Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme mit einer Heizeinheit zur Erwärmung eines Fluids, insbesondere Luft, einer Verdichtereinheit zur Verdichtung des Fluids und einer Expandiereinheit zur Entspannung des Fluids. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme.

Entsprechende Wärmekraftmaschinen werden in ganz verschiedenen Bereichen der Technik wie bspw. zum Antrieb von Fahrzeugen und Flugzeugen aber darüber hinaus auch zum mechanischen Antrieb anderweitiger Maschinen eingesetzt. Ausgangspunkt ist dabei in der Regel Wärmeenergie, welche bspw. bei der Verbrennung von Treibstoff gewonnen wird und welche dann durch die Wärmekraftmaschine in mechanische Energie umgewandelt werden kann.

In der Regel weisen entsprechende Wärmekraftmaschinen eine Heizeinheit und eine Verdichtereinheit auf, in denen das Fluid jeweils mit Energie beladen wird. In der Heizeinheit wird dem Fluid thermische Energie zugeführt, woraufhin sich dieses erhitzt.

In der Verdichtereinheit wird das Fluid verdichtet bzw. komprimiert.

Nach der Verdichtung und der Erhitzung des Fluids wird dieses über eine Expandiereinheit entspannt, wodurch der Druck wieder abgebaut wird und sich das Fluid zudem auch wieder abkühlt. Die in der Expandiereinheit gewonnene mechanische Energie kann bspw. zum direkten Antrieb eines Fahrzeugs oder alternativ auch zum Antrieb eines Generators verwendet werden, mit dem sich die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln lässt.

Da in der Regel zur Verdichtung des Fluids in der Verdichtereinheit ebenfalls mechanische Energie benötigt wird, ist es bekannt, einen kleinen Teil der von der Expandiereinheit gewonnenen mechanischen Energie zur Verdichtung des Fluids zu verwenden. Die Verdichtereinheit und die Expandiereinheit können dafür bspw. über eine Welle mechanisch miteinander gekoppelt sein, so wie dies auch von Turbomaschinen bekannt ist. Zwar lässt sich bei einer derartigen Ausgestaltung das Fluid dann ohne zusätzliche Energiequelle verdichten, die Verdichtung verringert jedoch die an der Expandiereinheit abgreifbare mechanische Energie.

Wenngleich sich entsprechende Wärmekraftmaschinen in der Praxis bewährt und diese daher auch in ganz unterschiedlichen Ausgestaltungen für verschiedenste Zwecke eingesetzt werden, weisen diese jedoch beim Wirkungsgrad oftmals Verbesserungspotential auf.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, die sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnet. Weiterhin stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme anzugeben.

Die Aufgabe wird bei einer Wärmekraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Verdichtereinheit als eine mit der Heizeinheit und der Expandiereinheit fluidgekoppelte Kolbeneinheit ausgestaltet ist, die zwei über einen Kolben voneinander getrennte Kolbenräume aufweist, wobei der Kolben in der Kolbeneinheit frei bewegbar angeordnet ist.

Durch die freie Bewegung des Kolbens in der Kolbeneinheit ist es nicht erforderlich, den Kolben aktiv unter der Zuführung von externer Energie oder durch Abzweigung von durch die Expandiereinheit aus der Expansion des Fluids gewonnener Energie abzutreiben. Der Kolben kann sich vielmehr in Abhängigkeit der in den Kolbenräumen vorherrschenden Druckniveaus selbstständig bewegen. Der Kolben ist nicht mechanisch mit antreibenden oder angetriebenen Elementen verbunden, sondern dieser wird nur aufgrund des in den beiden Kolbenräumen befindlichen Fluids und etwaiger Druckunterschiede bewegt. Der frei bewegbare Kolben ermöglicht somit eine Selbstverdichtung des Fluids, indem Fluid mit einem höheren Druck zur Verdichtung von Fluid mit einem geringeren Druck ohne zusätzliche Energiezufuhr von außen verwendet werden kann. Die Kolbeneinheit kann insofern analog zu einem Wärmeübertrager als passiver Druckübertrager ausgestaltet sein, der aufgrund eines Überdrucks in einem der beiden Kolbenräume, das Fluid in dem anderen Kolbenraum komprimieren kann.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Heizeinheit, die Expandiereinheit und die Kolbeneinheit derart miteinander fluidgekoppelt sind, dass aus der Heizeinheit ausströmendes Fluid in den ersten Kolbenraum und aus der Expandiereinheit ausströmendes Fluid in den zweiten Kolbenraum einströmen kann. Die Heizeinheit bzw. ein Ausgang der Heizeinheit kann entsprechend mit dem ersten Kolbenraum und die Expandiereinheit bzw. ein Ausgang der Expandiereinheit mit dem zweiten Kolbenraum verbunden bzw. fluidgekoppelt sein. Das aus der Expandiereinheit ausströmende Fluid kann einen geringeren Druck als das aus der Heizeinheit ausströmende Fluid aufweisen, so dass Fluid mit dem geringeren Druck in der Kolbeneinheit durch das Fluid mit dem höheren Druck auf passive Weise verdichtet wird. Die Fluidkopplung kann durch Leitungen wie Rohre oder Schläuche realisiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben die beiden Kolbenräume gegeneinander abdichtet. Diese Ausgestaltung verhindert somit, dass Fluid von einem Kolbenraum am Kolben vorbei und somit direkt in den anderen Kolbenraum strömt. Um Reibungsverluste bei einer Bewegung des Kolbens in der Kolbeneinheit zu verringern bzw. zu minimieren, kann der Kolben in der Kolbeneinheit derart schwimmend gelagert sein, dass sich dieser nur in einer Richtung hin- und her bewegen kann. Die Kolbeneinheit kann von zylinderförmiger Geometrie sein und der Kolben kann entsprechend die Form einer Kreisscheibe aufweisen, die sich in Richtung der Längsachse der Kolbeneinheit frei hin und her bewegen kann. Um eine entsprechende Bewegung des Kolbens zu ermöglichen, kann die Kolbeneinheit Führungen, insbesondere Linearführungen aufweisen, in denen der Kolben geführt sein und sich in Abhängig der herrschenden Drücke hin und her bewegen kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizeinheit, die Kolbeneinheit und die Expandiereinheit zur einem geschlossenen Hauptkreislauf verschaltet sind. Das Fluid kann in diesem geschlossenen Hauptkreislauf umlaufen und dabei verschiedene Drücke und Temperaturen aufweisen, was nachfolgend noch näher erläutert werden wird. Da es sich um einen geschlossen Hauptkreislauf handelt, muss zwar auf der einen Seite eine ausreichende Dichtigkeit des Systems gewährleistet werden, gleichzeig können jedoch keine Verschmutzungen in das System eindringen, so dass auch über einen längeren Zeitraum eine zuverlässige Funktionsweise gewährleistet bleibt.

Ferner kann vorgesehen sind, dass die Heizeinheit, die Expandiereinheit und die Kolbeneinheit derart miteinander fluidgekoppelt sind, dass das Fluid aus dem ersten Kolbenraum der Kolbeneinheit in die Expandiereinheit und aus dem zweiten Kolbenraum der Kolbeneinheit in die Heizeinheit strömen kann. Die beiden Kolbenräume der Kolbeneinheit können insofern jeweils einen Zulauf und einen Ablauf aufweisen, durch den das Fluid in den entsprechenden Kolbenraum einströmen oder aus diesen ausströmen kann. Die Heizeinheit kann mit einem Zulauf des ersten Kolbenraums und mit einem Ablauf des zweiten Kolbenraums fluidgekoppelt sein und die Expandiereinheit kann mit dem Ablauf des ersten Kolbenraums und dem Zulauf des zweiten Kolbenraums fluidgekoppelt sein. Das Fluid kann somit im Hauptkreislauf von der Heizeinheit über den ersten Kolbenraum zur Expandiereinheit und nach der Expansion über den zweiten Kolbenraum zurück zur Heizeinheit fließen. Es ist möglich, dass sich das Fluid nur aufgrund der herrschenden Druckunterschiede sowie auch der verschiedenen Fluiddichten selbstständig bewegt und im Hauptkreiskauf zirkuliert. Auch durch den Kolben der Kolbeneinheit oder durch den Nachlauf der Expandiereinheit kann das Fluid im Hauptkreislauf und somit ebenfalls auf passive Weise ohne zusätzliche Energiezufuhr bewegt werden. Auf eine zusätzliche Pumpe bzw. einen entsprechenden Verdichter kann verzichtet werden. Gleichwohl ist es jedoch auch möglich, entsprechende Pumpen und/oder Verdichter in den Hauptkreislauf zu integrieren, sofern dies aufgrund der Randparameter erforderlich oder zuträglich ist. Die Heizeinheit, die Kolbeneinheit und die Expandiereinheit zur Realisierung einer Fluidkopplung über Rohr- oder Schlauchleitungen miteinander verbunden sein.

Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kolbeneinheit zur Steuerung der Fluidflüsse mit Ventilen, insbesondere mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen, ausgestattet ist. Jedem Kolbenraum können dabei zwei Ventile, insbesondere ein Einlassventil und ein Auslassventil, zugeordnet sein, so dass über die Öffnung der Ventile der Fluidfluss gesteuert werden kann. Die Ventile können automatisch gesteuert und geschaltet werden, wofür diese mit einer übergeordneten Steuereinheit verbunden sein können. Es kann sich bei den Ventilen insofern um Schaltventile und nicht um Absperrventile handeln. Fener können die Ventile auch mit Sensoren verbunden sein, so dass diese automatisch geöffnet und geschlossen werden, wenn die Sensoren bestimmte Schwellwerte detektieren. Bspw. können sich die Ventile in Abhängigkeit der Kolbenposition oder in Abhängigkeit der in den Kolbenräumen vorherrschenden Drücke selbstständig öffnen und schließen.

Die Ventile können ferner dafür sorgen, dass das Fluid nicht entgegen der Zirkulationsrichtung im Hauptkreislauf zirkulieren kann. Sie können dafür eine Rückschlagfunktion aufweisen und bspw. mit einer Rückschlagklappe ausgestaltet sein, so dass bspw. kein Fluid aus dem zweiten Kolbenraum zurück in die Expandiereinheit oder aus dem ersten Kolbenraum zurück in die Heizeinheit strömen kann. Alternativ können neben den Ein- und Auslassventilen auch zusätzliche Rückschlagventile in das System eingebunden sein, um Fluidströme entgegen der Zirkulationsrichtung zu unterbinden.

Gemäß einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Bypass vorgesehen ist, um die Expandiereinheit zu überbrücken. Der Bypass kann mit einem Ventil oder einer Bypassklappe ausgestattet sein, so dass gesteuert werden kann, welcher Anteil des sich in dem ersten Kolbenraum befindlichen Fluids in der Expandiereinheit entspannt wird. Der Bypass kann insofern einen Kurzschluss zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Expandiereinheit ermöglichen. Ferner ist es auch möglich, dass der Bypass erst hinter einem nachfolgend noch näher erläuterten Rückgewinnungswärmeübertrager eingebunden ist oder zumindest eine Abzweigung des Bypasses. Insofern lässt sich auch steuern, welcher Anteil über den Rückgewinnungswärmeübertrager geleitet wird. Weiterhin kann es auch möglich sein, den Bypass in der entgegengesetzten Richtung zu nutzen, um ggf. noch nicht vollständig entspanntes Fluid der Expandiereinheit ein weiteres Mal zuzuführen. Eine nicht ausreichende Entspannung in der Expandiereinheit kann bspw. aufgrund von Kurzschlussströmen entstehen. Durch den Bypass kann sich somit sowohl der Wirkungsgrad als auch die Regelbarkeit der Wärmekraftmaschine verbessern lassen.

Im Hinblick auf die Heizeinheit hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn diese das Fluid auf eine vorgegebene und eine insbesondere konstante Temperatur aufheizen kann. In der Heizeinheit kann insofern der maßgebliche Energieeintrag in das Fluid stattfinden und diese Energie kann dann zumindest teilweise in der Expandiereinheit in mechanische Energie umgewandelt werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Expandiereinheit und dem zweiten Kolbenraum ein Rückgewinnungswärmeübertrager angeordnet ist, mit welchem dem aus der Expandiereinheit in die zweite Kolbenraum einströmenden Fluid Wärme entzogen werden kann. Der Rückgewinnungswärmeübertrager kann insofern dem zweiten Kolbenraum vorgeschaltet sein, so dass das Fluid nach der Entspannung zunächst durch den Rückgewinnungswärmeübertrager strömt. Der Rückgewinnungswärmeübertrager kann dafür auf der einen Seite mit der Expandiereinheit und auf der anderen Seite mit dem zweiten Kolbenraum der Kolbeneinheit fluidgekoppelt sein, insbesondere über eine Rohr- oder Schlauchverbindung. Der Rückgewinnungswärmeübertrager kann als Gegenstromwärmeübertrager ausgestaltet sein, wobei der Heizstrang, also der Strang dem Wärme entzogen wird, Teil des Hauptkreislaufs sein kann.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Rückgewinnungswärmeübertrager derart mit der Heizeinheit fluidgekoppelt ist, dass die vom Rückgewinnungswärmeübertrager entzogene Wärme der Heizeinheit als Heizwärme zuführbar ist. Durch diese Ausgestaltung lässt sich die Effektivität bzw. der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine noch weiter optimieren. Der Kühlstrang, also der Strang dem Wärme zugeführt wird, des Rückgewinnungswärmeübertragers kann mit der Heizeinheit fluidgekoppelt sein, so dass die dem Fluid des Hauptkreislaufs entzogene Wärme verwendet werden kann, um das Fluid des Hauptkreislaufs in der Heizeinheit aufzuheizen. Weiterhin hat es sich im Hinblick auf den Rückgewinnungswärmeübertrager als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser und die Heizeinheit zu einem geschlossenen Rückgewinnungskreislauf verschaltet sind. In dem Rückgewinnungskreislauf kann ein Rückgewinnungsfluid zirkulieren, welches nach der Aufnahme von Energie im Rückgewinnungswärmeübertrager und der Abgabe der Energie in der Heizeinheit zurück zum Rückgewinnungswärmeübertrager strömen kann. Der Rückgewinnungswärmeübertrager, bzw. der Kühlstrang, kann insofern insbesondere über eine Rohroder Schlauchleitung mit der Heizeinheit verbunden sein. Als Fluid im Rückgewinnungskreislauf hat sich aufgrund der hohen Wärmekapazität insbesondere der Einsatz von Wasser, ggf. mit Additiven, bewährt. Weiterhin kann der Rückgewinnungskreislauf mit einer Umwälzpumpe ausgestattet sein, über die das Fluid im Rückgewinnungskreislauf zwischen dem Rückgewinnungswärmeübertrager und der Heizeinheit hin und her gepumpt werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der oder ggf. auch ein zusätzlicher Rückgewinnungskreislauf direkt mit der Expandiereinheit verschaltet ist. Je nachdem, wie die Expandiereinheit ausgestaltet ist, kann es erforderlich sein, diese zu Kühlen, um Überhitzungen zu vermeiden. Die Expandiereinheit kann bspw. mit einem internen Kühlkreislauf, bspw. auf Ölbasis, ausgestaltet sein und die Wärmeentwicklung innerhalb der Expandiereinheit kann über den oder einen zusätzlichen Rückgewinnungskreislauf abgeführt und zum Aufheizen bzw. zum Vorheizen des Fluids im Hauptkreislauf verwendet werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizeinheit mit einer Wärmeerzeugungseinheit, insbesondere einem Heizkessel, zur Bereitstellung von Heizwärme fluidgekoppelt ist. Die Heizeinheit kann insofern durch die Wärmeerzeugungseinheit mit Wärmeenergie gespeist werden, um das im Hauptkreislauf umlaufende Fluid zu erwärmen. Auch die Heizeinheit kann als Wärmeübertrager ausgestaltet sein, in der von der Wärmeerzeugungseinheit und ggf. zudem auch durch das Rückgewinnungsfluid des Rückgewinnungskreislaufs bereitgestellte Wärme zum Aufheizen des Fluids des Hauptkreislaufs verwendet werden kann. Bei der Wärmeerzeugungseinheit kann es sich um einen, insbesondere befeuerbaren, Heizkessel handeln, in welchem ein Fluid bzw. ein Wärmeträgermedium erhitzt und welches dann der Heizeinheit zugeführt wird. Weiterhin kann aber auch Abwärme verwendet werden, bspw. von Haus- oder Industrieanlagen oder Kraftwerken, oder es können alternativ auch Solarenergie oder natürlich auftretende Temperaturdifferenzen genutzt werden, um die Heizeinheit und damit auch das Fluid des Hauptkreislaufs entsprechend mit Wärme zu versorgen. Auch der Einsatz einer Wärmepumpe zur Bereitstellung von thermischer Energie ist möglich.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Wärmeerzeugungseinheit einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Direktverdampfer, aufweist über den sich das Arbeitsmedium der Wärmeübertragereinheit aufgrund des Fluids des Rückgewinnungskreislauf verdampft werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Wärmeerzeugungseinheit als Wärmepumpe ausgestaltet ist. Über die Verdampfung und die Wärmeerzeugungseinheit kann die Temperatur der durch das Rückgewinnungsfluid zugeführte Wärme erhöht werden. Der Wärmeübertrager der Wärmeerzeugungseinheit bzw. der Direktverdampfer kann ebenfalls Teil des Rückgewinnungskreislaufs sein. Das Rückgewinnungsfluid kann durch diese Ausgestaltung sowohl in der Heizeinheit als auch in dem Wärmeübertrager der Wärmeerzeugungseinheit Wärme abgeben, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad führt. Das Rückgewinnungsfluid kann von dem Rückgewinnungswärmeübertrager zunächst zur Heizeinheit und dann zum Wärmeübertrager der Wärmeerzeugungseinheit fließen. Es kann sowohl an die Heizeinheit als auch an die Wärmeerzeugungseinheit Wärme abgeben und dann zurück zum Rückgewinnungswärmeübertrager fließen. Auch ist es möglich, dass das Rückgewinnungsfluid zunächst in den Wärmeübertrager der Wärmeerzeugungseinheit, dann in die Heizeinheit und anschließend zurück zum Rückgewinnungswärmeübertrager fließt. Um eine entsprechend Fluidverbindung zu gewährleisten, können die Komponenten durch Rohr- oder Schlauchverbindungen miteinander fluidgekoppelt sein.

In einer alternativen Ausgestaltung kann auch auf den zusätzlichen Rückgewinnungskreislauf verzichtet werden. Dafür kann die Expandiereinheit bspw. über eine Rohr- oder Schlauchverbindung mit der Heizeinheit und/oder auch mit dem Direktverdampfer verbunden sein. Bei dieser Konfiguration wird das entspannte Fluid somit zunächst an der Kolbeneinheit vorbei geführt, so dass dieses seine Wärme direkt an die Heizeinheit und/oder den Direktverdampfer der Wärmeerzeugungseinheit abgeben kann. Die Heizeinheit oder der Direktverdampfer können mit dem Einlass des zweiten Kolbenraums verbunden sein, so dass das Fluid nach der Wärmeabgabe entsprechend in den zweiten Kolbenraum einströmen kann. Bei einer derartigen Verschaltung kann auf den Rückgewinnungswärmeübertrager verzichtet werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirken kann. Allerdings können durch den längeren Hauptkreislauf größere Druckverluste beim entspannten Fluids entstehen.

Weiterhin ist es auch möglich, das Fluid nach der Entspannung in der Expandiereinheit zum Direktverdampfer zu führen, so dass dieses dort zumindest einen Teil seiner Wärme abgeben kann und das Fluid dann erst im Nachgang durch einen Rückgewinnungswärmeübertrager zu führen. Alternativ kann das Fluid nach der Entspannung auch zunächst durch den Rückgewinnungswärmeübertrager und dann im Anschluss durch den Direktverdampfer geführt werden, bevor es in den zweiten Kolbenraum einströmt. Die einzelnen Komponenten können dafür mit entsprechenden Leitungen bspw. in Form von Rohren oder Schläuchen verbunden sein.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Hauptkreislauf mit einem Ausdehnungsgefäß ausgestattet ist. Über das Ausdehnungsgefäß können gewisse Druck- und Volumenschwankungen im Hauptkreislauf reguliert bzw. abgedämpft werden. Auch der Rückgewinnungskreislauf kann mit einem Druckausgleichsgefäß ausgestattet sein. Das Druckausgleichsgefäß kann bspw. an den Rückgewinnungswärmeübertrager angeschlossen sein.

Im Hinblick auf die Expandiereinheit hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem Generator gekoppelt ist. In der Expandiereinheit kann aus dem Druck und der Temperatur des im Hauptkreislauf zirkulierenden Fluids mechanische Energie, bspw. in Form von kinetischer bzw. Rotationsenergie einer Welle der Expandiereinheit, gewonnen werden, die dann über den Generator wiederum in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die elektrische Energie kann bzw. in einem Akkumulator zwischengespeichert oder als Nutzenergie auch direkt verwendet werden. Der Generator kann mechanisch, insbesondere über eine Welle, mit der Expandiereinheit gekoppelt sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Expandiereinheit wird vorgeschlagen, dass diese als Expansionsturbine, Schraubenentspanner, Scrollentspanner, Kolbenentspanner oder Wankelmotor ausgestaltet ist. Diese verschiedenen Ausgestaltungen haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, so dass die für einen konkreten Anwendungsfall die möglichst vorteilhafteste Expandiereinheit ausgewählt werden kann. Es ist ebenfalls möglich, dass verschiedene Expandiereinheiten miteinander kombiniert werden, bzw. im Rahmen einer Reihen- oder in einer Parallelschaltung. Durch eine solche mehrstufige Entspannung lässt sich der Wirkungsgrad der Expandiereinheit und damit auch der Wirkungsgrade der Wärmekraftmaschine insgesamt unter Umständen noch weiter erhöhen.

Im Hinblick auf die eingangs genannte Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme vorgeschlagen, wobei das Verfahren mit einer Wärmekraftmaschine der vorstehend beschriebenen Art durchgeführt wird. Es gerben die sich die im Hinblick auf die Wärmekraftmaschine bereits beschriebenen Vorteilte.

Vorteilhaft ist es, wenn das Fluid aus der Heizeinheit in den ersten Kolbenraum der Kolbeinheit strömt, wodurch der Kolben in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegt und das sich in zweiten Kolbenraum befindliche Fluid verdichtet wird. Das Fluid kann in der Heizeinheit auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, wodurch sich auch der Druck des Fluids erhöht. Das Einlassventil des ersten Kolbenraums kann geöffnet werden, so dass das erhitzte Fluid in den ersten Kolbenraum einströmen kann. Die anderen drei Ventile der Kolbeneinheit können geschlossen sein. Da die Heizeinheit kontinuierlich erhitztes Fluid nachliefert, können Druck und Temperatur des sich im ersten Kolbenraums befindlichen Fluids auch bei einer Bewegung des Kolbens und einer damit einhergehenden Vergrößerung des ersten Kolbenraums konstant bleiben. Die Heizeinheit kann insofern als Reservoir mit einem vergleichsweise großen Volumen ausgestaltet sein. Durch das einströmende Fluid kann sich der Kolben in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegen und dabei das sich im zweiten Kolbenraum befindliche Fluid verdichten. Durch die Verdichtung kann es zu einem Temperaturanstieg des Fluids im zweiten Kolbenraum kommen. Der Kolben kann sich dabei in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegen. Wenn die Drücke in den beiden Kolbenraumen identisch sind, wird der Kolben zwar nicht mehr durch einen Druckunterschied angetrieben, allerdings kann sich der Kolben aufgrund der Massenträgheit weiter in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegen. Der Kolben stoppt daher in vorteilhafter Weise nicht in der Gleichgewichtsposition, wenn der Druck in den beiden Kolbenräumen identisch ist, sondern er bewegt sich kontinuierlich weiter und verringert dabei das Volumen des zweiten Kolbenraums.

In einem weiteren Verfahrensschritt kann das sich im zweiten Kolbenraum befindliche Fluid nach der Verdichtung aus dem zweiten Kolbenraum in die Heizeinheit strömen. Das Auslassventil des zweiten Kolbenraums kann dafür geöffnet werden und durch den aufgrund der Massenträgheit weiter in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegten Kolben kann das verdichtete und sich im zweiten Kolbenraum befindliche Fluid durch das Auslassenventil in die Heizeinheit befördert werden. Das sich im zweiten Kolbenraum befindliche Fluid kann beim Einströmen in die Heizeinheit aufgrund der Verdichtung in etwa denselben Druck aufweisen, wie das aus der Heizeinheit ausströmende Fluid. Die Temperatur kann jedoch geringer sein. In der Heizeinheit kann das einströmende Fluid erhitzt werden und in den ersten Kolbenraum strömen. Der Kolben kann sich dabei weiter in Richtung des zweiten Kolbenraums bewegen und dessen Volumen kontinuierlich verkleinern. Am Ende des Vorgangs, wenn der Kolben seine Endposition erreicht hat, kann das Volumen des zweiten Kolbenraums auf ein Minimum geschrumpft sein. Nachdem das Auslassventil des zweiten Kolbenraums geöffnet wurde, kann keine Kompression des Fluids im zweiten Kolbenraum mehr stattfinden, sondern eine Bewegung des Kolbens kann dann zu einer Förderung des sich im unteren Kolbenraums befindlichen Fluids in die Heizeinheit führen. Vorteilhaft beträgt das Volumen des zweiten Kolbenraums am Ende dieses Vorgangs Null und die Kolbeneinheit bzw. der erste Kolbenraum ist komplett mit erhitztem und unter Druck stehenden Fluid gefüllt.

In einem nächsten Schritt kann das sich im ersten Kolbenraum befindliche Fluid in der Expandiereinheit entspannt werden. Dafür kann zunächst das Einlassventil des ersten Kolbenraums und das Auslassventil des zweiten Kolbenraums geschlossen und dann das Auslassventil des ersten Kolbenraums geöffnet werden. Das Fluid kann aufgrund des höheren Drucks durch die Expandiereinheit strömen und bspw. eine Welle der Expandiereinheit in Drehung versetzen. Aufgrund dieser Entspannung kann der Druck des Fluids absinken, was gleichzeitig auch mit einer Abkühlung einhergehen kann. In diesem Verfahrensschritt kann insofern die thermische Energie und die Druckenergie des Fluids zumindest teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden.

Weiterhin kann das Fluid nach der Entspannung in den zweiten Kolbenraum einströmen und dadurch kann der Kolben in Richtung des ersten Kolbenraums bewegt werden. Damit das Fluid entsprechend in den zweiten Kolbenraum einströmen kann, kann das Einlassventil des zweiten Kolbenraums geöffnet werden. Durch das einströmende Fluid und den Nachlauf der Expandiereinheit bzw. einer drehbaren Welle der Expandiereinheit, kann im ersten Kolbenraum eine Sogwirkung entstehen, aufgrund welcher der der Kolben in Richtung des ersten Kolbenraums bewegt werden kann. Die Größe des ersten Kolbenraums kann somit kontinuierlich ab und die Größe des zweiten Kolbenraums kontinuierlich zunehmen. Wenn dieser Prozess abgeschlossen ist, kann sich der Kolben in einer Endlage befinden und die gesamte Kolbeneinheit kann mit entspanntem Fluid gefüllt sein. Das Volumen des ersten Kolbenraums kann dabei vorteilhaft Null betragen, so dass im ersten Kolbenraum kein weiteres Fluid verbleibt.

In einem nächsten Schritt kann das Einlassventil des zweiten Kolbenraums geschlossen und dann das Einlassventil des ersten Kolbenraums geöffnet werden. Dadurch kann wieder erhitztes Fluid in den ersten Kolbenraum strömen und das entspannte Fluid im zweiten Kolbenraum durch den Kolben verdichtet werden.

Weiterhin hat es sich im Hinblick auf das Verfahren als vorteilhaft herausgestellt, wenn dem Fluid nach der Entspannung und vor dem Eintritt in den zweiten Kolbenraum Wärme entzogen wird. Durch diesen Wärmeentzug kann das Fluid mit einer geringeren Temperatur in den zweiten Kolbenraum einströmen. Vorteilhaft ist es, wenn die entzogene Wärme zur Erhitzung des verdichteten Fluids genutzt wird. Die Wärme kann insofern dem entspannten Fluid entzogen und dann nach der Verdichtung in der Kolbeneinheit wieder an das Fluid abgegeben werden. Um dem Fluid die Wärme zu entziehen kann dieses vor dem Einströmen in den zweiten Kolbenraum durch den Rückgewinnungswärmeübertrager geleitet werden. Die entzogene Wärme kann über den Rückgewinnungswärmeübertrager an das Rückgewinnungsfluid abgegeben und so über den Rückgewinnungskreislauf an das verdichtete Fluid abgegeben werden, bspw. indem das Rückgewinnungsfluid die Wärme an die Heizeinheit abgibt. Durch diesen Prozess lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Rückgewinnungsfluid die aufgenommene Wärme nicht nur an die Heizeinheit abgibt, sondern darüber hinaus an die Wärmeerzeugungseinheit, bspw. den Direktverdampfer einer Wärmepumpe, die mit der Heizeinheit gekoppelt ist und Heizleistung für die Heizeinheit bereitstellt, so wie dies obenstehend erläutert wurde.

Als Arbeitsmedium bzw. als Fluid des Hauptkreislaufs kann Luft, insbesondere vorkomprimierte Luft, also Luft mit einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks, eingesetzt werden. Auch Helium hat sich im Hinblick auf den zu erzielenden Wirkungsgrad als vorteilhaft herausgestellt. Ein Phasenübergang im Hauptkreislauf ist vorteilhaft nicht vorgesehen. Zudem können aber auch andere Arbeitsmedien eingesetzt werden wie bspw. andere Gase oder Wasserdampf.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Wärmekraftmaschine in einer schematischen Ansicht;

Fig. 2 eine Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 1 mit einem zusätzlichen Rückgewinnungskreislauf;

Fig. 3 eine Wärmekraftmaschine gemäß Fig. 2 mit einem erweiterten Rückgewinnungskreislauf.

Mittels einer Wärmekraftmaschine 10 lässt sich aus thermischer Energie in Form von Wärme mechanische Energie erzeugen, die dann bspw. in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Eine schematische Darstellung einer entsprechenden Wärmekraftmaschine 10 zur Erzeugung mechanischer Energie aus Wärme ist in der Darstellung der Fig. 1 gezeigt. Zunächst sollen nun die verschiedenen Verfahrensschritte, um mit der Wärmekraftmaschine 10 thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, anhand der das Grundprinzip der Erfindung verdeutlichenden Fig. 1 beschrieben werden, bevor dann im Anschluss auf die Fig. 2 und 3 eingegangen wird, die exemplarisch vorteilhafte Weiterentwicklungen der Wärmekraftmaschine 10 zeigen.

Die Wärmekraftmaschine 10 gemäß Fig. 1 besteht im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten, nämlich einer Heizeinheit 1 , einer Expandiereinheit 2 und einer Kolbeneinheit 3. Diese drei Komponenten sind zu einem geschlossenen Hauptkreislauf H verschaltet, so dass das Arbeitsmedium zwischen diesen drei Komponenten zirkulieren kann. Als Arbeitsmedium wird Luft verwendet, welches an unterschiedlichen Punkten im Prozess unterschiedliche Drücke und Temperaturen aufweist. Ein Phasenübergang findet hingegen nicht statt.

In der in Fig. 1 links dargestellten Heizeinheit 1 wird die Luft zunächst auf eine gewisse Temperatur, bspw. 60 Grad Celsius, erhitzt. Durch Öffnung des Einlassventils 3.4 strömt die Luft dann in die zwischen der Heizeinheit 1 und der Expandiereinheit 2 angeordnete Kolbeneinheit 3 ein. Die Ventile 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 sind in der Darstellung der Fig. 2 dargestellt und genauso auch bei der Kolbeneinheit 3 gemäß Fig. 1 vorgesehen.

Die Kolbeneinheit 3 besteht im Wesentlichen aus einem zylinderförmigen Behälter, in dem ein scheibenförmiger Kolben 3.3 linearbeweglich aufgenommen ist. Der Kolben 3.3 trennt den Behälter somit in zwei Räume, nämlich einen ersten Kolbenraum 3.1 , der gemäß der Darstellung in der Fig. 1 oberhalb des Kolbens 3.3 angeordnet ist und einen gemäß der Darstellung in der Fig. 1 unterhalb des Kolbens 3.3 angeordneten zweiten Kolbenraum 3.2. Der Kolben 3.3. ist in der Kolbeneinheit 3 frei bewegbar angeordnet, so dass sich dieser nur aufgrund der in den beiden Kolbenräumen 3.1 , 3.2 vorherrschenden Druckniveaus hin und her bewegen kann. Eine direkte Verbindung zwischen den beiden Kolbenräumen 3.1 und 3.2 besteht dabei nicht. Am Anfang des Prozesses befindet sich der Kolben 3.3 in einer oberen Endposition, so dass das Volumen des ersten Kolbenraums 3.1 sehr klein und das Volumen des zweiten Kolbenraums 3.2 entsprechend groß ist. Durch die Öffnung des Einlassventils 3.4 strömt die in der Heizeinheit 1 erhitzte Luft in den ersten Kolbenraum 3.1 ein und drückt dabei den Kolben 3.3 nach unten. Dies liegt daran, dass der Druck in der Heizeinheit 1 höher ist als der Druck der sich im unteren Kolbenraum 3.2 befindlichen Luft, was nachfolgend noch näher erläutert werden wird. Der Druck in der Heizeinheit 1 kann bspw. ca. 22,73 bar betragen und der Druck im zweiten Kolbenraum 3.2 bspw. 20 bar. Durch diesen Druckunterschied wird der Kolben 3.3 in Richtung R2 bewegt, so wie dies auch in der Darstellung der Fig. 3 verdeutlicht ist. Bis auf das Einlassventil 3.4 sind die weiteren drei Ventile 3.5, 3.6, 3.7 der Kolbeneinheit 3 geschlossen, so dass der absinkende Kolben 3.3 zu einer Verdichtung der sich im zweiten Kolbenraum 3.2 befindlichen Luft führt. Sobald sich ein Druckgleichgewicht eingestellt hat, wird das Auslassventil 3.7 geöffnet und durch die Massenträgheit des Kolbens 3.3 sinkt dieser weiter ab und drückt das sich im zweiten Kolbenraum 3.2 befindliche und verdichtete Fluid in die Heizeinheit 1 . Bei der Verdichtung der Luft im zweiten Kolbenraum 3.2 bleiben Druck und Temperatur der Luft im ersten Kolbenraum 3.1 annähernd konstant, da die Heizeinheit 1 kontinuierlich neue Luft nachfördert.

Die Luft im unteren Kolbenraum 3.2 weist nach der Verdichtung zwar denselben Druck wie die Luft im oberen Kolbenraum 3.1 auf und diese wird bei der Verdichtung auch erwärmt, allerdings ist die Temperatur der Luft deutlich geringer und diese kann nach der Verdichtung bspw. 30,91 Grad Celsius betragen. Wenn diese kältere Luft dann in die Heizeinheit 1 einströmt, wird sie dort auf ca. 60 Grad Celsius erhitzt. Aufgrund der Massenträgheit sinkt der Kolben 3.3 bei diesem Einströmvorgang weiter ab, bis dieser die untere Endposition erreicht hat und der Kolben 3.3 sehr nahe an den Boden der Kolbeneinheit 3 heranreicht. Das Volumen des ersten Kolbenraums 3.1 ist dann maximal.

In einem nächsten Schritt werden die beiden Ventile 3.4 und 3.7 geschlossen und das Auslassventil 3.5 geöffnet. Über dieses Auslassventil 3.5 ist die Kolbeneinheit 3 bzw. der ersten Kolbenraum 3.1 mit der Expandiereinheit 2 verbunden. Die erhitzte und unter Druck stehende Luft strömt in die Expandiereinheit 2 ein und wird dort entspannt, wodurch eine in der schematischen Darstellung nicht mit dargestellte Welle angetrieben und insofern mechanische Energie erzeugt wird. Die entsprechende Welle der Expandiereinheit 2 kann mit einem in den Figuren nicht mit dargestellten Generator verbunden sein, der die erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann.

Durch die Entspannung der Luft sinkt sowohl deren Druck als auch deren Temperatur. Bspw. kann der Druck nach der Entspannung ca. 20 bar und die Temperatur ca. 20 Grad Celsius betragen. Nach der Entspannung wird das Einlassventil 3.6 geöffnet, so dass die entspannte Luft in den zweiten Kolbenraum 3.2 einströmen kann. Durch die Entspannung herrscht in beiden Kolbenräumen 3.1 , 3.2 zwar in etwa derselbe Druck, allerdings sorgt der Nachlauf der Expandiereinheit 2 dafür, dass der Kolben 3.3 nach in Richtung R1 und damit in Richtung des ersten Kolbenraums 3.1 bewegt wird. Dabei findet keine Verdichtung oder Entspannung, sondern im Grunde nur eine Förderung der Luft aus dem ersten Kolbenraum 3.1 in den zweiten Kolbenraum 3.2 statt. Wenn der Kolben 3.3 dann seine obere Endposition und der zweite Kolbenraum 3.2 somit sein maximales Volumen erreicht und mit entspannter Luft mit einem Druck von bspw. 20 bar gefüllt ist, werden die Ventile 3.5 und 3.6 wieder geschlossen.

Es ist nun ein Zyklus abgeschlossen und es kann durch Öffnung des Einlassventils 3.1 ein neuer Zyklus begonnen werden, so dass dann wieder Luft aus der Heizeinheit 1 bei bspw. ca. 60 Grad Celsius und 22,73 bar in den ersten Kolbenraum 3.1 strömen und die Luft im unteren Kolbenraum 3.2 verdichten kann.

In der Darstellung der Fig. 2 ist nun eine Wärmekraftmaschine 10 gezeigt, die gegenüber der in der Fig. 1 dargestellten Wärmekraftmaschine 10 eine Erweiterung in Form eines Rückgewinnungskreislaufs R aufweist. Die grundsätzliche Funktionsweise der Wärmekraftmaschine 10 und die Funktion der Kolbeneinheit 3 stimmen jedoch mit der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 überein, so dass dahingehend auf die obenstehenden Ausführungen verwiesen wird. Anders als bei der Wärmekraftmaschine 10 gemäß der Fig. 1 strömt die entspannte Luft gemäß Fig. 2 jedoch nicht direkt wieder in die Kolbeneinheit 3 ein, sondern diese wird zunächst durch einen Rückgewinnungswärmeübertrager 4 geleitet. Im Rückgewinnungswärmeübertrager 4 wird der Luft Wärme entzogen und diese abgekühlt, so dass die Temperatur der in den zweiten Kolbenraum 3.2 einströmenden Luft bei der Wärmekraftmaschine 10 gemäß Fig. 2 etwas geringer ist als bei der Wärmekraftmaschine 10 gemäß Fig. 1.

Die der Luft entzogene Wärme wird über den Rückgewinnungswärmeübertrager 4 an ein Rückgewinnungsfluid, insbesondere Wasser, übertragen, welches insofern im Rückgewinnungswärmeübertrager 4 aufgeheizt wird. Vom Rückgewinnungswärmeübertrager 4 wird das aufgewärmte Rückgewinnungsfluid zur Heizeinheit 1 transportiert, um dann dort die aus der Kolbeneinheit 3 ausströmende Luft entsprechend auf- bzw. zumindest vorzuheizen. Die erforderliche zusätzliche Heizleistung der Heizeinheit 1 kann dadurch verringert werden. Über das zirkulierende Rückgewinnungsfluid bzw. den Rückgewinnungskreislauf R kann somit der entspannten Luft Wärme entzogen und diese danach der verdichteten Luft wieder zugeführt werden. Um das Rückgewinnungsfluid entsprechend umzuwälzen und dieses zwischen dem Rückgewinnungswärmeübertrager 4 und der Heizeinheit 1 zu bewegen, kann eine Pumpe in den Rückgewinnungskreislauf R intergiert sein, die jedoch in der Darstellung der Fig. 2 nicht mit dargestellt ist.

Zudem ist in der Fig. 2 eine Wärmeerzeugungseinheit 5 zu erkennen, bei der es sich bspw. um eine Wärmepumpe handeln kann. Diese Wärmeerzeugungseinheit 5 kann Heizleistung bereitstellen, um die Luft in der Heizeinheit 1 zu erhitzen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel findet in der Heizeinheit 1 insofern eine kombinierte Bereitstellung von Heizleistung statt, nämlich sowohl durch die Wärmeerzeugungseinheit 5 jedoch zumindest zu einem gewissen Teil auch durch das im Rückgewinnungskreislauf R zirkulierende Rückgewinnungsfluid.

Eine zusätzliche Erweiterung der Wärmekraftmaschine 10 ist in der Darstellung der

Fig. 3 dargestellt. Nachfolgend werden nur die Unterschiede gegenüber der vorstehend anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Wärmekraftmaschinen 10 näher erläutert. Im Übrigen wird auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen.

Zunächst ist ersichtlich, dass der Rückgewinnungskreislauf R erweitert wurde. Denn das Rückgewinnungsfluid strömt nun nach der Heizeinheit 1 nicht direkt wieder zurück zum Rückgewinnungswärmeübertrager 4, sondern zunächst in einen Direktverdampfer 5.1 der Wärmeerzeugungseinheit 5. Im Direktverdampfer 5.1 können dem Rückgewinnungsfluid auch noch geringe Mengen an Wärme entzogen werden, was insgesamt den Wirkungsgrad des Rückgewinnungskreislaufs R erhöht. Die dem Rückgewinnungsfluid im Direktverdampfer 5.1 entzogene Wärme kann in der Wärmeerzeugungseinheit 5 wiederum zur Erzeugung von Wärme höherer Temperatur verwendet werden, mit der sich die Luft des Hauptkreislaufs H dann in der Heizeinheit 1 entsprechend erhitzen lässt.

Zudem ist bei der Wärmekraftmaschine 10 gemäß Fig. 3 ein Ausdehnungsgefäß 6 vorgesehen, welches dafür sorgt, den Druck möglichst konstant zu halten. Das Ausdehnungsgefäß 6 kann in den Hauptkreislauf H eingebunden sein. Weiterhin ist es aber auch möglich alternativ oder zusätzlich ein entsprechendes Ausdehnungsgefäß 6 auch in den Rückgewinnungskreislauf R einzubinden.

Bezugszeichenliste

1 Heizeinheit

2 Expandiereinheit

3 Kolbeneinheit

3.1 erster Kolbenraum

3.2 zweiter Kolbenraum

3.3 Kolben

3.4 Einlassventil

3.5 Auslassventil

3.6 Einlassventil

3.7 Auslassventil

4 Rückgewinnungswärmeübertrager

5 Wärmeerzeugungseinheit

5.1 Direktverdampfer

6 Ausdehnungsgefäß

10 Wärmekraftmaschine

H Hauptkreislauf

R Rückgewinnungskreislauf

R1 Richtung

R2 Richtung