-
Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität von und ist eine Teilfortsetzung
der U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/059,861, die am 31.
März 2008
eingereicht wurde, mit dem Titel METHODS OF DEPLOYING A COVER UTILIZING
ACTIVE MATERIAL AND AN EXTERNAL HEAT SOURCE, deren Offenbarungsgehalt
hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft mechanische Systeme für und Verfahren
zum Gewinnen, Speichern und Umwandeln von natürlicher Energie oder Umgebungsenergie,
und genauer solche Systeme und Verfahren, die zu diesem Zweck die
Aktivierung von Formgedächtnismaterialien
benutzen.
-
2. Technischer Hintergrund
-
Aktive
Materialien, wie etwa Formgedächtnislegierungen
(SMA) und -polymere (SMP), sind in der mechanischen Technik zunehmend
verwendet worden, um Energie, die aus einem Aktivierungssignal gewonnen
wird, in Arbeit umzuwandeln. Nach einer Deaktivierung (d. h. einer
Beendigung, dem Aktivierungssignal auszusetzen) kehrt das Material
typischerweise in seinen ursprünglichen
Zustand zurück. Es
ist festzustellen, dass die Verwendung von Elementen aus aktivem
Material im Vergleich mit elektromechanischen, hydraulischen und
pneumatischen Motoren als Gegenstück die Energieeffizienz erhöht, während das
Gewicht und die Komplexität
verringert werden. Bedauerlicherweise beruhen diese Systeme und
Verfahren jedoch auf künstlich
erzeugten Signalen (etwa einem elektrischen Strom, einem Magnetfeld
oder einem Spannungsabfall), die durch eine automatisierte und/oder
manuell initiierte Quelle geschaffen werden. Beispielsweise wird
das Ladesystem eines Fahrzeugs häufig
dazu verwendet, Systeme auf der Basis von aktivem Material in Fahrzeugsmilieus
anzutreiben. Obwohl dies eine bedarfsabhängige Aktivierungsfähigkeit
bereitstellt, führt
der notwendige Einschluss dieser Quellen zu erhöhten Konstruktions-, Bau-,
Betriebs- und Wartungskosten für das
Gesamtsystem.
-
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
-
In
Antwort auf die vorstehend erwähnten Probleme
stellt die vorliegende Erfindung Systeme für und Verfahren zum Gewinnen
und Umwandeln von Energie aus natürlichen Quellen oder Umgebungsquellen
unter Verwendung von SMA, SMP oder anderen aktiven Materialien bereit.
Somit ist diese Erfindung neben anderen Dingen dafür nützlich, Nutzen
aus ergiebigen, unerschöpflichen
und freien Energiequellen, wie etwa dem Wind und natürlichen Wasserströmungen,
zu ziehen. Um darüber
hinaus eine bedarfsabhängige
Aktivierung zu bewirken, ist das erfindungsgemäße System ferner nützlich,
um vorteilhaft die Aktivierungsenergie, die durch die aktiven Materialien
gewonnen wird, zu speichern (d. h. die gewonnene Energie über einen
Zeitraum zu halten, um eine verzögerte
Freigabe zu ermöglichen).
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Gewinnen, Speichern und Freigeben natürlich auftretender
Energie unter Verwendung eines Formgedächtnislegierungselements vorgestellt.
Das Verfahren umfasst im Allgemeinen, dass das Element einem natürlich auftretenden
Zustand mit Energie (etwa eine Luft- oder Wasserströmung) ausgesetzt
wird, ein Teil der Energie gewonnen und gespeichert wird, indem
der Teil mit dem Element absorbiert wird, um es pseudoplastisch
zu dehnen oder superelastisch zu verformen, das Speicherelement
in dem geänderten
Zustand gehalten wird, und der Teil der Energie in Arbeit umgewandelt
wird, indem das Element einem Aktivierungssignal (das natürlich auftretende
Zustände
einschließt)
ausgesetzt wird oder ein Verriegelungsmechanismus gelöst wird,
damit das Element in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren
kann. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Entriegeln des Elements den Schritt, dass ein Verriegelungsmechanismus,
der z. B. SMP umfasst, ebenfalls einem natürlich auftretenden Aktivierungssignal
ausgesetzt wird.
-
Weitere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die die Anwendung
einer SMA/SMP-Vorspannfeder einschließen, und beispielhafte Verriegelungsmechanismen
werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) und der begleitenden Zeichnungsfiguren
deutlich werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN
DER ZEICHNUNG
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform/bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung wird/werden nachstehend ausführlich anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren
beschrieben, in denen:
-
1 eine
Aufrissansicht eines Systems gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist, das eine SMA-Energiespeicherfeder, eine Vorspannfeder,
die an der SMA-Feder angebracht ist, und einen Verriegelungsmechanismus
umfasst, der eine Raste aufweist;
-
1a eine
Aufrissansicht des in 1 gezeigten Systems ist, wobei
die SMA-Feder vollständig
betätigt
ist, wodurch zugelassen wird, dass sich die Vorspannfeder aufgrund
eines größeren Federmoduls/einer
größeren Federkonstante
streckt;
-
1b eine
Aufrissansicht des in 1 und 1a gezeigten
Systems ist, wobei die SMA-Feder deaktiviert aber in einem aktiven
Zustand durch die Raste verriegelt ist, wenn die Speicher- und Vorspannfedern
versuchen, in ihren ursprünglichen
Zustand zurückzukehren;
-
2 eine
Aufrissansicht des in 1 gezeigten Systems gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist, wobei der Verriegelungsmechanismus eine Klinke
aufweist, die eine Formgedächtnis-Torsionsfeder
umfasst;
-
3 eine
Aufrissansicht des in 1 gezeigten Systems gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist, wobei der Verriegelungsmechanismus ein Zahnrad
eines Mechanismus auf Ratschenbasis umfasst, wobei das Zahnrad aus SMP
gebildet ist, so dass es flexible Zähne (in Fangstellung gezeigt)
aufweist, wenn es aktiviert wird, und das Rad ferner an einem SMA-Draht
angebracht ist, der die Ausrückung
erleichtert, wenn er aktiviert wird;
-
4 eine
Aufrissansicht eines Systems ist, das ein Element aus aktivem Material
(z. B. einen Wellenbrecher, einen Beckenauslass usw.) umfasst, das
durch einen natürlich
auftretenden Zustand (z. B. Wasserdruck/-strömung) in Eingriff gebracht
wird;
-
4a eine
Perspektivansicht eines Sonnenschirms gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist, der ein Element aus aktivem Material umfasst,
das ausgestaltet ist, um den Schirm selbsttätig zu öffnen, wenn es aktiviert wird,
und eine Vorspannfeder, die ausgestaltet ist, um den Schirm selbsttätig zu schließen, wenn
das Element deaktiviert wird;
-
5 eine
Perspektivansicht eines Fahrzeugs ist, das eine entfaltbare Sonnenblende
mit passiv betätigten
und verstauten Aktuatoren gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst; und
-
6 ein
schematischer Aufriss eines Schwungrads und eines Elements aus aktivem
Material, welches eine Drehmomentzusatzverstärkung bietet, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System 10 zum Gewinnen,
Speichern und Umwandeln der Aktivierungsenergie von Formgedächtnislegierungen (SMA)
und Formgedächtnispolymeren
(SMP). Genauer sind im Schutzumfang dieser Erfindung Methodiken
einer Speicherung auf der Basis von den temperatur-, licht- und/oder
feuchtigkeitsaktivierten Moduländerungen
in verschiedenen Formulierungen von SMP (die sowohl thermoplastische
als auch warmhärtende
SMP einschließen);
Methodiken auf der Basis von thermisch sowie spannungsaktivierten Steifigkeitsänderungen
(Elastizitätsmoduländerungen)
und Formgedächtnis
in SMA (wobei dies Änderungen
sind, die Phasenwechsel zwischen Martensit- und Austenitphasen begleiten)
und Hybridkombinationen davon eingeschlossen.
-
Bei
bevorzugten Anwendungen, die hierin spezieller besprochen werden,
wird das Gewinnen, Speichern und Umwandeln von Umgebungsenergie und/oder
natürlicher
Energie dazu verwendet, das Leistungsvermögen und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit
eines Fahrzeugs zu verbessern, indem Sonnenenergie und/oder Abwärmeenergie
zur Verwendung bei selten angeforderten Anwendungen gewonnen und
gespeichert wird/werden. Beispielsweise kann Energie in Haubenhubfedern
(nicht gezeigt) für
einen Fußgängeraufprall über eine
zyklische thermische Aktivierung von Mechanismen auf der Basis einer SMA-Ratsche,
Aktuatoren zur Fensterblendenentfaltung und zum Freigeben/Einrücken von
Tür- und
Kofferraumschlössern
sowie Zentralverriegelungen gespeichert werden. Außerdem kann
das System 10 dazu verwendet werden, selbsttätig mit
Leistung beaufschlagte und selbsttätig gesteuerte Kraftfahrzeugsysteme
zu ermöglichen,
die eine verteilte passive Aktivierung zum Abdichten (wie etwa die
Dichtungen zwischen Schwingplattenelementen, wie etwa den Türen und
der Fahrzeugkarosserie), eine verteilte Energiespeicherung für eine bedarfsabhängige Freigabe
von Sicherheitseinrichtungen, wie etwa einer reversibel ausdehnbaren
Innenverkleidung, einschließen.
Schließlich
kann eine Umwandlung von natürlicher
Energie dazu verwendet werden, drahtlose, eingebettete Sensoren
und Aktoren mit geringem Leistungsbe darf (MEMS) zu ermöglichen,
wie z. B. bei einer verteilten Überwachung
und Betätigung
der konstruktiven Unversehrtheit.
-
Das
System 10 umfasst konstruktiv ein Element 12 aus
aktivem Material, wie eine SMA-Feder/einen SMA-Draht, die/der bei
Aktivierung dazu gebracht wird, eine gespeicherte Form oder einen modifizierten
charakteristischen Wert zu erzielen; und bei Deaktivierung in den
nicht aktivierten Zustand zurückkehrt
(vergleiche 1–1b). Es
ist jedoch festzustellen, dass bestimmte aktive Materialien bei
Unterbrechen des Aktivierungssignals nicht automatisch zurückkehren,
und dass in dieser Ausgestaltung alternative Mittel angewandt werden
können,
um das aktive Material in seine ursprüngliche Beschaffenheit zurückzuführen.
-
Das
erfindungsgemäße System 10 wendet auch
einen Verriegelungsmechanismus 14 (1–3)
an, der die Änderung
der Form oder Eigenschaft des Energiespeicherelements 12 hält. Der
Mechanismus 14 kann herkömmlich sein oder kann, wie
es hierin weiter beschrieben wird, auch ein aktives Material umfassen,
das ausgestaltet ist, um ebenfalls durch die Absorption eines natürlichen
Signals und/oder eines Umgebungssignals eine Verriegelung zu bewirken.
-
I. Aktives Material, Erläuterung
und Funktion
-
Wie
hierin verwendet, soll dem Ausdruck ”aktives Material” seine
ursprüngliche
Bedeutung zu Teil werden, wie sie Fachleute verstehen, und er umfasst jedes/n
Material oder Verbundwerkstoff, das/der eine reversible Änderung
einer fundamentalen (z. B. chemischen oder intrinsischen physikalischen)
Eigenschaft zeigt, wenn es/er einer äußeren Signalquelle ausgesetzt
wird. Somit sollen aktive Materialien diejenigen Zusammensetzungen
umfassen, die in Ansprechen auf das Aktivierungssignal, welches für unterschiedliche
aktive Materialien den Typ von elektrischen, magnetischen, thermischen
und dergleichen Feldern annehmen kann, eine Änderung der Steifigkeitseigenschaften,
der Form und/oder der Abmessungen zeigen können.
-
Bevorzugte
aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung
umfassen, aber ohne Einschränkung
darauf die Klassen von Formgedächtnismaterialien
und Kombinationen davon. Formgedächtnismaterialien
beziehen sich allgemein auf Materialien oder Zusammensetzungen,
die die Fähigkeit
besitzen, sich an ihre ursprüngliche
zumindest eine Eigenschaft, wie z. B. die Form, zu erinnern, die
später
abgerufen werden kann, indem ein äußerer Stimulus angewendet wird.
Somit ist die Verformung gegenüber
der ursprünglichen
Form ein temporärer
Zustand. Auf diese Weise können
sich Formgedächtnismaterialien
in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal in die eingelernte Form ändern. Geeignete
Formgedächtnismaterialien
umfassen die vorstehend genannten Formgedächtnislegierungen (SMA) und
Formgedächtnispolymere
(SMP) sowie Formgedächtniskeramiken,
elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische SMA, elektrorheologische (ER)
Zusammensetzungen, magnetorheologische (MR) Zusammensetzungen, dielektrische
Elastomere, Ionen-Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe
(IPMC), piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken, verschiedene
Kombinationen der vorstehenden Materialien und dergleichen.
-
Formgedächtnislegierungen
(SMA) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien,
die die Fähigkeit
besitzen, zu einer zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren,
wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus unterworfen werden.
Formgedächtnislegierungen
sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren,
in denen ihre Fließgrenze,
Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden.
Der Ausdruck ”Fließgrenze” bezieht
sich auf eine Spannung, bei der ein Material eine genau angegebene
Abweichung von der Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung
zeigt. Im Allgemeinen können
Formgedächtnislegierungen
in der Niedertemperatur- oder Martensitphase plastisch verformt werden
und werden sich, wenn sie irgendeiner höheren Temperatur ausgesetzt
sind, in eine Austenitphase oder Hauptphase umwandeln und in ihre
Form vor der Verformung zurückkehren.
Materialien, die diesen Formgedächtniseffekt
nur bei Erwärmung
zeigen, werden als ein Formgedächtnis
in einer Richtung besitzend bezeichnet. Diejenigen Materialien, die
auch ein Formgedächtnis
nach dem Wiederabkühlen
zeigen, werden als ein Formgedächtnisverhalten
in zwei Richtungen besitzend bezeichnet.
-
Formgedächtnislegierungen
liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am üblichsten
benutzten dieser Phasen sind die oben besprochenen sogenannten Martensit-
und Austenitphasen. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase
allgemein auf die stärker
verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase
allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich
die Formgedächtnislegierung
in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich
in die Austenitphase zu ändern.
Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als
Austenit-Anfangstemperatur (As) bezeichnet.
Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird
als die Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet.
-
Wenn
sich die Formgedächtnislegierung
in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich
in die Martensitphase zu ändern,
und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die
Martensit-Anfangstemperatur (Ms) bezeichnet.
Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln,
wird als die Martensit-Endtemperatur
(Mf) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die
Formgedächtnislegierungen
in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und
in ihrer austenitischen Phase härter,
steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das zuvor Gesagte ist
ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen
ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die ausreicht,
um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu
bewirken.
-
Formgedächtnislegierungen
können
abhängig
von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung
einen Formgedächtniseffekt in
eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder
einen extrinsischen Formgedächtniseffekt
in zwei Richtungen zeigen. Geglühte
Formgedächtnislegierungen
zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung.
Ein ausreichendes Erwärmen
anschließend
an eine Verformung des Formgedächtnismaterials
bei niedriger Temperatur wird den Martensit/Austenit-Übergang
induzieren und das Material wird seine ursprüngliche, geglühte Form
wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung
nur beim Erwärmen
beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen
umfassen, die Gedächtniseffekte
in einer Richtung zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und werden wahrscheinlich
eine äußere mechanische
Kraft erfordern, um sich in die Form zurückzubilden, die zuvor für die Luftströmungssteuerung
geeignet war.
-
Intrinsische
und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien zeichnen
sich durch einen Formübergang
beim Erwärmen
von der Martensitphase in die Austenitphase sowie einen zusätzlichen
Formübergang
beim Abkühlen
von der Austenitphase zurück
in die Martensitphase aus. Aktive Materialien, die einen intrinsischen
Formgedächtniseffekt
zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung
hergestellt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Materialien
infolge der oben angeführten
Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches
Formgedächtnisverhalten
in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch die Bearbeitung
induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung
des Materials während
es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung,
oder eine Oberflächenmodifizierung
durch z. B. Laserglühen,
Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde,
einen Formgedächtniseffekt
in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedertemperatur-
und Hochtemperaturzuständen
allgemein reversibel und bleibt über
viele thermische Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind
aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte
in zwei Richtungen zeigten, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine
Formgedächtnislegierungszusammensetzung, welche
einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element
kombinieren, das eine Rückstellkraft
bereitstellt, um die ursprüngliche
Form zurückzubilden.
-
Die
Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung bei Erwärmung an
ihre Hochtemperaturform erinnert, kann durch geringfügige Änderungen
der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden.
In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen
kann sie z. B. von über
etwa 100°C
auf unter etwa –100°C geändert werden.
Der Formwiedererlangungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen
Graden statt, und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann,
abhängig
von der gewünschten
Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder
zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der
Formgedächtnislegierung
variieren stark über
den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System
typischerweise Formgedächtniseffekte,
superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
-
Geeignete
Formgedächtnislegierungsmaterialien
umfassen, ohne Einschränkung
Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen
auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis,
Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen,
Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen),
Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen
auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen
auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen
auf Eisen-Palladium-Basis
und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung
sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt,
wie z. B. eine Änderung
der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
-
Formgedächtnispolymere
(SMP) sind in der Technik bekannt und beziehen sich im Allgemeinen auf
eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in eine zuvor
definierte Form zurückzukehren,
wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden.
Formgedächtnispolymere
sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren,
bei denen ihre Form als Funktion der Temperatur geändert wird.
Im Allgemeinen weisen SMP zwei Hauptsegmente auf, nämlich ein
hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder
permanente Form kann durch Schmelzen oder verarbeiten des Polymers
bei einer höheren
Temperatur als der höchste
thermische Übergang
gefolgt von einem Kühlen
unter diese thermische Übergangstemperatur eingestellt
werden. Der höchste
thermische Übergang
ist üblicherweise
die Glasübergangstemperatur (Tg) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine
temporäre Form
kann eingestellt werden, indem das Material auf eine Temperatur
erwärmt
wird, die höher
ist als die Tg oder die Übergangstemperatur des weichen
Segments aber niedriger ist als die Tg oder
der Schmelzpunkt des harten Segments. Die temporäre Form wird eingestellt, während das
Material bei der Übergangstemperatur
des weichen Segments verarbeitet wird, gefolgt von einem Kühlen, um die
Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgeführt werden,
indem das Material über
die Übergangstemperatur
des weichen Segments erwärmt
wird.
-
Beispielsweise
kann die permanente Form des Polymermaterials ein Draht sein, der
eine im Wesentlichen gerade gerichtete Form aufweist und eine erste
Länge definiert,
während
die temporäre
Form ein ähnlicher
Draht sein kann, der eine zweite Länge definiert, die kürzer ist
als die erste. In einer anderen Ausführungsform kann das Material
eine Feder darstellen, die einen ersten Elastizitätsmodul
aufweist, wenn sie aktiviert ist, und einen zweiten Modul, wenn sie
deaktiviert ist.
-
Die
Temperatur, welche zur Wiederherstellung der permanenten Form erforderlich
ist, kann auf eine beliebige Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa
120°C oder
darüber
eingestellt werden. Das Konstruieren der Zusammensetzung und Struktur des
Polymers selbst kann die Auswahl einer besonderen Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen.
Eine bevorzugte Temperatur für
die Formwiederherstellung ist größer als
oder gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt
größer als
oder gleich etwa 0°C
und am stärksten
bevorzugt eine Temperatur größer als
oder gleich etwa 50°C.
Ebenfalls ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiederherstellung
geringer als oder gleich etwa 120°C
und am stärksten
bevorzugt geringer als oder gleich etwa 120°C und größer als oder gleich etwa 80°C.
-
Geeignete
Formgedächtnispolymere
umfassen Thermoplaste, warmhärtende
Materialien, sich gegenseitig durchdringende Netze, sich gegenseitig halbdurchdringende
Netze oder vermischte Netze. Die Polymere können ein einzelnes Polymer
oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können geradkettige
oder verzweigtkettige thermoplastische Elastomere mit Seitenketten
oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten
zur Bildung eines Formgedächtnispolymers
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazene, Polyvinylalkohole,
Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate,
Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole,
Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester,
Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane,
Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere
hiervon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen Polymethylmethacrylat,
Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat,
Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat,
Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat
und Polyoctadecylacrylat. Beispiele von anderen geeigneten Polymeren
umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon,
chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether)ethylenvinylacetat,
Polyethylen, Polyethylenoxid-polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer),
Polycaprolactone-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat,
polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsesquioxan, Polyvinylchlorid,
Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethanblockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrolblockcopolymere
und dergleichen.
-
Obwohl
sie vorwiegend mit Bezug auf SMA und SMP beschrieben ist, wie es
zuvor erwähnt
wurde, liegt es im Bereich der der Erfindung, andere aktive Materialien,
wie etwa elektroaktive Polymere (EAP) zu verwenden.
-
Elektroaktive
Polymere umfassen diejenigen Polymermaterialien, die in Ansprechen
auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische
oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen. Beispiele von EAP umfassen
Ionen-Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe, leitende Polymere, piezoelektrisches
Material und dergleichen, wobei der Ausdruck ”piezoelektrisch” dazu verwendet
wird, ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt,
wenn ein Spannungspotenzial angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische
Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird.
-
Die
Materialien machen im Allgemeinen Gebrauch von nachgiebigen Elektroden,
die es ermöglichen,
dass sich Polymerfilme in Ansprechen auf angelegte elektrische Felder
oder mechanische Spannungen in Richtungen in der Ebene ausdehnen
oder zusammenziehen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktives-gepfropftes
Elastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluoridtrifluorethylen-copolymer. Diese
Kombination hat die Fähigkeit
zur Erzeugung einer variierenden Menge von ferroelektrischen-elektrostriktiven
molekularen Verbundsystemen. Diese können als piezoelektrischer
Sensor oder auch als elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
-
Materialien,
die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind,
können
jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Kautschuk (oder
eine Kombination davon) umfassen, das/der sich in Ansprechen auf
eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines
elektrischen Feldes führt.
Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als vorgedehntes Polymer geeignet
sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane,
thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, Haftklebstoffe,
Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen,
und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen,
können
z. B. Copolyme re mit Silikon- und Acrylkomponenten und Polymermischungen
mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer umfassen.
-
Materialien,
die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf
der Basis von einer oder mehreren Materialeigenschaften, wie etwa einer
hohen elektrischen Durchschlagfestigkeit, eines niedrigen Elastizitätsmoduls
(für große oder
kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen,
gewählt
werden. In einer Ausführungsform
ist das Polymer derart gewählt,
dass es einen Elastizitätsmodul
von höchstens
etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer
derart gewählt,
dass es einen maximalen Betätigungsdruck
zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und bevorzugt zwischen etwa
0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform
ist das Polymer derart gewählt,
dass es eine Dielektrizitätskonstante
zwischen etwa 2 und etwa 20 und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und
etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese
Bereiche beschränkt
sein. Idealerweise wären Materialien
mit einer höheren
Dielektrizitätskonstante als
die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn
die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe
Durchschlagfestigkeit hätten.
In vielen Fällen
können
elektroaktive Polymere als Dünnfilme
hergestellt und implementiert sein. Dicken, die für diese
Dünnfilme
geeignet sind, können
unter 50 Mikrometer liegen.
-
Da
sich elektroaktive Polymere bei hohen Dehnungen durchbiegen können, sollten
sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen,
ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen.
Im Allgemeinen können
zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus
jedem Material sein, vorausgesetzt sie sind in der Lage, eine geeignete
Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem
eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder
konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform
kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die
an dem Polymer kleben, sind bevorzugt nachgiebig und passen sich
der sich verändernden
Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenlegung
nachgiebige Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven
Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können nur
an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angebracht sein
und eine aktive Fläche
gemäß ihrer
Geometrie definieren. Verschiedene zur Verwendung mit der vorliegenden
Offenbarung geeignete Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden
mit Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden
mit verschiedenen Maßen
außerhalb
der Ebene, leitfähige
Fette, wie z. B. Kohlefette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen,
leitfähige
Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis, wie z. B. Kohlenstofffilamente
und Kohlenstoff-Nanoröhrchen,
und Mischungen aus ionisch leitfähigen
Materialien.
-
Materialien,
die für
Elektroden der vorliegenden Offenlegung verwendet werden, können variieren.
Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden,
können
Grafit, Ruß,
kolloidale Suspensionen und dünne
Metalle, die Silber und Gold umfassen, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und
Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere umfassen. Es
ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen
Polymeren gut funktionieren können
und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren
Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so
gut mit Silikonpolymeren.
-
Mit
Bezug auf ein piezoelektrisches Material (PM) ist festzustellen,
dass PM auf Streifen eines flexiblen Metalls oder einer keramischen
Bahn angeordnet sein kann. Die Streifen können ein Unimorph oder ein
Bimorph sein. Bevorzugt sind die Streifen bimorph, da Bimorphe im
Allgemeinen eine stärkere Verschiebung
als Unimorphe zeigen.
-
Ein
Typ eines Unimorphs ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen
Element besteht, das außen
mit einer flexiblen Metallfolie oder einem flexiblen Metallstreifen
verbunden ist, der durch das piezoelektrische Element stimuliert
wird, wenn es mit einer sich ändernden
Spannung aktiviert wird, und zu einer axialen Knickung oder Ausdenkung
führt,
wenn er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt.
Die Aktuatorbewegung für
einen Unimorph kann Zusammenziehung oder Ausdehnung sein. Unimorphe
können
eine Dehnung bis zu einer Höhe
von etwa 10% zeigen, jedoch können
sie im Allgemeinen nur geringen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen
der unimorphen Struktur standhalten. Bei der vorliegenden Erfindung
kann das piezoelektrische Element einen vorgespannten Unimorph aufweisen,
der eine piezoelektrische Schicht (zum Beispiel Bleizirkonattitanat) umfasst,
die auf seinen zwei Hauptseiten galvanisch abgeschieden ist. Eine
Metallvorspannschicht ist an die galvanisch abgeschiedene Oberfläche auf
zumindest einer Seite der keramischen Schicht durch eine Klebstoffschicht
geklebt. Während
der Herstellung werden die Keramik-, Klebstoff- und erste Vorspannschicht gleichzeitig
auf eine Temperatur über
dem Schmelzpunkt des Schmelzpunkts des Klebstoffes erwärmt, und
dann abkühlen
gelassen, um die Klebstoffschicht zu verfestigen und auszuhärten. Während des
Abkühlprozesses
wird die Keramikschicht aufgrund des höheren Wärmezusammenziehungskoeffizienten
der Metallvorspannschicht und der Klebstoffschicht als die der Keramikschicht
gedehnt. Auch wegen der größeren thermischen
Zusammenziehung der Laminatmaterialien als die Keramikschicht verformt
sich die Keramikschicht zu einer Bogenform mit einer im Allgemeinen
konkaven Fläche.
-
Im
Gegensatz zu der piezoelektrischen Unimorph-Vorrichtung umfasst
eine Bimorph-Vorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die
zwischen zwei piezoelektrischen Elementen angeordnet ist. Bimorphe
zeigen eine stärkere
Verschiebung als Unimorphe, da sich ein Keramikelement unter der
angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das andere ausdehnt.
Bimorphe können
Dehnungen bis zu etwa 20 zeigen, aber können im Allgemeinen, ähnlich wie
Unimorphe, keine hohen Belastungen bezüglich der Gesamtabmessungen
der Unimorph-Struktur
aushalten.
-
Geeignete
piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen,
organische Verbindungen und Metalle. Im Hinblick auf organische Materialien
können
alle Polymermaterialien mit nicht zentrosymmetrischer Struktur und
großer
Dipolmomentgruppe/großen
Dipolmomentgruppen an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder
an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen
Film verwendet werden. Beispiele von geeigneten Polymeren umfassen
beispielsweise, sind aber nicht beschränkt auf Poly(natrium-4-styrolsulfonat)
(”PSS”), Poly
S-119 (Polyvinylaminrückgrat mit
Azochromophor) und deren Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe,
einschließlich
Polyvinylidenfluorid (”PVDF”), sein
Copolymer Vinylidenfluorid (”VDF”), Trifluorethylen
(TrFE) und deren Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylchlorid
(”PVC”), Polyvinylidenchlorid
(”PVC2”) und deren
Derivate; Polyacrylnitrile (”PAN”) und deren Derivate;
Polycarbonsäuren,
einschließlich
Polymethacrylsäure
(”PMA”) und deren
Derivate; Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane (”PUE”) und deren
Derivate; Biopolymermoleküle,
wie etwa Poly-L-Milchsäuren
und deren Derivate und Membranproteine, sowie Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline und
deren Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyimide, einschließlich Kaptonmoleküle und Polyetherimid
(”PEI”) und deren
Derivate; alle Membranpolymere; Poly-N-vinylpyrrolidon (”PVP”)-Homopolymer
und deren Derivate und zufällige
PVP-Co-vinylacetat-(”PVAc”)-copolymere;
und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder
Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten,
und Mischungen davon.
-
Weitere
piezoelektrische Materialien können Pt,
Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metalllegierungen und Mischungen
davon umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können beispielsweise
auch Metalloxid, wie etwa SiO2, Al2O3, ZrO2,
TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4,
ZnO und Mischungen davon; und Verbindungen der Gruppe VIA und IIB, wie
etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe2, ZnSe, GaP, InP,
ZnS und Mischungen davon, umfassen.
-
Schließlich, und
wie zuvor erwähnt,
können geeignete
aktive Materialien zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung
auch magnetorheologische (MR) oder elektrorheologische (ER) Zusammensetzungen,
wie etwa MR- oder ER-Elastomere umfassen. Diese Materialien ändern ihre
rheologischen Eigenschaften bei Anlage eines magnetischen Feldes oder
eines elektrischen Spannungsabfalls schnell. MR-Elastomere sind
Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße in einem
warmhärtenden
elastischen Polymer oder Kautschuk. Die Steifigkeit der Elastomerstruktur
wird bewirkt, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Moduln dadurch
verändert
werden, dass die Stärke
des angelegten Magnetfeldes variiert wird. Die MR-Elastomere entwickeln
typischerweise Struktur, wenn sie einem Magnetfeld so kurz wie einige
wenige Millisekunden ausgesetzt werden. Werden die MR-Elastomere
nicht länger
dem Magnetfeld ausgesetzt, kehrt sich der Prozess um und das Elastomer
kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück.
-
II. Beispielhafte Systeme, Verfahren und
Anwendungen
-
Den
Lehren der vorliegenden Erfindung zugewandt, werden nachstehend
beispielhafte Ausführungsformen
zum Gewinnen, Speichern und Umwandeln von Energie unter Verwendung
aktiver Materialien, und stärker
bevorzugt der feldaktivierten Eigenschaften von SMP und SMA besprochen
und in den 1–6 veranschaulicht.
In jeder Ausführungsform
ist eine Aktivierungssignalquelle 16 mit dem Element 12 gekoppelt
und ausgestaltet, um ein Aktivierungssignal selektiv (z. B. manuell,
natürlich
oder in Ansprechen auf eine sensorische Technologie) zu erzeugen.
-
Das
System 10 umfasst eine natürliche und/oder Umgebungsaktivierungssignalquelle 16, wie
etwa Windbelastung, Sonnenstrahlung und Umgebungstemperatur (4),
Schwingung, zufällige oder
periodische (wie etwa in Reifen) Spannung oder Dehnung, Kräften aussetzen,
die beispielsweise durch seismische Verschiebungen oder die Drehung eines
Körpers
hervorgerufen werden, Wasser aussetzen (Quellen oder Schwellen,
Moduländerung) und
statische Ladung.
-
Speichermechanismen
zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung umfassen jene, die
auf einem pseudoplastischen/superelastischen Dehnen von SMA beruhen,
SMP-Rast-/Verriegelungsmechanismen, Dehnen von EAP, Scherverdünnen von STF-Fluiden,
die Verwendung von MR-Polymeren/ferromagnetischen
SMA und Dehnen von piezoelektrischen, piezokeramischen, unimorphen
und bimorphen Verbundwerkstoffen.
-
In
einer ersten in 1 gezeigten Ausführungsform
ist ein pseudoplastisch gedehntes SMA-Federelement 12 in
seiner Martensitphase dargestellt und in Reihe mit einer Vorspannfeder 18 geschaltet,
die einen Fe dermodul oder eine Federkonstante zwischen den Martensit-
und Austenitmoduln bzw. -konstanten der SMA-Feder 12 aufweist.
Es ist festzustellen, dass das Bereitstellen des notwendigen Unterschieds
der Federmoduln oder -konstanten zwischen dem Energiespeicher und
den Vorspannfedern 12, 18 das Auswählen geeigneter
Querschnittsflächen
für jede
Feder umfasst. Wenn beispielsweise die Energiespeicherfeder 12 aus
SMA-Material gebildet
ist und die Vorspannfeder 18 aus SMP-Material gebildet
ist, ist das Verhältnis
von Energiespeicherfeder zu Vorspannfeder bevorzugt nicht kleiner
als 1:10, stärker
bevorzugt: 1:20 und am stärksten
bevorzugt 1:50. Wenn das Element 12 von unter seiner Af-Temperatur auf über seine As-Temperatur
erwärmt wird,
wird bewirkt, dass sein Formgedächtnis
aktiviert wird, und gleichzeitig nimmt der Federmodul, d. h. die Federkonstante,
oder die Steifigkeit der Feder zu. Diese kombinierten Zustände in dem
SMA-Federelement 12 bewirken, dass sich die Vorspannfeder 18 ausdehnt
(1a).
-
Wie
es zuvor erwähnt
wurde, werden anschließend
die Speicher- und Vorspannfedern 12, 18 bevorzugt
jeweils in zusammengedrückten
bzw. ausgedehnten Zuständen
durch einen Verriegelungsmechanismus 14 verriegelt. Beispielsweise
kann eine Raste (1–1b), eine
Klinke (2) oder ein Ratschenmechanismus
(3) benutzt werden. Es ist festzustellen, dass
der Verriegelungsmechanismus 14 gegebenenfalls eine festgelegte
Basis 20 zum Befestigen und Übertragen der Vorspannkraft, die
von dem Element 12 erzeugt wird, umfasst.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann der Verriegelungsmechanismus 14 eine Klinke sein, die
ein SMP-Material umfasst, das zu Beginn in seinem Niedertemperatur-Hochmodul-Zustand
ist. Die Klinke 14 kann beispielsweise eine Vorspanntorsionsfeder 14a umfassen,
die aus SMP gebildet und ausgestaltet ist, um einer Drehung in einer
ersten Richtung Widerstand entgegenzubringen, wie es in 2 gezeigt
ist. Die Torsionsfeder 14a weist einen ersten und einen
zweiten Widerstand gegenüber
einer Drehung in der ersten Richtung auf, wobei der erste, nicht
aber der zweite, von der Formänderungskraft
der Legierung überwunden
werden kann. Wenn es erwünscht
ist, kann die Klinke 14 ferner ein Abschirmelement, wie
einen Mantel 14b umfassen, der ausgestaltet ist, um nur
dann zu verhindern, dass die Torsionsfeder 14a der Sonne
ausgesetzt wird, wenn sie sich in der nicht in Eingriff stehenden
Orientierung befindet (die in 2 in einem
verdeckten Linienzug gezeigt ist), so dass eine Halteperiode vorliegt,
die gleich der Übergangsperiode
der SMP-Torsionsfeder 14a ist.
-
Wie
es in 3 gezeigt ist, kann das Zahnrad 22 eines
Verriegelungsmechanismus auf Ratschenbasis 14 einen Zahn 24 umfassen,
der aus SMP-Material
hergestellt ist. Es wird bewirkt, dass der Zahn 24 eine
Moduländerung
erfährt,
so dass ein erster und ein zweiter Steifigkeitsgrad vorliegen, wobei
der erste, nicht aber der zweite, von der Formänderungskraft der SMA-Speicherfeder 12 überwunden werden
kann. Stärker
bevorzugt umfasst der Verriegelungsmechanismus 14 darüber hinaus
einen SMA-Draht 26,
der antreibend mit dem Zahnrad 22 (3), der
Raste oder der Klinke gekoppelt und ausgestaltet ist, um ein Außereingriffgelangen,
und dadurch die Freigabe von Energie, von dem Speicherelement 12 zu
bewirken oder zu fördern,
wenn der Draht 26 aktiviert wird.
-
Es
ist festzustellen, dass die Aktivierungsenergie auch durch die Verschiebung,
die eine physikalische Bewegung von einem stabilen Zustand in einen
zweiten eines bistabilen Mechanismus bewirkt, wie beispielsweise
etwa das ”Öldosen”-Phänomen (oil
canning), darin eingeschlossen werden kann. Wenn die Vorspannfeder
(oder der Draht) 18 ebenfalls aus SMA in seiner Martensitphase
gebildet ist, ist festzustellen, dass die Energie auch in dem Vorspannelement 18 durch
seine pseudoplastische Verformung (d. h. Streckung) gespeichert
werden kann. In 2 definiert beispielsweise Struktur 20 ein
Abschirmelement 20b, das ausgestaltet ist, um zu verhindern,
dass die Vorspannfeder der Sonne ausgesetzt wird, wenn sie zusammengedrückt ist.
-
Die
Freigabe der so gespeicherten Energie könnte dann verschiedentlich
durch das Lösen
des Verriegelungsmechanismus 14 (manuell, elektromechanisch,
Formänderung
in einem aktiven Material usw.) oder eine thermische Aktivierung
der Vorspann-SMP-(oder SMA-)Feder 18 erfolgen. Mit weiterem
Bezug auf die in den 1–3 gezeigten Verriegelungsmechanismen 14 kann
die durch Strecken des Elements der Vorspannfeder/des Vorspanndrahts 18 gespeicherte
Energie durch eine thermisch, licht- oder feuchtigkeitsaktivierte
Phasenänderung
(Erweichung) des aktiven Materials oder anderweitige Freigabe davon
freigegeben werden.
-
Alternativ
kann die Vorspannfeder 18 (oder ein äquivalenter Draht) aus SMP-Material
gebildet sein. Es ist festzustellen, dass in dieser Ausgestaltung
das Erwärmen
der SMP-Vorspannfeder 18 und der SMA-Feder 12 gleichzeitig
oder der SMP-Feder 18 zu Beginn über ihre jeweiligen Übergangstemperaturen
hinaus, das SMP-Material erweicht, wobei es in eine Vorspannfeder
mit sehr niedriger Steifigkeit überführt wird.
Dies lässt
zu, dass sich die SMA-Feder 12 streckt und dabei die potentielle
Energie, die in dem ursprünglich
pseudoplastisch verformten Zustand der SMA-Feder 12 gespeichert
ist, freigibt. Bei Erwärmung
zeigt die SMP-Vorspannfeder 18 einen Modul, der noch niedriger
ist als der niedrige Modul der SMA-Feder 12, was es ermöglicht,
dass die Speicherfeder 12 ungeachtet ihres Status in den
ausgedehnten Zustand zurückgeführt werden
kann.
-
In
diesem Beispiel dient die SMP-Vorspannfeder 18 als ein
Reserveaktuator, d. h. sie blockiert eine Bewegung, wenn sie kalt
ist, wobei der Bewe gungs-/Betätigungstakt
freigegeben wird, wenn sie erwärmt
und somit erweicht wird. Somit wird die Verwendung von SMP in verschiedenen
geometrischen Formen in seiner Hochmodulbeschaffenheit als ein Blockiermechanismus,
um eine Bewegung physikalisch zu blockieren, in Betracht gezogen.
Es ist dann das Umschalten des SMP in seine Niedermodulbeschaffenheit
(verschiedentlich durch thermische, Licht- oder Feuchtigkeitsaktivierung),
das sein Blockiervermögen überwindet
und somit zulässt,
dass die gespeicherte Energie umgewandelt und freigegeben werden
kann.
-
In
einer in 4 gezeigten Ausführungsform beginnt
ein SMP-Element 12 in eine ungedehnten Niedermodulbeschaffenheit.
Das SMA-Element 12 ist derart positioniert/angebracht,
dass es durch eine natürlich
auftretende (z. B. Luft- oder Wasserströmung) oder auf andere Weise
gelieferte Betätigungskraft
pseudoplastisch gedehnt wird. Diese pseudoplastisch gespeicherte
Betätigungsenergie
kann dann durch thermische Aktivierung des Formgedächtniseffekts
in den SMP entweder passiv durch Temperaturänderungen in der Umgebung,
direkte Sonneneinwirkung (4), fokussierte
Sonnenstrahlungsenergie usw. oder aktiv durch Joule’sche Erwärmung freigegeben
werden. In 4 wird beispielsweise Energie
einer Wasserströmung
und von Wellen durch einen Brecher 12, der das aktive Material umfasst,
gewonnen. Wenn der Brecher 12 passiv erwärmt wird,
wird er weniger steif, wodurch zugelassen wird, dass mehr Wasser
strömt,
und bei Flut (Nachtbetrieb) wird er steif und richtet sich auf,
um einen höheren
Wasserpegel zu halten.
-
In
einer anderen Ausführungsform
einer ungedehnten SMA-Martensitbeschaffenheit und mit Sonneneinwirkung
kann das SMA-Element 12 dazu verwendet werden, eine selektive
Entfaltung einer Blende oder eines Sonnenschirms zu bewirken, welche/welcher
sonst von Hand entfaltet werden müsste. Beispielsweise, wie es
in 4a gezeigt ist, kann ein thermisch aktiviertes
SMA-Element 12 in Reihe mit einer Vorspannfeder dazu verwendet
werden, das selbsttätige Öffnen und
das selbsttätige
Schließen
einer Sonnenblende, wie etwa eines Strandschirmes, eines Wohnraumbaldachins
oder dergleichen zu bewirken. Die Speicherung kann in dieser Ausgestaltung
durch eine lichtaktivierte Raste bewirkt werden, die mit der Feder 18 in
Eingriff gelangt, wenn der Schirm geöffnet wird.
-
In
einer anderen Ausführungsform
beginnt das SMA-Element 12 in der austenitischen Hochmodulphase
und ist derart positioniert/angebracht, dass es durch eine natürlich auftretende
oder auf andere Weise vorgesehene Betätigungskraft superelastisch gedehnt
wird (4). Das Dehnen des Elements 12 in dieser
Phase führt
zu einer spannungsinduzierten Phasenänderung von der austenitischen
Phase in die martensitische Phase. In dieser Ausgestaltung kann
die superelastisch induzierte Verformung durch den Verriegelungsmechanismus 14 (z.
B. eine Raste, eine Klinke oder ein Mechanismus auf Ratschenbasis)
verriegelt werden. Sie kann auch durch die Verschiebung verriegelt
werden, die eine physikalische Bewegung von einer stabilen Beschaffenheit
in eine zweite eines bistabilen Mechanismus bewirkt (z. B. die zwei
stabilen Beschaffenheiten eines Federstahlbandmaßstabes mit gekrümmtem Querschnitt).
Wieder kann eine Klinke oder ein anderer Mechanismus 14,
der aus SMP hergestellt ist und zu Beginn in seiner Niedertemperatur-Hochmodulbeschaffenheit
vorliegt, dazu verwendet werden, die ”elastische” Energie darin einzuschließen, wobei
das Freigeben der so gespeicherten Energie dann verschiedentlich
durch das Lösen
des Verriegelungsmechanismus 14 (manuell, elektromechanisch, ”Knicken” des gekrümmten Federstahlbandmaßstab-Querschnitts
oder Aktivieren durch thermische, Licht- oder Feuchtigkeitsaktivierung,
um eine Phasenänderung
(Erweichung) in dem SMP-Klinkenmechanismus zu bewirken) erfolgen
könnte.
-
Zwei
beispielhafte Anwendungen von thermischen Energiequellen/-senken
für die
Energiespeicherungs- und -freigabezyklen, wenn Mechanismen auf SMA/SMP-Basis
als Energiequellen verwendet werden, und zwar nicht von der Mechanisierung,
um Elemente zu verformen oder (elektrische oder mechanische) Energie
außerhalb
der Vorrichtung zu erzeugen, umfassen in einer ersten Ausgestaltung, dass
Sonnenlicht oder Erdwärme
als das Medium/die Energiequelle für den Hochtemperatur-/Energiefreigabeabschnitt
des Zyklus mit SMA und SMP und den Energiespeicherabschnitt des
Zyklus für
SMP und (See-)Wasser (oder Umgebungslufttemperatur) als die Niedertemperaturquelle
für die
Energiespeicherabschnitte des Zyklus in sowohl SMA als auch SMP verwendet
werden (bei stationären
Anwendungen ist festzustellen, dass das Gewicht/die Schwerkraft ebenfalls
dazu verwendet werden könnten,
Elemente bei kalter SMA und heißem
SMP zu verformen).
-
In
einer zweiten Anwendung kann Kraftfahrzeugabwärme (oder heißes Kühlmittel)
als das eine Medium verwendet werden (hohe Temperatur für den Energiefreigabeabschnitt
des Zyklus mit SMA und SMP und den Energiespeicherabschnitt des
Zyklus für
SMP), und Umgebungsluft (oder kaltes Kühlmittel oder HLK-Kältemittel)
kann als das andere Medium verwendet werden (niedrige Temperatur
für die
Energiespeicherabschnitte des Zyklus in sowohl SMA als auch SMP).
-
In
einer anderen, in 5 gezeigten Kraftfahrzeuganwendung
kann eine Sonnenblendenentfaltung durch passives Erwärmen eines
SMA-Aktuators 28 erreicht werden. Der Aktuator 28 kann
dazu verwendet werden, Sonnenenergie zu gewinnen und zu speichern,
um eine Entfaltung einer Abdeckung oder Blende 30 zu bewirken.
Dies könnte
entweder in einem einzigen Schritt oder in mehreren Schritten durch
beispielsweise einen Mechanismus vom Ratschentyp vorgenommen werden.
Eine direkte Erwärmung
des SMA-Materials durch die Sonne kann erfolgen, indem es Sonnenlicht
direkt ausgesetzt wird (5) und/oder dieses durch eine
Linse oder ein Prisma fokussiert wird, ein Fluid (nicht gezeigt),
in welchem die SMA eingetaucht ist, durch die Sonne erwärmt wird
oder Wärme
durch Leitung von äußeren Plattenelementen
(ebenfalls nicht gezeigt) unter direkter Sonneneinwirkung übertragen
wird. Das Verstauen der Blende 10 kann auch erfolgen, indem
entweder eine Freigaberaste auf SMA-Basis, die bevorzugt beim Eintritt
in das Fahrzeug 32 freigelegt ist, passiv durch die Sonne
erwärmt
wird, oder aktiv, indem der Fahrer eine Handlung durchführt (z.
B. einen Knopf niederdrückt,
eine Tür öffnet usw.),
was ein Aktivierungssignal erzeugt oder in einer alternativen Ausführungsform
einen Verriegelungsstift löst,
der die Blende geschlossen hält,
nachdem sie nicht langer der Sonne ausgesetzt ist.
-
In
dieser Ausgestaltung könnte
ein mehrstufiger Energiespeicher umgesetzt werden, indem passiv
bewirkt wird, dass sich ein Abschirmelement 34 bei jedem
Schritt bewegt, um die Einwirkung der Sonne auf den Aktuator 28 inkrementell
zu blockieren, wodurch er abkühlen
kann. Die Bewegung des Abschirmelements 34 setzt darüber hinaus
einen zweiten Aktuator 36, der mit dem Abschirmelement 34 verbunden
ist, einer direkten Sonneneinwirkung aus. Ein Erwärmen dieses
sekundären
SMA-Aktuators 36 würde
dann bewirken, dass sich das Abschirmelement 34 aus der
Blockierstellung herausbewegt, was ein erneutes Erwärmen und
ein erneutes Betätigen des
primären
Aktuators, der mit der Blende 30 verbunden ist, zulassen
wird, so dass ein zyklischer Prozess fortfährt, bis entweder der volle
Hub der Energiespeichereinrichtung erreicht ist oder eine direkte Sonneneinwirkung
endet.
-
In
noch einer anderen Ausführungsform kann
das Aktivierungssignal durch eine erzwungene Verformung (externe
Aktuatoren) geliefert werden, wenn das Element 12 als ein
separater Aktuator verwendet wird, und Zentrifugalkräfte, wenn
es direkt an einem rotierenden Objekt (z. B. einer Motorkomponente)
verwendet wird. Wie es in 6 gezeigt
ist, kann zum Beispiel dort, wo das System 10 als eine ”Drehmomentzusatzverstärkung” an einem Schwungrad 38 verwendet
wird, die Zentrifugalkraft dazu verwendet werden, das Element 12 zu
aktivieren, um die Trägheit
des Schwungrades durch bewusstes Umordnen der Schwungradmasse zu
verändern.
-
Schließlich ist
festzustellen, dass das System 10 mit einem Stirlingmotor
oder einem Heißluftmotor
(nicht gezeigt), der eine geeignete Effizienz und geeignete Zykluszeiten
aufweist, beispielsweise als eine Starteinrichtung für geringes
endseitiges Drehmoment oder wieder als Drehmomentzusatzverstärkung gekoppelt
werden könnte.
-
Somit
kann, wie es in den veranschaulichten Ausführungsformen gezeigt ist, natürliche Energie und/oder
Umgebungsenergie passiv gespeichert und passiv freigegeben, passiv
gespeichert und aktiv freigegeben oder aktiv gespeichert und passiv
freigegeben werden. Es ist festzustellen, dass mehr Energie entweder
aktiv oder passiv gespeichert wird, als geliefert wird, um die Energie
freizugeben. Es können abhängig von
der Anwendung und Ausführungsform passive
sowie aktive Aktivierungsmittel enthalten sein. Es ist auch festzustellen,
dass im Hinblick auf Energieumwandlungswirkungsgrade für SMA ein SMA-Aktuator
effektiv eine Wärmemaschine
ist, in der die SMA Wärmeenergie
direkt in Arbeit umwandelt. Der Wirkungsgrad des Aktuators kann
somit nicht größer sein
als der des Carnot-Zyklus, was in einem typischen Temperaturbetriebsbereich
einer SMA nicht größer als
etwa 10% ist.
-
Die
hierin offenbarten Bereiche sind inklusive und kombinierbar (z.
B. Bereiche von ”bis
zu etwa 25 Gewichts-% oder im Spezielleren etwa 5 Gewichts-% bis
etwa 20 Gewichts-%” sind
inklusive der Endpunkte und aller Zwischenwerte der Bereiche von ”etwa 5 Gewichts-%
bis etwa 25 Gewichts-%” usw.). ”Kombination” ist inklusive
Mischungen, Gemischen, Legierungen, Reaktionsprodukten und dergleichen.
Ferner bezeichnen die Ausdrücke ”erste/r/s”, ”zweite/r/s” und dergleichen
hierin keinerlei Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit; sondern dienen
dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe ”ein/e/s” bezeichnen
hierin keine Beschränkung
einer Menge, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von zumindest
einem genannten Gegenstand. Die Angabe ”etwa”, die in Verbindung mit einer Größe verwendet
wird, versteht sich einschließlich des
angegebenen Werts und besitzt die durch den Kontext bestimmte Bedeutung
(umfasst z. B. den der Messung der speziellen Größe zugehörigen Fehlergrad). Das Suffix ”(s)”, ”(e)”, ”(n)”, wie es
hierin verwendet wird, soll sowohl den Singular als auch den Plural
des Begriffes umfassen, den es modifiziert, und umfasst daher einen
oder mehrere von diesem Begriff (z. B. umfasst/en der/die Farbstoff/e
einen oder mehrere Farbstoffe). Die Bezugnahme über die gesamte Beschreibung
auf ”eine
bestimmte Ausführungsform”, ”eine weitere
Ausführungsform”, ”eine Ausführungsform” und dergleichen
bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur
und/oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit der Ausführungsform
beschrieben ist, in zumindest einer hierin beschriebenen Ausführungsform enthalten
ist und in anderen Ausführungsformen
vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus sollte einzusehen
sein, dass die beschriebenen Elemente auf jede beliebige geeignete
Weise in den verschiedenen Ausführungsformen
kombiniert sein können.
-
Diese
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen
beschrieben, wobei Fachleute einsehen werden, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne
von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Überdies können zahlreiche Abwandlungen
vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material
an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem
Schutzumfang abzuweichen. Die Erfindung soll daher nicht auf die spezielle
Ausführungsform
beschränkt
sein, die als beste Ausführungsart
der Erfindung in Betracht gezogen wird, sondern vielmehr wird die
Offenbarung alle Ausführungsformen
einschließen,
die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.