DE102022210435A1

DE102022210435A1 - Elastokalorische Wärmepumpe und Kraftfahrzeug mit elastokalorischer Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102022210435A1
Application number: DE102022210435.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Olfe; Christian Schneck; Sergej Kujat
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-09-30
Publication date: 2024-04-04
Also published as: US20240109399A1; CN117804096A

Abstract

Um eine elastokalorische Wärmepumpe bereitzustellen, welche einen geringen Bauraumbedarf aufweist, wird bei einer elastokalorischen Wärmepumpe (100) umfassend ein elastokalorisches Element (10), einen ersten Kühlmittelkanal (11) und einen zweiten Kühlmittelkanal (12) und mindestens eine Antriebsvorrichtung (13) vorgeschlagen, dass das elastokalorische Element (10) endseitig mit jeweils einem Schlitten (14) verbunden ist, wobei die Schlitten (14) verschiebbar an zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmitteln (15) angeordnet sind, wobei die Antriebsvorrichtung (13) ausgebildet ist, die Schlitten (14) entlang der Führungsmittel (15) zyklisch zu verschieben, so dass das elastokalorische Element (10) zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal (11) und dem zweiten Kühlmittelkanal (12) verschoben und zyklisch gedehnt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elastokalorische Wärmepumpe umfassend ein elastokalorisches Element, einen ersten Kühlmittelkanal und einen zweiten Kühlmittelkanal und mindestens eine Antriebsvorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer elastokalorischen Wärmepumpe.
Zur Effizienzsteigerung von Wärmepumpen in Kraftfahrzeugen können elastokalorische Wärmepumpen verwenden 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. Derartige elastokalorische Wärmepumpen benötigen jedoch einen sehr großen Bauraum. Zudem ist die effiziente Führung des Kühlmittels schwierig.
Die WO 2021/023687 A1 offenbart ein Wärmepumpensystem mit einem ersten Kern aus einem elastokalorischen Material aus einer Formgedächtnislegierung oder mit negativer Wärmeausdehnung, der in einem Gehäuse angeordnet und ausgebildet ist, seinen Zustand in Reaktion auf eine Temperaturänderung, die durch ein Fluid hervorgerufen wird, zu ändern, und mit einem zweiten Kern aus einem elastokalorischen Material aus einer Formgedächtnislegierung oder mit negativer Wärmeausdehnung, der sich in dem Gehäuse befindet und seinen Zustand als Reaktion auf eine von dem Fluid zugeführte Temperaturänderung ändern kann. Ferner ist ein Pumpmechanismus vorgesehen, der in Fluidverbindung mit dem ersten Kern und dem zweiten Kern steht und die Zufuhr des Fluids zu dem ersten und zweiten Kern steuert.
Die US 2021/0071919 A1 offenbart ein Wärmetauschersystem umfassend eine Wärmetauschervorrichtung, die elastokalorische Elemente aus elastokalorischem Material aufweist und dazu ausgebildet ist, die elastokalorischen Elemente zu bewegen, wodurch diese verformt werden, so dass eine elastokalorische Wirkung erzielt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elastokalorische Wärmepumpe bereitzustellen, welche einen geringen Bauraumbedarf aufweist.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird eine elastokalorische Wärmepumpe umfassend ein elastokalorisches Element, einen ersten Kühlmittelkanal und einen zweiten Kühlmittelkanal und mindestens eine Antriebsvorrichtung vorgeschlagen, wobei vorgesehen ist, dass das elastokalorische Element endseitig mit jeweils einem Schlitten verbunden ist, wobei die Schlitten verschiebbar an zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmitteln angeordnet sind, wobei die Antriebsvorrichtung ausgebildet ist, die Schlitten entlang der Führungsmittel zyklisch zu verschieben, so dass das elastokalorische Element zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal verschoben und zyklisch gedehnt wird.
Unter einer Dehnung kann eine Streckung, also eine positive Längenänderung, und/oder eine Stauchung, also eine negative Längenänderung, verstanden werden.
Die elastokalorische Wärmepumpe kann auch mehrere elastokalorische Elemente umfassen. Die Führungsmittel sind nicht parallel zueinander angeordnet. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die zwei Führungsmittel V-artig zueinander angeordnet sind. Die elastokalorische Wärmepumpe kann dabei bezüglich einer gedachten Mittelachse der V-artigen Anordnung der Führungsmittel weitgehend symmetrisch ausgestaltet sein.
Bezüglich der gedachten Mittelachse der V-artigen Anordnung der Führungsmittel bezieht sich im Folgenden der Begriff „unten“ auf den Bereich in Richtung der Spitze der V-artigen Anordnung. Der Begriff „oben“ bezieht sich auf den Bereich in Richtung der Öffnung der V-artigen Anordnung. Entsprechend sind die Begriffe „rechts“ und „links“ auszulegen.
Bevorzugt wird daher das elastokalorische Element bei der zyklischen Verschiebung der Schlitten entlang der Führungsmittel durch die Antriebsvorrichtung zyklisch nach oben und unten, das heißt insbesondere entlang der Mittelachse der V-artigen Anordnung der zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmittel, verschoben. Die beiden Kühlmittelkanäle sind entsprechend bezüglich der Mittelachse übereinander angeordnet, d.h. der erste Kühlmittelkanal ist im oberen Bereich der V-artigen Anordnung aus den zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmitteln angeordnet, und der zweite Kühlmittelkanal ist im unteren Bereich der V-artigen Anordnung aus den zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmitteln angeordnet.
Die Kühlmittelkanäle sind bevorzugt gegeneinander und gegenüber einer Außenumgebung abgedichtet.
Die Führungsmittel können beispielsweise als Schienen oder Linearführungen ausgebildet sein, in denen die Schlitten verschiebbar gehalten sind. Insbesondere können die Führungsmittel in Wänden der Kühlmittelkanäle angeordnet sein.
Die Schlitten können dabei derart groß dimensioniert sein, dass diese gleichzeitig auch die Kühlmittelkanäle nach außen abdichten.
Wird das elastokalorische Element entlang der nicht parallel angeordneten Führungsmittel über die an diesen Führungsmitteln verschiebbar angeordneten Schlitten entlang der Mittelachse der gedachten V-artigen Anordnung der Führungsmittel verschoben, so wird es, wenn es nach oben in Richtung der Öffnung des Vs verschoben wird, gestreckt, und wenn es nach unten in Richtung der Spitze des Vs verschoben wird, gestaucht.
Die Achse, entlang welcher das elastokalorische Element gedehnt, d.h. gestreckt oder gestaucht, wird, verläuft somit nicht parallel, sondern bevorzugt senkrecht, zur Verschiebungsrichtung des elastokalorischen Elements entlang der Mittelachse der V-artigen Anordnung der beiden Führungsmittel. Diese Trennung von Verschiebungsrichtung und Dehnungsachse führt dazu, dass die elastokalorische Wärmepumpe insgesamt kompakter ausgestaltet werden kann. Darüber hinaus werden hierdurch Stöße oder Vibrationen verringert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Antriebsvorrichtung Triebstangen, insbesondere Pleuel oder Stößel, umfasst, wobei die Schlitten jeweils drehbar oder starr mit einer der Triebstangen verbunden sind, wobei die Triebstangen entlang jeweils einer Laufbahn geführt sind.
Die Laufbahnen können als zu den Führungsmitteln separate Teile ausgeführt sein. Es ist aber auch möglich, dass die Führungsmittel gleichzeitig als Laufbahnen ausgebildet sind und somit auch zusätzlich zur Führung der Triebstangen ausgebildet sind. Im letzteren Fall können die Schlitten über die Verbindung mit den Triebstangen verschiebbar an den Führungsmitteln, welche auch Laufbahnen für die Triebstangen sind, angeordnet sein.
Somit ist mit jedem der endseitig an dem elastokalorischen Element angeordneten Schlitten jeweils eine der Triebstangen verbunden. Die Triebstangen dienen dazu, die Schlitten und somit auch das elastokalorische Element entlang der Führungsmittel zu verschieben und auf diese Weise das elastokalorische Element zu dehnen und zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal zu verschieben. Jede der Triebstangen ist bevorzugt einem der Schlitten und einem der Führungsmittel zugeordnet.
Die Triebstangen sind insbesondere in etwa parallel zu dem jeweilig zugeordneten Führungsmittel angeordnet. Der Begriff in etwa parallel bedeutet in diesem Fall, dass die Triebstangen mit den Führungsmitteln einen Winkel von weniger als 45°, bevorzugt von weniger als 30°, weiter bevorzugt von weniger als 15°, einschließen.
Die Triebstangen können in nachstehend weiter erläuterter Weise ausgebildet sein, einen Nockenhub einer Nockenwelle oder einen Kurbelhub einer Kurbelwelle auf die Schlitten zu übertragen und auf diese Weise die Schlitten entlang der Führungsmittel zu verschieben.
Die Schlitten können direkt mit den Triebstangen verbunden sein. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, dass zwischen den Schlitten und den Triebstangen Verbindungselemente, insbesondere Stangen, vorgesehen sind. Diese Verbindungselemente, insbesondere die Stangen, können drehbar oder starr mit dem Schlitten verbunden sein und/oder drehbar oder starr mit den Triebstangen verbunden sein.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Laufbahnen nicht orthogonal, bevorzugt im Wesentlichen parallel, zu den Führungsmitteln angeordnet sind.
Durch die nichtorthogonale, im Wesentlichen parallele, Anordnung der Laufbahnen zu den Führungsmitteln können die an den Laufbahnen geführten Triebstangen im Wesentlichen parallel entlang der Führungsmittel verschoben werden. Auf diese Weise werden die mit den Triebstangen verbundenen Schlitten des elastokalorischen Elements ebenfalls entlang der Führungsmittel verschoben, sodass die Dehnung, das heißt Stauchung oder Streckung, des elastokalorischen Elements erfolgt.
Bevorzugt sind die Laufbahnen im Wesentlichen parallel zu den Führungsmitteln angeordnet. Im Wesentlichen parallel bedeutet hier, dass zwischen den Laufbahnen und dem jeweilig zugeordneten Führungsmittel ein Winkel von weniger als 45°, bevorzugt weniger als 30°, noch weiter bevorzugt weniger als 15°, eingeschlossen ist. Die Laufbahnen können auch exakt parallel zu den Führungsmitteln verlaufen.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Laufbahnen drehbar gelagert sind, so dass ein Winkel zwischen der jeweiligen Laufbahn und dem jeweiligen Führungsmittel einstellbar ist.
Je nach eingestelltem Winkel wird eine andere Übersetzung der Verschiebung der Triebstangen entlang der Laufbahnen zu der Verschiebung der Schlitten samt dem elastokalorischen Element entlang der Führungsmittel bewirkt. Somit kann der von dem elastokalorischen Effekt hervorgerufene Wärmeübertrag durch Einstellung des Winkels zwischen der jeweiligen Laufbahn und dem jeweiligen Führungsmittel eingestellt werden. Der Winkel zwischen der jeweiligen Laufbahn und dem jeweiligen Führungsmittel kann bevorzugt mittels Drehgelenken und Stellmotoren eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich können auch die Führungsmittel drehbar gelagert sein.
Bevorzugt ist der Winkel zwischen der jeweiligen Laufbahn und dem jeweiligen Führungsmittel zwischen 0° und 45°, bevorzugt zwischen 0° und 30°, weiter bevorzugt zwischen 0° und 15°, insbesondere bevorzugt zwischen 0° und 5°, einstellbar.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Laufbahnen Rollenlaufbahnen sind, und dass die Triebstangen mittels Rollen an der jeweiligen Rollenlaufbahn geführt sind.
Die Rolle auch als Rollenlager ausgeführt sein.
Dabei kann die Rolle bevorzugt an der Verbindung von Schlitten und Triebstange, insbesondere an der Verbindung von Verbindungselement, weiter insbesondere der Stange, und Triebstange angeordnet sein. Durch die Führung der Triebstangen entlang der Rollenlaufbahn mittels Rollen kann die Kraftübertragung von der Antriebsvorrichtung auf die Schlitten des elastokalorischen Elements weiter verbessert werden, und insbesondere können Stöße und Vibrationen reduziert werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Laufbahnen jeweils eine Linearführung aufweisen, so dass die Triebstangen jeweils auf eine lineare Bewegung eingeschränkt sind.
Durch die Ausgestaltung der Rollenlaufbahn mit einer Linearführung werden Stöße und Vibrationen im Betrieb der elastokalorischen Wärmepumpe weiter verringert.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass endseitig an dem elastokalorischen Element jeweils ein Aufnahmemittel, insbesondere jeweils eine Spannbacke, angeordnet ist, wobei die Aufnahmemittel drehbar oder starr mit jeweils einem Schlitten verbunden sind.
Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass das elastokalorische Element zwischen den Aufnahmemitteln auf Zug oder auf Druck vorgespannt ist.
Durch die Vorspannung des elastokalorischen Elements auf Druck oder auf Zug können die für die Ausnutzung des elastokalorischen Effekts aufzubringenden Kräfte reduziert werden. Insbesondere kann das elastokalorische Element durch die Vorspannung bereits in dem Dehnungsbereich vorgespannt sein, in dem der elastokalorische Effekt am stärksten auftritt.
Mit weiterem Vorteil ist vorgesehen, dass Federelemente, bevorzugt Schraubenfedern und/oder Gasdruckfedern, vorgesehen sind, um eine aufgrund der Vorspannung des elastokalorischen Elements auf die Schlitten entlang der Führungsmittel ausgeübte Kraft zumindest teilweise zu kompensieren.
Ist das elastokalorische Element auf Zug oder auf Druck vorgespannt, so weist die entlang der Dehnungsachse wirkende Rückstellkraft aufgrund der nicht parallelen Anordnung der Führungsmittel eine Komponente entlang der Führungsmittel auf. Ist das elastokalorische Element beispielsweise auf Zug vorgespannt, so ist diese Kraftkomponente entlang der Führungsmittel in Richtung der Spitze des gedachten Vs gerichtet. Ist das elastokalorische Element auf Druck vorgespannt, so ist diese Kraftkomponente in Richtung der Öffnung des gedachten Vs gerichtet. Durch die Anordnung eines Federelements, wie beispielsweise einer Schraubenfeder oder Gasdruckfeder, kann diese durch die Vorspannung bewirkte Kraft zumindest teilweise kompensiert werden. Hierdurch wird ein effizienterer und vibrationsfreier Betrieb der elastokalorischen Wärmepumpe ermöglicht.
Bei den Federelementen kann es sich zudem um Zugfederelemente oder Druckfederelemente handeln.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Federelemente kraftwirksam zwischen den Triebstangen und der jeweiligen Laufbahn, insbesondere der Linearführung, angeordnet sind.
Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Antriebsvorrichtung mindestens eine Nockenwelle, bevorzugt zwei Nockenwellen, umfasst, wobei jede der Nockenwellen einen Nocken umfasst.
Die Nockenwelle oder bevorzugt die zwei Nockenwellen sind dazu ausgebildet, die Triebstangen zu bewegen, sodass die Triebstangen ihre Bewegung auf die Schlitten des elastokalorischen Elements übertragen und dadurch das elastokalorische Element entlang der Führungsmittel verschieben.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass für jede der Triebstangen eine Nockenwelle mit mindestens einem Nocken vorgesehen ist.
Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Triebstangen mittels jeweils einer Rolle auf dem Nocken jeweils einer der Nockenwellen ablaufen.
Die Rolle, welche ausgebildet ist, auf dem Nocken der Nockenwelle abzulaufen, ist dabei insbesondere bevorzugt an der der Verbindung zwischen Triebstange und Schlitten gegenüberliegenden Seite der Triebstange vorgesehen.
Die Nockenkontur ist bevorzugt derart ausgebildet, dass das elastokalorische Element besonders lange in dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal verweilt, und dass der Übergang zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal in einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne erfolgt. Dafür kann die Nockenkontur ausgebildet sein, dass die jeweilige Triebstange entsprechend einem Rechtecksignal angetrieben wird.
Wenn die Antriebsvorrichtung mindestens eine Nockenwelle umfasst, ist es von besonderem Vorteil, wenn Federelemente, bevorzugt Schraubenfedern und/oder Gasdruckfedern, vorgesehen sind. Mittels der Federelemente kann die Triebstange umfassend die Rolle der Triebstange, welche ausgebildet ist, auf dem Nocken der Nockenwelle abzulaufen, an den Nocken der Nockenwelle gedrückt oder gezogen werden, um einen stetigen Kontakt der Rolle mit dem Nocken zu gewährleisten. Je nach räumlicher Anordnung der Federelemente, Triebstangen und Laufbahnen, können die Federelemente Zugfederelemente oder Druckfederelemente sein.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Antriebsvorrichtung mindestens eine Kurbelwelle, bevorzugt zwei Kurbelwellen, umfasst, wobei jede der Kurbelwellen einen Kurbeltrieb umfasst.
Auch mit einer Kurbelwelle können die Triebstangen entlang der Laufbahn, bevorzugt entlang der Rollenlaufbahn bewegt werden. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass für jede der Triebstangen eine Kurbelwelle vorgesehen ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Triebstangen jeweils drehbar an dem Kurbeltrieb jeweils einer der Kurbelwellen drehbar gelagert sind.
Durch die drehbare Anordnung der Triebstangen an dem Kurbeltrieb wird eine Übertragung des Kurbelhubs auf die Triebstangen, insbesondere auf die Pleuel, bewirkt. Weist die Laufbahn, insbesondere die Rollenlaufbahn, eine Linearführung auf, so kann insbesondere vorgesehen sein, dass zwischen der Triebstange und dem Kurbeltrieb ein weiteres zwischengeschaltetes Pleuel vorgesehen ist, um ein seitliches Ausweichen der Triebstange aufgrund der Rotation des Kurbeltriebs auszugleichen.
Mit weiterem Vorteil kann die Nockenwelle oder können die Nockenwellen der Antriebsvorrichtung im unteren Bereich bzw. unterhalb der V-artigen Anordnung aus den zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmitteln, d.h. im Bereich der Spitze der V-artigen Anordnung der Führungsmittel, angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, dass die Nockenwelle oder die Nockenwellen der Antriebsvorrichtung im oberen Bereich bzw. oberhalb der V-artigen Anordnung aus den zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmitteln, d.h. im Bereich der Öffnung der V-artigen Anordnung der Führungsmittel, angeordnet sind.
Entsprechend kann auch die Kurbelwelle bzw. können die Kurbelwellen unterhalb oder oberhalb der V-artigen Anordnung aus den zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmitteln angeordnet sein.
Eine Anordnung der Nockenwelle oder der Nockenwellen unterhalb der V-artigen Anordnung der Führungsmittel ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das elastokalorische Element auf Zug vorgespannt ist, so dass die entlang der Führungsmittel wirkende Kraftkomponente der Rückstellkraft auf die Spitze der V-artigen Anordnung gerichtet ist. Diese Kraftkomponente bewirkt dann, dass die Triebstangen, insbesondere die zum Ablaufen auf den Nocken der Nockenwellen vorgesehenen Rollen der Triebstangen, in Richtung der Nockenwelle oder Nockenwellen gedrückt wird.
Umgekehrt ist eine Anordnung der Nockenwelle oder der Nockenwellen oberhalb der V-artigen Anordnung der Führungsmittel dann vorteilhaft, wenn das elastokalorische Element auf Druck vorgespannt ist, so dass die entlang der Führungsmittel wirkende Kraftkomponente der Rückstellkraft auf die Öffnung der V-artigen Anordnung gerichtet ist. Diese Kraftkomponente bewirkt dann ebenfalls, dass die Triebstangen, insbesondere die zum Ablaufen auf den Nocken der Nockenwellen vorgesehenen Rollen der Triebstangen, in Richtung der Nockenwelle oder Nockenwellen gedrückt wird.
Mit weiterem Vorteil kann ein Kraftübertragungselement, insbesondere eine Stange oder eine Platte, vorgesehen sein, wobei das Kraftübertragungselement zwischen der Nockenwelle oder der Kurbelwelle und den Triebstangen angeordnet ist, wobei das Kraftübertragungselement zur Kraftübertragung von der Nockenwelle oder der Kurbelwelle auf die Triebstangen ausgebildet ist.
In diesem Fall ist besonders bevorzugt nur eine Nockenwelle oder nur eine Kurbelwelle vorgesehen.
Das Kraftübertragungselement, insbesondere die Stange oder Platte, ist dabei insbesondere bevorzugt derart angeordnet, dass es bezüglich der Mittelachse der V-artigen Anordnung der Führungsmittel durch die Nockenwelle oder Kurbelwelle nach oben und unten bewegt wird. Die Triebstangen werden wiederum von dem Kraftübertragungselement angetrieben, sodass der Nockenhub beziehungsweise Kurbelhub über das Kraftübertragungselement auf die Triebstangen und damit auf die Schlitten des elastokalorischen Elements übertragen wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Kraftübertragungselement mittels einer Rolle auf dem Nocken einer Nockenwelle abläuft, oder dass das Kraftübertragungselement über ein Zwischenpleuel mit dem Kurbeltrieb einer Kurbelwelle verbunden ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Triebstangen jeweils mittels einer Rolle auf dem Kraftübertragungselement ablaufen, oder dass die Triebstangen mittels eines Gelenks mit Enden des Kraftübertragungselements verbunden sind.
Wenn die Triebstangen mittels einer Rolle auf dem Kraftübertragungselement ablaufen, so kann das Kraftübertragungselement verhältnismäßig einfach als Platte oder Stange ohne weitere technische Maßnahmen ausgebildet sein. Ist hingegen vorgesehen, dass die Triebstangen über ein Drehgelenk mit den Enden des Kraftübertragungselements verbunden sind, so muss, um die Verschiebung der Triebstangen ohne Verspannung zu gewährleisten, das Kraftübertragungselement längenveränderlich, insbesondere bezüglich einer Achse senkrecht zur Mittelachse der V-artigen Anordnung, ausgebildet sein.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in einem Kraftfahrzeug umfassend eine vorbeschriebene elastokalorische Wärmepumpe.
Die Erfindung wird nachstehend näher anhand der beigefügten Figuren erläutert.
Es zeigen:

1a eine erste Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit Nockenwellen,
1b eine zweite Ansicht der ersten Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit Nockenwellen,
2 eine Detailansicht eines Aufnahmemittels für ein elastokalorisches Element,
3 ein Diagramm eines Nockenhubs,
4a eine erste Ansicht einer zweiten Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit Kurbelwellen,
4b eine zweite Ansicht der zweiten Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit Kurbelwellen,
5a eine erste Ansicht einer dritten Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit Kurbelwellen,
5b eine zweite Ansicht der dritten Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit Kurbelwellen,
6a eine Ansicht einer vierten Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit einem Kraftübertragungselement und einer Nockenwelle,
6b eine Ansicht einer fünften Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit einem Kraftübertragungselement und einer Nockenwelle,
7a eine Ansicht einer sechsten Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit einem Kraftübertragungselement und einer Kurbelwelle,
7b eine Ansicht einer siebten Ausgestaltung einer elastokalorischen Wärmepumpe mit einem Kraftübertragungselement und einer Kurbelwelle, und
8 ein Kraftfahrzeug mit einer elastokalorischen Wärmepumpe.

In den Figuren werden gleiche oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1a und 1b zeigen eine elastokalorische Wärmepumpe 100 umfassend ein elastokalorisches Element 10, einen ersten Kühlmittelkanal 11, einen zweiten Kühlmittelkanal 12 und eine Antriebsvorrichtung 13. Das elastokalorische Element 10 ist endseitig mit jeweils einem Schlitten 14 verbunden, und jeder der Schlitten 14 ist wiederum verschiebbar an jeweils einem von zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmitteln 15 angeordnet. Die Antriebsvorrichtung 13 ist ausgebildet, die Schlitten 14 entlang der Führungsmittel 15 zyklisch zu verschieben, sodass das elastokalorische Element 10 zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal 11 und dem zweiten Kühlmittelkanal 12 entlang einer Mittelachse 16 der elastokalorischen Wärmepumpe 100 verschoben und senkrecht zu der Mittelachse 16 zyklisch gedehnt, d.h. gestreckt oder gestaucht wird.
Die nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmittel 15 sind in etwa V-artig zueinander angeordnet. Die elastokalorische Wärmepumpe 100 ist somit im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu der Mittelachse 16 ausgestaltet. Bezüglich der Mittelachse 16 sind der erste Kühlmittelkanal 11 und der zweite Kühlmittelkanal 12 übereinander angeordnet, und das elastokalorische Element 10 wird durch die Verschiebung der Schlitten 14 entlang der Führungsmittel 15 zwischen dem ersten Kühlmittelkanal 11 und dem zweiten Kühlmittelkanal 12 verschoben. Gleichzeitig wird das elastokalorische Element aufgrund der nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmittel 15 zyklisch gedehnt, das heißt gestaucht oder gestreckt. Für die Verschiebung der Schlitten 14 entlang der Führungsmittel 15 weist die Antriebsvorrichtung 13 Triebstangen 17 auf, welche drehbar mit den Schlitten 14 über Stangen 18 verbunden sind. Die Triebstangen 17 weisen an der Verbindung zu den Stangen 18 jeweils Rollen 19 auf, mittels welchen die Triebstangen 17 auf Rollenlaufbahnen 20 mit Linearführung ablaufen. Die Triebstangen 17 weisen jeweils an dem der Verbindung zu den Stangen 18 gegenüberliegenden Ende weitere Rollen 21 auf, welche auf den Nocken 22 von jeweils einer zugeordneten Nockenwelle 23 abrollen. Durch Drehung der Nockenwellen 23 wird somit, wie ein Vergleich der 1a und 1b zeigt, der Nockenhub auf die Triebstangen 17 und auf die Schlitten 14 übertragen, sodass die Schlitten 14 zyklisch entlang der Führungsmittel 15 verschoben werden. Die Rollenlaufbahnen 20 sind drehbar an Drehgelenken 24 gelagert. Mittels Stellmotoren 25 kann der Winkel zwischen den Rollenlaufbahnen 20 und dem jeweils zugeordneten Führungsmittel 15 eingestellt werden, wodurch der Nockenhub je nach Winkel unterschiedlich in die Verschiebung der Schlitten 14 entlang der Führungsmittel 15 übersetzt werden kann.
Nach der Detailansicht der 2 ist das elastokalorische Element 10 endseitig jeweils zwischen als Spannbacken 26 ausgebildeten Aufnahmemitteln 27 eingespannt, welche wiederum drehbar mit dem jeweiligen Schlitten 14 verbunden sind. Das elastokalorische Element 10 kann entweder auf Zug oder auf Druck zwischen den Spannbacken 26 vorgespannt sein. Aufgrund der Vorspannung des elastokalorischen Elements 10 wirkt eine Komponente der der Vorspannung entgegenwirkenden Rückstellkraft auch parallel zu den Führungsmitteln 15. Die Rückstellkraft tendiert dazu, die Triebstangen 17 mit den Rollen 21 auf den jeweiligen Nocken 22 der zugeordneten Nockenwelle 23 zu drücken. Da die Rückstellkraft gegebenenfalls zu gering ist, um einen sicheren Kontakt der Rollen 21 mit den Nocken zu gewährleisten, können in den Rollenlaufbahnen 20 Federelemente 28 vorgesehen sein, welche kraftwirksam zwischen den Triebstangen 17 und der jeweiligen Rollenlaufbahn 20 angeordnet sind. Die Federelemente 28 sind als Zugfederelemente 28a ausgebildet und ziehen die Triebstangen 17 mit den Rollen 21 auf den jeweiligen Nocken 22 zu.
Die Nockenkonturen der Nocken 22 sind dabei so ausgebildet, dass diese im Wesentlichen einem Rechtecksignal 29, wie in 3 gezeigt, entsprechen. Diese Wahl der Nockenkonturen führt dazu, dass das elastokalorische Element 10 möglichst lange bei konstantem Hub in dem ersten Kühlmittelkanal 11 oder in dem zweiten Kühlmittelkanal 12 verweilt, und dass der Übergang zwischen dem ersten Kühlmittelkanal 11 und dem zweiten Kühlmittelkanal 12 vergleichsweise rasch stattfindet.
4a und 4b zeigen eine weitere Ausgestaltung der elastokalorischen Wärmepumpe 100. Die Antriebsvorrichtung 13 umfasst in der in den 4a und 4b gezeigten Ausführungsform zwei Kurbelwellen 30 mit jeweils einem Kurbeltrieb 31. An jedem der Kurbeltriebe 31 ist eine der Triebstangen 17 drehbar gelagert. Durch Drehung der Kurbelwellen 30 werden die Triebstangen 17 in etwa parallel entlang von Rollenlaufbahnen 32 ohne Linearführung parallel zu den Führungsmitteln verschoben, wodurch auch das elastokalorische Element 10 zwischen dem ersten Kühlmittelkanal 11 und dem zweiten Kühlmittelkanal 12 verschoben und zyklisch gedehnt wird.
5a und 5b zeigen eine Variante der Wärmepumpe 100 nach den 4a und 4b. Gegenüber der Wärmepumpe 100 nach den 4a und 4b sind die Rollenlaufbahnen 20 mit Linearführung ausgebildet. Um die seitliche Bewegung der Kurbeltriebe 31 auszugleichen, sind in diesem Fall zwischen den Kurbeltrieben 31 und den Triebstangen 17 zwischengeschaltete Pleuel 33 vorgesehen. Auch in der Variante nach 5a und 5b sind Federelemente 28 vorgesehen. Grundsätzlich können die Federelemente 28 als Zugfederelemente 28a ausgebildet sein. Wenn die von der Vorspannung des elastokalorischen Elements 10 bewirkten, parallel zu den Führungsmitteln 15 gerichteten Rückstellkräfte jedoch ausreichend groß sind, um die Reibungskräfte zu überwinden, können die Federelemente 28 auch als Druckfedern 28b ausgebildet sein, um die durch die Vorspannung erzeugte Komponente der Rückstellkraft auszugleichen.
In den 6a, 6b, 7a und 7b sind weitere Ausgestaltungen einer elastokalorischen Wärmepumpe 100 gezeigt, welche lediglich eine Nockenwelle 23 (6a und 6b) bzw. lediglich eine Kurbelwelle 30 (7a und 7b) umfassen. Die elastokalorischen Wärmepumpen 100 weisen ein als Platte 34 ausgebildetes Kraftübertragungselement 35 auf, welches von der Nockenwelle 23 oder der Kurbelwelle 30 in Richtung der Mittelachse 16 nach oben und unten verschoben wird.
In den Ausgestaltungen mit Nockenwelle 23 nach den 6a und 6b ist eine Rolle 36 vorgesehen, welches auf dem Nocken 22 der Nockenwelle 23 abläuft. In den Ausgestaltungen mit Kurbelwelle 30 nach den 7a und 7b ist die Kurbelwelle 30 über ein Zwischenpleuel 37 mit dem Kraftübertragungselement 35 verbunden.
Die Übertragung der Auf- und Abbewgung des Kraftübertragungselements 35 auf die Triebstangen 17 kann in zwei Varianten erfolgen. Nach den 6a und 7a laufen an dem der Verbindung zu den Stangen 18 gegenüberliegenden Ende der Triebstangen 17 vorgesehene Rollen 21 auf dem Kraftübertragungselement 35 ab. In den Ausgestaltungen nach den 6b und 7b sind die Triebstangen über Gelenke 38 endseitig mit dem Kraftübertragungselement 35 verbunden, wobei in diesen Fällen das Kraftübertragungselement 35 mittels einer Teleskopanordnung 39 längenveränderbar ausgeführt ist, um Verspannungen zu vermeiden.
8 zeigt ein Kraftfahrzeug 200 mit einer elastokalorischen Wärmepumpe 100, welche gemäß einer der vorbeschriebenen Ausführungen ausgebildet sein kann.
9 zeigt ausschnittsweise eine weitere Variante einer Wärmepumpe 100. Die elastokalorische Wärmepumpe 100 kann spiegelbildlich zur Mittelachse 16 fortgesetzt gedacht werden. Die elastokalorische Wärmepumpe 100 umfasst ein, oder wie gezeigt zwei elastokalorische Elemente 10, einen ersten Kühlmittelkanal 11, einen zweiten Kühlmittelkanal 12 und eine Antriebsvorrichtung 13. Die elastokalorischen Elemente 10 sind endseitig mit jeweils einem Schlitten 14 verbunden, welche wiederum verschiebbar an einem von Führungsmittel 15 angeordnet sind. Das Führungsmittel 15 stellt gleichzeitig eine Laufbahn 40 mit Linearführung für die Triebstange 17 dar. Die Linearführung wird durch Linearkugellager 41 gebildet, innerhalb derer die Triebstange 17 geführt ist. Ein als Druckfederelement 28b ausgebildetes Federelement 28 ist vorgesehen, die Triebstange 17 mit der Rolle 21 auf den Nocken 22 der Nockenwelle 23 zu drücken.
Bezugszeichenliste

100: Elastokalorische Wärmepumpe
200: Kraftfahrzeug
10: Elastokalorisches Element
11: Erster Kühlmittelkanal
12: Zweiter Kühlmittelkanal
13: Antriebsvorrichtung
14: Schlitten
15: Führungsmittel
16: Mittelachse
17: Triebstange
18: Stange
19: Rolle
20: Rollenlaufbahn mit Linearführung
21: Rolle
22: Nocken
23: Nockenwelle
24: Drehgelenk
25: Stellmotor
26: Spannbacke
27: Aufnahmemittel
28: Federelement
28a: Zugfederelement
28b: Druckfederelement
29: Rechtecksignal
30: Kurbelwelle
31: Kurbeltrieb
32: Rollenlaufbahn ohne Linearführung
33: Zwischengeschaltetes Pleuel
34: Platte
35: Kraftübertragungselement
36: Rolle
37: Zwischenpleuel
38: Gelenk
39: Teleskopanordnung
40: Laufbahn mit Linearführung
41: Linearkugellager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2021023687 A1 [0003]
US 20210071919 A1 [0004]

Claims

Elastokalorische Wärmepumpe (100) umfassend ein elastokalorisches Element (10), einen ersten Kühlmittelkanal (11) und einen zweiten Kühlmittelkanal (12) und mindestens eine Antriebsvorrichtung (13), dadurch gekennzeichnet, dass das elastokalorische Element (10) endseitig mit jeweils einem Schlitten (14) verbunden ist, wobei die Schlitten (14) verschiebbar an zwei nicht parallel zueinander angeordneten Führungsmitteln (15) angeordnet sind, wobei die Antriebsvorrichtung (13) ausgebildet ist, die Schlitten (14) entlang der Führungsmittel (15) zyklisch zu verschieben, so dass das elastokalorische Element (10) zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal (11) und dem zweiten Kühlmittelkanal (12) verschoben und zyklisch gedehnt wird.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (13) Triebstangen (17), insbesondere Pleuel oder Stößel, umfasst, wobei die Schlitten (14) jeweils drehbar oder starr mit einer der Triebstangen (17) verbunden sind, wobei die Triebstangen (17) entlang jeweils einer Laufbahn geführt sind.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahnen nicht orthogonal, bevorzugt im Wesentlichen parallel, zu den Führungsmitteln (15) angeordnet sind, und/oder dass die Laufbahnen drehbar gelagert sind, so dass ein Winkel zwischen der jeweiligen Laufbahn und dem jeweiligen Führungsmittel (15) einstellbar ist, und/oder dass die Laufbahnen Rollenlaufbahnen (20) sind, und dass die Triebstangen (17) mittels Rollen (19) an der jeweiligen Rollenlaufbahn (20) geführt sind.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei endseitig an dem elastokalorischen Element (10) jeweils ein Aufnahmemittel (27), insbesondere jeweils eine Spannbacke (26), angeordnet ist, wobei die Aufnahmemittel (27) drehbar oder starr mit jeweils einem Schlitten (14) verbunden sind, wobei bevorzugt das elastokalorische Element (10) zwischen den Aufnahmemitteln (27) auf Zug oder auf Druck vorgespannt ist.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Federelemente (28), bevorzugt Schraubenfedern und/oder Gasdruckfedern, vorgesehen sind, um eine aufgrund der Vorspannung des elastokalorischen Elements (10) auf die Schlitten (14) entlang der Führungsmittel (15) ausgeübte Kraft zumindest teilweise zu kompensieren.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (13) mindestens eine Nockenwelle (23), bevorzugt zwei Nockenwellen (23), umfasst, wobei jede der Nockenwellen (23) einen Nocken (22) umfasst, wobei bevorzugt die Triebstangen (17) mittels jeweils einer Rolle (21) auf dem Nocken (22) jeweils einer der Nockenwellen (23) ablaufen.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (13) mindestens eine Kurbelwelle (30), bevorzugt zwei Kurbelwellen (30), umfasst, wobei jede der Kurbelwellen (30) einen Kurbeltrieb (31) umfasst, wobei bevorzugt die Triebstangen (17) jeweils drehbar an dem Kurbeltrieb (31) jeweils einer der Kurbelwellen (30) drehbar gelagert sind.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftübertragungselement (35), insbesondere eine Stange oder eine Platte (34), vorgesehen ist, wobei das Kraftübertragungselement (35) zwischen der Nockenwelle (23) oder der Kurbelwelle (30) und den Triebstangen (17) angeordnet ist, wobei das Kraftübertragungselement (35) zur Kraftübertragung der Nockenwelle (23) oder der Kurbelwelle (30) auf die Triebstangen (17) ausgebildet ist.
Elastokalorische Wärmepumpe (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement (35) mittels einer Rolle (36) auf dem Nocken (22) einer Nockenwelle (23) abläuft, oder dass das Kraftübertragungselement (35) über ein Zwischenpleuel (37) mit dem Kurbeltrieb (31) einer Kurbelwelle (30) verbunden ist.
Kraftfahrzeug (200) umfassend eine elastokalorische Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche.