DE102020201880A1

DE102020201880A1 - Vorrichtung zum Wärmetausch

Info

Publication number: DE102020201880A1
Application number: DE102020201880.4A
Authority: DE
Inventors: Henrick Brandes; Holger Wuest; Alexander Gehring
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2021-08-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch, die an einem rotierenden steifen äußeren Ring angeordnete Aufhängungen (10), ringförmig angeordnete Segmente (2) mit Aufhängungen (20), die mit dem äußeren Ring mitrotieren und gegenüber den Aufhängungen (10 am äußeren Ring radial auslenkbar sind, elastokalorische Elemente (3), die radial zwischen den Aufhängungen (10) am äußeren Ring und den Aufhängungen (20) der Segmente (2) gespannt sind, und ein fixiertes Formelement (4), das Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen aufweist, welche auf die Segmente (2) wirken, umfasst. Das fixierte Formelement (4) ist so angeordnet, dass die Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen die Segmente (2) gegenüber den Aufhängungen (10) am äußeren Ring während der Rotation auslenken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch unter Ausnutzung des elastokalorischen Effekts.
Stand der Technik
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.
Nach der annähernd adiabaten Phasenumwandlung liegt die Temperatur über der Ausgangstemperatur. Die dabei entstandene Wärme kann beispielsweise an die Umgebung abgeführt werden und das Material nimmt dann Umgebungstemperatur an. Wird nun die Phasenrückumwandlung initiiert, indem die mechanische Kraft auf null reduziert wird, stellt sich eine niedrigere Temperatur als die Ausgangstemperatur ein. Es können Temperaturdifferenzen zwischen maximaler Temperatur nach der Phasenumwandlung und minimaler Temperatur nach der Rückumwandlung (bei zuvor abgegebener Wärme) von z.B. bis zu 40°C erreicht werden.
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 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.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Vorrichtung zum Wärmetausch vorgeschlagen, die einen rotierenden äußeren Ring, ringförmig angeordnete Segmente, elastokalorische Elemente und ein fixiertes Formelement aufweist. Die Segmente sind voneinander getrennt und weisen jeweils eine Aufhängung für zumindest ein elastokalorisches Element auf. Vorzugsweise sind die Segmente entlang eines inneren Rings angeordnet, der innerhalb des äußeren Rings liegt. Die Segmente sind dabei nicht fest angeordnet und lassen sich durch Druck oder Zug gegenüber dem äußeren Ring in radialer Richtung auslenken. An dem äußeren Ring sind feste Aufhängungen angeordnet. Der steife äußere Ring lässt sich quasi nicht verformen, sodass die Aufhängungen in radialer Richtung nicht verändert werden können. Der innere Ring der Segmente ist innerhalb des äußeren Rings angeordnet und die beiden Ringe liegen vorzugsweise in der gleichen Ebene. Demnach bilden der innere Ring der Segmente und der steife äußere Ring die Form eines Rads. Die elastokalorischen Elemente sind radial zwischen den Aufhängungen der Segmente und den Aufhängungen am äußeren Ring gespannt. Das heißt, die elastokalorischen Elemente sind fest mit den Segmenten und fest mit dem äußeren Ring verbunden. Vorteilhafterweise sind die elastokalorischen Elemente als Bänder oder Drähte ausgebildet, die in radialer Richtung in Form von Speichen zwischen dem inneren Ring der Segmente und dem äußeren Ring gespannt sind. Bevorzugt werden die elastokalorischen Elemente unter Vorspannung montiert und die Vorspannung wird durch den äußeren Ring und die Segmente aufrechterhalten, wenn die Segmente nicht ausgelenkt sind.
Der äußere Ring wird angetrieben, z. B. durch eine Welle, und rotiert in der Kreisebene um sein Zentrum. Die Segmente werden indirekt über den äußeren Ring angetrieben und rotieren entlang des inneren Rings vorzugsweise in der gleichen Kreisebene um das gleiche Zentrum mit dem äußeren Ring mit. Weiter unten werden bevorzugte Varianten für den indirekten Antrieb der Segmente über den äußeren Ring beschrieben.
Das fixierte Formelement weist Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen auf, welche auf die Segmente wirken. Als Ausbuchtungen bzw. Einbuchtungen werden lokale Abweichungen von der Form des Formelements, z. B. von einer Kreisform, angesehen, wobei Einbuchtungen in Richtung des Zentrums der Form gerichtet sind und Ausbuchtungen in die Gegenrichtung vom Zentrum weg gerichtet sind. Weiter unten wird eine Kurvenscheibe als Beispiel für solch ein Formelement mit Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen beschrieben. Auf Grund der Einbuchtungen und/oder der Ausbuchtungen werden die Segmente in bestimmten Abschnitten gegenüber den Aufhängungen am äußeren Ring ausgelenkt.
Das fixierte Formelement ist so angeordnet, dass die Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen mit den Segmenten in Kontakt stehen und diese auslenken, während der äußere Ring um das Formelement rotiert. Demzufolge sind die Segmente nicht mehr in einem perfekten Ring angeordnet, sondern folgen der Form des Formelements. Durch die Rotation der Segmente entlang des fixierten Formelements werden kontinuierlich unterschiedliche Segmente an den gleichen Stellen durch die Einbuchtungen zum Zentrum hin ausgelenkt bzw. durch die Ausbuchtungen vom Zentrum weg ausgelenkt. Sind mehrere der Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen vorgesehen, so wird das Verhältnis der ausgelenkten Segmente durch die Anordnung der Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen bestimmt. Ist zum Beispiel eine Einbuchtung und eine der Einbuchtung gegenüberliegende Ausbuchtung vorgesehen, so werden die entsprechenden gegenüberliegenden Segmente gleichzeitig in verschiedene Richtungen ausgelenkt. Wird ein Segment durch eine Einbuchtung in Richtung des Zentrums ausgelenkt, werden die elastokalorischen Elemente gespannt und erwärmen sich auf Grund des elastokalorischen Effekts. Wird ein Segment durch eine Ausbuchtung in die Gegenrichtung vom Zentrum weg ausgelenkt, werden die elastokalorischen Elemente entspannt und kühlen auf Grund des elastokalorischen Effekts ab.
Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass aufgrund des fixierten Formelements mit vorgebbaren Einbuchtungen und Ausbuchtungen die Stellen, an denen die elastokalorischen Elemente verformt - daher gespannt und entspannt - werden, vorgegeben sind und nicht variieren. Ein Fluid, welches als Wärmetransportmittel dient, kann dann an diesen Stellen vorbeigeführt werden, um kontinuierlich Wärme aufnehmen bzw. Wärme abgeben zu können. Die Führung des Fluids bleibt dabei immer gleich und muss nicht auf die Rotation angepasst werden. Vorteilhafterweise sind Führungselemente zwischen den einzelnen Segmenten vorgesehen. Die Führungselemente sind fest mit dem äußeren Ring oder dem Antrieb (z. B. der Welle) verbunden und rotieren mit diesem mit. Bei der Rotation schieben die Führungselemente die Segmente an und führen diese bei der Rotation mit. Dadurch wird zusätzlich zum Drehmoment auf den äußeren Ring auch ein Drehmoment direkt auf die Segmente aufgebracht. Demnach treiben die Führungselemente nach dem „Schaufelradprinzip“ die Segmente unmittelbar an. Durch diesen unmittelbaren Anrieb, werden die Segmente synchron zum äußeren Ring bewegt. Insbesondere, wenn die Segmente zum Zentrum ausgelenkt werden und dadurch die elastokalorischen Elemente gedehnt werden, werden die Segmente nicht abgebremst bis das Drehmoment hoch genug ist, um die Einbuchtung zu überwinden. Dadurch wird auch eine unerwünschte Kraftbeaufschlagung verhindert und die Festigkeit sowie die Lebensdauer erhöht. Die Form der Führungselemente wird idealerweise an die Form der Segmente angepasst, um möglichst wenig Spielraum zu lassen und möglichst nahtlos und stabil führen zu können. Die Segmente drehen sich somit synchron und in Phase zum äußeren Ring.
Alternativ kann der Antrieb der Segmente erfolgen, indem die Segmente mittels den elastokalorischen Elementen, welche fest mit den Segmenten und dem äußeren Ring verbunden sind, mit dem äußeren Ring mitgezogen werden und sich dann entlang des Formelements bewegen.
Gemäß einem Aspekt weist jedes Segment einen stangenförmigen Abschnitt auf, der vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Kreisebene ausgerichtet sind. Das fixierte Formelement kann dann so am inneren Ring angeordnet sein, dass es zumindest ein Ende des stangenförmigen Abschnitts der Segmente über die Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen führt und dabei die Segmente während seiner Rotation auslenkt. Das fixierte Formelement ist demnach parallel zur Ebene des Rads versetzt angeordnet.
Vorzugsweise ist das fixierte Formelement als Kurvenscheibe ausgebildet. Es kann eine Nut in der Kurvenscheibe vorgesehen sein, in deren Form die Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen ausgebildet sind. Das zumindest eine Ende des stangenförmigen Abschnitts wird dann während der Rotation in der Nut des fixierten Formelements geführt. Diese Anordnung bringt den Vorteil, dass die Segmente der Form der Aussparung folgt und somit eine Verformung in Richtung des Zentrums und eine Verformung in die Gegenrichtung vom Zentrum weg einfach realisiert und sichergestellt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt sind zwei Kurvenscheiben vorgesehen, die parallel zueinander und einander gegenüber angeordnet sind. Jede Kurvenscheibe weist eine obengenannte Nut mit gleicher Form auf, wobei die Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen zueinander gleich ausgebildet sind. Die beiden Nuten sind aufeinander zu gerichtet angeordnet und weisen denselben Abstand zum Zentrum der jeweiligen Kurvenscheibe auf. Die Segmente sind zwischen den beiden Kurvenscheiben angeordnet. In jeder Nut wird jeweils ein Ende des stangenförmigen Abschnitts der Segmente geführt. Dadurch werden die Segmente beidseitig geführt und die elastokalorischen Elemente symmetrisch verformt.
Rein prinzipiell können die Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen auch am Umfang des fixierten Formelements ausgebildet sein und der innere Ring während der Rotation direkt am Umfang entlanggeführt werden, wodurch die Segmente ausgelenkt werden.
Zudem kann das zumindest eine Ende des stangenförmigen Abschnitts ein Lager aufweisen, über das das zumindest eine Ende des stangenförmigen Abschnitts geführt wird. Das Lager kann z. B. ein Kugellager oder ein Wälzlager sein, mit dem das zumindest eine Ende des stangenförmigen Abschnitts entlang des Formelements abrollt. Dadurch kann das zumindest eine Ende des stangenförmigen Abschnitts mit geringerem Widerstand geführt werden.
Gemäß einem Aspekt weist die Vorrichtung zum Wärmetausch Fluidkanäle auf, die eingerichtet sind, zumindest zwei Fluidströme getrennt voneinander zu führen. Die Fluidströme werden an unterschiedlichen Stellen zwischen dem äußeren Ring und den Segmenten eingeführt und dann entlang der elastokalorischen Elementen geführt, sodass die zumindest zwei Fluidströme an unterschiedlichen Stellen mit den elastokalorischen Elementen in Kontakt treten. Als „unterschiedliche Stellen“ sind hierbei insbesondere unterschiedliche Winkelbereiche entlang des Rads gemeint. Zudem werden die zumindest zwei Fluidströme durch die Fluidkanäle getrennt voneinander mit einer Wärmesenke und einer Wärmequelle zu verbinden.
Vorzugsweise sind die Fluidkanäle so angeordnet, dass die zumindest zwei Fluidströme senkrecht zu dem äußeren Ring und den ringförmig angeordneten Segmente eingeführt werden. Dann treten die Fluidströme auch senkrecht mit den elastokalorischen Elementen in Kontakt.
Bevorzugt sind Teile der Fluidkanäle so angeordnet, dass zumindest ein erster Fluidstrom, der schlussendlich zur Wärmesenke geführt wird, an einer Stelle einführt wird, an der die Kurvenscheibe eine Einbuchtung aufweist. Durch die Einbuchtung werden die elastokalorischen Elemente an dieser Stelle ausgelenkt und erwärmen sich durch den elastokalorischen Effekt. Die Wärme wird vom ersten Fluidstrom aufgenommen, zur Wärmesenke transportiert und dort abgegeben. Gleichermaßen bevorzugt sind Teile der Fluidkanäle so angeordnet, dass zumindest ein zweiter Fluidstrom, der schlussendlich zur Wärmequelle geführt wird, an einer Stelle einführt wird, an der die Kurvenscheibe eine Ausbuchtung aufweist. Durch die Einbuchtung werden die elastokalorischen Elemente an dieser Stelle entspannt und können durch den elastokalorischen Effekt Wärme aufnehmen. Der zweite Fluidstrom gibt Wärme an die entspannten elastokalorischen Elemente ab, wird zur Wärmesenke geführt und nimmt dort Wärme auf.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Wärmetausch gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt eine geschnittene isometrische Ansicht der Vorrichtung zum Wärmetausch gemäß einer ersten Ausführungsform (a) und eine Vergrößerung eines Ausschnitts (b).
3 zeigt eine geschnittene isometrische Ansicht der Vorrichtung zum Wärmetausch aus 1.
4 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung zum Wärmetausch auf die Schnittfläche aus 3.
5 zeigt eine Frontansicht einer Kurvenscheibe.
6 zeigt die Vorrichtung zum Wärmetausch aus 3 zusammen mit Fluidflüssen durch die Vorrichtung zum Wärmetausch.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch (ohne Gehäuse). Die Vorrichtung zum Wärmetausch weist in einem äußeren Ring angeordnete Verbindungsstücke 1 (äußere Verbindungsstücke), die im Betrieb nicht ausgelenkt oder verformt werden, und in einem inneren Ring angeordnete Segmente 2 (innere Verbindungsstücke), die im Betrieb radial gegenüber dem äußeren Ring ausgelenkt werden, auf. Der äußere Ring und der innere Ring bilden die Form eines Rads. Jedes äußere Verbindungsstück 1 weist an der nach innen gerichteten Seite eine Aufhängung 10 auf. Analog weist jedes Segment 2 an der nach außen gerichteten Seite eine Aufhängung 10 auf. Zwischen den Aufhängungen 10 der äußeren Verbindungsstücke 1 am äußeren Ring und den Aufhängungen 20 der Segmente 2 im inneren Ring sind elastokalorische Bänder 3 in Radialrichtung - ähnlich wie Speichen bei einem Rad - unter Vorspannung gespannt. Die elastokalorischen Bänder 3 bestehen aus elastokalorischem Material, welches sich bei Dehnung unter Spannung erwärmt und sich bei Entspannung wieder abkühlt. In einer weiteren Ausführungsform können elastokalorische Drähte anstelle der elastokalorischen Bänder 3 verwendet werden. Am inneren Ring ist eine Kurvenscheibe 4 angeordnet, die auf die Segmente 2 einwirkt. Es wird in diesem Zusammenhang auf die 4 und deren Beschreibung verwiesen, die eine solche Kurvenscheibe 4 zeigt. Eine im Zentrum Z des Rades angeordnete Antriebswelle 5 treibt einen Mitnehmer 6 an und versetzt diesen in Rotation. Die Antriebswelle 5 selbst kann durch einen in 3 gezeigten Elektromotor 50 angetrieben werden. Der Mitnehmer 6 besteht aus einem hier nicht dargestellten (siehe 2) inneren Ring 60, der mit der Antriebswelle 5 in Kontakt steht, einem äußeren Ring 61 und Stege 62, welche den inneren Ring 60 und den äußeren Ring 61 miteinander verbinden. Die äußeren Verbindungsstücke 1 sind am äußeren Ring 61 des Mitnehmers 6 befestigt. Somit treibt die Antriebswelle 5 über den Mitnehmer 6 direkt die am äußeren Ring 61 angeordneten Verbindungsstücke 1 an und das Drehmoment der Antriebswelle 5 wird über den Mitnehmer 6 an diese äußeren Verbindungsstücke 1 übertragen. Im Folgenden werden drei Ausführungsformen für den Antrieb der Segmente 2 beschrieben.
In einer in 2 gezeigten ersten Ausführungsform sind Führungselemente 7 zwischen den Segmenten 2 vorgesehen. Die 2a zeigt eine geschnittene isometrische Ansicht der Vorrichtung zum Wärmetausch und die 2b zeigt einen Ausschnitt aus der 2a. Die Führungselemente 7 sind mit dem inneren Ring 60 des Mitnehmers 6 verbunden. Bei der Rotation des Mitnehmers 6 durch die Antriebswelle 5, rotieren somit auch die Führungselemente 7. Jedes Führungselement 7 greift zwischen die einzelnen Segmente 2 und schiebt diese an. Dabei sind ist die Form der Führungselemente 7 auf die Form der Segmente 2 angepasst. Wie in 2b zu sehen ist, greift das Führungselement 7 direkt an der Aufhängung 20 des Segments 2, an dem die elastokalorischen Element 3 aufgehängt sind, an. Demnach wird das Drehmoment der Antriebswelle 5 über den Mitnehmer 6 und die Führungselemente 7 auch direkt an die Segmente 2 übertragen. Die Segmente 2 drehen sich somit synchron und in Phase mit den Aufhängungen.
In einer hier nicht gezeigten zweiten Ausführungsform sind die Führungselemente direkt an der Antriebswelle 5 befestigt. Da die Kurvenscheibe 4 nur auf ein Ende der Segmente wirkt (siehe unten), besteht an der Antriebswelle 5 ein nicht gezeigter Freiraum, in dem die Führungselemente an der Antriebswelle 5 befestigt sind. Die Führungselemente können aus Vollmaterial gefertigt werden und auf die Antriebswelle 5 gefügt werden oder die Führungselemente können auf einen Ring um die Antriebswelle 5 aufgepresst bzw. geschrumpft werden.
In einer ebenfalls nicht gezeigten dritten Ausführungsform wird ausgenutzt, dass die Segmente 2 bereits über die elastokalorischen Element 3 mit den Aufhängungen 1 am äußeren Ring 61 des Mitnehmers 6 verbunden sind. Bei der Rotation der Aufhängungen 1 werden die Segmente 2 über die elastokalorischen Elemente 3 mitgezogen und somit ebenfalls in Rotation um das Zentrum Z versetzt.
3 zeigt eine isometrische Ansicht der Vorrichtung zum Wärmetausch aus 1, die entlang der Linie II in 1 geschnitten ist. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Schnittfläche. Wie in 4 gezeigt, wird die Vorrichtung zum Wärmetausch von einem Gehäuse 8 umgeben. Auf der einen Seite ist außerhalb des Gehäuses ein Elektromotor 50 angeordnet, der die Antriebswelle 5 über eine Kupplung 51 antriebt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Vorrichtung zum Wärmetausch mit einem Deckel 81 verschlossen. Die Antriebswelle 5 ist mit Lagern 52 und 53 gegenüber dem Gehäuse 8 drehbar gelagert. Zudem ist jede Kurvenscheibe 4 über ein weiteres Lager 54 gegenüber der Antriebswelle 5 so gelagert, dass sich die Kurvenscheibe nicht dreht, wenn die Antriebswelle 5 rotiert. Der in 3 und 4 rechts dargestellte Mitnehmer 6 ist mit der Antriebswelle 5 verbunden und rotiert demnach mit dieser mit. Der in 3 und 4 links dargestellte Mitnehmer 6 ist über ein Kugellager 62 gegenüber dem Gehäuse 8 gelagert und dreht sich ebenfalls mit der Antriebswelle 5 mit.
Jedes äußere Verbindungsstück 1 ist über einen Lagerbolzen 11 mit dem äußeren Ring 61 des Mitnehmers 6 verbunden. Für die oben beschriebene erste und zweite Ausführungsform ist der Lagerbozen 11 fest mit dem Verbindungsstück 1 und dem äußeren Ring 61 des Mitnehmers 6 verbunden sein, beispielsweise durch Einpressen oder Fügen. Zudem können auch (feste) Lager zwischen dem Lagerbolzen 11 und dem äußeren Ring 61 und/oder zwischen dem Lagerbolzen 11 und dem Verbindungsstück 1 vorgesehen sein. Für die oben beschriebene dritte Ausführungsform sind Lager zwischen dem Lagerbolzen 11 und dem äußeren Ring 61 und/oder zwischen dem Lagerbolzen 11 und dem Verbindungsstück 1 vorgesehen, welche es dem Verbindungsstück 1 sich gegenüber dem äußeren Ring 61 zu schwenken, um der Bewegung des mit dem Verbindungsstück 1 über die elastokalorischen Elemente 3 verbundenen Segments 2 besser folgen zu können.
Ferner weist jedes Segment 2 einen stangenförmigen Abschnitt 21 auf. Die Enden des stangenförmigen Abschnitts 21 stehen an beiden Seiten der Aufhängung 20 hervor. An jedem Ende des stangenförmigen Abschnitts 21 ist ein Rolllager 22 vorgesehen. Es sind hierbei zwei Kurvenscheiben 4 vorgesehen, die auf beiden Seiten des inneren Rings parallel zueinander angeordnet sind. Für alle Segmente 2 werden die einen Enden der stangenförmigen Abschnitte 21 in einer Nut 40 der einen Kurvenscheibe 4 geführt und die anderen Enden der stangenförmigen Abschnitte 21 in einer gegenüberliegenden Nut 40 der anderen Kurvenscheibe 4 geführt (siehe 4).
An der Aufhängung 10 der äußeren Verbindungsstücke 1 sind die einen Enden der elastokalorischen Bänder 3 befestigt. Auf der anderen Seite sind für die Segmente 2 ebenfalls Aufhängungen 20 vorgesehen, an denen die anderen Enden der elastokalorischen Bänder 3 befestigt sind. Für jedes Paar von äußeren Verbindungsstücken 1 und Segmenten 2 (inneren Verbindungsstücken) ist ein Bündel von elastokalorischen Bändern 3 (hier als drei elastokalorische Bänder dargestellt) zwischen der Aufhängung 10 des äußeren Verbindungsstücks 1 und der Aufhängung 20 des Segments 2 unter Vorspannung befestigt.
Eine Frontansicht der Kurvenscheibe 4 ist in 4 dargestellt. Die Kurvenscheibe 4 weist eine ringförmige Nut 40 mit einer Einbuchtung 40a und einer gegenüberliegenden Ausbuchtungen 40b auf. In dieser Nut 40 wird je ein Ende des stangenförmigen Abschnitts 21 der Segmente 2 geführt. Am dem Ende des stangenförmigen Abschnitts 21 ist ein Nadellager oder ein Rillenkugellager angeordnet, mit dem das Ende des stangenförmigen Abschnitts 21 in der Nut 40 der Kurvenscheibe 4 (mit etwas Spiel) entlangrollt. Die beiden gegenüberliegenden Kurvenscheiben 4 weisen gegengleich ausgebildete Nuten 40 auf, wobei jede Kurvenscheibe 4 je ein Ende des stangenförmigen Abschnitts 21 der Segmente 2 in ihrer Nut 40 aufnimmt. Rotieren der Mitnehmer 6 und mit diesem die Verbindungsstücke und die Segmente 2, so bewegen sich die Enden des stangenförmigen Abschnitts 21 der Segmente 2 entlang der Nut 40 und folgen den darin ausgebildeten Einbuchtungen 40a und Ausbuchtungen 40b. Dadurch wird das Segment 2 bei einer Einbuchtung 40a in Richtung des Zentrums Z ausgelenkt und die daran befestigten elastokalorischen Bänder 3 werden entsprechend gedehnt. Bei einer Ausbuchtung wird das Segment 2 in Gegenrichtung vom Zentrum weg ausgelenkt und die elastokalorischen Bänder 3 entspannt.
Die 6 zeigt erneut die in 2 gezeigte Ansicht. Zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch sind zwei Fluidströme F1 und F2 durch die Vorrichtung zum Wärmetausch gezeigt. Zur Führung der Fluidströme F1 und F2 sind Fluidkanäle vorgesehen, die hierbei nicht gezeigt sind. Die Fluidströme F1 und F2 durchströmen die Vorrichtung zum Wärmetausch getrennt voneinander an unterschiedlichen Stellen zwischen dem äußeren Ring 61 und dem inneren Ring der Segmente 2 und treten dabei mit den elastokalorischen Elementen 3 in Kontakt. Die Fluidströme F1 und F2 werden dabei im Wesentlichen senkrecht zu dem äußeren Ring 61 und dem inneren Ring der Segmente 2 eingeleitet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kurvenscheibe 4 (aus 5) so angeordnet, dass die Einbuchtung 40a nach oben zeigt und die Ausbuchtung 40b nach unten zeigt. Rotieren der Mitnehmer 6 und mit diesem die äußeren Verbindungsstücke 1 und die Segmente 2, so durchlaufen die Enden der stabförmigen Abschnitte 21 der Segmente 2 die Nut 40 und folgen den Einbuchtungen 40a und Ausbuchtungen 40b. An der oberen Stelle werden die Enden der stabförmigen Abschnitte 21 der Segmente 2 durch die Einbuchtung 40a der Nut 40 näher zum Zentrums Z des Rads geführt und mit ihnen die Aufhängungen 20 der Segmente 2 in Richtung des Zentrums Z ausgelenkt. Da die äußeren Verbindungsstücke 1 fest am äußeren Ring 61 des Mitnehmers 6 befestigt sind und somit die Aufhängungen 10 der äußeren Verbindungsstücke 1 nicht ausgelenkt werden, dehnen sich die elastokalorischen Bänder 3. Aufgrund des elastokalorischen Effekts erwärmen sich die elastokalorischen Bänder 3. An dieser oberen Stelle wird der erste Fluidstrom F1 eingeführt. Die Wärme der elastokalorischen Bänder 3 wird durch den ersten Fluidstrom F1 aufgenommen. Dementsprechend erwärmt sich der erste Fluidstrom F1 von einer Ausgangstemperatur To um eine der aufgenommenen Wärme entsprechenden Temperaturdifferenz ΔT_h zu einer Endtemperatur T₀+ΔT_h und er wird anschließend durch einen nicht gezeigten Fluidkanal zu einer nicht gezeigten Wärmesenke geführt. An der gegenüberliegenden unteren Stelle werden die Enden der stabförmigen Abschnitte 21 der Segmente 2 durch die Ausbuchtung 40b der Nut 40 vom Zentrums Z des Rads weg geführt und mit ihnen die Aufhängungen 20 der Segmente 2 in Gegenrichtung vom Zentrum Z weg ausgelenkt. Dabei werden die elastokalorischen Bänder 3 wieder entspannt. An dieser unteren Stelle wird der zweite Fluidstrom F2 eingeführt. Aufgrund des elastokalorischen Effekts nehmen die elastokalorischen Bänder 3 Wärme auf, welche vom zweiten Fluidstrom F2 abgegeben wird. Dementsprechend kühlt der zweite Fluidstrom F2 von einer Ausgangstemperatur To um die Temperaturdifferenz ΔT_k zu einer Endtemperatur T₀-ΔT_k ab und er wird anschließend durch einen nicht gezeigten Fluidkanal zu einer nicht gezeigten Wärmequelle geführt.

Claims

Vorrichtung zum Wärmetausch, umfassend: - an einem rotierenden steifen äußeren Ring (61) angeordnete Aufhängungen (10); - ringförmig angeordnete Segmente (2) mit Aufhängungen (20), die mit dem äußeren Ring (61) mitrotieren und gegenüber den Aufhängungen (10) am äußeren Ring (61) radial auslenkbar sind; - elastokalorische Elemente (3), die radial zwischen den Aufhängungen (10) am äußeren Ring (61) und den Aufhängungen (20) der Segmente (2) gespannt sind; - ein fixiertes Formelement (4), das Einbuchtungen (40a) und/oder Ausbuchtungen (40b) aufweist, welche auf die Segmente (2) wirken, wobei das fixierte Formelement (4) so angeordnet ist, dass die Einbuchtungen (40a) und/oder Ausbuchtungen (40b) die Segmente (2) gegenüber den Aufhängungen (10) am äußeren Ring (61) während der Rotation auslenken.
Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Führungselemente (7), die zwischen den Segmenten (2) angeordnet sind und mit dem äußeren Ring (61) verbunden sind und ausgebildet sind, die Segmente (2) bei der Rotation des äußeren Rings (61) mitzuführen.
Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ring (61), die Segmente (2), die elastokalorischen Elemente (3) und das Formelement (4) ausgebildet sind, die Segmente (2) mit den Aufhängungen (10) am äußeren Ring (61) bei dessen Rotation mitzuziehen.
Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (2) einen stangenförmigen Abschnitt (21) aufweist und das fixierte Formelement (4) so angeordnet ist, dass es zumindest ein Ende des stangenförmigen Abschnitts (21) über die Einbuchtungen (40a) und/oder Ausbuchtungen (40b) führt.
Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das fixierte Formelement (4) zumindest eine Kurvenscheibe (4) ist, die eine Nut (40) aufweist, in der zumindest ein Ende des stangenförmigen Abschnitts (21) geführt wird.
Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zwei Kurvenscheiben (4), die einander gegenüber angeordnet sind und jeweils eine Nut (40) aufweisen, in der jeweils ein Ende des stangenförmigen Abschnitts (21) geführt wird.
Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Ende des stangenförmigen Abschnitts (21) ein Lager (22) aufweist, über das das zumindest eine Ende des stangenförmigen Abschnitts (21) geführt wird.
Vorrichtung zum Wärmetausch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Fluidkanäle, die eingerichtet sind, zumindest zwei Fluidströme (F1, F2) getrennt voneinander zwischen dem äußeren Ring (61) und den Segmenten (2), an den elastokalorischen Elementen (3) entlang zu führen, sodass die zumindest zwei Fluidströme (F1, F2) an unterschiedlichen Stellen mit den elastokalorischen Elementen (3) in Kontakt treten, und die zumindest zwei Fluidströme (F1, F2) getrennt voneinander mit einer Wärmesenke und einer Wärmequelle zu verbinden.
Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkanäle so angeordnet sind, dass die zumindest zwei Fluidströme (F1, F2) senkrecht zu dem äußeren Ring (61) und den ringförmig angeordneten Segmente (2) eingeführt werden.
Vorrichtung zum Wärmetausch nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkanäle zumindest einen ersten Fluidstrom (F1) zur Wärmesenke an einer Stelle einführen, an der die Kurvenscheibe (4) eine Einbuchtung (40a) aufweist, und dass die Fluidkanäle zumindest einen zweiten Fluidstrom (F2) zur Wärmesenke an einer Stelle einführen, an der die Kurvenscheibe (4) eine Ausbuchtung (40b) aufweist.