EP2459848A2

EP2459848A2 - Energieumwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: EP2459848A2
Application number: EP10742728A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Schilling
Original assignee: Dynatronic GmbH
Current assignee: Dynatronic GmbH
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-06-06
Also published as: WO2011012299A2; WO2011012299A3

Abstract

Eine Energieumwandlungsvorrichtung basiert auf einem thermodynamischen Kreisprozess (2), der an eine Wärmekraftmaschine (1) gekoppelt ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst eine erste Energieumwandlungskomponente (11) zur Umwandlung von Druckenergie in mechanische Bewegungsenergie. Die erste Energieumwandlungskomponente (11) kann insbesondere ein Druckzylinder (12) mit einem darin beweglichen Arbeitskolben sein. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst ferner eine zweite Energieumwandlungskomponente (3) zur Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie. Die zweite Energieumwandlungskomponente kann insbesondere ein Lineargenerator sein. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst auch eine Einlass-Ventilanordnung (5) und eine Auslass-Ventilanordnung (6), die mit der ersten Energieumwandlungskomponente (11) zusammenwirken, und eine elektronische Steuerung (23) zur Steuerung der Kopplung der Wärmekraftmaschine (1) an den thermodynamischen Kreisprozess (2) und zur Steuerung der Ventilanordnungen (5, 6). Mehrere, vorzugsweise alle, bewegten mechanischen Komponenten der Wärmekraftmaschine (1) sind zu einer Anordnung zusammengefasst, die in einem statisch abgedichteten Raum, vorzugsweise einem geschlossenen Gehäuse (7), untergebracht ist.

Description

Energieumwandlungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Energieumwandlungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Stromversorgung von elektrischen Komponenten einer solchen Energieum- Wandlungsvorrichtung.

Eine solche Energieumwandlungsvorrichtung ist aus der DE 10 2006 056 349 A1 und als Weiterbildung in Form eines Strom produzierenden Heizsystems für ein Wohnobjekt, mit dem die Räume und/oder das Brauchwasser des Objekts beheizt werden, aus der DE 10 2007 060 666 A1 bekannt. Beim letztgenannten Heizsystem regelt eine Steuerung eine thermische Kopplung einer konventionellen Heizanlage und einer am Objekt verfügbaren Wärmequelle. Das System um- fasst weiterhin mehrere Wärmeverbraucher zur wechselseitigen Wärme- und Stromproduktion. Einer der Wärmeverbraucher ist ein auf einem thermodynami- schen Kreisprozess, insbesondere einem ORC-Kreisprozess (Organic Rankine Cycle) oder Kaüna-Kreisprozess, basierendes Umwandlungssystem für die Umwandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom. Die im thermo- dynamischen Kreisprozess auftretende Kondensationswärme wird entweder an weitere Wärmeverbraucher oder an eine am Objekt verfügbare thermische Wärmesenke übertragen. Ein grundlegendes Problem bei der Verwendung eines ORC- oder Kalina-

Kreisprozesses ist, dass vor oder während der Expansion des Arbeitsmediums aufgrund des Überdrucks (bezogen auf den natürlichen Luftdruck der Umgebung) die Gefahr besteht, dass Arbeitsmedium aus dem Kreisprozess austritt und verlorengeht, was kostspielig ist und einen erhöhten Nachfüllaufwand bedeutet. Nach der Expansion besteht dagegen die Gefahr, dass es aufgrund des Unterdrucks zu unerwünschten Lufteinschlüssen kommt, die irgendwann beseitigt werden müssen. Die Abdichtung der betroffenen Komponenten ist daher von besonderer Bedeutung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energieumwandlungsvorrichtung der ein- gangs genannten Art bezüglich der praktischen Umsetzung zu optimieren. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Energieumwandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung basiert auf einem thermodynamischen Kreisprozess, der an eine Wärmekraftmaschine gekoppelt ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst eine erste Energieumwandlungskomponente zur Umwandlung von Druckenergie in mechanische Bewegungsenergie. Die erste Energieumwandlungskomponente kann insbesondere ein Druckzylinder mit einem darin beweglichen Arbeitskolben sein. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst ferner eine zweite Energieumwandlungskomponente zur Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie. Die zweite Energieumwandlungskomponente kann insbesondere ein Lineargenerator sein; es ist aber auch möglich, einen Rotationsgenerator oder einen anderen, nicht rein linearen Generatortyp vorzusehen. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst auch eine Einlass-Ventilanordnung und eine Aus- lass-Ventilanordnung, die mit der ersten Energieumwandlungskomponente zusammenwirken, und eine elektronische Steuerung zur Steuerung der Kopplung der Wärmekraftmaschine an den thermodynamischen Kreisprozess und zur Steuerung der Ventilanordnungen. Mehrere, vorzugsweise alle, bewegten mechanischen Komponenten der Wärmekraftmaschine sind zu einer Anordnung zusammengefasst, die in einem statisch abgedichteten Raum, vorzugsweise einem geschlossenen Gehäuse, untergebracht ist.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrich- tung besteht darin, dass aufgrund der Anordnung der bewegten mechanischen Komponenten der Wärmekraftmaschine in einem abgedichteten Raum für keine dieser Komponenten eine dynamische Dichtung erforderlich ist. Unter einer dynamischen Dichtung soll hier einerseits die Abdichtung eines bewegten Bauteils, insbesondere eines Ventil- oder Arbeitskolbens, mit einer feststehenden Dichtung verstanden werden, andererseits aber auch jede Dichtung, bei der wenigstens ein Teil der Dichtung bewegt wird. Dementsprechend soll unter dem erfindungsgemäß vorgesehenen statisch abgedichteten Raum eine übergeordnete Abdichtung für mehrere Komponenten ohne dynamische Dichtungen verstanden werden. - -

Derzeit ist außer dem Vorsehen dynamischer Dichtungen keine Möglichkeit bekannt, dem eingangs erwähnten Problem der Arbeitsmittelverluste und Lufteinschlüsse beizukommen. Aber abgesehen davon, dass dynamische Dichtungen grundsätzlich teuer und aufgrund der Reibung verschleißanfällig sind, ist es praktisch auch unmöglich, mit vertretbarem Aufwand im Voraus zu berechnen, wie die dynamischen Dichtungen auszulegen sind (Dimensionierung, etc.), um bestimmten Anforderungen gerecht zu werden und eine vorgegebene Lebensdauer zu garantieren. Dagegen ist die erfindungsgemäße statische Abdichtung des gesamten Raums, in dem die bewegten mechanischen Komponenten der Wärmekraftmaschine angeordnet sind, wesentlich einfacher und damit kostengünstiger zu realisieren.

In einer möglichen Anwendung der Energieumwandlungsvorrichtung wird eine konventionelle Heizanlage eines Objekts mit dem thermodynamischen Kreis- prozess der Energieumwandlungsvorrichtung kombiniert, um auf diese Weise eine effiziente Option zur Erzeugung von elektrischem Strom zu schaffen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Stromversorgung von elektrischen Komponenten vorgesehen, die in dem statisch abgedichteten Raum mit einem wenigstens teilweise elektrisch leitfähigen Gehäuse untergebracht sind, wobei das Gehäuse durch we- nigstens ein Isolierelement in zwei voneinander elektrisch isolierte Bereiche unterteilt ist und jeweils Kontaktierungen an der Innenwand und an der Außenwand der beiden Gehäusebereiche zur Stromversorgung der elektrischen Komponenten mittels Stromfluss durch die Gehäusewand vorgesehen sind. Mit einer solchen Vorrichtung gelingt es, eine einfache und kostengünstige Stromversor- gung derjenigen elektrischen Komponenten anzugeben, die sich in dem hermetisch geschlossenen Gehäuse befinden.

Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Stromversorgung von elektrischen Komponenten einer erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung, die sich innerhalb eines hermetisch geschlossenen Gehäuses, insbesondere eines Gasbehälters, befinden, wobei das geschlossene Gehäuse durch wenigstens ein Isolierelement in zwei voneinander elektrisch isolierte Bereiche unterteilt ist und die Stromversorgung der elektrischen Komponenten jeweils über - -

Kontaktierungen an der Innenwand und an der Außenwand der beiden Gehäusebereiche mittels Stromfluss durch die jeweilige Gehäusewand hergestellt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug ge- nommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- Figur 1 eine erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung mit einem geschlossenen Gehäuse für die Wärmekraftmaschine;

- Figur 2 eine erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung mit einem geschlossenen Gehäuse für den thermodynamischen Kreisprozess; - Figur 3 die drahtlose Messdatenerfassung in einem geschlossenen Gehäuse der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung;

- Figur 4 eine Ausführungsform mit einem durch einen Linearmotor bewegten Ventilkolben;

- Figur 5 eine Ausführungsform mit einem Doppel-Ventilkolben; - Figur 6 eine Ausführungsform mit mechanischen Schiebe-Einlass-Ventile;

- Figur 7 eine Ausführungsform mit Rotationsventilen;

- Figur 8 eine Ausführungsform mit Schiebe-Rotations-Einlass-Ventilen;

- Figur 9 eine Ausführungsform mit einem kombinierten Schiebe-Rotations- Einlass- und -Auslassventil; - Figur 10 eine Ausführungsform mit einem Schiebe-Rotations-Einlass- und

-Auslass-Ventil in separaten Gehäusen;

- Figur 11 eine Ausführungsform mit selbstöffnenden und -schließenden Aus- lass-Ventilen;

- Figur 12 eine Ausführungsform mit einer frei vibrierenden Masse zur Dämp- fung des Massenausgleichs;

- Figur 13 eine Ausführungsform mit einer Vibrationsanbindung des Verdampfers; - Figur 14 eine erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung mit einem geschlossenen Gehäuse für eine alternative Wärmekraftmaschine;

- Figur 15 eine Ausführungsform mit angekoppeltem Entlüftungsbehältnis;

- Figur 16 eine Ausführungsform mit einer Stillstands-Druckausgleich-Memb- ran;

- Figur 17 eine Ausführungsform mit einem integrierten Schmierkreislauf;

- Figur 18 eine Ausführungsform mit besonderer Stromversorgung;

- Figur 19 die Ausführungsform aus Figur 18 in einer bestimmten Anwendung; - Figur 20 eine erste Variante der Ausführungsform aus Figur 18;

- Figur 21 eine zweite Variante der Ausführungsform aus Figur 18;

- Figur 22 eine dritte Variante der Ausführungsform aus Figur 18;

- Figur 23 ein Diagramm der Steuerung einer linearen Wärmekraftmaschine;

- Figur 24 eine Anordnung zur Kompensation des Massenausgleichs; - Figur 25 eine Anordnung zur Minimierung des Massenausgleichs bei zweistufigen ORCs;

- Figur 26 eine Anordnung zur Kompensation des Massenausgleichs bei zweistufigen ORCs; und

- Figuren 27 bis 37 verschiedene vorteilhafte Ventilsteuerungen für eine Ex- pansionsmaschine.

In Figur 1 ist ein Überblick der wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung dargestellt. Die Energieumwandlungsvorrichtung basiert auf einem thermodynamischen Kreisprozess 2, insbesondere einem ORC-Kreisprozess (Organic Rankine Cycle) oder einem Kalina- Kreisprozess, der thermisch an eine Wärmekraftmaschine 1 gekoppelt ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst eine erste Energieumwandlungskomponente 11 zur Umwandlung von thermodynamischer Energie (Druckenergie) in mechanische Bewegungsenergie (kinetische Energie). Die erste Ener- gieumwandlungskomponente 11 ist vorzugsweise ein Druckzylinder 12 mit einem darin beweglichen Arbeitskolben. Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst ferner eine zweite Energieumwandlungskomponente 3 zur Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie (Strom) mittels eines FeId- transformators 10. Die zweite Energieumwandlungskomponente 3 ist bei den meisten hier vorgeschlagenen Ausführungsformen ein Lineargenerator, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Energieumwandlungsvorrichtung weist außerdem eine Einlass-Ventilanordnung 5 und eine Auslass-Ventilanordnung 6 auf, die mit der ersten Energieumwandlungskomponente 11 zusammenwirken.

Wie der Figur 1 entnehmbar ist, besteht keine strikte Trennung zwischen der

Wärmekraftmaschine 1 und dem thermodynamischen Kreisprozess 2. Vielmehr können bestimmte Komponenten sowohl der Wärmekraftmaschine 1 als auch dem thermodynamischen Kreisprozess 2 zugeordnet werden.

Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst außerdem eine (in Figur 1 nicht gezeigte) übergeordnete elektronische Steuerung, insbesondere zur Regelung der thermischen Kopplung der Wärmekraftmaschine 1 an den thermodynamischen Kreisprozess 2 und zur Steuerung der Ventilanordnungen 5, 6, wodurch die Arbeitstakte des Lineargenerators (normale und gegenläufige Takte bzw. Hin- und Rücktakte) bestimmt werden. In die Steuerung werden prozessbeeinflus- sende Steuerparameter einbezogen, die von geeigneten Sensoren laufend er- fasst und der Steuerung zugeführt werden. Die Steuerung ist auch in der Lage, auf der Grundlage der erfassten Parameter und/oder bestimmter Annahmen andere für die Steuerung der Energieumwandlungsvorrichtung relevante Parameter zu schätzen oder zu prognostizieren. Die grundlegende Funktions- und Arbeitsweise der Energieumwandlungsvorrichtung ist aus der DE 10 2006 056 349 A1 und der DE 10 2007 060 666 A1 bekannt. Die Energieumwandlungsvorrichtung arbeitet nach folgendem Prinzip: Zunächst wird im thermodynamischen Kreisprozess 2 thermische Energie (Wärmeenergie) in Dampfdruck umgewandelt. Der Dampfdruck wird in der ersten Energieumwandlungskomponente 11 in mechanische Bewegungsenergie umgesetzt. Die mechanische Bewegungsenergie wird schließlich mittels der zweiten Energieumwandlungskomponente 3 in elektrischen Strom umgewandelt. Eine wesentliche Besonderheit der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung ist die Zusammenfassung mehrerer, vorzugsweise aller, bewegten mechanischen Komponenten der Wärmekraftmaschine 1 zu einer Anordnung, die in einem statisch abgedichteten Raum, vorzugsweise einem geschlos- senen Gehäuse 7, untergebracht ist. Während des Betriebs der Energieumwandlungsvorrichtung herrscht im Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses im Vergleich zum Umgebungsluftdruck zeitweise Überdruck (vor und während der Expansion) und zeitweise Unterdruck (nach der Expansion). Die Abdichtung der gesamten Anordnung verhindert einerseits den Verlust von Ar- beitsmedium und andererseits Lufteinschlüsse, ohne dass hierfür eine dynamische Dichtung notwendig wäre.

Um die von der übergeordneten elektronischen Steuerung gesteuerten Aktua- toren der Einlass- und Auslass-Ventilanordnung 5, 6, insbesondere deren Aktua- toren, mit Strom zu versorgen, könnten elektrische Leitungen von den Ven- tilanordnungen 5, 6 aus dem Gehäuse 7 zu einer elektrischen Energiequelle geführt sein. An den Durchtrittsstellen des Gehäuses 7 wären entsprechend Dichtungen vorzusehen.

In Figur 1 ist aber eine andere Lösung gezeigt, die ohne aus dem Gehäuse geführte elektrische Leitungen und dementsprechend ohne zusätzliche Dichtun- gen auskommt. Die für die Versorgung der Ventilanordnungen 5, 6 erforderliche elektrische Energie wird von ersten Feldgeneratoren 8, 9 zur Verfügung gestellt. Die außerhalb des abgedichteten Raums angeordneten ersten Feldgeneratoren 8, 9 erzeugen jeweils ein elektromagnetisches Feld, das in den abgedichteten Raum eindringt. Die Ventilanordnungen 5, 6 sind an Induktionseinrichtungen (Spulen) gekoppelt, in denen aus dem elektromagnetischen Feld der für den Betrieb der Ventilanordnungen 5, 6 benötigte Strom induziert wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die elektromagnetischen Felder für die Stromversorgung der Ventilanordnungen 5, 6 und/oder weiterer Komponenten mittels der elektrischen Spannung erzeugt werden, die in der zweiten Energieumwand- lungskomponente 3 erregt wird.

Auf diese Weise kann die benötigte elektrische Energie kabellos in den abgedichteten Raum transferiert werden, sofern die Entfernung nicht zu groß ist und keine übermäßigen Barrieren zu überwinden sind. So sollte z. B. die Wand des Gehäuses 7 durchlässig für elektromagnetische Strahlung sein. Das kabellose Energieübertragungskonzept kann grundsätzlich bei allen Komponenten der Wärmekraftmaschine 1 angewendet werden, die elektrische Energie für ihren Betrieb benötigen. Wie in Figur 2 gezeigt können auch einige, vorzugsweise alle Steuerkomponenten 21 für den thermodynamischen Kreisprozess 2 im selben abgedichteten Raum (Gehäuse 7) oder in einem anderen abgedichteten Raum angeordnet sein. Als Steuerkomponenten 21 kommen insbesondere Pumpen des thermodynamischen Kreisprozesses 2 in Frage. Gemäß dem zuvor beschriebenen Konzept können die Steuerkomponenten 21 über wenigstens einen zweiten elektromagnetischen Feldgenerator 22 von außen mit der für den Betrieb notwendigen elektrischen Energie versorgt werden. Der außerhalb des abgedichteten Raums angeordnete zweite Feldgenerator 22 erzeugt ebenfalls ein elektromagnetisches Feld, das von einer an die Steuerkomponenten 21 gekoppelten Induktionsein- richtung in elektrischen Strom umgewandelt wird.

Darüber hinaus können weitere Quellen für Undichtigkeiten bei der Anbindung der elektronischen Steuerung systematisch dadurch vermieden werden, dass Daten von bzw. zur Steuerung 23 drahtlos übertragen werden. Die Daten können Messdaten von Sensoren, die im thermodynamischen Kreislauf 2 und in der Wärmekraftmaschine 1 angeordnet sind, Steuerdaten für Steuerkomponenten (Ventile, Pumpen, etc.), Soll- und Istdaten beinhalten.

Die Energieumwandlungsvorrichtung umfasst gemäß Figur 3 eine umfangreiche Messsensorik 31 mit einer Vielzahl von Sensoren. Auch die Messsensorik 31 kann über wenigstens einen außerhalb des abgedichteten Raums (Gehäuse 7) angeordneten dritten elektromagnetischen Feldgenerator 22 und eine an die Messsensorik gekoppelte Induktionseinrichtung mit der für den Betrieb notwendigen elektrischen Energie versorgt werden. Somit muss keine elektrische Leitung in den abgedichteten Raum geführt werden, wodurch wiederum mögliche Quellen für Undichtigkeiten systematisch vermieden werden. Die Messsensorik 31 kann eine Vielzahl von Sensoren zur Erfassung von Zu- standsgrößen des thermodynamischen Kreisprozesses 2 und der Wärmekraftmaschine 1 umfassen, insbesondere Druck- und/oder Temperatursensoren. Die Messsensorik 31 kann aber auch Sensoren zur Erfassunq sonstiger physikali- scher Kenngrößen wie etwa Kräfte, Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Wege, etc. an sinnvollen Orten der Energieumwandlungsvorrichtung umfassen.

Wie bereits erwähnt, dienen die Ventilanordnungen 5, 6 dazu, das verdampfte und unter Druck stehende Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozes- ses 2 in einen Expansionsraum der ersten Energieumwandlungskomponente 11 einzulassen und vom Arbeitskolben verdrängtes Arbeitsmedium auszulassen. Die erste Energieumwandlungskomponente 11 kann mehrere Expansionsräume aufweisen, insbesondere zwei (auf entgegengesetzten Seiten des Arbeitskolbens). Dementsprechend umfassen die Ventilanordnungen 5, 6 mehrere syn- chronisierte Einlass- und Auslass-Ventile.

Gemäß der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform weist wenigstens eine 40 der Ventilanordnungen 5, 6 einen Einlass- bzw. Auslasskanal 41 mit einer Ventilöffnung 43, einen zum Einlass- bzw. Auslasskanal 41 senkrecht beweglichen Ventilkolben 42 mit einer Kolbenaussparung 46 und einen von einer Ventil- Steuerung 45 (Teil der übergeordneten elektronischen Steuerung) gesteuerten Linearmotor 47 auf. Der Ventilkolben 42 ist starr oder über ein Getriebe an den Linearmotor 47 gekoppelt. Die Ventilsteuerung 45, die von Sensordaten 44 der Messsensorik beeinflusst wird, ist so ausgelegt, dass der Ventilkolben 42 bereits vor dem Öffnen bzw. Schließen des Ventils 40, d. h. vor dem Zeitpunkt des Über- fahrens der Ventilöffnung 43 mit dem Ventilkolben 42 bzw. mit der Kolbenaussparung 46, vom Linearmotor 47 beschleunigt wird.

Diese spezielle Ausführung der elektromagnetischen Einlass- und/oder Aus- lass-Ventilanordnungen 5, 6 eignet sich besonders für periodische öffnungs- und Schließvorgänge. Durch die damit erreichbare hohe Geschwindigkeit des Ventil- kolbens 42 wird ein sehr schnelles Öffnen und Schließen des zugehörigen Ventils auch bei hohen Gasvolumenströmen ermöglicht.

Figur 5 zeigt eine besonders kostengünstige Ausbildung der Ventilanordnungen 5, 6. Der Ventilkolben ist als Doppelkolben mit zwei beabstandeten, starr gekoppelten Teilkolben 52, 53 ausgeführt. Die vom Linearmotor 51 angetriebe- nen Teilkolben 52 und 53 überfahren alternierend Ventilöffnungen 54 und 55 für einen Hintakt bzw. Rücktakt der Wärmekraftmaschine 1. Lediglich ein Linearmotor 51 ist für ein Einlass- und ein Auslass-Ventil erforderlich. Bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform weist die Einlass-Ventil- anordnung 5 zwei mechanische Schiebe-Einlassventile 61 , 62 auf, die unmittelbar an den Arbeitskolben 63 der ersten Energieumwandlungskomponente 11 gekoppelt sind. Die mechanischen Schiebe-Einlassventile 61 , 62 ändern dem- entsprechend ihren Ventilstatus (auf/zu) in Abhängigkeit von der Position des Arbeitskolbens 63.

Eine weitere Möglichkeit der Gestaltung der Einlass-Ventilanordnung 5 und/oder der Auslass-Ventilanordnung 6 ist in Figur 7 gezeigt. Ein elektromagnetisches Rotationsventil der Ventilanordnung weist ein an einen Rotationsmotor 73 gekoppeltes Ventilelement, insbesondere eine Scheibe 71 , mit wenigstens einer Segmentaussparung 72 auf. Das Rotationsventil ändert somit in Abhängigkeit vom Rotationswinkel des drehbaren Ventileiements 71 den Ventilstatus. Betätigt wird das Rotationsventil über den Rotationsmotor 73. Figur 7 zeigt beispielhaft die Situation bei geschlossenem Einlass-Ventil. Bei den in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen weist die

Einlass-Ventilanordnung 5 und/oder die Auslass-Ventilanordnung 6 wenigstens ein elektromechanisches Schiebe-Rotations-Einiass- bzw. -Auslass-Ventil auf. Gemäß Figur 8 sind zwei Einlass-Ventile vorgesehen, jeweils mit einem drehbaren Ventilelement in Form eines Rotationskörpers 81 , der eine Aussparung 85 aufweist. Der Rotationskörper 81 ist an einen um seine Achse drehbaren Ventilkolben 86 gekoppelt. Der Drehwinkel des Ventilkolbens 86 und damit des Rotationskörpers 81 ist einstellbar. Der Ventilkolben 86 kann insbesondere durch magnetische Induktion um seine Achse gedreht werden. Der Ventilkolben 86 ist wiederum an den Arbeitskolben 83 der ersten Energieumwandlungskomponente 11 gekoppelt.

Somit ändern die Schiebe-Rotations-Einlassventile ihren Ventilstatus (auf/zu) in Abhängigkeit von der linearen Position des Arbeitskolbens 83 und des Drehwinkels des Ventilkolbens 86. Figur 8 zeigt eine Situation, in der eine Strömungsverbindung 84 zwischen dem unter Druck stehenden Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreislaufs 2 und einem Expansionsraum 87 der ersten Energieumwandlungskomponente 11 besteht.

Durch die lineare Bewegung des Arbeitskolbens 83 und eines daran gekop- Delten Maαneten in einer Soule 82 dient diese als Generatorspule, und es wird Strom induziert. Bei einer Rotationsbewegung des Ventilkolbens 86 und des daran gekoppelten Arbeitskolbens 83 stellt die Spule 82 eine Motorspule dar. Diese Funktionen können auch durch zwei getrennte Spulen/Magnet-Paare verwirklicht sein. Figur 9 zeigt zwei kombinierte Schiebe-Rotations-Einlass- und -Auslass-Ven- tile. Am Ventilkolben 91 dieser Ventile ist eine weitere Kolbenaussparung 92 vorgesehen, die über eine Kanalbohrung 93 in bestimmten Drehstellungen des Ventilkolbens 91 mit einem Expansionsraum 97 der ersten Energieumwandlungskomponente 11 in Strömungsverbindung steht. Der Ventilkolben 91 stellt hier also das drehbare Ventilelement dar.

Ansonsten sind die Ventile wie in Figur 8 ausgebildet. Somit hat jede Ventilanordnung sowohl ein Einlass-Ventil als auch ein Auslass-Ventil, die der Betriebsweise der ersten Energieumwandlungskomponente 11 entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Figur 9 zeigt die beiden kombinierten Ventile auf entgegengesetzten Seiten der ersten Energieumwandlungskomponente 11 in unterschiedlichen Stellungen. Während beim linken Ventil eine Strömungsverbindung zwischen der Einlassöffnung 95, durch die unter Druck stehendes Arbeitsmedium des thermodynami- schen Kreislaufs zugeführt wird, und dem linken Expansionsraum 97 durch die Kolbenaussparung 94 freigegeben ist, ist eine entsprechende Strömungsverbindung beim rechten Ventil blockiert, d. h. es kann kein Arbeitsmedium über die Einlassöffnung 98 zugeführt werden. Die beiden aneinander gekoppelten Arbeitskolben der ersten Energieumwandlungskomponente 11 werden demzufolge nach rechts gedrückt. Eine entsprechende Bewegung der Arbeitskolben wird gestattet, da beim rechten Ventil eine Strömungsverbindung zwischen dem rechten Expansionsraum 97 und der Auslassöffnung 99 über die Kanalbohrung 93 hergestellt ist, sodass das Arbeitsmedium aus dem rechten Expansionsraum 97 abströmen kann. Beim linken Ventil besteht dagegen keine Strömungsverbindung zwischen dem linken Expansionsraum 97 und der Auslassöffnung 96. In Figur 10 ist eine der Figur 9 ähnliche Ausführungsform abgebildet. Die

Ventilanordnung ist in zwei separaten Gehäusekammern untergebracht. Genauer gesagt ist beim Ausführungsbeispiel der Figur 10 derjenige Teil der Ventilanordnung, der das Schiebe-Rotations-Einlass-Ventil 200 bildet, von demjenigen Teil, der das Schiebe-Rotations-Auslass-Ventil 203 bildet, durch eine Gehäuseverjüngung 201 getrennt. In der Gehäuseverjüngung 201 ist eine hohle Verlängerung 202 einer Kolbenstange drehbar gelagert, die die beiden Kolben der Ventile 200, 203 aneinander koppelt. Die Ventilkolben sind wiederum an den Arbeitskol- ben 204 der ersten Energieumwandlungskomponente 1 1 gekoppelt.

Dadurch wird eine geringe thermische Kopplung der beiden Ventile 200, 203 erreicht, zwischen denen eine große Temperaturdifferenz herrscht. Außerdem wirkt die Lagerung der Kolbenstange in der Gehäuseverjüngung 201 einem Verkippen der Ventilkolben entgegen. Das Einströmen von Gas in die Ventilanord- nung erzeugt nämlich auf die Ventilkolben wirkende Kräfte, die senkrecht zu deren Bewegungsrichtung gerichtet sind. Die als Lager wirkende Gehäuseverjüngung 201 stabilisiert jedoch die Ventükolben.

Bei den Rotationsventilen, wie sie beispielhaft in den Figuren 7 bis 10 gezeigt sind, kann das drehbare Ventilelement, insbesondere die Scheibe 71 , der Rotationskörper 81 oder der Ventilkolben 91 , mehrere, über den gesamten Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilte Aussparungen aufweisen. Dadurch wird die im Betrieb erforderliche Rotationsfrequenz des drehbaren Ventilelements reduziert.

Figur 11 zeigt eine besondere Ausbildung der Auslass-Ventilanordnung 6, bei der ein Doppel-Auslass-Ventil 308 mit zwei Ventilkolben 304 vorgesehen ist. Eine Seite jedes Ventilkolbens 304 steht über einen Kanal 303 in Strömungsverbindung mit einem Expansionsraum 301 der ersten Energieumwandlungskomponente 11. Jeder Ventilkolben 304 kann eine erste Stellung einnehmen, in der er einen Auslasskanal 305 schließt (linker Ventilkolben in Figur 11), und eine zweite Stellung, in der er den Auslasskanal 305 freigibt (rechter Ventilkolben 304 in Figur 11), wobei immer ein Ventilkolben 304 die erste Stellung einnimmt, wenn sich der andere Ventilkolben 304 in der zweiten Stellung befindet.

Das öffnen und Schließen erfolgt automatisch in Abhängigkeit von der zwischen den beiden Expansionsräumen 301 herrschenden Druckdifferenz und der Position des Arbeitskolbens 302 der ersten Energieumwandlungskomponente. Durch das allmähliche öffnen bzw. Schließen der Auslasskanäle 305 beim Durchfahren der Auslasskanäle 305 mit den Ventilkolben 304 wird eine Kompressionsdämpfung des Arbeitskolbens 302 erreicht. Bei allen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ventilsteuerung 45 aufgrund von Daten 44 der Messsensorik, die mehrere Sensoren zur Erfassung von Zustandsgrößen der Energieumwandlungsvorrichtung umfasst, die Schließ- und öffnungszeitpunkte/-intervalle der Einlass- und Auslass-Ventilanordnungen 5, 6 zeitlich synchronisiert.

Außerdem sind bei allen Ausführungsformen die Arbeits- und/oder Ventilkolben der ersten Energieumwandlungskomponente 11 bzw. der Ventilanordnungen 5, 6 - bezogen auf ihre Bewegungsrichtung im Betriebszustand der Energieumwandlungsvorrichtung - senkrecht zur Erde angeordnet. Somit entstehen keine durch die Schwerkraft eines Kolbens bedingten Reibungsverluste.

Der Arbeitskolben der ersten Energieumwandlungskomponente 11 ist weitest- gehend berührungslos im Druckzylinder 12 beweglich, vorzugsweise indem der Arbeitskolben mittels elektromagnetischer Positioniermittel oder einer Kolben- Gaslagerung schwebend im Druckzylinder 12 gehalten wird. Die Kolben- Gaslagerung lässt sich insbesondere bei geeigneter Oberflächenbeschaffenheit des Arbeitskolbens bzw. des Druckzylinders 12 realisieren. Durch eine genaue Passung von Druckzylinder 12 und Arbeitskolben wird eine ausreichende Kolbendichtung erzielt.

Eine Weiterbildung der Erfindung gemäß Figur 12 sieht eine besondere Gehäusekonstruktion 150 vor, mit der eine Dämpfung der durch die Kolbenbewegungen verursachten Vibrationen erreicht wird. Die Gehäusekonstruktion 150 umfasst eine Dämpfungseinrichtung mit einer elastisch gelagerten Trägheitsmasse 153. Vibrationserzeugende (zur Vibration neigende) Komponenten der Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere der Druckzylinder 155 der ersten Energieumwandlungskomponente 11 , Ventilzylinder 154 der Ventilanordnungen 5, 6 und/oder ein Magnet 156 der zweiten Energieumwandlungskomponente 3, sind an die Trägheitsmasse 153 gekoppelt.

Komponenten des thermodynamischen Kreisprozesses 160 sind mechanisch nur durch eine elastische Verbindung 152 an diejenigen Komponenten angebun- den, die ihrerseits an die Trägheitsmasse 153 gekoppelt sind. Ansonsten besteht keine weitere mechanische Kopplung zu den übrigen Komponenten des Systems

(z. B. Wärmetauscher, Spulen, etc.). Wie in Figur 13 gezeigt können auch Komponenten des thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere Komponenten eines ORC-Verdampfers 171 , an die Trägheitsmasse 153 gekoppelt sein. Über die elastische Verbindung 152 erfolgt die Anbindung an die restlichen Komponenten 170 des thermodynamischen Kreisprozesses.

Eine starre Kopplung an die Trägheitsmasse 153 ist insbesondere für Komponenten wie den ORC-Verdampfer 171 sinnvoll, bei denen sich Vibrationen positiv auf die Funktion auswirken können (keine Ablagerung, schnellere Verdampfung, etc.) und daher nicht unerwünscht sind. Figur 14 zeigt eine Energieumwandlungsvorrichtung mit Energieumwandlungskomponenten, die im Gegensatz zu den obigen Ausführungsformen auf Rotation beruhen. Die erste Energieumwandlungskomponente 101 ist eine Komponente, die Druckenergie in mechanische Rotationsbewegungsenergie umwandelt, insbesondere ein Scroll-Expander, und an einen Rotationsgenerator 105 gekoppelt ist, der mechanische Rotationsbewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die erste Energieumwandlungskomponente 101 , die Druckenergie in mechanische Rotationsbewegungsenergie umwandeit, ist an eine Einrichtung 108 zur Regelung eines Gasvolumenstroms gekoppelt.

In dieser Ausführungsform befinden sich ebenfalls mehrere, vorzugsweise al- Ie bewegten (rotierenden) Komponenten innerhalb eines statisch abgedichteten Raums in Form eines geschlossenen Gehäuses 107.

In Figur 15 ist eine erweiterte Energieumwandlungsvorrichtung mit einer Entlüftungsmöglichkeit dargestellt. Im geschlossenen Gehäuse 121 der Energieumwandlungsvorrichtung ist ein Entlüftungsbehältnis 120 untergebracht, ebenso wie eine Vakuumpumpe 123, ein Entlüftungsventil 124 und ein Entleerungsventil 125. In den thermodynamischen Kreisprozess 122 eingedrungene Luft wird mittels der Vakuumpumpe 123 und des geöffneten Entlüftungsventils 124 in das Entlüftungsbehältnis 120 gepumpt. Das darin angesammelte Luft/Gas-Gemisch kann über das Entleerungsventil 125 in die Umgebung abgelassen werden. Insbeson- dere bei zu hohem Druck empfiehlt es sich, das Luft/Gas-Gemisch ins Freie entweichen zu lassen. Es ist vorteilhaft, im Entlüftungsbehältnis 120 kondensiertes Arbeitsmedium 126 des thermodynamischen Kreisprozesses im flüssigen Zustand zu entnehmen und dem thermodynamischen Kreisprozess wieder zuzuführen.

Der Druckzylinder 127 mit dem darin beweglichen Arbeitskolben der ersten Energieumwandlungskomponente 11 kann in einem besonderen Betriebsmodus der Energieumwandlungsvorrichtung die Vakuumpumpe 123 ersetzen. Diese

Maßnahme geht von der Erkenntnis aus, dass bei entsprechender Ventilstellung die Zylinder-Kolbeneinheit als Vakuumpumpe fungieren kann.

Eine spezielle Messsensorik 128 detektiert die in den thermodynamischen Kreisprozess 122 eingedrungene Luft und löst dadurch eine Aktivierung eines Entlüftungsbetriebs aus.

Die in Figur 16 abgebildete erweiterte Energieumwandlungsvorrichtung um- fasst zusätzlich einen mit dem Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses 132 gefüllten Membran-Druckausgleichbehälter 130, der im Stillstand der ersten Energieumwandlungskomponente 11 über ein Ventil 131 an den thermodynamischen Kreisprozess 132 gekoppelt ist. So kann in einer besonderen Betriebsart Unterdruck im thermodynamischen Kreisprozess 132 und damit bei Medien mit einer Verdampfungstemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur das Eindringen von Luft verhindert werden. Figur 17 zeigt schließlich eine Energieumwandlungsvorrichtung mit einem im geschlossenen Gehäuse vorgesehenen Schmierkreislauf 140. Ein Schmiermittel wird über eine Düse 141 auf Dichtungen des Arbeitskolbens der ersten Energieumwandlungskomponente 11 aufgebracht und dabei mit dem Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses vermengt. Nach einer Stofftrennung im Kondensator 142 des thermodynamischen Kreisprozesses wird das Schmiermittel wiederverwendet.

In Figur 18 ist eine Ausführungsform der Energieumwandlungsvorrichtung gezeigt, bei der elektrische Komponenten 409 der Vorrichtung (Ventile, Sensoren, Motoren, Steuerungen, etc.), die sich innerhalb des hermetisch geschlosse- nen Gehäuses 7, insbesondere eines Gasbehälters, befinden, auf besondere Weise mit elektrischem Strom versorgt werden. Das geschlossene Gehäuse 7 ist durch wenigstens ein Isolierelement 403 in zwei voneinander elektrisch isolierte Bereiche 401 , 402 unterteilt. Die Stromversorgung der elektrischen Komponenten 409 durch eine außerhalb des Gehäuses 7 angeordneten Stromquelle 408 wird jeweils über Kontaktierungen 404 bis 407 (+, -) an der Innenwand und an der Außenwand der beiden Gehäusebereiche mitteis Stromfluss durch die jeweilige Gehäusewand hergestellt. Das Gehäuse 7 ist vorzugsweise rohrförmig, und das Isolierelement 403 ist eine Isolierscheibe oder ein Isolierring, die bzw. der das Gehäuse 7 in axialer Richtung unterteilt.

Bei der in Figur 19 gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse 7 eine mehrteilige Gasbehälter-Konstruktion 410, die an einen hermetisch geschlossenen Gaskreislauf 411, insbesondere einen thermodynamischen ORC-Kreislauf, angekoppelt ist.

Bei der in Figur 20 gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse 7 durch wenigstens zwei Isolierelemente 415 in drei voneinander elektrisch isolierte Bereiche unterteilt. An dem nicht für die Stromversorgung der elektrischen Kom- ponenten kontaktierten Gehäusebereich ist eine Kontaktierung 416 an dessen Innenwand und Außenwand vorgesehen. Diese Kontaktierung ist insbesondere zur bidirektionalen Übertragung von Sensor- und/oder Steuerungsdaten verwendbar.

Bei der in Figur 21 gezeigten Ausführungsform ist eine hermetisch abge- dichtete elektrische Ankopplung 423 für eine direkte oder indirekte Übertragung von Ist-Positionsdaten und/oder Sensor-Fehlermeldungen von Einlass- und/oder Auslass-Ventilen 420, 421 vorgesehen.

Eine hermetisch abgedichtete elektrische Ankopplung 428 eines innerhalb des Gehäuses 7 angeordneten Stromgenerators 427 dient zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie an einen außerhalb des geschlossenen Gehäuses 7 befindlichen Spannungswandler 429. Die hermetisch abgedichtete elektrische Ankopplung 428 kann zusätzlich oder alternativ für eine direkte oder indirekte Übertragung von Ist-Daten und/oder von Sensor-Fehlermeldungen des innerhalb des Gehäuses 7 angeordneten Stromgenerators (oder eines Motors) 427 an eine externe Steuerung 429 dienen. Die hermetisch abgedichtete elektrische Ankopplung 428 kann auch zur Übertragung von Soll-Zuständen des innerhalb des Gehäuses 7 angeordneten Stromgenerators (oder Motors) 427 dienen. Bei der in Figur 21 gezeigten Ausführungsform sind innerhalb des Gehäuses 7 ein Stromgenerator 427 und eine an den Stromgenerator 427 gekoppelte und hermetisch abgedichtete Expansionsmaschine 426 angeordnet, insbesondere in einer Ausführung als Kolbenmotor. Die hermetisch abgedichtete elektrische Ankopplung 428 von Verbindungsleitungen für einen translatorischen oder rotatorischen Motorbetrieb des innerhalb des Gehäuses angeordneten Generators 427 bringt Vorteile, z.B. für dessen Anlaufverhalten. Ein durch Druckenergie bewegter Kolben muss bei langsamem Anlauf (rotatorisch arbeitende Ventile) abgebremst werden. Dies ist nur durch aktives Erzeugen einer Gegenkraft möglich. Prinzipiell ist auch vorstellbar, dass dafür ein separater Motor für translatorischen und/oder rotatorischen Motorbetrieb integriert wird.

In Figur 22 ist eine Ausführungsform gezeigt mit einem innerhalb des Gehäuses 7 angeordneten, hermetisch abgedichteten Stromgenerator in einer Ausfüh- rung als Lineargenerator 431 , der mit einem innerhalb des Gehäuses 7 angeordneten Kolbenmotor 430 direkt über eine Kolbenstange 432 verbunden ist.

In Figur 23 ist ein Konzept für eine optimierte Steuerung einer linearen Wärmekraftmaschine 1000 dargestellt. Die lineare Wärmekraftmaschine umfasst einen Druckzylinder 1002 inklusive einem Arbeitskolben mit Ein- und Auslassventi- len 1003, einen vorzugsweise direkt an den Arbeitskolben gekoppelten Lineargenerator 1004 mit einem Magnet, einen Sensor 1005 zur Bestimmung einer Ist- Position des Arbeitskolbens, eine Stromregeleinrichtung 1006, eine optionale Filter- und Gleichrichter-Komponente 1008, und einen Spannungswandler 1007, insbesondere einem Netzwechselrichter. Während eines Expansionsvorgangs, bei dem der Arbeitskolben bewegt wird, sind die physikalischen Größen, Kraft, Beschleunigung, Geschwindigkeit und/oder Position des Arbeitskolbens innerhalb des Druckzylinders 1002 vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt über die Stromregeleinrichtung 1006 bestimmbar.

Es gilt: F_kin = F_zyl - F_r - F_ind mit: F_kin = m^*a(t) F_zyl = p(s)^*A F_ind = k1*l_ind(v) F_r = konst Außerdem gilt:

F_kin(t) = p(s)*A - F_r - k1*l_ind(v) Da l_ind = f(l_regler) -> F_kin (t) = f(l_regler) -> a(t) = f(l_regler) v(t) = Integral (a(t)) = f(l_regler) s(t) = Integral (v(t)) = f(l_regler)

Somit lässt sich eine maximale Leistungsausnutzung der Anordnung erreichen, welche durch eine maximale Beschleunigung und eine maximale Geschwindigkeit der Kolben/Magnet-Anordnung begrenzt ist. Ferner kann damit die Hub- und damit die Taktfrequenz im Idealfall verlustfrei reguliert werden.

Mittels eines Differenzierers 1010 wird erste Ableitung der Positionsdaten des Arbeitskolbens gebildet, welche vom Sensor 1005 zur Bestimmung der Ist- Position des Arbeitskolbens gesendet werden. Die erste Ableitung der Positionsdaten wird dazu verwendet, einen Ist-Verlauf der Kolbengeschwindigkeit während der Expansion zu ermitteln und daraus mittels einer Regelung 1001 einen gewünschten Sollverlauf der Kolbengeschwindigkeit während der Expansion einzustellen. Die technische Ausführung des Differenzierers kann sowohl als Hardware-Komponente, als auch als Software (Programm-Code) gestaltet sein.

Mittels eines doppelt ausgeführten Differenzierers 1010, 1011 wird die zweite Ableitung der Positionsdaten gebildet, welche vom Sensor 1005 zur Bestimmung der Ist-Position des Arbeitskolbens gesendet werden. Die zweite Ableitung der

Positionsdaten wird dazu verwendet, einen Ist-Verlauf der Kolbenbeschleunigung während der Expansion zu ermitteln und daraus mittels einer Regelung 1001 einen gewünschten Sollverlauf der Kolbenbeschleunigung während der Expansion einzustellen.

Die Ist-Positionsdaten können auf elektromagnetische Weise aus induzierten Strom- oder Spannungs- oder -Phasen-Verläufen des Lineargenerators 1004 ermittelt werden.

Die Stromregeleinrichtung 1006 kann einen gepulsten Längsregler aufweisen. Ein elektrischer Längsregler stellt sich als einstellbarer elektrischer Widerstand dar. Will man damit den Strom regeln, verändert man den Widerstand und damit die Verlustleistung, welche über den Widerstand abfällt. Ein gepulster Längsreg- ler fungiert als elektrischer Schalter mit den zwei Stellungen "an" (mit sehr geringem Widerstand und damit sehr geringem Leistungsabfall) und "aus" (es fließt kein Strom -> keine Verluste). Die Stellungen lassen sich hochfrequent schalten und die jeweilige Schaltdauer kann eingestellt werden. Mit dem Verhältnis zwischen "an" und "aus" wird somit der Mittelwert des Stromflusses geregelt. Die ermittelten physikalischen Bewegungsgrößen des Arbeitskolbens werden dazu verwendet, eine optimale Synchronisierung zwischen den Schaltzuständen der Ein- und Auslassventile 1003 und der Position des Arbeitskolbens 1002 zu schaffen.

Gemäß dem in Figur 24 gezeigten Aufbau sind zwei vorzugsweise identisch aufgebaute gegenläufige und auf einem Träger 1023 angebrachte Zylinder- Lineargenerator-Anordnungen 1021 , 1022 zur Kompensation der bei den Kolbenbewegungen auftretenden Massenträgheitskräfte vorgesehen. Die Steuerung sorgt dafür, dass bei beiden Anordnungen 1021, 1022 Expansionsvorgänge gleichzeitig stattfinden, sodass sich auftretende Massenträgheitskräfte im Ideal- fall jederzeit gegenseitig neutralisieren.

Gemäß dem in Figur 25 gezeigten Aufbau ist ein zweistufiger ORC- Kreisprozess mit einem Hochtemperatur-Kreisprozess und einem Niedertempe- ratur-Kreisprozess vorgesehen. Zwei gegenläufige und auf einem Träger 1033 angebrachte Zylinder-Lineargenerator-Anordnungen 1031 , 1032 sind elektrisch so miteinander gekoppelt, dass Expansionsvorgänge in beiden Anordnungen 1031 , 1032 gleichzeitig stattfindenden und die Expansionsverläufe so eingestellt sind, dass sich die auftretenden Massenträgheitskräfte gegenseitig bestmöglich neutralisieren und Kräftespitzen bestmöglich vermieden werden.

Bei zweistufigen ORC-Kreisprozessen können nämlich folgende Schwierigkeiten auftreten, die identische Expansionsverläufe der beiden Kolben verhin- dem:

- Leistungsverteilung der ORC-Kreisprozesse abhängig von den fixen, da effizienzoptimierten, Temperaturniveaus bei der Verdampfung und Kondensation der verwendeten Arbeitsmedien und daher nur im Ausnahmefall gleich.

- Unterschiedliche Expansionswege der beiden Medien, da abhängig von ei- ner fixen Mediums-Stoffkonstante.

-^Unterschiedliche öffnungs- und Schließzeiten der Ein- und Auslass-Ventile führt zu ungleicher Kräfteverteilung.

Leistungsschwankungen der beiden ORC-Kreisprozesse können kompensiert werden, indem die Einlassdauer eines Kreisprozesses und dadurch der Expan- sionsweg variabel angepasst werden, da der Kolbendurchmesser fix und die Frequenz eines ORC-Kreisprozesses (wegen der Synchronität) nicht veränderlich ist. Nachteilig sind die dadurch bedingten höhere Kompressionsverluste

Leistungsschwankungen der beiden ORC-Kreisprozesse können auch kompensiert werden, indem die Kondensationstemperatur des Hochtemperatur-Kreis- prozesses und damit die Verdampfungstemperatur des Niedertemperatur-Kreisprozesses variabel angepasst werden. Nachteilig ist die dadurch bedingte geringere Effizienz des ORC-Kreisprozesses, da das Temperaturniveau optimiert ausgelegt ist.

Leistungsschwankungen der beiden ORC-Kreisprozesse können weiterhin kompensiert werden, indem entweder die Verdampfungstemperatur des Hochtemperatur-Kreisprozesses oder die Kondensationstemperatur des Niedertemperatur-Kreisprozesses variabel angepasst wird. Nachteilig ist auch hier die dadurch bedingte geringere Effizienz des ORC-Kreisprozesses, da das Temperaturniveau optimiert ausgelegt ist Gemäß dem in Figur 26 gezeigten Aufbau ist an mindestens eine der Zylinder-Lineargenerator-Anordnungen 1041 , 1042 zusätzlich ein Linearmotor 1043 - -

gekoppelt. Aufgabe des Linearmotors ist es, die Differenz der auftretenden Massenträgheitskräfte und/oder Leistungsdifferenzen der beiden ORC-Kreisprozesse vorzugsweise jederzeit zu kompensieren. Nachteilig ist die dadurch bedingte geringere Effizienz bei der Stromerzeugung wegen der Verluste durch den Motor. Es ist auch möglich, dass einer der Lineargeneratoren gleichzeitig als Linearmotor 1043 fungiert, um die Differenz der auftretenden Massenträgheitskräfte und/oder Leistungsdifferenzen der beiden ORC-Kreisprozesse zu kompensieren.

Die Figuren 27 bis 37 zeigen verschiedene vorteilhafte Ventilsteuerungen für eine Expansionsmaschine (entsprechend der zuvor beschriebenen ersten Ener- gieumwandlungskomponente 11) der Energieumwandlungsvorrichtung. Die Expansionsmaschine, die als 'Schilling-Motor' bezeichnet wird, umfasst einen 'doppeltwirkenden Arbeitszylinder¹ mit zwei Arbeitsräumen (AR1 und AR2). In jedem AR befindet sich jeweils ein Einlassventil (EV) und ein Auslassventil (AV). Die Motorfunktion ist in folgende Phasen untergliedert: Phase 1 : Einlassphase AR1 (Eintritt nach Erreichen der Pufferstrecke mit v=0)

EV1 = offen, AV1 = geschlossen

EV2 = geschlossen, AV2 = offen → Kolben wird in Richtung AR2 beschleunigt Phase 2: Expansionsphase AR1 (Eintritt nach Ende der Einlassstrecke)

EV1 = geschlossen, AV1 = geschlossen EV2 = geschlossen, AV2 = offen → Kolben wird in Richtung AR2 bewegt

Phase 3: Kompressionsphase AR2 (Eintritt nach Ende d. Kompressionsstre- cke)

EV1 = geschlossen, AV1 = geschlossen EV2 = geschlossen, AV2 = geschlossen → Kolben wird in Richtung AR2 bewegt und abgebremst Nach Erreichen der Pufferstrecke in AR2 mit v=0 finden Phasen 4 bis 6 statt, welche identisch mit Phasen 1 bis 3 sind, wobei jedoch die jeweils 'andersseiti- gen¹ EV und AV geschaltet werden und die Bewegung in entgegengesetzter Richtung stattfindet. Folgende Merkmalskombinationen sind in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung von besonderer Bedeutung:

1. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine für einen thermodynami- schen Kreisprozess, insbesondere eines ORC-Prozesses, umfassend einen

Druckzylinder, einen Kolben, mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, wobei das Einlassventil 'verkehrt¹ und das Auslassventil 'wie bei

Verbrennungsmotoren üblich¹ aufgebaut ist.

Erster Vorteil: Geringer Energieverbrauch der Ventilsteuerung.

Am Ende der Kompressionsphase öffnen die Einlassventile automatisch, wenn der Kompressionsdruck höher als der Druck im Einlasskanal (Verdamp- fungsdruck) ist. Es muss beim EV lediglich während der Einlassphase Energie zum Halten der Ventilposition (gegen den Strömungsdruck) aufgewendet werden.

Zum Schließen der EVs (beim Eintritt in die Expansionsphase) muss im Idealfall das Ventil lediglich losgelassen werden, d.h. es schließt mit Hilfe des Strömungsdrucks. Während der Expansionsphase und während aller Phasen des andersseitigen ARs bleibt des Ventil mittels des Flächendrucks aufgrund des geringen Drucks im AR geschlossen, ohne dass dazu Energie zugeführt werden muss.

Das AV ist während aller Phasen des diesseitigen ARs und während der Kompressionsphase des andersseitigen ARs automatisch (energielos) mittels des Flächendrucks geschlossen, da der Druck im AR höher ist als im Auslasskanal (Kondensatioπsdruck). Es öffnet im Idealfall dann beim Übergang in die Einlassphase des andersseitigen ARs von selbst, wenn die Expansion solange fortgesetzt wird, bis der Druck im AR niedriger wird als im Auslasskanal.

Es muss beim AV lediglich während der Einlassphase und der Expansions- phase des andersseitigen ARs Energie zum Halten der Ventilposition (gegen den

Strömungsdruck) aufgewendet werden. Es schließt im Idealfall beim Übergang in die Kompressionsphase des andersseitigen ARs mittels des Strömungsdrucks von selbst.

Zweiter Vorteil: Druckverluste während der Ventilöffnungsphasen systematisch ausgeschlossen. Da die EVs immer dann sofort öffnen, wenn der Druck im AR höher wird als im Einlasskanal und die AVs immer dann sofort öffnen, wenn der Druck im AR niedriger wird als im Auslasskanal, sind Druckverluste, welche beim EV durch das Füllen von 'leerem Raum¹ und beim AV durch das Ausströmen von energetisch nicht genutzten Überdruck im AR während den Öffnungsphasen der Ventile entstehen könnten, systematisch ausgeschlossen.

2. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 1 , wobei ein Positionssensor die Kolbenposition kontinuierlich meldet und somit eine Steuerung aufgrund dieser Information eine für einen optimalen Motorbetrieb günstige Motorstellgröße einstellt, insbesondere daraufhin zwischen den einzelnen Betriebsphasen wechselt und/oder daraufhin eine kontinuierliche Anpassung der Puffer-, Einlass- oder Kompressionsstrecke vornimmt.

Vorteil: Ideale frequenzunabhängige Messgröße für das Wechseln zwischen den einzelnen Betriebsphasen. Sehr präzise, schnelle und kostengünstige Sensoren verschiedener Technologien (elektromagnetisch, optisch, akustisch, etc.) sind Stand der Technik.

3. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 1 und/oder 2, wobei die Pufferstrecke mittels einer kontinuierlicher Anpassung der Einlass- und/oder Auslassventilzeiten verändert wird, damit die Taktfrequenz und somit Leistung der Energieumwandlung variabel eingestellt werden kann. Vorteil: Damit ist eine nahezu verlustfreie Regelung der Leistung möglich.

Diese Verfahren basiert darauf, dass die bewegte Masse (Kolben, etc.) und die Kompressions-Gasfeder ein Masse-Feder-Glied darstellen und somit die Taktfrequenz beeinflussen. Je länger die Pufferstrecke, desto stärker ist die Federkonstante. 4. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 1, 2 und/oder 3, wobei ein oder mehrere Ventiltriebe durch einen Linearmotor (LM) ausgeführt werden.

Vorteil: Jedes einzelne Ventil lässt sich dann öffnen oder schließen, wenn es in der jeweiligen Situation am vorteilhaftesten ist. Dies ermöglicht höchstmögliche Wirkungsgarde bei der Umwandlung von Druck- in Bewegungsenergie.

Ferner ist dadurch für den Motor keine Anlaufphase oder Abschaltphase erforderlich; anders als bei Ventilen, welche mittels einer Rotationsbewegung gesteuert werden. 5. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 4, gekennzeichnet durch mechanische Federn, welche in einer oder in beiden Bewegungsrichtungen das Abbremsen der linearen Bewegung verkürzen bzw. einen Ventilaufschlag abfedern und somit gleichzeitig das Wiederbeschleunigen in die entgegengesetzte Richtung verstärken. Vorteil: höhere Ventilöffnungs- und Ventilschließzeiten und somit höhere Ventiltaktzeiten möglich, da diese durch die Massenträgheit der Magnetmasse begrenzt sind.

6. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 4 und/oder 5, wobei in mindestens einem Ventiltrieb ein Ventilpositionssensor den Zeitpunkt des automatischen öffnens des jeweiligen Ventils meldet und somit eine Steuerung aufgrund dieser Information eine für einen optimalen Motorbetrieb günstige Motorstellgröße einstellt, insbesondere daraufhin zwischen den einzelnen Betriebsphasen wechselt und/oder daraufhin eine kontinuierliche Anpassung der Puffer-, Einlass- oder Kompressionsstrecke vornimmt. Vorteil: indirekte, präzise messtechnische Erfassung für das Erreichen einer

Druckschwelle im AR. Eine Druckmessung bzw. Temperaturmessung im AR ist bei hohen Taktfrequenzen aufgrund der Trägheit der Sensoren unmöglich→ damit Anpassung des Auslassdrucks an den Druck im Kompressionsraum möglich. Möglich ist dieses verfahren auch mit einem Geschwindigkeits- oder Be- schleunigungssensor oder einem Ventil-Kraftsensor. 7. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 1, 2 und/oder 3, wobei über ein oder mehrere Ventile mittels einer Rotationsbewegung, welche eine Nockenwelle antreibt und die Rotationsbewegung in eine Längsbewegung zum öffnen bzw. Schließen der Ventile umwandelt, wobei die Nockenwelle den Ventilschaft nur in eine Richtung beschleunigen kann und die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung über eine Führungsfeder realisiert ist..

Vorteil: Durch die Rotationsbewegung können sehr hohe Ventilöffnungszeiten und Ventiltaktzeiten realisiert werden, jedoch sind im Verhältnis zum Ventiltakt lediglich starre Einlass- oder Kompressionszeiten möglich. Es ist prinzipiell möglich, mehrere oder alle Ventile über eine Nockenwelle zu steuern, und somit ist nur ein Motor erforderlich. Es kann auch vorteilhaft sein, für jedes Ventil einen eigenen Rotationsmotor mit Nockenwelle vorzusehen, was den Vorteil hat, dass die Synchronisierung zur Linearbewegung Kolbens flexibel für jedes Ventil ge- staltet werden kann.

8. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 1 , 2, 3, 4, 5, 6 und/oder 7, wobei die Einlassvolumenregelung der Einlassventile mittels einer zeitlichen Phasenverschiebung des Ventiltaktes der Einlassventile zum Arbeitstakt des Kolbens realisiert ist. Erläuterung: Idealerweise öffnet das Einlassventil am Umkehrpunkt des Kolbens, und der Kompressionsdruck ist zeitgleich genauso hoch wie der Druck im Einlasskanal. Öffnet das EV jedoch zu einem geringfügig anderen Zeitpunkt, hat dies zur Folge, dass dann ein geringer Druckunterschied herrscht, was zu Effizienzverlusten führt. Da jedoch der EV Gasvolumenstrom direkt abhängig ist von der Kolbengeschwindigkeit und diese am Umkehrpunkt des Kolbens aufgrund der Massenträgheit des Kolbens sehr gering ist, führt eine zeitliche Verschiebung der Phasenlage des Ventiltakts zum Arbeitstakt zum Zeitpunkt der EV-Ventilöffnung lediglich zu geringfügigen Abweichungen vom Idealwert. Anders ist dies zum EV-Schließzeitpunkt: Die Kolbengeschwindigkeit ist maximal, d.h. eine geringfügige Verschiebung der Phasenlage des Ventiltakts zum Arbeitstakt führt hier zu relativ hohen Veränderungen des einströmenden Gasvolumens.

9. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 8, wobei das Öffnen und Schließen der Auslassventile abhängig von der Phasenla- ge der Einlassventile so eingestellt wird, dass beim Öffnen der Einlassventile stets der gleiche Druck herrscht wie im Einlasskanal.

Vorteil: der zuvor genannte Nachteil kann somit kompensiert werden. Die EVs öffnen jedoch somit, wenn die Kolbengeschwindigkeit ungleich Null ist, was Gasmengenverschiebungen zwischen AR und Einlasskanal (Verdampfer) zur Folge hat und dadurch nur äußerst geringfügige Effizienzverluste nach sich zieht.

10. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 6, 7, 8 und/oder 9, wobei eine Kompressionsvolumenregelung durch eine Phasenverschiebung mittels einer zeitlichen Phasenverschiebung des Ventiltaktes der Auslassventile zum Arbeitstakt des Kolben realisiert ist. Erläuterung: Das gleiche Prinzip wie bei 9. Idealerweise schließt das AV wenn Koibengeschwindigkeit = 0, da aber Auslassvoiumenstrom zu diesem Zeitpunkt sehr gering ist, führen zeitliche Abweichungen nur zu kleinen Effizienzverlusten. Beim Schließzeitpunkt der AVs (Start der Kompressionsphase) ist die Kolbengeschwindigkeit hoch. Allerdings muss das AV unbedingt vollständig geschlossen sein, bevor das

EV (des gleichen ARs) geöffnet wird, d.h. die Phasenverschiebung funktioniert nur in Richtung 'frühzeitiger geschlossen'.

11. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 6, 7, 8, 9 und/oder 10, wobei bei mindestens einem Einlassventil die Einlassvolu- menregelung oder bei einem Auslassventil die Kompressionsvolumenregelung mittels eines elektrischen Motors realisiert ist, dessen Winkelgeschwindigkeit während einer Rotationsbewegung veränderbar ist.

Erläuterung: Dadurch lassen sich die Öffnungs- und Schließzeiten eines Ventils während einer Rotation einstellen. Wird bspw. die Rotationsbewegung wäh- rend der Ventil-Öffnungsphase beschleunigt und während der Schließphase abgebremst, dann ist es damit möglich, dass die Ventilfrequenz konstant bleibt, sich aber eine im Verhältnis dazu längere Öffnungszeit einstellt, und somit das Einlassvolumen zu erhöhen. Technisch möglich ist dies bspw. mit einem Schrittmotor oder durch eine gepulste Spannungsversorgung des Motors.

12. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und/oder 12, wobei ein oder mehrere Ventiltriebe so ausgeführt sind, dass keine dynamische Dichtung nach außen existiert.

Vorteil: ORC-Mediumsverluste minimal.

13. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , 12 und/oder 13, wobei an den Kolben direkt ein Line- argenerator zu Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie gekoppelt ist.

Vorteil: Effiziente Stromgenerierung.

14. Ventilsteuerung für eine Expansionsmaschine wie beschrieben unter 13, wobei der im Lineargenerator induzierte Strom und/oder die induzierte Spannung kontinuierlich gemessen werden und somit eine Steuerung aufgrund dieser Information eine für einen optimalen Motorbetrieb günstige Motorstellgrößen einstellt, insbesondere daraufhin zwischen den einzelnen Betriebsphasen wechselt und/oder daraufhin eine kontinuierliche Anpassung der Puffer-, Einlass- oder Kompressionsstrecke vornimmt. Vorteil: Es herrscht stets folgendes Gleichgewicht der Kräfte (unter Vernachlässigung der Reibungskräfte):

F_Druck_AR1 (t) - F_Druck_AR2(t) = F_Kin(t)+F_ind(t) Da F_Kin(t) duch die bekannte bewegte Masse ermittelbar aus v(t) und F_ind (t) = f (Ijnd(t)) Und F_Druck_ARx(t) = p_ARx(t)*A_Kolben

→ p_AR1 = f(l(t), wenn AV geöffnet und somit p_AR2 = Kondensationsdruck und umgekehrt.

Ferner kann mit der Strommessung auch der Umkehrzeitpunkt und die Bewegungsrichtung des Kolbens ermittelt werden. Die Erfindung wurde anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Selbstverständlich ist es für den Fachmann ersichtlich, dass Kombinationen und Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Zudem haben die dargestellten Ausführungsbeispiele den Charakter einer Skizze. Fehlende Details sind für das Wesen der Erfindung nicht von Bedeutung, können von einem Fachmann aber ohne Weiteres ergänzt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Energieumwandlungsvorrichtung, basierend auf einem thermodynami- schen Kreisprozess 2, der an eine Wärmekraftmaschine (1) gekoppelt ist, mit einer ersten Energieumwandlungskomponente (11) zur Umwandlung von Druckenergie in mechanische Bewegungsenergie, insbesondere einem Druckzylinder mit einem darin beweglichen Arbeitskolben,

einer zweiten Energieumwandlungskomponente (3) zur Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie, insbesondere einem Lineargenerator,

einer Einlass-Ventilanordnung (5) und einer Auslass-Ventilanordnung (6), die mit der ersten Energieumwandlungskomponente (11) zusammenwirken, und einer Steuerung (23) zur Steuerung der Kopplung der Wärmekraftmaschine (1) an den thermodynamischen Kreisprozess (2) und zur Steuerung der Ventilanordnungen (5, 6),

dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, vorzugsweise alle, bewegten mechanischen Komponenten der Wärmekraftmaschine (1) zu einer Anordnung zu- sammengefasst sind, die in einem statisch abgedichteten Raum, vorzugsweise einem geschlossenen Gehäuse (7), untergebracht ist.

2. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch

wenigstens einen außerhalb des statisch abgedichteten Raums angeordneten ersten elektromagnetischen Feldgenerator (8, 9), der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, und

wenigstens eine an eine Steuerkomponente der Wärmekraftmaschine (1) ge- koppelte Induktionseinrichtung, die aus dem elektromagnetischen Feld den für die Energieversorgung der Steuerkomponente benötigten Strom induziert.

3. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen außerhalb des statisch abgedichteten Raums angeordneten zweiten elektromagnetischen Feldgenerator (22), der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, und

wenigstens eine an eine Steuerkomponente des thermodynamischen Kreis- prozesses (2) gekoppelte Induktionseinrichtung, die aus dem elektromagnetischen Feld den für die Energieversorgung der Steuerkomponente benötigten Strom induziert.

4. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur drahtlosen Übertragung von Daten von bzw. zur Steuerung (23).

5. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

eine Messsensorik (31) mit mehreren Sensoren zur Erfassung von Zustands- größen der Energieumwandlungsvorrichtung,

wenigstens einen außerhalb des statisch abgedichteten Raums angeordneten dritten elektromagnetischen Feldgenerator (22), der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, und

wenigstens eine an die Messsensorik (31) gekoppelte Induktionseinrichtung, die aus dem elektromagnetischen Feld den für die Energieversorgung der Mess- sensorik (31) benötigten Strom induziert.

6. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine (40) der Ventilanordnungen (5, 6) einen Einlass- bzw. Auslasskanal (41) mit einer Ventilöffnung (43), einen zum Einlass- bzw. Auslasskanal (41) senkrecht beweglichen Ventilkolben (42) mit einer Kolbenaussparung (46) und einen von einer Ventilsteuerung (45) gesteuerten Linearmotor (47) aufweist, wobei die Ventilsteuerung (44) so ausgelegt ist, dass der Ventilkolben (42) bereits vor dem Zeitpunkt eines Überfahrens der Ventilöffnung (43) mit dem Kolben (42) bzw. mit der Kolbenaussparung (46), vom Linearmotor (47) beschleunigt wird.

7. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben als Doppelkolben mit zwei beabstandeten, starr gekoppelten Teilkolben (52, 53) ausgeführt ist, wobei die vom Linearmotor (51) angetriebenen Teilkolben (52, 53) alternierend Ventilöffnungen (54, 55) für einen Hintakt bzw. Rücktakt der Wärmekraftmaschine (1) überfahren.

8. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, dass die Einlass-Ventilanordnung (5) wenigstens ein mechanisches Schiebe-Einlassventil (61 , 62) aufweist, das an einen Arbeitskolben (63) der ersten Energieumwandlungskomponente (11) gekoppelt ist und in Abhängigkeit von der Position des Arbeitskolbens (63) den Ventilstatus ändert.

9. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, dass die Einlass-Ventilanordnung (5) und/oder die Aus- lass-Ventilanordnung (6) wenigstens ein elektromagnetisches Rotations-Einlass- bzw. -Auslass-Ventil aufweist, wobei das Ventil ein an einen Rotationsmotor (73) gekoppeltes Ventilelement, insbesondere eine Scheibe (71), mit wenigstens einer Segmentaussparung (72) aufweist und somit in Abhängigkeit vom Rotationswin- kel des Ventilelements den Ventilstatus ändert.

10. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass-Ventilanordnung oder die Auslass-Ventil- anordnung wenigstens ein elektromechanisches Schiebe-Rotations-Einlass- bzw. Auslass-Ventil (81) aufweist mit einem Ventilelement, insbesondere einem Ventil- kolben (86), wobei das Ventilelement um eine Achse drehbar und der entsprechende Drehwinkel einstellbar ist, und dass das Ventil (81) in Abhängigkeit von der linearen Position des Arbeitskolbens (83) der ersten Energieumwandlungskomponente (11) und des Drehwinkels des Ventilelements den Ventilstatus ändert.

11. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die lineare Bewegung des Ventilelements in einer Spule (82) ein Strom induziert wird und bei einer Rotationsbewegung des Ventilelements eine Spule (82) eine Motorspule darstellt, wobei die Spulen (82) vorzugsweise identisch sind.

12. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass am Ventilelement (91) eine Aussparung (92) vorgesehen ist, die über eine Kanalbohrung (93) mit einem Expansionsraum (97) der ersten Energieumwandlungskomponente (11) verbunden ist, sodass eine Ventilöffnung in bestimmten Positionen des Ventilelements (91) freigegeben wird.

13. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schiebe-Rotations-Einlass-Ventil (200) der Einlass-Ventilanordnung und ein Schiebe-Rotations-Auslass-Ventil (203) der Auslass-Ventilanordnung in einem Gehäuse in zwei separaten Kammern angeordnet sind, wobei die beiden Ventile (200, 203) über ein drehbar gelagertes hohles Ventilelement, insbesondere eine hohle Verlängerung (202) einer drehbaren Kolbenstange, aneinander und an einen Arbeitskolben der ersten Ener- gieumwandlungskomponente (11) gekoppelt sind.

14. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Ventilelement mehrere, über den gesamten Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilte Aussparungen aufweist.

15. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, dass die Auslass-Ventilanordnung (6) ein Doppel-Aus- lass-Ventil (308) mit zwei Ventilkolben (304) aufweist, wobei eine Seite jedes Ventilkolbens (304) in Strömungsverbindung mit einem Expansionsraum (301) der ersten Energieumwandlungskomponente (11) steht und jeder Ventilkolben (304) eine erste Stellung, in der der Auslasskanal (305) geschlossen ist, und eine zweite Stellung einnehmen kann, in der der Auslasskanal (305) freigegeben ist, und wobei das Öffnen und Schließen automatisch in Abhängigkeit von der zwischen den beiden Expansionsräumen (301) herrschenden Druckdifferenz sowie der Position des Arbeitskolbens (302) der der ersten Energieumwandlungskomponente (11) erfolgt.

16. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilsteuerung (45) aufgrund von Daten (44) einer Messsensorik, die mehrere Sensoren zur Erfassung von Zu- standsgrößen der Energieumwandlungsvorrichtung umfasst, die Schließ- /öffnungszeitpunkte oder -intervalle der Einlass- und Auslass-Ventilanordnungen zeitlich synchronisiert.

17. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeits- und/oder Ventilkolben der ers- ten Energieumwandlungskomponente (11) bzw. der Ventilanordnungen bezogen auf ihre Bewegungsrichtung im Betriebszustand der Energieumwandlungsvorrichtung senkrecht zur Erde angeordnet sind.

18. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben der ersten Energieumwandlungskomponente (1 1) weitestgehend berührungslos im Druckzylinder (12) beweglich ist, wobei der Arbeitskolben mittels elektromagnetischer Positioniermittel oder einer Kolben-Gaslagerung schwebend im Druckzylinder (12) gehalten wird.

19. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gehäusekonstruktion (150) mit einer Dämpfungseinrichtung, die eine elastisch gelagerte Trägheitsmasse (153) aufweist, wobei Vibrationserzeugende Komponenten der Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere der Druckzylinder (155) der ersten Energieumwand- lungskomponente (11), Ventilzylinder (154) der Ventilanordnungen und ein Magnet (156) der zweiten Energieumwandlungskomponente (3), starr an die Trägheitsmasse (153) gekoppelt sind.

20. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten des thermodynamischen Kreisprozesses (160) me- chanisch nur durch eine elastische Verbindung (152) an die Komponenten gekoppelt sind, die ihrerseits starr an die Trägheitsmasse 153) gekoppelt sind.

21. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch die starre Kopplung von Komponenten des thermodynamischen Kreisprozesses, insbesondere eines ORC-Verdampfers (171), an die Trägheitsmasse (153), wobei diese Komponenten über die elastische Verbindung (152) an die restlichen Komponenten (170) des thermodynamischen Kreisprozesses gekoppelt sind.

22. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energieumwandlungskomponente eine Komponente (101) ist, die Druckenergie in mechanische Rotationsbewegungsenergie umwandelt, insbesondere ein Scroll-Expander, und an einen Rotations- generator (105) gekoppelt ist, der mechanische Rotationsbewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt

23. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energieumwandlungskomponente (101), die Druckener- gie in mechanische Rotationsbewegungsenergie umwandelt, an eine Einrichtung (108) zur Regelung eines Gasvolumenstroms gekoppelt ist, wobei sich in dieser Ausführungsform ebenfalls alle bewegten (rotierenden) Komponenten innerhalb eines geschlossenen Leitungsgehäuses (107) befinden.

24. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, gekennzeichnet durch ein im geschlossenen Gehäuse (121) untergebrachtes Entlüftungsbehältnis (120), eine Vakuumpumpe (123), ein Entlüftungsventil (124) und ein Entleerungsventil (125), wobei in den thermodynami- schen Kreisprozess (122) eingedrungene Luft mittels der Vakuumpumpe (123) und des geöffneten Entlüftungsventils (124) in das Entlüftungsbehältnis (120) gepumpt und das darin angesammelte Luft/Gas-Gemisch über das Entleerungsventil (125) in die Umgebung abgelassen werden kann.

25. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckzylinder (127) mit dem darin beweglichen Arbeitskolben der ersten Energieumwandlungskomponente (11) in einem besonderen Betriebsmodus der Energieumwandlungsvorrichtung die Vakuumpumpe (123) ersetzt.

26. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, gekennzeichnet durch eine Messsensorik (128), die in den thermodynamischen Kreisprozess (122) eingedrungene Luft detektiert und dadurch eine Aktivierung eines Entlüftungsbetriebs auslöst.

27. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses (132) gefüllten Membran-Druckausgleichbehälter (130), der im Stillstand der ersten Energieumwandlungskomponente (11) über ein Ventil (131) an den thermodynamischen Kreisprozess (132) gekoppelt ist.

28. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sDrüche. αekennzeichnet durch einen im αeschlossenen Gehäuse (7) unterαe- brachten Schmierkreislauf (140), bei dem ein Schmiermittel über eine Düse (141) auf Dichtungen des Arbeitskolbens der ersten Energieumwandlungskomponente (11) aufgebracht und dabei mit dem Arbeitsmedium des thermodynamischen Kreisprozesses vermengt wird und nach einer Stofftrennung im Kondensator (142) des thermodynamischen Kreisprozesses wiederverwendet wird.

29. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Stromversorgung von elektrischen Komponenten (409), die in dem statisch abgedichteten Raum mit einem wenigstens teilweise elektrisch leitfähigen Gehäuse (7) untergebracht sind, wobei das Gehäuse (7) durch wenigstens ein Isolierelement (403) in zwei voneinander elektrisch isolierte Bereiche (401 , 402) unterteilt ist und jeweils Kontaktierungen an der Innenwand (404, 406) und an der Außenwand (405, 407) der beiden Gehäusebereiche zur Stromversorgung der elektrischen Komponenten (409) mittels Stromfluss durch die Gehäusewand (401 bzw. 402) vorgesehen sind.

30. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) rohrförmig und das Isolierelement (403) eine Isolierscheibe oder ein Isolierring ist, die bzw. der das Gehäuse (7) in axialer Richtung unterteilt.

31. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) eine mehrteilige Gasbehälter-Konstruktion (410) ist, die an einen hermetisch geschlossenen Gaskreislauf (411), insbesondere einen thermodynamischen ORC-Kreislauf, angekoppelt ist.

32. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) durch wenigstens zwei Isolier- elemente (415) in wenigstens drei voneinander elektrisch isolierte Bereiche unterteilt ist, wobei an einem der Gehäusebereiche eine Kontaktierung (416) an dessen Innenwand und Außenwand vorgesehen ist, die insbesondere zur uni- oder bidirektionalen Übertragung von Sensor- und/oder Steuerungsdaten verwendbar ist, wobei die Kontaktierung (416) eine separate Kontaktierung oder eine vorhandene Kontaktierung zur Versorgung der elektrischen Komponenten (409) mit Gleichstrom ist, wobei auf die zur Versorgung der Komponenten (409) erforderliche Gleichspannung ein Wechselspannungssignal, insbesondere ein PWM-Signal, aufmoduliert ist.

33. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 32, gekennzeichnet durch eine hermetisch abgedichtete elektrische Ankopplung (423) für eine direkte oder indirekte Übertragung von Ventil-Ist-Positionsdaten und/oder Ventil-Sensor-Fehlermeldungen.

34. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, gekennzeichnet durch eine hermetisch abgedichtete elektrische Ankopplung (428) eines innerhalb des Gehäuses (7) angeordneten Stromgenerators (427) zur Übertragung der erzeugten elektrischen Energie an einen außerhalb des geschlossenen Gehäuses befindlichen Spannungswandler (429).

35. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 34, gekennzeichnet durch eine hermetisch abgedichtete elektrische Ankopplung (428) für eine direkte oder indirekte Übertragung von Ist-Daten und/oder von Sensor-Fehlermeldungen eines innerhalb des Gehäuses (7) angeordneten Stromgenerators (427) oder Motors (427) an eine externe Steuerung (429).

36. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 35, gekennzeichnet durch eine hermetisch abgedichtete elektrische Ankopplung (428) für eine direkte oder indirekte Übertragung von Soll-Zuständen eines innerhalb des Gehäuses (7) angeordneten Stromgenerators (427) oder Motors (427).

37. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 36, gekennzeichnet durch einen innerhalb des Gehäuses (7) angeordneten Stromgenerator (427) und eine innerhalb des Gehäuses (7) angeordnete, an den Stromgenerator (427) gekoppelte und hermetisch abgedichtete Expansionsmaschine (426), insbesondere in einer Ausführung als Kolbenmotor.

38. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 37, gekennzeichnet durch eine hermetisch abgedichtete elektrische Ankopplung

(428) von Verbindungsleitungen für einen translatorischen oder rotatorischen Motorbetrieb eines innerhalb des Gehäuses (7) angeordneten Generators (427).

39. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 38, gekennzeichnet durch einen innerhalb des Gehäuses (7) angeordneten, herme- tisch abgedichteten Stromgenerator in einer Ausführung als Lineargenerator (431), der mit einem innerhalb des Gehäuses (7) angeordneten Kolbenmotor (430) direkt über eine Kolbenstange (432) verbunden ist.

40. - Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine lineare Wärmekraftmaschine (1) mit einem Druckzylinder (1002) inklusive einem Arbeitskolben mit Ein- und Auslassventilen (1003), einem vorzugsweise direkt an den Arbeitskolben gekoppelten Linearge- nerator (1004), einem Sensor (1005) zur Bestimmung einer Ist-Position des Arbeitskolbens, einer Stromregeleinrichtung (1006), einer optionalen Filter- und Gleichrichter-Komponente (1008) und einem Spannungswandler (1007), insbesondere einem Netzwechselrichter, wobei während eines Expansionsvorgangs, bei dem der Arbeitskolben bewegt wird, die physikalischen Größen, Kraft, Be- schleunigung, Geschwindigkeit und/oder Position des Arbeitskolbens innerhalb des Druckzylinders (1002) vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt über die Stromregeleinrichtung (1006) bestimmbar sind.

41. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 40, gekennzeichnet durch zwei vorzugsweise identisch aufgebaute gegenläufige und auf einem Trä- ger (1023) angebrachte Zylinder-Lineargenerator-Anordnungen (1021 , 1022) zur Kompensation der bei den Kolbenbewegungen auftretenden Massenträgheitskräfte, wobei die Steuerung dafür sorgt, dass bei beiden Anordnungen (1021 , 1022) Expansionsvorgänge gleichzeitig stattfinden, sodass sich auftretende Massenträgheitskräfte im Idealfall jederzeit gegenseitig neutralisieren.

42. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 40 oder 41 , gekennzeichnet durch einen zweistufigen ORC-Kreisprozess-Aufbau mit einem Hoch- temperatur-Kreisprozess und einem Niedertemperatur-Kreisprozess, durch zwei gegenläufige und auf einem Träger (1033) angebrachte Zylinder- Lineargenerator-Anordnungen (1031 , 1032) und durch eine elektrische Kopplung der beiden Anordnungen (1031 , 1032) dahingehend, dass Expansionsvorgänge in beiden Anordnungen (1031 , 1032) gleichzeitig stattfindenden und die Expansionsverläufe so eingestellt sind, dass sich die auftretenden Massenträgheitskräfte gegenseitig bestmöglich neutralisieren und Kräftespitzen bestmöglich vermieden werden.

43. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsschwankungen der beiden ORC-Kreisprozesse kompensiert werden, indem die Einlassdauer eines Kreisprozesses und dadurch der Expansionsweg variabel angepasst werden. - ob -

44. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsschwankungen der beiden ORC-Kreisprozesse kompensiert werden, indem die Kondensationstemperatur des Hochtemperatur- Kreisprozesses und damit die Verdampfungstemperatur des Niedertemperatur- Kreisprozesses variabel angepasst werden.

45. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 42 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsschwankungen der beiden ORC- Kreisprozesse kompensiert werden, indem entweder die Verdampfungstemperatur des Hochtemperatur-Kreisprozesses oder die Kondensationstemperatur des Niedertemperatur-Kreisprozesses variabel angepasst wird.

46. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 42 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass in an mindestens eine der Zylinder- Lineargenerator-Anordnungen (1041 , 1042) zusätzlich ein Linearmotor (1043) gekoppelt ist, dessen Aufgabe es ist, die Differenz der auftretenden Massenträg- heitskräfte und/oder Leistungsdifferenzen der beiden ORC-Kreisprozesse vorzugsweise jederzeit zu kompensieren.

47. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Lineargeneratoren auch als Linearmotor fungiert.

48. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ventilsteuerung für die Einlass-Ventilanordnung (5) und/oder die Auslass-Ventilanordnung (6), die mit der ersten Energieumwandlungskomponente (11) zusammenwirkt, mit einem Druckzylinder, einem Kolben, mindestens einem Einlassventil und mindestens einem Auslassventil, wobei das Einlassventil 'verkehrt' und das Auslassventil 'wie bei Verbrennungsmotoren üb- lieh' aufgebaut ist.

49. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Ventiltriebe durch einen Linearmotor (LM) ausgeführt werden.

50. Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 49, gekennzeichnet durch mechanische Federn, welche in einer oder in beiden Bewegungsrichtungen das Abbremsen der linearen Bewegung verkürzen bzw. .einen Ventilauf- schlag abfedern und somit gleichzeitig das Wiederbeschleunigen in die entgegengesetzte Richtung verstärken.

51. Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 48 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass über ein oder mehrere Ventile mittels einer Rota- tionsbewegung, welche eine Nockenwelle antreibt und die Rotationsbewegung in eine Längsbewegung zum öffnen bzw. Schließen der Ventile umwandelt, wobei die Nockenwelle den Ventilschaft nur in eine Richtung beschleunigen kann und die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung über eine Führungsfeder realisiert ist.

52. Verfahren zur Stromversorgung von elektrischen Komponenten (409) einer Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die sich innerhalb eines hermetisch geschlossenen Gehäuses (7), insbesondere eines Gasbehälters, befinden,

dadurch gekennzeichnet, dass das geschlossene Gehäuse (7) durch we- nigstens ein Isolierelement (403) in zwei voneinander elektrisch isolierte Bereiche (401 , 402) unterteilt ist und die Stromversorgung der elektrischen Komponenten jeweils über Kontaktierungen an der Innenwand (404, 406) und an der Außenwand (405, 407) der beiden Gehäusebereiche mittels Stromfluss durch die jeweilige Gehäusewand (401 bzw. 402) hergestellt wird.