DE102021207996A1

DE102021207996A1 - Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums

Info

Publication number: DE102021207996A1
Application number: DE102021207996.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kircher; Hans Schroth; Klaus Seifert
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2041-07-27
Also published as: DE102021207996B4

Abstract

Eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums umfasst ein Gehäuse (10) zur Aufnahme des Mediums (2) und mindestens ein thermoelastisches Element (20) aus einem thermoelastischen Material. Das mindestens eine thermoelastische Element (20) ist innerhalb einer Ebene (E, E1) in dem Gehäuse (10) angeordnet und auf einer Kreisbahn (K, K1) innerhalb der Ebene (E, E1) um eine Drehachse (D) bewegbar. Das mindestens eine thermoelastische Element (20) ist innerhalb des Gehäuses (10) derart gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element (20) bei der Bewegung auf der Kreisbahn (K, K1) in Abhängigkeit von der Position des mindestens einen thermoelastischen Elements (20) gedehnt oder entspannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases.
Bei einer Energiewandlungsvorrichtung beziehungsweise einer Wärme-/Kältemaschine, die auf dem elastokalorischen Effekt beruht, wird eine Heizwirkung beziehungsweise Kühlwirkung durch elastische Verformung 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 kristallinen 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. Energiewandler mit thermoelastischen Elementen aus einer Formgedächtnislegierung (SMA, Shape Memory Alloy) zum Kühlen und Heizen eines Mediums sind derzeit noch in der Erprobungsphase.
Ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, einen konstruktiven Ansatz für eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums anzugeben, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Leistungsdichte und eine kompakte Bauform, die eine leichte Wartung der Vorrichtung zulässt, auszeichnet.
Eine derartige thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad und kompakter Bauform, die als eine Wärme-/Kältemaschine zum Erwärmen oder Abkühlen eines Mediums eingesetzt werden kann, ist im Patentanspruch 1 angegeben.
Eine thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen oder Abkühlen eines Mediums umfasst ein Gehäuse zur Aufnahme des Mediums sowie mindestens ein thermoelastisches Element aus einem thermoelastischen Material. Das mindestens eine thermoelastische Element ist innerhalb einer Ebene in dem Gehäuse angeordnet und auf einer Kreisbahn innerhalb der Ebene um eine Drehachse bewegbar. Das mindestens eine thermoelastische Element ist innerhalb des Gehäuses derart gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element bei der Bewegung auf der Kreisbahn in Abhängigkeit von der Position des mindestens einen thermoelastischen Elements gedehnt oder entspannt wird.
Gemäß einer ersten, zirkularen beziehungsweise radialen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung ist der Medienstrom in dem Gehäuse der Energiewandlungsvorrichtung derart ausgerichtet, dass das Medium tangential zu der Ebene am dem mindestens einen thermoelastischen Element vorbei strömt. Vorzugsweise sind in der Ebene mehrere thermoelastische Elemente angeordnet. Das Medium strömt tangential an den thermoelastischen Elementen vorbei. Im Inneren des Gehäuses ist bei der zirkularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung nur eine Rotationsebene vorhanden, in der das mindestens eine thermoelastische Element auf der Kreisbahn drehbar angeordnet ist.
Gemäß einer zweiten, tubularen Ausgestaltungsform der Energiewandlungsvorrichtung strömt das Medium in dem Gehäuse parallel zu der Drehachse und somit senkrecht zu der Rotationsebene, in der sich das mindestens eine thermoelastische Element befindet.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung kann zusätzlich zu dem mindestens einen thermoelastischen Element noch mindestens ein zweites thermoelastisches Element aus einem thermoelastischen Material in dem Gehäuse angeordnet sein. Das mindestens eine zweite thermoelastische Element ist innerhalb einer zweiten Ebene/Rotationsebene in dem Gehäuse angeordnet und auf einer zweiten Kreisbahn innerhalb der zweiten Ebene um die Drehachse beweglich gelagert. Vorzugsweise sind auch bei der tubularen Ausführungsform der Energiewandlungsvorrichtung mehrere des mindestens einen thermoelastischen Elements in der Ebene und mehrere des mindestens einen zweiten thermoelastischen Elements in der zweiten Ebene drehbar um die Drehachse angeordnet.
Bei beiden Ausführungsformen der Energiewandlungsvorrichtung sind die thermoelastischen Elemente innerhalb ihrer jeweiligen Ebene/Rotationsebene in Längsrichtung angeordnet. Die thermoelastischen Elemente sind somit in Längsrichtung zum Mittelpunkt ihrer jeweiligen Kreisbahn ausgerichtet. Die thermoelastischen Elemente sind derart gelagert, dass sie während einer Rotation in Abhängigkeit von der Position während der Rotation in Längsrichtung gedehnt und entspannt werden. Während der Rotation innerhalb der jeweiligen Rotationsebene wird den thermoelastischen Elementen zum Beispiel durch ein feststehendes Nockenprofil oder durch einen separaten Aktuator in radialer Richtung winkelgesteuert eine Weg- beziehungsweise Längenänderung aufgeprägt.
Die thermoelastischen Elemente können beispielsweise derart gelagert sein, dass den thermoelastischen Elementen bei der Rotation in einem ersten Teilbereich des Gehäuses eine Belastung durch eine Dehnung aufgeprägt wird. Dadurch erwärmen sich die thermoelastischen Elemente, so dass in dem ersten Teilbereich des Gehäuses ein Strömungskanal für eine Medien-Aufheizstrecke ausgebildet wird. Des Weiteren können die thermoelastischen Elemente derart gelagert sein, dass die thermoelastischen Elemente während der Rotation in einem zweiten Teilbereich des Gehäuses entspannt werden. Dadurch wird in dem zweiten Teilbereich des Gehäuses ein zweiter Strömungskanal für eine Medien-Abkühlungstrecke ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform der zirkularen beziehungsweise tubularen Energiewandlungsvorrichtung sind die thermoelastischen Elemente in ihrer jeweiligen Rotationsebene in Längsrichtung zwischen einem ersten und zweiten Haltelement angeordnet. Das erste Halteelement bewegt sich entlang einer ersten geschlossenen Bahn und das zweite Halteelement bewegt sich synchron zu dem ersten Halteelement auf einer zweiten geschlossenen Bahn um die Drehachse.
Die Längenänderung kann den thermoelastischen Elementen innerhalb der verschiedenen Rotationsebenen dadurch aufgeprägt werden, indem das erste oder das zweite Halteelement an einem Profilelement vorbeigeführt wird. Die Oberfläche des Profilelements kann derart geformt sein, dass das mindestens eine thermoelastische Element in Längsrichtung gedehnt wird, wenn das erste oder zweite Halteelement an einem ersten Abschnitt des Profilelement vorbeigeführt wird, und in Längsrichtung entspannt wird, wenn das erste oder zweite Halteelement an einem zweiten Abschnitt des Profilelements vorbei geführt wird. Das Profilelement kann als ein feststehendes Nockenprofil ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die Längenänderung den thermoelastischen Elementen durch einen separaten Aktuator für ein oder mehrere thermoelastische Elemente aufgeprägt werden, wobei jeder Aktuator entlang einer Kreisbahn bewegt wird.
Bei der zirkularen als auch der tubularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung können die thermoelastischen Elemente als Drähte aus einem Formgedächtnis-Material/einer Formgedächtnislegierung (SMA-Drähte) ausgebildet sein. Durch die Rotation bewegen sich die länglich ausgebildeten SMA-Drähte innerhalb des Gehäuses auf einer Kreisbahn beziehungsweise zueinander beabstandet angeordneten Kreisbahnen werden dabei an definierten Positionen während der Rotation ge- und entspannt. Somit lässt sich der gewünschte Effekt des Heizens beziehungsweise Kühlen reproduzierbar an der gleichen Stelle im System wiederholen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren anschaulich näher erläutert. Es zeigen:

1A einen Querschnitt durch eine erste, zirkulare Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung,
1B eine weitere Schnittansicht der ersten, zirkularen Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung,
2A eine perspektivische Ansicht einer zweiten, tubularen Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung,
2B einen Querschnitt durch die zweite, tubulare Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung,
3A eine Ausführungsform einer Führung von thermoelastischen Elementen innerhalb einer Rotationsebene einer zirkularen/tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung,
3B eine weitere Ausführungsform einer Führung von thermoelastischen Elementen innerhalb einer Rotationsebene einer zirkularen/tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung,
4 eine Ausführungsform einer Transitionszone innerhalb einer Rotationsebene der thermoelastischen Elemente,
5 eine weitere Ausführungsform einer Transitionszone innerhalb einer Rotationsebene der thermoelastischen Elemente,
6 eine tubulare Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung mit gleichsinniger Strömungsrichtung eines Mediums,
7 eine tubulare Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung mit unterschiedlicher Anströmung der thermoelastischen Elemente durch ein Medium,
8 eine tubulare Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung mit Leitschaufeln in Strömungskanälen zur Strömungsablenkung des Mediums,
9 eine tubulare Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung mit verschiedener Anordnung der Transitionszonen und verschiedener Drehrichtung der thermoelastischen Elemente in unterschiedlichen Rotationsebenen,
10A und 10B eine erste Ausführungsform einer Nockenverstellung eines Profilelements einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung, und
11A und 11 B eine zweite Ausführungsform einer Nockenverstellung eines Profilelements einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung.

Eine zirkulare beziehungsweise radiale Ausführungsform einer thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1a zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums wird im Folgenden anhand der in 1A gezeigten Schnittdarstellung und des in 1B gezeigten Schnitts entlang der Schnittlinie A-A der 1A beschrieben.
Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a umfasst ein Gehäuse 10 zur Aufnahme des Mediums 2, das mittels der Energiewandlungsvorrichtung erwärmt oder abgekühlt werden kann. Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a umfasst des Weiteren mindestens ein thermoelastisches Element 20 aus einem thermoelastischen Material, das von dem Medium 2 umströmt werden kann. Das mindestens eine thermoelastische Element 20 kann beispielsweise als ein Draht mit einem Formgedächtnis, beispielsweise ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung (SMA-Draht), ausgebildet sein. Der Drahtquerschnitt kann rund, viereckig oder flach ausgebildet sein. Insbesondere kann der Drahtquerschnitt derart optimiert ausgestaltet sein, dass der SMA-Draht einen geringen Strömungswiderstand, aber eine große Oberfläche aufweist.
Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist innerhalb einer Ebene E in dem Gehäuse 10 angeordnet und ist auf einer Kreisbahn K innerhalb der Ebene E um eine Drehachse D bewegbar. 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 K in Abhängigkeit von der Position des mindestens einen thermoelastischen Elements 20 auf der Kreisbahn K gedehnt oder entspannt wird.
Das mindestens eine thermoelastische Element 20 kann innerhalb der Rotationsebene E derart angeordnet sein, dass die Längsrichtung des mindestens einen thermoelastischen Elements 20 radial zu der Drehachse D verläuft. Das mindestens eine thermoelastische Element 20, beispielsweise ein SMA-Draht kann somit in seiner Rotationsebene auf einer Linie ausgerichtet sein, die durch den Mittelpunkt der Drehachse D verläuft. Vorzugsweise sind innerhalb der Rotationsebene E mehrere thermoelastische Elemente 20 angeordnet. Die thermoelastischen Elemente können innerhalb der Rotationsebene E sternförmig um die Drehachse D angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das mindestens eine thermoelastische Elemente 20 beziehungsweise die mehreren thermoelastischen Elemente aber auch unter einem Winkel zu der Drehachse D angestellt sein. Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist innerhalb des Gehäuses 10 derart gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei der Bewegung auf der Kreisbahn K in seiner Längsrichtung gedehnt ist, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element 20 auf der Kreisbahn K in mindestens einem ersten Teilbereich 11 des Gehäuses befindet. Dadurch wird das mindestens eine thermoelastische Element 20 erwärmt, wenn es während der Rotationsbewegung in den ersten Teilbereich 11 des Gehäuses gelangt. In dem Teilbereich 11 kann somit ein Strömungskanal für das Medium ausgebildet werden, der zum Erwärmen des Mediums dient (Medien-Aufheizstrecke).
Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist des Weiteren innerhalb des Gehäuses 10 derart gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei der Bewegung auf der Kreisbahn K in seiner Längsrichtung entspannt ist, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element 20 auf der Kreisbahn K in mindestens einem zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses 10 befindet. Dadurch wird das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei der Rotation innerhalb der Rotationsebene E abgekühlt, wenn das mindestens eine thermoelastische Element 20 in den zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses 10 gelangt. In dem zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses 10 wird somit ein Strömungskanal zur Abkühlung des Mediums ausgebildet (Medien-Abkühlungsstrecke).
Die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a umfasst einen ersten Einlass 31 zum Einströmen des Mediums 2 in den mindestens einen ersten Teilbereich 11 beziehungsweise in den mindestens einen ersten Strömungskanal des Gehäuses 10. Des Weiteren umfasst die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a einen ersten Auslass 32 zum Ausströmen des Mediums 2 aus dem mindestens einen ersten Teilbereich 11 beziehungsweise dem mindestens einen ersten Strömungskanal des Gehäuses 10.
Weiter umfasst die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a einen zweiten Einlass 33 zum Einströmen des Mediums 2 in den mindestens einen zweiten Teilbereich 12 beziehungsweise in den mindestens einen zweiten Strömungskanal und einen zweiten Auslass 34 zum Ausströmen des Mediums 2 aus dem mindestens einen zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses 10 beziehungsweise dem mindestens einen zweiten Strömungskanal.
Wie in 1A zu erkennen ist, umfasst die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a mindestens eine Transitionszone 13 zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich 11 und dem mindestens einen zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses 10. Die mindestens eine Transitionszone 13 ist durch eine Trennwand 14 von dem mindestens einen ersten Teilbereich/Strömungskanal 11 des Gehäuses 10 und durch eine Trennwand 15 von dem mindestens einen zweiten Teilbereich/Strömungskanal 12 des Gehäuses 10 getrennt. Die Transitionszone 13 trennt somit den Teilbereich 11 des Gehäuses 10, in dem der Strömungskanal zum Aufwärmen des Mediums gebildet wird, von dem Teilbereich 12 des Gehäuses 10, in dem der Strömungskanal zum Abkühlen des Mediums 2 gebildet wird.
Die Trennwand 14 ist derart ausgebildet, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei der Bewegung auf der Kreisbahn K zwischen dem mindestens einen Teilbereich 11 und der mindestens einen Transitionszone 13 durch die erste Trennwand 14 hindurch bewegbar ist. Die Trennwand 15 ist derart ausgebildet, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei der Bewegung auf der Kreisbahn K durch die Trennwand 15 zwischen dem mindestens einen zweiten Teilbereich 12 und der mindestens einen Transitionszone 13 hindurch bewegt werden kann.
Die Transitionszone 13 zwischen dem Warm- und Kaltbereich kann Dichtungselemente an der Zonengrenze aufweisen, um die Medien 2 in den Warm- und Kaltzonen zu trennen aber gleichzeitig das mindestens eine thermoelastische Element 20 zwischen den beiden Strömungskanälen durchzulassen. Zur Ausbildung des Dichtungselements können die beiden Trennwände 14 und 15 jeweils als eine geschlitzte Trennwand ausgebildet sein, durch die sich das mindestens eine thermoelastische Element, beispielsweise der SMA-Draht, gegebenenfalls mit Überstromverlusten, hindurch bewegen kann.
Bei der zirkularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1a sind die beiden Einlässe 31, 33 und die beiden Auslässe 32, 34 derart an den Gehäuse 20 angeordnet, dass das Medium 2 bei einem Durchströmen des Gehäuses 10 tangential zu der Rotationsebene E an dem mindestens einen thermoelastischen Element 20 vorbeiströmt.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform sind die Ein- und Auslässe für das Medium in dem Teilbereich 11 des Gehäuses, der den Strömungskanal für die Medien-Aufheizstrecke bildet, als auch in dem Teilbereich 12 des Gehäuses 10, der den Strömungskanal für die Medien-Abkühlungsstrecke bildet, derart angeordnet, dass das Medium entgegen der Drehrichtung R des mindestens einen thermoelastischen Elements 20 strömt. Damit wird ein Gegenstrom-Wärmetauscher angenähert.
Eine zweite, tubulare Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b wird im Folgenden anhand von 2A, die die tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht zeigt, und 2B, die eine Schnittdarstellung der tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung entlang einer Schnittlinie A-A aus 2A zeigt, beschrieben.
Die in den 2A und 2B gezeigte tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1b umfasst ein Gehäuse 10 zur Aufnahme des Mediums 2, das röhrenförmig ausgebildet ist. Innerhalb des Gehäuses 10 enthält die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1b mindestens ein thermoelastisches Element 20 aus einem thermoelastischen Material das von dem Medium 2 umströmt werden kann und in dem Gehäuse 10 innerhalb einer ersten Ebene/Rotationsebene E1 angeordnet ist. Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist innerhalb der Ebene/Rotationsebene E1 auf einer Kreisbahn K1 um eine Drehachse D bewegbar. Das mindestens eine thermoelastische Element 20 ist derart innerhalb des Gehäuses 10 gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei der Bewegung auf der Kreisbahn K1 in Abhängigkeit von seiner Position gedehnt oder entspannt wird.
Bei der tubularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b sind die Ein- und Auslässe für das Medium 2 derart an dem Gehäuse 10 angeordnet, dass das Medium 2 bei einem Durchströmen des Gehäuses 10 parallel zu der Drehachse D an dem mindestens einen thermoelastischen Element 20 in der Rotationsebene E1 vorbeiströmt. Die Strömungsrichtung des Mediums 2 ist somit nicht - wie bei der zirkularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1a - tangential zur Rotationsebene ausgerichtet, sondern verläuft in Längsrichtung des röhrenförmigen Gehäuses 10 beziehungsweise senkrecht zu der Rotationsebene E1.
Gemäß der in 2A gezeigten Ausführungsform der tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b können die Ein- und Auslässe 31-34 für das Medium 2 derart an dem Gehäuse 10 angeordnet sein, dass die Strömungsrichtung des Mediums bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung 1b in dem ersten Teilbereich/Strömungskanal 11 entgegen gesetzt zu der Strömungsrichtung in dem zweiten Teilbereich/Strömungskanal 12 ausgerichtet ist.
Die tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 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. 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.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der tubularen Energiewandlungsvorrichtung 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 zusätzlich zu dem mindestens einen thermoelastischen Element 20 noch mindestens ein zweites thermoelastisches Element 21 aus einem thermoelastischen Material, das ebenfalls von dem Medium 2 umströmt werden kann. Das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 ist in einer Ebene/Rotationsebene E2, die parallel in einem Abstand zu der Ebene E1 innerhalb des Gehäuses 20 liegt, angeordnet. Innerhalb dieser zweite Ebene E2 ist das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 auf einer zweiten Kreisbahn K2 um die Drehachse D bewegbar. Die Ebenen E1 und E2 sind senkrecht zu der Drehachse D angeordnet. Das mindestens eine zweite thermoelastische Element 20 ist innerhalb des Gehäuses 10 derart gelagert, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 bei der kreisförmigen Bewegung entlang der zweiten Kreisbahn K2 in Abhängigkeit von seiner Position gedehnt oder entspannt wird.
Das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 kann beispielsweise als ein Draht mit einem Formgedächtnis, beispielsweise ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung (SMA-Draht), ausgebildet sein. Der Drahtquerschnitt der SMA-Drähte kann rund, viereckig oder flach ausgebildet sein. Insbesondere kann der Drahtquerschnitt derart optimiert ausgestaltet sein, dass der SMA-Draht einen geringen Strömungswiderstand, aber eine große Oberfläche aufweist.
Das mindestens eine thermoelastische Element 20 und das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 sind innerhalb des Gehäuses 10 derart gelagert, dass die thermoelastischen Elemente 20, 21 bei der Bewegung auf ihren jeweiligen Kreisbahnen K1 und K2 in ihrer Längsrichtung gedehnt sind, wenn sich die thermoelastischen Elemente 20, 21 bei der Rotation auf den jeweiligen Kreisbahnen K1 und K2 in einem ersten Teilbereich 11 des Gehäuses befinden. In dem ersten Teilbereich 11 des Gehäuses werden die thermoelastischen Elemente 20, 21 erwärmt. Über einen Medieneinlass 31 gelangt das Medium 2 in den ersten Teilbereich 11 des Gehäuses 10 und kann über einen Medienauslass 33 wieder aus dem Teilbereich 11 des Gehäuses ausströmen. In dem ersten Teilbereich 11 des Gehäuses 10 wird somit ein Strömungskanal einer Medien-Aufheizstrecke gebildet.
Die thermoelastischen Elemente 20, 21 sind innerhalb des Gehäuses 10 der tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b des Weiteren derart gelagert, dass die thermoelastischen Elemente 20, 21 bei der Bewegung auf ihrer jeweiligen Kreisbahn K1 und K2 in ihrer Längsrichtung entspannt sind, wenn sich die thermoelastischen Elemente 20, 21 auf ihrer jeweiligen Kreisbahn K1, K2 in einem zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses 10 befinden. Durch das Entspannen werden die thermoelastischen Elemente 20, 21 in den zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses abgekühlt. Über einen Medieneinlass 33 gelangt das Medium 2 in den ersten Teilbereich 12 des Gehäuses 10 und kann über einen Medienauslass 34 wieder aus dem Teilbereich 12 des Gehäuses ausströmen. In dem zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses 10 wird somit ein Strömungskanal einer Medien-Abkühlungsstrecke gebildet.
Auch bei der tubularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandungsvorrichtung 1b sind der erste und zweite Teilbereich 11, 12 des Gehäuses 10 durch mindestens eine Transitionszone 13 voneinander getrennt. Die mindestens eine Transitionszone 13 ist insbesondere durch eine Trennwand 14 von dem ersten Teilbereich 11 und durch eine zweite Trennwand 15 von dem zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses 10 getrennt. Die erste Trennwand 14 ist derart ausgebildet, dass die thermoelastischen Elemente 20, 21 bei der Bewegung auf ihrer jeweiligen Kreisbahn K1, K2 durch die erste Trennwand 14 hindurch gelangen und somit zwischen dem ersten Teilbereich 11 und der Transitionszone 13 bewegbar sind. Ebenso ist die zweite Trennwand 15 derart ausgebildet, dass die thermoelastischen Elemente 20, 21 bei der Bewegung auf ihrer jeweiligen Kreisbahn K1, K2 durch die zweite Trennwand 15 hindurch bewegt werden können und somit zwischen dem zweiten Teilbereich 12 des Gehäuses 10 und der mindestens einen Transitionszone 13 bewegbar sind.
Die Trennwände 14 und 15 dienen als Dichtungselement um die Medien in den Teilbereichen/Strömungskanälen 11 und 12 des Gehäuses 10 zu trennen, aber gleichzeitig die thermoelastischen Elemente 20, 21 bei der Bewegung auf ihrer jeweiligen Kreisbahn K1, K2 zwischen den Strömungskanälen 11, 12 und der Transitionszone 13 zu bewegen. Die Trennwände 14 und 15 können beispielsweise geschlitzt ausgebildet sein, so dass die thermoelastischen Elemente 20, 21 gegebenenfalls mit Überstromverlusten durch die Trennwände hindurch bewegt werden können.
Die thermoelastischen Element 20 können in ihren jeweiligen Rotationsebenen E1 und E2 derart angeordnet sein, dass die Längsrichtung der thermoelastischen Elemente 20, 21 radial zu der Drehachse D verläuft. Die thermoelastischen Elemente 20, 21 können somit in ihrer Rotationsebene auf einer Linie ausgerichtet sein, die durch den Mittelpunkt der Drehachse D verläuft. Vorzugsweise sind innerhalb der Rotationsebenen E1 und E2 jeweils mehrere thermoelastische Elemente 20 angeordnet. Die thermoelastischen Elemente können innerhalb ihrer jeweiligen Rotationsebene E1, E2 sternförmig um die Drehachse D angeordnet sein.
Durch die Anordnung einer Vielzahl von thermoelastischen Elemente in den verschiedenen Rotationsebenen werden bei der tubularen Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b „Scheiben“ aus thermoelastischen Elementen gebildet, die innerhalb des Gehäuses der Energiewandlungsvorrichtung beabstandet zueinander in verschiedenen Rotationsebenen übereinander angeordnet sind. Die „Scheiben“ aus thermoelastischen Elementen können, beispielsweise mittels Stirnradgetriebe, Zwischenwelle und Riemen, mechanisch gekoppelt und über einen oder mehrere Motoren angetrieben werden.
In Abhängigkeit von der gewünschten Leistung kann die tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1b eine Vielzahl von Rotationsebenen aufweisen, in denen sich thermoelastische Elemente kreisförmig bewegen und dabei gedehnt und entspannt werden.
Das Gehäuse 10 dient bei beiden Ausführungsformen der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtungen 1a und 1b zur Medienabdichtung. Das Gehäuse 10 kann gemäß einer möglichen Ausführungsform nur eine äußere Wandung aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuse, wie bei den Ausführungsformen der 1A- 2B, zusätzlich eine Innenwand aufweisen. Die Innenwand kann durch eine gemeinsame Drehachse/Welle ausgestaltet sein.
Die 3A und 3B zeigen eine mögliche Führung für die thermoelastischen Elemente 20 beziehungsweise 21, die für die zirkulare Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1a als auch für die tubulare Ausführungsform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b verwendet werden können.
Die thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtungen 1a und 1b können mindestens ein erstes Halteelement 41 und mindestens ein zweites Halteelement 42, zwischen denen das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 in ihrer Längsrichtung angeordnet ist, umfassen. Das mindestens eine erste Halteelement 41 ist in dem Gehäuse 10 entlang einer ersten geschlossenen Bahn 51, die in der Ebene E, E1 beziehungsweise E2 innerhalb des Gehäuses 10 liegt, beweglich angeordnet. Das mindestens eine zweite Haltelement 42 ist in dem Gehäuse 10 entlang einer zweiten geschlossenen Bahn 52, die in der Ebene E, E1 beziehungsweise E2 innerhalb des Gehäuses 20 liegt, beweglich angeordnet. Die zweite geschlossene Bahn 52 umgibt die erste geschlossene Bahn 51.
Das mindestens eine erste und zweite Halteelement 41, 42 können derart angeordnet sein, dass die Längsrichtung des mindestens einen thermoelastischen Elements 20 beziehungsweise des mindestens einen zweiten thermoelastischen Elements 21 innerhalb der Ebene E, E1 beziehungsweise E2 radial zu der Drehachse D verläuft.
Gemäß der in 3A gezeigten Ausführungsform sind die erste und die zweite geschlossene Bahn 51, 52 derart ausgebildet, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 bei einer Bewegung des mindestens einen ersten Halteelements 41 entlang der ersten geschlossenen Bahn 51 und bei einer Bewegung des mindestens einen zweiten Halteelements 42 entlang der zweiten geschlossenen Bahn 52 in seiner Längsrichtung eine Längenänderung erfährt.
Wie bei der Ausführungsform der 3A dargestellt ist, kann eine der ersten und zweiten geschlossenen Bahn 51, 52 als eine kreisförmige Bahn um die Drehachse D ausgebildet sein. Die andere der ersten und zweiten geschlossenen Bahn 51, 52 kann als eine nicht-kreisförmige Bahn um die Drehachse D ausgestaltet sein.
Zur Ausbildung der nicht-kreisförmigen Bahn kann die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a, 1b mindestens ein Profilelement 60 mit einer Führungsspur zum Führen des mindestens einen ersten Halteelements 41 entlang der ersten geschlossenen Bahn 51 oder zum Führen des mindestens einen zweiten Halteelements 42 entlang der zweiten geschlossenen Bahn 52 aufweisen. Die Führungsspur ist derart ausgebildet, dass das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 in Abhängigkeit von der Position des ersten oder zweiten Halteelements 41, 42 auf der Führungsspur eine Längenänderung erfährt. Das mindestens eine Profilelement 60 kann beispielsweise als ein Nocken ausgebildet sein.
Bei der in 3A dargestellten Ausführungsform erfolgt die Anbindung an die kreisförmige Bewegung durch die Bewegung der ersten Halteelemente 41 entlang der geschlossenen Bahn 51, die als Kreisbahn ausgebildet sein kann, in der Dreh-/Bewegungsrichtung R. Gleichzeitig erfolgt die radiale Bewegung der thermoelastischen Elemente 20, 21 durch die Führung der zweiten Halteelemente 42 entlang der Führungsspur des nockenförmigen Profilelements 60.
In den 1A und 2A ist schematisch ein nockenförmiges Profilelement 60 dargestellt, das die Führung für das mindestens eine erste Halteelement 41 bildet. Wenn das mindestens eine Halteelement 41 auf einem Abschnitt 61 des nockenförmigen Profilelements 60 entlang gleitet, ist das mindestens eine thermoelastische Element 20, 21 gedehnt. Wenn das mindestens eine Halteelement 41 auf einem Abschnitt 62 des nockenförmigen Profilelements 60 entlang gleitet, ist das mindestens eine thermoelastische Element 20, 21 entspannt. Das Dehnen und Entspannen erfolgt bei der Bewegung des mindestens einen Halteelements 41 entlang den Abschnitten 63 des nockenförmigen Profilelements 60.
Bei der in 3B gezeigten Variante für die Führung des mindestens einen ersten Halteelements 41 und des mindestens einen zweiten Halteelements 42 sind die erste und die zweite geschlossene Bahn 51, 52 jeweils als eine kreisförmige Bahn um die Drehachse D ausgebildet. Das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 können über eine Schlepphebelkupplung 70 oder eine lineare Führung 80 mit dem mindestens einen zweiten Halteelement 42 gekoppelt sein. Die Schleppkupplung 70 beziehungsweise die lineare Führung 80 können ein Lager 71 beziehungsweise 81 aufweisen, das entlang einer nicht-kreisförmigen Bahn 53 geführt wird.
Über die Schlepphebelkupplung 70 beziehungsweise die lineare Führung 80 erfolgt somit eine Funktionstrennung in eine Kreisbewegung der Halteelemente 41, 42 entlang der kreisförmig geschlossenen Bahnen 51 und 52 und in eine radiale Bewegung der thermoelastischen Elemente 20, 21 durch die Führung der Lager 71 beziehungsweise 81 entlang der nicht-kreisförmigen Bahn 53. Die nicht-kreisförmige Bahn 53 kann durch ein nockenförmiges Profilelement 60 ausgebildet sein, wobei die Lager 71 der Schlepphebelkupplung 70 beziehungsweise 81 der linearen Führung 80 entlang der Führungsspur des Profilelements/Nockens 60 geführt werden.
Bei den in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsformen für die Führung der thermoelastischen Elemente 20, 21 ist das mindestens eine erste Halteelement 41 als ein Innenläufer und das mindestens eine zweite Halteelement 42 als ein Außenläufer ausgebildet, die sich mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit durch entweder einen gemeinsamen Antrieb mechanisch gekoppelt, beispielsweise angebunden auf einer gemeinsamen Welle, oder getrennt bewegen. Das mindestens eine erste Halteelement 41 und das mindestens eine zweite Halteelement 42 bewegen sich synchron auf ihren jeweiligen geschlossenen Bahnen.
Das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 ist entweder an dem mindestens einen ersten Halteelement 41 (Innenläufer) oder an dem mindestens einen zweiten Halteelement 42 (Außenläufer) radial fixiert befestigt. Die radial bewegliche Seite der thermoelastischen Elemente 30, 21 befindet sich auf dem anderen Innen- beziehungsweise Außenläufer.
Bei den in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsformen ist die radial bewegliche Seite der thermoelastischen Elemente 20, 21 auf dem Außenläufer angeordnet, während die thermoelastischen Elemente 20, 21 auf dem Innenläufer im Radius fixiert geführt werden, wobei der Innenläufer in einer kreisförmigen Bewegung synchron zum Außenläufer bewegt wird.
4 zeigt eine Ausführungsform für die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a und 1b, bei der das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 derart auf seiner Kreisbahn ausgerichtet ist, dass die Längsrichtung des mindestens einen thermoelastischen Elements 20, 21 innerhalb der Ebene E beziehungsweise E1, E2 radial zu der Drehachse D verläuft. Wenn auch die Transitionszone 13 derart ausgestaltet ist, dass auch die Trennwände 14, 15 radial zu der Drehachse D ausgerichtet sind, wandert das mindestens eine thermoelastische Element 20, 21 bei der Rotation um die Drehachse D über seine gesamte Länge gleichzeitig in die Transitionszone 13 hinein.
5 zeigt eine andere Ausführungsform für die thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a und 1b, bei der zwar das mindestens eine thermoelastische Element 20 beziehungsweise das mindestens eine zweite thermoelastische Element 21 in seiner Längsrichtung radial zu der Drehachse D ausgerichtet ist, bei der aber die Trennwände 14, 15 der Transitionszone 13 nicht radial zu der Drehachse D verlaufen. Während einer Rotation des mindestens eines thermoelastischen Elements 20, 21 wandert somit das mindestens eine thermoelastische Element, beispielsweise in Form eines radial ausgerichteten SMA-Drahts, über eine definierte Zone beziehungsweise einen Drehwinkel kontinuierlich in die Transitionszone 13 hinein.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen für die tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1b anhand der 6 bis 9 näher erläutert.
Im Unterschied zu 2A zeigt 6 eine Ausführungsform der tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b, bei der die Strömung des Mediums 2 in beiden Teilbereichen/Strömungskanälen 11 und 12 gleichsinnig in Längsrichtung des rohrförmigen Gehäuses 10 beziehungsweise parallel zur Drehachse D der Kreisbahnen K1 und K2 strömt.
7 zeigt eine Ausführungsform der tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b, bei der das Medium 2 bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb der Energiewandlungsvorrichtung 1b mit einem „Drall“ in den ersten Strömungskanal/Teilbereich 11 des Gehäuses beziehungsweise in den zweiten Strömungskanal/Teilbereich 12 des Gehäuses einströmt. Der „Drall“ der Strömung ist kann entgegengesetzt zu der Drehrichtung des mindestens einen thermoelastischen Elements 20, 21 ausgerichtet sein, so dass die Energiewandlungsvorrichtung als ein Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist.
Die Medieneinlässe und die Medienauslässe können gemäß einer möglichen Ausführungsform derart an dem Gehäuse 10 angeordnet sein, dass das Medium anstatt parallel zur Drehachse D unter einem Winkel in die jeweiligen Strömungskanäle einströmt. Der Winkel kann vorzugsweise derart gewählt sein, dass die Strömung einen Anteil entgegen der Drehrichtung R des mindestens einen thermoelastischen Elements 20, 21 enthält.
Neben einer geeigneten Anordnung der Ein- und Auslässe können im Inneren des Gehäuses 10 Einrichtungen zur Strömungsablenkung angeordnet sein.
8 zeigt eine Ausführungsform einer tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b, bei der in den Strömungskanälen bewegte oder stillstehende Leitschaufeln 90 zwischen den Rotationsebenen E1 und E2 angeordnet sind, um die Strömung des Mediums abzulenken. Bei geeigneter Anstellung der Leitschaufeln 90 kann somit das Prinzip eines Gegenstromwärmetauschers realisiert werden.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltungsform der tubularen Energiewandlungsvorrichtung 1b, kann das mindestens eine thermoelastischen Elements 20, 21 in Form einer Leitschaufel zur Strömungslenkung/-beeinflussung ausgebildet sein. Als Nebeneffekt wird bei dieser Ausführungsform vorteilhaft die SMA-Oberfläche vergrößert. Die Leitschaufel kann entweder als flach ausgeführtes SMA-Drahtpaket oder als Blech realisiert werden.
Zur Strömungsbeeinflussung können gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der tubularen Energiewandlungsvorrichtung 1b die Transitionszonen 13 in den verschiedenen Rotationsebenen E1, E2 um einen Winkel verdreht angeordnet sein, um beispielsweise einen „Drall“ der Strömung des Mediums zu verstärken. 9 zeigt hierzu eine Ausführungsform der tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b, bei der die Transitionszonen 13 in den verschiedenen Ebenen E1 und E2 verdreht zueinander angeordnet sind, wodurch dementsprechend auch das Belastungs- und Entlastungsprofil für die thermoelastischen Elemente in den unterschiedlichen Rotationsebenen verschieden ist.
Die thermoelastischen Elemente 20, 21 können in den verschiedenen Rotationsebenen in ihrer Drehzahl gekoppelt oder auch entkoppelt betrieben werden. Insbesondere können die thermoelastischen Elemente 20, 21 in den Ebenen E1 und E2 gleichsinnig rotieren, wie beispielsweise in 2A beziehungsweise 6 dargestellt ist, oder in gegensinnigen Drehrichtung R1 und R2 rotieren, wie in 9 gezeigt ist. Des Weiteren können die thermoelastischen Elemente 20 in der Rotationsebene E1 auf ihrer Kreisbahn K1 mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt werden als die thermoelastischen Elemente 21 auf der Kreisbahn K2 in der Rotationsebene E2 bewegt werden.
Die 10A bis 11 B zeigen eine Ausführungsform für die zirkulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1a beziehungsweise für die tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung 1b, bei der das Profilelement 60 als eine Anordnung aus mehreren verstellbaren Nocken ausgebildet ist. Die verstellbare Nockenscheibe kann zwei oder mehrteilig aufgebaut sein. Durch eine geeignete Verstellung kann entweder eine Änderung des Zeitintervalls zwischen einer Heiz- und Abkühlphase erreicht werden ( 10A, 10B) oder eine Veränderung der Dehnungs- und/oder Kontraktionsrampe für die thermoelastischen Elemente (11A, 11 B) erzielt werden. Die beiden Optionen können auch kombiniert werden.
Die vorgestellten Ausführungsformen einer zirkularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1a beziehungsweise einer tubularen thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung 1b ermöglichen das Erwärmen oder Abkühlen eines gasförmigen Mediums oder eines flüssigen Mediums, wie zum Beispiel eines Wasserglykolgemisches.
Des Weiteren ermöglicht der vorgeschlagene konstruktive Aufbau der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtung eine einfache Kaskadierung des Systems, indem beispielsweise bei der zirkularen Ausführungsform die Anzahl der thermoelastischen Elemente innerhalb der Rotationsebene E erhöht oder erniedrigt wird, oder indem beispielsweise bei der tubularen Ausführungsform die Anzahl der Rotationsebenen der thermoelastischen Elemente erhöht oder erniedrigt wird. Möglich ist auch die Verwendung unterschiedlicher Formgedächtnis-Materialien für die thermoelastischen Elemente innerhalb einer Rotationsebene oder in verschiedenen Rotationsebenen.
Des Weiteren kann die Anzahl der Strömungskanäle gegenüber der in den 1A-2B gezeigten Ausführungsformen mit nur einem Strömungskanal für die Medien-Aufheizstrecke und einem Strömungskanal für die Medien-Abkühlungsstrecke erhöht werden. Dadurch kann eine multiple Ausgestaltungsform der zirkularen oder tubularen Energiewandlungsvorrichtung mit mehreren Warm- und Kaltzonen entlang des Kreisumfangs bereitgestellt werden.
Durch die verschiedenen Möglichkeiten der Kaskadierung ist das System einerseits ausfallsicher und andererseits skalierbar hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit.
Mit der Erhöhung der Anzahl der verwendeten Rotationsebenen kann die Umdrehungsfrequenz der thermoelastischen Elemente innerhalb der einzelnen Ebenen bei gleicher Leistungsfähigkeit reduziert werden, wodurch sich die Lebensdauer der thermoelastischen Elemente signifikant erhöht.
Die gezeigten Ausführungsformen der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtungen 1a und 1b zeichnen sich darüber hinaus durch eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad aus, da in kurzer Zeit eine Erwärmung oder Abkühlung eines Mediums erzielt werden kann.
Vorteilhaft ist des Weiteren die sehr kompakte Bauform der thermoelastischen Energiewandlungsvorrichtungen 1a und 1b und die leichte Wartung des Systems durch den einfachen Austausch einzelner „Scheiben“ von thermoelastischen Elementen in den verschiedenen Rotationsebenen.
Bezugszeichenliste

1a: zirkulare/radiale thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung
1b: tubulare thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung
2: Medium
10: Gehäuse
11: erster Teilbereich des Gehäuses/erster Strömungskanal
12: zweiter Teilbereich des Gehäuses/zweiter Strömungskanal
13: Transitionszone
14, 15: Trennwände
20, 21: thermoelastisches Element
31, 33: Einlass zum Einströmen des Mediums
32, 34: Auslass zum Ausströmen des Mediums
41, 42: Halteelement
51, 52: geschlossene Bahn
53: nicht-kreisförmige Bahn
60: Profilelement/Nocken
61, 62, 63: Abschnitte des Profilelements
70: Schlepphebelkupplung
71: Lager
80: lineare Führung
81: Lager
90: Leitschaufel
E, E1, E2: Ebene/Rotationsebene
K, K1, K2: Kreisbahn
D: Drehachse
R: Drehrichtung

Claims

Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung zum Erwärmen und Abkühlen eines Mediums, umfassend: - ein Gehäuse (10) zur Aufnahme des Mediums (2), - mindestens ein thermoelastisches Element (20) aus einem thermoelastischen Material, - wobei das mindestens eine thermoelastische Element (20) innerhalb einer Ebene (E, E1) in dem Gehäuse (10) angeordnet und auf einer Kreisbahn (K, K1) innerhalb der Ebene (E, E1) um eine Drehachse (D) bewegbar ist, - wobei das mindestens eine thermoelastische Element (20) innerhalb des Gehäuses (10) derart gelagert ist, dass das mindestens eine thermoelastische Element (20) bei der Bewegung auf der Kreisbahn (K, K1) in Abhängigkeit von der Position des mindestens einen thermoelastischen Elements (20) gedehnt oder entspannt wird.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, - wobei das mindestens eine thermoelastische Element (20) innerhalb des Gehäuses (10) derart gelagert ist, dass das mindestens eine thermoelastische Element (20) bei der Bewegung auf der Kreisbahn (K, K1) in seiner Längsrichtung gedehnt ist, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element (20) auf der Kreisbahn (K, K1) in mindestens einem ersten Teilbereich (11) des Gehäuses befindet, wodurch sich das mindestens eine thermoelastische Element (20) erwärmt, - wobei das mindestens eine thermoelastische Element (20) innerhalb des Gehäuses (10) derart gelagert ist, dass das mindestens eine thermoelastische Element (20) bei der Bewegung auf der Kreisbahn (K, K1) in seiner Längsrichtung entspannt ist, wenn sich das mindestens eine thermoelastische Element (20) auf der Kreisbahn (K, K1) in mindestens einem zweiten Teilbereich (12) des Gehäuses (10) befindet, wodurch sich das mindestens eine thermoelastische Element (20) abkühlt.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, umfassend: - einen ersten Einlass (31) zum Einströmen des Mediums (2) in den mindestens einen ersten Teilbereich (11) des Gehäuses (10), - einen ersten Auslass (32) zum Ausströmen des Mediums (2) aus dem mindestens einen ersten Teilbereich (11) des Gehäuses (10), - einen zweiten Einlass (33) zum Einströmen des Mediums (2) in den mindestens einen zweiten Teilbereich (12) des Gehäuses (10), - einen zweiten Auslass (34) zum Ausströmen des Mediums (2) aus dem mindestens einen zweiten Teilbereich (12) des Gehäuses (10).
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste und zweite Einlass (31, 33) und der erste und zweite Auslass (32, 34) derart an dem Gehäuse (10) angeordnet sind, dass das Medium (2) zumindest teilweise entgegen einer Drehrichtung (R) des mindestens einen thermoelastischen Elements (20) in dem mindestens einen ersten und zweiten Teilbereich (11, 12) des Gehäuses (10) strömt.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, umfassend: - mindestens eine Transitionszone (13) zwischen dem mindestens einen ersten und zweiten Teilbereich (11, 12) des Gehäuses (10), wobei die mindestens eine Transitionszone (13) durch eine erste Trennwand (14) von dem mindestens einen ersten Teilbereich (11) und durch eine zweite Trennwand (15) von dem mindestens einen zweiten Teilbereich (12) getrennt ist, - wobei die erste Trennwand (14) derart ausgebildet ist, dass das mindestens eine thermoelastische Element (20) bei der Bewegung auf der Kreisbahn (K, K1) durch die erste Trennwand (14) zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich (11) und der mindestens einen Transitionszone (13) bewegbar ist, - wobei die zweite Trennwand (15) derart ausgebildet ist, dass das mindestens eine thermoelastische Element (20) bei der Bewegung auf der Kreisbahn (K, K1) durch die zweite Trennwand (15) zwischen dem mindestens einen zweiten Teilbereich (12) und der mindestens einen Transitionszone (13) bewegbar ist.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: - mindestens ein erstes Halteelement (41) und mindestens ein zweites Haltelement (42), zwischen denen das mindestens eine thermoelastische Element (20) in seiner Längsrichtung angeordnet ist, - wobei das mindestens eine erste Halteelement (41) in dem Gehäuse (20) entlang einer ersten geschlossenen Bahn (51), die in der Ebene (E, E1) innerhalb des Gehäuses (20) liegt, beweglich angeordnet ist, - wobei das mindestens eine zweite Halteelement (42) in dem Gehäuse (10) entlang einer zweiten geschlossenen Bahn (52), die in der Ebene (E, E1) innerhalb des Gehäuses (10) liegt, beweglich angeordnet ist, - wobei die zweite geschlossene Bahn (52) die erste geschlossene Bahn (51) umgibt.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine erste und zweite Halteelement (41, 42) derart angeordnet sind, dass die Längsrichtung des mindestens einen thermoelastischen Elements (20) innerhalb der Ebene (E, E1) radial zu der Drehachse (D) verläuft.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine der ersten und zweiten geschlossenen Bahn (51, 52) als eine kreisförmige Bahn um die Drehachse (D) ausgebildet ist und eine andere der ersten und zweiten geschlossenen Bahn (51, 52) als eine nicht-kreisförmige Bahn um die Drehachse (D) ausgebildet ist.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend: - mindestens ein Profilelement (60) mit einer Führungsspur zum Führen des mindestens einen ersten Haltelements (41) entlang der ersten geschlossenen Bahn (51) oder zum Führen des mindestens einen zweiten Halteelements (42) entlang der zweiten geschlossenen Bahn (52), - wobei die Führungsspur (61) derart ausgebildet ist, dass das mindestens eine thermoelastische Element (20) in Abhängigkeit von der Position des ersten oder zweiten Haltelements (41, 42) auf der Führungsspur eine Längenänderung erfährt.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei das mindestens eine Profilelement (60) als ein Nocken oder eine Anordnung aus mehreren verstellbaren Nocken ausgebildet ist.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, - wobei die erste und die zweite geschlossene Bahn (51, 52) jeweils als eine kreisförmige Bahn um die Drehachse (D) ausgebildet sind, - wobei das mindestens eine thermoelastische Element (20) über eine Schlepphebelkupplung (70) oder eine lineare Führung (80) mit dem mindestens einen zweiten Haltelement (42) gekoppelt ist, - wobei die Schlepphebelkupplung (70) oder die lineare Führung (80) ein Lager (71, 81), das entlang einer nicht-kreisförmigen Bahn (53) geführt wird, aufweist.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das mindestens eine thermoelastische Element (20) als ein Draht mit einem Formgedächtnis ausgebildet ist.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, umfassend: - mindestens ein zweites thermoelastisches Element (21) aus einem thermoelastischen Material, - wobei das Gehäuse (10) röhrenförmig ausgebildet ist und die Drehachse (D) in einer Längsrichtung des Gehäuses (10) ausgerichtet ist, - wobei das mindestens eine zweite thermoelastische Element (21) in einer zweiten Ebene (E2), die parallel und in einem Abstand zu der Ebene (E1) innerhalb des Gehäuses (20) liegt, angeordnet und auf einer zweiten Kreisbahn (K2) innerhalb der zweiten Ebene (E2) um die Drehachse (D) bewegbar ist.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, wobei der erste und zweite Einlass (31, 33) und der erste und zweite Auslass (32, 34) derart an dem Gehäuse (10) angeordnet sind, dass das Medium (2) bei einem Durchströmen des Gehäuses (10) parallel zu der Drehachse (D) an dem mindestens einen thermoelastischen Element (20) und dem mindestens einen zweiten thermoelastischen Element (21) vorbeiströmt.
Thermoelastische Energiewandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, umfassend: wobei der erste und zweite Einlass (31, 33) und der erste und zweite Auslass (32, 34) derart an dem Gehäuse (20) angeordnet sind, dass das Medium (2) bei einem Durchströmen des Gehäuses (10) tangential zu der Ebene (E) an dem mindestens einen thermoelastischen Element (20) vorbeiströmt.