DE1288363B - Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Waermeenergie in mechanische Energie - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Waermeenergie in mechanische Energie

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DE1288363B DEB91848A DEB0091848A DE1288363B DE 1288363 B DE1288363 B DE 1288363B DE B91848 A DEB91848 A DE B91848A DE B0091848 A DEB0091848 A DE B0091848A DE 1288363 B DE1288363 B DE 1288363B
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie.
Eine der gebräuchlichsten Einrichtungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ist bisher der Bimetallstreifen, -bügel od. dgl, bei dem zwei Metalle mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten miteinander verbunden sind. Obwohl der Bimetallstreifen die thermomechanische Umwandlung wirkungsvoll zu bewerkstelligen scheint, hat er dennoch bestimmte offenkundige Nachteile, deren schwerwiegendste die begrenzte mechanische Verformung pro Grad Temperaturänderung, die sehr niedrige Nutzenergie, welche zur Arbeit herangezogen werden kann, und die lineare Änderung der mechanischen Verformung mit der Änderung der Temperatur sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie zu schaffen.
Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß ein Körper aus einer als Arbeitssubstanz dienenden Legierung mit etwa 53,5 bis 56,5 Gewichtsprozent Nickel, wobei der Rest im wesentlichen Titan ist, unterhalb der kritischen Temperatur dieser Legierung deformiert und danach auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur der Legierung erhitzt wird und daß die oberhalb dieser kritischen Temperatur auftretende, der anfänglichen Deformation entgegengesetzte Verformung des Körpers zur Erzeugung von mechanischer Energie herangezogen wird.
Die vorliegende Erfindung macht von dem überraschenden Effekt Gebrauch, daß bei Titan-Nickel-Legierungen bestimmter Zusammensetzung durch mechanische Deformation ein martensitischer Übergang bewirkt werden kann. Die höchste Temperatur, bei der dieser Übergang noch eintritt, wird als kritische Temperatur bezeichnet. Einige typische Legierungszusammensetzungen und die dazugehörenden angenäherten kritischen Temperaturen, welche aus einer Dämpfungssprungkurve ermittelt wurden, sind in folgender Tabelle zusammengestellt:
Zusammensetzung
der Legierung		 Kritische Temperatur
%Ni 0C
53,5 98
54,0 140
54,5 170
55,0 140
55,5 30
56,0 -25
56,5 -50
Der martensitische Übergang wird erzielt, indem man die TiNi-Legierung unterhalb der kritischen Temperatur deformiert, wobei bei dieser Umwandlung wegen der dabei stattfindenden Änderung innerhalb des Gitterauf baus Wärme frei wird. Es wurde gefunden, daß, falls man die TiNi-Legierung in diesem deformierten Zustand nunmehr über ihre kritische Temperatur erhitzt, dieselbe sich in eine der Deformationsrichtung entgegengesetzte Richtung verformt und dabei im allgemeinen seine ursprüngliche Gestalt wieder annimmt und daß die TiNi-Legierung in der Lage ist, während dieser Verformung Nutzarbeit zu leisten. Besonders vorteilhaft ist, daß zur Deformation eines aus einer Titan-Nickel-Legierung bestehenden Körpers unterhalb der kritischen Temperatur eine relativ geringe mechanische Arbeit aufgewendet werden muß, wohingegen der deformierte Körper, falls er auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur erhitzt wild, seine ursprüngliche Gestalt wieder annimmt und dabei eine mechanische Arbeit leisten kann, die größer ίο ist als die anfänglich zu seiner Deformation aufgewandte mechanische Arbeit.
Bei Verwendung einer Legierung mit etwa 53,5 bis etwa 55,5 Gewichtsprozent Nickel liegt die kritische Temperatur oberhalb der Zimmertemperatur, während bei Verwendung einer Legierung von etwa 56,0 bis etwa 56,5 Gewichtsprozent Nickel die kritische Temperatur unterhalb der Zimmertemperatur liegt. Es besteht somit die Möglichkeit, durch entsprechende Wahl des Nickelgehaltes der Legierung die kritische Temperatur dem Anwendungszweck anzupassen, wodurch eine vielseitige Anwendung ermöglicht wird. Eine Legierung mit 56,0 bis 56,5 Gewichtsprozent Nickel, deren kritische Temperatur unterhalb der Zimmertemperatur liegt, wird vorteilhaft für Bauteile verwendet, die bei Zimmertemperatur große Festigkeit und Härte aufweisen müssen.
Die Nutzarbeit kann in Form von Dreharbeit gewonnen werden, wenn man die Legierung durch Tordieren deformiert. Der Körper kann aber auch durch Zusammenpressen oder Biegen deformiert werden.
Eine reversible Arbeitsweise kann erhalten werden, wenn man einen aus der Legierung bestehenden Körper in einem ersten Abschnitt bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur der Legierung tordiert und an gegenüberliegenden Enden einspannt, sodann diesen ersten Abschnitt auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur der Legierung erhitzt, während der Körper in einem zweiten Abschnitt unterhalb der kritischen Temperatur gehalten wird, wobei durch die durch die Erhitzung des ersten Abschnitts über die kritische Temperatur bewirkte Verformung die Torsion des ersten Abschnitts weitgehend aufgehoben und der zweite Abschnitt tordiert wird, und daß man danach den zweiten Abschnitt über die kritische Temperatur der Legierung erhitzt, während der erste Abschnitt unter dieser kritischen Temperatur gehalten wird, wobei durch die durch die Erhitzung des zweiten Abschnitts bewirkte Verformung die Torsion des zweiten Abschnitts weitgehend aufgehoben und der erste Abschnitt tordiert wird. Diese reversible Arbeitsweise ist nicht auf Torsionsverformungen beschränkt. Sie kann ganz allgemein erreicht werden, wenn man zwei Bauteile aus der TiNi-Legierung starr koppelt, deren eines undeformiert ist und deren anderes unterhalb der kritischen Temperatur deformiert wurde und die abwechselnd einzeln über die kritische Temperatur erhitzt werden, wobei das nicht erhitzte Bauteil jeweils unter der kritischen Temperatur gehalten wird.
Durch die reversible Bewegung der TiNi-Bauteile können die Kontakte eines Schalters geöffnet und geschlossen werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Legierung mit etwa 53,5 bis 56,5 Gewichtsprozent Nickel, wobei der Rest im wesentlichen Titan ist, bestehender, unterhalb der kritischen Temperatur dieser Legierung deformierter Körper mit einer zu

Claims (9)

  1. 3 4
    betätigenden Einrichtung derart verbunden ist, daß er gezeigt, welches zwischen zwei feststehenden Pfosten 35
    disse bei seiner Erhitzung über die kritische Tempe- und 36 eingespannt ist und einen geraden Bereich 33
    ratur der Legierung betätigt. Die zu betätigende Ein- sowie einen unterhalb der kritischen Temperatur tor-
    richtung kann z. B. ein Schalter oder ein Drehventil dierten Bereich 34 aufweist sowie einen Zeiger 32,
    sein. Im letzteren Fall kann der aus der Legierung be- 5 welcher zwischen den beiden Bereichen angeordnet ist
    stehende Körper durch Tordieren deformiert werden, und Rotationsbewegungen anzeigen soll. Zur Erzielung
    wobei eine Erhitzung des Körpers über die kritische einer reversiblen Arbeitsweise wird der Bereich 34 über
    Temperatur der Legierung eine Drehung des Ventils die kritische Temperatur der Legierung erhitzt, wäh-
    zur Folge hat. rend der Bereich 33 unterhalb der kritischen Tempe-
    Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer io ratur belassen wird, wodurch der Bereich 34 gestreckt,
    schematischen Zeichnung an Ausführungsbeispielen der Zeiger 32 in einer vorbestimmten Richtung gedreht
    näher erläutert. und der Bereich 33 tordiert wird. Durch Umkehrung
    In der F i g. 1 (Bild a) ist ein Band einer TiNi-Legie- der oben beschriebenen Prozedur, nämlich Erhitzen rung gezeigt, welche eine über der Zimmertemperatur des Bereichs 33 über die kritische Temperatur, während liegende kritische Temperatur aufweist, wobei das i5 der nun gestreckte Bereich 34 unterhalb der kritischen Band bei Zimmertemperatur um die Strecke Z unter Temperatur belassen wird, wird der Zeiger 32 in eine dem Einfluß des Gewichtes W1 abgebogen wurde. Ein der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung gezweites Gewicht W2 (Bild b) wird hinzugefügt, während dreht, der Bereich 34 wieder tordiert und der Bereich 33 die Auslenkung Z beibehalten wird, worauf dann die gestreckt. Dieses Verfahren zur reversiblen Umwand-TiNi-Legierung über ihre kritische Temperatur aufge- so lung von Wärmeenergie in mechanische Energie kann heizt wird (Bild c), wobei die Legierung bei der kriti- z. B. verwendet werden, um einen Schalter fernzusehen Temperatur im wesentlichen zu ihrer Ursprung- steuern. Durch eine sorgfältige Handhabung des Auflichen Nullauslenkung zurückkehrt. Die Menge an heizens der Bereiche 33 und 34 kann das Element 32, Nutzarbeit (W1Z + W2Z), welche dadurch bereitge- welches in der F i g. 3 als ein Zeiger dargestellt ist, zur stellt wird, ist größer als die Arbeit (W1Z), welche auf- 25 Öffnung und Schließung der Kontakte eines Schalters gewendet wurde, um die Deformierung zu bewirken; verwendet werden.
    die TiNi-Legierung ist daher ein besonders wirksames Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung
    Mittel zur Umwandlung von Wärmeenergie in mecha- gegenüber Bimetallstreifen beruht darauf, daß pro
    nische Energie. Gewichtseinheit des Metalls mehr Nutzarbeit zur Ver-
    Da die Fähigkeit einer speziellen TiNi-Legierung zur 30 fügung steht. Diese Eigenschaft kann man sich nutzbar Erzeugung von Nutzarbeit von einer Auslösetempe- machen, indem man vorgefertigte Bauteile aus der ratur (kritische Temperatur) abhängt und da keinerlei TiNi-Legierung anfertigt; z. B. kann ein Bauteil aus der Bewegung oder Nutzarbeit auftritt, ehe diese Tempe- TiNi-Legierung unterhalb dessen kritischer Temperatur erreicht ist, kann die TiNi-Legierung als eine ratur zusammengepreßt, dann zu seinem Bestimmungstemperaturempfindliche Schalteinrichtung verwendet 35 ort transportiert werden und danach über seine kritiwerden. So ist z. B. in F i g. 2 eine Rohrleitung 11 mit sehe Temperatur erhitzt werden, wobei das Bauteil nun einem Ventilsitz 12 gezeigt, in dem ein Ventil 13 (in ge- seine ursprüngliche Gestalt annimmt. Für diesen Zweck schlossener Stellung dargestellt) mit einer Bohrung 15 eignet sich am besten eine TiNi-Legierung, deren kriti- und mit einer Ventilspindel 14 eingesetzt ist. Die Ventil- sehe Temperatur unterhalb der Zimmertemperatur spindel 14 ist mit einem TiNi-Fühler 16 starr verbun- 40 liegt (56,0 bis 56,5 Gewichtsprozent Ni), da diese den, welcher unterhalb seiner kritischen Temperatur Legierungen bei Temperaturen, welche höher als ihre in einer solchen Richtung tordiert wurde, daß eine kritische Temperatur sind, bessere Baueigenschaften Streckung des Fühlers eine Drehung des Ventils in die aufweisen. Bei Verwendung solcher Legierungen muß offene Stellung bewirkt. Der Fühler 16 ist mit einem man natürlich das Bauteil bei niedrigen Temperaturen Block 17 verbunden, welcher einen Vorsprung 18 auf- 45 zusammenpressen und transportieren und danach auf weist, der in einer Keilnut 21 eines Führungskörpers 22 höhere Temperaturen, z. B. auf Zimmertemperaturen, geführt ist und einerseits eine Drehung des Blocks 17 bringen, um seine ursprüngliche Gestalt wiederherzuverhindert und andererseits eine Vertikalbewagung stellen.
    desselben zuläßt. Sobald der TiNi-Fühler 16 über seine Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung bekritische Temperatur erhitzt wird, verdreht er sich in so ruht darauf, daß die TiNi-Legierung eine ziemlich einer Richtung, welche derjenigen Richtung entgegen- scharf definierte Auslösetemperatur besitzt und daher gesetzt ist, in welcher er tordiert wurde, wodurch das ein Minimum an Wärmemenge erfordert, um eine beVentil 13 seinerseits im Ventilsitz 12 in die geöffnete trächtliche Nutzarbeit zu leisten — im Gegensatz zum Stellung gedreht wird und den Flüssigkeitsdurchfluß Bimetall, welches linear mit der Temperaturänderung durch die Rohrleitung 11 ermöglicht. Es ist ersichtlich, 55 arbeitet, und eine erhebliche Wärmemenge erfordert, daß eine derartige Einrichtung eine große Zahl von um eine Verformung und eine Arbeitsleistung zu erVerwendungsmöglichkeiten in sich birgt. Sie kann z. B. geben.
    als Steuerelement für eine Beregnungs- oder Beriese- Patentansprüche·
    lungsanlage dienen, wobei die Zusammensetzung der
    TiNi-Legierung derart gewählt ist, daß ihre kritische 60 1. Verfahren zur Umwandlung von Wärme-Temperatur der Temperatur entspricht, bei welcher die energie in mechanische Energie, dadurch g e Betätigung der Vorrichtung erfolgen soll. kennzeichnet, daß ein Körper aus einer als
    Die besonderen Eigenschaften der TiNi-Legierung Arbeitssubstanz dienenden Legierung mit etwa
    können ferner durch sorgfältige Handhabung der 53,5 bis 56,5 Gewichtsprozent Nickel, wobei der
    martensitischen Übergangsfaktoren zur Schaffung 65 Rest im wesentlichen Titan ist, unterhalb der
    eines reversiblen Verfahrens bei der Umwandlung von kritischen Temperatur dieser Legierung deformiert
    Wärmeenergie in mechanische Energie verwendet wer- und danach auf eine Temperatur oberhalb der
    den. In F i g. 3 ist ein Band 31 einer TiNi-Legierung kritischen Temperatur der Legierung erhitzt wird
    und daß die oberhalb dieser kritischen Temperatur auftretende, der anfänglichen Deformation entgegengesetzte Verformung des Körpers zur Erzeugung von mechanischer Energie herangezogen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Legierung so gewählt wird, daß ihre kritische Temperatur oberhalb der Zimmertemperatur liegt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Legierung so gewählt wird, daß ihre kritische Temperatur unterhalb der Zimmertemperatur liegt.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch *5 Tordieren deformiert wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch Zusammenpressen oder Biegen deformiert wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 4, ao dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzielung einer reversiblen Arbeitsweise einen aus der Legierung bestehenden Körper in einem ersten Abschnitt bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur der Legierung tordiert und an gegenüberliegenden Enden einspannt, sodann diesen ersten Abschnitt auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur der Legierung erhitzt, während der Körper in einem zweiten Abschnitt unterhalb der kritischen Temperatur gehalten wird, wobei durch die durch die Erhitzung des ersten Abschnitts über die kritische Temperatur bewirkte Verformung die Torsion des ersten Abschnitts weitgehend aufgehoben und der zweite Abschnitt tordiert wird, und daß man danach den zweiten Abschnitt über die kritische Temperatur der Legierung erhitzt, während der erste Abschnitt unter dieser kritischen Temperatur gehalten wird, wobei durch die durch die Erhitzung des zweiten Abschnitts bewirkte Verformung die Torsion des zweiten Abschnitts weitgehend aufgehoben und der erste Abschnitt tordiert wird.
  7. 7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Legierung mit etwa 53,5 bis 56,5 Gewichtsprozent Nickel, wobei der Rest im wesentlichen Titan ist, bestehender, unterhalb der kritischen Temperatur dieser Legierung deformierter Körper (16,31) mit einer zu betätigenden Einrichtung (13, 32) derart verbunden ist, daß er diese bei seiner Erhitzung über die kritische Temperatur der Legierung betätigt.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung dieser Vorrichtung für die Betätigung eines Schalters.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung dieser Vorrichtung zur Betätigung eines Drehventils (13).
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DEB91848A 1966-04-05 1967-03-30 Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung von Waermeenergie in mechanische Energie Withdrawn DE1288363B (de)

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