DE102010051799A1

DE102010051799A1 - Fahrzeugenergiegewinnungsvorrichtung mit diskreten Abschnitten aus einer Formgedächtnislegierung

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Publication number: DE102010051799A1
Application number: DE102010051799A
Authority: DE
Inventors: Paul W. Mich. Alexander; Alan L. Mich. Browne; Patrick B. Mich. Usoro; Nilesh D. Mich. Mankame; Xiujie Mich. Gao; Marten 55218 Wittorf
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: US20110120119A1; US20110120113A1; DE102010051799B4; CN102094775A; US8800282B2; DE102010051985B4; CN102094775B; DE102010051985A1; US8857174B2

Abstract

Ein Energiegewinnungssystem umfasst einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, die eine Temperaturdifferenz dazwischen aufweisen. Eine Wärmekraftmaschine ist zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet. Die Wärmekraftmaschine umfasst ein erstes diskretes Element aus einer Formgedächtnislegierung mit einer kristallographischen Phase, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zwischen Austenit und Martensit wechseln kann. Als Reaktion auf die Phasenänderung dehnt sich das erste diskrete Element aus der Formgedächtnislegierung aus und zieht sich zusammen, um eine lineare Kraft auszuüben. Ein Bewegungsumwandlungsmechanismus ist mit dem ersten diskreten Element funktionell verbunden, um durch die lineare Kraft angetrieben zu werden, und eine Komponente wird durch den Bewegungsumwandlungsmechanismus angetrieben.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen U.S.-Anmeldung, Seriennummer 61/263,293, eingereicht am 20. November 2009, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Fahrzeug und genauer eine Energiequelle für das Fahrzeug und für Fahrzeugnebenaggregate.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fahrzeuge werden herkömmlicherweise durch Maschinen, welche das Fahrzeug antreiben, und Batterien, welche Leistung zum Starten der Maschine und für Fahrzeugnebenaggregate bereitstellen, mit Leistung versorgt. Der technologische Fortschritt und das Verlangen der Fahrer nach Komfort haben die Zahl von Fahrzeugnebenaggregaten sowie die Last auf, d. h. die Leistungsanforderung an, die Maschine und/oder die Batterie, die erforderlich sind, um die Fahrzeugnebenaggregate mit Leistung zu beaufschlagen, erhöht. Ferner erzeugen die Leistungsquellen und Komponenten des Fahrzeugs eine große Menge überschüssiger Wärme, d. h. überschüssige thermische Energie, die typischerweise in die Atmosphäre abgegeben wird und verloren geht.
Dementsprechend sind Anordnungen zum Verlängern der Fahrreichweite und zum Erhöhen der Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs erwünscht. Deshalb sind Systeme, die die Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeugs erhöhen und die Leistungslast auf die traditionellen Leistungsquellen des Fahrzeugs, d. h. die Maschine und/oder die Batterie, verringern, wünschenswert, und es können beträchtliche Kraftstoffwirtschaftlichkeitsgewinne des Fahrzeugs realisiert werden, wenn die überschüssige Wärme des Fahrzeugs in nutzbare mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Energiegewinnungssystem umfasst einen ersten Bereich mit einer ersten Temperatur und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet. Eine Wärmekraftmaschine ist zum Umwandeln thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet. Die Wärmekraftmaschine umfasst ein erstes diskretes Element aus einer Formgedächtnislegierung mit einer kristallographischen Phase, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zwischen Austenit und Martensit wechseln kann. Als Reaktion auf die Phasenänderung dehnt sich das erste diskrete Element aus der Formgedächtnislegierung aus und zieht sich zusammen, um eine lineare Kraft auszuüben. Ein Bewegungsumwandlungsmechanismus ist mit dem ersten diskreten Element funktionell verbunden, um durch die lineare Kraft angetrieben zu werden, und eine Komponente wird durch den Bewegungsumwandlungsmechanismus angetrieben.
Ein Verfahren zum Gewinnen von Energie umfasst, dass ein erstes diskretes Element aus einer Formgedächtnislegierung einem Wärmetauschkontakt mit einem ersten Bereich, der eine erste Temperatur aufweist, und einem zweiten Bereich, der eine zweite Temperatur aufweist, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet, ausgesetzt wird. Das erste diskrete Element aus der Formgedächtnislegierung wird als Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ausgedehnt und zusammengezogen, so dass es zu einer linearer Verlagerung mindestens eines Abschnitts des ersten diskreten Elements aus der Formgedächtnislegierung kommt. Ein Bewegungsumwandlungsteil wird durch die lineare Verlagerung des ersten diskreten Elements aus der Formgedächtnislegung angetrieben und eine Komponente wird durch den Bewegungsumwandlungsmechanismus angetrieben.
Ein Energiegewinnungssystem umfasst einen ersten Bereich mit einer ersten Temperatur und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet. Eine Wärmekraftmaschine ist zum Umwandeln thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet. Die Wärmekraftmaschine umfasst ein erstes diskretes Element aus einer Formgedächtnislegierung mit einer kristallographischen Phase, die als Reaktion auf eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zwischen Austenit und Martensit wechseln kann. Als Reaktion auf die Phasenänderung dehnt sich das erste diskrete Element aus der Formgedächtnislegierung aus und zieht sich zusammen, um eine lineare Kraft auszuüben. Ein Aktor bewegt den ersten Bereich und den zweiten Bereich relativ zu dem ersten diskreten Element aus der Formgedächtnislegierung, so dass das erste diskrete Element aus der Formgedächtnislegierung abwechselnd dem ersten Bereich sowie dem zweiten Bereich ausgesetzt wird. Der Aktor bewegt den ersten Bereich und den zweiten Bereich beruhend auf der Temperatur des diskreten Elements aus der Formgedächtnislegierung. Ein Bewegungsumwandlungsmechanismus ist mit dem ersten diskreten Element funktionell verbunden, um durch die lineare Kraft angetrieben zu werden. Durch den Bewegungsumwandlungsmechanismus wird eine Komponente angetrieben.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der besten Methoden zum Ausführen der vorliegenden Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen werden, leicht deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugs, das ein Energiegewinnungssystem aufweist;
2 ist eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 in einer ersten Position;
3 ist eine schematische Seitenansicht der ersten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 und 6 in einer zweiten Position;
4 ist eine schematische Seitenansicht der ersten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1–3 zur Verwendung mit einer Abgasanlage für das Fahrzeug;
5 ist eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 in einer ersten Position;
6 ist eine schematische Seitenansicht der zweiten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 und 5 in einer zweiten Position;
7 ist eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 in einer ersten Position;
8 ist eine schematische Seitenansicht der dritten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 und 7 in einer zweiten Position;
9 ist eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 in einer ersten Position;
10 ist eine schematische Seitenansicht der vierten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 und 19 in einer zweiten Position;
11 ist eine schematische Seitenansicht einer fünften Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 in einer ersten Position;
12 ist eine schematische Seitenansicht der fünften Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 und 11 in einer zweiten Position;
13 ist eine schematische Querschnittansicht einer sechsten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 in einer ersten Position; und
14 ist eine schematische Querschnittansicht der sechsten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 und 13 in einer zweiten Position.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen, ist in 1 ein Fahrzeug allgemein bei 10 gezeigt. Das Fahrzeug 10 umfasst ein Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542. Das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 benutzt eine Temperaturdifferenz zwischen einem ersten Bereich 12 und einem zweiten Bereich 14, um mechanische oder elektrische Energie zu erzeugen, und kann daher für kraftfahrzeugtechnische Anwendungen zweckmäßig sein. Es versteht sich jedoch, dass das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 auch für nichtkraftfahrzeugtechnische Anwendungen zweckmäßig sein kann. Das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 umfasst eine Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516. Die Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516 ist zum Umwandeln von thermischer Energie, z. B. Wärme, zu mechanischer oder von Wärme zu mechanischer und dann zu elektrischer Energie ausgestaltet, wie nachstehend näher dargelegt wird.
Das Fahrzeug 10 definiert einen Raum 40, der Leistungs- und Antriebsquellen für das Fahrzeug 10, wie etwa eine Maschine und ein Getriebe (nicht gezeigt), beherbergen kann. Der Raum 40 kann von der umliegenden Umgebung abgeschottet sein oder nicht, und kann Bereiche und Komponenten außerhalb des Fahrzeugs 10, beispielsweise ein Abgasrohr und einen Katalysator, Stoßdämpfer, Bremsen, und jeden anderen Bereich, in dem Energie nahe oder in dem Fahrzeug 10, beispielsweise in einem Fahrgastraum, Maschinenraum oder einem Batterieraum (zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug), als Wärme abgegeben wird, umfassen.
Das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 befindet sich zumindest teilweise in dem Raum 40. Die Leistungs- und Antriebsquellen (nicht gezeigt) für das Fahrzeug 10 erzeugen typischerweise Wärme. Daher umfasst der Raum 40 den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14, die eine Temperaturdifferenz dazwischen aufweisen. Der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 können voneinander beabstandet sein, um zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 eine ausreichende Wärmetauschbarriere 50 vorzusehen.
Fluid in dem Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 kann den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14 füllen und kann aus einer Gruppe von Gasen, Flüssigkeiten und Kombinationen derselben gewählt sein. Das Fluid in dem ersten Bereich 12 kann ein anderes Fluid als das Fluid in dem zweiten Bereich sein. In der oben besprochenen Ausführungsform, in der der Raum 40 ein Maschinenraum ist, ist Fluid in dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 Luft in dem Raum 40. Objekte, die sich in dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 befinden, können Wärme erzeugen oder diese zu dem das Objekt umgebenden und den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14 bildenden Fluid abgeben. Alternativ können/kann der erste Bereich 12 und/oder der zweite Bereich 14 das Objekt sein, das die Wärmequelle oder Wärmesenke ist, und das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 kann körperlichen Kontakt mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 haben, um die Temperaturdifferenz zwischen diesen auszunutzen.
Mehrere Beispiele in einem Fahrzeug 10, bei denen das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 Temperaturunterschiede ausnutzen kann, befinden sich nahe einer Abgasanlage oder sind in dieser integriert, was die Nähe zu einem Katalysator, neben einer Batterie für das Fahrzeug oder in einem Batterieraum für Elektrofahrzeuge, nahe einem Getriebe, Bremsen oder Komponenten der Fahrzeugaufhängung, insbesondere einem Stoßdämpfer, oder nahe einem Wärmetauscher, beispielsweise einem Kühler, oder in diesem integriert einschließt. Die obigen Beispiele führen Gebiete des Fahrzeugs 10 auf, die als einer von dem ersten Bereich 12 oder dem zweiten Bereich 14 wirken können. Das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 kann so positioniert sein, dass der andere von erstem Bereich 12 oder zweitem Bereich 14 durch eine ausreichende Wärmetauschbarriere 50 abgetrennt ist, um den erforderlichen Temperaturunterschied vorzusehen. Die obige Liste gibt nur Beispiele dafür, wo sich die Energiegewinnungssysteme 42, 142, 242, 342, 442, 542 befinden können, und soll nicht allumfassend für Anordnungen für das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 sein. Ein Fachmann wäre in der Lage, Gebiete zu ermitteln, die einen zugehörigen Temperaturunterschied und eine geeignete Position für das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 aufweisen, um Nutzen aus den Temperaturdifferenzen zu ziehen.
Das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 umfasst auch eine angetriebene Komponente 20. Die Komponente 20 kann eine einfache mechanische Vorrichtung gewählt aus einer Gruppe einschließlich eines Lüfters, eines Riemens, eines Kupplungsantriebs, eines Gebläses, einer Pumpe, eines Kompressors und Kombinationen derselben sein. Die Komponente 20 wird durch die Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516 angetrieben. Die Komponente 20 kann Teil eines bestehenden Systems innerhalb des Fahrzeugs 10, wie etwa ein Heiz- oder Kühlsystem, sein. Die mechanische Energie kann die Komponente 20 antreiben oder kann andere Systeme des Fahrzeugs 10 beim Antreiben der Komponente 20 unterstützen. Das Antreiben der Komponente 20 mit Leistung, die von der Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516 bereitgestellt wird, kann auch das Verringern der Größe/Kapazität eines zugehörigen bestehenden Systems in dem Fahrzeug 10 ermöglichen, was neben den Energieeinsparungen Gewichtseinsparungen vorsieht.
Alternativ kann die Komponente 20 ein Generator oder ein Teil eines Generators sein. Die Komponente/der Generator 20 ist zum Umwandeln von mechanischer Energie von der Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516 zu Strom (in 1 allgemein durch das Symbol EE dargestellt) ausgestaltet. Die Komponente/der Generator 20 kann jede geeignete Vorrichtung zum Umwandeln von mechanischer Energie zu Strom EE sein. Die Komponente/der Generator 20 kann zum Beispiel ein Stromgenerator sein, der unter Verwenden von elektromagnetischer Induktion mechanische Energie in Strom EE umwandelt, und kann einen (nicht gezeigten) Rotor umfassen, der bezüglich eines (nicht gezeigten) Stators dreht. Die elektrische Energie EE von der Komponente/dem Generator 20 kann dann verwendet werden, um das Versorgen der Haupt- oder Nebenaggregatantriebssysteme in dem Fahrzeug 10 mit Leistung zu unterstützen.
Wie vorstehend erläutert ist das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 zum Erzeugen von mechanischer oder elektrischer Energie ausgestaltet und umfasst eine Struktur, die den ersten Bereich 12 mit einer ersten Temperatur definiert, und eine Struktur, die den zweiten Bereich 14 mit einer zweiten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet, definiert.
Bei einer Variante umfasst das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 auch eine elektronische Steuereinheit 46. Die elektronische Steuereinheit 46 steht in funktioneller Verbindung mit dem Fahrzeug 10. Die elektronische Steuereinheit 46 kann z. B. ein Computer sein, der elektronisch mit einer oder mehreren Steuereinrichtungen und/oder Sensoren des Energiegewinnungssystems 42, 142, 242, 342, 442, 542 kommuniziert. Zum Beispiel kann die elektronische Steuereinheit 46 mit einem oder mehreren von einem Temperatursensor in dem ersten Bereich 12, einem Temperatursensor in dem zweiten Bereich 14, einem Drehzahlregler der Komponente 20, Fluiddurchflusssensoren und Messeinrichtungen, die zum Überwachen der elektrischen Stromerzeugung ausgestaltet sind, kommunizieren und/oder diese steuern. Die elektronische Steuereinheit 46 kann die Gewinnung von Energie unter vorbestimmten Bedingungen des Fahrzeugs 10 steuern. Nach Betreiben des Fahrzeugs 10 über einen ausreichenden Zeitraum, um sicherzustellen, dass ein Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bei einer optimalen Differenz liegt, kann die elektronische Steuereinheit 46 zum Beispiel das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 starten. Eine elektronische Steuereinheit 46 kann auch die Option vorsehen, die Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516 manuell außer Kraft zu setzen, um ein Abschalten des Energiegewinnungssystems 42, 142, 242, 342, 442, 542 zu ermöglichen. Eine Kupplung (nicht gezeigt), die von der elektronischen Steuereinheit 46 gesteuert wird, kann dazu verwendet werden, die Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516 von der Komponente 20 außer Eingriff zu bringen.
Wie ebenfalls in 1 gezeigt ist, umfasst das Wärmegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 ein Übertragungsmedium 48, das zum Leiten von elektrischem Strom EE von dem Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 ausgestaltet ist. Insbesondere kann das Übertragungsmedium 48 elektrischen Strom EE von der Komponente/dem Generator 20 leiten. Das Übertragungsmedium 48 kann zum Beispiel eine Stromleitung oder ein elektrisch leitendes Kabel sein. Das Übertragungsmedium 48 kann elektrischen Strom EE von der Komponente/dem Generator 20 zu einer Speichervorrichtung 54, z. B. einer Batterie für das Fahrzeug 10, leiten. Die Speichervorrichtung 54 kann sich auch nahe zu, aber getrennt von dem Fahrzeug 10 befinden. Eine solche Speichervorrichtung 54 kann das Nutzen des Energiegewinnungssystems 42, 142, 242, 342, 442, 542 bei einem geparkten Fahrzeug, beispielsweise 10, ermöglichen. Das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 kann zum Beispiel einen Temperaturunterschied nutzen, der durch Sonnenexposition auf einer Haube für den Raum 40 erzeugt wird, und kann die erzeugte elektrische Energie EE in der Speichervorrichtung 54 speichern.
Ob die Energie von dem Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 verwendet wird, um eine Komponente 20 direkt anzutreiben, oder ob sie für spätere Nutzung gespeichert wird, liefert das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 dem Fahrzeug 10 zusätzliche Energie und verringert die Last auf den Hauptenergiequellen zum Antreiben des Fahrzeugs 10. Somit verbessert das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und die Reichweite für das Fahrzeug 10. Wie vorstehend beschrieben kann das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 autonom arbeiten, wobei es keine Eingabe von dem Fahrzeug 10 erfordert.
Es versteht sich, dass bei jedem der vorstehend erwähnten Beispiele das Fahrzeug 10 und/oder das Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 mehrere Wärmekraftmaschinen 16, 116, 216, 316, 416, 516 und/oder mehrere Komponenten 20 umfassen können/kann. D. h. ein Fahrzeug 10 kann mehr als eine Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516 und/oder Komponente 20 umfassen. Zum Beispiel kann eine Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516 mehr als eine Komponente 20 antreiben. Analog kann das Fahrzeug 10 mehr als ein Energiegewinnungssystem 42, 142, 242, 342, 442, 542 umfassen, das jeweils mindestens eine Wärmekraftmaschine 16, 116, 216, 316, 416, 516 und Komponente 20 umfasst. Mehrere Wärmekraftmaschinen 16, 116, 216, 316, 416, 516 können im gesamten Fahrzeug 10 mehrere Bereiche mit Temperaturunterschieden nutzen.
Die Wärmekraftmaschine 16 ist unter Bezug nun auf 1 und 2 ausgestaltet, um thermische Energie, z. B. Wärme, in mechanische Energie, oder Wärme in mechanische Energie und dann in elektrische Energie umzuwandeln, wie es nachstehend ausführlicher dargelegt wird. Die Wärmekraftmaschine 16 umfasst eine Formgedächtnislegierung 18 (2) mit einer kristallographischen Phase, die bei einer spezifischen Temperatur, der die Formgedächtnislegierung 18 in einem von erstem Bereich 12 und zweitem Bereich 14 ausgesetzt wird, zwischen Austenit und Martensit wechseln kann. Als Reaktion auf die Temperaturdifferenz des ersten Bereichs 12 und des zweiten Bereichs 14 (1) durchläuft die Formgedächtnislegierung 18 bei Passieren zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 die Änderung der kristallographischen Phase. Die nachstehende Beschreibung erfolgt unter Bezug auf 2. Die Formgedächtnislegierung 18 aller Ausführungsformen wirkt aber in ähnlicher Weise.
So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck ”Formgedächtnislegierung” auf Legierungen, die einen Formgedächtniseffekt zeigen. Das heißt, die Formgedächtnislegierung 18 kann einen Phasenwechsel aus dem festen Zustand über eine molekulare Umordnung erfahren, um zwischen einer Martensitphase, d. h. ”Martensit”, und einer Austenitphase, d. h. ”Austenit” zu wechseln. Anders ausgedrückt kann die Formgedächtnislegierung 18 eine displazive Umwandung statt einer diffusionellen Umwandung erfahren, um zwischen Martensit und Austenit zu wechseln. Im Allgemeinen bezieht sich die Martensitphase auf die Phase mit vergleichsweise niedrigerer Temperatur und ist häufig stärker verformbar als die Austenitphase mit vergleichsweise höherer Temperatur. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 beginnt, von der Austenitphase in die Martensitphase zu wechseln, ist als die Martensitstarttemperatur M_s bekannt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 den Wechsel von der Austenitphase in die Martensitphase abschließt, ist als die Martensitendtemperatur M_f bekannt. Wenn die Formgedächtnislegierung 18 erwärmt wird, ist analog die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 beginnt, von der Martensitphase in die Austenitphase zu wechseln, als die Austenitstarttemperatur A_s bekannt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 den Wechsel von der Martensitphase in die Austenitphase abschließt, ist als die Austenitendtemperatur A_f bekannt.
Daher kann die Formgedächtnislegierung 18 durch einen kalten Zustand, d. h. wenn eine Temperatur der Formgedächtnislegierung 18 unter der Martensitendtemperatur M_f der Formgedächtnislegierung 18 liegt, charakterisiert sein. Gleichermaßen kann die Formgedächtnislegierung 18 auch durch einen heißen Zustand charakterisiert sein, d. h. wenn die Temperatur der Formgedächtnislegierung 18 oberhalb der Austenitendtemperatur A_f der Formgedächtnislegierung 18 liegt.
Im Betrieb, d. h. wenn sie der Temperaturdifferenz des ersten Bereichs 12 und des zweiten Bereichs 14 ausgesetzt ist, kann die Formgedächtnislegierung 18, falls sie vorgedehnt ist oder einer Zugspannung ausgesetzt ist, nach dem Wechsel der kristallographischen Phase die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Das heißt, die Formgedächtnislegierung 18 kann die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit wechseln und sich dadurch maßlich zusammenziehen, falls sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Umgekehrt kann die Formgedächtnislegierung 18 die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit ändern und sich unter Spannung dadurch im Maß ausdehnen, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
Pseudoplastisch vorgedehnt bezieht sich auf ein Strecken der Formgedächtnislegierung 18, während sie sich in der Martensitphase befindet, so dass die Dehnung, die von der Formgedächtnislegierung 18 unter der Belastungsbedingung gezeigt wird, nicht vollständig wiederhergestellt wird, wenn sie entlastet wird, wobei rein elastische Dehnung vollständig wiederhergestellt werden würde. In dem Fall der Formgedächtnislegierung 18 ist es möglich, das Material derart zu belasten, dass die Grenze der elastischen Dehnung überschritten wird und eine Verformung in der martensitischen Kristallstruktur des Materials stattfindet, bevor die wahre Grenze der plastischen Dehnung des Materials überschritten wird. Eine Dehnung dieses Typs zwischen diesen zwei Grenzen ist eine pseudoplastische Dehnung, die so genannt wird, weil es nach einem Entlasten deutlich wird, dass sie sich plastisch verformt hat, aber wenn sie zu dem Punkt erwärmt wird, bei dem die Formgedächtnislegierung 18 sich in ihre Austenitphase umwandelt, diese Dehnung wiederhergestellt werden kann, wobei die Formgedächtnislegierung 18 zu der ursprünglichen Länge zurückkehrt, die beobachtet wurde, bevor irgendeine Last aufgebracht wurde. Die Formgedächtnislegierung 18 wird vor dem Einbau in die Wärmekraftmaschine 18 typischerweise gestreckt, so dass die Nennlänge der Formgedächtnislegierung die wiederherstellbare pseudoplastische Dehnung umfasst, die die zum Betätigen/Antreiben der Wärmekraftmaschine 16 verwendete Bewegung vorsieht. Ohne Vorstrecken der Formgedächtnislegierung 18 wäre während Phasenumwandlung wenig Verformung zu sehen.
Die Formgedächtnislegierung 18 kann jede geeignete Zusammensetzung aufweisen. Insbesondere kann die Formgedächtnislegierung 18 ein Element umfassen, das aus der Gruppe von Kobalt, Nickel, Titan, Indium, Mangan, Eisen, Palladium, Zink, Kupfer, Silber, Gold, Cadmium, Zinn, Silizium, Platin, Gallium und Kombinationen davon ausgewählt ist. Zum Beispiel können geeignete Formgedächtnislegierungen 18 Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Nickel-Kobalt-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Mangan-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und Kombinationen davon umfassen. Die Formgedächtnislegierung 18 kann binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Formgedächtnislegierung 18 einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, Dämpfungskapazität und dergleichen, aufweist. Ein Fachmann kann die Formgedächtnislegierung 18 gemäß gewünschten Betriebstemperaturen innerhalb des Raums 40 (1) wählen, wie es nachstehend ausführlicher dargelegt wird. In einem besonderen Beispiel kann die Formgedächtnislegierung 18 Nickel und Titan umfassen.
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 18 jede geeignete Gestalt, d. h. Form, aufweisen. Zum Beispiel kann die Formgedächtnislegierung 18 eine Gestalt aufweisen, die aus der Gruppe von Vorspannelementen (beispielsweise Federn), Streifen, Drähten, Bändern und Kombinationen davon ausgewählt ist. Unter Bezugnahme auf 2 kann in einer Abwandlung die Formgedächtnislegierung 18 als diskrete Drahtlänge gebildet sein.
Die Wärmekraftmaschine 16, und genauer die Formgedächtnislegierung 18 (2) der Wärmekraftmaschine 16, ist in thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit einem jeden von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 angeordnet. Deshalb kann die Formgedächtnislegierung 18 bei thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit einem von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln. Bei Kontakt mit dem ersten Bereich 12 kann zum Beispiel die Formgedächtnislegierung 18 von Martensit nach Austenit wechseln. Bei thermischem Kontakt mit dem zweiten Bereich 14 kann die Formgedächtnislegierung 18 analog von Austenit nach Martensit wechseln.
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 18 nach dem Wechsel der kristallographischen Phase sowohl den Modul als auch die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Genauer gesagt kann sich die Formgedächtnislegierung 18, wenn sie pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei Wechseln der kristallographischen Phase von Martensit nach Austenit maßlich zusammenziehen und kann sich bei Wechseln der kristallographischen Phase von Austenit nach Martensit maßlich ausdehnen, wenn sie unter Zugspannung steht, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Deshalb kann sich die Formgedächtnislegierung 18 für jede Bedingung, bei der die Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur des ersten Bereichs 12 und der zweiten Temperatur des zweiten Bereichs 14 vorhanden ist, d. h. wobei der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 nicht in thermischem Gleichgewicht sind, nach Wechsel der kristallographischen Phase zwischen Martensit und Austenit maßlich ausdehnen und zusammenziehen. Der Wechsel der kristallographischen Phase der Formgedächtnislegierung 18 kann bewirken, dass die Formgedächtnislegierung einen linearen Aktor (in 2 gezeigt) antreibt und somit die Komponente 20 antreibt.
2 und 3 veranschaulichen eine erste Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 16 für eine Energiegewinnungsvorrichtung 42. Eine erste diskrete Länge eines Drahts aus Formgedächtnislegierung 18 erstreckt sich von einem Rahmen 60 zu einem Bewegungsumwandlungsmechanismus 62. Der erste Bereich 12 befindet sich an einer Seite der Formgedächtnislegierung 18 und der zweite Bereich 14 befindet sich an der gegenüberliegenden Seite der Formgedächtnislegierung 18. In der gezeigten Ausführungsform kann der erste Bereich 12 ein Objekt 61 umfassen, das eine Wärme- oder Kältesenke ist. Analog kann der zweite Bereich 14 ein Objekt 63 umfassen, das eine Kälte- oder Wärmesenke ist, um die umliegende Umgebung zu erwärmen oder zu kühlen.
Der erste Bereich 12 weist eine erste Temperatur auf und der zweite Bereich 14 weist eine zweite Temperatur auf, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet. Die Formgedächtnislegierung 18 ist abwechselnd in thermischem Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit jedem von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 angeordnet. Deshalb kann die Formgedächtnislegierung 18 bei thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln.
Der Rahmen 60 wird von mehreren Rückstellfedern 64 gelagert. Der Rahmen 60 ist zwischen einer ersten Position 66A, die in 2 gezeigt ist, und einer zweiten Position 66B, die in 3 gezeigt ist, bewegbar. Ein Aktor 68 steuert die Bewegung des Rahmens 60 zwischen der ersten Position 66A und der zweiten Position 66B, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Wenn sich der Rahmen 60 zwischen der ersten Position 66A und der zweiten Position 66B bewegt, wird die Formgedächtnislegierung 18 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt. Der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 können jeweils ein Objekt sein, das eine Wärmequelle oder eine Wärmesenke ist, die jeweils an dem Rahmen 60 angebracht sind. Wenn der Rahmen 60 durch den Aktor 68 bewegt wird, werden der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 18 bewegt. Das Einwirken des ersten Bereichs 12 und des zweiten Bereichs 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 18 maßlich ausdehnt und zusammenzieht. Ferner ändert sich der Modul der Formgedächtnislegierung 18, wenn die Formgedächtnislegierung 18 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt wird. D. h. der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 18 ausreichend maßlich zusammenzieht oder ausdehnt. Als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen und die damit einhergehenden Änderungen des Moduls schwankt die Länge der Formgedächtnislegierung 18. Die Formgedächtnislegierung 18 wird zumindest teilweise linear verlagert, um eine wiederholte lineare Kraft auf den Bewegungsumwandlungsmechanismus 62 auszuüben. Dies wird durch die Phantomlinie 70 veranschaulicht, die einen festen Abstand von dem Rahmen 60 hat. Wie durch Vergleichen der Position des Bewegungsumwandlungsmechanismus 62 mit der Phantomlinie 70 ersichtlich ist, wird, wenn sich die Formgedächtnislegierung 18 ausreichend maßlich zusammenzieht, der Bewegungsumwandlungsmechanismus 62 linear hin zu dem Rahmen 60 (in 3 veranschaulicht) bewegt, und wenn sich die Formgedächtnislegierung 18 ausreichend maßlich ausdehnt, bewegt sich der Bewegungsumwandlungsmechanismus 62 linear weg von dem Rahmen 60 zu der ursprünglichen Position (in 2 gezeigt).
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 18 durch einen Dämpfer 72 oder einen anderen Mechanismus zum Vorsehen von Schutz vor Überbelastung mit einer Kraft an der Formgedächtnislegierung 18 während des Betriebs der Wärmekraftmaschine 16 an dem Rahmen 60 befestigt werden. Der Dämpfer 72 kann zum Beispiel in Fällen, da die Kraft an der Formgedächtnislegierung 18 zwischen dem Rahmen 60 und dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 62 höher als ein erwünschter Wert ist, Dämpfungsschutz vorsehen.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Bewegungsumwandlungsmechanismus 62 ein Schubkurbelmechanismus, der die von der Formgedächtnislegierung 18 eingeleitete lineare Bewegung in eine Drehausgangsleistung umwandelt, wie durch Ausgangsleistung 74 angezeigt ist. Der Bewegungsumwandlungsmechanismus 62 kann auch ein Vorspannelement 76, beispielsweise eine Feder, umfassen. Das Vorspannelement 76 kann an der Formgedächtnislegierung 18 eine Nennzugkraft anlegen, um die Formgedächtnislegierung beim Zurückkehren zu der ausgedehnten Länge zu unterstützen, wenn sich die Formgedächtnislegierung 18 zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegt.
Der Aktor 68 steuert die Bewegung des Rahmens 60, um den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 18 zu bewegen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Aktor 68 einen Draht 78, der einen sich im Allgemeinen parallel erstreckten Abschnitt mit der Formgedächtnislegierung 18 aufweist. Der Draht 78 ist zwischen zwei festen Stellen an dem Rahmen 60 befestigt. Rollen 80 sind voneinander beabstandet und führen den Draht 78 zwecks Anbringung von dem Abschnitt, der zu der Formgedächtnislegierung 18 parallel ist, hin zu dem Rahmen 60. Der Draht 78 ist vorzugsweise ein zweites diskretes Element aus der Formgedächtnislegierung, das sich ausreichend maßlich ausdehnt und zusammenzieht, wenn es dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt wird. Wenn sich der Draht 78 zusammenzieht, bewegt die verkürzte Länge den Rahmen 60 von der in 2 gezeigten ersten Position 66A zu der in 3 gezeigten zweiten Position 66B. Wenn sich der Draht 78 ausdehnt, ermöglicht es die verlängerte Länge dem Rahmen 60, sich von der zweiten Position 66B zurück zu der ersten Position 66A zu bewegen. Wenn der Draht 78 mit dem ersten Bereich 12 in Wärmetauschbeziehung tritt, zieht sich der Draht 78 zusammen und bewegt den Rahmen 60. Der Rahmen 60 wird von dem ersten Bereich 12 zu dem zweiten Bereich 14 bewegt, wobei die Wärmetauschbeziehung mit dem zweiten Bereich 14 dann ein Ausdehnen des Drahts bewirkt, was den Rahmen zurück hin zu dem ersten Bereich 12 bewegt. Der thermische Kontakt oder die Wärmetauschbeziehung des Drahts 78 mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 steuert daher die Position des Rahmens 60. Rückstellfedern 64 können eine Nennkraft auf den Draht 78 ausüben, um das Ausdehnen des Drahts zu unterstützen, wenn der Draht 78 den Rahmen 60 von der zweiten Position 66B zu der ersten Position 66A bewegt.
4 veranschaulicht ein Beispiel der Wärmekraftmaschine 16 zur Verwendung mit einer Abgasanlage des Fahrzeugs 10. Die Abgasanlage umfasst ein Abgasrohr 32. Durch Pfeil F angedeutete Abgase strömen durch das Abgasrohr 32. Das Abgasrohr 32 kann das Objekt 61 in dem ersten Bereich 12 sein, das als Wärmequelle wirkt. Alternativ kann das Objekt 61 leitendes Material sein, das an dem Abgasrohr 32 befestigt sein kann, um als Wärmesenke zu wirken. Analog kann das sich in dem zweiten Bereich 14 befindliche Objekt 63 eine Kältesenke sein, um einen ausreichenden Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 beizubehalten. 4 veranschaulicht die Wärmekraftmaschine 16 in der ersten Position 66A. Die Wärmekraftmaschine 16 arbeitet aber in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben.
5 und 6 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 116 für eine Energiegewinnungsvorrichtung 142. Eine erste diskrete Länge eines Drahts aus Formgedächtnislegierung 118 erstreckt sich von einem Rahmen 160 zu einem Bewegungsumwandlungsmechanismus 162. Der erste Bereich 12 befindet sich an einer Seite der Formgedächtnislegierung 118 und der zweite Bereich 14 befindet sich an der gegenüberliegenden Seite der Formgedächtnislegierung 118. In der gezeigten Ausführungsform kann der erste Bereich 12 ein Objekt 161 umfassen, das eine Wärme- oder Kältesenke ist. Analog kann der zweite Bereich 14 ein Objekt 163 umfassen, das eine Kälte- oder Wärmesenke ist. Alternativ kann der erste Bereich 12 das Objekt 161 sein und der zweite Bereich 14 kann das Objekt 163 sein. Der erste Bereich 12 weist daher eine erste Temperatur auf und der zweite Bereich 14 weist eine zweite Temperatur auf, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet. Die Formgedächtnislegierung 118 ist abwechselnd in thermischem Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit jedem von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 angeordnet. In dem Fall, da die Objekte 161, 163 der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 sind, berührt die Formgedächtnislegierung 118 die Objekte 161, 163 körperlich, um Wärme auszutauschen. Deshalb kann die Formgedächtnislegierung 118 bei thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln.
Der Rahmen 160 wird von mehreren Rückstellfedern 164 gelagert. Der Rahmen 160 ist zwischen einer ersten Position 166A, die in 5 gezeigt ist, und einer zweiten Position 166B, die in 6 gezeigt ist, bewegbar. Ein Aktor 168 steuert die Bewegung des Rahmens 160 zwischen der ersten Position 166A und der zweiten Position 166B, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Wenn sich der Rahmen 160 zwischen der ersten Position 166A und der zweiten Position 166B bewegt, wird die Formgedächtnislegierung 118 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt. Der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 können jeweils ein Objekt sein, das eine Wärmequelle oder eine Wärmesenke ist, die jeweils an dem Rahmen 160 angebracht sind. Wenn der Rahmen 160 durch den Aktor 168 bewegt wird, werden der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 118 bewegt. Das Einwirken des ersten Bereichs 12 und des zweiten Bereichs 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 118 maßlich ausdehnt und zusammenzieht. Ferner ändert sich der Modul der Formgedächtnislegierung 118, wenn die Formgedächtnislegierung 118 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt wird. D. h. der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 18 ausreichend maßlich zusammenzieht oder ausdehnt. Als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen und die damit einhergehenden Änderungen des Moduls schwankt die Länge der Formgedächtnislegierung 118. Die Formgedächtnislegierung 118 wird zumindest teilweise linear verlagert, um eine wiederholte lineare Kraft auf den Bewegungsumwandlungsmechanismus 162 auszuüben. Dies wird durch die Phantomlinie 170 veranschaulicht, die einen festen Abstand von dem Rahmen 160 hat. Wie durch Vergleichen der Position des Bewegungsumwandlungsmechanismus 162 mit der Phantomlinie 170 ersichtlich ist, wird, wenn sich die Formgedächtnislegierung 118 ausreichend maßlich zusammenzieht, der Bewegungsumwandlungsmechanismus 162 linear hin zu dem Rahmen 160 (in 6 veranschaulicht) bewegt, und wenn sich die Formgedächtnislegierung 118 ausreichend maßlich ausdehnt, bewegt sich der Bewegungsumwandlungsmechanismus 162 linear weg von dem Rahmen 160 zu der ursprünglichen Position (in 5 gezeigt).
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 118 durch einen Dämpfer 172 oder einen anderen Mechanismus zum Vorsehen von Schutz vor Überbelastung mit einer Kraft an der Formgedächtnislegierung 118 während des Betriebs der Wärmekraftmaschine 116 an dem Rahmen 160 befestigt werden. Der Dämpfer 172 kann zum Beispiel in Fällen, da die Kraft an der Formgedächtnislegierung 118 zwischen dem Rahmen 160 und dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 162 höher als ein erwünschter Wert ist, Dämpfungsschutz vorsehen.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Bewegungsumwandlungsmechanismus 162 ein Schubkurbelmechanismus, der die von der Formgedächtnislegierung 118 eingeleitete lineare Bewegung in eine Drehausgangsleistung umwandelt, wie durch Ausgangsleistung 174 angedeutet ist. Der Bewegungsumwandlungsmechanismus 162 kann auch ein Vorspannelement 176, beispielsweise eine Feder, umfassen. Das Vorspannelement 176 kann an der Formgedächtnislegierung 118 eine Nennzugkraft anlegen, um die Formgedächtnislegierung 18 beim Zurückkehren zu der ausgedehnten Länge zu unterstützen, wenn sich die Formgedächtnislegierung 118 zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegt.
Der Aktor 168 steuert die Bewegung des Rahmens 160, um den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 118 zu bewegen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Aktor 168 einen linearen Aktor 178, eine Steuervorrichtung 180 und einen Sensor 182. Der Aktor 178 bewegt den Rahmen 160 zwischen der in 5 gezeigten ersten Position 166A und der in 6 gezeigten zweiten Position 166B. Der Sensor 182 kann einen Stellungsgeber, einen Zeitgeber, einen Temperatursensor oder Kombinationen derselben umfassen. Die Daten von dem Sensor 182 werden in die Steuervorrichtung 180 eingegeben. Die Steuervorrichtung 180 nutzt die Daten von dem Sensor 178, um die Betätigung des Aktors 178 zu steuern, um den Rahmen 160 zwischen der ersten Position 166A und der zweiten Position 166B zu bewegen und somit die Formgedächtnislegierung 118 zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 zu bewegen.
7 und 8 veranschaulichen eine dritte Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 216 zur Verwendung mit einer Energiegewinnungsvorrichtung 242. Eine Formgedächtnislegierung 218 erstreckt sich von einem Rahmen 260 zu einem Bewegungsumwandlungsmechanismus 262. Der erste Bereich 12 befindet sich an einer Seite der Formgedächtnislegierung 218 und der zweite Bereich 14 befindet sich an der gegenüberliegenden Seite der Formgedächtnislegierung 218. In der gezeigten Ausführungsform kann der erste Bereich 12 ein Objekt 261 umfassen, das eine Wärme- oder Kältesenke ist. Analog kann der zweite Bereich 14 ein Objekt 263 umfassen, das eine Kälte- oder Wärmesenke ist. Alternativ kann der erste Bereich 12 das Objekt 261 sein und der zweite Bereich 14 kann das Objekt 263 sein. Der erste Bereich 12 weist daher eine erste Temperatur auf und der zweite Bereich 14 weist eine zweite Temperatur auf, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet. Die Formgedächtnislegierung 218 ist abwechselnd in thermischem Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit jedem von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 angeordnet. In dem Fall, da die Objekte 261, 263 der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 sind, kontaktiert die Formgedächtnislegierung 218 die Objekte 261, 263 körperlich, um Wärme auszutauschen. Deshalb kann die Formgedächtnislegierung 218 bei thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit einem von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln.
Der Rahmen 260 wird von mehreren Rückstellfedern 264 gelagert. Der Rahmen 260 ist zwischen einer ersten Position 266A, die in 7 gezeigt ist, und einer zweiten Position 266B, die in 8 gezeigt ist, bewegbar. Ein Aktor 268 steuert die Bewegung des Rahmens 260 zwischen der ersten Position 266A und der zweiten Position 266B, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Wenn sich der Rahmen 260 zwischen der ersten Position 266A und der zweiten Position 266B bewegt, wird die Formgedächtnislegierung 218 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt. Der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 können jeweils ein Objekt sein, das eine Wärmequelle oder eine Wärmesenke ist, die jeweils an dem Rahmen 260 angebracht sind. Wenn der Rahmen 260 durch den Aktor 268 bewegt wird, werden der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 218 bewegt. Das Einwirken des ersten Bereichs 12 und des zweiten Bereichs 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 218 maßlich ausdehnt und zusammenzieht. Ferner ändert sich der Modul der Formgedächtnislegierung 218, wenn die Formgedächtnislegierung thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt wird. D. h. der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 218 ausreichend maßlich zusammenzieht oder ausdehnt. Als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen und die damit einhergehenden Änderungen des Moduls schwankt die Länge der Formgedächtnislegierung 218. Die Formgedächtnislegierung 218 wird zumindest teilweise linear verlagert, um eine wiederholte lineare Kraft auf den Bewegungsumwandlungsmechanismus 262 auszuüben. Dies wird durch die Phantomlinie 270 veranschaulicht, die einen festen Abstand von dem Rahmen 260 hat. Wie durch Vergleichen der Position des Bewegungsumwandlungsmechanismus 262 mit der Phantomlinie 270 ersichtlich ist, wird, wenn sich die Formgedächtnislegierung 218 ausreichend maßlich zusammenzieht, der Bewegungsumwandlungsmechanismus 262 linear hin zu dem Rahmen 260 (in 8 veranschaulicht) bewegt, und wenn sich die Formgedächtnislegierung 218 ausreichend maßlich ausdehnt, bewegt sich der Bewegungsumwandlungsmechanismus 262 linear weg von dem Rahmen 260 zu der ursprünglichen Position (in 7 gezeigt).
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 218 durch einen Dämpfer 272 oder einen anderen Mechanismus zum Vorsehen von Schutz vor Überbelastung mit einer Kraft an der Formgedächtnislegierung 218 während des Betriebs der Wärmekraftmaschine 216 an dem Rahmen 260 befestigt werden. Der Dämpfer 272 kann zum Beispiel in Fällen, da die Kraft an der Formgedächtnislegierung 218 zwischen dem Rahmen 260 und dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 262 höher als ein erwünschter Wert ist, Dämpfungsschutz vorsehen.
In der gezeigten Ausführungsform wandelt der Bewegungsumwandlungsmechanismus 262 die von der Formgedächtnislegierung 218 eingeleitete lineare Bewegung in eine hydraulische Leistung für eine Pumpe oder einen Druckspeicher 274 um, die dann verwendet werden kann, um die Komponente 20, beispielsweise einen Generator, mit Leistung zu versorgen. Der Bewegungsumwandlungsmechanismus 262 kann auch ein Vorspannelement 276, beispielsweise eine Feder, umfassen. Das Vorspannelement 276 kann an der Formgedächtnislegierung 218 eine Nennzugkraft anlegen, um die Formgedächtnislegierung 218 beim Zurückkehren zu der ausgedehnten Länge zu unterstützen, wenn sich die Formgedächtnislegierung 218 zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegt.
Der Aktor 268 steuert die Bewegung des Rahmens 260, um den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 218 zu bewegen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Aktor 268 einen linearen Aktor 278, eine Steuervorrichtung 280 und einen Sensor 282. Der Aktor 278 bewegt den Rahmen 260 zwischen der in 7 gezeigten ersten Position 266A und der in 8 gezeigten zweiten Position 266B. Der Sensor 282 kann einen Stellungsgeber, einen Zeitgeber, einen Temperatursensor oder Kombinationen derselben umfassen. Die Daten von dem Sensor 282 werden in die Steuervorrichtung 280 eingegeben. Die Steuervorrichtung 280 nutzt die Daten von dem Sensor 282, um die Betätigung des Aktors 278 zu steuern, um den Rahmen 260 zwischen der ersten Position 266A und der zweiten Position 266B zu bewegen und somit die Formgedächtnislegierung zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 zu bewegen.
Es versteht sich, dass bei jedem der vorstehend erwähnten Beispiele das Fahrzeug 10 und/oder das Energiegewinnungssystem 242 mehrere Wärmekraftmaschinen 216 und/oder mehrere Komponenten 20 umfassen können/kann. D. h. ein Fahrzeug 10 kann mehr als eine Wärmekraftmaschine 216 und/oder Komponente 20 umfassen. Zum Beispiel kann eine Wärmekraftmaschine 216 mehr als eine Komponente 20 antreiben. Analog kann das Fahrzeug 10 mehr als ein Energiegewinnungssystem 242, das jeweils mindestens eine Wärmekraftmaschine 216 und Komponente 20 umfasst, umfassen. Mehrere Wärmekraftmaschinen 216 können im gesamten Fahrzeug 10 mehrere Bereiche mit Temperaturunterschieden nutzen.
9 und 10 veranschaulichen eine sechste Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 316. Ein erstes diskretes Element einer Formgedächtnislegierung 318 erstreckt sich von einem Rahmen 360 zu einem Bewegungsumwandlungsmechanismus 362. Der erste Bereich 12 befindet sich an einer Seite der Formgedächtnislegierung 318 und der zweite Bereich 14 befindet sich an der gegenüberliegenden Seite der Formgedächtnislegierung 318. In der gezeigten Ausführungsform kann der erste Bereich 12 ein Objekt 361 umfassen, das eine Wärme- oder Kältesenke ist. Analog kann der zweite Bereich 14 ein Objekt 363 umfassen, das eine Kälte- oder Wärmesenke ist. Alternativ kann der erste Bereich 12 das Objekt 361 sein und der zweite Bereich 14 kann das Objekt 363 sein. Der erste Bereich 12 weist daher eine erste Temperatur auf und der zweite Bereich 14 weist eine zweite Temperatur auf, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet. Die Formgedächtnislegierung 318 ist abwechselnd in thermischem Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit jedem von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 angeordnet. In dem Fall, da die Objekte 361, 363 der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 sind, kontaktiert die Formgedächtnislegierung 318 die Objekte 361, 363 körperlich, um Wärme auszutauschen. Deshalb kann die Formgedächtnislegierung 318 bei thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln.
Der Rahmen 360 wird von mehreren Rückstellfedern 364 gelagert. Der Rahmen 360 ist zwischen einer ersten Position 366A, die in 9 gezeigt ist, und einer zweiten Position 366B, die in 10 gezeigt ist, bewegbar. Ein Aktor 368 steuert die Bewegung des Rahmens 360 zwischen der ersten Position 366A und der zweiten Position 366B, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Wenn sich der Rahmen 360 zwischen der ersten Position 366A und der zweiten Position 366B bewegt, wird die Formgedächtnislegierung 318 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt. Der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 können jeweils ein Objekt sein, das eine Wärmequelle oder eine Wärmesenke ist, die jeweils an dem Rahmen 360 angebracht sind. Wenn der Rahmen 360 durch den Aktor 368 bewegt wird, werden der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 318 bewegt. Das Einwirken des ersten Bereichs 12 und des zweiten Bereichs 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 318 maßlich ausdehnt und zusammenzieht. Ferner ändert sich der Modul der Formgedächtnislegierung 318, wenn die Formgedächtnislegierung thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt wird. D. h. der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 318 ausreichend maßlich zusammenzieht oder ausdehnt. Als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen und die damit einhergehenden Änderungen des Moduls schwankt die Länge der Formgedächtnislegierung 318. Die Formgedächtnislegierung 318 wird zumindest teilweise linear verlagert, um eine wiederholte lineare Kraft auf den Bewegungsumwandlungsmechanismus 362 auszuüben. Dies wird durch die Phantomlinie 370 veranschaulicht, die einen festen Abstand von dem Rahmen 360 hat. Wie durch Vergleichen der Position des Bewegungsumwandlungsmechanismus 362 mit der Phantomlinie 370 ersichtlich ist, wird, wenn sich die Formgedächtnislegierung 318 ausreichend maßlich zusammenzieht, der Bewegungsumwandlungsmechanismus 362 linear hin zu dem Rahmen 360 (in 10 veranschaulicht) bewegt, und wenn sich die Formgedächtnislegierung 318 ausreichend maßlich ausdehnt, bewegt sich der Bewegungsumwandlungsmechanismus 362 linear weg von dem Rahmen 360 zu der ursprünglichen Position (in 9 gezeigt).
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 318 durch einen Dämpfer 372 oder einen anderen Mechanismus zum Vorsehen von Schutz vor Überbelastung mit einer Kraft an der Formgedächtnislegierung 318 während des Betriebs der Wärmekraftmaschine 316 an dem Rahmen 360 befestigt werden. Der Dämpfer 372 kann zum Beispiel in Fällen, da die Kraft an der Formgedächtnislegierung 318 zwischen dem Rahmen 360 und dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 362 höher als ein erwünschter Wert ist, Dämpfungsschutz vorsehen.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Bewegungsumwandlungsmechanismus 362 ein Schubkurbelmechanismus, der die von der Formgedächtnislegierung 318 eingeleitete lineare Bewegung in eine Drehausgangsleistung umwandelt, wie durch Ausgangsleistung 374 angedeutet ist. Der Bewegungsumwandlungsmechanismus 362 kann auch ein Vorspannelement 376, beispielsweise eine Feder, umfassen. Das Vorspannelement 376 kann an der Formgedächtnislegierung 318 eine Nennzugkraft anlegen, um die Formgedächtnislegierung 318 beim Zurückkehren zu der ausgedehnten Länge zu unterstützen, wenn sich die Formgedächtnislegierung 318 zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegt.
Der Aktor 368 steuert die Bewegung des Rahmens 360, um den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 318 zu bewegen. In der gezeigten Ausführungsform ist der Aktor 368 ein Nocken 378, der an der Formgedächtnislegierung 318 schwenkbar befestigt ist, um den Rahmen 360 hin zu der zweiten Rahmenposition 366B vorzuspannen. Die Formgedächtnislegierung 318 dehnt sich maßlich aus und zieht sich maßlich zusammen, wenn sie sich zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegt. Wenn sich die Formgedächtnislegierung 318 zusammenzieht, und dreht die verkürzte Länge den Nocken 378 von der in 9 gezeigten ersten Position 378 zu der in 10 gezeigten zweiten Position 366B, um den Rahmen 360 zu bewegen. Wenn sich der Draht 378 analog ausdehnt, ermöglicht es die verlängerte Länge dem Nocken 378 und dem Rahmen 360, sich von der zweiten Position 366B zurück zu der ersten Position 366A zu bewegen. Der thermische Kontakt oder die Wärmetauschbeziehung der Formgedächtnislegierung 318 mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 steuert daher die Position des Rahmens 360 und treibt die Wärmekraftmaschine 16 an. Rückstellfedern 364 können eine Nennkraft auf die Formgedächtnislegierung 318 ausüben, um ein Ausdehnen der Formgedächtnislegierung 318 zu unterstützen, wenn die Formgedächtnislegierung 318 den Rahmen 360 von der zweiten Position 366B zu der ersten Position 366A bewegt.
11 und 12 veranschaulichen eine fünfte Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 416 für eine Energiegewinnungsvorrichtung 442. Ein erstes diskretes Element aus einer Formgedächtnislegierung 418 erstreckt sich von einem Träger 484 zu einem Bewegungsumwandlungsmechanismus 462. Der erste Bereich 12 befindet sich an einer Seite der Formgedächtnislegierung 418 und der zweite Bereich 14 befindet sich an der gegenüberliegenden Seite der Formgedächtnislegierung 418. In der gezeigten Ausführungsform kann der erste Bereich 12 ein Objekt 461, das eine an einem feststehenden Rahmen 460 angebrachte Wärme- oder Kältesenke ist, sein oder umfassen. Analog kann der zweite Bereich 14 ein Objekt 463 sein oder umfassen, das eine Kälte- oder Wärmesenke ist. Alternativ kann der erste Bereich 12 das Objekt 461 sein und der zweite Bereich 14 kann das Objekt 463 sein. Der erste Bereich 12 weist daher eine erste Temperatur auf und der zweite Bereich 14 weist eine zweite Temperatur auf, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet. Die Formgedächtnislegierung 418 ist abwechselnd in thermischem Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit jedem von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 angeordnet. In dem Fall, da die Objekte 461, 463 der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 sind, kontaktiert die Formgedächtnislegierung 418 die Objekte 461, 463 körperlich, um Wärme auszutauschen. Deshalb kann die Formgedächtnislegierung 418 bei thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit einem von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln.
Der Träger 484 wird von einer Rückstellfeder 464 gelagert. Der Träger 484 ist zwischen einer ersten Position 466A, die in 11 gezeigt ist, und einer zweiten Position 466B, die in 12 gezeigt ist, bewegbar. Der Rahmen 460, der das erste Objekt 461 und das zweite Objekt 462 lagert, bleibt feststehend. Ein Aktor 468 steuert die Bewegung des Trägers 484 zwischen der ersten Position 466A und der zweiten Position 466B, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Wenn sich der Träger 484 zwischen der ersten Position 466A und der zweiten Position 466B bewegt, wird die Formgedächtnislegierung 418 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt. Der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 können jeweils ein Objekt sein, das eine Wärmequelle oder eine Wärmesenke ist, die jeweils an dem Rahmen 460 angebracht sind. Wenn der Rahmen 460 durch den Aktor 468 bewegt wird, werden der erste Bereich 12 und der zweite Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 18 bewegt. Das Einwirken des ersten Bereichs 12 und des zweiten Bereichs 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 418 maßlich ausdehnt und zusammenzieht. Ferner ändert sich der Modul der Formgedächtnislegierung 418, wenn die Formgedächtnislegierung 418 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt wird. D. h. der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 418 ausreichend maßlich zusammenzieht oder ausdehnt. Als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen und die damit einhergehenden Änderungen des Moduls schwankt die Länge der Formgedächtnislegierung 318. Die Formgedächtnislegierung 418 wird zumindest teilweise linear verlagert, um eine wiederholte lineare Kraft auf den Bewegungsumwandlungsmechanismus 462 auszuüben. Dies wird durch die Phantomlinie 470 veranschaulicht, die einen festen Abstand von dem Rahmen 460 hat. Wie durch Vergleichen der Position des Bewegungsumwandlungsmechanismus 462 mit der Phantomlinie 470 ersichtlich ist, wird, wenn sich die Formgedächtnislegierung 418 ausreichend maßlich zusammenzieht, der Bewegungsumwandlungsmechanismus 462 linear hin zu dem Rahmen 460 (in 12 veranschaulicht) bewegt, und wenn sich die Formgedächtnislegierung 418 ausreichend maßlich ausdehnt, bewegt sich der Bewegungsumwandlungsmechanismus 462 linear weg von dem Rahmen 460 zu der ursprünglichen Position (in 11 gezeigt).
Ferner kann die Formgedächtnislegierung 418 durch einen Dämpfer 472 oder einen anderen Mechanismus zum Vorsehen von Schutz vor Überbelastung mit einer Kraft an der Formgedächtnislegierung 418 während des Betriebs der Wärmekraftmaschine 416 an dem Träger 484 befestigt werden. Der Dämpfer 472 kann zum Beispiel in Fällen, da die Kraft an der Formgedächtnislegierung 418 zwischen dem Träger 484 und dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 462 höher als ein erwünschter Wert ist, Dämpfungsschutz vorsehen.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Bewegungsumwandlungsmechanismus 462 ein Schubkurbelmechanismus, der die von der Formgedächtnislegierung 418 eingeleitete lineare Bewegung in eine Drehausgangsleistung umwandelt, wie durch Ausgangsleistung 474 angedeutet ist. Der Bewegungsumwandlungsmechanismus 462 kann auch ein Vorspannelement 476, beispielsweise eine Feder, umfassen. Das Vorspannelement 476 kann an der Formgedächtnislegierung 418 eine Nennzugkraft anlegen, um die Formgedächtnislegierung 18 beim Zurückkehren zu der ausgedehnten Länge zu unterstützen, wenn sich die Formgedächtnislegierung 418 zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegt.
Die Bewegung des Rahmens 460 durch den Aktor 468, um die Formgedächtnislegierung 418 abwechselnd in thermischen Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 zu bewegen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Aktor 468 einen linearen Aktor 478, eine Steuervorrichtung 480 und einen Sensor 482. Der Aktor 478 bewegt den Träger 484 zwischen der in 11 gezeigten ersten Position 466A und der in 12 gezeigten zweiten Position 466B. Wenn sich der Träger zwischen der ersten Position 466A und der zweiten Position 466B bewegt, wird die Formgedächtnislegierung 418 zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegt. Der Sensor 482 kann einen Stellungsgeber, einen Zeitgeber, einen Temperatursensor oder Kombinationen derselben umfassen. Die Daten von dem Sensor 482 werden in die Steuervorrichtung 480 eingegeben. Die Steuervorrichtung 480 nutzt die Daten von dem Sensor 478, um die Betätigung des Aktors 478 zu steuern, um den Träger 484 zwischen der ersten Position 466A und der zweiten Position 466B zu bewegen, und somit wird die Formgedächtnislegierung 418 dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt.
13 und 14 veranschaulichen eine sechste Ausführungsform der Wärmekraftmaschine 516 für eine Energiegewinnungsvorrichtung 542. Eine erste diskrete Länge eines Drahts aus einer Formgedächtnislegierung 518 erstreckt sich von einem Träger 560 zu einem Bewegungsumwandlungsmechanismus 562. Der erste Bereich 12 befindet sich nahe dem Träger 560 und der zweite Bereich 14 befindet sich nahe dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 für die Wärmekraftmaschine 516.
Die Wärmekraftmaschine 516 kann sich nahe einer Leitung 532 befinden. Die Leitung 532 umgibt im Allgemeinen den ersten Bereich 12 oder befindet sich in diesem. Durch die Leitung 532 kann Fluid strömen. Auch wenn sich der erste Bereich 12 zum großen Teil oder vollständig in der Leitung 532 befinden kann, steht die Formgedächtnislegierung 518 mit dem ersten Bereich 12 in thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung. Das Fluid innerhalb des Energiegewinnungssystems 542, das den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14 bildet, kann aus einer Gruppe von Gasen, Flüssigkeiten und Kombinationen davon gewählt sein. Das Fluid kann zum Beispiel Fahrzeugabgas sein, und der erste Bereich 12 kann ein Abgasrohr für das Fahrzeug 10 sein. Die Wärmekraftmaschine 516 befindet sich nahe dem Abgasrohr, um den Temperaturunterschied zwischen dem Inneren des Abgasrohrs und dem Äußeren des Abgasrohrs zu nutzen.
Der erste Bereich 12 weist daher eine erste Temperatur auf und der zweite Bereich 14 weist eine zweite Temperatur auf, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet. Die Formgedächtnislegierung 518 ist abwechselnd in thermischem Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit jedem von dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 angeordnet. Deshalb kann die Formgedächtnislegierung 518 bei thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 die kristallographische Phase zwischen Austenit und Martensit wechseln.
Eine Feder 564 erstreckt sich zwischen dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 und dem Träger 560. Der Träger 560 ist zwischen einer ersten Position 566A, die in 13 gezeigt ist, und einer zweiten Position 566B, die in 14 gezeigt ist, bewegbar. Ein Aktor 568 steuert die Bewegung des Trägers 560 zwischen der ersten Position 566A und der zweiten Position 566B. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Aktor 568 die Formgedächtnislegierung 518, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Wenn sich der Träger 560 zwischen der ersten Position 566A und der zweiten Position 566B bewegt, wird die Formgedächtnislegierung 518 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt. Wenn der Träger 560 von dem Aktor 568, genauer gesagt der Formgedächtnislegierung 518, bewegt wird, stehen der erste Bereich und der zweite Bereich abwechselnd in thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 518. Das Einwirken des ersten Bereichs 12 und des zweiten Bereichs 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 518 maßlich ausdehnt und zusammenzieht. Ferner ändert sich der Modul der Formgedächtnislegierung 518, wenn die Formgedächtnislegierung 518 thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 ausgesetzt wird. D. h. der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 518 ausreichend maßlich zusammenzieht oder ausdehnt.
Als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen und die damit einhergehenden Änderungen des Moduls schwankt die Länge der Formgedächtnislegierung 518, so dass eine wiederholte lineare Bewegung an dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 angelegt wird. Wenn sich die Formgedächtnislegierung 518 ausreichend maßlich zusammenzieht, bewegt sich der (in 14 veranschaulichte) Träger 560 linear hin zu dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 562, und wenn sich die Formgedächtnislegierung 518 ausreichend maßlich ausdehnt, bewegt sich der Träger 560 linear weg von dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 zu der (in 13 gezeigten) ursprünglichen Position.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 ein Generator, der die von der Formgedächtnislegierung 518 eingeleitete lineare Bewegung in eine elektrische Ausgangsleistung umwandelt. Zum Beispiel kann der Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 ein Wechselstromgenerator für das Fahrzeug 10 (in 1 gezeigt) sein. Der Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 kann auch einen Kolben 586 umfassen, der sich von dem Träger 560 zu dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 nach oben erstreckt. Ein Dauermagnet 588 ist an dem Kolben 586 angebracht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung 518 ausreichend maßlich zusammenzieht und ausdehnt, wird der Dauermagnet 588 relativ zu Wicklungen 590, die sich in dem Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 befinden, linear bewegt, um Strom zu erzeugen.
Der Aktor 568 steuert die Bewegung des Trägers 560, um den ersten Bereich 12 und den zweiten Bereich 14 abwechselnd in thermischen Kontakt oder in Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 518 zu bewegen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Aktor 568 die Formgedächtnislegierung 518k, die thermischen Barrieren 550, das Vorspannelement 564, den Träger 360 und einen Boden 580. Die thermischen Barrieren 550 erstrecken sich von dem festen Bewegungsumwandlungsmechanismus 562 zu dem Boden 580. Der Boden 580 ist an dem Kolben 586 befestigt, um sich mit dem Verbindungskolben 586 als Reaktion auf das Zusammenziehen und Ausdehnen der Formgedächtnislegierung 518 zu bewegen.
Wenn sich der Träger 560 in der ersten Position 566A befindet, steht der Träger 560 in körperlichem und thermischem Kontakt mit der Leitung 532. Der Träger 560 absorbiert Wärme von der Leitung 532. Die steigende Temperatur des Trägers 560 ist in thermischem Kontakt mit der Formgedächtnislegierung 518. Ferner steht die Formgedächtnislegierung auch in thermischem Kontakt mit der umgebenden Luft, um Wärme von dem Träger 560 und der Leitung 532 zu absorbieren. Wenn die Formgedächtnislegierung 518 dem ersten Bereich 12 ausgesetzt wird, zieht sich die Formgedächtnislegierung 518 zusammen und die verkürzte Länge bewegt den Boden 580. Der Boden 580 bewegt sich von der in 13 gezeigten ersten Position 566A zu der in 14 gezeigten zweiten Position 566B.
Die Bewegung des Bodens 590 zu der zweiten Position 566B biegt die thermischen Barrieren 550 und lässt Fluid von dem zweiten Bereich 14 über die Formgedächtnislegierung 518 strömen, wie durch den Pfeil F angedeutet ist. Ferner wird der Träger 560 weg von der Leitung 532 bewegt und beginnt ebenfalls abzukühlen. Sowohl der Luftstrom durch die offenen thermischen Barrieren 550 als auch der abkühlende Boden 560 stehen in thermischem Kontakt mit der Formgedächtnislegierung 518. Daher steht die Formgedächtnislegierung jetzt in Kontakt mit dem zweiten Bereich 14. Der thermische Kontakt mit dem zweiten Bereich 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 518 ausdehnt und das Vorspannelement 564 eine Zugkraft anlegt. Wenn sich die Formgedächtnislegierung 518 ausdehnt, ermöglicht es die verlängerte Länge, dass sich der Boden 580 von der zweiten Position 566B zurück zu der ersten Position 566A bewegt und dass sich der erste Bereich 12 zurück in thermischen Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit der Formgedächtnislegierung 518 bewegt. Der thermische Kontakt oder die Wärmetauschbeziehung der Formgedächtnislegierung 518 mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 steuert daher die Position des Bodens 580 und des Trägers 560. Wie vorstehend erwähnt kann das Vorspannelement 564 eine Kraft an der Formgedächtnislegierung 518 vorsehen, um das Ausdehnen des Drahts zu unterstützen, wenn die Formgedächtnislegierung 518 den Boden 580 von der zweiten Position 566B zu der ersten Position 566A bewegt.
Somit steht die Formgedächtnislegierung in thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem zweiten Bereich 14, wenn die thermischen Barrieren 550 gebogen sind, der Träger 560 nicht in Kontakt mit der Leitung steht und der Boden 580 sich in der zweiten Position 566B befindet. Analog steht die Formgedächtnislegierung 518 in thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12, wenn die thermischen Barrieren 550 geschlossen sind, der Träger in Kontakt mit der Leitung 532 steht und der Boden 580 sich in der ersten Position 566A befindet.
Obgleich die besten Ausführungsarten der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Energiegewinnungssystem, umfassend: einen ersten Bereich mit einer ersten Temperatur; einen zweiten Bereich mit einer zweiten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet; eine Wärmekraftmaschine, die zum Umwandeln von thermischer Energie zu mechanischer Energie ausgestaltet ist, wobei die Wärmekraftmaschine umfasst; ein erstes diskretes Element aus einer Formgedächtnislegierung mit einer kristallographischen Phase, die als Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zwischen Austenit und Martensit wechseln kann; und wobei sich als Reaktion auf die Phasenänderung das erste diskrete Element aus der Formgedächtnislegierung ausdehnt und zusammenzieht, um eine lineare Kraft auszuüben; einen Bewegungsumwandlungsmechanismus, der mit dem ersten diskreten Element funktionell verbunden ist, um durch die lineare Kraft angetrieben zu werden; und eine Komponente, die durch den Bewegungsumwandlungsmechanismus angetrieben wird.
Energiegewinnungssystem nach Anspruch 1, welches weiterhin einen Rahmen mit einem von einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, die an dem Rahmen in sowohl dem ersten Bereich als auch dem zweiten Bereich angebracht ist, umfasst, wobei der Rahmen relativ zu dem ersten diskreten Element aus der Formgedächtnislegierung bewegt wird, so dass das erste diskrete Element aus der Formgedächtnislegierung abwechselnd sowohl dem ersten Bereich als auch dem zweiten Bereich ausgesetzt wird.
Energiegewinnungssystem nach Anspruch 2, wobei die Bewegung des Rahmens als Reaktion auf die Änderung der kristallographischen Phase des ersten diskreten Elements aus der Formgedächtnislegierung erfolgt.
Energiegewinnungssystem nach Anspruch 2, welches weiterhin ein zweites diskretes Element aus der Formgedächtnislegierung mit einer kristallographischen Phase umfasst, die als Reaktion auf eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich zwischen Austenit und Martensit wechseln kann, und wobei die Bewegung des Rahmens als Reaktion auf die Änderung der kristallographischen Phase des zweiten diskreten Elements aus der Formgedächtnislegierung erfolgt.
Energiegewinnungssystem nach Anspruch 4, welches weiterhin ein Paar beabstandeter Rollen umfasst, die an dem Rahmen angebracht sind, wobei das zweite diskrete Element aus der Formgedächtnislegierung um die Rollen geführt und an gegenüberliegenden Enden an dem Rahmen befestigt ist, so dass die Änderung der kristallographischen Phase des zweiten diskreten Elements aus der Formgedächtnislegierung den Rahmen relativ zu der ersten Formgedächtnislegierung bewegt.
Energiegewinnungssystem nach Anspruch 2, welches weiterhin eine Steuervorrichtung umfasst, um die Bewegung des Rahmens zu steuern, wobei die Steuervorrichtung ein Signal liefert, um eine Bewegung des Rahmens als Reaktion auf einen von einem Stellungsgeber, einem Zeitgeber und einem Temperatursensor, der sich nahe der Formgedächtnislegierung befindet, auszulösen.
Energiegewinnungssystem nach Anspruch 6, welches weiterhin einen Aktor umfasst, um als Reaktion auf das Signal von der Steuervorrichtung eine Bewegung des Rahmens zu bewirken.
Energiegewinnungssystem nach Anspruch 1, wobei der Bewegungsumwandlungsmechanismus ein Schubkurbelmechanismus ist, um die lineare Kraft von dem ersten diskreten Element in eine Drehausgangsleistung umzuwandeln, um die Komponente anzutreiben.
Energiegewinnungssystem nach Anspruch 1, wobei der Bewegungsumwandlungsmechanismus ein Elektromagnet mit einem Kolben ist, der durch die lineare Kraft angetrieben wird, um dadurch den Elektromagnet mit Leistung zu versorgen.
Energiegewinnungssystem nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich eines von einer Wärmesenke und einer Kältesenke ist, wobei der zweite Bereich das andere von einer Wärmesenke und einer Kältesenke ist, und wobei die Formgedächtnislegierung abwechselnd die Wärmesenke und die Kältesenke körperlich kontaktiert, um thermischen Kontakt mit dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich herzustellen.