DE102018200376A1

DE102018200376A1 - Vorrichtung zum Wärmetausch

Info

Publication number: DE102018200376A1
Application number: DE102018200376.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Koehne; Andreas Burghardt; Holger Wuest
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2019-07-11
Also published as: WO2019137691A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (3) zum Wärmetausch, die elastokalorische Bänder (5) aus elastokalorischem Material und Wärmeleitelemente (1, 2) umfasst. Diese sind so ausgebildet, dass ein bikonvexer Abschnitt eines Wärmeleitelements in zumindest ein elastokalorisches Band eingreift und dieses verformt, sodass ein elastokalorischer Effekt erzielt wird und eine Wärmeleitung zwischen dem zumindest einen elastokalorischen Band (5, 5') und dem bikonvexen Abschnitt des Wärmeleitelements (1, 2) erfolgt. Zudem sind sie so ausgebildet, dass ein planarer Abschnitt eines weiteren Wärmeleitelements (2, 1) im unverformten Zustand des elastokalorischen Bands so in Kontakt mit diesem steht, dass eine Wärmeleitung zwischen dem planaren Abschnitt des weiteren Wärmeleitelements (2, 1) und dem zumindest einen elastokalorischen Band erfolgt. Die Wärmeleitelemente (1, 2) sind dabei jeweils sowohl mit einem bikonvexen Abschnitt als auch mit einem planaren Abschnitt ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch unter Ausnutzung des elastokalorischen Effekts. Zudem betrifft die Erfindung eine Wärmepumpe mit solch einer Vorrichtung zum Wärmetausch.
Stand der Technik
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.
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.
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.
Im Folgenden sind zwei typische Anordnungen zum Wärmetausch beschrieben: Bei einer Anordnung ist ein bikonvexes Wärmeleitelement, d.h. ein Wärmeleitelement das beidseitig konvex ist, mit Abstand zwischen zwei planaren Wärmeleitelementen angeordnet. Jeweils ein elastokalorisches Band ist in den Zwischenräumen zwischen den planaren Wärmeleitelementen und dem bikonvexen Wärmeleitelement gespannt. Die elastokalorischen Bänder sind miteinander verbunden und können zusammen bewegt werden. Dabei sind sie so angeordnet, dass jeweils ein Band durch das bikonvexe Wärmeleitelement verformt wird, was auf der konvexen Außenseite des Blechs eine Zugbeanspruchung verursacht und auf der konkaven Innenseite eine Druckbeanspruchung. Einzig in der sogenannten neutralen Faser tritt keine Beanspruchung auf. Gleichzeitig formt sich das andere Band durch seine Superelastizität wieder in seine planare Ursprungsform zurück und tritt flächig mit dem planaren Wärmeleitelemente in Kontakt. Sollte die Rückverformung in die Ursprungsform unvollständig sein erfolgt bei Kontakt mit dem planaren Wärmeleitelement restliche Rückverformung. Durch diese Anordnung wird Wärme von den planaren Wärmeleitelementen zum bikonvexen Wärmeleitelement transportiert.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Vorrichtung zum Wärmetausch vorgeschlagen, die elastokalorische Bänder aus elastokalorischem Material und Wärmeleitelemente umfasst. Die Wärmeleitelemente sind jeweils sowohl mit einem bikonvexen Abschnitt als auch mit einem planaren Abschnitt ausgebildet. Mit anderen Worten weist jedes der Wärmeleitelemente sowohl einen bikonvexen als auch einen planaren Abschnitt auf. Der bikonvexe Abschnitt weist zwei konvexe Seiten auf, die sich gegenüberliegen und kann z. B. elliptisch, kreisförmig oder parabelförmig gewölbt sein. Optional ist der planare Abschnitt biplanar ausgebildet, d.h. er weist zwei planare Seiten auf, die sich gegenüberliegen. Dies hat den Effekt, dass die Wärmeleitelemente beidseitig angeordnet werden können. Der planare Abschnitt ist insbesondere neben dem bikonvexen Abschnitt angeordnet und über einen Übergangsabschnitt mit diesem verbunden. Ferner ist die planare Seite des planaren Abschnitts in Richtung einer der beiden konvexen Seite des bikonvexen Abschnitts angeordnet.
Der bikonvexe Abschnitt eines (ersten) Wärmeleitelements greift in zumindest ein elastokalorisches Band ein, wodurch eine mechanische Kraft auf das elastokalorische Band wirkt und dieses verformt. Dadurch erfolgt eine Phasenumwandlung nach dem Prinzip des elastokalorischen Effekts, sodass als Resultat ein adiabatischer Temperaturanstieg in diesem elastokalorischen Band erfolgt. Der bikonvexe Abschnitt des Wärmeleitelements steht in diesem Zustand mit dem zumindest einen elastokalorischen Band in thermischen Kontakt, sodass eine Wärmeleitung zwischen dem zumindest einen elastokalorischen Band und dem bikonvexen Abschnitt des Wärmeleitelements erfolgt. Die aufgrund der Phasenumwandlung angestiegene Temperatur bewirkt, dass die Wärme des elastokalorischen Bands an das Wärmeleitelement, das über den bikonvexen Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt steht, abgegeben wird.
Der planare Abschnitt eines weiteren (zweiten) Wärmeleitelements tritt in Kontakt mit einem in der Rückverformung befindlichen elastokalorischen Band, sodass dieses elastokalorische Band für den Fall der nicht vollständigen Rückverformung eine Kraft erfährt, die dieses vollständig zurückverformt. Die dabei stattfindende Rückwandlung der Phase führt zu einer Absenkung der Temperatur. Dadurch wird Wärme vom Wärmeleitelement, das über den planaren Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt steht, auf das elastokalorische Band übertragen.
Durch obengenannte Anordnung wird ein Wärmefluss vom ersten Wärmeleitelement, das über den planaren Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt steht, zum zweiten Wärmeleitelement, das über den bikonvexen Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt steht, ermöglicht.
Das eingangs beschriebene Merkmal, dass die Wärmeleitelemente jeweils sowohl mit einem bikonvexen Abschnitt als auch mit einem planaren Abschnitt ausgebildet sind, bietet nun den Vorteil, dass, je nachdem welcher Abschnitt der Wärmeleitelemente mit den elastokalorischen Bändern in thermischen Kontakt tritt, Wärme von den elastokalorischen Bändern an die Wärmeleitelemente und von dort aus an ein Medium geleitet wird oder andersherum Wärme aus einem Medium über die Wärmeleitelemente an die elastokalorische Bänder abgegeben wird. Mit anderen Worten kann durch die Geometrie der Wärmeleitelemente, der Position der elastokalorischen Bänder und der Anordnung der beiden zueinander der Wärmefluss über die Wärmeleitelemente umgekehrt werden. Ist beispielsweise das erste Wärmeleitelement mit der Umgebung verbunden, kann das weitere zweite Wärmeleitelement, für den Fall, dass es mit seinem bikonvexen Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt tritt, Wärme vom elastokalorischen Band aufnehmen und an das Medium weitergeben, daher als Heizelement dienen und für den Fall, dass es mit seinem planaren Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt tritt, Wärme vom Medium an das elastokalorische Band abgeben und somit als Kühlelement dienen.
Vorzugsweise sind mehrere Wärmeleitelemente und mehrere elastokalorische Bänder vorgesehen, wobei die elastokalorischen Bänder bevorzugt paarweise einem Wärmeleitelement zugeordnet sind und die elastokalorischen Bänder jeweils mit einer Seite des Wärmeleitelements in Kontakt treten können.
Vorteilhafterweise können die elastokalorischen Bänder an einem Rahmen befestigt sein. Der Rahmen positioniert die elastokalorischen Bänder über den bikonvexen Abschnitten bzw. den planaren Abschnitten der Wärmeleitelemente. Zudem ist der Rahmen eingerichtet, die elastokalorischen Bänder gegenüber den festen Wärmeleitelementen zu verschieben. Genauer gesagt positioniert der Rahmen die elastokalorischen Bänder derart, dass in einer ersten Position, das elastokalorische Band mit dem bikonvexen Abschnitt des ersten Wärmeleitelements und, wenn es verschoben wird, mit dem planaren Abschnitt des zweiten Wärmeleitelements in Kontakt treten kann und in einer zweiten Position, dasselbe elastokalorische Band mit dem planaren Abschnitt des ersten Wärmeleitelements in Kontakt treten kann und, wenn es verschoben wird, mit dem bikonvexen Abschnitt des zweiten Wärmeleitelements in Kontakt treten kann. Im Endeffekt ermöglicht der Rahmen einerseits die Bewegung der elastokalorischen Bänder, sodass diese mit den Wärmeleitelementen in Kontakt treten und andererseits die Positionierung der elastokalorischen Bänder über die jeweiligen Abschnitte der Wärmeleitelemente, womit die vorstehend beschriebene Umkehrung des Wärmeflusses einfach realisiert werden kann.
Optional kann der Rahmen die elastokalorischen Bänder bzw. die Wärmeleitelemente derart verschieben, dass kein thermischer Kontakt zwischen einem der elastokalorischen Bänder und einem der Wärmeleitelemente entsteht und somit keine Wärmeleitung zwischen beiden stattfindet. Dadurch kann der Temperaturanstieg bzw. die Temperaturabsenkung zeitweise - aber auch permanent - unterbrochen werden.
Die Wärmeleitelemente können in gegenüberliegenden Reihen angeordnet sein, wobei die Wärmeleitelemente selbst versetzt zu den Wärmeleitelementen in der jeweils gegenüberliegenden Reihe angeordnet sind. Zudem können die Wärmeleitelemente der gegenüberliegenden Reihen entlang der Richtung, in der die elastokalorischen Bänder bewegt werden, derart ineinandergreifen, dass die elastokalorischen Bänder abhängig von ihrer Position sowohl mit den bikonvexen Abschnitten der einen Wärmeleitelemente als auch mit den planaren Abschnitten der jeweils anderen Wärmeleitelemente der gegenüberliegenden Reihe in Kontakt treten können. Dies bedeutet insbesondere, dass die elastokalorischen Bänder so positioniert sind, dass sie mit Wärmeleitelementen beider Reihen in Kontakt treten können und auch, dass sie nicht über den Übergangsabschnitten der Wärmeleitelemente positioniert sind.
Darüber hinaus können sich der bikonvexe Abschnitt des einen Wärmeleitelements und der planare Abschnitt eines benachbarten weiteren Wärmeleitelements entlang der Richtung, in der die elastokalorischen Bänder bewegt werden, abwechseln. Dadurch kann jedes elastokalorische Band so verschoben werden, dass es wechselweise mit dem bikonvexen Abschnitt des einen Wärmeleitelements und andererseits mit dem planaren Abschnitt des weiteren Wärmeleitelements in Kontakt treten kann.
Eine Kombination der beiden obengenannten Merkmale ergibt eine besonders bevorzugte Anordnung. Man kann sagen, dass die Anordnung der Wärmeleitelemente dann einem Reißverschluss ähnelt, ohne dass die Anordnung darauf eingeschränkt wird. Zur besseren Beschreibung sollen die ersten Wärmeleitelemente auf einer Seite in einer ersten Reihe und die zweiten Wärmeleitelemente auf der anderen Seite in einer zweiten Reihe angeordnet sein. In einer ersten Position liegen die elastokalorischen Bänder näher an der ersten Reihe und können somit mit dem bikonvexen Abschnitt des ersten Wärmeleitelements und mit dem planaren Abschnitt des benachbarten zweiten Wärmeleitelements in Kontakt treten. In einer zweiten Position liegen die elastokalorischen Bänder näher an der zweiten Reihe und können somit mit dem planaren Abschnitt des ersten Wärmeleitelements und mit dem bikonvexen Abschnitt des benachbarten zweiten Wärmeleitelements in Kontakt treten. Als Resultat kann je nach Position der elastokalorischen Bänder der Wärmefluss zwischen der ersten und der zweiten Reihe umgekehrt werden. Optional können die Reihen der Wärmeleitelemente parallel nebeneinander positioniert sein, so dass durch diese parallele Anordnung die Leistungsfähigkeit der elastokalorischen Wärmepumpe gesteigert wird.
Gemäß einem Aspekt weist der planare Abschnitt des Wärmeleitelements einen kleineren Durchmesser als der der bikonvexe Abschnitt des Wärmeleitelements auf. Dies führt dazu, dass der bikonvexe Abschnitt das elastokalorische Band ungehindert vom planaren Abschnitt verformen kann.
Vorzugsweise sind die Wärmeleitelemente mit einer wärmeleitenden Schicht beschichtet, um die Wärmeleitung über das Wärmeleitelement zu erhöhen. Optional können die Wärmeleitelemente an ihrer Verbindungsstelle zum Medium eine wärmeleitende Struktur aufweisen, über die die Wärme des Wärmeleitelements schneller an das Medium abgeleitet werden kann. Da die Wärmeleitelemente und die elastokalorischen Elemente schneller ihre Ausgangstemperatur erreichen, kann als Resultat die Frequenz, mit der die elastokalorischen Bänder bewegt werden, erhöht werden.
Darüber hinaus wird eine Wärmepumpe vorgeschlagen, welche die obengenannte Vorrichtung zum Wärmeaustausch aufweist. Die obengenannten Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gelten auch für die Wärmepumpe. Durch die Vorrichtung ist die Wärmepumpe in der Lage den Wärmefluss durch einfaches Umschalten, bei der insbesondere die Position der elastokalorischen Bänder in Achsenrichtung der Wärmeleitelemente verschoben wird, umzukehren. Das heißt, die Wärmepumpe kann die Wärme von der linken Seite zur rechten Seite und wahlweise auch in umgekehrte Richtung transportieren.
Die Wärmepumpe kann beispielsweise Einsatz bei Kühlschränken/-truhen, beim Temperaturmanagement von Li-lonen-Batterien und Festkörperbatterien sowie zur Erwärmung bzw. Kühlung des Innenraums von Fahrzeugen usw. finden, um nur einige Beispiele zu nennen.
Die Wärmepumpe weist einen Antrieb, wie z. B. einen Exzenterantrieb oder einen oszillierenden Linearantrieb auf, der die elastokalorischen Bänder und/oder den Rahmen, an dem die elastokalorischen Bänder befestigt sind, oszillierend bewegt, sodass sich die elastokalorischen Bänder zwischen den Wärmeleitelementen hin und her bewegen. Optional kann die Frequenz der Oszillation variiert werden und so an den Bedarf angepasst werden. Vorzugsweise kann die Frequenz der Oszillation in die Resonanzfrequenz der Vorrichtung zum Wärmetausch bzw. der elastokalorischen Bänder und/oder des Rahmen umgewandelt werden, um eine möglichst hohe Effektivität zu erzielen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1a - c zeigen schematische Darstellungen eines Wärmeleitelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2a, b zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch mit unterschiedlichen Positionen der elastokalorischen Bänder entlang der Achsenrichtung der Wärmeleitelemente.
3 zeigt neun schematische Darstellungen der Vorrichtung zum Wärmetausch aus 2 aus einer anderen Ansicht, mittels denen der Wärmetausch veranschaulicht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Zur besseren Übersicht, sind Bezugszeichen in den nachfolgend beschriebenen Figuren nur exemplarisch für ein Element dargestellt, können aber für gleiche Elemente übernommen werden - außer diese wurden explizit anders bezeichnet.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmeleitelements 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Jedes Wärmeleitelement 1 weist sowohl einen bikonvexen Abschnitt 11 als auch einen biplanaren Abschnitt 12 auf, die über einen Übergangsabschnitt 13 miteinander verbunden sind. 1b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie B-B durch den bikonvexen Abschnitt 11 und 1c zeigt einen Querschnitt entlang der Linie C-C durch den biplanaren Abschnitt 12. Der bikonvexe Abschnitt 11 weist zwei konvexe Seiten 110 und 111 auf, die sich gegenüberliegen. Die konvexen Seiten 110, 111 können beispielsweise eine elliptische, kreisförmige oder parabelförmige Wölbung aufweisen. Dabei kann die Form der einen konvexen Seite 110 von der Form der anderen konvexen Seite 111 abweichen. Der biplanare Abschnitt 12 weist zwei planare Seiten 120 und 121 auf. Außerdem ist der Durchmesser des bikonvexen Abschnitts 11 größer als der Durchmesser des planaren Abschnitts 12. Darüber hinaus ist die Oberfläche des Wärmeleitelements 1 mit einer wärmeleitenden Schicht 15 beschichtet.
In der folgenden Beschreibung wird zwischen ersten Wärmeleitelementen 1 und zweiten Wärmeleitelementen 2 unterschieden. Die beiden Wärmeleitelemente 1 und 2 unterscheiden sich hierbei nur in ihrer Anordnung, jedoch nicht in ihrem Aufbau. Die Beschreibung des oben aufgezeigten Wärmeleitelements 1 gilt daher sowohl für die ersten Wärmeleitelemente 1 als auch für die zweiten Wärmeleitelemente 2.
Die 2a und 2b zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Wärmetausch zwischen einem ersten Wärmereservoir 41 und einem zweiten Wärmereservoir 42. Die Wärmereservoire 41 und 42 sind mit dem einem Medium, dessen Temperatur erhöht oder abgesenkt werden soll, und einem Ausgleichsmedium, das Wärme zur Verfügung stellt oder aufnimmt, thermisch verbunden. Sie sind aus Aluminium mittels Druckguss gefertigt und werden miteinander verschraubt. Zur thermischen Isolierung wird ein Unterdruck von 1 - 500 mbar in der Vorrichtung 3 erzeugt. Erste Wärmeleitelemente 1 sind in einer ersten Reihe entlang einer Richtung R angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die ersten Wärmeleitelemente 1 mit jeweils ihrem bikonvexen Abschnitt 11 mit dem ersten Wärmereservoir 41 verbunden und ihr biplanarer Abschnitt 12 zeigt zum zweiten Wärmereservoir 42 hin. Gleichermaßen sind zweite Wärmeleitelemente 2 in einer zweiten Reihe angeordnet, die ebenfalls entlang der Richtungen R verläuft und der ersten Reihe gegenüberliegt. Die zweiten Wärmeleitelemente 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel mit jeweils ihrem bikonvexen Abschnitt 11 mit dem zweiten Wärmereservoir 42 verbunden und ihr biplanaren Abschnitt 12 zeigt zum ersten Wärmereservoir 41 hin. Die ersten Wärmeleitelemente 1 und die zweiten Wärmeleitelemente 2 sind versetzt angeordnet und die beiden Wärmeleitelemente 1 und 2 wechseln sich in Richtung R gesehen ab. Dabei greifen die Wärmeleitelemente 1 und 2 ineinander ein, sodass in Richtung R abwechselnd ein bikonvexer Abschnitt 11 eines Wärmeleitelements 1 bzw. 2 und ein biplanarer Abschnitt 12 des benachbarten Wärmeleitelements 2 bzw. 1 angeordnet ist. Die beschriebene Anordnung ähnelt einem Reißverschluss mit Zwischenräumen. Die Wärmeleitelemente 1 und 2 sind zusammen mit den Wärmereservoiren 41 bzw. 42 durch Aluminium(druck)guss als ein Bauteil gegossen. Die Wärmeleitelemente 1 und 2 sind leicht konisch geformt, damit die Entformung aus dem Gusswerkezug möglich ist. An der Verbindungsstelle zum Wärmereservoir 41 bzw. 42 weisen die Wärmeleitelemente 1 bzw. 2 eine wärmeleitende Struktur 45 auf, über die Wärme von den Wärmeleitelementen 1 bzw. 2 schneller abgeleitet bzw. diesen schneller zugeleitet werden kann. In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform sind fünf solcher Reihen von Wärmeleitelementen parallel nebeneinander positioniert, so dass durch diese parallele Anordnung die Leistungsfähigkeit der elastokalorischen Wärmepumpe um den Faktor fünf gesteigert wird. Die Kontaktoberflächen der Wärmereservoire 41 bzw. 42 sind mit einer gemittelten Rautiefe R_z von 0,5 µm poliert.
Des Weiteren sind elastokalorische Bänder 5 vorgesehen, die aus einem elastokalorischen Material bestehen, beispielsweise aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung wie z. B. Nickel-Titan. Die elastokalorische Bänder sind in dieser Ausführungsform 30 µm dick und 4 cm lang. Jeweils ein elastokalorisches Band 5 ist zwischen einem ersten Wärmeleitelement 1 und einem zweiten Wärmeleitelement 2 angeordnet. Die elastokalorischen Bänder 5 können gegenüber den Wärmeleitelementen 1 und 2 verschoben werden. Für den detaillierten Ablauf und den Effekt dieser Verschiebung wird auf die 3 verwiesen. 2a zeigt eine erste Position der elastokalorischen Bänder 5, die von der Mitte der Vorrichtung 3 aus gesehen näher am ersten Wärmereservoir 41, d.h. an der ersten Reihe der ersten Wärmeleitelemente 1 angeordnet sind. Indem die elastokalorischen Bänder 5 verschoben werden, kommen diese einerseits mit den bikonvexen Abschnitten 11 der ersten Wärmeleitelemente 1 in Kontakt und werden durch diese verformt und andererseits mit den biplanaren Abschnitten 12 der zweiten Wärmeleitelemente 2 in Kontakt. Als Resultat findet bei dieser Konfiguration ein durch den Pfeil 6 dargestellter Wärmefluss vom zweiten Wärmereservoir 42, das hier als Wärmequelle dient, zum ersten Wärmereservoir 41, das hier als Wärmesenke dient, statt. Folglich findet hier im ersten Wärmereservoir 41 ein mit T⁺ gekennzeichneter Temperaturanstieg und im zweiten Wärmereservoir 42 eine mit T^- gekennzeichnete Temperaturabsenkung statt.
2b zeigt eine zweite Position der elastokalorischen Bänder 5, die von der Mitte der Vorrichtung 3 aus gesehen näher am zweiten Wärmereservoir 42, d.h. an der zweiten Reihe der zweiten Wärmeleitelemente 2 angeordnet sind. Bei der Verschiebung der elastokalorischen Bänder 5 kommen diese einerseits mit den bikonvexen Abschnitten 11 der zweiten Wärmeleitelemente 2 in Kontakt und werden durch diese verformt und andererseits mit den biplanaren Abschnitten 12 der ersten Wärmeleitelemente 1 in Kontakt. Für den detaillierten Ablauf und den Effekt dieser Verschiebung wird ebenfalls auf die 3 verwiesen. Als Resultat findet bei dieser Konfiguration ein durch den Pfeil 6' dargestellter Wärmefluss vom ersten Wärmereservoir 41, das jetzt als Wärmequelle dient, zum zweiten Wärmereservoir 42, das jetzt als Wärmesenke dient, statt. Folglich findet hier im ersten Wärmereservoir 41 eine mit T^- gekennzeichnete Temperaturabsenkung und im zweiten Wärmereservoir 42 ein mit T⁺ gekennzeichneter Temperaturanstieg statt.
Die Positionen der elastokalorischen Bänder 5 werden über einen in 3 gezeigten Rahmen 7 verändert, der senkrecht zur Richtung R bewegt werden kann und die elastokalorischen Bänder 5 über den bikonvexen Abschnitten 11 bzw. den biplanaren Abschnitten 12 der Wärmeleitelemente 1, 2 positioniert. Der Rahmen 7 ist aus Kunststoff gefertigt. Die Bewegung des Rahmens 7 senkrecht zur Richtung R kann vorgegeben sein, sodass die elastokalorischen Bänder 5 nicht über dem Übergangsabschnitt 13 der Wärmeleitelemente positioniert werden. Als Resultat wird durch Änderung der Positionen der elastokalorischen Bänder 5 über den bikonvexen Abschnitten 11 und den (bi-)planaren Abschnitten 12 desselben Wärmeleitelements 1 bzw. 2 eine einfache Umkehrung des Wärmeflusses entlang des Pfeils 6 zum Pfeil 6' oder umgekehrt entlang des Pfeils 6' zum Pfeil 6 und somit entweder eine Temperaturabsenkung T^- oder ein Temperaturanstieg T⁺ an den Wärmeleitelementen 1 bzw. 2 realisiert.
Im Folgenden wird zwischen elastokalorischen Bändern 5 und 5' unterschieden. Die beiden elastokalorischen Bänder 5 und 5'unterscheiden sich hierbei nur in ihrer Anordnung, jedoch nicht in ihrem Aufbau. Die Beschreibung des oben aufgezeigten elastokalorischen Bands 5 gilt auch für die elastokalorischen Bänder 5'.
Die 3 zeigt neun schematische Darstellungen des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Wärmetausch aus 2, die jeweils einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Wärmetausch entlang der in 2b dargestellten zweiten Position der elastokalorischen Bänder 5 darstellen. In dieser 3 ist der Rahmen 7 gezeigt, mit dem die elastokalorische Bänder 5, 5' verbunden sind. Der Rahmen 7 verschiebt die elastokalorischen Bänder 5, 5' entlang der Richtung R, während die Wärmeleitelemente 1 und 2 gegenüber dem Rahmen 7 ortsfest fixiert sind. Als Antrieb in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Elektromotor mit Exzenter vorgesehen, der in eines der Wärmereservoire 11, 12 eingebaut wird, anschließend vakuumdicht abgeschlossen und thermisch isoliert wird. Eine Ausführungsform sieht vor, den Elektromotor außerhalb des Wärmereservoirs anzuordnen und über eine Stange mit einem Faltenbalg (nicht dargestellt) zu verbinden, der wiederum mit dem Rahmen 7 verbunden ist.
Die elastokalorischen Bänder 5 kommen hierbei mit den bikonvexen Abschnitten 11 der zweiten Wärmeleitelemente 2 und mit den biplanaren Abschnitten 12 der ersten Wärmeleitelemente 1 in Kontakt. Bewegt der Rahmen 7 die elastokalorischen Bänder 5, 5' senkrecht zur Richtung R aus der Bildebene heraus in die erste Position (siehe 2a), kommen die elastokalorischen Bänder 5, 5' mit den bikonvexen Abschnitten 11 der ersten Wärmeleitelemente 1 und mit den biplanaren Abschnitten 12 der zweiten Wärmeleitelemente 2 in Kontakt. Um die Beschreibung auf beide Positionen anwenden zu können, wird im Folgenden verkürzt von bikonvexen Abschnitten 11 und biplanaren Abschnitten 12 gesprochen. Die Zuordnung der jeweiligen Abschnitte 11, 12 zu den Wärmeleitelementen 1, 2 erfolgt abhängig von der Position der elastokalorischen Bänder 5, 5'. Die neun schematischen Darstellungen sind mit römischen Zahlen nummeriert und können von links nach rechts als in zeitlicher Abfolge aufgenommene Momentaufnahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Wärmetausch interpretiert werden. Die Darstellungen I bis III verweisen auf eine Initialisierung und die Darstellungen IV bis IX zeigen einen Kreisprozess, gekennzeichnet durch den Pfeil.
In der Darstellung I ist gezeigt, dass der Rahmen 7 die elastokalorischen Bänder 5, 5' so verschieben kann, dass diese mit keinem der beiden angrenzenden Wärmeleitelementen 1, 2 in Kontakt steht. Als Resultat findet kein Wärmefluss zwischen den Wärmeleitelementen 1 und 2 statt. In den Darstellungen II und III verschiebt der Rahmen 7 die elastokalorischen Bänder 5, 5' nach oben. Dadurch kommt eine erste Gruppe der elastokalorischen Bänder 5 mit den biplanaren Abschnitten 12 in Kontakt und eine zweite Gruppe der elastokalorischen Bänder 5 kommt mit den bikonvexen Abschnitten 11 in Kontakt und werden von diesen verformt. Die Verformung verursacht eine Phasenumwandlung in den elastokalorischen Bändern 5', die gemäß dem elastokalorischen Effekt zu einem adiabatischen Temperaturanstieg der verformten elastokalorischen Bänder 5' führt. In der Darstellung III gibt die zweite Gruppe der elastokalorischen Bändern 5' Wärme an die bikonvexen Abschnitte 11 ab.
In der Darstellung IV sind die elastokalorischen Bänder 5, 5' wieder von den Wärmeleitelementen 1, 2 getrennt. Die zweite Gruppe der nun abgekühlten elastokalorischen Bänder 5' stellt sich aufgrund ihres superelastischen Verhaltens wieder in die Ausgangsform zurück. Hierbei kann eine teilweise Verformung noch bestehen. Die elastokalorischen Bänder 5' der zweiten Gruppe treffen in Darstellung V auf die biplanaren Abschnitte 12 und werden, falls nicht selbstständig durch die Superelastizität erfolgt, in ihre Ursprungsform vollständig zurück verformt. Bei diese Rückverformung erfolgt eine Rückumwandlung, d.h. die umgekehrte Phasenumwandlung, die gemäß dem elastokalorischen Effekt zu einer adiabatischen Temperaturabsenkung dieser elastokalorischen Bänder 5' führt. Ebenfalls in Darstellung V treffen die bisher nicht verformten elastokalorischen Bänder 5 der ersten Gruppe nun auf die bikonvexen Abschnitte 11 und werden dadurch verformt. Dies geht mit einem adiabaten Temperaturanstieg einher, der aus der Phasenumwandlung resultiert, die durch die Biegeverformung initiiert wurde. In der Darstellung VI hat die die erste Gruppe der elastokalorischen Bänder 5 Wärme an die bikonvexen Abschnitte 11 weitgehend abgegeben und die zweite Gruppe der elastokalorischen Bänder 5' hat Wärme von den biplanaren Abschnitten 12 aufgenommen.
In der Darstellung VII sind die elastokalorischen Bänder 5, 5' wieder von den bikonvexen Abschnitten 11, 12 getrennt, die erste Gruppe der nun abgekühlten elastokalorischen Bänder 5 verformt sich im Zuge dessen durch die inhärente Superelastizität wieder zurück in die Ursprungsform. Gegebenenfalls erfolgt die vollständige Rückverformung erst beim Auftreffen auf den Abschnitt 12 wie in D VII gezeigt. In den Darstellungen VIII und IX hat der Rahmen 7 die elastokalorischen Bänder 5, 5' nach oben verschoben, sodass die zweite Gruppe der elastokalorischen Bänder 5' wiederum mit den bikonvexen Abschnitten 11 in Kontakt kommt und von diesen verformt wird. Wie bereits dargelegt führt dies zu einem Temperaturanstieg dieser verformten elastokalorischen Bänder 5'. Gleichzeitig kommt die erste Gruppe der abgekühlten elastokalorischen Bänder 5 mit den biplanaren Abschnitten 12 in Kontakt. In der Darstellung IX gibt die zweite Gruppe der elastokalorischen Bänder 5' Wärme an die bikonvexen Abschnitte 11 ab und die erste Gruppe der elastokalorischen Bänder 5 nimmt Wärme von den biplanaren Abschnitten 12 auf. Als nächstes verschiebt der Rahmen 7 die elastokalorischen Bänder 5, 5' wieder nach unten und der Kreisprozess wird bei der Darstellung IV fortgesetzt.

Claims

Vorrichtung (3) zum Wärmetausch umfassend: elastokalorische Bänder (5, 5') aus elastokalorischem Material und Wärmeleitelemente (1, 2), die so ausgebildet sind, dass ein bikonvexer Abschnitt (11) eines Wärmeleitelements (1, 2) in zumindest ein elastokalorisches Band (5, 5') eingreift und dieses verformt, sodass ein elastokalorischer Effekt erzielt wird, und eine Wärmeleitung zwischen dem zumindest einen elastokalorischen Band (5, 5') und dem bikonvexen Abschnitt (11) des Wärmeleitelements (1, 2) erfolgt, und ein planarer Abschnitt (12) eines weiteren Wärmeleitelements (2, 1) im unverformten Zustand des elastokalorischen Bands (5, 5') so in Kontakt mit diesem steht, dass eine Wärmeleitung zwischen dem planaren Abschnitt (12) des weiteren Wärmeleitelements (2, 1) und dem zumindest einen elastokalorischen Band (5, 5') erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1, 2) jeweils sowohl mit einem bikonvexen Abschnitt (11) als auch mit einem planaren Abschnitt (12) ausgebildet sind.
Vorrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastokalorischen Bänder (5, 5') an einem Rahmen (7) befestigt sind, der die elastokalorischen Bänder (5, 5') über den bikonvexen Abschnitten (11) bzw. den planaren Abschnitten (12) positioniert und der die elastokalorischen Bänder (5, 5') gegenüber den Wärmeleitelementen (1, 2) verschiebt.
Vorrichtung (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (7) die elastokalorischen Bänder (5, 5') derart verschiebt, dass keine Wärmeleitung zu den Wärmeleitelementen (1, 2) stattfindet.
Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1, 2) in gegenüberliegenden Reihen angeordnet sind und entlang der Richtung (R), in der die elastokalorischen Bänder (5, 5') bewegt werden, derart ineinandergreifen, dass die elastokalorischen Bänder (5, 5') abhängig von ihrer Position sowohl mit den bikonvexen Abschnitte (11) als auch mit den planaren Abschnitte (12) in Kontakt treten können.
Vorrichtung (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen der Wärmeleitelemente (1, 2) parallel nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der bikonvexe Abschnitt (11) des Wärmeleitelements (1, 2) und der planare Abschnitt (12) eines benachbarten weiteren Wärmeleitelements (2, 1) entlang der Richtung (R), in der die elastokalorischen Bänder (5, 5') bewegt werden, abwechseln.
Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der planare Abschnitt (12) des Wärmeleitelements (1, 2) einen kleineren Durchmesser aufweist als der bikonvexe Abschnitt (11) des Wärmeleitelements (1, 2).
Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1, 2) mit einer wärmeleitenden Schicht (15) beschichtet sind.
Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1, 2) eine wärmeleitende Struktur (45) aufweisen.
Wärmepumpe, aufweisend eine Vorrichtung (3) zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Antrieb aufweist, der die elastokalorischen Bänder und/oder den Rahmen, an dem die elastokalorischen Bänder befestigt sind, oszillierend bewegt, sodass sich die elastokalorischen Bänder zwischen den Wärmeleitelementen hin und her bewegen.