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EP-4139572-B1 - ENERGY CONVERTER HAVING A THERMOELASTIC CONVERTER ARRANGEMENT AND METHOD FOR PRODUCING A THERMOELASTIC CONVERTER ARRANGEMENT FOR AN ENERGY CONVERTER

EP4139572B1EP 4139572 B1EP4139572 B1EP 4139572B1EP-4139572-B1

Inventors

  • SEELECKE, STEFAN
  • Kirsch, Susanne-Marie
  • Welsch, Felix

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20210416

Claims (13)

  1. A method for producing a thermoelastic arrangement for an energy converter, characterized in that thermoelastic strand elements (6) are fixed with a constant strain between at least two holding elements (7, 7a, 7b), in order to obtain a bundle of strand elements (6) extending in a longitudinal direction with identical pre-strain.
  2. The method according to claim 1, comprising the steps of: winding two holding elements (7, 7a, 7b) with the thermoelastic continuous strand element (16) with a constant strain, in order to obtain a bundle of strand elements (6) extending in a longitudinal direction with identical pre-strains, wherein the continuous strand element (16) is configured to be windable; after the winding, fixing the windings of the strand elements (6) to the holding elements (7, 7a, 7b).
  3. The method according to claim 2, wherein the winding of the holding elements (7, 7a, 7b) with the continuous strand element (16) is carried out by arranging the windings next to one another with a constant winding surface or by arranging the windings one above the other with a varying winding surface.
  4. The method according to any one of claims 1 to 3, comprising the further steps of: positioning at least one center holding element (5) at a position between the holding elements (7, 7a, 7b), such that both winding sides of the wound strand element (16) abut against said at least one center holding element (5), and fixing the windings of the strand element (16) to the center holding element (5), such that at least two converter elements (8, 8a, 8b) are formed between the center holding element (5) and one of the holding elements (7, 7a, 7b); forming the energy converter by fixedly arranging the holding elements (7, 7a, 7b) and the center holding element (5), such that the converter elements (8, 8a, 8b) formed by the bundles of strand elements (6) are provided with an identical pre-strain.
  5. The method according to claim 4, wherein the forming of the energy converter as a rotary energy converter system (1) is carried out such that the center holding element (5) is arranged to be pivotable, such that the strand elements (6) of the converter elements (8, 8a, 8b) fixed thereto extend around a peripheral surface of the center holding element (5), such that by exerting a tensile force, the center holding element (5) is pivoted by activation of one of the converter elements (8, 8a, 8b) or such that by pivoting the center holding element (5), one of the converter elements (8, 8a, 8b) is loaded, whereby it heats up, and/or another of the converter elements (8, 8a, 8b) is unloaded, whereby it absorbs thermal energy.
  6. The method according to claim 4, wherein the forming of the energy converter as a translatory energy converter system (1) is carried out such that the center holding element (5) is arranged on a movable carriage (9), wherein the strand elements (6) of the converter elements (8, 8a, 8b) fixed thereto extend in mutually opposite directions, such that by exerting a tensile force, the center holding element (5) is moved in translation by activation of one of the converter elements (8, 8a, 8b) or such that by displacing the center holding element (5), one of the converter elements (8, 8a, 8b) is loaded, whereby it heats up, and/or another of the converter elements (8, 8a, 8b) is unloaded, whereby it absorbs thermal energy.
  7. The method according to any one of claims 2 to 3, wherein the winding is carried out such that the windings are arranged next to one another or one above the other.
  8. An energy converter with at least one converter element (8, 8a, 8b) consisting of a bundle of thermoelastic strand elements (6) which are tensioned between two holding elements (7, 7a, 7b), wherein the strand elements (6) have identical strains.
  9. An energy converter system (1), in particular an actuator system or a heating/cooling device, with an energy converter according to claim 8, wherein at least one center holding element (5) is arranged at a position between the holding elements (7, 7a, 7b), such that several serially arranged converter elements are formed, wherein the center holding element (5) is arranged to be pivotable, such that by activation of one of the converter elements (8, 8a, 8b), the center holding element (5) is pivoted by exerting a tensile force or such that by pivoting the center holding element (5), one of the converter elements (8, 8a, 8b) is loaded, whereby it heats up, and/or another of the converter elements (8, 8a, 8b) is unloaded, whereby it absorbs thermal energy.
  10. An energy converter system (1), in particular an actuator system or a heating/cooling device, with an energy converter according to claim 8, wherein at least one center holding element (5) is arranged at a position between the holding elements (7, 7a, 7b), such that several serially arranged converter elements (8, 8a, 8b) are formed, wherein the center holding element (5) is arranged on a movable carriage, wherein the converter elements (8, 8a, 8b) fixed thereto extend in mutually opposite directions, such that by exerting a tensile force, the carriage is moved in translation by activation of one of the converter elements (8, 8a, 8b) or such that by displacing the center holding element (5), one of the converter elements (8, 8a, 8b) is loaded, whereby it heats up, and/or another of the converter elements (8, 8a, 8b) is unloaded, whereby it absorbs thermal energy.
  11. A heating/cooling device with an energy converter according to claim 8, wherein the energy converter releases heat or absorbs heat by externally applied deformation.
  12. An actuator system with an energy converter according to claim 8, wherein the energy converter causes a mechanical deformation by supplying or removing heat to/from the converter elements (8, 8a, 8b), with which an actuating member (2) is moved.
  13. A heat engine with an energy converter according to claim 8, wherein the energy converter causes a mechanical movement by controlled supply or removal of heat, which is used as useful energy or which is converted into electrical energy.

Description

Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft thermoelastische Wandleranordnungen, insbesondere für ein Aktorsystem eines Protagonist-Antagonist-Energiewandlersystems, insbesondere mit Stellaktoren, die durch thermoelastische Aktorelemente gestellt werden können. Technischer Hintergrund Energiewandler mit aktiven Elementen aus einem thermoelastischen Material ermöglichen die Realisierung einer Umwandlung zwischen mechanischer und thermischer Energie. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Varianten zur Nutzung von thermoelastischen Anordnungen zur Kühlung von Fluiden bekannt, die allesamt auf einem zyklischen Verspannungs- und Entspannungsprozess eines thermoelastischen Materials basieren. Zudem ermöglichen derartige thermoelastische Anordnungen die Realisierung von Aktoranordnungen. Als thermische Aktoranordnungen werden Aktoren mit thermoelastischen Aktorelementen bezeichnet, die durch Einwirkung von Wärme eine Stellbewegung hervorrufen können. Thermische Aktoranordnungen können beispielsweise mit thermoelastischen Aktorelementen ausgebildet sein, die ein thermoelastisches Material (auch als elastokalorisches oder mechanokalorisches Material bezeichnet) aufweisen. Derartige thermoelastische Materialien ändern ihre Mikrostruktur bei Einwirkung einer Temperaturänderung. Dadurch können thermoelastische Elemente bei Erwärmung ihre Abmessungen verringern bzw. eine Zugkraft ausüben. Im Falle einer Abkühlung nimmt das thermoelastische Element insbesondere bei Vorliegen einer entsprechenden Rückstellkraft die ursprüngliche Form wieder ein. Eine Gruppe gebräuchlicher thermoelastischen Materialien sind Formgedächtnislegierungen und Polymere, wie z.B. Kautschuk. Thermische Aktoranordnungen werden in aller Regel zur variablen Verstellung eines Stellelements zwischen zwei definierten Stellpositionen verwendet, wie beispielsweise zur Ansteuerung eines Ventils. Ein Rückstellen von Stellaktoren ist in bestimmten Anwendungen zeitkritisch. So muss beispielsweise bei einem Ventilaktuator ein Schließen des Ventils im Falle einer Notabschaltung sehr schnell erfolgen. Die Verwendung eines thermischen Aktors, der durch eine Erwärmung von thermoelastischem Material aktivierbar ist, kommt für die Realisierung der Notabschaltungsfunktion nicht in Frage, da eine Rückstellung durch Abkühlen des thermoelastischen Materials aufgrund der langsamen Abkühlrate zu lange dauert. Andere Mechanismen zur schnellen Rückstellung des Aktors sind aufwändig und haben einen hohen Bauraumbedarf. Darüber hinaus sind antagonistische thermische Aktoren bekannt, bei denen eine Rückstellbewegung durch ein weiteres thermoelastisches Element bewirkt wird. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 199 63 501 A1 ein Aktor für ein Stellglied bekannt, das zwischen einer Grundposition und einer Stellposition verstellbar ist. Der Aktuator weist gegeneinander wirkende Formgedächtniselemente auf, von denen ein erstes Formgedächtniselement bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur in Richtung einer Stellposition und das zweite Formgedächtniselement entsprechend in Gegenrichtung wirksam ist. Aus der Druckschrift US 8,707,694 B2 ist ein Aktuator mit einem ersten Formgedächtniselement bekannt, das eine Kraft auf ein Stellelement des Aktuators ausüben kann, und ein weiteres Formgedächtniselement umfasst, das eine Gegenkraft auf das Stellelement ausübt. Das Stellelement dient zum Betreiben eines Ventils, das durch selektives Ansteuern des ersten und zweiten Formgedächtniselementes aktiviert bzw. deaktiviert werden kann. Auch aus der Druckschrift WO 2019/106340 ist ein thermoelastischer Aktuator mit einem thermoelastischen Draht und einem Stellglied bekannt, wobei der thermoelastische Draht zwischen einem statischen Teil und dem Stellglied angeordnet ist, um durch Kontraktion eine Bewegung des Stellglieds bezüglich des feststehenden Teils zu bewirken. Ferner ist ein Rückstellelement vorgesehen, das mit dem Stellglied verbunden ist, um das Stellglied zurückzustellen. Darüber hinaus können thermoelastische Elemente aus parallel angeordneten Strangelementen ausgebildet sein, die z.B. in Form einer Wicklung hergestellt werden. Durch gleichzeitige Aktivierung (Temperaturbeaufschlagung oder Längenänderung) der Strangelemente können diese in einem Energiewandler verwendet werden, wobei sich die Höhe der umsetzbaren Energie sich mit der Anzahl der parallelen Strangelemente erhöht. Aus der Druckschrift DE 10 2017 007 596 B4 ist beispielsweise eine solche Anordnung von parallelen strangförmigen Formgedächtniselementen dargestellt. Bei der Herstellung solcher thermoelastischen Anordnungen mit einer Vielzahl von thermoelastischen Strangelementen besteht ein Problem darin, dass aufgrund von Toleranzen des Herstellungsprozesses die einzelnen Strangelemente der Anordnung unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind. Dies führt zu einer unterschiedlichen Beanspruchung, die die Lebensdauern der einzelnen Strangelemente verschieden beeinflusst. Die Druckschrift US 5,092,901 A1 offenb