DE102010049284A1

DE102010049284A1 - Fahrzeug-Energiegewinnungseinrichtung unter Verwendung von thermischen Gradienten des Fahrzeugs

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Publication number: DE102010049284A1
Application number: DE102010049284A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Mich. Browne; Nancy L. Mich. Johnson; Nilesh D. Mich. Mankame; James Holbrook Calif. Brown; Geoffrey P. Calif. McKnight; Paul W. Mich. Alexander
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2010-10-22
Publication date: 2011-08-25
Also published as: US20110094216A1; CN102052195A

Abstract

Ein Fahrzeug weist ein Energiegewinnungssystem auf. Das Energiegewinnungssystem umfasst ein Fluid, eine Wärmekraftmaschine und eine Komponente. Das Fluid weist einen ersten Fluidbereich bei einer ersten Temperatur und einen zweiten Fluidbereich bei einer zweiten Temperatur auf, die von der ersten Temperatur verschieden ist. Die Wärmekraftmaschine ist ausgebildet, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, und weist eine Formgedächtnislegierung auf, die in Kontakt mit jedem von dem ersten Fluidbereich und dem zweiten Fluidbereich angeordnet ist. Die Komponente wird durch die Wärmekraftmaschine in Ansprechen auf die Temperaturdifferenz angetrieben.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/255,397, die am 27. Oktober 2009 eingereicht wurde und die hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Fahrzeug und spezieller eine Energiequelle für das Fahrzeug und für Fahrzeug-Nebenaggregate.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fahrzeuge werden üblicherweise durch Maschinen, die einen Antrieb für das Fahrzeug schaffen, und durch Batterien angetrieben, die eine Leistung zum Starten der Maschine und für Fahrzeug-Nebenaggregate liefern. Die Fortschritte in der Technologie und der Wunsch nach Fahrerbequemlichkeiten haben zu zusätzlichen Leistungslasten an existierenden Nebenaggregatsystemen wie auch zu zusätzlichen Nebenaggregaten geführt. Die erhöhten Leistungslasten haben zu einer größeren Anforderung an Fahrzeug-Leistungsquellen geführt. Zusätzlich geht ein großer Teil der Leistung von den Leistungsquellen des Fahrzeugs als Wärme verloren.
Anordnungen zum Erweitern der Kraftfahrzeugwirtschaftlichkeit eines Fahrzeugs sind jedoch in dem Licht des wachsenden Interesses an kraftstoffeffizienten Fahrzeugen wünschenswert. Daher sind Anordnungen wünschenswert, welche die Leistungslast verringern und/oder die Effizienz der herkömmlichen Leistungsquellen des Fahrzeugs, wie beispielsweise der Batterie und der Maschine, erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Fahrzeug umfasst einen ersten Fluidbereich, der eine erste Temperatur aufweist, und einen zweiten Fluidbereich, der eine zweite Temperatur aufweist, die von der ersten Temperatur verschieden ist. Eine Wärmekraftmaschine ist in einem Raum des Fahrzeugs angeordnet und ausgebildet, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Die Wärmekraftmaschine weist eine Formgedächtnislegierung mit einer kristallographischen Phase auf, die in Ansprechen auf die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluidbereich und dem zweiten Fluidbereich zwischen Austenit und Martensit veränderbar ist.
Ein Energiegewinnungssystem umfasst ein Fluid, eine Wärmekraftmaschine und eine Komponente. Das Fluid weist einen ersten Fluidbereich bei einer ersten Temperatur und einen zweiten Fluidbereich bei einer zweiten Temperatur auf, die von der ersten Temperatur verschieden ist. Die Wärmekraftmaschine ist ausgebildet, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, und sie weist eine Formgedächtnislegierung auf, die in Wärmeaustauschkontakt mit jedem von dem ersten Fluidbereich und dem zweiten Fluidbereich angeordnet ist. Die Komponente wird in Ansprechen auf die Temperaturdifferenz durch die Wärmekraftmaschine angetrieben.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Erfindung leicht ersichtlich, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugs mit einem Energiegewinnungssystem;
2 ist eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1;
3 ist eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1; und
4 ist eine Perspektivansicht einer dritten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Auf die Figuren Bezug nehmend, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen, ist ein Fahrzeug 1 allgemein bei 10 gezeigt. Das Fahrzeug 10 weist ein Energiegewinnungssystem 42 auf. Das Energiegewinnungssystem 42 verwendet die Temperaturdifferenz zwischen einem ersten Fluidbereich 12 und einem zweiten Fluidbereich 14, um mechanische oder elektrische Energie zu erzeugen, und es kann daher für Kraftfahrzeuganwendungen verwendbar sein. Es ist jedoch einzusehen, dass das Energiegewinnungssystem 42 auch für Nicht-Kraftfahrzeuganwendungen verwendbar sein kann, wie beispielsweise Heizungsanwendungen im Haushalt oder in der Industrie, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Das Fahrzeug 10 definiert einen Raum 40, der Leistungs- und Antriebsquellen für das Fahrzeug 10 aufnehmen kann, wie beispielsweise eine Maschine und ein Getriebe (nicht gezeigt). Der Raum 40 kann oder kann nicht von der umgebenden Umwelt umschlossen sein, und er kann Bereiche und Komponenten umfassen, die sich außen an dem Fahrzeug 10 befinden, wie beispielsweise ein Abgasrohr und einen katalytischen Wandler, Stoßdämpfer, Bremsen und einen beliebigen anderen Bereich, in dem Energie in der Nähe des Fahrzeugs 10 oder in diesem als Wärme dissipiert wird, wie beispielsweise in einem Fahrgastraum oder einem Batterieraum (beispielsweise in einem Elektrofahrzeug).
Das Energiegewinnungssystem 42 ist zumindest teilweise in dem Raum 40 angeordnet. Die Leistungs- und Antriebsquellen (nicht gezeigt) für das Fahrzeug 10 erzeugen typischerweise Wärme. Daher umfasst der Raum 40 den ersten Fluidbereich 12 und den zweiten Fluidbereich 14 mit einer Temperaturdifferenz zwischen diesen. Der erste Fluidbereich 12 und der zweite Fluidbereich 14 können voneinander beabstandet sein, oder es kann eine ausreichende Wärmeaustauschbarriere 50, wie beispielsweise ein Wärmeschutzschild, verwendet werden, um den Raum 40 in den ersten Fluidbereich 12 und den zweiten Fluidbereich 14 zu separieren. Das Fluid in dem Energiegewinnungssystem 42, welches den ersten Fluidbereich 12 und den zweiten Fluidbereich 14 bildet, kann aus der Gruppe von Gasen, Flüssigkeiten, Wirbelschichten von Festkörpern und Kombinationen von diesen ausgewählt werden. Bei der vorstehend diskutierten Ausführungsform, bei der der Raum 40 ein Maschinenraum ist, ist das Fluid in dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 die Luft in dem Raum 40.
Verschiedene Beispiele dafür, wo das Energiegewinnungssystem 42 in einem Fahrzeug 10 Temperaturdifferenzen nutzen kann, befinden sich in der Nähe zu einem katalytischen Wandler, nahe einer Batterie für das Fahrzeug oder in einem Batterieraum für Elektrofahrzeuge, in der Nähe eines Getriebes, von Bremsen oder Komponenten der Fahrzeugaufhängung, insbesondere eines Stoßdämpfers, oder in der Nähe eines Wärmetauschers, wie beispielsweise eines Kühlers, oder sind in diesen eingebunden. Die vorstehenden Beispiele listen Gebiete des Fahrzeugs 10 auf, die als der eine von dem ersten Fluidbereich 12 oder dem zweiten Fluidbereich 14 wirken können. Das Energiegewinnungssystem 42 kann derart angeordnet sein, dass der andere von dem ersten Fluidbereich 12 oder dem zweiten Fluidbereich 14 entfernt oder durch eine ausreichende Wärmeaustauschbarriere 50 separiert ist, um die erforderliche Temperaturdifferenz zu schaffen. Die vorstehende Liste enthält lediglich Beispiele dafür, wo das Energiegewinnungssystem 10 angeordnet sein kann, und sie soll nicht allumfassend für die Anordnungen des Energiegewinnungssystems 42 sein. Ein Fachmann würde in der Lage sein, Gebiete mit einer zugeordneten Temperaturdifferenz und mit einer geeigneten Position für das Energiegewinnungssystem 42 zu ermitteln, um die Temperaturdifferenzen zu nutzen.
Nun auf 1 und 2 Bezug nehmend, weist das Energiegewinnungssystem 42 eine Wärmekraftmaschine 16 auf. Die Wärmekraftmaschine 16 ist ausgebildet, um thermische Energie, z. B. Wärme, in mechanische oder Wärme in mechanische und anschließend in elektrische Energie umzuwandeln, wie nachstehend im weiteren Detail dargelegt wird. Spezieller weist die Wärmekraftmaschine 16 eine Formgedächtnislegierung 18 (2) mit einer kristallographischen Phase auf, die in Ansprechen auf die Temperaturdifferenz des ersten Fluidbereichs 12 und des zweiten Fluidbereichs 14 (1) zwischen Austenit und Martensit veränderbar ist.
Wie hierin verwendet, bezieht sich die Terminologie ”Formgedächtnislegierung” auf Legierungen, die einen Formgedächtniseffekt zeigen. Das heißt, dass die Formgedächtnislegierung 18 mittels einer molekularen Umordnung eine Phasenänderung im festen Zustand durchlaufen kann, um zwischen einer Martensitphase, d. h. ”Martensit”, und einer Austenitphase, d. h. ”Austenit” zu wechseln. Anders ausgedrückt kann die Formgedächtnislegierung 18 eine displazive Umwandlung anstelle einer Diffusionsumwandlung durchlaufen, um zwischen Martensit und Austenit zu wechseln. Im Allgemeinen bezieht sich die Martensitphase auf die Phase bei vergleichsweise niedrigerer Temperatur, und sie ist oft verformbarer als die Austenitphase bei vergleichsweise höherer Temperatur. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 beginnt, sich von der Austenitphase in die Martensitphasen zu verändern, ist als die Martensit-Starttemperatur M_s bekannt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 die Veränderung der Austenitphase in die Martensitphase abschließt, ist als die Martensit-Endtemperatur M_f bekannt. Wenn die Formgedächtnislegierung 18 erwärmt wird, ist die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 beginnt, sich von der Martensitphase in die Austenitphase zu verändern, auf ähnliche Weise als die Austenit-Starttemperatur A_s bekannt. Und die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 die Veränderung von der Martensitphase in die Austenitphase abschließt, ist als die Austenit-Endtemperatur A_f bekannt.
Daher kann die Formgedächtnislegierung 18 durch einen kalten Zustand charakterisiert werden, d. h. wenn eine Temperatur der Formgedächtnislegierung 18 unterhalb der Martensit-Endtemperatur M_f der Formgedächtnislegierung 18 liegt. Auf ähnliche Weise kann die Formgedächtnislegierung 18 auch durch einen heißen Zustand charakterisiert werden, d. h. wenn die Temperatur der Formgedächtnislegierung 18 oberhalb der Austenit-Endtemperatur A_f der Formgedächtnislegierung 18 liegt.
Im Betrieb, d. h. wenn sie der Temperaturdifferenz des ersten Fluidbereichs 12 und des zweiten Fluidbereichs 14 ausgesetzt ist, kann die Formgedächtnislegierung 18 dann, wenn sie vorgedehnt oder einer Zugspannung ausgesetzt wird, die Abmessung bei dem Verändern der kristallographischen Phase ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Das heißt, dass die Formgedächtnislegierung 18 die kristallographische Phase von Martensit in Austenit verändern und sich dadurch bezüglich der Abmessung zusammenziehen kann, wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Umgekehrt kann die Formgedächtnislegierung 18 die kristallographische Phase von Austenit in Martensit verändern und sich dann, wenn sie sich unter Spannung befindet, dadurch bezüglich der Abmessung ausdehnen, um somit in einen pseudoplastisch vorgedehnten Zustand zurückzukehren und für einen weiteren Zyklus des Umwandelns von thermischer Energie in mechanische Energie zurückgesetzt zu werden. Das heißt, dass sich die Formgedächtnislegierung 18 bezüglich der Abmessung ausdehnen kann, wenn sie sich unter Spannung befindet, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
Die Terminologie ”pseudoplastisch vorgedehnt” bezieht sich auf ein Strecken des Formgedächtnis-Legierungselements 18, während sich das Formgedächtnis-Legierungselement 18 in der Martensitphase befindet, so dass die Dehnung, die das Formgedächtnis-Legierungselement 18 unter Belastung zeigt, nicht vollständig wieder ausgeglichen wird, wenn es entlastet wird. Das heißt, dass das Formgedächtnis-Legierungselement 18 bei dem Entlasten als plastisch verformt erscheint, wenn es aber auf die Austenit-Starttemperatur A_s erwärmt wird, kann die Dehnung wieder ausgeglichen werden, so dass das Formgedächtnis-Legierungselement 18 zu der ursprünglichen Länge zurückkehrt, die vor dem Anwenden einer beliebigen Last beobachtet wurde. Zusätzlich kann das Formgedächtnis-Legierungselement 18 vor dem Einbau in der Wärmekraftmaschine 16 gestreckt sein, so dass die nominelle Länge der Formgedächtnislegierung 18 diese wieder ausgleichbare pseudoplastische Dehnung umfasst, die für die Bewegung sorgt, die zum Antreiben der Wärmekraftmaschine 16 verwendet wird.
Die Formgedächtnislegierung 18 kann eine beliebige geeignete Zusammensetzung aufweisen. Insbesondere kann die Formgedächtnislegierung ein Element aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Kobalt, Nickel, Titan, Iridium, Mangan, Eisen, Palladium, Zink, Kupfer, Silber, Gold, Cadmium, Zinn, Silizium, Platin, Gallium und Kombinationen von diesen umfasst. Beispielsweise können geeignete Formgedächtnislegierungen 18 Nickel-Titan-basierte Legierungen, Nickel-Aluminium-basierte Legierungen, Nickel-Gallium-basierte Legierungen, Indium-Titan-basierte Legierungen, Indium-Cadmium-basierte Legierungen, Nickel-Kobalt-Aluminium-basierte Legierungen, Nickel-Mangan-Gallium-basierte Legierungen, Kupfer-basierte Legierungen (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), Gold-Cadmium-basierte Legierungen, Silber-Cadmium-basierte Legierungen, Mangan-Kupfer-basierte Legierungen, Eisen-Platin-basierte Legierungen, Eisen-Palladium-basierte Legierungen und Kombinationen von diesen umfassen. Die Formgedächtnislegierung 18 kann binär, tertiär oder von einer beliebigen höheren Ordnung sein, solange die Formgedächtnislegierung 18 einen Formgedächtniseffekt zeigt, z. B. eine Änderung in der Formorientierung, der Dämpfungskapazität und dergleichen. Ein Fachmann kann die Formgedächtnislegierung 18 gemäß den gewünschten Betriebstemperaturen in dem Raum 40 (1) auswählen, wie nachstehend im weiteren Detail dargelegt wird. Bei einem speziellen Beispiel kann die Formgedächtnislegierung 18 Nickel und Titan umfassen.
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 18 eine beliebige geeignete Form, d. h. Gestalt, aufweisen. Beispielsweise kann die Formgedächtnislegierung 18 eine Form aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Federn, Streifen, Drähte, Bänder, Endlosspiralen und Kombinationen von diesen umfasst. Auf 2 Bezug nehmend, kann die Formgedächtnislegierung 28 bei einer Abwandlung als eine endlose Spiralfeder gebildet sein.
Die Formgedächtnislegierung 18 kann thermische Energie mittels einer beliebigen geeigneten Weise in mechanische Energie umwandeln. Beispielsweise kann die Formgedächtnislegierung 18 ein Riemenscheibensystem aktivieren (das allgemein in 2 gezeigt ist und nachstehend im weiteren Detail erläutert wird), mit einem Hebel (nicht gezeigt) in Eingriff gelangen, ein Schwungrad (nicht gezeigt) drehen, mit einer Schraube (nicht gezeigt) in Eingriff gelangen und dergleichen.
Wieder auf 1 und 2 Bezug nehmend, umfasst das Energiegewinnungssystem 42 auch eine angetriebene Komponente 20. Die Komponente 20 kann eine einfache mechanische Einrichtung sein, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die einen Ventilator, einen Riemen, ein Kupplungsgetriebe, ein Gebläse, eine Pumpe, einen Kompressor und Kombinationen Von diesen umfasst. Die Komponente 20 wird durch die Wärmekraftmaschine 16 angetrieben. Die Komponente 20 kann Teil eines existierenden Systems in dem Fahrzeug 10 sein, wie beispielsweise eines Heizungs- oder Kühlungssystems. Die mechanische Energie kann die Komponente 20 antreiben, oder sie kann andere Systeme des Fahrzeugs dabei unterstützen, die Komponente 20 anzutreiben. Das Antreiben der Komponente 20 mit Leistung, die durch die Wärmekraftmaschine 16 geschaffen wird, kann auch ermöglichen, dass ein zugeordnetes existierendes System in dem Fahrzeug 10 bezüglich der Größe/Kapazität verkleinert wird. In dem vorstehenden Beispiel kann die Wärmekraftmaschine 16 dabei helfen, einen Ventilator für das Heizungs/Kühlungssystem anzutreiben, was ermöglicht, dass die Kapazität des Haupt-Heizungs-Kühlungssystems verkleinert wird und zusätzlich zu den Energieeinsparungen Gewichtseinsparungen geschaffen werden.
Alternativ kann die Komponente 20 ein Generator sein. Die Komponente/der Generator 20 ist ausgebildet, um mechanische Energie von der Wärmekraftmaschine 16 in Elektrizität (in 1 und 2 allgemein durch das Symbol EE repräsentiert) umzuwandeln. Die Komponente/der Generator 20 kann eine beliebige geeignete Einrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie in Elektrizität EE sein. Beispielsweise kann die Komponente/der Generator 20 ein elektrischer Generator sein, der mechanische Energie unter Verwendung der elektromagnetischen Induktion in Elektrizität EE umwandelt, und sie bzw. er kann einen Rotor (nicht gezeigt) umfassen, der sich bezüglich eines Stators (nicht gezeigt) dreht. Die elektrische Energie von der Komponente/dem Generator 20 kann anschließend verwendet werden, um dabei zu helfen, die Haupt- oder Nebenaggregatsantriebssysteme in dem Fahrzeug 10 anzutreiben.
Auf 2 Bezug nehmend, wird die Komponente 20 durch die Wärmekraftmaschine 16 angetrieben. Das heißt, dass mechanische Energie, die aus der Umwandlung von thermischer Energie durch die Formgedächtnislegierung 18 resultiert, die Komponente 20 antreiben kann. Insbesondere können die zuvor erwähnte Abmessungskontraktion und die Abmessungsausdehnung der Formgedächtnislegierung 18 gekoppelt mit den Moduländerungen die Komponente 20 antreiben.
Spezieller kann die Wärmekraftmaschine 16 bei einer Abwandlung, die in 2 gezeigt ist, einen Rahmen 22 aufweisen, der ausgebildet ist, um ein oder mehrere Räder 24, 26, 28, 30 zu tragen, die an mehreren Achsen 32, 34 angeordnet sind. Die Räder 24, 26, 28, 30 können sich bezogen auf den Rahmen 22 drehen, und die Formgedächtnislegierung 18 kann durch die Räder 24, 26, 28, 30 getragen werden und sich entlang dieser bewegen. Die. Drehgeschwindigkeit der Räder 24, 26, 28, 30 kann optional durch einen oder mehrere Zahnradsätze 36 modifiziert werden. Darüber hinaus kann die Komponente 20 eine Antriebswelle 38 aufweisen, die an dem Rad 26 angebracht ist. Da sich die Räder 24, 26, 28, 30 in Ansprechen auf das Ausdehnen und das Kontrahieren der Formgedächtnislegierung 18 bezüglich der Abmessung und die begleitenden Moduländerungen um die Achsen 32, 34 der Wärmekraftmaschine 16 drehen, dreht sich die Antriebswelle 38 und treibt die Komponente 20 an.
Wieder auf 1 Bezug nehmend, ist das Energiegewinnungssystem allgemein bei 42 gezeigt. Das Energiegewinnungssystem 42 ist ausgebildet, um mechanische oder elektrische Energie zu erzeugen. Spezieller umfasst das Energiegewinnungssystem 42 den ersten Fluidbereich 12, der eine erste Temperatur aufweist, und den zweiten Fluidbereich 14, der eine zweite Temperatur aufweist, die von der ersten Temperatur verschieden ist. Beispielsweise kann die erste Temperatur höher als die zweite Temperatur sein. Die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur kann so klein wie ungefähr 5°C und nicht größer als ungefähr 300°C sein.
Die Wärmekraftmaschine 16, und spezieller die Formgedächtnislegierung 18 (2) der Wärmekraftmaschine 16, ist in thermischem Kontakt oder in einer Wärmeaustauschbeziehung mit jedem von dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 angeordnet. Daher kann die Formgedächtnislegierung 18 die kristallographische Phase bei dem thermischen Kontakt oder der Wärmeaustauschbeziehung mit dem ersten Fluidbereich 12 oder dem zweiten Fluidbereich 14 zwischen Austenit und Martensit ändern. Beispielsweise kann die Formgedächtnislegierung 18 bei einem Kontakt mit dem ersten Fluidbereich 12 von Martensit in Austenit übergehen. Auf ähnliche Weise kann die Formgedächtnislegierung 18 bei einem Kontakt mit dem zweiten Fluidbereich 14 von Austenit in Martensit übergehen.
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 18 bei einer Änderung der kristallographischen Phase sowohl den Modul als auch die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Spezieller kann sich die Formgedächtnislegierung 18 dann, wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei einer Änderung der kristallographischen Phase von Martensit in Austenit bezüglich der Abmessung kontrahieren, und sie kann sich dann, wenn sie unter einer Zugspannung steht, bei einer Änderung der kristallographischen Phase von Austenit in Martensit bezüglich der Abmessung ausdehnen, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Daher kann sich die Formgedächtnislegierung 18 für eine beliebige Bedingung, bei der eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur des ersten Fluidbereichs 12 und der zweiten Temperatur des zweiten Fluidbereichs 14 existiert, d. h. bei der sich der erste Fluidbereich 12 und der zweite Fluidbereich 14 nicht im thermischen Gleichgewicht befinden, bei einer Änderung der kristallographischen Phase zwischen Martensit und Austenit bezüglich der Abmessung ausdehnen und kontrahieren. Die Änderung in der kristallographischen Phase der Formgedächtnislegierung 18 kann auch bewirken, dass die Formgedächtnislegierung 18 die Riemenscheiben 24, 26, 28, 30 (in 2 gezeigt) dreht und dadurch die Komponente 20 antreibt.
Unter Bezugnahme auf das Wärmeaustauschsystem 42 von 1 und bezogen auf die Beispielausbildung der Formgedächtnislegierung 18 beschrieben, die in 2 gezeigt ist, kann ein Rad 28 im Betrieb in den ersten Fluidbereich 12 eingetaucht sein oder mit diesem in einer Wärmeaustauschbeziehung stehen, während ein anderes Rad 24 in den zweiten Fluidbereich 14 eingetaucht sein kann oder mit diesem in einer Wärmeaustauschbeziehung stehen kann. Wenn sich ein Gebiet (allgemein durch den Pfeil A angezeigt) der Formgedächtnislegierung 18 bezüglich der Abmessung ausdehnt, wenn es unter Spannung steht und mit dem zweiten Fluidbereich 14 in Kontakt steht, kontrahiert sich ein anderes Gebiet (allgemein durch den Pfeil B angezeigt) der Formgedächtnislegierung 18 bezüglich der Abmessung, welches in Kontakt mit dem ersten Fluidbereich 12 pseudoplastisch vorgedehnt ist. Das Alternieren der Kontraktion und der Ausdehnung der endlosen Federspiralform der Formgedächtnislegierung 18, wenn diese der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 ausgesetzt ist, kann bewirken, dass die Formgedächtnislegierung 18 potentielle mechanische Energie in kinetische mechanische Energie umwandelt, wodurch die Riemenscheiben 24, 26, 28, 30 angetrieben werden und thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.
Die Wärmekraftmaschine 16 und die Komponente/der Generator 20 können in dem Raum 40 des Fahrzeugs 10 angeordnet sein. Insbesondere können die Wärmekraftmaschine 16 und die Komponente 20 an einem beliebigen Ort in dem Fahrzeug 10 und in dessen Nähe angeordnet sein, solange die Formgedächtnislegierung 18 in thermischem Kontakt oder in einer Wärmeaustauschbeziehung mit jedem von dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 angeordnet ist. Ferner können die Wärmekraftmaschine 16 und die Komponente 20 durch ein Gehäuse 44 mit Lüftung (1) umgeben sein. Das Gehäuse 44 definiert Hohlräume (nicht gezeigt), durch welche Elektronikkomponenten, wie beispielsweise Drähte, hindurchtreten können. Eine Barriere 50 kann in dem Gehäuse 44 angeordnet sein, um den ersten Fluidbereich 12 von dem zweiten Fluidbereich 14 zu separieren.
Nun auf 1 Bezug nehmend, umfasst das Energiegewinnungssystem 42 bei einer Abwandlung auch eine elektronische Steuereinheit 46. Die elektronische Steuereinheit 46 steht mit dem Fahrzeug 10 funktional in Verbindung. Die elektronische Steuereinheit 46 kann beispielsweise ein Computer sein, der mit einer bzw. einem oder mehreren Steuerungen und/oder Sensoren des Energiegewinnungssystems 42 elektronisch in Verbindung steht. Beispielsweise kann die elektronische Steuereinheit 46 mit einem oder mehreren von einem Temperatursensor in dem ersten Fluidbereich 12, einem Temperatursensor in dem zweiten Fluidbereich 14, einem Drehzahlregler der Komponente 20, Fluidströmungssensoren und Messeinrichtungen, die zum Überwachen der Erzeugung von Elektrizität ausgebildet sind, in Verbindung stehen und/oder diese steuern. Die elektronische Steuereinheit 46 kann die Gewinnung von Energie unter vorbestimmten Bedingungen des Fahrzeugs 10 steuern. Nachdem das Fahrzeug 10 für eine ausreichende Zeitdauer betrieben wurde, wird beispielsweise sichergestellt, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 bei einer optimalen Differenz liegt. Eine elektronische Steuereinheit 46 kann auch die Option vorsehen, die Wärmekraftmaschine 16 manuell zu umgehen, um zu ermöglichen, dass das Energiegewinnungssystem 42 ausgeschaltet wird. Eine Kupplung (nicht gezeigt), die durch die elektronische Steuereinheit 46 gesteuert wird, kann verwendet werden, um die Wärmekraftmaschine 16 außer Eingriff der Komponente 20 zu bringen.
Wie ebenso in 1 gezeigt ist, umfasst das Energiegewinnungssystem 42 ein Übertragungsmedium 48, das ausgebildet ist, um die Elektrizität EE von dem Energiegewinnungssystem 42 weiterzuleiten. Insbesondere kann das Übertragungsmedium 48 die Elektrizität EE von der Komponente/dem Generator 20 weiterleiten. Das Übertragungsmedium 48 kann beispielsweise eine Stromleitung oder ein elektrisch leitendes Kabel sein. Das Übertragungsmedium 48 kann die Elektrizität EE von der Komponente/dem Generator 20 zu einer Speichereinrichtung 54 weiterleiten, z. B. einer Batterie für das Fahrzeug. Die Speichereinrichtung 54 kann auch in der Nähe des Fahrzeugs 10, aber separat von diesem angeordnet sein. Eine solche Speichereinrichtung 54 kann ermöglichen, dass das Energiegewinnungssystem 42 mit einem geparkten Fahrzeug, wie beispielsweise 10, verwendet wird. Beispielsweise kann das Energiegewinnungssystem 42 eine Temperaturdifferenz nutzen, die durch die Sonnenbeanspruchung an einer Abdeckung für den Raum 40 erzeugt wird, und die erzeugte elektrische Energie EE in der Speichereinrichtung 54 speichern.
Ganz gleich, ob die Energie von dem Energiegewinnungssystem 42 verwendet wird, um die Komponente 20 direkt anzutreiben, oder ob sie für eine spätere Verwendung gespeichert wird, das Energiegewinnungssystem 42 liefert zusätzliche Energie für das Fahrzeug 10 und verringert die Last an den Hauptenergiequellen zum Antreiben des Fahrzeugs 10. Somit verbessert das Energiegewinnungssystem 42 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und die Reichweite für das Fahrzeug 10. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das Energiegewinnungssystem 42 autonom arbeiten und erfordert keine Eingabe von dem Fahrzeug 10.
Es ist einzusehen, dass das Fahrzeug 10 und/oder das Energiegewinnungssystem 42 bei einem beliebigen der vorstehend erwähnten Beispiele mehrere Wärmekraftmaschinen 16 und/oder mehrere Komponenten 20 umfassen können. Das heißt, dass ein Fahrzeug 10 mehr als eine Wärmekraftmaschine 16 und/oder Komponente 20 aufweisen kann. Beispielsweise kann eine Wärmekraftmaschine 16 mehr als eine Komponente 20 antreiben. Auf ähnliche Weise kann das Fahrzeug 10 mehr als ein Energiegewinnungssystem 42 umfassen, wobei jedes zumindest eine Wärmekraftmaschine 16 und zumindest eine Komponente 20 aufweist. Mehrere Wärmekraftmaschinen 16 können mehrere Bereiche mit Temperaturdifferenzen über das gesamte Fahrzeug hinweg nutzen.
Auf 3 Bezug nehmend, ist eine zweite Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine 116 für ein Energiegewinnungssystem 142 dargestellt. Die Wärmekraftmaschine 116 ist ausgebildet, um thermische Energie, z. B. Wärme, in mechanische oder elektrische Energie umzuwandeln. Spezieller weist die Wärmekraftmaschine 116 eine Formgedächtnislegierung 118 mit einer kristallographischen Phase auf, die in Ansprechen auf die Temperaturdifferenz des ersten Fluidbereichs 12 und des zweiten Fluidbereichs 14 (1) zwischen Austenit und Martensit veränderbar ist. Die Formgedächtnislegierung 118 arbeitet auf eine ähnliche Weise wie die Formgedächtnislegierung 18, die vorstehend beschrieben wurde. Ferner kann die Formgedächtnislegierung 118 eine beliebige geeignete Form, d. h. Gestalt, aufweisen. Beispielsweise kann die Formgedächtnislegierung 118 eine Form aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Federn, Streifen, Drähte, Bänder, Endlosspiralen und Kombinationen von diesen umfasst.
Das Energiegewinnungssystem 142 umfasst auch eine angetriebene Komponente 120. Die Komponente 120 kann eine einfache mechanische Einrichtung sein, die durch die Wärmekraftmaschine 116 angetrieben wird.
Die Komponente 120 kann Teil eines existierenden Systems in dem Fahrzeug 10 sein. Die mechanische Energie kann die Komponente 120 antreiben oder andere Systeme des Fahrzeugs 10 unterstützen, um die Komponente 120 anzutreiben. Das Antreiben der Komponente 120 mit Leistung, die durch die Wärmekraftmaschine 116 geschaffen wird, kann auch ermöglichen, dass ein zugeordnetes existierendes System in dem Fahrzeug 10 bezüglich der Größe/Kapazität verkleinert wird.
Alternativ kann die Komponente 120 ein Generator sein. Die Komponente/der Generator 120 ist ausgebildet, um mechanische Energie von der Wärmekraftmaschine 116 in Elektrizität (allgemein durch das Symbol EE repräsentiert) umzuwandeln. Die elektrische Energie von der Komponente/dem Generator 120 kann anschließend verwendet werden, um dabei zu helfen, die Haupt- oder Nebenaggregat-Antriebssysteme in dem Fahrzeug 10 (in 1 gezeigt) mit Energie zu versorgen.
Die Komponente 120 wird durch die Wärmekraftmaschine 116 angetrieben. Das heißt, dass mechanische Energie, die aus der Umwandlung von thermischer Energie durch die Formgedächtnislegierung 118 resultiert, die Komponente 120 antreiben kann. Insbesondere können die vorstehend erwähnte Abmessungskontraktion und die Abmessungsausdehnung der Formgedächtnislegierung 118 in Kombination mit der begleitenden Moduländerung die Komponente 120 antreiben.
Spezieller weist die Wärmekraftmaschine 116 Räder 124 und 126 auf, die an mehreren Achsen 132 und 134 angeordnet sind. Die Achsen 132 und 134 können durch verschiedene Komponenten des Fahrzeugs 10 getragen werden. Die Räder 124 und 126 können sich bezüglich der Komponenten des Fahrzeugs 10 drehen, und die Formgedächtnislegierung 118 kann durch die Räder 124 und 126 getragen werden und sich entlang dieser bewegen. Die Komponente 120 kann eine Antriebswelle 138 aufweisen, die an dem Rad 126 angebracht ist. Da sich die Räder 124 und 126 in Ansprechen auf das Ausdehnen und Kontrahieren der Formgedächtnislegierung 118 bezüglich der Abmessung und ihre begleitenden Moduländerungen drehen, dreht die Antriebswelle 138 die Komponente 120 und treibt diese an.
Auf 1 und 3 Bezug nehmend, ist die Wärmekraftmaschine 116, und spezieller die Formgedächtnislegierung 118 der Wärmekraftmaschine 116, in thermischem Kontakt oder in einer Wärmeaustauschbeziehung mit jedem von dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 angeordnet. Daher kann die Formgedächtnislegierung 118 die kristallographische Phase bei einem Kontakt mit dem ersten Fluidbereich 12 oder dem zweiten Fluidbereich 14 zwischen Austenit und Martensit verändern. Beispielsweise kann die Formgedächtnislegierung 18 bei einem Kontakt mit dem ersten Fluidbereich 12 von Martensit in Austenit übergehen. Auf ähnliche Weise kann die Formgedächtnislegierung 118 bei einem Kontakt mit dem zweiten Fluidbereich 14 von Austenit in Martensit übergehen.
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 118 die Abmessung bei dem Ändern der kristallographischen Phase verändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Spezieller kann sich die Formgedächtnislegierung 118 dann, wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei dem Verändern der kristallographischen Phase von Martensit in Austenit bezüglich der Abmessung kontrahieren, und sie kann sich dann, wenn sie unter Zugspannung steht, bei dem Verändern der kristallographischen Phase von Austenit in Martensit bezüglich der Abmessung ausdehnen, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Daher kann sich die Formgedächtnislegierung 118 für eine beliebige Bedingung, bei der die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur des ersten Fluidbereichs 12 und der zweiten Temperatur des zweiten Fluidbereichs 14 existiert, d. h. wenn sich der erste Fluidbereich 12 und der zweite Fluidbereich 14 nicht im thermischen Gleichgewicht befinden, bei einem Verändern der kristallographischen Phase zwischen Martensit und Austenit bezüglich der Abmessung ausdehnen und kontrahieren sowie eine begleitende Moduländerung erfahren. Die Veränderung in der kristallographischen Phase der Formgedächtnislegierung 118 kann auch bewirken, dass die Formgedächtnislegierung die Riemenscheiben 124 und 126 dreht und dadurch die Komponente/den Generator 120 antreibt.
Im Betrieb kann ein Rad 128 in den ersten Fluidbereich 12 eingetaucht sein oder mit diesem in einer Wärmeaustauschbeziehung stehen, während ein anderes Rad 124 in den zweiten Fluidbereich 14 eingetaucht sein kann oder mit diesem in einer Wärmeaustauschbeziehung stehen kann. Wenn ein Gebiet (allgemein durch den Pfeil A angezeigt) der Formgedächtnislegierung 118 sich unter einer angewendeten Zugspannung bezüglich der Abmessung ausdehnt, wenn es mit dem zweiten Fluidbereich 14 in Kontakt steht, kontrahiert sich ein anderes Gebiet (allgemein durch den Pfeil B angezeigt) der Formgedächtnislegierung 118 bezüglich der Abmessung, welches pseudoplastisch vorgedehnt ist und mit dem ersten Fluidbereich 12 in Kontakt steht. Das Alternieren der Abmessungskontraktion und Abmessungsausdehnung der endlose Federspiralform der Formgedächtnislegierung 18 zusammen mit der begleitenden Moduländerung, wenn sie der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 ausgesetzt ist, kann bewirken, dass die Formgedächtnislegierung 118 potentielle mechanische Energie in kinetische mechanische Energie umwandelt, wodurch die Riemenscheiben 124 und 126 angetrieben werden und thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.
Die Wärmekraftmaschine 116 und die Komponente 120 können in dem Raum 40 des Fahrzeugs 10 angeordnet sein. Insbesondere können die Wärmekraftmaschine 116 und die Komponente 120 an einem beliebigen Ort in dem Fahrzeug 10 angeordnet sein, solange die Formgedächtnislegierung 118 im Kontakt mit jedem von dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 angeordnet ist. Wie vorstehend beschrieben wurde, können die Wärmekraftmaschine 116 und die Komponente/der Generator 120 durch ein Gehäuse 44 mit Lüftung umgeben sein. Das Gehäuse 44 kann Hohlräume (nicht gezeigt) definieren, durch welche elektronische Komponenten, wie beispielsweise Drähte, hindurchtreten können. Eine ausreichende Wärmeaustauschbarriere 50 kann in dem Gehäuse 44 angeordnet sein, um den ersten Fluidbereich 12 von dem zweiten Fluidbereich 14 zu separieren.
Bei einer Abwandlung umfasst das Energiegewinnungssystem 142 auch eine elektronische Steuereinheit 46. Die elektronische Steuereinheit 146 steht mit dem Fahrzeug 10 funktional in Verbindung. Die elektronische Steuereinheit 146 kann beispielsweise ein Computer sein, der mit einer bzw. einem oder mehreren Steuerungen und/oder Sensoren des Energiegewinnungssystems 142 elektronisch in Verbindung steht. Beispielsweise kann die elektronische Steuereinheit 146 mit einem oder mehreren von einem Temperatursensor in dem ersten Fluidbereich 12, einem Temperatursensor in dem zweiten Fluidbereich 14, einem Drehzahlregler der Komponente/des Generators 120, Fluidströmungssensoren und Messeinrichtungen, die zum Überwachen der Erzeugung von Elektrizität ausgebildet sind, in Verbindung stehen und/oder diese steuern. Die elektronische Steuereinheit 146 kann die Gewinnung von Energie unter vorbestimmten Bedingungen des Fahrzeugs 10 steuern. Nachdem das Fahrzeug 10 für eine ausreichende Zeitdauer betrieben wurde, wird beispielsweise sichergestellt, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 bei einer optimalen Differenz liegt. Eine elektronische Steuereinheit 146 kann auch die Option vorsehen, die Wärmekraftmaschine 116 manuell zu umgehen, um zu ermöglichen, dass das Energiegewinnungssystem 142 ausgeschaltet wird. Eine Kupplung (nicht gezeigt), die durch die elektronische Steuereinheit 146 gesteuert wird, kann verwendet werden, um die Wärmekraftmaschine 116 außer Eingriff der Komponente 120 zu bringen.
Wie ebenso in 1 gezeigt ist, umfasst das Energiegewinnungssystem 142 ein Übertragungsmedium 48, das ausgebildet ist, um die Elektrizität EE von dem Energiegewinnungssystem 142 weiterzuleiten. Insbesondere kann das Übertragungsmedium 48 die Elektrizität EE von der Komponente 120 weiterleiten. Das Übertragungsmedium 48 kann beispielsweise eine Stromleitung oder ein elektrisch leitendes Kabel sein. Das Übertragungsmedium 48 kann die Elektrizität EE von dem Generator 120 zu einer Speichereinrichtung 54 weiterleiten, z. B. einer Batterie für das Fahrzeug. Die Speichereinrichtung 54 kann auch in der Nähe des Fahrzeugs 10, aber separat von diesem angeordnet sein. Eine solche Speichereinrichtung 54 kann ermöglichen, dass das Energiegewinnungssystem 142 mit einem geparkten Fahrzeug 10 verwendet wird. Beispielsweise kann das Energiegewinnungssystem 142 eine Temperaturdifferenz nutzen, die durch die Sonnenbeanspruchung an einer Abdeckung für den Raum 40 erzeugt wird, und die erzeugte elektrische Energie EE in der Speichereinrichtung 54 speichern.
Ganz gleich, ob die Energie von dem Energiegewinnungssystem 142 verwendet wird, um die Komponente 120 direkt anzutreiben, oder ob sie für eine spätere Verwendung gespeichert wird, das Energiegewinnungssystem 142 liefert zusätzliche Energie für das Fahrzeug 10 und verringert die Last an der Hauptenergiequelle zum Antreiben des Fahrzeugs 10. Somit verbessert das Energiegewinnungssystem 142 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und die Reichweite für das Fahrzeug 10. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das Energiegewinnungssystem 142 autonom arbeiten und erfordert keine Eingabe von dem Fahrzeug 10.
Es ist einzusehen, dass das Fahrzeug 10 und/oder das Energiegewinnungssystem 142 bei einem beliebigen der vorstehend erwähnten Beispiele mehrere Wärmekraftmaschinen 116 und/oder mehrere Komponenten 120 umfassen können. Das heißt, dass ein Fahrzeug 10 mehr als eine Wärmekraftmaschine 116 und/oder Komponente 120 aufweisen kann. Beispielsweise kann eine Wärmekraftmaschine 116 mehr als eine Komponente 120 antreiben. Auf ähnliche Weise kann das Fahrzeug 10 mehr als ein Energiegewinnungssystem 142 umfassen, wobei jedes zumindest eine Wärmekraftmaschine 116 und zumindest eine Komponente 120 aufweist. Mehrere Wärmekraftmaschinen 116 können mehrere Bereiche mit Temperaturdifferenzen über das gesamte Fahrzeug hinweg nutzen.
Auf 4 Bezug nehmend, ist eine zweite Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine 216 für ein Energiegewinnungssystem 242 dargestellt. Die Wärmekraftmaschine 216 ist ausgebildet, um thermische Energie, z. B. Wärme, in mechanische oder elektrische Energie umzuwandeln. Spezieller weist die Wärmekraftmaschine 216 eine Formgedächtnislegierung 218 mit einer kristallographischen Phase auf, die in Ansprechen auf die Temperaturdifferenz des ersten Fluidbereichs 12 und des zweiten Fluidbereichs 14 (1) zwischen Austenit und Martensit veränderbar ist. Die Formgedächtnislegierung 218 arbeitet auf eine ähnliche Weise wie die Formgedächtnislegierung 18, die vorstehend beschrieben wurde. Ferner kann die Formgedächtnislegierung 218 eine beliebige geeignete Form, d. h. Gestalt oder Ausbildung, aufweisen. Beispielsweise kann die Formgedächtnislegierung 218 eine Form aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die vorspannende Elemente (wie beispielsweise Federn), Streifen, Drähte, Bänder, Spiralen und Kombinationen von diesen umfasst.
Das Energiegewinnungssystem 242 umfasst auch eine angetriebene Komponente 220. Die Komponente 220 kann eine einfache mechanische Einrichtung sein, die durch die Wärmekraftmaschine 216 angetrieben wird. Die Komponente 220 kann Teil eines existierenden Systems in dem Fahrzeug 10 sein. Die mechanische Energie kann die Komponente 220 antreiben oder andere Systeme des Fahrzeugs 10 unterstützen, um die Komponente 220 anzutreiben. Das Antreiben der Komponente 220 mit Leistung, die durch die Wärmekraftmaschine 216 geschaffen wird, kann auch ermöglichen, dass ein zugeordnetes existierendes System in dem Fahrzeug 10 bezüglich der Größe/Kapazität verkleinert wird.
Alternativ kann die Komponente 220 ein Generator sein. Die Komponente/der Generator 220 ist ausgebildet, um mechanische Energie von der Wärmekraftmaschine 216 in Elektrizität (allgemein durch das Symbol EE repräsentiert) umzuwandeln. Die elektrische Energie von der Komponente/dem Generator 220 kann anschließend verwendet werden, um dabei zu helfen, die Haupt- oder Nebenaggregat-Antriebssysteme in dem Fahrzeug 10 (in 1 gezeigt) mit Energie zu versorgen.
Die Komponente 220 wird durch die Wärmekraftmaschine 216 angetrieben. Das heißt, dass mechanische Energie, die aus der Umwandlung von thermischer Energie durch die Formgedächtnislegierung 218 resultiert, die Komponente 220 antreiben kann. Insbesondere können die vorstehend erwähnte Abmessungskontraktion und die Abmessungsausdehnung der Formgedächtnislegierung 218 mit den begleitenden Moduländerungen die Komponente 220 antreiben.
Spezieller kann die Wärmekraftmaschine 216 bei einer Abwandlung, die in 4 gezeigt ist, einen Rahmen 222 aufweisen, der ausgebildet ist, um ein oder mehrere Räder 224, 226, 228, 230 zu tragen, die an mehreren Achsen 232, 234 angeordnet sind. Die Räder 224, 226, 228, 230 können sich bezüglich des Rahmens 222 drehen, und die Formgedächtnislegierung 218 kann durch die Räder 224, 226, 228, 230 getragen werden und sich entlang dieser bewegen. Die Drehgeschwindigkeit der Räder 224, 226, 228, 230 kann optional durch einen oder mehrere Zahnradsätze 236 modifiziert werden. Darüber hinaus kann der Generator 220 eine Antriebswelle 238 aufweisen, die an dem Rad 226 angebracht ist. Wenn sich die Räder 224, 226, 228, 238 in Ansprechen auf das Ausdehnen und Kontrahieren der Formgedächtnislegierung 218 bezüglich der Abmessung um die Achsen 232, 234 der Wärmekraftmaschine 216 drehen, dreht sich die Antriebsachse 238 und treibt die Komponente 220 an.
Der Rahmen 222 kann einen freitragenden Tragarm 223 aufweisen, um zu ermöglichen, dass die Räder 224 und 228 voneinander beabstandet sind, oder um zu ermöglichen, dass verschiedene Komponenten des Fahrzeugs 10 zwischen den Rädern 224 und 228 angeordnet werden. Alternativ kann die Wärmekraftmaschine 16 keinen Rahmen 222 aufweisen, und die Räder 224, 226, 228, 230 können einzeln an verschiedenen Komponenten des Fahrzeugs 10 in einer Anordnung getragen werden, welche die Ausrichtung der Räder 224, 226, 228, 230 aufrechterhält, um eine Drehung infolge der Formgedächtnislegierung 218 zu ermöglichen. Daher kann die Wärmekraftmaschine 216 in dem Raum 40 (in 1 gezeigt) in einer Anordnung eingepackt sein, die für ein spezielles Fahrzeug 10 geeignet ist.
Auf 1 und 4 Bezug nehmend, ist die Wärmekraftmaschine 216, und spezieller die Formgedächtnislegierung 218 der Wärmekraftmaschine 216, in thermischem Kontakt oder in einer Wärmeaustauschbeziehung mit jedem von dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 angeordnet. Daher kann die Formgedächtnislegierung 218 die kristallographische Phase bei einem Kontakt mit dem ersten Fluidbereich 12 oder dem zweiten Fluidbereich 14 zwischen Austenit und Martensit verändern. Beispielsweise kann die Formgedächtnislegierung 218 bei einem Kontakt mit dem ersten Fluidbereich 12 von Martensit in Austenit übergehen. Auf ähnliche Weise kann die Formgedächtnislegierung 218 bei einem Kontakt mit dem zweiten Fluidbereich 14 von Austenit in Martensit übergehen.
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 218 die Abmessung bei dem Ändern der kristallographischen Phase verändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Spezieller kann sich die Formgedächtnislegierung 218 dann, wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei dem Verändern der kristallographischen Phase von Martensit in Austenit bezüglich der Abmessung kontrahieren, und sie kann sich dann, wenn sie unter Zugspannung steht, bei dem Verändern der kristallographischen Phase von Austenit in Martensit bezüglich der Abmessung ausdehnen, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Daher kann sich die Formgedächtnislegierung 118 für eine beliebige Bedingung, bei der die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur des ersten Fluidbereichs 12 und der zweiten Temperatur des zweiten Fluidbereichs 14 existiert, d. h. wenn sich der erste Fluidbereich 12 und der zweite Fluidbereich 14 nicht im thermischen Gleichgewicht befinden, bei einem Verändern der kristallographischen Phase zwischen Martensit und Austenit bezüglich der Abmessung ausdehnen und kontrahieren. Die Veränderung in der kristallographischen Phase der Formgedächtnislegierung 218 kann auch bewirken, dass die Formgedächtnislegierung die Riemenscheiben 224, 226, 228, 230 dreht und dadurch die Komponente 220 antreibt.
Im Betrieb kann ein Rad 228 in den ersten Fluidbereich 12 eingetaucht sein oder mit diesem in einer Wärmeaustauschbeziehung stehen, während ein anderes Rad 224 in den zweiten Fluidbereich 14 eingetaucht sein kann oder mit diesem in einer Wärmeaustauschbeziehung stehen kann. Wenn ein Gebiet (allgemein durch den Pfeil A angezeigt) der Formgedächtnislegierung 118 sich unter einer Zugspannung bezüglich der Abmessung ausdehnt, wenn es mit dem zweiten Fluidbereich 14 in Kontakt steht, kontrahiert sich ein anderes Gebiet (allgemein durch den Pfeil B angezeigt) der Formgedächtnislegierung 218 bezüglich der Abmessung, welches pseudoplastisch vorgedehnt ist und mit dem ersten Fluidbereich 12 in Kontakt steht. Das Alternieren der Abmessungskontraktion und Abmessungsausdehnung der endlose Federspiralform der Formgedächtnislegierung 218 gekoppelt mit begleitenden Moduländerungen, wenn sie der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 ausgesetzt ist, kann bewirken, dass die Formgedächtnislegierung 218 potentielle mechanische Energie in kinetische mechanische Energie umwandelt, wodurch die Riemenscheiben 224, 226, 228, 230 angetrieben werden und thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.
Die Wärmekraftmaschine 216 und die Komponente 220 können in dem Raum 40 des Fahrzeugs 10 angeordnet sein. Insbesondere können die Wärmekraftmaschine 216 und die Komponente/der Generator 220 an einem beliebigen Ort in dem Fahrzeug 10 angeordnet sein, solange die Formgedächtnislegierung 218 in thermischem Kontakt oder in einer Wärmeaustauschbeziehung mit jedem von dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 angeordnet ist. Wie vorstehend beschrieben wurde, können die Wärmekraftmaschine 216 und die Komponente/der Generator 220 durch ein Gehäuse 44 mit Lüftung umgeben sein. Das Gehäuse 44 kann Hohlräume (nicht gezeigt) definieren, durch welche elektronische Komponenten, wie beispielsweise Drähte, hindurchtreten können. Eine ausreichende Wärmeaustauschbarriere 50 kann in dem Gehäuse 44 angeordnet sein, um den ersten Fluidbereich 12 von dem zweiten Fluidbereich 14 zu separieren.
Bei einer Abwandlung umfasst das Energiegewinnungssystem 242 auch eine elektronische Steuereinheit 246. Die elektronische Steuereinheit 146 steht mit dem Fahrzeug 10 funktional in Verbindung. Die elektronische Steuereinheit 246 kann beispielsweise ein Computer sein, der mit einer bzw. einem oder mehreren Steuerungen und/oder Sensoren des Energiegewinnungssystems 242 elektronisch in Verbindung steht. Beispielsweise kann die elektronische Steuereinheit 246 mit einem oder mehreren von einem Temperatursensor in dem ersten Fluidbereich 12, einem Temperatursensor in dem zweiten Fluidbereich 14, einem Drehzahlregler der Komponente 220, Fluidströmungssensoren und Messeinrichtungen, die zum Überwachen der Erzeugung von Elektrizität ausgebildet sind, in Verbindung stehen und/oder diese steuern. Die elektronische Steuereinheit 246 kann die Gewinnung von Energie unter vorbestimmten Bedingungen des Fahrzeugs 10 steuern. Nachdem das Fahrzeug 10 für eine ausreichende Zeitdauer betrieben wurde, wird beispielsweise sichergestellt, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluidbereich 12 und dem zweiten Fluidbereich 14 bei einer ausreichenden oder alternativ bei einer optimalen Differenz liegt. Eine elektronische Steuereinheit 246 kann auch die Option vorsehen, die Wärmekraftmaschine 216 manuell zu umgehen, um zu ermöglichen, dass das Energiegewinnungssystem 242 ausgeschaltet wird. Eine Kupplung (nicht gezeigt), die durch die elektronische Steuereinheit 246 gesteuert wird, kann verwendet werden, um die Wärmekraftmaschine 216 außer Eingriff der Komponente/des Generators 220 zu bringen.
Wie ebenso in 1 gezeigt ist, umfasst das Energiegewinnungssystem 242 ein Übertragungsmedium 48, das ausgebildet ist, um die Elektrizität EE von dem Energiegewinnungssystem 242 weiterzuleiten. Insbesondere kann das Übertragungsmedium 48 die Elektrizität EE von der Komponente 220 weiterleiten. Das Übertragungsmedium 48 kann beispielsweise eine Stromleitung oder ein elektrisch leitendes Kabel sein. Das Übertragungsmedium 48 kann die Elektrizität EE von dem Generator 220 zu einer Speichereinrichtung 54 weiterleiten, z. B. einer Batterie für das Fahrzeug. Die Speichereinrichtung 54 kann auch in der Nähe des Fahrzeugs 10, aber separat von diesem angeordnet sein. Eine solche Speichereinrichtung 54 kann ermöglichen, dass das Energiegewinnungssystem 242 mit einem geparkten Fahrzeug 10 verwendet wird. Beispielsweise kann das Energiegewinnungssystem 242 eine Temperaturdifferenz nutzen, die durch die Sonnenbeanspruchung an einer Abdeckung für den Raum 40 erzeugt wird, und die erzeugte elektrische Energie EE in der Speichereinrichtung 54 speichern.
Ganz gleich, ob die Energie von dem Energiegewinnungssystem 242 verwendet wird, um die Komponente 220 direkt anzutreiben, oder ob sie für eine spätere Verwendung gespeichert wird, das Energiegewinnungssystem 242 liefert zusätzliche Energie für das Fahrzeug 10 und verringert die Last an der Hauptenergiequelle zum Antreiben des Fahrzeugs 10. Somit verbessert das Energiegewinnungssystem 242 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und die Reichweite für das Fahrzeug 10. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das Energiegewinnungssystem 242 autonom arbeiten und erfordert keine Eingabe von dem Fahrzeug 10.
Es ist einzusehen, dass das Fahrzeug 10 und/oder das Energiegewinnungssystem 242 bei einem beliebigen der vorstehend erwähnten Beispiele mehrere Wärmekraftmaschinen 116 und/oder mehrere Komponenten 220 umfassen können. Das heißt, dass ein Fahrzeug 10 mehr als eine Wärmekraftmaschine 216 und/oder Komponente 220 aufweisen kann. Beispielsweise kann eine Wärmekraftmaschine 216 mehr als eine Komponente 220 antreiben. Auf ähnliche Weise kann das Fahrzeug 10 mehr als ein Energiegewinnungssystem 242 umfassen, wobei jedes zumindest eine Wärmekraftmaschine 216 und zumindest eine Komponente 220 aufweist. Mehrere Wärmekraftmaschinen 216 können mehrere Bereiche nutzen.
Während die besten Weisen zum Ausführen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, werden Fachleute, die diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, und die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche auszuüben.

Claims

Fahrzeug, das umfasst: einen ersten Fluidbereich, der eine erste Temperatur aufweist; einen zweiten Fluidbereich, der eine zweite Temperatur aufweist; und eine Wärmekraftmaschine, die ausgebildet ist, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, und die eine pseudoplastisch vorgedehnte Formgedächtnislegierung mit einer kristallographischen Phase aufweist, die in Ansprechen auf eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluidbereich und dem zweiten Fluidbereich zwischen Austenit und Martensit veränderbar ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, das ferner eine Komponente umfasst, die durch die mechanische Energie von der Wärmekraftmaschine angetrieben wird.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Komponente aus einer Gruppe ausgewählt ist, die einen Ventilator, einen Riemen, ein Kupplungsgetriebe, ein Gebläse, eine Pumpe, einen Kompressor und Kombinationen von diesen umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Komponente ein Generator ist, der ausgebildet ist, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
Fahrzeug nach Anspruch 4, das ferner eine Speichereinrichtung umfasst, die mit dem Generator zum Speichern der elektrischen Energie verbunden ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Änderung in der kristallographischen Phase der Formgedächtnislegierung und eine dazugehörige Steifigkeitszunahme sowie dazugehörige Formgedächtniseffekte die Komponente antreiben.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Formgedächtnislegierung eine Abmessung bei dem Verändern der kristallographischen Phase verändert, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Formgedächtnislegierung die kristallographische Phase von Martensit in Austenit ändert und sich dadurch bezüglich der Abmessung ausreichend kontrahiert, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Formgedächtnislegierung die kristallographische Phase von Austenit in Martensit ändert und dadurch bezüglich eines Moduls abnimmt und sich dann, wenn sie unter Spannung steht, bezüglich der Abmessung ausreichend ausdehnt, um dadurch die Formgedächtnislegierung für das Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie zurückzusetzen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Formgedächtnislegierung eine Form aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Federn, Streifen, Drähte, Bänder, Endlosspiralen und Kombinationen von diesen umfasst.