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Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem, basierend auf zyklischer Umwandlung von thermischer in mechanische oder elektrische Energie durch Ausnutzung einer Temperaturdifferenz Delta zwischen zwei Medien und der Kontraktion eines Metallelementes mit Formgedächtnischarakter.
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Das Antriebssystem umfasst:
- - ein Gehäuse mit einem darin enthaltenen flüssigen oder gasförmigen Medium, welches eine erste Temperatur und eine erste Dichte aufweist und einem flüssigen oder gasförmigen Medium, welches eine zweite Temperatur und eine zweite Dichte aufweist, wobei die erste Temperatur um den Betrag Delta höher ist als die zweite Temperatur
- - und wobei beide Medien nicht mischbar sind.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Energiegewinnung durch Umwandlung von Wärme in mechanische oder elektrische Energie in einem geschlossenen Antriebssystem.
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Das Metallelement besteht aus einer Legierung mit Formgedächtniseigenschaft. Formgedächtnislegierungen sind spezielle Metalle, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können. Sie werden auch als Memorymetalle bezeichnet. Dies rührt von dem Phänomen her, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung scheinbar erinnern können und bei vordefinierten äußeren Bedingungen nach einer Verformung ihre ursprüngliche Kontur wieder annehmen können.
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Formgedächtnislegierungen können sich durch einen sogenannten Zweiwegeeffekt auch an zwei Formen - eine bei hoher und eine bei niedriger Temperatur - „erinnern“. Bei hoher Temperatur weist das Metallelement eine austenitische und bei niedriger Temperatur eine martensitische Gefügestruktur auf. Das Abkühlen einer austenitischen Form bzw. Gefügestruktur auf eine Temperatur innerhalb des martensitischen Bereiches bewirkt somit eine Verformung.
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Damit das Bauelement beim Abkühlen seine definierte Form wieder einnimmt, muss es durch thermomechanische Behandlungszyklen zunächst „trainiert“ werden. Dies bewirkt die Ausbildung von Spannungsfeldern im Material, die die Bildung von bestimmten, beim Auskühlen entstehenden, Martensit-Varianten fördern.
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Aus Formgedächtnis-Legierungen bestehende Metallelemente von unterschiedlicher Form, wie Draht- und Bandabschnitte, Stränge und Spiralen sind seit langem bekannt und werden in vielen Vorrichtungen und Geräten, insbesondere im Medizinbereich eingesetzt. Es werden auch Versuche vorgenommen, Antriebseinheiten für industrielle Zwecke zu bauen, bei welchen über die zyklische Kontraktion des Metallelementes Energie aus Abwärme zurückgewonnen wird.
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Die Metallelemente können beispielsweise aus Kupfer-Zink-, Kupfer-Zink-Aluminium-, Kupfer-Aluminium-Nickel-, Eisen-Nickel-Aluminium-Legierungen bestehen. Vorwiegend handelt es sich jedoch um eine Nickel-Titanium-Legierung, Nitinol genannt. Nitinol hat eine signifikante Transformationseigenschaft, um bei der Erwärmung und/oder Abkühlung wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, sobald es deformiert ist. Die Transformationsprozesse von Nitinol sind reversibel, wodurch sich die Gesamtentropie - zumindest theoretisch - nicht vergrößert, sondern konstant bleibt. Allerdings verliert das Nitinol seine sich zyklisch wiederholenden Eigenschaften, wenn es über eine maximale Schwellentemperatur hinaus erwärmt wird. Eine übermäßige Temperatur bzw. Verformung des Nitinol-Elementes kann zur Deregulierung und Beschädigung des Antriebssystems führen.
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Aus
DE 27 23 332 C3 ist eine Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Arbeit mit einer Vielzahl von auf Temperatur ansprechenden Elementen aus einem Memory-Metall bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine als Kurvenführung ausgebildete Anlageeinrichtung und eine Halteeinrichtung, die relativ zur Kurvenführung entlang dieser bewegbar ist. Durch die genannte Anordnung ist es möglich, die Anzahl der Elemente mit Memory-Metall zu reduzieren.
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Aus
DE 10 2020 118 363 B3 ist eine Einrichtung zur Nutzung thermischer Energie bekannt, die als eine Art Wippe ausgebildet ist und mindestens zwei Fluidzuführeinrichtungen umfasst. Das wippenartige Bauteil umfasst zwei Hebelarme mit jeweils mindestens einem Bauteil aus einem Formgedächtnismaterial zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Über die Fluidzuführeinrichtungen sind der Einrichtung wechselseitig warme und kalte Fluidströme zuführbar. Die wippenartige Struktur reduziert Reibungsverluste auf den Bereich der Lagerung.
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Aus
DE 10 2017 123 146 B3 ist ein Antriebssystem bekannt, mittels dessen analog zur Erfindung ebenfalls mechanische oder elektrische Energie durch Ausnutzung der Kontraktion eines Metallelementes mit Formgedächtnis-Charakteristik gewonnen werden kann. Das bekannte System umfasst wenigstens ein innerhalb eines Gehäuses (34) platziertes Metallelement (20), wenigstens ein Rückstellelement (37) sowie ein bewegliches Betätigungselement (35), mit dem das Metallelement (20) und das Rückstellelement (37) gekoppelt sind und durch ein gasförmiges oder flüssiges Medium umströmt werden. Weiterhin umfasst das bekannte System einen ersten und einen zweiten Speicher (11; 12) und darin enthaltend Medien (M1, M2) von unterschiedlicher Temperatur (T1, T2), wobei der zweite Speicher (12) eine Durchgangsöffnung (36) zur direkten Verbindung durch einen Boden (18) des Gehäuses (34) aufweist. Das Gehäuse (34) ist ein Zylinder (10), welcher einen flüssigkeits- und gasdicht angeordneten Kolben (15) beinhaltet, mit dem der Zylinder (10) in zwei Zylinderräume (14; 16) von einem variablen Volumen geteilt ist, von denen der eine Zylinderraum (14) das Metallelement (20) und der andere Zylinderraum (16) das Rückstellelement (37) beinhaltet. Das Metallelement (20) ist an einem Befestigungspunkt (A) an dem Kolben (15) und an einem innerhalb des zweiten Speichers (12) angeordneten Befestigungspunkt (B) verankert, so dass ein Teilbereich (33) des Metallelements (20) mit dem Medium des zweiten Speichers (12) in Kontakt steht.
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Das aus
DE 10 2017 123 146 B3 bekannte System weist einen relativ komplexen Aufbau mit mehreren Ventilen und einer Steuerung auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur mechanischen oder elektrischen Energiegewinnung durch Ausnutzung der Kontraktion eines Metallelementes mit Formgedächtnis-Charakteristik mit einem vereinfachten Aufbau vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch ein auf der Kontraktion eines Metallelementes basierendes Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Antriebssystem zeichnet sich dadurch aus, dass
- - die beiden in ein geschlossenes Gehäuse eingebrachten Medien nicht mischbar sind und eine unterschiedliche Dichte aufweisen, so dass das schwerere Medium in einen unteren Bereich des Gehäuses absinkt und das leichtere Medium in einem oberen Bereich des Gehäuses auf dem schwereren Medium aufschwimmt,
- - in dem Gehäuse eine Wippe vorgesehen ist, welche einen ersten Ausleger und einem zweiten Ausleger umfasst und wobei die Wippe an eine Welle gekoppelt und um eine Drehachse drehbar ist,
- - wobei die beiden Ausleger der Wippe spiegelsymmetrisch ausgebildet sind und der erste Ausleger eine Fixierung, ein an der Fixierung angebrachtes erstes Metallelement mit Formgedächtnis-Charakteristik und ein erstes Gewicht umfasst und der zweite Ausleger eine Fixierung, ein an der Fixierung angebrachtes zweites Metallelement mit Formgedächtnis-Charakteristik und ein zweites Gewicht umfasst und das erste Gewicht über ein Zugmittel an das zweite Gewicht gekoppelt ist,
- - die Wippe im Arbeitseinsatz aus einer ersten Position in eine zweite Position bewegbar ist und umgekehrt, wobei in den Positionen jeweils einer der beiden Ausleger in dem einen Medium und der andere Ausleger im anderen Medium positioniert ist.
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Die Wippe, und damit deren Ausleger, pendelt somit zwischen zwei Positionen. Bei einem Wechsel der Wippe aus der einen Position in die andere Position wird einer der beiden Ausleger aus dem wärmeren Medium in das kältere Medium überführt und der andere Ausleger aus dem kälteren in das wärmere Medium. Sobald eines der Metallelemente mit Formgedächtnischarakter vom wärmeren Medium umgeben ist, hat es das Bestreben, seine Ursprungsform anzunehmen. Bei dieser Ursprungsform handelt es sich vorzugsweise um eine spiralfederartige Gestalt, zu der sich ein zunächst gestrecktes Metallelement zusammenzieht, wenn es aus einem kälteren Medium in ein wärmeres Medium überführt wird. Das in das wärmere Medium überführte Metallelement:
- - zieht sich somit zu einer Feder zusammen,
- - zieht dabei die beiden Gewichte in seine Zusammenzieh-Richtung, streckt das am anderen Ausleger im kalten Medium befindliche Metallelement,
- - bringt die innere Welle durch Koppelung mit dem Zugmittel zwischen beiden Federn zum Rotieren.
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Da das Medium, in dem die Zusammenziehaktion des Metallelements erfolgt, das im Gehäuse aufschwimmende Medium ist, werden die Gewichte von der sich zusammenziehenden Feder nach schräg oben gezogen. Durch die Verlagerung der Gewichte verändert sich der Schwerpunkt der Wippe und ein weiterer Wippvorgang wird ausgelöst. Nach dem Wippvorgang befindet sich das gestreckte Metallelement im wärmeren Medium, zieht sich zusammen, zieht damit auch die Gewichte nach oben und überträgt ein Drehmoment auf die Kraftwelle.
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Denkbar ist auch, dass die mit den Federn gekoppelten Gewichte nur mittelbar genutzt werden, um die Gewichtsverlagerung eines mit größeren Gewichten ausgestatteten Gewichtsverlagerungsprozesses zu initiieren. Dies hat den Vorteil, dass zum einen die Geschwindigkeit der Wippbewegung und damit die Taktfrequenz des Zyklusses erhöht sind und zum anderen mehr Energie für den eigentlichen Energiegewinnungsprozeß zur Verfügung stehen.
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Der beschriebene Vorgang wiederholt sich zyklisch, solange die beiden Medien die für die Formumwandlung der Metallelemente mit Formgedächtnis erforderliche Temperaturdifferenz Delta aufweisen.
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Im Ergebnis wird durch jede Wippbewegung ein Drehmoment auf die an die Wippe gekoppelte Welle übertragen. Dieses Drehmoment lässt sich zusätzlich zur Rotation der inneren Welle in an sich bekannter Weise, beispielsweise mittels eines Dynamos, in elektrische Energie umwandeln. Auch eine Umwandlung des Drehmoments in mechanische Energie ist möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Welle der Wippkonstruktion als Hohlwelle ausgebildet, in der eine weitere Welle mit separater Lagerung vorgesehen ist. Innerhalb der Hohlwelle ist somit eine Kraftwelle angeordnet und an das Haltemittel gekoppelt. Die Kraftwelle ist somit mittels des Zugmittels drehbar. Das sich im wärmeren Medium zusammenziehende Metallelement zieht somit nicht nur die Gewichte nach schräg oben, sondern überträgt auch ein Drehmoment auf die Kraftwelle. Alternativ oder zusätzlich zu der Energieabgabe über die Rotation der Kraftwelle kann somit auch über die Wippbewegung an der Hohlwelle Energie durch Rotation abgenommen und zu mechanischer oder elektrischer Energie umgeformt werden.
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Soweit die Energieabnahme ausschließliche über die Kraftwelle erfolgt, dient die durch das sich zusammenziehende Metallelement bewirkte Verlagerung der Gewichte nur dazu, den Schwerpunkt der Wippe zu verlagern und die Wippbewegung auszulösen. Dementsprechend sind dann, wenn die Energieumwandlung ausschließlich durch die Kraftwelle erfolgt, sehr kleine Gewichte ausreichend, so dass von der Gesamt-Federkraft lediglich ein relativ geringer Anteil für die Verlagerung der Gewichte erforderlich ist und ein großer Anteil zur Erzeugung eines Drehmoments an der Kraftwelle zur Verfügung steht.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der untere Bereich des Gehäuses von einem Medium umströmt, dessen Temperatur gleich oder kleiner ist als die Temperatur des im unteren Bereich des Gehäuses befindlichen Mediums. Das den unteren Bereich des Gehäuses umströmende Medium kühlt somit über die Gehäusewand das in diesem Bereich des Gehäuses befindliche Medium.
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Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der obere Bereich des Gehäuses von einem Medium umströmt wird, dessen Temperatur gleich oder höher ist als die Temperatur des im oberen Bereich des Gehäuses befindlichen Mediums. Das den oberen Bereich des Gehäuses umströmende Medium wärmt somit über die Gehäusewand das in diesem Bereich des Gehäuses befindliche Medium.
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Durch das Kühlen des kalten Mediums und/oder Wärmen des warmen Mediums wird sichergestellt, dass die für die Formumwandlung der Metallelemente erforderliche Temperaturdifferenz Delta dauerhaft erhalten bleibt. Letztlich ist dies auch die Energiequelle, die das erfindungsgemäße Antriebssystem nutzt.
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Besonders vorteilhaft ist es deshalb, wenn zum Kühlen beziehungsweise Erwärmen der im Gehäuse enthaltenen Medien auf sonst ungenutzte Wärme- und/oder Kühlpotentiale zurückgegriffen wird, beispielsweise auf in Industrieprozessen erzeugte Abwärme oder auf in der Natur vorhandene Kühlmittel, wie kaltes Wasser. Bei der Wärme kann es sich um jede mögliche Wärmequelle oder Wärmesenke oder durch technische Geräte und Anlagen erzeugte Abwärme handeln. In Betracht kommt beispielsweise die Nutzung der Abwärme einer Verbrennungsmaschine, eines Heizkessels, einer Biogasanlage, einer geothermischen, solarthermischen oder einer exothermisch wirkenden chemischen Anlage etc. Die innere Energie des Mediums wird durch das erfindungsgemäße Antriebssystem in nutzbare elektrische oder mechanische Energie umgewandelt.
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Grundsätzlich können auch mehrere oder eine Vielzahl von Antriebssystem in Reihe oder parallel zusammenschaltbar sein. Die Antriebsaggregate können aneinander fluidisch, elektrisch, elektromagnetisch, jedoch vorzugsweise mechanisch gekoppelt sein.
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Bevorzugt ist das Metallelement draht-, band-, blatt-, strang- oder wendelförmig ausgeführt. Vorzugsweise liegt es in Form eines Abschnittes eines Nitinoldrahtes, insbesondere bevorzugt in Form einer Nitinolfeder, vor.
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Das Metallelement ist vorzugsweise aus Legierungen der Gruppen:
- - Kupfer-Zink (CuZn)
- - Kupfer-Zink-Aluminium (CuZnAl),
- - Kupfer-Aluminium-Nickel (CuAINi),
- - Eisen-Nickel-Aluminium (FeNiAI),
- - Nickel-Titan (NiTi)a
ausgewählt.
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Von großem Vorteil ist, dass das Metallelement mit Formgedächtnis innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereiches reversibel verformbar ist. Formgedächtnislegierungen können sehr große Kräfte ohne auffallende Ermüdung auf mehrere 100.000 Bewegungszyklen übertragen. Im Vergleich zu anderen Aktor-Werkstoffen haben Formgedächtnislegierungen mit Abstand das größte spezifische Arbeitsvermögen (Verhältnis von geleisteter Arbeit zu Werkstoffvolumen).
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Die Erfindung wird in einigen Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert Die Figuren zeigen:
- 1 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Antriebssystem;
- 2 zeigt das Antriebssystem gemäß der 1 in einer schematischen Draufsicht;
- 3 zeigt das Antriebsystem gemäß 1 in einer anderen Außenumgebung in einer ersten Phase eines Bewegungs-Zyklus in einer schematischen Darstellung;
- 4 zeigt das Antriebssystem gemäß 3 in einer zweiten Phase des Bewegungs-Zyklus;
- 5 zeigt das Antriebssystem gemäß 3 in einer dritten Phase des Bewegungs Zyklus;
- 6 zeigt das Antriebssystem gemäß 3 in einer vierten Phase des Bewegungs-Zyklus;
- 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Antriebssystems mit einem alternativen Gehäuse und horizontal ausgerichteten Metallelementen;
- 8 zeigt das Antriebssystem gemäß der 7 in einer schematischen Draufsicht.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht näher beschriebenen Kombinationen zusammengeführt werden können.
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Im weiteren Verlauf der Figurenbeschreibung wird der Begriff „Metallelement“ häufig durch „Nitinolfeder“ ersetzt, da das Metallelement in den beschriebenen Ausführungsbeispielen durch eine Nitinolfeder realisiert ist. Grundsätzlich kann die Erfindung jedoch auch durch Einsatz anderer Metallelemente mit Formgedächtnischarakteristik oder Verwendung anderer Formen als einer Feder realisiert werden.
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Es werden nachstehend Ausführungen mit einachsigen Formgedächtniselementen, das heißt: drahtartigen Nitinolfedern, gezeigt. Um bleibende Verformungen des Nitinoldrahtes zu vermeiden wird weiterhin angenommen, dass das Verhältnis von Nickel zu Titanium in der Nickel-Titanium-Legierung einer vorbestimmten Verformungstemperatur des Nitinol entspricht.
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1 zeig das Antriebssystem 100 mit einer in einer Position P1 befindlichen Wippe 15. Die Wippe 15 umfasst zwei spiegelsymmetrische Ausleger 16 und 19, die an einer als Hohlwelle 25 ausgebildeten Welle 40 angebracht sind. Im Arbeitseinsatz wippt die Wippe 15 in Pfeilrichtung auf und ab. Innerhalb der Hohlwelle 25 ist eine Kraftwelle 22 angeordnet. Die Kraftwelle 22 ist in Lagern 30 gelagert, die Hohlwelle 25 in Lagern 31 (vgl. 6). Kraftwelle 22 und Hohlwelle 25 weisen dieselbe Drehachse 23 auf. Die Wippe 15 kann aus der Position P1 in eine Position P2 bewegt werden und umgekehrt, ohne dabei die Kraftwelle 22 zu beeinflussen.
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Der Ausleger 16 weist ein äußeres Ende mit einer daran angebrachten Fixierung 17 auf. An der Fixierung 17 ist ein erstes Metallelement, bei dem es sich wie bereits angesprochen um eine Nitinolfeder 10 handelt, angebracht. An der zur Kraftwelle 22 gerichteten Seite der Nitinolfeder 10 ist ein Gewicht 18 angebracht, welches wiederum an ein erstes Ende 34 eines Zugmittel 24 gekoppelt ist.
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Analog dazu ist auf der anderen Seite der Wippe 15 am äußeren Ende des zweiten Auslegers 19 eine zweite Nitinolfeder 10' an einer Fixierung 20 befestigt. Ebenfalls analog ist an die genannte Nitinolfeder 10' ein Gewicht 21 gekoppelt, welches wiederum mit einem zweiten Ende 35 des Zugmittels 24 verbunden ist. Das Zugmittel 24, bei dem es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um ein Seil handelt, erstreckt sich somit von dem ersten Gewicht 18 über die Drehachse 23 hinaus zum zweiten Gewicht 21.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das Zugmittel 24 an der Kraftwelle 22 eine Wicklung 29 aus, die die Kraftwelle 1,5-mal umschlingt. Damit das Zugmittel 24 an die Kraftwelle 22 herangeführt werden kann, weist die Hohlwelle 25 eine Querbohrung 36 auf.
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Die Wippe 15 ist innerhalb eines Gehäuses 11 angeordnet. In dem Gehäuse 11, das durch eine Gehäusewand 12 begrenzt wird, befinden sich zwei nicht mischbare Medien M1 und M2, die unterschiedliche Dichten D1 und D2 und unterschiedliche Temperaturen T1 und T2 aufweisen. Das Medium M1 hat eine geringere Dichte als das Medium M2 und schwimmt deshalb in einem oberen Bereich 14 des Gehäuses auf dem schwereren Medium M2 auf. Das schwerere Medium M2 befindet sich somit in einem unteren Bereich 13 innerhalb des Gehäuses 11.
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Die Hohlwelle 25 und auch die Kraftwelle 22 gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind durch nicht näher dargestellte Aussparungen an wenigstens einer Seite durch die Gehäusewand 12 nach außen geführt, so dass die Energieabnahme von der Kraftwelle 22 außerhalb des Gehäuses 11 durchführbar ist. Damit die Medien M1 und M2 innerhalb des Gehäuses11 bleiben, sind an der einen Durchbruchstelle, oder, soweit zwei Durchbrüche vorgesehen sind, an beiden Durchbruchstellen, geeignete Dichtungen vorgesehen (nicht dargestellt).
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Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 11 von einem kanalartigen Außenrohr 26 umgeben, welches durch eine Trennwand 27 in einen oberen Bereich 37 und einen unteren Bereich 38 unterteilt ist. Der untere Bereich 38 wird von einem Medium M3, durchströmt, welches eine Temperatur T3 aufweist, die niedriger ist, als die Temperatur T2 des im unteren Bereich 13 des Gehäuses 11 befindlichen Mediums M2. Das durch den unteren Bereich 38 des Außenrohrs 26 strömende Medium M3 kühlt somit über die Gehäusewand 12 das Medium M2.
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Analog dazu, nur mit umgekehrten Temperaturverhältnissen, wird der obere Bereich 37 von einem Medium M4, durchströmt, welches eine Temperatur T4 aufweist, die höher ist, als die Temperatur T1 des im oberen Bereich 14 des Gehäuses 11 befindlichen Mediums M1. Das durch den oberen Bereich 37 des Außenrohrs 26 strömende Medium M4 wärmt somit über die Gehäusewand 12 das Medium M1. Dadurch, dass das im Gehäuse befindlichen Medium M1 gewärmt und das Medium M2 gekühlt wird, wird eine für die Formumwandlung der Nitinolfeder erforderliche Temperaturdifferenz Delta dauerhaft konstant aufrechterhalten.
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Als Medien M3 und M4 werden Umgebungsmedien gewählt, wie beispielsweise Flusswasser zum Kühlen oder warme Abgase von Motoren oder sonstigen Kraftmaschinen zum Wärmen.
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2 zeigt das Antriebssystem 100 ohne Gehäuse in einer schematischen Draufsicht. Es ist gut zu erkennen, dass die Kraftwelle 22 innerhalb der Hohlwelle 25 verläuft und beide Wellen 22 und 25 unabhängig voneinander gelagert und somit auch unabhängig voneinander drehbar sind. Das Zugmittel 24 umläuft die Kraftwelle 22 mit einer Wicklung 29, die im dargestellten Ausführungsbeispiel 1,5 Umschlingungen ausmacht. Das Zugmittel 24 ist mit einer Vorspannung zwischen den Gewichten 18 und 21 angebracht, die so gewählt ist, dass zwischen Zugmittel 24 und Kraftwelle 22 ein ausreichender Kraftschluss zur Übertragung des von der sich zusammenziehenden Nitinolfeder bewirkten Drehmoments hergestellt ist.
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Zwischen der Hohlwelle 25 und der Lagerung 33 ist an der einen Seite der Vorrichtung eine Kurvenkontur 33 und an der anderen Seite eine Druckfeder vorgesehen. Hierdurch wird bei Ausführung einer Wippbewegung eine Querkraft und ein leichtes Rütteln auf die Wippe 15 insgesamt und damit auch auf die Ausleger 16 und 19 übertragen. Durch das Rütteln wird die Randschichtablösung der Medien M1 und M2 an den Nitinolfedern begünstigt, um deren Durchwärmung bzw. Durchkühlung zu beschleunigen.
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Die 3 bis 6 zeigen ein erfindungsgemäßes Antriebssystem 100 im Arbeitseinsatz in vier unterschiedlichen Phasen eines Zyklusses. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 wird das Gehäuse 11 jedoch nicht von einem das gesamte Gehäuse 11 einschließenden Außenrohr 26 umgeben, sondern lediglich von einem Kanal 42. Vereinfacht gesagt, kühlt das im Kanal 42 vorzugsweis fließende Medium M3 das kalte Medium M2 während das warme Medium M1 lediglich von der Umgebungsluft umgeben ist. Ein Erwärmen des Mediums M1 erfolgt somit nur dann, wenn die Umgebungsluft wärmer ist als das Medium M1.
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Die in 3 dargestellte Phase des Zyklusses wird nachfolgend als erste Phase bezeichnet. Ausgegangen wird somit von einer Situation, in der die Wippe 15 gerade eine Wippbewegung beendet und die Position P1 erreicht hat. Der aus dem kalten Medium M1 in das warme Medium M2 hochgeschwenkte Ausleger 16 weist in dieser Situation noch eine langgestreckte Nitinolfeder 10 auf. Da die Nitinolfeder 10 sich nunmehr im warmen Medium M2 befindet, zieht sie sich zusammen und zieht dabei die beiden Gewichte 18 und 21 sowie das Zugmittel 24 nach schräg oben. Bei dieser Bewegung dreht das Zugmittel 24 die Kraftwelle 22 und streckt die im kalten Medium befindliche Nitinolfeder 10'. Die eigentliche Energiegewinnung erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausschließlich über das auf die Kraftwelle 22 übertragene Drehmoment bzw. über die Drehbewegung der Kraftwelle 22.
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Im Ergebnis wird hierdurch die Situation erreicht, die in 4 als zweite Phase des Zyklusses dargestellt ist. In 4 hat sich die Nitinolfeder 10 bereits maximal zusammengezogen und der Schwerpunkt der Wippe 15 hat sich über die Drehachse 23 hinaus in den Bereich des ersten Auslegers 16 verlagert. Um zu gewährleisten, dass die Wippe 15 die Wippbewegung erst dann ausführt, wenn die Nitinolfeder 10 maximal zusammengezogen ist, kann ein geeignetes Haltemittel 39 vorgesehen sein. Bei dem Haltemittel 39 kann es sich beispielsweise um einen Schalter, eine Sperre, eine Raste oder ähnliches handeln, die erst dann ausgelöst wird, wenn die Nitinolfeder 10 sich zu einer vordefinierten Länge zusammengezogen hat. Das Haltemittel 39 ist in den 3 bis 6 lediglich schematisch angedeutet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel basiert das schematische Funktionsprinzip darauf, dass ein mit der Gehäusewand 12 verbundener Träger 43 so weit in das Gehäuse 11 hineinragt, dass das in Form einer Raste vorgesehen Haltemittel 39 nach Durchführung einer Kippbewegung am Träger 43 einrastet. Der Mechanismus ist zudem so konzipiert, dass die genannte Rastung dann gelöst wird, wenn die im warmen Medium M1 befindliche Nitinolfeder 10, 10' sich auf eine vordefinierte Länge zusammengezogen hat.
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Soweit ein Haltemittel 39 vorgesehen und dieses ausgelöst ist, kippt die Wippe 15 aus der Position P1 in die Position P2. Dabei kann, soweit vorhanden, ein auf der anderen Seite der Wippe vorgesehenes Haltemittel 39 einrasten und die Wippe 15 vorübergehend in dieser Position P2 fixieren.
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5 zeigt die dritte Phase des Zyklusses, unmittelbar nachdem die Wippe aus Position P1 in Position P2 gekippt ist. Die aus dem kalten Medium M2 kommende Nitinolfeder 10' ist noch gestreckt, die vom warmen Medium M1 in das kalte Medium M2 überführte Nitinolfeder 10 ist noch zusammengezogen. Auch die Gewichte 18 und 21 haben sich noch nicht verlagert. Die Verlagerung der Gewichte 18 und 21 erfolgt nunmehr durch die sich nun im warmen Medium M1 zusammenziehende Nitinolfeder 10'. Gleichzeitig wird wiederum die Kraftwelle 22 gedreht beziehungsweise ein Drehmoment auf die Kraftwelle 22 übertragen.
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6 zeigt die vierte Phase des Zyklusses, in der sich die Nitinolfeder 10' maximal zusammengezogen hat. Der Schwerpunkt der Wippe 15 hat sich in den Bereich des Auslegers 19 verlagert und das Haltemittel 39 steht unmittelbar vor seiner Auslösung. Durch Lösen des Haltemittels 39 kippt die Wippe aus Position P2 in Position P1 und ein neuer Zyklus kann beginnen.
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Die 7 und 8 zeigen eine alternative Ausführungsform eines Antriebssystems 100'. Das Antriebssystem 100' arbeitet nach denselben Grundprinzipien wie das Antriebssystem 100 und basiert ebenfalls auf einer Wippe 15 mit zwei Auslegern 16 und 19. Anders als bei dem Antriebssystem 100 sind die Nitinolfedern 10 und 10` jedoch nicht in Achsrichtung des Zugmittels 24 angeordnet, sondern um 90° versetzt horizontal ausgerichtet. Weiterhin umfasst jeder Ausleger 16 und 19 nicht nur eine einzelne Nitinolfeder, sondern ein Federpaket aus jeweils mehreren Nitinolfedern 10 beziehungsweise 10'. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in 7 am Ende jedes Auslegers jeweils sechs Federn 10 beziehungsweise 10' angedeutet. Durch eine größere Anzahl Federn erhöht sich die Federkraft insgesamt und damit das auf die Kraftwelle 22 übertragbare Drehmoment.
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Die horizontale Ausrichtung der Nitinolfedern 10 und 10' hat den Vorteil, dass sich die Nitinolfedern 10 und 10' bei in Position P1 beziehungsweise P2 befindlicher Wippe 15 insgesamt an einer jeweils sehr hohen, beziehungsweise sehr tiefen Stelle innerhalb des Gehäuses 11 auf einem einheitlichen Temperaturniveau befinden. So kann die in den Medien M1, M2 herrschende Temperaturdifferenz optimal ausgenutzt werden. Hintergrund ist, dass die Medien M1 und M2 zwar nicht mischbar sind, es in einem Übergangsbereich 41 der beiden Medien M1, M2 jedoch zu einem gewissen Temperaturaustausch kommt, weil das kalte Medium M2 das warme Medium M1 kühlt und umgekehrt das warme Medium M1 das kalte Medium M2 wärmt.
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Um den Temperaturaustausch zwischen den Medien M1 und M2 zu reduzieren, weist die Wippe 15, insbesondere deren Ausleger 16 und 19, vorzugsweise eine strömungstechnisch optimierte Kontur auf, die die eine Durchmischung der Medien M1 und M2 miteinander auf ein Minimum reduziert.
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Weiterhin hat bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel das Gehäuse 11 eine an die Wippe 15 und deren Wippbewegung angepasste schmetterlingsartige Kontur. Hierdurch vergrößert sich die Fläche der Gehäusewand 12. Da auch bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel das kalte Medium M2 von dem noch kälteren Medium M3 gekühlt und das warme Medium M1 von dem noch wärmeren Medium M4 erwärmt wird, verbessert sich durch eine größere Wandfläche der Wärmeaustausch zwischen den Medien M1 und M4 sowie zwischen den Medien M2 und M3.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- Metallelement (Nitinolfeder)
- 11
- Gehäuse
- 12
- Gehäusewand
- 13
- unterer Bereich (in 11)
- 14
- oberer Bereich (in 11)
- 15
- Wippe
- 16
- erster Ausleger
- 17
- Fixierung (an 16)
- 18
- Gewicht
- 19
- zweiter Ausleger
- 20
- Fixierung (an 19)
- 21
- Gewicht
- 22
- Kraftwelle
- 23
- Drehachse (von 22 und 25)
- 24
- Zugmittel
- 25
- Hohlwelle
- 26
- Außenrohr
- 27
- Trennwand
- 28
- Umlenkung
- 29
- Wicklung
- 30
- Lagerung (von 25)
- 31
- Lagerung (von 22)
- 32
- Feder
- 33
- Kurvenkontur
- 34
- erstes Ende (von 24)
- 35
- zweites Ende (von 24)
- 36
- Querbohrung
- 37
- oberer Bereich (von 26)
- 38
- unterer Bereich (von 26)
- 39
- Haltemittel
- 40
- Welle
- 41
- Übergangsbereich
- 42
- Kanal
- 43
- Träger
- 100, 100'
- Antriebssystem
- D1
- Dichte (von M1)
- D2
- Dichte (von M2)
- DM
- Drehmoment
- M1
- Medium (in 11)
- M2
- Medium (in 11)
- M3
- Medium
- M4
- Medium
- P1
- Position (von 15)
- P2
- Position (von 15)
- T1
- Temperatur (von M1)
- T2
- Temperatur (von M2)
- T3
- Temperatur (von M3)
- T4
- Temperatur (von M4)
