DE102010051802B4

DE102010051802B4 - Energiegewinnungssystem für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010051802B4
Application number: DE102010051802.6A
Authority: DE
Inventors: Paul W. Alexander; Alan L. Browne; Nancy L. Johnson; Nilesh D. Mankame; Xiujie Gao; Geoffrey P. McKnight; Andrew C. Keefe; Christopher P. Henry
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: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2030-11-19
Also published as: CN102072123A; CN102072123B; DE102010051802A1

Abstract

Wärmekraftmaschine, umfassend: ein erstes Bauteil; ein zweites Bauteil, das von dem ersten Bauteil beabstandet ist; ein Formgedächtnislegierungsmaterial, das das erste Bauteil und das zweite Bauteil funktionell miteinander verbindet; wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial ausgestaltet ist, um als Reaktion auf ein Einwirken einer ersten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit zu wechseln und sich dadurch zusammenzuziehen; und wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial ebenfalls ausgestaltet ist, um als Reaktion auf das Einwirken einer zweiten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit zu wechseln und sich dadurch auszudehnen; und eine Spannvorrichtung, die ausgestaltet ist, um an dem Formgedächtnislegierungsmaterial Zugspannung anzulegen, wenn sich das Formgedächtnislegierungsmaterial selektiv ausdehnt und zusammenzieht, so dass das Formgedächtnislegierungsmaterial straff ist und einen vorab festgelegten Spannungswert aufweist; wobei die Spannvorrichtung umfasst: ein Spannelement, das ausgestaltet ist, um das Formgedächtnislegierungsmaterial zu spannen; und eine Vorspannvorrichtung; wobei die Vorspannvorrichtung ausgestaltet ist, um das Spannelement in Kontakt mit dem Formgedächtnislegierungsmaterial vorzuspannen; und wobei die Vorspannvorrichtung aus dem Formgedächtnislegierungsmaterial in einem austentitischen Zustand gebildet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Wärmekraftmaschine mit einer Spannvorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fahrzeuge werden herkömmlicherweise durch Maschinen angetrieben, welche das Fahrzeug mit Leistung beaufschlagen und die Leistung bereitstellen, um eine Batterie des Fahrzeugs zu laden. Die Batterie liefert Leistung zum Starten der Maschine und zum Betreiben verschiedener Fahrzeugnebenaggregate. Während des Betriebs erzeugt die Maschine eine große Menge überschüssige Wärme, d. h. überschüssige thermische Energie, die typischerweise in die Atmosphäre abgegeben wird und verloren geht. Der technologische Fortschritt und das Verlangen der Fahrer nach Komfort haben zu zusätzlichen Leistungslasten von den Nebenaggregatsystemen geführt. Die erhöhten Leistungslasten haben zu größerer Anforderung an die Fahrzeugleistungsquellen geführt. Ferner geht ein großer Teil der Leistung von den Leistungsquellen des Fahrzeugs als Wärme verloren.
Anordnungen zum Erhöhen der Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines Fahrzeugs sind aber im Hinblick auf den seit langem bestehenden Wunsch nach kraftstoffsparenden Fahrzeugen wünschenswert. Daher sind Anordnungen wünschenswert, die die Leistungslast verringern und/oder die Effizienz der herkömmlichen Leistungsquellen des Fahrzeugs, beispielsweise der Batterie und der Maschine, steigern.
Herkömmliche Wärmekraftmaschinen sind aus den Druckschriften US 4 996 842 A und US 4 030 298 A bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine umfasst ein erstes Bauteil, ein zweites Bauteil, ein Formgedächtnislegierungsmaterial und eine Spannvorrichtung. Das zweite Bauteil ist von dem ersten Bauteil beabstandet. Das Formgedächtnislegierungsmaterial verbindet das erste Bauteil und das zweite Bauteil funktionell miteinander. Das Formgedächtnislegierungsmaterial ist ausgestaltet, um als Reaktion auf ein Einwirken einer ersten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Martensit zu Austenit zu wechseln und sich dadurch zusammenzuziehen. Das Formgedächtnislegierungsmaterial ist ebenfalls ausgestaltet, um als Reaktion auf das Einwirken einer zweiten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit zu wechseln und sich dadurch auszudehnen. Die Spannvorrichtung ist ausgestaltet, um an dem Formgedächtnislegierungsmaterial Zugspannung anzulegen, wenn sich das Formgedächtnislegierungsmaterial selektiv ausdehnt und zusammenzieht, so dass das Formgedächtnislegierungsmaterial straff ist.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung umfasst die Spannvorrichtung ein Spannelement, das ausgestaltet ist, um das Formgedächtnislegierungsmaterial zu spannen, und eine Vorspannvorrichtung, die ausgestaltet ist, um das Spannelement in Kontakt mit dem Formgedächtnislegierungsmaterial vorzuspannen. Ferner ist die Vorspannvorrichtung aus dem Formgedächtnislegierungsmaterial in einem austentitischen Zustand gebildet.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung umfasst die Wärmekraftmaschine mehrere erste Bauteile und mehrere zweite Bauteile, wobei jedes der mehreren ersten Bauteile in abwechselnder Beziehung mit jedem der mehreren zweiten Bauteile angeordnet ist und das Formgedächtnislegierungsmaterial sich in Folge um die abwechselnden mehreren ersten Bauteile und zweiten Bauteile erstreckt. Die Spannvorrichtung ist ausgestaltet, um mindestens eines der mehreren ersten und zweiten Bauteile radial zu bewegen, um das Formgedächtnislegierungsmaterial zu spannen. Die Spannvorrichtung umfasst weiterhin einen ersten Ring, der die mittlere Achse umgibt und mehrere erste Nutenbahnen definiert, und einen zweiten Ring, der die mittlere Achse umgibt und koaxial in dem ersten Ring angeordnet ist und mehrere zweite Nutenbahnen definiert. Jedes der mehreren ersten Bauteile ist in einer jeweiligen der mehreren ersten Nutenbahnen beweglich angeordnet, und jedes der mehreren zweiten Bauteile ist in einer jeweiligen der mehreren zweiten Nutenbahnen beweglich angeordnet. Jede der mehreren ersten und zweiten Nutenbahnen erstreckt sich relativ zu einer Linie, die sich tangential zu einer Innenfläche eines jeden des jeweiligen ersten und zweiten Rings erstreckt, unter einem spitzen Winkel. Jedes der mehreren ersten Bauteile ist ausgestaltet, um sich in den jeweiligen ersten Nutenbahnen relativ zu dem ersten Ring zu bewegen, so dass sich jedes der ersten Bauteile bezüglich der mittleren Achse radial bewegt, um das Formgedächtnislegierungsmaterial zu spannen. Jedes der mehreren zweiten Bauteile ist ausgestaltet, um sich in den jeweiligen zweiten Nutenbahnen relativ zu dem zweiten Ring zu bewegen, so dass sich jedes der zweiten Bauteile bezüglich der mittleren Achse radial bewegt, um das Formgedächtnislegierungsmaterial zu spannen.
Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der besten Ausführungsarten der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, leicht deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugs, das ein Energiegewinnungssystem mit einer Wärmekraftmaschine aufweist;
2 ist eine schematische Seitenansicht einer Wärmekraftmaschine von 1, die eine Spannvorrichtung aufweist;
3 ist eine schematische Seitenansicht einer anderen Wärmekraftmaschine von 1, die eine Spannvorrichtung aufweist;
4 ist eine schematische Seitenansicht einer noch anderen, nicht erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine von 1, die eine Spannvorrichtung aufweist; und
5 ist eine schematische Seitenansicht einer anderen Wärmekraftmaschine von 1, die eine Spannvorrichtung aufweist.
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 12. Das Energiegewinnungssystem 12 kann eine Wärmekraftmaschine 14 und eine angetriebene Komponente 16 umfassen.
Unter Bezug auf 2 umfasst die Wärmekraftmaschine 14 ein Formgedächtnislegierungsmaterial 22 und ist in einem ersten Fluidbereich 18 und einem zweiten Fluidbereich 20 funktionell angeordnet. Die Wärmekraftmaschine 14 umfasst auch ein erstes Bauteil 38 und ein zweites Bauteil 40. Das erste Bauteil 38 ist in dem ersten Fluidbereich 18 funktionell angeordnet, und das zweite Bauteil 40 ist in dem zweiten Fluidbereich 20 funktionell angeordnet. Die Wärmekraftmaschine 14 ist ausgestaltet, um thermische Energie, z. B. Wärme, in mechanische Energie und von mechanischer Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Genauer gesagt nutzt das Energiegewinnungssystem 12 einen Temperaturunterschied zwischen dem ersten Fluidbereich 18 und dem zweiten Fluidbereich 20, um mittels des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 mechanische und/oder elektrische Energie zu erzeugen, wie nachstehend näher erläutert wird.
Unter erneutem Bezug auf 1 definiert das Fahrzeug 10 einen Raum 24, der Leistungs- und Antriebsquellen für das Fahrzeug 10, d. h. eine Maschine und ein Getriebe (nicht gezeigt), die Wärme erzeugen, beherbergen kann. Der Raum 24 kann von der umliegenden Umgebung abgeschottet sein oder nicht, und kann einen oder mehrere Bereiche und Komponenten, beispielsweise ein Abgasrohr, einen Katalysator, Stoßdämpfer, Bremsen, und jeden anderen Bereich, in dem Energie abgegeben wird, beispielsweise in einem Fahrgastraum oder einem Batterieraum, d. h. in einem Elektrofahrzeug, umfassen.
Das Energiegewinnungssystem 12 ist zumindest teilweise in dem Raum 24 positioniert. Der Raum 24 umfasst den ersten Fluidbereich 18, der eine erste Temperatur aufweist, und den zweiten Fluidbereich 20, der eine zweite Temperatur aufweist, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet. Die erste Temperatur kann höher als die zweite Temperatur sein oder umgekehrt.
Der erste Fluidbereich 18 und der zweite Fluidbereich 20 können voneinander beabstandet sein oder können durch eine ausreichende Wärmetauschbarriere 26, beispielsweise ein Wärmeschild, eine Peltier-Vorrichtung und dergleichen, getrennt sein. Die Wärmetauschbarriere 26 kann genutzt werden, um den Raum 24 in den ersten Fluidbereich 18 und den zweiten Fluidbereich 20 zu unterteilen, so dass zwischen dem ersten Fluidbereich 18 und dem zweiten Fluidbereich 20 ein erwünschter Temperaturunterschied erreicht wird. Fluid in dem ersten Fluidbereich 18 und dem zweiten Fluidbereich 20 des Energiegewinnungssystems 12 kann Gas, Flüssigkeit oder Kombinationen davon sein. Wenn die Wärmetauschbarriere 26, die zwischen dem ersten und zweiten Fluidbereich 18, 20 angeordnet ist, eine Peltier-Vorrichtung ist, ist die Wärmetauschbarriere 26 ausgestaltet, um an einer Seite der Barriere 26 Wärme zu erzeugen und an einer gegenüberliegenden Seite der Barriere 26 zu kühlen. Der erste und der zweite Fluidbereich 18, 20 können mit einem Paar von (nicht gezeigten) Zylinderköpfen fluidverbunden sein, die die von dem jeweiligen Fluidbereich 18, 20 abgegebene Energie aufnehmen. Eine Pumpe kann in Fluidverbindung mit mindestens einem von erstem und zweitem Fluidbereich 18, 20 und den Zylinderköpfen angeordnet sein, um das Fluid umzuwälzen und zu bewegen. Das Energiegewinnungssystem 12 kann ausgestaltet sein, um Temperaturunterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidbereich 18, 20 in dem Fahrzeug 10 in Gebieten wie etwa nahe einem Katalysator, einer Fahrzeugbatterie, einem Getriebe, Bremsen, Aufhängungskomponenten, d. h. einem Stoßdämpfer, und/oder einem Wärmetauscher, d. h. einem Kühler, zu nutzen. Ferner kann das Energiegewinnungssystem 12 ausgestaltet sein, um Temperaturunterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidbereich 18, 20 in dem Fahrzeug 10 innerhalb eines Batterieraums 24 für ein Elektrofahrzeug oder innerhalb des Wärmetauschers zu nutzen. Es versteht sich, dass das Energiegewinnungssystem 12 ausgestaltet sein kann, um Temperaturunterschiede in anderen Gebieten des Fahrzeugs zu nutzen, wie es dem Fachmann bekannt ist. Ein Fachmann wäre in der Lage, Gebiete zu ermitteln, die einen zugehörigen Temperaturunterschied und eine geeignete Position für die Wärmekraftmaschine 14 des Energiegewinnungssystems 12 aufweisen, um Nutzen aus den Temperaturunterschieden zu ziehen.
Der Raum 24 kann ein Maschinenraum sein, in dem Fluid innerhalb des ersten Fluidbereichs 18 und des zweiten Fluidbereichs 20 Luft ist. Es versteht sich aber, dass auch andere Fluide, die dem Fachmann bekannt sind, innerhalb des Raums 24 verwendet werden können. Ferner können die Wärmekraftmaschine 14 und die Komponente 16 von einem belüfteten Gehäuse 28 umgeben sein. Das Gehäuse 28 kann Hohlräume (nicht gezeigt) definieren, durch die elektronische Komponenten, wie etwa Drähte, verlaufen können.
Unter Bezug auf 2 ist das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 in thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit jedem von erstem und zweitem Fluidbereich 18, 20 angeordnet. Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 der Wärmekraftmaschine 14 weist eine kristallographische Phase auf, die als Reaktion auf das Einwirken der ersten und der zweiten Temperatur des ersten und zweiten Fluidbereichs 18, 20 zwischen Austenit und Martensit wechseln kann. So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck ”Formgedächtnislegierung” (SMA, kurz vom engl. Shape Memory Alloy) auf Legierungen, die einen Formgedächtniseffekt zeigen. Das heißt, das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 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 das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 eine displazive Umwandlung statt einer diffusionellen Umwandlung erfahren, um zwischen Martensit und Austenit zu wechseln. Eine displazive Umwandlung liegt vor, wenn durch die koordinierte Bewegung von Atomen (oder Gruppen von Atomen) relativ zu ihren Nachbarn eine strukturelle Änderung erfolgt. 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 das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 beginnt, von der Austenitphase in die Martensitphase zu wechseln, ist als die Martensitstarttemperatur M_s bekannt. Die Temperatur, bei der das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 den Wechsel von der Austenitphase in die Martensitphase abschließt, ist als die Martensitendtemperatur M_f bekannt. Wenn das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 erwärmt wird, ist analog die Temperatur, bei der das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 beginnt, von der Martensitphase in die Austenitphase zu wechseln, als die Austenitstarttemperatur A_s bekannt. Die Temperatur, bei der das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 den Wechsel von der Martensitphase in die Austenitphase abschließt, ist als die Austenitendtemperatur A_f bekannt.
Daher kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 durch einen kalten Zustand, d. h. wenn eine Temperatur des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 unter der Martensitendtemperatur M_f des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 liegt, charakterisiert sein. Gleichermaßen kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 auch durch einen heißen Zustand charakterisiert sein, d. h. wenn die Temperatur des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 oberhalb der Austenitendtemperatur A_f des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 liegt.
Bei Betrieb kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22, das vorgedehnt oder Zugspannung unterzogen wird, bei Ändern der kristallographischen Phase die Abmessung ändern, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Das heißt, das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit wechseln und sich dadurch maßlich zusammenziehen, falls es pseudoplastisch vorgedehnt ist, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Umgekehrt kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit ändern und sich unter Spannung dadurch im Maß ausdehnen, um ebenfalls thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
”Pseudoplastisch vorgedehnt” bezieht sich auf ein Strecken des Formgedächtnislegierungsmaterials 22, während es sich in der Martensitphase befindet, so dass die Dehnung, die von dem Formgedächtnislegierungsmaterial 22 unter der Belastungsbedingung gezeigt wird, nicht vollständig wiederhergestellt wird, wenn sie entlastet wird, wobei rein elastische Dehnung vollständig wiederhergestellt werden würde. In dem Fall des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 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 es sich plastisch verformt hat, aber wenn es zu dem Punkt erwärmt wird, bei dem das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 sich in seine Austenitphase umwandelt, diese Dehnung wiederhergestellt werden kann, wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 zu der ursprünglichen Länge zurückkehrt, die beobachtet wurde, bevor irgendeine Last aufgebracht wurde. Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann vor dem Einbau in die Wärmekraftmaschine 14 gestreckt werden, so dass eine Nennlänge des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 die wiederherstellbare pseudoplastische Dehnung umfasst, die die zum Betätigen/Antreiben der Wärmekraftmaschine 14 verwendete Bewegung vorsieht. Ohne Vorstrecken des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 wäre während Phasenumwandlung wenig Verformung zu sehen.
Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann eine beliebige geeignete Zusammensetzung haben. Insbesondere kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 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 22 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. Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, solange das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, Dämpfungskapazität und dergleichen, aufweist. Ein Fachmann kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 gemäß den gewünschten Betriebstemperaturen innerhalb des Raums 24 (1) wählen, wie es nachstehend ausführlicher dargelegt wird. In einem besonderen Beispiel kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 Nickel und Titan umfassen.
Unter erneutem Bezug auf 1 und 2 kann die angetriebene Komponente 16 des Energiegewinnungssystems 12 ausgestaltet sein, um durch die mechanische Energie oder Leistung angetrieben zu werden, die in der Wärmekraftmaschine 14 aus der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie erzeugt wird. Insbesondere kann die vorstehend erwähnte Abmessungszusammenziehung und Abmessungsausdehnung des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 die Komponente 16 antreiben. Die Komponente 16 kann eine einfache mechanische Vorrichtung, etwa ein Generator, ein Lüfter, eine Kupplung, ein Gebläse, eine Pumpe, ein Kompressor und Kombinationen derselben sein. Es versteht sich, dass die Komponente 16 nicht auf diese Vorrichtungen beschränkt ist, da auch jede andere dem Fachmann bekannte Vorrichtung verwendet werden kann. Die Komponente 16 kann mit der Wärmekraftmaschine 14 funktionell verbunden sein, so dass die Komponente 16 durch die Wärmekraftmaschine 14 angetrieben wird. Die Komponente 16 kann genauer gesagt Teil eines bestehenden Systems innerhalb des Fahrzeugs 10, wie etwa ein Heiz- oder Kühlsystem und dergleichen, sein. Die von dem Formgedächtnislegierungsmaterial 22 wie vorstehend beschrieben bereitgestellte mechanische Energie kann die Komponente 16 antreiben oder kann anderen Systemen des Fahrzeugs 10 beim Antreiben der Komponente 16 Unterstützung bieten. Das Antreiben der Komponente 16 mit mechanischer Energie, die durch die Wärmekraftmaschine 14 geliefert wird, kann auch zulassen, dass ein zugehöriges existierendes System in dem Fahrzeug 10 in Größe/Kapazität verringert oder vollständig eliminiert werden kann. Die Wärmekraftmaschine 14 kann zum Beispiel so ausgestaltet sein, dass sie beim Antreiben eines Lüfters für das Heiz- und/oder Kühlsystem Unterstützung bietet, was ein Verringern einer Kapazität des Hauptheiz- und Kühlsystems ermöglicht, während Gewichts- und Energieeinsparungen vorgesehen werden. Ferner kann die von dem Energiegewinnungssystem 12 erzeugte mechanische Energie verwendet werden, um die Komponente 16 direkt anzutreiben oder um für spätere Nutzung gespeichert zu werden. Das Energiegewinnungssystem 12 kann daher ausgestaltet sein, um zusätzliche Energie zum Betreiben des Fahrzeugs 10 bereitzustellen und die Last an einer Hauptenergiequelle zum Antreiben des Fahrzeugs 10 zu verringern. Somit verbessert das Energiegewinnungssystem 12 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und die Reichweite des Fahrzeugs 10. Ferner kann das Energiegewinnungssystem 12 ausgestaltet sein, um autonom zu arbeiten, so dass keine Eingabe von dem Fahrzeug 10 erforderlich ist.
Wenn die Komponente 16 ein Generator ist, kann die Komponente/der Generator 20 ausgestaltet sein, um mechanische Energie von der Wärmekraftmaschine 14 in elektrischen Strom 30 umzuwandeln, wie in 1 und 2 bei 30 gezeigt ist. Die Komponente/der Generator 20 kann irgendeine geeignete Einrichtung sein, die zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrischen Strom 30 ausgestaltet ist. Die Komponente/der Generator 20 kann zum Beispiel ein Stromgenerator sein, der unter Verwenden von elektromagnetischer Induktion mechanische Energie in elektrischen Strom 30 umwandelt. Die Komponente/der Generator 20 kann einen (nicht gezeigten) Rotor umfassen, der bezüglich eines (nicht gezeigten) Stators dreht, um elektrischen Strom 30 zu erzeugen. Der durch die Komponente/den Generator 20 erzeugte elektrische Strom 30 kann dann verwendet werden, um das Versorgen eines oder mehrerer Systeme innerhalb des Fahrzeugs 10 mit Leistung zu unterstützen.
Unter Bezug auf 1 kann das Energiegewinnungssystem 12 ferner eine elektrische Steuereinheit 32 (ECU, kurz vom engl. Electronic Control Unit) umfassen, die ausgestaltet ist, um die erste und die zweite Temperatur des Fluids in dem ersten bzw. zweiten Fluidbereich 18, 20 zu steuern. Die ECU 32 kann mit dem Fahrzeug 10 funktionell verbunden sein. Die ECU 32 kann ein Computer sein, der elektronisch mit einer oder mehreren Steuereinrichtungen und/oder Sensoren des Energiegewinnungssystems 12 kommuniziert. Zum Beispiel kann die ECU 32 mit Temperatursensoren in dem ersten und/oder zweiten Fluidbereich 18, 20, einem Drehzahlregler der Komponente 16, Fluiddurchflusssensoren und/oder Messeinrichtungen, die zum Überwachen der Erzeugung elektrischen Stroms 30 durch die Komponente/den Generator 20 ausgestaltet sind, kommunizieren. Die ECU 32 kann ferner ausgestaltet sein, um das Gewinnen von Energie unter vorbestimmten Bedingungen des Fahrzeugs 10, z. B. nachdem das Fahrzeug 10 über einen ausreichenden Zeitraum betrieben wurde, so dass ein Temperaturunterschied zwischen dem ersten Fluidbereich 18 und dem zweiten Fluidbereich 20 bei einem optimalen Unterschied liegt, zu steuern. Es versteht sich, dass auch andere vorbestimmte Bedingungen des Fahrzeugs 10 verwendet werden können, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Die ECU 32 kann auch ausgestaltet sein, um eine Option vorzusehen, die Wärmekraftmaschine 14 von Hand zu übersteuern und ein Abschalten des Energiegewinnungssystems 12 zu ermöglichen. Eine (nicht gezeigte) Kupplung kann ebenfalls von der ECU 32 gesteuert werden, um die Wärmekraftmaschine 14 selektiv von der Komponente 16 auszurücken.
Wie ebenfalls in 1 gezeigt ist, kann das Energiegewinnungssystem 12 auch ein Übertragungsmedium 34 umfassen, das zum Leiten von elektrischem Strom 30 von dem Energiegewinnungssystem 12 ausgestaltet ist. Insbesondere kann das Übertragungsmedium 34 elektrischen Strom 30 von der Komponente 16 leiten. Das Übertragungsmedium 34 kann zum Beispiel eine Stromleitung oder ein elektrisch leitendes Kabel sein. Das Übertragungsmedium 34 kann elektrischen Strom 30 von dem Generator 20 zu einer Speichervorrichtung 36, z. B. einer Batterie für das Fahrzeug, leiten. Die Speichervorrichtung 36 kann sich nahe zu, aber getrennt von dem Fahrzeug 10 befinden. Eine solche Speichervorrichtung 36 kann das Nutzen des Energiegewinnungssystems 12 zum Beispiel bei einem geparkten Fahrzeug 10 ermöglichen. Das Energiegewinnungssystem 12 kann in einem anderen Beispiel ausgestaltet sein, um einen Temperaturunterschied zu nutzen, der durch eine Sonnenexposition auf einer Haube für den entsprechenden Raum 24 erzeugt wird, und kann die aus dem Temperaturunterschied erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie 30 umwandeln, die in der Speichervorrichtung 36 gespeichert wird.
Es versteht sich, dass bei jedem der vorstehend erwähnten Beispiele das Fahrzeug 10 und/oder das Energiegewinnungssystem 12 mehrere Wärmekraftmaschinen 14 und/oder mehrere Komponenten 16 umfassen können/kann. D. h. ein Fahrzeug 10 kann mehr als eine Wärmekraftmaschine 14 und/oder Komponente 16 umfassen. Zum Beispiel kann eine Wärmekraftmaschine 14 mehr als eine Komponente 16 antreiben. Analog kann das Fahrzeug 10 so ausgestaltet sein, dass es mehr als ein Energiegewinnungssystem 12 umfasst, wobei jedes Energiegewinnungssystem 12 mindestens eine Wärmekraftmaschine 14 und mindestens eine Komponente 16 umfasst. Die Verwendung von mehreren Wärmekraftmaschinen 14 kann im gesamten Fahrzeug 10 mehrere Bereiche mit Temperaturunterschieden nutzen.
Ferner kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 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 das Formgedächtnislegierungsmaterial 22, wenn es 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 es unter Zugspannung steht, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Wenn daher zwischen der ersten Temperatur des ersten Fluidbereichs 18 und der zweiten Temperatur des zweiten Fluidbereichs 20 ein Temperaturunterschied vorliegt, d. h. wenn der erste Fluidbereich 18 und der zweite Fluidbereich 20 nicht in thermischem Gleichgewicht sind, können sich jeweilige örtlich begrenzte Bereiche 66, 68 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22, die in dem ersten und/oder zweiten Fluidbereich 18, 20 angeordnet sind, bei Wechseln der kristallographischen Phase zwischen Martensit und Austenit maßlich ausdehnen bzw. zusammenziehen.
Das erste und/oder das zweite Bauteil 38, 40 können eine Scheibe, ein Zahnrad, eine Einwegkupplung, eine Feder und dergleichen sein. Die Einwegkupplung ist ausgestaltet, um eine Drehung der Bauteile 38, 40 in nur einer Richtung zuzulassen. Unter Bezug auf 2 ist das erste Bauteil 38 mit der Komponente 16 funktionell verbunden, so dass, wenn das erste Bauteil 38 infolge der Maßänderung des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 veranlasst wird, sich zu bewegen oder zu drehen, die Drehung des ersten Bauteils 38 die Komponente 16 antreibt. Auch wenn in 2 zwei Bauteile 38, 40 gezeigt sind, versteht sich, dass mehr oder weniger Bauteile 38, 40 verwendet werden können, wie dem Fachmann bekannt ist.
Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 verbindet das erste Bauteil 38 und das zweite Bauteil 40 funktionell miteinander. Das Formgedächtnislegierungsmaterial ist ausgestaltet, um als Reaktion auf ein Einwirken einer ersten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Martensit zu Austenit zu wechseln und sich dadurch zusammenzuziehen. Das Formgedächtnislegierungsmaterial ist analog ebenfalls ausgestaltet, um als Reaktion auf das Einwirken einer zweiten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit zu wechseln und sich dadurch auszudehnen. Die sich ergebende maßliche Änderung des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 kann eine Bewegung eines oder mehrerer der Bauteile 38, 40 veranlassen. Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann in einem Riemen 46 eingebettet sein. Genauer gesagt kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 als sich in Längsrichtung erstreckender Draht ausgestaltet sein, der in dem Riemen 46 eingebettet ist, so dass sich der Riemen 46 als Funktion des sich ebenfalls ausdehnenden und zusammenziehenden zugeordneten Formgedächtnislegierungsmaterials 22 in der Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht. Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann ein Draht sein, der eine erwünschte Querschnittform, d. h. rund, rechteckig, achteckig, bandförmig, oder jede andere dem Fachmann bekannte Form hat. Ferner kann der Riemen 46 zumindest teilweise aus einem nachgiebigen Material gebildet sein. Zum Beispiel kann das nachgiebige Material ein Elastomer, ein Polymer, Kombinationen derselben und dergleichen sein. Der Riemen 46 kann wie in 2 gezeigt als durchgehende Schleife oder wie in 5 gezeigt als länglicher Streifen ausgebildet sein. Es versteht sich, dass der Riemen 46 in einer beliebigen anderen dem Fachmann bekannten Konfiguration ausgestaltet sein kann.
Unter Bezug auf die in 2 gezeigte Wärmekraftmaschine 14 kann ein örtlich begrenzter Bereich 66 des Riemens 46 in dem ersten Fluidbereich 18 angeordnet sein, so dass die erste Temperatur bewirkt, dass sich ein entsprechender örtlich begrenzter Bereich 66 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 als Funktion der ersten Temperatur des ersten Fluidbereichs 18 entweder in Längsrichtung ausdehnt oder zusammenzieht. Analog kann ein anderer örtlich begrenzter Bereich 68 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 in ähnlicher Weise in dem zweiten Fluidbereich 20 angeordnet sein, so dass die zweite Temperatur bewirkt, dass sich der örtlich begrenzte Bereich 68 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 zusammen mit dem zugeordneten Abschnitt des Riemens 46 als Funktion der zweiten Temperatur des zweiten Fluidbereichs 20 entweder in Längsrichtung ausdehnt oder zusammenzieht. Wenn zum Beispiel die erste Temperatur des ersten Fluidbereichs 18 oder die zweite Fluidtemperatur des zweiten Fluidbereichs 20 in dem kalten Zustand ist, dehnen sich infolge eines Phasenwechsels des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 von der Austenitphase zu der Martensitphase der zugeordnete örtlich begrenzte Bereich 66 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22, der das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 umfasst, und der zugeordnete Abschnitt des Riemens 46 in Längsrichtung aus. Wenn aber die erste Temperatur des ersten Fluidbereichs 18 oder die zweite Temperatur des zweiten Fluidbereichs 20 in dem heißen Zustand ist, ziehen sich infolge eines Phasenwechsels des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 von der Martensitphase zu der Austenitphase der zugeordnete örtlich begrenzte Bereich 66 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 und der zugeordnete Riemen 46 in Längsrichtung zusammen.
Ein oder mehrere von erstem und/oder zweitem Bauteil 38, 40 können mit der Komponente 16 beweglich verbunden sein. Es versteht sich, dass das erste und/oder das zweite Bauteil 38, 40 mit mehr als einer Komponente 16 verbunden sein können, wie für den Fachmann verständlich ist. Zum Beispiel können die ersten Bauteile 38 mittels einer Antriebswelle 80 oder durch eine beliebige andere Verbindungsart, die dem Fachmann bekannt ist, mit der Komponente 16 funktionell verbunden sein. Genauer gesagt kann unter Bezug auf 2 das erste Bauteil 38 mit der Komponente 16 drehbar verbunden sein, so dass eine Drehung des ersten Bauteils 38 auch die Komponente 16 antreibt. Der Riemen 46 kann ein durchgehend schleifenartiger Riemen 48 sein, der um jedes von erstem und zweitem Bauteil 38, 40 geschlungen sein kann, so dass eine von dem Riemen 46 ausgeübte Bewegung eine Drehung jedes von erstem und zweitem Bauteil 38, 40 bewirkt. Das längsgerichtete Ausdehnen und/oder Zusammenziehen der örtlich begrenzten Bereiche 66, 68 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 überträgt eine Bewegung von dem Riemen 46 zu dem ersten und/oder zweiten Bauteil 38, 40, um die Komponente 16 mittels der Antriebswelle 80 zu bewegen oder anzutreiben. Demgemäß kann der Riemen 46 ausgestaltet sein, um sich als Reaktion auf das Einwirken der ersten und zweiten Temperatur kontinuierlich um das erste und das zweite Bauteil 38, 40 zu drehen, so dass sich mehrere örtlich begrenzte Bereiche 68, 68 des Riemens 46 kontinuierlich in den und aus dem ersten und zweiten Fluidbereich 18, 20 bewegen. Die örtlich begrenzten Bereiche 66, 68 sind diejenigen Abschnitte des Riemens 46, die sich zu einem bestimmten Moment in dem jeweiligen ersten und zweiten Fluidbereich 18, 20 befinden.
Das kontinuierliche Ausdehnen und Zusammenziehen der örtlich begrenzten Bereiche 66, 68 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 des Riemens 46 kann bewirken, dass der Riemen 46 Spiel aufweist. Um den Riemen 46 straff zu halten, kann die Wärmekraftmaschine 14 auch eine Spannvorrichtung 82 umfassen, die ausgestaltet ist, um an dem Riemen 46 Zugspannung anzulegen, wenn sich die örtlich begrenzte Bereiche 66, 68 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 maßlich ausdehnt und/oder zusammenziehen. In den in 2–5 gezeigten Ausführungsformen umfasst die Spannvorrichtung 82 ein Spannelement 84 und eine Vorspannvorrichtung 86. Das Spannelement 84 ist ausgestaltet, um an dem Riemen 46 Zugspannung anzulegen. Das Anlegen von Zugspannung an dem Riemen 46 hält den Riemen 46 straff, d. h. frei von Spiel. Ferner kann ein an dem Riemen 46 angelegter Betrag an Zugspannung selektiv verändert werden. Die Spannelemente 84 können eine Scheibe oder ein beliebiges anderes starres oder halbstarres Element sein, das ausgestaltet ist, um an dem Riemen 46 Zugspannung anzulegen. Die Vorspannvorrichtung 86 ist ausgestaltet, um das Spannelement 84 in Kontakt mit dem Riemen 46 vorzuspannen. Die Vorspannvorrichtung 86 kann eine Feder, d. h. eine Spiralfeder (wie in 2 und 5 bei 88 gezeigt), eine Blattfeder, Ringe (wie in 3 bei 90 und 92 gezeigt), Führungselemente (wie in 3 bei 94 und 96 gezeigt), lineare Aktoren (wie in 4 bei 98 gezeigt) und dergleichen sein. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Vorspannvorrichtung 86 aus Formgedächtnislegierungsmaterial 22 gebildet, das in seinem austenitischen Zustand befindlich ausgestaltet ist – d. h. in dem das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 eine superelastische Reaktion aufweist. In dieser Ausführungsform kann die Vorspannvorrichtung als Feder ausgebildet sein, die über einem breiten Verlagerungsbereich eine vollständig autonome, nahezu konstante Spannkraft vorsehen würde. Die Vorspannvorrichtung 86 ist ausgestaltet, um zwischen dem Spannelement 84 und einer Reaktionsfläche 100 funktionell angeordnet zu sein, so dass die Vorspannvorrichtung 86 gegen die Reaktionsfläche 100 reagiert, um das Spannelement 84 in Kontakt mit dem Riemen 46 vorzuspannen. Die Reaktionsfläche 100 kann eine beliebige Fläche sein, die sich bezüglich des Riemens 46 und/oder des Spannelements 84 nicht bewegt.
Unter näherem Bezug auf die in 2 gezeigte Wärmekraftmaschine 14 ist das erste Bauteil 38 von dem zweiten Bauteil 38 drehbar beabstandet. Das erste und das zweite Bauteil 38, 40 können Scheiben sein. Es versteht sich aber, dass das erste und/oder das zweite Bauteil 38, 40 jedes andere drehbare Element, das dem Fachmann bekannt ist, sein können.
Der durchgehend schleifenartige Riemen 48 erstreckt sich um das erste und das zweite Bauteil 38, 40. Das erste Bauteil 38 und der zugeordnete örtlich begrenzte Bereich 66 des durchgehend schleifenartigen Riemens 48 sind bei einer von erster und zweiter Temperatur in dem ersten Fluidbereich 18 angeordnet. Das zweite Bauteil 40 und der zugeordnete örtlich begrenzte Bereich 68 des durchgehend schleifenartigen Riemens 48 sind analog bei der anderen von erster und zweiter Temperatur in dem zweiten Fluidbereich 20 angeordnet. Die Komponente 16 ist mit dem ersten Bauteil 38 funktionell gekoppelt. Die Drehung des ersten Bauteils 38 mittels des Ausdehnens und Zusammenziehens der örtlich begrenzten Bereiche 66, 68 des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 des Riemens 46 wird durch den Temperaturunterschied zwischen dem ersten Fluidbereich 18 und dem zweiten Fluidbereich 20 hervorgerufen. Die Drehung des ersten Bauteils 38 treibt die Komponente 16 an, um elektrischen Strom zu erzeugen.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Vorspannvorrichtung 86 der Spannvorrichtung 82 zwischen der Reaktionsfläche 100 und dem Spannelement 84 funktionell angeordnet. Die Vorspannvorrichtung 86 legt eine Kraft 102 an dem Spannelement 84 an, die das Spannelement 84 weg von der Reaktionsfläche 100 und in Kontakt mit dem durchgehend schleifenartigen Riemen 48 vorspannt, so dass von dem Spannelement 84 an dem durchgehend schleifenartigen Riemen 48 eine Zugspannung angelegt wird. Die Spannvorrichtung 82 ist ausgestaltet, um den durchgehend schleifenartigen Riemen 48 in Zugspannung, d. h. frei von Spiel, zu halten, wenn sich die örtlich begrenzten Bereiche 66, 68 des durchgehend schleifenartigen Riemens 48 kontinuierlich ausdehnen und zusammenziehen, um Bewegung des ersten und des zweiten Bauteils 38, 40 zu veranlassen Die Vorspannvorrichtung 86 kann eine Spiralfeder 88 sein. Es versteht sich, dass andere Vorspannvorrichtungen 86, wie sie dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden können.
Unter Bezug auf die in 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen der Wärmekraftmaschinen 114, 214 sind mehrere erste und zweite Bauteile 38, 40 in beabstandeter Beziehung zueinander angeordnet und umgeben eine mittig positionierte Wärmequelle 104. Die ersten Bauteile 38 können jeweils in abwechselnder Beziehung mit jedem der zweiten Bauteile 40 angeordnet sein. Genauer gesagt kann jedes der ersten und zweiten Bauteile 38, 40 um eine mittlere Achse 106 in abwechselnder Beziehung zueinander angeordnet sein. Die Wärmequelle 104 kann entlang der mittleren Achse 106 zentriert sein, um den die mittlere Achse 106 umgebenden zweiten Bauteilen 40 gleichmäßige Temperaturen zu liefern. Ferner sind die zweiten Bauteile 40 radial näher zu der mittleren Achse 106 als die ersten Bauteile 38 angeordnet. Die ersten und zweiten Bauteile 38, 40 sind ausgestaltet, um relativ zueinander zu drehen. Die ersten und zweiten Bauteile 38, 40 können Scheiben, Räder, Zahnräder und dergleichen sein.
Der durchgehend schleifenartige Riemen 48 erstreckt sich in Folge abwechselnd um jedes von erstem und zweitem Bauteil 38, 40, um die mittlere Achse 106 zu umgeben. Der Riemen 46 erstreckt sich in Folge um die abwechselnden mehreren ersten und zweiten Bauteile 38, 40, so dass jedes der mehreren ersten Bauteile 38 in einer ersten Richtung 108 dreht und jedes der mehreren zweiten Bauteile 40 in einer zweiten Richtung 110 entgegengesetzt zur ersten Richtung 108 dreht, wie in 3 und 4 angedeutet ist. Es versteht sich, dass die in 3 und 4 angedeuteten Richtungen optional entgegengesetzt zu den gezeigten sein können, solange die erste und die zweite Richtung 108, 110 zueinander entgegengesetzt sind.
Die Spannvorrichtung 82 ist ausgestaltet, um einen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 38, 40 radial zu verändern, um an dem Riemen 46 mittels der Spannelemente 84, d. h. des ersten und des zweiten Bauteils 38, 40, kontinuierlich Zugspannung anzulegen. In den in 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen sind die zweiten Bauteile 40 radial näher zu der Wärmequelle 104 als die ersten Bauteile 38 angeordnet. Daher haben die zweiten Bauteile 40 eine höhere Temperatur als die ersten Bauteile 38. Genauer gesagt sind die ersten Bauteile 38 und die zugeordneten örtlich begrenzten Bereiche 66 in dem ersten Fluidbereich 18 bei der zweiten Temperatur funktionell angeordnet, so dass ein lineares Ausdehnen der örtlich begrenzten Bereiche 66 auftritt, um die zugeordneten ersten Bauteile 38 zu bewegen. Analog sind die zweiten Bauteile 40 und die zugeordneten örtlich begrenzten Bereiche 68 des durchgehend schleifenartigen Riemens 48 in dem zweiten Fluidbereich 20 bei der ersten Temperatur funktionell angeordnet, so dass ein lineares Zusammenziehen der zugeordneten örtlich begrenzten Bereiche 68 auftritt, um die zugeordneten zweiten Bauteile 40 zu bewegen.
Auch wenn dies in 3 und 4 nicht gezeigt ist, kann die Wärmequelle 104 alternativ ausgestaltet sein, um die Wärmekraftmaschine 114, 214 zu umgeben, so dass die ersten Bauteile 38 eine höhere Temperatur als die zweiten Bauteile 40 haben. In diesem Beispiel haben die ersten Bauteile 38 zusammen mit den zugeordneten örtlich begrenzten Bereichen 68 des durchgehend schleifenartigen Riemens 48 die erste Temperatur und die zweiten Bauteile 40 zusammen mit den zugeordneten örtlich begrenzten Bereichen 66 des durchgehend schleifenartigen Riemens 48 haben die zweite Temperatur.
Unter näherem Bezug auf die in 3 gezeigte Ausführungsform kann die Vorspannvorrichtung 86 der Spannvorrichtung 82 einen ersten Ring 90 und einen zweiten Ring 92 umfassen. Der erste Ring 90 umgibt die mittlere Achse 106 und definiert mehrere erste Nutenbahnen 116, die die mittlere Achse 106 umlaufend umgeben. Die ersten und zweiten Bauteile 38, 40 können als einzelne Spannelemente 84 wirken, um an dem durchgehend schleifenartigen Riemen 48 eine Zugspannung anzulegen. Das erste Bauteil 38 kann in einer jeweiligen der mehreren ersten Nutenbahnen 116 beweglich angeordnet sein. Der zweite Ring 92 umgibt die mittlere Achse 106 und ist in dem ersten Ring 90 koaxial angeordnet und definiert mehrere zweite Nutenbahnen 118, die die mittlere Achse 106 umlaufend umgeben. Jedes der zweiten Bauteile 40 kann in einer jeweiligen der zweiten Nutenbahnen 118 beweglich angeordnet sein. Jede der ersten und zweiten Nutenbahnen 116, 118 erstreckt sich relativ zu einer jeweiligen fiktiven Linie 112, die sich tangential zu einer Innenfläche 124 jedes der jeweiligen ersten und zweiten Ringe 90, 92 erstreckt, unter einem spitzen Winkel 120.
Die Vorspannvorrichtung 86 der Spannvorrichtung 82 umfasst auch mehrere erste und zweite Führungselemente 94, 96, die zwischen dem jeweiligen Spannelement 84 und der jeweiligen Reaktionsfläche 100 funktionell angeordnet sind. Die ersten und zweiten Führungselemente 94, 96 sind gleich der Anzahl jeweiliger erster und zweiter Bauteile 38, 40. Die ersten Führungselemente 94 definieren jeweils eine erste Führungsbahn 126. Analog definieren die zweiten Führungselemente 96 jeweils eine zweite Führungsbahn 128. Die ersten und zweiten Elemente 94, 96 erstrecken sich jeweils radial weg von der mittleren Achse 106. Jedes der ersten Elemente 94 ist axial benachbart zu einem jeweiligen der ersten Bauteile 38 und dem ersten Ring 90 angeordnet. Zum Beispiel kann jedes der ersten Elemente 94 zwischen dem ersten Ring 90 und dem jeweiligen ersten Bauteil 38 axial angeordnet sein. Jedes der zweiten Elemente 96 ist axial benachbart zu einem jeweiligen der zweiten Bauteile 40 und dem zweiten Ring 92 angeordnet. Zum Beispiel kann in gleicher Weise jedes der zweiten Elemente 96 axial zwischen dem zweiten Ring 92 und dem jeweiligen zweiten Bauteil 40 angeordnet sein. Durch jedes der ersten Bauteile 38 und die jeweilige erste Nutenbahn 116 und die erste Führungsbahn 126 können sich Achselemente 130 erstrecken. Ferner können sich Achselemente 130 durch jedes der zweiten Bauteile 40 und die jeweilige zweite Nutenbahn 118 und die zweite Führungsbahn 128 erstrecken.
Die Achselemente 130 lassen die ersten und zweiten Bauteile 38, 40 relativ zu den jeweiligen Ringen 90, 92 und Führungselementen 94, 96 drehen, während sie sich auch in jeweilige Bahnen 116, 118, 126, 128 erstrecken, um die Bauteile 38, 40 mit den jeweiligen Ringen 90, 92 und Führungselementen 94, 96 beweglich zu verbinden. Die Achselemente 130 der ersten Bauteile 38 sind ausgestaltet, um sich gleitend in den jeweiligen ersten Nutenbahnen 116 und den ersten Führungsbahnen 126 relativ zu dem ersten Ring 90 bzw. dem ersten Führungselement 94 zu bewegen, so dass jedes der ersten Bauteile 38 sich radial weg von der mittleren Achse 106 bewegt, um an dem Riemen 46 Zugspannung anzulegen. Analog ist jedes der zweiten Bauteile 40 ausgestaltet, um sich in den jeweiligen zweiten Nutenbahnen 118 und den zweiten Führungsbahnen 128 relativ zu dem zweiten Ring 92 bzw. dem zweiten Führungselement 96 zu bewegen, so dass sich jedes der zweiten Bauteile 40 radial hin zu der mittleren Achse 106 bewegt, um an dem Riemen 46 Zugspannung anzulegen.
Die Bewegung der ersten und zweiten Bauteile 38, 40 in den jeweiligen Bahnen 116, 118, 126, 128 kann durch Drehen des ersten und/oder zweiten Rings 90, 92 um die mittlere Achse 106 mit einem Aktor 132 oder Vorspannelement erleichtert werden. In dieser Ausführungsform wird jedes der ersten und zweiten Führungselemente 94, 96 daran gehindert, relativ zu der mittleren Achse 106 zu drehen, während es ausgestaltet ist, um sich radial hin und weg von der mittleren Achse 106 zu bewegen. Die Drehung des ersten Rings 90 um die mittlere Achse 106 bewirkt, dass sich jedes der ersten Bauteile 38 in der jeweiligen ersten Nutenbahn 116 bewegt, während es bezogen auf die mittlere Achse 106 radial innerhalb der jeweiligen ersten Führungsbahn 126 des festgehaltenen ersten Führungselements 94 geführt wird. Dadurch übt das erste Bauteil 38 an dem Riemen 46 Zugspannung aus, wenn sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 in Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht. Die Drehung des zweiten Rings 92 um die mittlere Achse 106 bewirkt analog, dass sich jedes der zweiten Bauteile 40 in der jeweiligen zweiten Nutenbahn 118 bewegt, während es bezogen auf die mittlere Achse 106 radial innerhalb der jeweiligen zweiten Führungsbahn 128 des festgehaltenen zweiten Führungselements 96 geführt wird. Dadurch übt das zweite Bauteil 40 an dem Riemen 46 Zugspannung aus, wenn sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 in Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht. Daher wird eine radiale Bewegung des ersten und/oder zweiten Führungselements 94, 96 durch Drehen nur des ersten und/oder zweiten Rings 90, 92 um die mittlere Achse 106 erleichtert. Ferner kann der Aktor 132 mit der ECU 32 funktionell verbunden sein, die ausgestaltet ist, um eine Betätigung des Aktors 132 zu steuern, um den ersten und/oder zweiten Ring 90, 92 um die mittlere Achse 106 zu drehen, um die Achsenposition der ersten und/oder zweiten Bauteile 38, 40 zu verändern, um die an dem Riemen 46 angelegte Zugspannung zu steuern.
Alternativ können die ersten und zweiten Ringe 90, 92 und die ersten und zweiten Führungsbahnen 126, 128 um die mittlere Achse 106 unabhängig drehbar sein. In dieser Ausführungsform können sich die ersten und/oder zweiten Führungselemente 94, 96 auch radial hin zu und weg von der mittleren Achse 106 bewegen, während die ersten und/oder zweiten Ringe 90, 92 um die mittlere Achse 106 drehen. Die radiale Bewegung der ersten und/oder zweiten Führungselemente 94, 96 bewirkt, dass sich die jeweiligen ersten und/oder zweiten Bauteile 38, 40 innerhalb der jeweiligen ersten oder zweiten Führungsbahnen 126, 128 bewegen und sich bezüglich der mittleren Achse 106 radial bewegen, während sie die jeweiligen ersten und/oder zweiten Ringe 90, 92 um die mittlere Achse 106 drehen lassen. Die Bewegung der Ringe 90, 92 und der Führungselemente 94, 96 bewirkt, dass die Bauteile 38, 40 an dem durchgehend schleifenartigen Riemen 48 Zugspannung anlegen, wenn sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 in Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht.
Die ersten und zweiten Ringe 90, 92 sieht kombiniert mit den ersten und zweiten Führungselementen 94, 96 eine gleichmäßige radiale Bewegung der jeweiligen ersten und zweiten Bauteile 38, 40 vor, wenn an dem durchgehend schleifenartigen Riemen 48 Zugspannung angelegt wird. Daher bewegt eine Bewegung des ersten Rings 90 um die mittlere Achse 106 abhängig von der Drehrichtung jedes der ersten Bauteile 38 gleichmäßig radial hin zu oder weg von der mittleren Achse 106. Analog bewegt eine Bewegung des zweiten Rings 92 um die mittlere Achse 106 abhängig von der Drehrichtung des jeweiligen Rings 90, 92 jedes der zweiten Bauteile 40 gleichmäßig radial hin zu oder weg von der mittleren Achse 106.
Unter Bezug nun auf die in 4 gezeigte Wärmekraftmaschine 214, kann die Spannvorrichtung 82 mehrere lineare Aktoren 98 umfassen. Jeder lineare Aktor 98 ist mit einem jeweiligen der ersten und zweiten Bauteile 38, 40 unabhängig funktionell verbunden. Die linearen Aktoren 98 sind ausgestaltet, um ein jeweiliges erstes oder zweites Bauteil 38, 40, d. h. Vorspannelemente 84, hin zu oder weg von der mittleren Achse 106 radial zu bewegen, um an dem durchgehend schleifenartigen Riemen 48 Zugspannung anzulegen, wenn sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 in Längsrichtung ausdehnt oder zusammenzieht. Die linearen Aktoren 98 können jede Art von dem Fachmann bekannter linearer Aktor 98 sein, der zwischen dem Spannelement 84 und der Reaktionsfläche 100 funktionell angeordnet ist. Die linearen Aktoren 98 können durch Hydraulik, elektrischen Strom, Pneumatik und dergleichen betrieben werden. Die linearen Aktoren 98 können auch mit der ECU 32 funktionell verbunden sein, die ausgestaltet ist, um die Bewegung der linearen Aktoren 98 zu steuern und die Achsenposition der ersten und/oder zweiten Bauteile 38, 40 zu verändern und die Zugspannung in dem Riemen 46 zu steuern. Das Verwenden der linearen Aktoren 98 kann eine nicht gleichmäßige radiale Bewegung eines oder mehrerer der ersten und/oder zweiten Bauteile 38, 40 relativ zu den anderen der ersten und/oder zweiten Bauteile 38, 40 zulassen, um an dem durchgehend schleifenartigen Riemen 48 unabhängig Zugspannung anzulegen.
Unter Bezug auf die in 5 gezeigte Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine 314 kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 ausgestaltet sein, um als Längsstreifen 76, der nicht schleifenartig ist und der sich zwischen einem Paar von Enden 78 erstreckt, angeordnet zu sein. In dieser Ausführungsform kann der Längsstreifen 76 so ausgestaltet sein, dass jedes Ende 78 des Längsstreifens 76 an einem jeweiligen Bauteil 38, 40 funktionell angebracht ist, so dass ein Ausdehnen und/oder Zusammenziehen des Längsstreifens 76 auf eines oder beide der Bauteile 38, 40 wirkt. Eines der Bauteile 38, 40 kann eine lineare Feder 134 sein, die mittels der Antriebswelle 80 und dergleichen mit der Komponente 16 funktionell verbunden ist. Der Längsstreifen 76 kann zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidbereich 18, 20 funktionell angeordnet sein. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der erste Fluidbereich 18 die erste Temperatur haben und der zweite Fluidbereich 20 kann die zweite Temperatur haben, wobei die erste Temperatur höher als die zweite Temperatur ist. Wenn der Längsstreifen 76 und der erste Fluidbereich 18 nah zueinander gebracht werden, wirkt die erste Temperatur des ersten Fluidbereichs 18 auf das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 des Längsstreifens 76, so dass sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 und der Längsstreifen 76 in Längsrichtung zusammenzieht. Wenn analog der Längsstreifen 76 und der zweite Fluidbereich 20 nah zueinander gebracht werden, wirkt die zweite Temperatur des zweiten Fluidbereichs 20 auf das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 des Längsstreifens 76, so dass sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 und der Längsstreifen in Längsrichtung ausdehnen. Das längsgerichtete Ausdehnen und Zusammenziehen des Längsstreifens 76 wirken auf die lineare Feder 134, um die Komponente anzutreiben. Das längsgerichtete Ausdehnen und Zusammenziehen können aber auch bewirken, dass der Längsstreifen 76 schlaff wird. Daher ist die Spannvorrichtung 82 ausgestaltet, um an dem Riemen Zugspannung anzulegen, so dass der Riemen 46 straff ist. Das Spannelement 84 der Spannvorrichtung 82 wirkt auf den Riemen 46, d. h. das Formgedächtnislegierungsmaterial 22, um den Riemen 46 gespannt zu halten. Die Vorspannvorrichtung 86 reagiert gegen die Reaktionsfläche 100, um das Spannelement kontinuierlich in Kontakt mit dem Formgedächtnislegierungsmaterial 22 vorzuspannen, wenn sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 in Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht.

Claims

Wärmekraftmaschine, umfassend: ein erstes Bauteil; ein zweites Bauteil, das von dem ersten Bauteil beabstandet ist; ein Formgedächtnislegierungsmaterial, das das erste Bauteil und das zweite Bauteil funktionell miteinander verbindet; wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial ausgestaltet ist, um als Reaktion auf ein Einwirken einer ersten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit zu wechseln und sich dadurch zusammenzuziehen; und wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial ebenfalls ausgestaltet ist, um als Reaktion auf das Einwirken einer zweiten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit zu wechseln und sich dadurch auszudehnen; und eine Spannvorrichtung, die ausgestaltet ist, um an dem Formgedächtnislegierungsmaterial Zugspannung anzulegen, wenn sich das Formgedächtnislegierungsmaterial selektiv ausdehnt und zusammenzieht, so dass das Formgedächtnislegierungsmaterial straff ist und einen vorab festgelegten Spannungswert aufweist; wobei die Spannvorrichtung umfasst: ein Spannelement, das ausgestaltet ist, um das Formgedächtnislegierungsmaterial zu spannen; und eine Vorspannvorrichtung; wobei die Vorspannvorrichtung ausgestaltet ist, um das Spannelement in Kontakt mit dem Formgedächtnislegierungsmaterial vorzuspannen; und wobei die Vorspannvorrichtung aus dem Formgedächtnislegierungsmaterial in einem austentitischen Zustand gebildet ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial eine durchgehende Schleife bildet.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, wobei jedes von erstem und zweitem Bauteil drehbar ist; wobei sich das Formgedächtnislegierungsmaterial um jedes von dem ersten und dem zweiten Bauteil erstreckt.
Wärmekraftmaschine, umfassend: mehrere erste Bauteile; mehrere zweite Bauteile, die von den ersten Bauteilen beabstandet sind; ein Formgedächtnislegierungsmaterial, das die ersten Bauteile und die zweiten Bauteile funktionell miteinander verbindet; wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial ausgestaltet ist, um als Reaktion auf ein Einwirken einer ersten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit zu wechseln und sich dadurch zusammenzuziehen; und wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial ebenfalls ausgestaltet ist, um als Reaktion auf das Einwirken einer zweiten Temperatur selektiv die kristallographische Phase von Austenit nach Martensit zu wechseln und sich dadurch auszudehnen; und eine Spannvorrichtung, die ausgestaltet ist, um an dem Formgedächtnislegierungsmaterial Zugspannung anzulegen, wenn sich das Formgedächtnislegierungsmaterial selektiv ausdehnt und zusammenzieht, so dass das Formgedächtnislegierungsmaterial straff ist und einen vorab festgelegten Spannungswert aufweist; wobei jedes der mehreren ersten Bauteile in abwechselnder Beziehung mit jedem der mehreren zweiten Bauteile angeordnet ist; wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial sich in Folge um die abwechselnden mehreren ersten Bauteile und zweiten Bauteile erstreckt; wobei die Spannvorrichtung ausgestaltet ist, um mindestens eines der mehreren ersten und zweiten Bauteile radial zu bewegen, um das Formgedächtnislegierungsmaterial zu spannen; wobei die Spannvorrichtung weiterhin einen ersten Ring, der die mittlere Achse umgibt und mehrere erste Nutenbahnen definiert, und einen zweiten Ring, der die mittlere Achse umgibt und koaxial in dem ersten Ring angeordnet ist und mehrere zweite Nutenbahnen definiert, umfasst; wobei jedes der mehreren ersten Bauteile in einer jeweiligen der mehreren ersten Nutenbahnen beweglich angeordnet ist; wobei jedes der mehreren zweiten Bauteile in einer jeweiligen der mehreren zweiten Nutenbahnen beweglich angeordnet ist; wobei jede der mehreren ersten und zweiten Nutenbahnen sich relativ zu einer Linie, die sich tangential zu einer Innenfläche eines jeden des jeweiligen ersten und zweiten Rings erstreckt, unter einem spitzen Winkel erstreckt; wobei jedes der mehreren ersten Bauteile ausgestaltet ist, um sich in den jeweiligen ersten Nutenbahnen relativ zu dem ersten Ring zu bewegen, so dass sich jedes der ersten Bauteile bezüglich der mittleren Achse radial bewegt, um das Formgedächtnislegierungsmaterial zu spannen; und wobei jedes der mehreren zweiten Bauteile ausgestaltet ist, um sich in den jeweiligen zweiten Nutenbahnen relativ zu dem zweiten Ring zu bewegen, so dass sich jedes der zweiten Bauteile bezüglich der mittleren Achse radial bewegt, um das Formgedächtnislegierungsmaterial zu spannen.