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Die Erfindung betrifft eine Struktur von elastokalorischem Material, welche als kubisch primitive Kugelpackung ausgebildet ist. Zudem wird die Verwendung der gitterförmigen Struktur von elastokalorischem Material in einem Kühlkreislauf oder einem Heizkreislauf vorgeschlagen.
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Stand der Technik
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Der elastokalorische Effekt beschreibt eine adiabatische Temperaturänderung eines Materials, wenn das Material mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt wird und sich beispielsweise verformt. Durch die mechanische Kraft bzw. die Verformung wird eine Umwandlung der Kristallstruktur, auch Phase genannt, in dem Material verursacht. Die Phasenumwandlung führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Materials. Wird die dabei freigesetzte Wärme abgeführt, erniedrigt sich die Temperatur und die Entropie nimmt ab. Wird dann die mechanische Kraft entfernt, wird wiederum eine umgekehrte Phasenumwandlung (Rückumwandlung) verursacht, die zu einer Absenkung der Temperatur des Materials führt. Wird dem Material dann wieder Wärme zugeführt nimmt die Entropie wieder zu.
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Nach der annähernd adiabaten Phasenumwandlung liegt die Temperatur über der Ausgangstemperatur. Die dabei entstandene Wärme kann beispielsweise an die Umgebung abgeführt werden und das Material nimmt dann Umgebungstemperatur an. Wird nun die Phasenrückumwandlung initiiert, indem die mechanische Kraft auf null reduziert wird, stellt sich eine niedrigere Temperatur als die Ausgangstemperatur ein. Es können Temperaturdifferenzen zwischen maximaler Temperatur nach der Phasenumwandlung und minimaler Temperatur nach der Rückumwandlung (bei zuvor abgegebener Wärme) von bis zu 40°C erreicht werden.
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Materialien, an denen sich der elastokalorische Effekt nachweisen lässt, werden als elastokalorische Materialien bezeichnet. Solche elastokalorischen Materialien sind beispielsweise Formgedächtnislegierungen, die Superelastizität besitzen. Superelastische Legierungen zeichnen aus, dass diese auch nach starker Verformung von selbst wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Superelastische Formgedächtnislegierungen weisen zwei unterschiedliche Phasen (Kristallstrukturen) auf: Austenit ist die bei Raumtemperatur stabile Phase und Martensit ist bei niedrigeren Temperaturen stabil. Eine mechanische Verformung verursacht eine Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit, die einen adiabatischen Temperaturanstieg zur Folge hat. Die erhöhte Temperatur kann nun in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben werden, was zu einer Abnahme der Entropie führt. Wird das elastokalorische Material wieder entlastet, erfolgt eine Rückumwandlung von Martensit zu Austenit und damit einhergehend eine adiabatische Temperaturabsenkung.
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Elastokalorische Materialien können bei einem Betrieb von kreisprozessbasierten Systemen zur Anwendung kommen. Diese Systeme beinhalten ein Heißseitenreservoir und ein Kaltseitenreservoir für ein Fluid und mindestens einer Wärmeüberträgereinheit aus einem elastokalorischen Material. Das elastokalorische Material ist in Wirkverbindung mit dem Fluid angeordnet, sodass Wärme zwischen dem Fluid und dem elastokalorischen Material übertragbar ist. Darüber hinaus weisen diese Systeme Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in dem elastokalorischen Material auf, sodass das elastokalorische Material in einem Wechselwirkungsbereich eines mechanischen Spannungsfeldes angeordnet ist. Unter einer mechanischen Spannung wird allgemein eine mechanische Kraft, eine Druckbeaufschlagung, eine Zug- oder Druckbelastung, eine Torsion, eine Scherung oder eine entsprechende Einwirkung auf das elastokalorische Material verstanden. Stehen solche elastokalorische Materialien in Verbindung mit einem Fluid, erwärmt sich, wie vorstehend beschrieben, das elastokalorische Material beim Anlegen der mechanischen Spannung und das Fluid nimmt die Wärme von dem elastokalorischen Material auf. Dadurch kann die in dem elastokalorischen Material entstehende Wärme mittels des Fluids abgeführt werden und das elastokalorische Material kühlt auf die Umgebungstemperatur ab. Wird nun die mechanische Spannung entfernt, kommt es aufgrund der Phasenrückumwandlung zu einer weiteren Abkühlung des Materials, sodass das in Verbindung stehende Fluid abgekühlt wird.
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Offenbarung
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Die Erfindung betrifft eine Struktur eines elastokalorischen Materials in Form einer kubisch primitiven Kugelpackung, bei der das elastokalorische Material in Kugelform vorliegt und die Zentren der Kugeln auf den Knotenpunkten eines Würfelgitters, d.h. eines kubischen Gitters, liegen. Die gitterförmige Struktur ist dazu ausgebildet, um von einem Fluid durchströmt zu werden. Durch die vorgegebene gitterförmige Struktur ist das elastokalorische Material gleichförmig und mit einem definierten Abstand entlang des Gitters verteilt. Die Verwendung des elastokalorischen Materials in Kugelform bietet den Vorteil einer großen Oberfläche in Verbindung mit einer stabilen Verbindung zwischen den Kugeln. Weiterhin wird sichergestellt, dass ein ausreichender Zwischenraum zwischen den Kugeln für die Durchströmung des Fluids verbleibt.
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Das elastokalorisches Material von solcher Struktur kann in einem Kühlkreislauf oder einem Heizkreislauf Verwendung finden. In einem solchen Kühlkreislauf bzw. Heizkreislauf wird das Fluid durch das elastokalorische Material gekühlt bzw. erhitzt und dient anschließend zur Kühlung bzw. zur Erwärmung einer im Kühlkreislauf bzw. Heizkreislauf angeordneten Komponente. Ebenso kann das elastokalorisches Material von solcher Struktur in einem kombinierten Kühl- und Heizkreislauf Verwendung finden.
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Optional sind die Kugeln als Hohlkugeln ausgebildet. Dies wirkt sich besonders positiv auf das Verhältnis zwischen der hieraus resultierenden Oberflächen und der verwendeten Masse des elastokalorischen Materials aus und die Masse des elastokalorischen Materials, das nicht mit dem Fluid in Kontakt kommt, wird verringert.
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Vorzugsweise können die Kugeln an den Kontaktpunkten zu den benachbarten Kugeln stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Eine stoffschlüssige Verbindung von hoher Qualität kann beispielsweise über ein Ansintern realisiert werden.
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Vorteilhafterweise werden Kugeln mit einem vorgegebenen Durchmesser für die gitterförmige Struktur des elastokalorischen Materials verwendet. Der Durchmesser kann dabei so gewählt werden, dass die gitterförmige Struktur für das verwendete Fluid hinreichend durchlässig ist, um einen erstrebten Volumenstrom des Fluids durch die Struktur zu gewährleisten, und gleichzeitig die mit dem Fluid in Kontakt kommende Oberfläche der Kugel maximal ist. Die mit dem Fluid in Kontakt kommende Oberfläche wird also so maximiert, dass der Freiraum zwischen den Kugeln groß genug ist, um den erstrebten Volumenstrom aufrecht zu erhalten. Dadurch kann ein optimaler Wärmeaustausch stattfinden, bei dem der Volumenstrom des Fluids für weitere Anwendungen, insbesondere für den eingangs beschriebenen Kühlkreislauf bzw. Heizkreislauf, noch immer groß genug ist.
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Bevorzugt ist das Gitter in Lagen ausgebildet, welche in einer Ebene liegen, die senkrecht zu der Durchflussrichtung des Fluids steht. Ferner können mehrere dieser Lagen in der Durchflussrichtung des Fluids hintereinander angeordnet werden. Diese mehrlagige Anordnung bietet den Vorteil, dass eine große Kontaktfläche zwischen dem elastokalorischen Material und dem Fluid erzeugt wird. Dies begünstigt einen effektiven Wärmeaustausch zwischen dem elastokalorischen Material und dem Fluid.
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Die vorstehend beschriebenen Strukturen werden, wie bei der Beschreibung für gitterförmige Strukturen üblich, als dreidimensionale Zellen beschrieben. Mit anderen Worten werden mehrlagige Strukturen beschrieben. Um eine Lage der gitterförmigen Strukturen zu erhalten, kann lediglich eine Ebene der Zelle betrachtet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1a und 1b zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Struktur eines elastokalorischen Materials als kubisch primitive Kugelpackung in einem entspannten Zustand (1a) und in einem Zustand mit Spannungsbeaufschlagung (1b).
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Die 1a und 1b zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Struktur von elastokalorischem Material als kubisch primitive Kugelpackung. Die Struktur des elastokalorischen Materials wird von einem Fluid in Durchflussrichtung q durchströmt und das Fluid steht in Wirkkontakt mit dem elastokalorischen Material. 1a zeigt einen unverformten Zustand, bei dem das elastokalorische Material als Kugeln 1 ausgebildet ist. Die Kugeln 1 können in ihrem Inneren hohl sein, das heißt als Hohlkugel ausgebildet sein. Darüber hinaus sind die Kugeln 1 an den Kontaktpunkten 2 zu benachbarten Kugeln 1 stoffschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise durch sintern. Bei der kubisch primitiven Kugelpackung liegen die Kugeln 1 auf Gitterpunkten eines kubischen Gitters und bilden zusammen ein Würfelgitter. Das elastokalorische Material ist gleichförmig und mit einem definierten Abstand entlang des Gitters verteilt. Die Kugeln 1 liegen dabei in Lagen 3 des Gitters vor, welche in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Durchflussrichtung q des Fluids steht. Es sind mehrere solcher Lagen 3 in der Durchflussrichtung q des Fluids hintereinander angeordnet. Der Durchmesser d der verwendeten Kugeln 1 im unverformten Zustand wird so gewählt, dass freie Zwischenräume 4 zwischen den Kugeln 1 groß genug sind, um einen genügend hohen Durchfluss des Fluids beispielweise bei der Verwendung in einem Kühlkreislauf oder einem Heizkreislauf sicherzustellen, und gleichzeitig die Oberfläche der Kugeln 1, die mit dem Fluid in Kontakt kommt, zu maximieren.
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1b zeigt einen Zustand, in dem die Kugeln 1 infolge einer beaufschlagten Kraft F verformt sind. Es gilt hierbei zu beachten, dass das elastokalorische Material durch die Verformung nicht mehr in Kugelform vorliegt, jedoch weiterhin der Begriff Kugeln 1 verwendet wird. Die beaufschlagte Kraft F kann zum einen als Druckspannung und zum anderen als Zugspannung realisiert werden. Durch die beaufschlagte Kraft F und die resultierende Verformung erwärmen sich aufgrund des elastokalorischen Effekts die Kugeln 1 aus elastokalorischen Material. Das in Durchflussrichtung q strömende Fluid kommt in Kontakt mit dem elastokalorischen Material und nimmt von diesem Wärme auf. In einem Kühlkreislauf oder Heizkreislauf (nicht gezeigt) kann das Fluid diese Wärme dann an eine nicht dargestellte Komponente bzw. an die Umgebung abgeben.
