DE102022205876A1

DE102022205876A1 - Elastokalorische Wärmepumpe, Kraftfahrzeug mit einer elastokalorischen Wärmepumpe und Verfahren zum Betrieb einer elastokalorischen Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102022205876A1
Application number: DE102022205876.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Olfe; Christian Schneck
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2023-12-14

Abstract

Um eine elastokalorische Wärmepumpe mit verbesserter Effizienz bereitzustellen wird eine elastokalorische Wärmepumpe (100) mit einer elastokalorischen Anordnung (10) vorgeschlagen, wobei die elastokalorische Anordnung (10) mindestens ein elastokalorisches Element (14) und eine Aufnahmevorrichtung (11) mit einem ersten Aufnahmeteil (12) und einem zweiten Aufnahmeteil (13) und eine Federvorrichtung (15) umfasst, wobei das mindestens eine elastokalorische Element (14) zwischen dem ersten Aufnahmeteil (12) und dem zweiten Aufnahmeteil (13) eingespannt ist, wobei die Federvorrichtung (15) eingerichtet ist, auf das mindestens eine elastokalorische Element (14) eine Federkraft (20) auszuüben, und wobei das mindestens eine elastokalorische Element (14) in einem Kräftegleichgewicht der Federkraft (20) und einer der Federkraft (20) entgegengerichteten Rückstellkraft (22) des elastokalorischen Elements (14) eine Vordehnung (23) ungleich Null aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elastokalorische Wärmepumpe mit einer elastokalorischen Anordnung, wobei die elastokalorische Anordnung mindestens ein elastokalorisches Element und eine Aufnahmevorrichtung mit einem ersten Aufnahmeteil und einem zweiten Aufnahmeteil umfasst.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer elastokalorischen Wärmepumpe und ein Verfahren zum Betrieb einer elastokalorischen Wärmepumpe.
Anstelle oder ergänzend zu klassischen Kompressionswärmepumpen können in Kraftfahrzeugen zur Effizienzsteigerung sogenannte elastokalorische Wärmepumpen eingesetzt werden. In einer elastokalorischen Wärmepumpe wird der elastokalorische Effekt genutzt, wobei durch zyklische Deformation eines elastokalorischen Materials eine reversible Temperaturänderung hervorgerufen wird, welche für die Übertragung von Wärme von einem kälteren Kühlmittelstrom auf einen wärmeren Kühlmittelstrom genutzt werden kann.
Um den elastokalorischen Effekt hervorzurufen, muss das elastokalorische Material in einen materialabhängigen Dehnungsbereich von beispielsweise 1 % bis 10 % gebracht werden. Aktoren, welche die zyklische Dehnung in dem elastokalorischen Material hervorrufen, müssen daher zusätzlich hohe Kräfte aufbringen, um das elastokalorische Material überhaupt erst in den nutzbaren Dehnungsbereich zu bringen. Diese hohen Kräfte müssen von den Aktoren und dessen Gelenken dauerhaft aufgefangen werden. Dies führt zu erhöhten Reibverlusten und somit zu einer deutlich verringerten Effizienz. Zudem müssen die Gelenke der Aktoren entsprechend groß dimensioniert werden, was eine massive Konstruktion und Ausbildung aller Bauteile zur Folge hat.
Aus der DE 10 2015 121 657 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb kreisprozessbasierter Systeme bekannt. Das kreisprozessbasierte System umfasst ein Heißseitenreservoir und ein Kaltseitenreservoir für ein Fluid und zumindest eine Wärmeübertragereinheit mit mechanokalorischem Material, wobei ein Wärmeübertrag zwischen dem mechanokalorischen Material und dem Fluid stattfindet. Der Wärmeübertrag zwischen dem mechanokalorischen Material und dem Fluid erfolgt im Wesentlichen mittels latenten Wärmeübertrags.
Die DE 10 2018 207 577 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Wärmetausch, welche eine Wärmesenke, eine Wärmequelle, zumindest ein elastokalorisches Element und zumindest einen Aktor umfasst. Das elastokalorische Element steht mit der Wärmequelle in Kontakt, wobei der Aktor dazu eingerichtet ist, das zugehörige elastokalorische Element zu verformen und dieses dabei von der Wärmequelle weg zu bewegen und mit der Wärmesenke in Kontakt zu bringen. Zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke ist ein Vakuum als Wärmeisolation ausgebildet.
Aus der WO 2019/166251 A1 ist ein elastokalorisches Element aus drei miteinander verbundenen Schichten bekannt, wobei das elastokalorische Element zyklisch mit einer Biegespannung beaufschlagt wird. Eine erste Schicht besteht aus einem ersten elastokalorischen Material, das unter Druckspannung eine Leistungszahl aufweist, die oberhalb einer ersten Schwelle liegt. Eine zweite Schicht besteht aus einem zweiten elastokalorischen Material, das unter Zugspannung eine Leistungszahl aufweist, die oberhalb einer zweiten Schwelle liegt. Zwischen diesen beiden Schichten ist eine dritte Schicht angeordnet, welche als Federblech ausgebildet ist. Diese dritte Schicht besteht aus einem nicht elastokalorischen Material.
Die WO 2019/228789 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch, welche eine Wärmequelle und eine Wärmesenke, einen Wärmetauscher, der abwechselnd mit der Wärmequelle und der Wärmesenke verbindbar ist, und ein barokalorisches Element, welches mit dem Wärmetauscher verbunden ist, umfasst. Es ist ein Formgedächtnismaterial vorgesehen, welches eingerichtet ist, bei seiner temperaturbedingten Verformung Druck auf das barokalorische Element auszuüben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elastokalorische Wärmepumpe mit verbesserter Effizienz bereitzustellen, und in der Reibverluste verringert werden.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird eine elastokalorische Wärmepumpe mit einer elastokalorischen Anordnung vorgeschlagen, wobei die elastokalorische Anordnung mindestens ein elastokalorisches Element und eine Aufnahmevorrichtung mit einem ersten Aufnahmeteil und einem zweiten Aufnahmeteil und eine Federvorrichtung umfasst, wobei das mindestens eine elastokalorische Element zwischen dem ersten Aufnahmeteil und dem zweiten Aufnahmeteil eingespannt ist, wobei die Federvorrichtung eingerichtet ist, auf das mindestens eine elastokalorische Element eine Federkraft auszuüben, wobei das mindestens eine elastokalorische Element in einem Kräftegleichgewicht der Federkraft und einer der Federkraft entgegengerichteten Rückstellkraft des elastokalorischen Elements eine Vordehnung ungleich Null aufweist.
Die erfindungsgemäße elastokalorische Wärmepumpe umfasst eine elastokalorische Anordnung. Darüber hinaus kann die elastokalorische Wärmepumpe auch weitere Bauteile, wie beispielsweise ein Gehäuse, Kanäle für ein Kühlmedium, sowie Aktoren zur Verformung beziehungsweise Dehnung, d.h. Stauchung und/oder Streckung, des mindestens einen elastokalorischen Elementes aufweisen.
Die elastokalorische Anordnung der elastokalorischen Wärmepumpe umfasst mindestens ein elastokalorisches Element und eine Aufnahmevorrichtung mit einem ersten Aufnahmeteil und einem zweiten Aufnahmeteil. Das mindestens eine elastokalorische Element ist zwischen dem ersten Aufnahmeteil und dem zweiten Aufnahmeteil eingespannt. Dies bedeutet insbesondere, dass das elastokalorische Element mit dem ersten Aufnahmeteil und dem zweiten Aufnahmeteil fest verbunden ist, sodass über das erste Aufnahmeteil und das zweite Aufnahmeteil Kräfte auf das elastokalorische Element ausgeübt werden können.
Ferner ist erfindungsgemäß eine Federvorrichtung vorgesehen, welche eingerichtet ist, auf das mindestens eine elastokalorische Element direkt oder indirekt eine Federkraft auszuüben. Dabei ist die elastokalorische Anordnung beziehungsweise die Anordnung der Bauteile der elastokalorischen Anordnung, derart ausgebildet, dass in einem Neutralzustand ein Kräftegleichgewicht zwischen der Federkraft, welche von der Federvorrichtung direkt oder indirekt auf das elastokalorische Element ausgeübt wird, und einer der Federkraft entgegengerichteten Rückstellkraft des elastokalorischen Elementes vorliegt. In diesem Neutralzustand, das heißt im Zustand des Kräftegleichgewichts, weist das elastokalorische Element eine Vordehnung ungleich 0 auf. Mit anderen Worten ist im Kräftegleichgewicht im Neutralzustand das elastokalorische Element gegenüber einem nicht mit Kräften beaufschlagten Zustand verformt.
Durch die Federvorrichtung wird somit zumindest ein Teil der Vorspannkraft bereitgestellt, die aufgebracht werden muss, um das elastokalorische Material des mindestens einen elastokalorischen Elements in den nutzbaren Dehnungsbereich zu bringen. Die gegebenenfalls bei der elastokalorischen Wärmepumpe vorgesehenen Aktoren, welche die zyklische Verformung beziehungsweise Dehnung, d.h. Stauchung und/oder Streckung, des mindestens einen elastokalorischen Elementes bewirken, müssen daher diese bereits von der Federvorrichtung aufgebrachte Vorspannkraft nicht mehr erzeugen oder auffangen. Somit werden die Gelenke der Aktoren weniger stark beansprucht, was zu geringeren Reibverlusten und somit zu einer erhöhten Effizienz der elastokalorischen Wärmepumpe führt.
Im Betrieb müssen von den gegebenenfalls vorgesehenen Aktoren im Wesentlichen nur jene Kräfte aufgebracht werden, welche zur zyklischen Verformung oder Dehnung des elastokalorischen Elements im technisch nutzbaren Dehnungsbereich benötigt werden.
Je nach Einstellung der Vordehnung können die Reibverluste um einen Faktor von bis zu sieben oder höher reduziert werden. Darüber hinaus können die Kräfte, welche auf den oder die Aktoren und die zugehörigen Bauteile wirken, um den Faktor acht oder höher reduziert werden. Die Höhe der Reibverlustersparnis sowie der Kraftreduzierung in den Bauteilen ist dabei abhängig von der Spreizung der Hysterese des elastokalorischen Materials des mindestens einen elastokalorischen Elements, sowie der Vorspannung, die notwendig ist, um den elastokalorischen Effekt hervorzurufen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die elastokalorische Anordnung mehrere elastokalorische Elemente umfasst, wobei die mehreren elastokalorischen Elemente zwischen dem ersten Aufnahmeteil und dem zweiten Aufnahmeteil eingespannt sind.
In einer Ausführungsform können das elastokalorische Element oder die elastokalorischen Elemente beispielsweise als Rohre, Stäbe oder ähnliches ausgebildet sein und im Wesentlichen in einer parallelen Ausrichtung zwischen dem ersten Aufnahmeteil und dem zweiten Aufnahmeteil eingespannt sein.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Federvorrichtung mit dem ersten Aufnahmeteil und dem zweiten Aufnahmeteil derart verbunden ist, dass die Federkraft der Federvorrichtung über das erste Aufnahmeteil und das zweite Aufnahmeteil auf das mindestens eine elastokalorische Element übertragen wird.
Somit kann vorgesehen sein, dass die Federvorrichtung die Federkraft nicht direkt auf das elastokalorische Element überträgt, sondern dass die Federvorrichtung eine Kraft auf das erste Aufnahmeteil und das zweite Aufnahmeteil ausübt und dass auf diesem Kraftweg die Federkraft auf das zwischen dem ersten Aufnahmeteil und dem zweiten Aufnahmeteil eingespannte mindestens eine elastokalorische Element übertragen wird.
Das erste Aufnahmeteil und das zweite Aufnahmeteil können relativ zueinander beweglich angeordnet und insbesondere aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sein. Durch zyklische Bewegungen der Aufnahmeteile aufeinander zu beziehungsweise voneinander weg kann das mindestens eine elastokalorische Element zyklisch gedehnt, d.h. gestreckt und/oder gestaucht werden. Für diese zyklischen Bewegungen können ein oder mehrere Aktoren vorgesehen sein, welche mit dem ersten und/oder dem zweiten Aufnahmeteil verbunden sind bzw. auf das erste und/oder zweite Aufnahmeteil entsprechende Kräfte aufbringen.
Die elastokalorische Anordnung und insbesondere die Federvorrichtung kann ausgebildet sein, das mindestens eine elastokalorische Element auf Zug oder auf Druck zu belasten.
Die Vordehnung ist entsprechend eine Vorstreckung oder Vorstauchung. Wenn die Federvorrichtung das mindestens eine elastokalorische Element auf Druck vorspannt, kann die Federvorrichtung ausgebildet sein, das erste Aufnahmeteil und das zweite Aufnahmeteil aufeinander zu zu ziehen oder zu drücken. Wenn die Federvorrichtung das mindestens eine elastokalorische Element auf Zug vorspannt, kann die Federvorrichtung ausgebildet sein, das erste Aufnahmeteil und das zweite Aufnahmeteil voneinander weg zu ziehen bzw. auseinander zu drücken.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das erste Aufnahmeteil eine erste Federanschlagsfläche aufweist, und dass das zweite Aufnahmeteil eine zweite Federanschlagsfläche aufweist, wobei die Federvorrichtung zwischen der ersten Federanschlagsfläche und der zweiten Federanschlagsfläche angeordnet ist.
Die erste Federanschlagsfläche und die zweite Federanschlagsfläche können dabei im Wesentlichen parallel zu einander und/oder sich gegenüberstehend angeordnet sein. Die Federvorrichtung ist dann zwischen der ersten Federanschlagsfläche und der zweiten Federanschlagsfläche angeordnet und je nachdem, ob die Federvorrichtung als Druck- oder als Zugfeder ausgebildet ist, drückt sie die erste Federanschlagsfläche und die zweite Federanschlagsfläche, und damit auch das erste Aufnahmeteil und das zweite Aufnahmeteil, auseinander beziehungsweise zieht diese aufeinander zu, wodurch das zwischen dem ersten Aufnahmeteil und dem zweiten Aufnahmeteil angeordnete mindestens eine elastokalorische Element entweder auf Zug oder auf Druck vorbelastet wird.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine elastokalorische Element einen vorbestimmten und/oder materialabhängigen, für einen elastokalorischen Effekt nutzbaren Dehnungsbereich mit einer oberen Grenze und einer unteren Grenze aufweist, und wobei die Vordehnung innerhalb des Dehnungsbereichs liegt.
Die Dehnung gibt die prozentuale Längenänderung des mindestens einen elastokalorischen Elements an. Die Längenänderung kann dabei eine Stauchung oder eine Streckung sein.
Grundsätzlich kann das elastokalorische Element über einen sehr großen Dehnungsbereich einen elastokalorischen Effekt aufweisen. Jedoch weisen elastokalorische Materialien meist einen begrenzten Dehnungsbereich auf, außerhalb dessen eine technische Nutzung des elastokalorischen Effekts nicht effizient erfolgen kann.
Der nutzbare Dehnungsbereich ist dabei in der Regel materialabhängig und kann, je nach Auslegung der elastokalorischen Wärmepumpe, von einem Fachmann entsprechend bestimmt oder festgelegt werden.
Der nutzbare Dehnungsbereich weist eine untere Grenze und eine obere Grenze auf. Die Vordehnung liegt bevorzugt innerhalb des Dehnungsbereichs, das heißt zwischen der unteren Grenze und der oberen Grenze. Dies hat den Vorteil, dass der oder die Aktoren der elastokalorischen Wärmepumpe nicht mehr die notwendige Vorspannung aufbringen müssen, um das elastokalorische Element in den technisch nutzbaren Dehnungsbereich zu bringen. Die Aktoren müssen lediglich dazu ausgebildet sein, das elastokalorische Element innerhalb des nutzbaren Dehnungsbereiches zu verformen, um den elastokalorischen Effekt technisch nutzbar zu machen. Die hierfür benötigten Kräfte sind dabei deutlich geringer als jene Kräfte, welche aufgebracht werden müssten, um nicht nur die Dehnung innerhalb des nutzbaren Dehnbereiches zu vollführen, sondern gleichzeitig auch die Vorspannkräfte aufzubringen, welche notwendig sind, um das elastokalorische Element überhaupt erst in den nutzbaren Dehnungsbereich zu bringen.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Federkraft im Kräftegleichgewicht der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der unteren Grenze des Dehnungsbereichs entspricht, oder dass die Federkraft im Kräftegleichgewicht der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der oberen Grenze des Dehnungsbereichs entspricht, oder dass die Federkraft im Kräftegleichgewicht einem Wert zwischen der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der unteren Grenze des Dehnungsbereichs und der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der oberen Grenze des Dehnungsbereichs entspricht.
Wenn im Kräftegleichgewicht die Federkraft der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der unteren Grenze des Dehnungsbereiches entspricht, so sind entsprechend der oder die Aktoren der elastokalorischen Wärmepumpe ausgebildet, das elastokalorische Element zyklisch über die Vordehnung hinaus zu dehnen, d.h. zu strecken oder zu stauchen.
Entspricht die Federkraft im Kräftegleichgewicht der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der oberen Grenze des Dehnungsbereiches, so sind entsprechend der oder die Aktoren der elastokalorischen Wärmepumpe ausgebildet, die Vordehnung zyklisch zu verringern, d.h. die Streckung oder Stauchung zu reduzieren.
Dabei ist aber in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Federkraft im Kräftegleichgewicht einem Wert zwischen der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der unteren Grenze des Dehnungsbereiches und der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der oberen Grenze des Dehnungsbereiches entspricht.
In diesem Fall sind der oder die Aktoren der Wärmepumpe dazu ausgebildet, das mindestens eine elastokalorische Element zyklisch um die Vordehnung herum zu variieren, das heißt die Dehnung des elastokalorischen Elements zyklisch gegenüber der Vordehnung zu verringern und zu vergrößern. Die von den Aktoren dann aufzubringenden Kräfte sind in diesem Fall am geringsten, sodass die Reibungsverluste besonders deutlich reduziert werden können.
Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Federkraft im Kräftegleichgewicht einem Mittelwert der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der unteren Grenze des Dehnungsbereichs und der Rückstellkraft des elastokalorischen Elements an der oberen Grenze des Dehnungsbereichs entspricht.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der Betrag der unteren Grenze zwischen 0,5 % und 5%, bevorzugt zwischen 0,7% und 2%, weiter bevorzugt 1%, beträgt, und/oder dass der Betrag der oberen Grenze zwischen 2% und 20%, bevorzugt zwischen 3% und 10%, weiter bevorzugt zwischen 4% und 7,5%, insbesondere bevorzugt 4,5 %, beträgt.
Somit kann der technisch nutzbare Dehnungsbereich insbesondere zwischen 0,5 % und 20 %, bevorzugt zwischen 0,7 % und 7,5 %, weiter bevorzugt zwischen 1 % und 4,5 % liegen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Vordehnung eine positive Dehnung, insbesondere eine Streckung ist, oder dass die Vordehnung eine negative Dehnung, insbesondere eine Stauchung, ist.
Wenn die Vordehnung eine positive Dehnung, das heißt eine Streckung ist, so wird das mindestens eine elastokalorische Element auf Zug vorbelastet. Liegt hingegen die Vordehnung als negative Dehnung, das heißt als Stauchung, vor, so wird das mindestens eine elastokalorische Element auf Druck vorbelastet.
Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Federvorrichtung eine Zugfeder oder eine Druckfeder umfasst.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Federvorrichtung eine Gasfeder und/oder eine Tellerfeder und/oder eine hydraulische Feder und/oder eine Schraubenfeder und/oder eine Ringfeder umfasst, und/oder dass mindestens die Federvorrichtung ein elastokalorisches Material umfasst.
Insbesondere eine Federvorrichtung, welche eine Gasfeder umfasst, ist dabei besonders vorteilhaft.
Grundsätzlich kann die Federvorrichtung auch ein weiteres elastokalorisches Material umfassen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn zwei elastokalorische Anordnungen kombiniert werden. Bei entsprechender gegenseitiger Anordnung können somit die elastokalorischen Elemente der beiden elastokalorischen Anordnungen jeweils gegenseitig als Federvorrichtung wirken.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Federvorrichtung mindestens ein, bevorzugt mehrere, Federelemente umfasst.
Die einzelnen Federelemente können dabei als Gasfeder und/oder Tellerfeder und/oder hydraulische Feder und/oder Schraubenfeder und/oder Ringfeder und/oder als ein elastokalorisches Material ausgebildet sein.
Mit weiterem Vorteil ist vorgesehen, dass die Federvorrichtung eine degressive Federkennlinie aufweist.
Unter einer Federkennlinie wird der Verlauf der Federkraft in Abhängigkeit der Auslenkung der Feder verstanden. Bei einer degressiven Federkennlinie wird die Federkraft proportional geringer, je größer die Auslenkung der Feder ist.
Mit besonderem Vorteil ist dabei vorgesehen, dass die Federkennlinie im Kräftegleichgewicht, bevorzugt im Dehnungsbereich, im Wesentlichen konstant ist.
Mit anderen Worten ist die Federkraft im Kräftegleichgewicht beziehungsweise im Dehnungsbereich im Wesentlichen konstant und daher unabhängig von, geringen, Stauchungen oder Streckungen. Dies bedeutet insbesondere, dass von dem oder den Aktoren, welche das mindestens eine elastokalorische Element zyklisch dehnen, also strecken oder stauchen, keine oder nur geringe Kräfte für die Dehnung und/oder Stauchung der Federvorrichtung aufgebracht werden müssen. Der Großteil der von den Aktoren aufgebrachten Kräfte wird dann für die zyklische Dehnung des mindestens einen elastokalorischen Elements und somit für die Nutzung des elastokalorischen Effekts genutzt.
Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass das elastokalorische Element im Kräftegleichgewicht, bevorzugt im Dehnungsbereich, eine im Wesentlichen konstante Dehnungskennlinie und/oder ein im Wesentlichen konstantes, bevorzugt lineares, Dehnungsmodul aufweist.
Unter einer Dehnungskennlinie wird dabei das Produkt des Dehnungsmoduls multipliziert mit der Querschnittsfläche des elastokalorischen Elements verstanden. Wird das elastokalorische Material des elastokalorischen Elements derart gewählt, dass im technisch nutzbaren Dehnungsbereich die Dehnungskennlinie beziehungsweise das, bevorzugt lineare, Dehnungsmodul im Wesentlichen konstant ist, so sind auch die zur Dehnung, d.h. zur Streckung und/oder Stauchung, des elastokalorischen Materials für die Nutzung des elastokalorischen Effekts aufzubringenden Kräfte gering und dienen hauptsächlich der Überwindung der Materialhysterese.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass eine Überlagerung der Federkennlinie und der Dehnungskennlinie oder des Dehnungsmoduls im Kräftegleichgewicht, bevorzugt im Dehnungsbereich, im Wesentlichen konstant ist.
Unter einer Überlagerung der Federkennlinie und der Dehnungskennlinie wird insbesondere eine Überlagerung der Federkennlinie und des mit der Querschnittsfläche des elastokalorischen Elements multiplizierten Dehnungsmoduls des elastokalorischen Elements verstanden.
Die Überlagerung der Federkennlinie und der Dehnungskennlinie beschreibt dann den funktionalen Zusammenhang zwischen Kraft und Dehnung des Gesamtsystems bzw. der elastokalorischen Anordnung.
Wenn die Überlagerung der Federkennlinie und der Dehnungskennlinie im Dehnungsbereich im Wesentlichen konstant ist, müssen von den Aktoren für die zyklische Dehnung beziehungsweise Stauchung und/oder Streckung des elastokalorischen Elements nur jene Kräfte aufgebracht werden, welche zur Überwindung der Hysterese des elastokalorischen Materials des elastokalorischen Elements notwendig sind.
Ferner kann mindestens ein Aktor vorgesehen sein, wobei der mindestens eine Aktor eingerichtet ist, im Betrieb das mindestens eine elastokalorische Element, bevorzugt innerhalb des Dehnungsbereichs, zyklisch zu dehnen.
Der mindestens eine Aktor, bevorzugt mindestens zwei Aktoren, sind dabei weiter bevorzugt mit dem ersten und/oder dem zweiten Aufnahmeteil verbunden und sind eingerichtet, das erste und das zweite Aufnahmeteil zyklisch aufeinander zu zu bewegen beziehungsweise voneinander weg zu bewegen.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Kraftfahrzeuges umfassend eine vorbeschriebene elastokalorische Wärmepumpe.
Eine noch weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer elastokalorischen Wärmepumpe, bevorzugt einer vorbeschriebenen elastokalorischen Wärmepumpe, wobei mindestens ein elastokalorisches Element zwischen einem ersten Aufnahmeteil und einem zweiten Aufnahmeteil einer Aufnahmevorrichtung eingespannt wird, wobei eine Federvorrichtung auf das mindestens eine elastokalorische Element eine Federkraft ausübt, sodass das mindestens eine elastokalorische Element in einem Kräftegleichgewicht der Federkraft und einer der Federkraft entgegengerichteten Rückstellkraft des elastokalorischen Elements eine Vordehnung ungleich Null aufweist.
Die Erfindung wird nachstehend näher anhand der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine elastokalorische Wärmepumpe mit einer elastokalorischen Anordnung,
2A ein Spannungs-Dehnungsdiagramm eines elastokalorischen Materials,
2B eine Dehnungskennlinie eines elastokalorischen Elements,
3 eine Federkennlinie einer Federvorrichtung, und
4 eine Kennlinie einer elastokalorischen Anordnung.

1 zeigt eine elastokalorische Wärmepumpe 100 im Einklang mit der Erfindung. Die elastokalorische Wärmepumpe 100 weist eine elastokalorische Anordnung 10 mit einer Aufnahmevorrichtung 11 auf. Die Aufnahmevorrichtung 11 umfasst ein erstes Aufnahmeteil 12 und ein zweites Aufnahmeteil 13, zwischen denen mehrere stabförmige elastokalorische Elemente 14 eingespannt sind. Das erste Aufnahmeteil 12 und das zweite Aufnahmeteil 13 sind beweglich zueinander angeordnet. Die elastokalorische Anordnung 11 umfasst ferner eine Federvorrichtung 15 mit mehreren Federelementen 16. Die Federelemente 16 sind bevorzugt als Gasfedern 17 ausgebildet und zwischen einer ersten Federanschlagsfläche 18 des ersten Aufnahmeteils 12 und einer zweiten Federanschlagsfläche 19 des zweiten Aufnahmeteils 13 angeordnet. Die Federvorrichtung übt über das erste Aufnahmeteil 12 und das zweite Aufnahmeteil 13 Federkräfte 20 auf die elastokalorischen Elemente 14 aus, und beaufschlagt diese mit einer Zugspannung 21. Die mit der Zugspannung beaufschlagten elastokalorischen Elemente 14 üben umgekehrt Rückstellkräfte 22 aus, wodurch die elastokalorischen Elemente 14 im Kräftegleichgewicht in der gezeigten Neutralstellung eine Vordehnung 23 ungleich Null aufweisen.
Die elastokalorische Wärmepumpe 100 umfasst darüber hinaus einen ersten Aktor 24 und einen zweiten Aktor 25, welche ausgebildet sind, im Betrieb das erste Aufnahmeteil 12 und das zweite Aufnahmeteil 13 zyklisch aufeinander zu und voneinander weg zu bewegen und dadurch die elastokalorischen Elemente 14 zyklisch zu verformen.
2A zeigt ein Spannungs-Dehnungsdiagramm für das elastokalorische Material der elastokalorischen Elemente 14. Aufgetragen ist die Spannung σ in MPa gegenüber der Dehnung ε in %. 2B zeigt die Dehnungskennlinie eines elastokalorischen Elements 14 für eine Querschnittsfläche des elastokalorischen Elements 14 von 10 mm². Die Dehnungskennlinie ergibt sich durch Multiplikation der Spannung σ mit der Querschnittsfläche. Aufgetragen ist die Kraft in N gegenüber der Dehnung ε in %.
Das elastokalorische Element 14 weist in einem Dehnungsbereich 26 mit einer unteren Grenze 27 von 1 % und einer oberen Grenze 28 von ca. 4,5 % eine Hysterese auf. Um den kalorischen Effekt für die Wärmepumpe 100 nutzbar zu machen, müssen die elastokalorischen Elemente 14 innerhalb des Dehnungsbereichs 26 von den Aktoren 24, 25 zyklisch verformt werden. Um die elastokalorischen Elemente 14 in den Dehnungsbereich 26 zu bringen, sind Kräfte von ca. 3.000 bis 4.000 N erforderlich. Diese werden von der Federvorrichtung 15 der elastokalorischen Anordnung 10 aufgebracht, so dass diese Kräfte nicht von den Aktoren 24, 25 aufgebracht und abgestützt werden müssen. Die von der Federvorrichtung 15 bewirkte Vordehnung 23 der elastokalorischen Elemente 14 ist dabei so gewählt, dass diese im Kräftegleichgewicht im Dehnungsbereich 26 zwischen der unteren Grenze 27 und der oberen Grenze 28 liegt.
3 zeigt eine Federkennlinie der Federvorrichtung 15. Abgetragen ist die Federkraft 20 in N gegenüber der Auslenkung in mm. Die Federkennlinie ist degressiv, d.h. verläuft bei großen Auslenkungen im Wesentlichen konstant. Die Federvorrichtung 15 ist so gewählt, dass die Federkennlinie im Bereich von 3.000 bis 4.000 N, also in dem Bereich der Federkräfte 20, welche notwendig sind, um die elastokalorischen Elemente 14 in den Dehnungsbereich 26 zu bringen, konstant und weitestgehend auslenkungsunabhängig ist.
Die in 4 gezeigte Kennlinie des Gesamtsystem der elastokalorischen Anordnung 10 ergibt sich dann durch Überlagerung der Federkennlinie nach 3 mit der Dehnungskennline nach 2B. Die Federvorrichtung 15 bringt eine Federkraft 20 von ca. 4.000 N auf die elastokalorischen Elemente 14 auf, so dass deren Vordehnung 23 innerhalb des Dehnungsbereichs 26 zwischen der unteren Grenze 27 und der oberen Grenze 28 liegt. Die für das Abfahren der Hysterese von den Aktoren 24, 25 aufzubringenden Kräfte liegen im Bereich von -500 N und +500 N, wie von der y-Achse leicht abzulesen ist. Die Kraft von ca. 4.000 N, welche notwendig ist, um die elastokalorischen Elemente 14 in den Dehnungsbereich 26 zu bringen, muss daher von den Aktoren 24, 25 nicht mehr aufgebracht werden, so dass diese mechanisch stark entlastet werden.
Im Dehnungsbereich 26 verläuft sowohl die Federkennlinie der Federvorrichtung 15 nach 3 als auch die Dehnungskennlinie der elastokalorischen Elemente 14 nach 2B im Wesentlichen konstant, so dass auch die Kennlinie der Überlagerung nach 4 im Dehnungsbereich 26 konstant ist. Die von den Aktoren 24, 25 aufzubringende Kräfte sind daher nur nötig, um die Materialhysterese der elastokalorischen Elemente 14 zu überwinden.
Bezugszeichenliste

100: Elastokalorische Wärmepumpe
10: Elastokalorische Anordnung
11: Aufnahmevorrichtung
12: Erster Aufnahmeteil
13: Zweiter Aufnahmeteil
14: Elastokalorisches Element
15: Federvorrichtung
16: Federelement
17: Gasfeder
18: Erste Federanschlagsfläche
19: Zweite Federanschlagsfläche
20: Federkraft
21: Zugspannung
22: Rückstellkraft
23: Vordehnung
24: Erster Aktor
25: Zweiter Aktor
26: Dehnungsbereich
27: Untere Grenze
28: Obere Grenze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015121657 A1 [0005]
DE 102018207577 A1 [0006]
WO 2019/166251 A1 [0007]
WO 2019/228789 A1 [0008]

Claims

Elastokalorische Wärmepumpe (100) mit einer elastokalorischen Anordnung (10), wobei die elastokalorische Anordnung (10) mindestens ein elastokalorisches Element (14) und eine Aufnahmevorrichtung (11) mit einem ersten Aufnahmeteil (12) und einem zweiten Aufnahmeteil (13) und eine Federvorrichtung (15) umfasst, wobei das mindestens eine elastokalorische Element (14) zwischen dem ersten Aufnahmeteil (12) und dem zweiten Aufnahmeteil (13) eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (15) eingerichtet ist, auf das mindestens eine elastokalorische Element (14) eine Federkraft (20) auszuüben, wobei das mindestens eine elastokalorische Element (14) in einem Kräftegleichgewicht der Federkraft (20) und einer der Federkraft (20) entgegengerichteten Rückstellkraft (22) des elastokalorischen Elements (14) eine Vordehnung (23) ungleich Null aufweist.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastokalorische Anordnung (10) mehrere elastokalorische Elemente (14) umfasst, wobei die mehreren elastokalorischen Elemente (14) zwischen dem ersten Aufnahmeteil (12) und dem zweiten Aufnahmeteil (13) eingespannt sind.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (15) mit dem ersten Aufnahmeteil (12) und dem zweiten Aufnahmeteil (13) derart verbunden ist, dass die Federkraft (20) der Federvorrichtung (15) über das erste Aufnahmeteil (12) und das zweite Aufnahmeteil (13) auf das mindestens eine elastokalorische Element (14) übertragen wird.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elastokalorische Element (14) einen vorbestimmten und/oder materialabhängigen, für einen elastokalorischen Effekt nutzbaren Dehnungsbereich (26) mit einer oberen Grenze (28) und einer unteren Grenze (27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vordehnung (23) innerhalb des Dehnungsbereichs (26) liegt.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft (20) im Kräftegleichgewicht der Rückstellkraft (22) des elastokalorischen Elements (14) an der unteren Grenze (27) des Dehnungsbereichs (26) entspricht oder dass die Federkraft (20) im Kräftegleichgewicht der Rückstellkraft (22) des elastokalorischen Elements (14) an der oberen Grenze (28) des Dehnungsbereichs (26) entspricht, oder dass die Federkraft (20) im Kräftegleichgewicht einem Wert zwischen der Rückstellkraft (22) des elastokalorischen Elements (14) an der unteren Grenze (27) des Dehnungsbereichs (26) und der Rückstellkraft (22) des elastokalorischen Elements (14) an der oberen Grenze (28) des Dehnungsbereichs (26) entspricht, wobei bevorzugt die Federkraft (20) im Kräftegleichgewicht einem Mittelwert der Rückstellkraft (22) des elastokalorischen Elements (14) an der unteren Grenze (27) des Dehnungsbereichs (26) und der Rückstellkraft (22) des elastokalorischen Elements (14) an der oberen Grenze (28) des Dehnungsbereichs (26) entspricht.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der unteren Grenze (27) zwischen 0,5 % und 5%, bevorzugt zwischen 0,7% und 2%, weiter bevorzugt 1%, beträgt, und/oder dass der Betrag der oberen Grenze (28) zwischen 2% und 20%, bevorzugt zwischen 3% und 10%, weiter bevorzugt zwischen 4% und 7,5%, insbesondere bevorzugt 4,5 %, beträgt.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vordehnung (23) eine positive Dehnung, insbesondere eine Streckung ist, oder dass die Vordehnung (23) eine negative Dehnung, insbesondere eine Stauchung, ist.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (15) eine Zugfeder oder eine Druckfeder umfasst, wobei bevorzugt die Federvorrichtung (15) eine Gasfeder (17) und/oder eine Tellerfeder und/oder eine hydraulische Feder, und/oder eine Schraubenfeder und/oder eine Ringfeder umfasst, und/oder wobei die Federvorrichtung (15) ein elastokalorisches Material umfasst.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (15) eine degressive Federkennlinie aufweist, wobei bevorzugt die Federkennlinie im Kräftegleichgewicht, bevorzugt im Dehnungsbereich (26), im Wesentlichen konstant ist, und/oder dass das elastokalorische Element (14) im Kräftegleichgewicht, bevorzugt im Dehnungsbereich (26), eine im Wesentlichen konstante Dehnungskennlinie und/oder ein im Wesentlichen konstantes, bevorzugt lineares, Dehnungsmodul aufweist, wobei bevorzugt eine Überlagerung der Federkennlinie und der Dehnungskennlinie oder des Dehnungsmoduls im Kräftegleichgewicht, bevorzugt im Dehnungsbereich (26), im Wesentlichen konstant ist.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Aktor (24, 25) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Aktor (24, 25) eingerichtet ist, im Betrieb das mindestens eine elastokalorische Element (14), bevorzugt innerhalb des Dehnungsbereichs (26), zyklisch zu dehnen.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktor (24, 25) mit dem ersten Aufnahmeteil (12) und/oder dem zweiten Aufnahmeteil (13) verbunden ist.
Kraftfahrzeug umfassend eine elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer elastokalorischen Wärmepumpe (100), bevorzugt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mindestens ein elastokalorisches Element (14) zwischen einem ersten Aufnahmeteil (12) und einem zweiten Aufnahmeteil (13) einer Aufnahmevorrichtung (11) eingespannt wird, wobei eine Federvorrichtung (15) auf das mindestens eine elastokalorische Element (14) eine Federkraft (20) ausübt, so dass das mindestens eine elastokalorische Element (14) in einem Kräftegleichgewicht der Federkraft (20) und einer der Federkraft (20) entgegengerichteten Rückstellkraft (22) des elastokalorischen Elements (14) eine Vordehnung (23) ungleich Null aufweist.