Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und computergesteuerte oder elektronisch gesteuerte Verfahren nach Anspruch 13 und 15.

Stand der Technik

Zur Umwandlung von Wärme/Kälte in mechanische/elektrische Energie oder umgekehrt in Tem- peraturbereichen von ca. -150°C bis 250°C werden heute oft Maschinen eingesetzt, die nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess oder nach dem Stirling-Prozess arbeiten. Dabei wird ein Arbeitsgas abwechselnd und bei meist unterschiedlichen Temperaturen komprimiert und ex pandiert, wobei es Wärmemengen abgibt oder aufnimmt. Zur Umwandlung von Wärme/Kälte in Wärme/Kälte bei gewissen anderen Temperaturen wird auch der Vuilleumier-Prozess genutzt. Auch andere Wirkprinzipen wie Adsorptions- oder Absorptions-Wärmepumpen gehören zum Stand der Technik.

Stirlingmaschinen und Maschinen nach dem Clausius-Rankine-Kreisprozess haben heute den Nachteil, dass ihre Herstellungskosten im Verhältnis zu den damit umwandelbaren Energiemen- gen oft nicht wirtschaftlich sind. Weiterhin haben sie meist Wirkungsgrade, die bedingt durch die technische Umsetzung weit schlechter sind als der ideale Carnot-Wirkungsgrad für Wärme- kraftmaschinen bzw. Wärmepumpen.

Dies hat unter anderem die folgenden Gründe:

1. Die Expansion und/oder Kompression des verwendeten Arbeitsmediums findet weitgehend adiabatisch und nicht isotherm statt,

2. die Wärmetauscherflächen sind zu klein oder die Kopplung der zu-/abgeführten Wärmemen- gen an das Arbeitsmedium nicht ausreichend, um einen Wärmeübergang zu gewährleisten, der das Arbeitsgas in der verfügbaren Zeit weit genug erwärmt/abkühlt,

3. beim Betrieb entstehen mechanische Reibungsverluste oder strömungsmechanische Rei- bungsverluste,

4. in Stirlingmaschinen existieren Toträume, so dass sich das Arbeitsgas während der Expan- sion oder Kompression nicht vollständig in den vorgesehenen Expansions- bzw. Kompressions- volumina befindet.

EP 2 657 497 B1 offenbart einen thermoelektrischen Wandler, der diese Probleme löst, indem er Wärmetauscher aufweist, die periodisch in Flüssigkeiten eintauchen. Diese Flüssigkeiten sind an die externen Wärmequellen/-senken gekoppelt. Vorteil davon ist, dass dieser thermoelektri- sche Wandler mit minimalen Toträumen auskommt, dass durch die Lage der Wärmetauscher in den Kompressions-/Expansionsräumen eine nahezu isotherme Kompression/Expansion statt findet und dass durch vergleichsweise große Wärmetauscherflächen und durch das Eintauchen in die Flüssigkeit ein sehr guter Wärmeübergang zwischen den externen Wärmequellen/-sen- ken und dem Arbeitsmedium gewährleistet ist. Alle vier oben beschriebenen Nachteile her- kömmlicher Maschinen sind also hier wesentlich verbessert.

Die Nutzung des Prinzips der exzentrisch in einem Flüssigkeitsring rotierenden Welle für die Expansion/Kompression in einem thermodynamischen Kreisprozess ist in WO 93/20333 und in DE 10 2006 030 198 A1 offenbart. Beide nutzen das Prinzip der Flüssigkeitsringpumpen, bei denen auf der Drehachse Schaufelräder sitzen, deren Flächen parallel zur Drehachse angeord- net sind (d.h., wenn man die Drehachse senkrecht zu ihrer Achse in die Fläche der Schaufelrä- der verschieben würde, so würde die Achse innerhalb der Fläche liegen). Bei dieser den Flüs- sigkeitsringpumpen entsprechenden Anordnung kann ein sehr hoher Reibungsverlust bei der Bewegung der Schaufelräder durch den Flüssigkeitsring entstehen.

DE 1 915 777 offenbart einen Verdichter mit einer in einem Flüssigkeitsring rotierenden Schne- ckenwelle.

Aufgabe

Die zu lösende Aufgabe ist gegeben durch das Bereitstellen eines thermoelektrischen oder ther- momechanischen Wandlers unter der Verwendung von periodisch in eine Flüssigkeit eintau- chenden Wärmetauscherelementen, der aber eine hohe Leistung, geringe Reibung und geringe Herstellungskosten pro Leistung ermöglicht.

Lösung

Diese Aufgabe wird gelöst durch den thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler nach Anspruch 1 und computergesteuerte oder elektronisch gesteuerte Verfahren nach An- spruch 13 und 15. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler umfasst mindestens eine Vorrichtung zur Kompression oder Expansion oder Volumenänderung eines Arbeitsgases mit einem exzent- risch in einem Flüssigkeitsring um eine Rotationsachse rotierenden Volumenänderungsele- ment. Das rotierende Volumenänderungselement umfasst mindestens einen Steg, der derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine Steg während der Rotation in den Flüssigkeitsring eintaucht. Eine senkrechte Projektion des mindestens einen Stegs auf eine Ebene senkrecht zu der Rotationsachse umschließt die Rotationsachse vollständig. Der mindestens eine Steg ist weiter derart ausgebildet, dass er mindestens einen Volumenbereich des Arbeitsgases in Rich- tung entlang der Rotationsachse begrenzt. Diese Begrenzung wird bei einer Rotation des Volu- menänderungselements um die Rotationsachse in einer Schnittebene, in der die Rotations- achse liegt, in Richtung entlang der der Rotationsachse verlagert. Die vorliegende Erfindung nutzt und verbessert das Prinzip von Flüssigkeitsringpumpen, bei denen eine Expansion oder Kompression eines Arbeitsmediums in den Räumen zwischen ei- nem exzentrisch im Flüssigkeitsring rotierenden Volumenänderungselement und dem Flüssig keitsring stattfindet. Mittels dieser Expansion und Kompression des Arbeitsmediums kann ins- besondere ein Clausius-Rankine-Kreisprozess oder ein Stirling-Kreisprozess realisiert werden.

Reibungsverluste zwischen den Flüssigkeitsringen und dem Gehäuse können wesentlich redu- ziert werden durch Vorsehen mindestens eines schrauben- oder spiral- oder schneckenförmi- gen Stegs. Eine Außenkante des mindestens einen Stegs kann eine Kurve bilden, die eine ge- schlossene Linie ist, die nicht in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse liegt. Der mindes- tens eine Steg kann die Rotationsachse umschließen und kann mindestens eine Oberfläche umfassen, die nicht senkrecht zur Rotationsachse verläuft. Der Flüssigkeitsring kann dabei durch die Drehung des Volumenänderungselements, beispielsweise einer Schneckenwelle, in Rotation versetzt (oder umgekehrt) werden, d.h. beide sind durch den mindestens einen Steg der Schneckenwelle mechanisch miteinander gekoppelt. Die Kompression des Arbeitsgases geschieht, indem es durch die Schneckenwelle im Hohlraum (einem Volumenbereich des Ar- beitsgases) zwischen Nabe und Flüssigkeitsring eingeschlossen und in Richtung entlang der Rotationsachse befördert wird und dabei der Volumenbereich und somit das Volumen des darin eingeschlossenen Arbeitsgases durch die abnehmende Steigung des mindestens einen spiral- oder schneckenförmigen Stegs und/oder durch den anwachsenden Durchmesser der Nabe ver- kleinert wird (bei der Expansion ist es entsprechend umgekehrt). Umgekehrt kann auch ein unter Überdruck stehendes Arbeitsgas die als Expansionsvorrichtung ausgeführte Schneckenwelle antreiben, wobei sein Druck abnimmt.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung zwei Flüssigkeitsringe auf und zwei Gruppen (jeweils min- destens einen Steg) von Stegen, die jeweils einem Flüssigkeitsring zugeordnet sind. Die beiden Flüssigkeitsringe sind zumindest im Betrieb der Vorrichtung voneinander räumlich getrennt, z.B. durch eine T rennwand. Jede Gruppe von Stegen kann jeweils einen eigenen spiral- oder schne- ckenförmigen Steg (also insgesamt mindestens zwei) bilden oder jeweils einen Steg (also ins- gesamt mindestens zwei), dessen Außenkante jeweils eine geschlossene Linie bildet, der die Rotationsachse umschließt und der mindestens eine Oberfläche umfasst, die nicht senkrecht zur Rotationsachse verläuft. Ein Flüssigkeitsring mit einer Gruppe von Stegen kann zur Kompri- mierung des Arbeitsgases dienen, wobei der andere Flüssigkeitsring mit der anderen Gruppe von Stegen zur Expansion des Arbeitsgases dient.

Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann ausgebildet sein:

- zum Umwandeln von mechanischer Energie in Wärme und /oder Kälte (thermomechanischer Wandler) oder - zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärme und /oder Kälte (thermoelektrischer Wandler) oder

- zur Erzeugung von mechanischer Energie mittels der Nutzung von Wärmequelle(n) und Wär- mesenke(n) mit unterschiedlichen Temperaturen (thermomechanischer Wandler) oder

- zur Umwandlung von elektrischer Energie mittels der Nutzung von Wärmequelle(n) und Wär- mesenke(n) mit unterschiedlichen Temperaturen (thermoelektrischer Wandler) oder

- zur Umwandlung von Wärmemengen mit bestimmten Temperaturen in Wärmemengen mit be- stimmten anderen Temperaturen, wobei zusätzlich mechanische/elektrische Energie erzeugt werden kann oder zum Antrieb verwendet werden kann (thermomechanischer oder thermo- elektrischer Wandler).

Die Wärme/Kälte kann mittels Flüssigkeiten als Wärmeträger an diesen thermoelektrischen o- der thermomechanischen Wandler gekoppelt werden. Daher liegt sein Einsatzbereich vorzugs- weise auch bei Temperaturen und Drücken, bei denen die verwendeten Stoffe flüssig sind.

Die Erfindung ersetzt herkömmliche Wärmepumpen, Wärmekraftmaschinen oder Vorrichtungen zum Umwandeln von (Ab-)Wärme oder Wärmemengen mit gewissen Temperaturunterschieden in Nutzwärme und/oder Nutzkälte. Die Erfindung zeichnet sich durch besonders hohe Wirkungs- grade aus sowie durch Verschleißarmut und einen vergleichsweise einfachen und kostengüns- tigen Aufbau. Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Ausführungsform eines thermoelektri- schen oder thermomechanischen Wandlers unter der Verwendung von periodisch in eine Flüs- sigkeit eintauchenden Wärmetauscherelementen (z.B. Stegen), die aber eine deutlich höhere Leistung, geringere Reibung und geringere Herstellungskosten pro Leistung ermöglicht.

Die Stege können zusammengenommen eine Schraubenform oder eine Spiralform oder eine Schneckenform aufweisen und schrauben- oder spiral- oder schneckenförmig um eine Nabe des Volumenänderungselements angeordnet sein, wobei sich vorzugsweise eine Steigung der Schrauben- oder Spiral- oder Schneckenform und/oder vorzugsweise ein Durchmesser der Nabe sich entlang der Rotationsachse verändern.

Mindestens eine äußere Wärmequelle kann zum Zuführen und/oder mindestens eine äußere Wärmesenke zum Abführen von Wärmemengen thermisch an den Flüssigkeitsring gekoppelt sein, und zwar vorzugsweise durch eine entsprechende Zuleitung und/oder Ableitung von Flüs- sigkeit oder durch Rohre, die in den Flüssigkeitsring eintauchen. Die externen Wärmequellen oder -senken können Vorrichtungen zur Nutzung oder Speicherung der erzeugten Nutzwärme oder Nutzkälte sein wie z.B. eine Heiz- oder Kühlvorrichtung oder ein thermischer Wärmespei- cher oder Latentwärmespeicher (z.B. Eisspeicher), und/oder die Quellen/Senken der Wärme- mengen sein, die zum Antrieb der Maschine genutzt werden. So kann auf zusätzliche Wärme- tauscher verzichtet werden, und der Wärmeübertrag zwischen externen Wärmequellen oder - senken und Arbeitsmedium kann so weitgehend isotherm und ohne große Temperaturgradien- ten erfolgen.

Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann zusätzlich einen Wärmetau- scher oder einen Regenerator zum Austausch von Wärmemengen zwischen einem komprimier- ten und einem expandierten Arbeitsgas umfassen. Dieses wichtige, aber nicht absolut erforder- liches Element ist in der Clausius-Rankine-Variante ein Wärmetauscher zum Austausch der Temperaturen zwischen dem komprimierten Arbeitsgas (oder auch von kondensiertem Arbeits- gas/Arbeitsmedium) und dem expandierten Arbeitsgas. Bei der Stirling-Variante ist dies alter- nativ ein Regenerator, der beim Durchströmen des Arbeitsgases in die eine Richtung dieses Arbeitsgas abkühlt und Wärmeenergie von ihm aufnimmt, und beim Durchströmen des Arbeits- gases in die andere Richtung das Arbeitsgas erwärmt und entsprechend Wärmenergie an die ses abgibt. Der Regenerator ist ein Medium mit großer Oberfläche, das gut Wärme aus dem durchströmenden Arbeitsgas aufnehmen/abgeben kann, z.B. eine feine Metallwolle oder Me- tallspäne oder ein poröses Sintermetallgebilde. Der Wärmetauscher oder der Regenerator kann beispielsweise innerhalb des rotierenden Volumenänderungselements vorgesehen sein oder mit dem äußeren, drehbaren Gehäuse verbunden sein. Er kann auch mit dem rotierenden Vo- lumenänderungselement oder mit dem äußeren, drehbaren Gehäuse mitrotierend vorgesehen sein. So kann der Wärmetauscher oder der Regenerator innerhalb einer Nabe des rotierenden Volumenänderungselements oder innerhalb einer Gehäusewand des äußeren, drehbaren Ge- häuses angeordnet sein. Das rotierende Volumenänderungselement oder die Gehäusewand kann dann Öffnungen aufweisen, um Arbeitsgas zu dem Wärmetauscher/Regenerator zuzulei- ten und von diesem abzuleiten.

Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann zusätzliche Wärmeübertra- gungselemente zwischen dem Flüssigkeitsring und dem Arbeitsgas umfassen, vorzugsweise zusätzliche Stege oder an der Nabe befestigte Metallplatten, Metallscheiben, Metallnetze und/o- der Stäbe.

Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler kann ein oder mehrere drehbare Ge- häuse zur Aufnahme des Flüssigkeitsrings umfassen.

Mindestens eine verwendete Flüssigkeit kann Wasser, flüssiges CO2, ein Thermoöl oder ein anderes Öl, Ethanol oder ein anderer Alkohol sein oder ein Stoff sein mit einem Siedepunkt, bei einem Umgebungsdruck von 1 bar, zwischen -200°C und 80°C und besonders bevorzugt zwi- schen -50°C und 80°C.

Das Arbeitsgas kann ein gasförmiger Aggregatzustand einer der verwendeten Flüssigkeiten sein. Das Arbeitsgas kann Luft, Stickstoff, CO2, Helium, Ethanol-Dampf, Wasserstoff, Wasserdampf sein oder ein Stoff sein mit einem Siedepunkt, bei einem Umgebungsdruck von 1 bar, zwischen -200°C und 80°C und besonders bevorzugt zwischen -50°C und 80°C.

Für eine Expansion des Arbeitsgases können ein Drosselventil und/oder für eine Kompression des Arbeitsgases oder des flüssigen Kondensats des Arbeitsgases eine Pumpe vorgesehen sein.

Weiter betrifft die Erfindung ein computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers wie oben oder weiter unten beschrieben.

Das Volumenänderungselement kann derart gesteuert werden, dass während einer Kompres- sion des Arbeitsgases dieses teilweise bis ganz kondensiert und während einer anschließenden Expansion verdampft.

Weiter betrifft die Erfindung ein computergesteuertes oder elektronisch gesteuertes Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlern wie oben oder weiter unten beschrieben, die derart mechanisch oder elektrisch miteinander gekoppelt sind, dass einer der thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler einen anderen antreiben kann und so aus Wärmemengen mit ersten Temperaturen Wärmemengen mit zweiten Temperaturen erzeugt werden können, wobei die ersten und die zweiten Tempera- turen verschieden voneinander sind.

Dies kann sinnvoll zur Nutzung von (Ab-)Wärme zur Erzeugung von Nutzwärme oder -kälte (zur Klimatisierung von Gebäuden oder Fahrzeugen aus Umgebungs- oder Abwärme, zur Erzeu- gung von Wärme/Kälte für industrielle Prozesse, zur Umformung von Wärme aus Wärmespei- chern in Nutzwärme mit anderen Temperaturen, ...) sein.

Es kann vorgesehen sein, zwei entsprechende thermoelektrische oder thermomechanische Wandler/Wandlermodule mit Flüssigkeitsringen derart flexibel miteinander zu koppeln, dass da- bei Wärme/Kälte (vorzugsweise eine Wärmequelle und eine Wärmesenke mit unterschiedlichen Temperaturen) dazu genutzt werden kann, Nutzwärme und/oder Nutzkälte aus Wärmemengen mit anderen Temperaturen zu erzeugen. Mit„flexibel koppeln“ ist dabei gemeint, dass die Pa- rameter wie Exzentrizität, Drehgeschwindigkeit, Abmessungen, Druck und/oder Form der Schneckenwelle auch während des Betriebs derart verändert werden können, dass sich so die erzeugten Temperaturen, Wärmemengen und Strombedarf/-erzeugung flexibel einstellen las- sen. So lassen sich u.a. Wärmedifferenzen mit nur geringem Temperaturunterschied (z.B. aus Abwärme) „aufkonzentrieren“ zu nutzbaren Wärmemengen mit höherem Temperaturunter- schied. Die beigefügten Figuren stellen beispielhaft zum besseren Verständnis und zur Veranschauli- chung Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung dar. Es zeigt:

Figur 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines thermoelektrischen oder ther- momechanischen Wandlers zur Realisierung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses,

Figur 2 einen Schnitt senkrecht zur Drehachse an der in Figur 1 dargestellten Position A,

Figur 3 einen Schnitt senkrecht zur Drehachse an der in Figur 1 dargestellten Position B,

Figur 4 eine räumliche Ansicht des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers aus Figur 1 ,

Figur 5 den Weg des Arbeitsgases durch die erste Ausführungsform anhand von Pfeilen,

Figur 6a eine Schneckenwelle mit Einfach-Helix,

Figur 6b eine Schneckenwelle mit Doppelhelix,

Figur 7 die in Figur 1 beschriebene Ausführungsform mit einer zusätzlichen Kompressionsstufe und einer zusätzlichen Expansionsstufe,

Figur 8 eine zweite Ausführungsform des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wand- lers,

Figur 9 eine dritte Ausführungsform des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wand- lers zur Realisierung eines Stirling-Kreisprozesses,

Figur 10a die erste Ausführungsform, die als Wärmepumpe betrieben werden kann,

Figur 10b eine erste Variante, bei der je zwei in sich geschlossene Clausius-Rankine-Gaskrei- sprozesse miteinander und mit einem Motor/Generator mechanisch mittels gemeinsamer Welle gekoppelt sind,

Figur 10c eine zweite Variante, bei der der Gas-Kreisprozess nicht vollständig geschlossen ist, sondern an einer Stelle mit der Umgebungsluft gekoppelt ist und

Figur 10d eine dritte Variante, bei der der Gas-Kreisprozess nicht vollständig geschlossen ist, sondern an einer Stelle mit der Umgebungsluft gekoppelt ist.

Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers zur Realisierung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses. Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler, der auf einer feststehenden T rägerstruk- tur 1 angeordnet ist, umfasst einen Motor/Generator 8 und ein drehbares Gehäuse 9, in dem zwei Kammern 31 , 32 ausgebildet sind. Die beiden Kammern 31 , 32 sind durch eine Trennwand 10 voneinander getrennt. Die Trennwand 10 ist derart mit dem Gehäuse 9 verbunden, dass sie zusammen mit ihm drehbar ist. Mit der Trennwand 10 ist ein Dichtzylinder 12 verbunden, und die T rennwand 10 weist eine Öffnung 13 auf, durch die eine Welle 5 und ein Wärmetauscher 14 verläuft. Die Trennwand 10 vermeidet, dass sich die Flüssigkeiten in den beiden Kammern 31 , 32 vermischen. Zudem ist vorteilhaft, wenn die Trennwand 10 gut isoliert ist, um einen Wär- meaustausch zwischen den Flüssigkeitsringen 17 und den Gasen 34 in den beiden Kammern 31 , 32 zu verhindern.

Der thermoelektrische oder thermomechanische Wandler umfasst zudem Aufnahmen 2 für die Lager 3 der Welle 5 und die Lager 4 des drehbaren Gehäuses 9. Die Welle 5 ist exzentrisch zur Drehachse des Gehäuses angeordnet. Auf der Welle 5 sind zwei Schneckenwellen 40 (Volu- menänderungselement) angeordnet, eine in jeder der beiden Kammern 31 , 32, und die Welle 5 koppelt die Schneckenwellen, den Motor/Generator 8 und den Wärmetauscher 14 mechanisch miteinander. In dem Wärmetauscher 14, d.h., innerhalb einer Außenwand 33 des Wärmetau- schers 14, verlaufen die Rohre 18, die an der Mantelfläche des Wärmetauschers 14 Öffnungen aufweisen. Die Schneckenwellen 40 umfassen jeweils eine Nabe 6 mit jeweils einem daran schrauben- oder spiral- oder schneckenförmig angebrachten Steg 7. Die Naben 6 weisen ent- lang ihrer Länge einen zunehmenden Durchmesser auf, wobei die Schneckenwellen 40 in den Kammern 31 , 32 derart angeordnet sind, dass der Durchmesser zu der Trennwand 10 hinzu- nimmt. Die Steigung der Stege 7 nimmt zur Seite mit dem größeren Durchmesser ab. Die Schneckenwellen 40 können um eine Rotationsachse 39 gedreht werden.

Jede der beiden Kammern 31 , 32 weist eine Ablaufleitung 15 und eine nicht dargestellte Zulauf- leitung (siehe Figur 4) auf, die durch Löcher in den Aufnahmen 2 verlaufen und innerhalb der Kammern 31 , 32 bis zu einem gewünschten Niveau eines Flüssigkeitsrings 17 ragen.

Anhand von Figur 1 wird eine Funktion des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers in der Verwendung als Wärmepumpe beschrieben. Der Motor/Generator 8 versetzt die beiden Schneckenwellen 40, die auf der Welle 5 angeordnet sind, über diese Welle 5 in eine Drehbewegung. Dadurch werden auch die Flüssigkeiten in den beiden Kammern 31 , 32, in de- nen die zwei Schneckenwellen 40 liegen, in Rotation versetzt, so dass die Flüssigkeiten jeweils einen Flüssigkeitsring 17 in den jeweiligen Kammern 31 , 32 ausbilden.

Durch diese Rotation der Flüssigkeitsringe 17 wird auch das drehbare Gehäuse 9 in Rotation versetzt, so dass kaum Reibung zwischen den Flüssigkeitsringen 17 und der Gehäusewand entsteht. Da die Welle 5 der Schneckenwellen 40 exzentrisch zur Drehachse des Gehäuses 9 und somit zu den Flüssigkeitsringen 17 angeordnet ist, bildet sich auf einer Seite der Schne- ckenwellen 40 jeweils mindestens ein Hohlraum aus, der jedoch auf der gegenüberliegenden Seite der Schneckenwellen 40 durch den jeweiligen Flüssigkeitsring 17 abgedichtet ist (siehe hierzu auch Querschnitt in Figur 2).

Zwischen den Stegen 7 der Schneckenwellen 40 bilden sich in diesen Hohlräumen nun voll- ständig nach außen abgedichtete Volumina des Arbeitsgases, die durch die Rotation der Schne- ckenwellen 40 in der einen Kammer 31 (in diesem Beispiel rechts) entlang der Rotationsachse 39 zur Mitte hin befördert und dort wieder geöffnet werden, und in der anderen Kammer 32 (in diesem Beispiel links) entsprechend von der Mitte entlang der Rotationsachse 39 nach außen befördert werden. Durch die zur Mitte hin abnehmende Steigung der Stege 7 der Schnecken- wellen 40 und durch den zunehmenden Durchmesser der Nabe 6 wird das Gas auf seiner Be- förderung von der rechten Kammer 31 zur Mitte hin verdichtet, während es in der linken Kammer 32 auf seinem Weg aus der Mitte heraus nach links expandiert wird. Entsprechend wird das Gas in der rechten Kammer 31 erwärmt und in der linken Kammer 32 abgekühlt, wobei zusätz- lich Kondensation und Verdampfung auftreten können.

Durch den engen Kontakt zu den Flüssigkeitsringen und die periodisch darin ein- und auftau- chenden Stege 7 wird die entstehende Wärme/Kälte auch an den jeweiligen Flüssigkeitsring 17 abgegeben, wodurch dieser Wärmeenergie aufnimmt und sich dabei erwärmt bzw. Wärmener- gie abgibt und sich dabei abkühlt. Dies geschieht wegen des engen Kontakts und den großen Oberflächen weitgehend isotherm, was sich positiv auf den Wirkungsgrad des hier vorliegenden Clausius-Rankine-Kreisprozess auswirkt. Nach der Expansion kann das Arbeitsgas durch das Innere der Schneckenwellen 40 wieder in die rechte Kammer 31 zurückströmen, wo es von der verdichtenden Schneckenwelle 40 wieder erfasst werden kann - so schließt sich der Clausius- Rankine-Kreisprozess.

Eine wesentliche Wirkungsgradverbesserung wird noch durch den innerhalb der Schnecken- wellen 40 auf der Welle 5 befindlichen Gegenstrom-Wärmetauscher 14 erreicht: Das unter hö- herem Druck stehende Arbeitsgas, das in diesem Fall von der rechten (als Verdichter arbeiten- den) Schneckenwelle 40 zur linken (als Expansions-Vorrichtung arbeitenden) strömt, muss den Weg durch Öffnungen in der Außenwand 33 des Wärmetauschers 14, durch die in seinem In- neren liegenden Rohre 18 hindurch, und auf der anderen Seite durch Öffnungen wieder aus ihm hinaus nehmen. Dabei strömt das unverdichtete Arbeitsgas in entgegengesetzter Richtung in- nerhalb des Wärmetauscher 14 an ihm vorbei, wobei beide Arbeitsgasströme durch die Wände der Rohre 18 voneinander getrennt sind. Über die Wände der Rohre 18 kann ein Wärmeaus- tausch stattfinden. Durch eine auf dem rotierenden Wärmetauscher 14 sitzende Dichtscheibe 1 1 wird verhindert, dass das Arbeitsgas am Wärmetauscher 14 vorbei strömt. So können die Arbeitsgasströme jeweils Wärmemengen austauschen, so dass sie beim Verlassen des Wär- metauschers 14 weitgehend die Temperatur angenommen haben, die der jeweils andere Ar- beitsgasstrom beim Eintritt in den Wärmetauscher 14 hatte. Alternativ oder zusätzlich zum kom- primierten Arbeitsgas, das durch die Rohre 18 strömt, kann auch Kondensat durch den Wärme- tauscher 14 geleitet werden. In diesem Fall müssen statt oder zusätzlich zu den Rohren 18 weitere Rohre 30 verwendet werden, die in die Flüssigkeitsringe 17 eintauchen (siehe auch Figur 8).

Um die entstehende Wärme/Kälte nutzbar zu machen, strömt über die jeweiligen (nicht darge- stellten) Zulaufrohre in jeder Kammer 31 , 32 immer neue Flüssigkeit in die Flüssigkeitsringe 17 nach und wird von dort wieder über je ein Ablaufrohr 15 entnommen. Die Ablaufrohre 15 sind so angeordnet, dass sie an der Stelle enden bis zu der sich die Flüssigkeitsringe ausbilden sollen. Durch den hohen Druck in den Flüssigkeitsringen 17 wird so überschüssige Flüssigkeit in die Ablaufrohre 15 gedrückt und mit ihr die Nutzwärme/-kälte.

Alternativ kann der Aufbau aus Figur 1 auch als Wärmekraftmaschine genutzt werden, indem die linke Kammer 32 (Expansionskammer) mit einer Wärmequelle mit höherer Temperatur ge- koppelt wird und die rechte Kammer 31 (Verdichterkammer) mit einer Wärmesenke mit niedri gerer Temperatur. Einmal durch den Motor/Generator 8 in Gang gesetzt, treibt der Temperatur- Unterschied den thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler an, so dass im Mo- tor/Generator 8 elektrischer Strom erzeugt oder die mechanische Energie der drehenden Welle 5 direkt genutzt werden kann.

Zur weiteren Verbesserung des Wärmeübertrags zwischen den Flüssigkeitsringen 17 und dem Arbeitsgas können ein oder mehrere weitere Stege an der Schneckenwelle 40 vorgesehen wer- den, so dass diese eine Doppel- bzw. Mehrfachhelix ausbilden (Doppelhelix siehe Figur 6b, im Vergleich zu Einfachhelix in Figur 6a). Eine entsprechende Ergänzung von Stegen zur Verbes- serung des Wärmeübertrags zwischen Arbeitsgas und Flüssigkeit ist auch in der unten beschrie- benen Ausführungsform zur Umsetzung des Stirling-Kreisprozesses möglich. Andere in die Flüssigkeit ein-/auftauchende Geometrien statt der zusätzlichen Stege sind ebenfalls möglich.

Figur 2 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Drehachse an der in Figur 1 dargestellten Position A. Es ist zu erkennen, dass die Schneckenwelle mit ihrer Nabe 6 und dem/den Steg(en) 7 exzent- risch innerhalb des Flüssigkeitsrings 17 und des Gehäuses 9 angeordnet ist. Gestrichelt ist die Projektion der äußeren Kanten der Stege 7 auf diese Ebene dargestellt, die senkrecht zur Ro- tationsachse 39 liegt. Weiter ist der in der Schnittebene liegende Steg 7 zu erkennen.

Figur 3 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Drehachse in der in Figur 1 dargestellten Position B, wobei der Wärmetauscher 14 mit seiner Außenwand 33 und den Rohren 18 zu erkennen ist. Innerhalb der Außenwand 33 und außerhalb der Rohre 18 strömt das expandierte Arbeitsgas in die eine Richtung (kommend aus dem Inneren der Nabe 6 der Expansions-Schneckenwelle (linke Kammer 32) und strömend in das Innere der Nabe 6 der Kompressions-Schneckenwelle (rechte Kammer 31 )). Innerhalb der Rohre 18 strömt das komprimierte Arbeitsgas (mit hohem Druck) in die andere Richtung. Der Wärmeaustausch erfolgt über die große Oberfläche, die die Rohre 18 bilden. Der Einfachheit halber sind hier nur vier Rohre 18 abgebildet, bevorzugt wer- den aber wesentlich mehr davon verwendet.

Figur 4 zeigt eine räumliche Ansicht des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wand- lers aus Figur 1 , in der sowohl eine der Zulaufleitungen 16 als auch eine der Ablaufleitungen 15 zu erkennen sind. Figur 5 stellt mit den Pfeilen den Weg des Arbeitsgases durch den thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandler von Figur 1 dar. Von der rechten Kammer 31 , in der die Schne- ckenwelle 40 als Verdichter arbeitet, strömt das verdichtete Arbeitsgas durch die Öffnungen in der Außenwand 33 des Wärmetauschers 14 und dann durch die in seinem Inneren liegenden Rohre 18 hindurch. Durch die Öffnungen in der Außenwand 33 des Wärmetauschers, die sich in der linken Kammer 32 befinden, strömt das verdichtete Arbeitsgas in die zweite Kammer 32. Während dieses Prozesses strömt von der linken Kammer 32 aus unverdichtetes Arbeitsgas in entgegengesetzter Richtung innerhalb der Außenwand 33 des Wärmetauschers 14 und außer- halb der Rohre 18 vorbei. Über die Wände der Rohre 18 kann dabei ein Wärmeaustausch zwi- schen dem verdichteten und dem unverdichteten Gas stattfinden.

Figur 6a zeigt eine Schneckenwelle 41 mit Einfach-Helix, Fig. 6b zeigt eine Schneckenwelle 42 mit Doppelhelix. Die Schneckenwellen 41 , 42 umfassen jeweils Öffnungen 20 innerhalb der Stirnfläche 19, um die Strömung des Arbeitsgases durch das Innere der Naben 6 zu ermögli- chen.

Figur 7 zeigt die in Figur 1 beschriebene Ausführungsform, bei der eine zusätzliche Kompressi- onsstufe 35 und eine zusätzliche Expansionsstufe 36 vorgesehen sind. Dafür sind die zusätzli- chen, mit dem Gehäuse 9 fest verbundenen Trennscheiben 28 vorgesehen, die in der Mitte jeweils eine gasdurchlässige Öffnung 29 aufweisen. Die Trennscheiben 28 können weitere Öff nungen aufweisen, um einen Flüssigkeitsaustausch und damit einen Wärmeaustausch zwi- schen den jeweils angrenzenden Flüssigkeitsringen 17 zu ermöglichen. Die Trennscheiben 28 verhindern, dass ein Flüssigkeitsring aus dem Bereich mit höherem Druck in den Bereich mit niedrigerem Druck hinein verdrängt wird. Durch die zweite Kompressions- oder Expansionsstufe kann der Arbeitsdruck und damit die Leistung der Maschine gesteigert werden.

Alternativ können auch ganze thermoelektrische oder thermomechanischen Wandler bzw. Wandlermodule derart miteinander gekoppelt werden, dass sie ein Arbeitsgas, z.B. schrittweise, erwärmen, kühlen oder verflüssigen oder sich so Abwärme besonders effizient nutzen lässt (Kaskade von Wärmepumpen/Wärmekraftmaschinen).

Es ist nicht erforderlich, dass beide Schneckenwellen 40 in einem gemeinsamen, unterteilten Gehäuse rotieren, wie in Figur 1 dargestellt. Ebenso wären zwei getrennte Gehäuse denkbar, in einer Anordnung, in der die beiden Schneckenwellen 40 trotzdem noch mit einer gemeinsa- men Welle mechanisch gekoppelt sind oder mit getrennten Wellen gekoppelt sind. Ebenso ist möglich, dass der Wärmetauscher nicht auf der gemeinsamen Achse mit rotiert, sondern orts- fest ausgeführt wird. In diesem Fall muss das Arbeitsgas aus dem rotierenden Gebilde ausge- koppelt werden, indem z.B. eine feststehende Trennscheibe mit einer Öffnung für das Arbeits- gas verwendet wird, die senkrecht zur Rotationsachse angeordnet ist und rundum ständig in den Flüssigkeitsring eintaucht. Figur 8 zeigt eine zweite Au sfüh rungsform eines thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers, der ähnlich zu der ersten Ausführungsform aus Figur 1 aufgebaut ist. In der zweiten Au sfüh rungsform ist ein Wärmetauscherrohr 30 derart ausgeführt, dass es in die beiden Flüs- sigkeitsringe 17 der beiden Kammern 31 , 32 eintaucht. Die Eintauchtiefen sind in beiden Kam- mern 31 , 32 unterschiedlich. Durch diese unterschiedlichen Eintauchtiefen auf beiden Seiten kann die Menge des im Rohr 30 transportierten Kondensats beeinflusst werden. Dadurch kann das Wärmetauscherrohr 30 Kondensat von der einen Seite zur anderen befördern, das auf sei- nem Weg durch den Wärmetauscher 14 Wärmeenergie mit dem in entgegengesetzter Richtung strömenden Arbeitsgas austauschen kann. Alternativ kann das Wärmetauscherrohr 30 auch derart ausgeführt sein, dass es über eine größere Länge innerhalb des Wärmetauschers 14 verläuft, oder dass es an anderer Stelle in den Flüssigkeitsring 17 eintaucht.

Figur 9 zeigt eine dritte Ausführungsform des thermoelektrischen oder thermomechanischen Wandlers zur Realisierung eines Stirling-Kreisprozesses. Statt der Schneckenwellen sind hier exzentrisch in Flüssigkeitsringen 17 rotierende Naben 26 vorgesehen, die Gasräume zwischen den Naben 26 und den Flüssigkeitsringen 17 mittels Sperrscheiben 21 nach außen hin abdich- ten. Die Naben 26 weisen entlang der Welle 5 einen gleichbleibenden Durchmesser auf. Zu- sätzlich enthalten die Naben 26 je (mindestens) einen Steg 27, der die Nabe 26 einmal vollstän- dig umschließt, aber nicht rein senkrecht zur Drehachse angeordnet ist, sondern an je zwei gegenüberliegenden Seiten einmal benachbart (z.B. sehr nahe) oder ganz an der einen Sperr- scheibe 21 und einmal an der anderen Sperrscheibe 21 angeordnet ist. Eine Nabe 26 zusam- men mit einem daran angeordneten Steg 27 kann als Volumenänderungselement angesehen werden. Durch eine solche Anordnung kann jeder Steg somit Bereiche aufweisen, die nicht in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse verläuft. Die Außenkanten jeden Stegs beschrei- ben eine geschlossene Kurve, die nicht in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse liegt. Durch die Rotation der Welle 5 werden die beiden vom Steg 27 unterteilten Gasvolumina ab- wechselnd vergrößert und verkleinert. Wenn die beiden Naben 26 mit ihren Stegen 27 nun um 90° oder um einen anderen Winkel gegeneinander verdreht sind, wirken sie wie die phasenver- schoben arbeitenden Kolben eines Stirling-Motors in a-Bauweise.

Die beiden Sperrscheiben 21 bilden zusammen mit den beiden Naben 26 und den beiden Flüs- sigkeitsringen 17 abgeschlossene Gasvolumina, die durch die Stege 27 nochmals unterteilt sind. Die Verbindungsrohre 22 schaffen eine Verbindung für das Arbeitsgas zwischen je einem dieser beiden durch die Stege 27 unterteilten Volumina aus der linken Kammer 38 und einem aus der rechten Kammer 37, wobei das Arbeitsgas beim Durchströmen der Verbindungsrohre 22 einen Regenerator 23 durchströmen muss, der zwischen den beiden Kammern 37, 38 ange- ordnet ist. Eine der Sperrscheiben 21 und ein Dichtzylinder 24 dichten die beiden Kammern 37, 38 gegeneinander ab, so dass kein Gasaustausch über die Öffnung 13 in der Trennwand 10 möglich ist. Der Dichtzylinder 24 kann z.B. direkt an der einen Sperrscheibe 21 anliegen und verhindert dadurch, dass ein unnötiger Wärmeaustausch zwischen den beiden Kammern 37, 38 stattfindet.

Figur 10a zeigt die erste Ausführungsform, die als Wärmepumpe betrieben werden kann, wobei der Motor 8 die Verdichter-Schneckenwelle antreibt, und dabei von der Expansions-Schnecken- welle unterstützt wird. Alternativ kann die Expansions-Schneckenwelle an eine Wärmequelle mit höherer Temperatur und die Verdichter-Schneckenwelle an eine Wärmesenke mit niedrige- rer Temperatur gekoppelt werden und der Motor 8 durch einen Generator ersetzt werden (bzw. als kombinierter Motor/Generator ausgeführt werden). So kann durch die Nutzung des Tempe- raturunterschieds elektrische Energie erzeugt werden, oder bei Wegfall des Generators auch mechanische Energie.

Figur 10b zeigt eine erste Variante, bei der je zwei in sich geschlossene Clausius-Rankine- Gaskreisprozesse (bestehend aus je einer Kompressions-Einheit, einer Expansions-Einheit so- wie einem rotierenden Wärmetauscher) miteinander und mit einem Motor/Generator mecha- nisch mittels gemeinsamer Welle 5 gekoppelt sind. In dieser Anordnung ist es möglich, dass einer der beiden Gas-Kreisprozesse aus Wärme/Kälte mechanische Energie in Form der Dre- hung der gemeinsamen Welle 5 erzeugt, und so den anderen Gas-Kreisprozess antreibt, um so Wärme/Kälte mit anderen Temperaturen zu erzeugen. So lässt sich z.B. aus Abwärme und einer Wärmesenke Nutzkälte und/oder Nutzwärme erzeugen. Dabei können Abmessungen, der Grad der Exzentrizität der Schneckenwellen im Flüssigkeitsring, Druck, Schneckensteigungen und/o- der die Durchmesseränderungen der Naben derart gewählt werden, dass die gewünschten Temperaturen erreicht werden. Insbesondere können sich diese Parameter bei den unter- schiedlichen Schneckenwellen/Volumenänderungselementen auch unterscheiden oder auch veränderbar/regelbar sein. Alternativ kann auch der Motor/Generator den Antrieb der Wellen übernehmen, so dass in beiden Gas-Kreisprozessen Wärme/Kälte erzeugt wird. Alternativ kön- nen auch beide Gas-Kreisprozesse mechanische Energie aus Wärme/Kälte erzeugen und so den Motor/Generator antreiben, der dann Strom erzeugt. Außerdem sind Mischformen von all diesen Varianten möglich.

Figuren 10c und 10d zeigen eine zweite und eine dritte Variante, bei denen der Gas-Kreispro- zess nicht vollständig geschlossen ist, sondern an einer Stelle mit der Umgebungsluft gekoppelt ist. Sie können dazu verwendet werden, Umgebungsluft zu erwärmen oder kühlen, oder um Umgebungsluft als Wärmequelle oder Senke zu nutzen. Auch diese beiden Varianten sind wie- der analog zu Fig. 10b unterschiedlich kombinierbar.

Als weitere Ausführungsbespiele kann vorgesehen sein:

Der Motor/Generator kann über die rotierende Außenwand des Gehäuses statt über die rotie- renden Schneckenwellen/Volumenänderungselemente angekoppelt werden. • Statt das Arbeitsgas nur zu verdichten und expandieren, kann es zumindest teilweise auch in den Kompressionskammern verflüssigt und in den Expansionskammern verdampft werden. Für diese Verfahrensvariante kann der Wärmetauscher so ausgeführt werden, dass mindestens in einem Teil der im Inneren des Wärmetauschers verlaufenden Rohre auch flüssiges Kondensat von der einen Kammer zur anderen fließen kann. Dazu müssen die Rohre zumindest teilweise außerhalb des Wärmetauschers derart verlängert werden, dass sie auf beiden Seiten, d.h. in der rechten und in der linken Kammer, in die jeweiligen Flüssigkeitsringe eintauchen. Dies ist beispielsweise in Figur 8 dargestellt: Neben den für den Gastransport ausgelegten Rohren 18 ist hier ein weiteres Rohr 30 derart ausgeführt, dass es eine kürzere Strecke innerhalb des Wärmetauschers 14 verläuft, aber an seinen Enden in die Flüssigkeitsringe eintaucht, und zwar mit unterschiedlichen Eintauchtiefen. Durch diese unterschiedlichen Eintauchtiefen auf beiden Seiten kann die Menge des im Rohr 30 transportierten Kondensats beeinflusst werden.

• Statt einer Expansionseinheit kann auch ein einfaches Drosselventil verwendet werden, so dass nur eine Schneckenwelle als weitgehend isothermer Kompressor eingesetzt wird.

· Die Kompressionseinheit kann durch einen Kondensator oder Verdampfer in Form eines an eine äußere Wärmesenke/-quelle gekoppelten Wärmetauschers und eine Pumpe ersetzt werden, sofern das Verfahren so durchgeführt wird, dass das Arbeitsmedium in der Expansionseinheit mit Schneckenwelle aus dem Flüssigkeitsring heraus verdampft/kondensiert wird.

• Die gesamte Vorrichtung kann von einem Druckbehälter umgeben sein, so dass sie bei einem Druck betrieben wird, der höher als der Umgebungsdruck ist.

• Alternativ zur Ausführungsform des Wärmetauschers aus Fig. 1 kann auch eine Ausführungsform des Wärmetauschers realisiert werden, bei dem das expandierte Arbeitsgas in mehreren Rohrlei- tungen strömt, die fest mit den Stirnseiten 19 der Schneckenwellen verbunden sind und die inner- halb eines äußeren Rohres verlaufen, das fest mit der Trennwand 10 verbunden ist und in dem das komprimierte Arbeitsgas in entgegengesetzter Richtung strömt. Dieses äußere Rohr hätte dann keine mechanische Verbindung zu den Schneckenwellen. Bei dieser Ausführungsform kann die Dichtscheibe 1 1 entfallen.