WO2019137691A1 - Vorrichtung zum wärmetausch - Google Patents

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WO2019137691A1
WO2019137691A1 PCT/EP2018/083118 EP2018083118W WO2019137691A1 WO 2019137691 A1 WO2019137691 A1 WO 2019137691A1 EP 2018083118 W EP2018083118 W EP 2018083118W WO 2019137691 A1 WO2019137691 A1 WO 2019137691A1
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WO
WIPO (PCT)
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heat
elastocaloric
conducting elements
biconvex
conducting
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/083118
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Koehne
Andreas Burghardt
Holger Wuest
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2019137691A1 publication Critical patent/WO2019137691A1/de

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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

Definitions

  • the invention relates to a device for heat exchange by utilizing the elastocaloric effect.
  • the invention relates to a heat pump with such a device for heat exchange.
  • the elastocaloric effect describes an adiabatic temperature change of a material when the material is subjected to a mechanical force and deforms, for example.
  • the mechanical force or the deformation causes a transformation of the crystal structure, also called phase, in the material.
  • the phase transformation leads to an increase in the temperature of the material. If the released heat is dissipated, the temperature is lowered and the entropy decreases. If then the mechanical force is removed, in turn, a reverse phase transformation (reverse transformation) is caused, which leads to a lowering of the temperature of the material. When heat is applied to the material, entropy increases again.
  • the temperature is above the starting temperature.
  • the resulting heat can be dissipated, for example, to the environment and the material then decreases
  • elastocaloric materials Materials that show the elastocaloric effect are called elastocaloric materials.
  • elastocaloric materials are, for example, shape memory alloys which have superelasticity. Superelastic alloys are characterized by the fact that they return to their original shape even after strong deformation.
  • Superelastic shape memory alloys have two distinct phases (crystal structures): austenite is the room temperature stable phase and martensite is stable at lower temperatures. Mechanical deformation causes a phase transformation of austenite to martensite, which results in adiabatic temperature rise. The increased temperature can now be released into the environment in the form of heat, which leads to a decrease in entropy. When the elastocaloric material is relieved again, martensite-to-austenite is reconverted, accompanied by adiabatic temperature reduction.
  • Heat conducting element which is convex on both sides, arranged at a distance between two planar réelleleitmaschinen.
  • a elastocaloric strip is stretched in the spaces between the planar heat-conducting elements and the biconvex heat-conducting element.
  • the elastocaloric ligaments are connected together and can be moved together. They are arranged so that in each case a band is deformed by the biconvex heat conducting element, which on the convex outside of the sheet a
  • a device for heat exchange which comprises elastocaloric belts of elastocaloric material and heat-conducting elements.
  • the heat-conducting elements are each formed both with a biconvex section and with a planar section.
  • each of the heat-conducting elements has both a biconvex and a planar section.
  • the biconvex section has two convex sides which extend
  • the planar portion is biplanar, i. it has two planar sides which face each other. This has the effect that the heat-conducting elements can be arranged on both sides.
  • the planar section is arranged in particular next to the biconvex section and connected to it via a transition section. Further, the planar side of the planar portion is disposed toward one of the two convex sides of the biconvex portion.
  • the biconvex section of a (first) heat conducting element engages in at least one elastocaloric belt, whereby a mechanical force on the
  • Elastokalorische band acts and this deformed. This will be a
  • phase conversion according to the principle of the elastocaloric effect, so that as a result an adiabatic temperature rise takes place in this elastocaloric band.
  • the biconvex section of the heat-conducting element is in thermal contact with the at least one elastocaloric strip in this state, so that heat conduction takes place between the at least one elastocaloric strip and the biconvex section of the heat-conducting element.
  • the temperature which has risen due to the phase transformation, causes the heat of the elastocaloric tape to be delivered to the heat conducting member, which is in contact with the elastocaloric tape via the biconvex portion.
  • planar portion of another (second) heat conduction member comes into contact with an elastocaloric band in the recovery, so that this elastocaloric band in the case of incomplete
  • the heat-conducting elements are each formed both with a biconvex section and with a planar portion, now offers the advantage that, depending on which portion of the heat-conducting occurs with the elastocaloric belts in thermal contact, heat from the elastocaloric belts is passed to the heat conducting elements and from there to a medium or the other way heat is released from a medium via the heat conducting to the elastocaloric ligaments.
  • the heat flow via the heat-conducting elements can be reversed by the geometry of the heat-conducting elements, the position of the elastocaloric strips and the arrangement of the two to each other. is
  • the first heat conducting element connected to the environment in the event that it comes into contact with its bi-convex portion with the elastocaloric tape, absorb heat from the elastocaloric tape and pass it to the medium, therefore serve as a heating element and for the case where it comes into contact with its planar portion with the elastocaloric band, give off heat from the medium to the elastocaloric band and thus serve as a cooling element.
  • a plurality of heat-conducting elements and a plurality of elastocaloric belts are provided, wherein the elastocaloric belts are preferably assigned in pairs to a heat-conducting element and the elastocaloric belts can each contact one side of the heat-conducting element.
  • the elastocaloric ligaments may be attached to a frame.
  • the frame positions the elastocaloric bands over the biconvex sections and the planar sections of the heat-conducting elements, respectively.
  • the frame is set up to move the elastocaloric belts relative to the solid heat-conducting elements. More specifically, the Frame the elastocaloric ligaments such that in a first position, the elastocaloric ligament with the biconvex portion of the first
  • the frame allows on the one hand the movement of the elastocaloric ligaments, so that they come into contact with the heat-conducting elements and, on the other hand, the positioning of the elastocaloric ligaments over the respective sections of the heat-conducting elements, whereby the above
  • the frame can the elastocaloric tapes or the
  • the heat-conducting elements can be arranged in opposite rows, wherein the heat-conducting elements themselves are arranged offset to the heat-conducting elements in the respectively opposite row.
  • the heat-conducting elements themselves are arranged offset to the heat-conducting elements in the respectively opposite row.
  • each elastocaloric strip can be displaced so that it can alternately come into contact with the biconvex section of one heat-conducting element and, on the other hand, with the planar section of the further heat-conducting element.
  • the first heat-conducting elements should be arranged on one side in a first row and the second heat-conducting elements on the other side in a second row.
  • the elastocaloric ligaments are closer to the first row and thus may contact the bi-convex portion of the first heat conduction member and the planar portion of the adjacent second heat conduction member.
  • the elastocaloric ribbons are closer to the second row and thus may contact the planar portion of the first heat conducting element and the biconvex portion of the adjacent second heat conducting element.
  • the rows of heat conducting elements can be positioned parallel to each other, so that the parallelism of the performance of the
  • the planar portion of the heat conduction member has a smaller diameter than that of the biconvex portion of the heat conduction member.
  • the biconvex portion is free to deform the elastocaloric band from the planar portion.
  • the heat-conducting elements are preferably coated with a heat-conducting layer in order to increase the heat conduction via the heat-conducting element.
  • the heat-conducting elements can have a heat-conducting structure at their connection point to the medium, via which the heat of the
  • Heat conducting element can be derived faster to the medium. Since the heat-conducting elements and the elastocaloric elements faster their As a result, the frequency at which the elastocaloric ligaments are moved can be increased.
  • the heat pump is able to reverse the heat flow by simply switching, in particular, the position of the elastocaloric belts is moved in the axial direction of the heat conducting elements to reverse. That is, the heat pump can transport the heat from the left side to the right side and optionally also in the opposite direction.
  • the heat pump can be used, for example, in refrigerators / freezers, in the temperature management of Li-ion batteries and solid-state batteries, and for heating or cooling the interior of vehicles, etc., to name but a few examples.
  • the heat pump has a drive, such as. B. an eccentric drive or an oscillating linear drive, which moves the elastocaloric ligaments and / or the frame to which the elastocaloric ligaments are fixed, oscillating, so that the elastocaloric ligaments between the
  • the frequency of the oscillation can be varied and thus adapted to the needs.
  • the frequency of the oscillation can be converted into the resonant frequency of the heat exchange device or the elastocaloric belts and / or the frame in order to achieve the highest possible effectiveness.
  • Figures la - c show schematic representations of a heat conducting element according to an embodiment of the invention.
  • Figures 2a, b each show a schematic representation of a
  • Figure 3 shows nine schematic representations of the device for
  • FIG. 1a shows a schematic representation of a heat-conducting element 1 according to an embodiment of the invention.
  • Each heat-conducting element 1 has both a biconvex section 11 and a biplanar section 12, which are connected to one another via a transition section 13.
  • Figure 1b shows a cross-section along the line B-B through the biconvex section 11
  • Figure 1c shows a cross-section along the line C-C through the biplanar section 12.
  • the biconvex section 11 has two convex sides 110 and 111 which face each other.
  • the convex sides 110, 111 can
  • the biplanar section 12 has two planar sides 120 and 121.
  • the diameter of the biconvex 11 is larger than the diameter of the planar portion 12.
  • the surface of the heat conduction member 1 is coated with a heat conductive layer 15.
  • first heat-conducting elements 1 and second heat-conducting elements 2 differ only in their arrangement, but not in their construction.
  • the description of the above-indicated heat-conducting element 1 applies therefore both for the first heat-conducting elements 1 and for the second heat-conducting elements 2.
  • Figures 2a and 2b show an embodiment of the inventive device 3 for heat exchange between a first heat reservoir 41 and a second heat reservoir 42.
  • the saucereservoire 41 and 42 are with a medium whose temperature is to be raised or lowered, and a compensating medium, the heat provides or thermally bonded. They are made of aluminum by die casting and are bolted together. For thermal insulation, a suppression of 1 - 500 mbar is generated in the device 3.
  • First heat-conducting elements 1 are arranged in a first row along a direction R. In this
  • the first heat-conducting elements 1, each with its biconvex portion 11 are connected to the first heat reservoir 41 and their biplanarer section 12 faces the second heat reservoir 42 out.
  • second heat-conducting elements 2 are arranged in a second row, which also extends along the directions R and the first row opposite.
  • the second heat-conducting elements 2 are in this
  • the first heat-conducting elements 1 and the second heat-conducting elements 2 are arranged offset and the two
  • Heat-conducting elements 1 and 2 alternate as seen in the direction R.
  • the heat-conducting elements 1 and 2 interlock, so that in direction R a biconvex section 11 of a heat-conducting element 1 or 2 and a biplanar section 12 of the adjacent heat-conducting element 2 or 1 is alternately arranged.
  • the described arrangement is similar to a zipper with spaces.
  • the heat-conducting elements 1 and 2 are cast together with the heat reservoirs 41 and 42 by aluminum (pressure) cast as a component.
  • the heat-conducting elements 1 and 2 are slightly conical, so that the demolding of the Gusstechnikzug is possible.
  • the heat-conducting elements 1 and 2 have a thermally conductive structure 45, via the heat from the heat-conducting elements 1 and 2 derived faster or can be fed faster.
  • five such rows of heat conducting elements are positioned parallel next to one another, so that through these parallel arrangement, the efficiency of the elastocaloric heat pump is increased by a factor of five.
  • the contact surfaces of the heat reservoirs 41 and 42 are polished with an average roughness R z of 0.5 pm.
  • elastocaloric bands 5 which consist of a elastocaloric material, for example of a superelastic shape memory alloy such as. As nickel-titanium.
  • the elastocaloric ligaments are 30 ⁇ m thick and 4 cm long in this embodiment.
  • Elastokalorisches band 5 is disposed between a first heat conducting element 1 and a second heat conducting element 2.
  • the elastocaloric belts 5 can be displaced relative to the heat-conducting elements 1 and 2.
  • FIG. Figure 2a shows a first position of the elastocaloric belts 5, seen closer to the first heat reservoir 41 from the center of the device 3, i. are arranged on the first row of the first heat-conducting elements 1.
  • Heat reservoir 41 which serves as a heat sink, instead. Consequently, here in the first heat reservoir 41 a T + marked temperature rise and in the second heat reservoir 42 marked T
  • FIG. 2 b shows a second position of the elastocaloric belts 5, which, viewed from the middle of the device 3, are arranged closer to the second heat reservoir 42, ie, to the second row of the second heat-conducting elements 2.
  • the elastocaloric belts 5 come into contact on the one hand with the biconvex sections 11 of the second heat-conducting elements 2 and are deformed by these and, on the other hand, come into contact with the biplanar sections 12 of the first heat-conducting elements 1.
  • the positions of the elastocaloric ligaments 5 are changed by means of a frame 7 shown in FIG. 3, which can be moved perpendicular to the direction R, and the elastocaloric ligaments 5 are positioned over the biconvex sections 11 and the bi-planar sections 12 of the heat-conducting elements 1, 2.
  • the frame 7 is made of plastic. The movement of the frame 7 perpendicular to the direction R may be predetermined, so that the elastocaloric belts 5 are not positioned above the transition section 13 of the heat-conducting elements.
  • elastocaloric belts 5 and 5 ' differ in their arrangement, but not in their construction.
  • the description of the above-mentioned elastocaloric belt 5 also applies to the elastocaloric belts 5 '.
  • FIG. 3 shows nine diagrammatic representations of the exemplary embodiment of the device 3 according to the invention for heat exchange from FIG. 2, which respectively represent a cross section of the device 3 for heat exchange along the second position of the elastocaloric belts 5 shown in FIG.
  • the frame 7 is shown, with which the elastokalorische bands 5, 5 'are connected.
  • the frame 7 shifts the elastocaloric belts 5, 5 'along the direction R, while the
  • Heat-conducting elements 1 and 2 are fixed relative to the frame 7 stationary.
  • an electric motor with eccentric is provided, which is installed in one of the heat reservoirs 11, 12,
  • a Embodiment provides to arrange the electric motor outside of the heat reservoir and connected via a rod with a bellows (not shown), which in turn is connected to the frame 7.
  • the elastocaloric strips 5 come into contact here with the biconvex sections 11 of the second heat-conducting elements 2 and with the biplanar sections 12 of the first heat-conducting elements 1. Moves the frame 7 the
  • Sections 12 spoken. The assignment of the respective sections 11, 12 to the heat-conducting elements 1, 2 takes place depending on the position of
  • the nine schematic representations are numbered with Roman numerals and can be interpreted from left to right as recorded in temporal sequence snapshots of the device 3 according to the invention for heat exchange.
  • the illustrations I to III refer to an initialization and the representations IV to IX show a cyclic process, indicated by the arrow.
  • the frame 7 can move the elastocaloric belts 5, 5 'in such a way that they are not in contact with either of the two adjoining heat-conducting elements 1, 2. As a result, no heat flow between the heat conducting elements 1 and 2 takes place.
  • the frame 7 displaces the elastocaloric belts 5, 5 'upwards. As a result, a first group of the elastocaloric ligaments 5 comes into contact with the bi-planar sections 12 and a second group of the elastocaloric ligaments 5 comes into contact with the bi-convex sections 11 and are deformed by them. The deformation causes a phase transformation in the
  • the elastocaloric tapes 5, 5 ' are again separated from the biconvex sections 11, 12, the first group of the now cooled-down elastocaloric tapes 5 being deformed back into its original shape by the inherent superelasticity.
  • the complete re-deformation occurs only when hitting the section 12 as shown in D VII.
  • the frame 7 has the
  • the first group of cooled elastocaloric belts 5 comes into contact with the biplanar sections 12.
  • the frame 7 shifts the elastocaloric belts 5, 5 'down again and the cycle continues in the illustration IV.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (3) zum Wärmetausch, die elastokalorische Bänder (5) aus elastokalorischem Material und Wärmeleitelemente (1, 2) umfasst. Diese sind so ausgebildet, dass ein bikonvexer Abschnitt eines Wärmeleitelements in zumindest ein elastokalorisches Band eingreift und dieses verformt, sodass ein elastokalorischer Effekt erzielt wird und eine Wärmeleitung zwischen dem zumindest einen elastokalorischen Band (5, 5') und dem bikonvexen Abschnitt des Wärmeleitelements (1, 2) erfolgt. Zudem sind sie so ausgebildet, dass ein planarer Abschnitt eines weiteren Wärmeleitelements (2, 1) im unverformten Zustand des elastokalorischen Bands so in Kontakt mit diesem steht, dass eine Wärmeleitung zwischen dem planaren Abschnitt des weiteren Wärmeleitelements (2, 1) und dem zumindest einen elastokalorischen Band erfolgt. Die Wärmeleitelemente (1, 2) sind dabei jeweils sowohl mit einem bikonvexen Abschnitt als auch mit einem planaren Abschnitt ausgebildet.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zum Wärmetausch
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch unter Ausnutzung des elastokalorischen Effekts. Zudem betrifft die Erfindung eine Wärmepumpe mit solch einer Vorrichtung zum Wärmetausch.
Stand der Technik
Der elastokalorische Effekt beschreibt eine adiabatische Temperaturänderung eines Materials, wenn das Material mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt wird und sich beispielsweise verformt. Durch die mechanische Kraft bzw. die Verformung wird eine Umwandlung der Kristallstruktur, auch Phase genannt, in dem Material verursacht. Die Phasenumwandlung führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Materials. Wird die dabei freigesetzte Wärme abgeführt, erniedrigt sich die Temperatur und die Entropie nimmt ab. Wird dann die mechanische Kraft entfernt, wird wiederum eine umgekehrte Phasenumwandlung (Rückumwandlung) verursacht, die zu einer Absenkung der Temperatur des Materials führt. Wird dem Material dann wieder Wärme zugeführt nimmt die Entropie wieder zu.
Nach der annähernd adiabaten Phasenumwandlung liegt die Temperatur über der Ausgangstemperatur. Die dabei entstandene Wärme kann beispielsweise an die Umgebung abgeführt werden und das Material nimmt dann
Umgebungstemperatur an. Wird nun die Phasenrückumwandlung initiiert, indem die mechanische Kraft auf null reduziert wird, stellt sich eine niedrigere
Temperatur als die Ausgangstemperatur ein. Es können Temperaturdifferenzen zwischen maximaler Temperatur nach der Phasenumwandlung und minimaler Temperatur nach der Rückumwandlung (bei zuvor abgegebener Wärme) von bis zu 40°C erreicht werden. Materialien, an denen sich der elastokalorische Effekt nachweisen lässt, werden als elastokalorische Materialien bezeichnet. Solche elastokalorischen Materialien sind beispielsweise Formgedächtnislegierungen, die Superelastizität besitzen. Superelastische Legierungen zeichnen aus, dass diese auch nach starker Verformung von selbst wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren.
Superelastische Formgedächtnislegierungen weisen zwei unterschiedliche Phasen (Kristallstrukturen) auf: Austenit ist die bei Raumtemperatur stabile Phase und Martensit ist bei niedrigeren Temperaturen stabil. Eine mechanische Verformung verursacht eine Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit, die einen adiabatischen Temperaturanstieg zur Folge hat. Die erhöhte Temperatur kann nun in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben werden, was zu einer Abnahme der Entropie führt. Wird das elastokalorische Material wieder entlastet, erfolgt eine Rückumwandlung von Martensit zu Austenit und damit einhergehend eine adiabatische Temperaturabsenkung.
Im Folgenden sind zwei typische Anordnungen zum Wärmetausch beschrieben: Bei einer Anordnung ist ein bikonvexes Wärmeleitelement, d.h. ein
Wärmeleitelement das beidseitig konvex ist, mit Abstand zwischen zwei planaren Wärmeleitelementen angeordnet. Jeweils ein elastokalorisches Band ist in den Zwischenräumen zwischen den planaren Wärmeleitelementen und dem bikonvexen Wärmeleitelement gespannt. Die elastokalorischen Bänder sind miteinander verbunden und können zusammen bewegt werden. Dabei sind sie so angeordnet, dass jeweils ein Band durch das bikonvexe Wärmeleitelement verformt wird, was auf der konvexen Außenseite des Blechs eine
Zugbeanspruchung verursacht und auf der konkaven Innenseite eine
Druckbeanspruchung. Einzig in der sogenannten neutralen Faser tritt keine Beanspruchung auf. Gleichzeitig formt sich das andere Band durch seine Superelastizität wieder in seine planare Ursprungsform zurück und tritt flächig mit dem planaren Wärmeleitelemente in Kontakt. Sollte die Rückverformung in die Ursprungsform unvollständig sein erfolgt bei Kontakt mit dem planaren
Wärmeleitelement restliche Rückverformung. Durch diese Anordnung wird Wärme von den planaren Wärmeleitelementen zum bikonvexen
Wärmeleitelement transportiert. Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Vorrichtung zum Wärmetausch vorgeschlagen, die elastokalorische Bänder aus elastokalorischem Material und Wärmeleitelemente umfasst. Die Wärmeleitelemente sind jeweils sowohl mit einem bikonvexen Abschnitt als auch mit einem planaren Abschnitt ausgebildet. Mit anderen Worten weist jedes der Wärmeleitelemente sowohl einen bikonvexen als auch einen planaren Abschnitt auf. Der bikonvexe Abschnitt weist zwei konvexe Seiten auf, die sich
gegenüberliegen und kann z. B. elliptisch, kreisförmig oder parabelförmig gewölbt sein. Optional ist der planare Abschnitt biplanar ausgebildet, d.h. er weist zwei planare Seiten auf, die sich gegenüberliegen. Dies hat den Effekt, dass die Wärmeleitelemente beidseitig angeordnet werden können. Der planare Abschnitt ist insbesondere neben dem bikonvexen Abschnitt angeordnet und über einen Übergangsabschnitt mit diesem verbunden. Ferner ist die planare Seite des planaren Abschnitts in Richtung einer der beiden konvexen Seite des bikonvexen Abschnitts angeordnet.
Der bikonvexe Abschnitt eines (ersten) Wärmeleitelements greift in zumindest ein elastokalorisches Band ein, wodurch eine mechanische Kraft auf das
elastokalorische Band wirkt und dieses verformt. Dadurch erfolgt eine
Phasenumwandlung nach dem Prinzip des elastokalorischen Effekts, sodass als Resultat ein adiabatischer Temperaturanstieg in diesem elastokalorischen Band erfolgt. Der bikonvexe Abschnitt des Wärmeleitelements steht in diesem Zustand mit dem zumindest einen elastokalorischen Band in thermischen Kontakt, sodass eine Wärmeleitung zwischen dem zumindest einen elastokalorischen Band und dem bikonvexen Abschnitt des Wärmeleitelements erfolgt. Die aufgrund der Phasenumwandlung angestiegene Temperatur bewirkt, dass die Wärme des elastokalorischen Bands an das Wärmeleitelement, das über den bikonvexen Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt steht, abgegeben wird.
Der planare Abschnitt eines weiteren (zweiten) Wärmeleitelements tritt in Kontakt mit einem in der Rückverformung befindlichen elastokalorischen Band, sodass dieses elastokalorische Band für den Fall der nicht vollständigen
Rückverformung eine Kraft erfährt, die dieses vollständig zurückverformt. Die dabei stattfindende Rückwandlung der Phase führt zu einer Absenkung der Temperatur. Dadurch wird Wärme vom Wärmeleitelement, das über den planaren Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt steht, auf das elastokalorische Band übertragen.
Durch obengenannte Anordnung wird ein Wärmefluss vom ersten
Wärmeleitelement, das über den planaren Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt steht, zum zweiten Wärmeleitelement, das über den bikonvexen Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt steht, ermöglicht.
Das eingangs beschriebene Merkmal, dass die Wärmeleitelemente jeweils sowohl mit einem bikonvexen Abschnitt als auch mit einem planaren Abschnitt ausgebildet sind, bietet nun den Vorteil, dass, je nachdem welcher Abschnitt der Wärmeleitelemente mit den elastokalorischen Bändern in thermischen Kontakt tritt, Wärme von den elastokalorischen Bändern an die Wärmeleitelemente und von dort aus an ein Medium geleitet wird oder andersherum Wärme aus einem Medium über die Wärmeleitelemente an die elastokalorische Bänder abgegeben wird. Mit anderen Worten kann durch die Geometrie der Wärmeleitelemente, der Position der elastokalorischen Bänder und der Anordnung der beiden zueinander der Wärmefluss über die Wärmeleitelemente umgekehrt werden. Ist
beispielsweise das erste Wärmeleitelement mit der Umgebung verbunden, kann das weitere zweite Wärmeleitelement, für den Fall, dass es mit seinem bikonvexen Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt tritt, Wärme vom elastokalorischen Band aufnehmen und an das Medium weitergeben, daher als Heizelement dienen und für den Fall, dass es mit seinem planaren Abschnitt mit dem elastokalorischen Band in Kontakt tritt, Wärme vom Medium an das elastokalorische Band abgeben und somit als Kühlelement dienen.
Vorzugsweise sind mehrere Wärmeleitelemente und mehrere elastokalorische Bänder vorgesehen, wobei die elastokalorischen Bänder bevorzugt paarweise einem Wärmeleitelement zugeordnet sind und die elastokalorischen Bänder jeweils mit einer Seite des Wärmeleitelements in Kontakt treten können.
Vorteilhafterweise können die elastokalorischen Bänder an einem Rahmen befestigt sein. Der Rahmen positioniert die elastokalorischen Bänder über den bikonvexen Abschnitten bzw. den planaren Abschnitten der Wärmeleitelemente. Zudem ist der Rahmen eingerichtet, die elastokalorischen Bänder gegenüber den festen Wärmeleitelementen zu verschieben. Genauer gesagt positioniert der Rahmen die elastokalorischen Bänder derart, dass in einer ersten Position, das elastokalorische Band mit dem bikonvexen Abschnitt des ersten
Wärmeleitelements und, wenn es verschoben wird, mit dem planaren Abschnitt des zweiten Wärmeleitelements in Kontakt treten kann und in einer zweiten Position, dasselbe elastokalorische Band mit dem planaren Abschnitt des ersten Wärmeleitelements in Kontakt treten kann und, wenn es verschoben wird, mit dem bikonvexen Abschnitt des zweiten Wärmeleitelements in Kontakt treten kann. Im Endeffekt ermöglicht der Rahmen einerseits die Bewegung der elastokalorischen Bänder, sodass diese mit den Wärmeleitelementen in Kontakt treten und andererseits die Positionierung der elastokalorischen Bänder über die jeweiligen Abschnitte der Wärmeleitelemente, womit die vorstehend
beschriebene Umkehrung des Wärmeflusses einfach realisiert werden kann.
Optional kann der Rahmen die elastokalorischen Bänder bzw. die
Wärmeleitelemente derart verschieben, dass kein thermischer Kontakt zwischen einem der elastokalorischen Bänder und einem der Wärmeleitelemente entsteht und somit keine Wärmeleitung zwischen beiden stattfindet. Dadurch kann der Temperaturanstieg bzw. die Temperaturabsenkung zeitweise - aber auch permanent - unterbrochen werden.
Die Wärmeleitelemente können in gegenüberliegenden Reihen angeordnet sein, wobei die Wärmeleitelemente selbst versetzt zu den Wärmeleitelementen in der jeweils gegenüberliegenden Reihe angeordnet sind. Zudem können die
Wärmeleitelemente der gegenüberliegenden Reihen entlang der Richtung, in der die elastokalorischen Bänder bewegt werden, derart ineinandergreifen, dass die elastokalorischen Bänder abhängig von ihrer Position sowohl mit den bikonvexen Abschnitten der einen Wärmeleitelemente als auch mit den planaren Abschnitten der jeweils anderen Wärmeleitelemente der gegenüberliegenden Reihe in Kontakt treten können. Dies bedeutet insbesondere, dass die elastokalorischen Bänder so positioniert sind, dass sie mit Wärmeleitelementen beider Reihen in Kontakt treten können und auch, dass sie nicht über den Übergangsabschnitten der Wärmeleitelemente positioniert sind.
Darüber hinaus können sich der bikonvexe Abschnitt des einen
Wärmeleitelements und der planare Abschnitt eines benachbarten weiteren Wärmeleitelements entlang der Richtung, in der die elastokalorischen Bänder bewegt werden, abwechseln. Dadurch kann jedes elastokalorische Band so verschoben werden, dass es wechselweise mit dem bikonvexen Abschnitt des einen Wärmeleitelements und andererseits mit dem planaren Abschnitt des weiteren Wärmeleitelements in Kontakt treten kann.
Eine Kombination der beiden obengenannten Merkmale ergibt eine besonders bevorzugte Anordnung. Man kann sagen, dass die Anordnung der
Wärmeleitelemente dann einem Reißverschluss ähnelt, ohne dass die
Anordnung darauf eingeschränkt wird. Zur besseren Beschreibung sollen die ersten Wärmeleitelemente auf einer Seite in einer ersten Reihe und die zweiten Wärmeleitelemente auf der anderen Seite in einer zweiten Reihe angeordnet sein. In einer ersten Position liegen die elastokalorischen Bänder näher an der ersten Reihe und können somit mit dem bikonvexen Abschnitt des ersten Wärmeleitelements und mit dem planaren Abschnitt des benachbarten zweiten Wärmeleitelements in Kontakt treten. In einer zweiten Position liegen die elastokalorischen Bänder näher an der zweiten Reihe und können somit mit dem planaren Abschnitt des ersten Wärmeleitelements und mit dem bikonvexen Abschnitt des benachbarten zweiten Wärmeleitelements in Kontakt treten. Als Resultat kann je nach Position der elastokalorischen Bänder der Wärmefluss zwischen der ersten und der zweiten Reihe umgekehrt werden. Optional können die Reihen der Wärmeleitelemente parallel nebeneinander positioniert sein, so dass durch diese parallele Anordnung die Leistungsfähigkeit der
elastokalorischen Wärmepumpe gesteigert wird.
Gemäß einem Aspekt weist der planare Abschnitt des Wärmeleitelements einen kleineren Durchmesser als der der bikonvexe Abschnitt des Wärmeleitelements auf. Dies führt dazu, dass der bikonvexe Abschnitt das elastokalorische Band ungehindert vom planaren Abschnitt verformen kann.
Vorzugsweise sind die Wärmeleitelemente mit einer wärmeleitenden Schicht beschichtet, um die Wärmeleitung über das Wärmeleitelement zu erhöhen. Optional können die Wärmeleitelemente an ihrer Verbindungsstelle zum Medium eine wärmeleitende Struktur aufweisen, über die die Wärme des
Wärmeleitelements schneller an das Medium abgeleitet werden kann. Da die Wärmeleitelemente und die elastokalorischen Elemente schneller ihre Ausgangstemperatur erreichen, kann als Resultat die Frequenz, mit der die elastokalorischen Bänder bewegt werden, erhöht werden.
Darüber hinaus wird eine Wärmepumpe vorgeschlagen, welche die
obengenannte Vorrichtung zum Wärmeaustausch aufweist. Die obengenannten Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gelten auch für die Wärmepumpe. Durch die Vorrichtung ist die Wärmepumpe in der Lage den Wärmefluss durch einfaches Umschalten, bei der insbesondere die Position der elastokalorischen Bänder in Achsenrichtung der Wärmeleitelemente verschoben wird, umzukehren. Das heißt, die Wärmepumpe kann die Wärme von der linken Seite zur rechten Seite und wahlweise auch in umgekehrte Richtung transportieren.
Die Wärmepumpe kann beispielsweise Einsatz bei Kühlschränken/-truhen, beim Temperaturmanagement von Li- Ionen- Batterien und Festkörperbatterien sowie zur Erwärmung bzw. Kühlung des Innenraums von Fahrzeugen usw. finden, um nur einige Beispiele zu nennen.
Die Wärmepumpe weist einen Antrieb, wie z. B. einen Exzenterantrieb oder einen oszillierenden Linearantrieb auf, der die elastokalorischen Bänder und/oder den Rahmen, an dem die elastokalorischen Bänder befestigt sind, oszillierend bewegt, sodass sich die elastokalorischen Bänder zwischen den
Wärmeleitelementen hin und her bewegen. Optional kann die Frequenz der Oszillation variiert werden und so an den Bedarf angepasst werden.
Vorzugsweise kann die Frequenz der Oszillation in die Resonanzfrequenz der Vorrichtung zum Wärmetausch bzw. der elastokalorischen Bänder und/oder des Rahmen umgewandelt werden, um eine möglichst hohe Effektivität zu erzielen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figuren la - c zeigen schematische Darstellungen eines Wärmeleitelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Figuren 2a, b zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch mit unterschiedlichen Positionen der elastokalorischen Bänder entlang der
Achsenrichtung der Wärmeleitelemente.
Figur 3 zeigt neun schematische Darstellungen der Vorrichtung zum
Wärmetausch aus Figur 2 aus einer anderen Ansicht, mittels denen der
Wärmetausch veranschaulicht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Zur besseren Übersicht, sind Bezugszeichen in den nachfolgend beschriebenen Figuren nur exemplarisch für ein Element dargestellt, können aber für gleiche Elemente übernommen werden - außer diese wurden explizit anders bezeichnet.
Figur 1a zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmeleitelements 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Jedes Wärmeleitelement 1 weist sowohl einen bikonvexen Abschnitt 11 als auch einen biplanaren Abschnitt 12 auf, die über einen Übergangsabschnitt 13 miteinander verbunden sind. Figur lb zeigt einen Querschnitt entlang der Linie B-B durch den bikonvexen Abschnitt 11 und Figur lc zeigt einen Querschnitt entlang der Linie C-C durch den biplanaren Abschnitt 12. Der bikonvexe Abschnitt 11 weist zwei konvexe Seiten 110 und 111 auf, die sich gegenüberliegen. Die konvexen Seiten 110, 111 können
beispielsweise eine elliptische, kreisförmige oder parabelförmige Wölbung aufweisen. Dabei kann die Form der einen konvexen Seite 110 von der Form der anderen konvexen Seite 111 abweichen. Der biplanare Abschnitt 12 weist zwei planare Seiten 120 und 121 auf. Außerdem ist der Durchmesser des bikonvexen Abschnitts 11 größer als der Durchmesser des planaren Abschnitts 12. Darüber hinaus ist die Oberfläche des Wärmeleitelements 1 mit einer wärmeleitenden Schicht 15 beschichtet.
In der folgenden Beschreibung wird zwischen ersten Wärmeleitelementen 1 und zweiten Wärmeleitelementen 2 unterschieden. Die beiden Wärmeleitelemente 1 und 2 unterscheiden sich hierbei nur in ihrer Anordnung, jedoch nicht in ihrem Aufbau. Die Beschreibung des oben aufgezeigten Wärmeleitelements 1 gilt daher sowohl für die ersten Wärmeleitelemente 1 als auch für die zweiten Wärmeleitelemente 2.
Die Figuren 2a und 2b zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Wärmetausch zwischen einem ersten Wärmereservoir 41 und einem zweiten Wärmereservoir 42. Die Wärmereservoire 41 und 42 sind mit dem einem Medium, dessen Temperatur erhöht oder abgesenkt werden soll, und einem Ausgleichsmedium, das Wärme zur Verfügung stellt oder aufnimmt, thermisch verbunden. Sie sind aus Aluminium mittels Druckguss gefertigt und werden miteinander verschraubt. Zur thermischen Isolierung wird ein Unterdrück von 1 - 500 mbar in der Vorrichtung 3 erzeugt. Erste Wärmeleitelemente 1 sind in einer ersten Reihe entlang einer Richtung R angeordnet. In diesem
Ausführungsbeispiel sind die ersten Wärmeleitelemente 1 mit jeweils ihrem bikonvexen Abschnitt 11 mit dem ersten Wärmereservoir 41 verbunden und ihr biplanarer Abschnitt 12 zeigt zum zweiten Wärmereservoir 42 hin.
Gleichermaßen sind zweite Wärmeleitelemente 2 in einer zweiten Reihe angeordnet, die ebenfalls entlang der Richtungen R verläuft und der ersten Reihe gegenüberliegt. Die zweiten Wärmeleitelemente 2 sind in diesem
Ausführungsbeispiel mit jeweils ihrem bikonvexen Abschnitt 11 mit dem zweiten Wärmereservoir 42 verbunden und ihr biplanaren Abschnitt 12 zeigt zum ersten Wärmereservoir 41 hin. Die ersten Wärmeleitelemente 1 und die zweiten Wärmeleitelemente 2 sind versetzt angeordnet und die beiden
Wärmeleitelemente 1 und 2 wechseln sich in Richtung R gesehen ab. Dabei greifen die Wärmeleitelemente 1 und 2 ineinander ein, sodass in Richtung R abwechselnd ein bikonvexer Abschnitt 11 eines Wärmeleitelements 1 bzw. 2 und ein biplanarer Abschnitt 12 des benachbarten Wärmeleitelements 2 bzw. 1 angeordnet ist. Die beschriebene Anordnung ähnelt einem Reißverschluss mit Zwischenräumen. Die Wärmeleitelemente 1 und 2 sind zusammen mit den Wärmereservoiren 41 bzw. 42 durch Aluminium(druck)guss als ein Bauteil gegossen. Die Wärmeleitelemente 1 und 2 sind leicht konisch geformt, damit die Entformung aus dem Gusswerkezug möglich ist. An der Verbindungsstelle zum Wärmereservoir 41 bzw. 42 weisen die Wärmeleitelemente 1 bzw. 2 eine wärmeleitende Struktur 45 auf, über die Wärme von den Wärmeleitelementen 1 bzw. 2 schneller abgeleitet bzw. diesen schneller zugeleitet werden kann. In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform sind fünf solcher Reihen von Wärmeleitelementen parallel nebeneinander positioniert, so dass durch diese parallele Anordnung die Leistungsfähigkeit der elastokalorischen Wärmepumpe um den Faktor fünf gesteigert wird. Die Kontaktoberflächen der Wärmereservoire 41 bzw. 42 sind mit einer gemittelten Rautiefe Rz von 0,5 pm poliert.
Des Weiteren sind elastokalorische Bänder 5 vorgesehen, die aus einem elastokalorischen Material bestehen, beispielsweise aus einer superelastischen Formgedächtnislegierung wie z. B. Nickel-Titan. Die elastokalorische Bänder sind in dieser Ausführungsform 30 pm dick und 4 cm lang. Jeweils ein
elastokalorisches Band 5 ist zwischen einem ersten Wärmeleitelement 1 und einem zweiten Wärmeleitelement 2 angeordnet. Die elastokalorischen Bänder 5 können gegenüber den Wärmeleitelementen 1 und 2 verschoben werden. Für den detaillierten Ablauf und den Effekt dieser Verschiebung wird auf die Figur 3 verwiesen. Figur 2a zeigt eine erste Position der elastokalorischen Bänder 5, die von der Mitte der Vorrichtung 3 aus gesehen näher am ersten Wärmereservoir 41, d.h. an der ersten Reihe der ersten Wärmeleitelemente 1 angeordnet sind. Indem die elastokalorischen Bänder 5 verschoben werden, kommen diese einerseits mit den bikonvexen Abschnitten 11 der ersten Wärmeleitelemente 1 in Kontakt und werden durch diese verformt und andererseits mit den biplanaren Abschnitten 12 der zweiten Wärmeleitelemente 2 in Kontakt. Als Resultat findet bei dieser Konfiguration ein durch den Pfeil 6 dargestellter Wärmefluss vom zweiten Wärmereservoir 42, das hier als Wärmequelle dient, zum ersten
Wärmereservoir 41, das hier als Wärmesenke dient, statt. Folglich findet hier im ersten Wärmereservoir 41 ein mit T+ gekennzeichneter Temperaturanstieg und im zweiten Wärmereservoir 42 eine mit T gekennzeichnete
Temperaturabsenkung statt.
Figur 2b zeigt eine zweite Position der elastokalorischen Bänder 5, die von der Mitte der Vorrichtung 3 aus gesehen näher am zweiten Wärmereservoir 42, d.h. an der zweiten Reihe der zweiten Wärmeleitelemente 2 angeordnet sind. Bei der Verschiebung der elastokalorischen Bänder 5 kommen diese einerseits mit den bikonvexen Abschnitten 11 der zweiten Wärmeleitelemente 2 in Kontakt und werden durch diese verformt und andererseits mit den biplanaren Abschnitten 12 der ersten Wärmeleitelemente 1 in Kontakt. Für den detaillierten Ablauf und den Effekt dieser Verschiebung wird ebenfalls auf die Figur 3 verwiesen. Als Resultat findet bei dieser Konfiguration ein durch den Pfeil 6‘ dargestellter Wärmefluss vom ersten Wärmereservoir 41, das jetzt als Wärmequelle dient, zum zweiten Wärmereservoir 42, das jetzt als Wärmesenke dient, statt. Folglich findet hier im ersten Wärmereservoir 41 eine mit T gekennzeichnete Temperaturabsenkung und im zweiten Wärmereservoir 42 ein mit T+ gekennzeichneter
Temperaturanstieg statt.
Die Positionen der elastokalorischen Bänder 5 werden über einen in Figur 3 gezeigten Rahmen 7 verändert, der senkrecht zur Richtung R bewegt werden kann und die elastokalorischen Bänder 5 über den bikonvexen Abschnitten 11 bzw. den biplanaren Abschnitten 12 der Wärmeleitelemente 1, 2 positioniert. Der Rahmen 7 ist aus Kunststoff gefertigt. Die Bewegung des Rahmens 7 senkrecht zur Richtung R kann vorgegeben sein, sodass die elastokalorischen Bänder 5 nicht über dem Übergangsabschnitt 13 der Wärmeleitelemente positioniert werden. Als Resultat wird durch Änderung der Positionen der elastokalorischen Bänder 5 über den bikonvexen Abschnitten 11 und den (bi-)planaren Abschnitten 12 desselben Wärmeleitelements 1 bzw. 2 eine einfache Umkehrung des Wärmeflusses entlang des Pfeils 6 zum Pfeil 6‘ oder umgekehrt entlang des Pfeils 6‘ zum Pfeil 6 und somit entweder eine Temperaturabsenkung T oder ein Temperaturanstieg T+ an den Wärmeleitelementen 1 bzw. 2 realisiert.
Im Folgenden wird zwischen elastokalorischen Bändern 5 und 5‘ unterschieden. Die beiden elastokalorischen Bänder 5 und 5‘unterscheiden sich hierbei nur in ihrer Anordnung, jedoch nicht in ihrem Aufbau. Die Beschreibung des oben aufgezeigten elastokalorischen Bands 5 gilt auch für die elastokalorischen Bänder 5‘.
Die Figur 3 zeigt neun schematische Darstellungen des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Wärmetausch aus Figur 2, die jeweils einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Wärmetausch entlang der in Figur 2b dargestellten zweiten Position der elastokalorischen Bänder 5 darstellen. In dieser Figur 3 ist der Rahmen 7 gezeigt, mit dem die elastokalorische Bänder 5, 5‘ verbunden sind. Der Rahmen 7 verschiebt die elastokalorischen Bänder 5, 5‘ entlang der Richtung R, während die
Wärmeleitelemente 1 und 2 gegenüber dem Rahmen 7 ortsfest fixiert sind. Als Antrieb in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Elektromotor mit Exzenter vorgesehen, der in eines der Wärmereservoire 11, 12 eingebaut wird,
anschließend vakuumdicht abgeschlossen und thermisch isoliert wird. Eine Ausführungsform sieht vor, den Elektromotor außerhalb des Wärmereservoirs anzuordnen und über eine Stange mit einem Faltenbalg (nicht dargestellt) zu verbinden, der wiederum mit dem Rahmen 7 verbunden ist.
Die elastokalorischen Bänder 5 kommen hierbei mit den bikonvexen Abschnitten 11 der zweiten Wärmeleitelemente 2 und mit den biplanaren Abschnitten 12 der ersten Wärmeleitelemente 1 in Kontakt. Bewegt der Rahmen 7 die
elastokalorischen Bänder 5, 5‘ senkrecht zur Richtung R aus der Bildebene heraus in die erste Position (siehe Fig. 2a), kommen die elastokalorischen Bänder 5, 5‘ mit den bikonvexen Abschnitten 11 der ersten Wärmeleitelemente 1 und mit den biplanaren Abschnitten 12 der zweiten Wärmeleitelemente 2 in Kontakt. Um die Beschreibung auf beide Positionen anwenden zu können, wird im Folgenden verkürzt von bikonvexen Abschnitten 11 und biplanaren
Abschnitten 12 gesprochen. Die Zuordnung der jeweiligen Abschnitte 11, 12 zu den Wärmeleitelementen 1, 2 erfolgt abhängig von der Position der
elastokalorischen Bänder 5, 5‘. Die neun schematischen Darstellungen sind mit römischen Zahlen nummeriert und können von links nach rechts als in zeitlicher Abfolge aufgenommene Momentaufnahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Wärmetausch interpretiert werden. Die Darstellungen I bis III verweisen auf eine Initialisierung und die Darstellungen IV bis IX zeigen einen Kreisprozess, gekennzeichnet durch den Pfeil.
In der Darstellung I ist gezeigt, dass der Rahmen 7 die elastokalorischen Bänder 5, 5‘ so verschieben kann, dass diese mit keinem der beiden angrenzenden Wärmeleitelementen 1, 2 in Kontakt steht. Als Resultat findet kein Wärmefluss zwischen den Wärmeleitelementen 1 und 2 statt. In den Darstellungen II und III verschiebt der Rahmen 7 die elastokalorischen Bänder 5, 5‘ nach oben. Dadurch kommt eine erste Gruppe der elastokalorischen Bänder 5 mit den biplanaren Abschnitten 12 in Kontakt und eine zweite Gruppe der elastokalorischen Bänder 5 kommt mit den bikonvexen Abschnitten 11 in Kontakt und werden von diesen verformt. Die Verformung verursacht eine Phasenumwandlung in den
elastokalorischen Bändern 5‘, die gemäß dem elastokalorischen Effekt zu einem adiabatischen Temperaturanstieg der verformten elastokalorischen Bänder 5‘ führt. In der Darstellung III gibt die zweite Gruppe der elastokalorischen Bändern 5‘ Wärme an die bikonvexen Abschnitte 11 ab. In der Darstellung IV sind die elastokalorischen Bänder 5, 5‘ wieder von den Wärmeleitelementen 1, 2 getrennt. Die zweite Gruppe der nun abgekühlten elastokalorischen Bänder 5‘ stellt sich aufgrund ihres superelastischen
Verhaltens wieder in die Ausgangsform zurück. Hierbei kann eine teilweise Verformung noch bestehen. Die elastokalorischen Bänder 5‘ der zweiten Gruppe treffen in Darstellung V auf die biplanaren Abschnitte 12 und werden, falls nicht selbstständig durch die Superelastizität erfolgt, in ihre Ursprungsform vollständig zurück verformt. Bei diese Rückverformung erfolgt eine Rückumwandlung, d.h. die umgekehrte Phasenumwandlung, die gemäß dem elastokalorischen Effekt zu einer adiabatischen Temperaturabsenkung dieser elastokalorischen Bänder 5‘ führt. Ebenfalls in Darstellung V treffen die bisher nicht verformten
elastokalorischen Bänder 5 der ersten Gruppe nun auf die bikonvexen Abschnitte 11 und werden dadurch verformt. Dies geht mit einem adiabaten
Temperaturanstieg einher, der aus der Phasenumwandlung resultiert, die durch die Biegeverformung initiiert wurde. In der Darstellung VI hat die die erste Gruppe der elastokalorischen Bänder 5 Wärme an die bikonvexen Abschnitte 11 weitgehend abgegeben und die zweite Gruppe der elastokalorischen Bänder 5‘ hat Wärme von den biplanaren Abschnitten 12 aufgenommen.
In der Darstellung VII sind die elastokalorischen Bänder 5, 5‘ wieder von den bikonvexen Abschnitten 11, 12 getrennt, die erste Gruppe der nun abgekühlten elastokalorischen Bänder 5 verformt sich im Zuge dessen durch die inhärente Superelastizität wieder zurück in die Ursprungsform. Gegebenenfalls erfolgt die vollständige Rückverformung erst beim Auftreffen auf den Abschnitt 12 wie in D VII gezeigt. In den Darstellungen VIII und IX hat der Rahmen 7 die
elastokalorischen Bänder 5, 5‘ nach oben verschoben, sodass die zweite Gruppe der elastokalorischen Bänder 5‘ wiederum mit den bikonvexen Abschnitten 11 in Kontakt kommt und von diesen verformt wird. Wie bereits dargelegt führt dies zu einem Temperaturanstieg dieser verformten elastokalorischen Bänder 5‘.
Gleichzeitig kommt die erste Gruppe der abgekühlten elastokalorischen Bänder 5 mit den biplanaren Abschnitten 12 in Kontakt. In der Darstellung IX gibt die zweite Gruppe der elastokalorischen Bänder 5‘ Wärme an die bikonvexen Abschnitte 11 ab und die erste Gruppe der elastokalorischen Bänder 5 nimmt Wärme von den biplanaren Abschnitten 12 auf. Als nächstes verschiebt der Rahmen 7 die elastokalorischen Bänder 5, 5‘ wieder nach unten und der Kreisprozess wird bei der Darstellung IV fortgesetzt.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (3) zum Wärmetausch umfassend:
elastokalorische Bänder (5, 5‘) aus elastokalorischem Material und
Wärmeleitelemente (1, 2), die so ausgebildet sind, dass
ein bikonvexer Abschnitt (11) eines Wärmeleitelements (1, 2) in zumindest ein elastokalorisches Band (5, 5‘) eingreift und dieses verformt, sodass ein elastokalorischer Effekt erzielt wird,
und eine Wärmeleitung zwischen dem zumindest einen
elastokalorischen Band (5, 5‘) und dem bikonvexen Abschnitt (11) des Wärmeleitelements (1, 2) erfolgt,
und ein planarer Abschnitt (12) eines weiteren Wärmeleitelements (2, 1) im unverformten Zustand des elastokalorischen Bands (5, 5‘) so in Kontakt mit diesem steht, dass eine Wärmeleitung zwischen dem planaren Abschnitt (12) des weiteren Wärmeleitelements (2, 1) und dem zumindest einen elastokalorischen Band (5, 5‘) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmeleitelemente (1, 2) jeweils sowohl mit einem bikonvexen
Abschnitt (11) als auch mit einem planaren Abschnitt (12) ausgebildet sind.
2. Vorrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
elastokalorischen Bänder (5, 5‘) an einem Rahmen (7) befestigt sind, der die elastokalorischen Bänder (5, 5‘) über den bikonvexen Abschnitten (11) bzw. den planaren Abschnitten (12) positioniert und der die
elastokalorischen Bänder (5, 5‘) gegenüber den Wärmeleitelementen (1, 2) verschiebt.
3. Vorrichtung (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Rahmen (7) die elastokalorischen Bänder (5, 5‘) derart verschiebt, dass keine Wärmeleitung zu den Wärmeleitelementen (1, 2) stattfindet.
4. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1, 2) in gegenüberliegenden Reihen angeordnet sind und entlang der Richtung (R), in der die elastokalorischen Bänder (5, 5‘) bewegt werden, derart ineinandergreifen, dass die elastokalorischen Bänder (5, 5‘) abhängig von ihrer Position sowohl mit den bikonvexen Abschnitte (11) als auch mit den planaren Abschnitte (12) in Kontakt treten können.
5. Vorrichtung (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Reihen der Wärmeleitelemente (1, 2) parallel nebeneinander angeordnet sind.
6. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sich der bikonvexe Abschnitt (11) des
Wärmeleitelements (1, 2) und der planare Abschnitt (12) eines
benachbarten weiteren Wärmeleitelements (2, 1) entlang der Richtung (R), in der die elastokalorischen Bänder (5, 5‘) bewegt werden, abwechseln.
7. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der planare Abschnitt (12) des Wärmeleitelements (1, 2) einen kleineren Durchmesser aufweist als der bikonvexe Abschnitt (11) des Wärmeleitelements (1, 2).
8. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1, 2) mit einer
wärmeleitenden Schicht (15) beschichtet sind.
9. Vorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wärmeleitelemente (1, 2) eine wärmeleitende Struktur (45) aufweisen.
10. Wärmepumpe, aufweisend eine Vorrichtung (3) zum Wärmetausch nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Antrieb aufweist, der die elastokalorischen Bänder und/oder den Rahmen, an dem die elastokalorischen Bänder befestigt sind, oszillierend bewegt, sodass sich die elastokalorischen Bänder zwischen den Wärmeleitelementen hin und her bewegen.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11655804B2 (en) 2020-04-16 2023-05-23 Carrier Corporation Thermally driven elastocaloric system

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019203889A1 (de) * 2019-03-21 2020-09-24 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zum Wärmetausch
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
DE102020002845A1 (de) * 2020-05-11 2021-04-01 Daimler Ag Belüftungssystem und Verfahren zum Regeln des Belüftungssystems
DE102020005086A1 (de) 2020-08-18 2022-02-24 Daimler Ag Belüftungssystem
DE102021209740A1 (de) 2021-09-03 2023-03-09 Volkswagen Aktiengesellschaft Wärmepumpe umfassend ein elastokalorisches Element und Kraftfahrzeug mit einer Wärmepumpe

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120273158A1 (en) * 2011-04-11 2012-11-01 The University Of Maryland Thermoelastic cooling
US20160084544A1 (en) * 2012-03-27 2016-03-24 University Of Maryland, College Park Solid-state heating or cooling systems, devices, and methods
DE102015121657A1 (de) * 2015-12-11 2017-06-14 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb kreisprozessbasierter Systeme

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6367281B1 (en) * 2000-05-25 2002-04-09 Jason James Hugenroth Solid phase change refrigeration
GB0109266D0 (en) * 2001-04-12 2001-05-30 Univ Bristol Solid state cooling device
US10234152B2 (en) * 2013-02-06 2019-03-19 Daikin Industries, Ltd. Air conditioning device
JP5787120B1 (ja) * 2014-06-09 2015-09-30 Smk株式会社 駆動装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120273158A1 (en) * 2011-04-11 2012-11-01 The University Of Maryland Thermoelastic cooling
US20160084544A1 (en) * 2012-03-27 2016-03-24 University Of Maryland, College Park Solid-state heating or cooling systems, devices, and methods
DE102015121657A1 (de) * 2015-12-11 2017-06-14 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb kreisprozessbasierter Systeme

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11655804B2 (en) 2020-04-16 2023-05-23 Carrier Corporation Thermally driven elastocaloric system

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