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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch, welche eine Wärmequelle, eine Wärmesenke, ein dazwischen ausgebildetes Vakuum, zumindest ein elastokalorisches Element und zumindest einen Aktor umfasst.
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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. Materialien, an denen sich der elastokalorische Effekt nachweisen lässt, werden als elastokalorische Materialien bezeichnet. Solche elastokalorischen Materialien sind beispielsweise Formgedächtnislegierungen, die Superelastizität besitzen. Die superelastischen Formgedächtnislegierungen 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 die bei niedrigeren Temperaturen stabile Phase. 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 in Systemen zum Wärmetransport zur Anwendung kommen. Diese Systeme umfassen eine Wärmequelle, eine Wärmesenke und mindestens eine Wärmeüberträgereinheit aus einem elastokalorischen Material. Das elastokalorische Material ist in Wirkverbindung mit der Wärmequelle angeordnet, sodass Wärme zwischen der Wärmequelle und dem elastokalorischen Material übertragbar ist. Darüber hinaus weisen diese Systeme Mittel zur Erzeugung einer mechanischen Spannung in dem elastokalorischen Material auf. 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. Wird an ein elastokalorisches Material eine mechanische Spannung angelegt, tritt die beschriebene Phasenumwandlung auf, wodurch sich die Temperatur des elastokalorischen Materials erhöht. Wird das elastokalorische Material im Anschluss mit einer Wärmesenke in Wirkkontakt gebracht, gibt das elastokalorische Material Wärme an die Wärmesenke ab, wodurch sich die Temperatur des elastokalorischen Materials an die Temperatur der Wärmesenke angleicht. Wird nun die mechanische Spannung entfernt, kommt es aufgrund der Phasenrückumwandlung zu einer weiteren Abkühlung des elastokalorischen Materials, sodass Wärme aus der mit dem unverformten elastokalorischen Material in Verbindung stehenden Wärmequelle entzogen wird und diese abkühlt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch, die eine Wärmequelle, eine Wärmesenke, zumindest ein elastokalorisches Element und zumindest einen Aktor umfasst. Die Wärmequelle und die Wärmesenke sind vorzugsweise gegenüberliegend voneinander angeordnet, wobei zwischen ihnen ein Hohlraum ausgebildet ist, der die Wärmequelle und die Wärmesenke trennt. Das elastokalorische Element ist zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke angeordnet und steht in einem unverformten Zustand mit der Wärmequelle in Wirkkontakt. Vorzugsweise ist der zumindest eine Aktor in einer Aussparung in die Wärmequelle angeordnet und steht mit dem elastokalorischen Element in Kontakt. Der zumindest eine Aktor ist dazu eingerichtet, ausgefahren zu werden und dabei das zugehörige elastokalorische Element zu verformen, dieses dadurch von der Wärmequelle weg zu bewegen und durch den Hohlraum in Richtung auf die Wärmesenke zu zubewegen. Die mechanische Verformung bewirkt in dem elastokalorischen Element eine Phasenumwandlung der Kristallstruktur von Austenit zu Martensit, die einen adiabatischen Temperaturanstieg des elastokalorischen Elements zur Folge hat. Der zumindest eine Aktor bringt das elastokalorische Element mit der Wärmesenke in Kontakt. Dabei kann das elastokalorische Element Wärme an die Wärmesenke abgeben, wodurch sich die Temperatur des elastokalorischen Elements der Temperatur der Wärmesenke angleicht. Im Anschluss daran wird der Aktor wieder vollständig eingefahren, wodurch das elastokalorische Element in seinen unverformten Zustand zurückkehrt, unterstützt durch den Aktor, der eine geringe Zugspannung auf das elastokalorische Material ausübt. Dadurch wird das elastokalorische Element entlastet, wobei eine Phasenrückumwandlung der Kristallstruktur von Martensit zu Austenit und damit ein weiteres Absinken der Temperatur des elastokalorischen Elements stattfindet.
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In dem Hohlraum zwischen der Wärmesenke und der Wärmequelle ist ein Vakuum ausgebildet (Druck p < 10 hPa). Darüber hinaus kann sich das Vakuum in die Aussparung in der Wärmequelle, in welche der Aktor integriert ist, erstrecken. Das Vakuum kann bereits im Rahmen des Herstellungsprozesses der Vorrichtung, bspw. durch eine Herstellung unter Vakuum-Bedingungen, oder erst nachträglich ausgebildet werden. Im Vakuum gibt es nur sehr wenige gasförmige Atome und Moleküle und damit auch einen sehr geringen Gasdruck. Die Absenkung des Gasdrucks führt zu einer Verminderung der materiegebundenen Wärmeübertragung durch Konvektion. Durch ein Vakuum lässt sich somit der Wärmeaustausch zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke eindämmen, wodurch ein unbeabsichtigter und kontinuierlicher Wärmetausch zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke vermieden wird. Das Vakuum dient daher zur Wärmeisolation der Wärmesenke von der Wärmequelle und führt somit zu einer höheren Effizienz der Vorrichtung für einen Wärmetausch.
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Vorteilhafterweise bestehen sowohl die Wärmesenke als auch die Wärmequelle zumindest teilweise aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit λ > 150 W/(m*K). Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Wärmesenke und der Wärmequelle wirkt sich vorteilhaft auf die Effizienz des Wärmetransports zwischen der Wärmesenke, der Wärmequelle und dem elastokalorischen Material aus. Um eine Wärmeaufnahme bzw. eine Wärmeabgabe des zumindest einen Aktors zu verhindern, ist eine thermische Isolierung des zumindest einen Aktors, beispielsweise durch eine thermisch isolierende Ummantelung, vorteilhaft.
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Gemäß eines Aspekts umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von elastokalorischen Elementen und Aktoren. Die Wärmequelle und die Wärmesenke sind vorzugsweise gegenüberliegend voneinander angeordnet, wobei zwischen ihnen ein Hohlraum ausgebildet ist, der die Wärmequelle und die Wärmesenke trennt. Die Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl von den bereits beschriebenen elastokalorischen Elementen mit einer gemeinsamen Wärmequelle und Wärmesenke. In einer Variante ist die Wärmequelle so ausgebildet, dass alle elastokalorischen Elemente gemeinsam mit dieser in Kontakt treten können und die Wärmesenke ist ebenfalls ausgebildet, dass alle elastokalorischen Elemente gemeinsam mit dieser in Kontakt treten können. Die elastokalorischen Elemente sind zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke angeordnet und stehen in einem unverformten Zustand mit der Wärmequelle in Wirkkontakt. Die elastokalorischen Elemente sind dazu ausgelegt sowohl mit der gemeinsamen Wärmequelle als auch mit der gemeinsamen Wärmesenke in Wirkkontakt zu treten. Vorzugsweise sind die Mehrzahl von Aktoren in Aussparungen in der Wärmequelle angeordnet und stehen mit jeweils einem elastokalorischen Element in Kontakt. Die Aktoren sind dazu eingerichtet, ausgefahren zu werden und dabei das zugehörige elastokalorische Element zu verformen, dieses dadurch von der gemeinsamen Wärmequelle weg zu bewegen und durch den Hohlraum in Richtung auf die Wärmesenke zu zubewegen und einen Wirkkontakt mit diesem herzustellen. Alternativ können die Wärmesenke und die Wärmequelle auch jeweils separat ausgebildet sein.
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In dem Hohlraum zwischen der gemeinsamen Wärmesenke und der gemeinsamen Wärmequelle ist ein Vakuum ausgebildet (Druck p < 10 hPa). Dieses kann sich auf die Aussparungen in der gemeinsamen Wärmequelle, in denen die Aktoren angeordnet sind, erstrecken. Das Vakuum kann bereits im Rahmen des Herstellungsprozesses der Vorrichtung, bspw. durch eine Herstellung unter Vakuum-Bedingungen, oder erst nachträglich ausgebildet werden. Mittels einer Skalierung bzw. Hintereinanderschaltung einer Mehrzahl von elastokalorischen Elementen und den zugehörigen Aktoren lassen sich hohe Heiz- und Kühlleistungen auf einem engen Raum generieren.
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Vorteilhafterweise ist die Mehrzahl der Aktoren über eine gemeinsame Welle mit einem Antrieb verbunden, welcher eine Rotation auf die gemeinsame Welle überträgt und auf diese Weise die Aktoren antreibt. Alternativ können die Aktoren über eine gemeinsame Schiene mit einem Antrieb verbunden sein, der durch ein Bewegen der Schiene die Aktoren antreibt.
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Gemäß einem Aspekt ist der Antrieb für den zumindest einen Aktor außerhalb des Vakuums angeordnet und die Welle über eine vakuumdichte Durchführung mit dem Aktor verbunden. Auf diese Weise ist der Antrieb von außen zugänglich. Vorzugsweise ist der Antrieb in diesem Fall über die vorstehend beschriebene Welle mit dem Aktor verbunden und die Welle ist durch die Durchführung geführt. Durch den außerhalb des Systems liegenden Antrieb sinkt ferner die Komplexität der Vorrichtung, wodurch eine kompaktere Bauweise der Vorrichtung möglich ist. Ferner lässt auf diese Weise der Antrieb von der Vorrichtung thermisch entkoppeln und mithin eine Abgabe von Antriebswärme an die Vorrichtung vermeiden.
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Gemäß einem anderen Aspekt ist der mit zumindest einem Aktor verbundene Antrieb innerhalb des Vakuums angeordnet. Der zumindest eine Aktor ist dabei über die vorstehend beschriebene Schiene mit dem Antrieb verbunden. Hierbei wird die Ansteuerung und die Energieversorgung zu dem Antrieb vorteilhafterweise durch eine vakuumdichte Durchführung von außerhalb des Vakuums zugeführt. Die vakuumdichte Durchführung für die Ansteuerung und die Energieversorgung des Antriebs lässt sich beispielsweise durch ein Eingießen derselben in Harz realisieren.
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Gemäß einem Aspekt ist der zumindest eine Aktor als Piezoaktor oder als Hubmagnetaktor ausgebildet. Piezoaktoren sind elektromechanische Antriebe, die den piezoelektronischen Effekt nutzen und sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnen. Bei einem Hubmagnetaktor wird ein Magnetanker durch ein Magnetfeld innerhalb einer Magnetspule bewegt und verrichtet eine lineare Bewegung. Piezoaktoren bzw. Hubmagnetaktoren sind bereits in einer stark miniaturisierten Form erhältlich und zeichnen sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit aus. Mittels der Verwendung von miniaturisierten Aktoren lässt sich die Vorrichtung für einen Wärmetausch sehr platzsparend realisieren und damit besonders effektiv für eine lokale Kühlung / Heizung von Mikrosystemen oder Produkten mit geringem Bauraum einsetzen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Die 1a, b zeigen in schematischen Querschnitt-Darstellungen eine erste Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt in einer schematischen Querschnitt-Darstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt in einer schematischen Querschnitt-Darstellung eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit mehreren elastokalorischen Elementen und mehreren mittels einer Welle angetriebenen Aktoren.
- 4 zeigt in einer schematischen Querschnitt-Darstellung eine vierte Ausführungsform der Erfindung mit mehreren elastokalorischen Elementen und mehreren mittels einer Schiene angetriebene Aktoren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die 1a, b zeigen in schematischen Querschnitt-Darstellungen eine erste Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 1 umfasst innerhalb eines luftdicht abgeschlossenen Gehäuses 2 eine Wärmesenke 3, eine Wärmequelle 4, ein elastokalorisches Element 5 und einen Aktorstempel 6. Die Wärmesenke 3 und die Wärmequelle 4 sind sich gegenüberliegend angeordnet, wobei ein Hohlraum zwischen ihnen ausgebildet ist. In einer Aussparung in der Wärmequelle 4 ist der Aktorstempel 6 angeordnet. Dieser ist mit dem elastokalorischen Element 5 verbunden. In dem Hohlraum zwischen der Wärmesenke 3 und der Wärmequelle 4 ist ein Vakuum 7 ausgebildet. Dieses Vakuum 7 erstreckt sich auf die Aussparung in der Wärmequelle 4, in welcher der Aktorstempel 6 angeordnet ist. In 1a ist das elastokalorische Element 5 unverformt und steht in Wirkkontakt mit der Wärmequelle 4. Der Aktorstempel 6 zieht das elastokalorische Element dabei in Richtung der Wärmequelle 4. In 1b ist der Aktorstempel 6 ausgelenkt und das elastokalorische Element 5 ist durch den Aktorstempel 6 verformt und mit der Wärmesenke 3 in Wirkkontakt gebracht. Die Verformung des elastokalorischen Elements 5 mittels des Aktorstempels 6 führt zu einer Phasenumwandlung der Kristallstruktur des elastokalorischen Elements 5 von Austenit zu Martensit, die einen adiabatischen Temperaturanstieg zur Folge hat. Die erhöhte Temperatur wird nun in Form von Wärme an die Wärmesenke 3 abgegeben. Dabei gleicht sich die Temperatur des elastokalorischen Elements 5 bei einer ausreichenden Dauer des Wirkkontakts an die Temperatur der Wärmesenke 3 an. Gleiche Komponenten sind mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet, sodass auf deren erneute Beschreibung verzichtet wird.
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In 2 ist eine schematische Querschnitt-Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt in der die Wärmequelle 4 zwischen zwei Wärmesenken 3 angeordnet. In Richtung jeder Wärmesenke 3 ist jeweils ein elastokalorisches Element 5 mit jeweils einem Aktorstempel 6 angeordnet. Eines der elastokalorischen Elemente 5 steht in Wirkkontakt mit der Wärmequelle 4 und ist unverformt. Das andere elastokalorische Element 5 wird von dem anliegenden Aktorstempel 6 verformt und dadurch von der Wärmequelle 4 weg bewegt und mit der Wärmesenke 3 in Wirkkontakt gebracht wird. Die beiden Aktorstempel 6 sind mit einem Federelement 8 miteinander verbunden. Dieses Federelement 8 speichert die Verformungsenergie und unterstützt eine Rückstellung der Aktorstempel 6 durch die Bereitstellung von Rückstellkräften. In den Zwischenräumen zwischen den beiden Wärmesenken 3 und der Wärmequelle 4 ist ein Vakuum 7 ausgebildet. Dieses Vakuum erstreckt sich auf die Aussparung in der Wärmequelle 4, innerhalb derer die beiden Aktorstempel 6 angeordnet sind.
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3 zeigt in einer schematischen Querschnitt-Darstellung eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 1 umfasst in ihrem Gehäuse 2 eine gemeinsame Wärmequelle 4, die zwischen zwei gegenüberliegenden gemeinsamen Wärmesenken 3 angeordnet ist, sowie mehrere elastokalorischen Elemente 5 und Aktorstempel 6. Die Vorrichtung kann als Hintereinanderschaltung von mehreren elastokalorischen Elementen 5 und Aktorstempeln 6, wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben, mit gemeinsamer Wärmequelle 4 und gemeinsamen Wärmesenken 3 angesehen werden. Die Wärmequelle 4 weist auf beiden Seiten mehrere Aussparungen auf, in die jeweils ein Aktorstempel 6 pro Seite angeordnet ist, der mit einem elastokalorischen Element 5 verbunden ist. Die Aktorstempel 6 einer Seite sind ausgefahren und verformen die jeweiligen elastokalorischen Elemente 5, bewegen sie dadurch von der Wärmequelle 4 weg und bringen sie mit der gegenüberliegenden oberen Wärmesenke 3 in Wirkkontakt. Die Aktorstempel 6 der anderen Seite sind eingefahren, wodurch sich die elastokalorischen Elemente 5 der unteren Seite in einem unverformten Zustand befinden. Die Aktorstempel 6 werden über eine zentrale Welle 10 angetrieben. Die Welle 10 wird von einem außerhalb des Gehäuses 2 liegenden Antrieb 11 angetrieben. Innehralb des Gehäuses 2 ist in den Zwischenräumen zwischen den beiden Wärmesenken 3 und der Wärmequelle 4 ein Vakuum 7 ausgebildet. Dieses Vakuum 7 erstreckt sich auf die Aussparungen in der Wärmequelle 4, innerhalb derer die Aktorstempel 6 angeordnet sind. Um das Vakuum 7 im Gehäuse 2 aufrecht zu erhalten, ist eine Durchführung 9 der Welle 10 von außerhalb des Gehäuses 2 von dem Antrieb 11 in das Innere des Gehäuses 2 luftdicht abgeschlossen.
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4 zeigt in einer schematischen Querschnitt-Darstellung eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Die Anordnung der gemeinsamen Wärmesenken 3, gemeinsamen Wärmequellen 4 und elastokalorischen Elementen 5 und Aktorstempel 6 entspricht der dritten Ausführungsform, sodass für deren Beschreibung auf die 3 und die zugehörige Beschreibung verwiesen wird. Die Aktorstempel 6 werden in der vorliegenden vierten Ausführungsform über einen innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Antrieb 12 angetrieben. Der Antrieb 12 treibt eine mit einer Führungsschiene 13 verbundene Schiene 14 an. Die Schiene 14 ist mit den Aktorstempeln 6 verbunden und überträgt die Bewegung des Antriebs 12. Der Antrieb 12 wird von außerhalb des Gehäuses 2 gesteuert und mit Energie versorgt. Die hierfür vorgesehene Kabelverbindung 16 ist über eine luftdicht abgeschlossene Durchführung 15 von außerhalb durch das Gehäuse 2 nach Innen geführt und dort mit dem Antrieb 12 verbunden. In den Zwischenräumen zwischen den beiden Wärmesenken 3 und der Wärmequelle 4 ist ein Vakuum 7 ausgebildet. Dieses Vakuum 7 erstreckt sich auf die Aussparungen in der Wärmequelle 4, innerhalb derer die Aktorstempel 6 angeordnet sind.
