DE2261710B2 - Verfahren zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit - Google Patents

Description

Unter der Bezeichnung »Memory«-Legierungen sind in der Technik Werkstoffe bekannt, die insofern die betondere Eigenschaft eines »Erinnerungsvermögens« besitzen als sie, wenn sie nach einer plastischen Verformung auf bestimmte Temperaturen erwärmt werden, mehr oder weniger weitgehend in die Form zurückkehren, die sie vor der plastischen Verformung gehabt haben. So nimmt beispielsweise ein aus einer solchen Legierung bestehender gerader Draht, wenn er unter plastischer Verformung gebogen worden ist und anschlie-Bend auf eine bestimmte Temperatur erwärmt wird, seine ursprüngliche gerade Gestalt wieder an. Ein solcher »Memory«-Effekt ist beispielsweise bestimmten Gold-Cadmium- und Kupfer-Aluminium-, insbesondere aber auch Nickel-Titan-Legierungen eigen. Er wird einer spannungsinduzierten, martensitischen Umwandlung des Gefüges der Legierungen zugeschrieben. Die Temperatur, bei der als Folge einer plastischen Verformung eine solche Umwandlung stattfindet, wird als Umwandlungstemperatur bezeichnet. Ihre untere Grenze liegt beispielsweise bei einer aus 55% Nickel und 45%Titan bestehenden Legierung bei etwa 6O⁰C. Durch Änderungen der Nickel- und Titanteile und/oder Zugabe von Eisen und/oder Kobalt läßt sich die Umwandlungstemperatur in beiden Richtungen verschieben. So beginnt beispielweise bei einer aus 54% Nickel und 4b% Titan zusammengesetzten Legierung die Umwandlung bei einer Temperatur von etwa 100⁰C.

Es hat sich gezeigt daß der »Memory«-Effekt einen irreversiblen und einen reversiblen Anteil hat. Der irreversible Anteil erfordert vor jeder Umwandlung eine erneute plastische Verformung des Werkstoffs, während für den reversiblen Anteil eine einmalige plastische Verformung des Werkstoffs genügt um den »Memory«-Effekt durch aufeinanderfolgende Erwärmung auf eine Temperatur, bei der die Umwandlung stattfindet, unJ Abkühlung auf eine Temperatur, bei der die Umwandlung rückgängig gemacht wird, wiederholt herbeizuführen.

Der Erfindung liegt die Ausnutzung des reversiblen Anteils des »Memory«-Effekts zugrunde, um wiederholt Wärme in mechanische Arbeit umzuwandeln. Das geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß Legierungen, die die Eigenschaft haben, in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren, wenn sie nach einer plastischen Verformung auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der eine Umwandlung des Gefüges eintritt, nur einer einmaligen plastischen Verformung und anschließend wiederholt aufeinanderfolgend einer Erwärmung auf eine Temperatur, bei der eine Gefügeumwanalung eintritt, und einer Abkühlung auf eine Temperatur, bei der die Gefügeumwandlung rückgängig gemacht wird, unterwoifen werden. Auf diese Weise können »Memory«-Legierungen beispielsweise in Form von Zug-, Druck-, Biege- oder Torsionsstäben unter Ausnutzung des reversiblen Anteils des »Memory«-Effekts in vorteilhaffer Weise zur zyklischen und kontinuierlichen Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit benützt werden und zum Antrieb von Maschinen und Vorrichtungen der verschiedensten Art, z. B. von Pumpen, dienen.

In der Zeichnung ist in Form eines Beispiels die Ausnutzung des »Memory«-Effekts eines Torsionsstabes, der aus einer aus 54% Nickel und 46% Titan bestehenden Legierung hergestellt worden ist in Abhängigkeit von dem Verformungsgrad und der Temperatur qualitativ dargestellt. Der Punkt A entspricht dem unverformten Zustand des Stabes bei Raumtemperatur. Wenn der bis zum Punkt B plastisch verformte Stab erwärmt wird, tritt etwa beim Punkt C die den »Memory«-Effekt bewirkende Gefügeumwandlung ein, die die Verformung des Stabes bis etwa zum Punkt D rückgängig macht. Die anschließende Abkühlung des Stabes, z. B. an Luft bewirkt etwa beim Punkt E die Ruckumwandlung des Gefüges und damit eine Verformung bis etwa zum Punkt F. Eine erneute Erwärmung des Stabes verursacht etwa beim Punkt G eine abermalige Gefügeumwandlung mit einem Rückgang der Verformung bis zum Punkt D. Die Strecke zwischen den Punkten F und B stellt den irreversiblen Anteil, die Strecke zwischen den Punkten A ' und Fden reversiblen Anteil des »Memoryw-Effekts dar, der im Sinne der Erfindung zur Verrichtung mechanischer Arbeit ausgenutzt wird, indem beim jeweiligen Erwärmen von F nach D beispielsweise eine Last gehoben wird. Die Größe des reversiblen Anteils des »Memory«-Effekts läßt sich insbesondere durch Belastungen, z. B. durch die Anwendung von Gewichten oder Federn, während der Erwärmung und/oder Abkühlung beeinflussen; bereits eine geringe Belastung während der Abkühlung vergrößert ihn.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit unter Anwendung von Legierungen, die, wenn sie nach einer plastischen Verformung auf eine Temperatur, bei der eine Umwandlung des Gefüges stattfindet, erwärmt werden, in die Form zurückkehren, die sie vor der plastischen Verformung gehabt haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen nur einer einmaligen plastischen Verformung und anschließend wiederholt aufeinanderfolgend einer Erwärmung auf eine Temperatur, bei der eine Gefügeumwandlung eintritt und einer Abkühlung auf eine Temperatur, bei der die Gefügeumwandlung rückgängig gemacht wird, unterworfen wurden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen während der Erwärmung und/oder Abkühlung, z. B. durch Gewicht oder Federn, belastet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Anwendung einer Nickel-Titan-Legierung, die aus etwa 55% Nickel und 45% Titan besteht