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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiegewinnungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der US 2005 / 0 039 452 A1 bekannt ist.
Ein anderes herkömmliches Energiegewinnungssystem umfassend eine Wärmekraftmaschine mit zwei drehbaren Riemenscheiben und einem Formgedächtnislegierungsmaterial ist ferner aus der
US 4 275 561 A bekannt. Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die
US 4 117 680 A verwiesen.
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HINTERGRUND
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Thermische Energie wird durch viele Industrie-, Montage- und Herstellprozesse erzeugt. Kraftfahrzeuge, kleine Betriebsmittel sowie schwere Betriebsmittel erzeugen ebenfalls thermische Energie. Ein Teil dieser thermischen Energie ist Abwärme, die Wärme darstellt, die durch Maschinen, elektrische Betriebsmittel und industrielle Prozesse erzeugt wird, für die keine nützliche Anwendung gefunden wird oder geplant ist und die allgemein ein Abfallnebenprodukt ist. Abwärme kann von Maschinen, wie elektrischen Generatoren, oder von industriellen Prozessen stammen, wie der Stahl-, Glas- oder chemischen Produktion. Die Verbrennung von Transportkraftstoffen trägt ebenfalls zur Abwärme bei.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein erfindungsgemäßes Energiegewinnungssystem zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 aus und weist eine Wärmekraftmaschine und ein Element für thermische Leitung in direktem Kontakt mit dem SMA-Material der Wärmekraftmaschine auf. Das Element für thermische Leitung ist derart konfiguriert, dass thermische Energie von einem heißen Gebiet aufgenommen und ein Anteil der aufgenommenen thermischen Energie durch Leitung an das SMA-Material übertragen wird. Die Wärmekraftmaschine umfasst eine erste drehbare Riemenscheibe, eine zweite drehbare Riemenscheibe, die von der ersten drehbaren Riemenscheibe beabstandet ist, sowie ein Material aus Formgedächtnislegierung (SMA von engl.: „shape memory alloy“), das um einen Abschnitt der ersten drehbaren Riemenscheibe unter einer ersten radialen Distanz und um einen Abschnitt der zweiten drehbaren Riemenscheibe unter einer zweiten radialen Distanz angeordnet ist. Die erste und zweite radiale Distanz definieren ein SMA-Riemenscheibenverhältnis. Zusätzlich ist ein Steuerseil um einen Abschnitt der ersten drehbaren Riemenscheibe unter einer dritten radialen Distanz und um einen Abschnitt der zweiten drehbaren Riemenscheibe unter einer vierten radialen Distanz angeordnet, wobei die dritte und vierte radiale Distanz ein Steuerriemenscheibenverhältnis definieren, das sich von dem SMA-Riemenscheibenverhältnis unterscheidet.
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Das SMA-Material steht in thermischer Kommunikation mit einem heißen Gebiet bei einer ersten Temperatur und mit einem kalten Gebiet bei einer zweiten Temperatur, die geringer als die erste Temperatur ist. Das SMA-Material ist derart konfiguriert, dass es eine kristallografische Phase selektiv zwischen Martensit zu Austenit ändert und dadurch eines von Kontraktion und Expansion in Ansprechen darauf, dass es der ersten Temperatur ausgesetzt ist, und auch eines von Expansion und Kontraktion in Ansprechen darauf, dass es der zweiten Temperatur ausgesetzt ist, ausführt, wodurch ein thermischer Energiegradient zwischen dem heißen Gebiet und dem kalten Gebiet in mechanische Energie umgewandelt wird.
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Das Element für thermische Leitung weist einen drehbaren Abschnitt eines Wärmeaustragsrohres auf, das von heißen Gasen durchströmt ist. Der drehbare Abschnitt ist die erste drehbare Riemenscheibe oder die zweite drehbare Riemenscheibe. Im Inneren des drehbaren Abschnitts sind mehrere Wärmeübertragungsrippen angeordnet, um eine Wärmeübertragung von den durch den drehbaren Abschnitt strömenden heißen Gasen an eine äußere Kontaktfläche des drehbaren Abschnitts zu unterstützen.
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Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Moden zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Diagramm eines Energiegewinnungssystems, das eine Wärmekraftmaschine aufweist;
- 2 ist eine schematische Seitenansicht der Wärmekraftmaschine von 1;
- 3 ist eine schematische Seitenansicht einer anderen Wärmekraftmaschine, die mit dem Energiegewinnungssystem von 1 verwendbar ist;
- 4 ist eine schematische graphische Darstellung eines Arbeitsdiagramms für eine Wärmekraftmaschine, wie der, die entweder in 2 oder 3 gezeigt ist;
- 5 ist eine schematische Seitenansicht der Wärmekraftmaschine von 1, die derart konfiguriert ist, thermische Energie von einer Quelle aufzunehmen und einen mechanischen Ausgang zu erzeugen;
- 6 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Abgas- bzw. Austragsrohrs eines Verbrennungsmotors, das ein rotierendes Teil aufweist, das derart konfiguriert ist, dass Wärme an einen Formgedächtnislegierungsriemen geleitet wird;
- 7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines thermisch leitenden Elementes, wie einer drehbaren Riemenscheibe, das ein Laufrad radial innerhalb zu einer SMA-Kontaktfläche aufweist.
- 8 ist eine schematische Schnittansicht eines thermisch leitenden Elements, wie einer drehbaren Riemenscheibe, das Wärmeübertragungsrippen radial innerhalb zu einer SMA-Kontaktfläche aufweist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten, wann immer möglich, über die verschiedenen Figuren hinweg entsprechen, ist in 1 ein Energiegewinnungssystem 10 gezeigt. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diejenigen, die in 1 gezeigt sind, integriert und mit diesen verwendet werden. Das Energiegewinnungssystem 10, das gezeigt ist, weist eine Wärmekraftmaschine 14, eine angetriebene Komponente 16 und eine Kopplungsvorrichtung 17 auf, die derart konfiguriert ist, die angetriebene Komponente 16 selektiv mit der Wärmekraftmaschine 14 zu koppeln.
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Das Energiegewinnungssystem 10 verwendet ein erstes Fluidgebiet oder ein heißes Gebiet 18, das eine erste Temperatur besitzt. Das heiße Gebiet 18 kann in Wärmeübertragungskommunikation mit einer Wärmequelle, wie Abwärme, stehen oder kann irgendein Gebiet mit relativ warmer Temperatur darstellen, um zu dem Betrieb der Wärmekraftmaschine 14 beizutragen, wie hier beschrieben ist. Das Energiegewinnungssystem 10 nutzt auch ein zweites Fluidgebiet oder ein kaltes Gebiet 20, das eine zweite Temperatur besitzt, die allgemein geringer als die erste Temperatur des heißen Gebiets 18 ist. Das kalte Gebiet 20 kann in Wärmeübertragungskommunikation mit einer Kühlquelle, wie einem kalten Fluid stehen, oder kann irgendein Gebiet mit relativ kalter Temperatur darstellen, um zu dem Betrieb der Wärmekraftmaschine 14 beizutragen, wie hier beschrieben ist. Die Bezeichnung des heißen Gebietes 18 und des kalten Gebietes 20 oder der Temperaturen, die diesen zugeordnet sind, als entweder „erstes“ oder „zweites“ ist willkürlich und nicht beschränkend.
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Die Wärmekraftmaschine 14, wie hier beschrieben ist, ist derart konfiguriert, thermische Energie aus der Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 in mechanische Energie umzuwandeln. Die angetriebene Komponente 16 des Energiegewinnungssystems 10 kann derart konfiguriert sein, durch die mechanische Energie oder Leistung angetrieben zu werden, die aus der Umwandlung von thermischer Energie zu mechanischer Energie in der Wärmekraftmaschine 14 erzeugt wird.
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Die angetriebene Komponente 16 kann eine mechanische Vorrichtung sein, wie, ohne Beschränkung: ein Generator, ein Lüfter, eine Kupplung, ein Gebläse, eine Pumpe, ein Kompressor und Kombinationen daraus. Es sei angemerkt, dass die angetriebene Komponente 16 nicht auf diese Vorrichtungen beschränkt ist, da auch eine beliebige andere Vorrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, verwendet werden kann. Die angetriebene Komponente 16 kann funktionell mit der Wärmekraftmaschine 14 verbunden sein, so dass die angetriebene Komponente 16 durch die Wärmekraftmaschine 14 angetrieben wird.
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Genauer kann die angetriebene Komponente 16 Teil eines existierenden Systems sein, wie eines Heiz- oder Kühlsystems und dergleichen. Das Antreiben der angetriebenen Komponente 16 mit mechanischer Energie, die durch die Wärmekraftmaschine 14 bereitgestellt wird, kann auch erlauben, dass ein zugeordnetes existierendes System in dem Energiegewinnungssystem 10 in seiner Größe und/oder Kapazität verringert oder vollständig weggelassen werden kann.
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Zusätzlich kann die mechanische Energie, die durch das Energiegewinnungssystem 10 erzeugt wird, zum späteren Gebrauch oder als eine zusätzliche Energieversorgung gespeichert werden. In Fahrzeugen oder Stromerzeugungseinrichtungen steigert das Energiegewinnungssystem 10 den Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs oder der Produktionseinrichtung durch Umwandeln von dem, was Abwärmeenergie geworden ist, in Energie zum gegenwärtigen oder späteren Gebrauch, wie gespeicherte kinetische Rotationsenergie in einem Schwungrad.
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Die angetriebene Komponente 16 kann ein Generator oder eine elektrische Maschine (die als ein Motor/Generator bezeichnet werden kann) sein, der/die derart konfiguriert ist, die mechanische Energie von der Wärmekraftmaschine 14 in Elektrizität 30 umzuwandeln (wie schematisch in 1 gezeigt ist). Alternativ dazu kann die angetriebene Komponente 16 an einem Generator befestigt sein oder mit diesem in Kommunikation stehen. Die angetriebene Komponente 16 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die derart konfiguriert ist, um mechanische Energie in Elektrizität 30 umzuwandeln. Beispielsweise kann die angetriebene Komponente 16 eine elektrische Maschine sein, die mechanische Energie unter Verwendung elektromagnetischer Induktion in Elektrizität 30 umwandelt. Die angetriebene Komponente 16 kann einen Rotor (nicht gezeigt) aufweisen, der in Bezug auf einen Stator (nicht gezeigt) rotiert, um Elektrizität 30 zu erzeugen. Die Elektrizität 30, die durch die angetriebene Komponente 16 erzeugt wird, kann dann dazu verwendet werden, die Leistungsbeaufschlagung eines oder mehrerer elektrischer Systeme zu unterstützen oder kann in einer Energiespeichervorrichtung gespeichert werden.
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Das heiße Gebiet 18 und das kalte Gebiet 20 können ausreichend voneinander beabstandet sein, um die Temperaturdifferenz zwischen den beiden beizubehalten, oder können durch eine ausreichende Wärmeaustauschbarriere 26 getrennt sein, einschließlich ohne Beschränkung: eine Wärmeabschirmung, eine Peltier-Vorrichtung oder eine isolierende Barriere. Die Wärmeaustauschbarriere 26 kann dazu verwendet werden, die Wärmekraftmaschine 14 in das heiße Gebiet 18 und das kalte Gebiet 20 zu trennen, so dass eine gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 erreicht wird. Wenn die Wärmeaustauschbarriere 26, die zwischen dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 angeordnet ist, eine Peltier-Vorrichtung, wie eine thermoelektrische Wärmepumpe ist, ist die Wärmeaustauschbarriere 26 derart konfiguriert, auf einer Seite der Barriere 26 Wärme zu erzeugen und auf einer gegenüberliegenden Seite der Barriere 26 zu kühlen.
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Das heiße Gebiet 18 und das kalte Gebiet 20 des Energiegewinnungssystems 10 können beispielsweise und ohne Beschränkung mit: Gas, Flüssigkeit oder Kombinationen daraus gefüllt sein. Alternativ dazu können das heiße Gebiet 18 und das kalte Gebiet 20 Kontaktzonen oder Kontaktbauteile darstellen, die zur leitenden Wärmeübertragung mit der Wärmekraftmaschine 14 konfiguriert sind.
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Die Wärmekraftmaschine 14 ist derart konfiguriert, Temperaturdifferenzen/-gradienten zwischen dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 in dem Energiegewinnungssystem 10 in Bereichen zu verwenden, wie ohne Beschränkung: Fahrzeugwärme und -abwärme, Leistungserzeugungswärme und - abwärme, Industrieabwärme, wie z.B. Flüssigkeiten, die als Kühlmittel bei der Bearbeitung, Luftkonditionierung, Abgasstapelwäschern, Atomkraftanlagen-Kühltürmen und Stahlwerken verwendet werden, Wärmequellen privater und geschäftlicher Gebäude, wie Wäschetrockner, Öfen (Abgasentlüftung), Wasserheizeraustrag, geothermische Heiz- und Kühlquellen, Solarwärme (direkt als Strahlung oder indirekt als das erhitzte Kühlmittel in Solarzellenanlagenfeldern, solar erhitzte Materialien, wie Asphalt), Wärme von Verbrennungsquellen einschließlich Campingfeuern und -Grills und Abwärme und Kombinationen daraus. Es sei angemerkt, dass das Energiegewinnungssystem 10 derart konfiguriert sein kann, um Temperaturdifferenzen in zahlreichen anderen Bereichen und Industrien zu nutzen.
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Nun Bezug nehmend auf 2 und mit fortgesetztem Bezug auf 1 ist eine detailliertere schematische Ansicht der Wärmekraftmaschine 14, die in 1 gezeigt ist, gezeigt. Es können andere Typen und Konfigurationen von Wärmekraftmaschinen mit dem in 1 gezeigten Wärmerückgewinnungssystem 10 verwendet werden. 3 zeigt eine andere Wärmekraftmaschine 54, die ebenfalls mit dem in 1 gezeigten Wärmerückgewinnungssystem 10 verwendet werden kann, und weist viele ähnliche Komponenten und Funktionen ähnlich der Wärmekraftmaschine 14 auf.
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Die Wärmekraftmaschine 14 von 2 weist ein Formgedächtnislegierungsmaterial 22 auf und ist funktionell in, oder in Wärmeaustauschkommunikation mit, dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 angeordnet. In der gezeigten Konfiguration kann das heiße Gebiet 18 benachbart einem Wärmeaustragsrohr liegen und das kalte Gebiet 20 kann in Umgebungsluft oder in dem Pfad von sich bewegender relativ kühler Luft von Lüftern oder Gebläsen angeordnet sein.
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Die Wärmekraftmaschine 14 weist auch ein erstes Bauteil oder eine erste Riemenscheibe 38 und ein zweites Bauteil oder eine zweite Riemenscheibe 40 auf. Die erste Riemenscheibe 38 und die zweite Riemenscheibe 40 können auch als Antriebsriemenscheiben bezeichnet werden. Die Wärmekraftmaschine 14 weist auch eine Mitlaufriemenscheibe 42 auf, die dem Pfad des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 einen Verlaufsweg hinzufügt und zum variablen Zusatz von Zugspannung (oder zur Aufnahme von Durchhang) zu dem Formgedächtnislegierungsmaterial 22 konfiguriert sein kann.
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In dieser Konfiguration sind die erste Riemenscheibe 38 und die zweite Riemenscheibe 40 zwischen dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 angeordnet. Jedoch kann die Wärmekraftmaschine so konfiguriert sein, dass die erste Riemenscheibe funktionell in dem heißen Gebiet 18 angeordnet ist und die zweite Riemenscheibe 40 funktionell in dem kalten Gebiet 20 angeordnet ist, oder umgekehrt. Die Mitlaufriemenscheibe 42 kann gleichermaßen in dem kalten Gebiet 20 angeordnet sein.
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Die Wärmekraftmaschine 14 weist ferner zwei Steuerbauteile, eine erste Steuerriemenscheibe 39 und eine zweite Steuerriemenscheibe 41 auf, die an der ersten Riemenscheibe 38 bzw. der zweiten Riemenscheibe 40 fixiert sind. Die erste Steuerriemenscheibe 39 und die zweite Steuerriemenscheibe 41 sehen eine mechanische Kopplung zwischen der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 (den beiden Antriebsriemenscheiben) vor, so dass eine Rotation von einer der Antriebsriemenscheiben eine Rotation der anderen in derselben Richtung sicherstellt.
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Die erste Steuerriemenscheibe 39 und die zweite Steuerriemenscheibe 41 sind durch eine Steuerkette oder einen Steuerriemen 43 gekoppelt. Alternativ dazu kann ein Steuermechanismus, wie Kettenräder, die mit einer Kette gekoppelt sind, oder kämmende Zahnräder, ebenfalls verwendet werden, um eine mechanische Kopplung zwischen der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 bereitzustellen. Wie angemerkt sein kann, kann ein anderes Synchronisierungsmittel verwendet werden, um dieselbe oder eine ähnliche Funktion zu erreichen. Der Einschluss der mechanischen Kopplung, die durch die Steuerkette 43 (zusätzlich zu dem Formgedächtnislegierungsmaterial 22) zwischen der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 bereitgestellt wird, bedeutet, dass die Wärmekraftmaschine 14 als eine synchronisierte Wärmekraftmaschine bezeichnet werden kann.
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Bei einer Konfiguration können die erste Riemenscheibe 38 und die erste Steuerriemenscheibe 39 in eine einzelne Riemenscheibe integriert sein, wodurch das SMA-Material 22 unter einer ersten radialen Distanz gehalten werden kann und das Steuerseil 43 unter einer zweiten radialen Distanz gehalten werden kann. Gleichermaßen können die zweite Riemenscheibe 40 und die zweite Steuerriemenscheibe 41 in eine einzelne Riemenscheibe integriert sein, wodurch das SMA-Material 22 unter einer dritten radialen Distanz gehalten werden kann und das Steuerseil 43 unter einer vierten radialen Distanz gehalten werden kann. Die erste und dritte Distanz können ein SMA-Riemenscheibenverhältnis definieren, und die zweite und vierte Distanz können ein Steuerriemenscheibenverhältnis definieren, das sich von dem SMA-Riemenscheibenverhältnis unterscheiden kann.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Durchmesser der ersten Steuerriemenscheibe 39 größer als der der zweiten Steuerriemenscheibe 41. Jedoch besitzen bei der in 3 gezeigten Ausführungsform die Steuerriemenscheiben im Wesentlichen dieselbe Größe, jedoch ist ein Durchmesser einer ersten Riemenscheibe 78 größer als der einer zweiten Riemenscheibe 80. Der Unterschied im Durchmesser ändert das reaktive Drehmoment oder den Momentenarm, der durch die jeweiligen Riemenscheibenbauteile bereitgestellt wird. Verschiedene Momentenarme um die Riemenscheiben (d.h. Unterschiede in den Riemenscheibenverhältnissen) bewirken die Erzeugung eines resultierenden Moments aus den Kontraktionskräften, wie hier erläutert ist, entlang des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 benachbart dem heißen Gebiet 18.
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Die Wärmekraftmaschine 14 ist derart konfiguriert, thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und mit Hilfe der angetriebenen Komponente 16 mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Genauer nutzt das Energiegewinnungssystem 10 eine Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20, um mechanische und/oder elektrische Energie über das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 zu erzeugen, wie nachfolgend detaillierter erläutert ist. Die mechanische und elektrische Energie, die aus verfügbarer thermischer Energie erzeugt werden, können im Gegensatz zu einer Dissipation der thermischen Energie genutzt oder gespeichert werden.
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Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 ist in thermischem Kontakt oder Wärmeaustauschkommunikation mit sowohl dem heißen Gebiet 18 als auch dem kalten Gebiet 20 angeordnet. Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 der Wärmekraftmaschine 14 weist eine kristallografische Phase auf, die in Ansprechen darauf, dass es der ersten und zweiten Temperatur des heißen Gebiets 18 und des kalten Gebiets 20 ausgesetzt ist, zwischen Austenit und Martensit wechsein kann.
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Wie hier verwendet ist, bezeichnet die Terminologie „Formgedächtnislegierung“ (oftmals als „SMA“ abgekürzt) Legierungen, die einen Formgedächtniseffekt aufweisen. Das heißt, das Material der Formgedächtnislegierung 22 kann einen kristallographischen Phasenwechsel im festen Zustand über eine molekulare Umordnung erfahren, um zwischen einer Martensitphase, d.h. „Martensit“, und einer Austenitphase, d.h. „Austenit“ zu wechseln.“ Alternativ angemerkt kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 zur Verschiebung zwischen Martensit und Austenit einer displaziven Umformung anstatt einer Diffusionsumformung ausgesetzt sein. Eine displazive Umformung ist eine strukturelle Änderung, die durch die koordinierte Bewegung von Atomen (oder Gruppen von Atomen) relativ zu ihren Nachbarn stattfindet. Allgemein betrifft die Martensitphase die Phase mit vergleichsweise geringerer Temperatur und geringerem Modul und ist oftmals verformbarer als die Austenitphase mit vergleichbar höherer Temperatur und höherem Modul.
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Die Temperatur, bei der sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 von der Austenitphase zu der Martensitphase zu ändern beginnt, ist als die Martensit-Starttemperatur Ms bekannt. Die Temperatur, bei der das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 die Änderung von der Austenitphase zu der Martensitphase beendet, ist als die Martensit-Endtemperatur Mf bekannt. Gleichermaßen ist, wenn das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 erhitzt wird, die Temperatur, bei der sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 von der Martensitphase zu der Austenitphase zu ändern beginnt, als die Austenit-Starttemperatur As bekannt. Die Temperatur, bei der das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 die Änderung von der Martensitphase zu der Austenitphase beendet, ist als die Austenit-Endtemperatur Af bekannt.
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Daher kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 durch einen kalten Zustand gekennzeichnet sein, d.h. wenn eine Temperatur des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 unterhalb der Martensit-Endtemperatur Mf des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 liegt. Gleichermaßen kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 auch durch einen heißen Zustand gekennzeichnet sein, d.h. wenn die Temperatur des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 oberhalb der Austenit-Endtemperatur Af des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 liegt.
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Im Betrieb kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22, das vorgedehnt oder einer Zugspannung unterzogen ist, seine Abmessung bei Änderung der kristallografischen Phase ändern, wodurch thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Dies bedeutet, das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann die kristallografische Phase von Martensit mit geringem Modul zu Austenit mit hohem Modul ändern und sich dadurch dimensionsmäßig kontrahieren, wenn es pseudoplastisch vorgedehnt ist, um so thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Umgekehrt kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 die kristallografische Phase von Austenit mit hohem Modul zu Martensit mit geringem Modul ändern und sich unter Spannung dadurch dimensionsmäßig strecken, um so auch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.
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„Pseudoplastisch vorgedehnt“ betrifft ein Strecken des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 in der Martensitphase mit geringem Modul, so dass die Dehnung, die das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 unter diesem Belastungszustand aufweist, bei Entlastung nicht vollständig wiedererlangt wird, wobei eine rein elastische Dehnung vollständig wiedererlangt würde. In dem Fall des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 ist es möglich, das Material so zu belasten, dass die elastische Dehnungsgrenze übertroffen wird und eine Verformung in der Martensit-Kristallstruktur des Materials stattfindet, bevor die echte plastische Dehnungsgrenze des Materials überschritten wird. Eine Dehnung dieses Typs zwischen diesen beiden Grenzen ist eine pseudoplastische Dehnung, die so genannt ist, da sie bei Entlastung als plastisch verformt erscheint. Bei Erhitzung auf den Punkt, an dem sich das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 in seine Austenitphase umformt, kann diese Dehnung jedoch rückerlangt werden, wodurch das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 in seine ursprüngliche Länge zurückkehrt, die vor Anlegen der Last beobachtet wurde.
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Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann vor Installation in der Wärmekraftmaschine 14 in die Martensitphase mit geringer Temperatur gestreckt werden, so dass eine Nennlänge des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 eine rückerlangbare pseudoplastische Dehnung aufweist. Ein Abwechseln zwischen dem pseudoplastischen Verformungszustand (relativ lange Länge) und der vollständig rückerlangten Austenitphase (relativ kurze Länge) sieht die Bewegung vor, die zum Betätigen oder zum Antrieb der Wärmekraftmaschine 14 verwendet wird. Ohne vorhergehende Streckung des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 würde während der Phasenumformung wenig Verformung auftreten.
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Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann sowohl Modul als auch Abmessung bei Änderung der kristallografischen Phase ändern, wodurch thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Genauer kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22, wenn es pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei Änderung der kristallografischen Phase von Martensit zu Austenit dimensionsmäßig kontrahieren und sich, wenn es unter Zugspannung steht, bei Änderung der kristallografischen Phase von Austenit zu Martensit dimensionsmäßig strecken, wodurch thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Wenn daher eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur des heißen Gebiets 18 und der zweiten Temperatur des kalten Gebiets 20 existiert, d.h. wenn das heiße Gebiet 18 und das kalte Gebiet 20 nicht in thermischem Gleichgewicht stehen, können jeweilige lokalisierte Gebiete des Formgedächtnislegierungsmaterials 22, die in dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 angeordnet sind, bei Änderung der kristallografischen Phase zwischen Martensit und Austenit sich jeweils dimensionsmäßig strecken und kontrahieren.
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Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann eine beliebige geeignete Zusammensetzung aufweisen. Insbesondere kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 ein Element aufweisen, das aus der Gruppe gewählt ist, die ohne Beschränkung umfasst: Kobalt, Nickel, Titan, Indium, Mangan, Eisen, Palladium, Zink, Kupfer, Silber, Gold, Cadmium, Zinn, Silizium, Platin, Gallium und Kombinationen daraus. Beispielsweise und ohne Beschränkung können geeignete Formgedächtnislegierungen 22 Nickel-Titan-basierte Legierungen, Nickel-Aluminium-basierte Legierungen, Nickel-Gallium-basierte Legierungen, Indium-Titan-basierte Legierungen, Indium-Cadmium-basierte Legierungen, Nickel-Kobalt-Aluminium-basierte Legierungen, Nickel-Mangan-Gallium-basierte Legierungen, Kupfer-basierte Legierungen (z.B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), Gold-Cadmium-basierte Legierungen, Silber-Cadmium-basierte Legierungen, Mangan-Kupfer-basierte Legierungen, Eisen-Platin-basierte Legierungen, Eisen-Palladium-basierte Legierungen und Kombinationen daraus aufweisen.
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Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann binär, ternär oder einer anderen höheren Ordnung sein, solange das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 einen Formgedächtniseffekt aufweist, d.h. eine Änderung der Formorientierung, Dämpfungskapazität und dergleichen. Das spezifische Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann gemäß gewünschter Betriebstemperaturen des heißen Gebietes 18 und des kalten Gebietes 20 gewählt sein, wie nachfolgend detaillierter dargestellt ist. Bei einem spezifischen Beispiel kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 Nickel und Titan aufweisen.
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Wie in 1 gezeigt ist, kann das Energiegewinnungssystem 10 ein Steuersystem 32 aufweisen, das derart konfiguriert ist, die erste und zweite Temperatur des Fluides in dem heißen Gebiet 18 bzw. dem kalten Gebiet 20 zu überwachen. Das Steuersystem 32 kann funktionell mit einer der Komponenten des Energiegewinnungssystems 10 verbunden sein.
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Das Steuersystem 32 kann ein Computer sein, der mit einer oder mehreren Steuerungen und/oder Sensoren des Energiegewinnungssystems 10 elektrisch kommuniziert. Beispielsweise kann das Steuersystem 32 mit Temperatursensoren in dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20, einem Drehzahlregler der angetriebenen Komponente 16, Fluidströmungssensoren und/oder Messern, die zum Überwachen der Erzeugung von Elektrizität 30 der angetriebenen Komponente 16 konfiguriert sind, kommunizieren.
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Zusätzlich kann das Steuersystem 32 konfiguriert sein, den Energiegewinn unter vorbestimmten Bedingungen des Energiegewinnungssystems 10 zu Steuern, z.B. nachdem das Energiegewinnungssystem 10 für eine ausreichende Zeitperiode betrieben worden ist, so dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 bei einer ausreichenden oder einer optimalen Differenz liegt. Es können auch andere vorbestimmte Bedingungen des Energiegewinnungssystems 10 verwendet werden. Das Steuersystem 32 kann auch konfiguriert sein, um eine Option bereitzustellen, die Wärmekraftmaschine 14 manuell zu umgehen und zu ermöglichen, dass das Energiegewinnungssystem 10 effektiv abgeschaltet wird, wie beispielsweise, wenn die thermische Energie, die das heiße Gebiet 18 beliefert, an anderer Stelle benötigt wird und nicht in andere Formen von Energie durch die Wärmekraftmaschine 14 umgewandelt werden sollte. Eine Kupplung (nicht gezeigt) kann auch durch das Steuersystem 32 gesteuert werden, um die Wärmekraftmaschine 14 von der angetriebenen Komponente 16 selektiv außer Eingriff zu bringen.
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Die Elektrizität 30 von der angetriebenen Komponente 16 kann an eine Speichervorrichtung 36 kommuniziert werden, die ohne Beschränkung eine Batterie, eine Batteriepackung oder eine andere Energiespeichervorrichtung sein kann. Die Speichervorrichtung 36 kann nahe zu, jedoch physikalisch getrennt von dem Energiegewinnungssystem 10 angeordnet sein.
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Für beliebige der Beispiele, die hier diskutiert sind, kann das Energiegewinnungssystem 10 eine Mehrzahl von Wärmekraftmaschinen 14 und/oder eine Mehrzahl von angetriebenen Komponenten 16 aufweisen. Gleichermaßen kann das Energiegewinnungssystem 10 in Verbindung mit zusätzlichen Energiegewinnungssystemen 10 gekoppelt oder betrieben werden, wobei jedes Energiegewinnungssystem 10 zumindest eine Wärmekraftmaschine 14 und zumindest eine angetriebene Komponente 16 aufweist. Die Verwendung mehrerer Wärmekraftmaschinen 14 kann den Vorteil mehrerer Gebiete mit Temperaturdifferenzen über das Energiegewinnungssystem 10 hinweg haben.
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Wieder Bezug nehmend auf 2 können die erste Riemenscheibe 38 und die zweite Riemenscheibe 40 auch ohne Beschränkung: ein Zahnrad, eine Einwegkupplung oder eine Feder sein. Eine Einwegkupplung kann derart konfiguriert sein, dass sie eine Rotation der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 nur in einer Richtung zulässt.
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Die erste Riemenscheibe 38, die zweite Riemenscheibe 40 oder die Mitlaufriemenscheibe 42 sind funktionell mit der angetriebenen Komponente 16 verbunden, so dass eine Rotation - infolge der kombinierten Modul- und Abmessungsänderungen des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 - die angetriebene Komponente 16 antreibt. Ferner kann jedes der Riemenscheibenbauteile mit der angetriebenen Komponente 16 verbunden sein oder kann in ein Getriebe oder Zahnradsystem vor Übertragung mechanischer Energie an das angetriebene Bauteil 16 speisen. Obwohl drei Rotationsbauteile in 2 gezeigt sind, sei angemerkt, dass mehr oder weniger Bauteile verwendet werden können.
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Wie hier beschrieben ist, kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 in einen Riemen oder ein Seil eingebettet sein. Ferner kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 als ein sich längs erstreckender Draht konfiguriert sein, der in den Riemen eingebettet ist, so dass sich der Riemen als eine Funktion des ebenfalls erfolgenden Streckens und Kontrahierens des zugeordneten Formgedächtnislegierungsmaterials 22 längs streckt und kontrahiert. Zusätzlich oder alternativ kann das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 als eine oder mehrere Schraubenfedern konfiguriert sein, die in dem Riemen eingebettet sein können. Das Formgedächtnislegierungsmaterial 22 kann ein Draht sein, der eine beliebige gewünschte Querschnittsform, d.h. rund, rechtwinklig, achteckig, Band oder eine andere Form besitzt, die dem Fachmann bekannt ist. Zusätzlich kann der Riemen zumindest teilweise aus einem elastischen Material geformt sein. Beispielsweise kann das elastische Material ein Elastomer, ein Polymer oder Kombinationen daraus und dergleichen sein. Der Riemen kann als eine kontinuierliche Schleife, wie in den 2 und 3 gezeigt ist, oder als ein länglicher Streifen geformt sein.
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Im Betrieb der Wärmekraftmaschine 14, die in 2 gezeigt ist, kann ein lokalisiertes Gebiet des Formgedächtnislegierungsbauteils 22 in oder direkt benachbart dem heißen Gebiet 18 angeordnet sein, so dass die erste Temperatur bewirkt, dass sich dieses entsprechende lokalisierte Gebiet des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 als eine Funktion der ersten Temperatur des heißen Gebiets 18 längs kontrahiert. Gleichermaßen kann ein anderes lokalisiertes Gebiet des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 gleichermaßen in oder benachbart zu dem kalten Gebiet 20 angeordnet sein, so dass die zweite Temperatur bewirkt, dass dieses lokalisierte Gebiet des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 sich als eine Funktion der zweiten Temperatur des kalten Gebietes 20 längs streckt.
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Wenn beispielsweise die erste Temperatur des heißen Gebietes 18 bei oder oberhalb des heißen Zustandes liegt, kontrahiert sich das zugeordnete lokalisierte Gebiet des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 längs infolge einer Phasenänderung des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 von der Martensitphase zu der Austenitphase. Wenn Gleichermaßen die zweite Temperatur des kalten Gebietes 20 unterhalb des kalten Zustandes liegt, dehnt sich das zugeordnete lokalisierte Gebiet des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 (aufgrund der Zugspannung in dem Element) infolge einer Phasenänderung des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 längs von der Austenitphase mit höherem Modul zu der Martensitphase mit geringerem Modul aus.
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Das Formgedächtnislegierungsbauteil 22 kann kontinuierlich um die erste Riemenscheibe 38 und die zweite Riemenscheibe 40 geschlungen sein, so dass eine Bewegung, die von dem Formgedächtnislegierungsbauteil 22 aufgebracht wird, eine Rotation von sowohl der ersten Riemenscheibe 38 als auch der zweiten Riemenscheibe 40 (und auch der Mitlaufriemenscheibe 42) bewirkt. Die Längsexpansion (-streckung) und/oder -kontraktion der lokalisierten Gebiete des Formgedächtnislegierungsmaterials 22 bringen eine Bewegung von dem Formgedächtnislegierungsbauteil 22 auf die erste Riemenscheibe 38 und die zweite Riemenscheibe 40 auf, um die angetriebene Komponente 16 zu bewegen oder anzutreiben. Die lokalisierten Gebiete sind diejenigen Abschnitte des Formgedächtnislegierungsbauteils 22, die sich zu einem gegebenen Zeitpunkt in dem jeweiligen heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 befinden.
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Wie in der Wärmekraftmaschine 14 von 2 gezeigt ist, sieht, wenn sich das Formgedächtnislegierungsbauteil 22 nach Erhitzung durch das heiße Gebiet 18 kontrahiert, die erste Steuerriemenscheibe 39 ein größeres reaktives Moment vor, als die zweite Steuerriemenscheibe 41. Daher bewirkt die Kontraktion des Formgedächtnislegierungsbauteils 22 zwischen der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 (die sich gemeinsam mit der ersten Steuerriemenscheibe 39 bzw. der zweiten Steuerriemenscheibe 41 drehen), eine Bewegung des Formgedächtnislegierungsbauteils 22 zu der ersten Riemenscheibe 38. Falls die Wärmekraftmaschine 14 in einen dynamischen Betrieb eintritt, drehen das Formgedächtnislegierungsbauteil 22, die erste Riemenscheibe 38 und die zweite Riemenscheibe 40 entgegen dem Uhrzeigersinn (bei Betrachtung in 2).
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Die Wärmekraftmaschine 14 erfordert keine Flüssigkeitsbäder für das heiße Gebiet 18 und das kalte Gebiet 20. Daher müssen keine signifikanten Abschnitte der Wärmekraftmaschine 14 und des Formgedächtnislegierungsbauteils 22 in Flüssigkeiten getaucht sein.
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Nun Bezug nehmend auf 3 und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 und 2 ist eine weitere Wärmekraftmaschine 54 gezeigt, die ebenfalls in das in 1 gezeigte Wärmerückgewinnungssystem 10 eingeschlossen und mit diesem verwendet werden kann. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in die, die in 2 gezeigt sind, integriert und mit diesen verwendet werden. Die Wärmekraftmaschine 54 ist in Wärmeaustauschkommunikation mit einem heißen Gebiet 58 und einem kalten Gebiet 60 angeordnet. Die Wärmekraftmaschine 54 weist ein Formgedächtnislegierungsbauteil 62 auf, das in einer kontinuierlichen Schleife um eine erste Riemenscheibe 78, eine zweite Riemenscheibe 80 und eine Mitlaufriemenscheibe 82 läuft.
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Eine erste Steuerriemenscheibe 79 und eine zweite Steuerriemenscheibe 81 sind durch eine Steuerkette 83 mechanisch gekoppelt. Der Einschluss der mechanischen Kopplung, die durch die Steuerkette 83 (zusätzlich zu dem Formgedächtnislegierungsbauteil 62) zwischen der ersten Riemenscheibe 78 und der zweiten Riemenscheibe 80 vorgesehen ist, bedeutet, dass die Wärmekraftmaschine 54 auch als eine synchronisierte Wärmekraftmaschine bezeichnet werden kann.
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Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Wärmekraftmaschine 14 besitzen bei der Wärmekraftmaschine 54 von 3 die erste Steuerriemenscheibe 79 und die zweite Steuerriemenscheibe 81 im Wesentlichen gleichen Durchmesser. Bei einer Konfiguration können die erste und zweite Steuerriemenscheibe 79, 81 die jeweiligen Achsen der ersten und zweiten Riemenscheibe 78, 80 sein. Bei der Wärmekraftmaschine 54 besitzt die zweite Riemenscheibe 80 einen größeren Durchmesser als die erste Riemenscheibe 78.
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Wie in der Wärmekraftmaschine 54 von 3 gezeigt ist, erzeugt, wenn sich das Formgedächtnislegierungsbauteil 62 nach Erhitzung durch das heiße Gebiet 58 kontrahiert, die zweite Riemenscheibe 80 einen größeren Momentenarm als die erste Riemenscheibe 78. Jedoch sehen die erste Steuerriemenscheibe 79 und die zweite Steuerriemenscheibe 81 ein gleiches Reaktionsmoment vor. Daher bewirkt die Kontraktion des Formgedächtnislegierungsbauteils 62 zwischen der ersten Riemenscheibe 78 und der zweiten Riemenscheibe 80 wiederum eine Bewegung des Formgedächtnislegierungsbauteils 62 zu der ersten Riemenscheibe 78. Wenn die Wärmekraftmaschine 54 in einen dynamischen Betrieb eintritt, drehen sich das Formgedächtnislegierungsbauteil 62, die erste Riemenscheibe 78 und die zweite Riemenscheibe 80 entgegen dem Uhrzeigersinn (wie in 3 zu sehen ist).
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Nun Bezug nehmend auf 4 und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 bis 3 ist eine schematische grafische Darstellung eines Arbeitsdiagramms 90 gezeigt. Eine x-Achse 91 des Arbeitsdiagramms 90 zeigt die Länge des in 2 gezeigten Formgedächtnislegierungsbauteils 22, des in 3 gezeigten Formgedächtnislegierungsbauteils 72 oder eines anderen SMA-Arbeitsbauteils, das in eine Wärmekraftmaschine integriert ist, wie die Wärmekraftmaschine 14 oder die Wärmekraftmaschine 54. Eine y-Achse 92 des Arbeitsdiagramms 90 zeigt die Zugkraft des in 2 gezeigten Formgedächtnislegierungsbauteils 22, des in 3 gezeigten Formgedächtnislegierungsbauteils 72 oder eines anderen SMA-Arbeitsbauteils.
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Das Arbeitsdiagramm 90 zeigt einen Arbeitspfad 94, der einem Ort oder Gebiet des Formgedächtnislegierungsbauteils 22 oder des Formgedächtnislegierungsbauteils 72 folgt, wenn es während des Betriebs der Wärmekraftmaschine 14 oder der Wärmekraftmaschine 54 durchgeschleift ist. Das Anlegen einer Kraft über eine Verstellung (d.h. eine Änderung der Länge) erfordert die Ausführung von Arbeit. Eine Nettoarbeitszone 96 repräsentiert die Nettoarbeit, die durch das Formgedächtnislegierungsbauteil 22 oder das Formgedächtnislegierungsbauteil 72 an jeder Schleife bewirkt wird. Daher zeigt die Tatsache, dass die Nettoarbeitszone 96 größer als Null ist, dass das Formgedächtnislegierungsbauteil 22 oder das Formgedächtnislegierungsbauteil 72 mechanische Arbeit aus thermischer Energie, die der Wärmekraftmaschine 14 oder der Wärmekraftmaschine 54 verfügbar ist, erzeugt.
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Wie in 5 schematisch gezeigt ist, kann die Wärmekraftmaschine 14 in thermischer Kommunikation mit einer Wärmequelle 100 stehen, die benachbart oder innerhalb des heißen Gebietes 18 angeordnet ist. Wie oben allgemein beschrieben ist, kann die Wärmequelle 100 ein beliebiges geeignetes Element oder eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die in der Lage ist, thermische Energie in die Formgedächtnislegierung 22 zu übertragen. Bevorzugt kann die Wärmequelle 100 derart konfiguriert sein, eine ausreichende Menge an thermischer Energie an die SMA 22 zu übertragen, um eine Transformation der austenitischen Phase in dem heißen Gebiet 18 zu erreichen. Wie allgemein gezeigt ist, kann die thermische Wärmeübertragung über einen oder mehrere Übertragungsmechanismen erfolgen, wie Leitung 110, Konvektion 112 oder Strahlung 114. Wie allgemein oben beschrieben ist, kann diese thermische Energie von der Wärmequelle eine Bewegung der SMA 22 bewirken, die als eine Rotation/Drehmoment 116 einer Ausgangswelle 118 abgegriffen werden kann. Bei einer Ausführungsform kann die Ausgangswelle 118 über ein Getriebe 117 mit einer angetriebenen Komponente 16 verzahnt oder gekoppelt sein. Der Getriebezug/das Getriebe 17 ermöglichen, dass die Wärmekraftmaschine die Ausgangsleistungsanforderungen auf Grundlage des Drehmoments 116, das verfügbar sein kann, besser anpassen kann.
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Während das vorliegende Energiegewinnungssystem leicht angepasst werden kann, um mit einer beliebigen Wärmequelle zu arbeiten, können besondere Verwendungen auf die Rückerlangung thermischer Energie gerichtet sein, die ansonsten an die Umgebung ausgetragen würde. Beispielsweise kann in einem Kraftfahrzeugkontext, wie allgemein in 6 gezeigt ist, die Wärmequelle 100 ein Abgaskrümmer/Rohr 120 sein, das heiße Abgase 122 weg von dem Motor führt. Ähnlicher Weise kann in vielerlei industriellem Kontext Wärme als ein Nebenprodukt verschiedener Herstellprozesse erzeugt werden. Während derartige industrielle Wärme normalerweise durch einen Schlot oder einen flüssigkeitsgekühlten Kühler ausgetragen wird, kann das vorliegende Energiegewinnungssystem dazu verwendet werden, diese Abwärmeenergie als Arbeit rückzugewinnen.
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Zurück Bezug nehmend auf 5 kann eine leitende Wärmeübertragung 110 beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die SMA in direktem Kontakt mit heißen Flüssigkeiten gebracht wird, wie Fabrikkühlflüssigkeiten, Fluid in Kühltürmen oder Atomkraftanlagen, Flüssigkeit, die durch Solarerwärmung erhitzt wird, geothermales Wasser und/oder andere Flüssigkeiten, wie in Ozeanen, Seen oder Brunnen. Bei einer Ausführungsform können die heißen Flüssigkeiten frei strömende Flüssigkeiten anstatt Flüssigkeiten in einem abgedichteten Gefäß sein - wodurch ein größerer und konsistenterer Wärmeaustausch unterstützt wird. Alternativ dazu kann eine leitende Wärmeübertragung 110 durch direkten Kontakt mit heißen geothermalen Materialien, wie Sand, oder heißen Abgaskrümmern/Rohren (wie in 6 gezeigt), Bürsten, Wischern oder anderen ähnlichen Kontakten gebracht werden.
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Wie in 6 allgemein gezeigt ist, kann die leitende Wärmeübertragung 110 ferner erreicht werden, wenn der SMA-Riemen 22 in direktem Kontakt mit einem Element für thermische Leitung gebracht wird, wie einem Abschnitt eines Abgas- bzw. Austragsrohres 120 oder einer Buchse, die um das Rohr 120 angeordnet ist. Das Element für thermische Leitung ist derart konfiguriert, thermische Energie von dem heißen Gebiet 18 aufzunehmen und einen Anteil der empfangenen thermischen Energie an den SMA-Riemen 22 durch Leitung zu übertragen. Bei einer Konfiguration kann ein Abschnitt 124 des Rohres derart konfiguriert sein, um zu rotieren und damit den Betrieb der Wärmekraftmaschine zu unterstützen. Ein derartiger Abschnitt 124 kann mit dem nicht rotierenden Abschnitt durch eine Mehrzahl von Lagern 126 verbunden sein und kann allgemein in dem heißen Gebiet 18 angeordnet sein. Bei einer Konfiguration können der rotierende Abschnitt 124 oder die Buchse thermische Energie von heißen Gasen 122, die in dem Rohr 120 strömen, aufnehmen, die sich bei einer Temperatur von größer als oder gleich der Temperatur der rotierenden Buchse/des rotierenden Abschnitts 124 befinden können. Dieser Abschnitt 124 kann entweder eine Riemenscheibe 40, 80, wie in den 2, 3 gezeigt ist, sein oder kann lediglich eine Mitlaufriemenscheibe sein, die entlang einer Länge der SMA 22 in dem heißen Gebiet 18 angeordnet ist.
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Bei einer Konfiguration können mehrere leitende Riemenscheiben in dem heißen Gebiet 18 verwendet werden, wobei das SMA-Element 22 zwischen die verschiedenen Riemenscheiben für einen maximierten direkten Kontakt geschlängelt ist. Um den Kontakt weiter zu steigern, können die Riemenscheiben mit Elementen beschichtet sein, um den thermischen Widerstand zwischen jeder jeweiligen Riemenscheibe und dem SMA- Element 22 zu reduzieren. Derartige Beschichtungen können beispielsweise Öle, Harze oder bürstenartige Oberflächentexturen aufweisen.
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Um eine Wärmeübertragung aus den verschiedenen Elementen für thermische Leitung zu unterstützen, kann jede Riemenscheibe/rotierender Abschnitt 124 eine äußere SMA-Kontaktfläche 130 und einen Abschnitt zur konvektiven Wärmeübertragung aufweisen, der radial einwärts von der SMA-Kontaktfläche angeordnet ist. Beispielsweise kann, wie allgemein in 7 gezeigt ist, die Riemenscheibe/der rotierende Abschnitt 124 einen radial inneren Laufradabschnitt 130 aufweisen (d.h. innerhalb zu der radial auswärtigen SMA-Kontaktfläche 132), der eine gesteigerte Konvektion zwischen jeglicher lateral strömenden Luft und der Riemenscheibe selbst unterstützen kann. Alternativ dazu kann, wie in 8 gezeigt ist, jede Riemenscheibe/jeder rotierende Abschnitt 124 eine oder mehrere thermisch leitende Wärmeübertragungsrippen 134 aufweisen, um eine Wärmeübertragung von der strömenden Luft an die äußere Kontaktfläche 132 zu unterstützen. Zusätzlich kann zur Unterstützung eines größeren Oberflächenkontakts zwischen der Riemenscheibe und dem SMA-Element 22 bei einer Ausführungsform die Riemenscheibe eine teilweise nachgiebige Fläche zur Aufnahme des SMA-Elements besitzen.
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Wiederum Bezug nehmend auf 5 können Beispiele einer konvektiven Wärmeübertragung 112 eine thermische Erwärmung über natürlich auftretende Lufttemperaturgradienten (wie allgemein in 7 gezeigt) oder durch über Verbrennung erzeugte Lufttemperaturgradienten (z.B. über einen Verbrennungsmotor, Dieselverbrennungsmotor, eine Verbrennungsanlage, einen Campingofen, einen Ofen, etc.) aufweisen. Schließlich können Beispiele einer strahlungsbasierten Wärmeübertragung 114 eine Solarerwärmung oder Erwärmung über die Strahlung von Verbrennung aufweisen.
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Sobald durch den Umgebungstemperaturgradienten eine Bewegung der SMA 22 aufgebracht ist, kann die Wärmekraftmaschine 14 zur Rotation einer Antriebswelle 118 betriebsfähig sein. Die Rotation/das Drehmoment 116 dieser Welle kann auf eine angetriebene Komponente 16 und/oder durch ein oder mehrere Getriebesysteme/Kopplungsvorrichtungen 17 aufgebracht werden. Bei einer Ausführungsform, wie oben beschrieben ist, kann die angetriebene Komponente 16 ein Generator sein, der die Rotationswellenbewegung in Elektrizität umwandeln kann. Die ausgegebene Elektrizität kann zum späteren Gebrauch (wie in einer Batterie) gespeichert werden oder kann dazu verwendet werden, eine oder mehrere Vorrichtungen mit Leistung zu beaufschlagen. In einem Kraftfahrzeugkontext kann die Elektrizität dazu verwendet werden, verschiedene Fahrzeugzubehöreinrichtungen, Leistungsnutzeranwendungen mit Leistung zu beaufschlagen oder kleine Vorrichtungen, wie Mobiltelefonbatterien, wieder aufzuladen.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann die Rotation/das Drehmoment 116 der Antriebswelle 118 direkt dazu verwendet werden, verschiedene mechanische Komponenten mit Leistung zu beaufschlagen. Beispielsweise kann die Ausgangswelle 118 einen Deckenlüfter in einem Gehäuse direkt antreiben. Alternativ dazu kann die Rotation der Antriebswelle mit einem selbst pumpenden Wärmerohr, einer selbst laufenden Wärmepumpe und/oder einer Luft/Fluidpumpe verwendet werden. Beispielsweise kann in einem Kraftfahrzeugkontext die Ausgangswelle 118 einen Klimaanlagenkompressor oder einen Lüfter antreiben. Ähnlicher Weise kann in einer geothermischen Anordnung die Ausgangswelle 118 mit einer Brunnenpumpe gekoppelt sein, um unterirdisches Wasser an die Oberfläche zum menschlichen Gebrauch zu transportieren, oder kann bei Bewässerungsanwendungen und/oder in niedrig liegenden Bereichen, wie Poldern, verwendet werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann der Leistungsabnahmepunkt zwischen Riemenscheiben abhängig von der Beschaffenheit der Anwendung schalten: größere Riemenscheibe für geringe Drehzahl und hohes Moment und kleinere Riemenscheibe für hohes Drehmoment und geringes Moment.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann die Schleifenbewegung des aktiven Elements, beispielsweise in Federform oder anderer geometrischer Form, dazu verwendet werden, Wärme durch eine Kombination der Enthalpie einer Phasentransformation und der spezifischen Wärme des Materials von einem heißeren zu einem kälteren Gebiet entweder zum Erwärmen des kälteren Gebietes oder zum Kühlen des heißeren Gebietes, d.h. als ein Wärmetauscher, zu transportieren.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann die Schleifenbewegung des aktiven Elements dazu verwendet werden, Flüssigkeiten, Granulatmaterialien, etc. bei denen ein Temperaturgradient existiert, zu rühren.
