CN111566417A - 用于热交换的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热交换的系统，该系统包括：用于热交换的装置（1），所述用于热交换的装置具有由弹热材料构成的弹热元件（11）并且被设置用于如此使得所述弹热元件（11）运动，由此使得所述弹热元件（11）变形，以便实现弹热效应；和产生机械振动的振动机组（2）。此外，设置有布置在所述振动机组（2）和所述用于热交换的装置（1）之间的振动传递器（3），并且所述振动机组（2）的振动传递到所述弹热元件（11），使得所述弹热元件（11）运动。

Description

用于热交换的系统

技术领域

本发明涉及一种带有振动传递器的利用弹热（elastokalorisch）效应来进行热交换的系统。此外，本发明涉及一种具有这种用于热交换的系统的热泵。

背景技术

弹热效应描述了当材料被加载以机械力并且例如变形时材料的绝热的温度变化。通过机械力或变形，在材料中引起晶体结构的转变，也称为相变。相变导致材料的温度升高。如果在此释放的热量被导出，则温度降低并且熵变小。如果机械力随后被移除，则再次引起反向相变（返回变换），这导致材料的温度降低。如果随后将热量再次输入材料，那么熵再次增加。

在接近绝热的相变之后，温度高于初始温度。在此产生的热量例如可以被导出到环境中并且材料然后呈现环境温度。如果现在通过将机械力减小到零来开始返回相变，则形成更低的温度作为初始温度。可实现在相变之后的最高温度和返回变换之后的最低温度（先前排出的热量）之间的高达40℃的温度差。

在其上可以探测到弹热效应的材料被称为弹热材料。这种弹热材料例如是具有超弹性的形状记忆合金。超弹性合金的特征在于，即使在强烈变形之后，它们也自动地恢复到其原始形状。超弹性形状记忆合金具有两种不同的相（晶体结构）：奥氏体是在室温下稳定的相并且马氏体在较低温度下稳定。机械变形引起奥氏体向马氏体的相变，这导致绝热温度升高。现在，升高的温度可以以热量的形式排出到环境中，这导致熵的减小。当弹热材料再次被卸荷时，发生马氏体到奥氏体的返回变换并且由此伴随着绝热温度降低。

下面描述了两种典型的用于热交换的装置：在一种布置中，双凸形的导热元件、也就是在两侧凸起的导热元件以间隔布置在两个平面的导热元件之间。各一个弹热元件被张紧在平面的导热元件和双凸形的导热元件之间的中间空间中。弹热元件被连接在一起并可一起运动。在此，它们被如此布置，使得各一个弹热元件通过双凸形的导热元件变形，这在板的凸形的外侧上引起拉应力并且在凹形的内侧上引起压应力。仅仅在所谓的中性纤维中不出现应力。同时，另一弹热元件由于其超弹性而返回到其平面的原始形状并且与平面的导热元件面状地接触。如果向原始形状的返回变形是不完全的，则在与平面的导热元件接触时发生剩余的返回变形。通过这种布置，热量从平面的导热元件向双凸形的导热元件转移。

热量通常通过与导热元件接触的传热介质（例如冷却剂）从导热元件带走或者输送到导热元件。为了输送传热介质，通常使用压缩机或泵。在运行期间，输送组件产生机械振动。在本文献中，产生机械振动的组件被称为振动机组。

发明内容

本发明提出一种用于热交换的系统。该系统包括本身已知的用于热交换的装置，该用于热交换的装置包括由弹热材料构成的弹热元件。用于热交换的装置被设置用于使得弹热元件运动。通过弹热元件的运动使其变形。在变形的触发之下，在弹热材料中出现弹热效应，这导致弹热元件变热。当弹热元件再次返回运动时，弹热元件在恢复时冷却。

此外，所提出的用于热交换的系统具有振动机组（Aggregat）。该振动机组例如是用于输送传热介质、例如冷却剂等的压缩机或泵。通常，振动机组已经与用于热交换的装置结合地存在，以便将通过弹热效应转换的热量从用于热交换的装置排出。振动机组在其运行时产生机械振动。

此外，设置有如下振动传递器，该振动传递器布置在振动机组与用于热交换的装置之间。振动传递器被设置用于将振动机组的振动传递到用于热交换的装置的弹热元件，使得弹热元件运动。在此，振动传递器可以将振动仅传递到弹热元件、仅传递到导热元件或不仅传递到弹热元件而且传递到导热元件，这分别导致所述组件的前面已经描述的运动。振动传递器使得通常已存在的振动机组的振动能够以可利用的形式作为运动进一步传递到弹热元件。因此，可以省略用于弹热元件的额外的驱动装置。

振动传递器尤其传递这样的振动，该振动的偏移指向弹热元件或热元件的运动方向。由于振动机组通常在不同方向上或甚至在所有方向上同时产生振动，所以可以规定，在不同方向上、尤其是在振动机组产生振动的所有方向上，将弹热元件围绕振动机组布置。

根据一个方面，用于热交换的装置能够附加地具有导热元件。在弹热元件运动时，弹热元件可以朝固定的导热元件运动和/或从固定的导热元件运动离开，或者弹热元件和导热元件都可以向相应的另一个方向运动和/或向相反的方向运动。通过弹热元件的运动，弹热元件与导热元件接触，并且弹热元件变形。如果弹热元件再次返回运动，则弹热元件在恢复时冷却。此外，振动传递器将振动机组的振动至少传递到弹热元件，从而弹热元件和导热元件朝彼此运动和/或彼此远离运动。在此，振动传递器可以将振动仅仅传递到弹热元件上或者不仅传递到弹热元件而且传递到导热元件，这分别导致所述组件的前面已经描述的运动。

根据一个方面，振动传递器包括机械传递元件、像比如弹簧元件或具有合适的刚性的其它机械传递元件。通过机械传递元件，振动可以线性地传递到弹热元件上。这在振动为规律的（即，具有恒定的振幅和恒定的频率）时是特别有利的。例如，当振动机组在工作点中静态地运行时，就是这种情况。

此外，振动机组的不规律振动（其振幅和/或频率变化）也可以被用于热交换的装置。为了使弹热元件运行，必须遵守规定的调节行程和规定的所传递的力。此外，振动传递器可设置成将振动机组的机械振动的频率转换成适合于运行用于热交换的装置的频率。在此，频率优选可以转换成用于热交换的装置的谐振频率，利用该谐振频率可以实现特别高的效率。下面介绍一些措施，利用这些措施可以由振动机组的不规律振动实现规定的调节行程和规定的力，并且将振动的频率转换成适合于运行用于热交换的装置的频率。

振动传递器可以包括调节行程限制器、例如止挡，该调节行程限制器将振动的偏移限制到设置用于运行用于热交换的装置的调节行程。由此，即使利用不规律的振动也可以实现始终相同的调节行程。

此外，振动传递器可包括阻尼元件、例如弹簧或液压元件，以便阻尼在传递振动时产生的力，该力由于振动的不规律振幅而可能不同强度地出现。由此可以防止弹热元件的不同程度的变形。

优选地，可设置如下传感器，所述传感器在振动机组处和/或在振动传递器处执行测量。以下列举了示例性测量，其中可以实施在此未列举的单个、多个和/或其他测量：

- 测量振动机组的机械振动的频率；

- 测量由振动机组传递的力；

- 测量施加到弹热元件的变形；

- 测量调节行程。

这些测量可用于针对这些参数来调整或可选地调控用于热交换的系统的运行。例如，传热介质被输送的周期可以与由振动机组发出的并且由振动传递器传递-并且在此必要时改变的振动同步地被调整或可选地被调控。

振动传递器可以包括用于改变振动传递器内的压力的器件、即尤其是泵，利用该器件可以将不规律的振动用于建立负压或用于建立过压。在此，可以逐步建立负压或过压，其中，每次振动都可以单独地有助于建立负压或过压并且例如通过阀和/或调节行程限制器来控制。然后，所建立的负压或过压可作用于可线性运动的传递元件，该传递元件与弹热元件相连接。在负压的情况下，传递元件可以运动到在其中建立负压的容积中，并且在过压的情况下从在其中建立过压的容积中运动出来。传递元件将其压力触发的运动传递到弹热元件。通过预先给定压力，可以实现设置用于运行用于热交换的装置的力和由此产生的弹热元件的变形，并且通过逐步建立压力来实现合适的频率。此外可以规定，在建立了所需的压力并由此使规定的力作用于弹热元件之后，通过减压阀受控地降低压力。由此弹热元件能够再次返回到它们的原始形状。压力的建立和降低之间的顺序可以周期地执行并且可选地借助于压力传感器和/或上述传感器来调控。

振动传递器可包括用于将振动转换成电功的器件。为此，振动可以被传递到由线圈包围的永磁体，该永磁体然后进行周期性地运动到线圈中并且从线圈中运动出来。电功可以以电能的形式存储在能量存储器中，例如电池中。另外，振动传递器可包括至少一个执行器，该执行器随后将电功转换成弹热元件的运动。

此外，提出了一种具有上述用于热交换的系统的热泵。装置的上述特征和优点也适用于热泵。通过用于热交换的系统，可以省去热泵内的附加的驱动装置，从而可以更紧凑和更成本低廉地实现这种热泵。

热泵例如可以用在冰柜/冰箱中、用在Li离子电池和固体电池的温度管理中以及用于加热或冷却车辆的内部空间等，仅列举一些示例。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中进行详细解释。

图1示出根据本发明的用于热交换的系统的一个实施例的示意图。

图2示出图1的振动传递器的第一实施方式的示意图。

图3示出图1的振动传递器的第二实施方式的示意图。

图4示出图1的振动传递器的第三实施方式的示意图。

图5示出图1的振动传递器的第四实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于热交换的系统的一种实施方式的示意图，该用于热交换的系统包括用于热交换的装置1。用于热交换的装置1具有由弹热材料构成的弹热元件11和导热元件12。在该实施方式中，弹热元件11朝着固定的导热元件12周期运动，从而使弹热元件11与导热元件12接触并变形，以便实现弹热效应，并且然后远离导热元件12运动。在其它实施例中，可以使得导热元件12运动并且弹热元件11保持固定，或者可以使得弹热元件11和导热元件12都运动。

用于热交换的系统还包括振动机组2、像比如用于输送传热介质21的压缩机或泵，该振动机组产生机械振动。在此，一方面当振动机组2静态地在工作点中运行时，能够产生具有恒定的振幅和频率的有规律的振动，并且另一方面能够产生振幅和频率变化的不规律的振动。

根据本发明，振动传递器3布置在振动机组2和用于热交换的装置1之间。振动传递器3设置成将振动机组2的机械振动传递到用于热交换的装置1的弹热元件11和/或导热元件12，使得弹热元件11和导热元件12周期地朝彼此运动和彼此远离运动。在下面的实施方式中，以相同的方式和方法构造的振动传递器3将振动仅仅传递到弹热元件11，所述弹热元件然后朝固定的导热元件12运动，与这些固定的导热元件接触，在此变形并且紧接着从这些固定的导热元件运动离开。在其它实施方式中，振动传递器3可以将振动替代地或附加地传递到导热元件12上，使得这些导热元件运动。振动传递器的结构和功能结合其它附图2至4来详细阐述。

此外，设置有如下传感器4，所述传感器测量振动机组2的机械振动的频率、由振动机组2传递的力、施加在弹热元件11上的应变和/或调节行程。其布置和功能同样结合其它附图2至4来阐述。电子计算设备5与振动传递器3和传感器4以及与振动机组2连接并且借助由传感器4测量的参量来调控用于热交换的系统。例如，传热介质21被传送的周期被调整为与从振动机组2发出的并由振动传递器3传递的振动同步。

图2至5示出振动传递器3的三种实施方式。相同的附图标记表示相同的组件，仅一次详细地阐述这些组件。在这些实施方式中，导热元件12是固定的，并且使得弹热元件11运动。在其它实施方式中，其振动传递器以相同的方式构造，弹热元件11是固定的并且使得导热元件12运动。虽然出于图示原因在这些图中仅示出一个弹热元件11，但说明书应适用于所述用于热交换的装置的一个弹热元件11、多个弹热元件11或所有弹热元件11。

图2示出了振动传递器3的第一实施方式，其具有呈弹簧元件300的形式的机械传递元件。当振动机组2产生具有相同振幅和相同频率的有规律的振动时，该实施方式是特别良好地适合的。弹簧元件300根据用于热传递的装置1的要求和有规律的振动的参数来选择。针对这种情况不需要在振动传递器3内的附加的调控。振动机组2的朝向弹簧元件300的方向偏移的机械振动由弹簧元件300吸收并且由该弹簧元件线性地传递到传递元件301上。在此，弹簧元件300附加地用作用于阻尼在传递振动时产生的力的阻尼元件。设置有如下第一传感器41，该第一传感器测量传递到弹簧元件300上的力和所传递的振动的频率。传递元件301与弹热元件11处于连接之中。在弹簧元件300偏移时，该运动借助传递元件301传递到弹热元件11上。设置有用于弹簧元件300的止挡302，该止挡将弹簧元件300的偏移限制到规定的调节行程。如果弹簧元件300由于振动而膨胀，则弹热元件11以规定的调节行程朝在此未示出的导热元件12的方向运动并且与其接触。当弹簧元件300收缩时，弹热元件11沿相反方向运动。通过第二传感器42测量弹热元件11的运动的调节行程和/或弹热元件11的变形。

图3和4示出振动传递器3的第二和第三实施方式，振动传递器分别具有泵310，利用该泵可以改变压力缸311中的压力p。如果振动机组2产生具有变化的振幅和不同的频率的不规律的振动，则这些实施方式是特别好地适合的。在关于图3的第二实施例中，泵310通过振动机组2的机械振动运行并且逐步地在压力缸311中产生负压。设置止回阀312，以便控制压力p的变化。换句话说，任何小的振动（在适当的用于运行泵的方向上）导致压力p的减小，其以累加的方式最终将产生期望的负压。压力缸中的压力p借助于压力传感器41予以测量。从可预先给定的负压起，与弹热元件11连接的可线性运动的传递元件313被拉入到压力缸311中，从而弹热元件11朝着导热元件12运动并且与其接触。在图4中的第三实施例中，取代负压而在所述压力缸311中产生过压。通过所述过压，传递元件313从压力缸311中运动出来。在此，弹热元件11也朝向导热元件12运动并且与其接触。通过压力缸311上的减压阀314，压力缸311中的压力p随后又被平衡并且传递元件313又返回到其初始位置中。在两种实施方式中，泵310和减压阀314可以借助于所测量的压力来调整或调控。

图5示出了振动传递器3的第四实施方式，该振动传递器具有将振动转换成电功的线圈320和永磁体321并且具有执行器323。当振动机组2产生具有变化的振幅和不同的频率的不规律的振动时，该实施方式同样特别好地适合。振动机组2的朝向永磁体321的方向偏移的机械振动进一步传递到永磁体321上，该永磁体然后向线圈320的内部运动和/或从该线圈中运动出来。通过变化的磁通量感应出电压，该电压由电压测量仪44予以测量。由感应的电压产生的电能被存储在能量存储器322中，例如存储在电池中。因此，能量存储器322也通过小的振动充电，所述振动使永磁体321仅在短的距离上运动。来自能量存储器322的电能被用于运行执行器323，该执行器包括与弹热元件11连接的传递元件324，其中执行器323可借助于传感器41、42、44来调整或调控。执行器323使得传递元件324运动，从而使弹热元件11周期性地朝未示出的导热元件12的方向运动并且与该导热元件接触并且随后向相反的方向运动。

Claims (11)

1. 一种用于热交换的系统，包括：

用于热交换的装置（1），所述用于热交换的装置具有由弹热材料构成的弹热元件（11）并且被设置用于如此使得所述弹热元件（11）运动，由此使得所述弹热元件（11）变形，以便实现弹热效应；和

产生机械振动的振动机组（2），

其特征在于布置在所述振动机组（2）和所述用于热交换的装置（1）之间的振动传递器（3），并且所述振动机组（2）的振动传递到所述弹热元件（11），使得所述弹热元件（11）运动。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用于热交换的装置（1）具有导热元件（12）并且设置用于使所述弹热元件（11）和所述导热元件（12）朝向彼此运动，由此使所述弹热元件（11）与所述导热元件（12）接触并且变形，从而实现弹热效应，和/或使所述弹热元件（11）与所述导热元件（12）彼此远离地运动；并且

其特征在于，所述振动传递器（3）将所述振动机组（2）的振动至少传递到所述弹热元件（11），从而所述弹热元件（11）和所述导热元件（12）朝向彼此运动和/或远离彼此运动。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述振动传递器（3）包括机械传递元件（300）。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述振动传递器（3）包括调节行程限制器（302），所述调节行程限制器将振动的偏移限制到设置用于运行所述用于热交换的装置（1）的调节行程。

5.根据权利要求3或4中任一项所述的系统，其特征在于，所述振动传递器（3）包括阻尼元件，以便阻尼在传递振动时产生的力。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述振动传递器包括用于改变压力（p）的器件（310）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述振动传递器（3）包括用于将振动转换成电功的器件（320、321）和至少一个执行器（323），所述执行器将所述电功转换成所述弹热元件的运动。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于传感器（4、41、42），所述传感器测量所述振动机组（2）的机械振动的频率、由所述振动机组（2）传递的力、施加到所述弹热元件（11）上的应变和/或调节行程。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述振动传递器（3）设置用于将所述振动机组的机械振动的频率转换成适合于运行所述用于热交换的装置（1）的频率。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述振动传递器（3）设置用于将所述振动机组的机械振动的频率转换成所述用于热交换的装置（1）的谐振频率。

11.一种热泵，包括根据权利要求1至10中任一项所述的用于热交换的系统。

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