DE102007006146A1

DE102007006146A1 - Heiz- oder Kühlkreislauf

Info

Publication number: DE102007006146A1
Application number: DE200710006146
Authority: DE
Inventors: Mathias Riedel; Welf-Guntram Drossel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: DE102007006146B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heiz- oder Kühlkreislauf mit Wärmequelle und Wärmesenke, die über Hin- und Rücklaufleitung miteinander verbunden sind, und mit einer Wärmekraftmaschine zur Umwandlung thermischer Energie des Fluids im Kreislauf in mechanische und/oder elektrische Energie, wobei die Wärmekraftmaschine ein Antriebselement aufweist, das seine äußere Form mit seiner Temperatur ändert, wobei dem Antriebselement ein dem Kreislauf entnommener Fluidbetriebsstrom über eine Umschalteinrichtugn derart zuführbar ist, daß das Antriebselement alternierend mit Fluid aus der Hinlaufleitung und mit Fluid aus der Rücklaufleitung beaufschlagbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heiz- oder Kühlkreislauf mit Wärmequelle und Wärmesenke, die über Hin- und Rücklaufleitung miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Heiz- oder Kühlkreislaufes in mechanische und/oder elektrische Energie.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere dazu verwendet werden, ein Fluid in einem Fluidkreislauf zu fördern. Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind daher technischen Systeme mit einem Heiz- oder Kühlkreislauf mit flüssigen Medien, wie sie bei elektrischen Antrieben, Verbrennungsmotoren, Turbinen, und Brennstoffzellen, insbesondere von Kraftfahrzeugen/Kraftwerken/Heizungen in Gebäuden und Gewächshäusern Verwendung finden.
In vielen technischen Anwendungen besteht die Notwendigkeit Wärme von einer Wärmequelle mittels eines Fluidkreislaufes zu einer Wärmesenke zu transportieren. Kennzeichnend für derartige Fluidkreisläufe ist, daß der Fluidstrom zur Wärmequelle hin eine niedrigere Temperatur aufweist als der Fluidstrom, der von der Wärmequelle abgeführt wird, und daß der Fluidstrom zur Wärmesenke hin eine größere Temperatur aufweist als der von der Wärmesenke abgehende Fluidstrom. Die zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes notwendige Umwälzung des Fluides im Kreislauf erfolgt im Regelfall durch eine Pumpe. Eine Förderleistung der Pumpe wird dabei mittels Meß-, Regel- und Stellgliedern an die jeweils zu transportierende Wärmemenge angepaßt. Die Pumpe ist meist mittels mechanischer oder elektrischer Energie angetrieben.
Die notwendigerweise bei derartigen Systemen zum Betrieb der Umwälzpumpe aufzubringende mechanische oder elektrische Energie, stellt einen Nachteil dieser Systeme dar. Zudem ist die Funktionsfähigkeit des Kühlkreislaufes abhängig von einer korrekten Funktion des Antriebselementes der Pumpe, wodurch der Antrieb letztlich die Ausfallsicherheit des Systems verringert. Weiterhin sind zur Anpassung der Förderleistung der Pumpe an die zu transportierende Wärmemenge zusätzliche Meß-, Regel- und Stellglieder notwendig, was zu einer erhöhten Komplexität des Kreislaufes und damit zu höheren Kosten und weiter verminderter Ausfallsicherheit führt.
Aus der DE 101 08 468 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Umwandlung thermischer Energie eines Kühlkreislaufes eines Kraftfahrzeuges in mechanische und/oder elektrische Energie bekannt, bei dem Bauteile, die eine Formgedächtnislegierung aufweisen, mit Kühlwasser einer höheren Temperatur beaufschlagt und dieses Kühlwasser abgekühlt werden, wodurch eine mechanische Bewegung der Bauteile und den mit diesen in Wirkverbindung stehenden drehbar gelagerten Elementen erzeugt wird. Die durch die mechanische Bewegung bereitgestellte Energie wird zur Beaufschlagung einer Pumpe oder eines elektrischen Generators genutzt.
Die aus der DE 101 08 468 A1 bekannte Wärmekraftmaschine hat den Nachteil, daß die Formgedächtnislegierungsbauteile zusammen mit dem zugeführten heißen Kühlwasser abgekühlt werden müssen. Somit muß ein relativ großes Wasservolumen abgekühlt werden. Die hohe Wärmekapazität des Kühlwassers führt jedoch zu einer langsamen Abkühlung des Kühlwassers und der Formgedächtnislegierungsbauteile, wodurch letztlich die Leistung der Wärmekraftmaschine begrenzt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Heiz- oder Kühlkreislauf mit Wärmequelle und Wärmesenke anzugeben, mit dem ein Fluid in einem Heiz-/Kühlkreislauf unabhängig von einer externen Zufuhr von mechanischer oder elektrischer Energie umgewälzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch einen Heiz- oder Kühlkreislauf mit Wärmequelle und Wärmesenke, die über Hin- und Rücklaufleitung miteinander verbunden sind, und mit einer Wärmekraftmaschine zur Umwandlung thermischer Energie des Fluides im Kreislauf in mechanische und/oder elektrische Energie, wobei die Wärmekraftmaschine ein Antriebselement aufweist, das seine äußere Form mit seiner Temperatur ändert, und wobei diesem Antriebselement ein dem Kreislauf entnommener Fluidbetriebsstrom über eine Umschalteinrichtung derart zuführbar ist, daß das Antriebselement alternierend mit Fluid aus der Hinlaufleitung und mit Fluid aus der Rücklaufleitung beaufschlagbar ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Energie zum Betrieb der als Pumpe wirkenden Wärmekraftmaschine dem Heiz-/Kühlkreislauf über den Betriebsfluidstrom entnommen, wobei das Erwärmen des Antriebselementes mittels Fluid einer hohen Temperatur und das Abkühlen des Antriebselementes mittels Fluid einer niedrigeren Temperatur aus dem Fluidkreislauf selbst heraus erfolgt. Das jeweils zuvor vorhandene Fluid wird dabei vollständig verdrängt, wodurch eine Abkühlzeit drastisch reduziert ist. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung nicht nur einen energieautarken Betrieb des Kreislaufes, sondern vermeidet zudem – aufgrund des alternierenden Austausches der Betriebsflüssigkeit – auch das langsame Abkühlen des Betriebsfluides und der Formgedächtnislegierungsbauteile (d. h. des Antriebselementes). Das schnellere Abkühlen des Antriebselementes durch Verdrängung des Fluides mit hoher Temperatur (Heizphase) mittels kaltem Fluid (Abkühlphase) ermöglicht eine Steigerung der Leistung des Systems.
Da ein Betrieb des Kreislaufes ohne eine Zufuhr externer Energie möglich ist und da eine Anzahl der zum Betrieb des Kreislaufes notwendigen Komponenten (z. B. Keilriemen oder Elektromotoren) verringert ist, wird auch die Ausfallsicherheit des Systems erhöht und die Kosten des Systems verringert.
Außerdem weist der vorliegende Heiz- oder Kühlkreislauf eine intrinsische Regelfähigkeit auf, da die Geschwindigkeit der Formänderung des Antriebselementes von einer Fluidtemperatur des Kühlkreislaufes bestimmt wird, wodurch zusätzliche Meß-, Stell- und Regelelemente überflüssig werden.
Das Antriebselement weist vorzugsweise einen Formgedächtniswerkstoff (insbesondere eine Formgedächtnislegierung oder einen Formgedächtnispolymer), Bimetalle, Kombinationen dieser Materialien, oder Verbundwerkstoffe dieser Materialien mit nicht aktiven Materialien auf.
Unter „nicht aktiv" wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ein Material verstanden, das seine äußere Form (bei Vernachlässigung einer Ausdehnung aufgrund Erwärmung oder einer Schrumpfung aufgrund Abkühlung oder eines Schmelzvorganges) auch bei veränderter Temperatur beibehält.
Zudem kann die Wärmekraftmaschine ein Rückstellelement aufweisen, das derart angeordnet ist, daß eine Formänderung des Antriebselementes unterstützbar ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Wärmekraftmaschine zwei Platten auf, zwischen denen ein Faltenbalg oder ein flexibles Schlauchelement oder ein teleskopartig auseinanderziehbares Rohrelement angeordnet ist, der/das vom Fluid durchströmt wird, wodurch die Wärmekraftmaschine in die Hinlaufleitung oder in die Rücklaufleitung des Heiz- oder Kühlkreislaufes integriert ist, und das Fluid im Heiz- oder Kühlkreislauf durch eine alternierende Volumenänderung des Faltenbalges oder des flexiblen Schlauchelementes oder des teleskopartige auseinanderziehbaren Rohrelementes umwälzbar ist.
Zudem kann das Antriebselement zwischen den Platten angeordnet sein, und durch den Faltenbalg oder das flexible Schlauchelement oder das teleskopartig auseinanderziehbare Rohrelement vorgespannt sein.
Vorzugsweise ist durch eine Volumenänderung des Faltenbalges oder des flexiblen Schlauchelementes oder des teleskopartig auseinanderziehbaren Rohrelementes ein Wechsel von Unterdruck und Überdruck im Faltenbalg oder im flexiblen Schlauchelement oder im teleskopartig auseinanderziehbaren Rohrelement erzeugbar.
An einem Einlaß und an einem Auslaß des Faltenbalges oder des flexiblen Schlauchelementes oder des teleskopartig auseinanderziehbaren Rohrelementes können Ventile vorgesehen sein.
Weiterhin kann das Antriebselement in ein Führungsrohr aufgenommen sein, das mit der Umschalteinrichtung verbunden ist, und in dem der Fluidbetriebsstrom geführt ist.
Zudem kann die Zufuhr von Betriebsfluid zum Antriebselement aus der Hinlaufleitung und/oder aus der Rücklaufleitung durch ein Kleinstpumpenelement erzeugt werden, das durch die Bewegung des Antriebselementes oder das durch elektrische Energie betrieben wird.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Antriebselement zum selbsttätigen Anlauf der Wärmekraftmaschine durch Bestromen des Antriebselementes oder über zusätzliche Heizelemente elektrisch beheizbar.
Der Verfahrensaspekt der vorgenannten Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Heiz- oder Kühlkreislaufes in mechanische und/oder elektrische Energie, wobei die thermische Energie mit einer Wärmekraftmaschine dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommen wird, bei der eine alternierende Formänderung eines Antriebselementes der Wärmekraftmaschine dadurch erzeugt wird, daß abwechselnd Fluid einer ersten höheren Temperatur dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommen und mit dem Antriebselement in Kontakt gebracht, und das Fluid mit der ersten, höherer Temperatur durch dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommenes Fluid einer zweiten, niedrigeren Temperatur verdrängt und mit dem Antriebselement in Kontakt gebracht wird.
Durch Beaufschlagung des Antriebselementes mit dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommenem Betriebsfluid mit der ersten, höheren Temperatur setzt vorzugsweise eine Formänderung des Antriebselementes entsprechend einer eingeprägten Hochtemperaturform ein.
Durch Ableitung des Fluides mit der ersten höheren Temperatur und Beaufschlagung des Antriebselementes mit dem Kreislauf entnommenem Fluid mit der zweiten niedrigeren Temperatur kann eine Formänderung des Antriebselementes entsprechend einer eingeprägten Niedrigtemperaturform einsetzen.
Weiterhin kann der den Hinlauf- und Rücklaufleitungen des Kreislaufes entnommene Betriebsfluidstrom nach Kontakt mit dem Antriebselement in die Rücklaufleitung rückgeführt werden.
Die Formänderung des Antriebselementes kann eine Volumenänderung eines Faltenbalges oder eines flexiblen Schlauchelementes oder eines teleskopartig auseinanderziehbaren Rohrelementes bewirken, der/das in die Hinlaufleitung oder in die Rücklaufleitung integriert ist.
Die Formänderung des Antriebselementes kann mit einem Rückstellelement unterstützt werden.
Zudem kann die dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommene Energie zur Umwälzung des Fluides im Heiz- oder Kühlkreislauf verwendet werden, indem eine mechanische Bewegung erzeugt und zur translatorischen oder rotatorischen Beaufschlagung eines Pumpenelementes verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der zugehörigen Figur näher erläutert. Diese zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines geschlossenen Fluidkreislaufes.
Das in 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines geschlossenen Fluidkreislaufes besteht aus einer Wärmequelle 1 und einer Wärmesenke 2, welche durch eine Hinlaufleitung 3 und eine Rücklaufleitung 4 miteinander verbunden sind.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Fluid in der Wärmequelle 1 aufgeheizt, und über die Hinlaufleitung 3 zur Wärmesenke 2 transportiert. In der Wärmesenke 2 gibt das Fluid einen Teil seiner gespeicherten Energie ab und wird über die Rücklaufleitung 4 zurückgeführt.
Ein derartiges System kann sowohl als Heiz- und auch als Kühlkreislauf eingesetzt werden, wobei die vorliegend gewählte Strömungsrichtung über die in 1 dargestellten Strömungsrichtungspfeile angegeben ist.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Wärmekraftmaschine in die Hinlaufleitung 3 integriert, die als Pumpe wirkt und das Fluid im Kreislauf umwälzt.
Die Wärmekraftmaschine könnte alternativ auch in der Rücklaufleitung 4 integriert werden. Gleichermaßen ist auch denkbar sowohl in die Hinlauf- als auch in die Rücklaufleitung Wärmekraftmaschinen zu integrieren. Auch ist denkbar, mehr als eine Wärmekraftmaschine pro Leitung vorzusehen, z. B. um ein bestimmtes Druckgefälle zu erreichen.
Die vorliegende Wärmekraftmaschine 5 umfaßt zwei plattenartige Bauteile 6, 7 (nachfolgend auch vereinfachend als „Platten" bezeichnet), welche über einen Federbalg 8 miteinander verbunden sind. Die Bezeichnung als „plattenartige Bauteile" bzw. „Platten” ist jedoch nicht so zu verstehen, daß die tatsächliche räumliche Form dieser Bauteile z. B. auf ebene Topographien beschränkt wäre. Vielmehr sind die „Platten" lediglich als einlaßseitige und auslaßseitige Begrenzungen des (nachstehend noch näher erläuterten) Federbalges (oder der vergleichbaren Baugruppen) zu verstehen.
Gemäß der vorliegenden Ausführung ist zwischen den Platten 6, 7 auch ein Formgedächtnislegierungselement 9 (als Antriebselement) angeordnet, welches durch den Faltenbalg 8 vorgespannt ist. Gleichermaßen können auch mehrere Formgedächtnislegierungselemente als gemeinsames Antriebselement in Reihe und/oder parallel zwischen den Platten angeordnet werden. Bevorzugt werden bei parallel geschaltenen Elementen, diese Elemente entlang des Umfangs des Federbalges bzw. der Platten symmetrisch verteilt angeordnet. Alternativ zu oder kumulativ neben Formgedächtnislegierungselementen können Antriebselemente aus Formgedächtnispolymer(en), Bimetalle, Kombinationen dieser Materialien, oder Verbundwerkstoffe dieser Materialen mit nicht aktiven Materialen eingesetzt werden.
Das Formgedächtnislegierungselement 9 ist in einem Führungsrohr 10 aufgenommen. Die Bezeichnung als „Rohr" ist wiederum nicht einschränkend bezüglich der Ausbildung des Rohres, insbesondere einer Querschnittsform des Rohres, zu verstehen.
Führungsrohr 10 und Formgedächtnislegierungselement 9 sind mit einem Fluidstromumschalter 11 verbunden.
Dieser Fluidstromumschalter 11 ist über eine erste (Betriebs-)Leitung 12 für Betriebsfluid mit der Hinlaufleitung 3 verbunden. Zudem ist der Fluidstromumschalter 11 über eine zweite (Betriebs-)Leitung 13 für Betriebsfluid mit der Rücklaufleitung 4 verbunden.
Bei einer ersten Schaltungsstellung des Fluidstromumschalters 11 wird Fluid aus der Hinleitung entnommen und dem Formgedächtnislegierungselement 9, das im Führungsrohr 10 aufgenommen ist, zugeführt. Folglich wird das Formgedächtniselement 9 mit Fluid einer Temperatur T_F1 beaufschlagt. Das im Führungsrohr 10 evtl. zuvor vorhandene Fluid wird durch das neu einströmende, der Hinlaufleitung 3 entnommende Fluid über die Rücklaufleitung 14 in die Rücklaufleitung 4 verdrängt.
Dabei kann die Zufuhr von Fluid aus der Hinlaufleitung zum Formgedächtnislegierungselement 9 über ein (nicht dargestelltes) Kleinstpumpenelement erfolgen, das vorzugsweise durch die Bewegung des Formgedächtnislegierungselementes angetrieben wird oder das durch elektrische Energie betrieben wird.
Dementsprechend wird das Formgedächtnislegierungselement 9 (als das aktive Element) mit Fluid aus dem Heiz-/Kühlkreislauf einer ersten, höheren Temperatur T_F1 beaufschlagt, wodurch eine Formänderung des aktiven Elementes/ der aktiven Elemente entsprechend einer eingeprägten Hochtemperaturform einsetzt. Dadurch verkürzt sich das Formgedächtnislegierungselement 9, wodurch ein Volumen des Federbalges 8 verringert wird.
Der Federbalg 8 ist über ein Einlaßventil 15 und ein Auslaßventil 16 in die Hinlaufleitung 3 integriert, so daß der Federbalg 8 vom zu fördernden Fluid durchströmt wird. Die Ventile 15, 16 sind bevorzugt als Rückschlagventile ausgebildet, welche einen voreingestellten oder einstellbaren oder regelbaren Mindestöffnungsdruck erfordern.
Aufgrund der Verkürzung des Formgedächtnislegierungselementes 9 und der damit verbundenen Volumenreduzierung des Faltenbalges wird – in Verbindung mit den geschlossenen Ventilen – ein Druck des im Faltenbalg eingeschlossenen Fluides erhöht.
Durch den erhöhten Druck wird das Auslassventil 16 (oberhalb des Mindestöffnungsdrucks) geöffnet und Fluid in Richtung der Wärmesenke 2 gefördert.
Abhängig vom sich hierdurch reduzierenden Druck im Innern des Federbalgs schließt das Auslaßventil 16 anschließend.
Über den Fluidstromschalter 11 wird nunmehr Fluid einer Temperatur T_F2 (die niedriger ist als die Temperatur T_F1) aus der Rücklaufleitung 4 entnommen und mit diesem das Formgedächtnislegierungselement 9 beaufschlagt. Dadurch wird das zunächst zugeführte Fluid mit Temperatur T_F1 in die Rücklaufleitung 14 verdrängt.
Aufgrund der Verdrängung des Fluids mit der höheren Temperatur und gleichzeitiger Beaufschlagung der aktiven Elemente mit Fluid niedriger Temperatur setzt eine Formänderung der aktiven Elemente entsprechend einer eingeprägten Niedrigtemperaturform rasch ein, wobei diese Formänderung zusätzlich mit Rückstellelementen unterstützt werden kann. Hierzu kann beispielsweise der Faltenbalg 8 und eine von diesem erzeugte Vorspannung der Formgedächtnislegierungselemente 9 dienen.
Durch die eingeprägte Niedrigtemperaturform verlängert sich das Formgedächtnislegierungselement 9 wieder, wodurch auch ein Volumen des Faltenbalges 8 steigt. Hierdurch wird ein Unterdruck im Faltenbalg 9 erzeugt.
Durch den Unterdruck öffnet sich das Einlassventil 15 (abhängig vom Mindestöffnungsdruck) und Fluid wird aus Richtung Wärmequelle in den Faltenbalg 9 gesaugt. Die Druckdifferenz verringert sich aufgrund des zuströmendem Fluides. Entsprechend schließt das Einlaßventil 15.
Der Vorgang beginnt von neuem mit Einleiten von Betriebsfluid aus der Hinlaufleitung 3.
Folglich wird die durch die mechanische Bewegung bereitgestellte Energie zur Umwälzung des Fluides im Kreislauf ausgenutzt. Es entsteht ein Pumpenelement, das vorliegend translatorisch bewegt wird.
Jedoch ist ebenfalls eine rotatorische Bewegung denkbar. Dies ist insbesondere dann auch dann möglich, wenn die Wärmekraftmaschine nicht in der Hinlauf- und/oder der Rücklaufleitung integriert ist. In diesem Fall wird die Wärmekraftmaschine ausschließlich mit Betriebsfluid versorgt, das alternierend den Hinlauf- und Rücklaufleitungen entnommen wird. Eine hierdurch entstehende mechanische Bewegung kann auf ein weiteres mechanisches Pumpelement übertragen werden, welches in der Hinlauf- und/oder der Rücklaufleitung angeordnet ist. Alternativ kann die hierdurch entstehende mechanische Bewegung auch in elektrische Energie umgewandelt werden, mit der ein weiteres (ggf. herkömmliches) Pumpelement betrieben werden kann.
Wie vorstehend erwähnt ist die Anzahl an Formgedächtnislegierungselementen 9 an die jeweilige Aufgabenstellung anpaßbar.
Die Zufuhr von Fluid aus der Rücklaufleitung zum Formgedächtnislegierungselement kann über ein Kleinstpumpenelement erfolgen, welches vorzugsweise durch die Bewegung des Formgedächtnislegierungselementes (durch direkte mechanische Übertragung oder durch Umwandlung in elektrische Energie) betrieben wird. Auch eine Verwendung von „Fremdstrom" wäre denkbar.
Das vorliegend beschriebene Verfahren und die vorstehend beschriebene Vorrichtung besitzen intrinsische Regeleigenschaften bezüglich des geförderten Fluidstromes, da die Geschwindigkeit auf Formänderung der aktiven Elemente 9 von der Fluidtemperatur T_F1 und der Fluidtemperatur T_F2 abhängt. Dabei nimmt die Geschwindigkeit der Formänderung der aktiven Elemente 9 mit steigender Temperatur T_F1 zu, wodurch sich ebenfalls der geförderte Fluidstrom im Kreislauf erhöht und damit die transportierbare Wärmemenge steigt.
Die Umwandlung der aktiven Elemente 9 in Hoch- und Niedrigtemperaturform unterliegt, abhängig vom jeweiligen Material des aktiven Elementes, einer Temperaturhysterese, wobei die Wandlung in die Hochtemperaturform bei einer höheren Temperatur (T₀) als die Rückwandlung in die Niedigtemperaturform (T_u) stattfindet. Zur Sicherstellung eines kontinuierlichen Betriebs bei einem derartigen Werkstoff des aktiven Elementes 9 wird vorliegend die Temperatur T_F1 zur Erwärmung der aktiven Elemente höher gewählt als die benötigte Temperatur T₀.
Gemäß einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Anlauf (Anfahrvorgang, Start) der vorliegenden Wärmekraftmaschine verbessert, indem die aktiven Elemente elektrisch fremdbeheizt werden. Das Heizen kann dabei direkt (durch Bestromen der aktiven Elemente) oder indirekt (über zusätzliche Heizelemente) erfolgen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Fluid in einem Heiz-/Kühlkreislauf unabhängig von einer externen Zufuhr von mechanischer oder elektrischer Energie umzuwälzen. Dabei findet eine Pumpe Verwendung, die als aktive Antriebselemente Formgedächtnislegierungen/Formgedächtnispolymere/Bimetalle/Kombinationen aus mindestens zwei der genannten Materialien/ sowie Verbundwerkstoffen derselben mit nicht aktiven Materialien mit mindestens einer der vorhergehend genannten Materialien enthält.
Weiterhin ist vorstehend eine Pumpe mit externem Antrieb offenbart, wobei der externe Antrieb in Form einer Wärmekraftmaschine zur Verfügung gestellt ist, und wobei die Energie zum Betrieb der Pumpe einem Heiz-/Kühlkreislauf entnommen wird, indem die aktiven Elemente mittels Fluid einer höheren Temperatur erwärmt und die aktiven Elemente mittels Fluid einer niedrigen Temperatur abgekühlt werden, wodurch ein energieautarker Betrieb der Pumpe ermöglicht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10108468 A1 [0005, 0006]

Claims

Heiz- oder Kühlkreislauf mit Wärmequelle und Wärmesenke, die über Hin- und Rücklaufleitung miteinander verbunden sind, und mit einer Wärmekraftmaschine zur Umwandlung thermischer Energie des Fluides im Kreislauf in mechanische und/oder elektrische Energie, wobei die Wärmekraftmaschine ein Antriebselement aufweist, das seine äußere Form mit seiner Temperatur ändert, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebselement ein dem Kreislauf entnommener Fluidbetriebsstrom über eine Umschalteinrichtung derart zuführbar ist, daß das Antriebselement alternierend mit Fluid aus der Hinlaufleitung und mit Fluid aus der Rücklaufleitung beaufschlagbar ist.
Heiz- oder Kühlkreislauf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement einen Formgedächtniswerkstoff, insbesondere eine Formgedächtnislegierung oder einen Formgedächtnispolymer, Bimetalle, Kombinationen dieser Materialien, oder Verbundwerkstoffe dieser Materialen mit nicht aktiven Materialen aufweist.
Heiz- oder Kühlkreislauf nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine ein Rückstellelement aufweist, das derart angeordnet ist, daß eine Formänderung des Antriebselementes unterstützbar ist.
Heiz- oder Kühlkreislauf nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine zwei Platten aufweist, zwischen denen ein Faltenbalg oder ein flexibles Schlauchelement oder ein teleskopartig auseinanderziehbares Rohrelement angeordnet ist, der/das vom Fluid durchströmt wird, wodurch die Wärmekraftmaschine in die Hinlaufleitung oder in die Rücklaufleitung des Heiz- oder Kühlkreislaufes integriert ist und das Fluid im Heiz- oder Kühlkreislauf durch eine alternierende Volumenänderung des Faltenbalgs oder des flexiblen Schlauchelementes oder des teleskopartig auseinanderziehbaren Rohrelementes umwälzbar ist.
Heiz- oder Kühlkreislauf nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebelement zwischen den Platten angeordnet ist und durch den Faltenbalg oder das flexible Schlauchelement oder das teleskopartig auseinanderziehbare Rohrelement vorgespannt ist.
Heiz- oder Kühlkreislauf nach Patentanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Volumenänderung des Faltenbalges oder des flexiblen Schlauchelementes oder des teleskopartig auseinanderziehbaren Rohrelementes ein Wechsel von Unterdruck und Überdruck im Faltenbalg oder dem flexiblen Schlauchelement oder dem teleskopartig auseinanderziehbaren Rohrelement erzeugbar ist.
Heiz- oder Kühlkreislauf nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Einlaß und an einem Auslaß des Faltenbalges oder des flexiblen Schlauchelementes oder des teleskopartig auseinanderziehbaren Rohrelementes Ventile vorgesehen sind.
Heiz- oder Kühlkreislauf nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement in einem Führungsrohr aufgenommen ist, das mit der Umschalteinrichtung verbunden ist und in dem der Fluidbetriebstrom geführt ist.
Heiz- oder Kühlkreislauf nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Betriebsfluid zum Antriebselement aus der Hinlaufleitung und/oder der Rücklaufleitung durch ein Kleinstpumpenelement erzeugt wird, das durch die Bewegung des Antriebselementes oder das durch elektrische Energie betrieben wird.
Heiz- oder Kühlkreislauf nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement zum selbsttätigen Anlauf der Wärmekraftmaschine durch Bestromen des Antriebselementes oder über zusätzliche Heizelemente elektrisch beheizbar ist.
Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Heiz- oder Kühlkreislaufes in mechanische und/oder elektrische Energie, wobei die thermische Energie mit einer Wärmekraftmaschine dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommen wird, indem eine alternierende Formänderung eines Antriebselementes der Wärmekraftmaschine dadurch erzeugt wird, daß abwechselnd Fluid einer ersten höheren Temperatur dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommen und mit dem Antriebselement in Kontakt gebracht, und das Fluid mit der ersten, höherer Temperatur durch dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommenes Fluid einer zweiten, niedrigeren Temperatur verdrängt und mit dem Antriebselement in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch Beaufschlagen des Antriebselements mit dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommenem Betriebsfluid mit der ersten, höheren Temperatur (T_F ₁) eine Formänderung des Antriebselementes entsprechend einer eingeprägten Hochtemperaturform einsetzt.
Verfahren nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ableitung des Fluids mit der ersten Temperatur und gleichzeitige Beaufschlagung des Antriebselementes mit dem Kreislauf entnommenem Fluid mit der zweiten, niedrigeren Temperatur (T_F2) eine Formänderung des Antriebselementes entsprechend einer eingeprägten Niedrigtemperaturform einsetzt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der den Hinlauf- und Rücklaufleitungen des Kreislaufs entnommene Betriebsstrom an Fluid nach Kontakt mit dem Antriebselement in die Rücklaufleitung rückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung des Antriebselementes eine Volumenänderung eines Faltenbalges oder eines flexiblen Schlauchelementes oder eines teleskopartig auseinanderziehbaren Rohrelementes bewirkt, der/das in die Hinlaufleitung oder in die Rücklaufleitung integriert ist.
Verfahren nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Formänderung des Antriebselementes mit einem Rückstellelement unterstützt wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Heiz- oder Kühlkreislauf entnommene Energie zur Umwälzung des Fluids im Heiz- oder Kühlkreislauf verwendet wird, indem eine mechanische Bewegung erzeugt und zur translatorischen oder rotatonischen Beaufschlagung eines Pumpenelements verwendet wird.