EP4663934A1 - Thermoelektrischer oder thermomechanischer wandler - Google Patents

Thermoelektrischer oder thermomechanischer wandler

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Publication number
EP4663934A1
EP4663934A1 EP24181104.1A EP24181104A EP4663934A1 EP 4663934 A1 EP4663934 A1 EP 4663934A1 EP 24181104 A EP24181104 A EP 24181104A EP 4663934 A1 EP4663934 A1 EP 4663934A1
Authority
EP
European Patent Office
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volume
thermoelectric
volumes
elements
size
Prior art date
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Pending
Application number
EP24181104.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thilo Ittner
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to EP24181104.1A priority Critical patent/EP4663934A1/de
Publication of EP4663934A1 publication Critical patent/EP4663934A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/30—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders
    • 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
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines
    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/10—Rotary pistons
    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/40—Piston assemblies
    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/42—Displacer drives

Definitions

  • the invention relates to a thermoelectric or thermomechanical converter according to the preamble of the independent claim.
  • thermodynamic cycles For the efficient conversion of mechanical/electrical energy into usable heat, heat pumps, which utilize thermodynamic cycles, are primarily used today, but other methods, such as adsorption or absorption processes, are also employed. Similarly, heat engines, which utilize thermodynamic cycles, are primarily used for the efficient conversion of heat into mechanical/electrical energy. Some thermodynamic cycles involve a phase transition of a working fluid, such as the Clausius-Rankine cycle. Processes without a phase transition include the Ericsson cycle and the Stirling cycle.
  • thermodynamic cycle The efficiency of a thermodynamic cycle can be described as the product of the process efficiency and the theoretically maximum achievable Carnot efficiency.
  • the Stirling and Vuilleumier cycles can theoretically achieve very high efficiencies, which are theoretically higher than those of other processes, especially at large temperature differences between the useful/drive heat and the corresponding heat/cold sink. This means that the efficiency of Stirling and Ericsson engines drops less sharply at higher temperature differences (compared to lower temperature differences) than is the case with other processes. Therefore, they are particularly suitable for high-temperature heat pumps or for heat engines that have heat sources with particularly high temperatures or particularly large temperature differences compared to the heat sinks. Furthermore, they are suitable for utilizing or generating heat across a wide range of absolute temperatures, as they are not dependent on the phase transition temperature of a working fluid.
  • gas cycles without phase transitions can have some disadvantages that can lead to a significantly lower achievable efficiency than the Carnot efficiency, i.e., a quality factor significantly lower than 1.
  • One of these disadvantages is the existence of dead spaces in such engines.
  • the working gas may not be entirely within its designated expansion or compression volumes during expansion or compression, or the working gas may even be in the compression volume during expansion and in the expansion volume during compression. Therefore, so-called “dead space losses” occur, which are sometimes also referred to as "damage space losses".
  • dead space losses can be reduced by arranging the heat exchangers within the working spaces, similar to how adiabatic losses are avoided. This eliminates the need for additional volumes where a portion of the working fluid is constantly present, as is the case with heat exchangers located outside the working spaces, as in... EP23209033.2 revealed.
  • a non-sinusoidal, i.e., anharmonic or discontinuous, motion of a displacer piston such as that used in Stirling engines of the beta or gamma type or Vuilleumier engines, makes it possible to ensure that the working medium is almost completely displaced from the other working space, which is not intended for compression or expansion, during its compression or expansion in the compression or expansion chamber.
  • Stirling engines of the beta or gamma type are characterized by a displacer piston that moves the working fluid back and forth between the expansion and compression chambers without changing the total volume of the working fluid in the working and dead spaces.
  • the change in total volume is achieved by an additional working piston, which, as described above, always creates dead spaces.
  • other volume-changing elements such as diaphragms are also used.
  • the compression chamber is bounded and its volume changed by one piston, and the expansion chamber by another piston (again, in the alpha design, other volume-changing elements are used instead of pistons).
  • the two pistons perform a sinusoidal or near-sinusoidal motion over time.
  • the object of the invention is to provide a thermoelectric or thermomechanical converter in which a working medium undergoes a thermodynamic cycle (for example, according to the Stirling cycle), whereby dead space losses can be reduced and an increase in efficiency can be achieved.
  • a thermodynamic cycle for example, according to the Stirling cycle
  • thermoelectric or thermomechanical converter according to the independent claim. Further embodiments are disclosed in the dependent claims.
  • thermoelectric or thermomechanical converter in which a working medium, which may contain a gas, undergoes a thermodynamic cycle, being alternately compressed and expanded in so-called working chambers.
  • this cycle can be a Stirling cycle, in which, in addition to the compression or expansion of the working medium, a phase transition of a component of the working medium from gaseous to liquid and from liquid to gaseous can also occur.
  • the thermoelectric or thermomechanical converter can exhibit a higher efficiency because dead space losses can be avoided.
  • thermoelectric or thermomechanical converter can therefore also be used as a heat engine operating with very small temperature differences, or as a highly efficient heat pump generating relatively small temperature differences. This is because, in such an embodiment, very good heat transfer occurs between the working medium and the liquid, allowing significant amounts of heat to be transferred even with very small temperature differences.
  • the thermoelectric or thermomechanical transducer comprises at least two volumes containing a working medium or each containing a partial volume filled with working medium, wherein, for example, the working medium comprises at least some gas.
  • the partial volumes containing the working medium are separated due to the expansion or The working fluid is compressed into working spaces.
  • These volumes are limited by volume limiting elements and can be connected to each other via gas permeability, whereby this gas permeability can be temporarily interrupted, for example, by a valve or a controllable or adjustable shut-off device.
  • the volume limiting elements can, for example, include openings for the inflow and outflow of liquid quantities in order to transfer quantities of heat into or out of the volumes.
  • thermoelectric or thermomechanical transducer further comprises at least one volume-changing element configured to change the volume of one of the two working spaces. At least one of the volume-changing elements is configured to perform a movement such that the time periods in which the volume it limits is smaller than the average of the maximum and minimum volumes are longer (for example, at least 1.2 times as long) than the time periods in which the volume it limits is larger than the average of the maximum and minimum volumes.
  • this volume is also smaller than the mean of the maximum volume and the minimum volume for a longer period, and larger than the mean of the maximum volume and the minimum volume for a shorter period (for example, the volume is smaller than the mean at least 60% of the time).
  • the at least two working spaces filled with a working medium and connected to each other by gas are each bounded by volume limiting elements and a volume change element, both of which are designed to perform a movement such that the time periods in which the volume bounded by them is smaller than the mean of the maximum volume and the minimum volume are longer (for example, at least 1.2 times as long) than the time periods in which the volume bounded by them is larger than the mean of the maximum volume and the minimum volume.
  • the combined size of at least two volumes can, on average, be at least the mean of their maximum and minimum sizes more than half the time, for example, more than 60% of the time.
  • At least one or two volume change elements can change the size of at least two volumes such that their sizes are, on average, less than the mean of their maximum and minimum sizes for more than half the time, for example, for more than 60% of the time.
  • the at least one volume change element can separate areas that are not connected to each other in a gas-permeable manner.
  • One of these areas can be one of the at least There could be two volumes, and the other volume could be an area that does not constitute such a volume or contain no workspace. Alternatively, both areas could be volumes that are also workspaces or contain workspaces.
  • Two of the volumes can form a completely gas-tight sealed volume. This means that a gas-tight sealed volume can exist except for gaps at the sealing elements. These gaps can have a height of less than 0.2 mm. These gaps can be considered the smallest gaps. Exactly two of the volumes can form a completely gas-tight sealed volume.
  • Both working chambers can thus form an Alpha-type Stirling engine, with one working chamber being the expansion chamber and the other the compression chamber.
  • the volume-changing elements periodically alter the volumes of their respective working chambers, with the volume changes occurring with a phase shift relative to each other.
  • the compression chamber and the expansion chamber are connected by a gas-permeable connection.
  • This connection can contain a regenerator material through which the working fluid flows periodically in one direction or the other, allowing the working fluid to transfer heat to or absorb heat from the regenerator material.
  • the non-sinusoidal, i.e., anharmonic, change in the working chamber volumes and the corresponding phase shift ensure that dead volume losses are minimal, meaning that during compression the working fluid is almost entirely located in the compression chamber and during expansion it is almost entirely located in the expansion chamber.
  • the corresponding progression of movement or deformation of the volume-changing elements, and the resulting volume change of the workspaces can be plotted over time.
  • the total volume of both workspaces can be represented in a single diagram over time.
  • compression areas where the total volume decreases, i.e., where the slope of the total volume over time is negative
  • the working medium can be almost entirely contained within one workspace.
  • expansion areas where the total volume increases, i.e., where the slope of the total volume over time is positive
  • the working medium can also be almost entirely contained within one workspace.
  • the volume-changing elements can comprise (or be) reciprocating pistons movably mounted in a cylinder, or deformable elements such as diaphragms or hollow pistons with single, double, or multiple outer walls, which continuously but to varying depths immerse themselves in a quantity of liquid.
  • the volume-changing elements can also be parts of rotary pistons or pistons that move relative to other volume-limiting elements. move and additionally perform a rotational or rotary movement relative to the volume limiting elements or relative to the environment.
  • the at least one volume-changing element can be mechanically coupled to a crankshaft by means of a connecting rod or an alternative coupling element.
  • the crankshaft can perform a circular motion, a non-circular motion, a rotationally symmetric motion with 3-fold symmetry (or with a characteristic number of 3), or a rotationally symmetric motion with multiple symmetry relative to other volume-limiting elements.
  • the speed of the crankshaft relative to the volume-limiting elements can be constant or change over time.
  • the at least one volume-changing element can be mechanically coupled to a crankshaft by means of a connecting rod.
  • the crankshaft is located between the point where the connecting rod attaches to the volume-changing element and the boundary surface of the volume-changing element with the working space.
  • the connecting rod points away from the working space to be limited, not towards it. That is, the volume-changing element can be mechanically coupled to a drive element (e.g., a crankshaft) via a coupling element (e.g., a connecting rod), wherein the attachment point of the coupling element with the volume-changing element is further away from the boundary surface of the volume-changing element with the volume it encloses than the attachment point of the coupling element with the drive element.
  • a drive element e.g., a crankshaft
  • a coupling element e.g., a connecting rod
  • the length of the connecting rod, relative to the radius of the circular motion that the crankshaft performs relative to the working chambers, can be relatively short in order to cause a particularly anharmonic motion of the volume-changing element relative to the working chamber, or to cause a particularly anharmonic change in the working chamber volume.
  • the at least one volume-changing element can be mechanically coupled to a driving element (e.g., a crankshaft) via a coupling element (e.g., a connecting rod), wherein the length of the coupling element (measured between its attachment points on the driving element and on the volume-changing element) is less than 200% (e.g., less than 100%, for example, less than 75%) of the maximum distance between two points that the center of gravity of the driving element can assume relative to the working chambers or volume-limiting elements over time.
  • a driving element e.g., a crankshaft
  • a coupling element e.g., a connecting rod
  • a circular or rotational motion can be the movement of a body's center of gravity around another point. This applies to the present description of the invention as well as to the detailed description of the figures.
  • thermoelectric or thermomechanical transducer can be mounted or arranged in or on a mounting device.
  • the thermoelectric or thermomechanical transducer can be arranged in a housing.
  • the housing can also include a linkage or frame to which the thermoelectric or thermomechanical transducer can be mounted or arranged.
  • the thermoelectric or thermomechanical transducer can be mounted or arranged on a linkage or frame without an additional housing.
  • the mounting device and the volume limiting elements can be rotatably mounted, allowing them to rotate.
  • a drive element such as a crankshaft, can be rigidly and non-rotatably connected to a stationary frame, so that the drive element rotates relative to the rotating working chambers.
  • the crankshaft, or another drive element mechanically coupled to the at least one volume-changing element can be an assembly of several elements or one of the elements of the assembly, such as an axle.
  • a pivot axis can be rotatably mounted at the center of an element that is fixed relative to the mounting device and includes an internal gear, by means of a first ball bearing.
  • This pivot axis can be driven, for example, by a motor.
  • the pivot axis can be rigidly connected to a crank.
  • a second ball bearing can be connected to the crank, via which an eccentric gear can be rotatably mounted in the crank.
  • An axle can be rigidly connected to this eccentric gear, but eccentrically to the axis of rotation of the eccentric gear, so that this axle can perform a circular motion around the axis of rotation of the eccentric gear.
  • the circular motion of the eccentric gear around the axis of rotation of the first ball bearing can be mechanically coupled to the circular motion of the axle around the axis of rotation of the second ball bearing via the internal gear of the element and the external gear of the eccentric gear in such a way that these circular motions can have a constant speed ratio. Consequently, the axle can perform a motion that can be composed of two superimposed circular motions around the central axes of the two ball bearings, each with different radii and speeds, but these speeds can be in a constant ratio to each other.
  • the shape of the axis's motion can be determined by varying the speed ratios of the two circular motions via the radius ratio of the element's internal gear and the eccentric gear's external gear, as well as by varying the axis's eccentricity relative to the first ball bearing's axis of rotation compared to the second ball bearing's eccentricity relative to the first ball bearing's axis of rotation.
  • the characteristic value of the axis's rotational symmetry can then be derived from the radius ratio of the element's internal gear and the eccentric gear's external gear. For example, this value could be two, three, or four.
  • At least one of the volume-changing elements is designed, for example, as a rotary piston, it can perform a movement such that its center of gravity is movable around a point fixed relative to the center of gravity of other volume limiting elements or the fastening device, whereby the movement deviates from a circular motion.
  • At least one of the volume-changing elements can comprise a rotatable piston.
  • the rotatable piston can be configured to perform the movement about a fixed point or about a point fixed relative to the mounting device or to working spaces or volume limiting elements, wherein the movement deviates from a circular motion.
  • the movement of the at least one volume-changing element, or of the part of the volume-changing element, or of the drive element mechanically coupled to the volume-changing element, or of the crankshaft mechanically coupled to it, relative to the other volume-limiting elements or the fastening device can be a movement resulting from a superposition of at least two circular rotational movements about different centers of rotation. For example, this movement can also be superimposed by other movements.
  • the rotational speeds of the two rotational movements can be in a constant ratio to each other.
  • volume-changing element or part of the volume-changing element, or the drive element mechanically coupled to the volume-changing element, may be configured to perform an incomplete rotary movement relative to the working spaces.
  • a rotational movement can be a movement of a body around its own axis. This applies to the present description of the invention as well as to the detailed description of the figures.
  • An incomplete rotational movement can be a rotational movement in which a body does not rotate completely around its own axis, i.e., it rotates less than 360° around its own axis.
  • the volume change element can be configured to perform an incomplete rotational movement relative to the workspaces around its center of gravity or another point.
  • the at least one volume-changing element or part of the volume-changing element or the drive element mechanically coupled to the volume-changing element can be configured to change the size of at least two different volumes and, accordingly, the volume of at least two different working spaces by its movement.
  • the work areas in whole or in part, can be designed to be rotatably mounted, so that a rotary or rotational movement of the corresponding work areas can be carried out.
  • At least one rotatably mounted working chamber can contain a quantity of liquid that may be in direct contact with the working medium within that chamber. Additional heat exchanger elements can be connected to the volume changer element; these heat exchanger elements alternately immerse themselves in and emerge from the liquid as the volume changer element moves relative to the liquid.
  • the at least one volume-changing element can be a deformable sealing element, for example a deformable membrane, or comprise a deformable sealing element such as a deformable membrane.
  • This membrane can be designed to delimit a working space containing a quantity of fluid that performs a rotational movement, the shape of the membrane at the time of the minimum working space volume largely corresponding to the shape of the surface of the rotating quantity of fluid or a portion thereof.
  • the thermoelectric or thermomechanical converter can contain multiple pairs of compression and expansion chambers, each compression chamber and expansion chamber forming an alpha-type Stirling engine.
  • the volumes comprising expansion chambers can each contain a quantity of fluid and be rotatably mounted about an axis of rotation in one part of a housing or mounting device, thus performing a rotary motion.
  • the volumes comprising compression chambers can each contain a quantity of fluid and be rotatably mounted about an axis of rotation in another part of a housing or mounting device.
  • the mounting device must be rotatably mounted about a pivot axis and perform a rotary movement. All or some of the volume-changing elements that alter the volumes of expansion chambers may be mechanically coupled to the same crankshaft or drive element. All or some of the volume-changing elements that alter the volumes of compression chambers may be mechanically coupled to the same crankshaft or drive element.
  • thermoelectric or thermomechanical converter can also be designed for hybrid applications from the above-mentioned uses.
  • Heat/cold can be thermally coupled to this thermoelectric or thermomechanical converter using liquids or gases (e.g., combustion gases) as heat transfer fluids.
  • the heat can be applied to the device either by a gaseous medium or directly as electromechanical radiation (e.g., sunlight or concentrated sunlight) through a specially designed, transparent housing.
  • the thermoelectric or thermomechanical transducer is suitable for applications across a very wide temperature range and for applications where very high temperature differences can be utilized or generated (i.e., where the temperature difference between the useful heat/cold and the heat/cold sink is particularly high), for example, as a high-temperature heat pump.
  • thermoelectric or thermomechanical transducer is suitable, for example, for generating very high or very low temperatures for industrial applications (e.g., steam generation, air liquefaction, freeze-drying), as well as for use as a heat pump for heating, for example, older buildings with radiator heating systems, where higher temperatures are required than with more modern heating systems such as underfloor heating.
  • thermoelectric or thermomechanical converter Due to its high efficiency and good heat transfer between the liquid as heat transfer medium and the working fluid, the thermoelectric or thermomechanical converter is also suitable for converting electrical energy into heat, which is then stored in a heat storage device (e.g., latent heat storage or insulated liquid tank). It is equally suitable for converting this stored heat back into electrical energy.
  • a heat storage device e.g., latent heat storage or insulated liquid tank. It is equally suitable for converting this stored heat back into electrical energy.
  • heat exchanger elements In addition to or instead of heat exchanger elements that are in direct contact with the working medium in the work spaces, heat exchanger elements can also be used that are flowed through by the working medium when it flows back and forth between two work spaces.
  • a liquid located in the working spaces can be a liquid whose boiling point is in the range of the partially prevailing temperatures and pressures, in order to utilize the enthalpy of the phase transition from solid to gaseous and vice versa in such a way as to increase the performance of the device.
  • the invention is also applicable to the realization of other thermodynamic cycles by using the working spaces, whose volume is changed by volume-changing elements, as compression or expansion spaces for these cycles, whereby additional inlet and outlet openings can be provided in the working spaces, which are temporarily opened or closed.
  • FIG. 1 schematically shows a Stirling engine of the gamma type known from the prior art.
  • the volume-changing element 61 here a displacer piston in the form of a reciprocating piston, is movably mounted in the cylinder 63 and, by its oscillating motion in the cylinder 63, alternately moves the working medium from the compression chamber 65 to the expansion chamber 66 and vice versa.
  • the working medium flows through the openings 72, the heat exchanger 70, the regenerator 78, the heat exchanger 79, and the openings 71 (or vice versa).
  • the working medium releases heat to the heat exchanger 70, or, in the reverse direction, absorbs heat from the heat exchanger 79.
  • the heat exchangers 70 and 79 are each thermally coupled to external heat sources or sinks.
  • the outer casing 73 prevents the working medium from leaving the system and prevents pressure equalization with the volume outside the device.
  • the working piston 62 which performs an oscillating motion in the cylinder 64 that is phase-shifted relative to the movement of the displacer piston 61, changes the pressure inside the device, including in the compression chamber 65 and the expansion chamber 66.
  • the volume 74 is connected to the compression chamber 65 and the expansion chamber 66 via the connecting element 67, allowing gas to pass through.
  • the working medium in the compression chamber 65 is heated and can then partially transfer this heat to the heat exchanger 70 as it flows through it.
  • the working medium in the expansion chamber 66 is cooled and can then partially absorb heat from the heat exchanger 79 as it flows through it.
  • the volume 74 also provides...
  • the heat exchangers 70, 79 and the regenerator 78 represent a dead space which reduces the efficiency, since the working medium contained therein is not located in the compression chamber 65 or the expansion chamber 66 provided for this purpose during compression or expansion.
  • Fig. 2 The curve x1 represents the sinusoidal motion of the displacer piston 61 and the working piston 62 (curve x2) over time t.
  • Curve V shows the distribution of the total volume within the device. 100% here represents the maximum displacement of the displacer piston or the working piston, respectively, and the maximum working volume confined by each of them (for curves x1 and x2), or the maximum of the total volume (for curve V).
  • the pressure in the system can also be derived from this curve.
  • Fig. 2 It is evident that during compression, the working medium is mostly located in the compression chamber 65, but that a certain proportion of the working medium is also located in the expansion chamber 66 and in chamber 74. This means a reduction in the efficiency of the Stirling engine.
  • a first volume-changing element 1 (here, for example, a piston) is movably mounted in a first cylinder 3 and defines a first working chamber 5.
  • the second volume-changing element 2 (here, for example, a piston), mounted in the second cylinder 4, defines a second working chamber 6.
  • the two working chambers 5 and 6 are connected to each other via a gas-permeable connecting pipe 7, in which a regenerator 8 is located.
  • a working medium which can be, for example, a gaseous medium or at least partially composed of a gas, is located in the working chambers 5 and 6 and in the connecting pipe 7.
  • This working medium is thermally coupled to a first heat exchanger element 9 and a second heat exchanger element 10, with the heat transfer occurring from a quantity of liquid in the first heat exchanger element 9 via a first partition 15 to the working medium in the first working chamber 5 (or vice versa).
  • heat is transferred from a quantity of liquid in the second heat exchanger element 10 via a second partition 16 to the working medium in the second working chamber 6.
  • the liquid flows into the first heat exchanger element 9 via a first inlet line 11 and can flow out again via a first outlet line 12, thus enabling heat transfer by the liquid as the heat carrier to/from the first heat exchanger element 9.
  • the liquid flows into the second heat exchanger element 10 via a second inlet line 13 and can flow out again via a second outlet line 14, thus enabling heat transfer by the liquid as the heat carrier to/from the second heat exchanger element 10.
  • the volume-changing elements 1, 2 can typically be mechanically coupled to crankshafts via connecting rods or mechanically coupled to other gears, so that they perform a largely harmonic (i.e., sinusoidal) motion, which exhibits a phase shift between the two volume-changing elements 1, 2.
  • This phase shift is typically between 90° and 180°.
  • FIG. 4 A corresponding piston movement of a Stirling engine of the Alpha type, known from the prior art, is described in Fig. 4 depicted.
  • Fig. 4 Figure 1 shows the movement of the volume-changing elements (e.g., pistons) over time t, where x1 represents the movement of one volume-changing element in the direction of the cylinder axis and x2 represents the movement of the other volume-changing element in the direction of the cylinder axis. 100% again represents the maximum displacement at which the volume of the respective working chamber adjacent to the volume-changing element is at its maximum. Due to the phase shift of the movement of the two volume-changing elements relative to each other, the total volume of the two working chambers and the connecting pipe 7 changes, with the gas volume in Fig.
  • the volume-changing elements e.g., pistons
  • the regenerator 8 When flowing in one direction, it transfers heat to the regenerator 8 and is cooled to approximately the temperature of the working chamber into which it flows. When flowing in the other direction, it absorbs heat from the heat stored in the regenerator 8 and is heated to approximately the temperature of the working chamber into which it flows. If the two volume change elements 1 and 2 are driven by an external drive (e.g., an electric motor), this Stirling gas cycle can be used to generate useful heat or cooling. In this case, the energy required for the compression of the working medium, transferred from one of the volume-changing elements to the working medium, can outweigh the energy transferred to the other volume-changing element during the expansion of the working medium. Alternatively, the heat exchanger elements 9 and 10 can also be brought to different temperatures using liquids of different temperatures.
  • the two volume-changing elements provided they are mechanically connected, coupled with a corresponding phase shift, they are moved by alternating expansion and compression, which can, for example, drive a generator that can be mechanically coupled to the two volume-changing elements by means of a crank mechanism.
  • the two volume-changing elements move in such a way that they each remain in a position representing less than 50% of their maximum displacement for a longer period. Accordingly, the working space volume they define is also less than half the maximum volume for longer time intervals compared to the time intervals in which it is more than half the maximum volume.
  • the present invention enables a corresponding movement of the volume-changing elements. Consequently, the average volume of the working space is less than the mean of its maximum and minimum volumes for more than half the time.
  • Fig. 6a This represents a method known from the prior art of moving a reciprocating piston 21 by means of a piston drive in conventional Stirling engines.
  • a reciprocating piston 22 which is mounted in a cylinder 24 and defines a working chamber 26.
  • the reciprocating piston 22 is connected to a connecting rod 29 via a ball bearing 30 and a first connecting rod axis 36.
  • a second connecting rod axis 34 executes a movement along the dashed line 33, which deviates from a circular motion.
  • the movement follows a triangular shape with rounded corners. This movement causes a movement of the piston 22, which is in Fig. 5
  • the depicted anharmonic motion pattern corresponds to the present invention.
  • the invention can enable such a motion by, for example, replacing conventional crank mechanisms or other drives with a drive element that allows for such a motion.
  • FIG. 5 A largely corresponding piston movement can be achieved with the in Fig. 6c
  • the device is designed to move a reciprocating piston 41, which is mounted in a cylinder 42 and defines a working chamber 43.
  • the reciprocating piston 41 is rigidly connected to the actuating element 46 via guide axes 44, 45, which may be mounted in a linear bearing.
  • the actuating element 46 is arranged in the opposite direction to the reciprocating piston 41 from the perspective of the axis of rotation of the crankshaft 52.
  • the actuating element 46 is connected to a connecting rod 50 via a ball bearing 47 and a first connecting rod axis 48. As shown in Fig.
  • a second connecting rod axis 49 which can be a crankshaft, carries out a circular movement along this axis. the dashed line 51 around the axis 52. Since the connecting rod 50 is relatively short compared to the radius of movement of the connecting rod axis 49 around the axis 52, the movement of the piston 41 deviates significantly from a harmonic motion.
  • the attachment point of the connecting rod 50 with the actuating element 46 over the connecting rod axis 48 on the side opposite the piston 41 relative to the axis 52, the movement of the piston 41 is such that the working volume 43 is less than half its mean value of its maximum and minimum values during longer time intervals, compared to time intervals in which the working volume 43 is more than half its mean value of its maximum and minimum values.
  • the resulting movement of such a piston over time, or the change in a corresponding working volume over time is described in Fig. 7 represented by curves x1 and x2.
  • the resulting total volume over time is in Fig. 7 represented by curve V.
  • Curve V shows the resulting total volume encompassing both working chambers. While this total volume decreases, i.e., during compression, the working fluid is located almost exclusively in the compression chamber, whose volume over time is represented by curve x1. While the total volume increases, i.e., during expansion, the working fluid is located almost exclusively in the expansion chamber, whose volume over time is represented by curve x2. During the phases in which the working fluid is located to a greater extent in both the compression and expansion chambers, the total volume remains largely constant.
  • Fig. 8 , Fig. 9a, Fig. 9b and Fig. 9c shows a possible embodiment of a drive element with which a Fig. 6b depicted non-circular motion of a connecting rod axis and a corresponding anharmonic motion of a volume change element, as in Fig. 5 and Fig. 6b can be represented and realized.
  • Fig. 8 This possible embodiment is shown as a 3D view
  • Fig. 9a shows a longitudinal section
  • Fig. 9b and Fig. 9c The figures show cross-sections along axes AA and BB, respectively.
  • a pivot axis 103 is rotatably mounted by means of a ball bearing 102.
  • This pivot axis 103 can be driven, for example, by a motor.
  • the pivot axis 103 is rigidly connected to the crank 104.
  • a ball bearing 105 is connected to the crank 104, via which the eccentric gear 106 is rotatably mounted in the crank 104.
  • the axle 107 is fixedly but eccentrically connected to this eccentric gear 106 relative to the axis of rotation of the eccentric gear 106, allowing the axle 107 to perform a circular motion around the axis of rotation of the eccentric gear 106.
  • the circular motion of the eccentric gear 106 around the axis of rotation of the ball bearing 102 is mechanically coupled to the circular motion of the axle 107 around the axis of rotation of the ball bearing 105 via the internal gear of element 101 and the external gear of the eccentric gear 106, such that these circular motions have a constant speed ratio. Consequently, the axle 107 performs a motion consisting of two superimposed circular motions around the central axes of the ball bearings 102 and 105, each with different radii and speeds, but these speeds are in a constant ratio to each other.
  • the shape of the motion of the axis 107 can be determined by varying the speed ratios of the two circular motions via the radius ratio of the inner gear of element 101 and the outer gear of the eccentric gear 106, as well as by varying the eccentricity of the axis of rotation of the ball bearing 105 compared to the eccentricity of the axis of rotation of the ball bearing 105 with respect to the axis of rotation of the ball bearing 102.
  • the characteristic value of the rotational symmetry of the motion of the axis 107 results from the radius ratio of the inner gear of element 101 and the outer gear of the eccentric gear 106.
  • Fig. 10 This shows a rotationally symmetric motion pattern realized with the parameter 3.
  • the parameter can be 2 or 4.
  • the ratio of the two eccentricities i.e., the radii of the two superimposed circular motions of axis 107
  • it is possible to determine whether the motion pattern is more "bulging" as in Fig. 10 is similar to a triangular shape with rounded corners, or rather “pointed” to a triangular shape with concave, inwardly curved side lines and without rounded corners.
  • Fig. 11 shows a longitudinal section of an embodiment of the present invention with volume change elements according to the embodiment shown Fig. 6c
  • the housing 201 is rotatably mounted in the frame 204 via ball bearings 202 and 203.
  • the motor/generator 205 which is rigidly connected to the frame 204 (connection not shown here), can drive the rotational movement of the housing 201 or be driven by the rotating housing.
  • the shaft 206 of the motor/generator 205 is rigidly connected to the housing 201 by means of the shaft receptacle 207.
  • crankshafts 208 and 209 Inside the housing 201 are the crankshafts 208 and 209, which, together with the cranks 210 and 211 and the connecting element 212, form a stationary unit, as they are rigidly connected to the frame 204 by means of the shaft 213 and the shaft receptacle 214.
  • the crank 211 is fixed in its position by being mounted in the rotating housing 201 via the axle 215 and the ball bearing 216.
  • the cylinders 221, 222, 223, 224 are rigidly connected to the housing 201 and, as volume limiting elements, form volumes 381, 382, 383, 384, which partially contain liquid quantities 225, 226, 227, 228 and partially contain working medium in the working chambers 231, 232, 233, 234.
  • the working chambers 231, 232, 233, 234 form partial volumes of the volumes 381, 382, 383, 384.
  • the liquid quantities 225, 226, 227, 228 are held in their shape and position by their rotation together with the housing 201 and the cylinders 221, 222, 223, 224, due to centrifugal forces acting upon them.
  • Cylinders 221, 222, 223, 224 each contain pistons 235, 236, 237, 238, which are rigidly connected to actuating elements 245, 246, 247, 248 by means of guide shafts 241a/b, 242a/b, 243a/b, 244a/b.
  • the guide shafts 241a/b, 242a/b, 243a/b, 244a/b are linearly movable relative to the housing 201 in linear bearings 251a/b, 252a/b, 253a/b, 254a/b (see [reference]).
  • the pistons 235, 236, 237, 238 include piston rings 255, 256, 257, 258, which provide a gas-tight seal for the working chambers 231, 232, 233, 234.
  • the pistons 235, 236, 237, 238 also include heat exchanger elements 261a-j, 262a-j, 263a-j, 264a-j, which are each rigidly connected to them.
  • These heat exchanger elements 261a-j, 262a-j, 263a-j, 264a-j are immersed to varying depths in the liquids 225, 226, 227, 228, depending on the position of the pistons 235, 236, 237, 238, and can thus absorb heat from or transfer it to these liquids. Since these heat exchanger elements 261a-j, 262a-j, 263a-j, 264a-j are also always partially located within the working chambers 231, 232, 233, 234 and are therefore thermally coupled to the working medium contained therein, they can also transfer heat to or absorb it relatively quickly.
  • the working fluid in the working chambers 231, 232, 233, 234 is therefore indirectly thermally coupled to the liquid quantities 225, 226, 227, 228 and can thus transfer heat to or absorb it from the liquid elements 225, 226, 227, 228 more quickly than would be the case without the heat exchanger elements 261a-j, 262a-j, 263a-j, 264a-j.
  • This also ensures that compression or expansion of the working fluid in the working chambers 231, 232, 233, 234 is largely isothermal.
  • the liquid quantities 225, 226, 227, 228 serve as heat transfer fluids, enabling the transport of heat into and out of the working chambers 231, 232, 233, 234.
  • openings 271, 272, 273, 274 allow liquid to flow into the interior of the cylinders 221, 222, 223, 224.
  • This liquid originates from the annular inlet chambers 279, 280, in which a liquid ring forms. New liquid can flow into the inlet chambers 279 and 280 from the outside via the inlet pipes 281 and 282.
  • Liquid can flow out of the interior of the cylinders 221, 222, 223, and 224 through the openings 275, 276, 277, and 278 into the annular outlet chambers 283 and 284, where a liquid ring can form. Liquid can flow out of the outlet chambers 283 and 284 via the outlet pipes 285 and 286.
  • the immersion depth of the outlet pipes 285 and 286 into the outlet chambers 283 and 284 regulates the fill level of the liquid ring in the outlet chambers 283 and 284, and consequently also the fill level of the liquid volumes within the cylinders 221, 222, 223, and 234.
  • Figure 12 shows a sectional view of this embodiment along the section axis AA.
  • Figure 13 shows a sectional view of this embodiment along the section axis BB.
  • the actuating elements 245, 246, 247, 248 are mechanically connected to the connecting rods 291, 292, 293, 294 via the connecting rod axes 295, 296, 297, 298 which are fixedly connected to them.
  • the connecting rods 291, 292, 293, 294 include ball bearings and are movably connected to the connecting rod axes 295, 296, 297, 298. Likewise, the connecting rods 291, 292, 293, 294 are rotatably mechanically coupled to the crankshafts 208, 209.
  • the actuating elements 245, 246, 247, 248 are rigidly connected to the guide axes 241a/b, 242a/b, 243a/b, 244a/b, which in turn are rigidly connected to the reciprocating pistons 235, 236, 237, 238.
  • the guide axes 241a/b, 242a/b, 243a/b, 244a/b are linearly displaceable in linear bearings 251a/b, 252a/b, 253a/b, 254a/b, which are rigidly connected to the linear bearing holders 301, 302, 303, 304.
  • the actuating elements 245, 246, 247, 248 consequently rotate about the crankshafts 208, 209, which are fixed eccentrically to the axis of rotation of the housing.
  • the working chambers 231 and 234 are connected to each other via the pipes 305, 308 and the regenerator housing 309, the regenerator housing 309 containing a gas-permeable regenerator material 311 (e.g., stainless steel wool). They thus form a first Stirling engine of the Alpha design.
  • the working chambers 232 and 233 are connected to each other via the pipes... 306, 307 and the regenerator housing 310 are connected to each other, the regenerator housing 310 containing a gas-permeable regenerator material 312. They thus form a second Stirling engine of the Alpha design.
  • Fig. 14 shows a 3D view of the embodiment Fig. 11 , Fig. 12 and Fig. 13 , whereby only the lower half of the housing 201 is shown. Likewise, the upward-projecting pistons 236, 237 with their actuating elements 246, 247 and their guide axes 242a/b, 243a/b and their connecting rods 292, 293 and cylinders 222, 223 are missing.
  • FIG. 15 Figure 1 shows a 3D view of a reciprocating piston 235 of this embodiment with its piston ring 255, the guide axes 241a, 241b, the actuating element 245 and the heat exchanger elements 261a-j.
  • the reciprocating piston 235 includes a flow channel 325 through which partial quantities of the working medium can flow from one space between two of the heat exchanger elements 261a-j to another space between two of the heat exchanger elements 261a-j, which is why the heat exchanger elements 261a-j also include openings in the area of the flow channel 325.
  • Fig. 16 shows an alternative embodiment of a volume change element 335 and a volume limiting element 321, which replaces the one described in Fig. 11 , Fig. 12 , Fig. 13 . Fig. 14 and Fig. 15
  • the volume-changing elements and volume-limiting elements shown can be used.
  • the volume-changing element 335 is a piston which is connected to the cylindrical volume-limiting element 321 by means of a flexible and stretchable diaphragm 355 such that the volume 386 according to the invention, which contains the partial volume 331 containing a working medium, is completely gas-tight except for a gas-permeable connection to another volume (this connection is in Fig. 16 (not shown).
  • Heat exchanger elements 361a-g are rigidly connected to the piston 335.
  • the piston 335 moves relative to the volume limiting element 321, these elements periodically move into and out of the liquid 325.
  • the liquid 325, along with the volume limiting elements 321, is held in its position and shape by centrifugal forces around an axis of rotation, thus preventing the heat exchanger elements 361a-g from entraining large quantities of liquid when emerging from the liquid 325.
  • the guide axes 341a, 341b, mounted in linear bearings (not shown), ensure that the piston 335 moves linearly relative to the volume limiting element 321.
  • the piston 335 is mechanically connected to the crankshaft 399 via the actuating element 345 and the connecting rod 391, which is rotatably connected to the actuating element 345 via the connecting rod axis 395.
  • the crankshaft is rigidly connected to a frame located outside the housing and does not move, thus performing a circular motion relative to the rotating volume limiting elements 321.
  • Fig. 17 and Fig. 18 reveal a further embodiment.
  • Each of two volume-changing elements 435 is shown, each of which defines three volumes 481, 482, 483 with their three working spaces 431, 432, 433 and can change them by moving around the rotational axis of the housing 401.
  • This is a triple Stirling engine of the Alpha type, the construction of which is based on a EP23209033.2
  • the revealed Vuilleumier engine resembles it.
  • the three volumes 481, 482, 483, bounded by a volume-changing element 435, with their subvolumes 431, 432, 433, are not interconnected by gases, but rather each subvolume 431, 432, 433 bounded by the volume-changing element 435 is connected by gases to another volume bounded by the second volume-changing element, wherein the gas-permeable connections each contain a regenerator material (gas-permeable connections and regenerator material are in Fig. 17 and Fig. 18 (not shown). Thus, they each form a Stirling engine of the Alpha type.
  • the volume change elements 435 each separate at least two volumes 481, 482, 483, which are not connected to each other in a gas-permeable manner.
  • FIG. 17 Figure 435 shows the cross-section through one of the two volume-changing elements 435.
  • Both volume-changing elements 435 are located in adjacent sections of the housing 401.
  • the housing 401 is rotatably mounted to the frame 404 and can be driven in its rotational movement by a motor/generator or drive the motor/generator.
  • the volume-changing elements 435 are mechanically coupled to the housing 401 and the frame 404 via a gear 410 such that they each perform a rotational movement at the same rotational speed as the housing 401, superimposed by an additional translational movement of the volume-changing elements 435 relative to the housing 401, which has the shape shown.
  • Fig. 5 This corresponds to the following:
  • the heat exchanger elements 461a-I, 432a-I, 463a-I are immersed in and out of the liquid volumes 425, 426, 427, so that they can transfer heat to or absorb heat from them.
  • Sealing elements 411, 412, 413, mounted radially inwardly in shafts 414, 415, 416, are gas-tight between the volumes 431, 432, 433, whereby the sealing elements 411, 412, 413 are continuously pressed against the volume change element 435 by springs, buoyancy forces in a surrounding liquid, magnetic forces, or other forces.
  • the sealing elements 411, 412, 413 can also be mounted in the volume change element 435 so as to be displaceable radially outwards and accelerated outwards by centrifugal forces, where they come into contact with a part of the housing which is higher in the radially inward direction than the liquid volumes 425, 426, 427 and is therefore not covered by liquid, seals the volumes 431, 432, 433 against each other.
  • the second volume change element limits in the same way as the one in Fig. 17 and Fig. 18
  • the volume-changing element 435 depicted here changes three other volumes and periodically alters their size in an analogous manner, with each of the volumes 481, 482, 483 of the first volume-changing element being permeably connected to one of the three other volumes of the second volume-changing element.
  • the movement of the two volume-changing elements is phase-shifted such that the volume changes of any two gas-permeably connected volumes are also phase-shifted such that their total volume changes over time as described in Fig. 5 is represented by curve V, where the time course of the size of the two volumes is also shown by curves x1 and x2.
  • Fig. 5 corresponds.
  • the gearbox 410 can be used in Fig. 12a and Fig. 12b.
  • EP 23209033.2 have the structure shown.
  • Fig. 18 shows a 3D view of one of the two volume change elements 435 with its heat exchanger elements 461a-I, 462a-I, 463a-I and part of the gearbox 410.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler, der mindestens zwei in ihrer Größe veränderbare Volumina (381-384, 386, 481-483) umfasst, die von Volumenbegrenzungselementen (201, 221-224, 321, 401, 414-416) begrenzt sind, die beispielsweise Öffnungen (271-278) für das Ein- und Ausströmen von Flüssigkeitsmengen umfassen, die untereinander gasdurchlässig miteinander verbunden sind, die ein Arbeitsmedium enthalten, das zumindest teilweise gasförmig ist und die jeweils von Volumenänderungselementen (235-238, 335, 435) in ihrer Größe verändert werden können, wobei mindestens eines der Volumenänderungselemente (235-238, 335, 435) die Größe von mindestens einem der Volumina (381-384, 386, 481-483) derart ändert, dass seine Größe im Durchschnitt während des Betriebs der Vorrichtung in mehr als der Hälfte der Zeit, beispielsweise in mehr als 60% der Zeit, weniger als der Mittelwert aus seiner maximalen Größe und seiner minimalen Größe beträgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
    • Stand der Technik
  • Für die effiziente Umwandlung von mechanischer/elektrischer Energie in nutzbare Wärmemengen werden heute vor allem Wärmepumpen verwendet, die thermodynamische Kreisprozesse nutzen, aber auch andere Verfahren, die z.B. Adsorptions- oder Absorptionsprozesse nutzen. Ebenso werden für die effiziente Umwandlung von Wärmemengen in mechanische/elektrische Energie vor allem Wärmekraftmaschinen verwendet, die thermodynamische Kreisprozesse nutzen. Bei den thermodynamischen Kreisprozessen gibt es solche, die einen Phasenübergang eines Arbeitsmediums enthalten, z.B. den Clausius-Rankine-Prozess. Prozesse ohne Phasenübergang sind der Ericsson-Prozess oder der Stirling-Prozess.
  • Der Wirkungsgrad eines thermodynamischen Kreisprozesses lässt sich beschreiben als Produkt aus dem Gütegrad des Prozesses und dem theoretisch maximal erreichbaren Carnot-Wirkungsgrad. Mit dem Stirling- und dem Vuilleumier-Prozess lassen sich theoretisch sehr hohe Wirkungsgrade erreichen, die insbesondere bei hohen Temperaturunterschieden zwischen Nutz-/Antriebswärme und entsprechender Wärme-/Kältesenke theoretisch höher sind als bei anderen Prozessen, d.h. der Gütegrad von Stirling- und Ericsson-Maschinen fällt bei höheren Temperaturunterschieden (im Vergleich zu niedrigeren Temperaturunterschieden) weniger stark ab, als dies bei anderen Prozessen der Fall ist. Daher sind sie besonders für Hochtemperatur-Wärmepumpen geeignet bzw. für Wärmekraftmaschinen, die Wärmequellen mit besonders hohen Temperaturen bzw. besonders hohen Temperaturunterschieden im Vergleich zu den Wärmesenken haben. Weiterhin sind sie geeignet für die Nutzung oder Erzeugung von Wärmemengen in einem weiten Bereich absoluter Temperaturen, da sie von keiner Phasenübergangstemperatur eines Arbeitsmediums abhängen.
  • Allerdings können Gaskreisprozesse ohne Phasenübergang wie z.B. Stirling-Maschinen einige Nachteile aufweisen, die dazu führen können, dass der real erzielbare Wirkungsgrad deutlich niedriger ist als der Carnot-Wirkungsgrad, d.h., dass der Gütegrad deutlich niedriger als 1 ist. Einer dieser Nachteile besteht darin, dass in solchen Maschinen Toträume existieren, sodass sich z.B. in einer Stirling-Maschine das Arbeitsgas während der Expansion oder Kompression nicht vollständig in den dafür jeweils vorgesehenen Expansions- bzw. Kompressionsvolumina befinden kann, oder das Arbeitsgas sich sogar während der Expansion auch im Kompressionsvolumen und während der Kompression auch im Expansionsvolumen befinden kann. Es können daher sogenannte "Totraumverluste" auftreten, die teilweise auch als "Schadraumverluste" bezeichnet werden.
  • Es sind bereits Konzepte bekannt, um diese Totraumverluste zu minimieren. So können Totraumverluste verringert werden, indem, wie zur Vermeidung von adiabatischen Verlusten, die Wärmetauscher innerhalb der Arbeitsräume angeordnet werden und so zusätzliche Volumina vermieden werden können, in denen sich ständig ein Teil des Arbeitsmediums befindet, wie es bei außerhalb der Arbeitsräumen angeordneten Wärmetauschern der Fall ist wie in EP23209033.2 offenbart. Außerdem lässt sich durch eine nicht-sinusförmige, also anharmonische bzw. diskontinuierliche Bewegung eines Verdrängerkolbens, wie er in Stirling-Maschinen der Beta- oder Gamma-Bauform oder Vuilleumier-Maschinen verwendet wird, erreichen, dass das Arbeitsmedium während seiner Kompression oder Expansion im Kompressions- oder Expansionsraum weitgehend vollständig aus dem jeweils anderen Arbeitsraum verdrängt wird, der nicht für die Kompression oder Expansion vorgesehen ist. Dies ist in WO2010/139443A1 beschrieben. Jedoch verbleiben auch hierbei noch Toträume, z.B. in Stirling-Maschinen der Beta- oder Gamma-Bauform in dem Raum, der vom Arbeitskolben in seinem Volumen geändert wird: Dieses Volumen ist in einer Stirling-Maschine der Gamma-Bauform weder dem Kompressions- noch dem Expansionsraum zugeordnet, und in einer Stirling-Maschine der Beta-Bauform ist dieses Volumen einem dieser Arbeitsräume zugeordnet. Da sich während der Kompressionsphase das Arbeitsmedium aber vollständig im Kompressionsraum befinden sollte und bei der Expansionsphase im Expansionsraum, befindet sich das Arbeitsmedium im Volumen, das durch den Arbeitskolben geändert wird zumindest zeitweise nicht vollständig in dem Arbeitsraum (Kompressionsraum oder Expansionsraum), der für die Vermeidung von Totraumverlusten der richtige wäre.
  • Stirling-Maschinen der Beta- oder Gamma-Bauform zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen Verdrängerkolben aufweisen, der das Arbeitsmedium zwischen dem Expansions- und dem Kompressionsraum hin- und herbewegt, ohne dabei das Gesamtvolumen des Arbeitsmediums in den Arbeits- und Toträumen zu ändern. Die Veränderung des Gesamtvolumens wird bei der Beta- und Gamma-Bauform durch einen zusätzlichen Arbeitskolben bewirkt, wodurch wie oben beschrieben immer auch Toträume entstehen. Anstelle der Kolben werden auch andere Volumenänderungselemente wie z.B. Membranen verwendet. Bei Stirling-Maschinen der Alpha-Bauform wird der Kompressionsraum von einem Kolben begrenzt und im Volumen geändert, und der Expansionsraum von einem anderen Kolben (auch bei der Alpha-Bauform werden anstelle der Kolben andere Volumenänderungselemente verwendet). Typischerweise führen die beiden Kolben eine sinusförmige oder annähernd sinusförmige Bewegung über die Zeit aus. Eine Änderung des Gesamtvolumens und damit eine Kompression oder Expansion wird dadurch erreicht, dass die Bewegung der Kolben eine gewisse Phasenverschiebung aufweist. Hierbei befindet sich das Arbeitsmedium während einer Kompression oder Expansion zumindest teilweise auch im anderen, nicht dafür vorgesehenen Arbeitsraum, weshalb auch hier Totraumverluste vorliegen.
    • Aufgabe
  • Die Aufgabe der Erfindung ist gegeben durch das Bereitstellen eines thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers, bei dem ein Arbeitsmedium einen thermodynamischen Kreisprozess durchläuft (beispielsweise nach dem Stirling-Kreisprozess), wobei Totraumverluste reduziert werden können und eine Steigerung des Wirkungsgrads erreicht werden kann.
    • Lösung
  • Die Aufgabe wird gelöst durch den thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler gemäß dem unabhängigen Anspruch. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Diese Erfindung betrifft einen thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler, bei dem ein Arbeitsmedium, das ein Gas enthalten kann, einen thermodynamischen Kreisprozess durchlaufen und dabei abwechselnd in sogenannten Arbeitsräumen komprimiert und expandiert werden kann. Beispielsweise kann dieser Kreisprozess ein Stirling-Prozess sein, wobei zusätzlich zur Kompression oder Expansion des Arbeitsmediums auch ein Phasenübergang eines Bestandteils des Arbeitsmediums von gasförmig nach flüssig und von flüssig nach gasförmig stattfinden kann. Dabei kann der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler im Vergleich zum Stand der Technik einen höheren Wirkungsgrad aufweisen, da Totraumverluste vermieden werden können.
  • Die Arbeitsräume (Expansions- und Kompressionsräume) können alle oder teilweise Flüssigkeitsmengen enthalten, die als Wärmeträger in direktem Kontakt mit dem Arbeitsmedium im Kompressions- oder Expansionsraum stehen können (analog zur Patentanmeldung EP23209033.2 ). Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann daher auch Anwendungen als eine Wärmekraftmaschine erschließen, die mit sehr geringen Temperaturunterschieden betrieben wird, oder als eine sehr effiziente Wärmepumpe, die relativ kleine Temperaturunterschiede erzeugt. Denn in einer solchen Ausführungsform findet ein sehr guter Wärmeübergang des Arbeitsmediums mit der Flüssigkeit statt, bei dem auch mit sehr geringen Temperaturunterschieden signifikante Wärmemengen übertragen werden können.
  • Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler umfasst mindestens zwei Volumina, die ein Arbeitsmedium enthalten oder jeweils ein mit Arbeitsmedium gefülltes Teilvolumen enthalten, wobei beispielsweise das Arbeitsmedium zumindest teilweise Gas umfasst. Die das Arbeitsmedium enthaltenden Teilvolumina werden wegen der darin stattfindenden Expansion oder Kompression des Arbeitsmediums als Arbeitsräume bezeichnet. Die Volumina sind durch Volumenbegrenzungselemente begrenzt und können gasdurchlässig miteinander verbunden sein, wobei diese gasdurchlässige Verbindung zeitweise unterbrochen sein kann, beispielsweise durch ein Ventil oder eine steuer- oder regelbare Absperrvorrichtung. Die Volumenbegrenzungselemente können beispielsweise Öffnungen für das Ein- und Ausströmen von Flüssigkeitsmengen umfassen, um so Wärmemengen in die Volumina hinein oder aus ihnen heraus zu transportieren. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler umfasst weiterhin mindestens ein Volumenänderungselement, das ausgebildet ist, das Volumen eines der beiden Arbeitsräume zu ändern. Mindestens eines der Volumenänderungselemente ist derart ausgebildet, um eine Bewegung auszuführen derart, dass die Zeitabschnitte, in denen das von ihm begrenzte Volumen kleiner ist als der Mittelwert des maximalen Volumens und des minimalen Volumens, länger sind (beispielsweise mind. 1 ,2mal so lang sind) als die Zeitabschnitte, in denen das von ihm begrenzte Volumen jeweils größer ist als der Mittelwert des maximalen Volumens und des minimalen Volumens. Entsprechend ist im Durchschnitt (beispielsweise in einem langfristigen Durchschnitt), beispielsweise zeitlich länger als zwei, drei, vier, oder mehr Perioden, dieses Volumen auch länger kleiner als der Mittelwert des maximalen Volumens und des minimalen Volumens, und kürzer größer als der Mittelwert des maximalen Volumens und des minimalen Volumens (beispielsweise ist in mind. 60% der Zeit das Volumen kleiner als der Mittelwert).
  • Beispielsweise werden die mindestens zwei mit einem Arbeitsmedium gefüllten und gasdurchlässig miteinander verbundenen Arbeitsräume jeweils von Volumenbegrenzungselementen und einem Volumenänderungselement begrenzt, wobei beide der Volumenänderungselemente derart ausgebildet sind, um eine Bewegung auszuführen derart, dass die Zeitabschnitte, in denen das von ihnen begrenzte Volumen kleiner ist als der Mittelwert des maximalen Volumens und des minimalen Volumens, länger sind (beispielsweise mind. 1,2 mal so lang sind) als die Zeitabschnitte, in denen das von ihnen begrenzte Volumen jeweils größer ist als der Mittelwert des maximalen Volumens und des minimalen Volumens.
  • Eine Gesamtgröße der mindestens zwei Volumina kann im Durchschnitt in mehr als der Hälfte der Zeit, beispielsweise in mehr als 60% der Zeit, mindestens den Mittelwert aus ihrer maximalen Größe und ihrer minimalen Größe betragen.
  • Mindestens ein oder zwei Volumenänderungselemente können die Größe von mindestens zwei Volumina derart ändern, dass ihre Größen jeweils im Durchschnitt in mehr als der Hälfte der Zeit, beispielsweise in mehr als 60% der Zeit, weniger als der Mittelwert aus ihrer maximalen Größe und ihrer minimalen Größe betragen.
  • Das mindestens eine Volumenänderungselement kann Bereiche voneinander trennen, die nicht gasdurchlässig miteinander verbunden sind. Einer dieser Bereiche kann eines der mindestens zwei Volumina sein, und das andere Volumen ein Bereich, der kein solches Volumen bildet oder keinen Arbeitsraum enthält. Alternativ können beide Bereiche Volumina sein, die auch Arbeitsräume sind oder Arbeitsräume enthalten.
  • Zwei der Volumina können ein nach außen vollständig gasdicht abgeschlossenes Gesamtvolumen bilden. Das kann bedeuten, dass ein gasdicht abgeschlossenes Gesamtvolumen bis auf Spalte an Dichtungselementen bestehen kann. Diese Spalte können eine Höhe in einem Bereich von weniger als 0,2 mm aufweisen. Die Spalte können als kleinste Spalten angesehen werden. Es können genau zwei der Volumina ein nach außen vollständig gasdicht abgeschlossenes Gesamtvolumen bilden.
  • Beide Arbeitsräume können so eine Stirling-Maschine der Alpha-Bauform bilden, wobei einer der Arbeitsräume den Expansionsraum bildet und der andere Arbeitsraum den Kompressionsraum und wobei die Volumenänderungselemente die Volumina der zugehörigen Arbeitsräume periodisch ändern, wobei die Volumenänderung phasenverschoben zueinander erfolgt. Der Kompressionsraum und der Expansionsraum sind gasdurchlässig miteinander verbunden. Diese Verbindung kann ein Regeneratormaterial enthalten, das periodisch in die eine bzw. andere Richtung vom Arbeitsmedium durchströmt wird und das Arbeitsmedium dabei Wärme an das Regeneratormaterial abgeben oder von ihm aufnehmen kann. Durch die nicht-sinusförmige, also anharmonische Änderung der Arbeitsraumvolumina und die dazu passende Phasenverschiebung wird erreicht, dass die Totraumverluste minimal sind, d.h. dass sich das Arbeitsmedium während einer Kompression fast vollständig im Kompressionsraum befindet und während einer Expansion fast vollständig im Expansionsraum. Ein entsprechender Verlauf der Bewegung oder Verformung der Volumenänderungselemente bzw. der dadurch verursachten Volumenänderung der Arbeitsräume kann über der Zeit dargestellt werden, ebenso kann der zeitliche Verlauf des Gesamtvolumens der beiden Arbeitsräume in einem Diagramm dargestellt werden. Das Arbeitsmedium kann sich während einer Kompression (Bereiche, in denen sich das Gesamtvolumen verringert, in denen die Steigung des zeitlichen Verlaufs des Gesamtvolumens also negativ ist) fast vollständig in einem Arbeitsraum befinden. Das Arbeitsmedium kann sich während einer Expansion (Bereiche, in denen sich das Gesamtvolumen vergrößert, in denen die Steigung des zeitlichen Verlaufs des Gesamtvolumens also positiv ist) fast vollständig in einem Arbeitsraum befinden.
  • Die Volumenänderungselemente können in einem Zylinder beweglich gelagerte Hubkolben umfassen (oder sein) oder verformbare Elemente wie Membranen oder Hohlkolben mit einfacher, doppelter oder mehrfach ausgeführter Außenwand, die kontinuierlich aber unterschiedlich tief in eine Flüssigkeitsmenge eintauchen. Die Volumenänderungselemente können auch Teile von Rotationskolben oder Drehkolben sein, die sich relativ zu anderen Volumenbegrenzungselementen bewegen und zusätzlich eine Rotations- oder Drehbewegung relativ zu den Volumenbegrenzungselementen oder relativ zur Umwelt ausführen können.
  • Das mindestens eine Volumenänderungselement kann mittels Pleuel oder einem alternativen Kopplungselement mechanisch mit einer Kurbelwelle gekoppelt sein, wobei die Kurbelwelle relativ zu anderen Volumenbegrenzungselementen eine kreisförmige Bewegung ausführen kann, eine nicht kreisförmige Bewegung, eine rotationssymmetrische Bewegung mit 3-zähliger Symmetrie bzw. mit Kennzahl 3 oder eine rotationssymmetrische Bewegung mit mehrzähliger Symmetrie. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Kurbelwelle relativ zu den Volumenbegrenzungselementen kann konstant sein oder sich zeitlich verändern. Beispielsweise kann das mindestens eine Volumenänderungselement mittels Pleuel mechanisch mit einer Kurbelwelle gekoppelt sein, wobei die Kurbelwelle örtlich zwischen dem Befestigungspunkt des Pleuels mit dem Volumenänderungselement und der Begrenzungsfläche des Volumenänderungselements mit dem Arbeitsraum liegt. Aus der Perspektive der Kurbelwelle gesehen zeigt das Pleuel also vom zu begrenzenden Arbeitsraum weg und nicht zu ihm hin. D.h. das Volumenänderungselement kann über ein Kopplungselement (z.B. ein Pleuel) mechanisch mit einem Antriebselement (z.B. eine Kurbelwelle) gekoppelt sein, wobei der Befestigungspunkt des Kopplungselements mit dem Volumenänderungselement weiter von der Begrenzungsfläche des Volumenänderungselements mit dem von ihm begrenzten Volumen entfernt ist als der Befestigungspunkt des Kopplungselements mit dem Antriebselement.
  • Die Länge des Pleuels im Verhältnis zum Radius der Kreisbewegung, die die Kurbelwelle relativ zu den Arbeitsräumen vollzieht, kann verhältnismäßig kurz sein, um eine besonders anharmonische Bewegung des Volumenänderungselements relativ zum Arbeitsraum zu verursachen, bzw. um eine besonders anharmonische Änderung des Arbeitsraumvolumens zu verursachen. Oder das mindestens eine Volumenänderungselement kann über ein Kopplungselement (z.B. ein Pleuel) mechanisch mit einem Antriebselement (z.B. eine Kurbelwelle) gekoppelt sein, wobei die Länge des Kopplungselements (gemessen zwischen seinen Befestigungspunkten am Antriebselement und am Volumenänderungselement) weniger als 200% (beispielsweise weniger als 100%, beispielsweise weniger als 75%) des maximalen Abstands zweier Punkte beträgt, die der Schwerpunkt des Antriebselements relativ zu den Arbeitsräumen oder Volumenbegrenzungselementen im zeitlichen Verlauf einnehmen kann. Mit besonders anharmonisch ist hier gemeint, dass sie besonders stark von einer sinusförmigen Bewegung über Zeit abweicht und insbesondere zu längeren Zeitintervallen führt, in denen das Arbeitsraumvolumen kleiner als der Mittelwert seines Maximums und seines Minimums ist im Verhältnis zu den Zeitintervallen, in denen das Arbeitsraumvolumen größer als der Mittelwert seines Maximums und seines Minimums ist.
  • Eine Kreis- oder Rotationsbewegung kann die Bewegung des Schwerpunkts eines Körpers um einen anderen Punkt sein. Dies kann für die vorliegende Beschreibung der Erfindung, wie auch für die ausführliche Figurenbeschreibung gelten.
  • Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann in oder an einer Befestigungsvorrichtung befestigt oder angeordnet sein. Beispielsweise kann der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler in einem Gehäuse angeordnet sein. In dem Gehäuse kann zudem ein Gestänge oder Gestell vorgesehen sein, an dem der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler befestigt oder angeordnet sein kann. Alternativ kann der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler an einem Gestänge oder Gestell befestigt oder angeordnet sein, ohne dass ein zusätzliches Gehäuse vorgesehen ist. Die Befestigungsvorrichtung und die Volumenbegrenzungselemente können drehbar gelagert sein, wodurch die Befestigungsvorrichtung und die Volumenbegrenzungselemente eine Rotations- oder Drehbewegung ausführen können. In diesem Fall kann ein Antriebselement, beispielsweise eine Kurbelwelle, fest und nicht drehbar mit einem feststehenden Gestell verbunden sein, sodass das Antriebselement relativ zu den rotierenden Arbeitsräumen eine Drehbewegung ausführt.
  • Die Kurbelwelle oder ein anderes mit dem mindestens einen Volumenänderungselement mechanisch gekoppeltes Antriebselement kann eine Baugruppe aus mehreren Elementen sein oder eines der Elemente der Baugruppe sein, wie beispielsweise eine Achse. Beispielsweise kann bei dem Antriebselement im Zentrum eines relativ zur Befestigungsvorrichtung feststehenden Elements, das ein Innenzahnrad umfasst, eine Drehachse mittels eines ersten Kugellagers drehbar gelagert sein. Diese Drehachse kann z.B. durch einen Motor angetrieben werden. Die Drehachse kann fest mit einer Kurbel verbunden sein. Mit der Kurbel kann ein zweites Kugellager verbunden sein, über das ein Exzenterzahnrad drehbar in der Kurbel gelagert sein kann. Mit diesem Exzenterzahnrad kann eine Achse fest, aber exzentrisch zur Drehachse des Exzenterzahnrads, verbunden sein, sodass diese Achse eine Kreisbewegung um die Drehachse des Exzenterzahnrads ausführen kann. Über das Innenzahnrad des Elements und das Außenzahnrad des Exzenterzahnrads kann die Kreisbewegung des Exzenterzahnrads um die Drehachse des ersten Kugellagers mit der Kreisbewegung der Achse um die Drehachse des zweiten Kugellagers derart mechanisch gekoppelt sein, dass diese Kreisbewegungen ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis (der Kreisbewegungen) haben können. Die Achse kann folglich eine Bewegung ausführen, die sich aus zwei überlagerten Kreisbewegungen um die Mittelachsen der beiden Kugellager zusammensetzen kann, die jeweils unterschiedliche Kreisradien und Geschwindigkeiten aufweisen können, wobei diese Geschwindigkeiten aber in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen können.
  • Durch Variation der Geschwindigkeitsverhältnisse der beiden Kreisbewegungen über das Radienverhältnis des Innenzahnrads des Elements und des Außenzahnrads des Exzenterzahnrads, sowie durch Variation der Exzentrizität der Achse in Bezug auf die Drehachse des Kugellagers im Vergleich zur Exzentrizität des zweiten Kugellagers in Bezug auf die Drehachse des ersten Kugellagers kann sich die Form der Bewegung der Achse bestimmen lassen. Dabei kann die Kennzahl der Rotationssymmetrie der Bewegung der Achse aus dem Radienverhältnis des Innenzahnrads des Elements und des Außenzahnrads des Exzenterzahnrads resultieren. Beispielsweise kann die Kennzahl zwei oder drei oder vier sein.
  • Wenn das mindestens eine der Volumenänderungselemente beispielsweise als Rotationskolben ausgebildet ist, kann es eine Bewegung derart ausführen, dass sein Schwerpunkt um einen relativ zum Schwerpunkt anderer Volumenbegrenzungselemente oder der Befestigungsvorrichtung feststehenden Punkt herumbewegbar ist, wobei die Bewegung von einer Kreisbewegung abweicht.
  • Das mindestens eine der Volumenänderungselemente kann einen drehbaren Kolben umfassen. Der drehbare Kolben kann ausgebildet sein, die Bewegung um einen feststehenden Punkt oder um einen relativ zur Befestigungsvorrichtung oder zu Arbeitsräumen oder Volumenbegrenzungselementen feststehenden Punkt auszuführen, wobei die Bewegung von einer Kreisbewegung abweicht.
  • Die Bewegung des mindestens einen Volumenänderungselements oder des Teils des Volumenänderungselements oder des mit dem Volumenänderungselement mechanisch gekoppelten Antriebselements oder der mechanisch mit ihm gekoppelten Kurbelwelle relativ zu den anderen Volumenbegrenzungselementen oder der Befestigungsvorrichtung kann eine Bewegung sein, die sich aus einer Überlagerung von mindestens zwei kreisförmigen Rotationsbewegungen um jeweils unterschiedliche Mittelpunkte ergeben kann. Beispielsweise kann diese Bewegung zusätzlich von weiteren Bewegungen überlagert sein.
  • Die Rotationsgeschwindigkeiten der beiden Rotationsbewegungen können in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen.
  • Das Volumenänderungselement oder das Teil des Volumenänderungselements oder das mit dem Volumenänderungselement mechanisch gekoppelte Antriebselement kann ausgebildet sein, eine unvollständige Drehbewegung relativ zu den Arbeitsräumen zu vollziehen.
  • Eine Drehbewegung kann eine Bewegung eines Körpers um die eigene Achse sein. Dies kann für die vorliegende Beschreibung der Erfindung, wie auch für die ausführliche Figurenbeschreibung gelten.
  • Eine unvollständige Drehbewegung kann eine Drehbewegung sein, bei der sich ein Körper nicht komplett um die eigene Achse dreht, also sich um weniger als 360° um die eigene Achse dreht.
  • Das Volumenänderungselement kann ausgebildet sein, eine unvollständige Drehbewegung relativ zu den Arbeitsräumen um seinen Schwerpunkt oder einen andern Punkt zu vollziehen.
  • Das mindestens eine Volumenänderungselement oder das Teil des Volumenänderungselements oder das mit dem Volumenänderungselement mechanisch gekoppelte Antriebselement kann ausgebildet sein, durch seine Bewegung die Größe von mindestens zwei verschiedenen Volumina und entsprechend das Volumen von mindestens zwei verschiedenen Arbeitsräumen zu ändern.
  • Ein Teil einer Oberfläche des Volumenänderungselements, der zumindest zeitweise in direktem Kontakt mit dem Arbeitsmedium eines Arbeitsraums stehen kann, kann nicht auch zeitweise in direktem Kontakt mit dem Arbeitsmedium eines anderen Arbeitsraums stehen.
  • Die Arbeitsräume in ihrer Gesamtheit oder teilweise können drehbar gelagert ausgebildet sein, sodass eine Dreh- oder Rotationsbewegung der entsprechenden Arbeitsräume ausführbar sein kann.
  • Mindestens ein drehbar gelagerter Arbeitsraum kann eine Flüssigkeitsmenge enthalten, die sich in direktem Kontakt mit dem Arbeitsmedium in diesem Arbeitsraum befinden kann. Mit dem Volumenänderungselement können zusätzliche Wärmetauscherelemente verbunden sein, die durch die Bewegung des Volumenänderungselements relativ zur Flüssigkeitsmenge in die Flüssigkeitsmenge abwechselnd eintauchen und wieder heraustauchen.
  • Das mindestens eine Volumenänderungselement kann ein verformbares Dichtelement sein, beispielsweise eine verformbare Membran, oder ein verformbares Dichtelement wie z.B. eine verformbare Membran umfassen. Diese Membran kann derart ausgeführt sein, dass sie einen Arbeitsraum mit einer darin enthaltenen Flüssigkeitsmenge begrenzt, der eine Rotationsbewegung ausführt, wobei die Form der Membran zum Zeitpunkt des minimalen Arbeitsraumvolumens weitgehend der Form der Oberfläche der rotierenden Flüssigkeitsmenge oder eines Teils der Oberfläche entsprechen kann.
  • Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann mehrere Paare von Kompressionsräumen und Expansionsräumen enthalten, wobei jeweils ein Kompressionsraum mit einem Expansionsraum eine Stirling-Maschine der Alpha-Bauform bilden. Die Volumina, die Expansionsräume umfassen, können jeweils eine Flüssigkeitsmenge enthalten und in einem Teil eines Gehäuses oder einer Befestigungsvorrichtung drehbar um eine Drehachse gelagert sein und eine Drehbewegung ausführen. Ebenso können die Volumina, die Kompressionsräume umfassen, jeweils eine Flüssigkeitsmenge enthalten und in einem anderen Teil eines Gehäuses oder einer Befestigungsvorrichtung drehbar um eine Drehachse gelagert sein und eine Drehbewegung ausführen. Alle oder ein Teil der Volumenänderungselemente, die die Volumina von Expansionsräumen ändern, können mit derselben Kurbelwelle oder demselben Antriebselement mechanisch gekoppelt sein. Alle oder ein Teil der Volumenänderungselemente, die die Volumina von Kompressionsräumen ändern, können mit derselben Kurbelwelle oder demselben Antriebselement mechanisch gekoppelt sein.
  • Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler, wie oben oder weiter unten beschrieben, kann ausgebildet sein:
    • einen Stirling- oder Vuilleumier-Prozess oder einen doppelten Stirling-Prozess zu realisieren oder
    • einen mehrfachen Stirling-Prozess zu realisieren oder
    • einen dieser Prozesse, bei dem neben Kompression und Expansion des Arbeitsmediums auch eine Kondensation und eine Verdampfung des Arbeitsmediums oder eines Bestandteils des Arbeitsmediums realisierbar ist. Das Arbeitsmedium kann z.B. eine Mischung aus Luft und Wasserdampf sein oder eine Mischung aus Helium und Wasserdampf.
  • Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann ausgebildet sein:
    • zum Umwandeln von mechanischer oder elektrischer Energie in Wärme und/oder Kälte (dies kann eine Anwendung als "Wärmepumpe" umfassen) bzw. zum Transport von Wärmemengen von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke mittels mechanischer oder elektrischer Energie oder
    • zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie mittels der Nutzung von Wärmequelle/n und Wärmesenke/n mit unterschiedlichen Temperaturen (dies kann eine Anwendung als "Wärmekraftmaschine" umfassen) oder
    • zur Umwandlung von Wärmemengen mit bestimmten Temperaturen (z.B. Abwärme, Wärme aus Solarthermie, Verbrennungswärme) in Wärmemengen mit bestimmten anderen Temperaturen, wobei zusätzlich mechanische/elektrische Energie erzeugt werden kann oder zum Antrieb verwendet werden kann. Dies kann eine Anwendung als "thermisch betriebene Wärmepumpe" umfassen.
  • Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann auch für Mischformen aus den oben genannten Anwendungsfällen ausgebildet sein.
  • Die Wärme/Kälte kann mittels Flüssigkeiten oder Gasen (z.B. Verbrennungsgasen) als Wärmeträger thermisch an diesen thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler gekoppelt werden, oder sie kann direkt als elektromechanische Strahlung (z.B. Sonnenlicht oder konzentriertes Sonnenlicht) durch ein dafür transparent ausgebildetes Gehäuse in die Vorrichtung eingetragen werden. Wegen des zumindest teilweise gasförmigen Arbeitsmediums und da ein Betrieb ohne Phasenübergang des Arbeitsmediums möglich ist, eignet der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler sich für Anwendungen in einem sehr großen Temperaturbereich und für Anwendungen, bei denen sehr hohe Temperaturunterschiede genutzt oder erzeugt werden können (d.h. dass der Temperaturunterschied zwischen der Nutzwärme/-kälte und der Wärme-/Kältesenke besonders hoch ist), z.B. als Hochtemperatur-Wärmepumpe. So ist der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler beispielsweise für die Erzeugung von sehr hohen oder sehr niedrigen Temperaturen für industrielle Anwendungen geeignet (z.B. Dampferzeugung, Luftverflüssigung, Gefriertrocknung), als auch für die Anwendung als Wärmepumpe zum Heizen von beispielsweise Altbauten mit Radiator-Heizungen, bei denen höhere Temperaturen notwendig sind als bei moderneren Heizungen, wie z.B. Fußbodenheizungen.
  • Wegen des hohen Wirkungsgrads und des guten Wärmeübertrags zwischen Flüssigkeitsmengen als Wärmeträger und des Arbeitsmediums eignet sich der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler auch für die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmemengen, die dann in einem Wärmespeicher (z.B. Latentwärmespeicher oder isolierter Flüssigkeitstank) gespeichert werden. Ebenso eignet er sich dazu, diese gespeicherten Wärmemengen dann wieder in elektrische Energie umzuwandeln.
  • Neben oder anstelle von Wärmetauscherelementen, die in direktem Kontakt mit dem Arbeitsmedium in den Arbeitsräumen stehen, können auch Wärmetauscherelemente verwendet werden, die beim Hin- und Herströmen des Arbeitsmediums zwischen zwei Arbeitsräumen vom Arbeitsmedium durchströmt werden.
  • Eine Flüssigkeit, die sich in den Arbeitsräumen befindet, kann eine Flüssigkeit sein, deren Siedepunkt sich im Bereich der teilweise vorherrschenden Temperaturen und Drücke befindet, um die Enthalpie des Phasenübergangs von fest nach gasförmig und umgekehrt derart auszunutzen, dass dadurch die Leistung der Vorrichtung gesteigert wird.
  • Neben der Anwendung als Stirling- oder Vuilleumier-Maschine ist die Erfindung auch anwendbar zur Realisierung anderer thermodynamischer Kreisprozesse, indem die Arbeitsräume, deren Volumen jeweils durch Volumenänderungselemente geändert werden, als Kompressions- oder Expansionsräume für diese Kreisprozesse verwendet werden, wobei zusätzliche Ein- und Ausströmöffnungen in die Arbeitsräume vorgesehen werden können, die zeitweise geöffnet oder geschlossen sind.
    • Kurze Figurenbeschreibung
  • Die beigefügten Figuren stellen beispielhaft zum besseren Verständnis und zur Veranschaulichung Aspekte und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt:
    • Figur 1 einen Längsschnitt einer Stirling-Maschine in Gamma-Bauweise gemäß dem Stand der Technik,
    • Figur 2 eine Bewegung der Hubkolben einer Stirling-Maschine in Gamma- oder Beta-Bauweise über die Zeit und die Änderung des Gesamtvolumens über Zeit gemäß dem Stand der Technik,
    • Figur 3 einen Längsschnitt einer Stirling-Maschine in Alpha-Bauweise gemäß dem Stand der Technik,
    • Figur 4 eine Bewegung der Hubkolben einer Stirling-Maschine in Alpha-Bauweise über die Zeit und die Änderung des Gesamtvolumens über die Zeit gemäß dem Stand der Technik,
    • Figur 5 eine Bewegung der Volumenänderungselemente einer erfindungsgemäßen Stirling-Maschine in Alpha-Bauweise über die Zeit und die Änderung des Gesamtvolumens über die Zeit nach Ausführungsform aus Fig. 6b,
    • Figur 6a einen Längsschnitt eines Hubkolbens einer Stirling-Maschine, der eine harmonische (sinusförmige) bzw. annähernd harmonische Bewegung ausführt gemäß dem Stand der Technik,
    • Figur 6b einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines Hubkolbens einer Stirling-Maschine, der eine anharmonische Bewegung ausführt,
    • Figur 6c einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines Hubkolbens einer Stirling-Maschine, der eine anharmonische Bewegung ausführt,
    • Figur 7 eine Bewegung der Volumenänderungselemente einer erfindungsgemäßen Stirling-Maschine in Alpha-Bauweise über die Zeit und die Änderung des Gesamtvolumens über die Zeit nach Ausführungsform aus Fig. 6c,
    • Figur 8 eine Ausführungsform eines Antriebselements als 3D-Ansicht,
    • Figur 9a einen Längsschnitt des Antriebselements,
    • Figur 9b einen entsprechenden Querschnitt entlang der Achse A-A,
    • Figur 9c einen entsprechenden Querschnitt entlang der Achse B-B,
    • Figur 10 eine rotationssymmetrische Bewegungsform mit Kennzahl drei,
    • Figur 11 einen Längsschnitt einer doppelten Stirling-Maschine der Alpha-Bauform,
    • Figur 12 eine entsprechende Schnittansicht entlang der Achse A-A
    • Figur 13 eine entsprechende Schnittansicht entlang der Achse B-B,
    • Figur 14 eine 3D-Ansicht der Stirling-Maschine aus Fig. 11 mit hälftig aufgeschnittenem Gehäuse und einigen der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Elementen,
    • Figur 15 eine 3D-Ansicht eines Hubkolbens dieser Stirling-Maschine,
    • Figur 16 eine alternative Ausführungsform eines Volumenänderungselements mit einer Membran,
    • Figur 17 einen Querschnitt einer alternativen Ausführungsform mit Rotationskolben,
    • Figur 18 eine 3D-Ansicht eines Rotationskolbens der Ausführungsform aus Figur 16.
    Ausführliche Figurenbeschreibung
  • In den dargestellten Schnittzeichnungen sind nur die Elemente (mit Schraffur) dargestellt, die in der Schnittebene liegen mit der Ausnahme von wenigen Elementen, die mit gestrichelten Linien oder ohne Schraffur dargestellt sind.
  • Im Folgenden wird zunächst die Funktion einer Stirling-Maschine in Gamma-Bauform dargestellt. Fig. 1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Stirling-Maschine der Gamma-Bauform. Das Volumenänderungselement 61, hier ein Verdrängerkolben in der Ausführungsform eines Hubkolbens, ist beweglich im Zylinder 63 gelagert und verlagert durch seine oszillierende Bewegung im Zylinder 63 das Arbeitsmedium abwechselnd vom Kompressionsraum 65 in den Expansionsraum 66 und umgekehrt. Dabei strömt das Arbeitsmedium durch die Öffnungen 72, den Wärmetauscher 70, den Regenerator 78, den Wärmetauscher 79 und die Öffnungen 71 (bzw. umgekehrt). Dabei gibt das Arbeitsmedium Wärme an den Wärmetauscher 70 ab, bzw. bei der Strömung in umgekehrter Richtung nimmt es Wärme vom Wärmetauscher 79 auf. Die Wärmetauscher 70, 79 sind jeweils thermisch an externe Wärmequellen oder -senken gekoppelt. Das äußere Gehäuse 73 verhindert, dass das Arbeitsmedium das System verlässt bzw. dass ein Druckausgleich mit dem Volumen außerhalb der Vorrichtung stattfindet. Der Arbeitskolben 62, der im Zylinder 64 eine oszillierende Bewegung ausführt, die zur Bewegung des Verdrängerkolbens 61 phasenverschoben ist, ändert den Druck im Innern der Vorrichtung, also auch im Kompressionsraum 65 und im Expansionsraum 66. Dafür ist das Volumen 74 über das Verbindungselement 67 gasdurchlässig mit dem Kompressionsraum 65 und dem Expansionsraum 66 verbunden. Während der Kompression wird das Arbeitsmedium im Kompressionsraum 65 erwärmt und kann diese Wärme dann beim Durchströmen des Wärmetauschers 70 an diesen teilweise abgeben. Während der Expansion wird das Arbeitsmedium im Expansionsraum 66 abgekühlt und kann Wärme dann beim Durchströmen des Wärmetauschers 79 von diesem teilweise aufnehmen. Das Volumen 74 stellt zusätzlich zu den Volumina im Verbindungselement 67, in den Wärmetauschern 70, 79 und im Regenerator 78 einen Totraum dar, der den Wirkungsgrad verringert, da sich das darin enthaltene Arbeitsmedium während einer Kompression oder Expansion nicht im dafür vorgesehenen Kompressionsraum 65 bzw. im Expansionsraum 66 befindet.
  • Fig. 2 stellt die sinusförmige Bewegung des Verdrängerkolbens 61 (Kurve x1) und des Arbeitskolbens 62 (Kurve x2) über die Zeit t dar. Die Kurve V zeigt den Verlauf des Gesamtvolumens innerhalb der Vorrichtung. 100% steht hier jeweils für die maximale Auslenkung des Verdrängerkolbens bzw. des Arbeitskolbens bzw. für das Maximum des von ihnen jeweils begrenzten Arbeitsraumvolumens (für die Kurven x1 und x2) bzw. für das Maximum des Gesamtvolumens (für die Kurve V). Von ihr lässt sich auch der Druck im System ableiten. Anhand von Fig. 2 ist ersichtlich, dass sich das Arbeitsmedium während der Kompression größtenteils im Kompressionsraum 65 befindet, und dass sich aber auch ein gewisser Anteil des Arbeitsmediums im Expansionsraum 66 und im Raum 74 befindet. Dies bedeutet eine Wirkungsgradverringerung der Stirling-Maschine.
  • Im Folgenden wird nun das Prinzip einer Stirling-Maschine in Alpha-Bauweise gemäß dem Stand der Technik anhand einer in der Fig. 3 dargestellten, schematischen Ausführungsform erläutert. Ein erstes Volumenänderungselement 1 (hier beispielsweise ein Hubkolben) ist beweglich in einem ersten Zylinder 3 gelagert und begrenzt einen ersten Arbeitsraum 5. Ebenso begrenzt das im zweiten Zylinder 4 gelagerte zweite Volumenänderungselement 2 (hier beispielsweise ein Hubkolben) einen zweiten Arbeitsraum 6. Die beiden Arbeitsräume 5, 6 sind über ein Verbindungsrohr 7 gasdurchlässig miteinander verbunden, wobei sich im Verbindungsrohr 7 ein Regenerator8 befindet. In den Arbeitsräumen 5, 6 und im Verbindungsrohr 7 befindet sich ein Arbeitsmedium, das beispielsweise ein gasförmiges oder zumindest teilweise aus einem Gas bestehendes Arbeitsmedium sein kann, das thermisch an ein erstes Wärmetauscherelement 9 und ein zweites Wärmetauscherelement 10 gekoppelt ist, wobei der Wärmeübertrag hier von einer Flüssigkeitsmenge im ersten Wärmetauscherelement 9 über eine erste Trennwand 15 auf das Arbeitsmedium im ersten Arbeitsraum 5 erfolgt (oder umgekehrt). In gleicher Weise erfolgt der Wärmeübertrag von einer Flüssigkeitsmenge im zweiten Wärmetauscherelement 10 über eine zweite Trennwand 16 auf das Arbeitsmedium im zweiten Arbeitsraum 6. Über eine erste Zulaufleitung 11 erfolgt der Zufluss der Flüssigkeit in das erste Wärmetauscherelement 9, und über eine erste Ablaufleitung 12 kann die Flüssigkeit wieder abfließen, wodurch ein Wärmetransport durch die Flüssigkeit als Wärmeträger von/zu dem ersten Wärmetauscherelement 9 realisiert wird. Über eine zweite Zulaufleitung 13 erfolgt der Zufluss der Flüssigkeit in das zweite Wärmetauscherelement 10, und über eine zweite Ablaufleitung 14 kann die Flüssigkeit wieder abfließen, wodurch ein Wärmetransport durch die Flüssigkeit als Wärmeträger von/zu dem zweiten Wärmetauscherelement 10 realisiert wird.
  • In herkömmlichen Stirling-Maschinen können die Volumenänderungselemente 1, 2 typischerweise mechanisch mittels Pleuel an Kurbelwellen gekoppelt oder mechanisch an andere Getriebe gekoppelt werden, sodass sie eine weitgehend harmonische (also sinusförmige) Bewegung ausführen, die eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Volumenänderungselementen 1, 2 aufweisen. Diese Phasenverschiebung liegt typischerweise zwischen 90° und 180°.
  • Eine entsprechende aus dem Stand der Technik bekannte Kolbenbewegung einer Stirling-Maschine der Alpha-Bauform ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 zeigt die Bewegung der Volumenänderungselemente (z.B. Hubkolben) über die Zeit t, wobei x1 die Bewegung des einen Volumenänderungselements in Richtung der Zylinderachse darstellt und x2 die Bewegung des anderen Volumenänderungselements in Richtung der Zylinderachse. 100% steht hier wieder für die maximale Auslenkung, bei der das Volumen des jeweiligen an das Volumenänderungselement angrenzenden Arbeitsraums maximal ist. Wegen der Phasenverschiebung der Bewegung der beiden Volumenänderungselemente untereinander ändert sich das Gesamtvolumen der beiden Arbeitsräume und des Verbindungsrohrs 7, wobei das Gasvolumen in Fig. 4 mit der mit V bezeichneten Kurve dargestellt ist. 100% steht hier für das maximale Gesamtvolumen. Folglich ändert sich auch der Druck im Gesamtvolumen, d.h. das Arbeitsmedium wird abwechselnd komprimiert und expandiert. Die Kompression findet statt, während sich der Großteil des Arbeitsmediums in dem einen Arbeitsraum 5 befindet (in Fig. 4 ist dies x1). Die Expansion findet statt, während sich der Großteil des Arbeitsmediums im anderen Arbeitsraum 6 befindet (in Fig. 4 ist dies x2). Während der Kompression erwärmt sich das Arbeitsmedium und gibt Wärmemengen an die Flüssigkeit im ersten Wärmetauscherelement 9 ab. Während der Expansion kühlt sich das Arbeitsmedium ab und nimmt Wärmemengen von der Flüssigkeit vom zweiten Wärmetauscherelement 10 auf. Das Arbeitsmedium fließt dabei abwechselnd durch das Verbindungsrohr 7 zwischen den beiden Arbeitsräumen 5, 6 hin und her. Beim Fließen in die eine Richtung gibt es dabei Wärmemengen an den Regenerator 8 ab und wird dabei annähernd auf die Temperatur im Arbeitsraum abgekühlt, in den es fließt. Beim Fließen in die andere Richtung nimmt es Wärmemengen aus der im Regenerator 8 gespeicherten Wärme auf und wird dabei annähernd auf die Temperatur im Arbeitsraum erwärmt, in den es fließt. Werden die beiden Volumenänderungselemente 1, 2 durch einen externen Antrieb (z.B. Elektromotor) angetrieben, so kann mit diesem Stirling-Gaskreisprozess entsprechend Nutzwärme oder Nutzkälte erzeugt werden. In diesem Fall kann die Energie, die für die Kompression des Arbeitsmediums erforderlich ist und von einem der Volumenänderungselemente auf das Arbeitsmedium übertragen wird gegenüber der Energie überwiegen, die bei der Expansion des Arbeitsmediums auf das andere Volumenänderungselement übertragen wird. Alternativ können die Wärmetauscherelemente 9, 10 mittels Flüssigkeiten unterschiedlicher Temperaturen ebenfalls auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden. In diesem Fall werden die beiden Volumenänderungselemente, sofern sie mechanisch miteinander mit entsprechender Phasenverschiebung gekoppelt sind, durch die abwechselnde Expansion und Kompression bewegt, wodurch z.B. ein Generator angetrieben werden kann, der z.B. mittels eines Kurbeltriebs mechanisch an die beiden Volumenänderungselemente gekoppelt sein kann.
  • Anhand von Fig. 4 ist ersichtlich, dass sich das Arbeitsmedium während der Kompression (also in der Phase abnehmenden Gesamtvolumens V) weitgehend in einem der beiden Arbeitsräume befindet, und zwar in dem, dessen individuelles Volumen durch die Kurve x1 dargestellt ist. Die Kurve x1 stellt sowohl die Auslenkung des diesen Arbeitsraum begrenzenden Volumenänderungselements dar als auch das Volumen des Arbeitsraums, da beide Größen proportional zueinander sind. Allerdings ist auch ersichtlich, dass sich ein nicht unerheblicher Teil des Arbeitsmediums während der Kompression auch im anderen Arbeitsraum befindet, dessen Volumen durch die Kurve x2 dargestellt ist. Während der Kompression des Arbeitsmediums erwärmt sich dies und die Erwärmung sollte idealerweise ausschließlich in einem der beiden Arbeitsräume stattfinden, und im anderen Arbeitsraum sollte ausschließlich die Expansion des Arbeitsmediums stattfinden. Da dies bei der hier dargestellten harmonischen (sinusförmigen) Kolbenbewegung nicht der Fall ist, wird entsprechend der Wirkungsgrad der Stirling-Maschine reduziert. Es treten also sogenannte "Totraumverluste" auf.
  • Die zuvor beschriebenen Totraumverluste einer Stirling-Maschine in Alpha-Bauform und ihre Auswirkungen können sich wesentlich verringern lassen durch eine Bewegung der Volumenänderungselemente über die Zeit t, wie sie in Fig. 5 mit den Kurven x1 und x2 dargestellt ist. Wegen der Phasenverschiebung der Bewegung der beiden Volumenänderungselemente untereinander ändert sich das Gesamtvolumen der beiden Arbeitsräume und des Verbindungsrohrs, wobei das Gesamtvolumen in Fig. 5 ebenfalls mit der mit V bezeichneten Kurve dargestellt ist. Während der Kompression des Arbeitsmediums befindet sich hier das Arbeitsmedium fast ausschließlich in einem der beiden Arbeitsräume, dessen Volumen hier mit der Kurve x1 dargestellt ist. Während der Expansion des Arbeitsmediums befindet sich das Arbeitsmedium fast ausschließlich im anderen Arbeitsraum, dessen Volumen hier mit der Kurve x2 dargestellt ist. 100% steht hier für das maximale Gesamtvolumen. Die beiden Volumenänderungselemente bewegen sich derart, dass sie sich jeweils länger in einer Position befinden, die weniger als 50% ihrer maximalen Auslenkung bedeutet. Entsprechend beträgt das von ihnen begrenzte Arbeitsraumvolumen auch in längeren Zeitintervallen weniger als die Hälfte des Maximums im Vergleich zu den Zeitintervallen, in denen es mehr als die Hälfte des Maximums beträgt. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine entsprechende Bewegung der Volumenänderungselemente realisiert werden. Folglich beträgt die Größe des Volumens des Arbeitsraums im Durchschnitt in mehr als der Hälfte der Zeit weniger als der Mittelwert aus seiner maximalen Größe und seiner minimalen Größe.
  • Fig. 6a stellt eine aus dem Stand der Technik bekannte Art dar, wie ein Hubkolben 21 mittels eines Kolbentriebs in herkömmlichen Stirling-Maschinen bewegt werden kann. Der im Zylinder 23 gelagerte Hubkolben 21, der den Arbeitsraum 25 begrenzt, ist über ein Kugellager 28 und eine erste Pleuelachse 35 mit einem Pleuel 27 verbunden. Durch eine kreisförmige Bewegung einer zweiten Pleuelachse 32 entlang der gestrichelten Linie 31, z.B. verursacht durch eine mechanische Kopplung der zweiten Pleuelachse 32 an einen Kurbeltrieb, führt der Hubkolben 21 eine annähernd harmonische (sinusförmige) aus, wie sie in Fig. 2 oder in Fig. 4 dargestellt ist. Je kürzer das Pleuel relativ zum Radius der Rotation des Kurbeltriebs gewählt wird, desto mehr weicht die Bewegung des Hubkolbens 21 von einer harmonischen Bewegung ab, jedoch werden in dieser Ausführungsform die Zeitintervalle dabei länger, während derer sich der Hubkolben 21 in einer Position mit mehr als 50% seiner maximalen Auslenkung befindet bzw. in der das Volumen des Arbeitsraums 25 mehr als die Hälfte des Mittelwerts aus seinem Maximum und seinem Minimum beträgt (im Vergleich zu den Zeitintervallen, während derer sich der Hubkolben 21 in einer Position mit weniger als 50% seiner Auslenkung befindet bzw. in der das Volumen des Arbeitsraums 25 weniger als die Hälfte seines Mittelwerts aus seinem Maximum und seinem Minimum beträgt).
  • Eine der Fig. 5 entsprechende Hubkolbenbewegung ist dagegen realisierbar mit der in Fig. 6b dargestellten Art, einen Hubkolben 22 zu bewegen, der in einem Zylinder 24 gelagert ist und einen Arbeitsraum 26 begrenzt. Der Hubkolben 22 ist über ein Kugellager 30 und eine erste Pleuelachse 36 mit einem Pleuel 29 verbunden. Im Gegensatz zu Fig. 6a führt hier eine zweite Pleuelachse 34 eine Bewegung entlang der gestrichelten Linie 33 aus, die von einer Kreisbewegung abweicht. In der Darstellung verläuft die Bewegung entlang einer Dreiecksform mit abgerundeten Ecken des Dreiecks. Diese Bewegung verursacht eine Bewegung des Hubkolbens 22, die der in Fig. 5 dargestellten anharmonischen Bewegungsform entspricht. Die vorliegende Erfindung kann eine entsprechende Bewegung ermöglichen, indem sie beispielsweise herkömmliche Kurbeltriebe oder andere Antriebe durch ein Antriebselement ersetzt, mit dem eine entsprechende Bewegung ermöglicht werden kann.
  • Alternativ ist eine der Fig. 5 weitgehend entsprechende Hubkolbenbewegung realisierbar mit der in Fig. 6c dargestellten Art, einen Hubkolben 41 zu bewegen, der in einem Zylinder 42 gelagert ist und einen Arbeitsraum 43 begrenzt. Der Hubkolben 41 ist über Führungsachsen 44, 45, die in einem Linearlager gelagert sein können, mit dem Betätigungselement 46 fest verbunden, wobei das Betätigungselement 46 aus Sicht der Rotationsachse der Kurbelwelle 52 in entgegengesetzter Richtung des Hubkolbens 41 angeordnet ist. Das Betätigungselement 46 ist über ein Kugellager 47 und eine erste Pleuelachse 48 mit einem Pleuel 50 verbunden. Wie in Fig. 6a führt hier eine zweite Pleuelachse 49, die eine Kurbelwelle sein kann, eine kreisförmige Bewegung entlang der gestrichelten Linie 51 um die Achse 52 aus. Da das Pleuel 50 relativ kurz im Vergleich zum Radius der Bewegung der Pleuelachse 49 um die Achse 52 ist, weicht die Bewegung des Hubkolbens 41 stark von einer harmonischen Bewegung ab. Durch die Anordnung des Befestigungspunkts des Pleuels 50 mit dem Betätigungselement 46 über die Pleuelachse 48 auf der dem Hubkolben 41 gegenüberliegenden Seite relativ zur Achse 52 wird erreicht, dass dabei die Bewegung des Hubkolbens 41 derart erfolgt, dass das Arbeitsraumvolumen 43 in längeren Zeitintervallen weniger als die Hälfte seines Mittelwerts aus seinem Maximum und seinem Minimum beträgt im Vergleich zu den Zeitintervallen, in denen das Arbeitsraumvolumen 43 mehr als die Hälfte seines Mittelwerts aus seinem Maximum und seinem Minimum beträgt. Die resultierende Bewegung eines solchen Hubkolbens über Zeit bzw. die Änderung eines entsprechenden Arbeitsraumvolumens über Zeit ist in Fig. 7 durch die Kurven x1 und x2 dargestellt. Das resultierende Gesamtvolumen über Zeit ist in Fig. 7 durch die Kurve V dargestellt.
  • Aus Fig. 5 und Fig. 7 ist ersichtlich, dass sich mit einer entsprechenden Bewegung der Volumenänderungselemente über Zeit bzw. mit einer entsprechenden Änderung der Arbeitsraumvolumina über Zeit gemäß der Kurven x1 und x2 bei einer Stirling-Maschine der Alpha-Bauform Toträume auf ein Minimum reduzieren lassen. Anhand der Kurve V ist jeweils das resultierende Gesamtvolumen dargestellt, das beide Arbeitsräume umfasst. Während sich dieses Gesamtvolumen verringert, also während einer Kompression, befindet sich das Arbeitsmedium fast ausschließlich im Kompressionsraum, dessen Volumen über Zeit jeweils mit der Kurve x1 dargestellt ist. Während sich das Gesamtvolumen erhöht, also während einer Expansion, befindet sich das Arbeitsmedium fast ausschließlich im Expansionsraum, dessen Volumen über Zeit jeweils mit der Kurve x2 dargestellt ist. Während der Phasen, in denen sich das Arbeitsmedium in größeren Anteilen sowohl im Kompressionsraum als auch im Expansionsraum befindet, bleibt das Gesamtvolumen weitgehend konstant.
  • Fig. 8, Fig. 9a, Fig. 9b und Fig. 9c zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Antriebselements, mit dem eine in Fig. 6b dargestellte, nicht-kreisförmige Bewegung einer Pleuelachse und eine entsprechend anharmonische Bewegung eines Volumenänderungselements, wie in Fig. 5 und Fig. 6b dargestellt, realisiert werden kann.
  • Fig. 8 zeigt diese mögliche Ausführungsform als 3D-Ansicht, Fig. 9a zeigt einen Längsschnitt und Fig. 9b und Fig. 9c zeigen jeweils Querschnitte entlang der Achsen A-A bzw. B-B. Im Zentrum eines feststehenden Elements 101, das ein Innenzahnrad umfasst, ist eine Drehachse 103 mittels eines Kugellagers 102 drehbar gelagert. Diese Drehachse 103 kann z.B. durch einen Motor angetrieben werden. Die Drehachse 103 ist fest mit der Kurbel 104 verbunden. Mit der Kurbel 104 ist ein Kugellager 105 verbunden, über das das Exzenterzahnrad 106 drehbar in der Kurbel 104 gelagert ist. Mit diesem Exzenterzahnrad 106 ist die Achse 107 fest, aber exzentrisch zur Drehachse des Exzenterzahnrads 106 verbunden, sodass diese Achse 107 eine Kreisbewegung um die Drehachse des Exzenterzahnrads 106 ausführen kann. Über das Innenzahnrad des Elements 101 und das Außenzahnrad des Exzenterzahnrads 106 ist die Kreisbewegung des Exzenterzahnrads 106 um die Drehachse des Kugellagers 102 mit der Kreisbewegung der Achse 107 um die Drehachse des Kugellagers 105 derart mechanisch gekoppelt, dass diese Kreisbewegungen ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis (der Kreisbewegungen) haben. Die Achse 107 führt folglich eine Bewegung aus, die sich aus zwei überlagerten Kreisbewegungen um die Mittelachsen der Kugellager 102 und 105 zusammensetzt, die jeweils unterschiedliche Kreisradien und Geschwindigkeiten aufweisen, wobei diese Geschwindigkeiten aber in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen.
  • Durch Variation der Geschwindigkeitsverhältnisse der beiden Kreisbewegungen über das Radienverhältnis des Innenzahnrads des Elements 101 und des Außenzahnrads des Exzenterzahnrads 106, sowie durch Variation der Exzentrizität der Achse 107 in Bezug auf die Drehachse des Kugellagers 105 im Vergleich zur Exzentrizität der Drehachse des Kugellagers 105 in Bezug auf die Drehachse des Kugellagers 102 lässt sich die Form der Bewegung der Achse 107 bestimmen. Dabei resultiert die Kennzahl der Rotationssymmetrie der Bewegung der Achse 107 aus dem Radienverhältnis des Innenzahnrads des Elements 101 und des Außenzahnrads des Exzenterzahnrads 106. Die Fig. 10 zeigt eine mit der Kennzahl 3 realisierte rotationssymmetrische Bewegungsform. Es ist möglich eine rotationssymmetrische Bewegung mit mehrzähliger Symmetrie zu realisieren; beispielsweise kann die Kennzahl 2 oder 4 sein. Durch die Variation des Verhältnisses der beiden Exzentrizitäten, also der Radien der beiden überlagerten Kreisbewegungen der Achse 107, lässt sich bestimmen, ob die Bewegungsform eher "bauchig" wie in Fig. 10 ist entsprechend einer Dreiecksform mit abgerundeten Ecken, oder eher "spitz" entsprechend einer Dreiecksform mit konkaven nach innen gewölbten Seitenlinien und ohne abgerundete Ecken.
  • Fig. 11 zeigt einen Längsschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Volumenänderungselementen gemäß der Ausführungsform aus Fig. 6c. Das Gehäuse 201 ist über Kugellager 202, 203 drehbar im Gestell 204 gelagert. Der Motor/Generator 205, der fest mit dem Gestell 204 verbunden ist (Verbindung hier nicht dargestellt), kann die Rotationsbewegung des Gehäuses 201 antreiben oder vom rotierenden Gehäuse angetrieben werden. Dafür ist die Achse 206 des Motors/Generators 205 mittels der Achsaufnahme 207 fest mit dem Gehäuse 201 verbunden. Innerhalb des Gehäuses 201 befinden sich die Kurbelwellen 208, 209, die zusammen mit den Kurbeln 210, 211 und dem Verbindungselement 212 eine unbewegliche Einheit bilden, da sie mittels der Achse 213 und der Achsaufnahme 214 fest mit dem Gestell 204 verbunden sind. Die Kurbel 211 wird in ihrer Lage fixiert, indem sie über die Achse 215 und das Kugellager 216 im rotierenden Gehäuse 201 gelagert ist.
  • Die Zylinder 221, 222, 223, 224 sind fest mit dem Gehäuse 201 verbunden und bilden als Volumenbegrenzungselemente Volumina 381, 382, 383, 384, die teilweise Flüssigkeitsmengen 225, 226, 227, 228 und teilweise Arbeitsmedium in den Arbeitsräumen 231, 232, 233, 234 enthalten. Die Arbeitsräume 231, 232, 233, 234 bilden Teilvolumina der Volumina 381, 382, 383, 384. Die Flüssigkeitsmengen 225, 226, 227, 228 werden durch ihre Rotation zusammen mit dem Gehäuse 201 und den Zylindern 221, 222, 223, 224 in ihrer Form und Lage gehalten, da Fliehkräfte auf sie wirken. In den Zylindern 221, 222, 223, 224 befinden sich jeweils Hubkolben 235, 236, 237, 238, die mittels Führungsachsen 241a/b, 242a/b, 243a/b, 244a/b fest mit den Betätigungselementen 245, 246, 247, 248 verbunden sind. Die Führungsachsen 241a/b, 242a/b, 243a/b, 244a/b sind relativ zum Gehäuse 201 linear beweglich in Linearlagern 251a/b, 252a/b, 253a/b, 254a/b gelagert (siehe hierzu Fig. 12 und Fig. 13), um eine lineare Bewegung der Hubkolben 235, 236, 237, 238 zu ermöglichen, ohne dabei Querkräfte der Hubkolben 235, 236, 237, 238 auf die Zylinder 221, 222, 223, 224 zu verursachen. Die Hubkolben 235, 236, 237, 238 umfassen Kolbenringe 255, 256, 257, 258, die die Arbeitsräume 231, 232, 233, 234 gasdicht abdichten. Die Hubkolben 235, 236, 237, 238 umfassen weiterhin Wärmetauscherelemente 261a-j, 262a-j, 263a-j, 264a-j, die jeweils fest mit ihnen verbunden sind. Diese Wärmetauscherelemente 261a-j, 262a-j, 263a-j, 264a-j tauchen je nach Position der Hubkolben 235, 236, 237, 238 unterschiedlich tief in die Flüssigkeitsmengen 225, 226, 227, 228 ein und können so Wärmemengen von diesen aufnehmen oder an sie abgeben. Da sich diese Wärmetauscherelemente 261a-j, 262a-j, 263a-j, 264a-j auch immer teilweise in den Arbeitsräumen 231, 232, 233, 234 befinden und dadurch thermisch an das darin befindliche Arbeitsmedium gekoppelt ist, können sie auch relativ schnell Wärmemengen an das Arbeitsmedium abgeben oder von ihm aufnehmen. Über diese Wärmetauscherelemente 261a-j, 262a-j, 263a-j, 264a-j ist folglich auch das Arbeitsmedium in den Arbeitsräumen 231, 232, 233, 234 indirekt thermisch mit den Flüssigkeitsmengen 225, 226, 227, 228 gekoppelt und kann entsprechend schneller Wärme an die Flüssigkeitselemente 225, 226, 227, 228 abgeben oder von ihnen aufnehmen, als dies ohne die Wärmetauscherelemente 261a-j, 262a-j, 263a-j, 264a-j der Fall wäre. Auf diese Weise wird zusätzlich erreicht, dass eine Kompression oder Expansion des Arbeitsmediums in den Arbeitsräumen 231, 232, 233, 234 weitgehend isotherm verläuft.
  • Die Flüssigkeitsmengen 225, 226, 227, 228 dienen als Wärmeträger, mit denen Wärmemengen in die Arbeitsräume 231, 232, 233, 234 transportiert werden können oder aus ihnen heraus transportiert werden können. Zu diesem Zweck gibt es Öffnungen 271, 272, 273, 274, durch die Flüssigkeit in das Innere der Zylinder 221, 222, 223, 224 nachströmen kann. Diese Flüssigkeit stammt aus den ringförmigen Zuströmkammern 279, 280, in denen sich ein Flüssigkeitsring ausbilden kann. Über die Zulaufrohre 281, 282 kann neue Flüssigkeit von außen in die Zuströmkammern 279, 280 nachfließen. Über die Öffnungen 275, 276, 277, 278 kann Flüssigkeit aus dem Inneren der Zylinder 221, 222, 223, 224 abfließen in die ringförmigen Ablaufkammern 283, 284, in denen sich ein Flüssigkeitsring ausbilden kann. Über die Ablaufrohre 285, 286 kann Flüssigkeit aus den Ablaufkammern 283, 284 herausströmen, wobei die Eintauchtiefe der Ablaufrohre 285, 286 in die Ablaufkammern 283, 284 die Füllhöhe des Flüssigkeitsrings in den Ablaufkammern 283, 284 reguliert, und entsprechend auch die Füllhöhe der Flüssigkeitsmengen innerhalb der Zylinder 221, 222, 223, 234.
  • Figur 12 zeigt eine Schnittansicht dieser Ausführungsform entlang der Schnittachse A-A. Figur 13 zeigt eine Schnittansicht dieser Ausführungsform entlang der Schnittachse B-B. In diesen Schnittansichten ist die mechanische Kopplung der rotierenden Hubkolben 235, 236, 237, 238 mit den feststehenden Kurbelwellen 208, 209 ersichtlich, wodurch die anharmonische Bewegung der Hubkolben 235, 236, 237, 238 relativ zu den Zylindern 221, 222, 223, 224 verursacht wird. Die Betätigungselemente 245, 246, 247, 248 sind über die fest mit ihnen verbundenen Pleuelachsen 295, 296, 297, 298 mechanisch mit den Pleueln 291, 292, 293, 294 verbunden, wobei die Pleuel 291, 292, 293, 294 Kugellager umfassen und beweglich mit den Pleuelachsen 295, 296, 297, 298 verbunden sind. Ebenso sind die Pleuel 291, 292, 293, 294 drehbar mechanisch an die Kurbelwellen 208, 209 gekoppelt. Die Betätigungselemente 245, 246, 247, 248 sind fest mit den Führungsachsen 241a/b, 242a/b, 243a/b, 244a/b verbunden, und diese sind wiederum fest mit den Hubkolben 235, 236, 237, 238 verbunden. Die Führungsachsen 241a/b, 242a/b, 243a/b, 244a/b sind linear verschiebbar in Linearlagern 251a/b, 252a/b, 253/a/b, 254a/b gelagert, die fest mit den Linearlagerhaltern 301, 302, 303, 304 verbunden sind. Bei der Drehung des Gehäuses 201 mitsamt der der Linearlagerhalter 301, 302, 303, 304, die fest mit dem Gehäuse 201 verbunden sind, rotieren folglich die Betätigungselemente 245, 246, 247, 248 um die exzentrisch zur Drehachse des Gehäuses feststehenden Kurbelwellen 208, 209, wodurch mittels der mechanischen Kopplung über die Pleuel 291, 292, 293, 294 ihre linear oszillierende Bewegung relativ zu den Zylindern 221, 222, 223, 224 verursacht wird. Da die Pleuel 291, 292, 293, 294 relativ kurz sind, d.h. ihre Längen in etwa dem Durchmesser der Rotation der Kurbelwellen 208, 209 relativ zum Gehäuse entsprechen, verläuft diese linear oszillierende Bewegung nicht harmonisch/sinusförmig, sondern anharmonisch.
  • Die Arbeitsräume 231 und 234 sind gasdurchlässig über die Rohre 305, 308 und das Regeneratorgehäuse 309 miteinander verbunden, wobei das Regeneratorgehäuse 309 ein gasdurchlässiges Regeneratormaterial 311 (z.B. Edelstahlwolle) enthält. Sie bilden so eine erste Stirling-Maschine nach Alpha-Bauform. Die Arbeitsräume 232 und 233 sind gasdurchlässig über die Rohre 306, 307 und das Regeneratorgehäuse 310 miteinander verbunden, wobei das Regeneratorgehäuse 310 ein gasdurchlässiges Regeneratormaterial 312 enthält. Sie bilden so eine zweite Stirling-Maschine nach Alpha-Bauform.
  • Fig. 14 zeigt eine 3D-Ansicht der Ausführungsform aus Fig. 11, Fig. 12 und Fig. 13, wobei vom Gehäuse 201 nur die unter Hälfte dargestellt ist. Ebenso fehlen die nach oben ragenden Hubkolben 236, 237 mit ihren Betätigungselementen 246, 247 und ihren Führungsachsen 242a/b, 243a/b und ihren Pleueln 292, 293 und Zylindern 222, 223.
  • Fig. 15 zeigt eine 3D-Ansicht eines Hubkolbens 235 dieser Ausführungsform mit seinem Kolbenring 255, den Führungsachsen 241a, 241b, dem Betätigungselement 245 und den Wärmetauscherelementen 261a-j. Der Hubkolben 235 enthält einen Strömungskanal 325, über den Teilmengen des Arbeitsmediums von einem Zwischenraum zwischen zwei der Wärmetauscherelemente 261a-j in einen anderen Zwischenraum zwischen zwei der Wärmetauscherelemente 261a-j strömen kann, weshalb die Wärmetauscherelemente 261a-j im Bereich des Strömungskanals 325 auch Öffnungen umfassen.
  • Fig. 16 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Volumenänderungselements 335 und eines Volumenbegrenzungselements 321, die anstelle der in Fig. 11, Fig. 12, Fig. 13. Fig. 14 und Fig. 15 dargestellten Volumenänderungselemente und Volumenbegrenzungselemente verwendet werden kann. Beim Volumenänderungselement 335 handelt es sich um einen Hubkolben, der mittels einer flexiblen und dehnbaren Membran 355 mit dem Volumenbegrenzungselement 321 in Zylinderform derart verbunden ist, dass das erfindungsgemäße Volumen 386, das das ein Arbeitsmedium enthaltende Teilvolumen 331 enthält, vollständig gasdicht abgedichtet ist bis auf eine gasdurchlässige Verbindung zu einem anderen Volumen (diese Verbindung ist in Fig. 16 nicht dargestellt). Mit dem Hubkolben 335 sind Wärmetauscherelemente 361a-g fest verbunden, die bei der Bewegung des Hubkolbens 335 relativ zum Volumenbegrenzungselement 321 periodisch in die Flüssigkeitsmenge 325 ein- und aus ihr auftauchen, wobei die Flüssigkeitsmenge 325 durch eine Rotation zusammen mit den Volumenbegrenzungselementen 321 um eine Drehachse durch Fliehkräfte in ihrer Lage und Form gehalten wird und so verhindert wird, dass die Wärmetauscherelemente 361a-g beim Auftauchen aus der Flüssigkeitsmenge 325 größere Mengen an Flüssigkeit mitreißen. Die in Linearlagern (hier nicht dargestellt) gelagerten Führungsachsen 341a, 341b stellen sicher, dass sich der Hubkolben 335 relativ zum Volumenbegrenzungselement 321 linear bewegt. Über das Betätigungselement 345 und das Pleuel 391, das über die Pleuelachse 395 drehbar mit dem Betätigungselement 345 verbunden ist, ist der Hubkolben 335 mechanisch mit der Kurbelwelle 399 verbunden. Die Kurbelwelle ist fest mit einem außerhalb des Gehäuses liegenden Gestell verbunden und bewegt sich nicht, wodurch sie relativ zu den rotierenden Volumenbegrenzungselementen 321 eine Kreisbewegung ausführt.
  • Fig. 17 und Fig. 18 offenbaren eine weitere Ausführungsform. In Fig. 17 und Fig. 18 ist jeweils eines von zwei Volumenänderungselementen 435 dargestellt, die je drei Volumina 481, 482, 483 mit ihren drei Arbeitsräumen 431, 432, 433 begrenzen und durch ihre Bewegung um die Rotationsachse des Gehäuses 401 herum verändern können. Es handelt sich hierbei um eine 3-fache Stirling-Maschine der Alpha-Bauform, deren Aufbau einer in EP23209033.2 offenbarten Vuilleumier-Maschine ähnelt. Im Gegensatz zur Vuilleumier-Maschine aus EP23209033.2 sind hier die von einem Volumenänderungselement 435 begrenzten drei Volumina 481, 482, 483 mit ihren Teilvolumina 431, 432, 433 nicht untereinander gasdurchlässig miteinander verbunden, sondern je ein vom Volumenänderungselement 435 begrenztes Teilvolumen 431, 432, 433 ist jeweils gasdurchlässig mit einem anderen vom zweiten Volumenänderungselement begrenzten Volumen verbunden, wobei die gasdurchlässigen Verbindungen jeweils ein Regeneratormaterial enthalten (gasdurchlässige Verbindungen und Regeneratormaterial sind in Fig. 17 und Fig. 18 nicht dargestellt). So bilden sie jeweils eine Stirling-Maschine der Alpha-Bauform. Im Gegensatz zur Vuilleumier-Maschine aus EP23209033.2 trennen die Volumenänderungselemente 435 also jeweils mindestens zwei Volumina 481, 482, 483, die untereinander nicht gasdurchlässig miteinander verbunden sind.
  • Fig. 17 zeigt den Querschnitt durch eines der beiden Volumenänderungselemente 435. Beide Volumenänderungselemente 435 befinden sich in nebeneinanderliegenden Abschnitten des Gehäuses 401. Das Gehäuse 401 ist drehbar zum Gestell 404 gelagert und kann von einem Motor/Generator in seiner Rotationsbewegung angetrieben werden oder den Motor/Generator antreiben. Die Volumenänderungselemente 435 sind über ein Getriebe 410 mechanisch mit dem Gehäuse 401 und dem Gestell 404 derart gekoppelt, dass sie jeweils eine Rotationsbewegung mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit wie das Gehäuse 401 ausführen, die von einer zusätzlichen Translationsbewegung der Volumenänderungselemente 435 relativ zum Gehäuse 401 überlagert ist, die der Form aus Fig. 10 entspricht. Dies führt dazu, dass die Volumenänderungselemente 435 die drei Volumina 481, 482, 483 bzw. die drei weiteren, hier nicht dargestellten Volumina periodisch vergrößern und verkleinern in einem zeitlichen Verlauf, wie es der Kurve x1 aus Fig. 5 entspricht. Dabei tauchen die Wärmetauscherelemente 461a-I, 432a-I, 463a-I jeweils in die Flüssigkeitsmengen 425, 426, 427 ein und aus ihnen heraus, sodass sie Wärmemengen an diese abgeben oder von diesen aufnehmen können. In Schächten 414, 415, 416 radial nach innen beweglich gelagerte Dichtungselemente 411, 412, 413 dichten die Volumina 431, 432, 433 gegeneinander gasdicht ab, wobei die Dichtungselemente 411, 412, 413 durch Fedem, Auftriebskräfte in einer sie umgebenden Flüssigkeit, magnetische Kräfte oder anderer Kräfte kontinuierlich gegen das Volumenänderungselement 435 gedrückt werden. Alternativ können die Dichtungselemente 411, 412, 413 auch radial nach außen verschiebbar im Volumenänderungselement435 gelagert sein und über Fliehkräfte nach außen beschleunigt werden, wo sie durch Kontakt mit einem Teil des Gehäuses, das in radial nach innen betrachteter Richtung höher ist als die Flüssigkeitsmengen 425, 426, 427 und daher nicht von Flüssigkeit bedeckt ist, die Volumina 431, 432, 433 gegeneinander abdichten.
  • Das zweite, hier nicht dargestellte Volumenänderungselement begrenzt in gleicherWeise wie das in Fig. 17 und Fig. 18 dargestellte Volumenänderungselement 435 drei andere Volumina und ändert in analoger Weise periodisch deren Größe, wobei jeweils eines der Volumina 481, 482, 483 des ersten Volumenänderungselements mit einem der drei andern Volumina des zweiten Volumenänderungselements gasdurchlässig miteinander verbunden ist. Die Bewegung der beiden Volumenänderungselemente ist derart phasenverschoben, dass dabei auch die Volumenänderungen zweier gasdurchlässig miteinander verbundener Volumina derart phasenverschoben sind, dass sich ihr Gesamtvolumen zeitlich derart ändert, wie es in Fig. 5 mit der Kurve V dargestellt ist, wobei der zeitliche Verlauf der Größe der beiden Volumina auch den Kurven x1 und x2 aus Fig. 5 entspricht.
  • Das Getriebe 410 kann den in Fig. 12a und Fig. 12b aus EP 23209033.2 dargestellten Aufbau haben.
  • Fig. 18 zeigt eine 3D-Ansicht eines der beiden Volumenänderungselemente 435 mit seinen Wärmetauscherelementen 461a-I, 462a-I, 463a-I und einen Teil des Getriebes 410.

Claims (15)

  1. Thermoelektrischer oder thermomechanischer Wandler, der mindestens zwei in ihrer Größe veränderbaren Volumina (381, 382, 383, 384, 386, 481, 482, 483) umfasst,
    - die von Volumenbegrenzungselementen (201, 221, 222, 223, 224, 321, 401, 414, 415, 416) begrenzt sind, die beispielsweise Öffnungen (271, 272, 273, 274, 275, 276, 277, 278) für das Ein- und Ausströmen von Flüssigkeitsmengen umfassen
    - und die untereinander gasdurchlässig miteinander verbunden sind
    - und die ein Arbeitsmedium enthalten, das zumindest teilweise gasförmig ist
    - und die jeweils von Volumenänderungselementen (235, 236, 237, 238, 335, 435) in ihrer Größe verändert werden können, wobei mindestens eines der Volumenänderungselemente (235, 236, 237, 238, 335, 435) die Größe von mindestens einem der Volumina (381, 382, 383, 384, 386, 481, 482, 483) derart ändert, dass seine Größe im Durchschnitt während des Betriebs der Vorrichtung in mehr als der Hälfte der Zeit, beispielsweise in mehr als 60% der Zeit, weniger als der Mittelwert aus seiner maximalen Größe und seiner minimalen Größe beträgt.
  2. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach Anspruch 1, wobei die Gesamtgröße der mindestens zwei Volumina im Durchschnitt in mehr als der Hälfte der Zeit, beispielsweise in mehr als 60% der Zeit, mindestens den Mittelwert aus ihrer maximalen Größe und ihrer minimalen Größe beträgt.
  3. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein oder zwei Volumenänderungselemente die Größe von mindestens zwei Volumina derart ändern, dass ihre Größen jeweils im Durchschnitt in mehr als der Hälfte der Zeit, beispielsweise in mehr als 60% der Zeit, weniger als der Mittelwert aus ihrer maximalen Größe und ihrer minimalen Größe beträgt.
  4. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine Volumenänderungselement mindestens zwei Volumina nach Anspruch 1 oder andere Volumina voneinander trennt, die nicht gasdurchlässig miteinander verbunden sind.
  5. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwei dieser Volumina zusammen ein nach außen gasdicht abgeschlossenes Gesamtvolumen bilden, beispielsweise kann das gasdicht abgeschlossene Gesamtvolumen bis auf Spalte an Dichtungselementen bestehen, beispielsweise weisen die Spalte eine Höhe in einem Bereich von weniger als 0,2 mm auf, beispielsweise bilden genau zwei der Volumina ein nach außen vollständig gasdicht abgeschlossenes Gesamtvolumen.
  6. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die gasdurchlässige Verbindung der mindestens zwei Volumina ein Wärmetauscherelement oder einen Regenerator, beispielsweise Stahlwolle, umfasst.
  7. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die beiden Volumina einen Teil einer Stirling-Maschine der Alpha-Bauform bilden.
  8. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest ein Teil der Volumenbegrenzungselemente eine Rotationsbewegung ausführen können.
  9. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens eines der Volumina eine Flüssigkeitsmenge (225, 226, 227, 228, 325, 425, 426, 427) enthält.
  10. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das mindestens eine Volumenänderungselement mechanisch mit einem Antriebselement, beispielsweise einem Getriebe oder einer Kurbelwelle (52, 208, 209, 399), gekoppelt ist
  11. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach Anspruch 10, wobei das Antriebselement relativ zu Volumenbegrenzungselementen eine Bewegung um eine Achse oder einen Punkt ausführt, die von einer Kreisbewegung abweicht.
  12. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das mindestens eine Volumenänderungselement über ein Kopplungselement mechanisch mit einem Antriebselement gekoppelt ist, wobei die Länge des Kopplungselements, beispielsweise gemessen zwischen seinen Befestigungspunkten am Antriebselement und am Volumenänderungselement, weniger als 200%, beispielsweise weniger als 100%, beispielsweise weniger als 75% des maximalen Abstands zweier Punkte beträgt, die der Schwerpunkt des Antriebselements im zeitlichen Verlauf relativ zu den Volumenbegrenzungselementen einnehmen kann, wobei beispielsweise das Kopplungselement einen Pleuel (48, 49, 50, 291, 292, 293, 294, 391) umfasst, wobei beispielsweise das Antriebselement eine Kurbelwelle (52, 208, 209, 399) umfasst.
  13. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das mindestens eine Volumenänderungselement über ein Kopplungselement mechanisch mit einem Antriebselement gekoppelt ist, wobei der Befestigungspunkt des Kopplungselements mit dem Volumenänderungselement weiter von der Begrenzungsfläche des Volumenänderungselements mit dem von ihm begrenzten Volumen entfernt ist als der Befestigungspunkt des Kopplungselements mit dem Antriebselement, wobei beispielsweise das Kopplungselement einen Pleuel (48, 49, 50, 291, 292, 293, 294, 391) umfasst, wobei beispielsweise das Antriebselement eine Kurbelwelle (52, 208, 209, 399) umfasst.
  14. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das mindestens eine Volumenänderungselement einen Hubkolben oder/und ein verformbares Dichtelement wie beispielsweise eine Membran (355) umfasst.
  15. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das mindestens eine Volumenänderungselement ein Rotations- oder Drehkolben ist, der relativ zu Volumenbegrenzungselementen eine rotierende Bewegung seines Schwerpunkts und/oder eine Drehbewegung ausführt.
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