DE102022206830A1 - Thermoelastic energy conversion device and method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device - Google Patents

Thermoelastic energy conversion device and method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device Download PDF

Info

Publication number
DE102022206830A1
DE102022206830A1 DE102022206830.0A DE102022206830A DE102022206830A1 DE 102022206830 A1 DE102022206830 A1 DE 102022206830A1 DE 102022206830 A DE102022206830 A DE 102022206830A DE 102022206830 A1 DE102022206830 A1 DE 102022206830A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
conversion device
sma element
sma
energy conversion
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022206830.0A
Other languages
German (de)
Inventor
Andreas Kircher
Klaus Seifert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive Technologies GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Priority to DE102022206830.0A priority Critical patent/DE102022206830A1/en
Priority to PCT/DE2023/200133 priority patent/WO2024008249A1/en
Publication of DE102022206830A1 publication Critical patent/DE102022206830A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03GSPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F03G7/06143Wires
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B29/00Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Control Of Temperature (AREA)

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung (10) zum Erwärmen und Abkühlen eines Übertragungsmediums (30), umfassend, mindestens eine Wandlungseinrichtung (11), wobei die mindestens eine Wandlungseinrichtung (11) in einer Erstreckungsrichtung (E) mindestens ein SMA-Element (20) aufweist, wobei das mindestens eine SMA-Element (20) mit dem Übertragungsmedium (30) in thermischen Kontakt steht. Weiterhin umfasst die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung (10) eine Beaufschlagungsvorrichtung (12) mit einem Antrieb (40), um das mindestens eine SMA-Elemente (20) mit einem temperaturabhängigen Kraftverlauf zu belasten und eine Steuerungsvorrichtung (13) zum Steuern und/oder Regeln der Beaufschlagungseinrichtung (12), die die Wandlungseinrichtung (11) bezüglich ihrer Be- und Entlastung steuert und/oder regelt. Zudem wird ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung offenbart.The present disclosure relates to a thermoelastic energy conversion device (10) for heating and cooling a transmission medium (30), comprising at least one conversion device (11), wherein the at least one conversion device (11) has at least one SMA element (20) in an extension direction (E). ), wherein the at least one SMA element (20) is in thermal contact with the transmission medium (30). The thermoelastic energy conversion device (10) further comprises an application device (12) with a drive (40) in order to load the at least one SMA element (20) with a temperature-dependent force profile and a control device (13) for controlling and/or regulating the application device (12), which controls and/or regulates the conversion device (11) with regard to its loading and unloading. In addition, a method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device is disclosed.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Übertragungsmediums, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer solchen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung.The present disclosure relates to a thermoelastic energy conversion device for heating and cooling a transmission medium, such as a liquid or a gas. The present disclosure further relates to a method for controlling and/or regulating such a thermoelastic energy conversion device.

In bekannten elastokalorischen Wärmekältemaschinen wird ein Element aus einer Formgedächtnislegierung (eng. shape memory alloy; abgekürzt: SMA) zyklisch gedehnt und entspannt und durch diese Formänderung eine Phasenumwandlung erzeugt, die wiederum zur Temperaturänderung führt, die entsprechend genutzt wird, um eine Wärme-bzw. Kältekraftmaschine darzustellen. Analog wird das SMA-Element auch gestaucht und entspannt. Bei dem Phasenübergang handelt es sich üblicherweise um eine Kristallgitterumwandlung zwischen einer Hochtemperaturphase (Austenit) und einer Niedrigtemperaturphase (Martensit), so dass bei dem Phasenübergang eine Temperaturänderung des Materials hervorgerufen wird.In known elastocaloric heat cooling machines, an element made of a shape memory alloy (abbreviated: SMA) is cyclically stretched and relaxed and this change in shape creates a phase transformation, which in turn leads to a temperature change, which is used accordingly to generate a heat or Represent refrigeration engine. Analogously, the SMA element is also compressed and relaxed. The phase transition is usually a crystal lattice transformation between a high-temperature phase (austenite) and a low-temperature phase (martensite), so that the phase transition causes a temperature change in the material.

Es ist wünschenswert ein Verfahren zum Betreiben einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung anzugeben, welches die Lebensdauer einer solchen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung erhöht.It is desirable to provide a method for operating a thermoelastic energy conversion device which increases the service life of such a thermoelastic energy conversion device.

Diese Aufgabe wird durch die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren zum Steuern und/oder Regeln der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst.This object is achieved by the thermoelastic energy conversion device according to claim 1 and the method for controlling and / or regulating the thermoelastic energy conversion device according to claim 4.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further refinements are specified in the dependent claims.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Übertragungsmediums ein Gehäuse zur Aufnahme des Übertragungsmediums. In dem Gehäuse der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung ist mindestens eine Wandlungseinrichtung angeordnet. Die mindestens eine Wandlungseinrichtung weist in einer Erstreckungsrichtung mindestens ein SMA-Element auf, welches mit dem Übertragungsmedium thermisch gekoppelt ist. Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung umfasst weiterhin eine Beaufschlagungsvorrichtung mit einem Antrieb, um das mindestens eine SMA-Elemente mit einem temperaturabhängigen Kraftverlauf zu belasten. Die Beaufschlagungsvorrichtung wird von einer Steuerungsvorrichtung derart gesteuert und/oder geregelt, sodass die Beaufschlagungsvorrichtung die Wandlungseinrichtung bezüglich ihrer Be- und Entlastung steuert und/oder regelt.According to one embodiment, a thermoelastic energy conversion device for heating and cooling a transmission medium comprises a housing for receiving the transmission medium. At least one conversion device is arranged in the housing of the thermoelastic energy conversion device. The at least one conversion device has at least one SMA element in an extension direction, which is thermally coupled to the transmission medium. The thermoelastic energy conversion device further comprises an application device with a drive in order to load the at least one SMA element with a temperature-dependent force curve. The loading device is controlled and/or regulated by a control device in such a way that the loading device controls and/or regulates the conversion device with regard to its loading and unloading.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuervorrichtung einen Antrieb auf. Der Antrieb ist ausgebildet, um die Beaufschlagungsvorrichtung so anzusteuern, dass die Wandlungseinrichtung temperaturabhängig angesteuert wird, sodass die SMA-Elemente der Wandlungseinrichtung zyklisch be- und entlastet werden und sich dadurch zyklisch erwärmen bzw. abkühlen.According to a further embodiment, the control device has a drive. The drive is designed to control the loading device in such a way that the conversion device is controlled depending on the temperature, so that the SMA elements of the conversion device are cyclically loaded and unloaded and thereby heat up or cool down cyclically.

Die Steuervorrichtung weist weiterhin eine Kraftauskopplung auf. Mit der Kraftauskopplung wird mechanische Energie, die der Beaufschlagungsvorrichtung von der Wandlungseinrichtung zugeführt wird, aus der Energiewandlungsvorrichtung ausgekoppelt.The control device also has a force coupling. With the force coupling, mechanical energy, which is supplied to the application device by the conversion device, is coupled out of the energy conversion device.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beaufschlagungseinrichtung einen in dem Gehäuse beweglichen Schlitten auf, der mit einem der Enden des mindestens einen SMA-Elements verbunden ist. So wird bei einer zyklischen translatorischen Bewegung des Schlittens in Erstreckungsrichtung eine zyklische Be- und Entlastung des mindestens einen SMA-Elements der Wandlungseinrichtung erreicht. Alternativ wird so bei einer thermischen Beaufschlagung des mindestens einen SMA-Elements der Wandlereinrichtung eine zyklische translatorische Bewegung des Schlittens in Erstreckungsrichtung erreicht.According to a further embodiment, the loading device has a carriage that is movable in the housing and is connected to one of the ends of the at least one SMA element. Thus, during a cyclic translational movement of the carriage in the extension direction, a cyclic loading and unloading of the at least one SMA element of the conversion device is achieved. Alternatively, when the at least one SMA element of the converter device is subjected to heat, a cyclic translational movement of the carriage in the extension direction is achieved.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung folgende Schritte auf:

  • Es wird mindestens einer der folgenden Systemzustände ermittelt:
    • - Eine Temperatur von mindestens einem Übertragungsmedium der Energiewandlungsvorrichtung
    • - Eine Temperatur von mindestens einem SMA-Element der Energiewandlungsvorrichtung
    • - Einem elektrischen Widerstand des mindestens einen SMA-Elements
According to one embodiment, the method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device has the following steps:
  • At least one of the following system states is determined:
    • - A temperature of at least one transmission medium of the energy conversion device
    • - A temperature of at least one SMA element of the energy conversion device
    • - An electrical resistance of the at least one SMA element

Weiterhin wird eine maximale Wegamplitude, die in einer Beaufschlagungsvorrichtung der Energiewandlungsvorrichtung verwendet wird, ermittelt. Die ermittelte maximale Wegamplitude ist dabei abhängig von dem mindestens einen Systemzustand.Furthermore, a maximum path amplitude that is used in an application device of the energy conversion device is determined. The determined maximum path amplitude depends on the at least one system state.

Ausgehend davon wird ein Antrieb der Beaufschlagungsvorrichtung gesteuert und/oder geregelt, sodass das SMA-Element um eine Weglänge gedehnt wird. Die Weglänge um die das SMA-Element gedehnt wird ist kleiner gleich der maximalen Wegamplitude.Based on this, a drive of the loading device is controlled and/or regulated so that the SMA element is stretched by a path length. The path length around which that SMA element is stretched is less than or equal to the maximum path amplitude.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Temperatur des mindestens einen Übertragungsmediums der Energiewandlungsvorrichtung ermittelt indem die Temperatur des Übertragungsmediums gemessen und/oder berechnet wird. Bei einer Vielzahl von Übertragungsmedien wird entweder die Temperatur eines einzelnen Übertragungsmediums gemessen und/oder berechnet oder die Temperatur aller Übertragungsmedien wird gemessen und/oder berechnet.According to one embodiment, the temperature of the at least one transmission medium of the energy conversion device is determined by measuring and/or calculating the temperature of the transmission medium. With a variety of transmission media, either the temperature of a single transmission medium is measured and/or calculated or the temperature of all transmission media is measured and/or calculated.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Temperatur des mindestens einen SMA-Elements der Energiewandlungsvorrichtung ermittelt indem die Temperatur des SMA-Elements gemessen und/oder berechnet wird. Bei einer Vielzahl von SMA-Elementen wird entweder die Temperatur eines einzelnen SMA-Elements gemessen und/oder berechnet oder die Temperatur aller SMA-Elemente wird gemessen und/oder berechnet.According to a further embodiment, the temperature of the at least one SMA element of the energy conversion device is determined by measuring and/or calculating the temperature of the SMA element. With a large number of SMA elements, either the temperature of a single SMA element is measured and/or calculated or the temperature of all SMA elements is measured and/or calculated.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der elektrische Widerstand des mindestens einen SMA-Elements der Energiewandlungsvorrichtung ermittelt indem der elektrische Widerstand des SMA-Elements gemessen wird. Bei einer Vielzahl von SMA-Elementen wird entweder der elektrische Widerstand eines einzelnen SMA-Elements gemessen oder der elektrische Widerstand aller SMA-Elemente wird gemessen.According to a further embodiment, the electrical resistance of the at least one SMA element of the energy conversion device is determined by measuring the electrical resistance of the SMA element. With a large number of SMA elements, either the electrical resistance of a single SMA element is measured or the electrical resistance of all SMA elements is measured.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der elektrische Widerstand der SMA-Elemente bei einer Vielzahl von SMA-Elementen über eine Reihenschaltung gemessen.According to a further embodiment, the electrical resistance of the SMA elements is measured in a plurality of SMA elements via a series connection.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der elektrische Widerstand der SMA-Elemente bei einer Vielzahl von SMA-Elementen über eine Parallelschaltung gemessen.According to a further embodiment, the electrical resistance of the SMA elements is measured in a plurality of SMA elements via a parallel connection.

Anhand des elektrischen Widerstandes des SMA-Elements lassen sich Rückschlüsse auf den Grad der Phasenumwandlung des SMA-Elements ziehen.Based on the electrical resistance of the SMA element, conclusions can be drawn about the degree of phase transformation of the SMA element.

Durch ein solches Verfahren wird vermieden, dass die Dehnung und Stauchung des SMA-Elements konstant und unabhängig von der Temperatur des Übertragungsmediums bzw. SMA-Elements ist.Such a method prevents the expansion and compression of the SMA element from being constant and independent of the temperature of the transmission medium or SMA element.

Es gibt eine Temperatur T_D, ab der die Phasenumwandlung nicht mehr durch eine Formänderung erfolgen kann. Dies würde zu Problemen im Betrieb oder auch im Ruhezustand führen, wenn die Temperatur T_D überschritten wird. Ab dieser Temperatur T_D kann es zu ungewollten plastischen Verformungen des SMA-Elements kommen, die erstens irreversibel sein können und zum anderen zu einer Schädigung des SMA-Elements führen können, die später zu einem Ausfall, wie z.B. einem Bruch, einem Riss, etc. führt.There is a temperature T_D above which the phase transformation can no longer occur through a change in shape. This would lead to problems during operation or even in the idle state if the temperature T_D is exceeded. From this temperature T_D onwards, unwanted plastic deformations of the SMA element can occur, which can firstly be irreversible and secondly can lead to damage to the SMA element, which later leads to failure, such as a break, a crack, etc. leads.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Betriebszustand der Energiewandlungsvorrichtung ermittelt. Wenn der Betriebszustand als abgeschaltet ermittelt ist, dann wird die Beaufschlagungsvorrichtung derart angesteuert, sodass das SMA-Element der Energiewandlungsvorrichtung entspannt wird. Abgeschaltet bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Antrieb, der die Beaufschlagungsvorrichtung antreibt z.B. stromlos ist.According to a further embodiment, an operating state of the energy conversion device is determined. If the operating state is determined to be switched off, then the application device is activated in such a way that the SMA element of the energy conversion device is relaxed. In this context, switched off means that the drive that drives the application device is, for example, de-energized.

Durch die zusätzliche Regelbarkeit der Leistung und des Wirkungsgrads in Abhängigkeit der Temperatur steigt die Lebensdauer an.The service life increases due to the additional controllability of the power and efficiency depending on the temperature.

Zudem bietet das Verfahren zum Steuern und/oder Regeln der thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung in kritischen Temperaturbereichen eine Schutzfunktion.In addition, the method for controlling and/or regulating the thermoelastic energy conversion device offers a protective function in critical temperature ranges.

Gemäß Ausführungsformen ist das Verfahren ausgebildet zum Steuern und/oder Regeln einer hier beschriebenen Energiewandlungsvorrichtung. Merkmale und Vorteile der Energiewandlungsvorrichtung gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.According to embodiments, the method is designed to control and/or regulate an energy conversion device described here. Features and advantages of the energy conversion device also apply to the process and vice versa.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to figures.

Es zeigen:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung in einer schematischen Ansicht,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung in einer alternativen schematischen Ansicht,
  • 3 schematische Darstellungen eines Kreisprozesses zur Wärme- und Kältegenerierung durch einen Phasenübergang anhand eines diskontinuierlichen Prozesses,
  • 4 schematische Darstellungen eines Kreisprozesses einer Wärme-Kraft-Kopplung.
Show it:
  • 1 an embodiment of a thermoelastic energy conversion device in a schematic view,
  • 2 an embodiment of a thermoelastic energy conversion device in an alternative schematic view,
  • 3 schematic representations of a cycle for generating heat and cold through a phase transition using a discontinuous process,
  • 4 Schematic representations of a cycle process of a heat-power coupling.

Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Elements of the same construction and function are marked with the same reference numerals across the figures.

1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 10 zum Erwärmen und Abkühlen eines Übertragungsmediums 30. Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 17 zur Aufnahme des Übertragungsmediums 30. In dem Gehäuse 17 der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 10 ist mindestens eine Wandlungseinrichtung 11 angeordnet. Die mindestens eine Wandlungseinrichtung 11 weist in einer Erstreckungsrichtung E mindestens ein SMA-Element 20 auf, welches mit dem Übertragungsmedium 30 thermisch gekoppelt ist. 1 shows a schematic view of a thermoelastic energy conversion device 10 for heating and cooling a transmission medium 30. The thermoelastic energy conversion device 10 comprises a housing 17 for receiving the transmission medium 30. At least one conversion device 11 is arranged in the housing 17 of the thermoelastic energy conversion device 10. The at least one conversion device 11 has at least one SMA element 20 in an extension direction E, which is thermally coupled to the transmission medium 30.

Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Beaufschlagungsvorrichtung 12 mit einem Antrieb 40, um das mindestens eine SMA-Elemente 20 mit einem temperaturabhängigen Kraftverlauf zu belasten. Durch die Belastung wird das SMA-Element 20 um eine Weglänge L gedehnt. Die Weglänge L ist maximal so groß wie die maximale Wegamplitude W_max.The thermoelastic energy conversion device 10 further comprises an application device 12 with a drive 40 in order to load the at least one SMA element 20 with a temperature-dependent force curve. The load causes the SMA element 20 to be stretched by a distance L. The path length L is at most as large as the maximum path amplitude W_max.

Die Beaufschlagungsvorrichtung 12 wird im Betrieb von einer Steuerungsvorrichtung 13 derart gesteuert und/oder geregelt, sodass die Beaufschlagungsvorrichtung 12 die Wandlungseinrichtung 11 bezüglich ihrer Be- und Entlastung steuert und/oder regelt.During operation, the loading device 12 is controlled and/or regulated by a control device 13 in such a way that the loading device 12 controls and/or regulates the conversion device 11 with regard to its loading and unloading.

Die Steuervorrichtung 13 weist weiterhin eine Kraftauskopplung auf, die beispielsweise mittels des Antriebs 40 realisiert ist. Mit der Kraftauskopplung wird mechanische Energie, die der Beaufschlagungsvorrichtung 12 von der Wandlungseinrichtung 11 zugeführt wird, aus der Energiewandlungsvorrichtung 10 ausgekoppelt.The control device 13 also has a force coupling, which is realized, for example, by means of the drive 40. With the force coupling, mechanical energy, which is supplied to the application device 12 by the conversion device 11, is coupled out of the energy conversion device 10.

Durch das Ausüben einer Zugkraft auf die SMA-Elemente 20 der Wandlungseinrichtung 11 erwärmen sich diese, während das Entlasten der Wandlungseinrichtung 11 eine Aufnahme von Wärme aus der Umgebung bewirkt. Mithilfe eines Antriebs 40 wird der Schlitten 15 gemäß einem vorgegebenen Bewegungsprofil hin- und her bewegt. Das Bewegungsprofil wird beispielsweise durch die maximale Wegamplitude W_max der Beaufschlagungsvorrichtung 12 vorgegeben.By exerting a tensile force on the SMA elements 20 of the conversion device 11, they heat up, while relieving the load on the conversion device 11 causes heat to be absorbed from the environment. With the help of a drive 40, the carriage 15 is moved back and forth according to a predetermined movement profile. The movement profile is specified, for example, by the maximum path amplitude W_max of the application device 12.

Die SMA-Elemente 20 der Wandlungseinrichtung 11 sind vorzugsweise in einer Stellung des Schlittens 15 entspannt bzw. lediglich mit einer jeweils eingestellten Vorspannung belastet. Durch Verschieben des Schlittens 15 in die Erstreckungsrichtung E der SMA-Elemente 20 der Wandlungseinrichtung 11 werden diese wechselseitig belastet und entlastet, insbesondere gedehnt und gestaucht (bzw. entlastet) werden. Der Schlitten 15 wird vorzugsweise in Erstreckungsrichtung E verschoben, um eine Biegebelastung auf die SMA-Elemente 20 zu vermeiden, die zu einer verstärkten Materialermüdung führen kann.The SMA elements 20 of the conversion device 11 are preferably relaxed in a position of the carriage 15 or are only loaded with a preload that has been set in each case. By moving the carriage 15 in the extension direction E of the SMA elements 20 of the conversion device 11, these are alternately loaded and relieved, in particular stretched and compressed (or relieved). The carriage 15 is preferably displaced in the extension direction E in order to avoid a bending load on the SMA elements 20, which can lead to increased material fatigue.

Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 10 kann alternativ z.B. zwei Wandlungseinrichtungen 11 umfassen (nicht dargestellt in den Figuren). So können sich durch das Ausüben einer Zugkraft auf die SMA-Elemente 20 einer der Wandlungseinrichtungen 11 die SMA-Elemente 20 erwärmen, während das Entlasten der SMA-Elemente 20 der anderen Wandlungseinrichtungen 11 eine Aufnahme von Wärme aus der Umgebung bewirkt.The thermoelastic energy conversion device 10 can alternatively comprise, for example, two conversion devices 11 (not shown in the figures). Thus, by exerting a tensile force on the SMA elements 20 of one of the conversion devices 11, the SMA elements 20 can heat up, while relieving the SMA elements 20 of the other conversion devices 11 causes heat to be absorbed from the environment.

Die Vorrichtung kann generell für die Wärme- und Kältegenerierung oder für eine Wärme-Kraft-Kopplung zur Umwandlung von thermischen Potenzialunterschieden in mechanische Energie verwendet werden.The device can generally be used for heat and cold generation or for heat-power coupling to convert thermal potential differences into mechanical energy.

Das Material der SMA-Elemente 20 kann eine Formgedächtnislegierung, wie z.B. Nickel-Titan enthalten und so durch einen Phasenübergang, d.h. eine Umwandlung der Gitterstruktur, bei elastischer Verspannung oder Entspannung, latente Wärme freisetzen oder aufnehmen. Üblicherweise wandelt sich bei Formgedächtnislegierungen, die unter Krafteinwirkung einer mechanischen Verformung ausgesetzt werden, eine austenitische Materialstruktur in eine martensitische Materialstruktur um und gibt dabei Wärme ab. Wird das Material entlastet, so nimmt dieses aufgrund der elastischen Verformung die ursprüngliche Form wieder ein, wobei sich die martensitische Materialstruktur in eine austenitische Materialstruktur zurückwandelt und dabei Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Auch andere Materialien, die eine entsprechende reversible thermische Veränderung in Reaktion auf ein angelegtes mechanisches Spannungsfeld zeigen, können für die thermoelastischen Elemente verwendet werden.The material of the SMA elements 20 can contain a shape memory alloy, such as nickel-titanium, and thus release or absorb latent heat through a phase transition, i.e. a transformation of the lattice structure, during elastic tension or relaxation. Typically, in shape memory alloys that are subjected to mechanical deformation under the influence of force, an austenitic material structure transforms into a martensitic material structure and releases heat in the process. If the material is relieved, it returns to its original shape due to the elastic deformation, with the martensitic material structure changing back into an austenitic material structure and thereby absorbing heat from the environment. Other materials that show a corresponding reversible thermal change in response to an applied mechanical stress field can also be used for the thermoelastic elements.

Eine Ausführungsform bei der die variable Wegamplitude W_max beispielhaft zum Einsatz kommt, ist eine Spindel, die von einem elektrischen Motor angetrieben wird. Die Drehbewegung des Motors wird in einen variablen Weg umgewandelt. Der Motor wird entweder winkelgesteuert oder der Spindelhub wird gemessen und damit ein variabler Hub des
Antriebs eingestellt bzw. geregelt. Zweckmäßigerweise ist der elektrische Antrieb so konfiguriert, dass bei dem Entspannungshub die mechanische Energie in elektrische Energie rekuperiert wird und somit im System verbleibt.
Bei dem Antrieb über ein Spindel-Motor System ist die Möglichkeit das Antriebssystem gleichzeitig für belastete und unbelastete SMA-Elemente 20 zu verwenden also mechanisch zu koppeln. Alternativ kann für den belasteten Teil und den unbelasteten Teil der SMA-Elemente 20 ein eigener Antrieb 40 verwendet werden.
An embodiment in which the variable path amplitude W_max is used as an example is a spindle that is driven by an electric motor. The rotational movement of the motor is converted into a variable path. The motor is either angle controlled or the spindle stroke is measured and thus a variable stroke of the
Drive set or regulated. The electric drive is expediently configured in such a way that during the relaxation stroke the mechanical energy is recuperated into electrical energy and thus remains in the system.
When driving via a spindle motor system, it is possible to use the drive system simultaneously for loaded and unloaded SMA elements 20, i.e. to couple it mechanically. Alternatively, a separate drive 40 can be used for the loaded part and the unloaded part of the SMA elements 20.

Um die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung in optimaler Weise zu nutzen wird ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 10 mit folgenden Schritten angewandt. Zuerst wird mindestens einer der folgenden Systemzustände ermittelt:

  • - Eine Temperatur des mindestens einen Übertragungsmediums 30 der Energiewandlungsvorrichtung 10
  • - Eine Temperatur des mindestens einen SMA-Elements 20 der Energiewandlungsvorrichtung 10
  • - Einem elektrischen Widerstand des mindestens einen SMA-Elements 20.
In order to optimally use the thermoelastic energy conversion device Method for controlling and / or regulating the thermoelastic energy conversion device 10 with the following steps applied. First, at least one of the following system states is determined:
  • - A temperature of the at least one transmission medium 30 of the energy conversion device 10
  • - A temperature of the at least one SMA element 20 of the energy conversion device 10
  • - An electrical resistance of the at least one SMA element 20.

Weiterhin wird die maximale Wegamplitude W_max, die in einer Beaufschlagungsvorrichtung 12 der Energiewandlungsvorrichtung 10 verwendet wird, ermittelt. Die ermittelte maximale Wegamplitude W_max ist dabei abhängig von dem mindestens einen Systemzustand. Ausgehend davon wir der Antrieb 40 der Beaufschlagungsvorrichtung 12 gesteuert und/oder geregelt, sodass das SMA-Element 20 um eine Weglänge L gedehnt wird.Furthermore, the maximum path amplitude W_max, which is used in an application device 12 of the energy conversion device 10, is determined. The determined maximum path amplitude W_max depends on the at least one system state. Based on this, the drive 40 of the application device 12 is controlled and/or regulated so that the SMA element 20 is stretched by a path length L.

Die Weglänge L um die das SMA-Element 20 gedehnt wird ist kleiner gleich der maximalen Wegamplitude W_max.The path length L by which the SMA element 20 is stretched is less than or equal to the maximum path amplitude W_max.

Gemäß des Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 10 können Formgedächtnislegierungen, die im superelastischen Bereich in ihrer Form verändert werden, temperaturabhängig gedehnt werden. D. h. die maximale Wegamplitude W_max ist variabel in Abhängigkeit der Temperatur des Übertragungsmediums 30 und/oder des SMA-Elements 20, um eine kritische Belastung zu verhindern oder zumindest zu verringern. Solch eine Belastung kann zu einer Schädigung des SMA-Elements führen, die später zu einem Ausfall, wie z.B. einem Bruch, einem Riss, oder dergleichen führt.According to the method for controlling and/or regulating the thermoelastic energy conversion device 10, shape memory alloys whose shape is changed in the superelastic range can be stretched as a function of temperature. i.e. the maximum path amplitude W_max is variable depending on the temperature of the transmission medium 30 and/or the SMA element 20 in order to prevent or at least reduce a critical load. Such a load may result in damage to the SMA element, which later leads to failure such as a break, a crack, or the like.

Die Temperatur des mindestens einen Übertragungsmediums 30 der Energiewandlungsvorrichtung 10 wird ermittelt indem die Temperatur des Übertragungsmediums 30 gemessen und/oder berechnet wird. Bei einer Vielzahl von Übertragungsmedien 30 kann entweder die Temperatur eines einzelnen Übertragungsmediums 30 gemessen und/oder berechnet werden oder die Temperatur aller Übertragungsmedien 30 wird gemessen und/oder berechnet. Da das Übertragungsmedium 30 mit dem SMA-Element thermisch gekoppelt ist, lässt sich so auf die Temperatur des SMA-Elements schließen.The temperature of the at least one transmission medium 30 of the energy conversion device 10 is determined by measuring and/or calculating the temperature of the transmission medium 30. With a plurality of transmission media 30, either the temperature of a single transmission medium 30 can be measured and/or calculated or the temperature of all transmission media 30 can be measured and/or calculated. Since the transmission medium 30 is thermally coupled to the SMA element, the temperature of the SMA element can be deduced.

Die Temperatur des mindestens einen SMA-Elements 20 der Energiewandlungsvorrichtung 10 wird ermittelt indem die Temperatur des SMA-Elements 20 gemessen und/oder berechnet wird. Bei einer Vielzahl von SMA-Elementen 20 wird entweder die Temperatur eines einzelnen SMA-Elements gemessen und/oder berechnet oder die Temperatur aller SMA-Elemente 20 wird gemessen und/oder berechnet.The temperature of the at least one SMA element 20 of the energy conversion device 10 is determined by measuring and/or calculating the temperature of the SMA element 20. With a large number of SMA elements 20, either the temperature of a single SMA element is measured and/or calculated or the temperature of all SMA elements 20 is measured and/or calculated.

Der elektrische Widerstand des mindestens einen SMA-Elements 20 der Energiewandlungsvorrichtung 10 wird ermittelt indem der elektrische Widerstand des SMA-Elements 20 gemessen wird. Bei einer Vielzahl von SMA-Elementen 20 wird entweder der elektrische Widerstand eines einzelnen SMA-Elements 20 gemessen oder der elektrische Widerstand aller SMA-Elemente 20 wird gemessen. Die Messung wird entweder über die in Reihe oder parallel geschalteten elektrischen Widerstände der SMA-Elemente 20 gemessen.The electrical resistance of the at least one SMA element 20 of the energy conversion device 10 is determined by measuring the electrical resistance of the SMA element 20. With a large number of SMA elements 20, either the electrical resistance of a single SMA element 20 is measured or the electrical resistance of all SMA elements 20 is measured. The measurement is measured either via the electrical resistances of the SMA elements 20 connected in series or in parallel.

Der gemessene elektrische Widerstand des SMA-Elements 20 ist eine Führungsgröße der Phasenumwandlung des SMA-Elements 20. Regelmäßige wiederholte Widerstandsmessungen der SMA-Elemente 20 oder -Bündel können in Verbindung mit der dann aktuellen gemessenen Temperatur genutzt werden, um über Langzeitaufschreibung Veränderungen und Verschleiß des SMA-Elements 20 frühzeitig zu erkennen, da sich der Widerstand in Abhängigkeit der relativen Phasenanteile im Material ändert.The measured electrical resistance of the SMA element 20 is a reference variable for the phase transformation of the SMA element 20. Regular repeated resistance measurements of the SMA elements 20 or bundles can be used in conjunction with the then current measured temperature to record changes and wear of the SMA element 20 over a long period of time SMA-Elements 20 can be recognized early, as the resistance changes depending on the relative phase proportions in the material.

Dementsprechend kann dann eine Anpassung der Betriebsstrategie erfolgen und z.B. die maximale Wegamplitude eingeschränkt werden.Accordingly, the operating strategy can then be adjusted and, for example, the maximum path amplitude can be restricted.

Ein weiterer Aspekt ist, dass im Ruhezustand der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 10, die SMA-Elemente 20 in einen definierten entspannten Zustand versetzt werden. Z.B. bei Maschinenkonzepten, die einen Phasenübergang durch Komprimierung der SMA -Elemente 20 erzeugen, heißt dieser Ruhezustand, dass die SMA-Elemente 20 teil- oder unkomprimiert sind. Bei Maschinenkonzepten die einen Phasenübergang durch Dehnung erzeugen, heißt dieser Ruhezustand, dass die SMA-Elemente 20 teil- oder ungedehnt sind. Analog gilt dies für Torsion und Biegung.Another aspect is that in the resting state of the thermoelastic energy conversion device 10, the SMA elements 20 are placed in a defined relaxed state. For example, in machine concepts that generate a phase transition by compressing the SMA elements 20, this rest state means that the SMA elements 20 are partially or uncompressed. In machine concepts that generate a phase transition through stretching, this resting state means that the SMA elements 20 are partially or unstretched. This applies analogously to torsion and bending.

Hierzu wird ein Betriebszustand der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 10 ermittelt. Wenn der Betriebszustand als abgeschaltet ermittelt ist, dann wird die Beaufschlagungsvorrichtung 12 derart angesteuert, sodass das SMA-Element 20 der Energiewandlungsvorrichtung 10 entspannt wird. Abgeschaltet bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Antrieb 40, der die Beaufschlagungsvorrichtung 12 antreibt z.B. stromlos ist.For this purpose, an operating state of the thermoelastic energy conversion device 10 is determined. If the operating state is determined to be switched off, then the application device 12 is controlled in such a way that the SMA element 20 of the energy conversion device 10 is relaxed. In this context, switched off means that the drive 40, which drives the application device 12, is, for example, de-energized.

Dadurch wird verhindert, dass ein SMA-Element 20, welches sich im gespannten Zustand befindet durch eine Temperaturerhöhung nahe oder über T_D geschädigt wird. Dies kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug durch Sonneneinstrahlung geschehen.This prevents an SMA element 20, which is in the tensioned state, from becoming close to or above due to a temperature increase T_D is damaged. This can happen, for example, in a motor vehicle due to solar radiation.

Ein weiterer regelungs- bzw. und steuerungstechnischer Aspekt ist der Folgende: wenn die maximale Wegamplitude W_max des SMA-Elements 20 eingeschränkt werden muss und oder damit die
Temperaturänderung durch die Phasenumwandlung geringer
ausfällt, geht automatisch auch die abgegebene Leistung der Wärme/Kältemaschine zurück. Dies kann teilweise oder vollständig kompensiert werden, indem die Zykluszeit der Maschine entsprechend reduziert wird. Die Zykluszeit ist der Zeitraum, der sich ergibt zwischen Dehnen und Entspannen bzw. Stauchen und Entspannen und der damit einhergehenden zweifachen Phasenumwandlung des SMA Materials 20.
Another regulatory and control aspect is the following: if the maximum path amplitude W_max of the SMA element 20 must be restricted and/or thus the
Temperature change due to phase transformation is smaller
If the system fails, the output of the heating/cooling machine automatically drops. This can be partially or fully compensated for by reducing the machine cycle time accordingly. The cycle time is the period of time between stretching and relaxation or compression and relaxation and the associated double phase transformation of the SMA material 20.

2 zeigt wie auch 1 eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 10 zum Erwärmen und Abkühlen eines Übertragungsmediums 30 in einer alternativen schematischen Ansicht. Auf eine wiederholte Beschreibung der Energiewandlungsvorrichtung 10 wird an dieser Stelle verzichtet. 2 shows how too 1 a thermoelastic energy conversion device 10 for heating and cooling a transmission medium 30 in an alternative schematic view. A repeated description of the energy conversion device 10 is omitted here.

3 und 4 zeigen einen adiabatischen Kreisprozess für die Wärme- und Kältegenerierung bzw. einen adiabatischen Kreisprozess für eine Wärme-Kraft-Kopplung 3 and 4 show an adiabatic cycle for heat and cold generation or an adiabatic cycle for heat-power coupling

In 3 ist ein adiabatischer Kreisprozess für die Wärme- und Kältegenerierung durch einen Phasenübergang eines SMA-Elements 20 in einem diskontinuierlichen Prozess dargestellt. Ausgehend von einer Phase P1, in der das SMA-Element 20 eine Temperatur T1 hat, wird bei einer adiabatischen elastischen Verformung des SMA-Elements 20 (die elastische Spannung ε nimmt zu) latente Wärme frei, so dass sich das SMA-Element 20 auf eine Temperatur T2 erwärmt. In einer Phase P2 wird bei gleichbleibender Deformation die freigewordene Wärme über eine Wärmesenke abgeleitet, so dass die Temperatur des SMA-Elements 20 auf eine Temperatur T3 abnimmt. In einer Phase P3 wird das SMA-Element 20 wieder adiabatisch entspannt (ε nimmt ab) und nimmt dabei latente Wärme auf, so dass dessen Temperatur abnimmt und nach dem Entspannungsprozess eine Temperatur T4 erreicht wird, wie in der Phase P4 verdeutlicht ist. Durch Aufnahme von Wärme von einer Wärmequelle wird die Temperatur des SMA-Elements 20 wieder auf die Ausgangstemperatur T1 für den Prozess der Phase P1 erhöht.In 3 is an adiabatic cycle for the generation of heat and cold through a phase transition of an SMA element 20 in a discontinuous process. Starting from a phase P1 in which the SMA element 20 has a temperature T1, latent heat is released during an adiabatic elastic deformation of the SMA element 20 (the elastic tension ε increases), so that the SMA element 20 rises heated to a temperature T2. In a phase P2, the heat released is dissipated via a heat sink while the deformation remains constant, so that the temperature of the SMA element 20 decreases to a temperature T3. In a phase P3, the SMA element 20 is relaxed again adiabatically (ε decreases) and thereby absorbs latent heat, so that its temperature decreases and after the relaxation process a temperature T4 is reached, as is illustrated in phase P4. By absorbing heat from a heat source, the temperature of the SMA element 20 is increased back to the initial temperature T1 for the phase P1 process.

In 4 ist ein adiabatischer Kreisprozess für eine Wärme-Kraft-Kopplung durch einen Phasenübergang eines SMA-Elements 20 in einem diskontinuierlichen Prozess dargestellt. Ausgehend von einer Phase K1, in der das SMA-Element 20 von einer Temperatur T1 auf eine Temperatur T2 in langer Konfiguration, gleichbleibender Dehnung ε2, aufgeheizt wird, findet eine Anspannung des SMA-Elements 20 statt. In einer Phase K2 transformiert das SMA-Element 20 von Martensit (lang) zu Austenit (kurz) mit Dehnungsänderung ε1 zu ε2 und übt eine mechanische Kraft auf die Beaufschlagungsvorrichtung 12 aus. In Phase K3 kühlt das Material von T2 in kurzer Konfiguration ε1 auf T1 ab und transformiert vom Austenit in den Martensit. In K4 wird das Material bei gleichbleibender Temperatur T1 von ε1 zu ε2 durch die Beaufschlagungsvorrichtung 12 langgezogen. Die benötigte Kraft ist wesentlich geringer als in K2 an die Beaufschlagungsvorrichtung 12 abgegeben wird.In 4 an adiabatic cycle for a heat-power coupling is shown through a phase transition of an SMA element 20 in a discontinuous process. Starting from a phase K1, in which the SMA element 20 is heated from a temperature T1 to a temperature T2 in a long configuration, constant expansion ε2, the SMA element 20 is tensioned. In a phase K2, the SMA element 20 transforms from martensite (long) to austenite (short) with a change in elongation ε1 to ε2 and exerts a mechanical force on the loading device 12. In phase K3, the material cools from T2 to T1 in a short configuration ε1 and transforms from austenite to martensite. In K4, the material is drawn out from ε1 to ε2 by the loading device 12 at a constant temperature T1. The force required is significantly lower than is delivered to the loading device 12 in K2.

Es ist thermodynamisch sinnvoll zwischen den Belastungs- und Entlastungsphasen Haltephasen vorzusehen, die einen konstanten Belastungsverlauf oder einen Belastungsverlauf mit einem Gradienten, der betragsmäßig sehr gering ist und im Wesentlichen keinen Beitrag zur Wärme oder Kältegenerierung leistet. Mit anderen Worten soll in den Haltephasen der Belastungsverlauf so reduziert sein, dass die Wärmeabgabe von in der vorangehenden Belastungsphase generierten Wärme oder die Wärmeaufnahme von in der vorangehenden Entlastungsphase ohne zusätzliche kalorische Effekte bewirkt werden. Die Haltephase kann entsprechend kurz sein, wenn die vorangegangene Be- und Entlastung so langsam war, dass die Energie aus den latenten Wärmen von dem Medium direkt ohne nennenswerte Verzögerung abgegeben wird. Dies ist insbesondere für isotherm-adiabate Prozesse vorteilhaft.It makes thermodynamic sense to provide holding phases between the loading and unloading phases that have a constant load curve or a load curve with a gradient that is very small in magnitude and essentially makes no contribution to the generation of heat or cold. In other words, in the holding phases, the load progression should be reduced in such a way that the heat release of heat generated in the previous load phase or the heat absorption of the previous relief phase are effected without additional caloric effects. The holding phase can be correspondingly short if the previous loading and unloading was so slow that the energy from the latent heat is released directly from the medium without any significant delay. This is particularly advantageous for isothermal-adiabatic processes.

Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 10 und das Verfahren eine solche thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 10 zu steuern und/oder zu regeln kann in vorteilhafterweise unteranderem im Automobilbereich eingesetzt werden. Durch das Verfahren können negative Effekte auf die Lebensdauer minimiert werden. Temperaturänderungen, welche durch äußere Einflüsse, wie z.B. Sonneneinstrahlung auf ein parkendes Kraftfahrzeug entstehen, können besser berücksichtigt werden. So wird verhindert, dass oberhalb einer kritischen Temperatur die SMA-Elemente 20 überhitzen und beschädigt werden, weil das SMA-Element 20 bereits eine Phasenumwandlung durchgeführt hat und nicht mehr entspannt ist. Auf der anderen Seite kann berücksichtigt werden, dass unterhalb einer kritischen Temperatur keine Phasenumwandlung stattfindet und die Vorrichtung nicht betriebsbereit ist. Dem kann entgegengewirkt werden in dem die Vorrichtung vorgeglüht wird, wie es z.B. bei Dieselmotoren der Fall ist.The thermoelastic energy conversion device 10 and the method of controlling and/or regulating such a thermoelastic energy conversion device 10 can advantageously be used, among other things, in the automotive sector. The process can minimize negative effects on service life. Temperature changes caused by external influences, such as solar radiation on a parked motor vehicle, can be better taken into account. This prevents the SMA elements 20 from overheating and being damaged above a critical temperature because the SMA element 20 has already carried out a phase transformation and is no longer relaxed. On the other hand, it can be taken into account that below a critical temperature no phase transformation takes place and the device is not ready for operation. This can be counteracted by preheating the device, as is the case with diesel engines, for example.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010
Thermoelastische EnergiewandlungsvorrichtungThermoelastic energy conversion device
1111
WandlungseinrichtungConversion facility
1212
Beaufschlagungsvorrichtungloading device
1313
SteuerungsvorrichtungControl device
1515
SchlittenSleds
1717
GehäuseHousing
2020
SMA-ElementSMA element
3030
Übertragungsmediumtransmission medium
4040
Antrieb drive
EE
ErstreckungsrichtungExtension direction
W_maxW_max
maximalen Wegamplitudemaximum path amplitude
LL
Weglängepath length

Claims (10)

Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung (10) zum Erwärmen und Abkühlen eines Übertragungsmediums (30), umfassend: - mindestens eine Wandlungseinrichtung (11), wobei die mindestens eine Wandlungseinrichtung (11) in einer Erstreckungsrichtung (E) mindestens ein SMA-Element (20) aufweist, wobei das mindestens eine SMA-Element (20) mit dem Übertragungsmedium (30) in thermischen Kontakt steht; - eine Beaufschlagungsvorrichtung (12) mit einem Antrieb (40), um das mindestens eine SMA-Elemente (20) mit einem temperaturabhängigen Kraftverlauf zu belasten; - eine Steuerungsvorrichtung (13) zum Steuern und/oder Regeln der Beaufschlagungseinrichtung (12), die die Wandlungseinrichtung (11) bezüglich ihrer Be- und Entlastung steuert und/oder regelt.Thermoelastic energy conversion device (10) for heating and cooling a transmission medium (30), comprising: - at least one conversion device (11), wherein the at least one conversion device (11) has at least one SMA element (20) in an extension direction (E), the at least one SMA element (20) being in thermal contact with the transmission medium (30). contact is established; - an application device (12) with a drive (40) in order to load the at least one SMA element (20) with a temperature-dependent force curve; - a control device (13) for controlling and/or regulating the loading device (12), which controls and/or regulates the conversion device (11) with regard to its loading and unloading. Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsvorrichtung (13) aufweist: - einen Antrieb (40), der ausgebildet ist, um die Beaufschlagungsvorrichtung (12) so anzusteuern, dass die Wandlungseinrichtung (11) temperaturabhängig angesteuert wird, dass das mindestens eine SMA-Element (20) der Wandlungseinrichtung (11) zyklisch be- und entlastet wird und sich dadurch zyklisch erwärmt bzw. abkühlt; - eine Kraftauskopplung, die ausgebildet ist, um mechanische Energie, die der Beaufschlagungsvorrichtung (12) von der Wandlungseinrichtung (11) zugeführt wird, aus der Energiewandlungsvorrichtung (10) auszukoppeln.Thermoelastic energy conversion device (10). Claim 1 , wherein the control device (13) has: - a drive (40) which is designed to control the application device (12) in such a way that the conversion device (11) is controlled in a temperature-dependent manner so that the at least one SMA element (20) of the Conversion device (11) is cyclically loaded and unloaded and thereby heats up or cools down cyclically; - A force coupling which is designed to decouple mechanical energy, which is supplied to the application device (12) by the conversion device (11), from the energy conversion device (10). Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: - die Beaufschlagungseinrichtung (12) einen beweglich angeordneten Schlitten (15) aufweist, der mit einem der Enden des mindestens einen SMA-Elements (20) verbunden ist, - so dass bei einer zyklischen translatorischen Bewegung des Schlittens (15) in Erstreckungsrichtung (E) eine zyklische Be- und Entlastung des mindestens einen SMA-Elements (20) der Wandlungseinrichtung (11) erreicht wird, oder - so dass bei einer thermischen Beaufschlagung des mindestens einen SMA-Elements (20) der Wandlungseinrichtung (11) eine zyklische translatorische Bewegung des Schlittens (15) in Erstreckungsrichtung (E) erreicht wird.Thermoelastic energy conversion device (10). Claim 1 or 2 , wherein: - the loading device (12) has a movably arranged carriage (15) which is connected to one of the ends of the at least one SMA element (20), - so that during a cyclic translational movement of the carriage (15) in the extension direction (E) a cyclic loading and unloading of the at least one SMA element (20) of the conversion device (11) is achieved, or - so that when the at least one SMA element (20) of the conversion device (11) is subjected to thermal loading, a cyclic translational movement of the carriage (15) in the extension direction (E) is achieved. Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung (10), wobei das Verfahren aufweist: - Ermitteln mindestens eines der Systemzustände: - eine Temperatur von mindestens einem Übertragungsmedium (30) der Energiewandlungsvorrichtung (10), und/oder - eine Temperatur von mindestens einem SMA-Element (20) der Energiewandlungsvorrichtung (10), und/oder - einem elektrischen Widerstand des mindestens einen SMA-Elements (20), - Ermitteln einer maximalen Wegamplitude (W_max), die in einer Beaufschlagungsvorrichtung (12) der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung (10) verwendet wird, in Abhängigkeit von dem mindestens einen ermittelten Systemzustand, - Steuern und/oder Regeln eines Antriebs (40) der Beaufschlagungsvorrichtung (12), sodass das SMA-Element (20) um eine Weglänge (L) gedehnt wird bei der die Weglänge (L) kleiner gleich der maximalen Wegamplitude (W_max) ist.Method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device (10), the method comprising: - Determine at least one of the system states: - a temperature of at least one transmission medium (30) of the energy conversion device (10), and/or - a temperature of at least one SMA element (20) of the energy conversion device (10), and/or - an electrical resistance of the at least one SMA element (20), - Determining a maximum path amplitude (W_max), which is used in an application device (12) of the thermoelastic energy conversion device (10), depending on the at least one determined system state, - Controlling and/or regulating a drive (40) of the application device (12) so that the SMA element (20) is stretched by a path length (L) in which the path length (L) is less than or equal to the maximum path amplitude (W_max). Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Ermitteln der Temperatur des mindestens einen Übertragungsmediums (30) aufweist: - Messen und/oder Errechnen der Temperatur des mindestens einen Übertragungsmediums (30).Procedure according to Claim 4 , in which determining the temperature of the at least one transmission medium (30) comprises: - measuring and/or calculating the temperature of the at least one transmission medium (30). Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Ermitteln der Temperatur von dem mindestens einem SMA-Element (20) aufweist: - Messen und/oder Errechnen der Temperaturen des mindestens einen SMA-Elements (20).Procedure according to Claim 4 or 5 , in which determining the temperature of the at least one SMA element (20) comprises: - measuring and/or calculating the temperatures of the at least one SMA element (20). Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem das Ermitteln des elektrischen Widerstands des mindestens einen SMA-Elements (20) aufweist: - Messen des elektrischen Widerstands des mindestens einen SMA-Elements (20).Procedure according to one of the Claims 4 until 6 , in which determining the electrical resistance of the at least one SMA element (20) comprises: - measuring the electrical resistance of the at least one SMA element (20). Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl von SMA-Elementen (20) aufweist, bei dem das Ermitteln des elektrischen Widerstands des mindestens einen SMA-Elements (20) aufweist: - Messen des elektrischen Widerstands aller SMA-Elemente (20) gemeinsam über eine Reihenschaltung.Procedure according to Claim 7 , wherein the device has a plurality of SMA elements (20), in which determining the electrical resistance of the at least one SMA element (20) comprises: - Measuring the electrical resistance of all SMA elements (20) together via a series connection. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl von SMA-Elementen (20) aufweist, bei dem das Ermitteln des elektrischen Widerstands des mindestens einen SMA-Elements (20) aufweist: - Messen des elektrischen Widerstands aller SMA-Elemente (20) gemeinsam über eine Parallelschaltung.Procedure according to Claim 7 , wherein the device has a plurality of SMA elements (20), in which determining the electrical resistance of the at least one SMA element (20) comprises: - measuring the electrical resistance of all SMA elements (20) together via a parallel connection. Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 4 bis 9, aufweisend: - Ermitteln eines Betriebszustand, und wenn der Betriebszustand als abgeschaltet ermittelt ist: - Steuern der Beaufschlagungsvorrichtung (12), sodass das SMA-Element (20) entspannt ist.Method according to one of the claims Claim 4 until 9 , comprising: - Determining an operating state, and if the operating state is determined to be switched off: - Controlling the application device (12) so that the SMA element (20) is relaxed.
DE102022206830.0A 2022-07-05 2022-07-05 Thermoelastic energy conversion device and method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device Pending DE102022206830A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022206830.0A DE102022206830A1 (en) 2022-07-05 2022-07-05 Thermoelastic energy conversion device and method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device
PCT/DE2023/200133 WO2024008249A1 (en) 2022-07-05 2023-06-30 Thermoelastic energy conversion device and method for the open-loop and/or closed-loop control of a thermoelastic energy conversion device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022206830.0A DE102022206830A1 (en) 2022-07-05 2022-07-05 Thermoelastic energy conversion device and method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022206830A1 true DE102022206830A1 (en) 2024-01-11

Family

ID=87202161

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022206830.0A Pending DE102022206830A1 (en) 2022-07-05 2022-07-05 Thermoelastic energy conversion device and method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022206830A1 (en)
WO (1) WO2024008249A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010051980A1 (en) 2009-11-20 2011-07-21 GM Global Technology Operations LLC, ( n. d. Ges. d. Staates Delaware ), Mich. Method for starting a heat engine
DE102019113696A1 (en) 2019-05-22 2020-11-26 Universität des Saarlandes Solid-state energy converter, heating / cooling device with such an energy converter as well as method for operating a heating / cooling device
WO2021023688A1 (en) 2019-08-02 2021-02-11 Exergyn Ltd. System and method for work recovery in a heat pump
WO2021156298A1 (en) 2020-02-06 2021-08-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Method for the stabilisation and/or open-loop and/or closed-loop control of a working temperature, heat exchanger unit, device for transporting energy, refrigerating machine and heat pump
DE102021207995A1 (en) 2021-07-26 2023-01-26 Continental Automotive Technologies GmbH Thermoelastic energy conversion device for heating and cooling a medium

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61252873A (en) * 1985-04-30 1986-11-10 Mitsubishi Electric Corp Swash-plate type thermally driven engine
DE102019133477B4 (en) * 2019-12-09 2022-09-15 Volkswagen Aktiengesellschaft Energy conversion device for use in a vehicle

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010051980A1 (en) 2009-11-20 2011-07-21 GM Global Technology Operations LLC, ( n. d. Ges. d. Staates Delaware ), Mich. Method for starting a heat engine
DE102019113696A1 (en) 2019-05-22 2020-11-26 Universität des Saarlandes Solid-state energy converter, heating / cooling device with such an energy converter as well as method for operating a heating / cooling device
WO2021023688A1 (en) 2019-08-02 2021-02-11 Exergyn Ltd. System and method for work recovery in a heat pump
WO2021156298A1 (en) 2020-02-06 2021-08-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Method for the stabilisation and/or open-loop and/or closed-loop control of a working temperature, heat exchanger unit, device for transporting energy, refrigerating machine and heat pump
DE102021207995A1 (en) 2021-07-26 2023-01-26 Continental Automotive Technologies GmbH Thermoelastic energy conversion device for heating and cooling a medium

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024008249A1 (en) 2024-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012211499B4 (en) Apparatus for controlling a phase change temperature of a shape memory alloy
DE102012007053B4 (en) Method for operating an internal combustion engine and an internal combustion engine
WO2020234235A1 (en) Solid-body-based energy converter, heating/cooling apparatus comprising such an energy converter, and method for operating a heating/cooling apparatus
DE102010051980B4 (en) Method for starting a heat engine
DE102010051801B4 (en) Vehicle energy harvesting device with a continuous loop made of shape memory alloy
DE60218783T2 (en) Shape memory alloy and method of designing such an alloy
EP4139572A1 (en) Energy converter having a thermoelastic converter arrangement and method for producing a thermoelastic converter arrangement for an energy converter
EP2865022B1 (en) Thermoelectric module with heat exchanger
DE102022206830A1 (en) Thermoelastic energy conversion device and method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device
DE102020118363B3 (en) Device for using thermal energy with a shape memory material
DE102015001662A1 (en) Internal combustion engine, method for operating the same and control device for carrying out the method
WO2020007384A1 (en) Brake having a wedge gear and mechanical energy store, and method for the operation thereof
EP2425101A2 (en) Heat recovery device and operating method
EP1278958B1 (en) Bistable shape memory polymer composite
DE102012222082B4 (en) Device and method for waste heat utilization of an internal combustion engine
DE102007006146B4 (en) Heating or cooling circuit
DE102019211888A1 (en) Device for heat exchange
Gayda et al. The effect of cryogenic cooling on the tensile properties of metal-matrix composites
DE102010031554A1 (en) Combustion engine for vehicle, has thermoelectric generator whose hot side is arranged at exhaust line of engine, and refrigerant circuit arranged at cold side of thermoelectric generator, where thermostat is provided in refrigerant circuit
DE102022206212A1 (en) Thermoelastic energy converter system, method for operating such an energy converter system, and use of such an energy converter system as a cooling/heating device
DE102004021412A1 (en) Apparatus and method for exciting a torsional vibration in a rotating drive train
DE2732132A1 (en) Heat producing system using water or air as source - permits all year use of heat pump, without additional heating
DE102010051982A1 (en) Vehicle energy recovery device with a continuous loop of shape memory alloy material
DE102022205876A1 (en) Elastocaloric heat pump, motor vehicle with an elastocaloric heat pump and method for operating an elastocaloric heat pump
DE102010051441B4 (en) Method for controlling a system for obtaining thermal energy

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: F25B0021000000

Ipc: F25B0023000000

R016 Response to examination communication
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: CONTINENTAL AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: CONTINENTAL AUTOMOTIVE TECHNOLOGIES GMBH, 30165 HANNOVER, DE