DE202023100127U1 - Electricity and heat generation using so-called shape memory alloys by using the ambient temperature - Google Patents
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Abstract
Strom- und Wärmeerzeugung unter Verwendung von sog. Formgedächtnis-Legierungen durch Nutzung der Umgebungstemperatur, dadurch gekennzeichnet, dass durch Formgedächtnis-Legierungen oberhalb der Transformationstemperatur Gase komprimiert werden. Electricity and heat generation using so-called shape memory alloys by using the ambient temperature, characterized in that gases are compressed by shape memory alloys above the transformation temperature.
Description
Formgedächtnis-Legierungen (auch Memorymetalle oder Formgedächtnismetalle) sind seit längerer Zeit bekannt. Dies sind meistens Metalle bzw. Legierungen, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen vorliegen können. Die Standardform wird bei sehr hohen Temperaturen erzeugt. Nach Verformung wird die ursprüngliche Form oberhalb der Transformationstemperatur wieder eingenommen. Die Grundform wird auch gegen einen deutlichen mechanischen Widerstand eingenommen.Shape memory alloys (also memory metals or shape memory metals) have been known for a long time. These are mostly metals or alloys that can exist in two different crystal structures. The standard form is produced at very high temperatures. After deformation, the original shape is resumed above the transformation temperature. The basic form is also taken against a clear mechanical resistance.
Einer der bekanntesten Vertreter dieser Legierungen ist das Nitinol, das 1958 hergestellt wurde. Dabei ist der Name Nitinol ein Akronym aus den Metallen und dem Ort des Labors: Nickel Titan Naval Ordnance Laboratory.One of the best-known representatives of these alloys is Nitinol, which was manufactured in 1958. The name Nitinol is an acronym of the metals and the location of the laboratory: Nickel Titan Naval Ordnance Laboratory.
Weitere „Gedächtnismaterialien“ sind z.B. aus Kupfer-Zink-(ggf. mit Aluminium)-Legierungen, Kupfer-Aluminium und Nickel, Eisen-Nickel und Aluminium, usw. sowie inzwischen auch aus Kunststoffen.Other "memory materials" are, for example, made of copper-zinc (possibly with aluminium) alloys, copper-aluminium and nickel, iron-nickel and aluminium, etc. and now also made of plastics.
Die Produktion von z.B. Nitinol ist z.Zt. noch recht teuer und aufwendig, da ein Vakuum benötigt wird und hohe Reinheit erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Wirkungsgrad mit z.B. 16% noch recht gering ist. Zudem wird zur Stromerzeugung - wie üblich - eine Temperaturdifferenz benötigt. Die Umgebungsluft bei z.B. etwa 10° Celsius (283 Kelvin) hat aber einen meistens unterschätzten Energieinhalt und ist unbegrenzt verfügbar.The production of e.g. Nitinol is currently still quite expensive and complex, since a vacuum is required and high purity is required. Another disadvantage is that the efficiency of e.g. 16% is still quite low. In addition, to generate electricity - as usual - a temperature difference is required. However, the ambient air at e.g. about 10° Celsius (283 Kelvin) has an energy content that is usually underestimated and is available in unlimited quantities.
Es ist ebenfalls lange bekannt, dass Gase, die komprimiert werden, eine Temperaturerhöhung erfahren. Je nach Druck und stoffspezifischem Adiabatenexponent kann mit einem überschaubaren Energieaufwand die nötige Temperaturdifferenz zwischen dem komprimierten Gas und der Umgebungsluft erzeugt werden, die die Formgedächtnis-Legierungen benötigen.It has also long been known that gases that are compressed experience an increase in temperature. Depending on the pressure and the material-specific adiabatic exponent, the necessary temperature difference between the compressed gas and the ambient air, which the shape memory alloys require, can be generated with a manageable amount of energy.
Eine derartige Strom- oder Wärmeerzeugung ist von der Tages- und Jahreszeit unabhängig. Solarzellen / Photovoltaik und Windkraftwerke sind wohl nachhaltig und regenerativ aber nicht immer verfügbar.Such power or heat generation is independent of the time of day and year. Solar cells / photovoltaics and wind power plants are probably sustainable and regenerative but not always available.
Das Ziel ist eine dezentrale Stromerzeugung, die keine störende Infrastruktur hat, keine Neubauten erforderlich macht und geringe Umweltbelastungen verursacht. Statt extrem komplexer Fusionskraftwerke oder anderen Großkraftwerken sollten lokale Alternativen genutzt werden. Es gibt viele weitere Gründe warum lokal erzeugte Energie besser ist als Großkraftwerke.The goal is decentralized power generation that does not have any disruptive infrastructure, does not require new buildings and causes little environmental pollution. Local alternatives should be used instead of extremely complex fusion power plants or other large power plants. There are many other reasons why locally generated energy is better than large-scale power plants.
Meine Erfindung basiert auf der Weiterentwicklung von Maschinen mit Formgedächtnis-Legierungen, die Tag und Nacht Strom und Wärme erzeugen.My invention is based on the advancement of machines with shape memory alloys that generate electricity and heat day and night.
Es existieren einige an die Erfindung angelehnte Lösungen, z.B.:
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US000004325217A -
US000004434618A -
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US000004938026A -
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US020060144048A1 -
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WO001986004960A1 -
WO002000072783A1 -
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Die vorhandenen Lösungen erfüllen ihre den Umständen entsprechende Funktion bzw. sind noch in der Entwicklung haben aber nicht die Möglichkeiten der o.g. Erfindung.The existing solutions fulfill their function according to the circumstances or are still under development but do not have the possibilities of the above invention.
Eine allseits platzierbare Lösung ist gewünscht und die im Schutzanspruch 1 angegebene Erfindung der Strom- und Wärmeerzeugung unter Verwendung von sog. Formgedächtnis-Legierungen durch Nutzung der Umgebungstemperatur, erfüllt diese Anforderungen.A solution that can be placed anywhere is desired and the invention of power and heat generation specified in protection claim 1 using so-called shape memory alloys by using the ambient temperature meets these requirements.
Ein Ausführungsbeispiel:
- In
1 ist (nach Schutzanspruch 2) eine Maschine mit zwei miteinanderverbundenen Kolben 3 dargestellt (über 6 verbunden), die sich parallel nach links und rechts bewegen. Zwei Nitinol Hohlfedern (1 und 2) sind mit der Trennwand und den Kolben verbunden. An den Enden der beiden Hohlfedern sind jeweilsarbeitszyklusgesteuerte Ventile 4, die in der Trennwand und in beiden Kolben installiert sind. Das Nitinol hat eine niedrige Transformationstemperatur von z.B. 45° Celsius. Die Ventile lassen abwechselnd warmes Gas (z.B. Luft), das deutlich wärmer als die Transformationstemperatur ist, oder eine Flüssigkeit bzw. kaltes Gas (z.B. Umgebungsluft oder eine Flüssigkeit mit der gleichen Temperatur) in die Hohlfedern. Bei warmem Medium verkürzen sich mit großer Kraft die Hohlfedern, bei kaltem Medium kann die Hohlfeder durch die Verbindung mit dem anderen Kolben mit geringer Kraft in die Länge gezogen werden.
- In
1 is (according to protection claim 2) a machine with twointerconnected Pistons 3 shown (connected via 6) moving left and right in parallel. Two nitinol hollow springs (1 and 2) are connected to the bulkhead and pistons. At the ends of the two hollow springs are duty cycle controlledvalves 4 installed in the bulkhead and in both pistons. The nitinol has a low transformation temperature of eg 45° Celsius. The valves alternately let warm gas (eg air) that is significantly warmer than the transformation temperature or a liquid or cold gas (eg ambient air or a liquid with the same temperature) into the hollow springs. When the medium is warm, the hollow springs shorten with great force; when the medium is cold, the hollow spring can be lengthened with little force due to the connection with the other piston.
Durch die Arbeit der verbundenen Kolben kann ein Generator angetrieben und dadurch Strom produziert werden. Dieser Strom kann wiederum eine Wärmepumpe betreiben, die für Heizungswärme sorgt.The work of the connected pistons can drive a generator and thereby produce electricity. This electricity can in turn operate a heat pump, which provides heating.
Mögliche Optionen sind:
Wie im Schutzanspruch 3 dargestellt sind verschiedene Formgedächtnismaterialien incl. Kunststoffe möglich.
- As shown in
claim 3, various shape-memory materials, including plastics, are possible.
Mehrere Federn und / oder eine Zahnstange sind nach Schutzanspruch 4 denkbar.Several springs and/or a toothed rack are conceivable according to
Wie im Schutzanspruch 5 dargestellt ist eine Kombination mit einem Schwungrad eine Option.As shown in
Zur schwerpunktmäßigen Wärmeerzeugung wird (nach Schutzanspruch 6) nur die gerade notwendige Wärme des komprimierten Gases für die Formgedächtnis-Legierungen verwandt und der Rest der Wärme über einen Wärmetauscher direkt an eine Heizung abgeführt. Bei Druckentlastung wird die Luft bzw. Flüssigkeit kalt und die Formgedächtnisfeder kann ohne große Kraft verlängert werden.For the main heat generation (according to protection claim 6) only the necessary heat of the compressed gas for the shape memory alloys is used and the rest of the heat is dissipated directly to a heater via a heat exchanger. When the pressure is released, the air or liquid becomes cold and the shape memory spring can be extended without great force.
Wie im Schutzanspruch 7 dargestellt kann die Maschine mit vielen Kolben versehen und außerdem längerer Wärmetauscherexposition betrieben werden.As set out in
Zwei Federn werden (nach Schutzanspruch 8) kombiniert: eine Feder optimiert für den Generatorantrieb, die zweite Feder optimiert für die Wärmeerzeugung.Two springs are combined (according to protection claim 8): one spring optimized for the generator drive, the second spring optimized for heat generation.
Wie im Schutzanspruch 9 dargestellt können kalte oder heiße magnetische Flüssigkeiten genutzt werden, so dass durch einen Magnet der Mediumwechsel schneller erfolgen kann. Am Ende der Arbeitskammer ist nach Schutzanspruch 10 eine kleinere Aussparung, in die nur die Feder und nicht der ganze Kolben passt.As described in claim 9, cold or hot magnetic liquids can be used, so that a magnet can be used to change the medium more quickly. According to protection claim 10, at the end of the working chamber there is a smaller recess into which only the spring and not the entire piston fits.
Wie im Schutzanspruch 11 dargestellt kann die Maschine mit Luft, anderen Gasen, Wasser, anderen Flüssigkeiten oder anderen Wärmeträgern als Medium arbeiten (bei Flüssigkeiten zusätzlich mit Wärmetauschern: Luft-Wasser- bzw. Gas-Flüssigkeitswärmetauscher). Nitinol oder andere Formgedächtnismaterialien können nach Schutzanspruch 12 als Draht, Feder, Hohlfeder, Federschlauch / Schlauchfeder / Rohr / Stab / Stangen oder andere zusammen- und auseinanderziehende Bauteile arbeiten.As shown in claim 11, the machine can work with air, other gases, water, other liquids or other heat carriers as the medium (in the case of liquids also with heat exchangers: air-water or gas-liquid heat exchangers). According to protection claim 12, nitinol or other shape-memory materials can work as a wire, spring, hollow spring, spring hose/hose spring/pipe/rod/rods or other components that pull together and pull apart.
Wie im Schutzanspruch 13 dargestellt ist eine starre Verbindung zwischen zwei Kolben oder eine flexible Verbindung über Umlenkrollen oder andere Verbindung möglich.As shown in protection claim 13, a rigid connection between two pistons or a flexible connection via deflection rollers or other connection is possible.
Mit einer Isolier - Kugel kann (nach Schutzanspruch 14) in einem Rohr oder Hohlfeder gearbeitet werden, die kalt und warm und ggf. Druck trennt.With an insulating ball can (according to protection claim 14) be worked in a tube or hollow spring, which separates cold and warm and, if necessary, pressure.
Wie im Schutzanspruch 15 dargestellt kann eine Formgedächtnismaterialfeder in einem kleinen umgebenden Zylinder oder besser in einem Hohlzylinder verwendet werden, so dass nur wenig warmes Gas / warme Flüssigkeit für die Transformation nötig ist.As shown in claim 15, a shape memory material spring can be used in a small surrounding cylinder or better in a hollow cylinder, so that only a little warm gas/warm liquid is needed for the transformation.
Bei Verwendung eines Hohlzylinders kann (nach Schutzanspruch 16) statt einer Isolierkugel ein Isolier - Ring verwendet werden.When using a hollow cylinder (according to protection claim 16), an insulating ring can be used instead of an insulating ball.
Wie im Schutzanspruch 17 dargestellt kann eine senkrechte Anordnung der Maschine von Vorteil sein, so dass die Isolierkugel / der Isolierring sich automatisch zurück bewegt.As shown in claim 17, a vertical arrangement of the machine can be advantageous, so that the insulating ball/ring automatically moves back.
Um die Hohlfeder / den Federschlauch o.a. kann nach Schutzanspruch 18 eine Isolierung aus flexiblen Kunststoffschaum angebracht werden.According to protection claim 18, insulation made of flexible plastic foam can be attached around the hollow spring/spring hose or similar.
Wie im Schutzanspruch 19 dargestellt kann eine Isolierung des zeitweise heißen Kolbenanteils grundsätzlich von Vorteil sein.As described in claim 19, insulation of the part of the piston that is sometimes hot can be fundamentally advantageous.
Exakt arbeitszyklusgesteuerte oder zeitgesteuerte Ventile auch in Abhängigkeit des Drucks sind nach Schutzanspruch 20 notwendig.According to protection claim 20, valves that are precisely duty cycle-controlled or time-controlled, also as a function of the pressure, are necessary.
Wie im Schutzanspruch 21 dargestellt ist eine weitere Option die Wärmespeicherung für die Formgedächtnislegierungen. Dies wären u.a. Latentwärmespeicher / Phasenwechselspeicher. Wärmespeicher können mit verschiedenen Materialien bestückt werden (Wasser, Kies, Erde, Stahl, Stein, Lavagestein, Beton, (Flüssig-) Salz usw.) oder auch als Latentwärmespeicher / chemischer Speicher (z.B. Natriumacetat, Calciumhydroxid - Calciumoxid) konzipiert sein. Ebenso können nach Schutzanspruch 22 Sonnenkollektoren und andere Wärmequellen, z.B. Abwärme aus der Industrie, mit den Formgedächtnislegierungen verwendet werden.As set out in claim 21, another option is heat storage for the shape memory alloys. These would include latent heat storage / phase change storage. Heat accumulators can be equipped with different materials (water, gravel, earth, steel, stone, lava rock, concrete, (liquid) salt, etc.) or as latent heat storage / chemical storage (e.g. sodium acetate, calcium hydroxide - calcium oxide). Likewise, according to protection claim 22, solar collectors and other heat sources, such as waste heat from industry, can be used with the shape memory alloys.
Wie im Schutzanspruch 23 dargestellt können zur Komprimierung des Gases übliche technische Alternativen zum Kolben verwendet werden.As shown in claim 23, standard technical alternatives to the piston can be used to compress the gas.
In
Wie im Schutzanspruch 25 dargestellt ist in
Somit können Formgedächtnis-Generatoren / Module Tag und Nacht genutzt werden. In Zukunft sollte es mit optimierter Technik und neuen sowie preiswerteren Materialien noch besser möglich sein effektiv lokal Strom zu erzeugen.Thus shape memory generators / modules can be used day and night. In the future, with optimized technology and new and cheaper materials, it should be even easier to generate electricity locally.
BezugszeichenlisteReference List
- (1)(1)
- zusammengezogene Hohlfeder oberhalb der Transformationstemperaturcontracted hollow spring above the transformation temperature
- (2)(2)
- auseinandergezogene Hohlfeder unterhalb der Transformationstemperaturexpanded hollow spring below the transformation temperature
- (3)(3)
- KolbenPistons
- (4)(4)
- arbeitszyklusgesteuertes Ventilduty cycle controlled valve
- (5)(5)
- Stützkonstruktionsupport structure
- (6)(6)
- starre Verbindung zwischen zwei Kolbenrigid connection between two pistons
- (7)(7)
- Wärme- und DruckreservoirHeat and pressure reservoir
- (8)(8th)
- Rückholfeder, z.B. aus normalem Metall.Return spring, e.g. made of normal metal.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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