DE102022206830A1 - Thermoelastic energy conversion device and method for controlling and/or regulating a thermoelastic energy conversion device - Google Patents
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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
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
- 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.
-
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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 30der Energiewandlungsvorrichtung 10 - - Eine Temperatur des mindestens einen SMA-
Elements 20der Energiewandlungsvorrichtung 10 - - Einem elektrischen Widerstand des mindestens einen SMA-
Elements 20.
- - A temperature of the at least one
transmission medium 30 of theenergy conversion device 10 - - A temperature of the at least one
SMA element 20 of theenergy 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
In
In
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
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)
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- 2023-06-30 WO PCT/DE2023/200133 patent/WO2024008249A1/en unknown
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