DE69515899T2

DE69515899T2 - Konstruktion für heterogene energieakkumulation oder ableitung, methode zu derenverwendung und dazugehörige vorrichtung

Info

Publication number: DE69515899T2
Application number: DE69515899T
Authority: DE
Inventors: Valentin Eroshenko
Original assignee: D L D INTERNATIONAL PARIS
Current assignee: D L D INTERNATIONAL PARIS
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2015-12-07
Also published as: WO1996018040A1; ATE191066T1; EP0791139B1; ES2145317T3; JPH10510351A; EP0791139A1; FR2728037B1; PT791139E; JP3838443B2; US6052992A; FR2728037A1; DE69515899D1; GR3033518T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Thermodynamik, und insbesondere die Verfahren zur Akkumulation oder Dissipation von Energie, die mit den thermodynamischen Vorrichtungen oder Systemen verbunden sind.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein neuartiges Verfahren zur Akkumulation oder Dissipation von Energie zu entwickeln, das in der Lage ist; viel höhere Leistungen im Vergleich zu denen zu erbringen, die man mit den herkömmlichen Verfahren erzielt, die herkömmliche Arbeitsfluide einsetzen, d. h. Gase und Dampf zur Akkumulation von Energie und die üblichen viskosen Fluide, wie beispielsweise diejenigen, die in den Stoßdämpfern und -absorbern eingesetzt werden, zur Dissipation von Energie.
In den Dokumenten SU-A-1 333 870 und SU A-943 444 hat der Erfinder das Grundprinzip einer heterogenen Struktur zur Akkumulation von Energie dargelegt, von der Art mit einer festen, kapillaren, porösen Matrix, die gegenüber der Flüssigkeit, welche diese Matrix umgibt, Iyophob ist, d. h. daß die Flüssigkeit für diese Matrix nicht netzend ist. Die kapillare Porosität ist jedoch in diesen Dokumenten auf theoretische und rudimentäre Weise festgelegt, mit kapillaren Durchgängen mit konstantem Querschnitt. In der Realität hat es sich aber gezeigt, daß die Herstellung einer solchen Matrix sehr kostspielig ist und daß die Leistungen dieser heterogenen Struktur, was die Akkumulation der Energie angeht, begrenzt sind. Ferner erweist sich eine Matrix dieser Art als ungeeignet zum Erzielen bedeutsamer Erfolge bei der Dissipation der Energie.
So ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leistungsfähigere heterogene Struktur zu entwickeln, die in der Lage ist, einen umkehrbaren thermodynamischen Vorgang durchzuführen, und insbesondere die Erwärmungen und/oder die Turbulenzen während einer Kompression zu vermeiden.
Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, Verfahren zum Einsetzen einer derartigen heterogenen Struktur zu entwickeln, sowie dazugehörige Vorrichtungen zu deren Durchführung.
Insbesondere handelt es sich um eine heterogene Struktur zur Akkumulation oder Dissipation von Energie, wobei die Struktur dazu bestimmt ist, in thermodynamischen Vorrichtungen oder Systemen eingesetzt zu werden und von der Art mit einer festen, kapillaren, porösen Matrix und mit einer diese Matrix umgebenden Flüssigkeit ist, wobei die genannte Matrix gegenüber der genannten Flüssigkeit lyophob ist, und wobei die feste, kapillare, poröse Matrix eine kapillare offene Porosität und eine gesteuerte komplexe Topologie hat, mit kapillaren Durchgängen mit Querschnittsveränderungen, d. h. deren Querschnittsradius sich im Inneren eines gleichen Durchganges verändert, und/oder mit kapillaren Durchgängen, die miteinander verbunden sind, um Labyrinthe auszubilden, und die Flüssigkeit, welche die poröse, kapillare Matrix umgibt, ausgewählt wird, um eine festlflüssig- Trennfläche festzulegen, die auf isotherme Weise erweiterbar und abhängig von dem äußeren Druck, dem die Struktur ausgesetzt ist, reversibel ist.
Die bei einer derartigen heterogenen Struktur angewandten Hauptkriterien sind in Wirklichkeit die festlflüssig-Trennfläche und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit an der Grenzfläche zum Festkörper.
Ein derartiger Ansatz, der in den vorstehend genannten Dokumenten SU-A-1 333 870 und SU-A-943 444 nur angedeutet wird, grenzt sich insoweit radikal von der durch die herkömmliche Thermodynamik gegebenen Lehre ab, als man die potentielle Energie der molekularen Wechselwirkung und die Abhängigkeit dieser Energie gegenüber der Temperatur nutzt. Anstatt die kinetische Energie der zufallsbedingten Bewegung der Gas- oder Dampfmoleküle zu nutzen, stellt man so Überlegungen im Bereich der potentiellen Energie der molekularen Wechselwirkung an, indem man eine geeignete Flüssigkeit in die Mikrodurchgänge eindringen läßt (die Abmessungen reichen üblicherweise vom Tausendstel- bis zum Zehntelmikron), und indem man die Flüssigkeit aus diesen Mikrodurchgängen austreten läßt, mit einer Trennfläche, die beim Eindringen der Flüssigkeit zunimmt und beim Austreten der Flüssigkeit abnimmt, und dies in einem Vorgang, der zugleich isotherm und reversibel ist. Man kann dann auf eine isobare-isotherme Kompression des Arbeitsmediums ohne Phasenübergang stoßen, wenn man die Werte der Temperatur und der fest/flüssig-Trennfläche als unabhängige Parameter verwendet. Die akkumulierte oder dissipierte Energie ist so im wesentlichen thermomolekular.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel sind die kapillaren Durchgänge miteinander verbunden und in der Form von zylindrischen Kanälen, leicht gebogenen Kapillaren oder Schlitzen so angeordnet, daß sie eine geringe Hysterese aufweisen, wenn die Struktur einem isothermen Kompressions-Entspannungs- Vorgang ausgesetzt wird.
In einer Variante dazu weisen die kapillaren Durchgänge Querschnittsveränderungen auf und sind in der Form von gekreuzten Kanälen, Kanälen im Wechsel mit Einschnürungen oder im Wechsel mit Mikrokugeln so angeordnet, daß sie eine erhöhte Hysterese aufweisen, wenn die Struktur einem isothermen Kompressions-Entspannungs-Vorgang ausgesetzt wird. Diese letztgenannte Variante ist vor allem dann von Vorteil, wenn man versucht, die unter der Wirkung eines Stoßes mit Überdruck entwickelte Energie zu dissipieren.
Die besondere Anordnung der kapillaren Kanäle mit Querschnittsveränderungen und/oder mit einer gegenseitigen Verbindung in Form eines Labyrinths legt eine Topologie fest, die man als eine gesteuerte "komplexe" Topologie betrachten kann, im Gegensatz zur einfachen Topologie, die in den ursprünglichen, in den vorstehend genannten Dokumenten dargelegten Hypothesen in Betracht gezogen wird.
Ferner kann man vorsehen, daß die kapillaren Durchgänge auf ihrer Oberfläche von einem Mittel überzogen sind, das so ausgewählt wird, daß sie gegenüber der ausgesuchten Flüssigkeit iyophob sind, und beispielsweise eine silikonorganische oder eine fluororganische Verbindung ist. Dies ermöglicht insbesondere den Einsatz von Materialien für die poröse Matrix, die normalerweise von der betroffenen Flüssigkeit benetzt werden: dank dieser Umhüllung kann man nämlich die Hauptbedingung erfüllen, gemäß der die Matrix gegenüber der Flüssigkeit lyophob sein muß.
Ferner kann man vorsehen, daß die Matrix diskrete Partikel umfaßt, die eine ferromagnetische Substanz einschließen und/oder daß das Material der Kapsel, welche die genannte Matrix umhüllt, ferromagnetische Substanzen einschließt. Dies ermöglicht das Ausüben eines Einflusses auf die heterogene Struktur über ein Magnetfeld, beispielsweise um diese heterogene Struktur im Inneren einer geschlossenen, dichten Hülle zu verschieben.
Darüber hinaus muß die kapillare, poröse Matrix nicht notwendigerweise in monolithischer Form ausgebildet sein. Insbesondere kann man vorsehen, daß diese Matrix in der Form von diskreten Partikeln ausgebildet ist, die mit der Flüssigkeit eine Suspension oder eine kolloidale Lösung bilden.
Vorzugsweise wird das Grundmaterial der kapillaren, porösen Matrix aus der Gruppe ausgewählt, die aus den Kieselsäuregelen, den Silizium- und Chromverbindungen, den Alumosilikaten, der Tonerde, den porösen Gläsern und dem Graphit besteht, und die dazugehörige Flüssigkeit wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus den Salzen, den Flußmitteln, den Flüssigmetallen und ihren Legierungen, den Eutektika mit niedriger Temperatur, dem Quecksilber, den Woodschen Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt, den wäßrigen Lösungen und den polaren Lösungen (beispielsweise den Elektrolyten) besteht.
Ferner kann man vorsehen, daß die heterogene Struktur in einer elastischen oder analogen Umhüllung eingekapselt ist, die sie vor jeglichem Kontakt mit einer anderen äußeren Flüssigkeit schützt, die in der betroffenen thermodynamischen Vorrichtung oder dem System verwendet wird.
Ebenso betrifft die Erfindung Verfahren zum Einsetzen einer heterogenen Struktur, die mindestens eines der vorstehend genannten Merkmale aufweist.
Es handelt sich zunächst um ein Verfahren zur Akkumulation von Energie, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in einer geschlossenen Kammer mindestens eine heterogene Struktur anordnet, deren Iyophobe Matrix nicht monoporös ist, indem man sie aus einer Mischung aus verschiedenen Matrizen gebildet hat, und man diese Struktur einer erzwungenen Kompression bei vorgegebener gleichbleibender Temperatur aussetzt, um die Flüssigkeit dieser Struktur in die kapillaren Durchgänge ihrer porösen, festen Matrix zu drücken und so die festflüssig-Trennfläche zu vergrößern, wobei die während dieser erzwungenen Kompression gespeicherte Energie anschließend durch eine spontane isotherme Entspannung rückgewonnen werden kann, um eine Nutzarbeit zu bewirken.
Gemäß einem besonderen Fall ist die während der erzwungenen Kompression zugeführte Energie im wesentlichen mechanisch, und die gewählte gleichbleibende Temperatur liegt unterhalb der Hälfte der kritischen Temperatur der Flüssigkeit der heterogenen Struktur, jedoch über der Schmelztemperatur der genannten Flüssigkeit, wobei die anschließend während der spontanen isothermen Entspannung rückgewonnene Energie im wesentlichen mechanisch ist. Gemäß einem anderen besonderen Fall ist die während der erzwungenen Kompression zugeführte Energie im wesentlichen thermisch, und die gewählte gleichbleibende Temperatur liegt zwischen 0,5 und 1,0 mal der kritischen Temperatur der Flüssigkeit der heterogenen Struktur, wobei die anschließend während der spontanen isothermen Entspannung rückgewonnene Energie im wesentlichen thermisch ist.
Ferner ist es möglich vorzusehen, daß die akkumulierte Energie am Ende der Phase der erzwungenen Kompression durch Abkühlen der heterogenen Struktur auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur der Flüssigkeit der genannten Struktur gespeichert wird, bevor sie im gewünschten Augenblick durch einfaches Erwärmen der genannten Struktur auf eine Temperatur über der vorstehend genannten Schmelztemperatur freigesetzt wird.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens vorgesehen, wobei die genannte Vorrichtung eine geschlossene Kammer mit veränderlichem Volumen hat, in der mindestens eine heterogene Struktur untergebracht ist, wobei die genannte Kammer von einem gleitenden Kolben oder von einer elastischen oder analogen Membran begrenzt ist.
Ferner handelt es sich um ein Verfahren zur Dissipation von Energie, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in einer geschlossenen Kammer mindestens eine heterogene Struktur anordnet, deren lyophobe Matrix monoporös ist oder nicht, und man diese Struktur durch einen Stoß einer erhöhten Kompression aussetzt, um die Flüssigkeit dieser Struktur in die kapillaren Durchgänge ihrer porösen, festen Matrix zu drücken und auf diese Weise die festlflüssig-Trennfläche zu vergrößern, woraufhin man die Struktur sich spontan bei einem vorgegebenen niederen Druck entspannen läßt.
Gemäß der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des vorstehend genannten Verfahrens vorgesehen, wobei die genannte Vorrichtung eine geschlossene Kammer mit veränderlichem Volumen hat, in der mindestens eine heterogene Struktur untergebracht ist, wobei die genannte Kammer von einem gleitenden Kolben begrenzt ist, dessen Stange in die Richtung des vorgesehenen Stoßes gerichtet ist.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden angesichts der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen deutlicher, die besondere Ausführungsbeispiele betreffen. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine einer isothermen Kompression ausgesetzte heterogene Struktur gemäß der Erfindung, deren festlflüssig-Trennfläche sich ändert, indem sie zwischen der Ausgangssituation a) und der Endsituation b) zunimmt;
Fig. 2 verschiedene Ausführungsbeispiele einer kapillaren, porösen Matrix mit gesteuerter komplexer Topologie gemäß der Erfindung, wobei die Ausführungen a), b), c), d) festen Blöcken entsprechen, die in sich kapillare Durchgänge aufweisen, und die Ausführung e) diskreten Partikeln (deren kapillare Durchgänge nicht sichtbar sind) entspricht, die mit der Flüssigkeit eine Suspension oder eine kolloidale Lösung bilden;
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch einen einzelnen kapillaren Durchgang vor dem erzwungenen Eindringen der Flüssigkeit bei a), und nach dem erzwungenen Eindringen der Flüssigkeit bei b);
Fig. 4a ein Diagramm, das eine isotherme Kompression zeigt, die bei einer heterogenen Struktur mit monoporöser Matrix durchgeführt wird;
Fig. 4b ein Diagramm, das drei charakteristische Kurven zeigt, die heterogenen Strukturen entsprechen, die eine kapillare Matrix aus porösem Glas haben und deren dazugehörige Flüssigkeit aus Quecksilber gebildet ist, wobei die Matrix nicht monoporös ist;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Bedeutung der gewählten Temperatur während der isothermen Kompression gegenüber einem Grenzwert zeigt, welcher der Hälfte der kritischen Temperatur der Flüssigkeit der heterogenen Struktur entspricht, um im wesentlichen entweder mechanische Energie oder thermische Energie zu akkumulieren;
Fig. 6 bis 9 verschiedene Energieakkumulatoren, mit einer Einkapselung einer erfindungsgemäßen heterogenen Struktur in einer elastischen oder verformbaren Umhüllung in den Fig. 7 bis 9;
Fig. 10 schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Akkumulation mechanischer Energie bei gleichbleibender Temperatur, wobei die unter a) akkumulierte Energie anschließend (gegebenenfalls nach einer Speicherungszeit) unter b) freigesetzt wird;
Fig. 11 eine Vorrichtung zur Akkumulation mechanischer Energie, die das in der Fig. 10 gezeigte Prinzip in einem bestimmten Temperaturbereich (zwischen der Schmelztemperatur der Flüssigkeit der heterogenen Struktur und der Hälfte der kritischen Temperatur dieser Flüssigkeit) einsetzt;
Fig. 12 eine weitere Vorrichtung zur Akkumulation thermischer Energie mit einer erfindungsgemäßen heterogenen Struktur in einem anderen Temperaturbereich als im Falle der Vorrichtung der Fig. 11 (Temperaturen zwischen 0,5 und 1,0 mal der kritischen Temperatur der Flüssigkeit der heterogenen Struktur);
Fig. 13 ein Diagramm, das die mehr oder weniger große, erhaltene Hysterese aufzeigt, je nach angepaßter komplexer Topologie für die kapillare Porosität der Matrix der heterogenen Struktur, wie es insbesondere im Rahmen einer Dissipation von Energie interessant ist, und
Fig. 14 ein Diagramm, welches das Verschwinden von Energie ohne Umwandlung in Wärme aufzeigt ("energetisches schwarzes Loch"),
Fig. 15 eine Vorrichtung zur Dissipation von Energie, wie z. B. ein Stoßdämpfer, in der eine erfindungsgemäße heterogene Struktur untergebracht ist,
Fig. 16 und 17 zwei Kompressions-Entspannungs-Diagramme, die mit einer besonderen heterogenen Struktur erhalten werden, deren kapillare Matrix ein Block aus porösem Glas mit Mikroporen und deren Flüssigkeit ein Woodsches Metall mit niedrigem Schmelzpunkt ist,
Fig. 18 bis 20 Diagramme, welche die Eigenschaften zeigen, die mit einem Anti- Flatter-Stoßdämpfer für ein Flugzeug verzeichnet werden, dessen Arbeitskammer mit einer besonderen heterogenen Struktur gefüllt ist, deren kapillare Matrix ein poröses Silikagel und deren Flüssigkeit Wasser ist.
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße heterogene Struktur 10 zur Akkumulation oder Dissipation von Energie, die dazu bestimmt ist, in thermodynamischen Vorrichtungen oder Systemen eingesetzt zu werden.
Die heterogene Struktur 10 ist im wesentlichen aus einer festen, kapillaren, porösen Matrix 11 und einer Flüssigkeit 13 gebildet, die diese kapillare, poröse Matrix umgibt, wobei die Matrix gegenüber der genannten Flüssigkeit lyophob ist, d. h. daß die Oberflächenspannung derart ist, daß diese Flüssigkeit nicht netzend ist, wenn sie in Kontakt mit der Oberfläche der Matrix kommt. Die kapillare, poröse Matrix 11 hat eine kapillare offene Porosität und eine gesteuerte komplexe Topologie, wobei die komplexe Topologie die Bahnen zur Verdrängung der Flüssigkeit festlegt. Diese Porosität ist in der schematischen Darstellung der Fig. 1 mit 12 bezeichnet und wird durch die kapillaren Durchgänge gebildet, die Querschnittsveränderungen aufweisen und/oder miteinander verbunden sind, um Labyrinthe auszubilden. Die Flüssigkeit 13, welche die kapillare, poröse Matrix 11 umgibt, wird so ausgewählt, daß sie eine festlflüssig-Trennfläche festlegt, die isotherm erweiterbar und abhängig von dem äußeren Druck, dem die Struktur ausgesetzt ist, reversibel ist. Die Flüssigkeit 13, welche die kapillare, poröse, gegenüber dieser Flüssigkeit lyophobe Matrix 11 umgibt, kann folglich nicht spontan in das Innere der Poren · oder Kapillaren eindringen, und dieses Eindringen kann nur infolge einer adäquaten, auf die heterogene Struktur ausgeübten Kompression erzwungen werden.
In der Darstellung der Fig. 1 ist die kapillare, poröse Matrix 11 in der Form diskreter Partikel mit offener Porosität dargestellt, die in Suspension in der zu dieser Matrix gehörenden, in der Umgebung vorhandenen Flüssigkeit 13 sind, jedoch wird man weiter unten erkennen, daß es ebenso möglich ist, die feste, kapillare, poröse Matrix in der Form eines Blockes herzustellen, der ebenfalls in sich entsprechend der vorstehend genannten komplexen Topologie geordnete, kapillare Durchgänge hat, so wie dies später unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben wird.
Um in der Fig. 1 von der bei a) gezeigten Situation zu der bei b) gezeigten Situation zu gelangen, übt man auf die heterogene Struktur 10 einen Druck (symbolisch durch die radialen Pfeile dargestellt) aus, der ausreicht, um das Eindringen der Flüssigkeit in das kapillare Netz der festen Matrix dieser heterogenen Struktur zu erzwingen, und diese Kompression ist isotherm. Dieses erzwungene Eindringen ist schematisch in der Fig. 3 dargestellt, in der man eine Situation a) erkennt, in der sich die Flüssigkeit 13 vor der Eintrittsöffnung eines kapillaren Durchganges 12 befindet, der in der festen, kapillaren, porösen Matrix 11 ausgebildet ist, ohne jedoch in diesen Kanal einzudringen, wobei die Grenzlinie der Flüssigkeit dann aus einem Meniskus 15 gebildet ist. In der Situation b), nach einer isothermen Kompression der heterogenen Struktur, hat man das Eindringen der Flüssigkeit in das Innere des kapillaren Durchganges 12 erzwungen. Der Druckgrenzwert, der überschritten werden muß, entspricht dem Kapillardruck von Laplace, dessen Wert sich aus der Formel P = (2σ. cosθ)/r ergibt, in der a die Oberflächenspannung der Flüssigkeit der heterogenen Struktur bei der in Betracht gezogenen Temperatur, θ der Kontaktwinkel (dieser Winkel ist notwendigerweise aufgrund der vorstehend genannten Eigenschaft der Lyophobie größer als 90º) und r der Radius des kapillaren Kanals ist. Der Übergang von der Situation a) zur Situation b) der Fig. 3 bewirkt ein Vergrößern der festlflüssig-Trennfläche, die man mit Ω bezeichnen kann, wobei die Variation ΔΩ der Seitenfläche der betroffenen kapillaren Durchgänge entspricht. Auf diese Weise ist die festlflüssig-Trennfläche isotherm erweiterbar und abhängig von dem äußeren Druck, dem die heterogene Struktur ausgesetzt ist, reversibel, wodurch die Entwicklung einer Nutzarbeit ermöglicht wird. Wenn der auf die heterogene Struktur aufgebrachte Druck nachläßt, erreicht man dann eine spontane Entspannung, welche die Rückkehr von der Situation b) zur Situation a) ermöglicht. Es ist interessant anzumerken, daß das Abfließen der Flüssigkeit im Inneren der kapillaren Porosität der Iyophoben festen Matrix infralaminar ist, d. h. daß die Reynoldssche Zahl im wesentlichen Null ist, so daß der Übergang von einer Situation in die andere ohne Reibung, und folglich ohne Erwärmen erfolgt. Dieses Ergebnis bildet einen Bestandteil größter Bedeutung bei den denkbaren Anwendungen der erfindungsgemäßen heterogenen Struktur.
In der Fig. 2 hat man verschiedene Ausführungsbeispiele der porösen, kapillaren Matrix mit gesteuerter komplexer Topologie der heterogenen Struktur dargestellt.
Bei a) ist die Matrix 11.1 in der Form eines Blockes hergestellt, der in sich kapillare Durchgänge 12.1 aufweist, die in Poren münden, wobei diese Durchgänge in der Form paralleler Kanäle hergestellt sind, die sich in zwei zueinander senkrecht verlaufenden Richtungen erstrecken. Diese Kanäle 12.1 haben hier einen gleichbleibenden Querschnitt und sind miteinander verbunden, um ein Netz zu erzeugen, das ein Labyrinth bildet.
Das unter b) dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft eine Matrix 11.2, die ebenfalls aus einem Block gebildet ist, dessen kapillare Durchgänge 12.2 jedoch in der Form von Schlitzen hergestellt sind, die ebenfalls einen gleichbleibenden Querschnitt haben und miteinander verbunden sind.
Die bei a) und b) dargestellten Ausführungsbeispiele, oder alternativ dazu mit leicht gebogenen kapillaren Durchgängen, haben zur Folge, daß die Struktur eine geringe Hysterese aufweist, wenn sie einem isothermen Kompressions-Entspannungs-Vorgang ausgesetzt wird. Man kommt auf diese Frage der Hysterese bei der Beschreibung der Fig. 13 zurück, da diese Hysterese besonders wichtig im Rahmen einer Untersuchung zur Dissipation von Energie ist.
Bei c) hat man eine kapillare, poröse Matrix 11.3 dargestellt, die aus einem Block gebildet ist, der Kanäle 12.3 mit Querschnittsveränderungen aufweist. Im vorliegenden Fall sind diese Kanäle aus einem Wechsel von kleinen Kapillaren und in Reihe angeordneten Mikrokugeln gebildet. Die Querschnittsveränderungen werden gering gewählt (d. h. mit einem Verhältnis, das zwischen dem maximalen Querschnitt und dem minimalen Querschnitt viel kleiner als 2 ist), wenn die heterogene Struktur vor allem zur Akkumulation von Energie bestimmt ist, und groß gewählt (im Verhältnis von mindestens gleich 2 zwischen dem maximalen Querschnitt und dem minimalen Querschnitt, und wenn möglich viel größer als dieser Wert), wenn die heterogene Struktur vor allem zur Dissipation von Energie bestimmt ist.
Bei d) ist eine Matrix 11.4 dargestellt, die kapillare Durchgänge 12.4 aufweist, die in der Form von gekreuzten Kanälen derart angeordnet sind, daß sie Labyrinthe bilden. Diese Kanäle sind mit einem gleichbleibenden Querschnitt dargestellt, aber es versteht sich von selbst, daß die Ausführungsbeispiele c) und d) miteinander kombiniert werden können, mit Kanälen, die gleichzeitig Querschnittsveränderungen aufweisen und miteinander verbunden sind, um Labyrinthe auszubilden.
Die unter c) und d) gezeigten Ausführungsbeispiels weisen gegenüber den unter a) und b) gezeigten Ausführungsbeispielen eine erhöhte Hysterese auf, wenn die Struktur einem isothermen Kompressions-Entspannungs-Vorgang ausgesetzt wird.
Unter e) ist eine feste Matrix 11.5 dargestellt, die in der Form diskreter Partikel mit kapillarer Porosität ausgeführt ist, die mit der Flüssigkeit 13 eine Suspension oder eine kolloidale Lösung bilden. Diese Partikel können einzeln eine Anordnung kapillarer Kanäle mit gesteuerter komplexer Topologie aufweisen, die in der hier gezeigten Darstellung nicht sichtbar sind. Im linken Abschnitt ballen sich die diskreten Partikel zusammen, und dies entspricht einer minimalen festlflüssig-Trennfläche, insoweit als die in der Umgebung vorhandene Flüssigkeit 13 nicht spontan in die kapillare Porosität der Matrix gelangt. Wenn man einen ausreichenden äußeren Druck ausübt, wird die Flüssigkeit 13 in die kapillare Porosität der Matrix gedrückt, wodurch die festlflüssig-Trennfläche vergrößert wird, wobei die Trennfläche isotherm erweiterbar und reversibel ist.
In bestimmten Fällen ist das Ausgangsmaterial, aus dem die poröse Matrix hergestellt ist, derart, daß es von der ausgewählten Flüssigkeit benetzt wird. In diesem Fall empfiehlt es sich, eine Modifizierung für die Matrix zu finden, um die Hauptbedingung wieder zu erhalten, gemäß der die genannte Matrix gegenüber der betroffenen Flüssigkeit lyophob sein muß. In diesem Fall sind die kapillaren Durchgänge der Matrix, die aus einem von der betroffenen Flüssigkeit üblicherweise benetzten Material hergestellt ist, auf ihrer Oberfläche von einem Mittel überzogen ist, das so ausgewählt wird, daß ihre Oberfläche von der Flüssigkeit 13 nicht benetzt werden kann. In der Fig. 3 hat man mit 14 die Oberfläche eines kapillaren Durchganges 12 bezeichnet, der chemisch so mit einem Mittel überzogen werden kann, daß diese Oberfläche von der Flüssigkeit nicht benetzt werden kann. Man kann dazu silikonorganische oder fluororganische Verbindungen verwenden.
Gemäß einem weiteren besonderen Ausführungsbeispiel kann es vorgesehen sein, daß der die Matrix 11 bildende Block diskrete Partikel umfaßt, die eine ferromagnetische Substanz einschließen. Dies ermöglicht das Ausüben eines bestimmten Einflusses auf den die poröse Matrix bildenden Block, und dies erweist sich insbesondere als vorteilhaft, wenn man, um deren Position zu ändern, die heterogene Struktur verlagern möchte, die im Inneren einer dichten, verschlossenen Umhüllung angeordnet ist, welche man nicht öffnen will.
Das die kapillare, poröse Matrix 11 bildende Material kann beispielsweise ein Kieselsäuregel, eine Silizium- und Chromverbindung, ein Alumosilikat, Tonerde, ein poröses Glas aus Natrium-Borosilikat oder ein Graphit sein. Die dazugehörige Flüssigkeit kann dann ein Salz, ein Flußmittel, ein Elektrolyt, ein Flüssigmetall oder eine Legierung der Flüssigmetalle, ein Eutektikum mit niedriger Temperatur (z. B. Gallium-Indium, Gallium-Indium-Blei oder auch Gallium-Blei-Zinn), Quecksilber, eine wäßrige Lösung, eine polare Lösung (Antigel, Elektrolyt) oder auch ein Woodsches Metal(oder eine andere Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt sein. Es wird darauf hingewiesen, daß das Woodsche Metall eine eutektische Legierung ist, deren Schmelzpunkt bei 95ºC liegt, wobei eine derartige Legierung häufig für das sogenannte Wellenlöten elektronischer Bauteile verwendet wird. Zur Kenntnisnahme kann man die nachfolgenden festflüssig-"Paare" anführen, die sich besonders gut eignen: Kieselsäuregele-Quecksilber, Alumosilikate-Woodsches Metall, Silochrom-Gallium, Paraffin-Wasser.
Die Fig. 4a ist ein Diagramm, das den Druck in Abhängigkeit vom Volumen angibt und einen isothermen Kompressionsvorgang einer heterogenen Struktur mit monoporöser Matrix zeigt. Zwischen den Punkten 1 und 2 der Kurve verhält sich die heterogene Struktur wie ein nahezu kondensiertes System, insoweit als sich ihr Volumen nur äußerst wenig verändert, und dann, wenn ein Grenzdruck erreicht ist (dieser Grenzdruck ist mit PL bezeichnet, da es sich um den kapillaren Druck von Laplace handelt), befindet sich der Abschnitt, der die Punkte 2 und 3 miteinander verbindet und einer großen Volumenveränderung ΔV entspricht, auf einer horizontalen Geraden und hat folglich einen konstanten Druck. Diese Phase entspricht dem erzwungenen Füllen der Flüssigkeit in das Innere der kapillaren Porosität der Matrix. Beim Punkt 3 ist das Füllen der kapillaren Porosität abgeschlossen, so daß man zwischen dem Punkt 3 und dem Punkt 4 erneut ein nahezu kondensiertes System vorfindet. Es ist interessant anzumerken, daß man einen isobaren - isothermen Kompressionsvorgang ohne Phasenübergang erhält. Man erhält diesen dank der porösen, kapillaren Matrix und der dazugehörigen Flüssigkeit, wobei die genannte Matrix gegenüber dieser Flüssigkeit lyophob ist, eine Flüssigkeit, deren Zusammensetzung während des isothermen Kompressionsvorgangs nicht modifiziert wird, wobei die Oberflächenspannung der genannten Flüssigkeit allein von der Temperatur abhängt. Die Arbeit der isobaren - isothermen Kompression der heterogenen Struktur ergibt sich aus dem Produkt des Druckes P und der Volumenveränderung ΔV. Es ist interessant anzumerken, daß man eine Proportionalität zum Druck erhält, im Gegensatz zu den herkömmlichen thermodynamischen Systemen, die Gas oder Dampf einsetzen, bei denen die Arbeit des isothermen Druckes proportional zum Logarithmus des Druckes ist. Dies erklärt, warum man eine mindestens um das sechs- bis achtfache größere Kapazität zur Akkumulation von Energie erhält, verglichen mit der Kapazität, die man mit Gas oder Dampf bei einem vergleichbaren maximalen Druck erhält. Es ist ferner interessant anzumerken, daß die erzwungene Vergrößerung der festlflüssig-Trennfläche und die spontane Verringerung dieser Trennfläche erfolgen, ohne daß es zu einer Unterbrechung der Kontinuität der Flüssigkeit kommt, und folglich ohne jegliche Turbulenz und ohne Cavitation: als Folge davon hat man den Vorteil eines nahezu nicht vorhandenen Geräuschpegels, wenn man eine heterogene Struktur der vorstehend genannten Art einsetzt.
So wie dies weiter oben angegeben wurde, zeigt die Fig. 4a gut das isobare-isotherme Phänomen des Kompressionsvorgangs der heterogenen Struktur mit monoporöser Matrix (eine einzige Porenabmessung, d. h. r = konstant oder δr/δV = 0). Das isotherme Phänomen geht, was die Bedingungen angeht, aus dem Versuch hervor (T = konstant), während das isobare Phänomen sich aus der Formulierung des kapillaren Druckes von Laplace ergibt: wenn nämlich das System mit T = konstant arbeitet, ist notwendigerweise a = konstant, und man erhält immer P = konstant aufgrund der Monoporosität der verwendeten Matrix (denn r ist konstant, und folglich ist δr/δV = 0).
Es ist dennoch möglich, die verschiedensten Eigenschaften der heterogenen Strukturen vom Diagramm aus zu erhalten, das P in Abhängigkeit von V angibt.
So zeigt die Fig. 4b verschiedene Eigenschaften heterogener Strukturen, die aus Matrizen aus porösem Glas und einer dazugehörigen Flüssigkeit hergestellt sind, bei der es sich um Quecksilber handelt. Im vorliegenden Fall sind es keine monoporösen Matrizen mehr, d. h., daß r variabel ist, und folglich daß δr/δV + 0 ist.
Mit einer nicht monoporösen Matrix, die aus einer Mischung aus verschiedenen Matrizen gebildet ist, kann man die heterogene Struktur gemäß einem der Aspekte der Erfindung wirksam zur Akkumulation von Energie einsetzen. Die Kurven 1, 2, 3 des Diagramms der Fig. 4b stellen unterschiedliche Fälle dar, die man erhält, wenn man verschiedene Arten von Matrizen mischt (in Pulverform, als Körner), beispielsweise fünf bis zehn unterschiedliche Matrizen, und man das Teilvolumen Vi jeder der Matrizen verändert und ihre Radien rj = konstant sind:
- die nahezu konvexe Kurve 1 entspricht einem überwiegenden Verhältnis an Teilvolumen Vi der Matrizen, die einen minimalen rj haben (folglich maximalen P) bezogen auf die Volumen Vj der Matrizen, die einen maximalen rj (folglichen minimalen P) haben, und man stellt fest, daß diese heterogene Struktur vor allem mit hohen Drücken komprimiert wird;
- die nahezu konkave Kurve 2 entspricht umgekehrt dazu einem überwiegenden Verhältnis an Teilvolumen Vi der Matrizen, die einen maximalen ri (folglich minimalen P) haben, bezogen auf die Volumen Vj der Matrizen, die einen minimalen rj (folglich maximalen P) haben, und man stellt fest, daß diese heterogene Struktur im wesentlichen mit niedrigen Drücken komprimiert wird;
- die nahezu lineare Kurve 3 entspricht einem ausgewogenen Verhältnis, mit einer ausgewogenen volumetrischen Verteilung der Teilvolumen der Matrizen mit unterschiedlichen Poren- und Kapillarengrößen.
So wie dies weiter unten beschrieben wird, ist es möglich vorzusehen, daß die heterogene Struktur in eine elastische oder analoge Umhüllung eingekapselt wird, die sie vor jeglichem Kontakt mit einer anderen äußeren Flüssigkeit schützt, die in der betroffenen thermodynamischen Vorrichtung bzw. dem System verwendet wird.
In der Fig. 6 erkennt man einen Energieakkumulator 20, der eine heterogene Struktur 10 der vorstehend genannten Art umschließt, bei dem das betroffene hydraulische Fluid, das durch ein Rohr 23 läuft, sich als Flüssigkeit eignet, die für die betroffene heterogene Struktur nicht netzend ist. In diesem Fall ist es in keinster Weise notwendig, eine Einkapselung der heterogenen Struktur vorzusehen. So erkennt man ein Gehäuse 21 aus zwei Teilen, die miteinander auf dichte Weise zusammengefügt sind, mit einer dazugehörigen Dichtung 22, wobei die im Inneren des Gehäuses 21 untergebrachte heterogene Struktur eine poröse, kapillare, lyophobe Matrix 11 umfaßt, die hier in der Form einer Vielzahl unterschiedlicher Querschnitte dargestellt ist, die von der dazugehörigen, in dem Rohr 23 fließenden Flüssigkeit 13 nicht benetzt sind. Es kann sich beispielsweise um ein hydraulisches System handeln, in dem periodisch ein Überschuß oder ein Mangel an Energie des Antriebsfluids auftritt.
In anderen Fällen kann es sich als notwendig erweisen, jeden Kontakt zwischen der heterogenen Struktur und dem hydraulischen Arbeitsfluid zu vermeiden. Dann sieht man eine Einkapselung oder Umhüllung der heterogenen Struktur vor, wie dies in den Varianten in den Fig. 7 bis 9 dargestellt ist.
So erkennt man in der Fig. 7 einen Energieakkumulator 24, der aus einer starren äußeren Umhüllung 21 aus zwei Teilen gebildet ist, die eine Trennmembran 25 einklemmen, welche eine elastische Membran bildet. Die heterogene Struktur 10 ist in der Kammer untergebracht, welche die elastische Membran begrenzt, wobei sie so von jeglichem Kontakt mit dem hydraulischen Fluid 26 isoliert ist, das in dem Rohr 23 fließt. Im vorliegenden Fall hat man eine heterogene Struktur der Art dargestellt, die aus diskreten Partikeln 11 mit kapillarer offener Porosität 12 von gesteuerter komplexer Topologie gebildet ist, die mit der Flüssigkeit 13 eine Suspension bildet.
Die Fig. 8 zeigt einen weiteren Energieakkumulator 27, der wie vorher auch eine starre Umhüllung 21 umfaßt, deren Kammer, welche die heterogene Struktur aufnimmt, von dem betroffenen, durch das Rohr 23 fließenden hydraulischen Fluid 26 isoliert ist. Anstelle der vorstehend genannten elastischen Membran hat man hier ein Gitter 28 vorgesehen, das eine Vermaschung aufweist, deren Öffnungen 29 ausreichend klein sind, um die Kapseln, welche die heterogene Struktur 10 einschließen, nicht durchtreten zu lassen. In der Fig. 8 hat man mit stark vergrößertem Maßstab Kapseln (in Form von "Bonbons") dargestellt, die eine heterogene Struktur mit poröser Matrix 11 umschließen, die kapillare offene Kanäle 12 mit gesteuerter komplexer Topologie aufweisen, mit rundherum dazugehöriger Flüssigkeit 13, gegenüber der die Matrix lyophob ist. In diesem Fall ist die heterogene Struktur in einer Kapsel eingeschlossen, deren Durchmesser größer als der der Öffnungen 29 ist. Man kann Kapseln aus Kunststoff, aus Polymeren oder Metall verwenden, um die in der starren Umhüllung 21 eingeschlossene heterogene Struktur von dem Fluid 26 zu isolieren. Ferner kann man gegebenenfalls magnetische Partikel in dem Gewebe der jedes "Bonbon" bildenden Umhüllung aufnehmen.
Außerdem kann man eine dichte Einkapselung vorsehen, indem man die erfindungsgemäße heterogene Struktur in metallene Balgen einschließt, wie dies in der Fig. 9 dargestellt ist. Man erkennt in der Tat drei Balgen 31, deren Innenraum von einer erfindungsgemäßen heterogenen Struktur 10 eingenommen wird, wobei diese drei Balgen 31 in einem dichten Gehäuse 32 untergebracht sind, in dem aus dem Rohr 23 stammendes, hydraulisches Arbeitsfluid 26 fließt.
Wenn man ein Verfahren zur Einkapselung der heterogenen Struktur einsetzt, ist es vorteilhaft, eine Bearbeitung unter Vakuum durchzuführen, derart, daß man die Luft ableitet, denn diese Luft stellt in energetischer Hinsicht einen uninteressanten Stoff dar.
Die Fig. 10 zeigt eine Ausführung zur Akkumulation mechanischer Energie bei konstanter Temperatur, mit einer heterogenen Struktur gemäß der Erfindung, die in einer geschlossenen Kammer eines Systems mit Kolben und Zylinder untergebracht ist. So erkennt man eine Vorrichtung 40 mit einem Zylinder 41, in dem ein Kolben 42 gleitet, dessen Stange das Bezugszeichen 43 hat. Die ringförmige Kammer hat das Bezugszeichen 44 und die Kammer mit gefülltem Querschnitt das Bezugszeichen 45. In dieser letztgenannten Kammer ist eine heterogene Struktur 10 mit poröser, kapillarer Matrix mit gesteuerter komplexer Topologie angeordnet, die gegenüber der dazugehörigen Flüssigkeit lyophob ist. Die hier gezeigte schematische Darstellung symbolisiert lyophobe Poren, in denen die Flüssigkeit während der Kompression bei a) enthalten ist, während diese Flüssigkeit während der spontanen Entspannung bei b) aus den Poren heraustritt. Während der Kompression der heterogenen Struktur wird die Flüssigkeit bei einer konstanten Temperatur in die kapillaren Durchgänge der festen Matrix dieser Struktur gedrückt, mit der Folge, daß die festlflüssig-Trennfläche (ΔΩ > 0) und das Gibbspotential des Systems (ΔG > 0) vergrößert werden. So erkennt man bei a) eine erzwungene Ausdehnung der Trennfläche (ΔΩ > 0), wohingegen bei einem Nachlassen des Druckes die Trennfläche (ΔΩ < 0) wie auch das Gibbspotential (ΔG < 0) abnehmen. Die während der erzwungenen Kompression akkumulierte Energie kann so durch eine spontane isotherme Entspannung rückgewonnen werden, um eine Nutzarbeit zu leisten. Hier hat man die Nutzarbeit schematisch durch die Zerstörung eines Stabes 46 dargestellt, an dem das Ende der Kolbenstange 43 zur An lage kommt. Im vorliegenden Fall ist die während der erzwungenen Kompression zugeführte Energie im wesentlichen mechanisch. Ferner sieht man vor, daß die gewählte konstante Temperatur, bei der die Kompression ausgeführt wird, unter der Hälfte der kritischen Temperatur der Flüssigkeit der heterogenen Struktur liegt, während sie gleichzeitig über der Schmelztemperatur dieser Flüssigkeit liegt. In diesem Fall ist die anschließend während der spontanen isothermen Entspannung rückgewonnene Energie im wesentlichen mechanisch.
Die Fig. 11 zeigt eine Vorrichtung 50, bei der das Prinzip zur Akkumulation mechanischer Energie, das vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 10 dargelegt wurde, angewendet wird.
Man erkennt erneut ein System aus Zylinder und Kolben mit einem Zylinder 51, in dem ein Kolben 52 gleitet, dessen Stange das Bezugszeichen 53 hat. Die ringförmige Kammer hat das Bezugszeichen 54 und die Kammer mit gefülltem Querschnitt das Bezugszeichen 55. In dieser letztgenannten ist eine erfindungsgemäße heterogene Struktur 10 untergebracht, wobei die Struktur in diesem Fall in einer Umhüllung 33 eingehüllt ist, die ausreichend elastisch ist, um die Druckkräfte zu übertragen und gleichzeitig den Kontakt mit dem hydraulischen, in der Kammer 55 vorhandenen Fluid zu vermeiden. Der Pfeil A entspricht der Richtung der Belastung und der Pfeil B der Richtung der Entlastung. Man hat ein Ventil 59 vorgesehen, daß die Kammern 54 und 55 des Zylinders über eine variable Drosselung miteinander verbindet. Ein Verteiler 56 gewährleistet die Verbindung dieses Systems entweder mit einer hydraulischen Quelle, die aus einer Pumpe 57.1 und ihrem dazugehörigen Behälter 58.1 gebildet ist, oder mit einem Energieverbrauchsmittel, das aus einem hydraulischen Motor 57.2 gebildet ist, dessen dazugehöriger Behälter das Bezugszeichen 58.2 hat. Es reicht aus, auf den Verteiler 56 einzuwirken, indem man die linke Position wählt, um die Belastung zu erzeugen, oder die rechte Position, um die Entlastung herzustellen, und die neutrale Position zur Absperrung. Eine derartige Vorrichtung 50 kann auf verschiedene Arten funktionieren:
- Aufladen des Akkumulators und Entladen über die Kolbenstange: beim Aufladen ist der Verteiler 56 in neutraler Stellung und die heterogene Struktur wird komprimiert, und der Kolben kann in maximaler Rückzugsstellung festgestellt werden, indem man das Ventil 59 schließt; indem man das Ventil 59 wieder öffnet, setzt man die akkumulierte Energie frei, und die Kolbenstange kann eine Nutzarbeit ausführen, wobei als vereinbart gilt, daß man den Kolbenhub jederzeit anhalten kann, indem man das Ventil 59 schließt;
- hydraulisches Laden und Entladen des Akkumulators: vor dem Laden wird der Verteiler 56 derart in seine äußerste rechte Stellung gebracht, daß die Pumpe 57.1 die heterogene Struktur komprimiert, und daraufhin wird der Verteiler in seine neutrale Stellung zurückgestellt; die Freisetzung der akkumulierten Energie erfolgt dadurch, daß man den Verteiler in seine äußerste linke Stellung bringt, wobei die Nutzarbeit von dem Hydromotor 57.2 ausgeführt wird;
- mechano-hydraulisches Laden des Akkumulators und Entladen des Akkumulators: die vorstehend genannte Ausführung wird abgewandelt, indem man das Ventil 59 öffnet, nachdem der Verteiler 56 in die neutrale Stellung zurückgebracht wurde, um durch die Kolbenstange eine Nutzarbeit rückzugewinnen.
Im vorliegenden Fall ist die heterogene Struktur folglich in einer geschlossenen Kammer mit veränderlichen Volumen aufgenommen, die von einem gleitenden Kolben begrenzt ist. Es versteht sich von selbst, daß man alternativ dazu eine Vorrichtung der Art einsetzen kann, wie sie in der Fig. 7 oder 8 gezeigt ist, bei der eine elastische Membran 25 oder ein Gitter 28 verwendet wird.
Als Ausführungsvariante des vorstehend genannten Vorganges kann man vorsehen, daß die während der erzwungenen Kompression der heterogenen Struktur zugeführte Energie im wesentlichen thermisch ist. In diesem Fall ist es offensichtlich, daß die konstante Temperatur zwischen 0,5 und 1,0 mal der kritischen Temperatur Tc der Flüssigkeit der heterogenen Struktur gewählt werden muß (gemäß den Erläuterungen, die weiter unten in Bezug auf die Fig. 5 gemacht werden). Die anschließend während der spontanen, isothermen Entspannung rückgewonnene Energie ist dann im wesentlichen thermisch.
In der Fig. 12 ist ein Wärmeenergieakkumulator dargestellt, der das Verfahren der Erfindung einsetzt. So erkennt man eine Vorrichtung 60 mit einem Zylinder 61, in dem ein Kolben 62 gleitet, dessen Stange das Bezugszeichen 63 hat. Mit den Bezugszeichen 64 und 65 hat man die ringförmige Kammer bzw. die Kammer mit gefülltem Querschnitt des Zylinders bezeichnet, wobei die heterogene Struktur 10 in dieser letztgenannten Kammer untergebracht ist. Im vorliegenden Fall zirkuliert ein Wärmeträger um den Zylinder 61 herum, wobei die gesamte Einheit in einer wärmeisolierten Ummantelung 66 untergebracht ist. Die Zuführungsleitung 68 hat einen Verteiler 69, der ein Verbinden dieser Leitung entweder mit einer Kaltfluidquelle 71 oder mit einer Warmfluidquelle 72 ermöglicht. Ferner hat man schematisch ein Gesperre 67 dargestellt, das ein Verriegeln des Kolbens am Ende der Phase der isothermen Kompression ermöglicht, wodurch wiederum ein Speichern der akkumulierten Energie ermöglicht wird. Will man diese Energie rückgewinnen, reicht es aus, das Gesperre 67 zu entriegeln, wodurch die spontane Austreibung der Flüssigkeit aus der kapillaren, porösen Struktur der Matrix gestattet wird. Der Nutzauslaß dieses Wärmeakkumulators hat das Bezugszeichen 70.
Bei einer isothermen Kompression kommt die latente Wärme der Oberflächenformation von außen über das Heizmittel der Quelle 72. So findet man am Einlaß eine kleine Menge an mechanischer, auf die Stange 63 aufgebrachter Energie und eine große Menge an thermischer Energie von dem Heizmittel. Während der Kompression ist der Verteiler 69 in seiner äußersten linken oder rechten Stellung, so daß man die Akkumulation von Wärmeenergie erreicht, insoweit als die für das Heizmittel gewählte Temperatur den Wert von 0,5 mal der kritischen Temperatur Tc der Flüssigkeit der heterogenen Struktur übersteigt. Je höher diese gewählte Temperatur ist, desto größer ist die Modifizierung der Trennfläche, und desto größer ist folglich die Kapazität der Energieakkumulation der heterogenen Struktur. Wenn man den Verteiler 69 in seine äußerste rechte Stellung schiebt, überträgt man die zuvor akkumulierte Wärmeenergie, und man löst das Gesperre 67, um dem Kolben ein spontanes Verschieben nach rechts unter der Wirkung des Druckes zu ermöglichen, der durch die aus den Poren und Kapillaren austretende Flüssigkeit der heterogenen Struktur ausgeübt wird. Die Trennfläche zieht sich spontan zusammen, wodurch die interne Energie des zu wärmenden Mittels der Quelle 71 aufgrund der Freisetzung der latenten Wärme der Oberflächenformation während des Zusammenziehens dieser Trennfläche erhöht wird.
Das Diagramm der Fig. 5 zeigt die Veränderungen des Verhältnisses zwischen der mechanischen und der thermischen Komponente der internen Energie in Abhängigkeit von der Temperatur, oder genauer gesagt des Verhältnisses zwischen der gewählten konstanten Temperatur und der kritischen Temperatur Tc der Flüssigkeit der heterogenen Struktur. Dieses Diagramm zeigt einen Punkt A, welcher der Identität zwischen der mechanischen und der thermischen Komponente entspricht, und dies für einen Temperaturwert, der gleich der Hälfte der vor stehend genannten kritischen Temperatur (0,5xTc) ist. Bei Temperaturen T1, die größer als dieser Grenzwert sind, hat man im wesentlichen einen Vorgang der Akkumulation von Wärmeenergie, während man bei einer Temperatur T2, die unter diesem Grenzwert liegt, im wesentlichen einen Vorgang der Akkumulation mechanischer Energie hat.
Falls erforderlich, wäre es möglich vorzusehen, daß die akkumulierte Energie am Ende der Phase der erzwungenen Kompression über einen bestimmten Zeitraum durch Abkühlen der heterogenen Struktur auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur der Flüssigkeit der genannten Struktur gespeichert wird, bevor sie im gewünschten Augenblick durch einfaches Erwärmen der genannten Struktur auf eine Temperatur über der vorstehend genannten Schmelztemperatur freigesetzt wird.
Das Diagramm der Fig. 13 zeigt verschiedene Zyklen aus isothermer Kompression-Entspannung, mit vier Zyklen, welche die Rücklaufgeraden für die Entspannung angeben und mit C1, C2, C3, C4 bezeichnet sind, die den unterschiedlichen konstanten Druckwerten entsprechen. Bei der Geraden C1 ist die Abweichung gegenüber der isothermen Kompression gering (beispielsweise nahe 5%), und dies wird durch eine Topologie der porösen, kapillaren Matrix erreicht, die eine geringe Hysterese in dem Vorgang aus isothermer Kompression-Entspannung der heterogenen Struktur aufweist. Im Gegensatz dazu entspricht die Gerade C4 einer maximalen Hysterese, und dies ist insbesondere bei der Dissipation von Energie von Vorteil.
Die Fig. 14 zeigt zwei unterschiedliche Zyklen D1, D2 isothermer Kompression, mit, auf Abszissen, dem Füllverhältnis der kapillaren Porosität mit gesteuerter komplexer Topologie der Matrix der heterogenen Struktur durch die dazugehörige · Flüssigkeit, gegenüber der die Matrix lyophob ist. Durch dieses Diagramm stellt man fest, daß die erzwungene Kompression ein völliges Absorbieren der zugeführten Energie ermöglicht, wobei das System in einem komprimierten Zustand bleibt, ohne sich zu entspannen. Dies erhält man nur dann, wenn man über eine erhöhte Hysterese verfügt. In diesem Fall findet man eine echte Stabilität der heterogenen Struktur im komprimierten Zustand.
Beispielhaft hat man in den Fig. 18 bis 20 die Eigenschaften aufgezeigt, die man im Rahmen von Versuchen erhalten hat, die bei einem Schwingungsdämpfer (Anti-Flattern) für ein Großraumflugzeug durchgeführt worden sind, wobei der Dämpfer in sich eine erfindungsgemäße heterogene Struktur hat.
Genauer gesagt setzt sich der betroffene Dämpfer aus einem Zylinder und zwei Kolben mit entgegengesetzten Stangen zusammen, wobei der Raum, der zwischen den beiden Kolben begrenzt wird, deren Verschiebungen durch die Zylinderwände geführt werden, eine Arbeitskammer bildet: dann hat man diese Arbeitskammer mit einer besonderen heterogenen Struktur gefüllt, mit einer Matrix aus porösem Silikagel, das modifiziert wurde, um mittels silikonorganischer Substanzen lyophob zu werden, und einer dazugehörigen Flüssigkeit, gegenüber der die Matrix folglich lyophob ist und die im vorliegenden Fall aus Wasser besteht, das ein Antigel enthält.
Man setzte einen derartigen mit einer heterogenen Struktur versehenen Dämpfer einer sinusförmigen Belastung aus (bis hin zu einer Frequenz nahe von 20 Hz), die im Bereich der Endauflager der zu den Kolben gehörenden Stangen aufgebracht wird. Die Kolbendurchmesser lagen bei 30 mm, und der maximale Hub jedes Kolbens (mit seiner Stange) betrug 8,5 mm.
Das in der Fig. 18 dargestellte Diagramm aus Kraft/erzielter Hub zeigt, daß die Absorption von Energie der Flatterschwingungen der heterogenen Struktur sehr leistungsfähig ist. Man erreicht eine nahezu statische Eigenschaft für den Dämpfer. Als man die Geschwindigkeit der Verschiebung von 1,8 auf 48 mm /Minute änderte, konnte man feststellen, daß alle Eigenschaften, die bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten verzeichnet werden, zusammenfielen.
Das Diagramm der Fig. 19, welches die absorbierte Energie in Abhängigkeit von dem Hub während eines nahezu statischen Zyklus darstellt, zeigt genau, daß ab · einer Verschiebung von etwa 2 mm die absorbierte Energie in Abhängigkeit von dem Hub der Kolbenstange linear variiert.
Das Diagramm der Fig. 20, das die absorbierte Energie in Abhängigkeit von der Belastungsfrequenz darstellt, zeigt eine fast völlige Unabhängigkeit der absorbierten Energie. Man sieht, daß der Frequenzdurchgangsbereich ausreichend groß für die in Betracht gezogenen Energien und Kräfte ist.
Die Fig. 15 zeigt eine Vorrichtung 80 zur Dissipation von Energie, die eine heterogene Struktur der vorstehend genannten Art einsetzt. Das übliche Anwendungsgebiet bilden die Stoßdämpfer. So umfaßt die Vorrichtung 80 eine Umhüllung 81, die starr mit dem zu schützenden Objekt 82 verbunden ist und von einem Aufsatz 83 verschlossen wird, in dem eine Kolbenstange 84 dank zweier Dichtungen 87 abgedichtet gleitet. Ein innerer Anschlag ist vorgesehen und hat das Bezugszeichen 89. Im Inneren der Umhüllung 81 ist eine heterogene Struktur 10 angeordnet, die in der Form einer elastischen Umhüllung hergestellt sein kann, die gegenüber der in der Umgebung vorhandenen Flüssigkeit permeabel ist und Partikel in Pulverform einschließt, welche die lyophobe, kapillare, poröse Matrix bilden, oder alternativ dazu eine kapillare Struktur 86 (welche die lyophobe Matrix 11 der heterogenen Struktur bildet), die im Inneren der Umhüllung 81 in Umfangsrichtung angeordnet ist, sowie eine Flüssigkeitskammer 85 (welche die dazugehörige Flüssigkeit 13 der heterogenen Struktur bildet). Im Falle einer Umhüllung kann man hydraulisch durchdringbare Trägereinsätze 88 vorsehen.
In diesem Fall wird in einer geschlossenen Kammer 85 mindestens eine heterogene Struktur mit lyophober, poröser, kapillarer Matrix mit gesteuerter komplexer Topologie angeordnet, und man setzt diese Struktur durch einen Stoß einer erhöhten Kompression aus, wobei der Stoß symbolisch durch den Pfeil F dargestellt ist, der auf das Ende der Kolbenstange 84 ausgeübt wird. Dies zwingt die Flüssigkeit der heterogenen Struktur in die kapillaren Durchgänge ihrer porösen Matrix, und vergrößert so die festlflüssig-Trennfläche, woraufhin man die Struktur sich spontan auf einen vorgegebenen niederen Druck entspannen läßt. Man stellt fest, daß die Kolbenstange 84 in die Richtung des vorgesehenen Stoßes gerichtet ist.
Schließlich werden zwei besondere, die Erfindung einsetzende Ausführungsbeispiele mit Hilfe eines Diagramms über isotherme Kompression-Entspannung (das den Druck P in MPa in Abhängigkeit von ΔVN angibt) beschrieben, das mit einer besonderen heterogenen Struktur erhalten wird, deren kapillare Matrix ein Block aus porösem Glas mit Mikroporen ist, mit einer gesteuerten komplexen Topologie, und deren dazugehörige Flüssigkeit ein Woodsches Metall mit niedrigem Schmelzpunkt (95ºC) ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Abmessung der Mikroporen in der Größenordnung von 2 · 10&supmin;&sup8; m liegen kann.
In der Fig. 16 erkennt man die Kurve F, welche die Kompressionskurve bei Umgebungstemperatur (22ºC) der fest gewordenen fest/flüssig-Matrizeneinheit ist.
Man beginnt, diese Einheit auf eine Temperatur von 95ºC zu erwärmen, die der Schmelztemperatur des Woodschen Metalls enspricht. Man komprimiert die heterogene Struktur, indem man folglich die Punkte 2, 3, 4, 5 in dem dargestellten Diagramm E1 durchläuft. Anschließend senkt man den Druck etwas ab bis auf einen Wert, der leicht über dem Druck von Laplace liegt, um zum Punkt A zu gelangen, und dann kühlt man die Einheit auf Umgebungstemperatur ab, so daß sich die Flüssigkeit verfestigt und über lange Zeit gespeichert werden kann. Wenn man die Einheit erneut auf die Schmelztemperatur der erstarrten Flüssigkeit erwärmt, kann sich der Entspannungszyklus ab dem Punkt A fortsetzen, indem man die Punkte 6, 7, 8 miteinander verbindet. Der Punkt 8 fällt mit dem Ausgangspunkt 2 zusammen, insoweit als der Vorgang, wie dies weiter oben erwähnt wurde, reversibel ist.
Die Fig. 17 zeigt eine Variante des Diagramms der vorhergehenden Figur, mit einem Diagramm E2, in dem man am Ende des Kompressionszyklus den Druck bis auf einen niederen Druck absenkt, der unter dem Druck von Laplace liegt. Die Vorrichtung wird abgekühlt und verfestigt sich, und kann über einen sehr langen Zeitraum im festen Zustand bleiben. Wenn man die Temperatur der Probe erneut auf die Schmelztemperatur des Woodschen Metalls erhöht, setzt sich das System frei und führt eine mechanische Arbeit mit einer großen Kraft und einem großen Hub aus (Punkte B, 6, 7, 8).
Eine derartige Speicherung von Energie findet zahlreiche Anwendungen, und man kann beispielsweise die Entfaltung von Satellitensolarpanelen anführen, oder die Erzeugung von automatischen Sicherheitssystemen, die, was die Energie betrifft, vollkommen autonom sind.
Insbesondere stellt man angesichts der Diagramme der Fig. 16 und 17 fest, daß die erfindungsgemäße heterogene Struktur Eigenschaften besitzt, die mit denen von sogenannten Materialien mit Formgedächtnis vergleichbar sind. Während jedoch das herkömmliche Formgedächtnis ein Übergang des martensitischen Zustandes in den austenitischen Zustand ist, geschieht es im vorliegenden Fall durch eine Ausdehnung der Kontaktfläche (oder Trennfläche) unter einer von außen wirkenden Kraft, mit einem anschließenden spontanen Vorgang der Energiefreisetzung (Reduzierung der Kontaktfläche) und einer Rückgewinnung der mechanischen Nutzarbeit. Außerdem hat die erfindungsgemäße heterogene Struktur deutliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Materialien mit Formgedächtnis (beispielsweise Ti - Ni, Kupferlegierungen), insoweit als die Werte der Kräfte und der Dilatationshübe bei der erfindungsgemäßen heterogenen Struktur viel höher sind. Zum Vergleich variiert die Dilatation der herkömmlichen Materialien mit Formgedächtnis von 2 bis 8%, während man mit einer erfindungsgemäßen heterogenen Struktur Werte von 40 bis 80% erhält. Die durch die heterogene Struktur entwickelte Kraft kann ferner große Werte annehmen (einige Tausend bis mehrere Millionen Newton), wohingegen die Legierungen Ti - Ni kaum 10 bis 100 Newton übersteigen können.
Die Erfindung ist nicht auf die soeben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt vielmehr jede Variante, welche die wesentlichen weiter oben dargelegten Merkmale fortführt.

Claims

1. Heterogene Struktur (10) zur Akkumulation oder Dissipation von Energie, wobei die Struktur dazu bestimmt ist, in thermodynamischen Vorrichtungen oder Systemen eingesetzt zu werden und von der Art mit einer festen, kapillaren, porösen Matrix und mit einer diese Matrix umgebenden Flüssigkeit ist, wobei die genannte Matrix gegenüber der genannten Flüssigkeit lyophob ist, dadurch gekennzeichnet, daß die feste, kapillare, poröse Matrix (11) eine kapillare, offene Porosität und eine gesteuerte komplexe Topologie hat, mit kapillaren Durchgängen (12) mit Querschnittsveränderungen, d. h. deren Querschnittsradius sich im Inneren eines gleichen Durchganges verändert, und die Flüssigkeit (13), welche die poröse, kapillare Matrix (11) umgibt, ausgewählt wird, um eine festflüssig-Trennfläche festzulegen, die auf isotherme Weise erweiterbar und abhängig von dem äußeren Druck, dem die Struktur ausgesetzt ist, reversibel ist.

2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillaren Durchgänge (12.3, 12.4) mit Querschnittsveränderungen in der Form von gekreuzten Kanälen, Kanälen im Wechsel mit Einschnürungen oder im Wechsel mit Mikrokugeln angeordnet sind, auf eine Art, daß sie eine erhöhte Hysterese aufweisen, wenn die Struktur einem isothermen Kompressions- Entspannungs-Vorgang ausgesetzt wird.

3. Heterogene Struktur zur Akkumulation oder Dissipation von Energie (10), wobei die Struktur dazu bestimmt ist, in thermodynamischen Vorrichtungen oder Systemen eingesetzt zu werden und von der Art mit einer festen, kapillaren, porösen Matrix und mit einer diese Matrix umgebenden Flüssigkeit ist, wobei die genannte Matrix gegenüber der genannten Flüssigkeit lyophob ist, dadurch gekennzeichnet, daß die feste, kapillare, poröse Matrix (11) eine kapillare, offene Porosität und eine gesteuerte komplexe Topologie hat, mit kapillaren Durchgängen (12), die miteinander verbunden sind, um Labyrinthe auszubilden, und die die poröse, kapillare Matrix (11) umgebende Flüssigkeit (13) ausgewählt wird, um eine festlflüssig-Trennfläche festzule gen, die isotherm erweiterbar und abhängig von dem äußeren Druck, dem die Struktur ausgesetzt ist, reversibel ist.

4. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verbundenen kapillaren Durchgänge (12.1, 12.2) in Form von zylindrischen Kanälen, leicht gebogenen Kapillaren oder Schlitzen so angeordnet sind, daß sie eine geringe Hysterese aufweisen, wenn die Struktur einem isothermen Kompressions-Entspannungs-Vorgang ausgesetzt wird.

5. Heterogene Struktur (10) zur Akkumulation oder Dissipation von Energie, wobei die Struktur dazu bestimmt ist, in thermodynamischen Vorrichtungen oder Systemen eingesetzt zu werden und von der Art mit einer festen, kapillaren, porösen Matrix und mit einer diese Matrix umgebenden Flüssigkeit ist, wobei die genannte Matrix gegenüber der genannten Flüssigkeit lyophob ist, dadurch gekennzeichnet, daß die feste, kapillare, poröse Matrix (11) eine kapillare, offene Porosität und eine gesteuerte komplexe Topologie hat, mit kapillaren Durchgängen (12) mit Querschnittsveränderungen, d. h. deren Querschnittsradius sich im Inneren eines gleichen Durchganges verändert, und die darüber hinaus miteinander verbunden sind, um Labyrinthe auszubilden, und die die poröse kapillare Matrix (11) umgebende Flüssigkeit (13) ausgewählt wird, um eine festflüssig-Trennfläche festzulegen, die isotherm erweiterbar und abhängig von dem äußeren Druck, dem die Struktur ausgesetzt ist, reversibel ist.

6. Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (11.5), deren kapillare Durchgänge (12.5) Querschnittsveränderungen aufweisen und miteinander verbunden sind, in der Form diskreter Partikel hergestellt ist, die mit der Flüssigkeit eine Suspension oder eine kolloidale Lösung bilden.

7. Struktur nach einem der Ansprüche 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillaren Durchgänge (12) auf ihrer Oberfläche (14) von einem Mittel überzogen sind, das ausgewählt wird, um sie gegenüber der ausgesuchten Flüssigkeit lyophob zu machen, und beispielsweise eine silikonorganische oder eine fluororganische Verbindung ist.

8. Struktur nach einem der Ansprüche 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (11) diskrete Partikel umfaßt, die eine ferromagnetische Sub stanz einschließen und/oder das Material der Kapsel, welche die genannte Matrix umhüllt, ferromagnetische Substanzen einschließt.

9. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der porösen, kapillaren Matrix (11) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus den Kieselsäuregelen, den Silizium- und Chromverbindungen, den Alumosilikaten, der Tonerde, den porösen Gläsern und dem Graphit besteht, und die dazugehörige Flüssigkeit (13) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus den Salzen, den Flußmitteln, den Flüssigmetallen und ihren Legierungen, den Eutektika mit niedriger Temperatur, dem Quecksilber, den Woodschen Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt, den wäßrigen Lösungen und den polaren Lösungen besteht.

10. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer elastischen oder analogen Umhüllung (21, 25; 21, 28; 31) eingekapselt ist, die sie vor jeglichem Kontakt mit einer anderen äußeren Flüssigkeit schützt, die in der betroffenen thermodynamischen Vorrichtung oder dem System verwendet wird.

11. Verfahren zum Einsetzen einer heterogenen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Akkumulation der Energie, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer geschlossenen Kammer (45, 55, 65) mindestens eine heterogene Struktur (10) anordnet, deren lyophobe Matrix nicht monoporös ist, indem man sie aus einer Mischung aus verschiedenen Matrizen gebildet hat, und man diese Struktur einer erzwungenen Kompression bei vorgegebener, gleichbleibender Temperatur aussetzt, um die Flüssigkeit dieser Struktur in die kapillaren Durchgänge ihrer porösen, festen Matrix zu drücken und so die festlflüssig-Trennfläche zu vergrößern, wobei die während dieser erzwungenen Kompression gespeicherte Energie anschließend durch eine spontane isotherme Entspannung rückgewonnen werden kann, um eine Nutzarbeit zu bewirken.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die während der erzwungenen Kompression zugeführte Energie im wesentlichen mechanisch ist, und die gewählte gleichbleibende Temperatur unter der Hälfte der kritischen Temperatur der Flüssigkeit der heterogenen Struktur (10), jedoch über der Schmelztemperatur der genannten Flüssigkeit liegt, wobei die an schließend während der spontanen isothermen Entspannung rückgewonnene Energie im wesentlichen mechanisch ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die während der erzwungenen Kompression zugeführte Energie im wesentlichen thermisch ist, und die gewählte gleichbleibende Temperatur zwischen 0,5 und 1,0 mal der kritischen Temperatur der Flüssigkeit der heterogenen Struktur (10) liegt, wobei die anschließend während der spontanen isothermen Entspannung rückgewonnene Energie im wesentlichen thermisch ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherte Energie am Ende der Phase der erzwungenen Kompression durch Abkühlen der heterogenen Struktur auf eine Temperatur unter der Schmelztemperatur der Flüssigkeit der genannten Struktur gespeichert wird, bevor sie im gewünschten Augenblick durch einfaches Erwärmen der genannten Struktur auf eine Temperatur über der vorstehend genannten Schmelztemperatur freigesetzt wird.

15. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine geschlossene Kammer mit veränderlichem Volumen hat, in der mindestens eine heterogene Struktur (10) nach einem der Ansprüche 1, 3, 5 untergebracht ist, wobei die genannte Kammer von einem gleitenden Kolben (42, 52, 62) oder von einer elastischen oder analogen Membran (25, 28) begrenzt ist.

16. Verfahren zum Einsetzen einer heterogenen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Dissipation der Energie, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer geschlossenen Kammer (85) mindestens eine heterogene Struktur (10) anordnet, deren lyophobe Matrix monoporös ist oder nicht, und man diese Struktur durch einen Stoß einer erhöhten Kompression aussetzt, um die Flüssigkeit dieser Struktur in die kapillaren Durchgänge ihrer porösen, festen Matrix zu drücken und auf diese Weise die festflüssig-Trennfläche zu vergrößern, woraufhin man die Struktur sich spontan auf einen vorgegebenen niederen Druck entspannen läßt.

17. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine geschlossene Kammer mit veränderlichem Volumen (85) hat, in der mindestens eine heterogene Struktur (10) nach einem der Ansprüche 1, 3, 5 untergebracht ist, wobei die genannte Kammer von einem gleitenden Kolben (84) begrenzt ist, dessen Stange in die Richtung des vorgesehenen Stoßes gerichtet ist.