EP4500096A1 - Elastokalorische vorrichtung, einspannung und entsprechendes verfahren zur herstellung einer solchen vorrichtung - Google Patents

Elastokalorische vorrichtung, einspannung und entsprechendes verfahren zur herstellung einer solchen vorrichtung

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Publication number
EP4500096A1
EP4500096A1 EP23712881.4A EP23712881A EP4500096A1 EP 4500096 A1 EP4500096 A1 EP 4500096A1 EP 23712881 A EP23712881 A EP 23712881A EP 4500096 A1 EP4500096 A1 EP 4500096A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
elastocaloric
elements
clamping
shell
state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP23712881.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4500096B1 (de
Inventor
Mark PAULOV
Uwe Schein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
Publication of EP4500096A1 publication Critical patent/EP4500096A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4500096B1 publication Critical patent/EP4500096B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/01—Geometry problems, e.g. for reducing size

Definitions

  • the invention relates to an elastocaloric device for exchanging heat, i.e. for absorbing and releasing thermal energy, by using an elastocaloric material.
  • the invention further relates to a clamping device for clamping elastocaloric material and a method for producing such an elastocaloric device.
  • elastocaloric devices are installed or accommodated in an elastocaloric machine.
  • Such devices use elastocaloric materials, which are also known as so-called shape memory alloys (SMA).
  • SMA shape memory alloys
  • pseudoelastic alloys a strong change in shape can be induced by applying heat from a heat source. If you remove the heat source, the metal returns to its original shape. This effect is absolutely reversible. This is accompanied by the reverse effect, the so-called elastocaloric effect.
  • the elastocaloric material is exposed to mechanical stress, so that a crystalline phase transformation occurs and it heats up in the process.
  • This resulting heat is, for example, dissipated again via a heat sink so that the material cools back to the initial temperature.
  • the mechanical stress is now removed, i.e. the material is relaxed, the order is reduced and the material even cools down to a value below the initial temperature, so that it can now absorb thermal energy from the environment.
  • Through cyclic loading and unloading of the elastocaloric Material can therefore be used to provide and dissipate heat in the sense of an elastocaloric heat pump.
  • the introduction of mechanical forces onto the elastocaloric material is conventionally carried out via a clamping device, through which tensile forces of up to 1000 MPa can be applied.
  • FIG. 1 shows an example of a clamping 100 known from the prior art in a perspective view.
  • a roll 120 is wrapped with an element or wire 110 made of elastocaloric material.
  • the roller 120 has clamping sections 121 at end sections, via which the roller 120 can be clamped and loaded. By introducing mechanical forces, the wire 110 can be mechanically stressed and relaxed again by canceling these mechanical forces.
  • the roll 120 has a winding surface 122, which is intended to be wrapped with the wire 110 made of elastocaloric material.
  • the wire 110 made of elastocaloric material is first mechanically locked at one end of the winding surface 122 and wrapped several times around the winding surface 122 of the roll 120.
  • the wire 110 is then guided from the roll 120 to a counter bearing of the elastocaloric device 100, deflected, returned to the roll 120 and again wound around the winding surface 122 of the roll 120.
  • the counter bearing can be formed by another roller 120, for example. This process is repeated until the winding surface 122 of the roll 120 is completely wrapped.
  • the wires 110 are thus stretched, as shown, in two planes E between the roller 120 and the counter bearing.
  • this type of clamping known from the prior art brings with it a number of problems.
  • Loading/unloading or tensioning/relaxing the wire by introducing and canceling the mechanical forces on the roll leads to a relative movement of the wire with respect to the roll at the sections where the wire is in contact with the roll, i.e. on the winding surface .
  • This causes friction between the wire and the roller and therefore leads to increased wear.
  • the execution of the clamping in the form of the roller leads to the wire being stressed in the bending radius and thus being exposed to an unfavorable deformation situation. The friction and the unfavorable mechanical load thus lead to a reduction in the service life of the elastocaloric device.
  • the elastocaloric device requires a defined preload for operation. If the wire is not deformed elastically as intended as a result of a load/tensioning, but rather plastically, the pre-tension within the elastocaloric device is reduced and may no longer be sufficient. Plastic deformation therefore has a negative impact on the cooling and thermal performance of the elastocaloric device.
  • the production of the elastocaloric device with a clamping in the form of the roller is complex.
  • the pre-tension of the wire to be applied must be maintained throughout during joining, winding and assembly until use.
  • the manufacturing steps mentioned cannot be implemented in a common clamping device, which makes it even more difficult to maintain the preload.
  • the cooling/heat conduction to be achieved by the elastocaloric device depends in particular on the surface of the elastocaloric wire, which comes into contact with a coolant intended for heat exchange.
  • one measure to increase the cooling capacity of a device is to combine several clamps and/or several bundles in one clamp.
  • FIG. 2 shows an example of a combination of clampings known from the prior art in a view from above.
  • a further roller 130 with a smaller diameter is provided in addition to the previously described roller 120.
  • the corresponding elastocaloric devices 100 can thus be nested within one another.
  • this combination is disadvantageous in that the maximum elongation is always determined by the pair of rollers with the smaller diameter. This is due to the fact that this pair of rollers spans a smaller distance due to the nesting and can therefore experience a smaller stretching distance. With the outer pair of rollers with the larger diameter, the maximum expansion is not achieved, so that the full efficiency of this pair of rollers cannot be exploited.
  • the elastocaloric device is set up or designed to assume a first state in which, based on the elastocaloric effect, an elastocaloric material releases heat energy, and to assume a second state in which, based on the elastocaloric effect, the elastocaloric material absorbs heat energy
  • the elastocaloric device has: a plurality of elements formed from an elastocaloric material, and at least two opposing clampings , which clamp respective end sections of each element in such a way that only a central section of each element lying between the opposite clampings can be placed in the first state and the second state for absorbing and releasing thermal energy.
  • One or more of the elastocaloric devices according to the invention are preferably installed or accommodated in an elastocaloric machine.
  • each element is thus advantageously firmly clamped or clamped between sections/clamping parts of each clamping.
  • the respective end sections are preferably clamped using line or surface pressure using the clamping parts.
  • the elastocaloric effect describes the property of certain elastocaloric materials to respond to changes in mechanical stress exerted on the material by cooling or heating.
  • the clamps are set up to bring about the first and second states of the plurality of elements by the first state by exerting force, e.g. by loading or tensioning, on the plurality of elements via the clamps and the second state by relaxing the plurality of elements while canceling the exertion of force is effected.
  • two opposing clamps and the plurality of elements can form an elastocaloric cell, and several such cells can be provided in the elastocaloric device.
  • a mechanical load is applied to an elastocaloric material, a crystalline phase transformation occurs, whereby the elastocaloric material heats up.
  • the resulting thermal energy can be dissipated into the environment so that the material cools back to its original temperature.
  • the mechanical stress acting on the elastocaloric material is subsequently removed, the crystalline phase transformation occurs in the opposite manner, with the elastocaloric material cooling down. Accordingly, in this second state, the elastocaloric material can absorb heat energy from the environment.
  • elastocaloric materials are shape memory alloys such as nickel titanium, which undergoes a crystalline phase transformation from a cubic austenite structure to a metastable martensite structure when subjected to mechanical stress.
  • the elements made of elastocaloric material are preferably designed as thin strips, tubes or wires so that the largest possible surface area for heat emission and heat absorption is available to a volume of the element.
  • a mechanical load can preferably be caused by stretching, compression, bending, shearing or torsion, whereby the deformation of the material due to the mechanical load should take place within the elastic range of the material.
  • the elastocaloric device according to the invention can be designed in such a way that the middle sections of the plurality of elements have a uniform length and/or the respective end sections of the elements are fixedly clamped in the clamps.
  • end sections of the elements are clamped in a fixed/immovable manner relative to the clamping. This minimizes the friction between the clamping and the elements. Furthermore, when the elements are subjected to mechanical stress, there is no relative movement between the clamping and the end sections of the elements. This can increase the lifespan of the element.
  • the elements are also advantageous to clamp the elements individually in the clamping via the respective end sections. As a result, if an element tears, only that element fails, while the elastocaloric device with other elements remains operational due to the individual clamping. Furthermore, ideally only the central sections are loaded and relieved or tensioned and relaxed in order to release or absorb thermal energy.
  • the middle sections should preferably not experience any further loads, such as friction, so that the service life of the elements is increased.
  • the uniform length of the middle sections preferably ensures that the mechanical load is the same for all middle sections. If the mechanical load occurs, for example, through stretching, all middle sections experience the same stretching due to the uniform length and therefore deliver the same heat output. The variance between the individual elements is thus minimized.
  • the elastocaloric device according to the invention can be implemented in such a way that a respective clamping has a plurality of spheroid-shaped/ellipsoid-shaped shell elements of different sizes, which are fitted into one another in such a way that the end sections of the plurality of elements are clamped between adjacent shell elements.
  • a rotation spheroidZ-ellipsoid is a three-dimensional equivalent of a circular or elliptical surface, which is created due to its rotation about one of its axes.
  • Corresponding shell elements are therefore preferably created by rotating circular or oval/elliptical surfaces.
  • Half-shell-shaped elements are preferably formed in this way, which can be structurally fitted into one another, for example through different dimensions.
  • the elastocaloric device according to the invention can be developed in such a way that a first shell element and a second shell element adjacent thereto form end sections from a one-piece first bundle clamp several elements, and the second shell element and an adjacent third shell element clamp end sections from a one-piece second bundle of several elements that differs from the first bundle.
  • a bundle preferably comprises several elements which are arranged geometrically in a predefined manner.
  • the multiple elements are aligned in a circular or elliptical arrangement.
  • a concentric arrangement of the bundles arises radially, for example in a circle or an ellipse, around a common longitudinal axis of the adjacent shell elements.
  • a bundle is preferably clamped between nested or adjacent shell elements.
  • a bundle can also be designed in one piece in such a way that it has several coherent or interconnected or one-piece elements.
  • the elastocaloric device can be further developed in such a way that the first shell element, the second shell element adjacent thereto and the third shell element adjacent thereto clamp end sections of a single, one-piece bundle.
  • the single one-piece bundle with its connected elements can extend over several shell elements.
  • the bundles preferably differ in the dimensions of the predefined geometric arrangement, for example in diameter.
  • the nestable shell elements in conjunction with the bundles are advantageous because better utilization of the installation space can be achieved.
  • the first shell element is preferably designed as a hemispherical shell with a smallest radius or as an ellipsoidal shell with the smallest semi-axes, with each further shell element as a hemispherical or ellipsoidal shell with a larger radius or larger Semi-axes adjoin the next shell element with a smaller radius or smaller semi-axes.
  • the shell elements can be designed as ellipsoidal half-shells.
  • the hemispherical or ellipsoidal shells also have a cylindrical section in addition to a spheroidal/ellipsoidal section.
  • the clamping of the several elements in the cylindrical section means that the loading of the elements can occur along their longitudinal direction and thus no loading occurs in the bending radius.
  • adjacent shell elements can be braced against each other using fasteners.
  • the respective clamps are designed in the form of a plate which has a plurality of clamping devices distributed in the circumferential direction for clamping end sections of respective elements.
  • the plate is designed as a circular disk with a flat surface.
  • the clamping devices can also be arranged in a star shape on the plate.
  • a corresponding clamping device can have a recess and a corresponding clamping element that can be inserted into the recess, the clamping element being able to be inserted into the recess in such a way that the end sections of the plurality of elements are clamped between the recess and the clamping element clamped therein.
  • the recess and the clamping element can be fitted into one another in a form-fitting manner.
  • the recesses and the clamping elements can, for example, be implemented in the manner of a tongue-and-groove connection, with the elements being clamped between the groove and the tongue.
  • a bundle preferably comprises several elements which are clamped together in the tensioning device.
  • a plurality of bundles can be used via the Circumferential direction of the plate can be distributed. This makes it possible to make efficient and scalable use of installation space by allowing more elements to be accommodated in the existing installation space.
  • the recess and the corresponding clamping element that can be inserted into the recess preferably each clamp end sections of elements of a bundle.
  • the clamping can preferably be secured by crimping, gluing or welding.
  • the clamping element preferably has a further recess into which a further corresponding clamping element which can be inserted into the further recess can be inserted, the further clamping element being able to be inserted into the further recess in such a way that the end sections of the plurality of elements are between the further recess and the further clamped therein Clamping element are clamped.
  • the further recess and the corresponding further clamping element which can be inserted into the further recess preferably each clamp end sections of elements of a different bundle.
  • the clamps are preferably designed as a disk, preferably as a circular disk.
  • the clamping according to the invention for clamping a plurality of elements made of an elastocaloric material has: at least a first clamping part and a second clamping part, which are fitted into one another in such a way that end sections of the plurality of elements can be clamped in a fixed manner between the first clamping part and the second clamping part.
  • the method according to the invention for producing an elastocaloric device according to the invention which is set up to assume a first state in which an elastocaloric material absorbs heat energy based on the elastocaloric effect, and to assume a second state in which the elastocaloric material absorbs heat energy based on the elastocaloric effect Giving off thermal energy has the following steps:
  • clamps are pre-positioned in a holder. This means the entire manufacturing process can take place sequentially in the recording. Parts of the clamps are delivered one after the other and the elements of a respective bundle are applied in the immediately following sub-process. The elements are applied over the entire bundle under continuous and homogeneous pretension through a controlled element laying process (monitoring of the wire tension). This creates an assembly-friendly process that still offers high automation potential.
  • Figure 1 shows a perspective view of an elastocaloric device known from the prior art.
  • Figure 2 shows a view from above of a combination of two of the clamping devices known from the prior art.
  • Figure 3 shows a perspective cross-sectional view of an elastocaloric device according to the invention according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 4 shows a longitudinal sectional view of the elastocaloric device according to the invention from Figure 3.
  • Figures 5A to 5C show a method according to the invention for producing the elastocaloric device according to the invention according to the first embodiment of the invention.
  • Figures 6A to 6C show the device according to the invention in a modification of the first embodiment.
  • Figure 7 shows a perspective cross-sectional view of an elastocaloric device according to the invention according to a second embodiment of the invention with first bundles.
  • Figure 8 shows a method according to the invention for producing the elastocaloric device according to the invention according to the second embodiment of the invention in a perspective exploded view.
  • Figure 9 shows a perspective view of the elastocaloric device according to the invention according to the second embodiment of the invention with first bundles.
  • Figures 10A and 10B show a perspective view of the elastocaloric device according to the invention according to the second embodiment with first bundles in structurally modified shapes.
  • Figure 11 shows a perspective cross-sectional view of an elastocaloric device according to the invention according to a modification of the second embodiment of the invention with first and second bundles.
  • Figure 12 shows a perspective view of the elastocaloric device according to the invention according to the modification of the second embodiment of the invention with first bundles and second bundles in an exploded perspective view.
  • Figure 13 shows a method according to the invention for producing the elastocaloric device according to the invention according to the modification of the second embodiment of the invention with first bundles and second bundles using an exploded view.
  • Figure 3 shows a perspective cross-sectional view of an elastocaloric device 200 according to the invention according to a first embodiment of the invention.
  • the elastocaloric device 200 comprises a plurality of elements 210 made of an elastocaloric material. These elements 210 are clamped in two opposing clamps 220, with only one of the two clamps 220 being shown due to the cross-sectional view.
  • the opposing clamps 220 and the associated elastocaloric elements 210 are preferably designed in the form of one or more elastocaloric cells.
  • the elements 210 are designed as thin wires with a circular cross section.
  • the elements 210 are grouped into bundles, each bundle having a plurality of elements 210 connected together. Each bundle is therefore a one-piece Bundle of several connected elements 210.
  • the individual elements 210 of a bundle are arranged radially around a longitudinal axis LA of the elastocaloric device 200 at the same radius and thus form a grouping. Different bundles thus have elements 210 which are arranged at different radii around the longitudinal axis LA of the elastocaloric device 200. Within a bundle, the distance between the elements 210 and the longitudinal axis LA is therefore uniform.
  • the elastocaloric device 200 comprises three concentric bundles B1-B3 of elements 210.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of the elastocaloric device 200 according to the invention from FIG.
  • the first hemispherical shell element 221 has a smallest radius and each additional shell element 222-224 adjoins the next shell element with a smaller radius with a larger radius. End sections 211 of the elements 210 are firmly clamped in the clamping 220 between the adjacent surfaces of the shell elements 221-224.
  • the elements 210 of the first bundle B1 are fixedly clamped between the first shell element 221 and an adjacent second shell element 222.
  • the elements 210 of the second bundle B2 are fixedly clamped between the second shell element 222 and an adjacent third shell element 223.
  • the elements 210 of the third bundle B3 are clamped between the third shell element 223 and an adjacent fourth shell element 224.
  • the shell elements 221-224 form a common surface A on one side of the (first) clamping 220, which faces the opposite second clamping, not shown.
  • the shell elements 221-224 have a concentric bore B.
  • the shell elements 221 - 224 can be clamped together or against each other via this hole by means of a fastening means, not shown.
  • Figures 5A to 5C show a method according to the invention for producing the elastocaloric device 200 according to the invention according to the first embodiment of the invention.
  • the first shell elements 221, which have the smallest radius, are prepositioned opposite one another in a receptacle, not shown. Subsequently, the plurality of elements 210 of the first bundle B1 are applied to the first shell elements 221, so that the respective end sections 211 of the elements 210 of the first bundle B1 are in contact with the first shell elements 221 and the middle sections 212 between the two opposing first shell elements 221 exposed.
  • the second shell elements 222 with the next larger radius are then fitted into one another with the first shell elements 221 with the smallest radius, so that the end sections 211 of each element 210 of the first bundle are firmly clamped between the adjacent surfaces of the first shell elements 221 and the second shell elements 222 are while the middle sections 212 continue to be exposed.
  • the plurality of elements 210 of the second bundle B2 are applied to the second shell elements 222, so that the respective end sections 211 of the elements 210 of the second bundle B2 are in contact with the second shell elements 222 and the middle sections 212 between the two opposing second shell elements 222 exposed.
  • Further shell elements (eg 223 in FIG. 4) and bundles (eg B3 in FIG. 4) can then be supplied or added until final shell elements (eg 224 in FIG. 4) are applied.
  • Figures 6A to 6C show the device 200 according to the invention in a modification of the first embodiment, wherein the several elements 210 are formed in one piece.
  • the first shell element 221 comprises cylindrical guide elements 2211 in the form of protruding short bolts, which extend radially around the Longitudinal axis LA are arranged on the adjacent surface of the first shell element 221.
  • the one-piece first bundle is initially guided from a first shell element 221 to another first shell element 221.
  • the first shell elements 221 are then rotated about the longitudinal axis LA, with the one-piece bundle first being guided on a first cylindrical guide element 2211 of the other first shell element 221 and being placed in a groove formed in the other first shell element 221.
  • the one-piece bundle is then guided around a second guide element 2212 on the other first shell element 221 and then returned to the one first shell element 221. This process is repeated until all cylindrical guide elements 2211 are covered with the one-piece bundle.
  • the first shell element 221 also includes the cylindrical guide elements 2211, which lie radially around the longitudinal axis LA on the adjacent surface of the first shell element 221 are arranged.
  • the one-piece bundle is first guided from one first shell element 221 to the other first shell element 221.
  • the one-piece bundle is then guided around a first cylindrical guide element 2211.
  • the one-piece bundle is returned to the one shell element 221 and wrapped around second cylindrical guide element 2212 guided.
  • the one-piece bundle is therefore applied to the first shell elements 221 in a meandering manner.
  • An exemplary result of this process is shown in Figure 6C.
  • Figure 7 shows a perspective cross-sectional view of an elastocaloric device 300 according to the invention according to a second embodiment of the invention with first bundles B11-B14.
  • Figure 8 shows a method according to the invention for producing the elastocaloric device 300 according to the invention according to the second embodiment of the invention in a perspective exploded view.
  • One or more of these elastocaloric devices 300 can be installed or accommodated in an elastocaloric machine.
  • the elastocaloric device 300 comprises a plurality of elements 310 made of an elastocaloric material. These elements 310 are clamped in two opposing clamps 320, with only one of the two clamps 320 being shown due to the cross-sectional view.
  • the opposing restraints 320 and the elastocaloric elements 310 may also be provided as one or more elastocaloric cells.
  • the elements 310 are designed as thin wires with a circular cross section.
  • the elements 310 are grouped or combined into the four first bundles B11-B14.
  • the clamping 320 includes a first clamping part 321, which in the case shown is designed as a plate/circular disk.
  • the first clamping part 321/the plate has four clamping devices distributed in the circumferential direction for clamping end sections 311 of respective elements 310 of the first bundles B11 - B14.
  • the first clamping part 321/the plate comprises projections on one side which have recesses 3211 -3214, with corresponding clamping elements 3221 -3224 which can be inserted into the recesses 3211 -3214 being provided.
  • the insertable clamping elements 3221 -3224 are connected to one another or in one piece via a connecting part to form a second clamping part 322 educated.
  • the end sections 311 of the elements 310 are firmly clamped or clamped between adjacent surfaces of the recesses 3211-3214 and the corresponding clamping elements 3221-3224.
  • first clamping part 321/the plate on which the projections with the recesses 3211-3214 are formed, and the second clamping part 322, which has the clamping elements 3221-3224, have a concentric bore. Via this hole, the corresponding clamping elements 3221-3224 and the respective recesses 3211-3214 can be clamped together or against each other with a fastening means, in the case shown with a screw S.
  • the first clamping part 321 / the plate which has the recesses 3211-3214, is pre-positioned in a receptacle, not shown.
  • the recesses 3211-3214 of the first plate 321 are joined over the clamping elements 3221-3224, on which the several elements 310 of the first bundles B11 -B14 are already arranged, so that the respective end sections 311 of the elements 310 of the first bundles B11- 14 are firmly clamped in contact between the recesses 3211-3214 and the clamping elements 3221-3224 and the middle sections 312 are exposed.
  • Figure 9 shows a perspective view of the elastocaloric device 300 according to the invention according to the second embodiment of the invention with first bundles B11-B14.
  • the clamping of the recesses 3211-3214 and the corresponding clamping elements 3221-3224 are additionally secured by gluing/welding 331 and/or by crimping 332 (connection by plastic deformation) of the respective corresponding pairings.
  • Figures 10A and 10B show a perspective view of the elastocaloric device 300 according to the invention according to the second embodiment of the invention with first bundles in structurally modified shapes.
  • the elastocaloric device 300 shown in Figure 10A comprises five clamping devices distributed in the circumferential direction for clamping end sections 311 of respective elements 310 of first bundles B11 '-B15'.
  • the elastocaloric device 300 shown in Figure 10B comprises six clamping devices distributed in the circumferential direction for clamping end sections 311 of respective elements 310 of first bundles B11 "-B16".
  • Figure 11 shows a perspective cross-sectional view of an elastocaloric device 400 according to the invention according to a modification of the second embodiment of the invention with first bundles B11-B14 and second bundles B21-B24.
  • the elastocaloric device 400 comprises a plurality of elements 410 made of an elastocaloric material. These elements 410 are clamped in two opposing clamps 420, with only one of the two clamps 420 being shown due to the cross-sectional view.
  • the opposing restraints 420 and the elastocaloric elements 410 may also be provided as one or more elastocaloric cells.
  • the elements 410 are designed as thin wires with a circular cross section.
  • elements 410 are divided into first bundles B11 -B14 and second bundles B21 -B24.
  • Figure 12 shows a perspective view of the elastocaloric device 400 according to the invention according to the modification of the second embodiment of the invention with first bundles B11 -B14 and second bundles B21 -B24 in a perspective exploded view.
  • the clamping 420 comprises a first clamping part 421, in the case shown a plate, which in the case shown is designed as a circular disk.
  • the plate 421 forms four clamping devices distributed in the circumferential direction for clamping end sections 411 of respective elements 410 of the first bundles B11 -B14.
  • the first clamping part 421 or the plate comprises projections on one side which have recesses 4211 - 4214, with corresponding clamping elements 4221 - 4224 which can be inserted into the recesses 4211 - 4214 being provided.
  • the insertable clamping elements 4221 - 4224 are connected to one another via a connecting part to form a second clamping part 422.
  • the end sections 411 of the elements 410 of the first bundles B11 -B14 are firmly clamped or clamped between adjacent surfaces of the recesses 4211 -4214 and the corresponding clamping elements 4221 -4224.
  • clamping elements 4221 - 4224 include further recesses 4221 '-4224', with corresponding further clamping elements 4231 - 4234 which can be inserted into the further recesses 4221 '-4224' being provided.
  • the further usable clamping elements 4231 - 4234 are connected to one another via a further connecting part to form a third clamping part 423.
  • the end sections 411 of the elements 410 of the first bundles B11 -B14 are firmly clamped or clamped between adjacent surfaces of the further recesses 4221 '-4224' and the corresponding further clamping elements 4231 -4234.
  • Middle sections 412 of the elements 410 of all first bundles B11 -B14 and all second bundles B21 -B24, which lie between the two opposing clamps 420, have a uniform length. The middle sections 412 are exposed and are therefore set up for heat exchange with the environment.
  • the corresponding clamping elements 4221 -4224 and the respective recesses 4211 -4214 as well as the corresponding further clamping elements 4231 -4234 and the respective recesses 4221 '-4224' can be clamped together via this hole with a fastening means, in the case shown with a screw S.
  • Figure 13 shows a method according to the invention for producing the elastocaloric device 400 according to the invention from Figure 12 according to the modification of the second embodiment of the invention using an exploded view.
  • the additional clamping elements 4231 - 4234 of the third clamping part 423 are wrapped with the several elements 410 of the second bundles B21 - B24.
  • the second clamping part 422 is then positioned by applying the further recesses 4221 '-4224' onto the further wrapped further clamping elements 4231-4234, so that the respective end sections 411 of the elements 410 of the second bundles B21-24 between the recesses 4221 '-4224' and the further clamping elements 4231-4234 are firmly clamped and the middle sections 412 are exposed.
  • the tensioning elements 4221-4224 of the second clamping part 422 are then wrapped with the plurality of elements 410 of the first bundles B11-B14.
  • the first clamping part or plate 421 is positioned by applying the recesses 4211-4214 to the wrapped clamping elements 4221-4224 so that the respective end portions 411 of the elements 410 of the first bundles B11-14 between the recesses 4211-4214 and the clamping elements 4221-4224 are firmly clamped and the middle sections 412 are exposed.
  • the plate/the first clamping part 421, the second clamping part 422, which includes the clamping elements 4221-4224, and the third clamping part 423, which includes the further clamping elements 4231-4234, are clamped together by inserting the screw S into the hole.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elastokalorische Vorrichtung (200; 300; 400), welche eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts ein elastokalorisches Material Wärmeenergie abgibt, und einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts das elastokalorische Material Wärmeenergie aufnimmt, wobei die elastokalorische Vorrichtung (200; 300; 400) aufweist: mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente (210; 310, 410), und zumindest zwei, einander gegenüberliegende Einspannungen (220; 320; 420), welche jeweilige Endabschnitte (211; 311; 411) eines jeden Elements (210; 310; 410) derart einspannen, dass lediglich ein zwischen den gegenüberliegenden Einspannungen (220; 320; 420) liegender Mittenabschnitt (212; 312; 412) eines jeden Elements (210; 310; 410) in den ersten Zustand und den zweiten Zustand zur Wärmenergieaufnahme und Wärmeenergieabgabe versetzt werden kann. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Einspannung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Description

Beschreibung
Elastokalorische Vorrichtung, Einspannung und entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine elastokalorische Vorrichtung zum Austausch von Wärme, d.h. zur Wärmeenergieaufnahme und -abgabe, durch Verwendung eines elastokalorischen Materials. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Einspannung zum Einspannen elastokalorischen Materials und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elastokalorischen Vorrichtung.
Herkömmlicherweise werden eine oder mehrere derartige elastokalorischen Vorrichtungen in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen. Derartige Vorrichtungen verwenden elastokalorische Materialien, die auch als sog. Formgedächtnislegierungen (FGL) bekannt sind. Bei derartigen pseudoelastischen Legierungen lässt sich durch Eintrag von Wärme durch eine Wärmequelle eine starke Formänderung induzieren. Entfernt man die Wärmequelle wieder, nimmt das Metall seine ursprüngliche Form wieder an. Dieser Effekt ist absolut reversibel. Damit einhergehend wird der umgekehrte Effekt, der sog. elastokalorische Effekt, genutzt. Über eine Formänderung des elastokalorischen Materials wird Umwandlungswärme des elastokalorischen Materials mit der Umgebung ausgetauscht, so dass das elastokalorische Material nach Wärmeenergieaustausch mit der Umgebung einen energetisch niedrigeren Zustand also vor dem Wärmeenergieaustausch einnehmen kann.
Im Speziellen wird das elastokalorische Material einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, so dass es bei diesem zu einer kristallinen Phasenumwandlung kommt und sich dabei erwärmt. Diese entstehende Wärme wird beispielsweise wieder über eine Wärmesenke abgeführt, so dass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird nun die mechanische Beanspruchung entfernt d.h. es folgt eine Entspannung des Materials, so verringert sich die Ordnung und das Material kühlt sogar auf einen Wert unterhalb der Ausgangstemperatur ab, so dass es nun thermische Energie bzw. Wärmeenergie aus der Umgebung aufnehmen kann. Durch zyklische Be- und Entlastung des elastokalorischen Materials kann somit im Sinne einer elastokalorischen Wärmepumpe eine entsprechende Wärmezufuhr und -abfuhr realisiert werden.
Durch geeignete Steuerung der zyklischen Belastung und Entlastung bzw. Entspannung verbunden mit entsprechender Steuerung eines Fluidkreislaufs, welcher beispielsweise ein Kühlmittel wie Wasser aufweisen kann, lässt sich somit eine Wärmepumpe bzw. Kältemaschine realisieren.
Die Einleitung mechanischer Kräfte auf das elastokalorische Material erfolgt herkömmlicherweise über eine Einspannung, über welche Zugkräfte von bis zu 1000 MPa aufgebracht werden können.
In Fig. 1 ist beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte Einspannung 100 in perspektivischer Ansicht gezeigt.
In dem dargestellten Fall ist eine Rolle 120 mit einem Element bzw. Draht 110 aus elastokalorischem Material umwickelt. Die Rolle 120 weist an Endabschnitten Einspannabschnitte 121 auf, über welche die Rolle 120 einspannbar und belastbar ist. Durch Einleitung mechanischer Kräfte kann der Draht 110 mechanisch belastet und durch Aufhebung dieser mechanischen Kräfte wieder entspannt werden.
Weiterhin weist die Rolle 120 eine Wickelfläche 122 auf, welche bestimmungsgemäß mit dem Draht 110 aus elastokalorischem Material umwickelt wird. Dazu wird der Draht 110 aus elastokalorischem Material zunächst an einem Ende der Wickelfläche 122 mechanisch arretiert und mehrmals um die Wickelfläche 122 der Rolle 120 gewickelt.
Anschließend wird der Draht 110 von der Rolle 120 ausgehend zu einem Gegenlager der elastokalorischen Vorrichtung 100 geführt, umgelenkt, zur Rolle 120 zurückgeführt und wiederum um die Wickelfläche 122 der Rolle 120 gewickelt. Das Gegenlager kann beispielsweise durch eine weitere Rolle 120 ausgebildet werden. Dieser Vorgang wird wiederholt bis die Wickelfläche 122 der Rolle 120 vollständig umwickelt ist. Die Drähte 110 werden somit, wie gezeigt, in zwei Ebenen E zwischen der Rolle 120 und dem Gegenlager aufgespannt. Diese aus dem Stand der Technik bekannte Art der Einspannung bringt jedoch eine Mehrzahl von Problemen mit sich.
Das Belasten / Entlasten bzw. Spannen/ Entspannen des Drahtes durch Einleitung und Aufhebung der mechanischen Kräfte auf die Rolle führt zu einer Relativbewegung des Drahtes gegenüber der Rolle an den Abschnitten, an welchen der Draht mit der Rolle in Kontakt ist, das heißt an der Wickelfläche. Dies bewirkt Reibung zwischen dem Draht und der Rolle und führt somit zu erhöhtem Verschleiß. Weiterhin führt die Ausführung der Einspannung in Form der Rolle dazu, dass der Draht im Biegeradius beansprucht wird und somit einer ungünstigen Deformationssituation ausgesetzt wird. Die Reibung und die ungünstige mechanische Belastung führen somit zu einer Reduzierung der Lebensdauer der elastokalorischen Vorrichtung.
Weiterhin erfordert die elastokalorische Vorrichtung für den Betrieb eine definierte Vorspannung. Wird der Draht in Folge einer Belastung/ eines Spannens nicht - wie beabsichtigt - elastisch, sondern plastisch verformt, wird die Vorspannung innerhalb der elastokalorischen Vorrichtung herabgesetzt und ist gegebenenfalls nicht mehr ausreichend. Eine plastische Verformung hat daher negative Auswirkungen auf die Kühl-ZWärmeleistung der elastokalorischen Vorrichtung.
Wird ein Draht darüber hinaus übermäßig plastisch verformt und reißt in der Folge, führt dies zum Ausfall des gesamten Drahtbündels bzw. der Drähte, welche in dergleichen Ebene E aufgespannt sind.
Darüber hinaus ist die Herstellung der elastokalorischen Vorrichtung mit einer Einspannung in Form der Rolle komplex. So muss die Vorspannung des aufzubringenden Drahtes während des Fügens, Wickelns und Montierens bis hin zur Verwendung durchgehend aufrechterhalten werden. Die genannten Herstellungsschritte können darüber hinaus nicht in einer gemeinsamen Aufspannvorrichtung realisiert werden, wodurch die Erhaltung der Vorspannung weiter erschwert wird. Die zu erzielende Kühl-/Wärmeleitung der elastokalorischen Vorrichtung hängt in besonderer Weise von der Oberfläche des elastokalorischen Drahtes ab, welche mit einem zum Wärmeaustausch vorgesehenen Kühlmittel in Kontakt gelangt.
Eine Maßnahme, die Kühlleistung einer Vorrichtung zu erhöhen, besteht gemäß dem Stand der Technik daher darin, mehrere Einspannungen und/ oder mehrere Bündel in einer Einspannung zu kombinieren.
In Fig. 2 ist beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte Kombination von Einspannungen in einer Ansicht von oben gezeigt. In der gezeigten elastokalorischen Vorrichtung wird neben der zuvor beschriebenen Rolle 120 eine weitere Rolle 130 mit einem geringeren Durchmesser vorgesehen. So können die entsprechenden elastokalorischen Vorrichtungen 100 ineinander verschachtelt werden. Diese Kombination ist jedoch dahingehend nachteilig, dass die maximale Dehnung stets durch das Rollenpaar mit dem geringeren Durchmesser bestimmt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass dieses Rollenpaar aufgrund der Verschachtelung eine geringere Distanz überspannt und entsprechend einen geringeren Dehnungsweg erfahren kann. Beim äußeren Rollenpaar mit dem größeren Durchmesser wird die maximale Dehnung somit nicht erreicht, so dass die volle Effizienz dieses Rollenpaars nicht ausgeschöpft werden kann.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elastokalorische Vorrichtung, eine Einspannung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elastokalorischen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, anhand welcher sich eine effizientere Kühlleistung und/oder ein höherer Ausfallschutz erzielen lassen.
Diese Aufgabe wird durch eine elastokalorische Vorrichtung nach Anspruch 1 , eine Einspannung nach Anspruch 13 und ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße elastokalorische Vorrichtung ist eingerichtet bzw. dazu ausgelegt, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts ein elastokalorisches Material Wärmeenergie abgibt, und einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts das elastokalorische Material Wärmeenergie aufnimmt, und die elastokalorische Vorrichtung weist auf: mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente, und zumindest zwei, einander gegenüberliegende Einspannungen, welche jeweilige Endabschnitte eines jeden Elements derart einspannen, dass lediglich ein zwischen den gegenüberliegenden Einspannungen liegender Mittenabschnitt eines jeden Elements in den ersten Zustand und den zweiten Zustand zur Wärmenergieaufnahme und Wärmeenergieabgabe versetzt werden kann.
Bevorzugt sind eine oder mehrere der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtungen in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen.
Die jeweiligen Endabschnitte eines jeden Elements werden somit in vorteilhafterweise zwischen Abschnitten/Klemmteilen jeder Einspannung fest eingeklemmt bzw. eingespannt. Vorzugsweise erfolgt die Klemmung der jeweiligen Endabschnitte über eine Linien- oder Flächenpressung anhand der Klemmteile.
Der elastokalorische Effekt beschreibt die Eigenschaft bestimmter elastokalorischer Materialien, auf Änderung einer auf das Material ausgeübten mechanischen Belastung durch Abkühlung oder Erwärmung zu reagieren.
Vorzugsweise sind die Einspannungen eingerichtet, den ersten und den zweiten Zustand der mehreren Elemente herbeizuführen, indem der erste Zustand durch Kraftausübung, z.B. durch Belasten bzw. Spannen, auf die mehreren Elemente über die Einspannungen und der zweite Zustand durch Entspannen der mehreren Elemente unter Aufhebung der Kraftausübung bewirkt wird.
Bevorzugt können zwei sich gegenüberliegende Einspannungen und die mehreren Elemente eine elastokalorische Zelle bilden, wobei mehrere solcher Zellen in der elastokalorischen Vorrichtung vorgesehen sein können. Wird eine mechanische Belastung auf ein elastokalorisches Material aufgebracht, kommt es zu einer kristallinen Phasenumwandlung, wobei sich das elastokalorische Material erwärmt. In diesem ersten Zustand kann die entstehende Wärmeenergie an die Umgebung abgeführt werden, sodass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird die auf das elastokalorische Material wirkende mechanische Belastung in der Folge wieder entfernt, erfolgt die kristalline Phasenumwandlung in umgekehrter Weise, wobei sich das elastokalorische Material abkühlt. Entsprechend kann in diesem zweiten Zustand das elastokalorische Material Wärmeenergie aus der Umgebung aufnehmen. Durch zyklische Be- und Entlastung des Materials und entsprechende Wärmeenergiezufuhr und -abfuhr lässt sich ein Kreisprozess herstellen, mit dem man heizen, aber auch kühlen kann. Beispiele für elastokalorische Materialien sind Formgedächtnislegierungen wie Nickeltitan, welches bei mechanischer Belastung eine kristalline Phasenumwandlung von kubischer Austenit-Struktur zu einer metastabilen Martensit-Struktur vollzieht.
Die Elemente aus elastokalorischem Material werden vorzugsweise als dünne Streifen, Rohre oder als Drähte ausgeführt, damit einem Volumen des Elements eine möglichst große Oberfläche zur Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme zur Verfügung steht.
Eine mechanische Belastung kann bevorzugt durch Dehnung, Stauchung, Biegung, Scherung oder Torsion hervorgerufen werden, wobei die Verformung des Materials durch die mechanische Belastung innerhalb des elastischen Bereichs des Materials erfolgen sollte.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße elastokalorische Vorrichtung derart gestaltet sein, dass die Mittenabschnitte der mehreren Elemente eine einheitliche Länge aufweisen und/oder die jeweiligen Endabschnitte der Elemente feststehend in den Einspannungen eingeklemmt sind.
Vorteilhaft ist, dass die Endabschnitte der Elemente feststehend/unbeweglich gegenüber der Einspannung eingeklemmt sind. Somit ist die Reibung zwischen der Einspannung und den Elementen minimiert. Weiterhin findet bei mechanischer Belastung der Elemente keine Relativbewegung zwischen der Einspannung und den Endabschnitten der Elemente statt. Damit kann eine Lebensdauer des Elements erhöht werden.
Vorteilhaft ist weiterhin ein einzelnes Einklemmen der Elemente in der Einspannung über die jeweiligen Endabschnitte. Dadurch fällt bei Reißen eines Elements nur eben jenes Element aus, während die elastokalorische Vorrichtung mit übrigen Elementen aufgrund der Einzeleinspannung weiterhin betriebsfähig bleibt. Weiterhin werden dadurch im Idealfall ausschließlich die Mittenabschnitte belastet und entlastet bzw. gespannt und entspannt, um Wärmeenergie abzugeben oder aufzunehmen. Die Mittenabschnitte sollen bevorzugt keine weiteren Belastungen, wie Reibung, erfahren, so dass die Lebensdauer der Elemente erhöht ist. Die einheitliche Länge der Mittenabschnitte bewirkt vorzugsweise, dass die mechanische Belastung für alle Mittenabschnitte gleich ist. Erfolgt die mechanische Belastung beispielsweise durch Dehnung, erfahren alle Mittenabschnitte aufgrund der einheitlichen Länge die gleiche Dehnung und liefern folglich eine gleiche Wärmeleistung. Die Varianz zwischen den einzelnen Elementen wird somit minimiert.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße elastokalorische Vorrichtung derart verwirklicht sein, dass eine jeweilige Einspannung mehrere spheroidförmige/ellipsoidförmige Schalenelemente in unterschiedlicher Größe aufweist, die derart ineinandergefügt sind, dass die Endabschnitte der mehreren Elemente zwischen angrenzenden Schalenelementen eingeklemmt sind.
Ein RotationsspheroidZ-ellipsoid ist eine dreidimensionale Entsprechung einer kreisförmigen oder ellipsenförmigen Fläche, welche aufgrund deren Drehung um eine ihrer Achsen entsteht. Entsprechende Schalenelemente entstehen daher bevorzugt durch Rotation von kreisförmigen oder ovalen/elliptischen Flächen. Vorzugsweise werden auf diese Weise halbschalenförmige Elemente ausgebildet, welche konstruktiv, beispielsweise durch unterschiedliche Dimensionierung, ineinanderfügbar sind.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße elastokalorische Vorrichtung derart weitergebildet sein, dass ein erstes Schalenelement und ein daran angrenzendes zweites Schalenelement Endabschnitte aus einem einstückigen ersten Bündel aus mehreren Elementen einklemmen, und das zweite Schalenelement und ein daran angrenzendes drittes Schalenelement Endabschnitte aus einem sich von dem ersten Bündel unterscheidenden einstückigen zweiten Bündel aus mehreren Elementen einklemmen.
Bevorzugt umfasst ein Bündel mehrere Elemente, welche in vordefinierter Weise geometrisch angeordnet sind. Beispielsweise sind die mehreren Elemente in einer kreisförmigen oder ellipsenförmigen Anordnung ausgerichtet. Bei mehreren Bündeln entsteht somit eine konzentrische Anordnung der Bündel radial, zum Beispiel kreisförmig oder ellipsenförmig, um eine gemeinsame Längsachse der angrenzenden Schalenelemente.
Weiterhin ist ein Bündel bevorzugt zwischen ineinandergefügten bzw. angrenzenden Schalenelementen eingeklemmt. Ein Bündel kann auch einstückig derart ausgeführt sein, dass es mehrere zusammenhängende bzw. miteinander verbundene bzw. einstückige Elemente aufweist.
Alternativ kann die elastokalorische Vorrichtung derart weitergebildet sein, dass das erste Schalenelement, das daran angrenzende zweite Schalenelement und das daran angrenzende dritte Schalenelement Endabschnitte eines einzigen einstückigen Bündels einklemmen. Mit anderen Worten kann sich das einzige einstückige Bündel mit dessen zusammenhängenden Elementen über mehrere Schalenelemente erstrecken.
Vorzugsweise unterscheiden sich die Bündel in der Dimensionierung der vordefinierten geometrischen Anordnung, beispielsweise im Durchmesser.
Die ineinanderfügbaren Schalenelemente in Verbindung mit den Bündeln sind vorteilhaft, da eine bessere Bauraumausnutzung erzielt werden kann.
Bevorzugt ist das erste Schalenelement als halbkugelförmige Schale mit einem kleinsten Radius oder als ellipsoidförmige Schale mit kleinsten Halbachsen ausgebildet, wobei jedes weitere Schalenelement als halbkugelförmige oder ellipsoidförmige Schale mit einem jeweils größeren Radius oder jeweils größeren Halbachsen an das jeweils nächste Schalenelement mit kleinerem Radius oder kleineren Halbachsen angrenzt. Weiterhin können die Schalenelemente als ellipsoidförmige Halbschalen ausgebildet sein.
Vorzugsweise weisen die halbkugelförmigen oder ellipsoidförmigen Schalen neben einem spheroidförmigen/ellipsoidförmigen Abschnitt weiterhin einen zylindrischen Abschnitt auf. Die Einklemmung der mehreren Elemente in dem zylindrischen Abschnitt bewirkt, dass die Belastung der Elemente entlang deren Längsrichtung erfolgen kann und somit keine Belastung im Biegeradius erfolgt.
Alternativ sind angrenzende Schalenelemente über Befestigungsmittel gegeneinander verspannbar.
Vorzugsweise sind die jeweiligen Einspannungen in Form einer Platte ausgebildet, die in Umfangsrichtung verteilt mehrere Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten jeweiliger Elemente aufweisen.
Vorteilhaft ist, wenn die Platte als Kreisscheibe mit einer ebenen Oberfläche ausgeführt ist. Die Spanneinrichtungen können darüber hinaus sternförmig auf der Platte angeordnet sein.
Eine entsprechende Spanneinrichtung kann eine Aussparung und ein korrespondierendes in die Aussparung einsetzbares Spannelement aufweisen, wobei das Spannelement derart in die Aussparung einsetzbar ist, dass die Endabschnitte der mehreren Elemente zwischen der Aussparung und dem darin verspannten Spannelement eingespannt sind.
Vorteilhaft ist, wenn die Aussparung und das Spannelement formschlüssig ineinanderfügbar sind. Die Aussparungen und die Spannelemente können beispielsweise in der Art einer Nut-Feder-Verbindung verwirklicht werden, wobei die Elemente zwischen der Nut und der Feder eingeklemmt werden.
Ein Bündel umfasst bevorzugt mehrere Elemente, welche gemeinsam in der Spanneinrichtung eingeklemmt sind. Eine Mehrzahl von Bündeln kann über die Umfangsrichtung der Platte verteilbar sein. Damit ist die Möglichkeit einer effizienten und skalierbaren Bauraumausnutzung gegeben, indem mehr Elemente in dem vorhandenen Bauraum aufnehmbar sind.
Die Aussparung und das korrespondierende in die Aussparung einsetzbare Spannelement klemmen bevorzugt jeweils Endabschnitte von Elementen eines Bündels ein.
Die Klemmung kann bevorzugt durch Crimpen, Kleben oder Schweißen abgesichert werden.
Bevorzugt weist das Spannelement eine weitere Aussparung auf, in die ein weiteres korrespondierendes in die weitere Aussparung einsetzbares Spannelement einsetzbar ist, wobei das weitere Spannelement derart in die weitere Aussparung einsetzbar ist, dass die Endabschnitte der mehreren Elemente zwischen der weiteren Aussparung und dem darin verspannten weiteren Spannelement eingespannt sind.
Die weitere Aussparung und das korrespondierende in die weitere Aussparung einsetzbare weitere Spannelement klemmen bevorzugt jeweils Endabschnitte von Elementen eines anderen Bündels ein.
Bevorzugt sind die Einspannungen als Scheibe, vorzugsweise als Kreisscheibe, ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Einspannung zum Einklemmen von mehreren Elementen aus einem elastokalorischen Material weist auf: zumindest ein erstes Einspannungsteil und zweites Einspannungsteil, die derart ineinandergefügt sind, dass Endabschnitte der mehreren Elemente zwischen dem ersten Einspannungsteil und dem zweiten Einspannungsteil feststehend einklemmbar sind.
In Bezug auf die Einspannung ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung, welche eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts ein elastokalorisches Material Wärmeenergie aufnimmt, und einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts das elastokalorische Material Wärmeenergie abgibt, weist die folgenden Schritte auf:
Einspannen von mehreren aus einem elastokalorischen Material ausgebildeten Elementen in zumindest zwei, einander gegenüberliegenden Einspannungen, welche jeweilige Endabschnitte eines jeden Elements derart einspannen, dass lediglich ein zwischen den gegenüberliegenden Einspannungen liegender Mittenabschnitt eines jeden Elements in den ersten Zustand und den zweiten Zustand zur Wärmenergieaufnahme und Wärmeenergieabgabe versetzt werden kann.
Vorteilhaft ist, wenn die Einspannungen in einer Aufnahme vorpositioniert werden. So kann der gesamte Herstellungsprozess sequentiell in der Aufnahme erfolgen. Teile der Einspannungen werden nacheinander zugestellt und die Elemente eines jeweiligen Bündels im direkt folgenden Teilprozess aufgebracht. Dabei werden die Elemente unter kontinuierlicher und homogener Vorspannung durch einen kontrollierten Elementverlegeprozess (Überwachung des Drahtzuges) über das gesamte Bündel aufgebracht. Somit ist ein montagefreundlicher Prozess gegeben, welcher weiterhin ein hohes Automationspotenzial bietet.
In Bezug auf das Verfahren ergeben sich darüber hinaus die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten elastokalorischen Vorrichtung.
Figur 2 zeigt eine Ansicht von oben einer Kombination von zwei der aus dem Stand der Technik bekannten Einspannungen.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 4 zeigt eine Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung von Fig. 3.
Figuren 5A bis 5C zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figuren 6A bis 6C zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Modifikation der ersten Ausführungsform.
Figur 7 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln.
Figur 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
Figur 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln. Figuren 10A und 10B zeigen eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform mit ersten Bündeln in konstruktiv abgewandelten Formen.
Figur 11 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten und zweiten Bündeln.
Figur 12 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln und zweiten Bündeln in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
Figur 13 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln und zweiten Bündeln anhand einer Explosionsdarstellung.
Figur 3 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 200 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine oder mehrere dieser elastokalorischen Vorrichtungen 200 können in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen sein. Die elastokalorische Vorrichtung 200 umfasst mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente 210. Diese Elemente 210 sind in zwei einander gegenüberliegenden Einspannungen 220 eingespannt, wobei aufgrund der Querschnittansicht nur eine der beiden Einspannungen 220 gezeigt ist. Die sich gegenüberliegenden Einspannungen 220 und die zugehörigen elastokalorischen Elemente 210 sind bevorzugt in Form von einer oder mehreren elastokalorischen Zellen ausgebildet.
Im konkret dargestellten Fall sind die Elemente 210 als dünne Drähte mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Die Elemente 210 sind in Bündel gruppiert bzw. zusammengefasst, wobei jedes Bündel eine Mehrzahl von Elementen 210 aufweist, die miteinander verbunden sind. Jedes Bündel ist somit ein einstückiges Bündel aus mehreren zusammenhängenden Elementen 210. In jedem Bündel sind die einzelnen Elemente 210 eines Bündels radial um eine Längsachse LA der elastokalorischen Vorrichtung 200 in gleichem Radius angeordnet und bilden somit eine Gruppierung. Unterschiedliche Bündel weisen somit Elemente 210 auf, die in unterschiedlichen Radien um die Längsachse LA der elastokalorischen Vorrichtung 200 angeordnet sind. Innerhalb eines Bündels ist der Abstand der Elemente 210 zu der Längsachse LA somit jeweils einheitlich. In der gezeigten ersten Ausführungsform umfasst die elastokalorische Vorrichtung 200 drei konzentrische Bündel B1-B3 von Elementen 210.
Figur 4 zeigt eine Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 200 von Fig. 3. Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, umfasst die Einspannung 220 vier halbkugelförmige Schalenelemente 221-224 in unterschiedlicher Größe, welche ineinandergefügt sind. Das erste halbkugelförmige Schalenelement 221 weist einen kleinsten Radius auf und jedes weitere Schalenelement 222-224 grenzt mit einem jeweils größeren Radius an das jeweils nächste Schalenelement mit kleinerem Radius an. Zwischen den angrenzenden Oberflächen der Schalenelemente 221-224 sind Endabschnitte 211 der Elemente 210 feststehend in der Einspannung 220 eingeklemmt. Dabei sind die Elemente 210 des ersten Bündels B1 feststehend zwischen dem ersten Schalenelement 221 und einem daran angrenzenden zweiten Schalenelement 222 eingeklemmt. Die Elemente 210 des zweiten Bündels B2 sind feststehend zwischen dem zweiten Schalenelement 222 und einem angrenzenden dritten Schalenelement 223 eingeklemmt. Darüber hinaus sind die Elemente 210 des dritten Bündels B3 zwischen dem dritten Schalenelement 223 und einem angrenzenden vierten Schalenelement 224 eingeklemmt. Die Schalenelemente 221- 224 bilden auf einer Seite der (ersten) Einspannung 220, welcher der nicht gezeigten gegenüberliegenden zweiten Einspannung zugewandt ist, eine gemeinsame Fläche A aus. Damit weisen Mittenabschnitte 212 der Elemente 210, welche zwischen den beiden gegenüberliegenden Einspannungen 220 liegen, eine einheitliche Länge auf. Die Mittenabschnitte 212 liegen frei und sind somit für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung eingerichtet. Weiterhin weisen die Schalenelemente 221-224 eine konzentrische Bohrung B auf.
Über diese Bohrung sind die Schalenelemente 221 -224 mittels einem nicht gezeigten Befestigungsmittel miteinander bzw. gegeneinander verspannbar.
Figuren 5A bis 5C zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 200 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Schritt 1 (Figur 5A)
Die ersten Schalenelemente 221 , welche den kleinsten Radius aufweisen, werden einander gegenüberliegend in einer nicht gezeigten Aufnahme vorpositioniert. Anschließend werden die mehreren Elemente 210 des ersten Bündels B1 auf die ersten Schalenelemente 221 aufgebracht, so dass die jeweiligen Endabschnitte 211 der Elemente 210 des ersten Bündels B1 in Kontakt mit den ersten Schalenelementen 221 sind und die Mittenabschnitte 212 zwischen den beiden einander gegenüberliegenden ersten Schalenelementen 221 freiliegen.
Schritt 2 (Figur 5B)
Anschließend werden jeweils die zweiten Schalenelemente 222 mit dem nächstgrößeren Radius mit den ersten Schalenelemente 221 mit dem kleinsten Radius ineinandergefügt, so dass die Endabschnitte 211 eines jeden Elements 210 des ersten Bündels jeweils zwischen den angrenzenden Oberflächen der ersten Schalenelemente 221 und der zweiten Schalenelemente 222 feststehend eingeklemmt sind, während die Mittenabschnitte 212 weiterhin freiliegen.
Schritt 3 (Figur 5C)
Anschließend werden die mehreren Elemente 210 des zweiten Bündels B2 auf die zweiten Schalenelemente 222 aufgebracht, so dass die jeweiligen Endabschnitte 211 der Elemente 210 des zweiten Bündels B2 in Kontakt mit den zweiten Schalenelementen 222 sind und die Mittenabschnitte 212 zwischen den beiden einander gegenüberliegenden zweiten Schalenelementen 222 freiliegen. Im Anschluss können weitere Schalenelemente (z.B. 223 in Fig. 4) und Bündel (z.B. B3 in Fig. 4) zugeführt bzw. angefügt werden, bis abschließende Schalenelemente (z.B. 224 in Fig. 4) aufgebracht werden. Figuren 6A bis 6C zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 in einer Modifikation der ersten Ausführungsform, wobei die mehreren Elemente 210 einstückig ausgebildet sind.
Figur 6A zeigt dabei eine erste Möglichkeit der Ausbildung der mehreren Elemente 210 des ersten Bündels als einstückiges Element, bzw. als einstückiges Bündel aus mehreren Elementen 210. Das erste Schalenelement 221 umfasst hierzu zylindrische Führungselemente 2211 in Form von herausstehenden kurzen Bolzen, welche radial um die Längsachse LA herum auf der angrenzenden Oberfläche des ersten Schalenelements 221 angeordnet sind.
Das einstückige erste Bündel wird zunächst von einem ersten Schalenelement 221 zu einem anderen ersten Schalenelement 221 geführt. Die ersten Schalenelemente 221 werden daraufhin um die Längsachse LA gedreht, wobei das einstückige Bündel zunächst an einem ersten zylindrischen Führungselement 2211 des anderen ersten Schalenelements 221 geführt wird und in eine in dem anderen ersten Schalenelement 221 ausgebildete Nut gelegt wird. Anschließend wird das einstückige Bündel um ein zweites Führungselement 2212 auf dem anderen ersten Schalenelement 221 geführt und anschließend zu dem einen ersten Schalenelement 221 zurückgeführt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt bis alle zylindrischen Führungselemente 2211 mit dem einstückigen Bündel belegt sind.
Figur 6B zeigt eine zweite Möglichkeit der Ausbildung der mehreren Elemente 210 des ersten Bündels als einstückiges Element, bzw. als einstückiges Bündel aus mehreren Elementen 210. Das erste Schalenelement 221 umfasst hierzu ebenfalls die zylindrischen Führungselemente 2211 , welche radial um die Längsachse LA herum auf der angrenzenden Oberfläche des ersten Schalenelements 221 angeordnet sind.
Das einstückige Bündel wird zunächst von dem einen ersten Schalenelement 221 zu dem anderen ersten Schalenelement 221 geführt. Anschließend wird das einstückige Bündel um ein erstes zylindrisches Führungselement 2211 geführt. In der Folge wird das einstückige Bündel zu dem einen Schalenelement 221 zurückgeführt und um ein zweites zylindrisches Führungselement 2212 geführt. Das einstückige Bündel wird folglich mäanderförmig auf die ersten Schalenelemente 221 aufgebracht. Ein beispielhaftes Ergebnis dieses Vorgangs ist in Figur 6C gezeigt.
Figur 7 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 300 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln B11-B14. Figur 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 300 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung. Eine oder mehrere dieser elastokalorischen Vorrichtungen 300 können in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen sein.
Die elastokalorische Vorrichtung 300 umfasst mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente 310. Diese Elemente 310 sind in zwei einander gegenüberliegenden Einspannungen 320 eingespannt, wobei aufgrund der Querschnittansicht nur eine der beiden Einspannungen 320 gezeigt ist. Die sich gegenüberliegenden Einspannungen 320 und die elastokalorischen Elemente 310 können auch als eine oder mehrere elastokalorische Zellen vorgesehen werden.
Im konkret dargestellten Fall sind die Elemente 310 als dünne Drähte mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Darüber hinaus sind die Elemente 310 in die vier ersten Bündel B11-B14 gruppiert bzw. zusammengefasst.
Die Einspannung 320 umfasst ein erstes Einspannungsteil 321 , welches im dargestellten Fall als Platte/ Kreisscheibe ausgebildet ist. Das erste Einspannungsteil 321/ die Platte weist in Umfangsrichtung verteilt vier Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 311 jeweiliger Elemente 310 der ersten Bündel B11 - B14 auf.
Das erste Einspannungsteil 321 / die Platte umfasst dazu auf einer Seite Vorsprünge, die Aussparungen 3211 -3214 aufweisen, wobei korrespondierende in die Aussparungen 3211 -3214 einsetzbare Spannelemente 3221 -3224 vorgesehen sind. Die einsetzbaren Spannelemente 3221 -3224 sind über ein Verbindungsteil zu einem zweiten Einspannungsteil 322 miteinander verbunden bzw. einstückig ausgebildet. Die Endabschnitte 311 der Elemente 310 werden zwischen angrenzenden Flächen der Aussparungen 3211-3214 und der korrespondierenden Spannelemente 3221-3224 feststehend eingeklemmt bzw. eingespannt.
Mittenabschnitte 312 der Elemente 310 aller ersten Bündel B11 -B14, welche zwischen den beiden gegenüberliegenden Einspannungen 320 liegen, weisen eine einheitliche Länge auf. Die Mittenabschnitte 312 liegen frei und sind somit für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung eingerichtet.
Weiterhin weisen das erste Einspannungsteil 321 / die Platte, auf welcher die Vorsprünge mit den Aussparungen 3211-3214 ausgebildet sind, und das zweite Einspannungsteil 322, welches die Spannelemente 3221-3224 aufweist, eine konzentrische Bohrung auf. Über diese Bohrung sind die korrespondierenden Spannelemente 3221-3224 und die jeweiligen Aussparungen 3211-3214 mit einem Befestigungsmittel, im gezeigten Fall mit einer Schraube S, miteinander bzw. gegeneinander verspannbar.
Das erste Einspannungsteil 321 / die Platte, welche die Aussparungen 3211-3214 aufweist, wird in einer nicht gezeigten Aufnahme vorpositioniert.
Anschließend werden über die Spannelemente 3221-3224, auf welchen bereits die mehreren Elemente 310 der ersten Bündel B11 -B14 angeordnet sind, die Aussparungen 3211-3214 der ersten Platte 321 gefügt, so dass die jeweiligen Endabschnitte 311 der Elemente 310 der ersten Bündel B11-14 in Kontakt zwischen den Aussparungen 3211-3214 und den Spannelementen 3221-3224 feststehend eingeklemmt sind und die Mittenabschnitte 312 freiliegen.
Abschließend werden das erste Einspannungsteil 321 / die Platte und das zweite Einspannungsteil 322, welches die Spannelemente 3221-3224 aufweist, durch Einsetzen der Schraube S in die Bohrung gegeneinander verspannt.
Figur 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 300 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln B11-B14. In dem dargestellten Fall sind die Verklemmung der Aussparungen 3211-3214 und der korrespondierenden Spannelemente 3221-3224 zusätzlich durch Verklebung/Verschweißung 331 und/oder durch Crimpen 332 (Verbindung durch plastische Verformung) der jeweiligen korrespondierenden Paarungen gesichert.
Figuren 10A und 10B zeigen eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 300 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln in konstruktiv abgewandelten Formen.
Die in Figur 10A gezeigte elastokalorische Vorrichtung 300 umfasst in Umfangsrichtung verteilt fünf Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 311 jeweiliger Elemente 310 von ersten Bündeln B11 ‘-B15‘.
Die in Figur 10B gezeigte elastokalorische Vorrichtung 300 umfasst in Umfangsrichtung verteilt sechs Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 311 jeweiliger Elemente 310 von ersten Bündeln B11 “-B16“.
Über eine Erhöhung der Anzahl der Spannelemente bzw. der ersten Bündel kann eine Erhöhung einer Packungsdichte der elastokalorischen Vorrichtung 310 bewirkt werden.
Figur 11 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 400 gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln B11-B14 und zweiten Bündeln B21-B24. Eine oder mehrere dieser elastokalorischen Vorrichtungen 400 können in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen sein. Die elastokalorische Vorrichtung 400 umfasst mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente 410. Diese Elemente 410 sind in zwei einander gegenüberliegenden Einspannungen 420 eingespannt, wobei aufgrund der Querschnittansicht nur eine der beiden Einspannungen 420 gezeigt ist. Die sich gegenüberliegenden Einspannungen 420 und die elastokalorischen Elemente 410 können auch als eine oder mehrere elastokalorische Zellen vorgesehen werden. Im konkret dargestellten Fall sind die Elemente 410 als dünne Drähte mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Darüber hinaus sind Elemente 410 in erste Bündel B11 -B14 und zweite Bündel B21 -B24 unterteilt.
Figur 12 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 400 gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln B11 -B14 und zweiten Bündeln B21 -B24 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.
Die Einspannung 420 umfasst ein erstes Einspannungsteil 421 , im gezeigten Fall eine Platte, welche im dargestellten Fall als Kreisscheibe ausgebildet ist. Die Platte 421 bildet in Umfangsrichtung verteilt vier Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 411 jeweiliger Elemente 410 der ersten Bündel B11 -B14 aus.
Das erste Einspannungsteil 421 bzw. die Platte umfasst dazu auf einer Seite Vorsprünge, die Aussparungen 4211 -4214 aufweisen, wobei korrespondierende in die Aussparungen 4211 -4214 einsetzbare Spannelemente 4221 -4224 vorgesehen sind. Die einsetzbaren Spannelemente 4221 -4224 sind über ein Verbindungsteil zu einem zweiten Einspannungsteil 422 miteinander verbunden. Die Endabschnitte 411 der Elemente 410 der ersten Bündel B11 -B14 werden zwischen angrenzenden Flächen der Aussparungen 4211 -4214 und der korrespondierenden Spannelemente 4221 -4224 feststehend eingeklemmt bzw. eingespannt.
Weiterhin sind in den Spannelementen 4221 -4224 vier weitere Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 411 jeweiliger Elemente 410 zweiter Bündel B21 -B24 ausgebildet. Dazu umfassen die Spannelemente 4221 -4224 weitere Aussparungen 4221 ‘-4224‘, wobei korrespondierende in die weiteren Aussparungen 4221 '-4224' einsetzbare weitere Spannelemente 4231-4234 vorgesehen sind. Die weiteren einsetzbaren Spannelemente 4231 -4234 sind über ein weiteres Verbindungsteil zu einem dritten Einspannungsteil 423 miteinander verbunden. Die Endabschnitte 411 der Elemente 410 der ersten Bündel B11 -B14 sind zwischen angrenzenden Flächen der weiteren Aussparungen 4221 '-4224' und der korrespondierenden weiteren Spannelemente 4231 -4234 feststehend eingeklemmt bzw. eingespannt. Mittenabschnitte 412 der Elemente 410 aller ersten Bündel B11 -B14 und aller zweiten Bündel B21 -B24, welche zwischen den beiden gegenüberliegenden Einspannungen 420 liegen, weisen eine einheitliche Länge auf. Die Mittenabschnitte 412 liegen frei und sind somit für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung eingerichtet.
Weiterhin weisen das erste Einspannungsteil 421/ die Platte, auf welcher die Vorsprünge mit den Aussparungen 4211-4214 ausgebildet sind, das zweite Einspannungsteil 422 , welches die Spannelemente 4221 -4224 aufweist, und das dritte Einspannungsteil 423, welches die weiteren Spannelemente 4231 -4234 aufweist, eine konzentrische Bohrung auf. Über diese Bohrung sind die korrespondierenden Spannelemente 4221 -4224 und die jeweiligen Aussparungen 4211 -4214 sowie die korrespondierenden weiteren Spannelemente 4231 -4234 und die jeweiligen Aussparungen 4221 '-4224' mit einem Befestigungsmittel, im gezeigten Fall mit einer Schraube S, miteinander verspannbar.
Figur 13 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 400 von Figur 12 gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung anhand einer Explosionsdarstellung.
Im Folgenden wird auf Figur 13 in Zusammenschau mit Figur 12 verwiesen.
Die Platte bzw. das erste Einspannungsteil 421 , welches die Vorsprünge mit den Aussparungen 4211-4214 aufweist, das zweite Einspannungsteil 422, welches die Spannelemente 4221 -4224 und die weiteren Aussparungen 4221 '-4224' umfasst, und das dritte Einspannungsteil 423, welches die weiteren Spannelemente 4231- 4234 umfasst, werden in einer nicht gezeigten Aufnahme vorpositioniert.
Zunächst werden die weiteren Spannelemente 4231 -4234 des dritten Einspannungsteils 423 mit den mehreren Elementen 410 der zweiten Bündel B21 - B24 umwickelt. Anschließend wird das zweite Einspannungsteil 422 durch Aufbringen der weiteren Aussparungen 4221 '-4224' auf die weiteren umwickelten weiteren Spannelemente 4231-4234 positioniert, so dass die jeweiligen Endabschnitte 411 der Elemente 410 der zweiten Bündel B21-24 zwischen den Aussparungen 4221 '-4224' und den weiteren Spannelementen 4231-4234 feststehend eingeklemmt sind und die Mittenabschnitte 412 freiliegen.
Anschließend werden die Spannelemente 4221-4224 des zweiten Einspannungsteils 422 mit den mehreren Elementen 410 der ersten Bündel B11 -B14 umwickelt.
Danach wird das erste Einspannungsteil bzw. die Platte 421 durch Aufbringen der Aussparungen 4211-4214 auf die umwickelten Spannelemente 4221-4224 positioniert, so dass die jeweiligen Endabschnitte 411 der Elemente 410 der ersten Bündel B11-14 zwischen den Aussparungen 4211-4214 und den Spannelementen 4221-4224 feststehend eingeklemmt sind und die Mittenabschnitte 412 freiliegen.
Abschließend werden die Platte/ das erste Einspannungsteil 421 , das zweite Einspannungsteil 422, welches die Spannelemente 4221-4224 umfasst, und das dritte Einspannungsteil 423, welches die weiteren Spannelemente 4231-4234 umfasst, durch Einsetzen der Schraube S in die Bohrung miteinander verspannt.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen, sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1 . Elastokalorische Vorrichtung (200; 300; 400), welche eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts ein elastokalorisches Material Wärmeenergie abgibt, und einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts das elastokalorische Material Wärmeenergie aufnimmt, wobei die elastokalorische Vorrichtung (200; 300; 400) aufweist: mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente (210; 310, 410), und zumindest zwei, einander gegenüberliegende Einspannungen (220; 320; 420), welche jeweilige Endabschnitte (211 ; 311 ; 411 ) eines jeden Elements (210; 310; 410) derart einspannen, dass lediglich ein zwischen den gegenüberliegenden Einspannungen (220; 320; 420) liegender Mittenabschnitt (212; 312; 412) eines jeden Elements (210; 310; 410) in den ersten Zustand und den zweiten Zustand zur Wärmenergieaufnahme und Wärmeenergieabgabe versetzt werden kann.
2. Elastokalorische Vorrichtung (200; 300; 400) nach Anspruch 1 , wobei die Einspannungen (220; 320; 420) eingerichtet sind, den ersten und den zweiten Zustand der mehreren Elemente (210; 310; 410) herbeizuführen, indem der erste Zustand durch Kraftausübung auf die mehreren Elemente (210; 310; 410) über die Einspannungen (220; 320; 420) und der zweite Zustand durch Entspannen der mehreren Elemente (210; 310; 410) unter Aufhebung der Kraftausübung bewirkt wird.
3. Elastokalorische Vorrichtung (200; 300; 400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittenabschnitte (212; 312; 412) der mehreren Elemente eine einheitliche Länge aufweisen und/oder die jeweiligen Endabschnitte (211 ; 311 ; 411 ) der mehreren Elemente (210; 310; 410) feststehend in den Einspannungen (220; 320; 420) eingeklemmt sind.
4. Elastokalorische Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine jeweilige Einspannung (220) mehrere spheroidförmige Schalenelemente (221- 224) in unterschiedlicher Größe aufweist, die derart ineinandergefügt sind, dass die Endabschnitte (211 ) der mehreren Elemente (210) zwischen angrenzenden Schalenelementen (221-224) eingeklemmt sind.
5. Elastokalorische Vorrichtung (200) nach Anspruch 4, wobei ein erstes Schalenelement (221 ) und ein daran angrenzendes zweites Schalenelement (222) Endabschnitte (211 ) aus einem einstückigen ersten Bündel (B1 ) aus mehreren Elementen (210) einklemmen, und das zweite Schalenelement (222) und ein daran angrenzendes drittes Schalenelement (223) Endabschnitte (211 ) aus einem sich von dem ersten Bündel (B1 ) unterscheidenden einstückigen zweiten Bündel (B2) aus mehreren Elementen (210) einklemmen.
6. Elastokalorische Vorrichtung (200) nach Anspruch 5, wobei das erste Schalenelement (221 ) als halbkugelförmige Schale mit einem kleinsten Radius oder als ellipsoidförmige Schale mit kleinsten Halbachsen ausgebildet ist und jedes weitere Schalenelement (222-224) als halbkugelförmige oder ellipsoidförmige Schale mit einem jeweils größeren Radius oder jeweils größeren Halbachsen an das jeweils nächste Schalenelement mit kleinerem Radius oder kleineren Halbachsen angrenzt.
7. Elastokalorische Vorrichtung (200) nach Anspruch 5, wobei angrenzende Schalenelemente (221-224) über Befestigungsmittel (S) gegeneinander verspannbar sind.
8. Elastokalorische Vorrichtung (300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die jeweiligen Einspannungen (320; 420) in Form einer Platte ausgebildet sind, die in Umfangsrichtung verteilt mehrere Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten (311 ; 411 ) jeweiliger Elemente (310; 410) aufweisen.
9. Elastokalorische Vorrichtung (300; 400) nach Anspruch 8, wobei eine entsprechende Spanneinrichtung eine Aussparung (3211-3214; 4211-4214) und ein korrespondierendes in die Aussparung einsetzbares Spannelement (3221-3224; 4221-4224) aufweist, wobei das Spannelement (3221-3224; 4221-4224) derart in die Aussparung (3211-3214; 4211-4214) einsetzbar ist, dass die Endabschnitte (311 ;
411 ) der mehreren Elemente (310; 410) zwischen der Aussparung (3211 -3214; 4211-4214) und dem darin verspannten Spannelement (3221-3224; 4221-4224) eingespannt sind.
10. Elastokalorische Vorrichtung (400) nach Anspruch 9, wobei das Spannelement (4221-4224) eine weitere Aussparung (4221 '-4224') aufweist, in die ein weiteres korrespondierendes in die weitere Aussparung (4221 '-4224') einsetzbares Spannelement (4231-4234) einsetzbar ist, wobei das weitere Spannelement (4231-4234) derart in die weitere Aussparung (4221 '-4224') einsetzbar ist, dass die Endabschnitte (311 ; 411 ) der mehreren Elemente (310; 410) zwischen der weiteren Aussparung (4221 '-4224') und dem darin verspannten weiteren Spannelement (4231-4234) eingespannt sind.
11 . Elastokalorische Vorrichtung (300; 400) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Einspannungen (320; 420) als Scheibe, vorzugsweise als Kreisscheibe, ausgebildet sind.
12. Verfahren zur Herstellung einer elastokalorischen Vorrichtung (200; 300; 400), vorzugsweise eine elastokalorischen Vorrichtung (200; 300; 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , welche eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts ein elastokalorisches Material Wärmeenergie aufnimmt, und einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts das elastokalorische Material Wärmeenergie abgibt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einspannen von mehreren aus einem elastokalorischen Material ausgebildeten Elementen (210; 310; 410) in zumindest zwei, einander gegenüberliegende Einspannungen (220; 320; 420), welche jeweilige Endabschnitte (211 ; 311 ; 411 ) eines jeden Elements (210; 310; 410) derart einspannen, dass lediglich ein zwischen den gegenüberliegenden Einspannungen (220; 320; 420) liegender Mittenabschnitt (212; 312; 412) eines jeden Elements (210; 310; 410) in den ersten Zustand und den zweiten Zustand zur Wärmenergieaufnahme und Wärmeenergieabgabe versetzt werden kann.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023204142A1 (de) * 2023-05-04 2024-11-07 Vitesco Technologies GmbH Elastokalorische Maschine
DE102023205586A1 (de) 2023-06-15 2024-12-19 Vitesco Technologies GmbH Elastokalorische Energiewandlereinheit

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4922718A (en) * 1989-10-10 1990-05-08 Armada Corporation Thermal energy scavenger
US9787131B2 (en) * 2010-07-22 2017-10-10 University Of Houston Actuation of shape memory alloy materials using ultracapacitors
US10234152B2 (en) 2013-02-06 2019-03-19 Daikin Industries, Ltd. Air conditioning device
DE102019113696A1 (de) 2019-05-22 2020-11-26 Universität des Saarlandes Festkörperbasierter Energiewandler, Heiz/Kühlvorrichtung mit einem solchen Energiewandler sowie Verfahren zum Betreiben einer Heiz/Kühlvorrichtung
DE102020110694A1 (de) 2020-04-20 2021-10-21 Universität des Saarlandes, Körperschaft des öffentlichen Rechts Energiewandler mit einer thermoelastischen Wandleranordnung sowie Verfahren zur Herstellung einer thermoelastischen Wandleranordnung für einen Energiewandler
CN112963985A (zh) * 2021-04-07 2021-06-15 西北工业大学 基于形状记忆合金的制冷装置

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