DE102019113696A1

DE102019113696A1 - Festkörperbasierter Energiewandler, Heiz/Kühlvorrichtung mit einem solchen Energiewandler sowie Verfahren zum Betreiben einer Heiz/Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102019113696A1
Application number: DE102019113696.2A
Authority: DE
Inventors: Susanne-Marie Kirsch; Felix Welsch; Stefan Seelecke
Original assignee: Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Universitaet des Saarlandes
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2020-11-26
Also published as: WO2020234235A1; CN114144626A; CN114144626B; EP3973181A1; US20220228575A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermoelastischen Energiewandler (1), insbesondere zum Einsatz in einer thermoelastischen Heiz/Kühlvorrichtung oder in einem Wärme-Kraft-Kopplungssystem, umfassend:- eine Anordnung mit mehreren Wandlereinrichtungen (3a, 3b), wobei jede der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) in einer Erstreckungsrichtung angeordnete ein oder mehrere thermoelastische Elemente (4) aufweist;- eine Beaufschlagungseinrichtung, um die thermoelastischen Elemente (4) jeder der mehreren Wandlereinrichtungen (3a, 3b) mit einem zeitlich variablen Kraftverlauf zu belasten,- eine Kopplung, die ausgebildet ist, so dass die Beaufschlagungseinrichtung die Wandlereinrichtungen (3a, 3b) bezüglich ihrer zyklischen Be- und Entlastung phasenversetzt ansteuert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft festkörperbasierte Energiewandler sowie Heiz/Kühlvorrichtungen mit solchen Energiewandlern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Konfiguration eines solchen Energiewandlers.
Technischer Hintergrund
Festkörperbasierte Energiewandler nutzen in der Regel kalorische Effekte in ferroischen Materialien, um reversibel mechanische Energie in eine Temperaturänderung umzuwandeln. Die Nutzung eines solchen Energiewandlers als Wärmetauscher in Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen ermöglicht aufgrund des reduzierten mechanischen Aufwands eine verbesserte Effizienz im Vergleich zu Kompressionskältemaschinen und stellt dadurch eine umweltfreundliche Technologie dar.
Ein aktives Element eines solchen Energiewandlers besteht in der Regel aus einem thermoelastischen Material, insbesondere einer Formgedächtnislegierung, in dem durch Einwirkung mechanischer Energie eine Umwandlung der Mikrostruktur erzwungen wird. Solche Materialien werden als thermoelastische, elastokalorische oder mechanokalorische Materialien bezeichnet. Insbesondere können solche Materialien durch Belastung mit einer Zug-, Druck-, Biege-, Torsions- oder Scherbelastung latente Wärme abgegeben oder im Falle einer Entlastung Umgebungswärme aufnehmen. Die resultierenden Temperaturänderungen können so zum Kühlen bzw. Erwärmen eines umgebenden Mediums genutzt werden.
Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2016 118 776 A1 ein thermoelastischer Energiewandler zum Einsatz in einem Energiewandlersystem vorgesehen, bei dem thermoelastische Elemente in einer zylindrischen Anordnung geführt sind, so dass bei einer synchronen Rotation der thermoelastischen Elemente eine Längenänderung der thermoelastischen Elemente bewirkt wird, so dass eine zyklische elastische Verformung und Entspannung mindestens eines thermoelastischen Elements erreicht wird, wobei Wärme abgegeben bzw. aufgenommen wird.
Aufgrund der zylindrischen Anordnung ist jedoch die Leistungsdichte einer solchen Anordnung beschränkt und verschlechtert sich mit höheren Heiz- bzw. Kühlleistungen, d. h. mit einer größeren Querschnittsfläche der thermoelastischen Elemente bzw. größeren Zylinderdurchmessern.
Die Druckschrift WO 2017/097989 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb kreisprozessbasierter Systeme mit einem Heißseitenreservoir und einem Kaltseitenreservoir für ein Fluid und zumindest einer Wärmeübertragereinheit mit mechanokalorischem Material, wobei das mechanokalorische Material der Wärmeübertragereinheit in Wirkverbindung mit dem Fluid angeordnet ist, sodass ein Wärmeübertrag zwischen mechanokalorischem Material und Fluid stattfindet, wobei der Wärmeübertrag zwischen mechanokalorischem Material und Fluid im Wesentlichen mittels latenten Wärmeübertrags erfolgt. Eine Formänderung des mechanokalorischen Materials wird durch eine mechanische Spannung in dem mechanokalorischen Material erzeugt, so dass eine Temperaturänderung des mechanokalorischen Materials erzeugt wird. Die in der Kompression des mechanokalorischen Materials einer ersten Wärmeübertragereinheit enthaltene potenzielle Energie aus der elastischen Verformung des mechanokalorischen Materials kann zur Kompression des mechanokalorischen Materials einer zweiten Wärmeübertragereinheit verwendet werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Energiewandler zur Verfügung zu stellen, der eine hohe Leistungsdichte aufweist und in einem hohen Leistungsbereich skalierbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch den thermoelastischen Energiewandler gemäß Anspruch 1 sowie durch die Heiz- und/oder Kühlvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein thermoelastischer Energiewandler, insbesondere zum Einsatz in einer thermoelastischen Heiz/Kühlvorrichtung oder in einem Wärme-Kraft-Kopplungssystem, vorgesehen, umfassend:

- eine Anordnung mit mehreren Wandlereinrichtungen, wobei jede der Wandlereinrichtungen in einer Erstreckungsrichtung angeordnete ein oder mehrere thermoelastische Elemente aufweist;
- eine Beaufschlagungseinrichtung, um die thermoelastischen Elemente jeder der mehreren Wandlereinrichtungen mit einem zeitlich variablen Kraftverlauf zu belasten,
- eine Kopplung, die ausgebildet ist, so dass die Beaufschlagungseinrichtung die Wandlereinrichtungen bezüglich ihrer zyklischen Be- und Entlastung phasenversetzt ansteuert.

Die Kopplung kann realisiert sein:

- mit einem Wandlerantrieb, der ausgebildet ist, um die Beaufschlagungseinrichtung so anzusteuern, dass die Wandlereinrichtungen phasenversetzt angesteuert werden, dass die thermoelastischen Elemente der jeweiligen Wandlereinrichtungen zyklisch be- und entlastet werden und sich dadurch jeweils zyklisch erwärmen bzw. abkühlen; oder
- mit einer Kraftauskopplung, die ausgebildet ist, um mechanische Energie, die der Beaufschlagungseinrichtung von den Wandlereinrichtungen zugeführt wird, aus dem Energiewandler auszukoppeln.

Weiterhin können die thermoelastischen Elemente innerhalb einer oder mehrerer der Wandlereinrichtungen jeweils parallel zueinander in einem Rahmen angeordnet sein, so dass die Wandlereinrichtungen eine oder mehrere im Wesentlichen plane Wärmetauscherebenen bilden, die insbesondere vollständig innerhalb des Rahmens aufgenommen sind.
Weiterhin können die mehreren Wandlereinrichtungen mindestens eine im wesentlichen plane Wärmetauscherebene mit jeweils mehreren Wandlereinrichtungen bilden, wobei die Wandlereinrichtungen einer Wärmertauscherebene insbesondere vollständig innerhalb eines gemeinsamen Rahmens aufgenommen sind.
Eine Idee des obigen Energiewandlers besteht darin, thermoelastische Elemente von mehreren Wandlereinrichtungen wechselseitig durch eine gemeinsame Kopplung zu be- und entlasten, so dass eine wechselseitige Wärmefreisetzung und Wärmeaufnahme in den Wandlereinrichtungen erfolgt. Die Wandlereinrichtungen weisen jeweils eine flächige Anordnung der thermoelastischen Elemente auf, so dass eine Medienzuführung und Medienabführung beidseitig in einfacher Weise ohne wesentlichen konstruktiven Aufwand erfolgen kann. Insbesondere ist dadurch eine Medienführung entlang oder quer zu den thermoelastischen Elementen so möglich, dass eine Wärmeübertragung über einen Großteil der Oberfläche der thermoelastischen Elemente möglich ist und eine entsprechende verbesserte Wärmetauschcharakteristik erreicht wird. Durch die flächige Anordnung der Wandlereinrichtungen ist eine Kaskadierung durch einfaches Stapeln der Energiewandler möglich.
Die Be- und Entlastung erfolgt durch eine direkte oder indirekte mechanische Kopplung der thermoelastischen Elemente, so dass bei einer Entlastung der thermoelastischen Elemente einer der Wandlereinrichtungen zumindest ein Teil der dadurch frei werdenden mechanischen Energie zur Belastung der thermoelastischen Elemente einer entsprechend anderen der Wandlereinrichtungen verwendet werden kann. Durch die Kopplung der thermoelastischen Elemente ist es möglich, diese so anzusteuern, so dass der konstruktive Aufwand minimal ist und der Bauraum effizient genutzt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Beaufschlagungseinrichtung einen in dem Rahmen beweglich angeordneten gemeinsamen Schlitten aufweisen, der mit einem der Enden der thermoelastischen Elemente verbunden ist, so dass bei einer zyklischen translatorischen Bewegung des gemeinsamen Schlittens in Erstreckungsrichtung eine wechselseitige zyklische Be- und Entlastung der thermoelastischen Elemente der Wandlereinrichtungen erreicht wird oder so dass bei einer thermischen Beaufschlagung der thermoelastischen Elemente der Wandlereinrichtungen eine zyklische translatorische Bewegung des gemeinsamen Schlittens in Erstreckungsrichtung erreicht wird.
So kann eine direkte Kopplung der beiden Wandlereinrichtungen über einen gemeinsamen hin- und her bewegbaren Schlitten erfolgen. Durch die Hin- und Her-Bewegung des Schlittens wird eine Zugkraft auf die thermoelastischen Elemente einer der Wandlereinrichtungen ausgeübt, während die thermoelastischen Elemente der entsprechend anderen Wandlereinrichtung entlastet werden und umgekehrt. Die Nutzung des gemeinsamen Schlittens führt zu einer integrierten Energierückgewinnung von mechanischer Verspannungsenergie bei einer zyklischen Hin- und Herbewegung und damit zu einer verbesserten Leistungszahl. Weiterhin wird ein im Wesentlichen zeitgleicher Wandlerbetrieb beider Wandlereinrichtungen in alternierender Weise unter bestmöglicher Nutzung der Hubbewegung des Schlittens erreicht. Zudem ist durch die Verwendung des Schlittens der maximale Hub in der Regel nicht durch geometrische Gegebenheiten beschränkt.
Weiterhin kann der Wandlerantrieb ausgebildet sein, um den gemeinsamen Schlitten zyklisch gemäß einem vorgegebenen Bewegungsprofil zu bewegen, wobei insbesondere das Bewegungsprofil ausgebildet ist, um während des zyklischen Betriebs Belastungsphasen zur Belastung einer der Wandlereinrichtungen und Haltephasen, in der im Wesentlichen keine Bewegung des Schlittens erfolgt, vorzusehen und/oder während des zyklischen Betriebs Belastungsphasen zur Belastung der Wandlereinrichtungen und Entlastungsphasen zur Entlastung der Wandlereinrichtungen vorzusehen, wobei die Belastungsphasen und die Entlastungsphasen der mehreren Wandlereinrichtungen unterschiedliche Kraftverläufe oder Dehnungsverläufe aufweisen können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Beaufschlagungseinrichtung für jede der Wandlereinrichtungen einen in dem Rahmen beweglich angeordneten Schlitten umfassen, wobei jeder der Schlitten mit den jeweiligen thermoelastischen Elementen der zugeordneten Wandlereinrichtung verbunden ist, so dass bei einem jeweiligen Bewegungsprofil mit einer zyklischen translatorischen Bewegung der Schlitten in Erstreckungsrichtung die zyklische Be- und Entlastung der thermoelastischen Elemente erreicht wird oder so dass bei einer thermischen Beaufschlagung der thermoelastischen Elemente der Wandlereinrichtungen eine zyklische translatorische Bewegung des jeweiligen Schlittens in Erstreckungsrichtung erreicht wird.
Eine indirekte Kopplung kann so über den Wandlerantrieb, der keine oder nur eine geringe Selbsthemmung aufweist, erfolgen, so dass eine über eine der Wandlereinrichtungen bei einer Entlastung einwirkenden mechanischen Energie einer der anderen Wandlereinrichtungen zu dessen mechanischer Belastung zugeführt werden kann. Eine solche Anordnung benötigt keinen gemeinsamen Schlitten, so dass separate Bewegungsprofile der Hin- und Her-Bewegung möglich sind. Die Bewegungsprofile der jeweiligen Schlitten können somit in thermodynamisch optimierter Weise geformt werden.
Insbesondere können die Schlitten mechanisch gekoppelt sein, um eine bei einer Entlastung einer der Wandlereinrichtungen freiwerdende mechanische Energie zumindest teilweise zur Belastung einer anderen der Wandlereinrichtungen zu nutzen.
Insbesondere kann der Wandlerantrieb mit den Schlitten gekoppelt sein, um diese gemäß dem jeweiligen insbesondere nicht sinusförmigen Bewegungsprofil anzutreiben, wobei insbesondere die zyklischen Bewegungsprofile jeweils eine Belastungsphase zur Belastung der betreffenden Wandlereinrichtung, eine Haltephase, in der keine Bewegung des betreffenden Schlittens erfolgt, und eine Entlastungsphase zur Entlastung der betreffenden Wandlereinrichtung vorsehen.
Weiterhin können die Belastungsphase und die Entlastungsphase jeweils abschnittsweise lineare oder sonstige monotone Verläufe der Belastung und/oder Entlastung oder einer Bewegung der Schlitten aufweisen, wobei die linearen Verläufe insbesondere unterschiedliche Gradienten bzw. die sonstigen monotonen Verläufe der Belastung und/oder Entlastung oder der Bewegung der Schlitten unterschiedliche Gradientenverläufe aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Wandlerantrieb mindestens eine Nockenscheibe mit einem jeweiligen Nockenwagen aufweisen, der mit dem entsprechenden Schlitten gekoppelt ist, wobei die Nockenscheibe mit dem Nockenwagen in Eingriff ist, so dass durch die Kulisse der Nockenscheibe eine Bewegung des betreffenden Schlittens zur Belastung und Entlastung der thermoelastischen Elemente der betreffenden Wandlereinrichtung insbesondere in Erstreckungsrichtung bewirkt wird. So kann das Kulissenprofil des Wandlerantriebs für eine kühl- und/oder heizleistungsoptimierte Be- und Entlastung der thermoelastischen Elemente der Wandlereinrichtungen angepasst werden, um eine hohe thermodynamische Effizienz (Leistungszahl) der Kühl/Heizvorrichtung zu erreichen.
Auf diese Weise kann der Wandlerantrieb mit den Schlitten gekoppelt sein, um diese gemäß einem Bewegungsprofil anzutreiben, wobei die zyklischen Bewegungsprofile jeweils eine Belastungsphase zur Belastung der betreffenden Wandlereinrichtung, eine Haltephase, in der im Wesentlichen keine Bewegung des betreffenden Schlittens erfolgt, und eine Entlastungsphase zur Entlastung der betreffenden Wandlereinrichtung aufweisen, wobei insbesondere die Belastungsphase und die Entlastungsphase jeweils unterschiedliche Gradienten der Bewegung des Schlittens aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kraftauskopplung mindestens eine Nockenscheibe mit einem jeweiligen Nockenwagen aufweisen, der mit dem entsprechenden Schlitten gekoppelt ist, wobei die Nockenscheibe mit dem Nockenwagen in Eingriff ist, so dass aufgrund einer Temperaturbeaufschlagung der thermoelastischen Elemente der betreffenden Wandlereinrichtung eine Bewegung des betreffenden Schlittens und durch eine Kulisse der Nockenscheibe eine Rotation der Nockenscheibe bewirkt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Schlitten durch einen Nockenantrieb angetrieben, der eine optimierte Anpassung des Bewegungsprofils des Schlittens erlaubt. Insbesondere kann der Schlitten somit in thermodynamisch optimierter Weise geführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Energiewandlersystem vorgesehen, insbesondere ein Heiz/Kühlsystem, umfassend:

- eine Anordnung aus mindestens einem der obigen Energiewandler;
- eine oder mehrere Medienzuführungen zum Zuführen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere von Luft oder Wasser, zu der Anordnung und eine oder mehrere Medienabführungen zum Abführen des Mediums aus der Anordnung,
- eine Medienpfadschalteinrichtung, die so ausgebildet ist, um das Medium durch eine oder mehrere der Wandlereinrichtungen wahlweise entlang eines ersten oder eines zweiten Medienpfads zu leiten, um gekühltes oder erwärmtes Medium zu separieren;

Insbesondere kann die Kopplung ausgebildet sein, um beim Betrieb von mehreren Energiewandlern die zyklische Be- und Entlastung bei Durchströmung entlang des ersten oder des zweiten Medienpfads zeitlich zueinander versetzt bezüglich der Strömungsrichtung des Mediums durch den jeweiligen Medienpfad durchzuführen.
Weiterhin kann die Medienpfadschalteinrichtung mit mindestens einem Mediensteuerelement vorgesehen sein, um zwischen dem ersten Medienpfad und dem zweiten Medienpfad zu schalten.
Es kann vorgesehen sein, dass die Medienpfadschalteinrichtung mit mindestens einer ersten Medienzuführung und einer ersten Medienabführung zur Steuerung des ersten Medienpfades und mit mindestens einer zweiten Medienzuführung und einer zweiten Medienabführung zur Steuerung des zweiten Medienpfades ausgebildet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Medienzuführung und die erste Medienabführung sowie die zweite Medienzuführung und die zweite Medienabführung auf verschiedenen Seiten der Energiewandleranordnung angeordnet sind, wobei insbesondere die erste Medienzuführung, die erste Medienabführung, die zweite Medienzuführung und/oder die zweite Medienabführung an einem Rahmenteil der Wandlereinrichtungen oder in einer Abdeckung an dessen Flächenseite vorgesehen sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Energiewandleranordnung mehrere aneinander angrenzende Energiewandler aufweisen, so dass der erste und der zweite Medienpfad jeweils durch zwei zueinander benachbarte Wandlereinrichtungen von Energiewandlern verläuft, wobei die Medienzuführungen und/oder die Medienabführungen an Flächenseiten der Energiewandleranordnung oder jeweils in einem Rahmen der Wandlereinrichtungen der Energiewandler angeordnet sind. Dadurch wird eine hohe Skalierbarkeit gewährleistet, da eine beliebige Anzahl von Energiewandler in einer Anordnung kombiniert werden können.
Weiterhin kann die mindestens eine Medienzuführung und/oder die mindestens eine Medienabführung einen rechteckigen, runden, ovalen oder dreieckigen Öffnungsquerschnitt aufweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste und oder der zweite Medienpfad längs der Erstreckungsrichtung der thermoelastischen Elemente, quer zu der Erstreckungsrichtung und in der Anordnungsebene der thermoelastischen Elementen oder quer zu der Erstreckungsrichtung und quer zur Anordnungsebene der thermoelastischen Elementen ausgebildet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines thermoelastischen Energiewandlers, insbesondere zum Einsatz in einer thermoelastischen Heiz/Kühlvorrichtung oder in einem Wärme-Kraft-Kopplungssystem, vorgesehen, wobei der thermoelastische Energiewandler eine Anordnung mit mehreren Wandlereinrichtungen umfasst, wobei jede der Wandlereinrichtungen in einer Erstreckungsrichtung angeordnete ein oder mehrere thermoelastische Elemente aufweist, wobei die thermoelastischen Elemente jeder der mehreren Wandlereinrichtungen mit einem zeitlich variablen Kraftverlauf belastet werden, wobei die Wandlereinrichtungen bezüglich ihrer zyklischen Be- und Entlastung phasenversetzt angesteuert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlersystem, insbesondere ein Heiz/Kühlsystem, vorgesehen, wobei das Energiewandlersystem eine Anordnung aus mindestens einem der obigen Energiewandler, eine oder mehrere Medienzuführungen zum Zuführen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere von Luft oder Wasser, zu der Anordnung und eine oder mehrere Medienabführungen zum Abführen des Mediums aus der Anordnung, und eine Medienpfadschalteinrichtung aufweist, die so ausgebildet ist, um das Medium durch eine oder mehrere der Wandlereinrichtungen wahlweise entlang eines ersten oder eines zweiten Medienpfads zu leiten, um gekühltes oder erwärmtes Medium zu separieren, wobei der mindestens eine Energiewandler synchron zu einem Umschalten zwischen einer Medienführung über den ersten und den zweiten Medienpfad betrieben wird, so dass das Medium zur Aufnahme von Wärme von den thermoelastischen Elementen und zur Abgabe von Wärme an die thermoelastische Elemente über den ersten bzw. den zweiten Medienpfad durch die Anordnung geführt wird.
Weiterhin kann beim Betrieb von mehreren Energiewandlern die zyklische Be- und Entlastung bei Durchströmung entlang des ersten oder des zweiten Medienpfads zeitlich zueinander versetzt bezüglich der Strömungsrichtung des Mediums durch den jeweiligen Medienpfad durchgeführt werden.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a und 1b schematische Darstellungen eines Energiewandlers mit einem gemeinsamen Schlitten gemäß einer ersten Ausführungsform;
2a und 2b verschiedene schematische Ansichten eines Wandlerantriebs für den Energiewandler nach 1;
3a und 3b schematische Darstellungen von Kreisprozessen zur Wärme- und Kältegenerierung durch einen Phasenübergang anhand eines diskontinuierlichen Prozesses bzw. eines Prozesses einer Wärme-Kraft-Kopplung;
4 beispielhaft zeitliche Verläufe einer Kraftbeaufschlagung des Schlittens für eine thermodynamisch optimierte Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme sowie das resultierende Temperaturprofil;
5a und 5b schematische Darstellungen eines Energiewandlers mit separaten Schlitten gemäß einer zweiten Ausführungsform;
6a und 6b verschiedene schematische Ansichten eines Wandlerantriebs für den Energiewandler nach 5;
7 beispielhaft zeitliche Verläufe einer Kraftbeaufschlagung des Schlittens für eine thermodynamisch optimierte Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme sowie das resultierende Temperaturprofil für den Energiewandler der 5;
8 eine schematische Darstellung einer Heiz-/Kühlanordnung mit mehreren schaltbaren Medienpfaden;
9 eine schematische Darstellung einer Heiz-/Kühlanordnung mit wechselweise öffenbaren und schließbaren Medienzuführungen und Medienabführungen zur Leitung eines Mediums durch die Wandlereinrichtungen des Energiewandlers;
10 eine schematische Darstellung der Heiz-/Kühlanordnung der 9 mit Medienführungsanordnungen;
11a und11b Darstellungen einer mechanischen Kopplung der Stellbewegung einer beweglichen Schiebeblende durch den Wandlerantrieb; und
12 a bis 12c zeigen verschiedene Ausführungsformen für die Querschnitte von Medienführungsöffnungen;
13 eine schematische Darstellung eines Energiewandlers mit zwischen den thermoelastischen Elementen angeordneten Trennwänden, und
14 eine schematische Darstellung einer Heiz-/Kühlanordnung mit mehreren schaltbaren Medienpfaden;
15 eine Anordnung aus gestapelten Energiewandlern zur Kaskadierung der Wandlereinrichtungen.

Beschreibung von Ausführungsformen
1a und 1b zeigen perspektivische Darstellungen eines Energiewandlers 1, der in einer Rahmenstruktur eines umgebenden Rahmens 2 angeordnete Wandlereinrichtungen 3a, 3b aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Wandlereinrichtungen 3a, 3b in dem gemeinsamen Rahmen 2 vorgesehen, es können jedoch auch mehr als zwei Wandlereinrichtungen 3a, 3b innerhalb eines gemeinsamen Rahmens 2 vorgesehen werden.
Die Wandlereinrichtungen 3a, 3b sind jeweils mit einer Anzahl von thermoelastischen Elementen 4 ausgebildet, die sich in einer Erstreckungsrichtung E von einer Rahmenseite 2a, 2b des Rahmens 2 zu einem translatorisch in die Erstreckungsrichtung E beweglichen Schlitten 5 erstrecken. Der Schlitten 5 ist zwischen weiteren einander gegenüberliegenden Rahmenseiten 2c, 2d geführt gehalten und dient als Beaufschlagungseinrichtung zum Belasten der thermoelastischen Elemente jeder der mehreren Wandlereinrichtungen 3a, 3b mit einem zeitlich variablen Kraftverlauf.
Wie in 1a dargestellt ist der Schlitten 5 in einem Stegteil 7 geführt gehalten. Das Stegteil 7 dient dazu, die Wandlereinrichtungen 3a, 3b voneinander zu trennen, so dass ein Austausch eines Mediums zwischen den Wandlereinrichtungen 3a, 3b unterbunden wird. Vorzugsweise dichtet das Stegteil 7 die Wandlereinrichtungen 3a, 3b gegeneinander ab. Das Stegteil 7 ist in dem Rahmen zwischen den Rahmenseiten 2c, 2d angeordnet und kann vorzugsweise die gleiche Dicke wie die Rahmenseiten 2c, 2d aufweisen.
In den 2a und 2b ist ein Wandlerantrieb 10 dargestellt, der zum Bewegen des Schlittens 5 verwendet werden kann. Der Schlitten 5 wird jeweils von einem Nockenwagen 12 des Wandlerantriebs 10 an seinen zwei gegenüberliegenden Enden gehalten und durch diesen bewegt.
Die thermoelastischen Elemente 4 sind dazu mit ihren Enden so über entsprechende Halteelemente 6 an dem Rahmen 2, 2a, 2b und dem Schlitten 5 befestigt, dass diese durch eine translatorische Bewegung des Schlittens auf Zug und gegebenenfalls auf Druck belastet werden können. Durch die Halteelemente 6 kann eine einfache Austauschbarkeit der thermoelastischen Elemente 4 gewährleistet werden.
Beispielsweise können die entsprechenden Enden der thermoelastischen Elemente 4 mit Schwalbenschwanzkupplungen versehen sein, die in korrespondierende Schwalbenschwanzkupplungen der Halteelemente 6 eingesetzt werden können. Die Halteelemente 6 können an dem Rahmen 2 und/oder an dem Schlitten 5 durch eine längenverstellbare Verbindung, wie z.B. Gewindestangen/Mutter-Verbindungen befestigt sein, so dass durch Variieren der längenverstellbaren Verbindung, wie z.B. ein Anziehen der Mutter, den thermoelastischen Elementen 4 eine Vorspannung aufgeprägt werden kann.
Die thermoelastischen Elemente 4 können parallel zueinander in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sein insbesondere mit einer Anordnungsrichtung entlang der Rahmenseiten 2a, 2b, so dass die gesamte Anordnung der thermoelastischen Elemente 4 in der Ebene des Rahmen 2 aufgenommen ist, ohne dass ein Überstand über die Ebene des Rahmens 2 entsteht.
Das thermoelastische Material der thermoelastischen Elemente 4 kann eine Formgedächtnislegierung, wie z.B. Nickel-Titan enthalten und so durch einen Phasenübergang, d.h. eine Umwandlung der Gitterstruktur, bei elastischer Verspannung oder Entspannung, latente Wärme freisetzen oder aufnehmen. Üblicherweise wandelt sich bei Formgedächtnislegierungen, die unter Krafteinwirkung einer mechanischen Verformung ausgesetzt werden, eine austenitische Materialstruktur in eine martensitische Materialstruktur um und gibt dabei Wärme ab. Wird das Material entlastet, so nimmt dieses aufgrund der elastischen Verformung die ursprüngliche Form wieder ein, wobei sich die martensitische Materialstruktur in eine austenitische Materialstruktur zurückwandelt und dabei Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Auch andere Materialien, die eine entsprechende reversible thermische Veränderung in Reaktion auf ein angelegtes mechanisches Spannungsfeld zeigen, können für hierin für die thermoelastischen Elemente 4 verwendet werden.
Wie in den 2a und 2b anhand von zwei Ansichten näher dargestellt, kann der Wandlerantrieb 10 mithilfe einer rotierbaren Nockenscheibe 11 ausgebildet sein, die ein Kulissenprofil aufweist und in Eingriff mit den an dem Schlitten 5 angebrachten Nockenwägen 12 ist. Die Nockenwägen 12 sind beidseitig des Schlittens 5 angeordnet und gabelförmig mit Zinken 12a ausgebildet. Die Zinken 12a sind vorzugsweise mit Rollen 13 versehen, die die Nockenscheibe 11 einschließen, so dass die Nockenwägen 12 dem Kulissenprofil der Nockenscheiben 11 folgen und dadurch den betreffenden Schlitten 5 bewegen.
Die jeweilige Nockenscheibe 11 ist an einer Antriebswelle 15 angeordnet, die durch eine Antriebseinheit 16, wie z.B. einen Elektroantrieb oder dergleichen, für eine Rotation angetrieben wird. Die Kopplung der Wandlereinrichtungen 3a, 3b erfolgt über die Nockenscheiben 11 und die Nockenwägen 12.
Die Vorrichtung kann generell für die Wärme- und Kältegenerierung oder für eine Wärme-Kraft-Kopplung zur Umwandlung von thermischen Potenzialunterschieden in mechanische Energie verwendet werden.
3a und 3b zeigen einen adiabatischen Kreisprozess für die Wärme- und Kältegenerierung bzw. einen adiabatischen Kreisprozess für eine Wärme-Kraft-Kopplung.
In 3a ist ein adiabatischer Kreisprozess für die Wärme- und Kältegenerierung durch einen Phasenübergang eines Formgedächtnismaterials in einem diskontinuierlichen Prozess dargestellt. Ausgehend von einer Phase P1, in der das Formgedächtnismaterial eine Temperatur T1 hat, wird bei einer adiabatischen elastischen Verformung des Formgedächtnismaterials (die elastische Spannung ε nimmt zu) latente Wärme frei, so dass sich das Formgedächtnismaterial auf eine Temperatur T2 erwärmt. In einer Phase P2 wird bei gleichbleibender Deformation die freigewordene Wärme über eine Wärmesenke abgeleitet, so dass die Temperatur des Formgedächtnismaterials auf eine Temperatur T3 abnimmt. In einer Phase P3 wird das thermoelastische Material wieder adiabatisch entspannt (ε nimmt ab) und nimmt dabei latente Wärme auf, so dass dessen Temperatur abnimmt und nach dem Entspannungsprozess eine Temperatur T4 erreicht wird, wie in der Phase P4 verdeutlicht ist. Durch Aufnahme von Wärme von einer Wärmequelle wird die Temperatur des Formgedächtnismaterials wieder auf die Ausgangstemperatur T1 für den Prozess der Phase P1 erhöht.
In 3b ist ein adiabatischer Kreisprozess für eine Wärme-Kraft-Kopplung durch einen Phasenübergang eines Formgedächtnismaterials in einem diskontinuierlichen Prozess dargestellt. Ausgehend von einer Phase K1, in der das Formgedächnismaterial von einer Temperatur T1 auf eine Temperatur T2 in langer Konfiguration, gleichbleibender Dehnung ε₂ , aufgeheizt wird, findet eine Anspannung des Formgedächtnismaterials statt. In einer Phase K2 transformiert das Formgedächnismaterial von Martensit (lang) zu Austenit (kurz) mit Dehnungsänderung ε₁ zu ε₂ und übt eine mechanische Kraft auf die Wandlereinrichtung aus. In Phase K3 kühlt das Material von T2 in kurzer Konfiguration ε₁ auf T1 ab und transformiert vom Austenit in den Martensit. In K4 wird das Material bei gleichbleibender Temperatur T1 von ε₁ zu ε₂ durch die Wandlereinrichtung langgezogen. Die benötigte Kraft ist wesentlich geringer als in K2 an die Wandlereinrichtung abgegeben wird.
Im Folgenden werden Ausführungsformen für die Kälte bzw. Wärmegenerierung beschrieben. Die thermoelastischen Elemente 4 der Wandlereinrichtungen 3a, 3b sind vorzugsweise in einer Stellung des Schlittens 5 entspannt bzw. lediglich mit einer jeweils eingestellten Vorspannung belastet. Durch Verschieben des Schlittens 5 in die Erstreckungsrichtung E der thermoelastischen Elemente 4 der Wandlereinrichtungen 3a, 3b können diese wechselseitig belastet und entlastet, insbesondere gedehnt und gestaucht (bzw. entlastet) werden. Der Schlitten 5 wird vorzugsweise in Erstreckungsrichtung E verschoben, um eine Biegebelastung auf die thermoelastischen Elemente 4 zu vermeiden, die zu einer verstärkten Materialermüdung führen kann.
Durch das Ausüben einer Zugkraft auf die thermoelastischen Elemente 4 einer der Wandlereinrichtungen 3a erwärmen sich diese, während das Entlasten der anderen Wandlereinrichtung 3b eine Aufnahme von Wärme aus der Umgebung bewirkt. Mithilfe eines Wandlerantriebs 10 wird der Schlitten 5 gemäß einem vorgegebenen Bewegungsprofil hin- und her bewegt. Das Bewegungsprofil wird durch das Kulissenprofil der Nockenscheibe 11 vorgegeben. Die Hin- und Herbewegung kann sinusförmig sein, jedoch kann die Hin- und Herbewegung gemäß einem nichtsinusförmigen Bewegungsprofil durchgeführt werden, das zu einer thermodynamisch optimierten Wärmeaufnahme und Wärmefreisetzung führt.
4 zeigt beispielhaft ein Profil einer Bewegung bzw. einer Kraftbeaufschlagung K des Schlittens 5 in eine Erstreckungsrichtung E für eine thermodynamisch verbesserte Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme. Man erkennt den Wechsel der Phasen zwischen Be- und Entlastung mit dazwischenliegenden Haltephasen, während denen die Wärmezuführung oder Wärmeabführung, erkennbar an dem korrespondierenden schematisierten Temperaturverlauf T in den beiden Wandlereinrichtungen 3a, 3b, erfolgt. Die Belastung und Entlastung erfolgt aufgrund des gemeinsamen Schlittens 5 wechselseitig.
5a und 5b zeigen eine alternative Ausführungsform des Energiewandlers 1, der im Unterschied zur Ausführungsform der 1a, 1b anstelle eines Schlittens 5 zwei separate, beispielsweise aneinander angeordnete Schlitten 5a, 5b aufweist. Es sind für jeden Schlitten 5a, 5b zwei Nockenwägen 12 vorgesehen, die jeweils beidseitig des jeweils zugeordneten Schlittens 5a, 5b angeordnet sind. Die Schlitten 5a, 5b sind einer jeweiligen der Wandlereinrichtungen 3a, 3b zugeordnet und in Stegteilen 7a, 7b gehalten, die einen Abdichtung der Wandlereinrichtung 3a, 3b gegen ein Austreten des Medium gewährleisten.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Wandlereinrichtungen 3a, 3b gemäß unterschiedlicher Be- und Entlastungsprofile zu betreiben, um somit eine verbesserte Effizienz der Wandlereinrichtungen 3a, 3b zu erreichen. Die Nockenscheiben 11 an beiden Seiten der Schlitten 5a, 5b sind vorzugsweise an einer gemeinsamen Antriebswelle 15 angebracht. Die Anordnung der Nockenscheiben 11 und der jeweils zugeordneten Nockenwägen 12 erfolgt beidseitig des jeweiligen Schlittens 5a, 5b, so dass bei aktiviertem Wandlerantrieb 10 die resultierende Bewegung der Nockenwägen 12 für jeden der Schlitten 5a, 5b zueinander synchronisiert ist.
6a und 6b zeigen im Detail zwei Ansichten des zur Ansteuerung der separaten Schlitten 5a, 5b verwendeten Wandlerantriebs 10. Dieser weist zwei an der Antriebswelle 15 angeordneten Nockenscheiben 11 mit zueinander versetzten Kulissenprofilen auf, so dass ein zyklisches Bewegungsprofil für die beiden Schlitten 5a, 5b und dadurch eine thermodynamisch optimierte Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme für die Wandlereinrichtungen 3a, 3b individuell einstellbar ist.
Durch die Kopplung der Schlitten 5a, 5b über den Nockenantrieb 10 sind die Bewegungen der beiden Schlitten 5a, 5b miteinander gekoppelt, so dass mechanische, aus der elastischen Verformung zurückgewonnene Energie, die durch das Kulissenprofil der Nockenscheibe 11 durch die Entlastung einer der Wandlereinrichtungen 3a, 3b frei wird, als Moment auf die Antriebswelle 15 übertragen wird und so zumindest teilweise zur Belastung der thermoelastischen Elemente 4 der entsprechend anderen Wandlereinrichtung 3a, 3b genutzt werden kann. Die Kopplung der Schlitten 5a, 5b erfolgt über die Nockenwägen 12 und die über die Welle 15 gekoppelten Nockenscheiben 11.
7 zeigt beispielhaft ein mögliches Bewegungsprofil bzw. Belastungsprofil der Wandlereinrichtungen 3a, 3b sowie, schematisiert dargestellt, die resultierende Temperaturänderung. Man erkennt, dass durch die individuelle Ansteuerung der Wandlereinrichtungen 3a, 3b, die Be- und Entlastungsvorgänge mit unterschiedlichen Bewegungsprofilen realisiert werden können. So kann vorgesehen sein, dass eine Bewegung des jeweiligen Schlittens 5a, 5b zur Belastung der thermoelastischen Elemente 4 der betreffenden Wandlereinrichtung 3a, 3b mit einem linearen Verlauf gemäß einem geringeren Gradienten der Belastung oder der Bewegung erfolgt als der lineare Verlauf der Entlastung oder der Bewegung des betreffenden Schlittens 5a, 5b zur Entlastung der thermoelastischen Elemente 4. Auch andere nicht lineare aber monotone Gradientenverläufe sind denkbar.
Es ist thermodynamisch sinnvoll zwischen den Belastungs- und Entlastungsphasen Haltephasen vorzusehen, die einen konstanten Belastungsverlauf oder einen Belastungsverlauf mit einem Gradienten, der betragsmäßig sehr gering ist und im Wesentlichen keinen Beitrag zur Wärme oder Kältegenerierung leistet. Mit anderen Worten soll in den Haltephasen der Belastungsverlauf so reduziert sein, dass die Wärmeabgabe von in der vorangehenden Belastungsphase generierten Wärme oder die Wärmeaufnahme von in der vorangehenden Entlastungsphase ohne zusätzliche kalorische Effekte bewirkt werden. Die Haltephase kann entsprechend kurz sein, wenn die vorangegangene Be- und Entlastung so langsam war, dass die Energie aus den latenten Wärmen von dem Medium direkt ohne nennenswerte Verzögerung abgegeben wird. Dies ist insbesondere für isotherm-adiabate Prozesse vorteilhaft.
Auch können zwischen mehreren Belastungsphasen und/oder zwischen mehreren Entlastungsphasen eine oder mehrere Haltephasen vorgesehen werden. Neben einem linearen Verlauf der Belastung oder der Bewegung während einer Belastungsphase und/oder Entlastungsphase kann diese auch einen anders gearteten Verlauf aufweisen, wobei die Verläufe monoton sein sollten.
In 8 ist schematisch eine Heiz/Kühlvorrichtung 20 dargestellt. Zur Nutzung des Energiewandlers 1 zum Kühlen und/oder Heizen in der Heiz/Kühlvorrichtung 20 kann eine alternierende Medienführung zum Wärmetransport durch die Wandlereinrichtungen 3a, 3b entlang verschiedener Medienpfade S1, S2 vorgesehen werden, um freiwerdende Wärmeenergie einem Medienstrom zu dessen Erwärmung zuzuführen und/oder durch Wärmeaufnahme aus einem Medium dieses zu kühlen. Dazu sind beispielsweise eine erste Medienzuführung 21a zum Zuführen eines zu erwärmenden Mediums, insbesondere von Luft oder Wasser, zu einer Anordnung aus mindestens einem der Energiewandler 1, eine erste Medienabführung 22a zum Abführen des erwärmten Mediums aus der Anordnung, eine zweite Medienzuführung 21b zum Zuführen eines zu erwärmenden Mediums, insbesondere von Luft oder Wasser, aus der Anordnung und eine zweite Medienabführung 22b zum Abführen des erwärmten Mediums aus der Anordnung vorgesehen. In den Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b sind jeweils Mediensteuerelemente 23, wie z.B. Medienklappen bzw. Medienventile, einer Medienpfadschalteinrichtung vorgesehen, die so ausgebildet ist, um das Medium wahlweise entlang eines ersten oder eines zweiten Medienpfads P1, P2 durch die Anordnung zu leiten.
Eine beispielhafte Ausführungsform ist in den 9 und 10 dargestellt. Die Heiz/Kühlvorrichtung 20 der 9 ist mit Mediensteuerelementen 23 versehen, die jeweils mit einer oder mehreren verstellbaren Medienzuführungen 21a, 21b bzw. Medienabführungen 22a, 22b als Medienführungsöffnungen vorgesehen sind, die jeweils selektiv geöffnet werden können.
Vorzugsweise können dazu die verstellbaren Medienführungsöffnungen in dem Rahmen 2 oberhalb und unterhalb der Wandlereinrichtungen 3a, 3b angeordnet sein, so dass diese die Anordnung der thermoelastischen Elemente gemeinsam mit dem Rahmen 2 einschließen. So ist ein Schalten der Medienpfade S1, S2 durch selektives Öffnen oder Schließen einer der Medienzuführungen 21a, 21b oder einer der Medienabführungen 22a, 22b für jede Wandlereinrichtungen 3a, 3b vorgesehen.
Auch können bei einer Ausführungsform die Rahmen 2 von mehreren Energiewandlern 1 gestapelt werden und entsprechend die Medienführungsöffnungen 21a, 21b, 22a, 22b nur oberhalb der obersten Wandlereinrichtungen 3a, 3b und unterhalb der untersten der Wandlereinrichtungen 3a, 3b der Energiewandler 1 vorgesehen werden. Weiterhin können bei anderen Ausführungsformen einige der Medienführungsöffnungen 21a, 21b, 22a, 22b auch zwischen gestapelten Rahmen 2 von mehreren Energiewandlern 1 vorgesehen werden.
Grundsätzlich können der Medienpfad bzw. die Medienpfade durch den Energiewandler 1 so vorgesehen sein, dass diese die thermoelastischen Elemente 4 über ihre gesamte Länge bzw. über einen Großteil ihrer Länge in Erstreckungsrichtung E quer anströmen, um eine möglichst schnelle Wärmeübertragung zwischen den thermoelastischen Elementen 4 und dem Medium zu erreichen. Dies kann durch Medienführungsöffnungen 21a, 21b, 22a, 22b an der Flächenseite oder an im Wesentlichen parallel zu den thermoelastischen Elementen 4 verlaufenden Rahmenteilen des Rahmens 2 erreicht werden.
Alternativ kann auch eine Strömung des Mediums zumindest teilweise entlang der Erstreckungsrichtung der thermoelastischen Elemente 4 vorgesehen werden. Dies kann durch Vorsehen der Medienführungsöffnungen 21a, 21b, 22a, 22b an den Halteseiten 2a, 2b des Rahmens, an denen die thermoelastischen Elemente 4 gehalten sind, oder durch Versatz von einander gegenüberliegenden Medienführungsöffnungen 21a, 21b, 22a, 22b an der Flächenseite oder an im Wesentlichen parallel zu den thermoelastischen Elementen 4 verlaufenden Rahmenteilen des Rahmens 2 erreicht werden. Dies kann für eine Verbesserung der internen Medienführung bei der Kaskadierung von Vorteil sein.
Wie in der Ausführungsform einer Heiz/Kühlvorrichtung in 9 gezeigt, können die Medienführungsöffnungen beispielsweise als Registerblenden ausgebildet sein, deren Öffnungen, wie in 10 dargestellt, mit Medienführungsanordnungen 25 verbunden sind, um ein Medium zu den Medienzuführungen 21a, 21b zuzuführen und von den Medienabführungen 22a, 22b abzuführen. Die Medienführungsanordnungen 25 sind jeweils mit der einen oder den mehreren Medienzuführungen 21a, 21b und jeweils mit der einen oder den mehreren Medienabführungen 22a, 22b verbunden, durch die im Betrieb eine Medienströmung zu- oder abgeführt wird, so dass Medienpfade S1, S2 durch die Anordnung aus einem oder mehreren Energiewandlern 1 gebildet werden.
Vorzugsweise wird das Medium zum Erwärmen auf einer ersten Seite der jeweiligen Wandlereinrichtung 3a, 3b den ersten Medienzuführungen 21a zugeführt und von einer zweiten Seite der jeweiligen Wandlereinrichtung 3a, 3b über die ersten Medienabführungen 22a abgeführt. Analog wird das Medium zum Kühlen auf einer zweiten Seite der jeweiligen Wandlereinrichtung 3a, 3b den zweiten Medienzuführungen 21b zugeführt und von einer ersten Seite der jeweiligen Wandlereinrichtung 3a, 3b über die zweiten Medienabführungen 22b abgeführt.
Das Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b wird allgemein so gesteuert, dass ein zugeführtes Medium in einen Bereich der betreffenden Wandlereinrichtung 3a, 3b einströmt, in einer Flächenrichtung der Wandlereinrichtung 3a, 3b an den thermoelastischen Elementen 4 entlang oder quer zu diesen strömt und über den zu den Medienzuführungen 21a, 21b entlang der Erstreckungsrichtung E und/oder zu der Anordnungsrichtung versetzt angeordneten Medienabführungen 22a, 22b über die entsprechende Medienführungsanordnung 25 abgeführt wird.
Wie in 9 dargestellt, können die Medienklappen 23 der Medienzuführungen 21a, 21b und der 20 jeweils als eine Registerblende ausgebildet sein. Diese weist eine feststehende Schiebeblende 26a mit den jeweiligen Medienführungsöffnungen 21a, 21b, 22a, 22b und einer daran angeordneten beweglichen Schiebeblende 26b mit entsprechend angeordneten Öffnungen auf, so dass je nach Überdeckung der Schiebeblenden 26a, 26b auf einer ersten Seite einer der Wandlereinrichtungen 3a, 3b die ersten Medienzuführungen 21a geöffnet und die zweiten Medienabführungen 22b geschlossen sind und auf einer zweiten Seite einer der Wandlereinrichtungen 3a, 3b die zweiten Medienzuführungen 21b geschlossen und die ersten Medienabführungen 22a geöffnet sind. Insbesondere ist es so möglich, die bewegliche Schiebeblende 26b zwischen zwei Stellungen zu bewegen, bei denen jeweils nur eine der Medienführungsöffnungen 21a, 22b geöffnet sind, während die entsprechend andere der Medienführungsöffnungen 21a, 21b geschlossen sind.
Das Steuern der Medienführungsöffnungen 21a, 21b, 22a, 22b bzw. die Stellbewegung der beweglichen Schiebeblende 26b kann durch den Wandlerantrieb 10 bzw. den damit gekoppelten Nockenwägen 12 vorgenommen werden. Wie beispielsweise in den zwei Öffnungsstellungen in den 11a und 11b dargestellt, kann die bewegliche Schiebeblende 26b durch eine geeignete mechanische Kopplung, wie beispielsweise durch die Hebelanordnung 27, mit dem Nockenwagen 12 so gekoppelt sein, dass die Öffnungs- und Schließzyklus der Medienführungsöffnungen 21a, 21b, 22a, 22b synchron zu der Erwärmung und Abkühlung (Belastung und Entlastung) der thermoelastischen Elemente 4 der jeweiligen Wandlereinrichtung 3a, 3b erfolgt.
Das Öffnen und Schließen der Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b erfolgt also entsprechend dem Belasten und Entlasten der thermoelastischen Elemente 4 der betreffenden Wandlereinrichtung 3a, 3b und kann über den gemeinsamen Wandlerantrieb 10 entsprechend angesteuert werden. Alternativ kann das Öffnen und Schließen der Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b über eine separate Ansteuerung erfolgen, die zu dem Verlauf des Belastens und Entlastens der thermoelastischen Elemente 4 synchronisiert ist.
In einer alternativen Ausführungsform können das Öffnen und das Schließen der Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b auch bezüglich der Seiten der betreffenden Wandlereinrichtung im Wechsel erfolgen, d. h. zum Erwärmen des Mediums sind die Zuführungs- und Abführungsöffnungen auf einer ersten Seite gleichzeitig geöffnet, während die Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b der gegenüberliegenden zweiten Seite der betreffenden Wandlereinrichtung 3a, 3b geschlossen sind und zum Kühlen des Mediums sind die Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b auf der zweiten Seite gleichzeitig geöffnet, während die Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b der gegenüberliegenden ersten Seite der Wandlereinrichtung 3a, 3b geschlossen sind.
Die Anordnung der gleichzeitig geöffneten Medienzuführungen 21a, 21 b und Medienabführungen 22a, 22b sollte in Flächenrichtung der Wandlereinrichtung versetzt sein, um eine möglichst gute Wärmeabführung oder -zuführung zu den thermoelastischen Elementen 4 zu ermöglichen. Insbesondere können die Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b so angeordnet sein, dass eine Strömung des Mediums entlang der Erstreckungsrichtung der thermoelastischen Elemente 4 oder quer zu diesen erreicht wird.
Die 12a bis 12c zeigen verschiedene Ausführungsformen für die Querschnitte von Medienführungsöffnungen. So zeigt die 12a eine entsprechende Medienführungsöffnung, die sich über einen Großteil der Länge (>80%) eines thermoelastischen Elements 4 in seiner Erstreckungsrichtung E erstreckt. Die Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b an der ersten Seite und der zweiten Seite der jeweiligen Wandlereinrichtung 3a, 3b sind quer zur Erstreckungsrichtung versetzt, so dass eine Durchströmung der betreffenden Wandlereinrichtung 3a, 3b quer zur Erstreckungsrichtung E bewirkt wird.
Weiterhin zeigt die 12b eine dreieckförmige Medienführungsöffnung, die sich etwa über eine Hälfte der Länge der thermoelastischen Elemente 4 in ihren Erstreckungsrichtungen E erstreckt. Die Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b an der ersten Seite und der zweiten Seite sind bezüglich der Erstreckungsrichtung versetzt, so dass eine Durchströmung der betreffenden Wandlereinrichtung 3a, 3b zumindest teilweise entlang der Erstreckungsrichtung bewirkt wird, wobei der Strömungswiderstand durch den dreieckigen Querschnitt der Medienführung gleichmäßig ist.
Weiterhin zeigt die 12c eine rechteckige Medienführungsöffnung, die sich etwa über weniger als die Hälfte der Länge der thermoelastischen Elemente 4 in ihren Erstreckungsrichtungen E erstreckt. Die Medienführungsöffnungen an der ersten Seite und der zweiten Seite sind über die Erstreckungsrichtung E versetzt, so dass eine Durchströmung der betreffenden Wandlereinrichtung 3a, 3b entlang der Erstreckungsrichtung bewirkt wird.
Wie in 13 dargestellt können zwischen thermoelastischen Elementen 4 Trennwände 28 angeordnet sein, die in Erstreckungsrichtung verlaufen. Diese dienen der Medienführung im Inneren des Energiewandlers 1 und erzwingen einen Verlauf der Medienströmung in Erstreckungsrichtung der thermoelastischen Elemente 4, um einen verbesserten Wärmeeintrag bzw. Wärmeaustrag zu erreichen.
Grundsätzlich können die Medienzuführungen 21a, 21b und Medienabführungen 22a, 22b an allen Seiten der Wandlereinrichtungen 3a, 3b vorgesehen sein. So können die Medienführungsöffnungen auch durch den Rahmen 2 zu den thermoelastischen Elementen 4 verlaufen. Insgesamt befinden sich die Wandlereinrichtungen 3a,3b jeweils innerhalb eines geschlossenen Volumens, durch das die Medienpfade S1, S2 verlaufen. Die Medienführungsöffnungen sind dabei so angeordnet, dass Medienpfade an zumindest einem Großteil der thermoelastischen Elemente 4 vorbei verlaufen, um die thermische Übertragung zwischen dem Medium und den thermoelastischen Elementen 4 zu maximieren.
In einer alternativen Ausführungsform, die schematisch in 14 dargestellt ist, können die Medienpfade eine gemeinsame Medienzuführung und separate mit entsprechenden Mediensteuerelementen 23 versehene Medienabführungen 22a, 22b aufweisen. Die Medienklappen werden synchron zu der Ansteuerung der Wandlereinrichtungen 3a, 3b durch den Wandlerantrieb 10 betrieben, um jeweils erwärmtes oder gekühltes Medium abzuführen.
Alternativ kann auch eine gemeinsame Medienabführung vorgesehen sein, die eine schaltbare Verzweigung aufweist, um erwärmte und gekühlte Mediensäulen nach dem Durchgang durch die Anordnung aus einem oder mehreren Energiewandlern 1 in getrennten Abführungspfaden zu leiten.
Weiterhin ist es, wie in dem Energiewandlersystem 20 der 15 dargestellt, möglich, mehrere Energiewandler 1 zu stapeln, so dass deren Rahmen 2 aufeinander liegen. Lediglich die Ober- und Unterseite der Stapelanordnung können dann mit den entsprechend ansteuerbaren Medienzuführungen 21a, 21 b und Medienabführungen 22a, 22b versehen sein, so dass eine Durchströmung der Wandlereinrichtungen 3a, 3b quer zu ihrer Flächenrichtung erreicht wird.
Alternativ kann der Medienpfad durch eine derartige Stapelanordnung auch mäanderförmig verlaufen und dabei quer zur Erstreckungsrichtung der thermoelastischen Elemente 4 oder entlang deren Erstreckungsrichtung verlaufen. Die Medienpfade können auch angezapft werden, um Medium zu oder abzuführen.
Durch das Stapeln der Energiewandler 1 kann die Leistung der Heiz-/Kühleinrichtung erheblich erhöht werden. Durch die Möglichkeit des Stapelns und den Konfigurationsmöglichkeiten durch die Anzahl der thermoelastischen Elemente 4 und deren Länge ist die Baugröße einer solchen Heiz-/Kühlvorrichtung 20 anpassbar, ohne dass sich die Leistungsdichte bezogen auf das Bauvolumen wesentlich verschlechtert.
Bei der Anordnung der Medienführungsöffnungen in dem Rahmen 2 kann bei geschlossenen oberen und unteren Seiten auch eine laterale Anordnung der Rahmen vorgesehen werden, bei der die Wandlereinrichtungen 3a, 3b der Energiewandler 1 nacheinander zum Erwärmen oder Abkühlen des Medienstroms durchströmt werden.
Die Kopplung kann bei dem Energiewandlersystem 20 ausgebildet sein, um den Betrieb des mindestens einen Energiewandlers synchron zu einem Umschalten zwischen einer Medienführung über den ersten und den zweiten Medienpfad S1, S2 zu betreiben, so dass das Medium zur Aufnahme von Wärme von den thermoelastischen Elementen 4 und zur Abgabe von Wärme an die thermoelastische Elemente 4 über den ersten bzw. den zweiten Medienpfad S1, S2 durch die Anordnung geführt wird.
Insbesondere kann die Kopplung ausgebildet sein, um beim Betrieb von mehreren Energiewandlern die zyklische Be- und Entlastung bei Durchströmung entlang des ersten oder des zweiten Medienpfads S1, S2 zeitlich zueinander versetzt bezüglich der Strömungsrichtung des Mediums durch den jeweiligen Medienpfad durchzuführen. Auf diese Weise kann abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bei Wechsel zwischen Erwärmungs- und Abkühlungsphasen zunächst das innerhalb der Anordnung verbliebene Medium herausgedrückt werden und die Wandlereinrichtungen 3a, 3b erst dann aktiviert, d.h. belastet oder entlastet werden, wenn das zu erwärmende bzw. abzukühlende Medium die betreffende Wandlereinrichtung 3a, 3b erreicht hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016118776 A1 [0004]
WO 2017/097989 A1 [0006]

Claims

Thermoelastischer Energiewandler (1), insbesondere zum Einsatz in einer thermoelastischen Heiz/Kühlvorrichtung oder in einem Wärme-Kraft-Kopplungssystem, umfassend: - eine Anordnung mit mehreren Wandlereinrichtungen (3a, 3b), wobei jede der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) in einer Erstreckungsrichtung angeordnete ein oder mehrere thermoelastische Elemente (4) aufweist; - eine Beaufschlagungseinrichtung, um die thermoelastischen Elemente (4) jeder der mehreren Wandlereinrichtungen (3a, 3b) mit einem zeitlich variablen Kraftverlauf zu belasten, - eine Kopplung, die ausgebildet ist, so dass die Beaufschlagungseinrichtung die Wandlereinrichtungen (3a, 3b) bezüglich ihrer zyklischen Be- und Entlastung phasenversetzt ansteuert.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach Anspruch 1, wobei die Kopplung realisiert ist: - mit einem Wandlerantrieb (10), der ausgebildet ist, um die Beaufschlagungseinrichtung so anzusteuern, dass die Wandlereinrichtungen (3a, 3b) phasenversetzt angesteuert werden, dass die thermoelastischen Elemente (4) der jeweiligen Wandlereinrichtungen (3a, 3b) zyklisch be- und entlastet werden und sich dadurch jeweils zyklisch erwärmen bzw. abkühlen; oder - mit einer Kraftauskopplung, die ausgebildet ist, um mechanische Energie, die der Beaufschlagungseinrichtung von den Wandlereinrichtungen (3a, 3b) zugeführt wird, aus dem Energiewandler auszukoppeln.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die thermoelastischen Elemente (4) innerhalb einer oder mehrerer der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) jeweils parallel zueinander in einem Rahmen (2, 2a, 2b, 2c, 2d) angeordnet sind, so dass die Wandlereinrichtungen (3a, 3b) eine oder mehrere im Wesentlichen plane Wärmetauscherebenen bilden, die insbesondere vollständig innerhalb des Rahmens (2, 2a, 2b, 2c, 2d) aufgenommen sind.
Thermoelastischer Energiewandler nach Anspruch 3, wobei die mehreren Wandlereinrichtungen mindestens eine im wesentlichen plane Wärmetauscherebene mit jeweils mehreren Wandlereinrichtungen bilden, wobei die Wandlereinrichtungen einer Wärmertauscherebene insbesondere vollständig innerhalb eines gemeinsamen Rahmens (2, 2a, 2b, 2c, 2d) aufgenommen sind.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Beaufschlagungseinrichtung einen in dem Rahmen (2, 2a, 2b, 2c, 2d) beweglich angeordneten gemeinsamen Schlitten (5) aufweist, der mit einem der Enden der thermoelastischen Elemente (4) verbunden ist, so dass bei einer zyklischen translatorischen Bewegung des gemeinsamen Schlittens (5) in Erstreckungsrichtung eine wechselseitige zyklische Be- und Entlastung der thermoelastischen Elemente (4) der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) erreicht wird oder so dass bei einer thermischen Beaufschlagung der thermoelastischen Elemente (4) der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) eine zyklische translatorische Bewegung des gemeinsamen Schlittens (5) in Erstreckungsrichtung erreicht wird.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach Anspruch 5, wobei der Wandlerantrieb (10) ausgebildet ist, um den gemeinsamen Schlitten (5) zyklisch gemäß einem vorgegebenen Bewegungsprofil zu bewegen, wobei insbesondere das Bewegungsprofil ausgebildet ist, um während des zyklischen Betriebs Belastungsphasen zur Belastung einer der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) und Haltephasen, in der im Wesentlichen keine Bewegung des Schlittens (5) erfolgt, vorzusehen und/oder während des zyklischen Betriebs Belastungsphasen zur Belastung der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) und Entlastungsphasen zur Entlastung der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) vorzusehen, wobei die Belastungsphasen und die Entlastungsphasen der mehreren Wandlereinrichtungen (3a, 3b) insbesondere unterschiedliche Kraftverläufe oder Dehnungsverläufe aufweisen.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Beaufschlagungseinrichtung für jede der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) einen in dem Rahmen (2, 2a, 2b, 2c, 2d) beweglich angeordneten Schlitten (5a, 5b) umfasst, wobei jeder der Schlitten mit den jeweiligen thermoelastischen Elementen (4) der zugeordneten Wandlereinrichtung (3a, 3b) verbunden ist, so dass bei einem jeweiligen Bewegungsprofil mit einer zyklischen translatorischen Bewegung der Schlitten (5a, 5b) in Erstreckungsrichtung die zyklische Be- und Entlastung der thermoelastischen Elemente (4) erreicht wird oder so dass bei einer thermischen Beaufschlagung der thermoelastischen Elemente (4) der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) eine zyklische translatorische Bewegung des jeweiligen Schlittens in Erstreckungsrichtung erreicht wird.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach Anspruch 7, wobei die Schlitten (5a, 5b) mechanisch gekoppelt sind, um eine bei einer Entlastung einer der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) freiwerdende mechanische Energie zumindest teilweise zur Belastung einer anderen der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) zu nutzen.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Wandlerantrieb (10) mit den Schlitten gekoppelt ist, um diese gemäß dem jeweiligen insbesondere nicht sinusförmigen Bewegungsprofil anzutreiben, wobei insbesondere die zyklischen Bewegungsprofile jeweils eine Belastungsphase zur Belastung der betreffenden Wandlereinrichtung (3a, 3b), eine Haltephase, in der im Wesentlichen keine Bewegung des betreffenden Schlittens erfolgt, und eine Entlastungsphase zur Entlastung der betreffenden Wandlereinrichtung (3a, 3b) vorsehen.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach Anspruch 9, wobei die Belastungsphase und die Entlastungsphase jeweils abschnittsweise lineare oder sonstige monotone Verläufe der Belastung und/oder Entlastung oder einer Bewegung der Schlitten aufweisen, wobei die linearen Verläufe insbesondere unterschiedliche Gradienten bzw. die sonstigen monotonen Verläufe der Belastung und/oder Entlastung oder der Bewegung der Schlitten (5a, 5b) unterschiedliche Gradientenverläufe aufweisen.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach einem der Ansprüche 6, 9 und 10, wobei der Wandlerantrieb mindestens eine Nockenscheibe (11) mit einem jeweiligen Nockenwagen (12) aufweist, der mit dem entsprechenden Schlitten (5, 5a, 5b) gekoppelt ist, wobei die Nockenscheibe (11) mit dem Nockenwagen (12) in Eingriff ist, so dass durch eine Kulisse der Nockenscheibe (11) eine Bewegung des betreffenden Schlittens (5, 5a, 5b) zur Belastung und Entlastung der thermoelastischen Elemente (4) der betreffenden Wandlereinrichtung (3a; 3b) insbesondere in Erstreckungsrichtung (E) der thermoelastischen Elemente (4) bewirkt wird.
Thermoelastischer Energiewandler (1) nach einem der Ansprüche 6, 9 und 10, wobei die Kraftauskopplung mindestens eine Nockenscheibe (11) mit einem jeweiligen Nockenwagen (12) aufweist, der mit dem entsprechenden Schlitten (5, 5a, 5b) gekoppelt ist, wobei die Nockenscheibe (11) mit dem Nockenwagen (12) in Eingriff ist, so dass aufgrund einer Temperaturbeaufschlagung der thermoelastischen Elemente (4) der betreffenden Wandlereinrichtung (3a, 3b) eine Bewegung des betreffenden Schlittens (5, 5a, 5b) und durch eine Kulisse eine Rotation der Nockenscheibe (11) bewirkt wird.
Energiewandlersystem (20), insbesondere ein Heiz/Kühlsystem, umfassend: - eine Anordnung aus mindestens einem Energiewandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12; - eine oder mehrere Medienzuführungen (21, 21b) zum Zuführen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere von Luft oder Wasser, zu der Anordnung und eine oder mehrere Medienabführungen (22a, 22b) zum Abführen des Mediums aus der Anordnung, - eine Medienpfadschalteinrichtung, die so ausgebildet ist, um das Medium durch eine oder mehrere der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) wahlweise entlang eines ersten oder eines zweiten Medienpfads (S1, S2) zu leiten, um gekühltes oder erwärmtes Medium zu separieren; wobei die Kopplung ausgebildet ist, um den Betrieb des mindestens einen Energiewandlers (1) synchron zu einem Umschalten zwischen einer Medienführung über den ersten und den zweiten Medienpfad (S1, S2) zu betreiben, so dass das Medium zur Aufnahme von Wärme von den thermoelastischen Elementen (4) und zur Abgabe von Wärme an die thermoelastische Elemente (4) über den ersten bzw. den zweiten Medienpfad (S1, S2) durch die Anordnung geführt wird.
Energiewandlersystem (20) nach Anspruch 13, wobei die Kopplung ausgebildet ist, um beim Betrieb von mehreren Energiewandlern (1) die zyklische Be- und Entlastung bei Durchströmung entlang des ersten oder des zweiten Medienpfads (S1, S2) zeitlich zueinander versetzt bezüglich der Strömungsrichtung des Mediums durch den jeweiligen Medienpfad durchzuführen.
Energiewandlersystem (20) nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Medienpfadschalteinrichtung (23) mit mindestens einem Mediensteuerelement vorgesehen ist, um zwischen dem ersten Medienpfad und dem zweiten Medienpfad (S1, S2) zu schalten.
Energiewandlersystem (20) nach Anspruch 15, wobei die Medienpfadschalteinrichtung (23) mit mindestens einer ersten Medienzuführung (21a) und einer ersten Medienabführung (22a) zur Steuerung des ersten Medienpfades (S1) und mit mindestens einer zweiten Medienzuführung (21b) und einer zweiten Medienabführung (22b) zur Steuerung des zweiten Medienpfades (S2) ausgebildet sind.
Energiewandlersystem (20) nach Anspruch 16, wobei die erste Medienzuführung (21a) und die erste Medienabführung (22a) auf verschiedenen Seiten der Energiewandleranordnung sowie die zweite Medienzuführung (21b) und die zweite Medienabführung (22b) auf verschiedenen Seiten der Energiewandleranordnung angeordnet sind, wobei insbesondere die erste Medienzuführung (21a), die erste Medienabführung (22a), die zweite Medienzuführung (21b) und/oder die zweite Medienabführung (22b) an einem Rahmenteil des Rahmens (2, 2a, 2b, 2c, 2d) der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) oder in einer Abdeckung an dessen Flächenseite vorgesehen sind.
Energiewandlersystem (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Energiewandleranordnung mehrere aneinander angrenzende Energiewandler (1) aufweist, so dass der erste und der zweite Medienpfad (S1, S2) jeweils durch zwei zueinander benachbarte Wandlereinrichtungen (3a, 3b) von Energiewandlern (1) verläuft, wobei die Medienzuführungen (21a, 21b) und/oder die Medienabführungen (22a, 22b) an Flächenseiten der Energiewandleranordnung oder jeweils in einem Rahmen (2, 2a, 2b, 2c, 2d) der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) der Energiewandler (1) angeordnet sind.
Energiewandlersystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die mindestens eine erste und/oder zweite Medienzuführung (21a, 21b) und/oder die mindestens eine erste und/oder zweite Medienabführung (22a, 22b) einen rechteckigen, runden, ovalen oder dreieckigen Öffnungsquerschnitt aufweist.
Energiewandlersystem (20) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei der erste und oder der zweite Medienpfad (S1, S2) längs der Erstreckungsrichtung der thermoelastischen Elemente (4), quer zu der Erstreckungsrichtung (E) und in der Anordnungsebene der thermoelastischen Elementen (4) oder quer zu der Erstreckungsrichtung und quer zur Anordnungsebene der thermoelastischen Elementen (4) ausgebildet sind.
Verfahren zum Betreiben eines thermoelastischen Energiewandlers (1), insbesondere zum Einsatz in einer thermoelastischen Heiz/Kühlvorrichtung oder in einem Wärme-Kraft-Kopplungssystem, wobei der thermoelastische Energiewandler eine Anordnung mit mehreren Wandlereinrichtungen (3a, 3b) umfasst, wobei jede der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) in einer Erstreckungsrichtung (E) angeordnete ein oder mehrere thermoelastische Elemente (4) aufweist; wobei die thermoelastischen Elemente (4) jeder der mehreren Wandlereinrichtungen (3a, 3b) mit einem zeitlich variablen Kraftverlauf belastet werden, wobei die Wandlereinrichtungen (3a, 3b) bezüglich ihrer zyklischen Be- und Entlastung phasenversetzt angesteuert werden.
Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlersystem (20), insbesondere ein Heiz/Kühlsystem, wobei das Energiewandlersystem (20) eine Anordnung aus mindestens einem Energiewandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, eine oder mehrere Medienzuführungen (21a, 21b) zum Zuführen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, insbesondere von Luft oder Wasser, zu der Anordnung und eine oder mehrere Medienabführungen (22a, 22b) zum Abführen des Mediums aus der Anordnung, und eine Medienpfadschalteinrichtung aufweist, die so ausgebildet ist, um das Medium durch eine oder mehrere der Wandlereinrichtungen (3a, 3b) wahlweise entlang eines ersten oder eines zweiten Medienpfads zu leiten, um gekühltes oder erwärmtes Medium zu separieren; wobei der mindestens eine Energiewandler (1) synchron zu einem Umschalten zwischen einer Medienführung über den ersten und den zweiten Medienpfad (S1, S2) betrieben wird, so dass das Medium zur Aufnahme von Wärme von den thermoelastischen Elementen (4) und zur Abgabe von Wärme an die thermoelastische Elemente (4) über den ersten bzw. den zweiten Medienpfad (S1, S2) durch die Anordnung geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei beim Betrieb von mehreren Energiewandlern (1) die zyklische Be- und Entlastung bei Durchströmung entlang des ersten oder des zweiten Medienpfads (S1, S2) zeitlich zueinander versetzt bezüglich der Strömungsrichtung des Mediums durch den jeweiligen Medienpfad durchgeführt wird.