WO2013087600A2 - Thermische einrichtung zum erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer energie - Google Patents

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    • F03G7/04—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using pressure differences or thermal differences occurring in nature

Definitions

  • Thermal device for generating mechanical and / or electrical energy
  • the present invention relates to a thermal device for generating mechanical and / or electrical energy by utilizing preferably naturally occurring temperature gradients, according to the preamble of claim 1.
  • Object of the present invention is to provide a thermal device of the type mentioned, which leads in a simpler and more cost-effective manner to a substantially uninterrupted rotation of the acted upon by the working medium generator unit.
  • the buffer storage unit at the end of a working stroke of each working element continuously receives the rotational movement of the generator unit in a simple manner even during the active change of temperature in the one or more working drive elements.
  • the buffer storage unit according to the features of claim 2 membrane or spring storage, so that the receiving volume of the buffer memory can be adapted to the needs.
  • the spring accumulator may contain mechanically formed springs or a compressible gas.
  • the features of claim 3 are preferably provided for the buffer storage unit to adjust both for the flow and for the return of the working medium, the volumes in the buffer storage unit during the movement reversal in the working element.
  • the features of claim 4 are provided.
  • the temperature gradient and the temperature range of the working medium according to the features of claim 9 are selected.
  • FIGS. 1 A first figure.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a thermal device for generating mechanical and / or electrical energy by utilizing preferably naturally existing temperature gradients according to a first exemplary embodiment of the present invention in two different working positions, FIG.
  • FIG. 3 is a schematic longitudinal section of a thermal device for generating mechanical and / or electrical energy by utilizing preferably naturally existing temperature gradients with two drive elements according to a second exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a plan view according to arrow IV of Figure 3 with more than two drive elements and
  • FIG. 5 shows expansion-temperature diagrams of exemplary expansion media for devices according to FIGS. 1 to 4.
  • thermal means 10 which serves to generate mechanical and / or electrical energy by utilizing preferably naturally existing temperature gradients, has a first drive element 11 and a second drive element 12, which operate in opposite directions movable and each one, for example cylindrical housing 13 and 14, which is filled with a temperature-dependent expansion medium 15, that is, a thermally expansive and thermally contraction medium 15.
  • the expansive and contractive medium 15 or expansion medium 15 is a medium which achieves its greatest expansion or contraction during the phase transformation or during the phase transition from solid to liquid and vice versa.
  • a temperature difference or a temperature gradient of, for example, about 10 ° C. is sufficient. It is understood that the temperature gradient can also be greater.
  • the temperature range of the expansion medium may be between at least + 5 ° C and a maximum of + 45 ° C (see Figure 5).
  • a working element 20 is provided between the first drive element 11 and the here diagonally opposite second drive element 12, which is provided with a cylinder in the form preferably of a hydraulic cylinder 21, in which a working member in the form of a piston 22 according to double arrow A back and forth is movable.
  • the reciprocating working piston 22 is sealed on the outer peripheral side against the inner wall of the hydraulic cylinder 21, which is filled with a working fluid here in the form of a hydraulic fluid 25, for example hydraulic oil.
  • the working piston 22 is connected in a motion-locking manner to a piston rod 23, which projects into the housing 14 or its expansion medium 15 with its one end 16 in the housing 13 or in its expansion medium 15 and its other end 17.
  • the piston rod 23 penetrates the mutually facing end faces of hydraulic cylinder 21 and housing 13 and 14 movable and pressure-tight.
  • the working piston 22 divides the hydraulic cylinder into two counter-volume volume changing hydraulic chambers 18 and 19th
  • the receiving volume for the expansion medium 15 in the housing 13 and in the housing 14 of the first and second working element 11, 12 is the same size.
  • the receiving volume for the hydraulic fluid 25 in the two chambers 18 and 19 of the hydraulic cylinder 21 of the working element 20 is greater, for example, twice the receiving volume for the expansion medium 15 of each of the two housings 13 and 14 of the first and second working element 11, 12th
  • the working element 20 is connected to a generator unit 30 via a buffer memory unit 40.
  • the generator unit 30 has a motor, here in the form of a hydraulic motor 29, on the output side either mechanical energy or electrical energy can be removed via a generator.
  • the buffer memory unit 40 has two buffer chambers 41 and 42, which are spatially separated from each other and which are each connected via a connecting line 27 and 28 to the output or input of the hydraulic motor 29 of the generator unit 30.
  • FIGS. 1 and 2 further show a flow direction controller 50 for the working medium 25 between the working element 20 and the buffer storage unit 40 and its buffer storage chambers 41 and 42, respectively.
  • Both buffer storage chambers 41 and 42 are connected in each case via a first line 43 or 44 to the hydraulic chamber 18 located immediately below in the drawing or the hydraulic chamber 19 of the hydraulic cylinder 21 of the working element 20. Furthermore, the buffer chambers 41 and 42 are each connected via a second line 45 and 46 to the respective opposite hydraulic chamber 19 and 18 respectively. While the first lines 43, 44, for example, run approximately parallel, the two second lines 45, 46 are arranged approximately crosswise past each other. In all lines 43 to 46 are controlled valves or check valves 53, 54, 55 and 56, which open the lines 43 to 46 in one direction only because of the upcoming pressure of the working medium 25, as will be explained.
  • the second drive element 12 is subjected to a higher temperature than the first drive element 11, the expansion medium 15 expands in the hermetically sealed housing 14 of the second drive element 12 and moves the end 17 of the piston rod 23 out of the hermetically sealed housing 14 (FIG. in Figure 1 according to arrow A to the left), so that the opposite end 16 of the piston rod 23 moves into the expansion medium 15 of the housing 13, as shown in Figure 1.
  • the drive element 11 is cooled or must be cooled so that the expansion medium 15 contracts in the housing 13.
  • the buffer chambers 41 and 42 are each designed as a diaphragm accumulator whose volumes can be increased and decreased by means of the membrane.
  • This volume change of the buffer chambers 41, 42 is such that during the temperature change at which the pressure in front of the upstream side buffer chamber 42 decreases per se, is held by the diaphragm, the chamber pressure at a certain value, so still contained in the chamber hydraulic fluid 25 for Hydraulic motor 29 can continue to be promoted.
  • heating or cooling elements in the form of coils 33 and 34, which are connected in a manner not shown with a heat supply device to each in the housing 13, 14th to heat or cool arranged expansion medium.
  • thermal means 110 which serves to generate mechanical and / or electrical energy by utilizing preferably naturally existing temperature gradients, has at least two drive elements 111 and 112, which are preferably identical and within a respective, for example, cylindrical housing 113 or 114 with a temperature-dependent expansion medium 115, that is, a thermally expansive and thermally contractionous medium 115, are filled.
  • the expansive and contractive medium 115 or expansion medium 115 is a medium which achieves its greatest expansion (in the range of approximately 10%, preferably 15% to 20%) or contraction in the phase transformation or in the phase transition from solid to liquid and vice versa.
  • a temperature difference or a temperature gradient of, for example, about 10 ° C is sufficient.
  • the temperature gradient can also be greater or less, preferably at about 8 ° C.
  • the temperature range of the expansion medium can be between at least + 5 ° C and a maximum of + 45 ° C, preferably between 20 ° C and 25 ° C in the contraction state (1% expansion) and 27 ° C and 34 ° C in the expansion state (16% to 18 %) be.
  • the aforementioned contraction or expansion states (min or max) are defined as the end points of the steepest curve region of the extent as a function of the temperature. This also applies to the first embodiment.
  • the housing 113 or 114 standing upright here has a cylinder wall 116 which is closed by a cover-side and a bottom-side flange arrangement 117 or 118.
  • a cylindrical insulation 119 is shown within the cylindrical wall 116 of the housing 114 of the drive element 112 .
  • fin tubes 122 are provided which extend axially within the housing 114 and over a length range which is occupied by the expansion medium 115 in its most thermally expansive phase. It is understood that the housing 113 of the drive element 111 is formed in the same way and provided with insulation 119 and finned tubes 122.
  • the drive element 111 or 112 is connected to a working element 120 or 121 via a pipeline 123 and 124, respectively.
  • the working element 120 or 121 has an example cylindrical housing 126 or 127, in the bottom side of the pipeline 123 and 124 opens, which is the bottom-side flange 118 penetrating connected to the drive element 111 and 112, respectively.
  • the working element 120 or 121 includes a hydraulic medium or a hydraulic fluid 125, which acts on a power generator unit 130 via a buffer memory unit 140. As can be seen from FIG. 1, both working elements 120 and 121 act on one and the same energy generator unit 130 via one and the same buffer unit 140.
  • the liquid transfer medium 128 is contained in correspondingly different volumes in all movement phases of the expansion or contraction both in the drive element 111 or 112 and in the working element 120 or 121. It can be seen that this transfer medium 128 is used for the mechanical separation of expansion medium 115 and hydraulic medium 125, and so to speak as a reciprocating piston.
  • the expansion medium 115 it is also possible to allow the expansion medium 115 to act directly on the hydraulic medium 125 or to form the transmission medium 128, in particular at high working pressures, as a mechanical piston made of metal or plastic.
  • mechanical pistons it is possible to load the piston rod outside the working element 120, 121 in order to support the return or contraction movement, as well as to act on a stationary switch for position sensing and / or movement reversal.
  • Both working elements 120 and 121 are connected via the buffer storage unit 140 with the generator unit 130, which has a motor, preferably in the form of a hydraulic motor 129, on the output either mechanical energy or electrical energy can be removed via a generator.
  • a motor preferably in the form of a hydraulic motor 129
  • the buffer storage unit 140 has two buffer storage chambers 141 and 142, which are spatially separated from each other and of which one 142 is associated with the hydraulic medium flow to the generator unit 130 and the other 141 the hydraulic fluid return from the generator unit 130.
  • Each of these storage chambers 141 and 142 is formed as a spring storage chamber, that is within the storage chamber 141 and 142 is a piston 147, between which and a closed end 149 of the storage chamber 141 and 142, a mechanically or compressible gas formed as a compression spring 148 is arranged and which serves to change the receiving volume of the chamber 141, 142.
  • the two buffer chambers 141 and 142 are flanged to a flow direction controller 150 and connected via a connecting line 137 or 138 to the input to and output from the hydraulic motor 129 of the generator unit 130.
  • the flow direction control 150 for the working or hydraulic medium 125 which is evident in particular from FIG. 3, both from the working element 120 and from the working element 121, is designed such that the hydraulic motor 129 is connected both to the one working element 120 and to the other working element 121. It is possible to make a corresponding timing of the connection between the working element 120 or 121 and the hydraulic motor 129 of the generator unit 130.
  • Both buffer chambers 141 and 142 are connected via a first line 143 and 144, respectively, to the hydraulic chamber 132, which is directly connected to it, in the housing 126 or 133 in the housing 127 of the working element 120 or 121. Furthermore, the buffer chambers 141 and 142 are each connected via a second line 145 and 146 with the respective opposite hydraulic chamber 133 and 132 of the respective other working element 120 and 121, respectively. While the first lines 143 and 144, for example, run approximately parallel, the two second lines 145, 146 are arranged approximately past each other passing over each other. In all lines 143 to 146 are controlled valves or check valves 153, 154, 155 and 156, which open the lines 143 to 146 in one direction only because of the upcoming pressure of the working medium 125, as will be explained.
  • the expansion medium 115 expands in the hermetically sealed housing 114, which state is shown in FIG. 3, and moves the transmission medium 128 in the direction of the working element 121, so that the pressure exerted by the expansion medium 115 is increased transmits the hydraulic medium 125, which is pressed into the first conduit 144 and thereby opens the valve 154, so that the hydraulic fluid 125 is guided on the one hand into the hydraulic motor 129 to drive it and if necessary, if the hydraulic motor 129 can not absorb all the hydraulic fluid, is brought into the spring memory or the spring-loaded chamber 142 for buffering or temporary storage.
  • the drive element 111 which is preferably supplied in a push-pull with positive or negative heat energy, so that as far as possible a smooth circulation of the hydraulic motor 129 is achieved.
  • the expansion medium 115 in the drive element 111 is supplied with positive heat energy so that it can expand, by transmitting the pressure through the transfer medium 128 to the hydraulic medium 125 in the working element 120, the hydraulic medium through the second line 145 and after opening the valve 155 in this Line 145 is pressed on the one hand via the connecting line 137 in the hydraulic motor 129 and on the other hand at least partially brought into the storage chamber 142.
  • the hydraulic medium 125 in the storage chamber 141 of the buffer storage unit 140 is at least partially stored before it can flow back into one of the working elements 120 and 121 due to the contraction of the relevant medium 115.
  • FIG. 4 shows the embodiment of the thermal device 110 according to FIG. 1 as a thermal device 110 'with more than two drive elements 111, 112, 111' and 112 ', etc., whose media 115 are preferably heated or cooled at different times in that, in addition to the action of the buffer memory unit 140, to which all five drive element pairs 111/112 ?? 111 "" / 112 "" are connected, a synchronous or concentric run of the hydraulic motor 129 is ensured. All said drive element pairs are essentially identical and are each assigned to a buffer storage unit 140 or its flow direction controller 150 (not visible in FIG. 4) and to the single generator unit 130 via a common supply line 158 or return line 159. It is also possible to associate with each drive element pair a single buffer unit 140.
  • heating or cooling elements in the form of pipe coils preferably lamellar pipe coils 122 are provided which are connected in a manner not shown with a heat supply device to heat or cool the respectively arranged in the housing expansion medium 115.
  • the drive elements 111, 112, 111 ', 112' can either be staggered or simultaneously heated or cooled to achieve a continuously rotating movement of the hydraulic motor 129, in the latter case, the storage chambers 141, 142, etc. dimensioned accordingly and the valves 153 to 156 must be controlled.

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Abstract

Eine thermische Einrichtung (110) zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie durch Ausnutzen vorzugsweise natürlich vorhandener Temperaturgradienten ist mit mindestens zwei Antriebselementen (111, 112) versehen, die jeweils ein temperaturabhängiges Expansionsmedium (115) beinhalten und jeweils mit einem Arbeitselement (120) verbunden sind, von denen eine Erzeugereinheit (130) für mechanische und/oder elektrische Energie angetrieben ist, wobei jedes Antriebselement (111, 112) abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Temperaturwerten beaufschlagbar ist. Dabei ist zwischen den Arbeitselementen (120, 121 ) und der Erzeugereinheit (130) eine Pufferspeichereinheit (140) für ein im Arbeitselement (120, 121) vorgesehenes Arbeitsmedium (125) angeordnet ist, wobei Erzeugereinheit (130) und Pufferspeichereinheit (140) allen Antriebselementen (111, 112) bzw. allen damit verbundenen Arbeitselementen (120, 121) gemeinsam sind.

Description

Thermische Einrichtung zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermische Einrichtung zum Erzeugen mechanischer und/oder elektrischer Energie durch Ausnutzen vorzugsweise natürlich vorhandener Temperaturgradienten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einer derartigen aus der DE 10 2008 053 781 A1 bekannten Einrichtung erfolgt die Beaufschlagung der Erzeugereinheit dadurch, dass Hydraulikflüssigkeit aus dem Arbeitselement mit Hilfe eines Kolbens unmittelbar in den Hydraulikmotor gedrückt wird, wobei entsprechend der Bewegungsrichtung des Kolbens eine Umsteuerung der Fließrichtung vor dem Hydraulikmotor erfolgt. Um den Hydraulikmotor in ununterbrochener Rotation auch während der Temperaturänderung an den Arbeitselementen zu halten, sind mehrere Paare von Antriebselementen notwendig. Entsprechendes gilt auch für die aus der DE 10 2009 055 982 A1 bekannte thermische Einrichtung, bei der das thermisch expansive und kontraktive Medium und das Arbeitsmedium innerhalb eines mit unterschiedlichen Temperaturwerten nacheinander beaufschlagbaren Druckbehälters axial geschichtet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermische Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die in einfacherer und kostengünstigerer Weise zu einer im Wesentlichen ununterbrochenen Rotation der vom Arbeitsmedium beaufschlagten Erzeugereinheit führt.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer thermischen Einrichtung der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist erreicht, dass die Pufferspeichereinheit am Ende eines Arbeitshubs jedes Arbeitselements auch während der aktiven Änderung der Temperatur in dem oder den weiteren arbeitenden Antriebselementen die Rotationsbewegung der Erzeugereinheit in einfacher Weise ununterbrochen aufrecht erhält.
In bevorzugter Weise weist die Pufferspeichereinheit gemäß den Merkmalen nach Anspruch 2 Membran- oder Federspeicher auf, so dass das Aufnahmevolumen des Pufferspeichers an den Bedarf angepasst werden kann. Der Federspeicher kann mechanisch ausgebildete Federn oder ein komprimierbares Gas enthalten.
Dabei sind für die Pufferspeichereinheit die Merkmale nach Anspruch 3 bevorzugt vorgesehen, um sowohl für den Vorlauf als auch für den Rücklauf des Arbeitsmediums die Volumina in der Pufferspeichereinheit während der Bewegungsumsteuerung im Arbeitselement anpassen zu können. Zweckmäßigerweise sind die Merkmale nach Anspruch 4 vorgesehen.
Eine einheitliche Strömungsrichtung und kontinuierliche Strömung des Arbeitsmediums in der Erzeugereinheit unabhängig von der Bewegungsrichtung der einzelnen Arbeitselemente ergeben sich dann, wenn die Merkmale nach Anspruch 5 vorgesehen sind. Eine konstruktiv einfache Ausgestaltung ergibt sich dabei entsprechend der Merkmale des Anspruchs 6.
Mit den Merkmalen nach Anspruch 7 ist eine Trennung von Expansionsmedium und Arbeitsmedium erreicht, die ein Vermischen der beiden Medien verhindert. Mit Hilfe einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser ist eine praktisch beliebige Anordnung zueinander von Antriebselementen und Arbeitselementen möglich. Bei sehr hohen Drücken kann es sinnvoll sein, das Arbeitsorgan als mechanisch ausgebildeten Kolben auszuführen.
Um eine möglichst schnelle aktive Temperaturänderung am Ende eines Hubs im Arbeitselement in jedem der Antriebselemente zu erreichen, sind die Merkmale nach Anspruch 8 vorgesehen.
Bevorzugt sind der Temperaturgradient und der Temperaturbereich des Arbeitsmediums gemäß den Merkmalen nach Anspruch 9 gewählt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:
Figuren 1
und 2 in schematischer Darstellung eine thermische Einrichtung zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrische Energie durch Ausnutzen vorzugsweise natürlich vorhandener Temperaturgradienten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung in zwei unterschiedlichen Arbeitsstellungen,
Figur 3 in schematischer längsgeschnittener Darstellung eine thermische Einrichtung zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie durch Ausnutzen vorzugsweise natürlich vorhandener Temperaturgradienten mit zwei Antriebselementen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,
Figur 4 eine Draufsicht gemäß Pfeil IV der Figur 3 mit mehr als zwei Antriebselementen und
Figur 5 Ausdehnungs-Temperatur-Diagramme von beispielhaft verwendbaren Expansionsmedien bei Einrichtungen nach den Figuren 1 bis 4.
Die in der Zeichnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellte thermische Einrichtung 10, die zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie durch Ausnutzen vorzugsweise natürlich vorhandener Temperaturgradienten dient, besitzt ein erstes Antriebselement 11 sowie ein zweites Antriebselement 12, welche gegenläufig bewegbar arbeiten und jeweils ein beispielsweise zylindrisches Gehäuse 13 bzw. 14 aufweisen, das mit einem temperaturabhängigen Expansionsmedium 15, das heißt einem thermisch expansiven und thermisch kontraktivem Medium 15, gefüllt ist. Das expansive und kontraktive Medium 15 bzw. Expansionsmedium 15 ist ein Medium, das seine größte Expansion bzw. Kontraktion bei der Phasenumwandlung bzw. beim Phasenübergang von fest zu flüssig und umgekehrt erreicht. Für dieses Temperaturverhalten reicht eine Temperaturdifferenz bzw. ein Temperaturgradient von beispielsweise von etwa 10°C aus. Es versteht sich, dass der Temperaturgradient auch größer sein kann. Der Temperaturbereich des Expansionsmediums kann dabei zwischen mindestens + 5°C und maximal + 45°C sein (vgl. Figur 5).
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem ersten Antriebselement 11 und dem hier diagonal gegenüberliegenden zweiten Antriebselement 12 ein Arbeitselement 20 vorgesehen, das mit einem Zylinder in Form vorzugsweise eines Hydraulikzylinders 21 versehen ist, in welchem ein Arbeitsorgan in Form eines Kolbens 22 gemäß Doppelpfeil A hin und her bewegbar ist. Der hin und her bewegbare Arbeitskolben 22 ist außenumfangsseitig gegen die Innenwandung des Hydraulikzylinders 21 abgedichtet, der mit einem Arbeitsmedium hier in Form einer Hydraulikflüssigkeit 25, beispielsweise Hydrauliköl, gefüllt ist. Der Arbeitskolben 22 ist mit einer Kolbenstange 23 bewegungsschlüssig verbunden, die mit ihrem einen Ende 16 in das Gehäuse 13 bzw. in dessen Expansionsmedium 15 und dessen anderes Ende 17 in das Gehäuse 14 bzw. in dessen Expansionsmedium 15 hineinragt. Die Kolbenstange 23 durchdringt dabei die einander zugewandten Stirnseiten von Hydraulikzylinder 21 und Gehäuse 13 und 14 beweglich und druckdicht. Der Arbeitskolben 22 unterteilt den Hydraulikzylinder in zwei sich gegenläufig volumenmäßig ändernde Hydraulikkammern 18 und 19.
Das Aufnahmevolumen für das Expansionsmedium 15 im Gehäuse 13 sowie im Gehäuse 14 des ersten bzw. zweiten Arbeitselementes 11, 12 ist gleich groß. Das Aufnahmevolumen für die Hydraulikflüssigkeit 25 in den beiden Kammern 18 und 19 des Hydraulikzylinders 21 des Arbeitselementes 20 ist größer, beispielsweise das Doppelte des Aufnahmevolumens für das Expansionsmedium 15 jedes der beiden Gehäuse 13 und 14 von erstem bzw. zweiten Arbeitselement 11, 12.
Das Arbeitselement 20 ist über eine Pufferspeichereinheit 40 mit einer Erzeugereinheit 30 verbunden. Die Erzeugereinheit 30 besitzt einen Motor, hier in Form eines Hydraulikmotors 29, an dem ausgangsseitig entweder mechanische Energie oder über einen Generator elektrische Energie abgenommen werden kann. Die Pufferspeichereinheit 40 besitzt zwei Pufferspeicherkammern 41 und 42, die räumlich voneinander getrennt sind und die jeweils über eine Verbindungsleitung 27 bzw. 28 mit dem Ausgang bzw. Eingang des Hydraulikmotors 29 der Erzeugereinheit 30 verbunden sind.
Die Figuren 1 und 2 zeigen desweiteren eine Fließrichtungssteuerung 50 für das Arbeitsmedium 25 zwischen dem Arbeitselement 20 und der Pufferspeichereinheit 40 bzw. deren Pufferspeicherkammern 41 und 42.
Beide Pufferspeicherkammern 41 und 42 sind über jeweils eine erste Leitung 43 bzw. 44 mit der in der Zeichnung unmittelbar darunterliegenden Hydraulikkammer 18 bzw. der Hydraulikkammer 19 des Hydraulikzylinders 21 des Arbeitselements 20 verbunden. Des Weiteren sind die Pufferspeicherkammern 41 und 42 jeweils über eine zweite Leitung 45 bzw. 46 mit der jeweils gegenüberliegenden Hydraulikkammer 19 bzw. 18 verbunden. Während die ersten Leitungen 43, 44 bspw. etwa parallel verlaufen, sind die beiden zweiten Leitungen 45, 46 etwa überkreuz aneinander vorbeiführend angeordnet. In allen Leitungen 43 bis 46 befinden sich gesteuerte Ventile oder Rückschlagventile 53, 54, 55 bzw. 56, die die Leitungen 43 bis 46 nur in eine Richtung aufgrund des anstehenden Druckes des Arbeitsmediums 25 öffnen, wie noch erläutert werden wird.
Wird gemäß Figur 1 das zweite Antriebselement 12 mit einer höheren Temperatur als das erste Antriebselement 11 beaufschlagt, so dehnt sich das Expansionsmedium 15 im hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 14 des zweiten Antriebselementes 12 aus und bewegt das Ende 17 der Kolbenstange 23 aus dem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 14 (in Figur 1 gemäß Pfeil A nach links), so dass sich das abgewandte Ende 16 der Kolbenstange 23 in das Expansionsmedium 15 des Gehäuses 13 hineinbewegt, wie dies in Figur 1 dargestellt ist. Zugleich ist das Antriebselement 11 abgekühlt oder muss abgekühlt werden, damit sich das Expansionsmedium 15 im Gehäuse 13 zusammenzieht. Mit dieser Bewegung erfolgt eine Bewegung des Kolbens 22 im Hydraulikzylinder 21 in dieselbe Richtung gemäß Pfeil A1, so dass die Hydraulikflüssigkeit 25 als Arbeitsmedium aus der in der Zeichnung linken Hydraulikkammer 18 durch die zweite Verbindungsleitung 46 und durch das Ventil 56 in die Pufferspeicherkammer 42 der Pufferspeichereinheit 40 und von dort durch die Verbindungsleitung 28 in den Hydraulikmotor 29 gedrückt wird, der dadurch in eine bestimmte Rotationsrichtung angetrieben wird. Bei dieser Bewegung gelangt die Hydraulikflüssigkeit 25 im Rücklauf durch die Verbindungsleitung 27 in die Pufferspeicherkammer 41 der Pufferspeichereinheit 40 und von dort über die zweite Verbindungsleitung 45 und durch das Ventil 55 in die sich vergrößernde Hydraulikammer 19 des Arbeitselementes 20. Die Bewegung des Kolbens 22 stoppt beispielsweise vor Erreichen der ersten Verbindungsleitung 43.
Am Ende dieses in Figur 1 nach links erfolgten Hubes (Pfeil A1) erfolgt eine aktive Temperaturänderung dahingehend, dass das (kalte) Antriebselement 11 erwärmt und das (warme) Antriebselement 12 gekühlt wird. Dies ist eine Voraussetzung dafür, dass sich der Kolben 22 gemäß Figur 2 in die entgegengesetzte Richtung gemäß Pfeil A2 zum weiteren rotierenden Antreiben des Hydraulikmotors 29 bewegt. Bei dieser Linearbewegung des Kolbens 22 wird die Hydraulikflüssigkeit 25 durch die erste Leitung 44 und das Ventil 54 in die Pufferspeicherkammer 42 gedrückt, von wo aus die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit 25 wieder durch die Verbindungsleitung 28 in den Hydraulikmotor 29 zu dessen weiterem Antrieb in die vorgenannte Richtung strömt. Der Rücklauf der Hydraulikflüssigkeit 25 aus dem Hydraulikmotor 29 erfolgt wiederum durch die Leitung 27 in die Pufferspeicherkammer 41 und von dort durch das Ventil 53 in die Leitung 43 zur Hydraulikkammer 18 des Arbeitselementes 20.
Um eine kontinuierliche Rotation des Hydraulikmotors 29 auch während der Temperaturumsteuerung der Antriebselemente 11 und 12 aufrecht zu erhalten, sind die Pufferspeicherkammern 41 und 42 jeweils als Membranspeicher ausgebildet, deren Volumina mit Hilfe der Membrane vergrößert und verkleinert werden können. Diese Volumenveränderung der Pufferspeicherkammern 41, 42 ist derart, dass während der Temperaturumstellung, bei der der Druck vor der vorlaufseitigen Pufferspeicherkammer 42 an sich abnimmt, durch die Membran der Kammerdruck auf einem bestimmten Wert gehalten wird, so das noch in der Kammer enthaltene Hydraulikflüssigkeit 25 zum Hydraulikmotor 29 weiterhin gefördert werden kann. Entsprechendes gilt für die rücklaufseitige Pufferspeicherkammer 41.
In den beiden Antriebselementen 11 und 12 bzw. in deren Gehäuse 13 und 14 befinden sich Heiz- bzw. Kühlelemente in Form von Rohrschlangen 33 bzw. 34, die in nicht dargestellter Weise mit einer Wärmezuführungsvorrichtung verbunden sind, um das jeweils im Gehäuse 13, 14 angeordnete Expansionsmedium zu erwärmen oder abzukühlen.
Bei Versuchen haben sich Drücke von beispielsweise von etwa 200 bar in den Antriebselementen 11, 12 und von beispielsweise etwa 100 bar im Arbeitselement 20 und im Vorlauf zum Hydraulikmotor sowie im Rücklauf vom Hydraulikmotor 29 von beispielsweise etwa 6 bar ergeben.
Die in den Figuren 3 und 4 gemäß einem zweiten und bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellte thermische Einrichtung 110, die zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie durch Ausnutzen vorzugsweise natürlich vorhandener Temperaturgradienten dient, besitzt mindestens zwei Antriebselemente 111 und 112, die vorzugsweise identisch ausgebildet sind und innerhalb eines jeweils beispielsweise zylindrischen Gehäuses 113 bzw. 114 mit einem temperaturabhängigen Expansionsmedium 115, das heißt einem thermisch expansiven und thermisch kontraktiven Medium 115, befüllt sind. Das expansive und kontraktive Medium 115 bzw. Expansionsmedium 115 ist ein Medium, das seine größte Expansion (im Bereich von etwa 10% vorzugsweise 15% bis 20%) bzw. Kontraktion bei der Phasenumwandlung bzw. beim Phasenübergang von fest zu flüssig und umgekehrt erreicht. Für dieses in Figur 5 dargestellte Temperaturverhalten reicht eine Temperaturdifferenz bzw. ein Temperaturgradient von beispielsweise etwa 10°C aus. Es versteht sich, dass der Temperaturgradient auch größer oder kleiner, vorzugsweise bei etwa 8°C sein kann. Der Temperaturbereich des Expansionsmediums kann dabei zwischen mindestens + 5°C und maximal + 45°C, vorzugsweise zwischen 20°C und 25°C im Kontraktionszustand (1% Ausdehnung) und 27°C und 34°C im Expansionszustand (16% bis 18%) sein. Die vorstehend genannten Kontraktions- bzw. Expansionszustände (min bzw. max) sind als die Endpunkte des jeweils steilsten Kurvenbereichs der Ausdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur definiert. Dies gilt auch für das erste Ausführungsbeispiel.
Aus diesem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ersichtlich, dass das hier aufrecht stehende Gehäuse 113 bzw. 114 eine Zylinderwandung 116 aufweist, die von einer deckelseitigen und einer bodenseitigen Flanschanordnung 117 bzw. 118 verschlossen ist. Innerhalb der zylindrischen Wandung 116 des Gehäuses 114 des Antriebselementes 112 ist eine zylindrische Isolation 119 dargestellt. Zur Übertragung von Wärmeenergie auf das Expansionsmedium 115 innerhalb des Gehäuses 114 sind beispielsweise Lamellenrohre 122 vorgesehen, die sich innerhalb des Gehäuses 114 axial erstrecken und dabei über einen Längenbereich, der vom Expansionsmedium 115 in seiner thermisch expansivsten Phase eingenommen wird. Es versteht sich, dass das Gehäuse 113 des Antriebselementes 111 in gleicher Weise ausgebildet und mit Isolation 119 und Lamellenrohren 122 versehen ist.
Das Antriebselement 111 bzw. 112 ist mit einem Arbeitselement 120 bzw. 121 über eine Rohrleitung 123 bzw. 124 verbunden. Das Arbeitselement 120 bzw. 121 besitzt ein beispielsweise zylindrisches Gehäuse 126 bzw. 127, in das bodenseitig die Rohrleitung 123 bzw. 124 mündet, die den bodenseitigen Flansch 118 durchdringend mit dem Antriebselement 111 bzw. 112 verbunden ist. Das Arbeitselement 120 bzw. 121 beinhaltet ein Hydraulikmedium bzw. eine Hydraulikflüssigkeit 125, die über eine Pufferspeichereinheit 140 auf eine Energieerzeugereinheit 130 wirkt. Wie sich aus Figur 1 ergibt, wirken beide Arbeitselemente 120 und 121 auf ein und dieselbe Energieerzeugereinheit 130 über ein und dieselbe Pufferspeichereinheit 140.
Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen dem Expansionsmedium 115 im Antriebselement 111 bzw. 112 und dem Hydraulikmedium 125 im Arbeitselement 120 bzw. 121 ein hin und her bewegbares Arbeitsorgan 128, vorzugsweise flüssiges Übertragungsmedium, vorzugsweise Wasser, das die Expansionsenergie des Expansionsmediums 115 auf das Hydraulikmedium 125 bzw. die Rückbewegungsenergie des Hydraulikmediums 125 auf das sich zusammenziehende Expansionsmedium 115 wechselweise überträgt. Hierzu ist das flüssige Übertragungsmedium 128 in allen Bewegungsphasen der Expansion bzw. Kontraktion sowohl im Antriebselement 111 bzw. 112 als auch im Arbeitselement 120 bzw. 121 in entsprechend unterschiedlichen Volumina enthalten. Es ist ersichtlich, dass dieses Übertragungsmedium 128 zur mechanischen Trennung von Expansionsmedium 115 und Hydraulikmedium 125 und dabei sozusagen als hin und her bewegbarer Kolben dient. Grundsätzlich ist es auch möglich, das Expansionsmedium 115 unmittelbar auf das Hydraulikmedium 125 wirken zu lassen oder das Übertragungsmedium 128 insbesondere bei hohen Arbeitsdrücken als mechanischen Kolben aus Metall oder Kunststoff auszubilden. Beim Einsatz von mechanischen Kolben ist es möglich, die Kolbenstange außerhalb des Arbeitselements 120, 121 mit einem Gewicht zu bestücken, um die Rück- bzw. Kontraktionsbewegung zu unterstützen, sowie auf einen ortsfesten Schalter zur Stellungsabfrage und/oder Bewegungsumsteuerung wirken zu lassen.
Beide Arbeitselemente 120 und 121 sind über die Pufferspeichereinheit 140 mit der Erzeugereinheit 130 verbunden, die einen Motor vorzugsweise in Form eines Hydraulikmotors 129 besitzt, an dem ausgangsseitig entweder mechanische Energie oder über einen Generator elektrische Energie abgenommen werden kann.
Die Pufferspeichereinheit 140 besitzt zwei Pufferspeicherkammern 141 und 142, die räumlich voneinander getrennt sind und von denen die eine 142 dem Hydraulikmediumvorlauf zur Erzeugereinheit 130 und die andere 141 dem Hydraulikmediumrücklauf von der Erzeugereinheit 130 zugeordnet ist. Jede dieser Speicherkammern 141 und 142 ist als Federspeicherkammer ausgebildet, das heißt innerhalb der Speicherkammer 141 bzw. 142 befindet sich ein Kolben 147, zwischen dem und einem geschlossenen Ende 149 der Speicherkammer 141 bzw. 142 eine mechanisch oder als komprimierbares Gas ausgebildete Druckfeder 148 angeordnet ist und der der Änderung des Aufnahmevolumens der Kammer 141, 142 dient. Die beiden Pufferspeicherkammern 141 und 142 sind an einer Fließrichtungssteuerung 150 angeflanscht und über eine Verbindungsleitung 137 bzw. 138 mit dem Eingang zum bzw. Ausgang vom Hydraulikmotor 129 der Erzeugereinheit 130 verbunden.
Die insbesondere aus Figur 3 ersichtliche Fließrichtungssteuerung 150 für das Arbeits- bzw. Hydraulikmedium 125 sowohl vom Arbeitselement 120 als auch vom Arbeitselement 121 ist derart ausgebildet, dass der Hydraulikmotor 129 sowohl mit dem einen Arbeitselement 120 als auch mit dem anderen Arbeitselement 121 verbunden ist. Dabei ist es möglich, eine entsprechende zeitliche Taktung der Verbindung zwischen Arbeitselement 120 bzw. 121 und dem Hydraulikmotor 129 der Erzeugereinheit 130 vorzunehmen.
Beide Pufferspeicherkammern 141 und 142 sind über jeweils eine erste Leitung 143 bzw. 144 mit der damit unmittelbar verbundenen Hydraulikkammer 132 im Gehäuse 126 bzw. 133 im Gehäuse 127 des Arbeitselements 120 bzw. 121 verbunden. Des weiteren sind die Pufferspeicherkammern 141 und 142 jeweils über eine zweite Leitung 145 bzw. 146 mit der jeweils gegenüberliegenden Hydraulikkammer 133 bzw. 132 des jeweils anderen Arbeitselementes 120 bzw. 121 verbunden. Während die ersten Leitungen 143 und 144 beispielsweise etwa parallel verlaufen, sind die beiden zweiten Leitungen 145, 146 etwa über Kreuz aneinander vorbeiführend angeordnet. In allen Leitungen 143 bis 146 befinden sich gesteuerte Ventile oder Rückschlagventile 153, 154, 155 bzw. 156, die die Leitungen 143 bis 146 nur in eine Richtung aufgrund des anstehenden Druckes des Arbeitsmediums 125 öffnen, wie noch erläutert werden wird.
Wird gemäß Figur 3 das Antriebselement 112 aufgeheizt, so dehnt sich das Expansionsmedium 115 im hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 114, welcher Zustand in Figur 3 dargestellt ist, und bewegt das Übertragungsmedium 128 in Richtung des Arbeitselementes 121, so dass sich der vom Expansionsmedium 115 ausgehende Druck auf das Hydraulikmedium 125 überträgt, das in die erste Leitung 144 gedrückt wird und dabei das Ventil 154 öffnet, so dass die Hydraulikflüssigkeit 125 einerseits in den Hydraulikmotor 129 zu dessen Antrieb geführt wird und ggf., wenn der Hydraulikmotor 129 nicht die gesamte Hydraulikflüssigkeit aufnehmen kann, in den Federspeicher bzw. die Federspeicherkammer 142 zur Pufferung bzw. vorübergehenden Speicherung gebracht wird. Wenn die Expansion des Expansionsmediums 115 beendet ist, das heißt das Medium 115 danach abgekühlt wird, gelangt das aus dem Hydraulikmotor 129 über die Leitung 138 rücklaufende Hydraulikmedium 125 durch die zweite Leitung 146 und nach Öffnen des Ventils 156 zurück in das Arbeitselement 121 und drängt aufgrund der Kontraktion des Mediums 115 die Übertragungsflüssigkeit 128 zumindest teilweise zurück in das Arbeitselement 112.
Entsprechendes trifft auf das Antriebselement 111 zu, das bevorzugt in einem Gegentakt mit positiver bzw. negativer Wärmeenergie versorgt wird, so dass möglichst ein gleichmäßiger Umlauf des Hydraulikmotors 129 erreicht wird. Wird somit das Expansionsmedium 115 im Antriebselement 111 mit positiver Wärmeenergie versorgt, so dass es expandieren kann, wird durch Übertragung des Druckes durch das Übertragungsmedium 128 auf das Hydraulikmedium 125 im Arbeitselement 120 das Hydraulikmedium durch die zweite Leitung 145 und nach Öffnen des Ventils 155 in dieser Leitung 145 einerseits über die Verbindungsleitung 137 in den Hydraulikmotor 129 gedrückt und andererseits zumindest teilweise in die Speicherkammer 142 gebracht. Auch wird nach Abkühlen und Kontraktion des Mediums 115 es möglich sein, im Rücklauf das Hydraulikmedium 125 aus dem Hydraulikmotor 129 durch die Leitung 143 und nach Öffnen des Ventils 153 in das Arbeitselement 120 zurückzuführen.
Es versteht sich, dass auch im Rücklauf das Hydraulikmedium 125 in der Speicherkammer 141 der Pufferspeichereinheit 140 zumindest teilweise zwischengespeichert wird, bevor es in eines der Arbeitselemente 120 bzw. 121 aufgrund der Kontraktion des betreffenden Mediums 115 zurückfließen kann.
Für den vorstehend beschriebenen Verfahrensablauf bei expandierendem Medium 115 ist es möglich, die Überdruckventile 154 und 155 in den Hydraulik-Zulaufleitungen 144 und 145 so einzustellen, dass das Hydraulikmedium 125 erst unter einem bestimmten hohen Druck von bspw. 100 bar oder höher in den Hydraulikmotor 129 der Erzeugereinheit 130 strömen kann.
Aus Figur 4 ist die Ausgestaltung der thermischen Einrichtung 110 nach Figur 1 als thermische Einrichtung 110‘ mit mehr als zwei Antriebselementen 111, 112, 111‘ und 112‘ usw. ersichtlich, deren Medien 115 vorzugsweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten erwärmt bzw. abgekühlt werden, so dass zusätzlich zur Wirkung der Pufferspeichereinheit 140, mit der alle hier insgesamt fünf Antriebselementenpaare 111/112 …… 111““/112““ verbunden sind, ein Gleichlauf bzw. Rundlauf des Hydraulikmotors 129 gewährleistet ist. Alle genannten Antriebselementenpaare sind im Wesentlichen identisch ausgebildet und sind sowohl jeweils einer Pufferspeichereinheit 140 bzw. deren (in Figur 4 nicht ersichtlich) Fließrichtungssteuerung 150 und über eine gemeinsame Zuleitung 158 bzw. Rückleitung 159 der einzigen Erzeugereinheit 130 zugeordnet. Es ist auch möglich allen Antriebselementenpaaren eine einzige Pufferspeichereinheit 140 zuzuordnen.
Wie vorne zu Figur 3 erwähnt worden ist, sind bei allen Antriebselemente 111, 112, 111‘, 112‘ bzw. in deren Gehäuse 113, 114, 113‘, 114‘ Heiz- bzw. Kühlelemente in Form von Rohrschlangen, vorzugsweise Lamellenrohrschlangen 122 vorgesehen, die in nicht dargestellter Weise mit einer Wärmezuführungsvorrichtung verbunden sind, um das jeweils im Gehäuse angeordnete Expansionsmedium 115 zu erwärmen oder abzukühlen.
Bei Versuchen haben sich bei einer Volumenänderung von etwa 10% bis 20% des Mediums 115 Drücke von beispielsweise etwa 100 bar bis 200 bar in den Antriebselementen 111, 112, 111‘, 112‘ bzw. im Vorlauf zum Hydraulikmotor 129 und im Rücklauf vom Hydraulikmotor 129 zum Arbeitselement 120, 121 von beispielsweise etwa 3 bis 6 bar ergeben.
Die Antriebselemente 111, 112, 111‘, 112‘ können entweder zeitlich versetzt oder gleichzeitig aufgeheizt bzw. abgekühlt werden, um eine kontinuierlich rotierende Bewegung des Hydraulikmotors 129 zu erreichen, wobei im letzteren Falle die Speicherkammern 141, 142 usw. entsprechend dimensioniert und die Ventile 153 bis 156 gesteuert werden müssen.

Claims (9)

  1. Thermische Einrichtung (10; 110) zum Erzeugen von mechanischer und/oder elektrischer Energie durch Ausnutzen vorzugsweise natürlich vorhandener Temperaturgradienten, die mit mindestens zwei Antriebselementen (11, 12; 111, 112) versehen ist, die jeweils ein temperaturabhängiges Expansionsmedium (15; 115) beinhalten und gemeinsam oder jeweils mit einem Arbeitselement (20; 120, 121) verbunden sind, von denen eine Erzeugereinheit (30; 130) für mechanische und/oder elektrische Energie angetrieben ist, wobei jedes Antriebselement (11, 12; 111, 112) abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Temperaturwerten beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem oder den Arbeitselementen (20; 120, 121) und der Erzeugereinheit (30; 130) eine Pufferspeichereinheit (40; 140) für ein im Arbeitselement (20; 120, 121) vorgesehenes Arbeitsmedium (25; 125) angeordnet ist, wobei Erzeugereinheit (30; 130) und Pufferspeichereinheit (40; 140) allen Antriebselementen (11, 12; 111, 112) bzw. dem oder den damit verbundenen Arbeitselementen (20; 120, 121) gemeinsam sind.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferspeichereinheit (40; 140) Membranspeicher oder Federspeicher (141, 142) aufweist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferspeichereinheit (40; 140) zwei getrennte Speicherkammern (41, 42; 141, 142) aufweist, von denen die eine das Arbeitsmedium (25; 125) im Vorlauf von dem oder den Arbeitselementen (20; 120, 121) zur Erzeugereinheit (30; 130) und die andere das Arbeitsmedium (25; 125) im Rücklauf von der Erzeugereinheit (30; 130) zu dem oder den Arbeitselementen (20; 120, 121) aufnimmt.
  4. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkammern (41, 42; 141, 142) der Pufferspeichereinheit (40; 140) ein die Zeit der Bewegungsumsteuerung des oder der Antriebselemente (11, 12; 111, 112) bzw. Arbeitselemente (120, 121) überbrückendes Volumen aufweisen.
  5. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem oder den Arbeitselementen (20; 120, 121) und der Pufferspeichereinheit (40; 140) eine Steuereinheit (50; 150) für die Fließrichtung des Arbeitsmediums (25; 125) von bzw. zu den Arbeitselementen (20, 21; 120, 121) angeordnet ist.
  6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (50; 150) mit Hin- und Rücklauf-Leitungen (43 bis 46; 143 bis 146), in denen Steuerventile (53 bis 56; 153 bis 156), vorzugsweise Rückschlagventile, vorgesehen sind, versehen ist.
  7. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Expansionsmedium (115) im Antriebselement (111, 112) und dem Arbeitsmedium (125) im Arbeitselement (120, 121) ein die beiden Medien (115, 125) voneinander trennendes hin und her bewegbares Arbeitsorgan (128), bspw. in Form einer Flüssigkeit vorgesehen ist.
  8. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (11, 12; 111, 112) mit Heiz- bzw. Kühlelementen, vorzugsweise in Form von Lamellen-Rohrschlangen (33, 34; 133, 134) versehen sind.
  9. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturbeaufschlagung ein Temperaturgradient von mindestens 10 Grad und ein Temperaturbereich von zwischen mindestens +5°C und maximal +45°C vorgesehen sind.
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