DE102019211888A1

DE102019211888A1 - Device for heat exchange

Info

Publication number: DE102019211888A1
Application number: DE102019211888.7A
Authority: DE
Inventors: Henrick Brandes; Holger Wuest; Witold Pieper
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch, die Folgendes aufweist: Eine Wärmequelle (3), eine Wärmesenke (4) und zumindest zwei elastokalorische Systeme (1, 2). Jedes elastokalorische System (1, 2) weist zumindest ein elastokalorisches Element (11, 21) auf. Die elastokalorischen Elemente (11, 21) verschiedener elastokalorischer Systeme (1, 2) bestehen dabei aus unterschiedlichen elastokalorischen Materialen. Die zumindest zwei elastokalorischen Systeme (1, 2) sind voneinander thermisch isoliert (5).The invention relates to a device for heat exchange which has the following: a heat source (3), a heat sink (4) and at least two elastocaloric systems (1, 2). Each elastocaloric system (1, 2) has at least one elastocaloric element (11, 21). The elastocaloric elements (11, 21) of different elastocaloric systems (1, 2) consist of different elastocaloric materials. The at least two elastocaloric systems (1, 2) are thermally insulated from one another (5).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch mit zumindest zwei elastokalorischen Systemen, die voneinander thermisch isoliert sind.The present invention relates to a device for heat exchange with at least two elastocaloric systems which are thermally insulated from one another.

Stand der TechnikState of the art

Der elastokalorische Effekt beschreibt eine adiabatische Temperaturänderung eines Materials, wenn das Material mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt wird und sich beispielsweise verformt. Durch die mechanische Kraft bzw. die Verformung wird eine Umwandlung der Kristallstruktur, auch Phase genannt, in dem Material verursacht. Die Phasenumwandlung führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Materials. Wird die dabei freigesetzte Wärme abgeführt, 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 elastocaloric effect describes an adiabatic change in temperature of a material when the material is subjected to a mechanical force and, for example, deforms. The mechanical force or the deformation causes a transformation of the crystal structure, also called phase, in the material. The phase change leads to an increase in the temperature of the material. If the heat released in the process is dissipated, the temperature is lowered and the entropy decreases. If the mechanical force is then removed, a reverse phase transformation (reverse transformation) is again caused, which leads to a lowering of the temperature of the material. If the material is then supplied with heat again, the entropy increases again.

Nach der annähernd adiabaten Phasenumwandlung liegt die Temperatur über der Ausgangstemperatur. Die dabei entstandene Wärme kann beispielsweise an die Umgebung als Reservoir 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 z.B. bis zu 40°C erreicht werden.After the almost adiabatic phase transition, the temperature is above the initial temperature. The resulting heat can, for example, be dissipated to the environment as a reservoir and the material then takes on ambient temperature. If the phase inversion is now initiated by reducing the mechanical force to zero, the temperature is lower than the initial temperature. Temperature differences between the maximum temperature after the phase transition and the minimum temperature after the reconversion (with previously released heat) of up to 40 ° C, for example, can be achieved.

Materialien, an denen sich der elastokalorische Effekt nachweisen lässt, werden als elastokalorische Materialien bezeichnet. Solche elastokalorischen Materialien sind beispielsweise Formgedächtnislegierungen, die Superelastizität besitzen. Superelastische Legierungen zeichnen aus, dass diese auch nach starker Verformung von selbst wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Superelastische Formgedächtnislegierungen weisen zwei unterschiedliche Phasen (Kristallstrukturen) auf: Austenit ist die bei Raumtemperatur stabile Phase und Martensit ist bei niedrigeren Temperaturen stabil. Eine mechanische Verformung verursacht eine Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit, die einen adiabatischen Temperaturanstieg zur Folge hat. Die erhöhte Temperatur kann nun in Form von Wärme an die Umgebung als Reservoir abgegeben werden, was zu einer Abnahme der Entropie führt. Wird das elastokalorische Material wieder entlastet, erfolgt eine Rückumwandlung von Martensit zu Austenit und damit einhergehend eine adiabatische Temperaturabsenkung.Materials on which the elastocaloric effect can be demonstrated are called elastocaloric materials. Such elastocaloric materials are, for example, shape memory alloys that have superelasticity. Super elastic alloys are characterized by the fact that they automatically return to their original shape even after severe deformation. Superelastic shape memory alloys have two different phases (crystal structures): Austenite is the stable phase at room temperature and martensite is stable at lower temperatures. Mechanical deformation causes a phase change from austenite to martensite, which results in an adiabatic temperature increase. The increased temperature can now be released in the form of heat to the environment as a reservoir, which leads to a decrease in entropy. If the load on the elastocaloric material is relieved again, there is a reverse conversion from martensite to austenite and an associated adiabatic temperature reduction.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Vorrichtung zum Wärmetausch vorgeschlagen, welche eine Wärmequelle, eine Wärmesenke und zumindest zwei elastokalorische Systeme aufweist. Für den Wärmetransport zwischen den elastokalorischen Systemen und zu der Wärmequelle bzw. zu der Wärmesenke ist ein Fluid vorgesehen. Die Vorrichtung zum Wärmetausch kann in einem Heizmodus betrieben werden, bei dem das Fluid erwärmt wird und Wärme an die gewünschte Wärmesenke abgegebenen wird, und in einem Kühlmodus betrieben werden, bei dem das Fluid abgekühlt wird und Wärme von der gewünschten Wärmequelle aufgenommen wird. Damit ist die Vorrichtung zum Wärmetausch mehrstufig aufgebaut. Jedes elastokalorische System weist zumindest ein elastokalorisches Element auf. Die elastokalorischen Elemente verschiedener elastokalorischer Systeme bestehen dabei aus unterschiedlichen elastokalorischen Materialen. Die elastokalorischen Materialien für die elastokalorischen Elemente werden so gewählt, dass der auftretende elastokalorische Effekt für den Temperaturbereich, der im Betrieb in dem jeweiligen System vorherrscht, optimal ist und eine möglichst große Temperaturänderung erfolgt. Vorzugsweise wird der optimale auftretende elastokalorische Effekt für die elastokalorischen Materialien abhängig davon bewertet, ob die Temperatur erhöht werden soll (Heizmodus) oder ob die Temperatur gesenkt werden soll (Kühlmodus), und die elastokalorischen Materialien demgemäß gewählt. Hierfür können sich die elastokalorischen Materialien in ihrer Legierungszusammensetzung unterscheiden oder unterschiedliche Temperaturbehandlungen durchlaufen haben.A device for heat exchange is proposed which has a heat source, a heat sink and at least two elastocaloric systems. A fluid is provided for the heat transport between the elastocaloric systems and to the heat source or to the heat sink. The device for heat exchange can be operated in a heating mode in which the fluid is heated and heat is given off to the desired heat sink, and in a cooling mode in which the fluid is cooled and heat is absorbed from the desired heat source. The device for heat exchange is thus constructed in several stages. Each elastocaloric system has at least one elastocaloric element. The elastocaloric elements of different elastocaloric systems consist of different elastocaloric materials. The elastocaloric materials for the elastocaloric elements are selected so that the occurring elastocaloric effect is optimal for the temperature range that prevails in the respective system during operation and the greatest possible temperature change occurs. Preferably, the optimal occurring elastocaloric effect for the elastocaloric materials is assessed depending on whether the temperature is to be increased (heating mode) or whether the temperature is to be decreased (cooling mode), and the elastocaloric materials are selected accordingly. For this purpose, the elastocaloric materials can differ in their alloy composition or have undergone different temperature treatments.

Die zumindest zwei elastokalorischen Systeme sind voneinander thermisch isoliert. Durch die thermische Isolierung findet kein ungewollter Wärmeaustausch zwischen den elastokalorischen Systemen statt. Es ist eine Verbindung zwischen den beiden elastokalorischen Systemen vorgesehen, wie z. B. ein Ventil, über die das Fluid von einem elastokalorischen System zum nachfolgenden elastokalorischen System strömen kann. Folglich findet ein gewollter Wärmeaustausch statt, wenn das Fluid durch die Verbindung strömen kann, daher wenn das Ventil geöffnet ist, und es findet kein Wärmeaustausch -oder nur ein vernachlässigbar kleiner Wärmeaustausch (da in der Praxis keine vollständige Isolierung und damit kein abgeschlossenes System bekannt ist) - statt.The at least two elastocaloric systems are thermally isolated from one another. Thanks to the thermal insulation, there is no unwanted heat exchange between the elastocaloric systems. A connection between the two elastocaloric systems is provided, e.g. B. a valve through which the fluid can flow from one elastocaloric system to the subsequent elastocaloric system. As a result, an intentional heat exchange takes place when the fluid can flow through the connection, i.e. when the valve is open, and there is no heat exchange - or only a negligibly small heat exchange (since in practice no complete insulation and thus no closed system is known ) - instead of.

In einem Heizmodus wird das Fluid in eines der Systeme - auch als erste Stufe bezeichnet - eingeleitet und tritt mit dem zumindest einen elastokalorischen Element in Kontakt. Das elastokalorische Element wird verformt, erwärmt sich dabei und gibt die Wärme an das Fluid ab. Dabei besteht das elastokalorische Element aus einem elastokalorisches Material, welches in einem Temperaturbereich, in dem die Temperatur des eingeleiteten Fluids (Eingangstemperatur) typischerweise liegt, einen für die Verformung optimierten elastokalorischen Effekt aufweist und somit bei der Verformung ein größtmöglicher Temperaturunterschied erzeugt wird. Das Fluid wird infolgedessen auf eine höhere Temperatur erwärmt. Der Temperaturunterschied ist aus den Parametern verwendetes elastokalorisches Material, aufgewendete Verformung/Rückverformung und Eingangstemperatur bekannt, sodass der Temperaturbereich, in dem die höhere Temperatur liegt, für das System ebenfalls bekannt ist.In a heating mode, the fluid is introduced into one of the systems - also referred to as the first stage - and enters with the at least one elastocaloric element in contact. The elastocaloric element is deformed, heats up and transfers the heat to the fluid. The elastocaloric element consists of an elastocaloric material which has an elastocaloric effect optimized for the deformation in a temperature range in which the temperature of the introduced fluid (inlet temperature) is typically located, and thus the greatest possible temperature difference is generated during the deformation. As a result, the fluid is heated to a higher temperature. The temperature difference is known from the parameters used elastocaloric material, applied deformation / recovery and input temperature, so that the temperature range in which the higher temperature lies is also known for the system.

Das erwärmte Fluid wird dem nachfolgenden System - auch als zweite Stufe bezeichnet - zugeführt und tritt dort mit dem zumindest einen elastokalorischen Element in Kontakt. Dieses zumindest eine elastokalorische Element der zweiten Stufe weist ein elastokalorisches Material auf, welches in dem Temperaturbereich, in dem die höhere Temperatur des erwärmten Fluids liegt und der sich von dem obengenannten Temperaturbereich für die erste Stufe unterscheidet, einen bei der Verformung optimierten elastokalorischen Effekt aufweist und somit für die erhöhte Temperatur bei der Verformung ein größtmöglicher Temperaturunterschied erzeugt wird. Das Fluid wird infolgedessen auf eine noch höhere Temperatur erwärmt.The heated fluid is fed to the following system - also referred to as the second stage - and there comes into contact with the at least one elastocaloric element. This at least one elastocaloric element of the second stage has an elastocaloric material which, in the temperature range in which the higher temperature of the heated fluid lies and which differs from the above-mentioned temperature range for the first stage, has an elastocaloric effect optimized for deformation and thus the greatest possible temperature difference is generated for the increased temperature during deformation. As a result, the fluid is heated to an even higher temperature.

Das Fluid kann nun Systeme weiterer Stufen durchlaufen, bei denen das zumindest eine elastokalorische Element jeweils aus einem anderen elastokalorischen Material besteht, welches in dem Temperaturbereich, in dem die aktuelle Temperatur des erwärmten Fluids liegt, einen optimierten elastokalorischen Effekt aufweist, und jeweils erneut erwärmt werden, bis schließlich eine gewünschte Temperatur erreicht wird.The fluid can now go through systems of further stages, in which the at least one elastocaloric element consists of a different elastocaloric material, which has an optimized elastocaloric effect in the temperature range in which the current temperature of the heated fluid lies, and is heated again in each case until a desired temperature is finally reached.

In ähnlicher Weise erfolgt ein Kältemodus, in dem das Fluid in das System der ersten Stufe eingeleitet wird und mit dem zumindest einen elastokalorischen Element in Kontakt tritt. Das elastokalorische Element wird in diesem Fall rückverformt, kühlt dabei ab und nimmt die Wärme von dem Fluid auf. Dabei besteht das elastokalorische Element aus einem elastokalorisches Material, welches in einem Temperaturbereich, in dem die Temperatur des eingeleiteten Fluids (Eingangstemperatur) typischerweise liegt, einen für die Rückverformung optimierten elastokalorischen Effekt aufweist und somit bei der Rückverformung ein größtmöglicher Temperaturunterschied erzeugt wird. Das Fluid wird infolgedessen auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt. Der Temperaturunterschied ist aus den Parametern verwendetes elastokalorisches Material, ausgeführte Rückverformung und Eingangstemperatur bekannt, sodass der Temperaturbereich, in dem die niedrigere Temperatur liegt, für das System ebenfalls bekannt ist.A cold mode takes place in a similar manner, in which the fluid is introduced into the system of the first stage and comes into contact with the at least one elastocaloric element. In this case, the elastocaloric element is deformed back, cools down and absorbs the heat from the fluid. The elastocaloric element consists of an elastocaloric material which, in a temperature range in which the temperature of the introduced fluid (inlet temperature) is typically located, has an elastocaloric effect that is optimized for the recovery and thus the greatest possible temperature difference is generated during the recovery. As a result, the fluid is cooled to a lower temperature. The temperature difference is known from the parameters used elastocaloric material, performed recovery and input temperature, so that the temperature range in which the lower temperature lies is also known for the system.

Das abgekühlte Fluid wird dem nachfolgenden System - auch als zweite Stufe bezeichnet - zugeführt und tritt dort mit dem zumindest einen elastokalorischen Element in Kontakt. Dieses zumindest eine elastokalorische Element der zweiten Stufe weist ein elastokalorisches Material auf, welches in dem Temperaturbereich, in dem die niedrigere Temperatur des abgekühlten Fluids liegt und der sich von dem obengenannten Temperaturbereich für die erste Stufe unterscheidet, einen bei der Rückverformung optimierten elastokalorischen Effekt aufweist und somit für die niedrigere Temperatur bei der Rückverformung ein größtmöglicher Temperaturunterschied erzeugt wird. Das Fluid wird infolgedessen auf eine noch niedrigere Temperatur abgekühlt.The cooled fluid is fed to the downstream system - also referred to as the second stage - and there comes into contact with the at least one elastocaloric element. This at least one elastocaloric element of the second stage has an elastocaloric material which, in the temperature range in which the lower temperature of the cooled fluid lies and which differs from the above-mentioned temperature range for the first stage, has an elastocaloric effect which is optimized for the recovery and thus the greatest possible temperature difference is generated for the lower temperature during recovery. As a result, the fluid is cooled to an even lower temperature.

Das Fluid kann nun Systeme weiterer Stufen durchlaufen, bei denen das zumindest eine elastokalorische Element jeweils aus einem anderen elastokalorischen Material besteht, welches in dem Temperaturbereich, in dem die aktuelle Temperatur des erwärmten Fluids liegt, einen optimierten elastokalorischen Effekt aufweist, und jeweils erneut abgekühlt werden, bis schließlich eine gewünschte Temperatur erreicht wird.The fluid can now run through systems of further stages in which the at least one elastocaloric element consists of a different elastocaloric material, which has an optimized elastocaloric effect in the temperature range in which the current temperature of the heated fluid is, and is each cooled again until a desired temperature is finally reached.

Im Ergebnis bewirken die elastokalorischen Elemente der Systeme unterschiedlicher Stufen eine kaskadenartige Temperaturänderung des Fluids, wobei für jede Stufe das zumindest eine elastokalorische Element für die jeweilige Temperaturänderung optimiert ist. Durch die thermische Isolierung der elastokalorischen Systeme unterschiedlicher Stufen lassen sich die Temperaturbereiche abgrenzen, da sich die Temperaturen der unterschiedlichen elastokalorischen Systeme nicht ausgleichen können. Als Resultat wird eine hocheffiziente Erzeugung großer Temperaturänderungen, insbesondere von über 20 Kelvin, ermöglicht.As a result, the elastocaloric elements of the systems of different stages cause a cascade-like temperature change in the fluid, the at least one elastocaloric element being optimized for the respective temperature change for each stage. The thermal insulation of the elastocaloric systems of different levels enables the temperature ranges to be delimited, since the temperatures of the different elastocaloric systems cannot equalize each other. The result is a highly efficient generation of large temperature changes, in particular of over 20 Kelvin.

Sind mehrere Untersysteme mit elastokalorischen Elementen aus dem gleichen Material vorgesehen, so sind diese im Sinne der Erfindung als ein System der gleichen Stufe anzusehen.If several subsystems with elastocaloric elements made of the same material are provided, these are to be regarded as a system of the same level in the context of the invention.

Vorzugweise sind die elastokalorischen Systeme nicht nur einander gegenüber thermisch isoliert sondern auch gegenüber der Umgebung. Hierfür ist vorteilhafterweise ein Gehäuse mit einer thermischen Isolierung vorgesehen, welches die Systeme umgibt. Bevorzugt umgibt das Gehäuse alle Systeme der Vorrichtung zum Wärmetausch, optional können aber auch mehrere Gehäuse vorgesehen sein. Somit können sich die Temperaturen der elastokalorischen Systeme auch nicht mit der Umgebung ausgleichen.The elastocaloric systems are preferably not only thermally insulated from one another but also from the environment. For this purpose, a housing with thermal insulation is advantageously provided which surrounds the systems. The housing preferably surrounds all systems of the device for heat exchange, but several housings can optionally also be provided. Thus, the temperatures of the elastocaloric systems cannot even out with the environment.

Vorteilhafterweise sind mehrere elastokalorische Elemente mit einem gemeinsamen Aktor zur Verformung verbunden. Bevorzugt sind elastokalorische Elemente unterschiedlicher und besonders bevorzugt aller elastokalorischer Systeme mit einem gemeinsamen Aktor verbunden. Damit können die elastokalorischen Elemente mehrerer elastokalorischer Systeme miteinander gekoppelt sein. Der Aktor ist mit einem Antrieb verbunden, sodass alle mit dem Aktor verbundenen elastokalorischen Elemente durch den gleichen Antrieb angetrieben werden. Der Antrieb kann z. B. ein Motor, bevorzugt ein rotierender Motor und besonders bevorzugt ein Elektromotor, mit einer Welle sein, welche durch mehrere, bevorzugt durch alle Systeme geht und an der die elastokalorischen Elemente befestigt ist. Eine solche Kopplung hat gegenüber einzelnen hintereinander geschalteten Systemen den Vorteil, dass nur ein Antrieb zum Betreiben aller elastokalorischen Systeme verwendet wird, wodurch der benötigte Bauraum (und somit auch das Volumen), das Gewicht und die Kosten der Vorrichtung zum Wärmetausch reduziert werden. Es kann eine höhere Integration der zum Betrieb beteiligten Komponenten, wie z. B., der elektrischen Leitungen, der Ansteuerung, einer Antriebssensorik (z.B. für die Rotationsgeschwindigkeit und/oder das Drehmoment) usw. Dadurch wird eine höhere Effizienz bzw. ein höherer Wirkungsgrad der Vorrichtung zum Wärmetausch erreicht.A plurality of elastocaloric elements are advantageously connected to a common actuator for deformation. Elastocaloric elements of different and particularly preferably of all elastocaloric systems are preferably connected to a common actuator. The elastocaloric elements of several elastocaloric systems can thus be coupled to one another. The actuator is connected to a drive so that all of the elastocaloric elements connected to the actuator are driven by the same drive. The drive can, for. B. a motor, preferably a rotating motor and particularly preferably an electric motor, with a shaft which goes through several, preferably through all systems and to which the elastocaloric elements is attached. Such a coupling has the advantage over individual systems connected in series that only one drive is used to operate all elastocaloric systems, which reduces the required installation space (and thus also the volume), the weight and the costs of the device for heat exchange. A higher degree of integration of the components involved in the operation, such as B., the electrical lines, the control, a drive sensor system (eg for the rotation speed and / or the torque) etc. This results in a higher efficiency or a higher degree of effectiveness of the device for heat exchange.

Vorteilhafterweise ist in jedem elastokalorischen System eine Führung für das Fluid vorgesehen, die eingerichtet ist, das Fluid durch das elastokalorische System zu führen. Durch die Führung wird das Fluid über das zumindest eine elastokalorische Element geführt und dann je nach Modus weiter zu der (gewünschten) Wärmesenke bzw. der (gewünschten) Wärmequelle oder, wenn es sich nicht um das letzte elastokalorische System in der Reihe handelt, zu einem nachfolgenden elastokalorischen System geführt.Advantageously, a guide for the fluid is provided in each elastocaloric system, which guide is set up to guide the fluid through the elastocaloric system. Through the guide, the fluid is guided over the at least one elastocaloric element and then, depending on the mode, on to the (desired) heat sink or the (desired) heat source or, if it is not the last elastocaloric system in the series, to one subsequent elastocaloric system.

Um den elastokalorischen Effekt zum Heizen oder zum Kühlen auszunutzen, kann die Führung eingerichtet sein, das Fluid in einen erwärmten Teil und in einen abgekühlten Teil zu trennen. Hierbei wird in jedem der elastokalorischen Systeme das Fluid in Teilen über die Heißpunkte, an denen das zumindest eine elastokalorische Element verformt wird, sich erwärmt und die Wärme abgibt, und über die Kaltpunkte, an denen sich das zumindest eine elastokalorische Element rückverformt, abkühlt und Wärme aufnimmt, des zumindest einen elastokalorischen Elements geführt.In order to utilize the elastocaloric effect for heating or for cooling, the guide can be set up to separate the fluid into a heated part and a cooled part. Here, in each of the elastocaloric systems, the fluid is partially heated and dissipated via the hot points at which the at least one elastocaloric element is deformed, and via the cold points at which the at least one elastocaloric element is deformed back, cools and heat receives the at least one elastocaloric element out.

Bevorzugt teilt die Führung das Fluid derart, dass ein Teil des Fluids, der zu der gewünschten Wärmesenke bzw. Wärmequelle geführt wird, größer als der andere Teil des Fluids ist. Insbesondere ist der Anteil eines nutzbaren Volumenstroms des zur gewünschten Wärmesenke bzw. Wärmequelle geführten Teils des Fluids zu einem abgeleiteten Volumenstrom des anderen Teils des Fluids größer als 0,5.The guide preferably divides the fluid in such a way that part of the fluid that is guided to the desired heat sink or heat source is larger than the other part of the fluid. In particular, the proportion of a usable volume flow of the part of the fluid guided to the desired heat sink or heat source to a derived volume flow of the other part of the fluid is greater than 0.5.

Das zumindest eine elastokalorische Element kann mit einem Aktor verbunden sein, der eingerichtet ist, das zumindest eine elastokalorische Element zu bewegen und eine lineare Kraftbeaufschlagung auf das zumindest eine elastokalorische Element anzuwenden, um es zu verformen. Das zumindest eine elastokalorische Element wird durch den Aktor räumlich bewegt, sodass ortsfeste Heißpunkte und Kaltpunkte entstehen, die räumlich voneinander entfernt sind und zeitlich konstant bleiben. Die Führung kann so ausgestaltet sein, dass sie das Fluid trennt und getrennt durch den Heißpunkt und den Kaltpunkt führt. In diesem Fall ist keine zeitliche Korrelation zwischen der Verformung des elastokalorischen Elements und der Führung des Fluids notwendig. Somit ist keine aktive Ansteuerung notwendig um den erwärmten Teil und den gekühlten Teil des Fluids voneinander zu trennen.The at least one elastocaloric element can be connected to an actuator which is set up to move the at least one elastocaloric element and to apply a linear force to the at least one elastocaloric element in order to deform it. The at least one elastocaloric element is moved spatially by the actuator, so that stationary hot spots and cold spots arise that are spatially distant from one another and remain constant over time. The guide can be designed in such a way that it separates the fluid and guides it separately through the hot spot and the cold spot. In this case, no time correlation between the deformation of the elastocaloric element and the guidance of the fluid is necessary. Thus, no active control is necessary to separate the heated part and the cooled part of the fluid from one another.

Bevorzugt ist ein rotierender Aktor vorgesehen, der mit dem zumindest einen elastokalorische Element verbunden ist und eingerichtet ist, bei der Rotation die lineare Kraftbeaufschlagung auf das zumindest eine elastokalorische Element anzuwenden, um es zu verformen. Es kann ein Getriebe oder eine Umlenkung oder eine andere Komponente zur Umwandlung einer Rotationsbewegung in eine Linearbewegung vorgesehen sein, um die Rotation in die lineare Kraftaufwendung umzusetzen. Die Rotationsebene des Aktors kann vorzugsweise parallel zur Führung und somit parallel zur Strömungsrichtung des Fluids oder senkrecht zur Führung und somit senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet sein. Optional können beispielsweise auch hydraulischen Aktoren verwendet werden, um das zumindest eine elastokalorische Element zu bewegen und mit der linearen Kraft zu beaufschlagen.A rotating actuator is preferably provided which is connected to the at least one elastocaloric element and is set up to apply the linear application of force to the at least one elastocaloric element during rotation in order to deform it. A gear or a deflection or another component for converting a rotational movement into a linear movement can be provided in order to convert the rotation into the linear application of force. The plane of rotation of the actuator can preferably be arranged parallel to the guide and thus parallel to the flow direction of the fluid or perpendicular to the guide and thus perpendicular to the flow direction of the fluid. Optionally, hydraulic actuators, for example, can also be used to move the at least one elastocaloric element and to apply the linear force.

Alternativ kann für jedes der elastokalorischen Systeme zumindest ein Steuerventil vorgesehen sein, das eingerichtet ist, den Strömungspfad des Fluids durch die Führung zu steuern. Das elastokalorische Element bleibt ortsfest und wird durch den Aktor verformt, sodass die Heißpunkte und die Kaltpunkte an gleichen örtlichen Punkten zusammenfallen und sich über die Zeit hinweg an diesen Punkten abwechseln. Das zumindest eine Steuerventil ist innerhalb der Führung angeordnet. Bevorzugt ist ein Steuerventil stromaufwärts des zumindest einen elastokalorischen Elements angeordnet, sodass das Fluid durch die Ansteuerung des Steuerventils getrennt wird und in unterschiedlichen Zeitintervallen durch den Heißpunkt und den Kaltpunkt geführt wird. Alternativ ist ein Steuerventil stromabwärts des zumindest einen elastokalorischen Elements angeordnet und das das Fluid wird nach dem Kontakt mit dem zumindest einen elastokalorischen Element durch die Ansteuerung des Steuerventils getrennt. Optional kann sowohl ein Steuerventil stromaufwärts und ein weiteres Steuerventil stromabwärts des zumindest einen elastokalorischen Elements angeordnet sein und die beiden Steuerventile über dieselbe Ansteuerung gesteuert werden. Die aktive Ansteuerung des zumindest einen Steuerventils erfolgt in zeitlicher Korrelation mit der Verformung durch den Aktor und der Rückverformung, sodass der erwärmte Teil und der gekühlte Teil des Fluids voneinander getrennt werden. Mit anderen Worten wird in dem Zeitintervall, in dem das zumindest eine elastokalorische Element verformt wird, der zu erwärmende Teil des Fluids über das das zumindest eine elastokalorische Element geführt und in dem Zeitintervall, in dem sich das zumindest eine elastokalorische Element rückverformt, der abzukühlende Teil des Fluids über das das zumindest eine elastokalorische Element geführt.Alternatively, at least one control valve can be provided for each of the elastocaloric systems, which control valve is set up to control the flow path of the fluid through the guide. The elastocaloric element remains stationary and is deformed by the actuator, so that the hot spots and the cold spots coincide at the same local points and alternate at these points over time. The at least one control valve is arranged within the guide. A control valve is preferably arranged upstream of the at least one elastocaloric element, so that the fluid is separated by the activation of the control valve and is passed through the hot spot and the cold spot at different time intervals. Alternatively, a control valve is disposed downstream of the at least one elastocaloric element and that is the fluid after contact with the at least one elastocaloric element separated by the activation of the control valve. Optionally, both a control valve can be arranged upstream and a further control valve downstream of the at least one elastocaloric element and the two control valves can be controlled via the same control. The active control of the at least one control valve takes place in a temporal correlation with the deformation by the actuator and the recovery, so that the heated part and the cooled part of the fluid are separated from one another. In other words, in the time interval in which the at least one elastocaloric element is deformed, the part of the fluid to be heated is passed over the at least one elastocaloric element and in the time interval in which the at least one elastocaloric element is deformed, the part to be cooled of the fluid passed through the at least one elastocaloric element.

Darüber hinaus ist die Führung vorzugsweise eingerichtet, einen der Teile des Fluids zu einem nachfolgenden elastokalorischen System zu führen und den anderen Teil des Fluids je nach Modus zu der Wärmesenke bzw. der Wärmequelle zu führen. In einem Heizmodus wird der erwärmte Teil des Fluids zu dem nachfolgenden elastokalorischen System geführt und dort wie oben beschrieben behandelt und der abgekühlte Teil des Fluids zu der Wärmequelle geführt. In einem Kühlmodus wird der abgekühlte Teil des Fluids zu dem nachfolgenden elastokalorischen System geführt und dort wie oben beschrieben behandelt und der erwärmte Teil des Fluids zu der Wärmesenke geführt.In addition, the guide is preferably set up to guide one of the parts of the fluid to a subsequent elastocaloric system and to guide the other part of the fluid, depending on the mode, to the heat sink or the heat source. In a heating mode, the heated part of the fluid is fed to the subsequent elastocaloric system and treated there as described above, and the cooled part of the fluid is fed to the heat source. In a cooling mode, the cooled part of the fluid is fed to the subsequent elastocaloric system and treated there as described above, and the heated part of the fluid is fed to the heat sink.

Für das letzte elastokalorische System ist die Führung eingerichtet, den einen Teil des Fluids zu der gewünschten Wärmesenke bzw. Wärmequelle zu führen. Im Heizmodus wird der erwärmte Teil des Fluids zu der gewünschten Wärmesenke geführt, wo er Wärme abgibt, und der abgekühlte Teil des Fluids weiterhin zu der Wärmequelle geführt. Im Kühlmodus wird der abgekühlte Teil des Fluids zu der gewünschten Wärmequelle geführt, wo er Wärme aufnimmt, und der erwärmte Teil des Fluids weiterhin zu der Wärmesenke geführt.For the last elastocaloric system, the guide is set up to guide part of the fluid to the desired heat sink or heat source. In the heating mode, the heated part of the fluid is fed to the desired heat sink, where it gives off heat, and the cooled part of the fluid continues to be fed to the heat source. In the cooling mode, the cooled part of the fluid is led to the desired heat source, where it absorbs heat, and the heated part of the fluid continues to be led to the heat sink.

Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zum Wärmetausch vorgeschlagen. Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens wird auch auf die vorstehende Beschreibung der Vorrichtung und die genannten Vorteile verwiesen.Furthermore, a method for operating the device for heat exchange is proposed. With regard to the following description of the method, reference is also made to the above description of the device and the stated advantages.

In einem ersten Schritt wird das Fluid in ein elastokalorisches System eingeleitet und zu dem zumindest einen elastokalorischen Element geführt. Hierfür wird die vorstehend beschriebene Führung verwendet, auf die hier verweisen wird. Das zumindest eine elastokalorische Element dieses elastokalorischen Systems wird durch Ansteuern des Aktors verformt und/oder rückverformt.In a first step, the fluid is introduced into an elastocaloric system and guided to the at least one elastocaloric element. The guidance described above, which is referred to here, is used for this purpose. The at least one elastocaloric element of this elastocaloric system is deformed and / or re-deformed by activating the actuator.

In einem Kühlmodus wird der erwärmte Teil des Fluids zu der Wärmesenke geführt und der andere Teil, d. h. der abgekühlte Teil des Fluids dem nachfolgenden elastokalorischen System zugeführt. In einem Heizmodus wird der abgekühlte Teil des Fluids zu der Wärmequelle geführt und der andere Teil, d. h. der erwärmte Teil des Fluids dem nachfolgenden elastokalorischen System zugeführt. Auch hierfür wird die vorstehend beschriebene Führung verwendet, auf die hier verweisen wird.In a cooling mode, the heated part of the fluid is directed to the heat sink and the other part, i. H. the cooled part of the fluid is fed to the subsequent elastocaloric system. In a heating mode, the cooled part of the fluid is fed to the heat source and the other part, i. H. the heated part of the fluid is fed to the subsequent elastocaloric system. The guidance described above, to which reference is made here, is also used for this purpose.

Im nachfolgenden elastokalorischen System wird der eingeleitete Teil des Fluids zu dem zumindest einen elastokalorischen Element dieses elastokalorischen Systems geführt. Es erfolgt wiederum ein Verformen und/oder Rückverformen des zumindest einen elastokalorischen Element dieses elastokalorischen Systems. Da das zumindest einen elastokalorischen Element dieses elastokalorischen Systems aus einem anderen elastokalorischen Element besteht, dessen elastokalorischer Effekt auf den Temperaturbereich des eingeleiteten Teil des Fluids optimiert ist, erfolgt eine weitere Abkühlung und/oder Erwärmung.In the subsequent elastocaloric system, the introduced part of the fluid is guided to the at least one elastocaloric element of this elastocaloric system. In turn, the at least one elastocaloric element of this elastocaloric system is deformed and / or re-deformed. Since the at least one elastocaloric element of this elastocaloric system consists of another elastocaloric element, the elastocaloric effect of which is optimized for the temperature range of the introduced part of the fluid, further cooling and / or heating takes place.

Ist es vorgesehen, dass ein weiteres elastokalorisches System auf das Fluid einwirkt, so wird das Fluid wie oben beschrieben geführt. Im Kühlmodus wird der erwärmte Teil des Fluids ebenfalls zu der Wärmesenke geführt und der andere Teil, d. h. der weiter abgekühlte Teil des Fluids dem nachfolgenden elastokalorischen System zugeführt. In einem Heizmodus wird der abgekühlte Teil des Fluids ebenfalls zu der Wärmequelle geführt und der andere Teil, d. h. der weiter erwärmte Teil des Fluids dem nachfolgenden elastokalorischen System zugeführt.If it is provided that a further elastocaloric system acts on the fluid, the fluid is guided as described above. In the cooling mode, the heated part of the fluid is also fed to the heat sink and the other part, i. H. the further cooled part of the fluid is fed to the subsequent elastocaloric system. In a heating mode, the cooled part of the fluid is also fed to the heat source and the other part, i. H. the further heated part of the fluid is fed to the subsequent elastocaloric system.

Ist das elastokalorische System das Letzte, das auf das Fluid einwirken soll (also das letzte in der Reihe der Systeme), wird der andere Teil des Fluids zu der Wärmequelle oder zu der Wärmesenke geführt. Im Kühlmodus wird der erwärmte Teil des Fluids ebenfalls zu der Wärmesenke geführt und der andere Teil, d. h. der weiter abgekühlte Teil des Fluids wird der gewünschten Wärmequelle zugeführt, wo es schließlich Wärme aufnehmen kann. In einem Heizmodus wird der abgekühlte Teil des Fluids ebenfalls zu der Wärmequelle geführt und der andere Teil, d. h. der weiter erwärmte Teil des Fluids wird der gewünschten Wärmesenke zugeführt, wo es schließlich Wärme abgeben kann.If the elastocaloric system is the last to act on the fluid (i.e. the last in the series of systems), the other part of the fluid is led to the heat source or to the heat sink. In the cooling mode, the heated part of the fluid is also fed to the heat sink and the other part, i. H. the further cooled part of the fluid is fed to the desired heat source, where it can finally absorb heat. In a heating mode, the cooled part of the fluid is also fed to the heat source and the other part, i. H. the further heated part of the fluid is fed to the desired heat sink, where it can finally give off heat.

Vorteilhaftweise ist vorgesehen, dass der dem nachfolgenden elastokalorischen System zugeführte Teil des Fluid verwendet wird, um das zumindest eine elastokalorische Element dieses Systems vorzukühlen oder vorzuwärmen. Damit wird die Temperatur des zumindest einen elastokalorischen Elements dieses Systems in einen Temperaturbereich gebracht, bei dem das elastokalorische Material des zumindest einen elastokalorischen Elements dieses Systems einen optimalen elastokalorischen Effekt aufweist und die nachfolgenden Teile des Fluids folglich einen größeren Temperaturunterschied durch den elastokalorischen Effekt erfahren.It is advantageously provided that the part of the fluid supplied to the subsequent elastocaloric system is used to convert the at least one elastocaloric element of this To pre-cool or preheat the system. This brings the temperature of the at least one elastocaloric element of this system into a temperature range in which the elastocaloric material of the at least one elastocaloric element of this system has an optimal elastocaloric effect and the subsequent parts of the fluid consequently experience a greater temperature difference due to the elastocaloric effect.

Gemäß einem Aspekt wird das zumindest eine elastokalorische Element rotiert, um es zu verformen und/oder rückzuverformen. Hierfür kann der obengenannte rotierende Aktor verwendet werden, auf dessen obenstehende Beschreibung und Vorteile hier verwiesen wird.According to one aspect, the at least one elastocaloric element is rotated in order to deform and / or re-deform it. The above-mentioned rotating actuator can be used for this purpose, and reference is made here to the description and advantages thereof.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Ansteuerung des zumindest einen Steuerventils erfolgen, um das Fluid in das elastokalorische System einzuleiten und/oder um einen Teil des Fluids abzuführen und/oder um den anderen Teil des Fluids zu einem nachfolgenden elastokalorischen System zuzuführen und/oder um die Teile des Fluids zur Wärmesenke bzw. zur Wärmequelle abzuführen. Es wird hierfür auf die obenstehende Beschreibung und Vorteile des Steuerventils verwiesen.According to a further aspect, the at least one control valve can be activated in order to introduce the fluid into the elastocaloric system and / or to discharge part of the fluid and / or to supply the other part of the fluid to a subsequent elastocaloric system and / or to the Dissipate parts of the fluid to the heat sink or to the heat source. Reference is made to the above description and advantages of the control valve.

Bevorzugt wird das Fluid derart geteilt, dass ein Teil des Fluids, der zu der gewünschten Wärmesenke bzw. Wärmequelle geführt wird, größer als der andere Teil des Fluids ist. Insbesondere ist der Anteil eines nutzbaren Volumenstroms des zur gewünschten Wärmesenke bzw. Wärmequelle geführten Teils des Fluids zu einem abgeleiteten Volumenstrom des anderen Teils des Fluids größer als 0,5.The fluid is preferably divided in such a way that part of the fluid that is fed to the desired heat sink or heat source is larger than the other part of the fluid. In particular, the proportion of a usable volume flow of the part of the fluid guided to the desired heat sink or heat source to a derived volume flow of the other part of the fluid is greater than 0.5.

Ein elektronisches Rechengerät ist eingerichtet das obenstehende Verfahren auszuführen, um die Vorrichtung zum Wärmetausch zu steuern.An electronic computing device is set up to carry out the above method in order to control the device for heat exchange.

FigurenlisteFigure list

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

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch mit zwei elastokalorischen Systemen, die mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werde kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines elastokalorischen Systems aus 1.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines elastokalorischen Systems aus 1.
4a und 4b zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines elastokalorischen Systems aus 1 zu verschiedenen Zeitpunkten.

Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the description below.

1 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention for heat exchange with two elastocaloric systems, which can be operated by means of an embodiment of the method according to the invention.
2 FIG. 14 shows a schematic representation of a first embodiment of an elastocaloric system from FIG 1 .
3 FIG. 13 shows a schematic representation of a second embodiment of an elastocaloric system from FIG 1 .
4a and 4b each show a schematic representation of a third embodiment of an elastocaloric system from 1 at different times.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch mit zwei elastokalorischen Systemen 1 und 2, die kaskadenartig auf ein Fluid einwirken. Dabei wirkt das elastokalorische System 1 der ersten Stufe zuerst auf das Fluid ein und nachfolgend das elastokalorische System 2 der zweiten Stufe. Darüber hinaus können in weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispielen weitere elastokalorische Systeme, d. h. weitere Stufen, vorgesehen sein, die dann ebenfalls kaskadenartig auf das Fluid einwirken. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention for heat exchange with two elastocaloric systems 1 and 2 that act on a fluid like a cascade. The elastocaloric system works here 1 In the first stage, first the fluid and then the elastocaloric system 2 the second stage. In addition, further elastocaloric systems, that is to say further stages, can be provided in further exemplary embodiments, not shown, which then also act in a cascade-like manner on the fluid.

Für den Fall, dass das Fluid ein Gas, wie z. B. Luft ist, erfolgt die Ansaugung der Luft und die Bewegung des Luftvolumenstroms über Lüfter, die an verschiedenen Stellen in den elastokalorische Systemen 1, 2 montiert sein können. Die Lüfter sind hier nicht dargestellt, können aber beispielsweise direkt am Einlass 13, am Auslass 28 der elastokalorischen Systemen 1, 2 und/oder am Übergang 18 zwischen den Systemen 1, 2. und/oder in den Leitungen der Führung angeordnet sein. Für den Fall, dass das Fluid eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser ist, erfolgt die Bewegung des Flüssigkeitsstroms durch Anlegen eines Drucks am Eingang des elastokalorischen Systems 1. Der Druck kann vorzugsweise durch eine Pumpe erzeugt werden, die auch den im System typischen Druckverlust ausgleicht.In the event that the fluid is a gas, such as. B. is air, the suction of the air and the movement of the air volume flow takes place via fans at different points in the elastocaloric systems 1 , 2 can be mounted. The fans are not shown here, but can, for example, be installed directly at the inlet 13 , at the outlet 28 of the elastocaloric systems 1 , 2 and / or at the transition 18th between the systems 1 , 2 . and / or be arranged in the lines of the guide. In the event that the fluid is a liquid, such as. B. is water, the movement of the liquid flow occurs by applying pressure at the entrance of the elastocaloric system 1 . The pressure can preferably be generated by a pump which also compensates for the pressure loss typical in the system.

Zudem weist die Vorrichtung zum Wärmetausch eine Wärmesenke 3 und eine Wärmequelle 4 auf. In diesem und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung zum Wärmetausch eingerichtet, ein Fluid abzukühlen und damit eine möglichst große Kühlung für die Wärmequelle bereitzustellen. In weiteren Ausführungsbeispielen, die nicht explizit dargestellt sind, kann die Vorrichtung zum Wärmetausch eingerichtet sein, ein Fluid zu erwärmen und damit eine möglichst große Erwärmung für die Wärmesenke bereitzustellen. Im Vergleich zur nachfolgenden Beschreibung ändert sich im Wesentlichen, dass die Wärmesenke und die Wärmequelle getauscht werden und statt des Verformens der elastokalorischen Elemente eine Rückverformung erfolgt und umgekehrt, sodass sich die Vorzeichen der Temperaturänderung ändern.In addition, the device for heat exchange has a heat sink 3 and a heat source 4th on. In this and the following exemplary embodiments, the device for heat exchange is set up to cool a fluid and thus to provide the greatest possible cooling for the heat source. In further exemplary embodiments, which are not explicitly shown, the device for heat exchange can be set up to heat a fluid and thus provide the greatest possible heating for the heat sink. Compared to the description below, the main difference is that the heat sink and the heat source are exchanged and, instead of deforming the elastocaloric elements, a return deformation takes place and vice versa, so that the signs of the temperature change change.

Die beiden elastokalorischen Systeme 1 und 2 (und gegebenenfalls auch weitere hier nicht gezeigte elastokalorischen Systeme) sind im Wesentlichen gleich aufgebaut und weisen jeweils elastokalorische Elemente 11 bzw. 21 auf, die mit einem Aktor 12 bzw. 22 verbunden sind, der die elastokalorischen Elemente 11 bzw. 21 verformt. In 1 sind die elastokalorische Elemente 11, 21, der Aktor 12, 22 und deren Zusammenwirken sowie die Fluidführung vereinfacht dargestellt; und es wird für eine detailliertere Beschreibung dieser Komponenten und deren Zusammenwirken auf die Ausführungsbeispiele zu den 2 bis 4 verwiesen.The two elastocaloric systems 1 and 2 (and possibly also other elastocaloric systems not shown here) are essentially constructed in the same way and each have elastocaloric elements 11 or. 21st on that with an actuator 12 or. 22nd connected to the elastocaloric elements 11 or. 21st deformed. In 1 are the elastocaloric elements 11 , 21st , the actuator 12 , 22nd and their interaction as well as the fluid flow shown in simplified form; and for a more detailed description of these components and their interaction on the exemplary embodiments to the 2 to 4th referenced.

Zwischen den elastokalorischen Systemen 1, 2 ist eine thermische Isolierung 5 vorgesehen, durch die kein ungewollter Wärmeaustausch zwischen den elastokalorischen Systemen 1, 2 stattfindet. Um die elastokalorischen Systeme 1, 2 herum ist ein Gehäuse 6 mit einer thermischen Isolierung angeordnet, welche die elastokalorischen Systeme 1, 2 gegenüber der Umgebung thermisch isoliert, sodass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Dadurch können die elastokalorischen Elemente 11, 21 auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt und abgekühlt werden.Between the elastocaloric systems 1 , 2 is a thermal insulation 5 provided, through which no unwanted heat exchange between the elastocaloric systems 1 , 2 takes place. To the elastocaloric systems 1 , 2 around is an enclosure 6th arranged with a thermal insulation, which the elastocaloric systems 1 , 2 Thermally insulated from the environment so that no heat exchange takes place with the environment. This allows the elastocaloric elements 11 , 21st be heated and cooled to different temperatures.

Die elastokalorischen Elemente 11, 21 der unterschiedlichen elastokalorischen Systeme 1, 2 bestehen aus unterschiedlichen elastokalorischen Materialien, die bei unterschiedlichen Temperaturen, die das Fluid in dem jeweiligen elastokalorischen System 1, 2 aufweist, einen optimalen elastokalorischen Effekt aufweist. Weiter unten wird die Auswahl der elastokalorischen Materialien für die beiden elastokalorischen Systeme 1, 2 im Detail beschrieben. Als Maß für einen optimalen elastokalorischen Effekt kann die Austenite-Finish-Temperatur (A_f) verwendet werden, welche die Temperatur, unterhalb der der elastokalorische Effekt nicht mehr zu nutzen ist, bezeichnet. In einem Kühlmodus liegt die Austenite-Finish-Temperatur des zweiten elastokalorischen Materials des zweiten elastokalorische Elements 21 niedriger als die Austenite-Finish-Temperatur des ersten elastokalorischen Materials des ersten elastokalorische Elements 11. In einem Heizmodus sind die Materialeigenschaften dementsprechend umgekehrt, d.h. das zweite elastokalorische Material des zweiten elastokalorischen Elements 21 weist eine höhere Austenite-Finish-Temperatur als das erste elastokalorische Material des ersten elastokalorischen Elements 11 auf. Sind weitere Stufen vorgesehen, so nimmt die Austenite-Finish-Temperatur für die elastokalorischen Materialien der weiteren Stufen für den Kühlmodus immer weiter ab und für den Heizmodus immer weiter zu.The elastocaloric elements 11 , 21st of the different elastocaloric systems 1 , 2 consist of different elastocaloric materials which, at different temperatures, affect the fluid in the respective elastocaloric system 1 , 2 has, has an optimal elastocaloric effect. Below is the selection of elastocaloric materials for the two elastocaloric systems 1 , 2 described in detail. The austenite finish temperature (A _f ), which denotes the temperature below which the elastocaloric effect can no longer be used, can be used as a measure of an optimal elastocaloric effect. In a cooling mode, the austenite finish temperature of the second elastocaloric material of the second elastocaloric element is 21st lower than the austenite finish temperature of the first elastocaloric material of the first elastocaloric element 11 . In a heating mode, the material properties are correspondingly reversed, ie the second elastocaloric material of the second elastocaloric element 21st has a higher austenite finish temperature than the first elastocaloric material of the first elastocaloric element 11 on. If further stages are provided, then the austenite finish temperature for the elastocaloric materials of the further stages for the cooling mode continues to decrease and for the heating mode continues to increase.

Die elastokalorischen Elemente 11 bzw. 21 könnten bspw. folgende elastokalorischen Legierungszusammensetzungen aufweisen:

+30°C < Af < +60°C
Ni50Ti48Fe2 - Af-Temperatur 39.8°C, insbesondere für einen Einsatz oberhalb von 40°C
Ni50Ti46Co4 - Af-Temperatur 50.5°C, insbesondere für einen Einsatz oberhalb von 50°C
+10°C < Af < +30°C
Ni50Ti47.5Fe2.5 - Af-Temperatur 26°C, insbesondere für einen Einsatz oberhalb von 26°C
Ni50Ti44.5Co5.5 - Af-Temperatur 23.3°C, insbesondere für einen Einsatz oberhalb von 23°C
-10°C < Af < +10°C
Ni51.1Ti48.9 - Af-Temperatur 4°C, insbesondere für einen Einsatz oberhalb von 4°C
Ni45Ti47.25Cu5V2.75 - Af-Temperatur 5.2°C, insbesondere für einen Einsatz oberhalb von 5°C
Ni50Ti42.5Co7.5- Af-Temperatur -0.8°C, insbesondere für einen Einsatz oberhalb von 0°C
Af < -10°C (Ni-Ti-Cu-X)
(Ti55Ni33Cu12)(100-x)Cox mit Co3.6 - Af-Temperatur -13°C (Ti55Ni33Cu12)(100-x)Cox mit Co5.3 - Af-Temperatur -50°C Ni39.5Ti50.5Cu10 - Af-Temperatur -10.3°C
Ni40.7Ti49.3Cu10 - Af-Temperatur -43.5°C

The elastocaloric elements 11 or. 21st could, for example, have the following elastocaloric alloy compositions:

+ 30 ° C <Af <+ 60 ° C
Ni50Ti48Fe2 - Af temperature 39.8 ° C, especially for use above 40 ° C
Ni50Ti46Co4 - Af temperature 50.5 ° C, especially for use above 50 ° C
+ 10 ° C <Af <+ 30 ° C
Ni50Ti47.5Fe2.5 - Af temperature 26 ° C, especially for use above 26 ° C
Ni50Ti44.5Co5.5 - Af temperature 23.3 ° C, especially for use above 23 ° C
-10 ° C <Af <+ 10 ° C
Ni51.1Ti48.9 - Af temperature 4 ° C, especially for use above 4 ° C
Ni45Ti47.25Cu5V2.75 - Af temperature 5.2 ° C, especially for use above 5 ° C
Ni50Ti42.5Co7.5- Af-Temperature -0.8 ° C, especially for use above 0 ° C
Af <-10 ° C (Ni-Ti-Cu-X)
(Ti55Ni33Cu12) (100-x) Cox with Co3.6 - Af-temperature -13 ° C (Ti55Ni33Cu12) (100-x) Cox with Co5.3 - Af-temperature -50 ° C Ni39.5Ti50.5Cu10 - Af- Temperature -10.3 ° C
Ni40.7Ti49.3Cu10 - Af temperature -43.5 ° C

Es wird über ein Einlassventil 13 ein Fluid mit der Eingangstemperatur T₀ und mit einem Volumenstrom Q₀ aus der Umgebung als Reservoir in das erste elastokalorische System 1 eingeleitet. Ist das Fluid ein Gas, wie z. B. Luft, ist am Einlassventil 13 ein Lüfter (hier nicht gezeigt) angeordnet, der das Gas ansaugt und durch die Führung bewegt. Das Fluid wird durch ein erstes Steuerventil 14 in einen ersten Volumenstrom Q₁ und einen zweiten Volumenstrom Q₂ geteilt und zwar gemäß folgender Formel 1: $Q_{1} = x_{1} * Q_{0} u n d Q_{2} = (1 - x_{1}) * Q_{0} m i t 0 < x_{1} < 0$

Der Faktor x₁ ist im Kühlmodus größer als 0,5.It gets through an inlet valve 13 a fluid with the inlet temperature T ₀ and with a volume flow Q ₀ from the environment as a reservoir into the first elastocaloric system 1 initiated. If the fluid is a gas, e.g. B. air, is at the inlet valve 13 a fan (not shown here) is arranged, which sucks in the gas and moves it through the guide. The fluid is through a first control valve 14th divided into a first volume flow Q ₁ and a second volume flow Q ₂ according to the following formula 1:

Q_{1} = x_{1} * Q_{0} u n d Q_{2} = (1 - x_{1}) * Q_{0} m i t 0 < x_{1} < 0

The factor x ₁ is greater than 0.5 in cooling mode.

Das elastokalorische Material des elastokalorischen Elements 11 der ersten Stufe weist bei der Eingangstemperatur T₀ einen optimalen elastokalorischen Effekt auf, sodass bei der Rückverformung ein größtmöglicher Temperaturunterschied -ΔT₁ erzeugt wird. Gleichermaßen erzeugt das elastokalorische Element 11 beim Verformen einen entsprechenden Temperaturunterschied +ΔT₁. Dieser Prozess ist in den untenstehenden Ausführungsbeispielen zu den 2 bis 4 im Detail beschrieben.The elastocaloric material of the elastocaloric element 11 The first stage has an optimal elastocaloric effect at the inlet temperature T ₀ , so that the greatest possible temperature difference -ΔT _{1 is} generated during the recovery. Similarly, the elastocaloric element produces 11 a corresponding temperature difference + ΔT ₁ during deformation. This process is similar to the examples below 2 to 4th described in detail.

Der erste Volumenstrom Q₁ wird über einen ersten Kanal 15 geleitet, der hier als Kaltkanal ausgebildet ist, in dem das elastokalorische Element 11 bei dessen Rückverformung Wärme von dem Fluid aufnimmt und demnach den ersten Volumenstrom Q₁ auf eine Temperatur T₀ - ΔT₁ abgekühlt. Der zweite Volumenstrom Q₂ wird über einen zweiten Kanal 16 geleitet, der hier als Heißkanal ausgebildet ist, in dem das elastokalorische Element 11 bei dessen Verformung Wärme an das Fluid abgibt und demnach den zweiten Volumenstrom Q₂ auf eine Temperatur T₀ + ΔT₁ erwärmt.The first volume flow Q ₁ is via a first channel 15th guided, which is designed here as a cold channel in which the elastocaloric element 11 absorbs heat from the fluid when it is deformed and therefore the first volume flow Q ₁ cooled to a temperature T ₀ - ΔT ₁ . The second volume flow Q ₂ is via a second channel 16 guided, which is designed here as a hot runner in which the elastocaloric element 11 releases heat to the fluid when it is deformed and accordingly heats the second volume flow Q ₂ to a temperature T ₀ + ΔT ₁ .

Die Volumenströme Q₁ und Q₂ werden einem zweiten Steuerventil 17 zugeführt. In diesem Beispiel weist das Steuerventil 17 zwei 2-Wege-Ventile 171, 172 auf, mit denen die Volumenströme Q₁ und Q₂ entweder über ein erstes Auslassventil 18 in das zweite elastokalorische System 2 geführt werden oder über ein zweites Auslassventil 19 ausgeleitet werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das zweite Steuerventil 17 als einzelnes Ventil ausgebildet sein. In noch weiteren Ausführungsbeispielen können das zweite Steuerventil 17 und die Auslassventile 18, 19 als einzelnes komplexes Steuerventil ausgebildet sein.The volume flows Q ₁ and Q ₂ are a second control valve 17th fed. In this example, the control valve 17th two 2-way valves 171 , 172 with which the volume flows Q ₁ and Q ₂ either via a first outlet valve 18th into the second elastocaloric system 2 or via a second outlet valve 19th be diverted. In further exemplary embodiments, the second control valve 17th be designed as a single valve. In still further exemplary embodiments, the second control valve 17th and the exhaust valves 18th , 19th be designed as a single complex control valve.

Im Kältemodus wird im abgebildeten Zeitintervall der erwärmte zweite Volumenstrom Q₂ mittels des zweiten 2-Wege-Ventils 172 durch das zweite Auslassventil 19 zu der als Wärmesenke 3 dienenden Umgebung als Reservoir geführt. Der abgekühlte erste Volumenstrom Q₁ mit der Temperatur T₀ - ΔT₁ wird mittels des ersten 2-Wege-Ventils 171 durch das erste Auslassventil 18 in das zweite elastokalorische System 2 eingeleitet. Im Ausführungsbeispiel zu den 4a und 4b wirken der Aktor 12 und die elastokalorischen Elemente 11 so zusammen, dass das elastokalorische Element 11 in nacheinander folgenden, unterschiedlichen Zeitintervallen im gleichen Kanal 15, 16 Wärme abgibt und aufnimmt. In diesem Fall werden das erste Steuerventil 14 und die beiden 2-Wege-Ventile 171, 172 des zweiten Steuerventils 17 derart gesteuert dass der abgekühlte Volumenstrom über das Auslassventil in das zweite elastokalorische System 2 geführt wird. Weiter unten wird dieses Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.In the cooling mode, the heated second volume flow Q ₂ is activated by means of the second 2-way valve in the time interval shown 172 through the second exhaust valve 19th to that as a heat sink 3 serving environment as a reservoir. The cooled first volume flow Q ₁ with the temperature T ₀ - ΔT ₁ is by means of the first 2-way valve 171 through the first exhaust valve 18th into the second elastocaloric system 2 initiated. In the exemplary embodiment to the 4a and 4b act the actuator 12 and the elastocaloric elements 11 so together that the elastocaloric element 11 in successive, different time intervals in the same channel 15th , 16 Gives off and absorbs heat. In this case it will be the first control valve 14th and the two 2-way valves 171 , 172 of the second control valve 17th controlled in such a way that the cooled volume flow through the outlet valve into the second elastocaloric system 2 to be led. This embodiment is described in detail below.

Im zweiten elastokalorischen System 2 wird der erste Volumenstrom Q₁ durch ein drittes Steuerventil 24 in einen dritten Volumenstrom Q₃ und einen vierten Volumenstrom Q₄ geteilt und zwar gemäß folgender Formel 2: $Q_{3} = x_{2} * Q_{1} u n d Q_{4} = (1 - x_{2}) * Q_{1} m i t 0 < x_{2} < 0$

Der Faktor x₂ ist im Kühlmodus ebenfalls größer als 0,5.In the second elastocaloric system 2 the first volume flow Q _{1 is} through a third control valve 24 divided into a third volume flow Q ₃ and a fourth volume flow Q ₄ according to the following formula 2:

Q_{3} = x_{2} * Q_{1} u n d Q_{4th} = (1 - x_{2}) * Q_{1} m i t 0 < x_{2} < 0

The factor x ₂ is also greater than 0.5 in cooling mode.

Der dritte Volumenstrom Q₃ wird in einen dritten Kanal 25 geleitet, wo bei einem Start der Maschine erst einmal Wärme vom elastokalorischen Element 21 aufnimmt, um es vorzukühlen. Das elastokalorische Material des elastokalorischen Elements 21 der zweiten Stufe weist bei der niedrigeren Temperatur T₀ - ΔT₁ des eingeleiteten, abgekühlten ersten Volumenstroms Q₁ - diese niedrigere Temperatur ist aus den Parametern des ersten elastokalorischen Systems 1 für das verwendete elastokalorisches Material, die aufgewendete Rückverformung und der Eingangstemperatur T₀ bekannt - einen optimalen elastokalorischen Effekt auf, sodass bei der Rückverformung ein größtmöglicher Temperaturunterschied -ΔT₂ erzeugt wird. Gleichermaßen erzeugt das elastokalorische Element 11 beim Verformen einen entsprechenden Temperaturunterschied +ΔT₂.The third volume flow Q ₃ is in a third channel 25th where, when the machine is started, heat from the elastocaloric element is the first step 21st absorbs to pre-cool it. The elastocaloric material of the elastocaloric element 21st the second stage has at the lower temperature T ₀ - ΔT _{1 of} the introduced, cooled first volume flow Q ₁ - this lower temperature is derived from the parameters of the first elastocaloric system 1 Known for the elastocaloric material used, the rebound applied and the input temperature T ₀ - an optimal elastocaloric effect, so that the greatest possible temperature difference -ΔT _{2 is} generated during rebound. Similarly, the elastocaloric element produces 11 a corresponding temperature difference + ΔT ₂ during deformation.

Nachdem das elastokalorische Element 21 der zweiten Stufe auf die Temperatur T₀ - ΔT₁ abgekühlt ist und damit aktiv ist (siehe auch oben bezüglich der Austenite-Finish-Temperatur), nimmt das elastokalorische Element 21 Wärme von dem Fluid im dritten Kanal 25, der nun als Kaltkanal ausgebildet ist, auf und kühlt demnach den bereits abgekühlten dritten Volumenstrom Q₃ weiter auf eine niedrigere Temperatur T₀ - ΔT₁ - ΔT₂ ab. Der vierte Volumenstrom Q₄ wird über einen vierten Kanal 16 geleitet, der nun als Heißkanal ausgebildet ist, in dem das elastokalorische Element 11 bei dessen Verformung Wärme an das Fluid abgibt und demnach den vierten Volumenstrom Q₄ auf eine Temperatur T₀ - ΔT₁ + ΔT₂ erwärmt.After the elastocaloric element 21st the second stage has cooled to the temperature T ₀ - ΔT ₁ and is therefore active (see also above with regard to the austenite finish temperature), the elastocaloric element takes 21st Heat from the fluid in the third channel 25th , which is now designed as a cold channel, and accordingly cools the already cooled third volume flow Q ₃ further to a lower temperature T ₀ - ΔT ₁ - ΔT ₂ . The fourth volume flow Q ₄ is via a fourth channel 16 guided, which is now designed as a hot runner in which the elastocaloric element 11 gives off heat to the fluid when it is deformed and accordingly heats the fourth volume flow Q ₄ to a temperature T ₀ - ΔT ₁ + ΔT ₂ .

Die Volumenströme Q₃ und Q₄ werden einem vierten Steuerventil 27 zugeführt. In diesem Beispiel weist das Steuerventil 27 ebenfalls zwei 2-Wege-Ventile 271, 272 auf. Analog kann in weiteren Ausführungsbeispielen das zweite Steuerventil 27 als einzelnes Ventil ausgebildet sein und in noch weiteren Ausführungsbeispielen können das zweite Steuerventil 27 und die Auslassventile 28, 29 als einzelnes komplexes Steuerventil ausgebildet sein.The volume flows Q ₃ and Q ₄ are a fourth control valve 27 fed. In this example, the control valve 27 also two 2-way valves 271 , 272 on. In further exemplary embodiments, the second control valve can analogously 27 be designed as a single valve and in still further embodiments the second control valve 27 and the exhaust valves 28 , 29 be designed as a single complex control valve.

Im Kältemodus wird der vierte Volumenstrom Q₄ mittels des zweiten 2-Wege-Ventils 272 durch das vierte Auslassventil 29 zu der als Wärmesenke 3 dienenden Umgebung als Reservoir geführt. In diesem Ausführungsbeispiel hat der weiter abgekühlte dritte Volumenstrom Q₃ mit der Temperatur T₀ - ΔT₁ - ΔT₂ die gewünschte Temperatur erreicht und wird mittels des dritten 2-Wege-Ventils 271 durch das dritte Auslassventil 28 zu einer gewünschten Wärmequelle 4, z. B. einem zu kühlenden Innenraum, geführt. Für den Fall, dass das Fluid ein Gas, wie z. B. Luft, ist, dieses direkt in den Zielort eingeleitet werden. Für den Fall, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist, wird diese einem an sich bekannten Wärmetauscher zugeführt, der die Wärme dann an den Zielort überträgt. Das obengenannte und weiter unten im Detail beschriebene Ausführungsbeispiel nach den 4a und 4b kann für das Zusammenwirken des Aktors 22 und der elastokalorischen Elemente 21 sowie für die Steuerung der Steuerventile 24 und 27 übernommen werden.In the cooling mode, the fourth volume flow Q ₄ is controlled by means of the second 2-way valve 272 through the fourth exhaust valve 29 to that as a heat sink 3 serving environment as a reservoir. In this exemplary embodiment, the third volume flow Q ₃ , which has been cooled further, has reached the desired temperature with the temperature T ₀ - ΔT ₁ - ΔT ₂ and is activated by means of the third 2-way valve 271 through the third exhaust valve 28 to a desired heat source 4th , e.g. B. an interior to be cooled out. In the event that the fluid is a gas, such as. B. air, this is introduced directly into the destination. In the event that the fluid is a liquid, this is fed to a heat exchanger known per se, which then transfers the heat to the destination. The embodiment according to the above and described in detail below 4a and 4b can for the interaction of the actuator 22nd and the elastocaloric elements 21st as well as for controlling the control valves 24 and 27 be taken over.

In weiteren Ausführungsbeispielen können weitere Stufen vorgesehen sein. Der (immer) weiter abgekühlte Volumenstrom wird über ein Auslassventil zu einer nachfolgenden Stufe geführt. Hat der abgekühlte Volumenstrom die gewünschte Temperatur erreicht, wird er wie vorstehend beschrieben zu der gewünschten Wärmequelle geführt.Further stages can be provided in further exemplary embodiments. The (always) further cooled volume flow is led to a subsequent stage via an outlet valve. When the cooled volume flow has reached the desired temperature, it is led to the desired heat source as described above.

Die 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen zweier Ausführungsbeispiele des ersten elastokalorischen Systems 1. Wie oben bereits beschrieben, sind das zweite elastokalorische System 2 und gegebenenfalls weitere elastokalorische Systeme höherer Stufen im Wesentlichen gleich aufgebaut. In diesen Ausführungsbeispielen ist ein rotierender Aktor 120 vorgesehen, der die elastokalorische Elemente 11 durch Rotation verformt und rückverformen lässt. Hierfür bewegen sich die elastokalorische Elemente 11 entlang einer hier nicht gezeigten Kontur, welche auf elastokalorischen Elemente 11 einwirkt. In 2 liegt die Rotationsebene des rotierenden Aktors 120 parallel zur Strömungsrichtung des Fluids durch die Kanäle 15, 16 (in der Blattebene) und der Aktor 120 rotiert im Uhrzeigersinn. In 3 ist die Rotationsebene des Aktors 120 beibehalten und der Aktor 120 rotiert ebenfalls im Uhrzeigersinn, die Kanäle 15, 16 sind senkrecht zu der Rotationsebene des Aktors 120 angeordnet. Mehrere elastokalorische Systeme können mit demselben Aktor 120 angetrieben werden, wobei der Aktor 120 dann als Welle ausgebildet ist, die durch alle elastokalorischen Systeme führt und alle elastokalorischen Elemente 11, 21 durch Rotation verformt und rückverformen lässt.The 2 and 3 show schematic representations of two exemplary embodiments of the first elastocaloric system 1 . As described above, the second are elastocaloric systems 2 and possibly further elastocaloric systems of higher levels of essentially the same structure. In these exemplary embodiments, there is a rotating actuator 120 provided of the elastocaloric elements 11 deformed and reshaped by rotation. For this, the elastocaloric elements move 11 along a contour, not shown here, which is based on elastocaloric elements 11 acts. In 2 is the plane of rotation of the rotating actuator 120 parallel to the direction of flow of the fluid through the channels 15th , 16 (in the sheet level) and the actuator 120 rotates clockwise. In 3 is the plane of rotation of the actuator 120 retained and the actuator 120 also rotates clockwise, the channels 15th , 16 are perpendicular to the plane of rotation of the actuator 120 arranged. Several elastocaloric systems can use the same actuator 120 be driven, the actuator 120 is then designed as a wave that leads through all elastocaloric systems and all elastocaloric elements 11 , 21st deformed and reshaped by rotation.

In beiden Fällen werden die elastokalorischen Elemente 11 in Punkt 11a verformt, wobei sie sich erwärmen, sie geben zeitlich konstant am ortsfesten Heißpunkt 11b ihre Wärme in den zweiten Kanal 16 ab, der folglich als Heißkanal ausgebildet ist, und sind in Punkt 11c auf die Anfangstemperatur abgekühlt. In Punkt 11d erfolgt eine Rückverformung der elastokalorischen Elemente 11, wobei sie sich abkühlen, sie nehmen zeitlich konstant am ortfesten Kaltpunkt 11e Wärme aus ersten Kanal 15 auf, der folglich als Kaltkanal ausgebildet ist, und sind in Punkt 11f auf die Anfangstemperatur erwärmt.In both cases the elastocaloric elements 11 in point 11a deformed, whereby they heat up, they give constant time at the fixed hot point 11b their warmth in the second channel 16 from, which is consequently designed as a hot runner, and are in point 11c cooled to the initial temperature. In point 11d the elastocaloric elements are deformed back 11 , whereby they cool down, they take time constantly at the fixed cold point 11e Heat from first channel 15th on, which is consequently designed as a cold runner, and are in point 11f heated to the initial temperature.

Der Volumenstrom Q₀ aus der Umgebung wird eingeleitet und teilt sich dann in den ersten Volumenstrom Qi, der durch den als ortsfesten und zeitlich konstanten Kaltkanal ausgebildeten ersten Kanal 15 strömt, und in den zweiten Volumenstrom Q₂, der durch den als ortfesten und zeitlich konstanten Heißkanal ausgebildeten zweiten Kanal 16 strömt. Die Aufteilung erfolgt durch eine einfache Abzweigung in der Fluidführung. Aus dem als Kaltkanal ausgebildeten ersten Kanal 15 wird der abgekühlte erste Volumenstrom Q₁ mit der Temperatur T₀ - ΔT₁ direkt zu dem ersten Auslassventil 18 geführt und von dort aus in das nachfolgende elastokalorischen System 2 eingeleitet oder für den Fall, dass das elastokalorische System das Letzte ist, dem Zielort zugeführt. Aus dem als Heißkanal ausgebildeten zweiten Kanal 16 wird der erwärmte zweite Volumenstrom mit der Temperatur T₀ + ΔT₁ direkt zu dem zweiten Auslassventil 19 geführt und von dort abgeleitet. In diesem Ausführungsbeispiel ist keine zeitabhängige Ansteuerung nötig und die Steuerventile 14 und 17 entfallen.The volume flow Q ₀ from the environment is introduced and then divides into the first volume flow Qi, which is formed by the first channel, which is designed as a stationary and temporally constant cold channel 15th flows, and into the second volume flow Q ₂ , which flows through the second channel designed as a fixed and temporally constant hot runner 16 flows. The division is made by a simple branch in the fluid guide. From the first channel designed as a cold channel 15th the cooled first volume flow Q ₁ with the temperature T ₀ - ΔT _{1 is sent} directly to the first outlet valve 18th and from there into the subsequent elastocaloric system 2 initiated or, in the event that the elastocaloric system is the last, fed to the destination. From the second channel designed as a hot runner 16 the heated second volume flow with the temperature T ₀ + ΔT _{1 is sent} directly to the second outlet valve 19th guided and derived from there. In this exemplary embodiment, no time-dependent activation and the control valves are necessary 14th and 17th omitted.

Die 4a und 4b zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des ersten elastokalorischen Systems 1 zu nachfolgenden Zeitintervallen. Wie oben bereits beschrieben, sind das zweite elastokalorische System 2 und gegebenenfalls weitere elastokalorische Systeme höherer Stufen im Wesentlichen gleich aufgebaut. Der Aktor 125 ist ausgebildet, die elastokalorischen Elemente 11 zu verformen und diese rückverformen zu lassen, ohne diese räumlich zu bewegen. Demnach entstehen an den gleichen Punkten abwechselnd Heißpunkte, an denen die elastokalorischen Elemente 11 verformt werden und Wärme abgeben, und Kaltpunkte, an denen sich die elastokalorischen Elemente rückverformen und Wärme aufnehmen. Dadurch entsteht abwechselnd in den Kanälen 15 und 16 Heißkanäle und Kaltkanäle.The 4a and 4b each show a schematic representation of a third embodiment of the first elastocaloric system 1 at subsequent time intervals. As described above, the second are elastocaloric systems 2 and possibly further elastocaloric systems of higher levels of essentially the same structure. The actuator 125 is designed, the elastocaloric elements 11 to deform and to let them deform back without moving them spatially. Accordingly, hot spots alternate at the same points, at which the elastocaloric elements 11 deformed and give off heat, and cold spots at which the elastocaloric elements deform back and absorb heat. This is created alternately in the channels 15th and 16 Hot runners and cold runners.

In 4a ist ein erstes Zeitintervall dargestellt. Das Steuerventil 14 wird angesteuert, den Volumenstrom Q₀ aus der Umgebung in den ersten Volumenstrom Q₁ und in den zweiten Volumenstrom Q₂ aufzuteilen und zwar gemäß obengenannter Formel 1. In diesem Zeitintervall ist der Faktor x₁ kleiner als 0,5. Der erste Volumenstrom Q₁ wird in den ersten Kanal 15 eingeleitet, in dem die elastokalorischen Elemente 11 in diesem Zeitintervall verformt werden, wobei sie sich erwärmen, sodass sie Wärme in den ersten Kanal 15 abgeben und dieser folglich in diesem Zeitintervall als Heißkanal ausgebildet ist. Der erwärmte erste Volumenstrom Q₁ mit der Temperatur T₀ + ΔT₁ wird zum ersten 2-Wege-Ventil 171 des zweiten Steuerventils 17 geführt. Das erste 2-Wege-Ventil 171 wird in diesem Zeitintervall so angesteuert, dass der erwärmte erste Volumenstrom Q₁ durch das Auslassventil 19 ausgeleitet wird. Der zweite Volumenstrom Q₂ wird in den zweiten Kanal 16 eingeleitet, in dem sich die elastokalorischen Elemente 11 in diesem Zeitintervall rückverformen, wobei sie sich abkühlen, sodass sie Wärme an den zweiten Kanal 16 abgeben, der folglich in diesem Zeitintervall als Kaltkanal ausgebildet ist. Der abgekühlte zweite Volumenstrom Q₂ mit der Temperatur T₀ - ΔT₁ wird zum zweiten 2-Wege-Ventil 172 des zweiten Steuerventils 17 geführt. Das zweite 2-Wege-Ventil 171 wird in diesem Zeitintervall so angesteuert, dass der abgekühlte zweite Volumenstrom Q₂ durch das Auslassventil 18 in das nachfolgenden elastokalorischen System 2 eingeleitet wird oder für den Fall, dass das elastokalorische System das Letzte ist, dem Zielort zugeführt wird.In 4a a first time interval is shown. The control valve 14th is controlled to split the volume flow Q ₀ from the environment into the first volume flow Q ₁ and the second volume flow Q ₂ according to the above formula 1. In this time interval, the factor x _{1 is} less than 0.5. The first volume flow Q ₁ is in the first channel 15th initiated in which the elastocaloric elements 11 in this time interval are deformed, whereby they heat up, so that they heat in the first channel 15th release and this is consequently designed as a hot runner in this time interval. The heated first volume flow Q ₁ with the temperature T ₀ + ΔT ₁ becomes the first 2-way valve 171 of the second control valve 17th guided. The first 2-way valve 171 is controlled in this time interval so that the heated first volume flow Q ₁ through the outlet valve 19th is diverted. The second volume flow Q ₂ is in the second channel 16 initiated in which the elastocaloric elements 11 in this time interval they deform back, whereby they cool down, so that they heat to the second channel 16 release, which is consequently designed as a cold channel in this time interval. The cooled second volume flow Q ₂ with the temperature T ₀ - ΔT ₁ becomes the second 2-way valve 172 of the second control valve 17th guided. The second 2-way valve 171 is controlled in this time interval so that the cooled second volume flow Q ₂ through the outlet valve 18th into the following elastocaloric system 2 is initiated or, in the event that the elastocaloric system is the last, is supplied to the destination.

In 4b ist ein zweites Zeitintervall, der dem ersten Zeitintervall nachfolgt, dargestellt. Das Steuerventil 14 wird angesteuert, den Volumenstrom Q₀ aus der Umgebung in den ersten Volumenstrom Q₁ und in den zweiten Volumenstrom Q₂ aufzuteilen und zwar gemäß obengenannter Formel 1. In diesem Zeitintervall ist der Faktor x₁ größer als 0,5. Der erste Volumenstrom Q₁ wird in den ersten Kanal 15 eingeleitet, in dem sich die elastokalorischen Elemente 11 in diesem Zeitintervall rückverformen, wobei sie sich abkühlen, sodass sie Wärme an den ersten Kanal 15 abgeben und dieser folglich in diesem Zeitintervall als Kaltkanal ausgebildet ist. Der abgekühlte erste Volumenstrom Q₁ mit der Temperatur T₀ - ΔT₁ wird zum ersten 2-Wege-Ventil 171 des zweiten Steuerventils 17 geführt. Das erste 2-Wege-Ventil 171 wird in diesem Zeitintervall so angesteuert, dass der abgekühlte erste Volumenstrom Q₁ durch das Auslassventil 18 in das nachfolgenden elastokalorischen System 2 eingeleitet wird oder für den Fall, dass das elastokalorische System das Letzte ist, dem Zielort zugeführt wird. Der zweite Volumenstrom Q₂ wird in den zweiten Kanal 16 eingeleitet, in dem die elastokalorischen Elemente 11 in diesem Zeitintervall verformt werden, wobei sie sich erwärmen, sodass sie Wärme in den zweiten Kanal 16 abgeben, der folglich in diesem Zeitintervall als Heißkanal ausgebildet ist. Der erwärmte zweite Volumenstrom Q₂ mit der Temperatur T₀ + ΔT₁ wird zum zweiten 2-Wege-Ventil 171 des zweiten Steuerventils 17 geführt. Das zweite 2-Wege-Ventil 172 wird in diesem Zeitintervall so angesteuert, dass der erwärmte zweite Volumenstrom Q₂ durch das Auslassventil 19 ausgeleitet wird.In 4b a second time interval following the first time interval is shown. The control valve 14th is controlled to split the volume flow Q ₀ from the environment into the first volume flow Q ₁ and the second volume flow Q ₂ according to the above formula 1. In this time interval, the factor x _{1 is} greater than 0.5. The first volume flow Q ₁ is in the first channel 15th initiated in which the elastocaloric elements 11 in this time interval they deform back, whereby they cool down, so that they heat to the first channel 15th release and this is consequently designed as a cold channel in this time interval. The cooled first volume flow Q ₁ with the temperature T ₀ - ΔT ₁ becomes the first 2-way valve 171 of the second control valve 17th guided. The first 2-way valve 171 is controlled in this time interval so that the cooled first volume flow Q ₁ through the outlet valve 18th into the following elastocaloric system 2 is initiated or, in the event that the elastocaloric system is the last, is supplied to the destination. The second volume flow Q ₂ is in the second channel 16 initiated in which the elastocaloric elements 11 in this time interval are deformed, whereby they heat up, so that they heat in the second channel 16 release, which is consequently designed as a hot runner in this time interval. The heated second volume flow Q ₂ with the temperature T ₀ + ΔT ₁ becomes the second 2-way valve 171 of the second control valve 17th guided. The second 2-way valve 172 is activated in this time interval so that the heated second volume flow Q ₂ through the outlet valve 19th is diverted.

Die Ansteuerung der Steuerventile 14 und 17 bzw. der 2-Wege-Ventile 171 und 172 ist zeitlich mit dem Aktor 125 und der durch diesen resultierenden Verformung und Rückverformung der elastokalorischen Elemente 11 korreliert. Dadurch wird in jedem Zeitintervall der abgekühlte Volumenstrom mit der Temperatur T₀ - ΔT₁ so geführt, dass er in das nachfolgende elastokalorische System 2 eingeleitet wird oder dem Zielort zugeführt wird.The activation of the control valves 14th and 17th or the 2-way valves 171 and 172 is in time with the actuator 125 and the resulting deformation and recovery of the elastocaloric elements 11 correlated. As a result, the cooled volume flow with the temperature T ₀ - ΔT ₁ is guided in each time interval in such a way that it enters the subsequent elastocaloric system 2 is initiated or is supplied to the destination.

Mehrere elastokalorische Systeme können mit demselben Aktor 125 angetrieben werden.Several elastocaloric systems can use the same actuator 125 are driven.

Claims

Device for heat exchange, comprising: a heat source (3); a heat sink (4); and at least two elastocaloric systems (1, 2), each elastocaloric system (1, 2) having at least one elastocaloric element (11, 21), the elastocaloric elements (11, 21) of different elastocaloric systems (1, 2) comprising different elastocaloric Materials exist, the at least two elastocaloric systems (1, 2) being thermally isolated from one another (5).

Device according to Claim 1 , characterized in that several elastocaloric elements (11, 21) are connected to a common actuator (12, 120, 125, 22) for deformation.

Device according to Claim 1 or 2 , characterized in that each elastocaloric system (1, 2) has a guide for a fluid which is set up to carry the fluid through the elastocaloric system (1, 2) via the at least one elastocaloric element (11, 21) to the heat sink ( 3) or the heat source (4) or to a subsequent elastocaloric system (2).

Device according to Claim 3 , characterized in that the at least one elastocaloric element (11, 21) is connected to an actuator (12, 22, 120) which is set up to move the at least one elastocaloric element (11, 21) and apply a linear force to the to apply at least one elastocaloric element (11, 21) to deform the elastocaloric element (11, 21).

Device according to Claim 4 , characterized in that the at least one elastocaloric element (11, 21) is connected to a rotating actuator (120) which is set up to apply the linear application of force to the at least one elastocaloric element (11, 21) during rotation in order to achieve the to deform elastocaloric element (11, 21).

Device according to Claim 3 , characterized in that each elastocaloric system (1, 2) has at least one control valve (14, 17, 24, 27) which is set up to control the flow path of the fluid through the guide.

Device according to one of the Claims 3 to 6th , characterized in that the guide is set up to guide at least part of the fluid to a subsequent elastocaloric system (2) and to guide another part of the fluid to the heat sink (4) or the heat source (3).

Method for heat exchange for a device for heat exchange according to one of the Claims 1 to 7th , characterized by the following steps: i) introducing the fluid into an elastocaloric system (1); ii) deforming and / or reshaping the at least one elastocaloric element (11) of the elastocaloric system (1); iii) discharging a heated part of the fluid to the heat sink (3) or discharging a cooled part of the fluid to the heat source; iv) feeding the other part of the fluid to a subsequent elastocaloric system (2); v) repeating steps ii) to iv) until the fluid has been introduced into the last elastocaloric system; vi) deforming and / or re-deforming the at least one elastocaloric element (21) of the elastocaloric system (2); vii) discharging a heated part of the fluid to the heat sink (3) and discharging the other part of the fluid to the heat source (4) or discharging a cooled part of the fluid to the heat source and discharging the other part of the fluid to the heat sink

Procedure according to Claim 8 , characterized in that the part of the fluid supplied in step iv) is used to precool or preheat the at least one elastocaloric element (21).

Procedure according to Claim 8 or 9 , characterized in that the at least one elastocaloric element (11, 21) is rotated in order to deform and / or re-deform it.

Procedure according to Claim 8 or 9 , characterized in that at least one control valve (14, 17, 24, 27) is controlled in order to introduce the fluid into the elastocaloric system (1) in step i) and / or to discharge part of the fluid in step iii) and / or in order to supply the other part of the fluid to a subsequent elastocaloric system (2) in step iv) and / or to discharge the parts of the fluid to the heat sink (3) or to the heat source (4) in step vii).

Electronic computing device which is set up to use a method according to one of the Claims 8 to 11 to control a device for heat exchange.