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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach den unabhängigen Ansprüchen.
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Aus dem Stand der Technik sind elastokalorische Wärmepumpen grundsätzlich bekannt. Diese basieren auf sogenannten elastokalorischen Elementen, bei denen durch eine Verformung eine Temperaturveränderung verursacht wird. Durch eine Zuführung von einem Medium, beispielsweise Luft, und einer Wärmeübertragung zwischen dem Medium und den elastokalorischen Elemente kann das Medium erwärmt oder gekühlt werden.
EP 3 306 082 A2 beschreibt bspw. einen thermoelastischen Energiewandler.
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Nachteilig ist im Stand der Technik jedoch die Anströmung der elastokalorischen Elemente, da diese in Bewegungsrichtung des Mediums hintereinander angeordnet sind, was zu Lasten der Effizienz und der Leistung der Wärmepumpe geht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe derart zu verbessern, dass deren Führung des eingesetzten Mediums optimiert wird, um die Effizienz und die Leistung der Wärmepumpe zu erhöhen.
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Gelöst wird die vorgenannte Aufgabe durch eine Wärmepumpe, vorzugsweise für ein Fahrzeug, die elastokalorisch ausgebildet ist und somit eine Vielzahl von Gruppen elastokalorischer Elemente umfasst. Eine Gruppe umfasst mindestens zwei elastokalorische Elemente.
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Die Wärmepumpe umfasst einen Kanal zur Anströmung der Gruppen der elastokalorischen Elemente mit einem Medium, wobei es sich bei dem Medium insbesondere um Luft handelt. Die Gruppen der elastokalorischen Elemente sind im Kanal in Strömungsrichtung des Mediums hintereinander angeordnet. Dabei weist die Wärmepumpe mindestens ein im Kanal angeordnetes Turbulenzelement zur Erzeugung eines zumindest abschnittsweisen turbulenten Mediumstroms durch den Kanal auf. Das mindestens eine Turbulenzelement kann im Kanal insbesondere zwischen zwei Gruppen der elastokalorischen Elemente, die hintereinander angeordnet sind, angeordnet sein. Insbesondere kann zwischen allen benachbarten Gruppen mindestens ein Turbulenzelement angeordnet sein, sodass über den gesamten Kanal eine turbulente Führung des Mediums erreicht wird.
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Durch das mindestens eine Turbulenzelement entsteht eine dauerhafte Durchmischung des Mediums in zumindest einem Abschnitt des Kanals, und die thermische Effizienz der Wärmepumpe kann erhöht werden. Insbesondere wird die Anströmung der nachfolgenden Gruppen verbessert, vor allem dadurch, dass hinter einer Gruppe der elastokalorischen Elemente das Medium mittels des mindestens einen Turbulenzelementes verwirbelt wird. Lokale Temperaturunterschiede werden ebenfalls verringert. Insgesamt wird somit eine optimale Luftführung erreicht, die zur Effizienzsteigerung führt. Ferner wird der Bauraum der Wärmepumpe reduziert, da eine Erhöhung der Wärmeübertragungseffizienz mit einer Verringerung der Strecke der Anströmung einhergeht.
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Bei den elastokalorischen Elementen handelt es sich insbesondere jeweils um einen Draht, wobei es sich bei den Gruppen um zusammengefasste Drahtpakete handelt. Drähte einer Gruppe sind somit fest miteinander verbunden. Benachbarte Gruppen innerhalb des Kanals sind in Strömungsrichtung des Mediums vorzugsweise beabstandet. Dabei können die Gruppen derart angeordnet sein, dass eine nachfolgende Gruppe im direkten Windschatten der vorangehenden Gruppe angeordnet ist. Die Gruppen können allerdings auch in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung versetzt angeordnet sein.
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Die Gruppen sind vorzugsweise derart im Kanal angeordnet, dass diese vom Mediumstrom seitlich, vor allem radial, angeströmt werden. Die Drahtpakete sind insbesondere in Form eines Zylinders ausgebildet. Insbesondere verlaufen die Drähte eines Drahtpaketes im Wesentlichen parallel zueinander, wobei die Anströmung insbesondere nicht axial erfolgt. Im Gegenteil erfolgt die Anströmung vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Axialrichtung.
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Die einzelnen elastokalorischen Elemente können zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material gebildet sein. Ferner können diese zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sein. Insbesondere können die elastokalorischen Elemente gänzlich aus einem thermoelastischen Material und/oder aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sein.
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Unter dem Begriff „elastokalorisch“ ist zu verstehen, dass durch eine Verformung der elastokalorischen Elemente eine Temperaturveränderung verursacht wird. Um eine entsprechende Verformung zu erreichen, weist die Wärmepumpe insbesondere eine Stromzufuhr auf. Durch Stromzufuhr kann ein Phasenwechsel der inneren Kristallstruktur der elastokalorischen Elemente ausgelöst werden. Bei einer Dehnung eines elastokalorischen Elementes, insbesondere einer entsprechenden Gedächtnislegierung, findet ein Phasenwechsel der inneren Kristallstruktur statt. Beispielsweise kann die Austenit-Struktur in eine Martensit-Struktur übergehen. Bei dem Phasenwechsel erwärmt sich das Material, wobei die erzeugte Wärme dann an das umgebende Medium abgegeben und somit zur Wärmeerzeugung genutzt werden kann. Nach der Dehnung geht das elastokalorische Element wieder in seine Ursprungsausdehnung zurück und nimmt dabei Wärme aus dem umgebenden Medium auf. Dieser Effekt kann somit zum Kühlen des umgebenden Mediums genutzt werden.
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Insbesondere ist die Wärmepumpe derart ausgebildet, dass in den Kanal zur Anströmung der Gruppen der elastokalorischen Elemente Außenluft von einer Umgebung eines Fahrzeuges, in dem sich die Wärmepumpe befindet, oder Kabinenluft aus einer Kabine des Fahrzeuges geführt wird. Insbesondere kann die Wärmepumpe genau zwei Zuführungen für das Medium aufweisen, und zwar eine erste für die Außenluft einer Umgebung des Fahrzeuges und eine zweite für Kabinenluft aus einer Kabine des Fahrzeuges. Mittels der Zuführung werden der Wärmepumpe vorzugsweise die Außenluft und die Kabinenluft zugeführt, und zwar empfängt die Wärmepumpe direkt die Außenluft und direkt die Kabinenluft ohne eine vorherige Konditionierung dieser. Unter dem Begriff „konditioniert“ ist insbesondere zu verstehen, dass bereits eine Wärmeübertragung zur Vorbereitung, das heißt eine Temperaturänderung der Luft, stattgefunden hat. Dafür kann die Wärmepumpe zwei Gebläse aufweisen, und zwar ein erstes Gebläse zum Ansaugen der Außenluft und ein zweites Gebläse zum Ansaugen der Kabinenluft. Die Wärmepumpe kann ferner eine Stromzuführung zum Auslösen des elastokalorischen Effekts der elastokalorischen Elemente aufweisen.
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Der Kanal kann insbesondere eine Wand umfassen. Es kann ferner bevorzugt mindestens ein Turbulenzelement durch einen Wandabschnitt im Kanal gebildet sein. Beispielsweise kann ein Abschnitt der Kanalwand in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums hervorstehen, um somit als Turbulenzelement zu wirken.
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Vor allem kann die Wand des Kanals derart ausgebildet sein, dass sich der Durchmesser des Kanals in Längsrichtung des Kanals und somit in Strömungsrichtung verändert. Insbesondere kann die Wand des Kanals derart ausgebildet sein, dass der Durchmesser des Kanals in einem ersten Bereich konisch zunimmt und in einem darauffolgenden zweiten Bereich wieder konisch abnimmt. Dabei können sich erste und zweite Bereiche abwechseln. So entstehen Abschnitte der Wand, in denen der Durchmesser minimal ist, und die somit Turbulenzelement ausbilden. In anderen Worten entsteht eine Zick-Zack-Struktur, die für eine Durchmesseränderung des Kanals in Längsrichtung des Kanals sorgt. Auch eine wellenförmige Formgebung ist möglich. Auf diese Weise können Abschnitte der Kanalwand als Turbulenzelemente wirken. Es können Abschnitte der Wand, in denen der Durchmesser verringert ist, zwischen zwei Gruppen angeordnet sein. Ferner kann der Kanal einen über dessen Länge konstanten Durchmesser aufweisen.
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Mindestens ein Turbulenzelement kann an der Wand des Kanals ausgebildet sein und von dieser hervorstehen. Unter „Hervorstehen“ ist zu verstehen, dass das Turbulenzelement von der Wand in einer zur Strömungsrichtung senkrechten Richtung hervorsteht. Es kann das Turbulenzelement plattenförmig ausgebildet sein. Das Turbulenzelement kann schräg zur Kanalwand angeordnet sein. Die Strömungsrichtung entspricht vor allem der Längsrichtung des Kanals. Das mindestens eine Turbulenzelement kann einstückig mit der Wand ausgebildet sein oder separat ausgebildet sein und mit der Kanalwand verbunden sein. Vorzugsweise ist das mindestens eine Turbulenzelement aus Kunststoff gebildet.
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Mindestens ein Turbulenzelement kann an einer Gruppe der elastokalorischen Elemente des Kanals angeordnet sein und von dieser hervorstehen. Erneut kann das Turbulenzelement dabei einstückig mit der Gruppe der elastokalorischen Elemente ausgebildet sein oder separat und an dieser befestigt sein. Das Turbulenzelement steht dabei vorzugsweise in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung ab. Am meisten bevorzugt kann das mindestens eine Turbulenzelement an einem strömungstechnisch hinteren Ende einer Gruppe angeordnet sein. Insbesondere erstreckt sich eine Gruppe von einem ersten Ende in Strömungsrichtung bis zu einem zweiten Ende, wobei der Mediumstrom das erste Ende zuerst erreicht. Das Turbulenzelement ist dann am zweiten Ende angeordnet. Insbesondere kann an jeder Gruppe - vorzugsweise bis auf die strömungstechnisch letzte Gruppe - mindestens ein Turbulenzelement angeordnet sein.
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Das mindestens eine Turbulenzelement kann in einem Winkel von größer als 5° zur Längsrichtung des Kanals stehen. Vorzugsweise beträgt der Winkel größer als 10°, bevorzugt größer als 25°. Der Winkel kann sich ferner auf die Strömungsrichtung beziehen, die der Längsrichtung entspricht. Die Längsrichtung bzw. die Strömungsrichtung müssen dabei nicht geradlinig sein. Vor allem können alle Turbulenzelemente den gleichen Winkel einschließen.
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Das Turbulenzelement kann vorzugsweise plattenförmig sein.. Dabei kann ein Ende des Turbulenzelementes insbesondere in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung über die Gruppe, an der das Turbulenzelement angeordnet ist, hervorragen, um das Medium zu verwirbeln. Es können zwei Turbulenzelemente kann an gegenüberliegenden Seiten eines strömungstechnisch hinteren Endes einer Gruppe angeordnet sein.
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Das Turbulenzelement kann alternativ die Form eines Mantels eines Kegels, insbesondere eines Kegelstumpfes, aufweisen. Es kann das Turbulenzelement derart angeordnet sein, dass die Spitze des Kegels bzw. die gedachte Spitze des Kegelstumpfes in Strömungsrichtung zeigt.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, das mittels einer oben beschriebenen Wärmepumpe durchgeführt wird. Das Verfahren umfasst insbesondere eine Führung eines Mediums, wie oben beschrieben, durch einen entsprechenden ausgebildeten Kanal. Ferner kann das Verfahren das Auslösen eines elastokalorischen Effekts der Gruppen der elastokalorischen Elemente umfassen, sodass dem Medium, das an den Gruppen der elastokalorischen Elemente vorbeiströmt, Wärme entnommen oder an das Medium Wärme abgegeben wird. Dabei kann das Kühlen oder das Erwärmen des Mediums beispielsweise in Abhängigkeit von einem gewählten Betriebsmodus der Wärmepumpe erfolgen.
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Die Figuren zeigen in rein schematischer Darstellung:
- 1: einen Längsschnitt eines Kanals einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe;
- 2: einen Längsschnitt eines Kanals einer weiteren erfindungsgemäßen Wärmepumpe;
- 3: einen Längsschnitt eines Kanals einer weiteren erfindungsgemäßen Wärmepumpe.
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1 zeigt einen Längsschnitt eines Kanals 13 einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe 10. In dem Kanal 13 sind beispielhaft zwei Gruppen 12 elastokalorischer Elemente 11 angeordnet. Die elastokalorischen Elemente 11 sind als Drähte ausgebildet, wobei die Gruppen 12 als Drahtpakete ausgebildet sind.
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In den Kanal 13 fließt ein Medium 14, das die Gruppen 12 anströmt. Die Gruppen 12 sind derart angeordnet, dass sie in Strömungsrichtung 50, die der Längsrichtung des Kanals 12 entspricht, direkt hintereinander angeordnet sind, sozusagen im Windschatten der Strömung des Mediums 14. Die Turbulenzelemente 15 in der 1 sind dadurch gebildet, dass die Wand 16 des Kanals 13 eine im Längsschnitt Zick-Zack-förmige Ausbildung aufweist. In anderen Worten weist sie Abschnitte auf, in denen der Durchmesser des Kanals größer ausgebildet ist, und Abschnitte 17, in denen der Durchmesser 18 kleiner ausgebildet ist. Beispielhaft ist ein Wandabschnitt 17 in 1 eingezeichnet, in dem der zugehörige Durchmesser 18 minimal ist. Dieser Wandabschnitt 17 verwirbelt das Medium und fungiert als Turbulenzelement 15.
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In 2 ist ebenfalls ein Längsschnitt des Kanals 13 einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe 10 dargestellt, in dem Gruppen 12 von elastokalorischen Elementen 11 hintereinander in Strömungsrichtung 50 angeordnet sind. Dabei weist der Kanal 13 einen in Längsrichtung 51 gleichbleibenden Durchmesser 18 auf. Es sind zwei Turbulenzelemente 15 am strömungstechnischen hinteren Ende der vorderen Gruppe 12 angeordnet. Die Turbulenzelemente 15 sind jeweils plattenförmig ausgebildet. Es ragt ein Ende der Turbulenzelemente 15 insbesondere in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung 52 über die Gruppe 12 hervor, um das Medium zu verwirbeln. Dabei kann jedes Turbulenzelement 15 einen Winkel 19 mit der Kanalwand 16 einschließen.
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In 3 ist ebenfalls ein Längsschnitt eines Kanals einer weiteren erfindungsgemäßen Wärmepumpe 10 gezeigt, wobei der Kanal 16 einen gleichbleibenden Durchmesser 18, wie in 2, umfasst. Dabei sind allerdings keine Turbulenzelemente 15 an den Gruppen 12 angeordnet, sondern an der Kanalwand 16. Diese stehen in einer Richtung 52 quer zur Strömungsrichtung 50 ab und können einen Winkel 19 mit der Kanalwand 16 einschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmepumpe
- 11
- elastokalorisches Element
- 12
- Gruppe
- 13
- Kanal
- 14
- Medium
- 15
- Turbulenzelement
- 16
- Wand des Kanals
- 17
- Wandabschnitt
- 18
- Durchmesser des Kanals
- 19
- Winkel
- 50
- Strömungsrichtung
- 51
- Längsrichtung des Kanals
- 52
- Richtung quer zur Strömungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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