EP3032049A1 - Heatpipe engine - Google Patents
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- 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
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- EP
- European Patent Office
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- 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- Withdrawn
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-
- 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.Summary: The invention relates to a heatpipe heat engine (1) having at least one cylinder (21), at least one double collar sleeve (22) movably guided in the cylinder (21) and at least one piston (13) movably guided in the double collar sleeve (22). and a working medium (16) used in a closed thermodynamic cycle. The heat pipe heat engine (1) has at least one warm zone (18) for evaporation and at least one cold zone (9) for condensation of the working medium (16). The transfer ports (23) mounted between the hot and cold zones are equipped with the piston-in-two-collar-piston combination (22, 13) as flow control and the spring (29) for direct mechanical work, for example, for compression use increased temperature potential or for the production of electrical energy, for example, suitable with linear generator / -en.
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.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 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.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.
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.The aforementioned heat pipes or heatpipes, hereinafter generally referred to as 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.
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.The prerequisite of a temperature difference is present in our environment almost in unlimited variety. Energy transfer within heatpipes is based, as is well known, on evaporation, condensation and vapor and liquid transport between the hot and cold zones. The selection of suitable materials as well as working media for heatpipe construction are regarded as state of the art.
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.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.
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.It is desirable to make use of this previously used only as a heat transfer process for the generation of mechanical, electrical energy or the increase of temperature levels. Ideally, in addition to the heat energy supplied no further form of energy is necessary. Today's methods for raising temperature levels are realized, for example, by supplying electric power using compressors.
Andersartige Erfindungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische oder mechanische Energie sind in den Patentschriften
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.It is also desirable to provide a heat pipe design that can perform mechanical or electrical work over any external source of heat, that is, without internal combustion and thus emissions of environmentally harmful gases, or alternatively can achieve the elevation of temperature levels.
Es ist ebenfalls wünschenswert, die Heatpipe-Konstruktion als möglichst wartungsarme, idealerweise wartungsfreie, Konstruktion bereit zu stellen.It is also desirable to provide the heatpipe construction as a low maintenance, ideally maintenance-free design.
Es ist wünschenswert, zumindest eines der angesprochenen Probleme einer mindestens partiellen Linderung zuzuführen.It is desirable to provide at least one of the mentioned problems with at least partial relief.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Neues zur gewerblichen Anwendung einer gattungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine bereit zu stellen.The invention has for its object to provide new to the commercial application of a generic heat pipe heat engine.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.The solution to this problem is claimed in an independent form. Preferred embodiments can be found in the subclaims.
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.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.
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.Preferably, 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. The same applies to the derivation of heat energy at the cold zone, the so-called heat sink. The transport zone should ideally be thermally insulated.
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.It is further preferred if 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. Alternatively or in combination, 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.
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.It is preferred to limit the piston stroke in the region of the transport zone of the cylinder of the heat pipe heat engine by end stops. 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.
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.Preferably come for pistons and Doppelbundhülse materials with low weight, the compatibility with the working medium used, one of the operating temperature of the heat pipe heat engine selected temperature resistance and low friction and slipstick values are used. In addition to possible metallic materials, plastics, such as under the brand name "Iglidur®" from the manufacturer igus or "Vespel®" from DuPont ™, are ideal alternatives because of their good processing properties.
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.Furthermore, 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. Ideally, 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.
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.Preferably, 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. Furthermore, it is ensured that 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.
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.Ideally, 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.
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.This temporary separation of the spaces of the cold and warm zone represents a decisive difference to the original heatpipe principle used as a pure heat pipe, which is often regarded as quasi-isothermal in the area of the adiabatic zone between the heat source and the heat sink. 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.
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.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. For the selected in this embodiment 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. These result approximately from the selection of the working medium, the piston area in the axial direction and the temperatures of the cold and the warm zone. The basis is, inter alia, the vapor pressure curve of the selected working medium.
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.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 Gleitreibungshaftwertes 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.
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.Subsequently, 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.
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.According to the invention, a pressure compensation in the direction of cold zone is carried out by the release of the overflow. During this pressure equalization, 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. This leads to a further sustained pressure equalization through the overflow through the sustained by the spring force pressure on the warm zone facing the piston side. By the stop of the piston at the warm zone facing gutter of the double collar sleeve this sleeve is also moved towards the warm zone and thus ultimately closes the transfer channels.
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.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.
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.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. Basically, 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.
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.A further preferred variant of the invention is to use the kinetic energy of the piston, referred to below as
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.It is preferred for this purpose in the cold zone another, smaller in diameter cylinder than that of the basic variant, for example, in the axial direction from the perspective of the
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.Furthermore, in this preferred variant of the invention, an additional, adapted in diameter to the smaller cylinder, piston, hereinafter called
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.Ideally, the smaller additionally introduced cylinder protrudes so far into the space of the cold zone that the additional introduced
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.The
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.According to the invention, 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
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.The space above the
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.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
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.A further preferred variant of the invention is the operation for generating electricity by means of a coupled to the
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.All previously listed variants of the heat pipe heat engine is limiting in common that the required for the cycle cold and warm zone is mounted directly above or below the piston-double collar-sleeve combination in the axial direction, which can be structurally complex. Furthermore, the condensation area required for the cold zone causes a relatively large, volume of the cold zone facing the
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.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
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.For further embodiment of the invention, at least one connection from the volume, from the axial point of view, above the
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.The, from the axial point of view, above the piston directly in the housing of the invention missing capacitor, which is displaced externally in this variant, makes it possible to reduce the volume above the
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.In this variant of the invention, 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
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.Furthermore, in this variant of the heatpipe heat engine, 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
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.According to the invention, 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
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.The pressure equalization of the existing pressure difference between the spaces above and below the
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.Ideally, the end stops facing the underside of the
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.In accordance with the invention, in direct operation of the heatpipe heat engine, direct stops of the double collar-piston combination on the housing parts thus fail to take place, which, in combination with the omission of moving valve parts, enables low-noise operation.
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.In this variant of the invention, a process which proceeds automatically by a temperature difference between the hot and cold zone of the heat pipe heat engine according to the invention is thus realized and the cycle is completed, so that it starts over again when the temperature difference between the cold and the warm zone exists.
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.A variant according to the invention of the use of the mechanical energy provided by the invention on
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.Thus, according to the invention, the possibility of the heat pipe heat engine for cooling purposes with the help of the evaporator of the
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.Furthermore, depending on the specified application, cooling or heating, due to the compression ratio of the
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.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.
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.A further preferred variant of the invention is the embodiment as a heat pipe heat engine with capillary force-driven condensate transport. In this case, a capillary structure, which is realized, for example, on the inside of the cylinder of
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.Furthermore, due to the system, 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
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.As a further variant, mechanisms such as tension springs on the side of the warm zone are possible. However, the constructive effort increases here, wherein by a displacement of the return mechanism, in the form of, for example, at least one tension spring on the side of the warm zone, the so-called dead space volume of the gas space on the side facing the heat sink piston side is ideally reduced.
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.In a further preferred variant of a heat pipe heat engine with capillary-force-driven condensate transport, 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. In this variant of the invention, too, the external condenser is to be tilted in the direction of the condensate inlet opening in order to ensure the condensate drainage.
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.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.
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.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
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.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.
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.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.
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.Also in the variants of the invention with capillary-powered condensate transport, it is possible to use the generated mechanical energy, for example via linear generators, to generate electrical energy based on thermal energy.
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.Regardless of the variants of the heat pipe heat engine according to the invention also apply to this invention, the laws of the Carnot cycle and the context defined in this connection possible efficiency of heat engines and the definitions of exergy and anergy shares, taking into account temperature differences and absolute temperature. Generally, then, as usual with heat engines, the potential efficiency increases as the temperature difference between the warm and cold zones increases. With a suitable choice of the working medium, an increase in efficiency can still be achieved with the same temperature difference but lower absolute operating temperature. Regardless of the efficiency, the power output is due to the heatpipes transferable power density in one for the commercially useful range.
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.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 kostengünster structure, usable power density and characterized by only thermal energy drive characterize the heat pipe heat engine according to the invention.
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.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. For example, heating systems in conjunction with geothermal energy, any use of waste heat for electricity production, the use of solar energy, for example, with temporary storage of thermal energy or the use for cooling purposes even position and gravity-independent called. The possible fields of application are extremely diverse. The profitability is ensured by principally maintenance-free operation and use of existing temperature difference potentials.
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.
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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.
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Fig. 1 a heatpipe heat engine of the present invention. -
Fig. 2 an arrangement of a heat pipe heat engine of the present invention. -
Fig. 3 an arrangement of a heat pipe heat engine of the present invention. -
Fig. 4 an arrangement of a heat pipe heat engine of the present invention.
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Ist der Kolben 13 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 in
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Ist der Kolben 13 der erfindungsgemäßen Heatpipe-Wärmekraftmaschine 1 in
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DE 10 2005 040 866 B3 DE 10 2005 040 866 B3 -
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