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Die Erfindung betrifft eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen oder Abkühlen eines Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases, mit mindestens einer Warm- und Kaltzone.
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Bei einer Energiewandlungsvorrichtung beziehungsweise einer Wärme-/Kältemaschine, die auf dem elastokalorischen Effekt beruht, wird eine Heizwirkung beziehungsweise Kühlwirkung durch reversible Umformung und Entspannung eines thermoelastischen Elements erzielt. Das thermoelastische Element weist ein thermoelastisches beziehungsweise mechanokalorisches Material (Formgedächtnis-Material) auf, das beim Anlegen einer mechanischen Spannung einen strukturellen diffusionslosen Phasenübergang durchläuft. Dabei handelt es sich üblicherweise um eine Kristallgitterumwandlung zwischen einer Hochtemperaturphase (Austenit) und einer Niedrigtemperaturphase (Martensit), so dass bei dem Phasenübergang eine Temperaturänderung des Materials hervorgerufen wird.
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Ein elastokalorischer Energiewandler kann mindestens einen Strömungskanal, der als Medien-Aufheizstrecke zum Erwärmen eines Mediums dient, und mindestens einen weiteren Strömungskanal, der als Medien-Abkühlungsstrecke zum Abkühlen des Mediums dient, aufweisen. In derartigen elastokalorischen Wärme-/Kältemaschinen muss die Warm- und Kaltzone durch eine Transitionszone voneinander getrennt werden. Die Transitionszone verhindert, dass die Medien ungehindert zwischen dem Strömungskanal der Medien-Aufheizstrecke und dem Strömungskanal der Medien-Abkühlungsstrecke strömen können und insbesondere ungehindert direkt von einem Warmeinlass zu einem Kaltauslass der Energiewandlungsvorrichtung strömen können.
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Unter bestimmten Umständen ist es allerdings vorteilhaft, einen gewissen Anteil der Strömung aus dem kalten beziehungsweise warmen Medienzulauf in die Transitionszone umzuleiten, zum Beispiel um ein Dehnen beziehungsweise Entspannen eines thermoelastischen Elements in einem möglichst vorteilhaften Arbeitsbereich des SMA-Materials zu vollziehen. Wenn das Dehnen und Entspannen des thermoelastischen Elements in der Transitionszone geschehen soll, ist es vorteilhaft, die Transitionszone auf ein gezieltes Temperaturniveau zu regulieren.
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Ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums anzugeben, bei der ein Temperaturniveau in der Transitionszone auf eine gewünschte Temperatur geregelt werden kann.
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Eine Ausführungsform einer derartigen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung zum Regeln einer Temperatur innerhalb einer Transitionszone ist im Patentanspruch 1 angegeben.
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Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums umfasst ein Gehäuse zur Aufnahme eines Mediums. In dem Gehäuse sind mindestens ein erster und ein zweiter Strömungskanal zum Führen des Mediums angeordnet. Der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Strömungskanal sind durch eine Transitionszone voneinander getrennt. Zwischen der Transitionszone und mindestens einem des ersten und zweiten Strömungskanals ist mindestens ein Durchlassventil zum Einströmen des Mediums von dem mindestens einen ersten und zweiten Strömungskanals in die Transitionszone angeordnet.
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Zum Ein- und Ausströmen des Mediums in den mindestens einen ersten und zweiten Strömungskanal sind an dem Gehäuse der thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung für jeden Strömungskanal mindestens ein Einlass und ein Auslass für das Medium vorgesehen. Durch Druckgefälle zwischen den Ein- und Auslässen findet immer ein gewisses Überströmen in die Transitionszone zwischen dem Strömungskanal für die Medien-Aufheizstrecke und dem Strömungskanal für die Medien-Abkühlungsstrecke statt. Erfindungsgemäß erfolgt durch das mindestens eine Durchlass- beziehungsweise Überströmventil zwischen der Transitionszone und mindestens einem des ersten und zweiten Strömungskanals eine gezielte Steuerung des Überströmens/Einströmens des Mediums von dem mindesten einen ersten und zweiten Strömungskanal in die Transitionszone.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist in dem Gehäuse der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung mindestens ein thermoelastisches Element zwischen dem ersten und zweiten Strömungskanal beweglich angeordnet. Bei der Bewegung zwischen den beiden Strömungskanälen kann das mindestens eine thermoelastische Element durch die Transitionszone bewegt werden.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung erfolgt die Steuerung des Medienstroms von dem mindestens einen ersten und zweiten Strömungskanal in die Transitionszone in Abhängigkeit von einer Position des mindestens einen thermoelastischen Elements bei der Bewegung in dem Gehäuse.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann das Umleiten von Kalt- oder Warmmedien aus den jeweiligen Strömungskanälen in die Transitionszone moduliert beziehungsweise gepulst stattfinden, um Effizienzverluste durch das Umleiten der Kalt- oder Warmmedien in die Transitionszone zu verringern. Das Durchlassventil kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, eine Durchlassstrecke von einem der Strömungskanäle in die Transitionszone nur dann zu öffnen, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element bei seiner Bewegung in dem Gehäuse der Energiewandlungsvorrichtung in der Transitionszone oder kurz vor der Durchfahrt durch die Transitionszone befindet. Dadurch wird die Transitionszone nur dann auf ein bestimmtes Temperaturniveau temperiert, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element in der Transitionszone oder kurz vor der Durchfahrt durch die Transitionszone befindet.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung einen Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Transitionszone umfassen. Das mindestens eine Durchlassventil kann als ein Regelventil ausgebildet sein, welches den Volumenstrom des Mediums von dem mindestens einen ersten und zweiten Strömungskanal in die Transitionszone in Abhängigkeit von einer von dem Temperartursensor erfassten Temperatur regelt.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung in der Transitionszone ein Auslass- und/oder Einlassventil als Ergänzung zu dem Durchlass-/Überströmventil aufweisen, um Verluste durch Überströmen des zugeführten Mediums aus der Trennung der Zonen zu verringern und/oder ein besseres Strömungsprofil des zugeführten Mediums zu erzeugen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsformen der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums zeigen, näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1A eine Querschnittsansicht einer zirkularen Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung mit mindestens einem Durchlassventil zwischen Strömungskanälen und einer Transitionszone der Energiewandlungsvorrichtung,
- 1B eine weitere Schnittansicht einer zirkulare Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums,
- 2A eine perspektivische Ansicht einer tubularen Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung mit mindestens einem Durchlassventil zwischen Strömungskanälen und einer Transitionszone der Energiewandlungsvorrichtung, und
- 2B eine Querschnittsansicht einer tubularen Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung mit mindestens einem Durchlassventil zwischen Strömungskanälen und einer Transitionszone der Energiewandlungsvorrichtung.
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Eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a in zirkularer beziehungsweise radialer Ausführungsform, wie sie in den 1A und 1B gezeigt ist, und eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1b in tubularer Ausführungsform, wie sie in den 2A und 2B gezeigt ist, umfasst ein Gehäuse 10 zur Aufnahme eines Mediums 2, das beim Durchströmen der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1a, 1b in verschiedenen Teilbereichen des Gehäuses 10 erwärmt und abgekühlt wird.
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In dem Gehäuse 10 sind mindestens ein erster Strömungskanal 11 und mindestens ein zweiter Strömungskanal 12 zum Führen des Mediums 2 angeordnet. Der mindestens eine erste Strömungskanal 11 ist durch eine Transitionszone 13 von dem mindestens einen zweiten Strömungskanal 12 getrennt. Die Transitionszone kann beispielsweise durch eine erste Trennwand 14 von dem mindestens einen ersten Strömungskanal 11 und durch eine zweite Trennwand 15 von dem mindestens einen zweiten Strömungskanal 12 getrennt sein.
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Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1 a, 1 b umfasst des Weiteren mindestens ein thermoelastisches Element 20 aus einem thermoelastischen Material, das innerhalb des Gehäuses 10 zwischen dem mindestens einen ersten und zweiten Strömungskanal 11, 12 bewegbar angeordnet ist. Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist innerhalb des Gehäuses 10 insbesondere derart gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei der Bewegung zwischen dem mindestens einen ersten und zweiten Strömungskanal 11, 12 durch die Transitionszone 13 bewegbar ist.
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Gemäß der in den 1A und 1B gezeigten zirkularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1a ist das mindestens eine thermoelastische Element 20 in dem Gehäuse 10 auf einer Kreisbahn K um eine Drehachse D bewegbar. Dabei wird das mindestens eine thermoelastische Element 20 von dem ersten Strömungskanal 11 durch die Transitionszone 13 in den zweiten Strömungskanal 12 beziehungsweise von dem zweiten Strömungskanal 12 durch die Transitionszone 13 in den ersten Strömungskanal 11 bewegt.
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Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist innerhalb einer Ebene/Rotationsebene E in dem Gehäuse 10 angeordnet und auf der Kreisbahn K innerhalb der Ebene E um die Drehachse D bewegbar. Bei der zirkularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1a strömt das Medium 2 bei einem Durchströmen des Gehäuses 10 tangential zu der Ebene E an dem mindestens einen thermoelastischen Element 20 vorbei.
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Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist innerhalb des Gehäuses 10 derart gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 in seiner Längsrichtung gedehnt ist, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element 20 in dem mindestens einen ersten Strömungskanal 11 befindet. Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist somit bei der Bewegung in dem mindestens einen ersten Strömungskanal 11 erwärmt. Der mindestens eine erste Strömungskanal 11 dient daher bei der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1a als eine Medien-Aufheizstrecke.
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Des Weiteren ist das mindestens eine thermoelastische Element 20 innerhalb des Gehäuses 10 derart gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 in seiner Längsrichtung entspannt ist, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element 20 in dem mindestens einen zweiten Strömungskanal 12 befindet. Daher ist das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei der Bewegung in dem mindestens einen zweiten Strömungskanal 12 abgekühlt. Der mindestens eine zweite Strömungskanal 12 dient somit für das Medium 2 als Abkühlungsstrecke.
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Im Unterschied zu der zirkularen Ausführungsform strömt das Medium bei der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b der 2A und 2B in Längsrichtung des Gehäuses 10, das heißt parallel zu der Drehachse D und somit senkrecht zu der Rotationsebene E1.
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Die tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1b kann nur eine einzige Rotationsebene E1 umfassen, in der das mindestens eine thermoelastische Element 20 innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet und auf einer Kreisbahn K1 innerhalb der Ebene E1 um eine Drehachse D bewegbar ist. Die Ebene E1 ist senkrecht zu der Drehachse D angeordnet. Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist innerhalb des Gehäuses 10 derart gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei einer Bewegung auf der Kreisbahn K1 in Abhängigkeit von der Position des mindestens einen thermoelastischen Elements 20 auf der Kreisbahn K1 gedehnt oder entspannt wird.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der tubularen Energiewandlungsvorrichtung 1b können thermoelastische Elemente in dem Gehäuse 10 in verschiedenen Rotationsebenen angeordnet sein, wie in 2A gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform umfasst die tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1b neben dem mindestens einen thermoelastischen Element 20 zusätzlich mindestens ein zweites thermoelastisches Element 21 aus einem thermoelastischen Material.
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Das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 ist in Längsrichtung innerhalb einer zweiten Ebene/Rotationsebene E2, die parallel und in einem Abstand zu der ersten Ebene E1 in dem Gehäuse 10 liegt, angeordnet. Das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 ist auf einer zweiten Kreisbahn K2 innerhalb der zweiten Ebene E2 um die Drehachse D bewegbar. Das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 ist innerhalb des Gehäuses 10 der Energiewandlungsvorrichtung 1b derart gelagert, dass das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 bei der Bewegung entlang der zweiten Kreisbahn K2 in Abhängigkeit von seiner Position gedehnt oder entspannt wird.
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Bei der tubularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b ist das Gehäuse 10 röhrenförmig ausgebildet. Die Drehachse D für die Rotation des mindestens einen thermoelastischen Elementes 20 und des mindestens einen zweiten thermoelastischen Elements 21 ist in einer Längsrichtung des Gehäuses 10 ausgerichtet.
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Ähnlich wie bei der zirkularen Ausführungsform können auch bei der tubularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b die thermoelastischen Elemente 20 und 21 in ihren jeweiligen Rotationsebenen E1 und E2 derart gelagert sein, dass die thermoelastischen Elemente in ihrer Längsrichtung gedehnt sind, wenn sie sich bei der Rotationsbewegung in dem mindestens einen ersten Strömungskanal 11 befinden. Bei der Bewegung in dem mindestens einen ersten Strömungskanal 11 sind die thermoelastischen Elemente 20, 21 daher erwärmt, so dass der mindestens eine erste Strömungskanal 11 für das Medium 2 als eine Aufheizstrecke dient.
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Des Weiteren sind die thermoelastischen Elemente 20, 21 in ihren jeweiligen Rotationsebenen E1 und E2 derart gelagert, dass sie in ihrer Längsrichtung entspannt sind, wenn sie sich während der Rotationsbewegung in dem mindestens einen zweiten Strömungskanal 12 befinden. Dadurch sind die thermoelastischen Elemente 20, 21 in dem mindestens einen zweiten Strömungskanal 12 abgekühlt, so dass der mindestens eine zweite Strömungskanal 12 als eine Medien-Abkühlungsstrecke dient.
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Bei den thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtungen 1a und 1b sind vorzugsweise bei der zirkularen Ausführungsform eine Vielzahl von thermoelastischen Elementen 20 in der Rotationsebene E und bei der tubularen Ausführungsform eine Vielzahl von thermoelastischen Elementen 20 und 21 in den Rotationsebenen E1 und E2 angeordnet. Die thermoelastischen Elemente können in Längsrichtung zwischen Halteelementen 41, 42 angeordnet sein. Die Halteelemente 41 bewegen sich als Innenläufer auf einer geschlossenen Bahn 51. Die Halteelemente 42 bewegen sich auf einer äußeren geschlossenen Bahn 52 als Außenläufer.
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Das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 kann als ein Draht mit Formgedächtnis (SMA-Draht) ausgebildet sein.
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Um den thermoelastischen Elementen bei der Kreisbewegung eine radiale Längenänderung aufzuprägen können sich die ersten oder zweiten Halteelemente entlang eines Profilelements 60, das als ein Nocken ausgebildet sein kann, bewegen. Bei den schematischen Darstellungen der 1a und 1b können sich beispielsweise die Halteelemente 41 entlang des nockenförmigen Profilelements 60 bewegen. Die thermoelastischen Elemente befinden sich bei der Bewegung ihrer jeweiligen Halteelemente auf einem Abschnitt 61 des Profilelements 60 in einem gedehnten Zustand und bei der Bewegung auf einem Teilabschnitt 62 des nockenförmigen Profilelements 60 in einem entspannten Zustand. Das Dehnen beziehungsweise Entspannen der thermoelastischen Elemente erfolgt bei der Bewegung der inneren Halteelemente entlang eines Teilabschnitts 63 des nockenförmigen Profilelements 60.
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Die Trennwände 14 und 15, die die Transitionszone 13 von dem mindestens einen ersten Strömungskanal 11 beziehungsweise dem mindestens einen zweiten Strömungskanal 12 trennen, können zum Durchlassen der thermoelastischen Elemente 20, 21 entlang ihrer Wandung geschlitzt oder mit Dichtungen versehen sein.
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Die thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtungen 1a und 1b weisen mindestens ein Durchlassventil 70 zum Einströmen des Mediums 2 von mindestens einem des ersten und zweiten Strömungskanals 11, 12 in die Transitionszone 13 auf. Das mindestens eine Durchlassventil 70 ist zwischen mindestens einem des ersten und zweiten Strömungskanals 11, 12 und der Transitionszone 13 angeordnet. Das mindestens eine Durchlassventil 70 kann beispielsweise in mindestens einer der ersten und zweiten Trennwand 14, 15 angeordnet sein.
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Mit Hilfe des mindestens einen Durchlassventils 70 kann ein gewisser Anteil der Medienströmung aus mindestens einem der Strömungskanäle 11, 12 beziehungsweise aus dem Kalt- beziehungsweise Warm-Medienzulauf in die Transitionszone 13 umgeleitet werden, um beispielsweise ein Dehnen beziehungsweise Entspannen des mindestens einen thermoelastischen Elements in einem möglichst vorteilhaften Arbeitsbereich des SMA-Materials zu vollziehen. Dies kann vorteilhafterweise in der Transitionszone 13 geschehen. Mit Hilfe des mindestens einen Durchlassventils kann die Transitionszone 13 somit gezielt auf ein bestimmtes Temperaturniveau geregelt werden. Das mindestens eine Durchlassventil 70 ermöglicht bei der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung somit eine zusätzliche Regelbarkeit von Leistung und Wirkungsgrad.
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Das mindestens eine Durchlassventil 70 kann dazu ausgebildet sein, eine Durchlassstrecke zum Einströmen des Mediums 2 in die Transitionszone 13 in Abhängigkeit von der Position des mindestens einen thermoelastischen Elements 20 beziehungsweise des mindestens einen zweiten thermoelastischen Elements 21 bei der Bewegung in dem Gehäuse 10 zu öffnen oder zu schließen.
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Beispielsweise kann das mindestens eine Durchlassventil 70 dazu ausgebildet sein, die Durchlassstrecke zum Einströmen des Mediums 2 in die Transitionszone 13 zu öffnen, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 bei der Bewegung in dem Gehäuse 10 in der Transitionszone 13 oder kurz vor der Transitionszone 13, das heißt, kurz vor dem Passieren der Trennwand zu der Transitionszone, befindet. Diese Ausführungsform ermöglicht es, dass das Umleiten des Medienstroms in einem der Strömungskanäle 11, 12 in die Transitionszone moduliert beziehungsweise gepulst stattfinden kann, um nur zu temperieren, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element 20, 21 in der Transitionszone oder kurz vor der Durchfahrt durch die Transitionszone befindet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Spannen beziehungsweise Entspannen der thermoelastischen Elemente 20, 21 innerhalb der temperaturgeregelten Transitionszone 13 erfolgen. Da die Transitionszone durch das gezielte Umleiten des Medienstroms aus dem kalten beziehungsweise warmen Strömungskanal auf ein bestimmtes Temperaturniveau geregelt werden kann, kann somit das Dehnen beziehungsweise Entspannen des mindestens einen thermoelastischen Elements 20 beziehungsweise des mindestens einen zweiten thermoelastischen Elements 21 innerhalb der Transitionszone 13 in einem vorteilhaften Arbeitsbereich des SMA-Materials vollzogen werden.
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Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a und 1b kann gemäß einer weiteren Ausführungsform einen Temperatursensor 80 zum Erfassen der Temperatur der Transitionszone umfassen. Der Temperatursensor 80 kann in der Transitionszone 13 angeordnet sein.
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Bei dieser Ausführungsform kann das mindestens eine Durchlassventil 70 dazu ausgebildet sein, das Einströmen des Mediums 2 von mindestens einem des ersten und zweiten Strömungskanals 11, 12 in die Transitionszone 13 in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor 80 erfassten Temperatur zu steuern. Dadurch kann ein Regelkreis erzeugt werden, durch den der Volumenstrom des Mediums 2 von mindestens einem der Strömungskanäle 11, 12 in die Transitionszone 13 geregelt werden kann.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtungen 1a und 1b kann zusätzlich zu dem mindestens einen Durchlassventil 70 ein Auslassventil 91, das ein Ausströmen des Mediums 2 aus der Transitionszone 13 ermöglicht, oder ein Einlassventil 92, das ein Einströmen des Mediums 2 in die Transitionszone 13 ermöglicht, vorhanden sein. Mit Hilfe von derartigen Auslass- beziehungsweise Einlassventilen können Verluste durch Überströmen des zugeführten Mediums aus den Trennungen der Zonen verringert und/oder ein besseres Strömungsprofil des zugeführten Mediums erzeugt werden.
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Die vorgeschlagene Verwendung eines Durchlassventils 70 zwischen der Transitionszone 13 und mindestens einem der Strömungskanäle 11, 12 ist nicht auf die in den 1A bis 2B gezeigten Ausführungsformen einer zirkularen beziehungsweise tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung beschränkt. Grundsätzlich kann das vorgeschlagene Konzept auf jegliche elastokalorische Wärme-/Kältemaschine angewendet werden, bei der die Warm- und Kaltzone durch eine Transitionszone voneinander getrennt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- zirkulare/radiale thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung
- 1b
- tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung
- 10
- Gehäuse
- 11, 12
- Strömungskanal
- 13
- Transitionszone
- 14, 15
- Trennwand
- 20, 21
- thermoelastisches Element
- 31-34
- Medien Ein- und Auslässe
- 41, 42
- Halteelement
- 51, 52
- geschlossene Bahn
- 60
- Profilelement/Nocken
- 61-63
- Teilbereiche des Profilelements
- 70
- Durchlassventil
- 80
- Temperatursensor
- 91
- Auslassventil
- 92
- Einlassventil
