DE2922628C2

DE2922628C2 - Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Arbeit

Info

Publication number: DE2922628C2
Application number: DE2922628A
Authority: DE
Inventors: Peter Anthony Sterling Heights Mich. Hochstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-06-09
Filing date: 1979-06-02
Publication date: 1983-12-08
Also published as: US4197709A; IL57406A; IT7949358A0; IT1116586B; BR7903586A; NL7904531A; ZA792427B; GB2022719A; NL180340C; AU521130B2; AU4739279A; FR2428155B1; ES481390A1; NL180340B; DE2922628A1; FR2428155A1; CA1105719A; SU1194290A3; MX154202A; GB2022719B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandein von Wärmeenergie in mechanische Arbeit, mit einer Anzahl von auf Temperatur ansprechenden Elementen aus einem Werkstoff, der thermoelastischen, martensitischen Phasentransformationen unterliegt, mit einer Anlageeinrichtung, die zum Spannen der Elemente zu deren Belastung während einer ersten Phase mit diesen zusammenwirkt und die auf ein Kürzerwerden der Elemente während einer zweiten Phase anspricht, mit einer die Elemente tragenden Abstützeinrichtung und mit einem Gehäuse, das die Anlageeinrichtung und die Abstützeinrichtung so trägt, daß eine Relativbewegung zwischen beiden das Ableiten von Arbeit ermöglicht, wenn die Elemente in der zweiten Phase in ihrer Länge verkürzt werden.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (US-PS ^b5 37 019) wirken mehrere Stellelemente auf eine Arbeitswelle ein, wobei jedem Stellelement ein kraftabhängiges, elastisches Glied zugeordnet ist, das zum Abfangen und zeitlichen Dehnen des Obertragens des bei der Rückformung auftretenden Kraftstoßes dient Dieses elastische Glied soll harte Stöße der Stellelemente mildern und bei Störungen im Funktionsverlauf die Zerstörung der Wärmekraftmaschine verhindern. Diese elastischen Glieder werden durch Kräfte in der Mittelstellung gehalten, die dazu neigen, diese Stellung nach einer Abweichung in irgendeine Richtung wieder herzustellen. Als Beispiele für solche Glieder sind durch Federn zentrierte Mechanismen oder durch hydraulischen Druck belastete Elemente angegeben.

Die in der zu verbessernden Vorrichtung verwendeten auf Temperatur ansprechenden Elemente haben durch die Wahl ihres Werkstoffes die Eigenschaft, sich dann, wenn sie einer relativ kalten Temperatur ausgesetzt sind, wie dies in der ersten Phase der Fall ist auszudehnen bzw. zu strecken. Die Elemente werden in der Vorrichtung dann in eine Lage gebracht in der sie im gestreckten Zustand gespannt sind. In diesem Zustand werden die Elemente dann einer relativ warmen Temperatur ausgesetzt Sie befinden sich dann in der zweiten Phase. In dieser erfolgt ein Zusammenziehen des Werkstoffes der Elemente, also deren Kürzung. Dadurch wird jedes Element sehr stark auf Zug belastet Diese Belastung kann bis an die Grenze der Belastbarkeit des Materials der Elemente gehen. Da diese Belastungsgrenze durch Unregelmäßigkeiten im Durchmesser der Elemente schwanken kann, ist es möglich, daß Elemente im Betrieb der Vorrichtung überlastet werden und damit zerreißen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit der Vorrichtung in dieser Richtung sicherzustellen, d. h. daß es möglich ist die Elemente unterhalb der Übergangstemperatur in einem größeren Maße zu spannen, als dies oberhalb der Übergangstemperatur möglich ist, so daß das Material wirksamer ausgenutzt werden kann, ohne seine Streckgrenze bei einer Temperatur zu überschreiten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß zwischen ein Ende jedes Elementes und der diesem Ende zugeordneten und ein Teil der Abstützeinrichtung bildenden Halteeinrichtung eine Spannungsbegrenzungseinrichtung geschaltet ist, die nur die Belastung des Elementes während der zweiten Phase begrenzt.

In der ersten Phase verbleibt die erfindungsgemäß zwischengeschaltete Spannungsbegrenzungseinrichtung praktisch unbeweglich, so daß sich das zugeordnete Element unbehindert verlängern kann. Auf die in der zweiten Phase auftretende wesentlich höhere Belastung des Elementes kann die Spannungsbegrenzungseinrichtung dann reagieren, wenn eine vorbestimmte zulässige Belastung erreicht ist. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit der Vorrichtung sichergestellt

Über die genannten Merkmale hinausgehende Einzelheiten zur Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Arbeit dargestellt. In dieser Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine zum Teil aufgebrochen dargestellte schaubildliche Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

F i g. 2 einen Teilquerschnitt in größerem Maßstab, aus dem die sich zwischen den Platten der Halteeinrichtung erstreckenden Elemente und die diesen zugeordneten Spannungsbegrenzungseinrichtungen ersichtlich

sind und eine Teildraufsicht auf die obere Platte;

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine Platte.

r>ie Vorrichtung, die als Ganzes mit 10 bezeichnet ist umfaßt eine Anzahl von auf Temperatur ansprechende Elemente 12 in Form von Drähten, di>; einen kreisförmigen Querschnitt haben und aus einem Werkstoff bestehen, der thermoelastischen, martensitischen Phasentransformationen unterliegt Die Vorrichtung 10 weist ferner eine Anlageeinrichtung auf, die bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei Kurvenführung«; gebildet ist nämlich eine obere 14 und eine axial im Abstand unter dieser liegende Kurvenführung 16. Beide Kurvenführungen 14 und 16 wirken mit den erahtförmigen Elementen 12 zusammen, um während einer ersten Phase ein Spannen '⁵ der Elemente zu deren Belastung zu bewirken und während der zweiten Phase auf das Entspannen der Elemente anzusprechen. Die Phasentransformation erfolgt wenn die Elemente 12 durch eine Übergangstemperatur zwischen einer relativ kühlen Ten.peratur unterhalb der Übergangstemperatur und einer relativ hohen Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur geführt werden. Die erste Phase erfolgt, während sich die Elemente auf einer relativ kühlen Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur befinden, während die zweite Phase dann abläuft wenn die Elemente eine relativ hohe Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur haben. Die Kurvenführungen 14 und 16 sind um eine Mittelachse herum angeordnet Die Kurvenführung 14 hat eine sich axial erstreckende Kurvenfläche 20, die am äußeren Umfang der Kurvenführung 14 ausgebildet ist, während die Kurvenführung 16 eine axiale Kurvenfläche 22 aufweist die am äußeren Umfang der Kurvenführung 16 ausgebildet ist

Ferner umfaßt die Vorrichtung 10 eine als Ganzes mit ^J5 24 bezeichnete Abstützeinrichtung, die zum Tragen der drahtförmigen Elemente 12 parallel zur Mittelachse und parallel zueinander dient um sicherzustellen, daß die Elemente einer Spannung unterworfen werden, während sie mit den Kurvenführungen 14 und 16 ^4U zusammenwirken.

Schließlich umfaßt die Vorrichtung ein Gehäuse 26, das sowohl die Kurvenführung 14 und 16 als auch die Abstützeinrichtung 24 trägt um eine Relativbewegung zwischen den Kurvenführungen und der Abstützeinrich- ⁴' tung zu ermöglichen und Energie entnehmen zu können, wenn die Elemente 12 während der zweiten Phase in ihrer Länge kurzer werden. Zu diesem Zweck sind die Kurvenführungen 14 und 16 fest mit der Innenwand 28 des Gehäuses 26 verbunden und die Abstützeinrichtung '" 24 ist um die Mittelachse drehbar vom Gehäuse getragen. Wie aus F i g. 1 der Zeichnung zu entnehmen ist stellt die Kurvenführung 14 einen Teil eines mit dem oberen Bereich der Innenwand des Gehäuses verbundenen Elementes und die Kurvenführung 16 einen Teil " eines Elementes 32 dar, das mit dem unteren Bereich der Innenwand verbunden ist. Dieses Element 32 trägt gleichzeitig ein Lager 36. Die Abstützeinrichtung 24 umfaßt ein oberes umlaufendes Rad mit einer Nabe 38 und einem äußeren Rand 40, die beide durch über den ^b0 Umfang verteilt angeordnete Speichen miteinander verbunden sind. Die Abstützeinrichtung 24 weist ferner ein unteres umlaufendes Rad mit einer Nabe 44 und einem äußeren Rand 46 auf, die wiederum beide durch Speichen miteinander verbunden sind. Schließlich umfaßt die Abstützeinrichtung 24 eine feste Platte 78, die mit dem Rand 40 oder 46 eines der umlaufenden Räder verbunden ist, und eine bewegliche Platte 80. die beweglich vom Rand 40 oder 46 des anderen der Räder zugeordnet ist. Zwischen den festen Platten 78 und den beweglichen Platten 80 erstrecken sich die Elemente 12, wobei deren Enden mit der festen Platte 78 und der beweglichen Platte 80 verbunden sind Die beweglichen Platten 80 sind mit den Enden von Führungsstiften verbunden, die sich durch den Rand 40 oder 46 eines der umlaufenden Ränder hindurcherstrecken und mit einer hydraulischen Einrichtung zusammenwirken, die eine erste Zylinder-Kolbeneinheit 66, 96 und eine zweite Zylinder-Kolbeneinheit umfaßt die über Stößeleinrichtungen 62 auf die Kurvenfläche 20 bzw. 22 einwirken. Das Gehäuse 26 begrenzt eine erste Abteilung 108, die sich im Kreisbogen um die Mittelachse über einen ersten Teil des Umfangs erstreckt und die durch eine Wand von einer zweiten Abteilung 110 abgetrennt ist, die sich über den übrigen Teil des Umfangs erstreckt Zu den Abteilungen 108 und 110 führen Einlaßrohre 118 zum Zuführen von heißem oder kaltem Medium (beispielsweise Wasser). Das Gehäuse weist ferner Auslaßrohre 120 auf, die sich von der Außenwand 117 des Gehäuses erstrecken und der Ableitung des Mediums dienen, nachdem dieses aus den Abteilungen durch die Elemente geströmt ist. Schließlich weist die Vorrichtung eine Ausgangswelle mit einem Ausgangsflansch 126 auf, die ein aus der Zeichnung nicht ersichtliches Ritzel trägt, das mit einem gezahnten Ringrad 128 kämmt.

Einem Ende jedes Elementes 12 ist eine Spannungsbegrenzungseinrichtung zugeordnet die zwischen dieses Ende des Elementes und eine der Platten 78 bzw. 80 geschaltet ist, wodurch ein Überschreiten eines vorbestimmten Belastungswertes des Elementes in der zweiten Phase verhindert wird.

Die Spannung ist der Prozentsatz der Dehnung jedes Elementes 12 während der ersten Phase, wenn er einer relativ kalten Temperatur ausgesetzt ist, und ist größer als die Spannung oder der Prozentsatz der Längung jedes Elementes 12 während der zweiten Phase, wenn die Elemente sich auf einer relativ warmen Temperatur befinden. Die an jedes Element 12 angelegte Belastung ist beim Zusammenwirken mit der Anlageeinrichtung während der zweiten Phase bei einer warmen Temperatur größer, als die Belastung, die auf jedes Element während der ersten Phase einwirkt, bei der die Temperatur relativ kühl ist Die Spannungsbegrenzungseinrichtungen ermöglichen es, daß von den Elementen wirksam Arbeit abgeleitet werden kann, in dem der Zug oder die Prozentzahl der Verlängerung der Elemente 12 bei der relativ kalten Temperatur größer sein kann als bei der relativ warmen Temperatur. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung ist zwischen die Anlageeinrichtung und die Elemente 12 so geschaltet daß die Kurvenführungen 14 und 16 über die Spannungsbegrenzungseinrichtung auf die Elemente 12 einwirken. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung umfaßt eine Anzahl von Schraubenfedern 132, die zwischen den Kurvenführungen 14 bzw. 16 und den Elementen 12 eine Totgangbewegung ermöglichen. Genauer gesagt jede Feder 132 wirkt zwischen dem zugeordneten Element 12 und den Platten 78 und 80 der Halteeinrichtung, die der Abstützeinrichtung 24 zugeordnet ist. Jede Platte 78 und 80 umfaßt eine Vielzahl von gegeneinander gerichteter Bohrungen 134. In jeder der Bohrungen ist eine Schraubenfeder 132 angeordnet, leder der Bohrungen 134 in den Platten 78 und 80 ist eine Aussparung 136 im Boden der Bohrung zugeordnet. Zum Verbinden der Elemente 12 und der Schraubenfe-

der 132 ist ein erster Abschlußstopfen 138 vorgesehen. Die Abschlußstopfen 138 dienen als Widerlager für die Schraubenfedern 132 und die Elemente 12 erstrecken sich durch den Abschlußstopfen 138 hindurch und sind in diesem festgelegt. Zum Festlegen der Enden der Elemente 12 dienen Erweiterungen 140, in die verbreiterte Köpfe 142 der Elemente 12 eingreifen. In jeder Aussparung 136 ist ein Verankerungsstück 144 eingepaßt, das ebenfalls mit trichterförmigen Erweiterungen 146 versehen ist, in denen verbreiterte Köpfe 148 der Elemente 12 ruhen. Die verbreiterten Köpfe 142 und 148 der Elemente 12 sind identisch. Auf diese Weise ist jede Schraubenfeder 132 um zwei Elemente 12 herum angeordnet und jedes Verankerungsstück 144 ist mit zwei Elementen 12 verbunden. Die Elemente erstrecken sich durch Bohrungen in den Platten 78 und 80 und dann durch die entsprechenden Abschlußstopfen 138 und die Verankerungsstücke 144 hindurch.

Die Verankerungsstücke 144 liegen in Längsrichtung der Elemente 12 von den benachbarten Schraubenfe- 2" dem 132 an den gleichen Enden der Elemente 12 im Abstand überlappend, so daß jedes der Verankerungsstücke 144 mit zwei benachbarten Schraubenfedern 132 quer zur Längsachse der Elemente 12 zusammenwirkt, wie am besten aus F i g. 3 ersichtlich ist. Mit anderen Worten,· das innere Ende jeder Schraubenfeder 132 überlappt mindestens ein Verankerungsstück 144 bzw. Begrenzen der Spannung der Elemente angeordnet, wenn die Elemente 12 mit den Kurvenführungen 14 und 16 zusammenwirken. Mit anderen Worten, die Schraubenfedern 132 sind am ersten Ende der Hälfte der Elemente 12 angeordnet und sind am entgegengesetzten oder zweiten Ende der übrigen Elemente angeordnet, wodurch der Bereich kompakter gestaltet werden kann, in dem sich die Elemente 12 befinden. Die Schraubenfedern 132 können jedoch auch abwechselnd an den ersten und den zweiten Enden der Elemente 12 angeordnet sein.

Da im Betrieb der Vorrichtung weniger Kraft erforderlich ist, um die Elemente im kalten Zustand zu spannen, sind die Schraubenfedern 132 so ausgelegt, daß sie im wesentlichen unbeweglich bleiben, wenn die Elemente J2 in dem relativ kalten Stadium gespannt bzw. verlängert werden. Wenn sich die Elemente in das relativ warme Stadium oberhalb der Übergangstemperatur bewegen, ergibt sich eine größere resultierende Spannung, da die Elemente im warmen Zustand eine geringere zulässige Materialspannung haben, weil sich der wirksame Elastizitätsmodul der Elemente 12 zwischen der relativ kalten und der relativ warmen Temperatur ändert. Die Schraubenfedern 132 stellen Spannungsbegrenzungseinrichtungen zum Begrenzen der Materialspannung in den Elementen 12 während des warmen Stadiums dar, da die Schraubenfedern 132 dann

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wie dies in F i g. 3 veranschaulicht ist.

Die die Spannungsbegrenzungseinrichtungen bildenden Schraubenfedern 132 sind zwischen nur ein Ende jedes Elementes 12 und der zugeordneten Platte 78 oder 80 der Halteeinrichtung der Abstützeinrichtung 24 zum Spannung der Elemente 12 über eine vorbestimmte Belastungsgrenze hinausgeht, wodurch verhindert wird, daß die zulässige Materialspannung der Elemente nicht überschritten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Umwandeln von Wärmeenergie in mechanische Arbeit, mit einer Anzahl von auf Temperatur ansprechenden Elementen aus einem Werkstoff, der thermoelastischen, martensitischen Phasentransformationen unterliegt, mit einer Anlageeinrichtung, die zum Spannen der Elemente zu deren Belastung während einer ersten Phase mit diesen zusammwirkt und die auf ein Kürzerwerden der Elemente während einer zweiten Phase anspricht, mit einer die Elemente tragenden Abstützeinrichtung und mit einem Gehäuse, das die Anlageeinrichtung und die Abstützeinrichtung so trägt, daß eine Relativbewegung zwischen beiden das Ableiten von Arbeit ermöglicht, wenn die Elemente in der zweiten Phase in ihrer Länge verkürzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen ein Ende jedes Elementes (12) und der diesem Ende zugeordneten und ein Teil der Abstützeinrichtung (24) bildenden Halteeinrichtung (78 bzw. 80) eine Spannungsbegrenzungseinrichtung (132, 138, 142, 144, 148) geschaltet ist, die nur die Belastung des Elementes (12) während der zweiten Phase begrenzt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (12) in der zweiten Phase einer relativ warmen Temperatur ausgesetzt und durch das Zusammenwirken mit der Anlageeinrichtung (14 bzw. 16) während der zweiten Phase stärker belastet sind als in der ersten Phase.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (12) durch Drähte gebildet sind und daß die Spannungsbegrenzungseinrichtung eine Feder (132) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (132) eine solche Federkonstante hat, daß sie in der ersten Phase im wesentlichen unbeweglich bleibt, um in dieser ein Strecken des zugeordneten Elementes (12) zu ermöglichen, und in der zweiten Phase der großen Belastung des Elementes (12) nachgibt, um ein Überschreiten eines vorbestimmten Belastiingswertes des Elementes (12) in der zweiten Phase zu verhindern.