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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern und/oder Komprimieren von Fluiden. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Pumpe mit einem Fördermittel, das eine Formgedächtnisverbindung umfasst.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Formgedächtnislegierungen bekannt. Diese besitzen oftmals eine martensitische Niedertemperaturphase und eine austenitische Hochtemperaturphase. Die Umwandlung von einer Phase in die Andere geht mit einer signifikanten Temperaturänderung einher, beziehungsweise eine Temperaturänderung bewirkt eine Umwandlung von einer Phase in die jeweils Andere.
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Die kommerzielle Nutzung einer derartigen Formveränderung von Formgedächtnislegierungen ist bisher weitestgehend auf die Aktorik beschränkt. Beispielsweise wird in
US 6,247,493 B1 und
US 5,325,880 beschrieben, dass Formgedächtnislegierungen zur Bewegung eines beweglichen Bauteils ein einem Ventil verwendet werden, um so einen Durchfluss zu ermöglichen oder zu verhindern beziehungsweise die Durchflussgeschwindigkeit zu variieren.
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Aus
DE 10 2007 042 791 A1 ist ferner eine Pumpe oder ein Kompressor zum Verdichten oder Fördern von Gasen oder Flüssigkeiten insbesondere für den Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine bekannt. Dabei umfasst die Pumpe beziehungsweise der Kompressor einen Arbeitsraum, der von einer beweglichen Membran beziehungsweise einem Fördermittel begrenzt ist. Durch die Bewegung der Membran kann das Volumen des Arbeitsraums zum Zweck eines Pumpens beziehungsweise Komprimierens verändert werden. Das Fördermittel umfasst dabei eine Formgedächtnislegierung, durch die es temperaturinduziert bewegbar ist. Zum Pumpen beziehungsweise zum Komprimieren des Fluids kann an der dem Arbeitsraum entgegengesetzten Seite des Fördermittels ein Gas, wie etwa ein heißes Abgas oder kalte Umgebungsluft, periodisch entlang strömen, um so das Fördermittel mit der Formgedächtnislegierung zu bewegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Fördern und/oder Komprimieren von Fluiden, umfassend eine erste Fluidkammer zur Aufnahme von zu förderndem und/oder zu komprimierendem Fluid und eine zweite Fluidkammer zur Aufnahme von zu förderndem und/oder zu komprimierendem Fluid, wobei die erste Fluidkammer und die zweite Fluidkammer zumindest teilweise durch ein bewegliches Arbeitsmittel voneinander getrennt sind, das eine Formgedächtnisverbindung derart umfasst, dass das Arbeitsmittel temperaturabhängig von einer ersten Form in eine zweite Form und umgekehrt überführbar ist.
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Ein Arbeitsmittel im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein bewegliches Organ, das zum Fördern und/oder zum komprimieren eines Fluids dient. Folglich kann das Arbeitsmittel ein Fördermittel sein, das etwa als Membran ausgestaltet ist. Das Arbeitsmittel trennt dabei die erste Fluidkammer zumindest teilweise von der zweiten Fluidkammer. Das bedeutet, dass die erste Fluidkammer zweckmäßigerweise vollständig von der zweiten Fluidkammer getrennt ist. Diese Trennung kann jedoch neben dem Arbeitsmittel auch durch weitere Bauteile bewirkt werden, beispielsweise durch eine feststehende Trennwand. Vorzugsweise ist jedoch die erste Fluidkammer von der zweiten Fluidkammer vollständig durch das Arbeitsmittel getrennt.
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Dadurch, dass das Arbeitsmittel eine Formgedächtnisverbindung umfasst, kann das Arbeitsmittel durch eine Temperatursteuerung bewegt werden, also insbesondere durch die Temperatur des oder der zu fördernden und/oder zu komprimierenden Fluide. Eine Formgedächtnisverbindung zeigt dabei eine temperaturabhängige Formänderung. Dieser Formgedächtnis-Effekt beruht dabei insbesondere auf einer martensitischen Phasenumwandlung zwischen den geordneten Gitterstrukturen der Hochtemperaturphase (Austenit) und der Niedertemperaturphase (Martensit). Zwischen dem Temperaturbereich der Hochtemperaturphase und der Niedertemperaturphase liegt eine Temperaturschwelle bei der sich die Formänderung beim Erwärmen und Abkühlen vollzieht Die Niedertemperaturphase wird im Folgenden nicht beschränkend als erste Form bezeichnet, wohingegen die Hochtemperaturphase als zweite Form bezeichnet wird. Ein Bewegen des Arbeitsmittels bedeutet daher einen Wechsel beziehungsweise eine Verformung von der ersten Form in die zweite Form, beispielswiese ein Ausdehnen oder Kontrahieren.
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Folglich ist die erste Form dabei insbesondere die Form, welche die Formgedächtnisverbindung und damit das Arbeitsmittel bei einem kalten Temperaturbereich aufweist. Die zweite Form ist demgemäß die Form, welche die Formgedächtnisverbindung in einem warmen Temperaturbereich aufweist. Die Lage des kalten Temperaturbereichs beziehungsweise des warmen Temperaturbereichs ist dabei insbesondere abhängig von der gewählten Formgedächtnisverbindung. Daher lässt sich erfindungsgemäß das Arbeitsmittel temperaturabhängig von einer ersten Form in eine zweite Form und umgekehrt überführen.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Arbeitsmittel verwendet, um zwei Fluide mit einem unterschiedlichen Temperaturniveau zu fördern beziehungswiese zu pumpen und/oder zu komprimieren. Insbesondere können zwei Flüssigkeiten mit einem unterschiedlichen Temperaturniveau gefördert werden, wobei das Temperaturniveau des ersten Fluids über der Temperaturschwelle der Formgedächtnisverbindung sein sollte, wohingegen das Temperaturniveau des zweiten Fluids unter der Temperaturschwelle der Formgedächtnisverbindung sein sollte, oder umgekehrt. Dabei kommt das Arbeitsmittel alternierend mit dem kalten und dem warmen Fluid in Kontakt, wodurch eine Formänderung bewirkt wird. Diese Formänderung bewirkt, dass jeweils das warme beziehungsweise kalte Fluid gefördert beziehungsweise komprimiert wird.
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Die Vorrichtung kann dabei zum Arbeiten allein die Temperaturunterschiede zwischen den beiden Fluiden, insbesondere zwischen zwei Flüssigkeiten nutzen, um daraus direkt Energie für das Fördern oder Komprimieren der beiden Fluide zu gewinnen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet dabei, ohne an eine externe Energiezufuhr, wie etwa elektrischen Strom oder Pressluft, angeschlossen zu sein. Daher kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt werden. Insbesondere ist die Vorrichtung dazu geeignet, Pumpen zu konstruieren, die gegen Stromausfall abgesichert sind, oder die keinen Stromanschluss benötigen.
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Mechanische Verluste bei der Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie werden dabei durch einen einfachen Aufbau und durch die direkte Umwandlung weitgehend vermieden. Durch den einfachen Aufbau wird ferner nur wenig Bauraum benötigt, was die Einsatzgebiete weiter vergrößert. Darüber hinaus kann die thermische Hysterese auf ein Minimum reduziert werden.
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Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad der Vorrichtung durch die direkte temperaturinduzierte Formänderung des Arbeitsmittels allen indirekten Konzepten zur Nutzung von Formgedächtnisverbindungen im Wirkungsgrad überlegen. Denn durch die Phasenumwandlung kann eine hohe Energiedichte gespeichert werden. Beispielhafte und typische Energiedichten liegen bei etwa 3,88 J/g. Dies entspricht bei einer Frequenz des thermischen Zyklus von 0,5 Hz einer Leistung von 1,94 kW/kg.
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Folglich nutzt die erfindungsgemäße Vorrichtung die hohe Pseudoelastizität und den Zweiwegeeffekt des Formgedächtnisses bestimmter Formgedächtnisverbindungen aus, um zwei Fluide, die eine Temperaturdifferenz besitzen, periodisch zu fördern oder zu komprimieren.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Beispielsweise kann sie in einem Kühlkreislauf als Kühlmittelpumpe, etwa in einem Kraftfahrzeug, alleine oder unterstützend Verwendung finden. Der Vorteil liegt hier darin, dass die Vorrichtung auf Basis einer Formgedächtnisverbindung umso mehr Pumpleistung bringt, je höher der Lastzustand des Motors ist und sich damit die Temperaturdifferenz zwischen der Kühleraustrittstemperatur und der Kühlereintrittstemperatur vergrößert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ferner in Systemen einsetzbar, die die Abwärme im Abgasstrang beziehungsweise im Kühlkreislauf nutzen. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung keinen Strom verbraucht, sondern stattdessen die Abwärme nutzt, wird die Effizienz des Systems verbessert. Derartige Systeme können beispielsweise ein thermoelektrischer Generator oder Generatoren auf Basis des Organic Rankine Prozesses oder eines Dampfkreislaufprozesses sein.
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Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung Teil einer solarthermischen Anlage. Eine solarthermische Anlage ist dabei insbesondere eine Vorrichtung, die zur Wärmegewinnung beziehungsweise Energiegewinnung von Sonnenstrahlen dient, weshalb eine derartige Vorrichtung meist mit einem oder einer Vielzahl von Sonnenkollektoren ausgestattet ist. Insbesondere in der Solarthermie muss ein Überhitzen eines Wärmeträgerfluids in der Therme, also in dem Reservoir der Sonnenkollektoren, vermieden werden. Dazu muss das Wärmeträgerfluid kontinuierlich aus der Therme in den Warmwasserspeicher gepumpt werden, damit die Wärme abgegeben werden kann. Erreicht die Temperatur des Warmwasserspeichers die maximale Temperatur, muss die Wärme der Therme über einen Wärmetauscher an die Umgebung abgebeben werden. Für das Pumpen des Wärmeträgerfluids werden ungefähr 20 W an elektrischer Energie pro Therme benötigt. Diese Energiekosten können erfindungsgemäß gespart werden. Außerdem kann in einem System mit elektrischer Pumpe die Pumpe auf Basis einer Formgedächtnislegierung als redundante Pumpe eingesetzt werden. Diese Pumpe läuft dann kontinuierlich mit und unterstützt so eine elektrische Pumpe. Darüber hinaus stellt die redundante Pumpe die Betriebssicherheit im Falle eines Stromausfalls sicher. Folglich ist es möglich, eine solarthermische Anlage sowohl ausschließlich mit einer oder einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Pumpen zu betreiben, oder diese zusätzlich zu einer herkömmlichen Pumpe zu verwenden.
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Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Arbeitsmittel derart ausgebildet, dass es sowohl in seiner ersten Form als auch in seiner zweiten Form in der ersten Fluidkammer und in der zweiten Fluidkammer zumindest ein Restvolumen belässt. Das bedeutet, dass das Arbeitsmittel sich nicht vollständig an ein Gehäuse der Vorrichtung anlegt, sondern vielmehr ein gewisser Abstand beziehungsweise ein gewisses Spiel weiterhin vorhanden ist.
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Durch dieses Restvolumen beziehungsweise dieses Spiel kann sich stets zumindest ein Fluidrest, insbesondere ein Flüssigkeitsrest, in jeder der Fluidklammern befinden. Der Fluidrest bewirkt insbesondere in dem Fall einer Flüssigkeit als Fluid, durch seine Wärmespeicherkapazität eine thermische Trägheit, so dass die Formgedächtnisverbindung und damit das Arbeitsmittel erst dann seine Verformungstemperatur erreicht, wenn das Volumen in der jeweils anderen Kammer vollständig gefüllt ist. Dadurch kann in dieser Ausgestaltung eine stets gleichmäßige Verformung des Arbeitsmittels erzielt werden, was insbesondere bei groß dimensionierten oder länglich geformten Vorrichtungen der Fall ist. Denn so kann sichergestellt werden, dass sich nicht bei dem ersten Kontakt des Arbeitsmittels mit einem Fluid durch einen Temperaturunterschied nur ein Teil des Arbeitsmittels verformt.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das Restvolumen eine Größe aufweist, die in einem Bereich von ≥ 5% bis ≤ 30% des Gesamtvolumens liegt. Damit ist jeweils das Gesamtvolumen der jeweiligen Fluidkammer gemeint. Die Größe des Spiels beziehungsweise des Restvolumens kann dabei ein wichtiger Parameter zur Einstellung der Trägheit des Arbeitsmittels und damit der Arbeitsverlaufs der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein.
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Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Rückstellmittel vorgesehen, um ein Rückstellen des Arbeitsmittels von seiner ersten Form in seine zweite Form oder umgekehrt zu unterstützen. Ein Unterstützen bedeuten im Rahmen der Erfindung dabei, dass das Rückstellmittel als mechanischer Energiespeicher, sämtliche oder einen Teil der Kraft beziehungsweise Arbeit aufbringt, um die Formgedächtnisverbindung beziehungsweise das Arbeitsmittel von seiner ersten Form in seine zweite Form oder umgekehrt zu bringen. Diese Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, da insbesondere die Phasenumwandlung von der Hochtemperaturphase in die Tieftemperaturphase aufgrund der Umwandlungshysterese von Austenit zu Martensit bei einigen Formgedächtnisverbindungen keine oder nur geringe Fähigkeit besitzt, Arbeit zu verrichten. So kann ein Teil der mechanischen Arbeit, die bei der Bildung der Hochtemperaturphase entsteht, in dem Rückstellmittel mechanisch gespeichert werden. Dabei können ein oder eine Mehrzahl an Rückstellmitteln vorgesehen sein. Als Rückstellmittel kommen beispielswiese Federelemente in Frage.
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Es ist ferner bevorzugt, dass die Formgedächtnisverbindung ein Formgedächtnispolymer umfasst oder eine Formgedächtnislegierung, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Nickel-Titan-Legierung, Kuper-Zink-Legierung, Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung, Kupfer-Aluminium-Nickel-Legierung, Eisen-Nickel-Aluminium-Legierung. Derartige Verbindungen sind für eine erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet, da sie eine Temperaturschwelle in einem geeigneten Temperaturbereich aufweisen und ferner für ein Komprimieren beziehungswiese Pumpen ausreichende Formunterschiede aufweisen können. Derartige Temperaturbereiche liegen etwa in einem Bereich von ≥ 10°C bis ≤ 200°C, wobei dieser Bereich den Temperaturbereich beschreibt, in dem die Phasenumwandlung zwischen Hochtemperaturphase und Tieftemperaturphase und umgekehrt vollständig abgeschlossen ist.
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Es ist ferner bevorzugt, dass das Arbeitsmittel profiliert ausgebildet ist. Durch eine Profilierung kann die effektive Länge des Arbeitsmittels vergrößert werden. Dadurch ergibt sich ein größerer Hub und damit eine größere Bewegung zwischen der Form in kaltem beziehungsweise warmer Zustand. Die Förderkapazität beziehungsweise das Kompressionsverhalten kann so verbessert werden. Ferner wird eine gute Anpassung an die gewünschte Verwendung möglich. Geeignete Profilierungen umfassen etwa eine Wellenstruktur oder eine Zickzack-Struktur. Dabei ist die Profilierung vorzugsweise in den Randbereichen des Arbeitsmittels schwächer ausgeprägt, als in dem mittleren Bereich.
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Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Fluidkammer einen ersten Eingang und einen ersten Ausgang aufweist, wobei in dem ersten Eingang und/oder in dem ersten Ausgang ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet ist, und/oder dass die zweite Fluidkammer einen zweiten Eingang und einen zweiten Ausgang aufweist, wobei in dem zweiten Eingang und/oder in dem zweiten Ausgang ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Fluid nur in die gewünschte Richtung gefördert wird, jedoch nicht entgegen dieser Richtung. Ferner ist eine Kompression eines Fluids so besonders einfach möglich. Die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung kann so deutlich erhöht werden.
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Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ein Gehäuse auf, dessen Innenraum durch das Arbeitsmittel zumindest teilweise in zwei nebeneinanderliegende Bereiche getrennt wird, wobei die nebeneinanderliegenden Bereiche die erste Fluidkammer und die zweite Fluidkammer sind. Dies ist ein besonders einfacher Aufbau, der die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders kostengünstig gestaltet. Darüber hinaus benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in dieser Ausgestaltung besonders wenig Bauraum, was die Vorrichtung besonders kompakt gestaltet und die Anwendungsbereiche erhöht.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, dass das Arbeitsmittel drehbeweglich gelagert ist. Insbesondere sind dabei die seitlichen Enden des Arbeitsmittels drehbeweglich gelagert. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass im Vergleich zu einer starren Befestigung des Arbeitsmittels beziehungsweise dessen Enden sich keine schädlichen Spannungen bilden können. Dadurch wird sowohl die Haltbarkeit der Membran erhöht, als auch die Effizienz der temperaturinduzierten Bewegung beziehungsweise Verformung der Formgedächtnisverbindung gesteigert. Dies kann beispielsweise durch teflonbeschichtete Enden des Arbeitsmittels erfolgen, welche in Form eines Gleitlagers gelagert sind.
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Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ein rohrförmiges Gehäuse auf, in dem das Arbeitsmittel rohrförmig angeordnet ist derart, dass die erste Fluidkammer ringförmig außerhalb der zweiten Fluidkammer angeordnet ist, wobei die erste Fluidkammer, die zweite Fluidkammer, das Arbeitsmittel und das Gehäuse konzentrisch angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine Vorrichtung geschaffen werden, die zwar eine große Länge aufweist, deren Durchmesser jedoch sehr begrenzt sein kann. Darüber hinaus sind mit einer derartigen Vorrichtung besonders große Pumpleistungen beziehungswiese Kompressionsleistungen möglich. Ferner erlaubt die konzentrische Anordnung eine sehr gleichmäßige Belastung der Formgedächtnislegierung während des Arbeitszykluses, so dass Belastungsspitzen vermieden werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
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1 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 einen Arbeitszyklus der Ausführungsform aus 1;
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3 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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6 einen Arbeitszyklus der Ausführungsform aus 5;
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7 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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8 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gezeigt. Die Vorrichtung 10 ist dazu geeignet, Fluide zu fördern, beziehungsweise zu komprimieren. Im Folgenden wird in nicht beschränkender Weise auf das Fördern von Flüssigkeiten Bezug genommen.
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Die Vorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das beispielsweise als längliches Rohr mit halbrundem oder sichelförmigem Querschnitt ausgebildet sein kann. Innerhalb des Gehäuses 12 umfasst die Vorrichtung 10 eine erste Fluidkammer 14 zur Aufnahme von zu förderndem und/oder zu komprimierendem Fluid und eine zweite Fluidkammer 16 zur Aufnahme von zu forderndem und/oder zu komprimierendem Fluid. Dabei sind die erste Fluidkammer 14 und die zweite Fluidkammer 16 zumindest teilweise durch ein bewegliches Arbeitsmittel 18 voneinander getrennt.
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Dabei kann die erste Fluidkammer 14 einen ersten Eingang und einen ersten Ausgang aufweisen, wobei in dem ersten Eingang und/oder in dem ersten Ausgang ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Fluidkammer 16 einen zweiten Eingang und einen zweiten Ausgang aufweisen, wobei in dem zweiten Eingang und/oder in dem zweiten Ausgang ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet ist.
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In der Ausführungsform gemäß 1 wird der Innenraum des Gehäuses 12 durch das Arbeitsmittel 18 zumindest teilweise in zwei nebeneinanderliegende Bereiche getrennt, wobei die nebeneinanderliegenden Bereiche die erste Fluidkammer 14 und die zweite Fluidkammer 16 sind.
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Das Arbeitsmittel 18 ist, wie auch das Gehäuse 12, in der Ausführungsform gemäß 1 beispielsweise parabelförmig ausgebildet und dient dazu, das Fördern beziehungsweise komprimieren zu ermöglichen. Dies wird ermöglicht, indem das Arbeitsmittel 18 etwa als Blech eine Formgedächtnisverbindung derart umfasst, dass das Arbeitsmittel 18 temperaturabhängig von einer ersten Form in eine zweite Form und umgekehrt überführbar ist. Folglich wird ein Fördern beziehungsweise Komprimieren ausgeführt, indem das Arbeitsmittel 18 eine Bewegung ausführt, also sich von der ersten in die zweite Form, oder umgekehrt verformt.
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Die Formgedächtnisverbindung kann dabei vorteilhafterweise ein Formgedächtnispolymer umfassen oder eine Formgedächtnislegierung, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Nickel-Titan-Legierung, Kuper-Zink-Legierung, Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung, Kupfer-Aluminium-Nickel-Legierung, Eisen-Nickel-Aluminium-Legierung.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 wird im Folgenden in 2 im Detail beschrieben, wobei gleiche oder vergleichbare Komponenten mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet werden.
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In 2 ist ein Pumpzyklus einer Flüssigkeit mit der in 1 im Detail beschriebenen Vorrichtung 10 gezeigt. Der Ausgangszustand eines Pumpzyklusses ist mit a) bezeichnet. In diesem Stadium ist die erste Fluidkammer 14 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, mit kaltem Fluid 20 gefüllt, wie dies später erläutert wird. Die zweite Fluidkammer 16 ist im Wesentlichen evakuiert. Durch die Evakuierung der zweiten Fluidkammer 16 saugt diese warmes Fluid 22 an, bis die zweite Fluidklammer 16 vollständig mit warmem Fluid 22 gefüllt ist, wie dies in Zustand b) gezeigt ist Durch den Einfluss des warmen Fluids 22 in der zweiten Fluidkammer 16 erwärmt sich das in der ersten Fluidkammer 14 noch befindliche Restvolumen an Fluid 20 und zusätzlich das sich noch in seiner ersten Form ausgebildete Arbeitsmittel 18 (Zustand c)). Dadurch, dass das Arbeitsmittel 18 eine Formgedächtnisverbindung umfasst, ändert dieses seine Form in die zweite Form, wie dies in Zustand d) gezeigt ist. Dadurch wird das warme Fluid 22 aus der Vorrichtung 10 beziehungsweise aus der zweiten Pumpkammer 16 gepumpt.
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Dabei vergrößert sich das Volumen der ersten Fluidkammer 14, wodurch diese im Wesentlichen evakuiert wird, beziehungswiese wodurch sich hier ein Unterdruck ausbildet Somit wird neues kaltes Fluid 20 in die erste Fluidkammer 14 gesaugt, wie dies in Zustand e) gezeigt ist. Es ist zu erkennen, dass das Arbeitsmittel 18 derart ausgestaltet ist, dass es in seiner zweiten Form in der zweiten Pumpkammer 16 zumindest ein Restvolumen belässt, welches vorzugsweise vollständig mit Fluid gefüllt ist. Dadurch nimmt das Arbeitsmittel 18 zusammen mit dem Restvolumen langsam die Temperatur des kalten Fluids 20 an (Zustand f)), woraufhin es sich als Ganzes in seine erste Form zurückbewegt, wie dies in Zustand a) gezeigt ist. Dadurch wird das kalte Fluid aus der ersten Fluidkammer 14 gepumpt.
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In Zustand a) ist wiederum zu erkennen, dass das Arbeitsmittel 18 derart ausgestaltet ist, dass es auch seiner ersten Form in der ersten Fluidkammer 14 zumindest ein Restvolumen belässt, welches vorzugsweise vollständig mit Fluid gefüllt ist. Dadurch wird, wie oben beschrieben, das Arbeitsmittel 18 zusammen mit dem Restvolumen an kaltem Fluid 20 nach Ansaugen von neuem warmen Fluid 22 (Zustand b)) langsam auf die neue Temperatur eingestellt, was ein gleichmäßiges Bewegen in die zweite Form bewirkt.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gezeigt. Gemäß 3 ist das Arbeitsmittel 18 drehbeweglich gelagert. Dazu können die seitlichen Enden des Arbeitsmittels 18 in einem drehbeweglichen Lager 24 befestigt sein. Beispielsweise kann das Lager 24 als Gleitlager ausgebildet sein, und die Enden des Arbeitsmittels 18, also insbesondere die in dem Lager 24 befindlichen Bereiche, mit Teflon beschichtet sein.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist in 4 gezeigt Gemäß 4 ist das Arbeitsmittel 18 profiliert ausgebildet. Die Art und Stärke der Profilierung ist dabei grundsätzlich frei wählbar und insbesondere zu wählen in Abhängigkeit der gewünschten Anwendung. Besonders vorteilhaft ist das Arbeitsmittel in seiner ersten Form, also in kaltem Zustand, profiliert, also beispielweise mit einem Wellenprofil oder zickzackfförmig, ausgestattet, jedoch in seiner zweiten Form, also in warmem Zustand, glatt, also unprofiliert. Dabei ist die Profilierung in kaltem Zustand vorzugsweise in den Randbereichen des Arbeitsmittels schwächer ausgeprägt, als in dem mittleren Bereich.
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In 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gezeigt. Gemäß 5 weist die Vorrichtung 10 ein rohrförmiges Gehäuse 12 auf, in dem das Arbeitsmittel 18 rohrförmig angeordnet ist derart, dass die erste Fluidkammer 14 ringförmig außerhalb der zweiten Fluidkammer 16 angeordnet ist. Dabei sind die erste Fluidkammer 14, die zweite Fluidkammer 16, das Arbeitsmittel 18 und das Gehäuse 20 konzentrisch angeordnet. Neben einer rein kreisförmigen Ausgestaltung sind dabei auch elliptische, dreieckige, vieleckige oder auch freiformbare Querschnitte möglich.
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Innerhalb der zweiten, vorzugsweise ringförmigen, Fluidkammer 16 ist ein Innenraum 26 mit einer Begrenzung 28 vorhanden, der beispielsweise als Rohr ausgebildet sein kann. Besonders bevorzugt weist der Innenraum 26 gute Isolationseigenschaften auf, um das temperaturinduzierte Arbeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 nicht zu beeinflussen.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 wird im Folgenden im Detail in 6 beschrieben, wobei gleiche oder vergleichbare Komponenten mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet werden.
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In 6 ist ein Pumpzyklus einer Flüssigkeit mit der in 5 im Detail beschriebenen Vorrichtung 10 gezeigt. Der Ausgangszustand eines Pumpzyklusses ist mit a) bezeichnet. In diesem Stadium ist die erste Fluidkammer 14 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, mit kaltem Fluid 20 gefüllt, wie dies später erläutert wird. Die zweite Fluidkammer 16 ist im Wesentlichen evakuiert. Durch die Evakuierung der zweiten Fluidkammer 16 saugt diese warmes Fluid 22 an, bis die zweite Fluidklammer 16 vollständig mit warmer Fluid 22 gefüllt ist, wie dies in Zustand b) gezeigt ist. Durch den Einfluss des warmen Fluids 22 in der zweiten Fluidkammer 16 erwärmt sich das in der ersten Fluidkammer 14 noch befindliche Restvolumen an Fluid 20 und zusätzlich das sich noch in seiner ersten Form ausgebildete Arbeitsmittel 18 (Zustand c)). Dadurch, dass das Arbeitsmittel 18 eine Formgedächtnisverbindung umfasst, ändert dieses seine Form in die zweite Form, wie dies in Zustand d) gezeigt ist. Dadurch wird das warme Fluid 22 aus der Vorrichtung 10 beziehungsweise aus der zweiten Pumpkammer 16 gepumpt.
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Dabei vergrößert sich das Volumen der ersten Fluidkammer 14, wodurch diese im Wesentlichen evakuiert wird, beziehungswiese wodurch sich hier ein Unterdruck ausbildet. Somit wird neues kaltes Fluid 20 in die erste Fluidkammer 14 gesaugt, wie dies in Zustand e) gezeigt ist. Es ist zu erkennen, dass das Arbeitsmittel 18 derart ausgestaltet ist, dass es in seiner zweiten Form in der zweiten Pumpkammer 16 zumindest ein Restvolumen belässt, welches vorzugsweise vollständig mit Fluid gefüllt ist. Dadurch nimmt das Arbeitsmittel 18 zusammen mit dem Restvolumen langsam die Temperatur des kalten Fluids 20 an (Zustand f)), woraufhin es sich als Ganzes in seine erste Form zurückbewegt, wie dies in Zustand a) gezeigt ist. Dadurch wird das kalte Fluid aus der ersten Fluidkammer 14 gepumpt.
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In Zustand a) ist wiederum zu erkennen, dass das Arbeitsmittel 18 derart ausgestaltet ist, dass es auch seiner ersten Form in der ersten Fluidkammer 14 zumindest ein Restvolumen belässt, welches vorzugsweise vollständig mit Fluid gefüllt ist. Dadurch wird, wie oben beschrieben, das Arbeitsmittel 18 zusammen mit dem Restvolumen an kaltem Fluid 20 nach Ansaugen von neuem warmen Fluid 22 (Zustand b)) langsam auf die neue Temperatur eingestellt, was ein gleichmäßiges Bewegen in die zweite Form bewirkt.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 7 gezeigt. Gemäß 7 ist das Arbeitsmittel 18 profiliert, insbesondere mit einem Wellenprofil oder in einer zickzack-Form, ausgebildet. Die Art und Stärke der Profilierung ist dabei grundsätzlich frei wählbar und insbesondere zu wählen in Abhängigkeit der gewünschten Anwendung. Besonders vorteilhaft ist das Arbeitsmittel in seiner ersten Form, also in kaltem Zustand, profiliert, also beispielweise mit einem Wellenprofil ausgestattet, jedoch in seiner zweiten Form, also in warmen Zustand, glatt, also unprofiliert.
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Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 8 gezeigt Gemäß 8 ist eine Vielzahl an Rückstellmitteln 30 vorgesehen, um ein Rückstellen des Arbeitsmittels 18 von seiner ersten Form in seine zweite Form oder umgekehrt zu unterstützen. Dabei kann ein Rückstellmittel 30 oder eine Vielzahl von Rückstellmitteln 30 vorteilhaft sein. Ferner können Rückstellmittel 30 in nur einer Fluidkammer 14, 16, oder auch in beiden Fluidkammern 14, 16 angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist ein oder eine Mehrzahl von Rückstellmitteln 30 in der ersten Fluidkammer 14 angeordnet, da insbesondere das Rückstellen von der zweiten Form, also der Hochtemperaturphase, in die erste Form, also die Niedertemperaturphase, gehemmt sein kann. Die Rückstellmittel 30 sind dann derart vorgespannt, dass sie die Umformung des Arbeitsmittels 18 unterstützen und die in den Rückstellelementen 30 gespeicherte Energie als Arbeit, insbesondere als Pumparbeit, bereitstellen. Beispiele für die Ausgestaltung des Rückstellelements 30 sind Federelemente, wie etwa offenporiger Schaum beziehungsweise ein durchströmbares Elastomerelement. Derartige Rückstellelemente 30 können von einem Fluid durchströmt werden und können daher auch die jeweilige Fluidkammer 14, 16 vollständig ausfüllen. Weiterhin verwendet werden können beispielsweise Elastomerfedern, Schraubfedern, Kegelfedern, Blattfedern, Evolutfedern, Tellerfedern, Schenkelfedern, Gasdruckfedern oder Luftfedern.
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Ein oder eine Vielzahl an Rückstellmitteln 30 sind selbstverständlich auch bei einer Vorrichtung gemäß der 1, also mit im Wesentlichen nebeneinander angeordneten Fluidkammern 14, 16 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6247493 B1 [0003]
- US 5325880 [0003]
- DE 102007042791 A1 [0004]
