EP3032049A1 - Heatpipe-wärmekraftmaschine - Google Patents

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Publication number
EP3032049A1
EP3032049A1 EP15196397.2A EP15196397A EP3032049A1 EP 3032049 A1 EP3032049 A1 EP 3032049A1 EP 15196397 A EP15196397 A EP 15196397A EP 3032049 A1 EP3032049 A1 EP 3032049A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
heat engine
heatpipe
cylinder
space
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15196397.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Wissing
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3032049A1 publication Critical patent/EP3032049A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/02—Steam engine plants not otherwise provided for with steam-generation in engine-cylinders

Definitions

  • the invention relates to the conceptually claimed and thus relates to how mechanical or electrical work can be performed with heat energy in a capillary force driven heat pipe construction or alternatively a gravity driven heat pipe.
  • Heatpipes and heat pipes are preferably used in known forms for the transport of heat energy.
  • the main difference of the available designs are the types with capillary structure for liquid transport, in limits also against gravity, in contrast to the gravity-driven heat pipes (also called two-phase thermosiphon) to call.
  • heatpipes invariably run in a closed thermodynamic cycle.
  • the advantages of high specific cycle process work are used in known heat pipes in the thermodynamic cycle, depending on the operating temperature, using different fluid working media such as water, sodium, refrigerant R134a, R600a.
  • Prerequisite for a heat transfer with heat pipes is a temperature difference between the cold and the warm zone.
  • the aforementioned known heatpipes usually work exclusively as a heat transport means.
  • the pressure difference necessary for the transport of the vaporous medium is based on the evaporation of the liquid medium and thus expansion on the warm and the condensation and thus volume reduction of the vaporous medium at the cold zone.
  • This process continues in the closed system as long as there is a temperature difference between the cold and warm zones. Among other things, it is dependent on the temperature difference of the cold and warm zone, the selected working medium and thermal conductivity of used materials, especially in the area of the heat source and the heat sink. In addition to the selected working medium, there are ideally no other foreign gases in the closed system.
  • the invention has for its object to provide new to the commercial application of a generic heat pipe heat engine.
  • the heat pipe heat engine according to the invention has at least one cylinder and at least one piston movably guided in the cylinder. Ideally, this movable piston is guided within a double collar likewise movably inserted in the cylinder. At least one warm zone is provided on the cylinder. The necessary for the thermodynamic cycle cold zone (at least one) for the condensation of the working fluid is also, at least temporarily, in the achievable for the vaporous working medium region of the heat pipe heat engine.
  • the heat energy to be supplied to the system at the warm zone is provided by a layer of material, such as aluminum, having a high thermal conductivity.
  • a layer of material such as aluminum, having a high thermal conductivity.
  • the transport zone should ideally be thermally insulated.
  • the movably guided piston of the heat pipe heat engine according to the invention receives at least one device, such as a spring, on the cold zone side for storing mechanical energy as a bias for the return transport of the piston and the double collar.
  • at least one device such as a spring
  • magnetic variants are possible in order to force the piston-double collar combination back from the cold zone in the direction of the warm zone.
  • Between the upper and lower end stop for the piston-Doppelbundhülsenkombination at least one, but ideally several transfer channels for the vaporous working medium are attached.
  • the overall height of the double collar is smaller than the distance between the inlet and outlet of the transfer channels.
  • the piston movably guided within the double collar sleeve has in turn a lower height than the distance between the inside Edges of the double collar sleeve from a vertical point of view.
  • the maximum total stroke of the piston-Doppelbundhülsen combination thus results from the free movement play of the double collar between the end stops added to the axial movement play of the piston within the double collar.
  • plastics such as under the brand name "Iglidur®” from the manufacturer igus or “Vespel®” from DuPont TM, are ideal alternatives because of their good processing properties.
  • the piston and Doppelbundhülsen-cylinder clearance of the heat pipe heat engine according to the invention should be a gap width of, for example, 0.1 to 0.15 mm to pass above the piston-Doppelbundhülsen combination resulting working fluid in the liquid form in the direction of warm zone and this at the same time as a sliding film to use.
  • the insertion of grooves in the circumference of the piston reduces its friction losses and ensures the sliding film.
  • a slit, for example, in an oblique shape, the double collar facilitates thereby the production of the piston double collar combination.
  • the condensing at the cold zone of the heat pipe heat engine according to the invention working fluid is passed through a connection outside the cylinder to the underside of the piston-double collar combinations in the form that the opening of the connecting line is introduced immediately above the lower end stop in the cylinder.
  • the from the point of view of the cold zone lower opening of the overflow channel (s) should thereby slightly from the axial point of view, for example, 1-2 mm, begin below.
  • This variant of the condensate recirculation prevents an uncontrolled accumulation of condensate above the piston.
  • a pressure equalization via the condensate line to the upper space of the heat pipe heat engine does not take place early, but ideally only when the piston with the movable double collar sleeve has reached the upper position.
  • the flow control of the heat pipe heat engine according to the invention is carried out in such a way that at the beginning of the cyclic process, the piston-double collar combination rests on the lower, the warm zone end stop, as a starting position. At this time, all overflow and other inlets or outlets of the space of the warm zone facing piston underside are closed. Thus, due to the evaporation of the liquid working medium at the warm zone, a corresponding vapor pressure is produced as a function of the selected working medium and the temperature of the hot zone. At the same time, the vapor pressure above the piston decreases due to condensation of the vaporous working medium at the cold zone.
  • the heat pipe heat engine according to the invention interrupts the connection of the rooms of the cold as well warm zone cyclically and thereby allows the emergence of a significant difference in temperature of the two steam rooms, resulting in accordance with the vapor pressure curve of the working medium used in a pressure difference between the two rooms.
  • This pressure difference is used according to the invention for generating movement by a piston.
  • the vapor pressure difference of the heat pipe heat engine according to the invention between the warm zone and the cold zone facing the piston side start the piston movement in the direction of the cold zone.
  • spring which is installed slightly biased between the upper piston side and the cylinder wall of the cold zone
  • a spring constant is selected, which, based on the total stroke of the piston, for example, a spring force of about 10% with respect to the force of Piston at the expected operating conditions.
  • the piston movement in the direction of the cold zone ideally tensions the spring and thus stores kinetic energy up to the end point of the movement of the piston in the direction of the cold zone. Due to the larger slip stick of the double collar in the cylinder over the Gleitreibungshaftagonists the piston within the double collar sleeve remains the sleeve as long as in its initial position until the piston has carried out its upward movement to the upper of the cold zone facing gutter of Doppelbundhülse.
  • the double-collar sleeve is also moved by the overpressure still acting on the underside of the piston through the piston in the direction of the cold zone. This movement continues until the hot zone facing overflow channel openings of the cylinder are released by the double collar.
  • An upper end stop of the heat pipe heat engine according to the invention and a phase on the edge of the double collar sleeve facing the cylinder on the cold zone side prevent complete closing of the overflow channels by the double collar sleeve.
  • a pressure compensation in the direction of cold zone is carried out by the release of the overflow.
  • the pressure difference between the space at the piston top and piston bottom side decreases.
  • the kinetic energy stored in the spring is now used due to the decreasing backpressure of the piston underside by pressure equalization to urge the piston in the double collar in the direction of warm zone.
  • Closing the overflow channels of the heat pipe heat engine according to the invention thus separates the connection of the spaces above and below the piston, so that the piston double collar combination their lower end point both by pressure rise on the bottom, pressure drop on the cold zone facing the piston side and the reached bottom limit stop. The movement cycle is thus completed and starts anew.
  • the basic idea of the generation of movement of a process running cyclically in a closed heat pipe construction on the basis of temperature differences is thus implemented by the heat pipe heat engine according to the invention.
  • the function is possible with a suitable choice of materials and the working medium in a wide temperature range, which may for example also be well below 0 ° C or far above.
  • the following variants are based on this previously described basic variant of the heat pipe heat engine according to the invention.
  • a further preferred variant of the invention is to use the kinetic energy of the piston, referred to below as piston 1, to produce a zone of elevated temperature level on the heatpipe heat engine which is above the temperature of the warm zone, for example for heating purposes use.
  • piston 1 the kinetic energy of the piston
  • piston 1 to produce a zone of elevated temperature level on the heatpipe heat engine which is above the temperature of the warm zone, for example for heating purposes use.
  • no further supply of energy forms such as electrical or mechanical energy is necessary except for the temperature difference at the heat source and heat sink of the heat pipe heat engine.
  • the smaller additionally introduced cylinder protrudes so far into the space of the cold zone that the additional introduced movable piston 2 at the time when the larger piston 1 of the heat pipe heat engine according to the invention is located at the bottom, the warm zone closest end stop , with its entire tread of the piston 2 is just surrounded by the additional smaller cylinder.
  • This ensures both the maintenance of a lubricating film and also prevents blockage of the double piston construction. To guide the spring, it may be helpful to extend this cylinder even further towards warm zone.
  • the piston 2 of the variant of the heat pipe heat engine according to the invention also has a piston-cylinder clearance of, for example, 0.1 mm to allow small amounts of condensate pass as a sliding film between the cylinder wall and the piston 2 and at the same time a sufficient seal of the existing above the piston 2 space to ensure.
  • At least one condensate discharge is introduced laterally into the additional smaller cylinder within the closed heatpipe heat engine in order to prevent an accumulation of liquefied working medium above the piston 2.
  • the position of the condensate drain is chosen so that upon reaching the lower position of the piston 2, the opening of the condensate drain is released to the flow of liquefied working medium.
  • these are more than just a condensate drain to attach to the smaller cylinder to ensure the drainage of the condensate.
  • the condensed working medium is passed through a stand-up collar of the cylinder of the piston 1 to the condensate collection point. Thus, an accumulation of condensate is also counteracted above the piston 1.
  • the space above the smaller piston 2, which is driven by the force of the larger piston 1, is used for compression of parts of the, via at least one via a ball valve automatically controlled suction, supplied vaporous working fluid.
  • the opening of the suction line in the cylinder wall immediately above the lower end stop of the double collar sleeve is also realized, like the overflow channels, by the double collar sleeve. This ensures according to the invention that the intake duct does not open unintentionally but only shortly before the downward movement of the piston 1 and 2 in the direction of the warm zone.
  • a further improvement of the heat pipe heat engine according to the invention is achieved by inserting a ball valve as close as possible to the space above the piston 2.
  • the at the beginning of the upward movement of piston 2 automatically by the gravity of the ball and the steam flow closing ball valve reduces the compression space above the piston 2 and thus allows the concentration of the trapped by the compression of above the small piston 2 vaporous working medium in a smaller space mainly above Piston 2.
  • heat energy increased temperature potential can be removed by compression, for example, with liquid heat exchangers.
  • a further preferred variant of the invention is the operation for generating electricity by means of a coupled to the piston 1 device for operating a power generator, for example in the form of at least one linear generator.
  • a power generator for example in the form of at least one linear generator.
  • permanent magnets are cyclically moved back and forth near the outer cylinder wall in the heat pipe by the piston drive.
  • the windings are mounted with yoke for the induction of electrical energy.
  • the largely pressure-tight piston 2 is omitted in the aforementioned form and is realized accordingly only as a second guide piston with sufficiently large openings for the passage of the vaporous working medium in the cylinder of the transport zone.
  • the spring constant of the spring used must be redetermined and taken into account here.
  • a further embodiment of the heat pipe heat engine according to the invention therefore represents the use of external heat exchangers for both the cold and for the warm zone.
  • a dimensioning of evaporation and condensation area and thus of performance parameters of the heat pipe heat engine is so simple and inexpensive possible. While the evaporator or the evaporator of the warm zone, from a vertical point of view, are to be positioned approximately at the level of the liquid boundary of the warm zone and the vaporous working medium is supplied below the piston 1 in the region of the warm zone, or the condenser / s of the cold Zone horizontally and vertically be freely positioned, as long as the liquid column in the return line from the condenser to the liquid inlet, above the lower end stop of the double collar, their minimum height, taking into account the spring constant of the spring used and the density of the working medium, for example, 40 cm vertical view without condensation build up in the condenser.
  • the capacitor is ideally inclined in the direction of the liquid line.
  • At least one connection from the volume, from the axial point of view, above the piston 1 to the condenser for the supply of the gaseous working medium to the condenser attached at least one connection from the volume, from the axial point of view, above the piston 1 to the condenser for the supply of the gaseous working medium to the condenser attached.
  • the condensation process in the external condenser thus reduces the vapor pressure corresponding to the vapor pressure curve of the working medium in the region of the condenser, which also has the effect of reducing the vapor pressure via the connection to the space above the piston 1 there.
  • the temperature difference between the evaporator (s) of the warm zone and the condenser (s) of the cold zone thus produces a vapor pressure difference between the two working chambers of the piston 1, which is triggered by the upward movement of the piston 1 then triggered from the axial point of view then also pushes upwards over the stop of the piston 1 at the upper edge of the double collar sleeve and thus releases the overflow channel (s).
  • mechanical work on the tension of the spring and mechanical energy is provided on, connected to the piston 1, connecting element, which is used according to the invention.
  • the condensate line from the axial point of view slightly above, for example, 1 to 2 mm higher than the lower outlet of the / the overflow / on the cylinder attached, so that the pressure compensation to space above the piston 1 and thus an increase in pressure in the condenser can take place and subsequent opening of the condensate line, in upward movement of the double collar, condensate can enter below the piston 1.
  • the absolute upper end stop for the upward movement of the double collar in this variant of the heatpipe heat engine, realized by the reduced diameter cylinder housing, from the axial view above the piston 1.
  • the beginning pressure equalization with release of the / the overflow channel / -alle as well as the back pressure of the spring should ideally be adjusted in the form that a stop of the double collar at the upper end stop as possible avoided.
  • the pressure equalization of the existing pressure difference between the spaces above and below the piston 1, which now begins via the overflow channel (s), is carried out according to the invention until the spring force of the spring is sufficient to urge the piston 1 inside the double collar sleeve in the direction of the warm piston side. until it reaches, from the axial point of view, the lower edge of the double collar sleeve and also pushes it down until the overflow channel (s) are closed.
  • the end stops facing the underside of the piston 1 are arranged at such a distance from the outlet of the overflow channel (s) that, if the temperature difference between the warm and cold zone of the heat pipe heat engine persists, the double collar does not reach the bottom end stops, but already before reaching these end stops by the rebuilding pressure difference between the piston top and piston bottom side of the piston 1, the piston 1 is urged in the direction of cold zone within the double collar.
  • a variant according to the invention of the use of the mechanical energy provided by the invention on pistons 1 consists in the circuit realized in a second circuit via the piston 2 for the compression of gaseous working medium.
  • the possibility of the heat pipe heat engine for cooling purposes with the help of the evaporator of the circuit 2 made available cooling capacity to use or alternatively to use the provided on the condenser of circuit 2 heat energy, for heating purposes, for example.
  • cooling or heating due to the compression ratio of the piston 1 and 2 at the evaporator of the circuit 2, a lower temperature than that at the cold zone and the condenser of the circuit 2, a higher temperature than that at the evaporator Heatpipe heat engine to be tapped.
  • the efficiency can be increased when used for cooling purposes, the heat output to the condenser of the circuit 2 via heat exchangers are fed to the evaporator heatpipe heat engine.
  • the efficiency of the cooling capacity of the evaporator of circuit 2 can be supplied to the condenser of the heatpipe heat engine efficiency.
  • the displacement of the condenser and evaporator of the heat pipe heat engine according to the invention externally allows, increasing the thermal efficiency, further the thermal insulation of all other components except the evaporator and condenser elements.
  • a further preferred variant of the invention is the embodiment as a heat pipe heat engine with capillary force-driven condensate transport.
  • a capillary structure which is realized, for example, on the inside of the cylinder of piston 1, as known under the designations "mesh”, “groove” or “sinter”, is responsible for the transport of condensate, within limits also against gravity .
  • the capillary force driven variant of the heat pipe heat engine according to the invention as the basic variant of the heat pipe heat engine according to the invention or its sub-variants operated.
  • the only difference here is the transport of condensate through the exemplary intake of a smooth inner cylinder tube to ensure a pressure-tight and low-wear operation of the piston-Doppelbundhülsen combination in the cylinder area.
  • the construction of the inner tube must ensure the transport of liquids and steam, especially in the area of the heat sink and the heat source, as is known with capillary-driven heatpipes.
  • piston double collar and spring in the reverse position of the cold and warm zone of a heat pipe heat engine according to the invention with capillary force driven condensate transport, the construction of piston double collar and spring must be introduced in the reverse direction in the heat pipe heat engine according to the invention.
  • the spring and / or further measures for resetting the piston-double collar combination are thus usually on the side of the cold zone of the heat pipe heat engine.
  • the bias voltage in the initial position of the piston 1 and the spring constant of the spring used is adapted depending on the purpose of the invention in the form that the provision of the piston-double collar combination is ensured in their initial position under the respective operating conditions of the intended use.
  • the heat sink is designed as an external capacitor, which is also in this variant of the heat pipe heat engine according to the invention in reducing the dead space volume of the gas space on the side facing the heat sink piston side and thereby efficiency-increasing effect.
  • the external condenser is to be tilted in the direction of the condensate inlet opening in order to ensure the condensate drainage.
  • Another embodiment of the heat pipe heat engine according to the invention with capillary force driven condensate transport is the use of an external capacitor as a heat sink, which also in the region of the condensation surface of the capacitor and the connection to the capillary between the inner and outer wall of the capillary force driven heat pipe heat engine, a capillary structure, such as for example, under the designations "mesh", "groove” or "sinter” known.
  • This variant of the heatpipe heat engine with capillary-powered condensate transport allows, with appropriate dimensioning of the capillary structure, a position and gravity-independent operation.
  • a further embodiment of the heatpipe heat engine according to the invention with capillary force-driven condensate transport is the variant with external evaporator as a heat source.
  • the condenser equipped with capillary structure on the condenser in this variant of the invention completely filled with capillary compound with the also equipped with capillary Connected evaporator.
  • the evaporator is in turn connected to the gas space of the heat source side facing the piston 1.
  • a direct compensation of vapor pressure between the cold zone in the form of the condenser and the warm zone in the form of the evaporator is prevented in this variant of the invention by the capillary structure in the connection between condenser and evaporator, which is known, for example, under "mesh" or "sinter".
  • the displacement of the warm zone in the form of a likewise connected to the capillary evaporator, externally makes the collection of an inner cylinder and between the inner and outer cylinders otherwise necessary for the condensate transport capillary unnecessary.
  • the evaporation and condensation performance can be dimensioned so flexible and the structure of the overall construction, despite position and gravity-independent use, greatly simplified.
  • the dimensioning of the volume of the capillary structure in the evaporator, condenser and their connection should be taken into account in order to ensure a sufficient amount of condensate for continuous evaporation over the entire temperature range of use of the invention.
  • the possibility of supplying, for example by compression work additionally incurred heat energy in or on the warm zone facing gas space remains.
  • a further improvement in the efficiency of the heat pipe heat engine according to the invention is in variants with capillary-powered condensate transport by laying the opening of the connection to the external condenser from the gas space of the cold zone to a position laterally on the master cylinder, near the axial view of the cold zone facing End stops, reached.
  • the condensation power in the external capacitor during the overflow phase remains by this measure for the subsequent working phase in the form of negative pressure relative to the gas space of the stored cold zone in the master cylinder in the region of the externally displaced capacitor until the double collar sleeve releases the opening to the condenser to the end of the overflow phase.
  • the basic idea of a low-cost, low-moving parts, based on existing principles and to be realized with ordinary components heatpipe heat engine for commercial use can be implemented in all embodiments of the proposed invention.
  • the heat pipe heat engine according to the invention may preferably be designed and manufactured as a gravity-driven two-phase thermosiphon or as a capillary force-driven heatpipe heat engine.
  • the combination of features aspiring günster structure, usable power density and characterized by only thermal energy drive characterize the heat pipe heat engine according to the invention.
  • the heat pipe heat engine according to the invention which can be considered in principle as a heat engine, is ideally suited for heat and power in small and medium sized systems, decentralized power supplies both thermal and electrical type in a wide temperature range.
  • the possible fields of application are extremely diverse. The profitability is ensured by principally maintenance-free operation and use of existing temperature difference potentials.
  • the Fig. 1 shows the arrangement of a hermetically sealed designed as a piston engine Heatpipe heat engine according to the invention 1, with a cylinder 21 and a movably mounted in the cylinder 21 double collar sleeve 22 in which the movably guided piston 13 is mounted.
  • the piston 13 is connected via a fixed connection 28 with the smaller diameter than piston 13 pronounced piston 5 .
  • the combination of the double collar 22 and the piston 13 and 5 with compound 28 are pressed by spring 29 under defined spring pressure in the region of the end stops 15 and 24 in the direction of heat source 18 .
  • Heatpipe heat engine 1 has a further cylinder 30, which is smaller in diameter than the main cylinder 21 and the cylinder head 3 , in which the piston 5 in the working space 4, the entering through the intake 2 vaporous working medium 16 compresses.
  • the overflow channels 23 are introduced with the openings 12, 14 and 20 for the overflow of the vaporous working medium 16 .
  • Near the bottom of the heat source nearest openings 14 and 20 are the intake duct 26 for vaporous working medium 27 for filling the cylinder chamber 4 and the condensate line 11 for recycling the liquefied by condensation working medium 16 from the condensate collecting channel 10, attached.
  • Fig. 1 is shown that both on the cylinder head 3 as well as on the heat sink 9 during the condensation process heat energy is released and condensate 7 is formed.
  • the condensate from cylinder chamber 4 is fed via line 6 of the collecting channel 10 .
  • the so-called transport zone of the heat pipe heat engine 1 according to the invention and the suction line 26 with ball valve 31 is thermally insulated with insulating material 25 .
  • the heat pipe heat engine 1 according to the invention sets a volume change of an in-cylinder 19 between the piston 13 and the heat source 18 working medium 16 via the axially displaceable piston 13 and the axially displaceable double collar 22 in an upward movement of the connected pistons 13 and 5 and the double collar 22 ,
  • Fig. 1 shows that the upward movement of pistons 13 and 5 first occurs until the piston 13 abuts the upper stop within the double collar 22 and then pushes them also in the direction of heat sink 9 .
  • Spring 29 of the heat pipe heat engine 1 according to the invention is tensioned during the movement of the piston 13 in the direction of cold zone 9 .
  • the upward movement of the piston 13 and the double collar sleeve 22 is terminated as soon as the double collar sleeve 22 releases the lower openings 14 and 20 of the overflow channels 23 by its upward movement in the direction of the cold zone 9 . Balancing the between the space 8 of the cold zone and the space 19 of the warm zone at this time existing pressure difference begins by the opening of the overflow channels 23.
  • the decreasing by this compensation pressure difference reduces the pressure on the hot zone 18 facing side of the piston 13 to the pressure on the piston top by the spring 29 outweighs and this within the double collar 22nd in the direction of warm zone 18 urges.
  • the supply of external heat energy to the heat source 18 generates at existing temperature difference between the heat sink 9 and heat source 18 continuously steam in the room 19 while condensed in space 8 constantly vaporous working medium 16 and thus the vapor pressure is reduced, resulting in a pressure difference between the rooms 19 and 8 ,
  • This sustained thermodynamic cycle within the heat pipe heat engine 1 according to the invention restarts the process, so that a cyclical and independently starting movement process is realized.
  • the Fig. 2 shows the arrangement of a hermetically sealed, constructed as a piston engine Heatpipe heat engine according to the invention 1, with a cylinder 21 and a movable in the cylinder 21 double collar sleeve 22 in which the movably guided piston 13 is mounted.
  • the piston 13 is connected via a fixed connection 28 with the smaller diameter than piston 13 pronounced piston 5 .
  • the combination of the double collar 22 and the piston 13 and 5 with compound 28 are pressed by spring 29 under defined spring pressure in the region of the end stops 15 and 53 in the direction of the gas space 19 of the warm zone.
  • Heatpipe heat engine 1 has a further cylinder 30 which is smaller in diameter than the main cylinder 21 and the cylinder head 3 , in which the piston 5 in the working space 4, the incoming through suction 2 vapor working medium 37 compresses.
  • the overflow channel (s) 23 are introduced into the space 8 with the openings 20 and 32 for overflowing the vaporous working medium from space 19 .
  • Fig. 2 shows, from the axial view above the highest position of the piston 13 in the region of the space 8, the opening 46 of the connection 45 for supplying the gaseous working fluid 41 to the external capacitor 42 as a cold zone of the invention.
  • the inclined in towards the connection 11 condenser 42 condensing the working medium passes into the compound 11, and thus collects in this as a liquid column of the condensed working medium 7 with the liquid level 43. flows Upon release of the opening 14 by the double collar sleeve 22 by the previously executed surge at opening 46 and the pressure of the liquid column in connection 11, the liquid working medium 7 in the space below the piston 13 a.
  • Fig. 2 also shown in the, from the axial view bottom portion 18 of the heat pipe heat engine according to the invention 1 collected liquid working medium 16, which is vaporized via the connection 51 to the external evaporator 50 for evaporation with the aid of supplied heat energy to vaporous working medium 49 and via the connection 48 and opening 47 to the space 19, below the piston 13, is supplied.
  • the cycle of the working medium 16 is closed.
  • Fig. 2 further shows that the so-called dead volume of volume 8 above piston 13 is reduced by the displacement of the cold zone to the outside, in the form of condenser 42, and the connection 28 is also reduced in length and thus weight, which reduces the efficiency of the Heatpipe heat engine according to the invention increases. Furthermore, by displacing the condenser 42 and the evaporator 50 externally, the invention can be used flexibly.
  • Fig. 2 is also shown that by the piston 5, driven by piston 13 via the connection 28, the cylinder chamber 4, the valves 31 and 38, which are for example designed as check valves in the form of ball valves, the compounds 40 and 26, a throttle member 34, the openings 2 and 36 and the condenser 35 and evaporator 33, depending on the structural design, a compression refrigeration machine or alternatively, a heat pump can be realized, which is driven by heat energy as an energy source.
  • the unused energy of the condenser 35 or evaporator 36 is thereby, depending on the intended use, as known in refrigerant circuits, via heat exchanger to the evaporator 50 or condenser 42 to increase efficiency.
  • Fig. 2 shows that the upward movement of pistons 13 and 5 first occurs until the piston 13 abuts the upper stop within the double collar 22 and then pushes them also in the direction of upper end stop 53 .
  • Spring 29 of the heat pipe heat engine 1 according to the invention is tensioned during the movement of the piston 13 in the direction of the upper end stop 53 .
  • the Fig. 3 shows the arrangement of a hermetically sealed, designed as a piston engine with capillary force-driven condensate transport, heat pipe heat engine according to the invention 1, with an outer cylinder 21, an inner cylinder 54 and a movably mounted in the inner cylinder 54 double collar sleeve 22, in which movably guided piston 13 is mounted.
  • the piston 13 is connected via a fixed connection 28 with the smaller diameter than piston 13 pronounced piston 5 .
  • the combination of the double collar 22 and the piston 13 and 5 with compound 28 are pressed by spring 29 under defined spring pressure in the region of the end stops 15 and 53 in the direction of the gas space 19 of the warm zone.
  • Spring constant and bias of spring 29 are to be redetermined in this variant of the invention, wherein the bias of spring 29 has a value which allows it to piston 13 and connected thereto piston 5 against the compression resistance of the compressed working fluid 37 in the starting position of Push piston 13 until double collar 22 closes the opening 20 .
  • Heatpipe heat engine 1 has a further cylinder 30 which is smaller in diameter than the inner cylinder 54 and the cylinder head 3 , in which the piston 5 in the working space 4, the incoming through suction 2 vaporous working medium 37 compresses.
  • chiller cylinder head 3 is introduced in the gas space 19 .
  • the positions 36, 38, 52, 40, 35, 33, 26, 37, 31 and 2 represent by way of example the components known from refrigerant circuits.
  • the overflow channel (s) 23 with the openings 20 and 32 are introduced into the space 8 for overflowing the vaporous working medium from the space 19 .
  • Fig. 3 shows, from the axial view below the lowest position of the piston 13 in the region of the space 8, the opening 46 of the connection 45 for supplying the gaseous working fluid to the external capacitor 42 as a cold zone of the invention.
  • the condensation surface of the condenser 42, the connection 11, the gas chamber 19 facing side of the cylinder head 3 and the space between the outer cylinder 21 and inner cylinder 54 have a capillary 55, 55 ', 55 ", as of heat pipes, for example, under the names
  • the working medium condensing on the capillary structure 55 ' in the condenser 42 is transported by the capillary forces along the capillary structure in connection 11, through opening 14 to the capillary structures 55 and 55 " .
  • the capillary-driven condensate transport takes place in the capillary structures 55 and 55 " regardless of the position of the double collar 22 , as long as liquid working medium is applied to opening 14 and by supplying heat energy to the warm Zone 18 liquid working medium evaporates through the openings 57.
  • capacitor 42 and connection 11 also have a capillary structure, this variant of the heat pipe heat engine 1 according to the invention can be used independently of position and gravity.
  • FIG. 3 Furthermore, it is shown that in the, from the axial view, upper region 18 of the heat pipe heat engine 1 according to the invention via the capillary structure 55, 55 ', 55 "the warm zone 18, and the air heated by compression work cylinder head evaporates 3 supplied liquid working medium and so arises in existing temperature difference between heat sink 42 and heat source 18, continuously vapor pressure according to the vapor pressure curve of the working medium.
  • heat pipe heat engine 1 The vapor pressure in gas space 8, according to the vapor pressure curve, is reduced in, from the axial view, the upper initial position of piston 13 and double collar 22 by condensation of the vaporous working medium in condenser 42.
  • Fig. 3 is also shown that the downward movement of the double collar 22 is performed until the opening 20 of the / the overflow channel / channels 23 is released by double collar 22 and a pressure equalization of the existing at that time pressure difference between the gas chambers 19 and 8 begins.
  • the compensation of the present at this time pressure difference between the piston top and piston bottom of the piston 13 is continued until the pressure on the piston bottom of the piston 13 outweighs by the spring 29 and urges it within the double collar 22 in the direction of space 19 .
  • Fig. 3 further shows that the so-called dead volume of volume 8, from the axial point below piston 13, by the displacement of the cold zone to the outside, in the form of capacitor 42, also in this variant of the heat pipe heat engine 1 according to the invention is reduced.
  • the embodiment according to the invention with capillary-force-driven condensate transport furthermore allows a shortened connection 45 to increase efficiency .
  • the volume of the gas space 8 is as small as possible by constructive measures such as 56 at the lowest point of the piston 13 from the axial point of view, the cold zone , It must be ensured that the piston 13 is not prevented from adhering to housing parts on the return process exerted by the spring force of the spring 29 into its initial position.
  • the Fig. 4 shows the arrangement of a hermetically sealed, designed as a position and gravity independent piston engine heatpipe heat engine according to the invention 1, with a cylinder 21, and a movably mounted in the cylinder 21 double collar sleeve 22 in which the movably guided piston 13 is mounted.
  • the piston 13 is connected via a fixed connection 28 with the smaller diameter than piston 13 pronounced piston 5 .
  • the combination of the double collar 22 and the piston 13 and 5 with compound 28 are pressed by spring 29 under defined spring pressure in the region of the end stops 15 and 53 in the direction of the gas space 19 .
  • Heatpipe heat engine 1 has a further cylinder 30 which is smaller in diameter than the main cylinder 21 and the cylinder head 3 , in which the piston 5 in the working space 4, the incoming through suction 2 vapor working medium 37 compresses.
  • chiller cylinder head 3 is introduced in the gas space 19 .
  • the positions 36, 38, 52, 40, 35, 33, 26, 37, 31 and 2 represent by way of example the components known from refrigerant circuits.
  • the overflow channel (s) 23 with the openings 20 and 32 are introduced into the space 8 for overflowing the vaporous working medium from the space 19 .
  • Fig. 4 shows, from the axial point of view laterally the lowest position of the piston 13 in the region of the space 8, the opening 46 of the connection 45 for supplying the gaseous working fluid to the external capacitor 42, as a cold zone of the invention, which on the condensation surface a capillary 55 ' comprising, the connection 58, which has the capillary structure 55 ' over the entire cross section and the entire volume, the externally displaced evaporator 50, as a warm zone of the invention, which on the evaporation surface the capillary structure 55' , and compound 48, which in Opening 47 opens to gas space 19 .
  • the working medium condensing on the capillary structure 55 ' in the condenser 42 is transported by the capillary forces along the capillary structure 55' in connection 58 to the capillary structure 55 ' in evaporator 50 , where it evaporates with the supply of heat energy and enters the gas space 19 in vapor form via connection 48 .
  • Fig. 4 the displacement of the opening 46 of the heat pipe heat engine 1 according to the invention to a, from the axial view, located above the end stop 53 position in cylinder 21, which by using a compound 58, the capillary structure over the entire cross section 55 ' has , is possible and increases efficiency in terms of the volume of vapor to be condensed of the working fluid per duty cycle and the return process of piston 13 into its initial position during the overflow phase.
  • the end stops 53 are executed in this variant to further increase efficiency without construction, as by the material thickness of the double collar 22 is a sufficiently large distance between, from the axial view, lower housing wall and piston 13 at the bottom, the end stops 53 nearest, position of piston 13 and the dead space volume of gas space 8 is thus minimized.

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Abstract

Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft eine Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (21), mit mindestens einer in dem Zylinder (21) beweglich geführtem Doppelbundhülse (22) sowie mindestens einem in der Doppelbundhülse (22) beweglich geführten Kolben (13) und einem in geschlossenem thermodynamischen Kreisprozess verwendeten Arbeitsmedium (16). Die Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) weist mindestens eine warme Zone (18) zur Verdampfung sowie mindestens eine kalte Zone (9) zur Kondensation des Arbeitsmedium (16) auf. Die zwischen der warmen und der kalten Zone angebrachten Überströmkanäle (23) sind mit der Kolben-in-Doppelbundhülse-Kolben-Kombination (22,13) als Strömungssteuerung sowie der Feder (29) zur direkten Erzeugung mechanischer Arbeit beispielsweise zur Nutzung für Kompression zur Erzielung erhöhten Temperaturpotentials oder zur Produktion elektrischer Energie beispielsweise mit Lineargenerator/-en geeignet.

Description

  • Die Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich somit darauf, wie mit Wärmeenergie in einer kapillarkraftgetriebenen Heatpipe-Konstruktion oder alternativ einem schwerkraftgetriebenen Wärmerohr mechanische oder elektrische Arbeit verrichtet werden kann.
  • Heatpipes sowie Wärmerohre werden in bekannten Formen vorzugsweise zum Transport von Wärmeenergie eingesetzt. Als Hauptunterschied der verfügbaren Bauformen sind die Typen mit Kapillarstruktur zum Flüssigkeitstransport, in Grenzen auch gegen die Schwerkraft, im Gegensatz zu den schwerkraftgetriebenen Wärmerohren (auch ZweiPhasen-Thermosiphon genannt) zu nennen.
  • Die zuvor genannten Wärmerohre bzw. Heatpipes, nachfolgend allgemein als Heatpipes bezeichnet, laufen ausnahmslos in einem geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess ab. Die Vorteile hoher spezifischer Kreis-Prozessarbeit werden bei bekannten Heatpipes im thermodynamischen Kreisprozess, je nach Einsatztemperatur, unter Verwendung unterschiedlicher Fluid-Arbeitsmedien wie beispielsweise Wasser, Natrium, Kältemittel R134a, R600a genutzt. Voraussetzung für einen Wärmetransport mit Heatpipes ist ein Temperaturunterschied zwischen der kalten und der warmen Zone. Die vorstehend genannten bekannten Heatpipes arbeiten in der Regel ausschließlich als Wärmetransport-Mittel.
  • Die Voraussetzung eines Temperaturunterschiedes sind in unserer Umwelt nahezu in unbegrenzter Vielfalt vorhanden. Der Energietransport innerhalb von Heatpipes basiert, wie bekannt, auf der Verdampfung, Kondensation und dem Dampf- sowie Flüssigkeits-Transport zwischen der warmen und der kalten Zone. Die Auswahl geeigneter Materialien sowie Arbeitsmedien zur Heatpipe-Konstruktion werden als Stand der Technik betrachtet.
  • Der für den Transport des dampfförmigen Medium notwendige Druckunterschied basiert auf der Verdampfung des flüssigen Medium und somit Expansion an der warmen sowie der Kondensation und somit Volumenverringerung des dampfförmigen Medium an der kalten Zone. Dieser Prozess dauert im geschlossenen System an, solange ein Temperaturunterschied zwischen kalter und warmer Zone besteht. Er ist unter anderem abhängig von der Temperaturdifferenz der kalten und warmen Zone, dem gewählten Arbeitsmedium und Wärmeleitwerten verwendeter Materialien vor allem im Bereich der Wärmequelle sowie der Wärmesenke. Neben dem gewählten Arbeitsmedium befinden sich idealerweise keine weiteren Fremdgase im geschlossenen System.
  • Es ist wünschenswert dieses bisher lediglich als Wärmetransport genutzte Verfahren zur Generierung von mechanischer, elektrischer Energie oder der Anhebung von Temperaturniveaus nutzbar zu machen. Idealerweise ist neben der zugeführten Wärmeenergie keine weitere Energieform notwendig. Heutige Verfahren zur Anhebung von Temperaturniveaus werden beispielsweise unter Zuführung elektrischer Energie unter Verwendung von Kompressoren realisiert.
    • Stand der Technik
  • Andersartige Erfindungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische oder mechanische Energie sind in den Patentschriften DE 10 2005 040 866 B3 und WO 2014/012586 A1 offenbart.
  • Es ist ebenfalls wünschenswert eine Heatpipe-Konstruktion bereit zu stellen, die über eine beliebige externe Wärmequelle, also ohne interne Verbrennung und somit Ausstoß klimaschädlicher Gase, mechanische oder elektrische Arbeit verrichten oder alternativ die Anhebung von Temperaturniveaus erzielen kann.
  • Es ist ebenfalls wünschenswert, die Heatpipe-Konstruktion als möglichst wartungsarme, idealerweise wartungsfreie, Konstruktion bereit zu stellen.
  • Es ist wünschenswert, zumindest eines der angesprochenen Probleme einer mindestens partiellen Linderung zuzuführen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Neues zur gewerblichen Anwendung einer gattungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine bereit zu stellen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine weist mindestens einen Zylinder und mindestens einen in dem Zylinder beweglich geführten Kolben auf. Idealerweise wird dieser bewegliche Kolben innerhalb einer ebenfalls in dem Zylinder beweglich eingebrachten Doppelbundhülse geführt. An dem Zylinder ist mindestens eine warme Zone vorgesehen. Die für den thermodynamischen Kreisprozess notwendige kalte Zone (mindestens eine) zur Kondensation des Arbeitsmedium liegt ebenfalls, zumindest zeitweise, in dem für das dampfförmige Arbeitsmedium erreichbaren Bereich der Heatpipe-Wärmekraftmaschine.
  • Vorzugsweise wird die dem System zu zuführende Wärmeenergie an der warmen Zone durch eine Materialschicht, wie beispielsweise Aluminium, mit hohem Wärmeleitwert bereit gestellt. Gleiches gilt ebenfalls für die Ableitung der Wärmeenergie an der kalten Zone, der sogenannten Wärmesenke. Die Transportzone ist idealerweise wärmeisoliert auszuführen.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der beweglich geführte Kolben der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine mindestens eine Einrichtung, wie beispielsweise eine Feder, auf Seiten der kalten Zone zur Speicherung von mechanischer Energie als Vorspannung für den Rücktransport des Kolben und der Doppelbundhülse erhält. Alternativ oder auch in Kombination sind magnetische Varianten möglich, um die Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination aus Sicht der kalten Zone in Richtung warmer Zone zurück zu drängen.
  • Es ist bevorzugt den Kolbenhub im Bereich der Transportzone des Zylinder der Heatpipe-Wärmekraftmaschine durch Endanschläge zu begrenzen. Zwischen dem oberen und unteren Endanschlag für die Kolben-Doppelbundhülsenkombination sind mindestens ein, idealerweise jedoch mehrere Überströmkanäle für das dampfförmige Arbeitsmedium angebracht. Die Bauhöhe der Doppelbundhülse ist dabei kleiner als der Abstand zwischen Einlass und Auslass der Überströmkanäle. Der innerhalb der Doppelbundhülse beweglich geführte Kolben hat seinerseits eine geringere Bauhöhe als der Abstand zwischen den innenliegenden Kanten der Doppelbundhülse aus vertikaler Sicht. Der maximale Gesamthub der Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination ergibt sich somit aus dem freien Bewegungspiel der Doppelbundhülse zwischen den Endanschlägen addiert zum axialen Bewegungsspiel des Kolben innerhalb der Doppelbundhülse.
  • Vorzugsweise kommen für Kolben und Doppelbundhülse Materialien mit geringem Eigengewicht, der Verträglichkeit mit dem eingesetzten Arbeitsmedium, einer der Einsatz-temperatur der Heatpipe-Wärmekraftmaschine gewählten Temperaturbeständigkeit sowie geringen Reib- und Slipstick-Werten zum Einsatz. Neben möglichen metallischen Materialien stellen hier wegen guter Bearbeitungseigenschaften auch Kunstoffe, wie beispielweise unter den Markennamen "Iglidur®" vom Hersteller igus oder "Vespel®" von DuPont™, ideale Alternativen dar.
  • Weiterhin sollte das Kolben- sowie Doppelbundhülsen-Zylinderspiel der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine eine Spaltbreite von beispielsweise 0,1 bis 0,15 mm betragen, um oberhalb der Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination anfallendes Arbeitsmedium in flüssiger Form in Richtung warmer Zone passieren zu lassen und dieses gleichzeitig als Gleitfilm zu nutzen. Idealerweise verringert das Einbringen von Nuten in den Umfang des Kolben dessen Reibungsverluste und stellt den Gleitfilm sicher. Eine schlitzen, beispielsweise in schräger Form, der Doppelbundhülse erleichtert dabei die Produktion der Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination.
  • Vorzugsweise wird das an der kalten Zone der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine kondensierende Arbeitsmedium durch eine Verbindung außerhalb des Zylinder zur Unterseite der Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination in der Form geleitet, dass die Öffnung der Verbindungsleitung unmittelbar oberhalb des unteren Endanschlag in den Zylinder eingebracht ist. Die aus Sicht der kalten Zone untere Öffnung des oder der Überströmkanal/-äle sollte dabei aus axialer Sicht geringfügig, beispielsweise 1-2 mm, weiter unten beginnen. Durch diese Variante der Kondensat-Rückführung wird eine unkontrollierte Ansammlung von Kondensat oberhalb des Kolben unterbunden. Weiterhin ist sichergestellt, dass ein Druckausgleich über die Kondensat-Leitung zum oberen Raum der Heatpipe-Wärmekraftmaschine nicht frühzeitig erfolgt, sondern idealerweise erst dann, wenn der Kolben mit der beweglichen Doppelbundhülse die obere Position erreicht hat.
  • Idealerweise wird die Strömungssteuerung der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine in der Art ausgeführt, dass zu Beginn des zyklischen Prozess die Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination auf dem unteren, der warmen Zone zugewandten Endanschlag, als Ausgangsposition aufliegt. Zu diesem Zeitpunkt sind alle Überströmkanäle sowie sonstige Zu- oder Ableitungen des Raums der warmen Zone zugewandten Kolbenunterseite verschlossen. Somit entsteht durch die Verdampfung des flüssigen Arbeitsmedium an der warmen Zone ein entsprechender Dampfdruck in Abhängigkeit des gewählten Arbeitsmedium und der Temperatur der heißen Zone. Gleichzeitig nimmt der Dampfdruck oberhalb des Kolben durch Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmedium an der kalten Zone ab.
  • Diese zeitweise Trennung der Räume der kalten sowie warmen Zone stellt einen entscheidenden Unterschied zur ursprünglichen als reines Wärmeleitrohr eingesetzten Heatpipe-Prinzip dar, welches häufig auch als quasi isotherm im Bereich der adiabatischen Zone zwischen Wärmequelle und Wärmesenke betrachtet wird. Die erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine unterbricht die Verbindung der Räume der kalten sowie warmen Zone zyklisch und erlaubt hierdurch das Entstehen einer nennenswerten Temperaturdifferenz der beiden Dampfräume, was entsprechend der Dampfdruckkurve des eingesetzten Arbeitsmedium in einem Druckunterschied beider Räume resultiert. Diese Druckdifferenz wird erfindungsgemäß zur Erzeugung von Bewegung durch einem Kolben genutzt.
  • Der Dampfdruckunterschied der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine zwischen der warmen Zone sowie der kalten Zone zugewandten Kolbenseite starten die Kolbenbewegung in Richtung kalter Zone. Für die in dieser Ausführungsvariante gewählte Feder, welche zwischen der oberen Kolbenseite und der Zylinderwand der kalten Zone leicht vorgespannt installiert ist, wird eine Federkonstante gewählt, welche bezogen auf den Gesamthub des Kolben beispielsweise eine Federkraft von ca. 10 % in Bezug auf die Kraft des Kolben bei den erwarteten Betriebsbedingungen hat. Diese ergeben sich annähernd durch die Auswahl des Arbeitsmedium, der Kolbenfläche in axialer Richtung sowie den Temperaturen der kalten sowie der warmen Zone. Als Basis dient unter anderem die Dampfdruckkurve des gewählten Arbeitsmedium.
  • Die Kolbenbewegung in Richtung kalter Zone spannt idealerweise die Feder und speichert somit Bewegungsenergie bis zum Endpunkt der Bewegung des Kolben in Richtung kalter Zone. Aufgrund des größeren Slipstick der Doppelbundhülse im Zylinder gegenüber des Gleitreibungshaftwertes des Kolben innerhalb der Doppelbundhülse verbleibt die Hülse solange in ihrer Ausgangsposition, bis der Kolben seine Aufwärtsbewegung bis an den oberen der kalten Zone zugewandten Bundsteg der Doppelbundhülse ausgeführt hat.
  • Anschließend wird auch die Doppelbundhülse durch den immer noch auf die Kolbenunterseite wirkenden Überdruck durch den Kolben in Richtung kalter Zone bewegt. Diese Bewegung dauert an, bis die der warmen Zone zugewandte/n Überströmungs-Kanalöffnungen des Zylinder durch die Doppelbundhülse freigegeben werden. Ein oberer Endanschlag der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine sowie eine Phase an der dem Zylinder zugewandten Kante der Doppelbundhülse auf Seiten der kalten Zone verhindern ein vollständiges Schließen der Überströmkanäle durch die Doppelbundhülse.
  • Erfindungsgemäß wird durch die Freigabe der Überströmkanäle ein Druckausgleich in Richtung kalter Zone ausgeführt. Während dieses Druckausgleiches nimmt die Druckdifferenz zwischen dem Raum an der Kolbenober- sowie Kolbenunter-Seite ab. Die in der Feder gespeicherte Bewegungsenergie wird nun aufgrund des geringer werdenden Gegendruck von der Kolbenunterseite durch Druckausgleich dazu genutzt, den Kolben in der Doppelbundhülse in Richtung warmer Zone zu drängen. Dies führt zu einem weiter anhaltenden Druckausgleich durch die Überströmkanäle durch den durch die Federkraft anhaltenden Überdruck auf der der warmen Zone zugewandten Kolbenseite. Durch den Anschlag des Kolben an dem der warmen Zone zugewandten Bundsteg der Doppelbundhülse wird diese Hülse ebenfalls in Richtung warmen Zone bewegt und verschließt somit schließlich die Überströmkanäle.
  • Das Schließen der Überströmkanäle der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine trennt somit die Verbindung der Räume ober- sowie unterhalb des Kolben, so dass die Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination ihren unteren Endpunkt sowohl durch Druckanstieg auf der Unterseite, Druckabfall auf der der kalten Zone zugewandten Kolbenseite sowie den unteren Endanschlag erreicht. Der Bewegungszyklus ist somit abgeschlossen und beginnt von Neuem.
  • Der Grundgedanke der Erzeugung von Bewegung eines in einer geschlossenen Heatpipe-Konstruktion zyklisch ablaufenden Prozess auf Basis von Temperaturunterschieden ist somit durch die erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine umgesetzt. Grundsätzlich ist die Funktion bei geeigneter Wahl der Materialien und des Arbeitsmedium in einem weiten Temperaturbereich möglich, der beispielsweise auch weit unterhalb von 0°C oder weit darüber liegen kann. Nachfolgende Varianten basieren auf dieser bisher beschrieben Grundvariante der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine.
  • Eine weitere bevorzugte Variante der Erfindung ist es, die Bewegungsenergie des Kolben, nachfolgend Kolben 1 genannt, zu nutzen, um eine Zone erhöhten Temperaturniveaus an der Heatpipe-Wärmekraftmaschine zu erzeugen, welche oberhalb der Temperatur der warmen Zone liegt, um diese beispielsweise für Heizzwecke zu nutzen. Hier ist keine weitere Zufuhr von Energieformen wie elektrischer oder mechanischer Energie notwendig außer der an der Wärmequelle sowie Wärmesenke der Heatpipe-Wärmekraftmaschine bestehenden Temperaturdifferenz.
  • Es ist bevorzugt hierzu im Bereich der kalten Zone einen weiteren, im Durchmesser kleineren Zylinder als den der Grundvariante, beispielsweise in axialer Richtung aus Sicht des Kolben 1 der Grundvariante, zusätzlich in die erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine einzubringen.
  • Weiterhin wird in dieser bevorzugten Variante der Erfindung ein zusätzlicher, im Durchmesser auf den kleineren Zylinder angepasster, Kolben, nachfolgend Kolben 2 genannt, mit einer Verbindung zum ursprünglichen Kolben 1 in der Art angebracht, dass in der obersten Position des Kolben 1 auch der kleine Kolben 2 im neuen zusätzlichen Zylinder an seiner obersten Position steht und der Zylinderraum oberhalb des kleineren Kolben 2 zu diesem Zeitpunkt sein minimales Volumen während des zyklischen Prozess aufweist.
  • Idealerweise ragt der kleinere zusätzlich eingebrachte Zylinder soweit in den Raum der kalten Zone, dass der zusätzliche eingebrachte bewegliche Kolben 2 zum dem Zeitpunkt, an dem sich der größere Kolben 1 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine am unteren, der warmen Zone am nächsten liegenden, Endanschlag befindet, mit seiner gesamten Lauffläche des Kolben 2 gerade noch vom zusätzlichen kleineren Zylinder umhüllt ist. Dies stellt sowohl die Aufrechterhaltung eines Gleitfilm sicher und verhindert ebenfalls eine Blockade der Doppelkolben-Konstruktion. Zur Führungshilfe der Feder kann es hilfreich sein diesen Zylinder auch noch weiter in Richtung warmer Zone zu verlängern.
  • Der Kolben 2 der erfindungsgemäßen Variante der Heatpipe-Wärmekraftmaschine weist ebenfalls ein Kolben-Zylinderspiel von beispielsweise 0,1 mm auf, um geringe Mengen Kondensat als Gleitfilm zwischen Zylinderwand und Kolben 2 passieren zu lassen und gleichzeitig eine ausreichende Abdichtung des oberhalb vom Kolben 2 vorhandenen Raum zu gewährleisten.
  • Erfindungsgemäß wird innerhalb der geschlossenen Heatpipe-Wärmekraftmaschine mindestens ein Kondensat-Ablauf seitlich in den zusätzlichen kleineren Zylinder eingebracht, um eine Ansammlung verflüssigten Arbeitsmediums oberhalb des Kolben 2 zu verhindern. Die Position des Kondensat-Ablauf wird so gewählt, dass bei Erreichen der unteren Position des Kolben 2 die Öffnung des Kondensat-Ablauf zum Ablauf von verflüssigtem Arbeitsmedium freigegeben wird. Je nach Dimension und Einsatzbedingungen sind mehr als ein Kondensat-Ablauf am kleineren Zylinder anzubringen, um die Ableitung des Kondensat sicher zu stellen. Das kondensierte Arbeitsmedium wird über einen Stehkragen des Zylinder des Kolben 1 zur Kondensat-Sammelstelle geleitet. Somit wird einer Ansammlung von Kondensat auch oberhalb des Kolben 1 entgegen gewirkt.
  • Der Raum oberhalb vom kleineren Kolben 2, welcher angetrieben wird durch die Kraft des größeren Kolben 1, dient zur Kompression von Teilen des, über mindestens eine über ein Kugelventil selbsttätig gesteuerte Ansaugleitung, zugeführten dampfförmigen Arbeitsmedium. Die Öffnung der Ansaugleitung in der Zylinderwand unmittelbar oberhalb des unteren Endanschlag der Doppelbundhülse wird ebenfalls, wie die Überströmkanäle auch, durch die Doppelbundhülse realisiert. Dies sichert erfindungsgemäß ab, dass der Ansaugkanal nicht ungewollt sondern erst kurz vor Eintreten der Abwärtsbewegung des Kolben 1 und 2 in Richtung warmer Zone öffnet.
  • Eine weitergehende Verbesserung der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine wird durch das Einsetzen eines Kugelventil möglichst nahe dem Raum oberhalb Kolben 2 erreicht. Das zu Beginn der Aufwärtsbewegung von Kolben 2 selbsttätig durch die Schwerkraft der Kugel sowie die Dampfströmung schließende Kugelventil verkleinert den Kompressionsraum oberhalb des Kolben 2 und erlaubt somit die Konzentration der durch die Kompression des oberhalb des kleinen Kolben 2 eingeschlossenen dampfförmigen Arbeitsmedium auf kleinerem Raum hauptsächlich oberhalb des Kolben 2. Hier kann somit Wärmeenergie erhöhten Temperaturpotentials durch Kompression beispielweise mit Flüssigkeitswärmetauschern entnommen werden.
  • Eine weitere bevorzugte Variante der Erfindung ist der Betrieb zur Stromerzeugung mit Hilfe einer mit dem Kolben 1 gekoppelten Vorrichtung zum Betrieb eines Stromgenerator beispielsweise in Form mindestens eines Lineargenerator. Hierbei werden PermanentMagneten nahe der äußeren Zylinderwand in der Heatpipe durch den Kolbentrieb zyklisch hin und her bewegt. Außerhalb der hermetisch geschlossenen Heatpipe-Wärmekraftmaschine werden erfindungsgemäß beispielsweise die Wicklungen mit Joch zur Induktion elektrischer Energie angebracht. Der weitgehend druckdichte Kolben 2 entfällt in der vorher genannten Form und wird entsprechend lediglich als zweiter Führungskolben mit ausreichend großen Öffnungen für das Durchströmen des dampfförmigen Arbeitsmedium im Zylinder der Transportzone realisiert. Die Federkonstante der eingesetzten Feder muss hier neu bestimmt und berücksichtigt werden.
  • Allen bisher aufgeführten Varianten der Heatpipe-Wärmekraftmaschine ist einschränkend gemeinsam, dass die für den Kreisprozess erforderliche kalte und warme Zone direkt ober- bzw. unterhalb der Kolben-Doppelbund-Hülsenkombination in axialer Richtung angebracht ist, was konstruktiv aufwendig sein kann. Weiterhin bedingt die für die kalte Zone erforderliche Kondensationsfläche ein sich auf die Effizienz der Heatpipe-Wärmekraftmaschine negativ auswirkendes, relativ großes, Volumen der dem Kolben 1 zugewandten kalten Zone. Ebenfalls wären flexiblere Positionen von kalter und warmer Zone für den praktischen Einsatz von Vorteil. Die für den Rücktransport des flüssigen Arbeitsmedium zur warmen Zone erforderliche Höhendifferenz in axialer Richtung zwischen der Flüssigkeitsgrenze des sich im unteren Bereich der kalten Zone eingesetzten Stehkragen sammelnden flüssigen Arbeitsmedium und dem vor dem unteren Endanschlag der Doppelbundhülse, aus axialer Sicht, in den Raum eintretenden Flüssigkeits-Einlass bedingt, unter Berücksichtigung der Federkonstante der eingesetzten Feder sowie der Dichte des Arbeitsmedium, eine Mindestbauhöhe zwischen den unteren Endanschlägen der Doppelbundhülse und dem Stehkragen, addiert zur Bauhöhe der kalten Zone. Dies verursacht ein hohes Gewicht der Doppel-Kolben-Konstruktion und resultiert in einem großen Volumen auf Seiten der kalten Zone des Kolben 1.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine stellt daher die Verwendung von externen Wärmetauschern sowohl für die kalte wie auch für die warme Zone dar. Eine Dimensionierung von Verdampfungs- sowie Kondensations-Fläche und somit von Leistungs-Parametern der Heatpipe-Wärmekraftmaschine ist so einfach und kostengünstig möglich. Während der oder die Verdampfer der warmen Zone, aus vertikaler Sicht, etwa auf Höhe der Flüssigkeitsgrenze der warmen Zone zu positionieren sind und das dampfförmige Arbeitsmedium unterhalb des Kolben 1 im Bereich der warmen Zone zugeführt wird, kann der oder die Kondensator/-en der kalten Zone horizontal und vertikal frei positioniert sein, solange die Flüssigkeitssäule in der Rücklaufleitung vom Kondensator hin zum Flüssigkeits-Einlass, oberhalb des unteren Endanschlag der Doppelbundhülse, ihre Mindesthöhe, unter Berücksichtigung der Federkonstante der eingesetzten Feder sowie der Dichte des Arbeitsmedium, von beispielsweise 40 cm aus vertikaler Sicht erreichen kann, ohne das sich Kondensat im Kondensator aufstaut. Der Kondensator ist dabei idealerweise in Richtung der Flüssigkeitsleitung geneigt.
  • Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine Verbindung vom Volumen, aus axialer Sicht, oberhalb des Kolben 1 zum Kondensator für die Zuführung des gasförmigen Arbeitsmedium zum Kondensator angebracht. Durch den Kondensations-Prozess im externen Kondensator wird somit der Dampfdruck entsprechend der Dampfdruckkurve des Arbeitsmedium im Bereich des Kondensator verringert, was sich und über die Verbindung zum Raum oberhalb des Kolben 1 dort ebenfalls in Form der Verringerung des Dampfdruck auswirkt.
  • Der, aus axialer Sicht, oberhalb des Kolben direkt im Gehäuse der Erfindung fehlende Kondensator, welcher in dieser Variante nach extern verlagert ist, ermöglicht es, das Volumen oberhalb des Kolben 1, in seiner obersten Position aus axialer Sicht, auf ein Minimum zu reduzieren sowie das Verbindungselement zu einem beispielsweise Kolben 2 zu verkürzen und im Gewicht zu verringern, was insgesamt die Effizienz der Heatpipe-Wärmekraftmaschine erfindungsgemäß erhöht.
  • Auch in dieser Variante der Erfindung stellt sich über den Temperaturunterschied des/der Verdampfer der warmen Zone sowie des/der Kondensator/-en der kalten Zone somit ein Dampfdruckunterschied zwischen den beiden Arbeitsräumen des Kolben 1 ein, welcher über die dann ausgelöste Aufwärtsbewegung des Kolben 1 aus axialer Sicht anschließend über den Anschlag des Kolben 1 am oberen Rand der Doppelbundhülse diese ebenfalls aufwärts drückt und somit den/die Überströmkanal/-äle freigibt. Während der gesamten Aufwärtsbewegung der Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination wird mechanische Arbeit zur Spannung der Feder sowie mechanische Energie am, mit dem Kolben 1 verbundenen, Verbindungselement bereit gestellt, welche erfindungsgemäß genutzt wird.
  • Weiterhin ist auch in dieser Variante der Heatpipe-Wärmekraftmaschine die Kondensat-Leitung, aus axialer Sicht etwas oberhalb, beispielsweise 1 bis 2mm höher als der untere Auslass des/der Überströmkanal/-äle am Zylinder angebracht, so dass der Druckausgleich zum Raum oberhalb des Kolben 1 und somit eine Druckzunahme im Kondensator erfolgen kann und bei anschließender Öffnung der Kondensat-Leitung, bei Aufwärtsbewegung der Doppelbundhülse, Kondensat unterhalb des Kolben 1 einlaufen kann.
  • Erfindungsgemäß wird der absolute obere Endanschlag für die Aufwärtsbewegung der Doppelbundhülse, in dieser Variante der Heatpipe-Wärmekraftmaschine, durch das sich im Durchmesser verkleinerte Zylindergehäuse, aus axialer Sicht oberhalb des Kolben 1, realisiert. Der beginnende Druckausgleich bei Freigabe des/der Überströmkanal/-äle sowie der Gegendruck der Feder sollten idealerweise in der Form abgestimmt werden, dass ein Anschlag der Doppelbundhülse am oberen Endanschlag möglichst unterbleibt.
  • Der nun über den/die Überströmkanal/-äle beginnende Druckausgleich des bestehenden Druckunterschied zwischen den Räumen oberhalb und unterhalb des Kolben 1 wird erfindungsgemäß ausgeführt, bis die Federkraft der Feder ausreicht, um den Kolben 1 innerhalb der Doppelbundhülse solange in Richtung warmer Kolbenseite zu drängen, bis dieser die, aus axialer Sicht, untere Kante der Doppelbundhülse erreicht und diese ebenfalls nach unten drängt, bis der/die Überströmkanal/-äle verschlossen sind.
  • Idealerweise sind die der Unterseite des Kolben 1 zugewandten Endanschläge in einem solchen Abstand zum Auslass des/der Überströmkanal/-äle angebracht, dass bei anhaltendem Temperaturunterschied zwischen warmer und kalter Zone der Heatpipe-Wärmekraftmaschine die Doppelbundhülse die unteren Endanschläge nicht erreicht, sondern bereits vor Erreichen dieser Endanschläge durch den sich wieder aufbauenden Druckunterschied zwischen Kolben-Ober- und Kolben-Unter-Seite von Kolben 1, der Kolben 1 in Richtung kalter Zone innerhalb der Doppelbundhülse gedrängt wird.
  • Erfindungsgemäß unterbleiben so im Regelbetrieb der Heatpipe-Wärmekraftmaschine direkte Anschläge der Doppelbundhülsen-Kolbenkombination an Gehäuse-Teilen, was in Kombination mit dem Verzicht auf bewegte Ventilteile einen geräuscharmen Betrieb ermöglicht.
  • Auch in dieser Variante der Erfindung ist somit ein durch Temperaturunterschied von warmer und kalter Zone der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine selbsttätig ablaufender Prozess realisiert und der Zyklus abgeschlossen, so dass dieser bei bestehendem Temperaturunterschied zwischen kalter und warmer Zone von vorne beginnt.
  • Eine erfindungsgemäße Variante der Nutzung der durch die Erfindung bereit gestellten mechanischen Energie an Kolben 1 besteht in der in einem zweiten Kreislauf über den Kolben 2 realisierten Kreislauf zur Kompression von gasförmigen Arbeitsmedium. Über 2 Ventile, wie beispielsweise Kugelventile, angebracht an Einlass und Auslass des Arbeitsraum oberhalb des Kolben 2, mindestens einen Verdampfer, mindestens ein Drosselorgan, mindestens ein Kondensator sowie der Verbindung der genannten Komponenten, wie in Kältekreisläufen beispielsweise von Kühlmaschinen oder Wärmepumpen bekannt, wird die von Kolben 1 gelieferte mechanische Energie zur Verrichtung von Kompressionsarbeit mit Kolben 2 im genannten Kreislauf, nachfolgend Kreislauf 2 genannt, genutzt.
  • Somit besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit die Heatpipe-Wärmekraftmaschine zu Kühlzwecken mit Hilfe der am Verdampfer des Kreislauf 2 zur Verfügung gestellten Kälteleistung zu nutzen oder alternativ die am Kondensator von Kreislauf 2 bereit gestellte Wärmeenergie, beispielsweise zu Heizzwecken, zu nutzen.
  • Weiterhin kann, je nach genanntem Einsatzzweck, Kühlung oder Heizung, aufgrund des Verdichtungs-Übersetzungsverhältnis der Kolben 1 und 2 am Verdampfer des Kreislauf 2 eine geringere Temperatur als die an der kalten Zone und am Kondensator des Kreislauf 2 eine höhere Temperatur als die am Verdampfer der Heatpipe-Wärmekraftmaschine abgegriffen werden. Somit kann den Wirkungsgrad steigernd, beim Einsatz zu Kühlzwecken, die Wärmeleistung am Kondensator des Kreislauf 2 über Wärmetauscher dem Verdampfer der Heatpipe-Wärmekraftmaschine zugeführt werden. Beim Einsatzzweck Heizen kann Wirkungsgrad steigernd die Kälteleistung des Verdampfer von Kreislauf 2 dem Kondensator der Heatpipe-Wärmekraftmaschine zugeführt werden.
  • Die Verlagerung von Kondensator und Verdampfer der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach extern erlaubt es, den thermischen Wirkungsgrad steigernd, weiterhin die thermische Isolierung aller übrigen Komponenten außer den Verdampfer- sowie Kondensator-Elementen.
  • Eine weitere bevorzugte Variante der Erfindung ist die Ausführung als Heatpipe-Wärmekraftmaschine mit kapillarkraftgetriebenem Kondensat-Transport. Dabei ist eine Kapillarstruktur, welche beispielsweise an der Innenseite des Zylinder von Kolben 1, wie unter den Bezeichnungen "Mesh", "Groove" oder "Sinter" bekannt, realisiert wird, für den Kondensat-Transport, in Grenzen auch gegen die Schwerkraft, verantwortlich. Die kapillarkraftgetriebene Variante der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine wird, wie die Grundvariante der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine oder ihrer Untervarianten betrieben. Unterschiedlich ist hier lediglich der Kondensattransport durch den beispielsweisen Einzug eines glatten Innen-Zylinderrohr zur Sicherstellung eines druckdichten und verschleißarmen Betrieb der Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination im Zylinderbereich. Die Konstruktion des Innenrohr muss den Flüssigkeits- sowie Dampf-Transport gerade im Bereich der Wärmesenke sowie der Wärmequelle, wie bei kapillarkraftgetriebenen Heatpipes bekannt, sicher stellen.
  • Weiterhin muss, systembedingt, bei umgekehrter Lage der kalten und warmen Zone einer erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine mit kapillarkraftgetriebenem Kondensat-Transport, auch die Konstruktion aus Kolben-Doppelbundhülse und Feder in umgekehrter Richtung in der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine eingebracht sein. Die Feder und/oder weitere Maßnahmen zum Rückstellen der Kolben-Doppelbundhülsen-Kombination liegen üblicherweise somit auf Seiten der kalten Zone der Heatpipe-Wärmekraftmaschine. Die Vorspannung in Ausgangslage von Kolben 1 sowie Federkonstante der eingesetzten Feder ist je nach Einsatzzweck der Erfindung in der Form anzupassen, dass die Rückstellung der Kolben-Doppelbundhülse-Kombination in ihre Ausgangslage bei den jeweiligen Betriebsbedingungen des vorgesehenen Einsatzzweck sicher gestellt ist.
  • Als weitere Variante sind auch Mechanismen wie beispielweise Zugfedern auf Seiten der warmen Zone möglich. Der konstruktive Aufwand steigt hier jedoch, wobei durch eine Verlagerung des Rückstellmechanismus, in Form beispielsweise mindestens einer Zugfeder auf Seite der warmen Zone, das sogenannte Totraum-Volumen des Gasraum auf der der Wärmesenke zugewandten Kolbenseite idealerweise verringert ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Variante einer Heatpipe-Wärmekraftmaschine mit kapillarkraftgetriebenem Kondensat-Transport wird die Wärmesenke als externer Kondensator ausgeführt, was sich auch in dieser Variante der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine in der Verringerung des Totraum-Volumen des Gasraum auf der der Wärmesenke zugewandten Kolbenseite und dadurch wirkungsgradsteigernd auswirkt. Der externe Kondensator ist auch in dieser Variante der Erfindung in Richtung Kondensat-Einlass-Öffnung zu neigen, um den Kondensatablauf sicher zu stellen.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine mit kapillarkraftgetriebenem Kondensat-Transport stellt die Verwendung eines externen Kondensator als Wärmesenke dar, welcher im Bereich der Kondensationsfläche des Kondensator und der Verbindung zur Kapillarstruktur zwischen Innen- und Außenwand der kapillarkraftgetriebenen Heatpipe-Wärmekraftmaschine ebenfalls eine Kapillarstruktur, wie beispielsweise unter den Bezeichnungen "Mesh", "Groove" oder "Sinter" bekannt, aufweist. Diese Variante der Heatpipe-Wärmekraftmaschine mit kapillarkraftgetriebenem Kondensat-Transport ermöglicht, bei entsprechender Dimensionierung der Kapillarstruktur, einen lage- sowie schwerkraft-unabhängigen Betrieb.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine mit kapillarkraftgetriebenem Kondensat-Transport stellt die Variante mit externem Verdampfer als Wärmequelle dar. Der an der Kondensationsfläche mit Kapillarstruktur ausgestattete Kondensator ist über die in dieser Variante der Erfindung komplett mit Kapillarstruktur gefüllte Verbindung mit dem ebenfalls mit Kapillarstruktur ausgestatteten Verdampfer verbunden. Der Verdampfer ist seinerseits mit dem Gasraum der der Wärmequelle zugewandten Seite des Kolben 1 verbunden. Ein direkter Dampfdruckausgleich zwischen kalter Zone in Form des Kondensator und warmer Zone in Form des Verdampfer ist in dieser Variante der Erfindung durch die beispielsweise unter "Mesh" oder "Sinter" bekannte Kapillarstruktur in der Verbindung zwischen Kondensator und Verdampfer unterbunden.
  • Die Verlagerung auch der warmen Zone, in Form eines ebenfalls mit der Kapillarstruktur verbundenen Verdampfer, nach extern macht den Einzug eines Innen-Zylinder und der zwischen Innen- und Außen-Zylinder sonst für den Kondensat-Transport notwendigen Kapillarstruktur überflüssig. Die Verdampfungs- sowie Kondensations-Leistung kann so flexibel dimensioniert werden und der Aufbau der Gesamt-Konstruktion, trotz lage- sowie schwerkraft-unabhängiger Einsatzmöglichkeit, stark vereinfacht werden. Die Dimensionierung des Volumen der Kapillarstruktur in Verdampfer, Kondensator und deren Verbindung ist zu berücksichtigen, um im gesamten Temperatureinsatzbereich der Erfindung eine ausreichende Kondensatmenge zur fortlaufenden Verdampfung sicher zu stellen. Die Möglichkeit der Zuführung von beispielsweise durch Kompressionsarbeit zusätzlich anfallender Wärmeenergie im oder am der warmen Zone zugewandten Gasraum bleibt weiterhin bestehen.
  • Eine weitergehende Verbesserung der Effizienz der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine wird bei Varianten mit kapillarkraftgetriebenem Kondensat-Transport durch das Verlegen der Öffnung der Verbindung zum externen Kondensator aus dem Gasraum der kalten Zone an eine Position seitlich am Hauptzylinder, nahe den aus axialer Sicht der kalten Zone zugewandten Endanschläge, erreicht. Die während der Überströmphase geleistete Kondensationsleistung im externen Kondensator bleibt durch diese Maßnahme für die anschließende Arbeitsphase in Form von Unterdruck gegenüber dem Gasraum der kalten Zone im Hauptzylinder im Bereich des extern verlagerten Kondensator gespeichert, bis die Doppelbundhülse die Öffnung zum Kondensator zum Ende der Überströmphase freigibt.
  • Auch in den Varianten der Erfindung mit kapillarkraftgetriebenem Kondensattransport besteht die Möglichkeit, die erzeugte mechanische Energie, über beispielsweise Lineargeneratoren, zur Erzeugung elektrischer Energie auf Basis thermischer Energie zu nutzen.
  • Unabhängig der Varianten der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine gelten auch für diese Erfindung die Gesetze des Carnot Kreisprozess und die in diesem Zusammenhang definierten Zusammenhänge möglichen Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen sowie den Definitionen von Exergie und Anergie-Anteilen unter Berücksichtigung von Temperaturdifferenzen sowie absoluter Temperatur. Allgemein erhöht sich danach, wie üblich bei Wärmekraftmaschinen, der mögliche Wirkungsgrad mit Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Zone. Bei geeigneter Wahl des Arbeitsmedium ist bei gleicher Temperaturdifferenz aber niedrigerer absoluter Einsatz-Temperatur noch eine Steigerung des Wirkungsgrad erreichbar. Unabhängig vom Wirkungsgrad liegt die Leistungsausbeute aufgrund der durch Heatpipes übertragbaren Leistungsdichte in einer für den gewerblich nutzbaren Bereich.
  • Der Grundgedanke einer kostengünstigen, mit wenig bewegten Teilen, auf bestehenden Prinzipien beruhenden und mit gewöhnlichen Komponenten zu realisierenden Heatpipe-Wärmekraftmaschine für den gewerblichen Einsatz kann in allen Ausführungen der vorgeschlagenen Erfindung umgesetzt werden. Die erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine kann vorzugsweise als schwerkraftgetriebene Zwei-Phasen-Thermosiphon- oder aber als kapillarkraftgetriebene Heatpipe-Wärmekraftmaschine ausgeprägt und hergestellt werden. Die Kombination der Merkmale kostengünster Aufbau, brauchbare Leistungsdichte sowie ein durch lediglich thermische Energie gekennzeichneter Antrieb kennzeichnen die erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine.
  • Die erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine, welche vom Grundsatz als eine Wärmekraftmaschine betrachtet werden kann, eignet sich idealerweise für Wärme-Kraft-Kopplung in kleinen wie auch mittelgroßen Anlagen, dezentrale Energieversorgungen sowohl thermischer wie auch elektrischer Art in einem weiten Temperatureinsatzbereich. Beispielsweise seien Heizanlagen in Verbindung mit Erdwärme, jegliche Abwärme-Nutzung auch zur Stromproduktion, die Nutzung von Sonnenenergie beispielsweise mit Zwischenspeicherung thermischer Energie oder der Einsatz zu Kühlungszwecken sogar lage- sowie schwerkraft-unabhängig genannt. Die möglichen Einsatzgebiete sind extrem vielfältig. Die Rentabilität ist durch prinzipiell wartungsfreien Betrieb und Nutzung vorhandener Temperaturdifferenzpotentiale sicher gestellt.
  • Anhand nachfolgender Zeichnungen wird die Erfindung an den dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, der Erfindung sowie den beigefügten Zeichnungen mit den Ansprüchen.
    • Fig. 1 eine Heatpipe-Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung.
    • Fig. 2 eine Anordnung einer Heatpipe-Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung.
    • Fig. 3 eine Anordnung einer Heatpipe-Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung.
    • Fig. 4 eine Anordnung einer Heatpipe-Wärmekraftmaschine der vorliegenden Erfindung.
  • Die Fig. 1 zeigt die Anordnung einer hermetisch geschlossenen als Kolbenmotor ausgebildeten erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1, mit einem Zylinder 21 und einer in dem Zylinder 21 beweglich gelagerten Doppelbundhülse 22, in welcher der beweglich geführte Kolben 13 gelagert ist. Der Kolben 13 ist über eine feste Verbindung 28 mit dem im Durchmesser kleineren als Kolben 13 ausgeprägten Kolben 5 verbunden. Die Kombination der Doppelbundhülse 22 sowie der Kolben 13 und 5 mit Verbindung 28 werden von Feder 29 unter definiertem Federdruck im Bereich der Endanschläge 15 und 24 in Richtung Wärmequelle 18 gedrückt.
  • Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 weist einen weiteren Zylinder 30, welcher im Durchmesser kleiner als der Haupt-Zylinder 21 ist sowie den Zylinderkopf 3 auf, in dem der Kolben 5 im Arbeitsraum 4 das durch Ansaugöffnung 2 eintretende dampfförmige Arbeitsmedium 16 verdichtet. In der Transportzone zwischen den Endanschlägen 24 und 15 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 sind die Überströmkanäle 23 mit den Öffnungen 12, 14 sowie 20 zum Überströmen des dampfförmigen Arbeitsmedium 16 eingebracht. Nahe den unteren der Wärmequelle nächstgelegenen Öffnungen 14 und 20 sind der Ansaugkanal 26 für dampfförmiges Arbeitsmedium 27 zur Füllung des Zylinderraum 4 sowie die Kondensat-Leitung 11 zur Rückführung des durch Kondensation verflüssigten Arbeitsmedium 16 aus der Kondensat-Sammelrinne 10, angebracht.
  • In Fig. 1 ist dargestellt, dass sowohl am Zylinderkopf 3 wie auch an der Wärmesenke 9 während des Kondensationsprozess Wärmeenergie frei wird und Kondensat 7 entsteht. Das Kondensat von Zylinderraum 4 wird dabei über Leitung 6 der Sammelrinne 10 zugeführt. Die sogenannte Transportzone der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 und die Ansaugleitung 26 mit Kugelventil 31 ist mit Isoliermaterial 25 thermisch isoliert. Die erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 setzt eine Volumenänderung eines im Zylinderinneren 19 zwischen dem Kolben 13 und der Wärmequelle 18 befindlichen Arbeitsmedium 16 über den axial verschiebbaren Kolben 13 und der axial verschiebbaren Doppelbundhülse 22 in eine Aufwärtsbewegung der verbundenen Kolben 13 und 5 sowie der Doppelbundhülse 22 um.
  • Fig. 1 zeigt, dass die Aufwärtsbewegung von Kolben 13 und 5 zuerst erfolgt bis der Kolben 13 an den oberen Anschlag innerhalb der Doppelbundhülse 22 anstößt und diese dann ebenfalls in Richtung Wärmesenke 9 drückt. Feder 29 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 wird während der Bewegung des Kolben 13 in Richtung kalter Zone 9 gespannt. Die Aufwärtsbewegung des Kolben 13 und der Doppelbundhülse 22 wird beendet, sobald die Doppelbundhülse 22 die unteren Öffnungen 14 und 20 der Überströmungskanäle 23 durch seine Aufwärtsbewegung in Richtung kalter Zone 9 freigibt. Der Ausgleich der zwischen dem Raum 8 der kalten Zone und dem Raum 19 der warmen Zone zu diesem Zeitpunkt bestehenden Druckdifferenz beginnt durch die Öffnung der Überströmungskanäle 23. Die durch diesen Ausgleich abnehmende Druckdifferenz senkt den Druck auf die der warmen Zone 18 zugewandten Seite des Kolben 13 bis der Druck auf die Kolbenoberseite durch die Feder 29 überwiegt und diesen innerhalb der Doppelbundhülse 22 in Richtung warmer Zone 18 drängt.
  • Ist der Kolben 13 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 in Fig. 1 am unteren Bund der Doppelbundhülse 22 angelangt, wird diese ebenfalls durch die Federkraft der Feder 29 sowie den Schwung der Masse der Kolben 13 sowie 5 und deren Verbindung 28 in Richtung warmer Zone 18 bis zur Schließung der unteren Öffnungen 14 und 20, jedoch maximal bis zum Endanschlag 15 gedrückt. Die Zuführung externer Wärmeenergie an der Wärmequelle 18 erzeugt bei bestehender Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke 9 und Wärmequelle 18 fortlaufend Dampf im Raum 19 während in Raum 8 ständig dampfförmiges Arbeitsmedium 16 kondensiert und somit der Dampfdruck abgebaut wird, was zu einer Druckdifferenz zwischen den Räumen 19 und 8 führt. Dieser anhaltende thermodynamische Kreisprozess innerhalb der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 startet den Vorgang von Neuem, so dass ein zyklischer und selbstständig anlaufender Bewegungsprozess realisiert ist.
  • Die Fig. 2 zeigt die Anordnung einer hermetisch geschlossenen, als Kolbenmotor ausgebildeten erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1, mit einem Zylinder 21 und einer in dem Zylinder 21 beweglich gelagerten Doppelbundhülse 22, in welcher der beweglich geführte Kolben 13 gelagert ist. Der Kolben 13 ist über eine feste Verbindung 28 mit dem im Durchmesser kleineren als Kolben 13 ausgeprägten Kolben 5 verbunden. Die Kombination der Doppelbundhülse 22 sowie der Kolben 13 und 5 mit Verbindung 28 werden von Feder 29 unter definiertem Federdruck im Bereich der Endanschläge 15 und 53 in Richtung des Gasraum 19 der warmen Zone gedrückt.
  • Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 weist einen weiteren Zylinder 30, welcher im Durchmesser kleiner als der Haupt-Zylinder 21 ist sowie den Zylinderkopf 3 auf, in dem der Kolben 5 im Arbeitsraum 4 das durch Ansaugöffnung 2 eintretende dampfförmige Arbeitsmedium 37 verdichtet. Im Bereich der Transportzone, nahe den Endanschlägen 53 und 15, der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 ist/sind der/die Überströmkanal/-äle 23 mit den Öffnungen 20 sowie 32 zum Überströmen des dampfförmigen Arbeitsmedium aus Raum 19 in den Raum 8 eingebracht.
  • Fig. 2 zeigt, aus axialer Sicht oberhalb der höchstgelegenen Position des Kolben 13 im Bereich des Raum 8, die Öffnung 46 der Verbindung 45 zur Zuleitung des gasförmigen Arbeitsmedium 41 zum externen Kondensator 42 als kalte Zone der Erfindung. Das im zur Verbindung 11 hin geneigten Kondensator 42 kondensierende Arbeitsmedium läuft in die Verbindung 11 ein und sammelt sich in dieser als Flüssigkeitssäule des kondensierten Arbeitsmedium 7 mit dem Flüssigkeitspegel 43. Bei Freigabe der Öffnung 14 durch die Doppelbundhülse 22 strömt somit, durch den zuvor ausgeführten Druckausgleich an Öffnung 46 sowie den Druck der Flüssigkeitssäule in Verbindung 11, das flüssige Arbeitsmedium 7 in den Raum unterhalb des Kolben 13 ein.
  • In Fig. 2 weiterhin dargestellt ist das im, aus axialer Sicht unteren Bereich 18 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 gesammelte flüssige Arbeitsmedium 16, welches über die Verbindung 51 dem externen Verdampfer 50 zur Verdampfung mit Hilfe zugeführter Wärme-Energie zu dampfförmigem Arbeitsmedium 49 verdampft und über die Verbindung 48 und Öffnung 47 dem Raum 19, unterhalb des Kolben 13, zugeführt wird. Der Kreislauf des Arbeitsmedium 16 ist damit geschlossen.
  • Fig. 2 zeigt weiterhin, dass das sogenannte Totraum-Volumen von Volumen 8 oberhalb von Kolben 13 durch die Verlagerung der kalten Zone nach extern, in Form von Kondensator 42, reduziert wird und die Verbindung 28 in Länge und somit Gewicht ebenfalls reduziert ist, was die Effizienz der Heatpipe-Wärmekraftmaschine erfindungsgemäß steigert. Weiterhin kann durch Verlagerung von Kondensator 42 und Verdampfer 50 nach extern die Erfindung flexibel eingesetzt werden.
  • In Fig. 2 ist ebenfalls dargestellt, dass durch den Kolben 5, angetrieben von Kolben 13 über die Verbindung 28, den Zylinderraum 4, die Ventile 31 und 38, welche beispielweise als Rückschlagventile in Form von Kugelventilen ausgeprägt sind, die Verbindungen 40 und 26, ein Drosselorgan 34, die Öffnungen 2 und 36 sowie Kondensator 35 und Verdampfer 33, je nach konstruktiver Auslegung, eine Kompressionskälte-Maschine oder alternativ auch eine Wärmepumpe realisiert werden kann, welche mit Wärmeenergie als Energiequelle angetrieben wird. Die nicht genutzte Energie von Kondensator 35 oder Verdampfer 36 wird dabei, je nach Einsatzzweck, wie in Kältemittelkreisläufen bekannt, über Wärmetauscher dem Verdampfer 50 oder Kondensator 42 wirkungsgradsteigernd zugeführt.
  • Fig. 2 zeigt, dass die Aufwärtsbewegung von Kolben 13 und 5 zuerst erfolgt bis der Kolben 13 an den oberen Anschlag innerhalb der Doppelbundhülse 22 anstößt und diese dann ebenfalls in Richtung oberer Endanschlag 53 drückt. Feder 29 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 wird während der Bewegung des Kolben 13 in Richtung oberer Endanschlag 53 gespannt. Die Aufwärtsbewegung des Kolben 13 und der Doppelbundhülse 22 wird beendet, sobald die Doppelbundhülse 22 die unteren Öffnungen 20 und 14 des/der Überströmungskanal/-äle 23 sowie Kondensat-Zulauf 11 durch seine Aufwärtsbewegung in Richtung oberer Endanschlag 53 freigibt. Der Ausgleich der zwischen dem Raum 8 und dem Raum 19 zu diesem Zeitpunkt bestehenden Druckdifferenz beginnt durch die Öffnung des/der Überströmungskanal/-äle 23. Der Ausgleich der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Druckdifferenz zwischen Kolbenoberseite und Kolbenunterseite von Kolben 13 wird fortgeführt, bis der Druck auf die dem Raum 8 zugewandten Kolbenoberseite des Kolben 13 durch die Feder 29 überwiegt und diesen innerhalb der Doppelbundhülse 22 in Richtung Raum 19 drängt.
  • Ist der Kolben 13 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 in Fig. 2 am unteren Bund der Doppelbundhülse 22 angelangt, wird diese ebenfalls durch die Federkraft der Feder 29 sowie den Schwung der Masse der Kolben 13 sowie 5 und deren Verbindung 28 in Richtung Raum 19 bis zur Schließung der unteren Öffnungen 14 und 20, jedoch maximal bis zum Endanschlag 15, gedrückt. Die Zuführung externer Wärmeenergie an Verdampfer 50 erzeugt bei bestehender Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke 42 und Wärmequelle 50 fortlaufend Dampf im Raum 19, während in Kondensator 42 ständig dampfförmiges Arbeitsmedium 41 kondensiert und somit der Dampfdruck über Verbindung 45 auch in Raum 8 abgebaut wird, was zu einer Druckdifferenz zwischen den Räumen 19 und 8 führt. Dieser thermodynamische Kreisprozess innerhalb dieser Variante der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 startet den Bewegungs-Vorgang von Neuem, so dass ein zyklischer und selbstständig anlaufender Bewegungsprozess realisiert ist.
  • Die Fig. 3 zeigt die Anordnung einer hermetisch geschlossenen, als Kolbenmotor mit kapillarkraftgetriebenem Kondensat-Transport ausgebildeten, erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1, mit einem Außen-Zylinder 21, einem Innen-Zylinder 54 und einer in dem Innen-Zylinder 54 beweglich gelagerten Doppelbundhülse 22, in welcher der beweglich geführte Kolben 13 gelagert ist. Der Kolben 13 ist über eine feste Verbindung 28 mit dem im Durchmesser kleineren als Kolben 13 ausgeprägten Kolben 5 verbunden. Die Kombination der Doppelbundhülse 22 sowie der Kolben 13 und 5 mit Verbindung 28 werden von Feder 29 unter definiertem Federdruck im Bereich der Endanschläge 15 und 53 in Richtung des Gasraum 19 der warmen Zone gedrückt. Federkonstante sowie Vorspannung von Feder 29 sind in dieser Variante der Erfindung neu zu bestimmen, wobei die Vorspannung von Feder 29 einen Wert aufweist, welcher es zu lässt, Kolben 13 und damit verbunden Kolben 5 gegen den Kompressionswiderstand des zu verdichtenden Arbeitsmedium 37 in die Ausgangslage von Kolben 13 zu drängen, bis Doppelbundhülse 22 die Öffnung 20 verschließt.
  • Die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 weist einen weiteren Zylinder 30, welcher im Durchmesser kleiner als der Innen-Zylinder 54 ist sowie den Zylinderkopf 3 auf, in dem der Kolben 5 im Arbeitsraum 4 das durch Ansaugöffnung 2 eintretende dampfförmige Arbeitsmedium 37 verdichtet. In der Betriebsart Kältemaschine ist Zylinderkopf 3 im Gasraum 19 eingebracht. Die Positionen 36, 38, 52, 40, 35, 33, 26, 37, 31 sowie 2 stellen beispielhaft die aus Kältemittelkreisläufen bekannten Komponenten dar. Im Bereich der Transportzone, nahe den Endanschlägen 53 und 15 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1, ist/sind der/die Überströmkanal/-äle 23 mit den Öffnungen 20 sowie 32 zum Überströmen des dampfförmigen Arbeitsmedium aus Raum 19 in den Raum 8 eingebracht.
  • Fig. 3 zeigt weiterhin, aus axialer Sicht unterhalb der tiefst gelegenen Position des Kolben 13 im Bereich des Raum 8, die Öffnung 46 der Verbindung 45 zur Zuleitung des gasförmigen Arbeitsmedium zum externen Kondensator 42 als kalte Zone der Erfindung. Die Kondensationsfläche des Kondensator 42, die Verbindung 11, die dem Gasraum 19 zugewandte Seite des Zylinderkopf 3 sowie der Raum zwischen Außen-Zylinder 21 und Innen-Zylinder 54 weisen eine Kapillarstruktur 55, 55', 55", wie von Heatpipes beispielsweise unter den Bezeichnungen "Mesh" oder "Sinter" bekannt, auf. Das an der Kapillarstruktur 55' im Kondensator 42 kondensierende Arbeitsmedium wird durch die Kapillarkräfte entlang der Kapillarstruktur in Verbindung 11, durch Öffnung 14 zu den Kapillarstrukturen 55 und 55" transportiert. Unabhängig von einer Ausstattung des Kondensator 42 und Verbindung 11 mit einer Kapillarstruktur findet der kapillarkraftgetriebene Kondensat-Transport in den Kapillarstrukturen 55 und 55" unabhängig von der Position der Doppelbundhülse 22 statt, solange an Öffnung 14 flüssiges Arbeitsmedium anliegt und durch Zufuhr von Wärmeenergie an der warmen Zone 18 flüssiges Arbeitsmedium durch die Öffnungen 57 verdampft. Weisen auch Kondensator 42 und Verbindung 11 eine Kapillarstruktur auf, ist diese Variante der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 lage- sowie schwerkraft-unabhängig einsetzbar.
  • In Fig. 3 weiterhin dargestellt ist, dass das im, aus axialer Sicht, oberen Bereich 18 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 über die Kapillarstruktur 55, 55', 55" der warmen Zone 18 sowie dem durch Kompressionsarbeit erwärmten Zylinderkopf 3 zugeführte flüssige Arbeitsmedium verdampft und so, bei bestehender Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke 42 und Wärmequelle 18, fortlaufend Dampfdruck gemäß Dampfdruck-Kurve des Arbeitsmedium entsteht. Auch in dieser Variante der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 wird in, aus axialer Sicht, oberer Ausgangslage von Kolben 13 und Doppelbundhülse 22 durch Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmedium in Kondensator 42 der Dampfdruck in Gasraum 8, gemäß Dampfdruckkurve, verringert. Dies führt zur Abwärtsbewegung des Kolben 13 in Doppelbundhülse 22, aus axialer Sicht, bis dieser den unteren Endanschlag der Doppelbundhülse 22 erreicht und diese mit in Richtung Endanschlag 53 drängt. Dabei wird die Feder 29, welche in oberer Ausgangslage bereits eine Vorspannung aufweist, unter Zuführung mechanischer Energie gespannt.
  • In Fig. 3 ebenfalls dargestellt ist, dass die Abwärtsbewegung der Doppelbundhülse 22 ausgeführt wird, bis Öffnung 20 des/der Überströmungskanal/-äle 23 durch Doppelbundhülse 22 freigegeben wird und ein Druckausgleich der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Druckdifferenz zwischen den Gasräumen 19 und 8 beginnt. Der Ausgleich der zu diesem Zeitpunkt bestehenden Druckdifferenz zwischen Kolbenoberseite und Kolbenunterseite von Kolben 13 wird fortgeführt, bis der Druck auf die Kolbenunterseite des Kolben 13 durch die Feder 29 überwiegt und diesen innerhalb der Doppelbundhülse 22 in Richtung Raum 19 drängt. Ist der Kolben 13 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 am oberen Bund der Doppelbundhülse 22 angelangt, wird diese ebenfalls durch die Federkraft der Feder 29 sowie den Schwung der Masse der Kolben 13 sowie 5 und deren Verbindung 28 in Richtung Raum 19 bis zur Schließung der Öffnung/en 20, jedoch maximal bis zum Endanschlag 15 gedrückt. Auch in dieser Variante der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 ist somit über den anhaltenden thermodynamischen Kreisprozess ein zyklischer und selbstständig anlaufender Bewegungsprozess realisiert.
  • Fig. 3 zeigt weiterhin, dass das sogenannte Totraum-Volumen von Volumen 8, aus axialer Sicht unterhalb von Kolben 13, durch die Verlagerung der kalten Zone nach extern, in Form von Kondensator 42, auch in dieser Variante der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 reduziert wird. Die erfindungsgemäße Ausführungsform mit kapillarkraftgetriebenem Kondensattransport erlaubt weiterhin effizienzsteigernd eine verkürzte Verbindung 45. Idealerweise ist das Volumen des Gasraum 8 durch konstruktive Maßnahmen wie beispielsweise 56, an der, aus axialer Sicht, untersten, der kalten Zone am nächsten liegenden Position des Kolben 13, möglichst gering. Dabei ist sicher zu stellen, dass Kolben 13 nicht durch Haftung an Gehäuseteilen am, durch Federkraft der Feder 29, ausgeübten Rückkehrprozess in seine Ausgangsposition gehindert wird.
  • Die Fig. 4 zeigt die Anordnung einer hermetisch geschlossenen, als lage- sowie schwerkraft-unabhängigen Kolbenmotor ausgebildeten erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1, mit einem Zylinder 21, und einer in dem Zylinder 21 beweglich gelagerten Doppelbundhülse 22, in welcher der beweglich geführte Kolben 13 gelagert ist. Der Kolben 13 ist über eine feste Verbindung 28 mit dem im Durchmesser kleineren als Kolben 13 ausgeprägten Kolben 5 verbunden. Die Kombination der Doppelbundhülse 22 sowie der Kolben 13 und 5 mit Verbindung 28 werden von Feder 29 unter definiertem Federdruck im Bereich der Endanschläge 15 und 53 in Richtung des Gasraum 19 gedrückt.
  • Die in Fig. 4 dargestellte erfindungsgemäße Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 weist einen weiteren Zylinder 30, welcher im Durchmesser kleiner als der Haupt-Zylinder 21 ist sowie den Zylinderkopf 3 auf, in dem der Kolben 5 im Arbeitsraum 4 das durch Ansaugöffnung 2 eintretende dampfförmige Arbeitsmedium 37 verdichtet. In der Betriebsart Kältemaschine ist Zylinderkopf 3 im Gasraum 19 eingebracht. Die Positionen 36, 38, 52, 40, 35, 33, 26, 37, 31 sowie 2 stellen beispielhaft die aus Kältemittelkreisläufen bekannten Komponenten dar. Im Bereich der Transportzone, nahe den Endanschlägen 53 und 15 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1, ist/sind der/die Überströmkanal/-äle 23 mit den Öffnungen 20 sowie 32 zum Überströmen des dampfförmigen Arbeitsmedium aus Raum 19 in den Raum 8 eingebracht.
  • Fig. 4 zeigt weiterhin, aus axialer Sicht seitlich der tiefst gelegenen Position des Kolben 13 im Bereich des Raum 8, die Öffnung 46 der Verbindung 45 zur Zuleitung des gasförmigen Arbeitsmedium zum externen Kondensator 42, als kalte Zone der Erfindung, welcher auf der Kondensationsfläche eine Kapillarstruktur 55' aufweist, die Verbindung 58, welche über den gesamten Querschnitt und das gesamte Volumen die Kapillarstruktur 55' aufweist, den nach extern verlagerten Verdampfer 50, als warme Zone der Erfindung, welcher auf der Verdampfungsfläche die Kapillarstruktur 55' aufweist, sowie Verbindung 48, welche in Öffnung 47 zu Gasraum 19 mündet. Das an der Kapillarstruktur 55' im Kondensator 42 kondensierende Arbeitsmedium wird durch die Kapillarkräfte entlang der Kapillarstruktur 55' in Verbindung 58 zur Kapillarstruktur 55' in Verdampfer 50 transportiert, wo es unter Zufuhr von Wärmeenergie verdampft und über Verbindung 48 dampfförmig in Gasraum 19 gelangt.
  • In Fig. 4 ebenfalls dargestellt ist, die Verlagerung der Öffnung 46 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 an eine, aus axialer Sicht, oberhalb von Endanschlag 53 gelegene Position in Zylinder 21, welche durch die Verwendung einer Verbindung 58, die über den gesamten Querschnitt die Kapillarstruktur 55' aufweist, möglich ist und sich effizienzsteigernd in Bezug auf das zu kondensierende Dampf-Volumen des Arbeitsmedium je Arbeitszyklus sowie den Rückstell-Prozess von Kolben 13 in seine Ausgangslage während der Überströmphase auswirkt. Die Endanschläge 53 werden in dieser Variante zur weiteren Effizienzsteigerung ohne Aufbau ausgeführt, da durch die Materialstärke der Doppelbundhülse 22 ein ausreichend großer Abstand zwischen, aus axialer Sicht, unterer Gehäusewand und Kolben 13 an unterster, den Endanschlägen 53 nächstgelegener, Position von Kolben 13 besteht und das Totraum-Volumen von Gasraum 8 somit minimiert ist.
    • Genannte Patentliteratur

Claims (15)

  1. Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (21), mit einer in dem Zylinder (21) beweglich geführten Doppelbundhülse (22), mit einem in der Doppelbundhülse (22) beweglich geführten Kolben (13), mit mindestens einer Verbindung (28) und mindestens einem weiteren Kolben (5), mit mindestens einer Feder (29), mit mindestens einer kalten Zone (9), mit mindestens einer warmen Zone (18) und Endanschlägen (15, 24) für die Doppelbundhülse (22). Weiterhin weist die Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) mindestens ein Arbeitsmedium (16) in flüssiger Form, mindestens einen Raum (19) mit Verbindung zur der warmen Zone (18) zugewandten Seite des Kolben (13) zur Expansion des verdampfenden Arbeitsmittel (16) auf. Weiterhin weist die Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) mindestens einen Überströmungskanal (23) mit den Öffnungen (12, 14) zwischen den Endanschlägen (15, 24) auf. Die Feder (29) weist bereits an der untersten, der warmen Zone (18) am nächsten liegenden, Position des Kolben (13) eine geringe Vorspannung auf.
  2. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) als schwerkraftgetriebene Variante am, aus vertikaler Sicht, unteren Ende der Wärmesenke (9) eine Kondensat-Sammelrinne (10) und mindestens eine Verbindung (11) von der Kondensat-Sammelrinne (10) zur am unteren Endanschlag (15) in den Zylinder (21) eintretenden Öffnung (14) aufweist.
  3. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Zylinderwandöffnung (20) eine Verbindung (26) in ein Ventil (31) mündet, welches bei Überdruck in Raum (4) selbstständig schließt und bei Unterdruck in Raum (4) selbsttätig öffnet, um dampfförmiges Arbeitsmedium (27) in den Arbeitsraum (4) des Zylinder (30) über Einlassöffnung (2) bei Abwärtsbewegung des Kolben (5) einströmen zu lassen. Leitung (26), Ventil (31) sowie die gesamte Transportzone von Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) sind thermisch isoliert durch ein Isolier-Material (25). Weiterhin weist der Zylinder (30) mindestens eine Kondensat-Ablaufvorrichtung (6) zur Ableitung in Raum (4) entstehenden Kondensats in Richtung der Kondensat-Rinne (10) auf.
  4. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Variante eine kalte Zone in Form mindestens eines Kondensator (42) sowie die warme Zone in Form mindestens eines Verdampfer (50) nach außerhalb und somit extern der Gehäuse-Konstruktion verlagert aufweist und somit der Raum (8) ein geringes Totraum-Volumen aufweist. Weiterhin weist die Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) mindestens eine Verbindung (45) von Raum (8) zu Kondensator (42) sowie mindestens eine Verbindung (11) von Kondensator (42) zu Öffnung (14) auf.
  5. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Endanschläge (15, 53) für die Doppelbundhülse (22) und mindestens einen Überströmungskanal (23) mit den Öffnungen (20, 32) aufweist, wobei Öffnung (32) in Raum (8) mündet.
  6. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Variante das in Raum (4) über Öffnung (2) angesaugte gasförmige Arbeitsmedium (37) verdichtet und in einem wahlweise als Kältemaschine oder Wärmepumpe auslegbaren, vorzugsweise externen, Kreislauf mit den Komponenten Ventil (38), Verbindung (40), Kondensator (35), Drosselorgan (34), Verdampfer (33), Verbindung (26) und Ventil (31), nutzt. Wirkungsgradsteigernd wird im Fall der Auslegung als Kältemaschine die an Kondensator (35) anfallende Kondensationswärme über Wärmetauscher an Verdampfer (50, 18) oder bei Auslegung als Wärmepumpe die an Verdampfer (33) anfallende Kälteleistung über Wärmetauscher an Kondensator (42, 9) übertragen.
  7. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (5) im Bereich des Gasraum (19) der warmen Zone über Verbindung (28) mit Kolben (13) verbunden ist und die Feder (29) unter, in dem Endanschlag (15) nächstgelegener Ausgangslage von Kolben (13), definierter Vorspannung, im Bereich des Gasraum (8) der kalten Zone, Druck in Richtung warmer Zone auf Kolben (13) ausübt.
  8. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Variante mit kapillarkraftgetriebenem Kondensat-Transport zwischen Zylinder (21) und dem, im Bereich der warmen Zone (18), dampfdurchlässigen Innenzylinder (54) sowie am Zylinderkopf (3) eine Kapillarstruktur (55, 55") aufweist. Weiterhin weist sie eine kalte Zone in Form mindestens eines Kondensator (42) nach außerhalb und somit extern der Gehäuse-Konstruktion verlagert auf, welcher zwecks Kondensatablauf in Richtung Verbindung (11) geneigt ist, die ihrerseits mit Gefälle zu Öffnung (14) geneigt ist.
  9. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer lage- und schwerkraft-unabhängigen Variante in Gesamtvolumen und Querschnitt von Verbindung (11) sowie an der Kondensationsfläche des Kondensator (42) eine Kapillarstruktur (55') aufweist, welche über den gesamten Kondensationsbereich des Kondensator (42) von dampfförmigem Arbeitsmedium aus Verbindung (45) erreicht wird.
  10. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer weiteren lage- sowie schwerkraft-unabhängigen Variante neben der nach extern, in Form von Kondensator (42), verlagerten kalten Zone auch eine nach extern verlagerte warme Zone in Form von Verdampfer (50) sowie eine Verbindung (58) zwischen Kondensator (42) und Verdampfer (50) aufweist. Raum (8) ist über Verbindung (45) mit Kondensator (42) und Raum (19) über Verbindung (48) mit Verdampfer (50) verbunden. Die Verdampferfläche von Verdampfer (50), die Kondensationsfläche von Kondensator (42) wie auch das gesamte Volumen und der Querschnitt von Verbindung (58) weisen eine Kapillarstruktur (55'), wie unter den Bezeichnungen "Mesh" oder "Sinter" bekannt, auf, wobei die Kapillarstruktur (55') in Verbindung (58) einen direkten Dampfdruckausgleich zwischen Verdampfer (50) und Kondensator (42) unterbindet. Innenzylinder (54), Öffnung (14) sowie Kapillarstruktur (55, 55") entfallen erfindungsgemäß in dieser Variante.
  11. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Variante mit Verwendung von Kapillarstruktur (55') in Verbindung (11, 58) und mindestens einem externen Kondensator (42) eine in den Außenzylinder (21) nahe dem Endanschlag (53) verlagerte Öffnung (46) aufweist, welche bei der dem Endanschlag (53) nächstgelegenen Position von Doppelbundhülse (22) von dieser, während der Phase des Druckausgleich zwischen den Räumen (19) und (8), verschlossen ist.
  12. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmungskanäle (23), die Öffnungen (12, 14, 20), die Doppelbundhülse (22), Kolben (13), die Feder (29) und die Endanschläge (15, 24, 53) die Strömungssteuerung der Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) selbsttätig ausführen.
  13. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Arbeitsmedium (16) bei den innerhalb und außerhalb der Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) bestehenden Einsatzbedingungen an der warmen Zone (18, 50) verdampfen kann und an der kalten Zone (9, 42) eine Kondensation erfolgen kann.
  14. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter-Kolben (5) als reiner Führungskolben ohne Verdichtungsfunktion ausgeführt wird und über eine Verbindung zu Kolben (13) eine Permanentmagneten-Konstruktion nahe der Außenwand (21) zyklisch hin und her bewegt wird, so dass außerhalb der hermetisch geschlossenen Heatpipe-Wärmekraftmaschine (1) per Induktion elektrische Energie entnommen werden kann, wie in Form von Lineargeneratoren.
  15. Heatpipe-Wärmekraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmiermittel das Arbeitsmedium (16) verwendet wird und die Materialien von Kolben (13, 5), Zylinder (21, 30, 54) sowie Doppelbundhülse (22) in ihrer Verträglichkeit darauf abgestimmt werden.
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