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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elasto-kalorische Vorrichtung umfassend einen Resonator, wobei der Resonator ein Gehäuse aufweist, wobei in dem Gehäuse ein elastokalorisches Material, ein Elektromagnet mit einer Erregerspule und ein Anker mit mindestens einer Ankerplatte vorgesehen ist, wobei der Anker mit der mindestens einen Ankerplatte und das elasto-kalorische Material ein schwingfähiges System bilden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer elasto-kalorischen Vorrichtung in einer Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug sowie eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, wobei die Klimaanlage eine elasto-kalorische Vorrichtung umfasst.
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Für den Betrieb von Klimaanlagen, insbesondere von Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge, ist es im Stand der Technik bekannt, Kältemittelverdichter einzusetzen. Anstelle eines Kältemittelverdichters kann auch eine elasto-kalorische Vorrichtung verwendet werden.
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Bei einer elasto-kalorischen Vorrichtung wird der elasto-kalorische Effekt genutzt, wobei durch zyklische Deformation eines elasto-kalorischen Materials eine reversible Temperaturänderung hervorgerufen wird, welche technisch für die Klimatisierung nutzbar ist.
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Bei elasto-kalorischen Materialien handelt es sich unter anderem um Metalllegierungen, die unbelastet einen hohen E-Modul besitzen und damit verhältnismäßig steif sind. Die Nutzung der reversiblen Temperaturänderung funktioniert am effektivsten bei niedrigen Frequenzen von weniger als 30 Hz. Aufgrund der hohen Steifigkeit werden große Kräfte für eine Deformation des elasto-kalorischen Materials benötigt. Um diese großen Kräfte aufzubringen, werden Getriebe mit hohen Drehmomenten oder Drehzahlen eingesetzt. Daher wird auch ein großer Bauraum benötigt.
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Aus der
WO 2020/030482 A1 ist eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch mit einem elastokalorischen Element bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Wärmequelle, eine Wärmesenke, zumindest ein elasto-kalorisches Element, zumindest ein Magnetjoch und zumindest einen Magnetanker, wobei das Magnetjoch und der Magnetanker einen Magnetkreis bilden, durch den der Magnetanker bewegt werden kann, und der Magnetanker eine mechanische Spannung auf das zugehörige elasto-kalorische Element ausübt, wodurch sich das elasto-kalorische Element dehnt, und dieses elasto-kalorische Element dabei mit der Wärmesenke in Kontakt bringen kann, und sich das elasto-kalorische Element rückverformen kann und dabei mit der Wärmequelle in Kontakt treten kann, wobei das zumindest eine elasto-kalorische Element mit einer mechanischen Vorspannung beaufschlagt ist, bei der das elasto-kalorische Element durch den Magnetanker eingespannt ist, wobei die Vorspannung unterhalb einer Umwandlungsschwelle für das zumindest eine elasto-kalorische Element liegt. Die Vorspannung liegt dabei unterhalb einer für eine Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit des elasto-kalorischen Elementes benötigten Umwandlungsschwelle im elastischen Bereich des elasto-kalorischen Materials.
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Aus der
US 2019/0323742 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer elasto-kalorischen Wärmepumpe bekannt. Das Verfahren umfasst das Betreiben der elasto-kalorischen Wärmepumpe mit einer Vorspannung in einer elasto-kalorischen Stufe, wobei die Vorspannung innerhalb eines Zeitintervalls von einer initialen Vorspannungseinstellung zu einer finalen Vorspannungseinstellung verstellt wird.
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Die
US 2019/0178536 A1 offenbart eine kalorische Wärmepumpe umfassend eine Vielzahl von elasto-kalorischen Stufen. Die Vielzahl von elasto-kalorischen Stufen ist entlang einer axialen Richtung in einer Kammer eines Gehäuses verteilt angeordnet. Die Vielzahl der elastokalorischen Stufen ist um die Axialrichtung rotierbar angeordnet.
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Die
WO 2021/023687 A1 offenbart ein Wärmepumpensystem umfassend ein in einem Gehäuse angeordnetes Formgedächtnislegierungs-Elastokalorisches Material oder ein Negative-Thermale-Dehnung- Elastokalorisches Material.
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Aus der
US 2020/0049389 A1 ist ein Wärmetauscher bekannt, welcher eine Fluidleitung umschließt, die ein Wärmetransportfluid führt. Der Wärmetauscher umfasst wenigstens ein elasto-kalorisches Element, welches mit der Fluidleitung verbunden ist und mindestens einen Aktuator aufweist, welcher auf das elasto-kalorische Element eine Kraft ausübt, um das elasto-kalorische Element zu verformen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elasto-kalorische Vorrichtung bereitzustellen, welche nur einen geringen Bauraum benötigt.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird eine elasto-kalorische Vorrichtung umfassend einen Resonator vorgeschlagen, wobei der Resonator ein Gehäuse aufweist, wobei in dem Gehäuse ein elasto-kalorisches Material, ein Elektromagnet mit einer Erregerspule und ein Anker mit mindestens einer Ankerplatte vorgesehen sind, wobei der Anker mit der mindestens einen Ankerplatte und das elasto-kalorische Material ein schwingfähiges System bilden, wobei ferner vorgesehen ist, dass das elasto-kalorische Material in dem Gehäuse mit einer Vorspannung σ beaufschlagt ist, sodass zumindest eine Komponente des spannungsabhängigen Verzerrungstensors des elasto-kalorischen Materials im hyperelastischen Bereich liegt, und/oder sodass eine Federkonstante des elasto-kalorischen Materials kleiner ist als im entspannten Zustand des elasto-kalorischen Materials.
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Bei bekannten elasto-kalorischen Vorrichtungen müssen zur Erzeugung einer Kühlleistung von 5 kW Kräfte zur Verformung des elasto-kalorischen Materials aufgebraucht werden, die im Bereich von ca. 20 kN liegen. Die zyklische Verformung des elasto-kalorischen Materials findet dann bei diesen hohen Kräften mit einer Zug- oder Druckschwellenbelastungsamplitude im Bereich von ca. 3 kN statt. Getriebelösungen, die bei den geforderten niedrigen Frequenzen diese hohen Wechselbelastungen aufbringen, müssen im Vergleich zu der erfindungsgemäßen elasto-kalorischen Vorrichtung sehr aufwändig und robust gefertigt werden.
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Im hyperelastischen Bereich weisen elasto-kalorische Materialien einen E-Modul auf, welcher um bis zu einem Faktor 100 geringer ist, als der E-Modul von Materialien im elastischen Bereich. So liegt der E-Modul von Nickel-Titan-Legierungen im hyperelastischen Bereich zwischen 1.000 N/mm2 und 1.500 N/mm2. Im hyperelastischen Bereich ist dieser E-Modul somit zumindest um den Faktor 100 geringer als der E-Modul von Nickel, Titan oder Stahl.
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Erfindungsgemäß wird bei der elasto-kalorischen Vorrichtung das elasto-kalorische Material mit einer Vorspannung σ beaufschlagt, sodass zumindest eine Komponente des spannungsabhängigen Verzerrungstensors des elasto-kalorischen Materials im hyperelastischen Bereich liegt, und/oder sodass eine Federkonstante des elasto-kalorischen Materials kleiner ist als im entspannten Zustand des elasto-kalorischen Materials.
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Aufgrund des Betriebs der elasto-kalorischen Vorrichtung im hyperelastischen Bereich des elasto-kalorischen Materials kann die benötigte Zug- oder Druckschwellenbelastungsamplitude aufgrund der Ausnutzung der Resonanz mit einer um den Faktor 2 bis 10 geringeren Kraft erreicht werden, entsprechend ca. 300 N bis 1.500 N. Dies bedeutet, dass gemäß der Beziehung Ω = √c/m, wobei c die Steifigkeit des elasto-kalorischen Materials und m die schwingende Masse ist, niedrige Eigenfrequenzen Ω des Gesamtsystems, beispielsweise im Bereich von 30 Hz, mit verhältnismäßig kleinen schwingenden Massen m erzielt werden können. Hierdurch wird der benötigte Bauraum reduziert.
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Zudem kann auf eine zusätzliche Ölversorgung zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß verzichtet werden. Darüber hinaus kann die schwingende Masse des schwingfähigen Systems, welche mindestens aus dem Anker und der mindestens einen Ankerplatte gebildet wird, reduziert werden, wodurch sich eine erhebliche Einsparung an Bauraum und Gewicht ergibt.
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Durch den Betrieb der elastokalorischen Vorrichtung in Resonanz können die benötigten Kräfte mit sehr geringen elektrischen Strömen in der Erregerspule erzielt werden. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass die elektrische Antriebseinheit mit geringer Leistung betrieben werden kann und somit kosten- und bauraumoptimiert ausgeführt werden kann.
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Bevorzugt weist die elasto-kalorische Vorrichtung ein Massenelement auf, wobei das Massenelement Teil des Ankers und/oder der Ankerplatte ist, und/oder wobei das Massenelement ein separates Massenelement ist, welches Teil des schwingfähigen Systems ist.
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Bevorzugt ist das schwingfähige System umfassend das elasto-kalorische Material, den Anker mit der mindestens einen Ankerplatte, und/oder das Massenelement so ausgelegt, dass die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems der Frequenz entspricht, bei der das elasto-kalorische Material mit der optimalen Effizienz betrieben werden kann.
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Der Elektromagnet ist bevorzugt fest mit dem Gehäuse verbunden und insbesondere nicht gegenüber dem Gehäuse beweglich angeordnet.
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Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Vorspannung σ eine Zugspannung oder eine Druckspannung ist.
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Je nach verwendetem elasto-kalorischen Material kann es daher vorteilhaft sein, das elasto-kalorische Material mit einer Zugspannung oder einer Druckspannung vorzuspannen.
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Bevorzugt ist oder umfasst das elasto-kalorische Material eine Nickel-Titan-Legierung.
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Das schwingfähige System aus elasto-kalorischem Material und Anker mit Ankerplatte sowie gegebenenfalls dem Massenelement wird bei der Montage der Vorrichtung so vorgespannt, dass das elasto-kalorische Material eine Dehnung oder Stauchung im hyperelastischen Bereich erfährt. Aus der Vorspannung σ des elasto-kalorischen Materials in dem hyperelastischen Bereich resultiert eine herabgesetzte Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems, da im Bereich der Hyperelastizität eine geringere Federrate oder Federkonstante des elastokalorischen Materials vorliegt als im nichtvorgespannten Zustand.
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Hierdurch kann die Masse des schwingfähigen Systems, d.h. des Ankers mit der mindestens einen Ankerplatte und/oder des Massenelements, reduziert werden, wodurch eine Verringerung des benötigten Bauraums erzielt werden kann.
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Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die Erregerspule einen ferromagnetischen Kern, insbesondere einen Eisenkern, aufweist.
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Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass das elasto-kalorische Material zwischen einer dem Elektromagneten abgewandten Seite der Ankerplatte und einer Gehäusewand des Gehäuses angeordnet ist.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das elasto-kalorische Material zwischen der Ankerplatte und der Gehäusewand eingespannt ist.
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Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass das elasto-kalorische Material in Form von Stäbchen ausgebildet ist. Grundsätzlich sind jedoch beliebige Geometrien für das elasto-kalorische Material denkbar. Ziel ist, eine möglichst große Oberfläche zum Wärmeübertrag zur Verfügung zu stellen
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Mit noch weiteren Vorteil kann vorgesehen sein, dass der Anker als Eisenkern oder Permanentmagnet ausgebildet ist.
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Darüber hinaus kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der Anker als beidseitiger Anker ausgebildet ist, wobei beidseitig jeweils eine Ankerplatte vorgesehen ist, wobei zwischen der jeweiligen dem Elektromagneten abgewandten Seite der jeweiligen Ankerplatte und einer Gehäusewand des Gehäuses das elasto-kalorische Material angeordnet ist.
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Mit noch weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Vorspannung σ mittels eines Vorspannelementes, insbesondere eines Federelements, und/oder eines Gewindes, und/oder Führungen, und/oder eines Rastmechanismus, und/oder Toleranzen des Gehäuses einstellbar ist.
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Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Erregerspule den Anker umschließt.
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Bevorzugt kann ferner vorgesehen sein, dass die Ankerplatte über eine elastische Membran mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei weiter bevorzugt vorgesehen ist, dass die elastische Membran ein erstes Volumen, in dem das elasto-kalorische Material angeordnet ist, von einem zweiten Volumen, in dem der Elektromagnet angeordnet ist, abdichtet.
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Durch die Abdichtung des ersten Volumens von dem zweiten Volumen ist es möglich, in das erste Volumen ein Kühl- oder Kältefluid einzuführen, über welches der Wärmeaustausch mit dem elasto-kalorischen Material stattfinden kann, ohne dass das Kühl- oder Kältefluid in einen physischen oder thermischen Kontakt mit dem Elektromagneten kommt.
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Daher ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass in einem Bereich der Gehäusewand, welcher das erste Volumen begrenzt, mindestens zwei Ventile, insbesondere Einwegventile, angeordnet sind.
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Durch die Ventile kann das Kühl- oder Kältefluid in das erste Volumen mit dem elastokalorischen Material eingeführt werden und wieder aus dem ersten Volumen herausgeführt werden. Dies funktioniert besonders gut, wenn die Ventile als Einwegventile ausgebildet sind, und/oder wenn mindestens zwei Ventile vorgesehen sind.
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Ein Betrieb der Vorrichtung ohne Ventile ist ebenfalls denkbar.
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Ferner kann eine Regelvorrichtung vorgesehen sein, welche ausgebildet ist, eine Stromstärke oder -richtung in der Erregerspule mit einer Frequenz zu wechseln, welche einer Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems entspricht.
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Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in der Verwendung einer vorbeschriebenen elasto-kalorischen Vorrichtungin einer Klimatisierungsvorrichtung.
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Die Klimatisierungsvorrichtung kann eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug sein.
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Die elasto-kalorische Vorrichtung kann somit eine breite Verwendung im Bereich der Klimatisierung finden.
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Eine Verwendung der elasto-kalorischen Vorrichtung als Kältemittelverdichter ist grundsätzlich ebenfalls denkbar.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass eine Stromstärke oder -richtung in der Erregerspule mit einer Frequenz gewechselt wird, welche einer Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems entspricht.
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Eine noch weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in einem Kraftfahrzeug mit einer Klimaanlage umfassend eine vorbeschriebene elasto-kalorische Vorrichtung.
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Die Erfindung wird nachstehend näher anhand der beigefügten Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Kennlinie einer Komponente des Verzerrungstensors eines elasto-kalorischen Materials,
- 2 eine elasto-kalorische Vorrichtung mit einem Anker und zwei Ankerplatten, und
- 3 eine elasto-kalorische Vorrichtung einem Anker und einer Ankerplatte.
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1 zeigt den Verlauf einer Komponente eines Verzerrungstensors 210 eines elastokalorischen Materials (12) (2 und 3), welches einen hyperelastischen Bereich aufweist, im Vergleich mit einer Komponente eines Verzerrungstensors 211 eines Materials mit einem linearen Dehnungsverhalten. Im elastischen Bereich 212 bei einer geringen auf das elasto-kalorische Material 12 aufgebrachten Vorspannung σ verhält sich das elasto-kalorische Material 12 im Wesentlichen elastisch, das heißt die Dehnung ε oder Längenänderung des elastokalorischen Materials 12 sind linear proportional zu der Vorspannung σ. Steigt die aufgebrachte Vorspannung σ an, so findet ein Übergang von dem elastischen Bereich 212 in den hyperelastischen Bereich 213 des elasto-kalorischen Materials 12 statt. Im hyperelastischen Bereich 213 wächst die Dehnung ε oder Längenänderung des elasto-kalorischen Materials 12 nichtlinear mit der Vorspannung σ an. Dieses nichtlineare Verhalten kann als eine Reduzierung der Federkonstante des elasto-kalorischen Materials 12 verstanden werden. Wird die Vorspannung σ weiter erhöht, gelangt das elasto-kalorische Material 12 wieder in einen quasielastischen Bereich 214.
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2 zeigt eine elasto-kalorische Vorrichtung 100 im Einklang mit der Erfindung. Die elasto-kalorische Vorrichtung 100 umfasst einen Resonator 10 mit einem Gehäuse 11. In dem Gehäuse 11 ist ein elasto-kalorisches Material 12, ein Elektromagnet 13 mit einer Erregerspule 14 und ein Anker 15 mit zwei Ankerplatten 16 angeordnet. Der Anker 15 und die zwei Ankerplatten 16 bilden zusammen mit dem elasto-kalorischen Material 12 ein schwingfähiges System 17, welches durch Wechsel der Stromrichtung durch die Erregerspule 14 in Schwingungen versetzt werden kann. Das elasto-kalorische Material 12 ist zwischen der jeweiligen, dem Elektromagneten 13 abgewandten Seite 18 der jeweiligen Ankerplatte 16 und einer Gehäusewand 19 angeordnet. Mittels eines Vorspannelementes 20 wird das elasto-kalorische Material 12 mit einer Vorspannung σ beaufschlagt, sodass es sich im hyperelastischen Bereich 213 befindet. Die Ankerplatten 16 stellen ein Massenelement 21 mit einer großen Masse m. Durch Wahl der Masse m und durch Einstellung der Steifigkeit c des elasto-kalorischen Materials 12 kann die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems 17 gemäß Ω=√c/m eingestellt werden, so dass die elasto-kalorische Vorrichtung 100 effizient betrieben werden kann. Die Steifigkeit c des elasto-kalorischen Materials 12 wird durch Wahl der Vorspannung σ eingestellt.
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Das elasto-kalorische Material 12 ist in Form von Stäbchen 22 ausgebildet und umfasst eine Nickel-Titan-Legierung. Das elasto-kalorische Material 12 kann jedoch auch eine andere Geometrie aufweisen. Der Anker 15 ist als Permanentmagnet 23 ausgebildet. Der Elektromagnet 13 ist fest mit dem Gehäuse 11 verbunden. Die Ankerplatten 16 des schwingfähigen Systems 17 sind jeweils über eine elastische Membran 24 mit der Gehäusewand 19 verbunden. Die elastischen Membrane 24 sind dabei so ausgebildet, dass diese jeweils ein erstes Volumen 25, in dem das elasto-kalorische Material 12 angeordnet ist, und ein zweites Volumen 26, in dem der Elektromagnet 13 angeordnet ist, fluiddicht gegeneinander abdichten. In der Gehäusewand 19 sind zudem als Einwegventile 27 ausgebildete Ventile 28 angeordnet, welche es ermöglichen, ein Kühl- oder Kältefluid in das jeweils erste Volumen 25 ober- und unterhalb des Elektromagneten 13 einzuführen und wieder herauszuführen.
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3 zeigt eine weitere elasto-kalorische Vorrichtung 100 im Einklang mit der Erfindung. Identische oder einander entsprechende Bauteile der elasto-kalorischen Vorrichtungen 100 nach 2 und 3 sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die elasto-kalorische Vorrichtung 100 der 3 unterscheidet sich von der elasto-kalorischen Vorrichtung 100 der 2 lediglich darin, dass diese keinen beidseitigen Anker 15 mit zwei Ankerplatten 16 aufweist. Der Anker 15 der 3 weist nur eine Ankerplatte 16 auf. Zur Vorspannung σ des elasto-kalorischen Materials 12 ist an dem einen Ende des Ankers 15 ein Vorspannelement 20 angeordnet, welches im dargestellten Fall als einstellbares Federelement 29 ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elasto-kalorische Vorrichtung
- 10
- Resonator
- 11
- Gehäuse
- 12
- Elasto-kalorisches Material
- 13
- Elektromagnet
- 14
- Erregerspule
- 15
- Anker
- 16
- Ankerplatte
- 17
- Schwingfähiges System
- 18
- Seite
- 19
- Gehäusewand
- 20
- Vorspannelement
- 21
- Massenelement
- 22
- Stäbchen
- 23
- Permanentmagnet
- 24
- Elastische Membran
- 25
- Erstes Volumen
- 26
- Zweites Volumen
- 27
- Einwegventil
- 28
- Ventil
- 29
- Federelement
- 210
- Komponente eines Verzerrungstensors
- 211
- Komponente eines Verzerrungstensors
- 212
- Elastischer Bereich
- 213
- Hyperelastischer Bereich
- 214
- Quasi-elastischer Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020030482 A1 [0006]
- US 20190323742 A1 [0007]
- US 20190178536 A1 [0008]
- WO 2021023687 A1 [0009]
- US 20200049389 A1 [0010]
