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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gewinnung mechanischer und/oder elektrischer Energie aus thermischer Energie, insbesondere zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwerksanlagen oder dergleichen Anlagen, in denen thermische Energie entsteht.
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In der heutigen Zeit besteht ein großes Problem darin, dass einerseits in den unterschiedlichsten technischen Bereichen immer noch nicht genutzte Energie in Form von Wärme abgegeben wird, anderseits aber Möglichkeiten zur Steigerung der Energiebilanz beispielsweise von Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwerksanlagen durch Nutzung der in der Abluft und im Kühlwasser enthaltenen Wärme gesucht werden. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Einrichtungen zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwerksanlagen bekannt. So wird in der
DE 10 2006 018 686 A1 eine Wärmekraftmaschine nach dem Stirlingmotorprinzip beschrieben, bei der auf den Kolben verzichtet wird und stattdessen mit Hilfe der Druckschwankungen ein Kreislauf erzeugt wird, dessen Wirkrichtung mit Hilfe von Ventilen gesteuert wird. Weiterhin ist aus der
DE 10 2007 026 474 A1 ein Verfahren mit den dazugehörigen Vorrichtungen zur Gewinnung elektrischer Energie aus Abgasen und Abwärme bekannt, bei dem der Effekt der Ausdehnung von Gasen bei steigenden Temperaturen und des Zusammenziehens von Gasen bei fallenden Temperaturen sowie der Änderung der Drücke bei einer gemeinsamen Erhitzungs- und Abkühlungskammer genutzt wird, die durch einen umlaufenden Teilzylinder jeweils zur Erhitzung oder Abkühlung freigegeben werden, so dass ein angeschlossener Arbeitskolben oder eine Arbeitsturbine bewegt wird. Aus der
DE 198 43 600 A1 ist ebenfalls ein Verfahren bekannt, bei dem die Wärmeenergie der Abgase eines Verbrennungsmotors durch die Wärme-Kraftkopplung mit einem in den Abgasstrom geschalteten Stirlingmotor, der die Lichtmaschine antreibt, in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine Wärmekraftmaschine mit Metall aus Formgedächtnislegierung als Arbeitsmittel wird in der
DE 41 09 585 A1 beschrieben, indem die Kraftübertragung von der Formgedächtnislegierung durch Zug an einer um einen Winkel zur Rotorachse versetzten Drehachse erfolgt, um Wärmekraftmaschinen mit hohem Arbeitsvermögen bei wählbaren Temperaturen zu ermöglichen. Des weiteren wird in der
DE 101 08 468 A1 ein Verfahren und eine Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie eines Kühlkreislaufs eines Kraftfahrzeugs in mechanische und/oder elektrische Energie beschrieben, indem die Wärmekraftmaschine das Deformations-Temperaturverhalten von Formgedächtnislegierungen ausnutzt und Bauteile, die eine Formgedächtnislegierung aufweisen, mit Kühlwasser einer höheren Temperatur beaufschlagt werden und dieses Kühlwasser abgekühlt wird, so dass eine mechanische Bewegung der Bauteile und den mit diesen in Wirkverbindung stehenden drehbar gelagerten Elmenten erzeugt wird, um die durch die mechanische Bewegung erhaltene Energie zur Beaufschlagung einer Pumpe oder eines elektrischen Gerators zu nutzen. Aus der
DE 10 2007 006 146 A1 ist ebenfalls ein mit einer Wärmekraftmaschine zur Umwandlung thermischer Energie eines Fluids im Kreislauf in mechanische und/oder elektrische Energie verbundener Heiz- oder Kühlkreislauf bekannt, wobei die Wärmekraftmaschine ein Antriebselement aufweist, das seine äußere Form mit seiner Temperatur ändert.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Nutzung der Wärmeenergie von Abgasen und Kühlflüssigkeiten von Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwerksanlagen zu schaffen, die ohne großen technischen Aufwand die gespeicherte Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, die direkt genutzt oder durch nachgeschaltete Einrichtungen in elektrische Energie umgewandelt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Einrichtung vor, bei der mindestens ein in einem Gehäuse angeordnetes und mit einem Betätigungselement verbundenes Formgedächtniselement durch eine von außen wechselseitig durch das Gehäuse geleitete warme oder kalte gasförmige oder fluide Strömung umströmt wird, wobei durch das Zusammenwirken des Formgedächtniselementes mit einem Rückstellelement das Formgedächtniselement zwei unterschiedliche Zustände einnimmt, oder dass mindestens zwei Formgedächtniselemente in jeweils getrennten Kammern oder Einrichtungen vorgesehen sind, die unterschiedlich wechselseitig von warmen oder kalten gasförmigen oder fluiden Strömungen umströmt werden und damit gegeneinander arbeiten, so dass dadurch ein mit dem Betätigungselement gekoppelter Wandler die erzeugte mechanische Translations- oder Rotationsbewegung in elektrische Energie umwandelt oder die mechanische Energie direkt zum Antrieb weiterer Systeme nutzt.
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Formgedächtniselemente eigenen sich für derartige Einrichtungen zur Energiegewinnung aus thermischer Energie besonders, da sie auch bei geringen Temperaturen und geringen Temperaturdifferenzen zu betreiben sind. Durch die vorliegende Erfindung kann die Energieeffizienz von Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwerksanlagen wesentlich erhöht und damit der CO2-Ausstoß verringert werden. Durch die Umwandlung der Wärmeenergie der Abgase oder der Kühlflüssigkeit in mechanische oder elektrische Energie kann man zusätzliche Energie zum Betrieb elektromechanischer Baugruppen gewinnen, in Kraftfahrzeugen beispielweise für Klimaanlagen, Fahrerassistenzsysteme, Radio- und Navigationssysteme, Beleuchtungs-, Sicherheits- und Komfortsysteme usw. Bei Kraftfahrzeugen wird weiterhin ein deutlicher Kraftstoffverbrauch durch die sogenannten Nebenaggregate, wie Klimakompressor, Lenkhilfepumpe, Wasserpumpe, Pumpe zur Niveauregulierung, elektrischer Generator, erzeugt. Bei hohen Außentemperaturen wird z. B. durch den Klimakompressor und durch den Betrieb der Klimagebläse im städtischen Betrieb von Kraftfahrzeugen ein deutlicher Kraftstoffverbrauch verursacht. Da ein Ende des Anstieges von elektrischen Energieverbrauchern nicht in Sicht ist, wird der Bedarf an elektrischer Energie weiter zunehmen. Systeme zur Steigerung des Wirkungsgrades sind deshalb unumgänglich. Die Nutzung der Wärmeenergie der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwerksanlagen ist deshalb ein großes Feld zur Verbesserung der Energieeffizienz. Durch den Einsatz von Formgedächtniselementen in der erfindungsgemäßen Einrichtung ist diese nicht nur im gesamten mobilen Bereich des Verkehrs, sondern auch in stationären Anlagen, wie für Kraftwerke, Haustechnik, stationäre Klimaanlagen und dergleichen, einsetzbar.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Betätigungselement mittels eines Verbindungselementes mit einem Ventil derart verbunden ist, dass bei Bewegung des Formgedächtniselementes die das Formgedächtniselement umströmende warme oder kalte gasförmige oder fluide Strömung steuerbar ist, wobei sich wechselseitig entweder die Einlassöffnung für die warme gasförmige oder fluide Strömung oder die Einlassöffnung für die kalte gasförmige oder fluide Strömung öffnet und schließt. Vorteilhaft ist dabei, dass die warme gasförmige oder fluide Strömung insbesondere durch Bypässe vom Abgassystem oder vom Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine oder Kraftwerksanlage und die kalte gasförmige oder fluide Strömung aus der Umgebung oder nach der Kühlung des jeweiligen Gases oder Fluids abzweigbar ist.
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Um große Stellwege auf kleinem Raum zu erzielen, sind die Formgedächtniselemente vorzugsweise als Federn ausgebildet. Die Federeigenschaften können durch das Zusammenschalten mehrerer Formgedächtnisfedern oder mehrere Formgedächtnisaktorsysteme, parallel oder seriell, variiert werden. Die Formgedächtniselemente können auch drahtförmig oder blechförmig ausgebildet sein.
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Vorteilhaft ist weiterhin vorgesehen, dass das für das Formgedächtniselement notwendige Rückstellelement vorzugsweise aus einer Stahlfeder ausgebildet ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Betätigungselement endseitig einen Permanentmagneten aufweist, der in eine Spule derart eintaucht, dass bei einer erzeugten Linearbewegung des Formgedächtniselementes der Permanentmagnet eine Längsbewegung ausführt und beim Durchqueren der Spule durch die Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung in die Spule induziert.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestehen darin, dass das Betätigungselement endseitig über ein Hebelgetriebe mit dem in die Spule eintauchenden Permanentmagneten derart verbunden ist, dass bei einer erzeugten Linearbewegung des Formgedächtniselementes diese in eine Längsbewegung des Permanentmagneten übersetzt wird und der Permanentmagnet beim Durchqueren der Spule durch die Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung in die Spule induziert, oder dass die erzeugte Linearbewegung des Formgedächtniselementes eine Kippbewegung eines endseitig am Betätigungselement angeordneten zylindrischen Bauteilelementes erzeugt, wobei in oder an dem Bauelement der Permanentmagnet längsgeführt ist, derart, dass sich der Permanentmagnet hin und her bewegt und beim Durchqueren der Spule durch die Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung in die Spule induziert, oder dass die erzeugte Linearbewegung des Formgedächtniselementes mittels eines endseitig an dem Betätigungselement angeordneten Schraubgetriebes, verbunden mit einem Freilauf und vorzugsweise einem Schwungrad, in eine Rotationsbewegung zum Antrieb eines Generators umformbar ist.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mindestens zwei gegeneinander arbeitende Formgedächtniselemente in jeweils getrennten Kammern oder Einrichtungen vorgesehen sind, wobei jeweils eine Kammer oder Einrichtung von der kalten gasförmigen oder fluiden Strömung und die andere Kammer oder Einrichtung von der warmen gasförmigen oder fluiden Strömung durchströmt wird, und wobei die Betätigungselemente der jeweiligen Kammer oder Einrichtung vorzugsweise mittels einer Kurbelwelle verbunden sind, derart, dass durch die Längsbewegung der Betätigungselemente eine kontinuierliche Drehbewegung der Kurbelwelle zum Antrieb eines Generators entsteht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines erstes Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung;
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2 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung;
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3 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung;
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4 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung;
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5 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Nutzung der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwerksanlagen zur Gewinnung mechanischer und/oder elektrischer Energie aus thermischer Energie. in einem Gehäuse 1 ist mittig ein Betätigungselement 2 so längsgeführt, dass das Betätigungselement 2 eine Translationsbewegung in beiden Richtungen nach oben und unten ausführt. Das Betätigungselement 2 ist mit einem Formgedächtniselement 3 gekoppelt, das durch eine im Betätigungselement 2 angeordnete Querbohrung 4 gesteckt und mit seinen beiden freien Enden 5, 6 mit dem Gehäuse 1 fest verbunden ist. Dabei weist das Formgedächtniselement 3 in dieser Ausgangslage eine im wesentlichen V-förmig ausgebildete Form auf. Bei Überschreitung der Umwandlungstemperatur zieht sich das Formgedächtniselement 3 zusammen und das Betätigungselement 2 wird dadurch nach oben gedrückt und führt eine translatorische Stellbewegung aus. Wird das Formgedächtniselement 3 wieder abgekühlt, wird es durch eine Rückstellfeder 7, die vorwiegend aus Stahl ausgebildet ist, zurückgestellt und führt so eine zyklische Linearbewegung aus. Die Rückstellfeder 7 stützt sich dabei mit einem Ende 8 am Gehäuse 1 und mit einem anderen Ende 9 an einem Verbindungselement 10 des Betätigungselementes 2 ab. An dem Verbindungselement 10 ist ein Ventil 11 angeordnet, so dass in der unteren Endstellung des Betätigungselementes 2 eine Einlassöffnung 12 geöffnet ist und eine warme gasförmige oder fluide Strömung durch das Gehäuse 1 zu einer Auslassöffnung 13 strömt und so das Formgedächtniselement 3 erwärmt wird. Hat sich das Betätigungselement 2 durch die Erwärmung des Formgedächtniselementes 3 nach oben bewegt, wird durch das Ventil 11 die Einlassöffnung 12 für die warme gasförmige oder fluide Strömung geschlossen und eine Einlassöffnung 14 für die kalte gasförmige oder fluide Strömung geöffnet. Das Formgedächtniselement 3 kühlt sich ab und das Betätigungselement 2 wird durch die Rückstellfeder 7 nach unten bewegt. Die warmen Gas- oder Flüssigkeitsströme werden beispielsweise durch nicht dargestellte Bypässe vom Abgassystem oder vom Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwerksanlagen abgezweigt und die kalten Gas- oder Flüssigkeitsströme werden der Umgebung entnommen oder nach der Kühlung des jeweiligen Gases oder Fluids abgezweigt.
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An dem Betätigungselement 2 ist ein Permanentmagnet 15 angeordnet, der in eine Spule 16 eintaucht. Durch die Auf- und Abbewegung des Betätigungselementes 2 bewegt sich der Permanentmagnet 15 auf und ab und induziert beim Durchqueren der Spule 16 durch die Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung in die Spule 16.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend 2 wird die zyklische lineare Bewegung des Betätigungselementes 2 bei Erwärmung oder Abkühlung des Formgedächtniselementes 3 durch eine gasförmige oder fluide Strömung über ein Hebelgetriebe 17 in eine zyklische lineare Bewegung des Permanentmagneten 15 umgewandelt. Als Formgedächtniselement 3 wird in diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eine Formgedächtnisfeder eingesetzt. Um große Stellwege auf kleinem Raum zu erzielen, sind die Formgedächtniselemente 3 vorzugsweise als Federn ausgebildet, können aber auch drahtförmig oder blechförmig ausgebildet sein. Die Federeigenschaften können durch das Zusammenschalten mehrerer Formgedächtnisfedern 3 oder mehrerer Formgedächtnisaktorsysteme, parallel oder seriell, variiert werden. Durch die Auf- und Abbewegung des Betätigungselementes 2 bewegt sich der Permanentmagnet 15 auf und ab und induziert beim Durchqueren der Spule 16 durch die Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung in die Spule 16. In einem weiteren Ausführungsbeispiel entsprechend 3 ist das Betätigungselement 2 an ein zylindrisches Bauelement 18 angelenkt, auf welchem der Permanentmagnet 15 beweglich angeordnet ist. Das zylindrische Bauelement 18 ist an einem Gestell 19 mittels eines Lagers 20 so gelagert, dass es eine Kippbewegung ausführen kann. Die Erzeugung der Kippbewegung erfolgt durch das Betätigungselement 2. Durch die unterschiedliche Neigung des zylindrischen Bauelementes 18 bewegt sich der Permanentmagnet 15 hin und her und induziert beim Durchqueren der Spule 16 durch die Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung in die Spule 16. Die Längsbewegung des Permanentmagneten 15 wird dabei durch Anschläge 21, 22 begrenzt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel entsprechend 4 ist das Betätigungselement 2 mit einer Gewindemutter 23 eines Schraubgetriebes gekoppelt. In der Gewindemutter 23 ist die Gewindespindel 24 geführt und ein Freilauf integriert. Da das Gewinde das Schraubgetriebes eine solche Steigung besitzt, bei der keine Selbsthemmung auftritt, führt die Gewindespindel 24 bei einer Längsbewegung der Gewindemutter 23 durch das Betätigungselement 2 eine Drehbewegung aus. Diese Drehbewegung wird von der Gewindespindel 24 über auf ein Schwungrad 25 übertragen. Durch den in der Gewindemutter 23 angeordneten Freilauf ist gewährleistet, dass das Schwungrad 25 nur in einer Richtung mitgenommen wird. Bewegt sich die Gewindemutter 23 durch das Betätigungselement 2 wieder nach oben, dreht sich die Gewindespindel 24 zwar in die andere Richtung, jedoch das Schwungrad 25 dreht sich durch den eingebauten Freilauf weiter. Durch die kontinuierliche Auf- und Abbewegung des Betätigungselementes 2 entsteht so eine kontinuierliche Drehbewegung des Schwungrades 25. Die Drehbewegung des Schwungrades 25 wird über ein Getriebe 26 auf einen Generator 27 übertragen, der die elektrische Energie erzeugt.
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In einem Ausführungsbeispiel entsprechend 5 sind vorzugsweise zwei gegeneinander arbeitende Formgedächtniselemente 3 in getrennten Einrichtungen 1 vorgesehen, wobei jeweils eine Einrichtung 1 von der kalten gasförmigen oder fluiden Strömung und die andere Einrichtung 1 von der warmen gasförmigen oder fluiden Strömung durchströmt wird. Deshalb sind für die Rückstellung der in den einzelnen Einrichtungen 1 angeordneten Formgedächtniselemente 3 keine Rückstellelemente notwendig. Die Rückstellung erfolgt durch das jeweils andere Formgedächtniselement 3, da die entsprechenden Betätigungselemente 2 der jeweiligen Einrichtung 1 um 180° versetzt mit einer Kurbelwelle 28 verbunden sind, derart, dass durch die Längsbewegung der Betätigungselemente 2 eine kontinuierliche Drehbewegung zum Antrieb eines Generators 27 entsteht.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das Ausführungsbeispiel, sondern ist in den angewandten Methoden variabel. Sie umfasst insbesondere auch Varianten, die durch Kombination von in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale bzw. Elementen gebildet werden können. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und in den Ansprüchen erwähnt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Betätigungselement
- 3
- Formgedächtniselement
- 4
- Querbohrung im Betätigungselement
- 5
- Ende des Formgedächtniselementes
- 6
- Ende des Formgedächtniselementes
- 7
- Rückstellelement
- 8
- Ende des Rückstellelementes
- 9
- Ende des Rückstellelementes
- 10
- Verbindungselement
- 11
- Ventil
- 12
- Einlassöffnung für warme Luft oder Flüssigkeit
- 13
- Auslassöffnung
- 14
- Einlassöffnung für kalte Luft oder Flüssigkeit
- 15
- Permanentmagnet
- 16
- Spule
- 17
- Hebelgetriebe
- 18
- zylindrisches Bauelement
- 19
- Gestell
- 20
- Lager
- 21
- Anschlag
- 22
- Anschlag
- 23
- Gewindemutter
- 24
- Gewindespindel
- 25
- Schwungrad
- 26
- Getriebe
- 27
- Generator
- 28
- Kurbelwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006018686 A1 [0002]
- DE 102007026474 A1 [0002]
- DE 19843600 A1 [0002]
- DE 4109585 A1 [0002]
- DE 10108468 A1 [0002]
- DE 102007006146 A1 [0002]
