluid (12) by the evaporated second working fluid (14) from the working chamber (20) through the first outlet valve (26), and d) displacing the evaporated second working fluid (14) from the working chamber (20) through the second outlet valve (28) as a result of through the first inlet valve (22) inflowing first working fluid (12).

procedure after claim 8 , wherein the method is carried out in such a way that the first working fluid (12) does not exit the working chamber (20) through the second outlet valve (28) and/or that the second working fluid (14) does not exit the working chamber (20) through the first outlet valve (26). Working chamber (20) exits.