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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elastokalorisches Element, welche drei miteinander verbundene Schichten umfasst. Die zwei äußeren Schichten bestehen dabei aus verschiedenen elastokalorischen Materialien, die unter Druck- bzw. Zugspannung unterschiedliche Leistungszahlen aufweisen.
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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, sinkt 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 die 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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Im Folgenden ist eine typische Anordnung zum Wärmetausch beschrieben: Bei einer Anordnung ist ein konvexes Wärmeleitelement, mit Abstand zu einem planaren Wärmeleitelement angeordnet. Ein elastokalorisches Band ist in den Zwischenraum zwischen dem planaren Wärmeleitelement und dem konvexen Wärmeleitelement gespannt. Das Band wird durch das konvexe Wärmeleitelement verformt, 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. Im Anschluss bewegt sich das 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 die restliche Rückverformung. Durch diese Anordnung wird Wärme von den planaren Wärmeleitelementen zum konvexen Wärmeleitelement transportiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elastokalorisches Element, welches drei miteinander verbundene Schichten umfasst. Das elastokalorische Element umfasst dabei Materialien, die einen elastokalorischen Effekt aufweisen. Der elastokalorische Effekt beschreibt eine adiabatische Temperaturänderung eines elastokalorischen Materials, wenn das Material mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt wird und sich verformt. Durch die mechanische Kraft bzw. Verformung wandelt sich die Kristallstruktur von Austenit zu Martensit um. Hierdurch wird Wärme frei, die als Wärmefluss abgeführt werden kann, wodurch die Temperatur des elastokalorischen Materials sinkt. Wird die dabei freigesetzte Wärme abgeführt, sinkt die Temperatur des elastokalorischen Materials. Nach der Entfernung der mechanischen Kraft, findet eine Rückverformung des elastokalorischen Materials in seine Ausgangsform statt. Hierbei wandelt sich seine Kristallstruktur vom Martensit zum Austenit zurück. Die Temperatur des Materials kühlt dabei unter die Umgebungstemperatur ab, wodurch Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden kann. Das Verhältnis von erzeugter Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung wird bei mechanischen Wärmepumpen als Leistungszahl, bzw. Coefficient of Performance (kurz COP), bezeichnet. Das elastokalorische Element wird zyklisch mit Biegespannung beaufschlagt. Obwohl das elastokalorische Element dabei wiederholt mit Biegespannung beaufschlagt wird, bedeutet dies nicht zwangsläufig, dass die Wiederholungen in einem regelmäßigen und zeitlich festgelegten Ablauf erfolgen müssen. Eine erste Schicht befindet sich auf einer mit Druckspannung beaufschlagten Seite und besteht aus einem elastokalorischen Material, das unter Druckspannung eine Leistungszahl aufweist, die oberhalb einer ersten Schwelle liegt. Die erste Schwelle liegt bevorzugt für eine durch den elastokalorischen Effekt hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen 0 und 25 Kelvin bei 10 und besonders bevorzugt für eine durch den elastokalorischen Effekt hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen 10 und 25 Kelvin bei 15. Eine zweite Schicht besteht aus einem zweiten elastokalorischen Material. Das zweite elastokalorische Material dieser zweiten Schicht weist, im Unterschied zu dem ersten elastokalorischen Material der ersten Schicht, unter Zugspannung eine Leistungszahl auf, die oberhalb einer zweiten Schwelle liegt. Die zweite Schwelle liegt bevorzugt für eine durch den elastokalorischen Effekt hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen 10 und 25 Kelvin bei 15. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Effizienz, die an die Materialien der ersten und zweiten Schicht gestellt werden, kann die erste Schwelle für das erste Material vorzugsweise gleich groß wie die zweite Schwelle für das zweite Material gewählt werden. Vorzugsweise können die Schwellen für die Materialien in Abhängigkeit von den jeweils herrschenden Materialtemperaturen und/oder der gewünschten Temperatur gewählt werden.
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Zwischen der ersten und der zweiten Schicht ist eine dritte Schicht angeordnet, welche funktional als Federblech ausgebildet ist. Diese dritte Schicht besteht aus einem Material, welches nicht elastokalorisch ist. Würde man ein elastokalorisches Material für diese dritte Schicht verwenden, könnte eine Verformungsenergie nicht elastokalorisch genutzt werden, da die Spannung in diesem Bereich nicht ausreicht, um eine Phasenumwandlung zu induzieren. Bei der Verwendung eines Federblechs wird die Verformungsenergie in einem Bereich um die neutrale Faser des Federblechs gespeichert und die Rückstellkräfte für eine Rückverformung damit minimiert. Als Ausgangsmaterialien für das Federblech kommen unterschiedliche und kostengünstige Eisen-Kohlenstoff-Legierungen in Frage. Mithin wird durch den Einsatz des Federblechs vergleichsweise teures elastokalorisches Material eingespart.
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Optional ist das elastokalorische Material der ersten Schicht des elastokalorischen Elements eine Nickel-Titan-Legierung. Nickel-Titan-Legierungen eignen sich hierfür besonders gut, da sie einerseits über einen, im Vergleich zu anderen Legierungen, außerordentlich stark ausgeprägten Formgedächtniseffekt verfügen, andererseits auch eine hohe Langzeitstabilität und damit eine hohe Lebensdauer aufweisen. Mithilfe von Nickel-Titan-Legierungen lässt sich darüber hinaus eine hohe Anzahl von Arbeitszyklen realisieren.
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Vorzugsweise ist das zweite elastokalorische Material der zweiten Schicht des elastokalorischen Elements eine Nickel-Titan-Kupfer-Legierung oder eine Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung. Mit der Beimischung von Kupfer zu einer Nickel-Titan-Legierung lassen sich einerseits die Phasenumwandlungstemperatur, andererseits mechanische Eigenschaften wie die Verformbarkeit beeinflussen. Nickel-Titan-Kupfer-Legierungen verfügen über einen, im Vergleich zu anderen Legierungen, ausgeprägten Formgedächtniseffekt, der über eine hohe Zyklenanzahl stabil ist. Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen verfügen über einen weniger stark ausgeprägten Formgedächtniseffekt als Nickel-Titan-Kupfer-Legierungen sind jedoch vergleichsweise günstiger.
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Vorteilhafterweise ist das Material der dritten Schicht des elastokalorischen Elements ein Federbandstahl. Dieses Material weist im Vergleich zu anderen Stahlsorten eine sehr hohe Zugfestigkeit auf, wodurch er besonders gut für den Einsatz in einem elastokalorischen Element geeignet ist. Federbandstahl zeichnet sich ferner durch eine hohe Verfügbarkeit und durch geringe Materialkosten aus.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Materialdicke der dritten Schicht kleiner als die Materialdicke der ersten und/oder der zweiten Schicht. Der elastokalorische Effekt der ersten und zweiten Schicht ist dabei weiterhin vorherrschend
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Zur Herstellung des elastokalorischen Elements kann die Verbindung der drei Schichten mithilfe eines Walzverfahrens realisiert werden. Hierfür werden die drei blanken und von Oxidationsschichten befreiten Metallschichten übereinander gelegt und anschließend unter hohem Druck gewalzt. Hierbei entsteht in der jeweiligen Kontaktzone durch eine Kaltverschweißung eine partiell stoffschlüssige Verbindung. Durch eine abschließende Diffusionsglühbehandlung wird eine stabile und durchgehend stoffschlüssige Verbindung von höchster Güte zwischen den Schichten hergestellt.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1a zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastokalorischen Elements in einem entspannten Zustand.
- 1b zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastokalorischen Elements aus 1a in einem verformten Zustand
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Für das erfindungsgemäße elastokalorische Element werden drei Materialien bereitgestellt. Zunächst wird ein erstes elastokalorisches Material in Form einer Nickel-Titan-Legierung bereitgestellt. Das erste elastokalorische Material weist für sich genommen für eine durch den elastokalorischen Effekt bei der Verformung und der anschließenden Rückverformung unter Druckspannung hervorgerufenen Temperaturdifferenz in Höhe von 20 Kelvin eine Leistungszahl von 17 auf. Für das elastokalorische Element wird ferner ein zweites elastokalorisches Material in Form einer Nickel-Titan-Kupfer-Legierung bereitgestellt. Das zweite elastokalorischen Materials weist für sich genommen für eine durch den elastokalorischen Effekt bei der Verformung und der anschließenden Rückverformung unter Zugspannung hervorgerufene Temperaturdifferenz in Höhe von 11 Kelvin eine Leistungszahl von 20 auf. Des Weiteren wird für das elastokalorische Element ein drittes Material in Form eines Chrom-Nickel-Stahls bereitgestellt, das dem Rückstelleffekt des elastokalorischen Elements dient.
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Das elastokalorische Element ist, wie in 1a gezeigt, aus einem Verbund von drei Metallschichten hergestellt. Eine erste Schicht 1 besteht aus dem ersten elastokalorischen Material in Form der Nickel-Titan-Legierung. Eine zweite Schicht 2 besteht aus dem zweiten elastokalorischen Material in Form einer Nickel-Titan-Kupfer-Legierung. Bei den Materialien der ersten und zweiten Schicht 1,2 handelt es sich somit um superelastische Formgedächtnismaterialien, die jeweils einen elastokalorischen Effekt aufweisen. Die beiden Schichten weisen jeweils eine Dicke von 225 µm auf. Eine dritte Schicht 3 ist zwischen der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2 angeordnet. Diese besteht aus einem Chrom-Nickel-Stahl wie z.B. X10CrNi18-8 und weist eine Dicke von 50 µm auf.
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1b zeigt das elastokalorisches Element, das in Richtung R auf ein Wärmeleitelement 4 zubewegt wird und daraufhin mit diesem Wärmeleitelement 4 in Kontakt tritt. Das Wärmeleitelement 4, das mit der Umgebung in Kontakt ist, übt hierbei einen Anpressdruck auf das elastokalorische Element aus, wodurch sich dieses verformt. Durch die Verformung entsteht in der ersten Schicht 1 eine Druckspannung und in der zweiten Schicht 2 eine Zugspannung, was in beiden Schichten zu einer Umwandlung der Kristallstruktur der elastokalorischen Materialien von Austenit zu Martensit führt. Auf der mit Druck beaufschlagten Seite des elastokalorischen Elements ist das erste elastokalorische Material mit der, bezogen auf die Druckspannung, hohen Leistungszahl in der ersten Schicht 1 angeordnet. Auf der mit Zug beaufschlagten Seite des elastokalorischen Elements ist das zweite elastokalorische Material mit der, bezogen auf die Zugspannung, hohen Leistungszahl in der zweiten Schicht 2 angeordnet. Durch die Umwandlung der Kristallstruktur wird Wärme freigesetzt. Die Wärme wird von dem Wärmeleitelement 4 aufgenommen, wodurch die elastokalorischen Materialien auf die Umgebungstemperatur abkühlen. Das Federblech der dritten Schicht 3 des elastokalorischen Elements besteht aus einem nicht elastokalorischen Material, das die aufgetretene Verformungsenergie im Bereich um seine neutrale Faser speichert und den Rückstelleffekt der in der ersten und zweiten Schicht 1,2 verwendeten Formgedächtnismaterialien des elastokalorischen Elements unterstützt.
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Im Anschluss wird das elastokalorische Element entgegen der Richtung R vom Wärmeleitelement 4 weg bewegt und erfährt dabei eine Rückverformung, die durch die dritte Schicht 3 unterstützt wird.
