WO2007025517A1 - Device and method for the conversion of thermal energy into electric power - Google Patents

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WO2007025517A1
WO2007025517A1 PCT/DE2006/001502 DE2006001502W WO2007025517A1 WO 2007025517 A1 WO2007025517 A1 WO 2007025517A1 DE 2006001502 W DE2006001502 W DE 2006001502W WO 2007025517 A1 WO2007025517 A1 WO 2007025517A1
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volume
working medium
partial volume
movable element
piston
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PCT/DE2006/001502
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Inventor
Günter NOETZEL
Original Assignee
Webasto Ag
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot 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
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60HARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
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    • B60HARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/22Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived otherwise than from the propulsion plant
    • B60H2001/2268Constructional features
    • B60H2001/2275Thermoelectric converters for generating electrical energy

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for converting thermal energy into electrical energy.
  • auxiliary heaters are designed as auxiliary heaters for operation with a stationary internal combustion engine and / or auxiliary heater for operation with the internal combustion engine running.
  • thermoelectric device is used which is arranged between a "hot side” forming housing section and a "cold side” forming housing section. During operation of the heater can thus be tapped at the thermoelectric device, a voltage.
  • the problem with this solution however, the maintenance of the highest possible temperature differences, which are required for the efficient operation of thermocouples, thermal expansions in the field of thermoelectric device and a poor thermal conductivity between the thermoelectric device and the housing sections. Ultimately, these problems can lead to the fact that the required for the operation of the additional heating electrical power can not be provided in full.
  • the object of the invention is to provide a concept for converting heat energy into electrical energy so as to ensure in each case is that a sufficient power for the operation of the auxiliary heater is available.
  • the object is achieved by a device for converting heat energy into electrical energy with a housing, the free inner volume is at least partially filled with a working fluid, a heat source for delivering heat energy to the working medium, a heat sink for receiving Heat energy from the working medium, a movable element arranged in the housing, which is movable by a heat-related phase transition of the working medium with a change in volume, whereby due to a movement of the movable element, working medium heated beforehand by the heat source can be cooled by the heat sink, previously cooled by the heat sink working medium from the heat source can be heated and an electric power generating generator can be driven.
  • An essential feature of the invention is thus the utilization of a phase transition in a working medium.
  • phase transitions associated with a sufficient change in volume may also form the basis for the embodiment of the invention;
  • subliming substances can be used, that is, a phase transition solid-gaseous can be used. Due to the presence of a movable element, a heat-induced phase transition can take place with an increase in volume. The kinetic energy of the movable element can then be converted into electrical energy via a generator. Furthermore, due to the movement of the element, it is possible for the working medium previously evaporated by heating to come into contact with a region for cooling the working medium, that is to say a heat sink, and thus again carry out a phase transition from the gaseous to the solid state of aggregation.
  • the movable element divides the inner volume of the housing into a first and a second variable partial volume, wherein the first partial volume is connected to the heat source and the second partial volume is connected to the heat sink and in a first position of the movable element, a transfer of working medium between the first and the second sub-volume and an entry of working medium in the first and the second sub-volume is inhibited or prevented, in a second position of the movable element an entry of previously in the second sub-volume cooled working medium in the first sub-volume is made possible and a transfer of working fluid between the first and the second sub-volume is prevented and in a third position of the movable element, a passage of previously heated in the first sub-volume working medium in the second sub-volume n is enabled.
  • the movable element In the first position of the movable element, starting from the liquid state of the working medium an evaporation take place with heat. Due to the movement of the movable element caused thereby, the volume required for the phase transition is provided, and furthermore the movable element is brought into a second position, in which liquid working medium can enter the first partial volume. This liquid medium has passed from the gaseous to the liquid state during a preceding period of the cycle. The movable element is then moved further from the second layer to a third layer, which then additionally allows the gaseous working fluid to pass from the first sub-volume to the second sub-volume. This transition will take place because the pressure in the first partial volume is significantly higher than the pressure in the second partial volume associated with the heat sink.
  • the transferred working medium can then condense in the second partial volume, and the movable element is moved in an opposite direction, for example due to the weight or due to some other force, such as an elastic force. During or at the end of this movement, liquid working medium can then be provided from the second partial volume for the passage into the first volume, this transfer then taking place when the movable element again assumes the second position during the next cycle of the cycle.
  • the movable element is a piston.
  • the backflow of the liquid working medium from the second partial volume into the first partial volume can then be realized in such a way that at least one return flow channel is provided in a wall section of the housing leading to the piston, which in the first position of the piston with the second Partial volume connected and not connected to the first subvolume that in the second position of the piston, the at least one return flow channel is connected to the first subvolume and not connected to the second subvolume and that between the first and the second layer no intermediate layer exists in the both the first and the second subvolume are connected to the at least one return flow channel.
  • the arrangement of return flow channels in the wall of the housing is useful because on this basis the piston can be made simple. But it is also possible to integrate the return flow channels based on suitable mechanisms in the piston.
  • a return flow can take place at a suitable time, so that the cyclic process takes place continuously without renewing the working medium.
  • the invention is furthermore preferably formed by providing at least one overflow channel in a wall section of the housing leading to the piston, which permits the transfer of previously heated working medium in the first partial volume into the second partial volume in the third position of the piston.
  • An overflow channel arranged in this way makes it possible in a simple manner to equalize the pressure between the sub-volumes, with its arrangement in the housing wall again ensuring that the piston can be designed in a simple manner.
  • a closable overflow channel is provided in the piston, which is open in the third position of the piston and thus allows the passage of previously heated in the first part volume working fluid in the second part volume. This can be done by a
  • Mechanism can be achieved, which opens one or more channels in the piston at the moment when the piston has reached a 'certain position. In particular, this is the upper "dead center" well defined.
  • the movable element is a bellows.
  • a bellows can be efficiently molded from a plastic.
  • the bellows can be equipped in a uniform operation with flaps, valves or similar means, so that they can provide the return flow channels and / or the overflow channels.
  • the housing can be formed without any channels.
  • the transfer channels and / or the return flow channels in the housing are also possible in connection with a bellows.
  • a bellows also makes it possible to choose the ratio of the first partial volume to the second partial volume. This is advantageous since, as a result, small quantities of vapor passing from the first subvolume into the second subvolume are sufficient relative to the total vapor volume in order to bring about a pressure equalization. In this way, the risk of a sealing of the liquid in the first partial volume during the overflow phase of the vapor into the second partial volume can be reduced, and the operating frequency of the piston can be increased due to the small excess amount of steam. An increased operating frequency then in turn allows a simplification of the generator.
  • the movable element is a membrane. Such a solution has similar features and advantages as the solution with a bellows, in particular as regards the arrangement of the channels and the ease of manufacture.
  • the invention may further be realized in the form that the movable element has at least one barrier for the working medium and the movable element divides the inner volume of the housing into a first and a second variable partial volume, wherein upon movement of the movable element into a first Direction of the first sub-volume is increased, the second sub-volume is reduced, the first sub-volume receives an enlarged contact area with the heat sink and the second sub-volume receives a reduced contact area with the heat sink and wherein upon movement of the movable member in a second direction, the first sub-volume decreases is, the second sub-volume is increased, the first sub-volume receives a reduced contact area with the heat sink and the second sub-volume receives an enlarged contact area with the heat sink.
  • both the evaporation and the condensation of the working medium take place on the same "side" of the movable element in the latter solution.
  • the invention further relates to a method for converting heat energy into electrical energy with the steps:
  • Heating a working medium using the heat energy whereby a first phase transition, an increase in pressure in a partial volume of a housing and an enlargement of the partial volume are brought about by moving a movable element in a first direction,
  • Cooling of the working medium whereby a second phase transition opposed to the first phase transition, a pressure reduction in the previously heated working medium and a reduction of the partial volume by moving a movable element in a second direction are brought about, and
  • the invention is based on the finding that under all circumstances sufficient supply of electrical power can be made available on the basis of a comparatively simple thermodynamic process.
  • a medium undergoes a large volume expansion through heating and a phase transition, which is made possible by the movement of a movable element.
  • the resulting volume work can be converted by a generator into electrical energy.
  • a cycle can take place, which provides continuously, in particular without consumption of the working medium, an electrical power that is in concrete embodiments of the present invention, for example in the range of 50 to 100 W, that is generally sufficient to the Maintain operation of the auxiliary heater with sufficient reserve. Excess electrical power can be fed into the on-board network of the vehicle and used, for example, to charge the battery.
  • Figure 1 is a sectional view of an embodiment of a device according to the invention in a first working position
  • Figure 2 shows the embodiment of Figure 1 in a second working position
  • Figure 3 shows the embodiment of Figure 1 in a third working position
  • FIG. 4 is a sectional view of a piston for use in a device according to the invention in a first working position
  • FIG. 5 shows the piston according to FIG. 4 in a second working position
  • Figure 6 is a sectional view of another piston for use in a device according to the invention in a first working position
  • FIG. 7 shows the piston according to FIG. 6 in a second working position
  • Figure 8 is a sectional view of another embodiment of a device according to the invention in a first working position
  • FIG. 9 shows the embodiment according to FIG. 8 in a second working position.
  • FIGS 1 to 3 show sectional views of an advantageous embodiment of a device according to the invention in three different working positions.
  • a housing 10 which is preferably cylindrical, accommodates a piston 18 and a generator 26.
  • the piston 18 is connected via a plunger 44 to the generator 26 for the purpose of driving the generator 26 in connection.
  • the piston 18 divides the inner volume of the housing 10 in a first sub-volume 28 below the piston 18 and a second sub-volume 30 above the piston 18. Due to a possibility of movement of the piston 18 in the housing 10, the sub-volumes 28, 30 are variable.
  • the free inner volume of the housing 10 is filled with a working medium 12, wherein the present in the liquid state of aggregate state working medium 12 is shown.
  • the remaining free volume of the housing 10 is filled with the working medium in gaseous phase corresponding to the respective vapor pressure of the liquid working medium 12 in the partial volumes 28, 30.
  • a working medium for example, water or alcohols come into question.
  • the piston 18 has a smooth cylindrical outer wall, over which it is guided in the housing 10.
  • the substantially cylindrical inner wall of the housing 10 is provided with channels 32, 34. There are remindströmkanäle 32 and overflow 34 provided, this designation of the channels 32, 34 is explained in the context of the following functional description of the device according to the invention.
  • the housing 10 provides a heat source 14 and a
  • Heat sink 16 is available, wherein the heat source 14 deliver heat energy generated by a heater to the sub-volume 28 and the heat sink 16 can be supplied by the cooling system of the vehicle.
  • Piston 18 prevents present in the return flow channels 32 working medium 12 can enter the first sub-volume 28. Since the first partial volume 28, that is to say the working medium 12 present in the first partial volume 28, is connected to a heat source 14, it can be connected to the heat exchanger 14 Heat source 14 are heated. The mechanical and thermodynamic properties of the system are now designed so that the working medium 12 in the first sub-volume 28 undergoes a large volume change due to a phase transition, this volume change being made possible by the mobility of the piston 18. Due to the heating of the working medium 12 in the first partial volume 28, the piston is thus converted into its position shown in Figure 2. With regard to the overflow channels 34, the position of the piston 18 shown in FIG. 2 is equivalent to the position shown in FIG. However, in order to achieve the position shown in FIG.
  • the upper end of the return flow channels 32 has been crossed over by the upper boundary of the piston, before it has then released the lower end of the return flow channels 32, that is to say has connected it to the first partial volume. Accordingly, the liquid working medium present in the return flow channels 32 could flow back into the first partial volume 28. In this situation, the working medium 12 continues to be heated in the first partial volume 28, so that a further movement of the piston 18 takes place in its position shown in FIG. With regard to the return flow channels 32, the position of the piston shown in FIG. 3 is equivalent to the position shown in FIG. However, the overflow 34 are no longer closed by the piston 18 now.
  • gaseous working medium can flow over the overflow channels 34 from the first partial volume 28 into the second partial volume 30 while reducing the pressure in the first partial volume 28 and increasing the pressure in the second partial volume 30.
  • a pressure equalization between the sub-volumes 28, 30, and the piston 18 can move back into its position shown in Figure 1.
  • the downward movement of the piston may be provided by weight and / or the force of a spring not shown during the upward movement, and / or by the generator become.
  • the working medium transferred into the second partial volume 30 condenses by heat emission to the heat sink 16, which is provided by the second partial volume 30 delimiting colder housing sections available. This condensed working medium 12 then collects again at least partially in the return flow channels 32, so that it is available for the next partial cycle 28 for the next working cycle.
  • FIGS. 4 and 5 show a piston 20 with an overflow channel 36 provided therein.
  • a housing which accommodates such a piston 20 therefore does not have to have the overflow channels 34 shown in FIGS. 1 to 3.
  • a bistable spring 46 is arranged and fixedly connected to the piston 20.
  • the two ' stable positions of the bistable spring 46 are shown in Figures 4 and 5, respectively.
  • the bistable spring 46 is connected centrally with a slot 48 having a rod 50.
  • the bistable spring 46 is connected via a further rod 52 with a cover 54 which is suitable for closing or opening the overflow channel 36.
  • the closed position of the overflow channel 36 is shown in Figure 4, while the open position of the overflow 36 is shown in Figure 5.
  • a pin 56 can be seen, which is firmly connected to the housing, not shown here, and thus moves in a movement of the cylinder 20 in the slot 48.
  • FIGS. 6 and 7 show a variant of the embodiments according to FIGS. 4 and 5.
  • the closable region of the piston 22 is made very short, and below the lid 54 there is an additional volume that can be attributed to the first partial volume.
  • a comparable construction with a large first partial volume also results in the case where a bellows is used instead of a piston.
  • this embodiment can be seen with reference to Figures 6 and 7, assuming that the free volume below the lid limiting area is constructed bellows. The lower end portion of this bellows is then firmly connected to the housing, not shown here, for example, via a circumferential in the radial direction ⁇ extending collar, which by a lower and an o- Beren housing part is fully clamped.
  • a membrane may be arranged as a movable element in the housing.
  • FIGS 8 and 9 show a further embodiment of a device according to the invention, wherein two successive operating states are shown.
  • the device has a housing 10 in which a liquid working medium 12 is present.
  • a heat source 14 and a heat sink 16 are provided.
  • the heat source extends along the underside of the housing 10 which communicates with the liquid working medium 12.
  • the heat sink 16 communicates with other areas of the free interior volume.
  • a movable element 24 arranged in the housing 10 has two barriers 38, which subdivide the volume in the housing 10 into three sub-volumes 40, 42, 58.
  • the movable member 24 is rotatably supported so that it can drive a generator via a shaft 60.
  • Partial volumes of the devices described in connection with FIGS. 1 to 7 are wetted by the liquid working medium.
  • the heat transfer is unproblematic here.
  • the temperature difference between the condensing liquid and the cooling water, which preferably provides the conditions for a heat sink is low. Therefore, the heat transfer is less favorable here despite wetting the housing wall on both sides.
  • the condensation surface in the second partial volume with a structure, for example with truncated pyramids, the surface of which may optionally be further enlarged by etching ,
  • a ring magnet can be used for the magnet of the generator, as used in loudspeakers.
  • a magnetic ring from a speaker with a Power of 100 W for example, has an outer diameter of about 100 mm, an inner hole of about 57 mm and a height of about 14 mm.
  • On the top and bottom of the magnet sheets can be attached to the field guide.
  • the coils can be arranged in the inner ring, that is, the magnetic ring encloses the coil package. In the case of the up and down movement of the piston, which is relevant in connection with FIGS.
  • the generator can be arranged in the second partial volume, a movement of the magnet can move the gaseous working medium in the second partial volume and thus generate a flow at the condensation surface. This also improves the heat transfer.
  • coils two coil groups can be provided, which deliver by offset in height two in a phase mutually shifted voltages. Each coil group can consist of three individual coils distributed evenly around the circumference of the ring. Thus, the reaction forces between the magnet and the coil core are evenly distributed, and tilting of the magnet is prevented.
  • the cores in the height projection should overlap.
  • the coil cores themselves may consist of ferrite material or vertical transformer sheets.

Abstract

The invention relates to a device and a method for converting thermal energy into electric power. The heat generated during operation of a parking heater is used in part to evaporate a working medium (12). Expansion work that is converted into electric power in a generator (26) is performed as a result of the working medium interacting with a movable element (18, 20, 22, 24). Disclosed is a cyclic process which is performed without renewing the working medium as suitable measures are taken, according to preferred embodiments, to allow the working medium to overflow between partial volumes of a housing (10) in the different aggregation states thereof.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische EnergieApparatus and method for converting thermal energy into electrical energy
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie.The invention relates to an apparatus and a method for converting thermal energy into electrical energy.
Im Kraftfahrzeugbereiσh gewinnen unabhängig vom Verbrennungsmotor arbeitende Heizungen zunehmend an Bedeutung. Derartige Zusatzheizungen sind als Standheizungen für den Betrieb bei ruhendem Verbrennungsmotor und/oder Zuheizer für den Betrieb bei laufendem Verbrennungsmotor ausgebildet.In Kraftfahrzeugbereiσh win working independent of the internal combustion engine heaters increasingly important. Such auxiliary heaters are designed as auxiliary heaters for operation with a stationary internal combustion engine and / or auxiliary heater for operation with the internal combustion engine running.
Für den Start und die Aufrechterhaltung des Betriebs derartiger Zusatzheizungen wird elektrische Energie benötigt, beispielsweise für ein Warmluftgebläse, die Umwälzung eines Wasserkreislaufes bei Wasserheizungen, eine Kraftstoffpumpe, ein Brennluftgebläse und einen elektrisch beheizbaren Glühstift für den Start der Heizung. Diese benötigte elektrische Energie belastet zusätzlich den elektrischen Energiehaushalt des Kraftfahrzeugs. Insbesondere im Falle eines Standheizungsbetriebs ist dies kritisch, da eine Entladung der Batterie erfolgt. Diese Entladung der Batterie kann zwar durch eine geeignete Steuerung der Standheizung begrenzt werden, indem beim Erreichen eines kritischen Entla- dezustandes der Standheizungsbetrieb unterbrochen wird, wobei dies jedoch dann in den meisten Fällen zu einer unzureichenden Betriebsdauer der Standheizung führt. Weiterhin ist selbst trotz des Abbruchs des Heizbetriebes aufgrund eines niedrigen Ladezustandes der Batterie nicht sichergestellt, dass der batterieabhängige Startvorgang des Verbrennungsmotors zuverlässig stattfinden kann, da dies entscheidend vom sonstigen Zustand des Kraftfahrzeugs und den herrschenden Umgebungstemperaturen abhängt. Im schlimmsten Fall wird man demnach mit einem kalten und vereisten Fahrzeug konfrontiert, dessen Verbrennungsmotor sich nicht mehr starten lässt. Das Erreichen eines solchen Zu- standes ist umso wahrscheinlicher, je kürzer die Strecken sind, die man zwischen den einzelnen Betriebsphasen der Standheizung mit dem Kraftfahrzeug zurücklegt, da kurze Strecken nicht ausreichen, um einen befriedigenden Ladezustand der Batterie herbeizuführen.For the start and maintenance of the operation of such additional heaters electrical energy is needed, for example, a hot air blower, the circulation of a water cycle in water heaters, a fuel pump, a combustion air blower and an electrically heated glow plug for the start of the heater. This required electrical energy additionally loads the electrical energy budget of the motor vehicle. In particular, in the case of a parking heater operation, this is critical, since a discharge of the battery takes place. Although this discharge of the battery can be limited by a suitable control of the auxiliary heater by the stoppage heating operation is interrupted upon reaching a critical discharge state, but this then leads in most cases to an insufficient service life of the heater. Furthermore, even despite the termination of the heating operation due to a low state of charge of the battery is not ensured that the battery-dependent starting process of the engine can take place reliably, as this crucially depends on the rest of the state of the motor vehicle and the prevailing ambient temperatures. in the In the worst case, one is confronted with a cold and icy vehicle, whose internal combustion engine can no longer be started. Achieving such a condition is all the more likely, the shorter the distances that are covered between the individual operating phases of the auxiliary heating with the motor vehicle, since short distances are not sufficient to bring about a satisfactory state of charge of the battery.
Um diesem Nachteil abzuhelfen, wurde bereits vorgeschlagen, die von der Zusatzheizung erzeugte Wärmeenergie teilweise in elektrische Energie umzuwandeln, und diese elektrische Energie für den Betrieb der Standheizung zu nutzen. Auf diese Weise würde eine unerwünschte Entladung der Fahrzeug- batterie ausbleiben. Ein Beispiel für ein solches Konzept wird in der DE 102 35 601 Al beschrieben. Im Rahmen dieses Konzeptes wird eine thermoelektrische Einrichtung verwendet, die zwischen einem eine "heiße Seite" bildenden Gehäuseabschnitt und einem eine "kalte Seite" bildenden Gehäuse- abschnitt angeordnet ist. Während des Betriebs des Heizgerätes kann somit an der thermoelektrischen Einrichtung eine Spannung abgegriffen werden. Problematisch an dieser Lösung sind allerdings die Aufrechterhaltung möglichst hoher Temperaturdifferenzen, die für den wirkungsvollen Betrieb von Thermoelementen erforderlich sind, thermische Ausdehnungen im Bereich der thermoelektrischen Einrichtung und eine mangelhafte Wärmeleitfähigkeit zwischen der thermoelektrischen Einrichtung und den Gehäuseabschnitten. Letztlich können diese Probleme dazu führen, dass die für den Betrieb der Zusatzheizung erforderliche elektrische Leistung nicht in vollem Umfang zur Verfügung gestellt werden kann.To remedy this disadvantage, it has been proposed to partially convert the heat energy generated by the additional heating into electrical energy, and to use this electrical energy for the operation of the auxiliary heater. In this way, unwanted discharge of the vehicle battery would fail. An example of such a concept is described in DE 102 35 601 A1. In the context of this concept, a thermoelectric device is used which is arranged between a "hot side" forming housing section and a "cold side" forming housing section. During operation of the heater can thus be tapped at the thermoelectric device, a voltage. The problem with this solution, however, the maintenance of the highest possible temperature differences, which are required for the efficient operation of thermocouples, thermal expansions in the field of thermoelectric device and a poor thermal conductivity between the thermoelectric device and the housing sections. Ultimately, these problems can lead to the fact that the required for the operation of the additional heating electrical power can not be provided in full.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie zur Ver- fügung zu stellen, so dass in jedem Fall sichergestellt ist, dass eine ausreichende Leistung für den Betrieb der Zusatzheizung zur Verfügung steht.The object of the invention is to provide a concept for converting heat energy into electrical energy so as to ensure in each case is that a sufficient power for the operation of the auxiliary heater is available.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen An- sprüche gelöst.This task is solved with the features of the independent claims.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are indicated in the dependent claims.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie mit einem Gehäuse, dessen freies inneres Volumen zumindest zum Teil mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist, einer Wärmequelle zur Abgabe von Wärmeenergie an das Arbeits- medium, einer Wärmesenke zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Arbeitsmedium, einem in dem Gehäuse angeordneten beweglichen Element, das durch einen wärmebedingten mit einer Volumenänderung einhergehenden Phasenübergang des Arbeits- mediums bewegbar ist, wobei aufgrund einer Bewegung des be- weglichen Elementes zuvor von der Wärmequelle erwärmtes Arbeitsmedium von der Wärmesenke abkühlbar ist, zuvor von der Wärmesenke abgekühltes Arbeitsmedium von der Wärmequelle erwärmbar ist und ein elektrische Energie erzeugender Generator antreibbar ist. Ein wesentliches Merkmal der Erfin- düng besteht somit in der Ausnutzung eines Phasenüberganges in einem Arbeitsmedium. Die Erfindung wird beispielhaft an dem Phasenübergang fest-flüssig erläutert, wobei andere Phasenübergänge, die mit einer ausreichenden Volumenänderung einhergehen, ebenfalls die Grundlage für die Ausfüh- rung der Erfindung bilden können; beispielsweise können sublimierende Substanzen zum Einsatz kommen, das heißt ein Phasenübergang fest-gasförmig kann genutzt werden. Aufgrund der Anwesenheit eines beweglichen Elementes kann ein wärmebedingter Phasenübergang unter Volumenvergrößerung statt- finden. Die Bewegungsenergie des beweglichen Elementes kann dann über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Weiterhin wird aufgrund der Bewegung des Elementes ermöglicht, dass das zuvor durch Erwärmung verdampfte Arbeitsmedium mit einem Bereich zur Kühlung des Arbeits- mediutns, das heißt einer Wärmesenke, in Berührung tritt und so wieder einen Phasenübergang vom gasförmigen in den festen Aggregatszustand vollzieht. Hierdurch wird unmittelbar eine Druckverringerung und eine somit entgegen gerichtete Bewegung des beweglichen Elementes herbeigeführt, bezie- hungsweise es wird mittelbar die Vorraussetzung für einen Druckabbau und die hierdurch herbeigeführte Bewegung des beweglichen Elementes geschaffen. In jedem Fall gelangt das bewegliche Element im Sinne eines Kreisprozesses wieder in eine Position, die den erneuten Phasenübergang unter Erhö- hung des Volumens erlaubt.According to the invention, the object is achieved by a device for converting heat energy into electrical energy with a housing, the free inner volume is at least partially filled with a working fluid, a heat source for delivering heat energy to the working medium, a heat sink for receiving Heat energy from the working medium, a movable element arranged in the housing, which is movable by a heat-related phase transition of the working medium with a change in volume, whereby due to a movement of the movable element, working medium heated beforehand by the heat source can be cooled by the heat sink, previously cooled by the heat sink working medium from the heat source can be heated and an electric power generating generator can be driven. An essential feature of the invention is thus the utilization of a phase transition in a working medium. The invention will be explained by way of example with reference to the solid-liquid phase transition, wherein other phase transitions associated with a sufficient change in volume may also form the basis for the embodiment of the invention; For example, subliming substances can be used, that is, a phase transition solid-gaseous can be used. Due to the presence of a movable element, a heat-induced phase transition can take place with an increase in volume. The kinetic energy of the movable element can then be converted into electrical energy via a generator. Furthermore, due to the movement of the element, it is possible for the working medium previously evaporated by heating to come into contact with a region for cooling the working medium, that is to say a heat sink, and thus again carry out a phase transition from the gaseous to the solid state of aggregation. As a result, a pressure reduction and thus an oppositely directed movement of the movable element is brought about directly, or indirectly the prerequisite for a pressure reduction and the movement of the movable element brought about thereby is created. In any case, the movable element returns to a position in the sense of a circular process, which allows the renewed phase transition while increasing the volume.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das bewegliche Element das Innenvolumen des Gehäuses in ein erstes und ein zweites va- riables Teilvolumen unterteilt, wobei das erste Teilvolumen mit der Wärmequelle verbunden ist und das zweite Teilvolumen mit der Wärmesenke verbunden ist und wobei in einer ersten Lage des beweglichen Elementes ein Übertritt von Arbeitsmedium zwischen dem ersten und dem zweiten Teilvolumen und ein Eintritt von Arbeitsmedium in das erste und das zweite Teilvolumen gehemmt oder verhindert wird, in einer zweiten Lage des beweglichen Elementes ein Eintritt von zuvor in dem zweiten Teilvolumen abgekühltem Arbeitsmedium in das erste Teilvolumen ermöglicht wird und ein Übertritt von Arbeitsmedium zwischen dem ersten und dem zweiten Teilvolumen verhindert wird und in einer dritten Lage des beweglichen Elementes ein Übertritt von zuvor in dem ersten Teil- volumen erwärmtem Arbeitsmedium in das zweite Teilvolumen ermöglicht wird. In der ersten Lage des beweglichen Elemen- tes kann ausgehend vom flüssigen Zustand des Arbeitsmediums eine Verdampfung unter Wärmezufuhr stattfinden. Aufgrund der hierdurch bewirkten Bewegung des beweglichen Elementes wird das Volumen, welches für den Phasenübergang erforderlich ist, zur Verfügung gestellt, und weiterhin wird das bewegliche Element in eine zweite Lage gebracht, in der flüssiges Arbeitsmedium in das erste Teilvolumen eintreten kann. Dieses flüssige Medium ist während einer vorangehenden Periode des Kreisprozesses vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatszustand übergetreten. Das bewegliche Element wird dann weiter von der zweiten Lage in eine dritte Lage bewegt, die dann zusätzlich gestattet, dass das gasförmige Arbeitsmedium von dem ersten Teilvolumen in das zweite Teilvolumen übertritt. Dieser Übertritt wird stattfinden, da der Druck im ersten Teilvolumen deutlich höher ist, als der Druck in dem mit der Wärmesenke in Verbindung stehenden zweiten Teilvolumen. Das übergetretene Arbeitsmedium kann dann im zweiten Teilvolumen kondensieren, und das bewegliche Element wird beispielsweise aufgrund der Gewichtskraft oder auch aufgrund einer sonstigen Kraft, beispielsweise einer elastischen Kraft, in eine entgegen gesetzte Richtung bewegt . Während oder am Ende dieser Bewegung kann dann flüssiges Arbeitsmedium aus dem zweiten Teilvolumen für den Übertritt in das erste Volumen bereitgestellt werden, wobei dieser Übertritt dann erfolgen wird, wenn das bewegliche Element während der nächsten Periode des Kreisprozesses wieder die zweite Lage einnimmt.According to a preferred embodiment of the present invention, it is provided that the movable element divides the inner volume of the housing into a first and a second variable partial volume, wherein the first partial volume is connected to the heat source and the second partial volume is connected to the heat sink and in a first position of the movable element, a transfer of working medium between the first and the second sub-volume and an entry of working medium in the first and the second sub-volume is inhibited or prevented, in a second position of the movable element an entry of previously in the second sub-volume cooled working medium in the first sub-volume is made possible and a transfer of working fluid between the first and the second sub-volume is prevented and in a third position of the movable element, a passage of previously heated in the first sub-volume working medium in the second sub-volume n is enabled. In the first position of the movable element, starting from the liquid state of the working medium an evaporation take place with heat. Due to the movement of the movable element caused thereby, the volume required for the phase transition is provided, and furthermore the movable element is brought into a second position, in which liquid working medium can enter the first partial volume. This liquid medium has passed from the gaseous to the liquid state during a preceding period of the cycle. The movable element is then moved further from the second layer to a third layer, which then additionally allows the gaseous working fluid to pass from the first sub-volume to the second sub-volume. This transition will take place because the pressure in the first partial volume is significantly higher than the pressure in the second partial volume associated with the heat sink. The transferred working medium can then condense in the second partial volume, and the movable element is moved in an opposite direction, for example due to the weight or due to some other force, such as an elastic force. During or at the end of this movement, liquid working medium can then be provided from the second partial volume for the passage into the first volume, this transfer then taking place when the movable element again assumes the second position during the next cycle of the cycle.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass das bewegliche Element ein Kolben ist.Usefully, it is provided that the movable element is a piston.
Die Rückströmung des flüssigen Arbeitsmediums vom zweiten Teilvolumen in das erste Teilvolumen, kann dann so realisiert sein, dass in einem den Kolben führenden Wandabschnitt des Gehäuses mindestens ein Rückströmkanal vorgese- hen ist, der in der ersten Lage des Kolbens mit dem zweiten Teilvolumen verbunden und mit dem ersten Teilvolumen nicht verbunden ist, dass in der zweiten Lage des Kolbens der mindestens eine Rückströmkanal mit dem ersten Teilvolumen verbunden und mit dem zweiten Teilvolumen nicht verbunden ist und dass zwischen der ersten und der zweiten Lage keine Zwischenlage existiert, in der sowohl das erste als auch das zweite Teilvolumen mit dem mindestens einen Rückströmkanal verbunden sind. Die Anordnung von Rückströmkanälen in der Wandung des Gehäuses ist nützlich, da auf dieser Grund- läge der Kolben einfach ausgeführt sein kann. Es ist aber auch möglich, die Rückströmkanäle auf der Grundlage geeigneter Mechanismen in den Kolben zu integrieren. Wesentlich für die Erfindung ist, dass eine Rückstrόmung zu einem geeigneten Zeitpunkt stattfinden kann, so dass der Kreispro- zess kontinuierlich ohne Erneuerung des Arbeitsmediums abläuft. Dass zwischen der ersten und der zweiten Lage keine Zwischenstellung existiert, in der sowohl das erste als auch das zweite Teilvolumen mit dem mindestens einen Rückströmkanal verbunden sind, stellt sicher, dass durch die hohe Druckdifferenz zwischen dem ersten Teilvolumen und dem zweiten Teilvolumen kein flüssiges Arbeitsmedium vom ersten Teilvolumen in das zweite Teilvolumen gedrückt wird.The backflow of the liquid working medium from the second partial volume into the first partial volume can then be realized in such a way that at least one return flow channel is provided in a wall section of the housing leading to the piston, which in the first position of the piston with the second Partial volume connected and not connected to the first subvolume that in the second position of the piston, the at least one return flow channel is connected to the first subvolume and not connected to the second subvolume and that between the first and the second layer no intermediate layer exists in the both the first and the second subvolume are connected to the at least one return flow channel. The arrangement of return flow channels in the wall of the housing is useful because on this basis the piston can be made simple. But it is also possible to integrate the return flow channels based on suitable mechanisms in the piston. It is essential for the invention that a return flow can take place at a suitable time, so that the cyclic process takes place continuously without renewing the working medium. The fact that there is no intermediate position between the first and the second position, in which both the first and the second sub-volume are connected to the at least one return flow, ensures that no liquid working medium from the first partial volume and the second partial volume due to the high pressure difference first sub-volume is pressed into the second sub-volume.
Die Erfindung ist weiterhin bevorzugt dadurch ausgebildet, dass in einem den Kolben führenden Wandabschnitt des Gehäuses mindestens ein Überströmkanal vorgesehen ist, der in der dritten Lage des Kolbens den Übertritt von zuvor in dem ersten Teilvolumen erwärmtem Arbeitsmedium in das zweite Teilvolumen ermöglicht. Ein so angeordneter Überströmkanal ermöglicht in einfacher Weise den Druckausgleich zwischen den Teilvolumina, wobei durch dessen Anordnung in der Gehäusewand wiederum erreicht wird, dass der Kolben in einfacher Weise ausgebildet sein kann. Es ist aber auch möglich, dass in dem Kolben ein verschließbarer Überströmkanal vorsehen ist, der in der dritten Lage des Kolbens offen ist und so den Übertritt von zuvor in dem ersten Teilvolumen erwärmtem Arbeitsmedium in das zweite Teilvolumen ermöglicht. Dies kann durch einenThe invention is furthermore preferably formed by providing at least one overflow channel in a wall section of the housing leading to the piston, which permits the transfer of previously heated working medium in the first partial volume into the second partial volume in the third position of the piston. An overflow channel arranged in this way makes it possible in a simple manner to equalize the pressure between the sub-volumes, with its arrangement in the housing wall again ensuring that the piston can be designed in a simple manner. But it is also possible that a closable overflow channel is provided in the piston, which is open in the third position of the piston and thus allows the passage of previously heated in the first part volume working fluid in the second part volume. This can be done by a
Mechanismus erreicht werden, der einen oder mehrerer Kanäle in dem Kolben in dem Moment öffnet, wenn der Kolben eine' bestimmte Position erreicht hat. Insbesondere ist hierdurch der obere "Totpunkt" gut definiert.Mechanism can be achieved, which opens one or more channels in the piston at the moment when the piston has reached a 'certain position. In particular, this is the upper "dead center" well defined.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das bewegliche Element ein Faltenbalg ist. Ein solcher Faltenbalg kann in effizienter Weise aus einem Kunststoff geformt werden. Bei ge- eigneter Auslegung des Formwerkzeugs kann der Faltenbalg in einem einheitlichen Arbeitsgang mit Klappen, Ventilen oder ähnlichen Mitteln bestückt werden, so dass diese die Rückströmkanäle und/oder die Überströmkanäle zur Verfügung stellen können. Bei einer Lösung mit einem Faltenbalg kann daher das Gehäuse ohne jegliche Kanäle ausgebildet werden.According to a further embodiment of the present invention it can be provided that the movable element is a bellows. Such a bellows can be efficiently molded from a plastic. With a suitable design of the molding tool, the bellows can be equipped in a uniform operation with flaps, valves or similar means, so that they can provide the return flow channels and / or the overflow channels. In a solution with a bellows, therefore, the housing can be formed without any channels.
Selbstverständlich ist aber auch im Zusammenhang mit einem Faltenbalg möglich, die Überströmkanäle und/oder die Rückströmkanäle im Gehäuse anzuordnen. Ein Faltenbalg bietet außerdem die Möglichkeit, das Verhältnis des ersten Teilvo- lumens zum zweiten Teilvolumen groß zu wählen. Dies ist von Vorteil, da hierdurch relativ zum gesamten Dampfvolumen geringe vom ersten Teilvolumen in das zweite Teilvolumen ü- bertretende Dampfmengen ausreichen, um einen Druckausgleich herbeizuführen. Auf diese Weise kann die Gefahr eines Sie- dens der Flüssigkeit im ersten Teilvolumen während der Ü- berströmphase des Dampfes in das zweite Teilvolumen verringert werden, und die Arbeitsfrequenz des Kolbens kann aufgrund der geringen übertretenden Dampfmenge erhöht werden. Eine erhöhte Arbeitsfrequenz erlaubt dann wiederum eine Vereinfachung des Generators. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das bewegliche Element eine Membran ist. Eine solche Lösung hat vergleichbare Be- Sonderheiten und Vorteile, wie die Lösung mit einem Faltenbalg, insbesondere was die Anordnung der Kanäle und die Einfachheit in der Herstellung angeht.Of course, however, it is also possible in connection with a bellows to arrange the transfer channels and / or the return flow channels in the housing. A bellows also makes it possible to choose the ratio of the first partial volume to the second partial volume. This is advantageous since, as a result, small quantities of vapor passing from the first subvolume into the second subvolume are sufficient relative to the total vapor volume in order to bring about a pressure equalization. In this way, the risk of a sealing of the liquid in the first partial volume during the overflow phase of the vapor into the second partial volume can be reduced, and the operating frequency of the piston can be increased due to the small excess amount of steam. An increased operating frequency then in turn allows a simplification of the generator. According to another embodiment of the present invention, it can be provided that the movable element is a membrane. Such a solution has similar features and advantages as the solution with a bellows, in particular as regards the arrangement of the channels and the ease of manufacture.
Die Erfindung kann weiterhin in der Form realisiert sein, dass das bewegliche Element mindestens eine Sperre für das Arbeitsmedium aufweist und das bewegliche Element das innere Volumen des Gehäuses in ein erstes und ein zweites variables Teilvolumen unterteilt, wobei bei einer Bewegung des beweglichen Elementes in eine erste Richtung das erste Teilvolumen vergrößert wird, das zweite Teilvolumen verkleinert wird, das erste Teilvolumen einen vergrößerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke erhält und das zweite Teilvolumen einen verkleinerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke erhält und wobei bei einer Bewegung des beweglichen Elementes in eine zweite Richtung das erste Teilvolumen verkleinert wird, das zweite Teilvolumen vergrößert wird, das erste Teilvolumen einen verkleinerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke erhält und das zweite Teilvolumen einen vergrößerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke erhält. Im Gegensatz zu den bisher genannten Ausführungsformen erfolgt bei der zuletzt genannten Lösung sowohl die Verdampfung als auch die Kondensation des Arbeitsmediums auf derselben "Seite" des beweglichen Elementes. Um eine Bewegung des beweglichen Elementes in entgegen gesetzte Richtung zu reali- sieren, was eine Vorraussetzung für den kontinuierlichenThe invention may further be realized in the form that the movable element has at least one barrier for the working medium and the movable element divides the inner volume of the housing into a first and a second variable partial volume, wherein upon movement of the movable element into a first Direction of the first sub-volume is increased, the second sub-volume is reduced, the first sub-volume receives an enlarged contact area with the heat sink and the second sub-volume receives a reduced contact area with the heat sink and wherein upon movement of the movable member in a second direction, the first sub-volume decreases is, the second sub-volume is increased, the first sub-volume receives a reduced contact area with the heat sink and the second sub-volume receives an enlarged contact area with the heat sink. In contrast to the previously mentioned embodiments, both the evaporation and the condensation of the working medium take place on the same "side" of the movable element in the latter solution. In order to realize a movement of the movable element in the opposite direction, which is a prerequisite for the continuous
Betrieb des Generators darstellt, sind zwei solche Teilvolumina vorgesehen, in denen identische oder vergleichbare Prozesse stattfinden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie mit den Schritten:Operation of the generator, two such sub-volumes are provided, in which identical or comparable processes take place. The invention further relates to a method for converting heat energy into electrical energy with the steps:
- Bereitstellen von Wärmeenergie,Providing heat energy,
Erwärmen eines Arbeitsmediums unter Verwendung der Wärmeenergie, wodurch ein erster Phasenübergang, eine Druckerhöhung in einem Teilvolumen eines Gehäuses und eine Vergrößerung des Teilvolumens durch Bewegen eines beweglichen Elementes in eine erste Richtung herbeigeführt werden,Heating a working medium using the heat energy, whereby a first phase transition, an increase in pressure in a partial volume of a housing and an enlargement of the partial volume are brought about by moving a movable element in a first direction,
Abkühlen des Arbeitsmediums, wodurch ein dem ersten Phasenübergang entgegen gesetzter zweiter Phasenübergang, eine Druckminderung in dem zuvor erwärmten Arbeitsmedium und eine Verringerung des Teilvolumens durch Bewegen eines beweglichen Elementes in eine zweite Richtung herbeigeführt werden, undCooling of the working medium, whereby a second phase transition opposed to the first phase transition, a pressure reduction in the previously heated working medium and a reduction of the partial volume by moving a movable element in a second direction are brought about, and
Umwandeln der Bewegungsenergie des beweglichen Elementes in elektrische Energie.Converting the kinetic energy of the moving element into electrical energy.
Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch in einem Verfahren umgesetzt .In this way, the advantages and special features of the device according to the invention are also implemented in a method.
Im Hinblick auf die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfaltet dieses seine besonderen Vorzüge dadurch, dass die Wärmeenergie zumindest teilweise von einer Standheizung eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt wird und die elektrische Energie zumindest teilweise für den Betrieb der Standheizung genutzt wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine unter allen Umständen ausreichende Lieferung einer elektrischen Leistung auf der Grundlage eines vergleichsweise einfachen thermodynamisehen Prozesses zur Verfügung gestellt werden kann. Ein Medium erfährt durch Erwärmung und einen Phasenübergang eine starke Volumenausdehnung, die durch die Bewegung eines beweglichen Elementes ermöglicht wird. Die resultierende Volumenarbeit kann über einen Generator in elektrische Energie umgesetzt werden. Indem die flüssigen und gasförmigen Mengen des Arbeitsmediums in geeigneterWith regard to the application of the method according to the invention this unfolds its particular advantages in that the heat energy is at least partially provided by a parking heater of a motor vehicle available and the electrical energy is at least partially used for the operation of the heater. The invention is based on the finding that under all circumstances sufficient supply of electrical power can be made available on the basis of a comparatively simple thermodynamic process. A medium undergoes a large volume expansion through heating and a phase transition, which is made possible by the movement of a movable element. The resulting volume work can be converted by a generator into electrical energy. By the liquid and gaseous amounts of the working medium in a suitable
Weise geführt werden, kann ein Kreisprozess ablaufen, der insbesondere ohne Verbrauch des Arbeitsmediums kontinuierlich eine elektrische Leistung zur Verfügung stellt, die bei konkreten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielsweise im Bereich von 50 bis 100 W liegt, das heißt im allgemeinen ausreichend sein wird, um den Betrieb der Zusatzheizung mit ausreichender Reserve aufrechtzuerhalten. Überschüssige elektrische Leistung kann in das Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist und beispielsweise zum Laden der Bat- terie verwendet werden.Be guided, a cycle can take place, which provides continuously, in particular without consumption of the working medium, an electrical power that is in concrete embodiments of the present invention, for example in the range of 50 to 100 W, that is generally sufficient to the Maintain operation of the auxiliary heater with sufficient reserve. Excess electrical power can be fed into the on-board network of the vehicle and used, for example, to charge the battery.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings by way of particularly preferred embodiments.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Arbeitsstellung;Figure 1 is a sectional view of an embodiment of a device according to the invention in a first working position;
Figur 2 die Ausführungsform gemäß Figur 1 in einer zweiten Arbeitsstellung; Figur 3 die Ausführungsform gemäß Figur 1 in einer dritten Arbeitsstellung;Figure 2 shows the embodiment of Figure 1 in a second working position; Figure 3 shows the embodiment of Figure 1 in a third working position;
Figur 4 eine Schnittdarstellung eines Kolbens zur Verwen- düng in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Arbeitstellung;FIG. 4 is a sectional view of a piston for use in a device according to the invention in a first working position;
Figur 5 den Kolben gemäß Figur 4 in einer zweiten Arbeitstellung;FIG. 5 shows the piston according to FIG. 4 in a second working position;
Figur 6 eine Schnittdarstellung eines weiteren Kolbens zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Arbeitstellung;Figure 6 is a sectional view of another piston for use in a device according to the invention in a first working position;
Figur 7 den Kolben gemäß Figur 6 in einer zweiten Arbeit- Stellung;FIG. 7 shows the piston according to FIG. 6 in a second working position;
Figur 8 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Arbeitsstellung undFigure 8 is a sectional view of another embodiment of a device according to the invention in a first working position and
Figur 9 die Ausführungsform gemäß Figur 8 in einer zweiten Arbeitsstellung.FIG. 9 shows the embodiment according to FIG. 8 in a second working position.
Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs- formen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of preferred embodiments of the present invention, like reference characters designate like or similar components.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen Schnittdarstellungen einer vor- teilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in drei verschiedenen ArbeitStellungen. Ein Gehäuse 10, das vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet ist, beherbergt einen Kolben 18 und einen Generator 26. Der Kolben 18 steht über einen Stößel 44 mit dem Generator 26 zum Zwecke des Antriebs des Generators 26 in Verbindung. Der Kolben 18 unterteilt das innere Volumen des Gehäuses 10 in ein erstes Teilvolumen 28 unterhalb des Kolbens 18 und ein zweites Teilvolumen 30 oberhalb des Kolbens 18. Aufgrund einer Bewegungsmöglichkeit des Kolbens 18 in dem Gehäuse 10, sind die Teilvolumina 28, 30 variabel. Das freie innere Volumen des Gehäuses 10 ist mit einem Arbeitsmedium 12 gefüllt, wobei das im flüssigen Aggregatszustand vorliegende Arbeits- medium 12 dargestellt ist. Das restliche freie Volumen des Gehäuses 10 ist mit dem Arbeitsmedium in gasförmiger Phase entsprechend dem jeweiligen Dampfdruck des flüssigen Arbeitsmediums 12 in den Teilvolumina 28, 30 gefüllt. Als Arbeitsmedium kommen beispielsweise Wasser oder Alkohole in Frage. Der Kolben 18 hat eine glatte zylinderförmige Außenwand, über die er in dem Gehäuse 10 geführt wird. Die im Wesentlichen zylinderförmige Innenwand des Gehäuses 10 ist mit Kanälen 32, 34 versehen. Es sind Rückströmkanäle 32 und Überströmkanäle 34 vorgesehen, wobei diese Bezeichnung der Kanäle 32, 34 im Rahmen der nachfolgenden Funktionsbeschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert wird. Das Gehäuse 10 stellt eine Wärmequelle 14 und eineFigures 1 to 3 show sectional views of an advantageous embodiment of a device according to the invention in three different working positions. A housing 10, which is preferably cylindrical, accommodates a piston 18 and a generator 26. The piston 18 is connected via a plunger 44 to the generator 26 for the purpose of driving the generator 26 in connection. The piston 18 divides the inner volume of the housing 10 in a first sub-volume 28 below the piston 18 and a second sub-volume 30 above the piston 18. Due to a possibility of movement of the piston 18 in the housing 10, the sub-volumes 28, 30 are variable. The free inner volume of the housing 10 is filled with a working medium 12, wherein the present in the liquid state of aggregate state working medium 12 is shown. The remaining free volume of the housing 10 is filled with the working medium in gaseous phase corresponding to the respective vapor pressure of the liquid working medium 12 in the partial volumes 28, 30. As a working medium, for example, water or alcohols come into question. The piston 18 has a smooth cylindrical outer wall, over which it is guided in the housing 10. The substantially cylindrical inner wall of the housing 10 is provided with channels 32, 34. There are Rückströmkanäle 32 and overflow 34 provided, this designation of the channels 32, 34 is explained in the context of the following functional description of the device according to the invention. The housing 10 provides a heat source 14 and a
Wärmesenke 16 zur Verfügung, wobei die Wärmequelle 14 von einer Standheizung erzeugte Wärmeenergie an das Teilvolumen 28 abgeben und die Wärmesenke 16 durch das Kühlsystem des Fahrzeugs beliefert werden kann.Heat sink 16 is available, wherein the heat source 14 deliver heat energy generated by a heater to the sub-volume 28 and the heat sink 16 can be supplied by the cooling system of the vehicle.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß den Figuren 1 bis 3 arbeitet wie folgt. In der Darstellung gemäß Figur 1 befindet sich der Kolben 18 in einer ersten Lage, seiner unteren Endlage. In diesem Zustand werden die Überströmkanäle 34 durch den Kolben 18 verschlossen. Ebenso wird durch denThe inventive device according to Figures 1 to 3 operates as follows. In the illustration according to FIG. 1, the piston 18 is in a first position, its lower end position. In this state, the overflow channels 34 are closed by the piston 18. Likewise by the
Kolben 18 verhindert, dass in den Rückströmkanälen 32 vorliegendes Arbeitsmedium 12 in das erste Teilvolumen 28 eintreten kann. Da das erste Teilvolumen 28, das heißt das im ersten Teilvolumen 28 vorliegende Arbeitsmedium 12, mit ei- ner Wärmequelle 14 in Verbindung steht, kann dieses von der Wärmequelle 14 erwärmt werden. Die mechanischen und thermo- dynamischen Eigenschaften des Systems sind nun so ausgelegt, dass das Arbeitsmedium 12 im ersten Teilvolumen 28 eine starke Volumenänderung aufgrund eines Phasenübergangs erfährt, wobei diese Volumenänderung durch die Beweglichkeit des Kolbens 18 ermöglicht wird. Aufgrund der Erwärmung des Arbeitsmediums 12 im ersten Teilvolumen 28 wird der Kolben folglich in seine in Figur 2 dargestellte Lage überführt. Im Hinblick auf die Überströmkanäle 34 ist die in Figur 2 dargestellte Lage des Kolbens 18 äquivalent zu der in Figur 1 dargestellten Lage. Allerdings hat der Kolben zum Erreichen der in Figur 2 dargestellten Lage mit seiner oberen Begrenzung das obere Ende der Rückstrδmkanäle 32 ü- berstrichen, bevor er dann das untere Ende der Rückströmka- näle 32 freigegeben hat, das heißt mit dem ersten Teilvolumen verbunden hat. Demgemäß konnte das in den Rückströmkanälen 32 vorliegende flüssige Arbeitsmedium in das erste Teilvolumen 28 zurückfließen. In dieser Situation erfolgt weiterhin eine Erwärmung des Arbeitsmediums 12 im ersten Teilvolumen 28, so dass eine weitere Bewegung des Kolbens 18 in seine in Figur 3 dargestellte Lage stattfindet. Bezüglich der Rückströmkanäle 32 ist die in Figur 3 dargestellte Lage des Kolbens äquivalent zu der in Figur 2 dargestellten Lage. Allerdings werden die Überströmkanäle 34 nun nicht mehr von dem Kolben 18 verschlossen. Folglich kann gasförmiges Arbeitsmedium über die Überströmkanäle 34 aus dem ersten Teilvolumen 28 in das zweite Teilvolumen 30 unter Druckminderung im ersten Teilvolumen 28 und Druckerhöhung im zweiten Teilvolumen 30 überströmen. Auf diese Weise erfolgt ein Druckausgleich zwischen den Teilvolumina 28, 30, und der Kolben 18 kann sich in seine in Figur 1 dargestellte Lage zurückbewegen. Die Abwärtsbewegung des Kolbens kann durch Gewichtskraft und/oder die Kraft einer während der Aufwärtsbewegung gespannten nicht dargestellten Feder und/oder durch den Generator zur Verfügung gestellt werden. Unterdessen kondensiert das in das zweite Teilvolumen 30 übergetretene Arbeitsmedium durch Wärmeabgabe an die Wärmesenke 16, die durch das zweite Teilvolumen 30 begrenzende kältere Gehäuseabschnitte zur Verfügung gestellt wird. Dieses kondensierte Arbeitsmedium 12 sammelt sich dann wieder zumindest teilweise in den Rückströmkanälen 32, so dass es für den nächsten Arbeitszyklus zum Übertritt in das erste Teilvolumen 28 zur Verfügung steht.Piston 18 prevents present in the return flow channels 32 working medium 12 can enter the first sub-volume 28. Since the first partial volume 28, that is to say the working medium 12 present in the first partial volume 28, is connected to a heat source 14, it can be connected to the heat exchanger 14 Heat source 14 are heated. The mechanical and thermodynamic properties of the system are now designed so that the working medium 12 in the first sub-volume 28 undergoes a large volume change due to a phase transition, this volume change being made possible by the mobility of the piston 18. Due to the heating of the working medium 12 in the first partial volume 28, the piston is thus converted into its position shown in Figure 2. With regard to the overflow channels 34, the position of the piston 18 shown in FIG. 2 is equivalent to the position shown in FIG. However, in order to achieve the position shown in FIG. 2, the upper end of the return flow channels 32 has been crossed over by the upper boundary of the piston, before it has then released the lower end of the return flow channels 32, that is to say has connected it to the first partial volume. Accordingly, the liquid working medium present in the return flow channels 32 could flow back into the first partial volume 28. In this situation, the working medium 12 continues to be heated in the first partial volume 28, so that a further movement of the piston 18 takes place in its position shown in FIG. With regard to the return flow channels 32, the position of the piston shown in FIG. 3 is equivalent to the position shown in FIG. However, the overflow 34 are no longer closed by the piston 18 now. Consequently, gaseous working medium can flow over the overflow channels 34 from the first partial volume 28 into the second partial volume 30 while reducing the pressure in the first partial volume 28 and increasing the pressure in the second partial volume 30. In this way, a pressure equalization between the sub-volumes 28, 30, and the piston 18 can move back into its position shown in Figure 1. The downward movement of the piston may be provided by weight and / or the force of a spring not shown during the upward movement, and / or by the generator become. Meanwhile, the working medium transferred into the second partial volume 30 condenses by heat emission to the heat sink 16, which is provided by the second partial volume 30 delimiting colder housing sections available. This condensed working medium 12 then collects again at least partially in the return flow channels 32, so that it is available for the next partial cycle 28 for the next working cycle.
Die Figuren 4 und 5 zeigen einen Kolben 20 mit einem darin vorgesehenen Überströmkanal 36. Ein Gehäuse, das einen solchen Kolben 20 beherbergt, muss daher nicht die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Überströmkanäle 34 aufweisen. In dem Kolben 20 ist eine bistabile Feder 46 angeordnet und fest mit dem Kolben 20 verbunden. Die beiden' stabilen Stellungen der bistabilen Feder 46 sind in den Figuren 4 und 5 jeweils dargestellt. Die bistabile Feder 46 ist mittig mit einer ein Langloch 48 aufweisenden Stange 50 verbunden. An ihrer anderen Seite ist die bistabile Feder 46 über eine weitere Stange 52 mit einem Deckel 54 verbunden, der geeignet ist, den Überströmkanal 36 zu verschließen oder freizugeben. Die verschlossene Stellung des Überströmkanals 36 ist in Figur 4 dargestellt, während die geöffnete Stellung des Überströmkanals 36 in Figur 5 dargestellt ist. Weiter- hin ist ein Zapfen 56 zu erkennen, der fest mit dem hier nicht dargestellten Gehäuse verbunden ist und der folglich bei einer Bewegung des Zylinders 20 in dem Langloch 48 wandert.FIGS. 4 and 5 show a piston 20 with an overflow channel 36 provided therein. A housing which accommodates such a piston 20 therefore does not have to have the overflow channels 34 shown in FIGS. 1 to 3. In the piston 20, a bistable spring 46 is arranged and fixedly connected to the piston 20. The two ' stable positions of the bistable spring 46 are shown in Figures 4 and 5, respectively. The bistable spring 46 is connected centrally with a slot 48 having a rod 50. On its other side, the bistable spring 46 is connected via a further rod 52 with a cover 54 which is suitable for closing or opening the overflow channel 36. The closed position of the overflow channel 36 is shown in Figure 4, while the open position of the overflow 36 is shown in Figure 5. Furthermore, a pin 56 can be seen, which is firmly connected to the housing, not shown here, and thus moves in a movement of the cylinder 20 in the slot 48.
In Figur 4 ist die Lage des Zapfens 56 bezüglich des Langlochs 48 in einer unteren Stellung des Kolbens dargestellt. In diesem Zustand ist die bistabile Feder 46 nach oben gewölbt, und folglich verschließt der Deckel 54 den Überströmkanal 36. Bewegt sich nun der Kolben 20 aufgrund der Phasenumwandlung des Arbeitsmediums nach oben, so bleibt der Überströmkanal 36 zunächst verschlossen, und der Zapfen 56 bewegt sich relativ zum Langloch 48 nach unten. Erreicht der Zapfen 56 das untere Ende des Langloches, so führt dies dazu, dass auf die bistabile Feder 56 eine nach unten ge- richtete mittig angreifende Kraft ausgeübt wird, was dazu führt, dass die bistabile Feder 46 ihre nach unten gewölbte Stellung einnimmt. Folglich wird der Überströmkanal 36 durch Abheben des Deckels 54 vom Kolben 20 geöffnet.In Figure 4, the position of the pin 56 with respect to the elongated hole 48 is shown in a lower position of the piston. In this state, the bistable spring 46 is curved upward, and thus the cover 54 closes the overflow channel 36. Now moves the piston 20 due to the phase transformation of the working medium upwards, so remains the overflow channel 36 initially closed, and the pin 56 moves relative to the slot 48 down. If the pin 56 reaches the lower end of the elongated hole, this results in a downwardly directed, centrally acting force being exerted on the bistable spring 56, with the result that the bistable spring 46 assumes its downwardly curved position. Consequently, the overflow channel 36 is opened by lifting the lid 54 from the piston 20.
Auf der Grundlage dieses in den Figuren 4 und 5 dargestellten Kolbens 20 ergibt sich mitunter ein günstigeres Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da der Überströmkanal 36 erst kurz vor dem oberen Totpunkt geöffnet wird und bis zum Erreichen der unteren Endlage geöffnet bleibt.On the basis of this piston 20 shown in FIGS. 4 and 5, a more favorable operating behavior of the device according to the invention sometimes results, since the overflow channel 36 is opened only shortly before top dead center and remains open until the lower end position is reached.
In den Figuren 6 und 7 ist eine Variante der Ausführungsformen gemäß den Figuren 4 und 5 dargestellt. Um das erste Teilvolumen 28 (siehe Figuren 1 bis 3) möglichst groß zu gestalten, was die bereits beschriebenen Vorteile während des Betriebs nach sich zieht, ist der verschließbare Bereich des Kolbens 22 sehr kurz gestaltet, und unterhalb des Deckels 54 befindet sich ein zusätzliches Volumen, dass dem ersten Teilvolumen zugerechnet werden kann.FIGS. 6 and 7 show a variant of the embodiments according to FIGS. 4 and 5. In order to make the first partial volume 28 (see FIGS. 1 to 3) as large as possible, which entails the advantages already described during operation, the closable region of the piston 22 is made very short, and below the lid 54 there is an additional volume that can be attributed to the first partial volume.
Ein vergleichbarer Aufbau mit großem erstem Teilvolumen ergibt sich auch in dem Fall, dass ein Faltenbalg anstelle eines Kolbens verwendet wird. Auch diese Ausführungsform kann anhand der Figuren 6 und 7 erkannt werden, wenn man davon ausgeht, dass der das freie Volumen unterhalb des Deckels begrenzende Bereich faltenbalgartig aufgebaut ist. Der untere Endbereich dieses Faltenbalges ist dann fest mit dem hier nicht dargestellten Gehäuse verbunden, beispielsweise über einen umlaufenden sich in radialer Richtung erstreckenden Kragen, der durch einen unteren und einen o- beren Gehäuseteil vollumfänglich eingeklemmt wird. In vergleichbarer Weise kann eine Membran als bewegliches Element im Gehäuse angeordnet sein.A comparable construction with a large first partial volume also results in the case where a bellows is used instead of a piston. Also, this embodiment can be seen with reference to Figures 6 and 7, assuming that the free volume below the lid limiting area is constructed bellows. The lower end portion of this bellows is then firmly connected to the housing, not shown here, for example, via a circumferential in the radial direction extending collar, which by a lower and an o- Beren housing part is fully clamped. Similarly, a membrane may be arranged as a movable element in the housing.
Die Figuren 8 und 9 zeigen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei zwei aufeinander folgende Betriebszustände dargestellt sind. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 10 auf, in dem ein flüssiges Arbeitsmedium 12 vorliegt. Es sind eine Wärmequelle 14 und eine Wärme- senke 16 vorgesehen. Die Wärmequelle erstreckt sich entlang der Unterseite des Gehäuses 10, die mit dem flüssigen Arbeitsmedium 12 in Verbindung steht. Die Wärmesenke 16 steht mit anderen Bereichen des freien Innenvolumens in Verbindung. Ein in dem Gehäuse 10 angeordnetes bewegliches Ele- ment 24 weist zwei Sperren 38 auf, die das Volumen in dem Gehäuse 10 in drei Teilvolumina 40, 42, 58 unterteilt. Das bewegliche Element 24 ist drehbar gelagert, so dass es über eine Welle 60 ein Generator antreiben kann.Figures 8 and 9 show a further embodiment of a device according to the invention, wherein two successive operating states are shown. The device has a housing 10 in which a liquid working medium 12 is present. A heat source 14 and a heat sink 16 are provided. The heat source extends along the underside of the housing 10 which communicates with the liquid working medium 12. The heat sink 16 communicates with other areas of the free interior volume. A movable element 24 arranged in the housing 10 has two barriers 38, which subdivide the volume in the housing 10 into three sub-volumes 40, 42, 58. The movable member 24 is rotatably supported so that it can drive a generator via a shaft 60.
Die in den Figuren 8 und 9 dargestellte erfindungsgemäßeThe invention shown in Figures 8 and 9
Vorrichtung arbeitet wie folgt. Geht man von dem in Figur 8 dargestellten Zustand aus und betrachtet man das Teilvolumen 40, so erkennt man eine größere Menge an flüssigem Arbeitsmedium 12. Dieses flüssige Arbeitsmedium 12 wird über die Wärmequelle 14 erwärmt, so dass ein Phasenübergang unter Volumenerhöhung stattfindet. Diese Volumenerhöhung wird durch eine Bewegung der Sperre 38 zusammen mit dem beweglichen Element 24 ermöglicht. Aufgrund dieser Bewegung kommt das verdampfte Arbeitsmedium mit kühleren Bereichen des Ge- häuses 10, das heißt mit der Wärmesenke 16, in Verbindung. Unterdessen ist aber bereits in dem Teilvolumen 42 vorhandenes gasförmiges Arbeitsmedium kondensiert, so dass nun das Teilvolumen 42 die anfängliche Rolle des Teilvolumens 40 übernimmt. Das im Teilvolumen 42 vorliegende flüssige Arbeitsmedium 12 wird folglich erwärmt, während im Teilvo- lumen 40 eine Druckverminderung aufgrund der Kondensation des Arbeitsmediums stattfindet. Letztlich kann dann also eine Bewegung des beweglichen Elementes 24 in die entgegen gesetzte Richtung erfolgen, um wieder den in Figur 8 darge- stellten Zustand zu erreichen.Device works as follows. If one starts from the state shown in FIG. 8 and looks at the partial volume 40, one recognizes a larger amount of liquid working medium 12. This liquid working medium 12 is heated via the heat source 14, so that a phase transition takes place with an increase in volume. This increase in volume is made possible by a movement of the barrier 38 together with the movable element 24. As a result of this movement, the evaporated working medium comes into contact with cooler regions of the housing 10, that is, with the heat sink 16. Meanwhile, however, gaseous working medium already present in the partial volume 42 is condensed, so that now the partial volume 42 assumes the initial role of the partial volume 40. The liquid working medium 12 present in the partial volume 42 is consequently heated, while in the partial volume 42 the liquid working medium 12 is heated. Lumen 40, a pressure reduction due to the condensation of the working medium takes place. Ultimately, then, a movement of the movable element 24 can take place in the opposite direction to again reach the state shown in Figure 8.
Im Hinblick auf die beteiligten Oberflächen innerhalb der im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Ausführungsformen, spielen die folgenden Umstände, insbesondere im Hinblick auf den Wärmeübergang, eine Rolle. Das ersteWith regard to the surfaces involved within the embodiments described in the context of the present invention, the following circumstances, in particular with regard to the heat transfer, play a role. The first
Teilvolumen der Vorrichtungen, die im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 7 beschrieben wurden, wird durch das flüssige Arbeitsmedium benetzt. Da zusätzlich eine relativ hohe Temperaturdifferenz zwischen der Brennerflamme, die beispiels- weise direkt auf den die Wärmequelle bildenden Gehäuseabschnitt wirken kann, und dem flüssigen Arbeitsmedium besteht, ist hier der Wärmeübergang unproblematisch. Allerdings ist die Temperaturdifferenz zwischen der kondensierenden Flüssigkeit und dem Kühlwasser, das vorzugsweise die Vorraussetzungen für eine Wärmesenke schafft, gering. Daher ist hier der Wärmeübergang trotz beidseitiger Benetzung der Gehäusewand ungünstiger. Damit die äußeren Gehäuseabmaße im Zusammenhang mit der Bereitstellung einer hinreichenden O- berfläche nicht zu groß werden, ist es möglich, die Konden- sationsflache im zweiten Teilvolumen mit einer Struktur zu versehen, beispielsweise mit Pyramidenstümpfen, deren Oberfläche gegebenenfalls zusätzlich durch Ätzen weiter vergrößert werden kann .Partial volumes of the devices described in connection with FIGS. 1 to 7 are wetted by the liquid working medium. In addition, since a relatively high temperature difference between the burner flame, which can act, for example, directly on the housing portion forming the heat source, and the liquid working medium, the heat transfer is unproblematic here. However, the temperature difference between the condensing liquid and the cooling water, which preferably provides the conditions for a heat sink, is low. Therefore, the heat transfer is less favorable here despite wetting the housing wall on both sides. In order that the outer housing dimensions do not become too large in connection with the provision of a sufficient surface, it is possible to provide the condensation surface in the second partial volume with a structure, for example with truncated pyramids, the surface of which may optionally be further enlarged by etching ,
Ein weiterer Aspekt, der mit der vorliegenden Erfindung und mit allen beschriebenen Ausführungsformen in einem Zusammenhang steht, betrifft die Ausführung des Generators. Für den Magneten des Generators kann beispielsweise ein Ringmagnet verwendet werden, wie er in Lautsprechern zum Ein- satz kommt. Ein Magnetring aus einem Lautsprecher mit einer Leistung von 100 W hat beispielsweise einen Außendurchmesser ca. 100 mm, ein Innenloch von ca. 57 mm und eine Höhe von ca. 14 mm. Auf der Ober- und Unterseite des Magneten können Bleche zur Feldführung angebracht werden. Die Spulen können im Innenring angeordnet werden, das heißt der Magnetring umschließt das Spulenpaket. Bei der im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 7 relevanten Auf- und Abbewegung des Kolbens kann diese dann auf den Magnetring übertragen werden, der sich an der Längsachse der Spulen auf- und abbe- wegt . Da der Generator im zweiten Teilvolumen angeordnet sein kann, kann eine Bewegung des Magneten das gasförmige Arbeitsmedium im zweiten Teilvolumen bewegen und so eine Strömung an der Kondensationsfläche erzeugen. Auch dies verbessert den Wärmeübergang. Als Spulen können zwei Spu- lengruppen vorgesehen sein, die durch Versatz in der Höhe zwei in einer Phase gegeneinander verschobene Spannungen liefern. Jede Spulengruppe kann aus drei Einzelspulen bestehen, die gleichmäßig auf dem Umfang des Ringes verteilt sind. So sind die Rückwirkungskräfte zwischen Magnet und Spulenkern gleichmäßig verteilt, und ein Kippen des Magneten wird verhindert. Damit beim Übergang zwischen den beiden Phasen keine "Rastkräfte" zu einer ruckartigen Bewegung des Magneten führen, sollten sich die Kerne in der Höhenprojektion überschneiden. Durch Veränderung der Querschnit- te kann in Folge der Sättigung des Spulenkerns ein gleitender Übergang des Magnetfeldes erzielt werden. Die Spulenkerne selbst können aus Ferritmaterial oder senkrecht stehenden Trafoblechen bestehen.Another aspect related to the present invention and to all described embodiments relates to the implementation of the generator. For example, a ring magnet can be used for the magnet of the generator, as used in loudspeakers. A magnetic ring from a speaker with a Power of 100 W, for example, has an outer diameter of about 100 mm, an inner hole of about 57 mm and a height of about 14 mm. On the top and bottom of the magnet sheets can be attached to the field guide. The coils can be arranged in the inner ring, that is, the magnetic ring encloses the coil package. In the case of the up and down movement of the piston, which is relevant in connection with FIGS. 1 to 7, it can then be transmitted to the magnetic ring, which moves up and down on the longitudinal axis of the coils. Since the generator can be arranged in the second partial volume, a movement of the magnet can move the gaseous working medium in the second partial volume and thus generate a flow at the condensation surface. This also improves the heat transfer. As coils, two coil groups can be provided, which deliver by offset in height two in a phase mutually shifted voltages. Each coil group can consist of three individual coils distributed evenly around the circumference of the ring. Thus, the reaction forces between the magnet and the coil core are evenly distributed, and tilting of the magnet is prevented. So that no "cogging forces" lead to a jerky movement of the magnet during the transition between the two phases, the cores in the height projection should overlap. By changing the cross sections, a sliding transition of the magnetic field can be achieved as a result of the saturation of the coil core. The coil cores themselves may consist of ferrite material or vertical transformer sheets.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Bezugszeichenliste :The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the drawings and in the claims may be essential to the realization of the invention both individually and in any combination. List of reference numbers:
10 Gehäuse10 housing
12 Arbeitsmedium12 working medium
14 Wärmequelle14 heat source
16 Wärmesenke16 heat sink
18 Kolben18 pistons
20 Kolben20 pistons
22 Kolben22 pistons
24 bewegliches Element24 movable element
26 Generator26 generator
28 erstes Teilvolumen28 first partial volume
30 zweites Teilvolumen30 second partial volume
32 Rückströmkanal32 return flow channel
34 Überströmkanal34 overflow channel
36 Überströmkanal36 overflow channel
38 Sperre38 lock
40 Teilvolumen40 partial volumes
42 Teilvolumen42 partial volumes
44 Stößel44 pestles
46 bistabile Feder46 bistable spring
48 Langloch48 slot
50 Stange50 pole
52 Stange52 pole
54 Deckel54 Lid
56 Zapfen56 cones
58 Teilvolumen58 partial volumes
60 Welle 60 wave

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie mit1. Device for converting heat energy into electrical energy with
einem Gehäuse (10) , dessen freies inneres Volumen zumindest zum Teil mit einem Arbeitsmedium (12) gefüllt ist,a housing (10) whose free inner volume is at least partially filled with a working medium (12),
einer Wärmequelle (14) zur Abgabe von Wärmeenergie an das Arbeitsmedium,a heat source (14) for delivering heat energy to the working medium,
- einer Wärmesenke (16) zur Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Arbeitsmedium,a heat sink (16) for absorbing heat energy from the working medium,
einem in dem Gehäuse angeordneten beweglichen Element (18, 20, 22, 24), das durch einen wärmebedingten mit einer Volumenänderung einhergehenden Phasenübergang des Arbeitsmediums bewegbar ist, wobei aufgrund einer Bewegung des beweglichen Elementesa movable element (18, 20, 22, 24) arranged in the housing, which is movable by a heat-related with a volume change phase transition of the working medium, wherein due to a movement of the movable member
zuvor von der Wärmequelle erwärmtes Arbeitsmedium von der Wärmesenke abkühlbar ist,previously heated by the heat source working fluid from the heat sink can be cooled,
zuvor von der Wärmesenke abgekühltes Arbeitsmedium von der Wärmequelle erwärmbar ist undpreviously cooled by the heat sink working fluid from the heat source is heated and
- ein elektrische Energie erzeugender Generator- An electric power generating generator
(26) antreibbar ist.(26) is drivable.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element das Innenvolumen des Gehäuses in ein erstes (28) und ein zweites (30) variables Teilvolu- men unterteilt, wobei das erste Teilvolumen mit der Wärmequelle (14) verbunden ist und das zweite Teilvolumen mit der Wärmesenke (16) verbunden ist und wobei2. Device according to claim 1, characterized in that the movable element, the inner volume of the housing in a first (28) and a second (30) variable Teilvolu- divided, wherein the first sub-volume with the heat source (14) is connected and the second sub-volume with the heat sink (16) is connected and wherein
- in einer ersten Lage des beweglichen Elementes (18, 20, 22) ein Übertritt von Arbeitsmedium zwischen dem ersten und dem zweiten Teilvolumen und ein Eintritt von Arbeitsmedium in das erste und das zweite Teilvolumen gehemmt oder verhindert wird,in a first position of the movable element (18, 20, 22), a transfer of working medium between the first and the second partial volume and an entry of working medium into the first and the second partial volume is inhibited or prevented,
in einer zweiten Lage des beweglichen Elementes ein Eintritt von zuvor in dem zweiten Teilvolumen abgekühltem Arbeitsmedium in das erste Teilvolumen ermöglicht wird und ein Übertritt von Arbeitsmedium zwi- sehen dem ersten und dem zweiten Teilvolumen verhindert wird undin a second position of the movable member, an entry of previously cooled in the second partial volume working medium in the first sub-volume is made possible and a transition of working medium between see the first and the second sub-volume is prevented and
in einer dritten Lage des beweglichen Elementes ein Übertritt von zuvor in dem ersten Teilvolumen erwärm- tem Arbeitsmedium in das zweite Teilvolumen ermöglicht wird.in a third position of the movable element, a passage of working medium previously heated in the first partial volume into the second partial volume is made possible.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element ein Kolben (18, 20, 22) ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the movable element is a piston (18, 20, 22).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,4. Apparatus according to claim 3, characterized in that
dass in einem den Kolben (18, 20, 22) führenden Wand- abschnitt des Gehäuses (10) mindestens ein Rückströmkanal (32) vorgesehen ist, der in der ersten Lage des Kolbens mit dem zweiten Teilvolumen verbunden und mit dem ersten Teilvolumen nicht verbunden ist, dass in der zweiten Lage des Kolbens der mindestens , eine Rückströmkanal mit dem ersten Teilvolumen verbunden und mit dem zweiten Teilvolumen nicht verbunden ist undin that at least one return flow channel (32) is provided in a wall section of the housing (10) leading to the pistons (18, 20, 22), which is connected in the first position of the piston to the second subvolume and is not connected to the first subvolume . that in the second position of the piston, the at least one return flow channel is connected to the first subvolume and is not connected to the second subvolume, and
dass zwischen der ersten und der zweiten Lage keine Zwischenlage existiert, in der sowohl das erste als auch das zweite Teilvolumen mit dem mindestens einen Rückströmkanal verbunden sind.in that no intermediate layer exists between the first and the second layer, in which both the first and the second partial volume are connected to the at least one return flow channel.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem den Kolben (18) führenden Wandabschnitt des Gehäuses mindestens ein Überströmkanal (34) vorgesehen ist, der in der dritten Lage des Kolbens den Ü- bertritt von zuvor in dem ersten Teilvolumen erwärmtem Arbeitsmedium in das zweite Teilvolumen ermöglicht.5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that in a piston (18) leading wall portion of the housing at least one overflow channel (34) is provided, the Ü in the third position of the piston before the Ü in the first part volume heated working medium in the second partial volume allows.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolben (20, 22) ein verschließ- barer Überströmkanal (36) vorsehen ist, der in der dritten Lage des Kolbens offen ist und so den Übertritt von zuvor in dem ersten Teilvolumen erwärmtem Arbeitsmedium in das zweite Teilvolumen ermöglicht.6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that in the piston (20, 22) a closable overflow channel (36) is provided, which is open in the third position of the piston and thus the passage of previously in allows the first sub-volume of heated working fluid in the second sub-volume.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder "2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element ein Faltenbalg ist.7. The device according to claim 1 or '2, characterized in that the movable member is a bellows.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element eine Membran ist.8. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the movable element is a membrane.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (24) mindestens eine Sperre9. Device according to claim 1, characterized in that the movable element (24) has at least one barrier
(38) für das Arbeitsmedium aufweist und das bewegliche Element das innere Volumen des Gehäuses in ein erstes (40) und ein zweites (42) variables Teilvolumen unterteilt, wobei bei einer Bewegung des beweglichen Elementes (24) in eine erste Richtung das erste Teilvolumen (40) vergrößert wird, das zweite Teilvolumen (42) verklei- nert wird, das erste Teilvolumen einen vergrößerten(38) for the working medium and the movable element divides the inner volume of the housing into a first (40) and a second (42) variable partial volume, wherein during a movement of the movable element (24) in a first direction the first partial volume (40) is increased, the second partial volume (42) is reduced, the first partial volume is an enlarged one
Kontaktbereich mit der Wärmesenke (16) erhält und das zweite Teilvolumen einen verkleinerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke erhält undReceives contact area with the heat sink (16) and the second sub-volume receives a reduced contact area with the heat sink and
- wobei bei einer Bewegung des beweglichen Elementes (24) in eine zweite Richtung das erste Teilvolumen (40) verkleinert wird, das zweite Teilvolumen (42) vergrößert wird, das erste Teilvolumen einen verkleinerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke (16) erhält und das zweite Teilvolumen einen vergrößerten Kontaktbereich mit der Wärmesenke erhält.- In a movement of the movable member (24) in a second direction, the first partial volume (40) is reduced, the second partial volume (42) is increased, the first partial volume receives a reduced contact area with the heat sink (16) and the second partial volume receives an enlarged contact area with the heat sink.
10. Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie mit den Schritten:10. A method of converting thermal energy into electrical energy, comprising the steps of:
Bereitstellen von Wärmeenergie,Providing heat energy,
Erwärmen eines Arbeitsmediums (12) unter Verwendung der Wärmeenergie, wodurch ein erster Phasenübergang, eine Druckerhöhung in einem Teilvolumen (28, 40, 42) eines Gehäuses (10) und eine Vergrößerung des Teilvolumens durch Bewegen eines beweglichen Elementes (18, 20, 22, 24) in eine erste Richtung herbeigeführt werden,Heating a working medium (12) using the thermal energy, whereby a first phase transition, an increase in pressure in a partial volume (28, 40, 42) of a housing (10) and an enlargement of the partial volume by moving a movable element (18, 20, 22, 24) in a first direction,
Abkühlen des Arbeitsmediums, wodurch ein dem ersten Phasenübergang entgegen gesetzter zweiter Phasenübergang, eine Druckminderung in dem zuvor erwärmten Arbeitsmedium und eine Verringerung des Teilvolumens (28, 40, 42) durch Bewegen eines beweglichen Elementes in eine zweite Richtung herbeigeführt werden, undCooling of the working medium, whereby a second phase transition opposite to the first phase transition, a pressure reduction in the previously heated working medium and a reduction of the partial volume (28, 40, 42) are brought about by moving a movable element in a second direction, and
Umwandeln der Bewegungsenergie des beweglichen Elemen- tes in elektrische Energie.Converting the kinetic energy of the movable element into electrical energy.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie zumindest teilweise von einer Standheizung eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt wird und die elektrische Energie zumindest teilweise für den Betrieb der Standheizung genutzt wird. 11. The method according to claim 10, characterized in that the heat energy is at least partially provided by a parking heater of a motor vehicle available and the electrical energy is used at least partially for the operation of the heater.
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