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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch, bei der zumindest ein elastokalorisches Element mit einer Vorspannung beaufschlagt wird.
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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 verformt. Durch die mechanische Kraft bzw. die Verformung wird eine Umwandlung der Kristallstruktur, auch Phase genannt, in dem Material verursacht. Die Phasenumwandlung führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Materials. Wird die dabei freigesetzte Wärme abgeführt, erniedrigt sich die Temperatur und die Entropie nimmt ab. Wird dann die mechanische Kraft entfernt, wird wiederum eine umgekehrte Phasenumwandlung (Rückumwandlung) verursacht, die zu einer Absenkung der Temperatur des Materials führt. Wird dem Material dann wieder Wärme zugeführt nimmt die Entropie wieder zu.
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Nach der annähernd adiabaten Phasenumwandlung liegt die Temperatur über der Ausgangstemperatur. Die dabei entstandene Wärme kann beispielsweise an die Umgebung abgeführt werden und das Material nimmt dann Umgebungstemperatur an. Wird nun die Phasenrückumwandlung initiiert, indem die mechanische Kraft auf null reduziert wird, stellt sich eine niedrigere Temperatur als die Ausgangstemperatur ein. Es können Temperaturdifferenzen zwischen maximaler Temperatur nach der Phasenumwandlung und minimaler Temperatur nach der Rückumwandlung (bei zuvor abgegebener Wärme) von bis zu 40°C erreicht werden.
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Materialien, an denen sich der elastokalorische Effekt nachweisen lässt, werden als elastokalorische Materialien bezeichnet. Solche elastokalorischen Materialien sind beispielsweise Formgedächtnislegierungen, die Superelastizität besitzen. Superelastische Legierungen zeichnen aus, dass diese einen großen (pseudo-)elastischen Verformungsbereich aufweisen. Klassische Formgedächtnislegierungen weisen zwei unterschiedliche Phasen (Kristallstrukturen) auf: Austenit ist die bei Raumtemperatur stabile Phase und Martensit ist bei niedrigeren Temperaturen stabil. Ein Beispiel für eine elastokalorische Formgedächtnislegierung ist eine bei Raumtemperatur austenitische Legierung. Eine mechanische Spannung 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. Wird das elastokalorische Material wieder entlastet, erfolgt eine Rückumwandlung von Martensit zu Austenit und damit einhergehend eine adiabatische Temperaturabsenkung.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Vorrichtung zum Wärmetausch vorgeschlagen, die eine Wärmequelle, eine Wärmesenke, zumindest ein elastokalorisches Element, zumindest ein Magnetjoch und zumindest einen Magnetanker umfasst. Das Magnetjoch und der Magnetanker bilden einen Magnetkreis, mittels dem der Magnetanker bewegt werden kann. Ein Magnetkreis oder auch magnetischer Kreis genannt, ist ein geschlossener Pfad eines magnetischen Flusses. Durch die Bewegung des Magnetankers in eine Auslenkungsrichtung, beispielsweise entgegengesetzt zu der Richtung des zugehörigen elastokalorischen Elements, wird eine mechanische Spannung auf dieses elastokalorische Element ausgeübt und das elastokalorische Element gedehnt. Dadurch findet im elastokalorischen Element eine Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit statt, durch die sich das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts erwärmt. Außerdem wird durch die Bewegung des Magnetankers in Auslenkungsrichtung das elastokalorische Element mit der Wärmesenke in Kontakt gebracht. Nun kann eine Wärmeübertragung vom elastokalorischen Element zur Wärmesenke erfolgen, wodurch die Wärmesenke erwärmt wird und gleichzeitig das elastokalorische Element auf Umgebungstemperatur abkühlt. Bewegt sich der Magnetanker anschließend in die der Auslenkungsrichtung entgegengesetzte Entlastungsrichtung, d. h. beispielsweise in Richtung des elastokalorischen Elements, wirkt die durch die Auslenkung ausgeübte Spannung nicht mehr auf das elastokalorische Element und es erfolgt eine Rückumwandlung von Martensit zu Austenit, durch die sich das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts abkühlt. Durch die Bewegung in die Entlastungsrichtung steht das elastokalorische Element nicht mehr in Kontakt mit der Wärmesenke und tritt stattdessen mit der Wärmequelle in Kontakt. Bevorzugt erreicht der Magnetanker seinen Ausgangszustand, wenn das elastokalorische Element mit der Wärmequelle in Kontakt tritt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Magnetanker in die der Auslenkungsrichtung entgegengesetzten Richtung weiter ausgelenkt wird, um das elastokalorische Element mit der Wärmequelle in Kontakt zu bringen. Schließlich nimmt das elastokalorische Element Wärme von der Wärmequelle auf, wodurch sich die Wärmequelle abkühlt und sich das elastokalorische Element wieder auf Umgebungstemperatur erwärmt.
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Das elastokalorische Element wird mit einer mechanischen Vorspannung beaufschlagt. Das elastokalorische Element ist dabei durch den Magnetanker eingespannt. Die mechanische Vorspannung wirkt in gleiche Richtung wie die vorstehend beschriebene mechanische Spannung, die durch den Magnetanker bei dessen Bewegung ausgeübt wird. Um das elastokalorische Element einzuspannen, kann es bei der Montage unter Spannung, und damit im bereits leicht gedehnten Zustand an einem Befestigungspunkt am Magnetanker sowie an einem anderen festen Befestigungspunkt befestigt werden und zwar derart, dass die mechanische Spannung als Vorspannung aufrechterhalten wird. Ist die Spannung beispielsweise eine Zugspannung, so kann dadurch erreicht werden, indem der Abstand zwischen den Befestigungspunkten größer ist als die Abmessung des elastokalorischen Elements im unverformten Zustand. In diesem Fall wird die mechanische Vorspannung allein durch die Abmessung des Magnetankers vorgegeben.
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Die mechanische Vorspannung wird abhängig vom verwendeten elastokalorischen Material so bestimmt, dass sie unterhalb einer Umwandlungsschwelle liegt, die für die oben genannte Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit bei dem zumindest einen elastokalorischen Element nötig ist. Bevorzugt liegt die Vorspannung auch unterhalb eines Spannungswerts, der bei der Rückumwandlung erreicht wird. Hierfür kann die Vorspannung für die verwendeten elastokalorischen Materialien durch im Vorfeld durchgeführte Messungen ermittelt werden oder aus bereits existierenden Funktionen, Tabellen und/oder Graphen ausgelesen werden.
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Das ständige Beaufschlagen des elastokalorischen Elements mit der Vorspannung bietet den Vorteil, dass die mechanische Spannung, die vom Magnetaktor aufgebracht werden muss, um die Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit auszulösen, um den Wert der Vorspannung verringert wird. Das Herabsetzten der für den elastokalorischen Effekt benötigten Spannung erhöht die Effizienz des Wärmetausch-Prozesses. Damit wird eine höhere Frequenz des Magnetankers erreicht, was zu einer höheren Kühlleistung bzw. Heizleistung führt. Darüber hinaus wird die Baugröße der Vorrichtung zum Wärmetausch verringert. Der Magnetaktor kann aufgrund der Vorspannung kleiner ausgeführt werden, was zu Verringerung der Baugröße führt.
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Bevorzugt ist das zumindest eine elastokalorische Element an einem Ende am Magnetanker fixiert. Vorzugsweise ist das eine Ende des elastokalorischen Elements an einer Oberfläche oder unmittelbar unter der Oberfläche fixiert. Mit anderen Worten liegt der Befestigungspunkt des elastokalorischen Elements am Magnetanker auf der Oberfläche oder in einer dafür vorgesehenen Vertiefung der Oberfläche. Das elastokalorische Element ist zudem über das am Magnetanker fixierte Ende mit dem Magnetanker thermisch verbunden. Das heißt, es kann eine Wärmeübertragung zwischen dem elastokalorischen Element und dem Magnetanker stattfinden. Genauer kann die Wärmeübertragung vom elastokalorischen Element über den Magnetanker hin zur Wärmequelle und ebenfalls über den Magnetanker hin zur Wärmesenke erfolgen.
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Ebenso bevorzugt ist das elastokalorische Element an einem anderen Ende, vorzugsweise an einem Ende, welches dem obengenannten gegenüberliegt, an der Wärmequelle fixiert. Mit anderen Worten liegt der andere Befestigungspunkt des elastokalorischen Elements an oder in der Wärmequelle. Im Ausgangszustand liegt der Magnetanker an der Wärmequelle an und das elastokalorische Element ist minimal gedehnt und zwar nur aufgrund der Vorspannung gedehnt. Das elastokalorische Element ist zudem an dem an der Wärmequelle fixierten Ende von der Wärmequelle thermisch isoliert, vorzugsweise durch eine Isolationsschicht, die am Befestigungspunkt der Wärmequelle vorgesehen ist. Dadurch ist eine Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle und dem elastokalorischen Element nur möglich, wenn der Magnetanker an der Wärmequelle anliegt.
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Zusammengenommen ist es besonders bevorzugt, dass das elastokalorische Element mit dem einen Ende an der der Wärmequelle abgewandten Seite des Magnetankers verbunden ist. Mit anderen Worten liegt der erstgenannte Befestigungspunkt am Magnetanker auf der Oberfläche (oder in der Vertiefung der Oberfläche), die von der Wärmequelle weg zeigt und insbesondere der Wärmesenke zugewandt ist. Demnach wird das elastokalorische Element auf der einen Seite an der Wärmequelle festgehalten und ist auf der anderen Seite durch den Magnetanker eingespannt. Vorteilhafterweise verläuft das elastokalorische Element durch den Magnetanker hindurch. Die mechanische Vorspannung wird in diesem Fall durch die Dicke des Magnetankers vorgegeben.
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Um das elastokalorische Element innerhalb des Magnetankers zu führen, ist ein Gleitlager vorgesehen, durch das das elastokalorische Element geführt wird. Wenn sich der Magnetanker bewegt, gleitet das elastokalorische Element folglich an der Innenseite des Gleitlagers entlang und steht mit diesem in Kontakt. Dies kann insbesondere bei einer bevorzugt eingerichteten thermischen Anbindung zwischen dem elastokalorischen Element und dem Magnetanker ausgenutzt werden, um eine Wärmeübertragung zwischen dem elastokalorischem Element und dem Magnetanker auszubilden bzw. zu fördern.
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Um die oben beschriebene Wärmeübertragung vom elastokalorischen Element zum Magnetanker und weiter zur Wärmequelle bzw. zur Wärmesenke zu verbessern, kann der Magnetanker zumindest teilweise Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupfer, Graphit oder Graphen, aufweisen. Vorzugsweise ist das hochwärmeleitfähige Material in Pfaden angeordnet, die durch den Magnetanker verlaufen.
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Des Weiteren kann bei der Vorrichtung zum Wärmetausch eine mechanische Feder vorgesehen sein, die zur Rückverformung des elastokalorischen Elements beiträgt. Die mechanische Feder kann beispielsweise am Magnetanker angeordnet sein und eine Federkraft auf den Magnetanker in die Entlastungsrichtung ausüben. Dies bietet den Vorteil, auf einfache Weise eine Bewegung in die Entlastungsrichtung zu realisieren. Bei der Bewegung des Magnetankers in die Auslenkungsrichtung wird die Federkraft überwunden.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt zwei schematische Schnittdarstellungen durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wärmetausch gemäß einer Ausführungsform in einem Ausgangszustand (1a) und in einem ausgelenkten Zustand (1b).
- 2 zeigt ein Diagramm der mechanischen Spannung über der Dehnung eines elastokalorischen Elements der Vorrichtung zum Wärmetausch aus 1.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch in einem Ausgangszustand. Die Vorrichtung zum Wärmetausch umfasst eine Wärmequelle 1 und eine Wärmesenke 2, die sich gegenüberliegen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung zum Wärmetausch eingerichtet, eine mit der Wärmequelle 1 verbundene Komponente zu kühlen, wobei Wärme über die Wärmesenke 2 an die Umgebung abgegeben werden kann. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung ein Magnetjoch 3, das an der Wärmesenke 2 angeordnet ist und das eine Magnetspule 31 aufweist, die in einer Aussparung 32 angeordnet ist. Durch Bestromen der Magnetspule 31 wird die magnetische Flussdichte des Magnetkreises 3 gesteuert. Zudem umfasst die Vorrichtung einen Magnetanker 4, der bei Bestromung der Magnetspule 31 in Richtung des Magnetjochs 3 angezogen wird. Im Ausgangszustand, der in der 1a dargestellt ist, wird die Magnetspule 31 nicht bestromt und der Magnetanker 4 liegt an der Wärmequelle 1 an und steht mit dieser in thermischen Kontakt.
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Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung ein elastokalorisches Element 5, welches durch den Magnetanker 4 eingespannt wird. Ein erstes Ende 51 des elastokalorischen Elements 5 ist in einer Vertiefung 42 fixiert, die innerhalb der dem Magneten 3 zugewandten Oberfläche 41 des Magnetankers 4 ausgebildet ist, und ein zweites Ende 52 des elastokalorischen Elements 5, welches dem ersten Ende 51 gegenüberliegt, ist an der Wärmequelle 1 fixiert. Das erste Ende 51 steht in thermischen Kontakt mit dem Magnetanker 4, sodass eine Wärmeübertragung vom elastokalorischen Element 5 über den Magnetanker 4 und/oder eine Wärmeübertragung über den Magnetanker 4 zum elastokalorischen Element 5 hin stattfinden kann. Dahingegen ist um das zweite Ende 52 des elastokalorischen Elements 5 herum eine Isolationsschicht 55 vorgesehen, welche das zweite Ende 52 gegenüber der Wärmequelle 1 thermisch isoliert. Somit kann zwischen dem elastokalorischen Element 5 und der Wärmequelle 1 keine direkte Wärmeübertragung stattfinden, sondern die Wärmeübertragung kann nur über den Magnetanker 4 erfolgen.
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Der Kern 53 des elastokalorischen Elements 5, d. h. der Mittelteil zwischen den beiden Enden 51, 52 verläuft durch den Magnetanker 4 und wird durch ein Gleitlager 45 innerhalb des Magnetankers 4 geführt. Hierzu gleitet das elastokalorischen Element 5 an den Innenseiten des Gleitlagers 45 entlang und kommt dabei mit diesen in Kontakt. Folglich kann eine Wärmeübertragung zwischen dem elastokalorischen Element 5 und dem Magnetanker 4 auch über das Gleitlager 45 stattfinden.
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Innerhalb des Magnetankers 4 sind Pfade aus hochwärmeleitfähigem Material (nicht gesondert dargestellt) vorgesehen, durch die die Wärmeübertragung sowohl innerhalb des Magnetankers 4 als auch von bzw. zu Komponenten, die mit dem Magnetanker 4 thermisch verbundenen sind, wie dem elastokalorischen Element 5 und/oder wie weiter unten beschrieben die Wärmequelle 1 bzw. die Wärmesenke 2, erhöht wird. Das hochwärmeleitfähige Material ist z. B. Kupfer, Graphit oder Graphen und unterscheidet sich von dem umgebenden magnetischen Material, insbesondere da es nicht weichmagnetisch ist.
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Im durch den Magnetanker 4 eingespannten Zustand ist das elastokalorische Element 5 mit dem zweiten Ende 52 an der Wärmequelle 1 fixiert, verläuft in seinem Kern 53 durch den Magnetanker 4 und ist mit dem ersten Ende 51 an der Oberfläche 41 auf der anderen Seite des Magnetankers 4 fixiert. Aufgrund des eingespannten Zustands und der Dicke d des Magnetankers 4 ist das elastokalorischen Element 5 bereits vorgedehnt und im Ausgangszustand ist die Ausgangslänge L0 des Kerns 53 des elastokalorischen Elements 5 größer als eine entspannte Länge des elastokalorischen Elements 5 in einem entspannten Zustand, in dem es nicht befestigt ist. Das heißt, durch den eingespannten Zustand wird eine mechanische Vorspannung σvor auf das elastokalorische Element 5 ausgeübt und das elastokalorische Element 5 im Vergleich zum entspannten Zustand vorverformt. Der Wert der Vorspannung σvor hängt von der Dicke d des Magnetankers 4 ab und dessen Wahl wird in Zusammenhang mit 2 näher erläutert.
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1b zeigt eine schematische Schnittdarstellung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch in einem ausgelenkten Zustand. Gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und auf deren erneute Beschreibung wird verzichtet. Im ausgelenkten Zustand ist die Magnetspule 31 bestromt und übt eine Kraft F auf den Magnetanker 4 aus, durch den dieser zum Magneten 3 hin gezogen wird und an diesem anschlägt. Somit liegt der Magnetanker 4 am Magneten 3 an und steht mit dem Magnettopf 32 und darüber mit der Wärmesenke 2 in thermischen Kontakt. Gleichzeitig entsteht ein Abstand zwischen dem Magnetanker 4 und der Wärmequelle 1, sodass dazwischen kein thermischer Kontakt mehr besteht. Durch die Bewegung des Magnetankers 4 und den eingespannten Zustand des elastokalorischen Elements 5 mit dem ersten Ende 51 am Magnetanker 4 und mit dem zweiten Ende 52 an der Wärmequelle 1 wird das elastokalorische Element 5 auf eine Länge L gedehnt. Durch die Dehnung wird eine mechanische Spannung σ auf das elastokalorische Element 5 erzeugt. Da bereits im vorstehend beschrieben Ausgangszustand - dargestellt in 1a - die Vorspannung σvor auf das elastokalorische Element 5 wirkt, reicht eine gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise kleine Spannung σ aus, um eine Umwandlungsspannung σU , bei der die Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit stattfindet, zu übersteigen. Demnach kann auch die benötigte Kraft F herabgesetzt werden. Dieser Umstand wird nachfolgend in Zusammenhang mit 2 detailliert erläutert.
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Durch die Phasenumwandlung entsteht im elastokalorischen Element 5 aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärme, die über den Magnetanker 4 und den Magnettopf 32 an die Wärmesenke 2 abgegeben wird. In der Folge kühlt das elastokalorische Element 5 auf Umgebungstemperatur ab. Im Anschluss wird die Magnetspule 31 nicht mehr bestromt und der Magnetanker 4 bewegt sich in seine Ausgangsposition zurück. Hierfür ist eine zusätzliche mechanische Feder vorgesehen, die aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt ist. Folglich fällt die mechanische Spannung σ unterhalb der Umwandlungsspannung σU und es erfolgt eine Rückumwandlung im elastokalorischen Element 5 von Martensit zu Austenit. Bei der Rückumwandlung kühlt das elastokalorische Element 5 aufgrund des elastokalorischen Effekts weiter ab und seine Temperatur fällt unter die Umgebungstemperatur. Schließlich wird der Ausgangszustand aus 1a erreicht, bei dem der Magnetanker 4 an der Wärmequelle 1 anliegt. Nun wird Wärme von der Wärmequelle 1 an das elastokalorische Element 5 übertragen, bis dieses wieder Umgebungstemperatur erreicht hat, wodurch die Wärmequelle 1 und die damit verbundene Komponente abkühlt. Im Anschluss wird die Magnetspule 31 wieder bestromt, sodass die Vorrichtung wieder in den ausgelenkten Zustand übergeht, und der Ablauf wiederholt sich.
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2 zeigt ein Diagramm der mechanischen Spannung σ über der Dehnung ε des elastokalorischen Elements 5. Die Dehnung ε kann als Quotient aus der Länge L im ausgelenkten Zustand und der Ausgangslänge L0 im Ausgangszustand berechnet werden. Es ist der Spannungsverlauf 10 für die Phasenumwandlung von Austenit A zu Martensit M sowie der Spannungsverlauf 11 für die Rückumwandlung von Martensit M zu Austenit A dargestellt. Die beiden Spannungsverläufe 10, 11 bilden dabei eine Hysterese. Im Diagramm ist die Umwandlungsspannung σU , die erreicht werden muss, damit die Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit stattfindet, eingetragen. Die Umwandlungsspannung σU ist abhängig vom elastokalorischen Material und der Ausgestaltung des elastokalorischen Elements 5 und liegt in diesem Ausführungsbeispiel bei 400 MPa. Gemäß dem Stand der Technik müsste das elastokalorische Element 5 mit einer vom Magneten 3 auszubringenden mechanischen Spannung σ von gerade diesen 400 MPa beaufschlagt werden, bevor die Phasenumwandlung stattfindet. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, das elastokalorische Element 5 bereits mit einer Vorspannung σvor zu beaufschlagen, indem es durch den Magnetanker 4 eingespannt wird. Damit dennoch die Phasenumwandlung gesteuert ausgelöst werden kann, liegt der Wert der Vorspannung σvor unterhalb der Umwandlungsspannung σU . Um sicherzustellen, dass eine Rückumwandlung stattfindet wird die Vorspannung σvor hierbei so gewählt, dass sie direkt unterhalb des unteren Punkts 12 der Hysterese, an dem sich die beiden Spannungsverläufe 10 und 11 wieder treffen, liegt. Dieser Wert liegt in diesem Ausführungsbeispiel bei 250 MPa. Aufgrund der Vorspannung σvor , die durch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch ständig auf das elastokalorische Element 5 wirkt, wird das elastokalorische Element 5 mit einer zusätzlichen, vom Magneten 3 aufgebrachten mechanischen Spannung σ von lediglich 150 MPa beaufschlagt, um die Umwandlungsspannung σU zu erreichen. Die gewünschte Vorspannung σvor wird durch die Ausgangslänge L0 abhängig vom verwendeten elastokalorischen Material bestimmt, welche wiederum bei dem in 1 gezeigten Aufbau der Vorrichtung zum Wärmetausch von der Dicke d des Magnetankers 4 abhängt. Dadurch wird die Effizienz des Wärmetausch-Prozesses erhöht und eine höhere Frequenz des Magnetankers 4 erreicht, was zu einer höheren Kühlleistung der Vorrichtung zum Wärmetausch führt. Darüber hinaus wird die Baugröße verringert.
