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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Energiegewinnungssystem mit einer durchgehenden Schleife aus einer Formgedächtnislegierung.
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HINTERGRUND
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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.
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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.
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Herkömmliche Energiegewinnungssysteme mit Komponenten aus Formgedächtnislegierungen sind aus den Druckschriften
US 2002 / 0 046 565 A1 und
US 2005 / 0 039 452 A1 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein erfindungsgemäßes Energiegewinnungssystem umfasst einen ersten Bereich mit einer ersten Temperatur, einen zweiten Bereich mit einer zweiten Temperatur, die sich von der ersten Temperatur unterscheidet, eine Leitung, die sich mindestens zum Teil in dem ersten Bereich befindet, und eine Wärmekraftmaschine, die zum Umwandeln von thermischer Energie in mechanische Energie ausgestaltet ist.
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Die Wärmekraftmaschine umfasst einen Träger, der eine ringförmige Gestalt hat und konzentrisch um die Leitung angeordnet ist und um eine erste Achse drehbar ist, und mehrere äußere Scheiben und mehrere innere Scheiben, wobei die äußeren und inneren Scheiben in abwechselnder Reihenfolge an dem ringförmigen Träger drehbar gelagert sind, so dass die äußeren und inneren Scheiben ringförmig um die Leitung herum angeordnet sind. Die äußeren Scheiben sind um eine jeweilige zweite Achse und die inneren Scheiben sind um eine jeweilige dritte Achse drehbar, wobei die erste Achse sowie die zweiten und dritten Achsen parallel zueinander ausgerichtet sind. Weiterhin sind die inneren Scheiben zumindest teilweise in dem ersten Bereich positioniert und die äußeren Scheiben sind zumindest teilweise in dem zweiten Bereich positioniert. Ferner umfasst die Wärmekraftmaschine mindestens eine durchgehende Schleife aus einer Formgedächtnislegierung, die abwechselnd um eine der Leitung zugewandte Innenseite der mehreren inneren Scheiben und eine von der Leitung abgewandte Außenseite der mehreren äußeren Scheiben geführt ist, wobei die durchgehende Schleife im Bereich der Innenseiten der inneren Scheiben im Wärmetauschkontakt mit dem ersten Bereich und im Bereich der Außenseiten der äußeren Scheiben im Wärmetauschkontakt mit dem zweiten Bereich steht. Der Träger wird als Reaktion auf die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich durch die Formgedächtnislegierung angetrieben, um um die Leitung zu drehen.
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Des Weiteren umfasst das Energiegewinnungssystem eine durch die Drehung des Trägers angetriebene Komponente.
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Die obigen Merkmale und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen leicht deutlich.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugs, das ein Energiegewinnungssystem aufweist;
- 2 ist eine schematische Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1;
- 3 ist eine schematische Teilendansicht der ersten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 und 2;
- 4 ist eine schematische Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1; und
- 5 ist eine schematische Teilendansicht der zweiten Ausführungsform des Energiegewinnungssystems von 1 und 4.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG
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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. Das Energiegewinnungssystem 42, 142 benutzt die 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 auch für nichtkraftfahrzeugtechnische Anwendungen zweckmäßig sein kann. Das Energiegewinnungssystem 42, 142 umfasst eine Wärmekraftmaschine 16, 116. Die Wärmekraftmaschine 16, 116 ist ausgestaltet, um thermische Energie, z.B. Wärme, in mechanische Energie, oder Wärme in mechanische und dann in elektrische Energie umzuwandeln, wie es nachstehend ausführlicher dargelegt wird.
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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, einen Kühlerschlauch, 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.
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Das Energiegewinnungssystem 42, 142 ist zumindest teilweise in dem Raum 40 angeordnet. Die Leistungs- und Antriebsquellen (nicht gezeigt) für das Fahrzeug 10 erzeugen typischerweise Wärme. Daher umfasst der Raum 40 den ersten 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.
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Fluid in dem Energiegewinnungssystem 42, 142 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 14 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 kann körperlichen Kontakt mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 haben, um die Temperaturdifferenz zwischen diesen auszunutzen.
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Mehrere Beispiele in einem Fahrzeug 10, bei denen das Energiegewinnungssystem 42, 142 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 kann so positioniert sein, dass der andere von erstem Bereich 12 oder zweitem Bereich 14 durch eine ausreichende Wärmetauschbarriere 50 getrennt ist, um den erforderlichen Temperaturunterschied vorzusehen. Die obige Liste umfasst nur Beispiele davon, wo das Energiegewinnungssystem 42, 142 angeordnet sein kann, und soll nicht allumfassend für die Anordnungen für das Energiegewinnungssystem 42, 142 sein. Ein Fachmann wäre in der Lage, Gebiete zu ermitteln, die eine zugehörige Temperaturdifferenz und geeignete Position für das Energiegewinnungssystem 42, 142 aufweisen, um Nutzen aus den Temperaturdifferenzen zu ziehen.
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Das Energiegewinnungssystem 42, 142 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 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 bereitgestellt wird, kann auch das Verringern der Größe/Kapazität eines zugehörigen bestehenden Systems in dem Fahrzeug 10 ermöglichen, was neben den Energieeinsparungen Gewichtseinsparungen vorsieht.
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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 zu elektrischem 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 elektrischem Strom EE sein. Die Komponente/der Generator 20 kann zum Beispiel ein Stromgenerator sein, der unter Verwenden von elektromagnetischer Induktion mechanische Energie in elektrischen 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.
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Wie vorstehend erläutert ist das Energiegewinnungssystem 42, 142 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. Zum Beispiel kann die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bei nur etwa 5°C und nicht mehr als etwa 100°C liegen. Anders gesagt kann die Temperaturdifferenz größer oder gleich etwa 5°C und kleiner oder gleich etwa 30°C sein, z.B. kleiner oder gleich etwa 10°C.
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Bei einer Variante umfasst das Energiegewinnungssystem 42, 142 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 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 Erzeugung elektrischen Stroms ausgestaltet sind, kommunizieren und/oder diese steuern. Die elektronische Steuereinheit 46 kann die Gewinnung von Energie unter vorbestimmten Bedingungen des Fahrzeugs 10 steuern. Zum Beispiel nachdem das Fahrzeug 10 für eine ausreichende Zeitdauer betrieben worden ist, um sicher zu stellen, dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 eine optimale Differenz ist. Eine elektronische Steuereinheit 46 kann auch die Option bieten, die Wärmekraftmaschine 16, 116 von Hand zu übersteuern, um zuzulassen, dass das Energiegewinnungssystem 42, 142 ausgeschaltet werden kann. Eine Kupplung (nicht gezeigt), die von der elektronischen Steuereinheit 46 gesteuert wird, kann dazu verwendet werden, die Wärmekraftmaschine 16, 116 von der Komponente 20 außer Eingriff zu bringen.
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Wie ebenfalls in 1 gezeigt ist, umfasst das Energiegewinnungssystem 42, 142 ein Übertragungsmedium 48, das zum Leiten von elektrischem Strom EE von dem Energiegewinnungssystem 42, 142 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, 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 bei einem geparkten Fahrzeug, beispielsweise 10, ermöglichen. Das Energiegewinnungssystem 42, 142 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.
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Ob die Energie von dem Energiegewinnungssystem 42, 142 verwendet wird, um eine Komponente 20 direkt anzutreiben, oder ob sie für spätere Nutzung gespeichert wird, liefert das Energiegewinnungssystem 42, 142 dem Fahrzeug 10 zusätzliche Energie und verringert die Last auf den Hauptenergiequellen zum Antreiben des Fahrzeugs 10. Somit verbessert das Energiegewinnungssystem 42, 142 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und die Reichweite für das Fahrzeug 10. Wie vorstehend beschrieben kann das Energiegewinnungssystem 42, 142 autonom arbeiten, wobei es keine Eingabe von dem Fahrzeug 10 erfordert.
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Es versteht sich, dass bei jedem der vorstehend erwähnten Beispielen das Fahrzeug 10 und/oder das Energiegewinnungssystem 42, 142 mehrere Wärmekraftmaschinen 16, 116 und/oder mehrere Komponenten 20 umfassen können/kann. D.h. ein Fahrzeug 10 kann mehr als eine Wärmekraftmaschine 16, 116 und/oder Komponente 20 umfassen. Zum Beispiel kann eine Wärmekraftmaschine 16, 116 mehr als eine Komponente 20 antreiben. Analog kann das Fahrzeug 10 mehr als ein Energiegewinnungssystem 42, 142, das jeweils mindestens eine Wärmekraftmaschine 16, 116 und Komponente 20 umfasst, umfassen. Mehrere Wärmekraftmaschinen 16, 116 können im gesamten Fahrzeug 10 mehrere Bereiche mit Temperaturunterschieden nutzen.
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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 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.
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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 Ms bekannt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 den Wechsel von der Austenitphase in die Martensitphase abschließt, ist als die Martensitendtemperatur Mf 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 As bekannt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung 18 den Wechsel von der Martensitphase in die Austenitphase abschließt, ist als die Austenitendtemperatur Af bekannt.
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Daher kann die Formgedächtnislegierung 18 durch einen kalten Zustand, d.h. wenn eine Temperatur der Formgedächtnislegierung 18 unter der Martensitendtemperatur Mf 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 Af der Formgedächtnislegierung 18 liegt.
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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.
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„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 18 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.
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Die Formgedächtnislegierung 18 kann irgendeine 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 den 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.
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Ferner kann die Formgedächtnislegierung 18 irgendeine 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, durchgehenden Schleifen und Kombinationen davon ausgewählt ist. Unter Bezugnahme auf 2 kann in einer Abwandlung die Formgedächtnislegierung 18 als durchgehende Schleifenfeder gebildet sein.
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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 Kontakt mit dem zweiten Bereich 14 kann die Formgedächtnislegierung 18 analog von Austenit nach Martensit wechseln.
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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 die Scheiben 24, 26 (in 2 gezeigt) dreht und somit die Komponente 20 antreibt.
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Unter Bezug auf 2 und 3 wird die (in 1 gezeigte) Komponente 20 durch die Wärmekraftmaschine 16 angetrieben. Das heißt, mechanische Energie, die aus der Umwandlung thermischer Energie durch die Formgedächtnislegierung 18 resultiert, kann die Komponente 20 antreiben. Insbesondere kann die vorstehend erwähnte Abmessungszusammenziehung und die Abmessungsausdehnung der Formgedächtnislegierung 18, die mit den Modulwechseln gekoppelt ist, die Komponente 20 antreiben.
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Die Wärmekraftmaschine 16 kann einen Träger 22 umfassen. Mehrere innere Scheiben 24 und mehrere äußere Scheiben 26 sind von dem Träger 22 drehend gelagert. Die inneren Scheiben 24 und die äußeren Scheiben 26 werden durch mehrere durchgehende Schleifen aus Formgedächtnislegierung 18 angetrieben, um zu drehen. Der Träger 22, die inneren Scheiben 24 und die äußeren Scheiben 26 sind im Allgemeinen konzentrisch um ein Rohr oder eine Leitung 32 angeordnet, das/die im Allgemeinen den ersten Bereich 12 umgibt oder in diesem positioniert ist. Durch die Leitung 32 kann Fluid strömen, wie durch Pfeil F angedeutet ist. Der erste Bereich 12 kann die Leitung 32 umgeben, so dass die Formgedächtnislegierung 18 mit dem ersten Bereich 12 in thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung steht. Alternativ kann der erste Bereich 12 die Leitung 32 sein und die Formgedächtnislegierung 18 kann die Leitung 32 körperlich kontaktieren, um die erwünschte Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 vorzusehen.
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Das Fluid innerhalb des (in 1 gezeigten) Energiegewinnungssystems 42, das den ersten Bereich 12 und/oder den zweiten Bereich 14 bildet, kann aus einer Gruppe von Gasen, Flüssigkeiten und Kombinationen davon gewählt sein. Das Fluid in dem ersten Bereich 12 kann zum Beispiel ein Abgas sein und die Leitung 32 kann ein Abgasrohr für das Fahrzeug 10 sein. Die Leitung 32 kann dagegen ein Kühlerschlauch sein und das Fluid in dem ersten Bereich 12 würde Kühlerfluid sein. Das Fluid in dem zweiten Bereich 14 würde daher Luft sein, die das Abgasrohr oder den Kühlerschlauch umgibt. Die Wärmekraftmaschine 16 ist um das Abgasrohr oder den Kühlerschlauch angeordnet, um den Temperaturunterschied zwischen dem Inneren des Abgasrohrs oder des Kühlerschlauchs und der Außenumgebung zu nutzen.
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Wenn sich örtlich begrenzte Bereiche der Formgedächtnislegierung 18 zwischen thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegen, dehnt sich die Formgedächtnislegierung 18 maßlich aus und zieht sich maßlich zusammen. Ferner ändert sich der Modul der Formgedächtnislegierung 18, wenn sich die örtlich begrenzten Bereiche der Formgedächtnislegierung 18 zwischen thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegen. Als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung 18 und der damit einhergehenden Änderungen des Moduls wird der Träger 22 angetrieben, um in einer durch Pfeil 28 angedeuteten ersten Drehrichtung um eine erste Achse A zu drehen.
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Im Einzelnen sind die inneren Scheiben 24 und die äußeren Scheiben 26 in einem abwechselnden Muster angeordnet. Die Formgedächtnislegierung 18 bildet mehrere durchgehende Schleifen, die sich jeweils um eine radiale Innenseite der inneren Scheiben 24 und eine radiale Außenseite der äußeren Scheiben 26 schlingen. Die radiale Innen- und die radiale Außenrichtung beziehen sich relativ zu der radialen Beziehung bezüglich der ersten Achse A.
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Der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 18 ausreichend maßlich zusammenzieht oder ausdehnt, um die äußeren Scheiben 26 in einer zweiten Drehrichtung 30 und die inneren Scheiben 24 in einer dritten Drehrichtung 34 zu drehen. Die zweite Drehrichtung 30 verläuft entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung 28 und der dritten Drehrichtung 34. Die äußeren Scheiben 26 drehen um die zweiten Achsen B und die inneren Scheiben 24 drehen um dritte Achsen C, die beide parallel zur ersten Achse sind. Das ausreichende maßliche Zusammenziehen oder Ausdehnen der Formgedächtnislegierung 18 bewirkt, dass die inneren Scheiben 24, die äußeren Scheiben 26 und der Träger 22 um die Leitung 32 drehen oder „gehen“. Der Träger 22 kann mit der (in 1 gezeigten) Komponente 20 verbunden sein, so dass die Drehung des Trägers 22 relativ zu der Leitung 32 eine Drehausgangsleistung vorsieht, die die Komponente 20 antreiben kann. Die mehreren Schleifen aus der Formgedächtnislegierung 18 weisen an mehreren Stellen um ihren Umfang jeweils ausreichendes maßliches Zusammenziehen und Ausdehnen auf, was an den inneren Scheiben 24 und den äußeren Scheiben 26 ein kumulatives Antriebsdrehmoment erzeugt.
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Die Drehzahl des Trägers 22 relativ zu der Komponente 20 kann optional durch einen oder mehrere (nicht gezeigte) Radsätze abgewandelt werden. Ferner steigt der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 mit dem Abstand zwischen den inneren Scheiben 24 und den äußeren Scheiben 26. Daher kann der Abstand zwischen den zweiten Achsen B und den dritten Achsen C nach Bedarf vergrößert oder verkleinert werden, um der Formgedächtnislegierung 18 mehr oder weniger Abstand zwischen dem inneren Abschnitt der inneren Scheiben 24 und dem äußeren Abschnitt der äußeren Scheiben 26 zu lassen. Was somit den Temperaturunterschied, der von der Formgedächtnislegierung 18 erfahren wird, und die Gesamtbewegungsgeschwindigkeit der Wärmekraftmaschine 16 erhöht oder verringert. Ein Fachmann wäre in der Lage, für eine vorgegebene Formgedächtnislegierung 18 und Energiegewinnungsvorrichtung 42 den optimalen Abstand zwischen den zweiten Achsen B und den dritten Achsen C zu ermitteln. Die Formgedächtnislegierung 18 kann in örtlich begrenzten Bereichen kontaktieren oder sich ausdehnen. Diese örtlich begrenzten Bereiche können sich zwischen den inneren Scheiben 24 und der äußeren Scheibe 26 befinden oder können der innere Abschnitt der inneren Scheibe 24 und der äußere Abschnitt der äußeren Scheiben 26 sein.
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Weiterhin kann die Komponente 20 eine (in 1 gezeigte) Antriebswelle 38 umfassen, die an den inneren Scheiben 24 und/oder den äußeren Scheiben 26 angebracht sein kann. Wenn die Formgedächtnislegierung 18 die inneren Scheiben 24 und/oder die äußeren Scheiben 26 antreibt, so dass sie um die Achsen B und C der Wärmekraftmaschine 16 drehen, dreht die Stütze die Antriebswelle 38 und treibt die Komponente 20 an. Alternativ kann der Träger 22 eine angetriebene Komponente eines Generators sein, beispielsweise der Rotor für den Generator.
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4 und 5 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine 116 zur Verwendung mit einem Wärmetauschsystem 142 für ein Fahrzeug 10 (in 1 gezeigt). Die Wärmekraftmaschine 116 kann einen exzentrisch geformten Träger 122 umfassen. Mehrere innere Scheiben 124 und mehrere äußere Scheiben 126 sind von dem Träger 122 drehend gelagert und werden von mehreren parallelen durchgehenden Schleifen aus Formgedächtnislegierung 118 angetrieben, so dass sie drehen. Die inneren Scheiben 124 und die äußeren Scheiben 126 sind im Allgemeinen in Buckeln 158 des Trägers 122 exzentrisch angeordnet. Die Buckel 158, die inneren Scheiben 124 und die äußeren Scheiben 126 sind im Allgemeinen exzentrisch um ein Rohr oder eine Leitung 132 angeordnet, das/die der erste Bereich 12 ist oder im Allgemeinen in dem ersten Bereich 12 positioniert ist. Durch die Leitung 132 kann Fluid strömen, wie durch Pfeil F angedeutet ist. Die Formgedächtnislegierung 118 steht mit dem ersten Bereich 12 in thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung.
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Wenn sich die örtlich begrenzten Bereiche der Formgedächtnislegierung 118 zwischen thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegen, dehnt sich die Formgedächtnislegierung 118 maßlich aus und zieht sich maßlich zusammen. Ferner ändert sich der Modul der Formgedächtnislegierung 118, wenn sich die örtlich begrenzten Bereiche der Formgedächtnislegierung 118 zwischen thermischem Kontakt oder Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewegen. Als Reaktion auf das maßliche Ausdehnen und Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung 118 und die damit einhergehenden Änderungen des Moduls wird der Träger 122 angetrieben, um in einer ersten Drehrichtung 128 um eine erste Achse A zu drehen.
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Weiter auf 5 eingehend, die einen Buckel 158 des Trägers 122 veranschaulicht, sind die äußeren Scheiben 126 von einem Antriebsriemen 160 umgeben. Die Formgedächtnislegierung 118 bildet eine durchgehende Schleife, die sich um die Leitung 132, eine radiale Außenseite der äußeren Scheiben 126 und des Antriebsriemens 160 schlingt. Die radiale Innen- und die radiale Außenrichtung beziehen sich relativ zu der radialen Beziehung bezüglich der ersten Achse A.
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Der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Bereich 12 und dem zweiten Bereich 14 bewirkt, dass sich die Formgedächtnislegierung 118 ausreichend maßlich zusammenzieht oder ausdehnt, um den Antriebsriemen 160 um die äußeren Scheiben 126 zu drehen. Die Formgedächtnislegierung 118 dreht um die Leitung 132 und die Drehung des Antriebsriemens 160 dreht die äußeren Scheiben 126. Die Formgedächtnislegierung 118, der Antriebsriemen 160 und die äußeren Scheiben 126 drehen alle in einer zweiten Drehrichtung 130. Der Antriebsriemen 160 dreht dann die inneren Scheiben 124 in einer dritten Drehrichtung 134. Die zweite Drehrichtung 30 verläuft entgegengesetzt zur ersten Drehrichtung 128 und der dritten Drehrichtung 134. Die äußeren Scheiben 126 drehen um zweite Achsen B und die inneren Scheiben 124 drehen um dritte Achsen C, die beide parallel zur ersten Achse A sind. Das ausreichende maßliche Zusammenziehen oder Ausdehnen der Formgedächtnislegierung 118 bewirkt, dass die inneren Scheiben 124, die äußeren Scheiben 126 und der Träger 122 um die Leitung 132 drehen oder „gehen“. Der Träger 122 kann mit der (in 1 gezeigten) Komponente 20 verbunden sein, so dass die Drehung des Trägers 122 relativ zu der Leitung 132 die Komponente 20 antreiben kann. Die mehreren durchgehenden Schleifen der Formgedächtnislegierung 118 sind in parallelen Schleifen entlang jedes Buckels 158 angeordnet. Die axiale Position der Formgedächtnislegierung 118 ist aber für jeden Buckel 158 versetzt angeordnet, um den Eingriff der Schleifen aus Formgedächtnislegierung 118 zwischen benachbarte Buckel 158 zu verhindern. Der in 4 gezeigte Träger 122 weist vier Buckel 158 auf, die jeweils mehrere durchgehende Schleifen aus der Formgedächtnislegierung 118 aufweisen. Ein Träger 122 kann aber mehr oder weniger Buckel 158 aufweisen. Ein Fachmann wäre in der Lage, die Anzahl an Buckeln 158 für eine bestimmte Wärmekraftmaschine 116 zu ermitteln.
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Die Drehzahl des Trägers 122 relativ zu der Komponente 20 kann optional durch einen oder mehrere (nicht gezeigte) Radsätze abgewandelt werden. Zudem kann die Komponente 20 eine Antriebswelle 38 (in 1 gezeigt) umfassen, die an dem Träger 122 angebracht ist. Wenn die Formgedächtnislegierung 118 die inneren Scheiben 124 und/oder die äußeren Scheiben 126 antreibt, so dass sie um die Achsen B und C der Wärmekraftmaschine 116 drehen, dreht der Träger die Antriebswelle 38 und treibt die Komponente 20 an. Alternativ kann der Träger 22 eine angetriebene Komponente eines Generators sein, beispielsweise der Rotor für den Generator.
