DE102018208350A1 - Device for heat exchange - Google Patents

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DE102018208350A1
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Holger Wuest
Witold Pieper
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch, welche eine Wärmequelle (7) und eine Wärmesenke (8), einen Wärmetauscher (5), der abwechselnd mit der Wärmequelle (7) und der Wärmesenke (8) verbindbar ist und ein barokalorisches Element (3), welches mit dem Wärmetauscher (5) verbunden ist, umfasst. Zudem ist ein Formgedächtnismaterial (1) vorgesehen, welches eingerichtet ist, bei seiner temperaturbedingten Verformung Druck auf das barokalorische Element (3) auszuüben.The invention relates to a device for heat exchange, which a heat source (7) and a heat sink (8), a heat exchanger (5) which is connectable alternately with the heat source (7) and the heat sink (8) and a barocaloric element (3) which is connected to the heat exchanger (5) comprises. In addition, a shape memory material (1) is provided, which is designed to exert pressure on the barocaloric element (3) during its temperature-induced deformation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch unter Ausnutzung des barokalorischen Effekts. Zudem betrifft die Erfindung eine Wärmepumpe mit solch einer Vorrichtung zum Wärmetausch.The invention relates to a device for heat exchange utilizing the barocaloric effect. In addition, the invention relates to a heat pump with such a device for heat exchange.

Stand der TechnikState of the art

Der barokalorische Effekt beschreibt eine adiabatische Temperaturänderung eines Materials, wenn das Material mit einem isostatischen Druck beaufschlagt wird und eine Kontraktion des Volumens des Materials erfolgt. Durch den isostatischen Druck 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.The barocaloric effect describes an adiabatic temperature change of a material when the material is subjected to an isostatic pressure and a contraction of the volume of the material takes place. The isostatic pressure causes a transformation of the crystal structure, also called phase, in the material. The phase transformation leads to an increase in the temperature of the material. If the released heat is dissipated, the temperature is lowered and the entropy decreases. If then the mechanical force is removed, in turn, a reverse phase transformation (reverse transformation) is caused, which leads to a lowering of the temperature of the material. When heat is applied to the material, entropy increases again.

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 der isostatische Druck auf Umgebungsdruck 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 15 °C erreicht werden.After the approximately adiabatic phase transformation, the temperature is above the starting temperature. The resulting heat can be dissipated, for example, to the environment and the material then assumes ambient temperature. Now, if the phase-to-phase conversion is initiated by reducing the isostatic pressure to ambient pressure, a lower temperature than the starting temperature will be established. Temperature differences can be achieved between maximum temperature after the phase transformation and minimum temperature after the back conversion (at previously released heat) of up to 15 ° C.

Materialien, an denen sich der barokalorische Effekt nachweisen lässt, werden als barokalorische Materialien bezeichnet. Solche barokalorische Materialien sind beispielsweise ferroelektrische Salze, Ammoniumsulfat (NH4)2SO4, Silberiodid oder PDMS-(Polydimethylsiloxan)-Elastomere oder andere organische Materialien. Der angelegte isostatische Druck verursacht eine Phasenumwandlung - bei Ammoniumsulfat z.B. im Ordnungszustand des lonengitters -, 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 der an das barokalorische Material angelegte isostatische Druck verringert, erfolgt eine Rückumwandlung und damit einhergehend eine adiabatische Temperaturabsenkung.Materials that show the barocaloric effect are called barocaloral materials. Such barocaloric materials are, for example, ferroelectric salts, ammonium sulfate (NH 4 ) 2 SO 4 , silver iodide or PDMS (polydimethylsiloxane) elastomers or other organic materials. The applied isostatic pressure causes a phase transformation - in the case of ammonium sulfate, for example, in the ordered state of the ion lattice - which results in an adiabatic temperature rise. The increased temperature can now be released into the environment in the form of heat, which leads to a decrease in entropy. If the isostatic pressure applied to the barocaloric material is reduced, a reverse transformation takes place, accompanied by an adiabatic temperature reduction.

Aktuell werden meist hydraulische Systeme mit Druckkammern verwendet, in denen der Druck mittels eines Fluids isostatisch auf das barokalorische Element aufgebracht wird. Bei solchen hydraulischen Systemen wird ein Teil der frei werdenden Wärme von dem Fluid aufgenommen.Currently, mostly hydraulic systems are used with pressure chambers in which the pressure is applied by means of a fluid isostatic to the barocaloric element. In such hydraulic systems, a portion of the heat released is taken up by the fluid.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Vorrichtung zum Wärmetausch vorgeschlagen, welche eine Wärmequelle und eine Wärmesenke, einen Wärmetauscher und ein barokalorisches Element umfasst. Der Wärmetauscher ist derart angeordnet und eingerichtet, dass er mit dem barokalorischen Element fest verbunden ist und zudem abwechselnd mit der Wärmequelle und der Wärmesenke verbindbar ist. Das barokalorische Element weist ein barokalorisches Material auf, welches bei angelegtem isostatischem Druck Wärme freisetzt. Wenn der Wärmetauscher mit der Wärmesenke verbunden ist, kann er Wärme vom barokalorischen Element zur Wärmesenke leiten. Wenn der Wärmetauscher mit der Wärmequelle verbunden ist, kann er Wärme von der Wärmequelle an das barokalorische Element leiten. Der Wärmetauscher ist z. B. als Stab, Blech oder Geflecht ausgebildet und weist vorzugsweise große Kontaktflächen sowohl zum barokalorischen Element als auch zur Wärmequelle bzw. zur Wärmesenke auf.A device for heat exchange is proposed which comprises a heat source and a heat sink, a heat exchanger and a barocaloric element. The heat exchanger is arranged and arranged such that it is firmly connected to the barocaloric element and, in addition, can be connected alternately to the heat source and the heat sink. The barocaloric element has a barocaloric material which liberates heat when isostatic pressure is applied. When the heat exchanger is connected to the heat sink, it can conduct heat from the barocaloric element to the heat sink. When the heat exchanger is connected to the heat source, it can conduct heat from the heat source to the barocaloric element. The heat exchanger is z. B. formed as a rod, sheet or braid and preferably has large contact surfaces both to the barocaloric element and to the heat source or the heat sink.

Zusätzlich ist ein Formgedächtnismaterial vorgesehen, welches bei einer Temperaturänderung eine Phasenumwandlung vollzieht, bei der sich das Formgedächtnismaterial verformt. Dieser Prozess wird nachfolgend auch als temperaturbedingten Verformung bezeichnet. Das Formgedächtnismaterial ist eingerichtet, bei seiner temperaturbedingten Verformung Druck auf das barokalorische Element auszuüben. Dabei kann der Druck bei der temperaturbedingten Verformung durch die Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit durch Abkühlung oder bevorzugt bei der Phasenumwandlung von Martensit zu Austenit durch Erwärmung ausgeübt werden. Eine gezielte und steuerbare Erwärmung des Formgedächtnismaterials lässt sich leichter bewerkstelligen als eine Abkühlung. Hierfür kann beispielsweise ein weiter unten beschriebenes elektrisches Heizelement verwendet werden. Bei der jeweiligen Phasenrückumwandlung des Formgedächtnismaterials erfolgt eine Rückverformung und das barokalorische Element wird wieder vom Druck entlastet.In addition, a shape memory material is provided, which undergoes a phase change at a temperature change, in which the shape memory material deforms. This process is referred to below as temperature-induced deformation. The shape memory material is adapted to exert pressure on the barocaloric element at its temperature-induced deformation. In this case, the pressure in the temperature-induced deformation by the phase transformation of austenite to martensite by cooling or preferably in the phase transformation of martensite to austenite by heating be exercised. Targeted and controllable heating of the shape memory material is easier to accomplish than cooling. For this purpose, for example, an electric heating element described below can be used. In the respective phase rearrangement of the shape memory material, a reverse deformation takes place and the barocaloric element is relieved of pressure again.

Durch den bei der temperaturbedingten Verformung des Formgedächtnismaterials ausgeübten Druck auf das barokalorische Element wird durch den barokalorischen Effekt Wärme in dem barokalorischen Material des barokalorischen Elements freigesetzt. Während das Formgedächtnismaterial Druck auf das barokalorische Element ausübt, ist der Wärmetauscher mit der Wärmesenke verbunden. Die im barokalorischen Element freigesetzte Wärme wird über den Wärmetauscher zu der Wärmesenke abgeleitet.Due to the pressure exerted on the barocaloric element due to the temperature-induced deformation of the shape-memory material, heat is released in the barocaloric material of the barocaloric element by the barocaloric effect. As the shape memory material applies pressure to the barocaloric element, the heat exchanger is connected to the heat sink. The Heat released in the barocaloric element is dissipated via the heat exchanger to the heat sink.

Im Anschluss erfolgt die Rückverformung des Formgedächtnismaterials, sodass das Formgedächtnismaterial keinen oder zumindest einen geringeren Druck auf das barokalorische Element ausübt. Aufgrund des geringeren Drucks findet eine Phasenrückwandlung innerhalb des barokalorischen Materials statt, welche dazu führt, dass die Temperatur des barokalorischen Material unter die Umgebungstemperatur fällt, so dass nun Wärme aufgenommen werden kann. Während das Formgedächtnismaterial keinen Druck auf das barokalorische Element ausübt, ist der Wärmetauscher mit der Wärmequelle verbunden. Wärme aus der Wärmequelle wird über den Wärmetauscher dem barokalorischen Element zugeführt, welches die Wärme aufnimmt.Subsequently, the shape-memory material is deformed back so that the shape-memory material exerts no or at least a lower pressure on the barocaloric element. Due to the lower pressure, a phase change takes place within the barocaloric material, which causes the temperature of the barocaloric material to fall below the ambient temperature so that heat can now be absorbed. While the shape memory material exerts no pressure on the barocaloric element, the heat exchanger is connected to the heat source. Heat from the heat source is supplied via the heat exchanger to the barocaloric element which absorbs the heat.

Vorteilhafterweise ist das Formgedächtnismaterial in Bezug auf das barokalorische Element so angeordnet und eingerichtet, dass es den Druck gleichförmig auf das barokalorische Element ausübt. Dadurch wird erreicht, dass der isostatische Druck gleichmäßig auf das barokalorische Element einwirkt und folglich die Phasenumwandlung innerhalb des barokalorischen Materials homogen verteilt abläuft.Advantageously, the shape memory material is arranged and arranged with respect to the barocaloric element to apply the pressure uniformly to the barocaloric element. This ensures that the isostatic pressure acts evenly on the barocaloric element and consequently the phase transformation within the barocaloric material proceeds homogeneously distributed.

In einer bevorzugten Anordnung umschließt das Formgedächtnismaterial das barokalorische Element, wobei das barokalorische Element eingerichtet ist, den Druck zumindest in Richtung des barokalorischen Elements, das heißt nach Innen hin, auszuüben. Dadurch stehen die gesamte äußere Oberfläche des barokalorischen Elements und die gesamte innere Oberfläche des Formgedächtnismaterials als Kontaktflächen zur Übertragung des Drucks zur Verfügung.In a preferred arrangement, the shape memory material encloses the barocaloric element, the barocaloric element being arranged to exert the pressure at least in the direction of the barocaloric element, that is to say inward. As a result, the entire outer surface of the barocaloric element and the entire inner surface of the shape memory material are available as contact surfaces for transmitting the pressure.

Hierfür eignen sich besonders gut ein in Kugelform ausgebildetes barokalorisches Element und ein Formgedächtnismaterial in Form einer Kugelschale, welches um das barokalorische Element herum angeordnet ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn sich das Formgedächtnismaterial, während es um das barokalorische Element herum angeordnet wird, im verformten Zustand befindet. Durch die temperaturbedingte Verformung weist das Formgedächtnismaterial die Tendenz auf, den Innendurchmesser der Kugelschale zu verkleinern, allerdings verhindert das Vorhandensein des barokalorischen Elements ein Zusammenziehen. Stattdessen wird das barokalorische Element gewissermaßen eingezwängt bzw. gequetscht. Demzufolge wird der isostatische Druck gleichmäßig auf die Oberfläche des kugelförmigen barokalorischen Elements verteilt ausgeübt.Particularly suitable for this purpose are a spherically formed barocaloric element and a shape memory material in the form of a spherical shell, which is arranged around the barocaloric element. It is advantageous if the shape memory material, while it is arranged around the barocaloric element, is in the deformed state. As a result of the temperature-induced deformation, the shape-memory material tends to reduce the inner diameter of the spherical shell, but the presence of the barocaloric element prevents it from contracting. Instead, the barocaloric element is somehow squeezed or squeezed. As a result, the isostatic pressure is uniformly distributed to the surface of the spherical barocaloric element.

Im Speziellen ist das Formgedächtnismaterial in Form einer Manschette oder als Drahtnetz ausgebildet. Die Manschette kann über das barokalorische Element gezogen werden. Vorzugsweise weist die Manschette ein elastisches Element auf, welches gedehnt werden kann, wenn die Manschette über das barokalorische Element gezogen wird, und sich anschließend zusammenzieht. Alternativ kann die Manschette ein Stellelement aufweisen, mit der die Manschette vergrößert werden kann, wenn die Manschette über das barokalorische Element gezogen wird, und anschließend wieder verkleinert werden kann. Das Drahtnetz kann ebenfalls über das barokalorische Element gezogen werden, wobei die einzelnen Drähte des Formgedächtnismaterials anschließend ausgerichtet werden können, um eine gleichförmige Verteilung zu erreichen. Der Wärmetauscher kann durch das Drahtnetz hindurch ausgebildet sein. Sowohl die spezielle Ausgestaltung in Form einer Manschette als auch als Drahtnetz ist geeignet, das barokalorische Element zu umschließen und den isostatischen Druck gleichmäßig auf das barokalorische Element auszuüben. Beide Ausgestaltungen können, wie vorstehend beschrieben, als Kugelschale um das kugelförmige Element herum angeordnet sein.In particular, the shape memory material is in the form of a sleeve or wire mesh. The cuff can be pulled over the barocaloric element. Preferably, the cuff comprises an elastic member which can be stretched as the cuff is pulled over the barocaloric member and then contract. Alternatively, the cuff may include an actuator that allows the cuff to be enlarged as the cuff is pulled over the barocaloric member, and subsequently resized. The wire mesh may also be drawn across the barocaloric element, where the individual wires of the shape memory material may then be aligned to achieve a uniform distribution. The heat exchanger may be formed through the wire mesh. Both the special configuration in the form of a cuff and as a wire mesh is suitable for enclosing the barocaloric element and for exerting the isostatic pressure uniformly on the barocaloric element. Both embodiments can, as described above, be arranged as a spherical shell around the spherical element.

Zwischen dem Formgedächtnismaterial und dem barokalorischen Element ist vorzugsweise eine Isolationslage angeordnet. Die Isolationslage ist eingerichtet, einen Wärmefluss zwischen dem barokalorischen Element und dem Formgedächtnismaterial zu verhindern, sodass die aus dem barokalorischen Element freigesetzte Wärme nicht zum Formgedächtnismaterial vordringen kann, wo diese die Rückverformung behindern würde. Gleichzeitig ist die Isolationslage eingerichtet, den vom Formgedächtnismaterial aufgebrachten Druck zum barokalorischen Element zu übertragen.An insulating layer is preferably arranged between the shape memory material and the barocaloric element. The insulating layer is arranged to prevent heat flow between the barocaloric element and the shape memory material so that the heat released from the barocaloric element can not penetrate to the shape memory material where it would hinder the recovery. At the same time, the insulating layer is adapted to transfer the pressure applied by the shape memory material to the barocaloric element.

Wie bereits beschrieben ist der Wärmetauscher sowohl mit der Wärmequelle als auch mit der Wärmesenke verbindbar und zwar abhängig davon, ob gerade Druck am barokalorischen Element anliegt und somit Wärme freigesetzt wird oder ob gerade kein Druck anliegt und somit Wärme aufgenommen werden kann.As already described, the heat exchanger can be connected both to the heat source and to the heat sink, specifically depending on whether pressure is applied to the barocaloric element and thus heat is released or if no pressure is applied and heat can thus be absorbed.

Um den Wärmetauscher zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke zu bewegen, kann gemäß einem Aspekt vorgesehen sein, dass zumindest das barokalorische Element beweglich gelagert ist, sodass der fest mit dem barokalorischen Element verbundene Wärmetauscher durch die Bewegung des barokalorischen Elements mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke verbunden wird. Der Ausdruck „beweglich gelagert“ umfasst neben einer linearen Bewegung vor allem auch eine Drehbewegung. Im Falle des kugelförmigen barokalorischen Elements ist die Drehbewegung durch Drehung an einer Radialachse durch den Mittelpunkt des barokalorischen Elements besonders einfach realisierbar. Gemäß einem weiteren Aspekt, kann die Wärmesenke und/oder die die Wärmequelle beweglich gelagert sein. Dann bewegt sich je nach Ansteuerung die Wärmequelle oder die Wärmesenke zu dem fest verbundenen Wärmetauscher hin, um sich mit diesem zu verbinden.In order to move the heat exchanger between the heat source and the heat sink, according to one aspect, it may be provided that at least the barocaloric element is movably supported such that the heat exchanger fixedly connected to the barocaloric element is connected to the heat source or the heat sink by the movement of the barocaloric element becomes. The term "movably mounted" includes not only a linear movement but above all a rotational movement. In the case of the spherical barocaloric element, the rotational movement is particularly easy to realize by rotation on a radial axis through the center of the barocaloric element. In another aspect, the Heat sink and / or the heat source to be movably mounted. Then, depending on the drive, the heat source or the heat sink moves toward the fixedly connected heat exchanger to connect to it.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist ein Federelement vorgesehen, welches den Wärmetauscher mit einer Kraft oder Vorspannung beaufschlagt, um diesen mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke zu verbinden. Hierfür kann der Wärmetauscher einen festen Abschnitt, der fest mit dem barokalorischen Element verbunden ist, und einen beweglichen Abschnitt, auf den die Kraft oder die Vorspannung wirkt, aufweisen. Bevorzugt beaufschlagt das Federelement den Wärmetauscher so mit der Kraft oder der Vorspannung, dass dieser im Grundzustand, bei der kein Druck auf das barokalorische Element ausgeübt wird, an der Wärmequelle anliegt und mit dieser verbunden ist.In yet another aspect, a spring member is provided which applies a force or bias to the heat exchanger to connect it to the heat source or heat sink. For this purpose, the heat exchanger may have a fixed portion which is fixedly connected to the barocaloric element, and a movable portion on which the force or the bias acts. Preferably, the spring element acts on the heat exchanger with the force or the prestress that, in the basic state in which no pressure is exerted on the barocaloric element, it bears against the heat source and is connected thereto.

Vorteilhafterweise besteht das Federelement aus einem Formgedächtnismaterial. Wird das Federelement erwärmt, verformt sich dieses derart, dass es den Wärmetauscher von einer Position, bei dem der Wärmetauscher an der Wärmequelle anliegt und mit dieser verbunden ist, in eine Position, bei dem der Wärmetauscher an der Wärmesenke anliegt und mit verbunden ist, oder umgekehrt bewegt. Optional kann eine Rückstellfeder vorgesehen sein, um den Wärmetauscher wieder in seine Grundstellung zu bewegen. Liegt der Wärmetauscher, wie vorstehend beschrieben, im Grundzustand an der Wärmequelle an, bewegt das Federelement bei Erwärmung den Wärmetauscher zu der Wärmesenke.Advantageously, the spring element consists of a shape memory material. When the spring element is heated, it deforms so that it abuts the heat exchanger from a position where the heat exchanger abuts and is connected to the heat source to a position where the heat exchanger abuts and is connected to the heat sink, or moved in reverse. Optionally, a return spring may be provided to move the heat exchanger back to its normal position. If the heat exchanger, as described above, in the ground state at the heat source, the spring element moves when heated, the heat exchanger to the heat sink.

Darüber hinaus ist zumindest ein elektrisches Heizelement vorgesehen, das eingerichtet ist, das Formgedächtnismaterial zu erwärmen, um die temperaturbedingte Verformung des Formgedächtnismaterials herbeizuführen. Vor allem wird das Formgedächtnismaterial, welches Druck auf das barokalorische Element ausübt, durch das zumindest eine elektrische Heizelement erwärmt. Das elektrische Heizelement bietet den Vorteil, dass dessen Erwärmung leicht zu steuern ist, beispielsweise durch ein Steuergerät, welches die Zufuhr von elektrischer Energie aus einer Strom-/Spannungsquelle steuert, und die Wärme gezielt an das Formgedächtnismaterial übertragbar ist.In addition, at least one electrical heating element is provided, which is arranged to heat the shape memory material in order to bring about the temperature-induced deformation of the shape memory material. In particular, the shape memory material, which exerts pressure on the barocaloric element, is heated by the at least one electrical heating element. The electrical heating element has the advantage that its heating is easy to control, for example, by a control unit which controls the supply of electrical energy from a current / voltage source, and the heat is selectively transferable to the shape memory material.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Erwärmung des Formgedächtnismaterials, welches Druck auf das barokalorische Element ausübt, mittels des zumindest einen elektrischen Heizelements und die Erwärmung des Formgedächtnismaterials des Federelements von der gleichen Steuerung über die gleiche Strom-/Spannungsversorgung erfolgt. In diesem Fall wird durch die Erwärmung des Formgedächtnismaterials Druck auf das barokalorische Element ausgeübt und gleichzeitig der Wärmetauscher zu der Wärmesenke bewegt, sodass die zu diesem Zeitpunkt im das barokalorische Element freigesetzte Wärme zur Wärmesenke abgeführt wird.An advantageous embodiment provides that the heating of the shape memory material, which exerts pressure on the barocaloric element, takes place by means of the at least one electrical heating element and the heating of the shape memory material of the spring element of the same control over the same power / voltage supply. In this case, pressure is applied to the barocaloric element by the heating of the shape memory material and at the same time the heat exchanger is moved to the heat sink, so that the heat released at that time in the barocaloric element is dissipated to the heat sink.

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. 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.In addition, a heat pump is proposed, which has the above-mentioned device for heat exchange. The above features and advantages of the device also apply to the heat pump. The heat pump may find use, for example, in refrigerators / chests, in the temperature management of Li-ion batteries and solid state batteries, as well as for heating or cooling the interior of vehicles, etc., to name but a few examples.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

  • 1 zeigt eine schematische Schnitt-Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt eine schematische Schnitt-Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
  • 1 shows a schematic sectional view of a first embodiment of the invention.
  • 2 shows a schematic sectional view of a second embodiment of the invention.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

Die 1 und 2 zeigen jeweils eine schematische Schnitt-Darstellung einer Vorrichtung zum Wärmetausch gemäß einer ersten Ausführungsform (1) und gemäß einer zweiten Ausführungsform (2) der Erfindung. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden im Folgenden nur einmal beschrieben.The 1 and 2 each show a schematic sectional view of a device for heat exchange according to a first embodiment ( 1 ) and according to a second embodiment ( 2 ) the invention. Identical components are identified by the same reference numerals and will be described only once in the following.

Ein barokalorisches Element 3, welches aus barokalorischem Material besteht, weist eine Kugelform auf und ist von einem Formgedächtnismaterial 1 in Form einer Kugelschale umgeben. Das Formgedächtnismaterial 1 kann dabei das kugelförmige barokalorische Element 3 vollständig umschließen. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen ist das Formgedächtnismaterial 1 in Form einer Manschette oder als Drahtnetz um das barokalorische Element 3 herum angeordnet. Zwischen dem Formgedächtnismaterial 1 und dem barokalorischen Element 3 ist eine Isolationslage 2 angeordnet, die einen Wärmefluss zwischen dem barokalorischen Element 3 und dem Formgedächtnismaterial 1 verhindert. Gleichzeitig wird Druck vom Formgedächtnismaterial 1 zum barokalorischen Element 3 durch die Isolationsalge 2 hindurch übertragen.A baroque element 3 , which consists of barocaloric material, has a spherical shape and is of a shape memory material 1 surrounded in the form of a spherical shell. The shape memory material 1 can be the spherical barocaloric element 3 completely enclose. In further embodiments, not shown, the shape memory material 1 in the form of a cuff or wire mesh around the barocaloric element 3 arranged around. Between the shape memory material 1 and the baroque caloric element 3 is an isolation situation 2 arranged a heat flow between the barocaloric element 3 and the shape memory material 1 prevented. At the same time pressure from the shape memory material 1 to the Baroque element 3 through the isolation algae 2 transmitted through it.

An dem Formgedächtnismaterial 1 sind elektrische Heizelemente 4 vorgesehen, die sich erwärmen, wenn sie mit elektrischer Energie versorgt werden. Die elektrischen Heizelemente 4 sind mit einem Steuergerät 6 verbunden, welches einen elektrischen Strom, der von einer Strom-/Spannungsversorgung 61 bereitgestellt wird, steuert. Die von den Heizelementen 4 aufgebrachte Wärme wird an das Formgedächtnismaterial 1 übertragen, welches sich dadurch erwärmt. Die Erwärmung führt zu einer Phasenumwandlung des Formgedächtnismaterials 1 von Martensit zu Austenit, durch welche sich das Formgedächtnismaterial 1 verformt. Bei der Verformung weist das Formgedächtnismaterial 1 die Tendenz auf, sich zusammenzuziehen und dabei seinen Innendurchmesser zu verkleinern. Das Vorhandensein des barokalorischen Elements 3 verhindert jedoch, dass das Formgedächtnismaterial 1 seinen entlasteten Grundzustand erreicht. Demzufolge wird ein isostatischer Druck aufgebaut, der nach innen gerichtet ist und durch die Isolationslage 2 hindurch auf das barokalorische Element 3 übertragen wird. Aufgrund der Form des Formgedächtnismaterials 1 als Kugelschale und der Kugelform des barokalorischen Elements 3 wird der isostatische Druck gleichförmig auf das barokalorische Element 3 ausgeübt. Als Folge des isostatischen Drucks erwärmt sich aufgrund des barokalorischen Effekts das barokalorische Material des barokalorischen Elements 3 durch Phasenumwandlung.At the shape memory material 1 are electrical heating elements 4 intended to heat up when supplied with electrical energy become. The electric heating elements 4 are with a control unit 6 connected, which is an electrical current that comes from a power supply 61 is provided controls. The of the heating elements 4 applied heat is applied to the shape memory material 1 transferred, which heats up by it. The heating leads to a phase transformation of the shape memory material 1 from martensite to austenite, through which the shape memory material 1 deformed. In the deformation, the shape memory material 1 the tendency to contract while decreasing its inside diameter. The presence of the barocaloral element 3 however, prevents the shape memory material 1 reaches its relieved ground state. As a result, an isostatic pressure is generated that is directed inward and through the insulation layer 2 through to the barocaloral element 3 is transmitted. Due to the shape of the shape memory material 1 as a spherical shell and the spherical shape of the barocaloral element 3 the isostatic pressure becomes uniform on the barocaloric element 3 exercised. As a result of the isostatic pressure, the barocaloric material of the barocaloric element heats up due to the barocaloric effect 3 by phase transformation.

Zudem ist ein Wärmetauscher 5 vorgesehen, der z. B. in Form eines Stabs, eines Blechs oder eines Geflechts ausgebildet ist. Der Wärmetauscher 5 ist mit dem barokalorischen Element 1 fest verbunden und kann Wärme von dem barokalorischen Element 1 abführen oder dem barokalorischen Element 1 Wärme zuführen. Zu diesem Zweck ist der Wärmetauscher 5 entweder mit einer Wärmequelle 7 oder mit einer Wärmesenke 8 verbunden, indem er jeweils an einer der beiden anliegt. Die genaue Art und Weise, wie der Wärmetauscher 5 zwischen der Wärmequelle 7 und der Wärmesenke 8 bewegt wird, ist weiter unten beschrieben. Der Wärmetauscher 5 weist große Kontaktflächen sowohl zum barokalorischen Element 1 hin als auch an dem Abschnitt, der mit der Wärmequelle 7 bzw. mit der Wärmesenke 8 verbunden wird, auf. Erwärmt sich als Folge des isostatischen Drucks das barokalorische Material des barokalorischen Elements 3 aufgrund des barokalorischen Effekts durch die Phasenumwandlung, wird der Wärmetauscher 5 mit der Wärmesenke 8 verbunden, sodass die freigesetzte Wärme über den Wärmetauscher 5 an die Wärmesenke 8 abgegeben wird. Dies erfolgt solange, bis das barokalorische Elements 3 und der Wärmetauscher 5 wieder die Umgebungstemperatur angenommen haben. Dann wird der Wärmetauscher 5 von der Wärmesenke 8 getrennt.There is also a heat exchanger 5 provided, the z. B. in the form of a rod, a sheet or a braid is formed. The heat exchanger 5 is with the baroque caloric element 1 firmly connected and can heat from the barocaloric element 1 dissipate or the barocaloric element 1 Add heat. For this purpose, the heat exchanger 5 either with a heat source 7 or with a heat sink 8th connected, in each case by one of the two. The exact way how the heat exchanger 5 between the heat source 7 and the heat sink 8th is moved, is described below. The heat exchanger 5 has large contact surfaces both to the barocaloric element 1 out as well as on the section that connects to the heat source 7 or with the heat sink 8th is connected to. As a result of isostatic pressure, the barocaloric material of the barocaloric element is heated 3 due to the barocaloric effect due to the phase transformation, the heat exchanger becomes 5 with the heat sink 8th connected so that the heat released through the heat exchanger 5 to the heat sink 8th is delivered. This is done until the barocaloric element 3 and the heat exchanger 5 have again assumed the ambient temperature. Then the heat exchanger 5 from the heat sink 8th separated.

Wenn die elektrischen Heizelemente 4 im Anschluss nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt werden, kühlt auch das Formgedächtnismaterial 1 wieder ab und eine Phasenrückumwandlung von Austenit zu Martensit findet statt. Als Folge übt das Formgedächtnismaterial 1 nun keinen Druck mehr auf das barokalorische Element 3 aus, sodass auch dort eine Phasenrückumwandlung des barokalorischen Materials stattfindet. Bei dieser Phasenrückumwandlung des barokalorischen Materials kann das barokalorische Element 3 Wärme aufnehmen. Hierfür wird der Wärmetauscher 5 mit der Wärmequelle 7 verbunden und die Wärme wird von der Wärmequelle 7 zum barokalorische Element 3 übertragen. Anschließend startet der eben beschriebene Prozess von neuem.When the electric heating elements 4 After being no longer supplied with electrical energy, the shape memory material also cools 1 again, and phase-to-phase transformation from austenite to martensite takes place. As a result, the shape memory material exercises 1 now no more pressure on the barocaloric element 3 out, so that there takes place a phase rearrangement of the barocaloric material. In this phase rearrangement of the barocaloric material, the barocaloric element 3 Absorb heat. For this purpose, the heat exchanger 5 with the heat source 7 Connected and the heat is from the heat source 7 to the baroque caloric element 3 transfer. Subsequently, the process just described starts anew.

Um den Wärmetauscher 5 zwischen der Wärmequelle 7 und der Wärmequelle 8 und umgekehrt zu bewegen, ist in der ersten, in 1 gezeigten Ausführungsform vorgesehen, das barokalorische Element 3 mitsamt dem fest verbundenen Wärmetauscher 5 in der hier dargestellten Schnittebene um das Zentrum des kugelförmigen barokalorischen Elements 3 herum zu drehen. Hierfür kann eine nicht dargestellte Drehvorrichtung vorgesehen sein, die das barokalorische Element 3 entlang der senkrecht zur Schnittebene stehenden Radialachse, die durch das Zentrum verläuft, dreht. Zusätzlich oder alternativ ist in der ersten Ausführungsform in 1 vorgesehen, die Wärmequelle 7 und/oder die Wärmesenke 8 auf den Wärmetauscher 5 zu zu bewegen, bis die Wärmequelle 7 oder die Wärmesenke 8 an dem Wärmetauscher 5 anliegt, und die Wärmequelle 7 und/oder die Wärmesenke 8 von dem Wärmetauscher 5 weg zu bewegen. Hierfür kann ein ebenfalls nicht dargestellter linearer Antrieb vorgesehen sein, der die Wärmequelle 7 oder die Wärmesenke 8 separat oder beide gemeinsam bewegt. Die Drehbewegung des barokalorischen Elements 3 mitsamt dem Wärmetauscher 5 und die Bewegung der Wärmequelle 7 und/oder der Wärmesenke 8 können auch kombiniert eingesetzt werden.To the heat exchanger 5 between the heat source 7 and the heat source 8th and vice versa, is in the first, in 1 shown embodiment, the barocaloric element 3 together with the firmly connected heat exchanger 5 in the section plane shown here around the center of the spherical barocaloric element 3 to turn around. For this purpose, a rotating device, not shown, may be provided, which is the barocaloric element 3 along the radial plane perpendicular to the cutting plane, which passes through the center rotates. Additionally or alternatively, in the first embodiment in FIG 1 provided, the heat source 7 and / or the heat sink 8th on the heat exchanger 5 to move until the heat source 7 or the heat sink 8th on the heat exchanger 5 is applied, and the heat source 7 and / or the heat sink 8th from the heat exchanger 5 to move away. For this purpose, a likewise not shown linear drive can be provided, which is the heat source 7 or the heat sink 8th moved separately or both together. The rotary motion of the barocaloral element 3 together with the heat exchanger 5 and the movement of the heat source 7 and / or the heat sink 8th can also be used in combination.

In 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die eine Alternative aufzeigt, den Wärmetauscher 5 zwischen der Wärmequelle 7 und der Wärmequelle 8 und umgekehrt zu bewegen. Es ist ein Federelement 9 vorgesehen, welches auf einen beweglichen Abschnitt 51 des Wärmetauschers 5 einwirkt, wobei der Wärmetauscher 5 weiterhin über einen festen Abschnitt 52 mit dem barokalorischen Element 3 verbunden ist. Das Federelement 9 besteht aus einem Formgedächtnismaterial und kann sich ebenfalls bei Erwärmung verformen. Bei Umgebungstemperatur ist das Federelement 9 nicht ausgelenkt und der Wärmetauscher 5 liegt an der Wärmequelle 7 an. Zudem kann eine Rückstellfeder 10 vorgesehen sein, die den Wärmetauscher 5 in Richtung der Wärmequelle 7 drückt. Das aus Formgedächtnismaterial bestehende Federelement 9 wird über das Steuergerät 6 mit elektrischer Energie von der Strom-/Spannungsquelle 61 gespeist. Wird elektrischer Strom angelegt, erwärmt sich das Federelement 9 und verformt dabei. Durch die Verformung dehnt sich das Federelement 9 aus und bewegt den beweglichen Abschnitt 51 des Wärmetauschers 5 zur Wärmesenke 8 hin, bis der Wärmetauscher 5 an der Wärmesenke 8 anliegt, wobei die Federkraft der Rückstellfeder 10 überwunden wird. Das Steuergerät 6 steuert die elektrische Energie derart, dass die Heizelemente 4 versorgt werden und gleichzeitig das Federelement 9 gespeist wird. Dann wird die im barokalorischen Element 3 freigesetzte Wärme über den an der Wärmesenke 8 anliegenden beweglichen Abschnitt 51 des Wärmetauschers 5 zur Wärmesenke 8 abgeleitet. Werden die Heizelemente 4 nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt, wird das Federelement 9 zeitgleich auch nicht mehr gespeist. In diesem Fall überwiegt die Rückstellkraft der Rückstellfeder 10 und der bewegliche Abschnitt 51 des Wärmetauschers 5 liegt wieder an der Wärmequelle 7 an und die Wärme wird von der Wärmequelle 7 über den Wärmetauscher 5 zum barokalorischen Element übertragen.In 2 a second embodiment of the invention is shown, which shows an alternative, the heat exchanger 5 between the heat source 7 and the heat source 8th and vice versa. It is a spring element 9 provided, which on a movable section 51 of the heat exchanger 5 acting, wherein the heat exchanger 5 continue over a fixed section 52 with the barocaloral element 3 connected is. The spring element 9 consists of a shape memory material and can also deform when heated. At ambient temperature is the spring element 9 not deflected and the heat exchanger 5 is located at the heat source 7 on. In addition, a return spring 10 be provided, which is the heat exchanger 5 in the direction of the heat source 7 suppressed. The shape memory material existing spring element 9 is via the control unit 6 with electrical energy from the current / voltage source 61 fed. When electric current is applied, the spring element heats up 9 and deforms it. Due to the deformation, the spring element expands 9 and moves the moving section 51 of the heat exchanger 5 to the heat sink 8th out until the heat exchanger 5 at the heat sink 8th is applied, wherein the spring force of the return spring 10 is overcome. The control unit 6 controls the electrical energy such that the heating elements 4 be supplied and at the same time the spring element 9 is fed. Then the baroque-caloric element 3 released heat over the heat sink 8th adjacent movable section 51 of the heat exchanger 5 to the heat sink 8th derived. Be the heating elements 4 no longer supplied with electrical energy, the spring element 9 at the same time no longer fed. In this case, the restoring force of the return spring predominates 10 and the moving section 51 of the heat exchanger 5 is again at the heat source 7 and the heat is from the heat source 7 over the heat exchanger 5 transferred to the barocaloral element.

Claims (11)

Vorrichtung zum Wärmetausch umfassend - eine Wärmequelle (7) und eine Wärmesenke (8); - einen Wärmetauscher (5), der abwechselnd mit der Wärmequelle (7) und der Wärmesenke (8) verbindbar ist; und - ein barokalorisches Element (3), welches mit dem Wärmetauscher (5) verbunden ist, gekennzeichnet durch ein Formgedächtnismaterial (1), welches eingerichtet ist, bei seiner temperaturbedingten Verformung Druck auf das barokalorische Element (3) auszuüben.Apparatus for heat exchange comprising - a heat source (7) and a heat sink (8); - A heat exchanger (5) which is connectable alternately with the heat source (7) and the heat sink (8); and a barocaloric element (3) which is connected to the heat exchanger (5), characterized by a shape memory material (1) which is adapted to exert pressure on the barocaloric element (3) during its temperature-induced deformation. Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnismaterial (1) in Bezug auf das barokalorische Element (3) so angeordnet und eingerichtet ist, dass es den Druck gleichförmig auf das barokalorische Element (3) ausübt.Device for heat exchange after Claim 1 characterized in that the shape-memory material (1) is arranged and arranged with respect to the barocaloric element (3) so as to apply the pressure uniformly to the barocaloric element (3). Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnismaterial (1) das barokalorische Element (3) umschließt und eingerichtet ist, den Druck zumindest in Richtung des barokalorischen Elements (3) auszuüben.Device for heat exchange according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the shape-memory material (1) surrounds the barocaloric element (3) and is adapted to exert the pressure at least in the direction of the barocaloric element (3). Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das barokalorische Element (3) eine Kugelform aufweist und das Formgedächtnismaterial (1) in Form einer Kugelschale um das barokalorische Element (3) herum angeordnet ist.Device for heat exchange after Claim 3 , characterized in that the barocaloric element (3) has a spherical shape and the shape memory material (1) is arranged in the form of a spherical shell around the barocaloric element (3). Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgedächtnismaterial (1) in Form von Manschetten oder als Drahtnetz ausgebildet ist.Heat exchange device according to one of the preceding claims, characterized in that the shape memory material (1) is designed in the form of sleeves or as a wire mesh. Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolationslage (2) zwischen dem Formgedächtnismaterial (1) und dem barokalorischen Element (3) angeordnet ist, die eingerichtet ist, einen Wärmefluss zwischen dem barokalorischen Element (3) und dem Formgedächtnismaterial (1) zu verhindern und Druck vom Formgedächtnismaterial (1) zum barokalorischen Element (3) zu übertragen.Heat exchange device according to one of the preceding claims, characterized in that an insulating layer (2) is arranged between the shape memory material (1) and the barocaloric element (3), which is adapted to heat flow between the barocaloric element (3) and the shape memory material (1) to prevent and transfer pressure from the shape memory material (1) to the barocaloric element (3). Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das barokalorische Element (3) und/oder die Wärmequelle (7) und/oder die Wärmesenke (8) beweglich gelagert sind, um den Wärmetauscher (5) mit der Wärmequelle (7) oder der Wärmesenke (8) zu verbinden.Device for heat exchange according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that at least the barocaloric element (3) and / or the heat source (7) and / or the heat sink (8) are movably mounted to the heat exchanger (5) with the heat source (7) or the heat sink (8) connect to. Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Federelement (9), welches den Wärmetauscher (5) mit einer Kraft oder einer Vorspannung beaufschlagt.Device for heat exchange according to one of Claims 1 to 6 characterized by a spring element (9), which acts on the heat exchanger (5) with a force or a bias voltage. Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (9) aus einem Formgedächtnismaterial besteht.Device for heat exchange according to one of Claims 8 , characterized in that the spring element (9) consists of a shape memory material. Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein elektrisches Heizelement (4), das eingerichtet ist, das Formgedächtnismaterial (1) zu erwärmen.Heat exchange device according to one of the preceding claims, characterized by at least one electric heating element (4) which is arranged to heat the shape memory material (1). Wärmepumpe, aufweisend eine Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Heat pump, comprising a device for heat exchange according to one of Claims 1 to 10 ,
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