DE102013004145A1

DE102013004145A1 - Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage mit einem Antrieb aus Formgedächtnismaterial

Info

Publication number: DE102013004145A1
Application number: DE102013004145.7A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RHP GmbH
Current assignee: RHP GmbH
Priority date: 2013-03-09
Filing date: 2013-03-09
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2033-03-10
Also published as: DE102013004145B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe/Kältemaschine/Klimaanlage, welche einen höheren Wirkungsgrad als heutige Anlagen hat. Das wird dadurch erreicht, indem man den Prozess der Energieübertragung einer Wärmepumpe/Kältemaschine/Klimaanlage, die mit einem Kältemittel als Arbeitsmedium arbeitet und den Effekt der Temperaturtransformation durch Verdampfung und Kondensation dieses Kältemittels nutzt, mit einem durch Formgedächtnismaterialien angetriebenen Kompressor kombiniert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe oder eine Kältemaschine oder eine Klimaanlage, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Heutige Wärmepumpen, Kältemaschinen oder Klimaanlagen werden in der Regel von Elektro- oder Verbrennungsmotoren angetrieben, erzeugen dadurch bedingt einen erheblichen CO²-Ausstoß und verursachen enorme Energiebeschaffungskosten. Diese Kosten liegen, über die Lebensdauer der Anlagen gerechnet, in aller Regel höher als die Anschaffungskosten der Anlage. Es gab seit den 1960er-Jahren bis heute einige Versuche Antriebe auf der Basis von Formgedächtnislegierungen, insbesondere aus Nitinol (NiTi-Legierung), zu entwickeln und unterschiedliche Temperaturniveaus eines Mediums als Energiequelle zu nutzen. Meist wurde oder wird als Medium warmes Wasser genutzt, um dünne Drähte aufzuheizen, woraufhin diese sich zusammenziehen und dabei Arbeit verrichten. Anschließend werden diese Drähte mit kaltem Wasser abgekühlt, ändern ihre innere Gitterstruktur und werden wieder auf die Ursprungslänge gedehnt, so dass der Prozess von neuem beginnen kann. Leider haben diese Antriebe nur einen schlechten Gesamtwirkungsgrad von etwa 10% und Formgedächtnismaterialen haben sich daher als Antrieb bis heute nicht durchgesetzt, wohl aber in Auslösemechanismen von Toaster, in Thermostatventilen, Stents, Zahnspangen, Pressverbindern, in der Robotik, usw..
Es gibt aber keine Anwendung, welche den Prozess der Energieübertragung einer Wärmepumpe/Kältemaschine/Klimaanlage, die mit einem Kältemittel als Arbeitsmedium arbeitet und den Effekt der Temperaturtransformation durch Verdampfung und Kondensation dieses Kältemittels nutzt, mit den Antriebsmöglichkeiten durch Formgedächtnismaterialien kombiniert. Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe, eine Kältemaschine oder eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Es wird hier eine Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage vorgeschlagen, welche aus einem Kompressionsraum 5 und aus einem Raum 1 besteht. Im Raum 1 befindet sich mindestens ein Bauteil aus Formgedächtnismaterialien 2. In 1 wird eine mögliche Ausführungsform dargestellt. Außerdem besteht die Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage aus einem Kondensator 3 und einem Verdampfer 4. In dem Kompressionsraum 5 wird ein Fluid 6 verdichtet und von dort mit Hilfe des Kolbens 16 über Rohrleitungen oder Kanäle 7 entweder in den Raum 1 befördert, in dem sich das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 befindet oder es wird in ein Ausgleichsgefäß 19 geleitet und gelangt von dort in den Raum 1. Bei dem Fluid 6 handelt es sich um Ammoniak, Kohlendioxid, Propan, Butan, Wasser, Fluorkohlenwasserstoff, Fluorchlorkohlenwasserstoff oder ein anderes, für Klimaanlagen/Kältemaschinen/Wärmepumpen gebräuchliches Kältemittel. Dem Fluid 6 wird ein Schmierstoff zugesetzt.
Als Werkstoff für das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 wird eine Nickel-Titan-Legierung, eine Nickel-Titan-Kupfer-Legierung, eine Fe-Ni-Co-Ti-Legierung, eine andere Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer oder ein anderes Formgedächtnismaterial eingesetzt.
Das Fluid 6, welches in den Raum 1 eingeleitet wird, fürt dort zu einem Temperaturanstieg in dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2. Das Formgedächtnismaterial 2 ist mit dem einen Ende an der Innenwand von Raum 1 befestigt, zieht sich durch den Temperaturanstieg zusammen und verrichtet dabei Arbeit. Diese Arbeit wird durch eine Koppelstange 8 in den Kompressionsraum 5 übertragen und in ein oder in mehreren Federn 9 gespeichert. Die dem Fluid 6 entzogene Energie ist nun in der gespannten Feder zwischengespeichert und dient beim nächsten Zyklus als Antriebsenergie für den Verdichtungsprozess des Fluids 6 in der Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage. Bei Abkühlung des Fluids 6 im Raum 1 kühlt sich automatisch auch das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 ab, das Material erinnert sich an seine ursprüngliche Form und kehrt unter Wärmeabgabe in diese Form zurück. Die Höhe dieser Wärmeabgabe einspricht dabei in etwa der Energie, die in das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 eingebracht und nicht in mechanische Energie umgesetzt wurde.
Die Antriebsenergie für die Wärmepumpe, die Kältemaschine oder die Klimaanlage liefert also die ins Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 eingebrachte Wärmeenergie, welches sich während des Betriebes durch Wärmezufuhr und Wärmeabgabe zyklisch zusammenzieht und wieder ausdehnt. Entscheidend für die Leistung der Maschine ist dabei die Anzahl der Zyklen pro Zeit. Die Zykluszeit wiederum ist stark abhängig davon, wie schnell sich das Formgedächtnismaterial aufheizt und wieder abkühlt. Einen entscheidenden Einfluss darauf hat die Größe der Oberfläche des Bauteils aus Formgedächtnismaterial 2 im Verhältnis zu seiner Masse.
Dieses Bauteil weist im Verhältnis zu seinem äußeren Bauvolumen eine große innere Oberfläche auf. Erreicht wird das, indem man es aus dünnen Drähten 10, dünnen Folien 11, dünnwandigen Rohren 12, einer offenporösen Struktur 13, einer drei-, vier-, fünf-, sechs- oder mehreckigen Wabenstruktur 14 mit dünnwandigen Zellwänden oder einer Gitterstruktur 15 herstellt (2). Heute lassen sich mit 3D-Druckern auch nahezu beliebige Geometrien für dieses Bauteil realisieren, wichtig ist, das eine Struktur verwendet wird, deren Kanäle es ermöglichen, dass das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 vom Fluid 6 durchströmt werden kann und sich Innen- oder Zellwände schnell und gleichmäßig aufheizen. Damit sie sich schnell genug aufheizen, sind Wandstärken von unter 0,1 mm bis maximal 0,2 mm notwendig. Über die unterschiedliche Dimensionierung der Materialstärke und der Kanalquerschnitte im Bauteil lässt sich dabei eine relativ gleichmäßige Temperaturverteilung bei Temperaturänderung erreichen und somit lassen sich unerwünschte Spannungen minimieren. Auch kann die Oberfläche mit einer Oberfläche versehen sein, die sehr gute Wärmeleiteigenschaften aufweist, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Silber oder Kupfer.
Die dünnen Folien 11 können auch durch Zwischenschichten aus einem offenporösen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, z. B. durch Schäume oder Gitterstrukturen oder durch Fleece von einander getrennt werden, so dass das Fluid 6 die Oberfläche des Formgedächtnismaterials leicht erreicht. Der Stapel aus Folien und Zwischenschichten wird an den Seiten, an denen die Krafteinleitung erfolgt, gegeneinander verspannt, etwa wie in einem Schraubstock und bildet mm eine Einheit.
Wenn nicht offenporig sondern mit Kanälen gearbeitet wird, ist es wichtig, dass die Kanäle das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 so durchziehen, dass im Wesentlichen eine gleichmäßige Erwärmung oder Abkühlung dieses Bauteils erfolgt, damit keine unerwünschten Wärmespannungen auftreten, wenn das Fluid 6 hindurchströmt. Die Kanäle können auch gebogen sein und ineinander übergehen, insbesondere im Ein- und Austrittsbereich des Fluids 6 in das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2. Über eine geschickt gestaltete Führung der Kanäle kann man das Fluid 6 vom Einlass bis zum Auslass aus dem Bauteil gezielt durch diese Kanäle und damit gezielt durchs Bauteil leiten. Der Raum 1 mit dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 wird aufgrund der auftretenden Drücke vorteilhafterweise als Zylinder ausgeführt, ebenso wie der Kompressionsraum 5, bei dem sich damit auch die Abdichtungsproblematik des Kolbens vereinfacht. Der Kompressionsraum 5 kann anstatt des Zylinders aber auch aus einen Faltenbalg oder einer Luftfeder, wie sie z. B. als Federelement in Nutzfahrzeugen eingesetzt wird, bestehen. Das soll hier aber nicht weiter betrachtet werden.
Die dünnwandigen Rohre 12, die poröse Struktur 13, die drei-, vier-, fünf-, sechs- oder mehreckige Wabenstruktur 14, die Gitterstruktur 15 oder die sonstige Struktur, welche mit Kanälen durchzogen ist, werden im Laserschmelzverfahren, Lasersinterverfahren oder im Elektronenstrahlschmelzverfahren hergestellt. Heute ist es per 3D-Drucker möglich, auch komplizierte und fein strukturierte Bauteile zu drucken. Das ermöglicht auch die Verbindung von unterschiedlichen Materialien und die Verbindung von massivem und porösem Material.
So kann die Koppelstange 8 und das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 zu einem Bauteil verschmelzen. Eine Dichtung im Bereich der Lagerung der Koppelstange 8 dichtet den Raum 1 gegenüber dem Kompressionsraum 5 ab. Das Bauteil, bestehend aus Formgedächtnismaterial 2 und Koppelstange 8, vollzieht bei Temperaturänderung und insbesondere bei Änderung der Gitterstruktur der Formgedächtnislegierung, eine im Wesentlichen translatorische Bewegung, bewegt den Kolben 16 und spannt oder entspannt eine oder mehrere Schrauben- oder Tellerfedern 2. Diese Federn dienen als Zwischenspeicher für die Energie, die beim nächsten Verdichtungsprozess eingesetzt wird. Wenn mehrere Federn eingesetzt werden, müssen diese nicht konzentrisch angeordnet sein. Sie können auch nebeneinander eingebaut und über die Fläche unter dem Kolben verteilt sein.
Die Ventile 17 sind so angeordnet, dass der Fluidaustausch zwischen den Bauteilen zeitlich gesteuert werden kann und das Fluid aus Bereichen mit einem hohen Druckniveau in Bereiche niedrigen Druckniveaus gelangt. Die Ventile sind elektromagnetisch angetrieben oder federkraftbetätigt. Sie können auch über einen Aktor aus einer Formgedächtnislegierung oder aus Bimetall temperaturgesteuert betätigt werden.
Die elektromagnetisch betätigten Ventile 17 werden durch eine elektronische Steuerung so geöffnet oder geschlossen, dass im Kompressionsraum 5 und im Raum 1 mit dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 zu jedem Zeitpunkt des Zyklus' der gewünschte Druck herrscht. Wird mit federbelasteten Ventilen 17 gearbeitet, so wird der Betätigungsdruck der federbelasteten Ventile 17 entsprechend gewählt, bei Ventilen mit einem Aktor aus Formgedächtnismaterial 17, wird die gewünschte Auslösetemperatur gewählt.
In dem Kreislauf des Fluids 6 wird nach dem Kondensator 3 eine Drossel 18 angeordnet. Diese Drossel kann aber entfallen, wenn das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 selbst als Drossel dient.
Im Kreislauf des Fluids 6 ist zwischen dem Kompressionsraum 5 und dem Raum 1 mit dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 ein Ausgleichsbehälter 19 angeordnet. Des weiteren wird ein Ausgleichsbehälter 20 dem Raum 1 parallelgeschaltet und ein Ausgleichsbehälter 21 nach dem Kondensator 3 oder der Drossel 18 angeordnet.
Diese Ausgleichsbehälter 19 bis 21, die Rohrleitungen 7, der Raum 1 und der Kompressionsraum 5 werden jeweils nach außen thermisch isoliert. Zwischen dem Raum 1 und dem Kompressionsraum 5 befindet sich ebenfalls eine thermische Isolierung. Auch die Innenwand des Raumes 1 wird thermisch isoliert, wodurch zwischen dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 und der Innenwand des Gehäuses, welches den Raum 1 umgibt, ein großer Wärmeübergangswiderstand vorhanden ist und die in Raum 1 einströmende Wärme im Wesentlichen in das Formgedächtnismaterial 2 und nicht in die Außenwand gelangt.
Das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 kann aus Rohren oder Platten 22 bestehen, die eine große innere Oberfläche aufweisen und untereinander durch eine oder mehrere Rückführung(en) 23 verbunden sind (3). Man stelle sich zwei Röhren unterschiedlichen Durchmessers vor, konzentrisch angeordnet, beide aus Formgedächtnismaterial und eine dritte Röhre (die Rückführung 23), die nicht aus Formgedächtnismaterial gefertigt ist und sich zwischen beiden Röhren befindet. Verbindet man nun die äußere Röhre mit der mittleren Röhre (Rückführung) an der einen Stirnseite der drei Röhren und die innere mit der mittleren auf der anderen Stirnseite, so kommt es bei Erwärmung der Röhren zu einem Teleskopeffekt. Die Baulänge des Bauteils aus Formgedächtnismaterial 2 halbiert sich in etwa bei gleichem Hub. Dieser Effekt funktioniert natürlich nicht nur bei Rohren, es können alternativ auch Platten oder andere Bauformen zum Einsatz kommen. Natürlich sind auch mehrere Stufen möglich, also drei oder mehr Röhren aus Formgedächtnismaterial. Wenn man mit Nitinol, dem heute gebräuchlichsten Formgedächtnismaterial, arbeitet, darf die maximale Dehnung des Materials 1% keinesfalls überschreiten, um eine ausreichende Haltbarkeit zu gewährleisten. Das schränkt den möglichen Kolbenhub natürlich sehr ein. Deswegen können solche Lösungen notwendig werden. Die Rückführungen 23 können auch aus einem Formgedächtnismaterial gefertigt werden, welches eine entgegengesetzte Ausdehnungscharakteristik hat, oder auch aus einem Dehnstoffelement bestehen und sich somit bei Temperaturerhöhung stark ausdehnen und dabei Arbeit verrichten, während sich die Rohre oder Platten 22 bei Temperaturerhöhung zusammenziehen und dabei Arbeit verrichten. Das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 und die Koppelstange 8 können wie in 4 auch über einen Kipphebel 24 miteinander verbunden sein. Damit ist das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Hub des Formgedächtnisbauteils und dem Kolbenhub frei wählbar und außerdem lässt sich ein Massenausgleich zwischen den beiden Massen erreichen. Allerdings findet durch den Kipphebel 24 auch eine Kraftrichtungsumkehr statt. Wenn in 4 Nitinol als Formgedächtnislegierung eingesetzt wird, zieht sich das Bauteil 2 bei Erwärmung zusammen und der Kolben 16 verdichtet das Fluid darüber. Für diesen Fall wird eine Zugfeder als Feder 9 eingesetzt. Die Feder 9 kann auch als Druckfeder ausgelegt sein und sitzt dann über dem Kolben 16. Der Kompressionsraum kann auch unter dem Kolben 16 angeordnet sein und die Energie, die das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 liefert, in der Druckfeder über dem Kolben zwischengespeichert werden.
Der Kipphebel 24 sollte aufgrund der nicht ausgeglichenen rotierenden Massen dieses Bauteils möglichst leicht gestaltet werden. Der Rotationsmassenausgleich des Kipphebels 24 kann aber auch, wie in 5 skizziert, durch eine über eine Verzahnung oder einen Zahnriemen gekoppelte rotierende Masse 26 erfolgen, welche eine dem Kipphebel 24 entgegengesetzte Drehbewegung vollzieht.
Eine weitere Möglichkeit für einen perfekten Massenausgleich ist in 6 skizziert. Das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 ist im Raum 1 mittig fixiert, arbeitet zu beiden Seiten und bewegt somit zwei Kolben. Es erhöht sich allerdings die Baulänge, diese kann aber durch das Prinzip der teleskopierbaren und mit Rückführungen 23 versehenen Formgedächtnisbauteile 22 verkürzt werden.
Beim Start der Wärmepumpe/Kältemaschine/K1imaanlage ist es notwendig, dem System Wärmeenergie zuzuführen.
Dazu wird entweder das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 nach außen galvanisch isoliert ist und dieses Bauteil durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes aufgeheizt. Das Aufheizen des Systems wird dabei über eine Regelung, welche Messdaten von im Gerät angeordneten Temperatur- und Drucksensoren erfasst, gesteuert. Auch während des Betriebes wird ermittelt, ob und wie viel zugeheizt werden muss.
Oder das Fluid 6 wird im Ausgleichsbehälter 19 durch eine dort angeordnete elektrische Heizschleife erhitzt, die ebenfalls in Abhängigkeit von Drücken und Temperaturen durch eine Regelung gesteuert wird.
Das Aufheizen im Ausgleichsbehälter 19 kann aber auch über eine Heizschleife erfolgen, die über eine Gas- oder Ölheizung, einen Verbrennungsmotor oder einen Solarkollektor gespeist wird oder mittels der Abwärme anderer Maschinen oder Aggregate.
Es gibt mehrere Möglichkeiten das Fluid 6 sinnvoll durch die Rohrleitungen 7 zwischen den einzelnen Bauteilen hin und her zu fördern. Grundsätzlich erfolgt der Fluidaustausch durch Druckausgleich nach Öffnung eines Ventils 17. Im Folgenden wird eine Möglichkeit der Abfolge eines Durchlaufs beschrieben (1):
Das Fluid 6 gelangt vom Ausgleichsbehälter 19 in den Raum 1, erwärmt dort das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2, kühlt sich dabei ab, gelangt teilweise in den Sumpf 25 und fließt durch Schwerkrafteinfluss zurück in den tiefer gelegenen Ausgleichsbehälter 19. Nachdem das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 vollständig aufgeheizt ist, werden das zugehörige Ein- und Auslassventil geschlossen. Nun werden zwei weitere Ventile 17 geöffnet, welche den Weg von und zum Ausgleichsbehälter 20 freigeben, das Temperaturniveau von Ausgleichsbehälter 20 liegt unter dem von Ausgleichsbehälter 19, es wird somit Wärme aus dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 gezogen und das zugehörige Ein- und Auslassventil wieder geschlossen. In der nächsten Phase wird durch ein drittes im Sumpf 25 befindliches Ventil 17 Fluid 6 in den Kondensator 3 geleitet, dann in die Drossel 18 und wieder in den Raum 1. Es kann dort die Restwärme aus dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 aufnehmen und gelangt, nach Öffnung eines weiteren Ventils in den Wärmetauscher 4, nimmt dort Wärme auf und strömt von dort in den Kompressionsraum 5. Das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 ist nun vollständig abgekühlt. Nun wird das im Ausgleichsbehälter 20 gelagerte Fluid 6 wieder in den Raum 1 geleitet, das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 dadurch vorgewärmt, die Ventile geschlossen und der nächste Zyklus kann beginnen. Zwischenzeitlich hat der Kolben das im Kompressionsraum 5 befindliche Fluid 6 komprimiert und in den Ausgleichsbehälter 19 geschoben. Wenn das Formgedächtnisbauteil aus Nitinol hergestellt ist, sind etwa 10% der in dieses Bauteil eingebrachten Wärmeenergie in mechanische Energie umgesetzt worden und 90% zurück ins Fluid 6 geflossen. Die 90% wurden teilweise im Ausgleichsbehälter 20 zwischengespeichert und wieder zur Erwärmung des Nitinols genutzt. Der im Wärmetauscher 4 aufgenommene Wärmestrom entspricht zusammen mit der mechanischen Energie aus dem Nitinol etwa 50% der Energie, die wieder ins Nitinol hineingepumpt werden muss. Einen Teil der Energie, die wieder ins Nitinol hineingepumpt werden muss, liefert die in Ausgleichsbehälter 20 zwischengespeicherte Energie. Bei einem Wirkungsgrad des Nitinols von 10%, wird man dem Ausgleichsbehälter 19 während des Betriebes dennoch Energie zuführen müssen, jedoch liegt der Wirkungsgrad einer solchen Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage deutlich über dem heutiger Anlagen. Sollten in der Zukunft Formgedächtnismaterialien mit höheren Wirkungsgraden entwickelt werden, so könnten die Anlagen allein aus dem Temperaturunterschied der Medien, die den Kondensator 3 und den Verdampfer 4 von außen kühlen bzw. heizen, betrieben werden.
Bei längeren Standzeiten könnten durch Undichtigkeiten der Ventile 17 eventuell ungünstige Füllstände in den Bauteilen auftreten, daher wird in diesem Fall eine Pumpe vorgesehen, die das Fluid 6 aus dem Kondensator 3, dem Verdampfer 4 oder dem Kompressionsraum 5 in den Ausgleichsbehälter 19 pumpt. Das ist wahrscheinlich aber nicht erforderlich.
Um bei Wärmepumpen höhere oder bei Kältemaschinen tiefere Temperaturen der zu heizenden oder zu kühlenden Medien zu erreichen, können mehrere Wärmepumpen oder Kältemaschinen in Reihe hintereinander geschaltet werden. Die Ventile 17 können auch über die Hubbewegung des Bauteils aus Formgedächtnismaterial 2 oder des Kolbens 16 geöffnet und geschlossen werden. Das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 oder der Kolben 16 kann auch direkt die Funktion der Ventile übernehmen. Der sich bewegende Kolben 16 oder das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 können, wenn sie sich verschieben, in der Zylinderwand Öffnungsquerschnitte freigeben.
Der Kondensator 3 oder der Verdampfer 4 oder auch beide können eventuell bei sehr einfachen Kleinanlagen auch entfallen. Die Funktion des Kondensators 3 wird dann vom Raum 1 mit dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 übernommen und die Funktion des Verdampfers 4 wird vom Kompressionsraum 5 übernommen. Die Außenwände dürfen dann natürlich nicht isoliert ausgeführt sein, denn die Wärme wird direkt über die Außenflächen des Raumes 1 abgegeben, bzw. über die Außenflächen des Kompressionsraumes 5 aufgenommen. Dazu ist es vorteilhaft die Außenflächen der beiden Räume mit Kühlrippen zu versehen oder man beaufschlagt die Flächen mit Kühlwasser oder einem Wasser-Glykol-Gemisch.
Die Ventile 17 müssen nicht alle wie in 1 skizziert einzeln am oder im Gehäuse montiert sein, sie können auch in ein oder mehreren Ventilblöcken zusammengefasst werden. In solch einem Ventilblock können auch Mehrwegeventile zum Einsatz kommen, damit ist es möglich das Fluid 6 von einem Kreis in den anderen zu leiten.
Der Kompressionsraum 5 und der Raum 1 können auch zu einem Raum verschmelzen (7). Dabei entfällt die Wand zwischen den beiden Räumen und der Kolben 16 übernimmt die Abtrennung zwischen diesen. Die Feder 9 wird in dieser Beispielzeichnung auf Zug belastet und liegt im Volumen des Kompressionsraumes 5.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Kompressionsraum 5 und der Raum 1 identisch sind. Das bedeutet, das Fluid 6 wird in dem Raum verdichtet und erhitzt, in dem sich auch das Bauteil aus Formgedächtnismaterial 2 befindet. Die Peripherie, bestehend aus Ausgleichsbehältern (19 bis 21), Kondensator 3, Verdampfer 4, Ventilen 17 und Drossel 18, wurde hier nicht gezeichnet, gehört aber dazu.
Bei einer weiteren Ausführungsform entfällt die Feder oder entfallen die Federn 9. Die für die Rückstellung des Bauteils aus Formgedächtnismaterial 2 notwendige Kraft wird hierbei durch den Gasdruck des in den Kompressionsraumes 5 einströmenden Fluids 6 auf den Kolben 16 ausgeübt. Diese Wärmepumpe/K1imaanlage eignet sich auch für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere auch in Elektrofahrzeugen, die einen nennenswerten Anteil ihrer kostbaren Batteriekapazität für Heizungs- und Klimatisierungsaufgaben bereitstellen müssen.

Claims

Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage bestehend aus mindestens einem Raum (1), in dem sich mindestens ein Bauteil aus Formgedächtnismaterialien (2) befindet, einem Kondensator (3), einem Verdampfer (4) und mindestens einem Kompressionsraum (5), in dem ein Fluid (6) verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Wärmepumpe, der Kältemaschine oder der Klimaanlage mittels des Bauteils aus Formgedächtnismaterial (2) erfolgt, wobei das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) durch das Fluid (6) zeitweise erhitzt und zeitweise gekühlt wird und das verdichtete Fluid (6) vom Kompressionsraum (5) in den Raum (1) mit dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) gelangt.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Räume (1 + 5) über Rohrleitungen oder Kanäle (7) miteinander verbunden sind, über die der Fluidaustausch zwischen ihnen erfolgt und dass sie mit einer Koppelstange (8) verbunden sind, über die bei Erwärmung des Bauteils aus Formgedächtnismaterial (2) eine Kraft in den Kompressionsraum (5) eingeleitet wird, welche dort Arbeit verrichtet.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kompressionsraum (5) eingeleitete Kraft in diesem Raum Kompressionsarbeit leistet oder eine oder mehrere Federn (9) spannt.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fluid (6) um Ammoniak, Kohlendioxid, Propan, Butan, Wasser, Fluorkohlenwasserstoff, Fluorchlorkohlenwasserstoff oder ein anderes, für Klimaanlagen/Kältemaschinen/Wärmepumpen gebräuchliches Kältemittel handelt, wobei dem Fluid (6) ein Schmiermittel zugesetzt sein kann.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Formgedächtnismaterial (2) um eine Nickel-Titan-Legierung, eine Nickel-Titan-Kupfer-Legierung, eine Fe-Ni-Co-Ti-Legierung, eine andere Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer oder ein anderes Formgedächtnismaterial handelt.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Wärmepumpe, der Kältemaschine oder der Klimaanlage mittels des Bauteils aus Formgedächtnismaterial (2) erfolgt, welches sich während des Betriebes durch Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr zyklisch ausdehnt und wieder zusammenzieht, wobei dieses Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) im Verhältnis zu seinem äußeren Bauvolumen eine große innere Oberfläche aufweist, welche vom Fluid (6) gekühlt oder erwärmt wird und dieses Bauteil (2) aus dünnen Drähten (10), dünnen Folien (11), dünnwandigen Rohren (12), einer offenporösen Struktur (13), einer drei-, vier-, fünf-, sechs- oder mehreckigen Wabenstruktur (14) mit dünnwandigen Zellwänden, einer Gitterstruktur (15) oder einer sonstigen Struktur, deren Kanäle es ermöglichen, dass das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) vom Fluid (6) durchströmt werden kann, gefertigt ist.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach vorgenanntem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnen Folien (11) durch Zwischenschichten aus einem porösen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder durch Fleece von einander getrennt werden und der Stapel aus Folien und Zwischenschichten an den Seiten, an denen die Krafteinleitung erfolgt, gegeneinander verspannt werden und somit eine Einheit bilden.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) so durchziehen, dass im Wesentlichen eine gleichmäßige Erwärmung oder Abkühlung dieses Bauteils erfolgt, wenn das Fluid (6) hindurchströmt, wobei die Kanäle auch gebogen sein können und ineinander übergehen können, insbesondere im Ein- und Austrittsbereich des Fluids (6).
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnen Folien (11), die dünnwandigen Rohre (12), die poröse Struktur (13), die drei-, vier-, fünf-, sechs- oder mehreckige Wabenstruktur (14), die Gitterstruktur (15) oder die sonstige Struktur, welche mit Kanälen durchzogen ist, im Laserschmelzverfahren, Lasersinterverfahren oder im Elektronenstrahlschmelzverfahren hergestellt werden.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 1, 2, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstange (8) und das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) zu einem Bauteil verschmelzen, das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) und Koppelstange (8) bei Temperaturänderung und insbesondere bei Änderung der Gitterstruktur der Formgedächtnislegierung eine im Wesentlichen translatorische Bewegung vollzieht, den Kolben (16) bewegt und eine oder mehrere Schrauben- oder Tellerfedern (2) spannt oder entspannt.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ventile (17) so angeordnet werden, dass der Fluidaustausch zwischen den Bauteilen gesteuert werden kann, wobei die Ventile vorzugsweise elektromagnetisch angetrieben sind oder die Ventile federkraftbetätigt sind und durch Druckdifferenzen öffnen oder die Ventile über einen Aktor aus einer Formgedächtnislegierung oder aus Bimetall temperaturgesteuert betätigt werden.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetisch betätigten Ventile (17) durch eine elektronische Steuerung so geöffnet oder geschlossen werden und der Betätigungsdruck der federbelasteten Ventile (17) oder die Auslösetemperatur der Formgedächtnisventile (17) so gewählt wird, dass im Kompressionsraum (5) und im Raum (1) mit dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) zu jedem Zeitpunkt des Zyklus' der gewünschte Druck herrscht.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kreislauf des Fluids (6) nach dem Kondensator (3) eine Drossel (18) angeordnet ist.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kreislauf des Fluids (6) ein oder mehrere Ausgleichsbehälter (19; 20; 21) angeordnet sind.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (7), die Ausgleichsbehälter (19; 20; 21), der Raum (1) und der Kompressionsraum (5) jeweils nach außen thermisch isoliert werden, sich somit auch zwischen Raum (1) und dem Kompressionsraum (5) eine thermische Isolierung befindet und dass die Innenwand des Raumes (1) thermisch isoliert wird, wodurch zwischen dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) und der Innenwand des Gehäuses, welches den Raum (1) umgibt, ein großer Wärmeübergangswiderstand vorhanden ist.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) aus Rohren oder Platten (22) besteht, die eine große innere Oberfläche aufweisen und untereinander durch eine oder mehrere Rückführung(en) (23) verbunden sind, so dass ein Teleskopeffekt entsteht, wobei die Rückführungen (23) entweder nicht aus Formgedächtnismaterial gefertigt sind oder aber aus Formgedächtnismaterial gefertigt sind, welches eine entgegengesetzte Ausdehnungscharakteristik hat und sich somit bei Temperaturerhöhung ausdehnt und dabei Arbeit verrichtet, während sich die Rohre oder Platten (22) bei Temperaturerhöhung zusammenziehen und dabei Arbeit verrichten.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dass das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) und die Koppelstange (8) über einen Kipphebel (24) miteinander verbunden sind.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) im Raum (1) mittig fixiert ist, gleichzeitig zu beiden Seiten auf zwei Kolben wirkt und diese bewegt, wodurch stets ein Massenausgleich gewährleistet ist.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) nach außen galvanisch isoliert ist und dieses Bauteil durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes aufgeheizt wird, wobei das Aufheizen des Systems insbesondere bei Anlauf der Wärmepumpe/Kältemaschine/Klimaanlage notwendig ist und eine Regelung über Temperatur- und Drucksensoren auch während des Betriebes ermittelt, ob zugeheizt werden muss oder nicht.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (6) im Ausgleichsbehälter (19) durch eine elektrische Heizschleife erhitzt wird, wobei eine Regelung Messdaten von Temperatur- und Drucksensoren erfasst und während des Betriebes berechnet, ob zugeheizt werden muss oder nicht.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen des Fluids (6) im Ausgleichsbehälter (19) über eine Heizschleife erfolgt, die über eine Gas- oder Ölheizung, einen Verbrennungsmotor, einen Solarkollektor oder thermische Abwärme gespeist wird.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rohrleitungen (7) den Kompressionsraum (5), den Raum (1), die Ausgleichsbehälter (19; 20; 21), den Kondensator (3), die Drossel (18), die Ventile (17) und den Wärmetauscher (4) miteinander verbinden und das Fluid (6) transportieren.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sumpf (25) an der am tiefsten gelegenen Stelle des Raumes (1) angeordnet ist und sich dort flüssiges Fluid (6) sammelt.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (19) und der Ausgleichsbehälter (20) tiefer angebracht sind, als der Sumpf (25), damit flüssiges Fluid (6) durch den Einfluss der Schwerkraft aus dem Sumpf (25) in die Ausgleichsbehälter (19; 20) fließen kann.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe bei Bedarf das Fluid (6) aus dem Kondensator (3), dem Verdampfer (4) den Ausgleichsbehältern (20; 21) oder dem Kompressionsraum (5) in den Ausgleichsbehälter (19) pumpt.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmepumpen oder Kältemaschinen in Reihe hintereinander geschaltet werden, um so bei Wärmepumpen höhere oder bei Kältemaschinen tiefere Temperaturen zu erreichen.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (17) über die Hubbewegung des Bauteils aus Formgedächtnismaterial (2) oder des Kolbens (16) geöffnet und geschlossen werden, oder das Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) oder der Kolben (16) direkt die Funktion der Ventile übernehmen, wobei dieses durch eine Schlitzsteuerung wie beim Zweitaktmotor oder durch am Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) angeordnete Dichtelemente, die bei Längenänderung des Bauteils eine Öffnung freigeben, geschehen kann.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) oder der Verdampfer (4) oder auch beide entfallen und die Funktion des Kondensators (3) vom Raum (1) mit dem Bauteil aus Formgedächtnismaterial (2) übernommen wird und die Funktion des Verdampfers (4) vom Kompressionsraum (5) übernommen wird, wobei die Außenwände dann nicht isoliert ausgeführt sind und die Wärme direkt über die Außenflächen des Raumes (1) abgegeben wird und die Wärme direkt über die Außenflächen des Kompressionsraumes (5) aufgenommen wird und die Außenflächen der beiden Räume mit Kühlrippen versehen sind oder von Kühlwasser umströmt werden.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressionsraum (5) und der Raum (1) zu einem Raum verschmelzen, wobei die Wand zwischen den beiden Räumen entfällt und der Kolben (16) die Abtrennung zwischen diesen übernimmt oder dass der Kompressionsraum (5) und der Raum (1) identisch sind.
Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (9) entfällt oder die Federn (9) entfallen und die für die Rückstellung des Bauteils aus Formgedächtnismaterial (2) notwendige Kraft durch den Gasdruck des in den Kompressionsraumes (5) einströmenden Fluids (6) auf den Kolben (16) ausgeübt wird.