DE102012202401B4

DE102012202401B4 - Formgedächtnislegierungs-Wärmekraftmaschinen und -Energiegewinnungssysteme

Info

Publication number: DE102012202401B4
Application number: DE102012202401.8A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Browne; Nancy L. Johnson; John Andrew Shaw; Christopher Burton Churchill; Andrew C. Keefe; Geoffrey P. Mc Knight; Paul W. Alexander; Guillermo A. Herrera; James Ryan Yates; Jeffrey W. Brown
Original assignee: Regents Of Univ Of Michigan Technology Management Office Wolverine Tower; University of Michigan; GM Global Technology Operations LLC; Dynalloy Inc
Current assignee: Regents Of Univ Of Michigan Technology Management Office Wolverine Tower; University of Michigan; GM Global Technology Operations LLC; Dynalloy Inc
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: DE102012202401A1

Abstract

Wärmekraftmaschine (14), umfassend:eine erste drehbare Riemenscheibe (38);eine zweite drehbare Riemenscheibe (40, 140), die von der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) beabstandet ist;ein Formgedächtnislegierungs-(SMA-)Element (22), das um einen Abschnitt der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) unter einer ersten radialen Distanz und um einen Abschnitt der zweiten drehbaren Riemenscheibe (40, 140) unter einer zweiten radialen Distanz angeordnet ist, wobei die erste und zweite radiale Distanz ein SMA-Riemenscheibenverhältnis definieren, wobei das SMA- Element (22) umfasst:einen ersten Draht (163);einen zweiten Draht (163) parallel zu dem ersten Draht (163);eine Matrix (166), die den ersten Draht (163) mit dem zweiten Draht (163) verbindet;wobei der erste Draht (163) und der zweite Draht (163) in Kontakt mit der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) und der zweiten drehbaren Riemenscheibe (40, 140) stehen; undwobei die Matrix (166) nicht in Kontakt mit der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) und der zweiten drehbaren Riemenscheibe (40, 140) steht;ein Steuerseil (43), das um einen Abschnitt der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) unter einer dritten radialen Distanz und um einen Abschnitt der zweiten drehbaren Riemenscheibe (40, 140) unter einer vierten radialen Distanz angeordnet ist, wobei die dritte und vierte radiale Distanz ein Steuerriemenscheibenverhältnis definieren, wobei das Steuerriemenscheibenverhältnis von dem SMA-Riemenscheibenverhältnis verschieden ist;wobei das SMA-Element (22) derart konfiguriert ist, dass es in thermischer Kommunikation mit einem heißen Gebiet (18) bei einer ersten Temperatur und mit einem kalten Gebiet (20) bei einer zweiten Temperatur, die geringer als die erste Temperatur ist, angeordnet werden kann; undwobei das SMA-Element (22) derart konfiguriert ist, eine kristallographische Phase zwischen Martensit und Austenit selektiv zu ändern 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, auszuführen, wodurch ein thermischer Energiegradient zwischen dem heißen Gebiet (18) und dem kalten Gebiet (20) in mechanische Energie umgewandelt wird.

Description

Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung unter der ARPA-E-Vertragsnummer: DE-AR0000040 gemacht, die durch das Energieministerium zugewiesen wurde. Die US-Regierung kann gewisse Rechte an dieser Erfindung besitzen.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Energiegewinnungssysteme und insbesondere eine Formgedächtnislegierungs-Wärmekraftmaschine.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Thermische Energie kann durch Industrie-, Montage- und Herstellprozesse erzeugt werden. Kraftfahrzeuge, kleine Betriebsmittel sowie schwere Betriebsmittel erzeugen ebenfalls thermische Energie. Ein Teil dieser thermischen Energie ist Abwärme, die Wärme darstellt, für die keine nützliche Anwendung gefunden wird oder geplant ist und die allgemein ein Abfallnebenprodukt ist. Abwärme kann an die Atmosphäre abgegeben werden. Die Verbrennung von Transportkraftstoffen trägt ebenfalls zur Abwärme bei.
Beispielsweise beschreibt die US 2005 / 0 039 452 A1 eine Wärmekraftmaschine mit einer ersten und einer zweiten drehbaren Riemenscheibe. Ein Formgedächtnislegierungselement sowie ein Steuerseil sind um Abschnitte der ersten drehbaren Riemenscheibe sowie der zweiten drehbaren Riemenscheibe angeordnet. Durch radiale Abstände der Abschnitte der Riemenscheiben von deren Drehachsen werden ein Steuerriemenscheibenverhältnis und ein davon verschiedenes SMA-Riemenscheibenverhältnis definiert.
Ferner beschreibt die US 4 275 561 A ein SMA Element mit mehreren parallel zueinander angeordneten Drähten sowie Verbindungselementen, die diese Drähte miteinander verbinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Wärmekraftmaschine vorgesehen. Die Wärmekraftmaschine weist eine erste drehbare Riemenscheibe und eine zweite drehbare Riemenscheibe, die von der ersten drehbaren Riemenscheibe beabstandet ist, auf. Ein Bauteil aus Formgedächtnislegierung (SMA von engl.: „shape memory alloy“) ist 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. Die erste und zweite radiale Distanz definieren ein SMA-Riemenscheibenverhältnis.
Das SMA-Element weist einen ersten Draht, einen zweiten Draht, der parallel zu dem ersten Draht liegt, und eine Matrix auf, die den ersten Draht mit dem zweiten Draht verbindet. Der erste Draht und der zweite Draht stehen in Kontakt mit der ersten drehbaren Riemenscheibe und der zweiten drehbaren Riemenscheibe, jedoch steht die Matrix nicht in Kontakt mit der ersten drehbaren Riemenscheibe und der zweiten drehbaren Riemenscheibe.
Ein Steuerseil ist 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. Die dritte und vierte radiale Distanz definieren ein Steuerriemenscheiben-verhältnis, das sich von dem SMA-Riemenscheibenverhältnis unterscheidet.
Das SMA-Element ist derart konfiguriert, dass es in thermische 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, gebracht wird. Das SMA-Element ändert selektiv die kristallographische Phase zwischen Martensit und Austenit und führt dadurch entweder eine Kontraktion oder Expansion in Ansprechen darauf, dass es der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur ausgesetzt ist, aus. Das SMA-Element wandelt dadurch einen thermischen Energiegradienten zwischen dem heißen Gebiet und dem kalten Gebiet in mechanische Energie um.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Schaubild 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 diejenigen, die entweder in 2 oder 3 gezeigt sind.
5A ist eine schematische bruchstückhafte Schnittansicht einer nicht erfindungsgemäßen Arbeitselementform aus Formgedächtnislegierung (SMA), die parallele Stränge aus Dünndraht-SMA besitzt;
5B ist eine schematische bruchstückhafte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen SMA-Arbeitselementform, die parallele Stränge aus SMA aufweist, die teilweise in eine Matrix eingebettet sind;
5C ist eine schematische bruchstückhafte Schnittansicht eines nicht erfindungsgemäßen Verbund-SMA-Arbeitselements, das aus einzelnen Einheiten aufgebaut ist, die ähnlich denen sind, die in 5B gezeigt sind;
6A ist eine schematische Draufsicht eines nicht erfindungsgemäßen federbasierten SMA-Arbeitselements mit einem Faserkern in der Federwicklung;
6B ist eine schematische Draufsicht eines anderen nicht erfindungsgemäßen federbasierten SMA-Arbeitselements mit zwei Federn und einem Faserkern in den Federwicklungen;
6C ist eine schematische Draufsicht eines anderen nicht erfindungsgemäßen federbasierten SMA-Arbeitselements, das verschachtelte Federn mit zwei Faserkernen in den Federwicklungen aufweist;
7A ist eine schematische Seitenansicht eines nicht erfindungsgemäßen geflochtenen SMA-Arbeitselements und eine eingefügte Nahaufnahme desselben;
7B ist eine schematische Seitenansicht eines nicht erfindungsgemäßen Matten- bzw. Gewebe-SMA-Arbeitselements und einer eingefügten Nahansicht desselben;
8A ist eine schematische isometrische Ansicht einer anderen Wärmekraftmaschine mit einer multiplanaren Schleife;
8B ist eine schematische isometrische Ansicht einer anderen Wärmekraftmaschine mit einer multiplanaren Schleife mit einer dreidimensionalen Führung;
9 ist eine schematische Darstellung oder ein Schaubild eines Energiegewinnungssystems mit drei kaskadierten Wärmekraftmaschinen, bei denen die kalte Seite einer Wärmekraftmaschine als die heiße Seite der anderen wirkt;
10 ist eine schematische Seitenansicht eines Energiegewinnungssystems mit einer Längs-Wärmekraftmaschine;
11A ist eine schematisch isometrische Ansicht eines Energiegewinnungssystems mit einer Mehrzahl von Wärmekraftmaschinen, die derart konfiguriert sind, thermische Energie von Wärmequellen mit hohem Aspektverhältnis, wie Rohren, abzugreifen;
11B ist eine schematische isometrische Ansicht eines anderen Energiegewinnungssystems mit einer Mehrzahl von Wärmekraftmaschinen, die derart konfiguriert sind, thermische Energie von Wärmequellen mit hohem Aspektverhältnis und gegenstromigen Kühlsenken abzugreifen;
12 ist eine schematische bruchstückhafte Schnittansicht eines runden dreidimensionalen SMA-Arbeitselements zur Verwendung in Wärmekraftmaschinen mit großem Maßstab;
13 ist eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Wärmekraftmaschine in großem Maßstab mit gestapelten und geschichteten SMA-Arbeitselementen; und
14 ist eine schematische Draufsicht einer nicht erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit einem einzelnen SMA-Arbeitselement, das mehrere Schleifen bildet, jedoch an nur zwei Stellen verschweißt oder verbunden ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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 Wärmerückgewinnungssystem oder 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 und eine angetriebene Komponente 16 auf.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Kontaktelemente darstellen, die zur leitenden Wärmeübertragung mit der Wärmekraftmaschine 14 konfiguriert sind.
Die Wärmekraftmaschine 14 ist derart konfiguriert, Temperaturdifferenzen zwischen dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 in dem Energiegewinnungssystem 10 in Bereichen zu verwenden, wie ohne Beschränkung: Fahrzeugwärme und -abwärme, Stromerzeugungswärme und -abwärme, Industrieabwärme, geothermische Wärme- und Kühlquellen, Solarwärme und -abwärme sowie Kombinationen daraus. Es sei angemerkt, dass das Energiegewinnungssystem 10 derart konfiguriert sein kann, um Temperaturdifferenzen in zahlreichen anderen Bereichen und Industrien zu nutzen.
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 Energiegewinnungssystem 10 verwendet werden. 3 zeigt eine andere Wärmekraftmaschine 54, die ebenfalls mit dem in 1 gezeigten Energiegewinnungssystem 10 verwendet werden kann, und weist viele ähnliche Komponenten und Funktionen ähnlich der Wärmekraftmaschine 14 auf.
Die Wärmekraftmaschine 14 von 2 weist ein Formgedächtnislegierungs-(SMA)-Bauteil 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.
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 so angeordnet ist, um dem Pfad des SMA-Bauteiles 22 Verlaufsweg hinzufügt, und die derart konfiguriert sein kann, um dem SMA-Bauteil 22 variabel Zugspannung hinzuzufügen (oder einen Durchhang aufzunehmen). Bei einigen Konfigurationen der Wärmekraftmaschine 14 braucht die Mitlaufriemenscheibe 42 nicht enthalten zu sein.
Das SMA-Bauteil 22 bildet eine Schleife um die erste Riemenscheibe 38, die zweite Riemenscheibe 40 und die Mitlaufriemenscheibe 42. Wie hier verwendet ist, betrifft eine einzelne Schleife das Umschreiben des gesamten Rotationspfades des SMA-Bauteils 22 um die Wärmekraftmaschine 14.
In diese 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 entweder dem heißen Gebiet 18 oder dem kalten Gebiet 20 angeordnet sein.
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.
Die erste Steuerriemenscheibe 39 und die zweite Steuerriemenscheibe 41 sind durch eine Steuerkette oder einen Steuerriemen 43 verbunden. Alternativ dazu kann ein Steuermechanismus, wie Kettenräder, die mit einer Kette verbunden sind, oder kämmende Zahnräder, ebenfalls verwendet werden, um eine mechanische Kopplung zwischen der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 bereitzustellen. Der Einschluss der mechanischen Kopplung, die durch die Steuerkette 43 (zusätzlich zu dem SMA-Bauteil 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.
Das SMA-Bauteil 22 ist um einen Abschnitt der ersten Riemenscheibe 38 unter einer ersten radialen Distanz und um einen Abschnitt der zweiten Riemenscheibe 40 unter einer zweiten radialen Distanz angeordnet, wobei die erste und zweite radiale Distanz ein SMA-Riemenscheibenverhältnis definieren. Der Steuerriemen 43 ist um die erste Steuerriemenscheibe 39 unter einer dritten radialen Distanz und um einen Abschnitt der zweiten Steuerriemenscheibe 41 unter einer vierten radialen Distanz angeordnet, wobei die dritte und vierte radiale Distanz ein Steuerriemenscheibenverhältnis definieren. Das SMA-Riemenscheibenverhältnis ist von dem Steuerriemenscheibenverhältnis verschieden.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist der Durchmesser der ersten Steuerriemenscheibe 39 größer als der der zweiten Steuerriemenscheibe 41. Der Unterschied im Durchmesser ändert das reaktive Drehmoment oder den Momentenarm, der durch die jeweiligen Riemenscheibenbauteile bereitgestellt wird. Verschiedene Momentenarme um die Riemenscheiben bewirken die Erzeugung eines resultierenden Moments aus den Kontraktionskräften, wie hier erläutert ist, entlang des SMA-Bauteils 22 benachbart dem heißen Gebiet 18. Es sei angemerkt, dass bei der in 3 gezeigten Ausführungsform die Steuerriemenscheiben im Wesentlichen die gleiche Größe besitzen, jedoch die Antriebsriemenscheiben verschiedene Größen aufweisen.
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 SMA-Bauteil 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.
Das SMA-Bauteil 22 ist in thermischem Kontakt oder Wärmeaustauschkommunikation mit sowohl dem heißen Gebiet 18 als auch dem kalten Gebiet 20 angeordnet. Das SMA-Bauteil 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 wird, zwischen Austenit und Martensit wechseln kann.
So wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich die Terminologie „SMA“ (SMA) auf Legierungen, die einen Formgedächtniseffekt zeigen. Dies bedeutet, das SMA-Bauteil 22 kann einer im festen Zustand erfolgenden kristallografischen Phasenänderung über eine Verschiebung zwischen einer Martensitphase, d.h. „Martensit“, und einer Austenitphase, d.h. „Austenit“, ausgesetzt sein. Alternativ angemerkt kann das SMA-Bauteil 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 eine Phase mit vergleichsweise geringerer Temperatur und ist oftmals verformbarer -d.h. Young-Modul ist etwa 2,5 mal geringer - als die Austenitphase mit vergleichsweise höherer Temperatur.
Die Temperatur, bei der das SMA-Bauteil 22 beginnt, von der Austenitphase in die Martensitphase zu wechseln, ist als die Martensit-Starttemperatur M_s bekannt. Die Temperatur, bei der das SMA-Bauteil 22 den Wechsel von der Austenitphase in die Martensitphase abschließt, ist als die Martensit-Endtemperatur M_f bekannt. Wenn das SMA-Bauteil 22 erwärmt wird, ist analog die Temperatur, bei der das SMA-Bauteil 22 beginnt, von der Martensitphase in die Austenitphase zu wechsein, als die Austenit-Starttemperatur A_s bekannt. Die Temperatur, bei der das SMA-Bauteil 22 die Änderung von der Martensitphase zu der Austenitphase beendet, ist als die Austenit-Endtemperatur A_f bekannt.
Daher kann das SMA-Bauteil 22 durch einen kalten Zustand gekennzeichnet sein, d.h. wenn eine Temperatur des SMA-Bauteils 22 unterhalb der Martensit-Endtemperatur M_f des SMA-Bauteils 22 liegt. Gleichermaßen kann das SMA-Bauteil 22 auch durch einen heißen Zustand gekennzeichnet sein, d.h. wenn die Temperatur des SMA-Bauteils 22 oberhalb der Austenit-Endtemperatur A_f des SMA-Bauteils 22 liegt.
Im Betrieb kann das SMA-Bauteil 22, das vorgedehnt oder einer Zugspannung unterzogen ist, seine Abmessung bei Änderung der kristallografischen Phase ändern, wodurch thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Das heißt, das SMA-Bauteil 22 kann die kristallographische Phase von Martensit nach Austenit ändern und sich dadurch dimensional kontrahieren, falls es pseudoplastisch vorgedehnt ist, um thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Umgekehrt kann das SMA-Bauteil 22 die kristallografische Phase von Austenit zu Martensit ändern und unter Spannung dadurch dimensionsmäßig expandieren und gestreckt werden.
Der Unterschied der Steifigkeit und somit der Spannung in den Austenit- und Martensitabschnitten des SMA-Bauteils 22 gekoppelt mit dem Riemenscheibenverhältnis zwischen der ersten Steuerriemenscheibe 39 und der zweiten Steuerriemenscheibe 41 erzeugt ein Nettodrehmoment aus thermischer Energie. Das Nettodrehmoment bewirkt, dass das SMA-Bauteil 22 rotiert und kinetische Energie in der Wärmekraftmaschine 14 erzeugt, die das angetriebene Bauteil 16 dann in elektrische Energie umwandelt oder anderweitig verwendet.
Pseudoplastisch vorgedehnt bezieht sich auf ein Strecken des SMA-Bauteils 22, während es sich in der Martensitphase befindet, so dass die Dehnung, die das SMA-Bauteil 22 unter dieser Belastungsbedingung aufweist, nicht vollständig rückerlangt wird, wenn es entlastet wird, wobei eine rein elastische Dehnung vollständig rückerlangt werden würde. In dem Fall des SMA-Bauteils 22 ist es möglich, das Material derart zu belasten, dass die Grenze der elastischen Dehnung überschritten wird und eine Verformung in der martensitischen Kristallstruktur des Materials stattfindet, bevor die wahre Grenze der plastischen Dehnung des Materials überschritten wird. Eine Dehnung dieses Typs zwischen diesen 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 SMA-Bauteil 22 in seine Austenitphase umformt, kann diese Dehnung jedoch rückerlangt werden, wodurch das SMA-Bauteil 22 in seine ursprüngliche Länge zurückkehrt, die vor Anlegen der Last beobachtet wurde.
Das SMA-Bauteil 22 kann vor Installation in der Wärmekraftmaschine 14 gestreckt werden, so dass eine Nennlänge des SMA-Bauteils 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 Vorstrecken des SMA-Bauteils 22 wäre während Phasenumwandlung wenig Verformung zu sehen.
Das SMA-Bauteil 22 kann sowohl Modul als auch Abmessung bei Änderung der kristallografischen Phase ändern, wodurch thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Genauer gesagt kann sich das SMA-Bauteil 22, wenn es pseudoplastisch vorgedehnt ist, bei Wechsel der kristallographischen Phase von Martensit nach Austenit dimensional kontrahieren und kann sich bei Wechsel der kristallographischen Phase von Austenit nach Martensit dimensional ausdehnen, wenn es unter Zugspannung steht, um dadurch thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. 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 SMA-Bauteils 22, die in dem heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 angeordnet sind, bei Änderung der kristallografischen Phase zwischen Martensit und Austenit jeweils dimensionsmäßig expandieren und kontrahieren.
Das SMA-Bauteil 22 kann eine beliebige geeignete Zusammensetzung aufweisen. Insbesondere kann das SMA-Bauteil 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. Zum Beispiel und ohne Beschränkung können geeignete SMAs 22 Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Nickel-Kobalt-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Mangan-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z.B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-AluminiumLegierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und Kombinationen davon umfassen.
Das SMA-Bauteil 22 kann binär, ternär oder einer anderen höheren Ordnung sein, solange das SMA-Bauteil 22 einen Formgedächtniseffekt aufweist, d.h. eine Änderung der Formorientierung, Dämpfungskapazität und dergleichen. Das spezifische SMA-Bauteil 22 kann gemäß gewünschter Betriebstemperaturen des heißen Gebietes 18 und des kalten Gebietes 20 gewählt sein, wie nachfolgend detaillierter dargestellt ist. In einem spezifischen Beispiel kann das SMA-Bauteil 22 Nickel und Titan umfassen.
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.
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.
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.
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.
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.
Wieder Bezug nehmend auf 2 können die erste Riemenscheibe 38 und die zweite Riemenscheibe 40 auch ohne Beschränkung umfassen: ein Zahnrad, eine Einwegkupplung oder eine Feder. Eine Einwegkupplung kann derart konfiguriert sein, dass sie eine Rotation der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 nur in einer Richtung zulässt.
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 dimensionalen Änderung des SMA-Bauteils 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.
Wie hier beschrieben ist, kann das SMA-Bauteil 22 in einen Riemen oder ein Seil eingebettet sein. Ferner kann das SMA-Bauteil 22 als ein sich längs erstreckender Draht konfiguriert sein, der in den Riemen eingebettet ist, so dass sich der Riemen als eine Funktion des Expandierens und Kontrahierens des zugeordneten SMA-Bauteils 22 längs expandiert und kontrahiert. Zusätzlich oder alternativ kann das SMA-Bauteil 22 als eine oder mehrere Schraubenfedern konfiguriert sein, die in dem Riemen eingebettet sein können. Das SMA-Bauteil 22 kann einen Draht aufweisen, der eine beliebige gewünschte Querschnittsform, d.h. rund, rechtwinklig, achteckig, Band oder eine andere Form besitzt, die dem Fachmann bekannt ist; und der Begriff „Draht“ kann eine SMA mit beliebiger Form betreffen. 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, der dann an seinen Enden verbunden ist, um eine Schleife zu bilden.
Der SMA-Draht kann auch in Bänder mit beliebigen Aspektverhältnissen abgeflacht sein. Bänder besitzen bessere Wärmeübertragungseigenschaften als Draht mit derselben Querschnittsfläche. Wenn Bänder um eine flache Riemenscheibe gewunden sind, besitzen Bänder aufgrund der hinzugefügten Kontaktfläche eine höhere Reibung als gerader Draht. Während Bänder mit hohem Aspektverhältnis Ermüdungsprobleme besitzen, besitzt eine Band mit einem Querschnittsaspektverhältnis von 3:1 ähnliche Ermüdungseigenschaften wie gerader Draht. Jedoch kann ein Band mit einem Querschnittsaspektverhältnis von 3:1 die Wärmeübertragung um zwanzig Prozent erhöhen. SMA-Arbeitsbauteile vom Bandtyp können beispielsweise und ohne Beschränkung sein: gerade, wellig oder gewellt, mit Ausschnitten oder Löchern oder mit hängenden Überständen (aktiv oder nicht aktiv).
Im Betrieb der Wärmekraftmaschine 14, die in 2 gezeigt ist, kann ein lokalisiertes Gebiet des SMA-Bauteils 22 in oder direkt benachbart dem heißen Gebiet 18 angeordnet sein, so dass die erste Temperatur bewirkt, dass sich dieses entsprechende lokalisierte Gebiet des SMA-Materials 22 als eine Funktion der ersten Temperatur des heißen Gebiets 18 längs kontrahiert. Gleichermaßen kann ein anderes lokalisiertes Gebiet des SMA-Materials 22 gleichermaßen in oder benachbart zu dem kalten Gebiet 20 angeordnet sein, so dass die zweite Temperatur bewirkt, dass dieses lokalisierte Gebiet des SMA-Materials 22 sich als eine Funktion der zweiten Temperatur des kalten Gebietes 20 längs ausdehnt.
Wenn beispielsweise die erste Temperatur des heißen Gebietes 18 bei oder oberhalb des heißen Zustandes liegt, kontrahiert sich das zugeordnete lokalisierte Gebiet des SMA-Bauteils 22 längs infolge einer Phasenänderung des SMA-Bauteils 22 von der Martensitphase zu der Austenitphase. Gleichermaßen wird sich, falls die zweite Temperatur des kalten Gebiets 20 unterhalb des kalten Zustands ist, das zugeordnete lokalisierte Gebiet des SMA-Bauteils 22 längs infolge des Phasenwechsels des SMA-Bauteils 22 von der Austenitphase zu der Martensitphase ausdehnen.
Das SMA-Bauteil 22 ist kontinuierlich um die erste Riemenscheibe 38 und die zweite Riemenscheibe 40 geschlungen, so dass eine Bewegung, die von dem SMA-Bauteil 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 und/oder -kontraktion der lokalisierten Gebiete des SMA-Materials 22 bringen eine Bewegung von dem SMA-Bauteil 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 SMA-Bauteils 22, die sich zu einem gegebenen Zeitpunkt in dem jeweiligen heißen Gebiet 18 und dem kalten Gebiet 20 befinden.
Wie in der Wärmekraftmaschine 14 von 2 gezeigt ist, sieht, wenn sich das SMA-Bauteil 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 SMA-Bauteils 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 SMA-Bauteils 22 zu der ersten Riemenscheibe 38. Falls die Wärmekraftmaschine 14 in einen dynamischen Betrieb eintritt, drehen das SMA-Bauteil 22, die erste Riemenscheibe 38 und die zweite Riemenscheibe 40 entgegen dem Uhrzeigersinn (bei Betrachtung in 2).
Die Wärmekraftmaschine 14 erfordert keine Flüssigkeitsbäder für das heiße Gebiet 18 und das kalte Gebiet 20. Daher müssen keine signifikanten Abschnitte des SMA-Bauteils 22 der Wärmekraftmaschine 14 in Flüssigkeiten getaucht sein.
In einer Wärmekraftmaschine, die durch Biegen dominiert ist, wie eine Wärmekraftmaschine vom Thermosäulen-Typ, kann ein Ausgang durch Konstruktion eines I-Balkens bzw. -Trägers mit SMA-Elementen erhöht werden. In dem I-Träger können die SMA-Elemente an den Flanschen angeordnet sein, und ein nicht aktives Material, wie Gummi, ist in der Bahn angeordnet. Ähnlicher Weise können Kastenträger aus SMA-Elementen aufgebaut werden. In Kastenträgern wird das SMA-Material in der biegedominierten Wärmekraftmaschine weg von der Neutralachse bewegt. Dies erhöht die Nutzung der SMA und erhöht somit die Leistungsausgangsfähigkeit der Wärmekraftmaschine vom Biegetyp.
Wieder Bezug nehmend auf das SMA-Bauteil 22 von 2, das als das SMA-Arbeitsbauteil oder Arbeitselement in der Wärmekraftmaschine 14 wirkt, können verschiedene Techniken oder Modifikationen an dem SMA-Bauteil 22 verwendet werden, um den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine 14 zu verbessern. Die Oberfläche oder Oberflächen des SMA-Bauteils 22, die insbesondere mit der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 zusammenwirken, können behandelt werden, um eine Traktion zu erhöhen oder zu verringern und eine Wärmeübertragung zu und von dem SMA-Bauteil 22 zu den heißen und kalten Gebieten 18, 20 oder zu den Riemenscheibenbauteilen 38, 40 zu erhöhen oder zu verringern.
Eine Behandlung des SMA-Bauteils 22 besteht darin, die Oxidschicht von der Fläche des SMA-Bauteils 22 zu entfernen. Ein oxidfreies SMA-Bauteil 22 kann in einer erhöhten Reibung zwischen dem SMA-Bauteil 22 und den Riemenscheiben 38, 40 resultieren, insbesondere, wenn die Riemenscheiben aus Stahl aufgebaut sind. Eine Entfernung von Oxiden kann auch Raten einer leitenden, konvektiven und Strahlungs-Wärmeübertragung zu und von dem SMA-Bauteil 22 erhöhen.
Eine andere Behandlung für das SMA-Bauteil 22 kann das Aufrauen der Oberfläche des SMA-Bauteils 22 betreffen. Das Aufrauen kann eine Traktion durch erhöhte Reibung erhöhen und hat gezeigt, dass kein messbarer Nachteil für die konvektive Wärmeübertragung besteht.
Dem SMA-Bauteil 22 können auch Beschichtungen hinzugefügt werden. Die Beschichtungen an dem SMA-Bauteil 22 erhöhen die Oberfläche und können folglich Wärmeübertragungsraten erhöhen, falls die Beschichtung eine bessere Übertragungsrate als die SMA besitzt, und falls die Anbindung an die Legierung ausreichend ist. Beschichtungen können auch ein Rutschen zwischen dem SMA-Bauteil 22 und den Riemenscheiben 38, 40 reduzieren. In Situationen, in denen Kühlraten zu hoch sind (sehr geringe Außentemperaturen), können Beschichtungen einen Wärmeabzug oder eine Überkühlung mindern.
Zusätzliche Behandlungen des SMA-Bauteils 22 können ohne Beschränkung umfassen: geschweißte Merkmale und Ätzen. Geschweißte Merkmale, wie Zähne oder andere Merkmale mit positivem Eingriff können an die Oberfläche des SMA-Bauteils 22 geschweißt werden, um als Greifknoten und erhöhte Oberfläche zur Wärmeübertragung, wie Rippen, zu wirken. Ätzmerkmale können in der Oberfläche des SMA-Bauteils 22 erzeugt werden. Diese Ätzmerkmale würden das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für eine erhöhte Wärmeübertragung erhöhen und können auch den positiven Eingriff zwischen dem SMA-Bauteil 22 und den Riemenscheiben 38, 40 unterstützen.
Eine weitere Modifikation der Oberflächen der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 kann das Anordnen einer dünnen Schicht eines piezoelektrischen Elements, wie einem Piezopolymer oder einem elektroaktiven Polymer (EAP), um die Riemenscheibe in dem Kontaktbereich mit dem SMA-Bauteil 22 aufweisen. Jede dieser piezoelektrischen Beschichtungen kann helfen, eine ausreichende Traktion beizubehalten und einen Schlupf an der Schnittstelle zu reduzieren.
Die piezoelektrischen Beschichtungen besitzen auch den zusätzlichen Vorteil der Erzeugung einer Spannung/Ladung jedes Mal, wenn die piezoelektrische Beschichtung während der Rotation der ersten Riemenscheibe 38 und der zweiten Riemenscheibe 40 durch das SMA-Bauteil 22 belastet wird. Die piezoelektrischen Beschichtungen können in elektrischer Kommunikation mit einem Kollektor stehen, wie einer Speichervorrichtung 36, um die durch die piezoelektrischen Beschichtungen erzeugte elektrische Energie abzugreifen.
Da der Umfang der Antriebsriemenscheiben der Wärmekraftmaschine 14 signifikant kleiner als die Länge des SMA-Bauteils 22 sein kann, erfolgt diese Belastung mit der Frequenz der Rotation der Riemenscheiben, die typischerweise etwa 5 mal größer als diejenige der Schleife des SMA-Bauteils 22 ist. Die Belastungsfrequenz der Beschichtungen des piezoelektrischen oder EAP-Elements können im Bereich von 2 bis 5 Hertz liegen.
Diese elektrische Ladung ist Energie, die durch die piezoelektrischen Beschichtungen an jedem der drei Riemenscheibenbauteile in der Wärmekraftmaschine 14 erzeugt wird. Die elektrische Energie kann der durch die Wärmekraftmaschine 14 gewonnenen Energie hinzugefügt und an die Energiespeichervorrichtung 36 kommuniziert werden.
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 Energiegewinnungssystem 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 68 und einem kalten Gebiet 70 angeordnet. Die Wärmekraftmaschine 54 weist ein SMA-Bauteil 62 auf, das in einer kontinuierlichen Schleife um eine erste Riemenscheibe 78, eine zweite Riemenscheibe 80 und eine Mitlaufriemenscheibe 82 läuft.
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 SMA-Bauteil 62) zwischen der ersten Riemenscheibe 78 und der zweiten Riemenscheibe 80 bereitgestellt wird, bedeutet, dass die Wärmekraftmaschine 54 auch als eine synchronisierte Wärmekraftmaschine bezeichnet werden kann.
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.
Wie in der Wärmekraftmaschine 54 von 3 gezeigt ist, erzeugt, wenn sich das SMA-Bauteil 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 SMA-Bauteils 62 zwischen der ersten Riemenscheibe 78 und der zweiten Riemenscheibe 80 wiederum eine Bewegung des SMA-Bauteils 62 zu der ersten Riemenscheibe 78. Falls die Wärmekraftmaschine 54 in einen dynamischen Betrieb eintritt, drehen das SMA-Bauteil 62, die erste Riemenscheibe 78 und die zweite Riemenscheibe 80 entgegen dem Uhrzeigersinn (bei Betrachtung in 3).
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 SMA-Bauteils 22, des in 3 gezeigten SMA-Bauteils 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 SMA-Bauteils 22, des in 3 gezeigten SMA-Bauteils 72 oder eines anderen SMA-Arbeitsbauteils.
Das Arbeitsdiagramm 90 zeigt einen Arbeitspfad 94, der einer Anordnung oder einem Gebiet des SMA-Bauteils 22 oder des SMA-Bauteils 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 SMA-Bauteil 22 oder das SMA-Bauteil 72 an jeder Schleife erzeugt wird. Daher zeigt die Tatsache, dass die Nettoarbeitszone 96 größer als Null ist, dass das SMA-Bauteil 22 oder das SMA-Bauteil 72 mechanische Arbeit aus thermischer Energie, die der Wärmekraftmaschine 14 oder der Wärmekraftmaschine 54 verfügbar ist, erzeugt.
Erneut Bezug nehmend auf 2 versucht die Wärmekraftmaschine 14 - und das Energiegewinnungssystem 10 als Ganzes - so viel der verfügbaren thermischen Energie wie möglich abzugreifen und diese thermische Energie in mechanische Energie umzuwandeln, die dann dazu verwendet werden kann, andere Aufgaben, die Energie erfordern, auszuführen. Die Wärmekraftmaschine 14 kann die gesamte verfügbare Wärme durch verschiedene Rückgewinnungsverfahren abgreifen, um den Gesamtwirkungsgrad des Energiegewinnungssystems 10 zu verbessern.
Die in 3 gezeigte Wärmekraftmaschine 54 weist einige oder alle derselben Ziele, Änderungs-, Modifikations- oder Optimierungstechniken auf. Andere Wärmekraftmaschinen können ebenfalls die vielen der hier beschriebenen Merkmale einschließen. Jedoch ist zur Vereinfachung der größte Teil der Diskussion hier in Bezug auf die Wärmekraftmaschine 14 gezeigt.
Das SMA-Bauteil 22 ist das Arbeitselement (oder Treiber) für die Wärmekraftmaschine 14, und verschiedene alternative Konstruktionen, Modifikationen und Verbesserungen des SMA-Bauteils 22 können dazu verwendet werden, den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine 14 zu verbessern. Ohne die durch das SMA-Bauteil 22 bereitgestellten Abmessungsänderungen ist die Wärmekraftmaschine 14 nicht in der Lage, mechanische Energie aus der verfügbaren thermischen Energie zu erzeugen. Geometrische, Material- und Herstellbetrachtungen tragen zu der Wirksamkeit des SMA-Bauteils 22 in der Wärmekraftmaschine 14 oder in anderen Wärmekraftmaschinen bei.
Die das SMA-Bauteil 22 bildende Legierung kann spezifisch auf die Betriebsumgebung (die erste und zweite Temperatur) des heißen Gebiets 18 und des kalten Gebiets 20 angepasst sein. Ferner können, da die das heiße Gebiet 18 bildende Abwärme in Fluidform (z.B. geothermisch oder Fahrzeugkühler), Konvektion (z.B. von einem Trocknungsofen), Leitung (z.B. die Oberfläche eines Fahrzeugabgasrohres) oder Strahlung (z.B. Solar) vorkommen kann, die Wärmekraftmaschine 14 und das SMA-Bauteil 22 an den spezifischen Typ von Abwärme angepasst werden, für den die Wärmekraftmaschine 14 geplant ist.
Das Anpassen der Legierung an die spezifische Betriebsumgebung kann die Hysterese, der das SMA-Bauteil 22 ausgesetzt ist, reduzieren oder verengen, wenn es durch die Wärmekraftmaschine 14 geschleift ist und sich unter dem Einfluss des heißen Gebietes 18 und des kalten Gebietes 20 kontinuierlich kontrahiert und expandiert. Die Temperaturhysterese - oder Pfadabhängigkeit - des SMA-Bauteils 22 kann beispielsweise durch Zusatz von Kupfer zu Legierungen aus Nickel und Titan reduziert werden. Bei Ausführungsformen oder Konfigurationen, bei denen das SMA-Bauteil 22 mehrere Stränge oder SMA-Elemente (wie mehrere Federn) aufweist, können verschiedene einzelne Legierungen verwendet werden, um das SMA-Bauteil 22 zu bauen, so dass die Wärmekraftmaschine 14 derart gebaut ist, dass sie simultan über einen breiten Bereich von Betriebstemperaturen arbeitet.
Das SMA-Element 22 kann aus einem dünnen geraden SMA-Draht in der Größenordnung von beispielsweise 0,05 - 0,3 Millimeter geformt sein. Der dünne Draht kann eine relativ kostengünstige Form von SMA sein und erzeugt gute Betriebseigenschaften (Ermüdung, Leistungsausgang). Die Wärmeübertragung pro Masse an SMA ist relativ hoch, wenn das SMA-Bauteil 22 aus Dünndraht-SMA geformt ist. Eine erhöhte Wärmeübertragung erlaubt, dass die Wärmekraftmaschine 14 Material schneller zyklisch laufen lassen kann, insbesondere mit einer Konvektionswärmequelle als dem heißen Gebiet 18.
Das SMA-Bauteil 22 kann als eine kontinuierliche Schleife ohne Verbindungen oder als ein einzelnes Schleifenelement geformt sein, das eine einzelne Verbindung besitzt, die den geraden dünnen Draht in die kontinuierliche Schleife formt. Alternativ dazu kann der einzelne Draht mehrere Male um den Pfad, der durch die Riemenscheibenbauteil definiert ist, geschlungen sein, besitzt jedoch immer noch nur eine Verbindung. Der exakte Durchmesser der Dünndraht-SMA, die das SMA-Bauteil 22 bildet, kann auf Grundlage der Betriebsbedingungen der Wärmekraftmaschine 14 variiert werden, wie beispielsweise ohne Beschränkung: der ersten Temperatur des heißen Gebiets 18 und der zweiten Temperatur des kalten Gebiets 20; der Größe der Dehnung, die in das SMA-Bauteil 22 während der Expansion und dem Verlauf um die Schleife eingeführt wird; der Betriebsfrequenz der Wärmekraftmaschine 14; und der vorhergesagten Lebensdauer des SMA-Bauteils 22 oder der Wärmekraftmaschine 14.
Das Ausbilden des SMA-Arbeitselements in eine Schleife kann eine oder mehrere Verbindungen in dem SMA-Bauteil 22 erfordern. Die Verbindung kann dadurch erzeugt werden, dass die beiden Enden des SMA-Arbeitselements miteinander laserverschweißt werden.
Schweißprozesse können das Material erneut schmelzen und eine ungleichförmige Kornstruktur erzeugen. Eine Nachbearbeitung der Verbindungen kann die resultierende schließliche Zugfestigkeit und zyklische Ermüdungscharakteristiken des SMA-Bauteils 22 verbessern. Die Entfernung der ungleichförmigen Kornstruktur kann die Wahrscheinlichkeit einer Ansammlung einer Versetzung oder Dislozierung reduzieren und Ermüdungsbrüche in dem SMA-Bauteil 22 reduzieren.
Nachprozesse des SMA-Bauteils 22 können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Glühen, Ziehen, Walzen, Schmieden und verschiedene thermomechanische Verarbeitungskombinationen.
Nun Bezug nehmend auf 5A, 5B und 5C und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 - 4 sind schematische bruchstückhafte Schnittansichten der zusätzlichen SMA-Arbeitselementformen gezeigt. Die gezeigten Arbeitselemente werden als Bänder hergestellt oder zusammengebaut, die größere Verhältnisse von Breite zu Dicke besitzen, als Drähte.
5A zeigt ein nicht erfindungsgemäßes SMA-Bauteil 122, das aus parallelen Drähten, Streifen oder Strängen 123 aus Dünndraht-SMA geformt ist. 5B zeigt ein SMA-Bauteil 162, das aus parallelen Drähten, Streifen oder Strängen 163 aus Dünndraht-SMA geformt ist, die teilweise in eine Matrix 166 eingebettet sind. 5C zeigt ein Verbund-SMA-Bauteil 192, das aus mehreren Einheiten eines kleineren SMA-Bauteils geformt ist.
Die 5A, 5B und 5C repräsentieren zusätzliche SMA-Arbeitselementformen, die mit verschiedenen Typen und Konfigurationen von Wärmekraftmaschinen verwendet werden können, wie denen, die hier gezeigt und beschrieben sind. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diese eingeschlossen und mit denen verwendet werden, die in den 5A, 5B und 5C gezeigt sind.
5A zeigt Heftschweißungen 124, die die parallelen Stränge 123 verbinden, um das SMA-Bauteil 122 zu bilden. Alternativ dazu können die parallelen Stränge 123 durch lokalisierte Verriegelungsverformungen verbunden werden, die die parallelen Stränge 123 ohne die Heizprozesse, die beim Schweißen betroffen sind, mechanisch verknüpfen. Obwohl es nicht gezeigt ist, können die parallelen Stränge 123 auch frei sein, so dass kein Strang 123 mit dem anderen verbunden ist. Eine Riemenscheibe 140 ist schematisch so gezeigt, dass sie einen Kontakt zwischen dem SMA-Bauteil 122 und den Antriebsriemenscheiben der Wärmekraftmaschine, in die das SMA-Bauteil 122 integriert ist, demonstriert.
Allgemein ist die Querschnittsform der Stränge 123 rund gezeigt. Jedoch könne die Dünndraht-SMA-Stränge 123 mit anderen Querschnitten geformt sein, wie, ohne Beschränkung: quadratisch, rechtwinklig, oval, Kasten-Balken bzw. Träger oder I-Träger. Die anderen Formen von SMA-Strängen 123 können ebenfalls in Bänder geformt werden.
5B zeigt, dass das SMA-Bauteil 162 erfindungsgemäß aus den SMA-Strängen 163, die in einer Matten- oder Band-Formung angeordnet sind, und dann in eine kontinuierliche Schleife geformt ist. Ein äußerer Abschnitt (relativ zu der Riemenscheibe 140, die schematisch gezeigt ist) der Stränge 123 ist kollektiv durch ein Elastomer beschichtet oder eingebettet, um die Matrix 166 zu bilden.
Die Matrix 166 hält die einzelnen Stränge 163 getrennt und leitet auch Wärme von den Strängen 163. Jedoch kommt die Matrix 166 nicht in direkten Kontakt mit der Riemenscheibe 140, so dass die Matrix 166 nicht zwischen der Riemenscheibe 140 und den Strängen 163 komprimiert wird. Zusätzlich kann die Teilmatrix die dynamische (Größen ändernde) Beziehung zwischen den Strängen 163 und der Matrix 166 besser handhaben.
Das die Matrix 166 bildende Elastomer kann thermisch eigenleitend sein oder kann mit Materialien für eine verbesserte Wärmeleitung gefüllt (oder dotiert) sein. Diese Füllstoffe können Metall- oder Kohlenstoff/Graphit-Drähte, Mikrodrähte und Nicht-Drähte wie auch andere Füllstoffe mit hohem Aspektverhältnis, wie Plättchen, aufweisen. Die Matrix 166 kann in direkten Kontakt mit der Wärmequelle angeordnet werden, um Wärme leitend in die Stränge 163 in dem heißen Gebiet zu ziehen. Gleichermaßen kann die Matrix 166 einen Ausstoß von Wärme an das kalte Gebiet durch Leiten von Wärme von den Strängen 163 und konvektives oder leitendes Kommunizieren dieser Wärme an das kalte Gebiet unterstützen.
Die SMA-Bauteile 122, 162, die in den 5A und 5B gezeigt sind, sind mit nur vier Strängen 123, 163 gezeigt. Jedoch können viel mehr Stränge 123, 163 bei der Bildung der SMA-Bauteile 122, 162 in breitere Bänder (mit größeren Verhältnissen von Breite zu Dicke) verwendet werden.
Bei Wärmekraftmaschinen im großen Maßstab kann die zusätzliche Breite, Dicke, Länge und (möglicherweise) Anzahl von SMA-Arbeitselementen mehrere Mitlaufriemenscheiben erfordern, um Zugspannung aufrechtzuerhalten und ein Durchhängen in den SMA-Arbeitselementen aufzunehmen. Beispielsweise und ohne Beschränkung kann ein Mauermuster mit mehreren Einheiten verwendet werden, das in einer gestuften Weise in ein größeres und stärkeres Verbund-SMA-Arbeitselement aufgebaut ist. Während einzelne Dünndraht-Arbeitselemente bei Betriebsabläufen in kleinem Maßstab effizient sein können, kann es möglicherweise nicht praktikabel sein, den einzelnen Draht für eine Energieproduktion in großem Maßstab von den Wärmekraftmaschinen einfach zu vergrößern. Größere, stärkere und haltbarere SMA-Arbeitselemente können besser ermöglichen, dass Wärmekraftmaschinen, in die die SMA-Arbeitselemente integriert sind, wesentliche Energieausgänge erzeugen können.
Es sei angemerkt, dass, während 5B nur einzelne Dünndraht-SMA-Stränge 163 zeigt, die Matrix 166 auch mit Flechtwerken bzw. Verflechtungen, Gittern oder Geweben aus SMA verwendet werden kann. Mit Geweben oder Gittern würde die Matrix 166 beispielsweise nach Montage des Gewebes oder des Gitters aufgetragen und wäre immer noch entfernt von der Riemenscheibe 140 angeordnet. Federform-SMA-Stränge 163 können auch mit der Matrix 166 kombiniert werden, um größere, effektivere Arbeitselemente zu bilden.
Wie in der nicht erfindungsgemäßen 5C gezeigt ist, können kleinere Arbeitselementgruppen oder -einheiten als Basisbaueinheiten behandelt werden, und zusätzliche Einheiten können gestapelt und geschichtet werden, um einen größeren Riemen zu bilden, wie das Verbund-SMA-Bauteil 192, von dem nur ein Abschnitt gezeigt ist. Das Verbund-SMA-Bauteil 192 ist aus mehreren Einheiten eines SMA-Bauteils 194 ausgebildet, das ähnliche Elemente wie das SMA-Bauteil 162 besitzt, wie in 5B gezeigt ist.
Es werden fünf Stränge 163 verwendet, um die einzelnen SMA-Bauteile 194 von 5C zu bilden. Die einzelnen SMA-Bauteile 194 weisen auch die Matrix 166 auf. Jedoch bedeckt bei dieser Ausführungsform die Matrix 166 die Stränge 163 vollständig und umgibt diese. Um das Verbund-SMA-Bauteil 192 zu bilden, werden die einzelnen SMA-Bauteile 194 als ein veranschaulichendes Beispiel in einem Mauermuster gestapelt und geschichtet.
Zusätzlich zu dem Typ mit geradem Draht der SMA-Arbeitsbauteile können andere Konfigurationen von SMA-Arbeitsbauteilen mit der Wärmekraftmaschine 14 oder mit anderen Wärmekraftmaschinen verwendet werden. Beispielsweise und ohne Beschränkung können die SMA-Arbeitselemente als Federn oder Bänder geformt sein, können miteinander verflochten oder verwebt sein und können in Seite geformt sein.
Nun Bezug nehmend auf 6A, 6B und 6C und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 - 5C sind Abschnitte zusätzlicher, jedoch nicht erfindungsgemäßer SMA-Arbeitselementformen gezeigt, die federbasierte SMA-Arbeitselemente sind. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diese integriert und mit denen verwendet werden, die in den 6A, 6B und 6C gezeigt sind.
Federbasierte Wärmekraftmaschinen können in der Lage sein, über einen großen Bereich von Betriebsbedingungen zu laufen. Die Nachgiebigkeit (Fähigkeit zur Längsverformung durch normale Federbewegung separat von den Änderungen der kristallographischen Phase) der Feder wirkt als ein Mechanismus zum Verhindern einer Überlast. Ferner sieht die Geometrie gewickelter Federn eine relativ hohe Reibung um die Antriebsriemenscheiben vor.
6A zeigt einen Abschnitt eines SMA-Bauteils 222, der als eine oder mehrere Federn 223, die in eine Schleife verbunden sind, geformt ist. Es sei angemerkt, dass die in 6A gezeigten Abschnitte tatsächlich die beiden Enden einer einzelnen geschleiften Feder 223 sein können.
Ein Faserkern 225 ist in der Wicklung der Feder 223 angeordnet und läuft durch die Schleife, die durch das SMA-Bauteil 222 erzeugt wird. Fasern - einschließlich beispielsweise Aramid oder Paraaramidfasern - sind durch die Wicklung der Federn 223 eingesetzt, um die Wicklungen in ihrem beabsichtigten Pfad zu halten. Aramidfasern sind eine Gruppe synthetischer feuerbeständiger und starker Polyamide, die dazu verwendet werden können, Textilien oder Kunststoffe herzustellen.
Andere Elemente können in der Wicklung der SMA-Federn 223 angeordnet werden, um die Wicklung zu stützen, zu verhindern, dass diese durchhängt und die Wicklung während eines Ausfalls zu halten. Wenn mehrere Federn 223 verwendet werden, können die Faserkerne 225 auch verhindern, dass sich einige SMA-Federn 223 beim Kühlen lockern, was potentiell eine Trennung einer der Federn 223 von dem Rest des SMA-Bauteils 222 ermöglichen kann.
Ein Schweißgebiet 227 demonstriert eine Technik zum Verbinden der Enden von SMA-Arbeitsbauteilen oder -elementen vom Feder-Typ. Das Schweißgebiet 227 verwendet einen Verriegelungsabschnitt der Federn 223. Beispielsweise sind die beiden Enden ineinander geschraubt und die Schweißung wird entlang der Naht zwischen den beiden Enden erzeugt. Diese Verbindungstechnik erzeugt eine robustere Verbindung, indem das Schweißgebiet 227 unter Partialkompression gebracht wird.
Das Schweißen entlang der Naht der Federn 223 hat auch den Vorteil des Überlappschweißverfahrens, das robuster als eine Stoßverschweißung in dieser Konfiguration sein kann. Zusätzlich kann das Schweißgebiet 227 so geformt sein, dass die Schweißung nur an der inneren Naht vorhanden ist (im Gegensatz zu einer Verschweißung sowohl innen als auch außen, wie gezeigt ist). Das Verschweißen der Naht entlang des inneren Umfangs der Federn 223 kann die an dem Schweißgebiet 227 geformte Verbindung verbessern. Das Verfahren der nur innen erfolgenden Verschweißung kann auch die Geometrie der einzelnen Federn 223 und des SMA-Bauteils 222 besser bewahren.
6B zeigt einen Abschnitt eines SMA-Bauteils 262, der aus zwei Federn, einer ersten Federwicklung 263 und einer zweiten Federwicklung 264 gebildet und in koaxialer Ausrichtung zueinander angeordnet und eingefädelt ist, so dass jede einzelne Schleife parallel zu anderen einzelnen Schleifen arbeitet. Die zweite Federwicklung 264 ist mit gestrichelten Linien gezeigt, um die beiden separaten Federn des SMA-Bauteils 262 besser zu veranschaulichen. Ein Faserkern 265 ist in sowohl der ersten Federwicklung 263 als auch der zweiten Federwicklung 264 angeordnet. Die zweite Federwicklung 264 überlappt parallel mit der ersten Federwicklung 263, so dass beide allgemein entlang derselben Achse um denselben Faserkern 265 ausgerichtet sind und gemeinsam expandieren und kontrahieren.
Zusätzliche Federwicklungselemente können weiter parallel angeordnet werden. Es sei angemerkt, dass, da die Federformelemente expandieren, zahlreiche zusätzliche Wicklungen parallel eingefädelt oder gewickelt werden können, und sich das SMA-Bauteil 262 dennoch bei Betrieb an einer SMA-Wärmekraftmaschine expandiert oder streckt, wie der Wärmekraftmaschine 14 oder der Wärmekraftmaschine 64.
Die erste Federwicklung 263 kann dazu verwendet werden, eine erste Schleife an einer ersten Verbindung zu bilden (wie einer Schweißverbindung), und die zweite Federwicklung 264 kann dazu verwendet werden, eine zweite Schleife an einer zweiten Verbindung zu bilden. Die erste Verbindung kann von der zweiten Verbindung versetzt sein, so dass die Anordnungen der Verbindung der jeweiligen Schleifen nicht ausgerichtet sind. Beispielsweise und ohne Beschränkung können die Verbindungen um zumindest neunzig Grad relativ zu dem Pfad des SMA-Bauteils 262 versetzt sein. Es sei angemerkt, dass, wenn die Anzahl von Federwicklungen, die verwendet wird, zunimmt, die Distanz (ob linear oder rotationsbezogen) zwischen jeder der Wicklungen reduziert werden kann. Wie in diesem Fall verwendet ist, entsprechend dreihundertsechzig Grad einer vollständigen Schleife um die Schleife der SMA-Wärmekraftmaschine, in die das SMA-Bauteil 262 integriert ist.
6C zeigt einen Abschnitt eines SMA-Bauteils 282, der aus zwei verschachtelten Federn, einer ersten Federwicklung 283 und einer zweiten Federwicklung 284 gebildet ist. In dem SMA-Bauteil 282 sind die erste Federwicklung 283 und die zweite Federwicklung 284 parallel ausgerichtet oder angeordnet, wobei ihre jeweiligen Achsen geringfügig versetzt sind. Die erste Federwicklung 283 und die zweite Federwicklung 284 sind ebenfalls verschachtelt, so dass Abschnitte der Wicklungen der ersten Federwicklung 283 durch Abschnitte der Wicklungen der zweiten Federwicklung 284 gewunden sind.
Ein erster Faserkern 285 ist in der ersten Federwicklung 283 angeordnet, und ein zweiter Faserkern 286 ist in der zweiten Federwicklung 284 angeordnet. Der erste Faserkern 285 und der zweite Faserkern 286 können Aramidmaterialien sein. Die erste Federwicklung 283 und die zweite Federwicklung 284 bilden allgemein einen SMA-Riemen oder ein SMA-Band, das breiter als dick ist. Es können zusätzliche Federwicklungselemente ferner angeordnet werden, um das Band zu verbreitern und das SMA-Bauteil 282 wesentlich breiter als gezeigt, zu machen.
Für große SMA-Wärmekraftmaschinen kann die Federform-SMA dadurch, dass mehrere Federn ineinander greifen, hinsichtlich der Materialdichte angehoben werden, so dass sie ein breitmaschiges Band oder einen breitmaschigen Riemen bilden. Dies kann helfen, sicherzustellen, dass ein Ausfall einer Wicklung die gebrochene Wicklung nicht in die Wärmekraftmaschine oder die Umgebung ausstößt und kann die Integrität des SMA-Bauteils 262 verbessern.
Eine weitere Modifikation der SMA-Bauteile 222, 262 kann durch Einstellung des Spiralwinkels der Federn 223, 263 stattfinden. Alternativ dazu kann der Wicklungsdurchmesser eingestellt und an den Typ von Riemenscheibe angepasst werden, die in der Wärmekraftmaschine verwendet wird, in die die SMA-Bauteile 222, 262 integriert sind.
Ähnlich den SMA-Arbeitselementen, die in den 5A, 5B und 5C gezeigt sind, können die nicht erfindungsgemäßen federbasierten SMA-Arbeitselemente in Riemen zum Gebrauch bei der Energieproduktion in großem Maßstab kombiniert werden. Beispielsweise können die Federn 223, 263 aneinander geheftet werden, um flache planare Riemen zu bilden, oder es können mehrere Federn 223, 263 zur Verwendung mit Wärmekraftmaschinen, die große Energiemengen erzeugen, ausgerichtet, jedoch frei, sein. Ferner können Mehrzahlen der Federn 223, 263 in ein Matrixmaterial eingebettet werden, um einen federbasierten Riemen zu bilden. Die Matrix kann Additive oder Dotiermittel aufweisen, um eine Wärmeübertragung zu und von dem SMA-Arbeitselement zu verbessern. Mehrere Riemen, die aus federbasierten SMA-Materialien ähnlich der dünndrahtbasierten SMA gebildet sind, können ebenfalls in mehreren parallelen Ebenen gestapelt werden.
Nun Bezug nehmend auf die 7A und 7B und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 - 6B sind Abschnitte von zusätzlichen, jedoch nicht erfindungsgemä-ßenSMA-Arbeitselementformen gezeigt, die beide gewobene oder verflochtene SMA-Arbeitselemente in sich wiederholenden Anordnungen besitzen. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in die, die in den 7A und 7B gezeigt sind, integriert und mit diesen verwendet sein.
Ein dünner gerader Draht kann schwierig auf Hunderte (oder Tausende) von Drähten heraufzusetzen sein, die erforderlich sind, um Hunderte bis Tausende an Watt Ausgangsleistung von einer Wärmekraftmaschine zu erzeugen. Jedoch können dünne SMA-Drähte in Konfigurationen gewoben oder geflochten werden, die die Fähigkeit zum Heraufsetzen auf größere Wärmekraftmaschinen verbessern.
7A zeigt ein SMA-Bauteil 322, das aus Dünndraht-SMA geformt ist, die in ein längs gerichtetes Seil geflochten ist. Das SMA-Bauteil 322 ist als eine Verflechtung von Verflechtungen konfiguriert worden, wie in der Nahansicht von 7A gezeigt ist.
7B zeigt ein SMA-Bauteil 362, das aus Dünndraht-SMA geformt ist, die in eine kontinuierliche Matte gewoben worden ist, die sich grob dem Querschnitt eines flachen Bandes annähert. Das SMA-Bauteil 362 ist als ein Gitter von Gittern konfiguriert worden, wie in der Nahansicht von 7B gezeigt ist.
Die SMA-Bauteile 322, 362, die in den 7A und 7B gezeigt sind, sind allgemein planar und können ähnlich Riemen sein. Jedoch können die SMA-Bauteile 322, 362 auch in dreidimensionale Formen geformt werden, wie durch Weben oder Flechten der SMA-Bauteile 322, 362 um einen dreidimensionalen Kern (wie Synthetikkernfasern oder -seile) oder um einen dreidimensionalen Dorn.
Durch Variation des Verflechtungswinkels oder Webmusters ist es möglich, die SMA-Bauteile 322, 362 mit einem größeren Hub zu erzeugen, als SMA-Arbeitselemente mit geradem Draht. Zusätzlich kann eine Verflechtung oder eine Verwebung aufgespleißt werden, um eine Schleife ohne Verschweißen zu bilden, was eine metallurgische Degradation beseitigen kann, die oftmals einem Schweißen von SMA zugeordnet ist. Verflechtungen oder Verwebungen können auch allmählichere Ausfallmoden besitzen, da die gesamte Verflechtung oder Verwebung Ausfälle einzelner Drähte toleriert, ohne dass das gesamte SMA-Bauteil 322, 362 die Lasttragefähigkeit verliert. Zusätzlich können die Antriebsriemenscheiben der Wärmekraftmaschine mit einem Reliefmuster hergestellt werden, das mit der Verflechtung oder dem Webmuster zusammenpasst, wodurch Reibung und Lasttragewechselwirkung zwischen den Antriebsriemenscheiben und dem SMA-Bauteil 322, 362 erzeugt werden.
SMA-Drähte können auch in Seile (Drahtseil) mit variabler, jedoch signifikanter Größe gewickelt werden, die zugeschnitten werden können, um die Konstruktion vieler Wärmekraftmaschinen anzupassen. Diese Seile weisen viele der Vorteile des Nicht-SMA-Drahtseils in Bezug auf hohe Zugfähigkeit, sehr geringe Biegesteifigkeit, Lasttrageredundanz und Packung (Aufwickeln) auf.
Der Querschnittsaufbau und die Lage (Händigkeit) von Drähten in den Strängen und Strängen in dem Seil können so ausgelegt sein, um verschiedene mechanische Ansprechen zu erzeugen und damit die nichtlineare Kraftverstellungskurve, den Grad an Aussteuerung (plastischer Schaden, der während des frühen Teils des Ermüdungsprozesses auftritt) und die Zug-Torsions-Kopplung zuzuschneiden. Das Erhöhen des Spiralwinkels, der der Winkel zwischen der Drahtrichtung und der Achse des Seils ist, tendiert zu einer Erhöhung des Hubes entlang der Seilachse auf Kosten der Kraft. Dies stellt einen Weg dar, die Steueranforderungen einer Wärmekraftmaschine mit geradem Draht zu mindern, während viele der Packungsvorteile beibehalten werden. Zusätzlich kann der Kern eines Seils aus anderen nichtaktiven Materialien hergestellt sein, um das SMA-Material nahe dem Außenradius zu halten und damit das Wärmeübertragungsansprechen zu verbessern. Während Seile nominell im Querschnitt rund sind, ist die Außenfläche unregelmäßig (holprig), was eine zusätzliche Traktion zwischen den Antriebsriemenscheiben und dem SMA-Arbeitsbauteil bereitstellt und auch sekundäre Wärmeübertragungsvorteile bereitstellt.
Nun Bezug nehmend auf 8A und 8B und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 - 7B sind zusätzliche Konfigurationen einer Wärmekraftmaschine 414 und einer Wärmekraftmaschine 454 gezeigt, die beide auch in das Energiegewinnungssystem 10, das in 1 gezeigt ist, oder andere Wärmerückgewinnungssysteme integriert sein und damit verwendet werden können. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diejenigen, die in den 8A und 8B gezeigt sind, integriert sein und mit diesen verwendet werden.
Die Wärmekraftmaschine 414 ist in Wärmeaustauschkommunikation mit einem heißen Gebiet 418 und einem kalten Gebiet 420 angeordnet, und die Wärmekraftmaschine 454 ist in Wärmeaustauschkommunikation mit einem heißen Gebiet 458 und einem kalten Gebiet 460 angeordnet.
Die Wärmekraftmaschine 414 weist ein SMA-Bauteil 422 auf, das in einer kontinuierlichen Schleife um eine erste Riemenscheibe 438, eine zweite Riemenscheibe 440 und mehrer Mitlaufriemenscheiben 442 läuft. Eine erste Steuerriemenscheibe 439 und eine zweite Steuerriemenscheibe 441 sind durch eine Steuerkette 443 mechanisch gekoppelt. Die Wärmekraftmaschine 454 weist ein SMA-Bauteil 472 auf, das in einer kontinuierlichen Schleife um eine erste Riemenscheibe 478, eine zweite Riemenscheibe 480 und mehrere Mitlaufriemenscheiben 482 läuft. Eine erste Steuerriemenscheibe 479 und eine zweite Steuerriemenscheibe 481 sind durch eine Steuerkette 483 mechanisch gekoppelt.
Wie in den 8A und 8B gezeigt ist, ist der Pfad der SMA-Bauteile 422, 462 nicht auf eine einzelne Ebene beschränkt. Die durch die SMA-Bauteile 422, 462 gebildete Schleife wird durch die zusätzlichen Mitlaufriemenscheiben 442, 482 geführt. Multiplanare Schleifenpfade können das Packen der Wärmekraftmaschine 414, 454 in beschränktem Raum, wie in Fahrzeugen, unterstützen. Zusätzlich kann die dreidimensionale Form der Schleifen ein Führen der SMA-Bauteile 422, 462 zwischen heißen Gebieten 418, 458 und kalten Gebieten 420, 460 unterstützen, die in nichtplanaren relativen Anordnungen getrennt oder orientiert sind.
Die Wärmekraftmaschine 454 weist ferner eine dreidimensionale Führung 456 auf. Die dreidimensionale Führung 456 kann eine flexible Leitung oder ein flexibles Rohr sein und erweitert ferner die relative Flexibilität des Pfades, durch den das SMA-Bauteil 422 läuft. Die dreidimensionale Führung 456 erlaubt, dass das SMA-Bauteil 422 Hindernisse vermeidet, die ansonsten die Installation oder den Betrieb der Wärmekraftmaschine 454 verhindern können.
Nun Bezug nehmend auf 9 und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 - 8B ist eine schematische Darstellung eines Energiegewinnungssystems 510 gezeigt, das drei Wärmekraftmaschinen 514 aufweist, die ähnlich denen, die in den 2 und 3 gezeigt sind, sein können oder andere Wärmekraftmaschinen sein können. Die drei Wärmekraftmaschinen 514 sind in kaskadenartiger oder kettenartiger Weise angeordnet, wobei die kalte Seite einer Maschine als die heiße Seite einer benachbarten Maschine wirkt. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diejenigen, die in 9 gezeigt sind, integriert und in diesen verwendet werden.
Ein heißes Endgebiet 518 und ein kaltes Endgebiet 520 sind benachbart dem Energiegewinnungssystem 510 angeordnet. Das heiße Endgebiet 518 kann beispielsweise heiße Fluide aufweisen, die sich relativ zur 9 aufwärts oder abwärts bewegen oder rechtwinklig zu der Betrachtungsebene bewegen. Ähnlicherweise kann das kalte Endgebiet 520 Fluide enthalten, die sich entlang der gegenüberliegenden Seite des Energiegewinnungssystems 510 bewegen. In dieser Konfiguration ist die Gesamttemperaturdifferenz - und daher die gesamte thermische Energie, die verfügbar ist - in mehrere kleinere Temperaturdifferenzfenster unterteilt oder aufgeteilt.
In der gezeigten Konfiguration würde die Maschine mit höchster Temperatur, die als eine Wärmekraftmaschine 515 des heißen Endes bezeichnet ist, die Wärme direkt von dem heißen Endgebiet 518 aufnehmen und dann ihre kalte Seite in die heiße Seite der nächsten Maschine ausgeben, die als eine Zwischen-Wärmekraftmaschine 516 in 9 bezeichnet ist. Nach Umwandlung in mechanische Energie wird die verbleibende thermische Energie von der kalten Seite der Wärmekraftmaschine 515 des heißen Endes ausgestoßen und kaskadenartig an die Zwischen-Wärmekraftmaschine 516 geführt. Schließlich stößt eine Wärmekraftmaschine 517 des kalten Endes Wärme an das kalte Gebiet 520 aus.
Das erste SMA-Bauteil oder das SMA-Bauteil 521 des heißen Endes steht direkt mit dem heißen Endgebiet 518 an der ersten heißen Seite 531 in Wechselwirkung. Die Zwischenwärmekraftmaschine 516 weist ein Zwischen-SMA-Bauteil 522 auf, das in direkter leitender Wärmeflusskommunikation mit dem SMA-Bauteil 521 des heißen Endes steht. Es sei angemerkt, dass die Bezeichnung, wie erstes, zweites, drittes oder anderweitig, nur veranschaulichend ist und die Elemente in beliebiger Reihenfolge ohne Beschränkung beziffert sein können.
Eine erste kalte Seite 532 der Wärmekraftmaschine 515 des heißen Endes kommuniziert mit einer zweiten heißen Seite 533 der Zwischenwärmekraftmaschine 516 und steht in Wärmeflusskommunikation mit einem Zwischen-SMA-Bauteil 522 der Zwischenwärmekraftmaschine 516. DAS SMA-Bauteil 521 des heißen Endes und das Zwischen-SMA-Bauteil 522 laufen in entgegengesetzten Richtungen, was eine Wärmeübertragung dazwischen unterstützt. Das Zwischen-SMA-Bauteil 522 ist seiner Phasenänderung bei einer geringeren Temperatur unterzogen, als das SMA-Bauteil 521 des heißen Endes. Daher wirkt die erste kalte Seite 532 als die Erwärmungsquelle für die Zwischenwärmekraftmaschine 516.
Das SMA-Bauteil 521 des heißen Endes und das Zwischen-SMA-Bauteil 522 können mit einem Medium beschichtet sein, wie leitendem Schmierfett oder Öl, um eine Wärmeübertragung ohne Reibung zu erhöhen. Das SMA-Bauteil 521 des heißen Endes und das Zwischen-SMA-Bauteil 522 können als Riemen oder Bänder geformt sein. Alternativ dazu kann ein leitendes Element zwischen dem SMA-Bauteil 521 des heißen Endes und dem Zwischen-SMA-Bauteil 522 angeordnet sein, um eine Kommunikation der Wärme von der Wärmekraftmaschine 515 des heißen Endes zu der Zwischen-Wärmekraftmaschine 516 zu unterstützen.
Daher wirkt die kalte Senke (oder kalte Seite) der Wärmekraftmaschine 515 des heißen Endes als die Wärmequelle für die Zwischenwärmekraftmaschine 516. Ähnlicher Weise wirkt die kalte Seite der Zwischenwärmekraftmaschine 516 als die Wärmequelle für die Wärmekraftmaschine 517 des kalten Endes. Ein drittes SMA-Bauteil oder ein SMA-Bauteil 523 des kalten Endes steht in Kommunikation mit einer zweiten kalten Seite 534 der Zwischenwärmekraftmaschine 516 als ihrer Wärmequelle und nimmt Wärme davon. Eine dritte heiße Seite 535 des SMA-Bauteils 523 des kalten Endes ist seiner Phasenänderung bei einer geringeren Temperatur ausgesetzt, als das Zwischen-SMA-Bauteil 522, und zieht Wärme von der zweiten kalten Seite 534 des Zwischen-SMA-Bauteils 522.
Wie die Maschine bei geringster Temperatur in der in 9 gezeigten Konfiguration, steht eine dritte kalte Seite 536 der Wärmekraftmaschine 517 des kalten Endes schließlich direkt in Wechselwirkung mit dem kalten Endbereich 520. Während jede der Wärmekraftmaschinen 514 mit heißen und kalten Gebieten mit verschiedener Temperatur in Wechselwirkung steht, kann die Temperaturdifferenz zwischen den jeweiligen heißen und kalten Seiten ähnlich sein.
Ähnliche kaskadierende Muster können mit mehr als drei Wärmekraftmaschinen 514 fortgesetzt werden, so dass zusätzliche Zwischenwärmekraftmaschinen vorhanden sein können, die Wärme von einer benachbarten Wärmekraftmaschine entnehmen und Wärme von einer anderen benachbarten Wärmekraftmaschine ausstoßen. Ferner können die Wärmekraftmaschinen 514 Mitlaufriemenscheiben aufweisen (ähnlich der Wärmekraftmaschine 14, 54, die in den 2 und 3 gezeigt sind).
Bei einer alternativen Ausführungsform können die einzelnen Elemente Kombinationen von SMA-Wärmekraftmaschinen mit thermoelektrischen Generatoren oder konzentrierten Solarenergiesystemen sein. Thermoelektrische Generatoren können mit ihren heißen Seiten bei höheren Temperaturen als SMA-Wärmekraftmaschinen arbeiten, und die SMA-Wärmekraftmaschinen können daher verwendet werden, Abwärme von der kalten Seite thermoelektrischer Generatoren umzuwandeln, die die thermoelektrischen Generatoren nicht umwandeln können oder nicht so effizient umwandeln können.
Alternativ dazu können die Wärmekraftmaschinen 514 fortschreitend entlang des heißen Endgebiets 518 angeordnet sein, um das Vermindern der thermischen Energie zu nutzen, wenn das heiße Endgebiet 518 zunehmend kühlt. Eine derartige Konfiguration kann für lange Wärmequellen, wie Rohre, nützlich sein. Beispielsweise würde die Wärmekraftmaschine 515 des heißen Endes (die Maschine bei höchster Temperatur) die Wärme von dem heißesten Bereich des heißen Endgebiets 518 (wie dem Abschnitt des Rohres, das die heißen Fluide aufnimmt, aufnehmen). Die nächste Maschine, die Zwischenwärmekraftmaschine 516, wäre dann stromabwärts von der Wärmekraftmaschine 515 des heißen Endes angeordnet und derart konfiguriert, den Vorteil des relativ gekühlten Abschnitts des heißen Endgebiets 518 zu nutzen, in dem ein SMA-Arbeitsbauteil vorhanden ist, das derart konfiguriert ist, thermische Energie bei der reduzierten Temperatur relativ zu den heißesten Abschnitten des heißen Endgebiets 518 umzuwandeln. Schließlich ist die Maschine mit geringster Temperatur, die Wärmekraftmaschine 517 des kalten Endes, derart konfiguriert, mit dem Abschnitt mit geringster Temperatur an dem heißen Endgebiet 518 in Wechselwirkung zu stehen.
Nun Bezug nehmend auf 10 und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 - 9 ist ein Energiegewinnungssystem 610 gezeigt, das eine Längswärmekraftmaschine 614 aufweist, die auch in andere Energiegewinnungssysteme oder Wärmerückgewinnungssysteme integriert sein und mit diesen verwendet werden kann. Die Wärmekraftmaschine 614 kann zur Verwendung mit Wärmequellen mit hohem Aspektverhältnis nützlich sein, wie heißen Abgas- bzw. Austragsrohren, Leitungen und anderen Quellen, bei denen die Länge signifikant größer als der Querschnitt ist. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diejenigen, die in 10 gezeigt sind, integriert und mit diesen verwendet werden.
Die Wärmekraftmaschine 614 ist in Wärmeaustauschkommunikation mit einem heißen Gebiet 618 und einem kalten Gebiet 620 (allgemein aufwärts von dem heißen Gebiet 618 bei Betrachtung in 10) angeordnet. Das heiße Gebiet 618 ist ein langes Rohr (nur teilweise gezeigt), das heiße Fluide führt, wie Abgase oder erhitzte Flüssigkeiten. Beispielsweise und ohne Beschränkung kann das heiße Gebiet 618 das Austrittsrohr von einer Dampfturbine sein, die bei einer Erzeugung von Elektrizität verwendet wird, oder kann ein Rohr sein, das Öl führt, das durch konzentrierte Solarenergie (vor und nachdem dieses Öl für andere Zwecke verwendet worden ist) erwärmt ist. Das kalte Gebiet 620 kann einfach die Umgebungsluft um das Rohr sein und nicht durch das heiße Gebiet 618 beeinflusst sein oder kann ein Bereich mit Zwangsluftströmung sein, wie von Lüftern oder Gebläsen. Daher kann die Wärmekraftmaschine 614 insbesondere nützlich zum Umwandeln thermischer Energie von dem heißen Gebiet 618 durch Leitungserwärmung und von dem kalten Gebiet 620 durch Konvektionskühlung sein.
Die Wärmekraftmaschine 614 weist ein SMA-Bauteil 622 auf, das in einer kontinuierlichen Schleife um eine Mehrzahl erster Riemenscheiben oder heißer Riemenscheiben 638, die im Wesentlichen benachbart zu dem heißen Bereich 618 angeordnet sind; eine Mehrzahl zweiter Riemenscheiben oder kalter Riemenscheiben 640, die in oder benachbart dem kalten Bereich 640 angeordnet sind; und eine oder mehrere Mitlaufriemenscheiben 642 läuft. Die heißen Riemenscheiben 638 und die kalten Riemenscheiben 640 sind die angetriebenen Riemenscheiben, und einige oder alle können mit einer angetriebenen Komponente (nicht gezeigt, wie einem Generator) verbunden sein, der derart konfiguriert ist, die mechanische Energie zu nutzen, die die Wärmekraftmaschine 614 von der thermischen Energie des heißen Gebiets 618 und des kalten Gebiets 620 umwandelt.
Die Längsbeschaffenheit der Wärmekraftmaschine 614 zusammen mit der Fähigkeit, mehrere Kontraktionen und Expansionen des SMA-Bauteils 622 zu haben, erlaubt, dass die Wärmekraftmaschine 614 in großen Anwendungen verwendet werden kann, um einen signifikanteren Leistungsausgang von dem Energiegewinnungssystem 610 zu erzeugen. Das SMA-Bauteil 622 kann als ein großer Riemen massiver SMA-Drähte, SMA-Federn oder einem Matrixdraht oder Federn geformt sein, um ein weiteres Heraufsetzen der Wärmekraftmaschine 614 zu ermöglichen.
Die Wärmekraftmaschine 614 kann auch Steuermechanismen (nicht gezeigt) aufweisen, um eine mechanische Kopplung und Synchronisierung zwischen den angetriebenen Elementen bereitzustellen. Es kann eine thermische Barriere (nicht gezeigt) verwendet werden, um zu verhindern, dass Wärme von dem heißen Gebiet 618 zu den kalten Riemenscheiben 640 gelangt. Alternativ dazu kann die Distanz zwischen den kalten Riemenscheiben 640 und dem heißen Gebiet 618 ausreichend sein, um die Temperaturdifferenz in dem SMA-Bauteil 622 beizubehalten, die notwendig ist, um die Phasenänderung zu bewirken und mechanische Energie aus der verfügbaren thermischen Energie zu erzeugen.
Nun Bezug nehmend auf 11A und 11B und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 - 10 ist ein Energiegewinnungssystem 710 und ein Energiegewinnungssystem 750 gezeigt. Eine Mehrzahl von Wärmekraftmaschinen ist derart konfiguriert, thermische Energie von Wärmequellen mit hohem Aspektverhältnis, wie Rohren, abzugreifen. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diejenigen, die in den 11A und 11B gezeigt sind, integriert sein und mit diesen verwendet werden.
Wie in 11A gezeigt ist, ist eine Mehrzahl von Wärmekraftmaschinen 714, die ähnlich der Wärmekraftmaschine 14, die in 2 gezeigt ist, der Wärmekraftmaschine 614 ist, die in 10 gezeigt ist, oder andere Wärmekraftmaschinen, die zur Längsorientierung in der Lage sind, sein können, längs mit der Länge eines heißen Gebiets 718 angeordnet, das ein Rohr sein kann, das heiße Fluide führt. Die Wärmekraftmaschinen 714 erstrecken sich radial auswärts von dem heißen Gebiet 718 in ein kaltes Gebiet 720, das Umgebungsluft sein kann.
Zusätzliche Wärmekraftmaschinen 714 können in dem Energiegewinnungssystem 710 enthalten sein, so dass die Wärmekraftmaschinen 714 den gesamten Radius des heißen Gebietes 718 im Wesentlichen umgeben. Die Wärmekraftmaschinen 714 entnehmen thermische Energie aus der Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Gebiet 718 und dem kalten Gebiet 720 und wandeln diese in mechanische Energie um, die an eine angetriebene Komponente (nicht gezeigt) übertragen wird, die die mechanische Energie verwendet oder speichert.
Wie in 11B gezeigt ist, ist eine oder sind mehrere erste Wärmekraftmaschinen 754 - die ähnlich den Wärmekraftmaschinen 14 und 54, die in den 2 und 3 gezeigt sind, sind oder andere Wärmekraftmaschinen, die zur Längsorientierung in der Lage sind, sein können - benachbart einem heißen Gebiet angeordnet, das aus heißen Fluiden 758 besteht. In dieser Konfiguration ist das heiße Gebiet ein Rohr, das die heißen Fluide 758 führt, wie die heißen Arbeitsfluide eines Stromgenerators.
Die ersten Wärmekraftmaschinen 754 erstrecken sich radial auswärts von den heißen Fluiden 758 in ein kaltes Gebiet, das aus kalten Fluiden 760 besteht. Die kalten Fluide 760, die in 11B gezeigt sind, befinden sich innerhalb eines anderen Rohres oder eines anderen Zwangspfades. In 11B umschließt das Rohr, das die kalten Fluide 760 enthält, im Wesentlichen das Rohr, das die heißen Fluide 758 führt. Jedoch brauchen die kalten Fluide 760 die Heizquelle im Wesentlichen nicht zu umschließen und können einfach benachbart sein. Die kalten Fluide 760 können als sich bewegende Umgebungsluft über Lüfter oder Gebläse geliefert werden oder können gekühlte Fluide sein, wie aus einer geothermischen Kühlung.
Das Energiegewinnungssystem 750 weist auch eine oder mehrere zweite Wärmekraftmaschinen 755 und eine oder mehrere dritte Wärmekraftmaschinen 756 auf. Die zweiten Wärmekraftmaschinen 755 sind längs stromabwärts relativ zu der Strömung der heißen Fluide 758 angeordnet. Die dritten Wärmekraftmaschinen 756 sind weiter stromabwärts angeordnet.
Zusätzliche Wärmekraftmaschinen können in dem Energiegewinnungssystem 750 enthalten sein, um den Radius des Rohres, das die heißen Fluide 758 führt, im Wesentlichen zu umgeben. Daher können die ersten, zweiten und dritten Wärmekraftmaschinen 754, 755, 756 zu einer sehr effizienten Umwandlung der thermischen Energie von den heißen Fluiden 758 durch Leitungserwärmung und von kalten Fluiden 760 durch Konvektionskühlung in der Lage sein.
Das Energiegewinnungssystem 750 ist zur Gegenstromanordnung zwischen den heißen Fluiden 758 und den kalten Fluiden 760 angeordnet, so dass die heißen Fluide 758 und die kalten Fluide 760 in entgegengesetzten Richtungen durch das System strömen. Diese Gegenstromanordnung bedeutet, dass die ersten Wärmekraftmaschinen 754 höheren Temperaturen der heißen Fluide 758 ausgesetzt sind, als die dritte Wärmekraftmaschine 756. Jedoch sind die ersten Wärmekraftmaschinen 754 auch relativ wärmeren Temperaturen der kalten Fluide 760 ausgesetzt, als die dritten Wärmekraftmaschinen 756, die sich näher dem Einlass der kalten Fluide 760 befinden.
Das Rohr, das die heißen Fluide 758 führt, kann von den kalten Fluiden 760 isoliert sein, so dass keine direkte Wärmeübertragung zwischen den heißen Fluiden 758 und dem kalten Fluid 760 stattfindet. Daher erfolgt die im Wesentlichen einzige Wärmeübertragung zwischen den heißen Fluiden 758 und den ersten, zweiten und dritten Wärmekraftmaschinen 754, 755, 756 und zwischen den ersten, zweiten und dritten Wärmekraftmaschinen 754, 755, 756 und den kalten Fluiden 760.
Die ersten, zweiten und dritten Wärmekraftmaschinen 754, 755, 756 stehen in Wechselwirkung mit den kalten Fluiden 760 bei einer ersten kalten Temperatur, einer zweiten kalten Temperatur bzw. einer dritten kalten Temperatur. Da die kalten Fluide 760 in das Energiegewinnungssystem 750 nahe der dritten Wärmekraftmaschine 756 eintreten, ist die dritte kalte Temperatur die kälteste der drei Punkte. Da jedoch die dritte Wärmekraftmaschine 756 Wärme an die kalten Fluide 760 ausstößt, steigt die Temperatur des kalten Fluides 760. Daher ist die zweite kalte Temperatur größer (heißer) als die dritte kalte Temperatur, und die erste kalte Temperatur ist größer als die zweite kalte Temperatur.
Daher kann die Temperaturdifferenz zwischen den benachbarten heißen Fluiden 758 und den benachbarten kalten Fluiden 760, denen die erste Wärmekraftmaschine 754 ausgesetzt ist, ähnlich der Temperaturdifferenz sein, die in der dritten Wärmekraftmaschine 756 auftritt. Dies bedeutet, die Differenz zwischen der ersten heißen Temperatur und der ersten kalten Temperatur, die durch die erste Wärmekraftmaschine 754 verwendet wird, ist ähnlich der Differenz zwischen der zweiten heißen Temperatur und der zweiten kalten Temperatur, die durch die zweite Wärmekraftmaschine 755 verwendet wird.
Jede der ersten, zweiten und dritten Wärmekraftmaschinen 754, 755, 756 steht in Wechselwirkung mit ähnlichen Temperaturdifferenzen und kann daher einen ähnlichen Leistungsausgang besitzen. Dies ist konträr zu den Direktströmungsanordnungen (bei der die heiße und kalte Fluidströmung in derselben Richtung erfolgt), die eine große Temperaturdifferenz an dem Eintritt (für die ersten Wärmekraftmaschinen 754 bei diesem Beispiel) zu dem System besitzen und wesentlich kleinere Temperaturdifferenzen an dem Austritt (für die dritten Wärmekraftmaschinen 756 bei diesem Beispiel) besitzen.
Nun Bezug nehmend auf 12 und mit fortgesetzten Bezug auf die 1 - 11B ist ein SMA-Bauteil 822 gezeigt, das mit Wärmekraftmaschinen mit großem Maßstab verwendet werden kann. Das SMA-Bauteil 822 ist ein rundes dreidimensionales SMA-Arbeitselement. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diejenigen, die in 12 gezeigt sind, integriert sein und mit diesen verwendet werden.
Das SMA-Bauteil 822 weist eine Mehrzahl von SMA-Strängen 823 auf, die SMA-Drähte, -streifen sein können oder einen anderen Querschnitt besitzen können. Die SMA-Stränge 823 sind in eine große Schicht um einen zylindrischen Dorn 827 verflochten. Die trockenen SMA-Stränge 823 können dann mit einer Matrix 826 (wie einem Elastomer) infiltriert werden, um Adhäsion und Robustheit bereitzustellen.
Die Elastomermatrix 826 kann thermisch eigenleitend sein oder kann mit Materialien dotiert oder gefüllt sein, um die Leitung und Wärmeübertragung mit den SMA-Strängen 823 zu steigern. Diese Füllstoffe können ohne Beschränkung umfassen: Metall-, oder Kohlenstoff/Graphit-Drähte, Mikrodrähte und Nicht-Drähte, wie auch andere Füllstoffe mit hohem Aspektverhältnis, wie Plättchen. Die Matrix 826 schützt die SMA-Stränge 823, sieht einen verbesserten thermischen Transport in und aus den SMA-Strängen 823 vor und kann eine erhöhte Reibung an zugeordneten Antriebsriemenscheiben bereitstellen.
Abhängig von der Konfiguration der Wärmekraftmaschine kann das SMA-Bauteil 822 als ein Rohr zur direkten Implementierung beibehalten werden oder kann zur Aufbringung auf die Wärmekraftmaschine aufgeschlitzt und dann wieder verbunden werden. Ferner können nicht aktive Fasern, wie Aramidfasern, als ein Kern für das SMA-Bauteil 822 verwendet werden.
Nun Bezug nehmend auf 13 und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 - 12 ist ein Abschnitt einer Wärmekraftmaschine 914 in großem Maßstab gezeigt, die mit Energiegewinnungssystemen in großem Maßstab verwendet werden kann. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diejenigen, die in 13 gezeigt sind, integriert sein und mit diesen verwendet werden.
Die Wärmekraftmaschine 914 in großem Maßstab weist eine Mehrzahl von SMA-Bauteilen 922 auf, die beispielsweise und ohne Beschränkung SMA-Riemen, SMA-Verflechtungen oder SMA-Gewebe sein können. Die Mehrzahl von SMA-Bauteilen 922 sieht eine Umwandlung in großem Maßstab von thermischer Energie von Wärmequellen und kalten Senken (nicht gezeigt) in mechanische Energie in der Form einer Bewegung der Mehrzahl von SMA-Bauteilen 922 vor.
Die mechanische Energie von der Mehrzahl von SMA-Bauteilen 922 wird an eine angetriebene Komponente (nicht gezeigt) übertragen, wie einen elektrischen Generator. Die angetriebene Komponente in der Wärmekraftmaschine 914 in großem Maßstab ist eine Leistungsflusskommunikation mit einer Mehrzahl von angetriebenen Riemenscheiben 938.
Die Mehrzahl von Antriebsriemenscheiben 938 ist so angeordnet, dass die Mehrzahl von SMA-Bauteilen 922 relativ zueinander gestapelt und geschichtet sein kann. Die Mehrzahl von Antriebsriemenscheiben 938 überträgt dann mechanische Energie an die angetriebene Komponente durch einen Getriebekasten oder eine Getriebeanordnung, so dass die kombinierte Leistung von der Mehrzahl von Antriebsriemenscheiben 938 und der Mehrzahl von SMA-Bauteilen 922 verwendet werden kann, um die Ausgangsleistung von der Wärmekraftmaschine 914 in großem Maßstab zu erzeugen.
Nun Bezug nehmend auf 14 und mit fortgesetztem Bezug auf die 1 - 13 ist eine Draufsicht einer Wärmekraftmaschine 1014 gezeigt, die mit Energiegewinnungssystemen in kleinem oder großem Maßstab verwendet werden kann. Merkmale und Komponenten, die in anderen Figuren gezeigt und beschrieben sind, können in diejenigen, die in 14 gezeigt sind, integriert sein und mit diesen verwendet werden.
Die Wärmekraftmaschine 1014, die in 14 gezeigt ist, besitzt ein einzelnes SMA-Arbeitselement 1022, das mehrere Schleifen um die Wärmekraftmaschine 1014 bildet. Das SMA-Arbeitselement 1022 umschreibt eine erste Riemenscheibe 1038, eine zweite Riemenscheibe 1040 und eine Mitlaufriemenscheibe 1042. Es sei angemerkt, dass die gegenüberliegende Seite des SMA-Arbeitselements 1022 nicht gezeigt ist. Bei der gezeigten Konfiguration bildet das SMA-Arbeitselement 1022 etwa dreizehn Schleifen.
Sogar, obwohl das SMA-Arbeitselement 1022 zahlreiche Male umschlungen ist, was den Reibungskontakt mit der ersten und zweiten Riemenscheibe 1038, 1040 verbessert, ist das SMA-Arbeitselement nur zweimal an zwei Verbindungen 1027 verschweißt. Die Verschweißungspunkte und andere Verbindungsgebiete können schwache Punkte innerhalb der Schleifen-Arbeitselemente repräsentieren. Daher erzielt im Gegensatz zu mehreren Schleifen, die jeweils aus einzelnen Arbeitselementen geformt sind, das SMA-Arbeitselement 1022 den Nutzen mehrerer Schleifen (zusätzliche Kontaktfläche mit den Riemenscheiben, zusätzliche Bereiche einer Phasenänderung, etc.), erhöht jedoch die Anzahl schwacher Stellen in den Schleifen nicht so stark.

Claims

Wärmekraftmaschine (14), umfassend: eine erste drehbare Riemenscheibe (38); eine zweite drehbare Riemenscheibe (40, 140), die von der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) beabstandet ist; ein Formgedächtnislegierungs-(SMA-)Element (22), das um einen Abschnitt der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) unter einer ersten radialen Distanz und um einen Abschnitt der zweiten drehbaren Riemenscheibe (40, 140) unter einer zweiten radialen Distanz angeordnet ist, wobei die erste und zweite radiale Distanz ein SMA-Riemenscheibenverhältnis definieren, wobei das SMA- Element (22) umfasst: einen ersten Draht (163); einen zweiten Draht (163) parallel zu dem ersten Draht (163); eine Matrix (166), die den ersten Draht (163) mit dem zweiten Draht (163) verbindet; wobei der erste Draht (163) und der zweite Draht (163) in Kontakt mit der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) und der zweiten drehbaren Riemenscheibe (40, 140) stehen; und wobei die Matrix (166) nicht in Kontakt mit der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) und der zweiten drehbaren Riemenscheibe (40, 140) steht; ein Steuerseil (43), das um einen Abschnitt der ersten drehbaren Riemenscheibe (38) unter einer dritten radialen Distanz und um einen Abschnitt der zweiten drehbaren Riemenscheibe (40, 140) unter einer vierten radialen Distanz angeordnet ist, wobei die dritte und vierte radiale Distanz ein Steuerriemenscheibenverhältnis definieren, wobei das Steuerriemenscheibenverhältnis von dem SMA-Riemenscheibenverhältnis verschieden ist; wobei das SMA-Element (22) derart konfiguriert ist, dass es in thermischer Kommunikation mit einem heißen Gebiet (18) bei einer ersten Temperatur und mit einem kalten Gebiet (20) bei einer zweiten Temperatur, die geringer als die erste Temperatur ist, angeordnet werden kann; und wobei das SMA-Element (22) derart konfiguriert ist, eine kristallographische Phase zwischen Martensit und Austenit selektiv zu ändern 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, auszuführen, wodurch ein thermischer Energiegradient zwischen dem heißen Gebiet (18) und dem kalten Gebiet (20) in mechanische Energie umgewandelt wird.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, ferner mit: einem dritten Draht (163) parallel zu dem ersten Draht (163) und dem zweiten Draht (163); einem vierten Draht (163) parallel zu dem ersten Draht (163) und dem zweiten Draht (163); und wobei die Matrix (166) den ersten Draht (163), den zweiten Draht (163), den dritten Draht (163) und den vierten Draht (163) verbindet.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die Matrix (166) aus einem thermisch leitenden Material geformt ist.
Wärmekraftmaschine nach Anspruch 2, ferner mit einem Dotiermittel, das in der Matrix (166) suspendiert ist, wobei das Dotiermittel aus einem thermisch leitenden Material geformt ist.