WO2023247655A1 - Thermoelastisches energiewandlersystem, verfahren zum betreiben eines derartigen energiewandlersystems, sowie verwendung eines derartigen energiewandlersystems als kühl-/heizvorrichtung - Google Patents

Thermoelastisches energiewandlersystem, verfahren zum betreiben eines derartigen energiewandlersystems, sowie verwendung eines derartigen energiewandlersystems als kühl-/heizvorrichtung Download PDF

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WO2023247655A1
WO2023247655A1 PCT/EP2023/066877 EP2023066877W WO2023247655A1 WO 2023247655 A1 WO2023247655 A1 WO 2023247655A1 EP 2023066877 W EP2023066877 W EP 2023066877W WO 2023247655 A1 WO2023247655 A1 WO 2023247655A1
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energy converter
converter system
thermoelastic
fluid channel
elements
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PCT/EP2023/066877
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Ivo Sandor
Sebastian Brettner
Henry Strobel
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Vitesco Technologies GmbH
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Definitions

  • Thermoelastic energy converter system method for operating such an energy converter system, and use of such an energy converter system as a cooling and heating device
  • the present invention relates to a thermoelastic energy conversion system, a method for operating such an energy conversion system, and the use of such an energy conversion system as a cooling/heating device, in particular in a vehicle.
  • Thermoelastic energy conversion systems can achieve a heating effect and a cooling effect, respectively, by cyclically deforming and relaxing a thermoelastic element, such as a shape memory alloy element.
  • thermoelastic energy converter system is known, for example, from document EP 3 306 082 B1.
  • thermoelastic energy converter system thermoelastic elements are alternately tensed and relaxed, with the thermoelastic elements releasing latent heat when bracing and absorbing latent heat when relaxing due to the thermoelastic effect. This amount of heat given off or absorbed can now be used to heat or cool a heat transfer fluid, so that a heating effect or a cooling effect can ultimately be achieved using the thermoelastic energy converter system.
  • thermoelastic energy conversion systems only have a limited temperature range, which ultimately results from the temperature difference that can be achieved by tensioning and relaxing the thermoelastic elements.
  • the object of the present invention is therefore to provide a thermoelastic energy converter system which has an increased temperature range compared to known thermoelastic energy converter systems.
  • a further object of the present invention is to use such an energy converter system as a cooling and heating device, in particular in a vehicle.
  • thermoelastic energy conversion system has an energy converter unit with a plurality of thermoelastic elements and with a loading device for the thermoelastic elements.
  • the loading device is coupled to ends of the thermoelastic elements and is designed to rotate the thermoelastic elements around this axis of rotation when the loading device rotates about an axis of rotation and to tension and relax them cyclically in phases in such a way that when the thermoelastic elements are tightened, the thermoelastic elements open Based on the thermoelastic effect, they release latent heat and when the thermoelastic elements relax, the thermoelastic elements absorb latent heat based on the thermoelastic effect.
  • the application device of the energy converter unit is further designed such that the tensioning of the thermoelastic elements takes place essentially in a first rotation angle range and the relaxation of the thermoelastic elements takes place essentially in a second rotation angle range that is different from the first rotation angle range.
  • the energy converter system according to the invention further has a housing surrounding the energy converter unit with a first fluid channel and a second fluid channel, which are fluidly connected to one another and to Guide of heat transfer fluid are formed, wherein the thermoelastic elements of the energy converter unit move cyclically alternately through the first and second fluid channels during their rotation about the axis of rotation, being essentially in the relaxed state in the first fluid channel and essentially in the stressed state in the second fluid channel.
  • thermoelastic energy converter system an inlet of the first fluid channel is now fluidly connected to an outlet of the second fluid channel via a first heat exchanger and an inlet of the second fluid channel is fluidly connected to an outlet of the first fluid channel with a second heat exchanger.
  • thermoelastic energy converter system is based at least partially on the knowledge that by fluidly connecting an input of the first fluid channel to an output of the second fluid channel and by fluidly connecting an input of the second fluid channel to an output of the first fluid channel, ultimately a crossed arrangement of the media connections of the Heat transfer fluid is achieved. Since the thermoelastic elements in the first fluid channel are essentially in the relaxed state (and thus exert a cooling effect on the heat transfer fluid) and the thermoelastic elements in the second fluid channel are essentially in the stressed state (and thus exert a heating effect on the heat transfer fluid), the Crossed arrangement of the media connections with the heat exchangers located in between ultimately preheats the heat transfer fluid in the first fluid channel and precools it in the second fluid channel.
  • the crossed arrangement of the media connections ensures that the return temperature at the inlet of the first fluid channel (cold side of the energy converter unit) is higher than the return temperature at the inlet of the second fluid channel (warm side of the energy converter unit).
  • thermoelastic energy converter system therefore has an increased temperature range compared to the known prior art and is therefore particularly suitable for use as a cooling or heating device in a vehicle, where heating/cooling requirements are naturally in the range from -20 ° C to + 60°C can occur.
  • the energy converter system according to the invention has a pump device which specifies a flow direction of the heat transfer fluid through the two fluid channels in such a way that the flow direction generated by the pump device is opposite to a direction of rotation of the thermoelastic elements in the respective fluid channel.
  • This preferred embodiment is based at least partially on the knowledge that an even better pre-cooling or pre-heating of the heat transfer fluid can be achieved by a countercurrent principle of the direction of rotation of the thermoelastic elements in the respective fluid channel on the one hand and the direction of flow of the heat transfer fluid in the respective fluid channel on the other hand.
  • the pump device is fluidly arranged between the outlet of the first fluid channel and the inlet of the second fluid channel and/or between the outlet of the second fluid channel and the inlet of the first fluid channel.
  • a further preferred embodiment provides that the energy converter system has a consumer to be heated, which is thermally coupled to the first heat exchanger. This allows, for example, a battery or a driver's cab of a vehicle to be heated using the first heat exchanger.
  • a further preferred embodiment provides that the energy converter system also has a consumer to be cooled, which is thermally connected to the second heat exchanger is coupled. This allows, for example, the battery or the driver's cab of the vehicle to be cooled using the second heat exchanger.
  • a fluid connection of consumers to be heated or cooled to the respective first or second heat exchanger of the energy converter system is usually carried out by a thermal management system of the vehicle.
  • the use of the energy conversion system as a cooling/heating device, in particular in a vehicle, is provided.
  • a method for operating an energy conversion system according to the first aspect or embodiments thereof is provided, wherein the method has the following steps: determining a heating requirement, determining a heating output based on the determined heating requirement and operating the energy conversion system as a heating device a thermal output that corresponds to the determined heating output.
  • a method for operating an energy conversion system according to the first aspect or embodiments thereof is provided, wherein the method has the following steps: determining a cooling requirement, determining a cooling capacity based on the determined cooling requirement and operating the energy converter system as a cooling device a thermal performance that corresponds to the determined cooling performance.
  • thermoelastic material mass of thermoelastic material
  • application frequency of the thermoelastic elements extent of elastic tension and relaxation of the thermoelastic elements.
  • thermoelastic element for example a wire or wire bundle of a shape memory alloy material, is further braced starting from a prestressed state in such a way that the elastic tension epsilon of the shape memory alloy material essentially increases .
  • thermoelastic element for example a wire or wire bundle of a shape memory alloy material, is relaxed starting from the further strained state towards the prestressed state, such that essentially the elastic Voltage epsilon of the shape memory alloy material decreases.
  • thermoelastic elements can take place in a variety of ways, for example through tensile, compressive, bending, torsion or shear loading or unloading.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an energy converter unit with a loading device for thermoelastic elements of the energy converter unit
  • thermoelastic energy converter system shows a schematic view of an embodiment of the thermoelastic energy converter system according to the invention
  • 3 shows a schematic view which illustrates the thermal cycle of the thermoelastic energy converter system according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic view of a flowchart for carrying out the method according to the invention according to the third aspect
  • FIG. 5 shows a schematic view of a flow chart for carrying out the method according to the invention according to the fourth aspect.
  • FIG. 1 shows an energy converter unit 10.
  • the energy converter unit 10 is part of the energy converter system according to the invention, which is described in more detail in connection with FIG.
  • the energy converter unit 10 is essentially based on the energy converter according to the document EP 3 306 082 B1, which is why only the essential elements of the energy converter unit 10 are explained at this point.
  • the energy converter unit 10 has a plurality of thermoelastic elements 12, which are present in the energy converter unit 10, for example in the form of wires or wire bundles.
  • a material of the thermoelastic elements 12 is in particular a shape memory alloy material, such as a NiTi material. But other shape memory alloy materials are also conceivable.
  • the energy converter unit 10 also has an application device 14 for the thermoelastic elements 12.
  • the application device 14 is coupled to ends of the thermoelastic elements 12 and is designed to cyclically tension and relax the thermoelastic elements 12 in phases, as will be described in more detail below.
  • the application device 14 has a first holding element 16, which is connected to first ends of the thermoelastic elements 12, and a second holding element 18, which is coupled to second ends of the thermoelastic elements 12.
  • the application device 14 further has a shaft 20 which is rotatable, with a longitudinal axis of the shaft 20 serving as an axis of rotation 22.
  • the two holding elements 16, 18 are connected to the shaft 20 in a rotationally fixed manner, so that the two holding elements 16, 18 are also rotated by rotating the shaft 20.
  • the application device 14 also has a guide device 24.
  • the guide device 24 is not coupled to the shaft 20. This means that when the shaft 20 is rotated, the two holding elements 16, 18 rotate, but not the guide device 24.
  • the guide device 24 has a guide track. Rollers 26, which are connected to the second holding element 18, are designed to be moved along the guide track of the guide device 24 when the shaft 20 rotates. The rollers 26 are further connected to second ends of the thermoelastic elements 12.
  • the guide track of the guide device 24 is now designed in such a way that by rotating the shaft 20 (and thus rotating the holding elements 16, 18), the rollers 26 are guided in the guide track in such a way that a cyclic tensioning and relaxation of the thermoelastic elements 12 takes place.
  • thermoelastic elements 12 are braced in such a way that a length of the thermoelastic elements 12 is increased.
  • the thermoelastic elements 12 are relaxed in such a way that an increased length of the thermoelastic elements 12 is reduced.
  • a deformation of the thermoelastic elements 12 takes place in the area of a change in length of the thermoelastic elements 12. This is shown schematically in Figure 1 in that the thermoelastic element 12 at the upper edge of the picture has a greater length (measured in the direction of the axis of rotation 22) than that thermoelastic element at the bottom of the picture.
  • thermoelastic elements 12 also rotate around the axis of rotation 22 This axis of rotation 22 and due to the guide track of the guide device 24, the thermoelastic elements 12 are cyclically clamped and relaxed in phases during rotation in such a way that when clamped the thermoelastic elements 12 release latent heat due to the thermoelastic effect and when relaxed the thermoelastic elements release based on the thermoelastic effect absorb latent heat.
  • the loading device 14 is in particular designed such that the tensioning of the thermoelastic elements 12 takes place in a first rotation angle range and the relaxation of the thermoelastic elements 12 takes place in a second rotation angle range different from the first rotation angle range.
  • thermoelastic elements 12 when the shaft 20 is continuously rotated, the thermoelastic elements 12 are alternately tensed and relaxed in such a way that the thermoelastic elements 12 cyclically alternately experience a change in length in the longitudinal direction (parallel to the axis of rotation 22) and thereby alternately release or absorb latent heat .
  • FIG. 2 shows a schematic view of an energy converter system 28 according to the invention.
  • the energy converter system 28 has, among other things, the energy converter unit 10, which was described in connection with FIG. 1, or uses this to ultimately make the latent heat of the thermoelastic elements 12 usable for cooling or heating requirements.
  • the energy converter system 28 has a housing 30 surrounding the energy converter unit 10.
  • the housing 30 is designed such that it forms a first fluid channel 32 and a second fluid channel 34.
  • the fluid channels 30, 32 serve to guide a heat transfer fluid, which serves as a medium for exchanging the latent heat provided or absorbed by the thermoelastic elements 12.
  • the first fluid channel 32 has a first input T1 and a first output T4 and the second fluid channel 34 has a second input T3 and a second output T2.
  • the energy converter unit 10 has the already described loading device 14, which serves to act on the thermoelastic elements 12 and sets the thermoelastic elements 12 in a rotational movement about the axis of rotation 22 by rotating the shaft 20.
  • a direction of rotation of the thermoelastic elements 12 is indicated, for example, by the arrow 36.
  • the thermoelastic elements 12 ultimately rotate clockwise and move alternately through the first and second fluid channels 32, 34.
  • the first fluid channel 32 of the housing 30 is arranged such that the thermoelastic elements 12 in the first fluid channel 32 are essentially in the relaxed state. In the relaxed state, the thermoelastic elements 12 absorb latent heat as already described.
  • the first fluid channel 32 of the housing 30 can therefore also be referred to as the “cold side” of the energy converter system 28.
  • the second fluid channel 34 of the housing 30 is arranged such that the thermoelastic elements 12 in the second fluid channel 34 are essentially in the clamped state. In the clamped state, the thermoelastic elements 12 release latent heat as already described.
  • the second fluid channel 34 of the housing 30 can therefore also be referred to as the “warm side” of the energy converter system 28.
  • the input T1 of the first fluid channel 32 is now fluidly connected to the output T2 of the second fluid channel 34 via a first heat exchanger 38. Furthermore, the output T4 of the first fluid channel 32 is fluidly connected to the input T3 of the second fluid channel 34 via a second heat exchanger 40.
  • the energy converter system 28 also has a pump device 42, which specifies a flow direction of the heat transfer fluid located in the fluid channels 32, 34.
  • the arrows at the inputs and outputs T1 to T4 show that the pump device 42 in the specific example of FIG. 2 moves the heat transfer fluid in the countercurrent principle to the direction of rotation 36 of the thermoelastic elements 12.
  • the pump device 42 has a pump unit in the fluid connection between the inlet T1 and the outlet T2.
  • the pump device 42 can optionally or alternatively have a (further) pump unit in the fluid connection between the outlet T4 and the inlet T3.
  • the energy converter system 28 also has consumers, of which a first consumer is a consumer 44 to be heated and a second consumer is a consumer 46 to be cooled. Consumers can be components or areas that need to be cooled or heated. If the energy conversion system 28 is used in a vehicle, for example, then a typical consumer would be, for example, a battery (particularly if the vehicle is a battery-operated vehicle) or a driver's cab of the vehicle. Other consumers are conceivable.
  • the consumer 44 Since the consumer 44 is the consumer to be heated, the consumer 44 is thermally coupled to the first heat exchanger 38. Since the consumer 46 is the consumer to be cooled, the consumer 46 is thermally coupled to the second heat exchanger 40.
  • the coupling of the consumers 44, 46 to the heat exchangers 38, 40 is usually provided via a thermal management system, which is well known to those skilled in the art and therefore does not require any further explanation.
  • Energy converter system 28 is intended to schematically explain the circular process that takes place.
  • the temperature is plotted on the y-axis and a rotational position of the thermoelastic elements 12 is plotted on the x-axis.
  • thermoelastic effect of the thermoelastic elements 12 will be explained in more detail.
  • thermoelastic elements 12 When the loading device 14 is rotated about the axis of rotation 22, the thermoelastic elements 12 are alternately relaxed and tightened, as has already been described in connection with FIG. When the thermoelastic elements 12 relax, latent heat is absorbed. The thermoelastic elements 12 therefore cool down. When the thermoelastic elements 12 are tensioned, latent heat is released. The thermoelastic elements 12 therefore heat up. In the area between points 300 and 302, the thermoelastic elements 12 relax, so that the thermoelastic elements 12 can absorb latent heat and cool the heat transfer fluid flowing around the thermoelastic elements 12. In this rotation angle range, the heat transfer fluid can release heat to the thermoelastic elements 12, which is why this range is the “cold area” or the “cold side” of the energy converter system 28.
  • thermoelastic elements 12 are braced, so that the thermoelastic elements 12 release latent heat and can heat the heat transfer fluid flowing around the thermoelastic elements 12.
  • the heat transfer fluid can absorb heat from the thermoelastic elements 12, which is why this range is the “warm area” or the “warm side” of the energy converter system 28.
  • FIG. 3 schematically shows the temperature profile of the heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid flows in at the entrance T 1 of the first fluid channel 32 and is cooled by the thermoelastic elements 122.
  • the heat transfer fluid will therefore have a lower temperature at the exit T4 of the first fluid channel 32 than at the entrance T1.
  • the heat transfer fluid now flows through the second heat exchanger 40, which is used to cool consumers to be cooled.
  • the temperature will therefore be T3>T4.
  • the thermoelastic elements 12 are essentially in a stressed state.
  • thermoelastic elements 12 can release latent heat, which is why the temperature of the heat transfer fluid at the exit T2 of the second fluid channel 34 will be greater than at the entrance T3.
  • the temperature T2 is also greater than T1.
  • thermoelastic effect of the thermoelastic elements 12 This temperature difference is typically around 20°C.
  • the fluid connection proposed in the energy converter system 28 according to the invention of T1 with T2 by means of the first heat transfer 38 and of T4 with T3 by means of the second heat exchanger 40 leads to the thermoelastic elements 12 being, so to speak, pre-cooled at the inlet T3 of the second fluid channel 34 and at the inlet T1 of the first fluid channel 32 can be preheated, so to speak.
  • This crossed arrangement of the media connections ultimately leads to the return temperature of the heat transfer fluid at the inlet T1 on the “cold side” of the energy converter system 28 being higher than the return temperature of the heat transfer fluid at the inlet T3 on the “warm side” of the energy converter system.
  • FIG. 4 shows a schematic view of a flowchart for carrying out a method according to the invention.
  • the method is used to operate the energy converter system 28, in particular as a heating device.
  • the method starts at step 400 with the determination of a heating request. For example, this can concern the heating of a driver's cabin of a vehicle.
  • a necessary heating power is determined based on the determined heating requirement. Determining a heating output can be carried out, for example, based on table values that are stored in the background or are otherwise available.
  • the energy conversion system 28 is finally operated as a heating device with a thermal power that corresponds to the determined heating power. Determining the thermal performance of the energy converter system can be done using table values, maps, functional relationships, algorithms and the like.
  • FIG. 5 shows a further schematic view of a flow chart for carrying out a method according to the invention.
  • the method according to FIG. 5 is used to operate the energy converter system 28, in particular as a cooling device.
  • the process starts at step 500 with the determination of a cooler claim. For example, this can concern the cooling of a driver's cab of a vehicle.
  • a necessary cooling capacity is determined based on the determined cooling requirement. Determining a cooling capacity can for example, based on table values that are stored in the background or are otherwise available.
  • the energy conversion system 28 is finally operated as a cooling device with a thermal power that corresponds to the determined cooling power. Determining the thermal performance of the energy converter system can be done using table values, maps, functional relationships, algorithms and the like.
  • the thermal power that can be provided by the energy converter system 28 can be adjusted based on one or more of the following parameters:
  • thermoelastic material here the length, diameter and number of thermoelastic elements 12 can be adjusted depending on the application
  • Actuation frequency of the thermoelastic elements in particular the rotation speed of the thermoelastic elements 12 can be adjusted, and
  • Extent of elastic tension and relaxation of the thermoelastic elements stronger or weaker tension/relaxation, in particular a change in length is possible, for example via a variable guide track or adjustable cam.
  • thermoelastic energy converter system works, the liquid mass flow of the heat transfer fluid is always adjusted to the mass flow of the thermoelastic elements 12 in such a way that the products of mass flow times the specific heat capacity of the two media are the same size, which, however, is common in such energy converter systems.
  • Energy converter unit 10 uses, it is conceivable that other, appropriate ones
  • Energy converter units in the energy converter system 28 can be used.

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Abstract

Thermoelastisches Energiewandlersystem, Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiewandlersystems, sowie Verwendung eines derartigen Energiewandlersystems als Kühl-/Heizvorrichtung. Thermoelastisches Energiewandlersystem (28) aufweisend eine Energiewandlereinheit (10) mit thermoelastischen Elementen (12) und einer Beaufschlagungsvorrichtung (14), die mit Enden der thermoelastischen Elemente (12) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei Rotation um eine Rotationsachse (22) die thermoelastischen Elemente (12) um diese Rotationsachse (22) zu rotieren und dabei derart zu verspannen und zu entspannen, dass beim Verspannen latente Wärme frei wird und beim Entspannen latente Wärme aufgenommen wird, wobei die Verspannung in einem ersten Rotationswinkelbereich und die Entspannung in einem zweiten Rotationswinkelbereich erfolgt, und wobei das thermoelastische Energiewandlersystem (28) ferner ein die Energiewandlereinheit (10) umgebendes Gehäuse (30) mit einem ersten Fluidkanal (32) und einem zweiten Fluidkanal (34) aufweist, die fluidmäßig miteinander verbunden sind, die thermoelastischen Elemente (12) im ersten Fluidkanal (32) im Wesentlichen im entspannten Zustand und im zweiten Fluidkanal (34) im Wesentlichen im verspannten Zustand vorliegen, und ein Eingang (T1) des ersten Fluidkanals (32) mit einem Ausgang (T2) des zweiten Fluidkanals (34) über einen ersten Wärmeübertrager (38) und ein Eingang (T3) des zweiten Fluidkanals (34) mit einem Ausgang (T4) des ersten Fluidkanals (32) über einen zweiten Wärmeübertrager (40) fluidmäßig verbunden sind.

Description

Beschreibung
Thermoelastisches Energiewandlersystem, Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiewandlersystems, sowie Verwendung eines derartigen Energiewandlersystems als Kühl-ZHeizvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelastisches Energiewandlersystem, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiewandlersystems, sowie die Verwendung eines derartigen Energiewandlersystems als Kühl-/Heizvorrichtung, insbesondere in einem Fahrzeug.
Thermoelastische Energiewandlersysteme können unter zyklischer Verformung und Entspannung eines thermoelastischen Elements, wie beispielsweise eines Formgedächtnislegierungselements, eine Heizwirkung bzw. eine Kühlwirkung erzielen.
Ein derartiges thermoelastisches Energiewandlersystem ist beispielsweise aus dem Dokument EP 3 306 082 B1 bekannt. In diesem thermoelastischen Energiewandlersystem werden thermoelastische Elemente abwechselnd verspannt und entspannt, wobei die thermoelastischen Elemente aufgrund des thermoelastischen Effekts beim Verspannen latente Wärme abgeben und beim Entspannen latente Wärme aufnehmen. Diese abgegebene bzw. aufgenommene Wärmemenge kann nun dazu genutzt werden, ein Wärmeübertragungsfluid zu erwärmen oder zu kühlen, sodass mithilfe des thermoelastischen Energiewandlersystems letztlich eine Heizwirkung bzw. eine Kühlwirkung erzielt werden kann.
Bisherige thermoelastische Energiewandlersysteme haben jedoch nur einen begrenzten Temperatureinsatzbereich, der sich letztlich durch die mittels Verspannung und Entspannung der thermoelastischen Elemente erzielbare Temperaturdifferenz ergibt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein thermoelastisches Energiewandlersystem bereitzustellen, das einen gegenüber bekannten thermoelastischen Energiewandlersystemen vergrößerten Temperatureinsatzbereich aufweist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, ein derartiges Energiewandlersystem als Kühl-ZHeizvorrichtung, insbesondere in einem Fahrzeug, zu verwenden. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Energiewandlersystems bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 , 6, 7 und 8 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein thermoelastisches Energiewandlersystem bereitgestellt. Das thermoelastische Energiewandlersystem weist eine Energiewandlereinheit auf mit mehreren thermoelastischen Elementen und mit einer Beaufschlagungsvorrichtung für die thermoelastischen Elemente. Die Beaufschlagungsvorrichtung ist mit Enden der thermoelastischen Elemente gekoppelt und dazu ausgebildet, bei Rotation der Beaufschlagungsvorrichtung um eine Rotationsachse die thermoelastischen Elemente um diese Rotationsachse mit zu rotieren und dabei phasenweise zyklisch derart zu verspannen und zu entspannen, dass beim Verspannen der thermoelastischen Elemente die thermoelastischen Elemente auf Basis des thermoelastischen Effekts latente Wärme abgeben und beim Entspannen der thermoelastischen Elemente die thermoelastischen Elemente auf Basis das thermoelastischen Effekts latente Wärme aufnehmen. Die Beaufschlagungsvorrichtung der Energiewandlereinheit ist ferner derart ausgebildet, dass die Verspannung der thermoelastischen Elemente im Wesentlichen in einem ersten Rotationswinkelbereich und die Entspannung der thermoelastischen Elemente im Wesentlichen in einem vom ersten Rotationswinkelbereich verschiedenen zweiten Rotationswinkelbereich erfolgt. Das erfindungsgemäße Energiewandlersystem weist ferner ein die Energiewandlereinheit umgebendes Gehäuse mit einem ersten Fluidkanal und einem zweiten Fluidkanal auf, die fluidmäßig miteinander verbunden und zum Führen von Wärmeübertragungsfluid ausgebildet sind, wobei sich die thermoelastischen Elemente der Energiewandlereinheit während ihrer Rotation um die Rotationsachse zyklisch abwechselnd durch den ersten und zweiten Fluidkanal bewegen, im ersten Fluidkanal im Wesentlichen im entspannten Zustand und im zweiten Fluidkanal im Wesentlichen im verspannten Zustand vorliegen. Im erfindungsgemäßen thermoelastischen Energiewandlersystem ist nun ein Eingang des ersten Fluidkanals mit einem Ausgang des zweiten Fluidkanals über einen ersten Wärmeübertrager fluidmäßig verbunden und ist ein Eingang des zweiten Fluidkanals mit einem Ausgang des ersten Fluidkanals mit einem zweiten Wärmeübertrager fluidmäßig verbunden.
Das erfindungsgemäße thermoelastische Energiewandlersystem beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass durch das fluidmäßige Verbinden eines Eingangs des ersten Fluidkanals mit einem Ausgang des zweiten Fluidkanals und durch das fluidmäßige Verbinden eines Eingangs das zweiten Fluidkanals mit einem Ausgang des ersten Fluidkanals letztlich eine überkreuzte Anordnung der Medienanschlüsse des Wärmeübertragungsfluids erreicht wird. Da im ersten Fluidkanal die thermoelastischen Elemente im Wesentlichen im entspannten Zustand vorliegen (und damit eine Kühlwirkung auf das Wärmeübertragungsfluid ausüben) und die thermoelastischen Elemente im zweiten Fluidkanal im Wesentlichen im verspannten Zustand vorliegen (und damit eine Heizwirkung auf das Wärmeübertragungsfluid ausüben), wird durch die überkreuzte Anordnung der Medienanschlüsse mit den dazwischen befindlichen Wärmeübertragern letztlich das Wärmeübertragungsfluid im ersten Fluidkanal vorgewärmt und im zweiten Fluidkanal vorgekühlt. Mit anderen Worten wird durch die überkreuzte Anordnung der Medienanschlüsse erreicht, dass die Rücklauftemperatur am Eingang des ersten Fluidkanals (kalte Seite der Energiewandlereinheit) höher liegt als die Rücklauftemperatur am Eingang des zweiten Fluidkanals (warme Seite der Energiewandlereinheit). Dies führt zu einer Vorerwärmung der thermoelastischen Elemente im ersten Fluidkanal und zu einer Vorkühlung der thermoelastischen Elemente im zweiten Fluidkanal, wodurch das erfindungsgemäße thermoelastische Energiewandlersystem im Vergleich zum oben beschriebenen Energiewandlersystem gemäß EP 3 306 082 B1 mit deutlich höheren Temperaturunterschieden an den Rücklaufanschlüssen (Eingängen des ersten und zweiten Fluidkanals) arbeitsfähig bleibt. Das erfindungsgemäße thermoelastische Energiewandlersysteme weist damit einen im Vergleich zum bekannten Stand der Technik vergrößerten Temperatureinsatzbereich auf und eignet sich insbesondere deshalb auch zur Verwendung als Kühl- bzw. Heizvorrichtung in einem Fahrzeug, wo naturgemäß Heiz-/Kühlanforderungen im Bereich von -20°C bis +60°C auftreten können.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das erfindungsgemäße Energiewandlersystem eine Pumpvorrichtung aufweist, die eine Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsfluids durch die beiden Fluidkanäle derart vorgibt, dass die von der Pumpvorrichtung erzeugte Strömungsrichtung einer Drehrichtung der thermoelastischen Elemente im jeweiligen Fluidkanal entgegengesetzt ist. Diese bevorzugte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass durch ein Gegenstromprinzip von Drehrichtung der thermoelastischen Elemente im jeweiligen Fluidkanal einerseits und Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsfluid im jeweiligen Fluidkanal andererseits eine noch bessere Vorkühlung bzw. Vorerwärmung des Wärmeübertragungsfluids erreicht werden kann.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Pumpvorrichtung fluidmäßig zwischen dem Ausgang des ersten Fluidkanals und dem Eingang des zweiten Fluidkanals und/oder zwischen dem Ausgang des zweiten Fluidkanals und dem Eingang des ersten Fluidkanals angeordnet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Energiewandlersystem einen zu beheizenden Verbraucher aufweist, der wärmetechnisch mit dem ersten Wärmeübertrager gekoppelt ist. Dadurch kann beispielsweise eine Batterie oder eine Fahrerkabine eines Fahrzeugs mittels des ersten Wärmeübertragers beheizt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Energiewandlersystem ferner einen zu kühlenden Verbraucher aufweist, der wärmetechnisch mit dem zweiten Wärmeübertrager gekoppelt ist. Dadurch kann beispielsweise die Batterie oder die Fahrerkabine des Fahrzeugs mittels des zweiten Wärmeübertragers gekühlt werden.
Eine fluidmäßige Anbindung von zu beheizenden oder zu kühlenden Verbrauchern an den jeweiligen ersten bzw. zweiten Wärmeübertrager des Energiewandlersystems erfolgt üblicherweise durch ein Thermomanagement-System des Fahrzeugs.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung des Energiewandlersystems als Kühl-/Heizvorrichtung, insbesondere in einem Fahrzeug, bereitgestellt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlersystems gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Ermitteln einer Heizanforderung, Ermitteln einer Heizleistung basierend auf der ermittelten Heizanforderung und Betreiben des Energiewandlersystems als Heizvorrichtung mit einer thermischen Leistung, die der ermittelten Heizleistung entspricht.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Energiewandlersystems gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Ermitteln einer Kühlanforderung, Ermitteln einer Kühlleistung basierend auf der ermittelten Kühlanforderung und Betreiben des Energiewandlersystems als Kühlvorrichtung mit einer thermischen Leistung die der ermittelten Kühlleistung entspricht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Verfahren gemäß dem dritten und vierten Aspekt sieht vor, dass eine von dem Energiewandlersystem bereitstellbare thermische Leistung basierend auf einem oder mehreren der folgenden Parameter eingestellt wird: Masse an thermoelastischem Material, Beaufschlagungsfrequenz der thermoelastischen Elemente und Ausmaß der elastischen Verspannung und Entspannung der thermoelastischen Elemente.
Im Rahmen dieser Offenbarung soll mit dem Begriff „verspannen“ eines thermoelastischen Elements verstanden werden, dass das thermoelastische Element, beispielsweise ein Draht oder Drahtbündel eines Formgedächtnislegierungsmaterials ausgehend von einem vorgespannten Zustand weiter verspannt wird, derart, dass im Wesentlichen die elastische Spannung Epsilon des Formgedächtnislegierungsmatenals zunimmt.
Im Rahmen dieser Offenbarung soll mit dem Begriff „entspannen“ eines thermoelastischen Elements verstanden werden, dass das thermoelastische Element, beispielsweise ein Draht oder Drahtbündel eines Formgedächtnislegierungsmaterials ausgehend vom weiter verspannten Zustand in Richtung hin zum vorgespannten Zustand entspannt wird, derart, dass im Wesentlichen die elastische Spannung Epsilon des Formgedächtnislegierungsmatenals abnimmt.
Die Verspannung und Entspannung der thermoelastischen Elemente kann dabei auf vielfältige Weise erfolgen, beispielsweise durch Zug-, Druck-, Biege-, Torsionsoder Scherbelastung- bzw. entlastung.
Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Ansicht einer Energiewandlereinheit mit einer Beaufschlagungsvorrichtung für thermoelastische Elemente der Energiewandlereinheit,
FIG 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermoelastischen Energiewandlersystems, FIG 3 eine schematische Ansicht, die den thermischen Kreisprozess des erfindungsgemäßen thermoelastischen Energiewandlersystems verdeutlicht,
FIG 4 eine schematische Ansicht eines Ablaufdiagramms zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt, und
FIG 5 eine schematische Ansicht eines Ablaufdiagramms zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem vierten Aspekt.
Elemente gleicher Funktion oder Konstruktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es sei zunächst auf Figur 1 verwiesen, die eine Energiewandlereinheit 10 zeigt. Die Energiewandlereinheit 10 ist Teil des erfindungsgemäßen Energiewandlersystems, das näher in Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben wird.
Die Energiewandlereinheit 10 basiert im Wesentlichen auf dem Energiewandler gemäß dem Dokument EP 3 306 082 B1 , weshalb an dieser Stelle nur die wesentlichen Elemente der Energiewandlereinheit 10 erklärt werden.
Die Energiewandlereinheit 10 weist mehrere thermoelastischen Elemente 12 auf, die beispielsweise in Form von Drähten oder Drahtbündeln in der Energiewandlereinheit 10 vorhanden sind. Ein Material der thermoelastischen Elemente 12 ist insbesondere ein Formgedächtnislegierungsmatenal, wie beispielsweise ein NiTi-Material. Aber auch andere Formgedächtnislegierungsmatenalien sind denkbar.
Die Energiewandlereinheit 10 weist ferner eine Beaufschlagungsvorrichtung 14 für die thermoelastischen Elemente 12 auf. Die Beaufschlagungsvorrichtung 14 ist mit Enden der thermoelastischen Elemente 12 gekoppelt und ist dazu ausgebildet, die thermoelastischen Elemente 12 phasenweise zyklisch zu verspannen und zu entspannen wie im Folgenden näher beschrieben wird. Die Beaufschlagungsvorrichtung 14 weist ein erstes Halteelement 16, das mit ersten Enden der thermoelastischen Elemente 12 verbunden ist, und ein zweites Halteelement 18, das mit zweiten Enden der thermoelastischen Elemente 12 gekoppelt ist, auf. Die Beaufschlagungsvorrichtung 14 weist ferner eine Welle 20 auf, die drehbar ist, wobei eine Längserstreckungsachse der Welle 20 als Rotationsachse 22 dient. Die beiden Halteelemente 16, 18 sind drehfest mit der Welle 20 verbunden, sodass durch Drehen der Welle 20 die beiden Halteelement 16, 18 mit gedreht werden.
Die Beaufschlagungsvorrichtung 14 weist ferner eine Führungseinrichtung 24 auf. Die Führungseinrichtung 24 ist nicht mit der Welle 20 gekoppelt. Das heißt, wenn die Welle 20 gedreht wird, drehen sich die beiden Halteelemente 16, 18, nicht aber die Führungseinrichtung 24. Die Führungseinrichtung 24 weist eine Führungsspur auf. Rollen 26, die mit dem zweiten Halteelement 18 verbunden sind, sind dazu ausgebildet, beim Drehen der Welle 20 entlang der Führungsspur der Führungseinrichtung 24 bewegt zu werden. Die Rollen 26 sind ferner mit zweiten Enden der thermoelastischen Elemente 12 verbunden. Die Führungsspur der Führungseinrichtung 24 ist nun derart ausgestaltet, dass durch Drehen der Welle 20 (und damit Drehen des Halteelemente 16, 18) die Rollen 26 derart in der Führungsspur geführt werden, dass eine zyklische Verspannung und Entspannung der thermoelastischen Elemente 12 erfolgt. Insbesondere erfolgt eine Verspannung der thermoelastischen Elemente 12 dahingehend, dass eine Länge der thermoelastischen Elemente 12 vergrößert wird. Insbesondere erfolgt eine Entspannung der thermoelastischen Elemente 12 dahingehend, dass eine vergrößerte Länge der thermoelastischen Elemente 12 verringert wird. Mit anderen Worten erfolgt eine Verformung der thermoelastischen Elemente 12 im Bereich einer Längenänderung der thermoelastischen Elemente 12. Dies ist schematisch in Figur 1 dadurch gezeigt, dass das thermoelastische Elemente 12 am oberen Bildrand eine größere Länge (gemessen in Richtung der Rotationsachse 22) aufweist als das thermoelastische Element am unteren Bildrand.
Bei Rotation der Beaufschlagungsvorrichtung 14 und damit der Halteelemente 16,
18 um die Rotationsachse 22 rotieren auch die thermoelastischen Elemente 12 um diese Rotationsachse 22 und aufgrund der Führungsspur der Führungseinrichtung 24 werden die thermoelastischen Elemente 12 bei der Rotation phasenweise zyklisch derart verspannt und entspannt, dass beim Verspannen die thermoelastischen Elemente 12 aufgrund des thermoelastischen Effekts latente Wärme abgeben und beim Entspannen die thermoelastischen Elemente auf Basis des thermoelastische Effekts latente Wärme aufnehmen. Die Beaufschlagungsvorrichtung 14 ist dabei insbesondere derart ausgebildet, dass in einem ersten Rotationswinkelbereich die Verspannung der thermoelastischen Elemente 12 erfolgt und in einem vom ersten Rotationswinkelbereich verschiedenen zweiten Rotationswinkelbereich die Entspannung der thermoelastischen Elemente 12 erfolgt. Mit anderen Worten erfolgt beim kontinuierlichen Drehen der Welle 20 abwechselnd eine zyklische Verspannung und Entspannung der thermoelastischen Elemente 12 dergestalt, dass die thermoelastische Elemente 12 zyklisch abwechselnd eine Längenänderung in der Längsrichtung (parallel zur Rotationsachse 22) erfahren und dadurch abwechselnd latente Wärme abgeben bzw. aufnehmen.
Es sei nun auf Figur 2 verwiesen, die eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Energiewandlersystems 28 zeigt. Das Energiewandlersystem 28 weist unter anderem die Energiewandlereinheit 10 auf, die in Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben wurde, bzw. nutzt diese, um letztlich die latente Wärme der thermoelastischen Elemente 12 für Kühl- bzw. Heizanforderungen nutzbar zu machen.
Das Energiewandlersystem 28 weist neben der Energiewandlereinheit 10 mit dessen thermoelastischen Elementen 12 ein die Energiewandlereinheit 10 umgebendes Gehäuse 30 auf. Das Gehäuse 30 ist derart ausgebildet, dass es einen ersten Fluidkanal 32 und einen zweiten Fluidkanal 34 bildet. Die Fluidkanäle 30, 32 dienen zum Führen eines Wärmeübertragungsfluids, das als Medium zum Austausch der von den thermoelastischen Elementen 12 bereitgestellten oder aufgenommenen latenten Wärme dient. Der erste Fluidkanal 32 weist einen ersten Eingang T1 und eine ersten Ausgang T4 auf und der zweite Fluidkanal 34 weist einen zweiten Eingang T3 und einen zweiten Ausgang T2 auf.
Wie bereits in Zusammenhang mit Figur 1 erwähnt, weist die Energiewandlereinheit 10 die bereits beschriebene Beaufschlagungsvorrichtung 14 auf, die zum Beaufschlagen der thermoelastischen Elemente 12 dient und die thermoelastischen Elemente 12 durch Drehen der Welle 20 in eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 22 versetzt. In Figur 2 ist eine Drehrichtung der thermoelastischen Elemente 12 beispielhaft durch den Pfeil 36 angedeutet. Im konkreten Beispiel von Figur 2 drehen sich also letztlich die thermoelastischen Elemente 12 im Uhrzeigersinn und bewegen sich dabei abwechselnd durch den ersten und zweiten Fluidkanal 32, 34.
Der erste Fluidkanal 32 des Gehäuses 30 ist derart angeordnet, dass die thermoelastischen Elemente 12 im ersten Fluidkanal 32 im Wesentlichen im entspannten Zustand vorliegen. Im entspannten Zustand nehmen die thermoelastischen Elemente 12 wie bereits beschrieben latente Wärme auf. Der erste Fluidkanal 32 des Gehäuses 30 kann somit auch als die „kalte Seite“ des Energiewandlersystems 28 bezeichnet werden.
Der zweite Fluidkanal 34 des Gehäuses 30 ist derart angeordnet, dass die thermoelastischen Elemente 12 im zweiten Fluidkanal 34 im Wesentlichen im verspannten Zustand vorliegen. Im verspannten Zustand geben die thermoelastischen Elemente 12 wie bereits beschrieben latente Wärme ab. Der zweite Fluidkanal 34 des Gehäuses 30 kann somit auch als die „warme Seite“ des Energiewandlersystems 28 bezeichnet werden.
In dem erfindungsgemäßen Energiewandlersystem 28 ist nun der Eingang T1 des ersten Fluidkanals 32 mit dem Ausgang T2 des zweiten Fluidkanals 34 über einen ersten Wärmeübertrager 38 fluidmäßig verbunden. Ferner ist der Ausgang T4 des ersten Fluidkanals 32 mit dem Eingang T3 des zweiten Fluidkanals 34 über einen zweiten Wärmeübertrager 40 fluidmäßig verbunden. Das Energiewandlersystem 28 weist ferner eine Pumpvorrichtung 42 auf, die eine Strömungsrichtung des sich in den Fluidkanälen 32, 34 befindlichen Wärmeübertragungsfluids vorgibt. Die Pfeile an den Ein- und Ausgängen T1 bis T4 zeigen, dass die Pumpvorrichtung 42 im konkreten Beispiel von Figur 2 das Wärmeübertragungsfluid im Gegenstromprinzip zur Drehrichtung 36 der thermoelastischen Elemente 12 bewegt. Die Pumpvorrichtung 42 weist eine Pumpeinheit in der fluidmäßigen Verbindung zwischen dem Eingang T1 und dem Ausgang T2 auf. Die Pumpvorrichtung 42 kann optional oder alternativ eine (weitere) Pumpeinheit in der fluidmäßigen Verbindung zwischen dem Ausgang T4 und dem Eingang T3 aufweisen.
Das Energiewandlersystem 28 weist ferner Verbraucher auf, von denen ein erster Verbraucher ein zu beheizender Verbraucher 44 und ein zweiter Verbraucher ein zu kühlender Verbraucher 46 ist. Verbraucher können Komponenten oder Bereiche sein, die gekühlt oder beheizt werden sollen. Wird das Energiewandlersystem 28 beispielsweise in einem Fahrzeug verwendet dann wäre ein typischer Verbraucher beispielsweise eine Batterie (insbesondere, wenn es sich bei dem Fahrzeug um ein batteriebetriebenes Fahrzeug handelt) oder eine Fahrerkabine des Fahrzeugs. Weitere Verbraucher sind denkbar.
Da es sich bei dem Verbraucher 44 um den zu beheizenden Verbraucher handelt, ist der Verbraucher 44 wärmetechnisch an den ersten Wärmeübertrager 38 gekoppelt. Da es sich bei dem Verbraucher 46 um den zu kühlenden Verbraucher handelt, ist der Verbraucher 46 wärmetechnisch an den zweiten Wärmeübertrager 40 gekoppelt. Die Kopplung der Verbraucher 44, 46 an die Wärmetauscher 38, 40 wird üblicherweise über ein Thermomanagement-System bereitgestellt, das dem Fachmann wohlbekannt ist und deshalb keiner näheren Erläuterung bedarf.
Es sei nun auf Figur 3 verwiesen, die den sich im thermoelastischen
Energiewandlersystem 28 vollziehenden Kreisprozess schematisch erläutern soll. In Figur 3 ist auf der y-Achse die Temperatur und auf der x-Achse eine Drehposition der thermoelastischen Elemente 12 aufgetragen.
Zunächst soll noch einmal der thermoelastische Effekt der thermoelastischen Elemente 12 näher erläutert werden.
Wenn die Beaufschlagungsvorrichtung 14 um die Rotationsachse 22 gedreht wird, dann erfolgt abwechselnd eine Entspannung und Verspannung der thermoelastischen Elemente 12, wie in Zusammenhang mit Figur 1 bereits beschrieben wurde. Bei der Entspannung der thermoelastischen Elemente 12 wird latente Wärme aufgenommen. Die thermoelastischen Elemente 12 kühlen sich also ab. Bei der Verspannung der thermoelastischen Elemente 12 wird latente Wärme abgegeben. Die thermoelastischen Elemente 12 erwärmen sich also. In dem Bereich zwischen den Punkten 300 und 302 erfolgt eine Entspannung der thermoelastischen Elemente 12, sodass die thermoelastischen Elemente 12 latente Wärme aufnehmen und das die thermoelastischen Elemente 12 umströmende Wärmeübertragungsfluid kühlen können. In diesem Rotationswinkelbereich kann also das Wärmeübertragungsfluid Wärme an die thermoelastischen Elemente 12 abgeben, weshalb dieser Bereich der „kalte Bereich“ oder die „kalte Seite“ des Energiewandlersystems 28 ist.
In dem Bereich zwischen den Punkten 302 und 304 erfolgt eine Verspannung der thermoelastischen Elemente 12, sodass die thermoelastischen Elemente 12 latente Wärme abgeben und das die thermoelastischen Elemente 12 umströmende Wärmeübertragungsfluid erwärmen können. In diesem Rotationswinkelbereich kann also das Wärmeübertragungsfluid Wärme von den thermoelastischen Elementen 12 aufnehmen, weshalb dieser Bereich der „warme Bereich“ oder die „warme Seite“ des Energiewandlersystems 28 ist.
Es sei nun der Blick auf die durchgezogene Linie in Figur 3 gerichtet, die den Temperaturverlauf des Wärmeübertragungsfluids schematisch wiedergibt. Das Wärmeübertragungsfluid strömt beim Eingang T 1 des ersten Fluidkanals 32 ein und wird durch die thermoelastischen Elemente 122 gekühlt. Das Wärmeübertragungsfluid wird also am Ausgang T4 des ersten Fluidkanals 32 eine geringere Temperatur aufweisen als am Eingang T1. Das Wärmeübertragungsfluid durchströmt nun den zweiten Wärmeübertrager 40, der zum Kühlen von zu kühlenden Verbrauchern genutzt wird. Am Eingang T3 des zweiten Fluidkanals 34 wird somit die Temperatur T3 > T4 sein. Im zweiten Fluidkanal 34 liegen die thermoelastischen Elemente 12 im Wesentlichen im verspannten Zustand vor. In diesem Zustand können die thermoelastischen Elemente 12 latente Wärme abgeben, weshalb am Ausgang T2 des zweiten Fluidkanals 34 die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids größer sein wird als am Eingang T3. Die Temperatur T2 ist zudem größer als T1. Mit Hilfe des ersten Wärmeübertragers 38 zwischen dem Ausgang T2 und dem Eingang T1 kann nun ein zu heizender Verbraucher mit Wärme versorgt werden.
Entscheidend ist, dass eine Temperaturdifferenz zwischen T1 und T4 bzw. zwischen T2 und T3 letztlich vom thermoelastischen Effekt der thermoelastischen Elemente 12 abhängt. Diese Temperaturdifferenz ist typischerweise um die 20°C. Die im erfindungsgemäßen Energiewandlersystem 28 vorgeschlagene fluidmäßige Verbindung von T1 mit T2 mittels des ersten Wärmeübertrags 38 und von T4 mit T3 mittels des zweiten Wärmeübertragers 40, führt jedoch dazu, dass die thermoelastischen Elemente 12 am Eingang T3 des zweiten Fluidkanals 34 sozusagen vorgekühlt werden und am Eingang T1 des ersten Fluidkanals 32 sozusagen vorgewärmt werden. Diese überkreuzte Anordnung der Medienanschlüsse führt also letztlich dazu, dass die Rücklauftemperatur des Wärmeübertragungsfluids am Eingang T1 auf der „kalten Seite“ des Energiewandlersystems 28 höher liegt als die Rücklauftemperatur des Wärmeübertragungsfluids am Eingang T3 auf der „warmen Seite“ des Energiewandlersystems. Dadurch wird eine Erhöhung der Temperaturspreizung zwischen den beiden Rücklaufanschlüssen T1 und T3 erreicht, die nicht nur den Temperaturbereich des Energiewandlersystems 28 erweitert, sondern auch den Einsatz des Energiewandlersystems 28 als Kühl-/Heizvorrichtung im Fahrzeug ermöglicht, wo naturgemäß Heiz-/Kühlanforderungen bestehen, die von -20°C bis +60°C reichen können.
Es sei nun auf Figur 4 verwiesen, die eine schematische Ansicht eines Ablaufdiagramms zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Das Verfahren dient zum Betreiben des Energiewandlersystems 28, insbesondere als Heizvorrichtung. Das Verfahren startet beim Schritt 400 mit der Ermittlung einer Heizanforderung. Beispielsweise kann das das Erwärmen einer Fahrerkabine eines Fahrzeugs betreffen.
Im nächsten Schritt 402 wird basierend auf der ermittelten Heizanforderung eine dafür notwendige Heizleistung ermittelt. Das Ermitteln einer Heizleistung kann beispielsweise basierend auf Tabellenwerten, die im Hintergrund abgespeichert sind oder anderweitig verfügbar sind, durchgeführt werden.
Im nächsten Schritt 404 wird schließlich das Energiewandlersystem 28 als Heizvorrichtung betrieben mit einer thermischen Leistung, die der ermittelten Heizleistung entspricht. Das Ermitteln der thermischen Leistung des Energiewandlersystems kann anhand von Tabellenwerten, Kennfeldern, funktionalen Zusammenhängen, Algorithmen und dergleichen erfolgen.
Es sei schließlich noch auf Figur 5 verwiesen, die eine weitere schematische Ansicht eines Ablaufdiagramms zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Das Verfahren gemäß Figur 5 dient zum Betreiben des Energiewandlersystems 28, insbesondere als Kühlvorrichtung. Das Verfahren startet beim Schritte 500 mit der Ermittlung einer kühleren Forderung. Beispielsweise kann das das Kühlen einer Fahrerkabine eines Fahrzeugs betreffen.
Im nächsten Schritt 502 wird basierend auf der ermittelten Kühlanforderung eine dafür notwendige Kühlleistung ermittelt. Das Ermitteln einer Kühlleistung kann beispielsweise basierend auf Tabellenwerten, die im Hintergrund abgespeichert sind oder anderweitig verfügbar sind, durchgeführt werden.
Im nächsten Schritt 504 wird schließlich das Energiewandlersystem 28 als Kühlvorrichtung betrieben mit einer thermischen Leistung, die der ermittelten Kühlleistung entspricht. Das Ermitteln der thermischen Leistung des Energiewandlersystems kann anhand von Tabellenwerten, Kennfeldern, funktionalen Zusammenhängen, Algorithmen und dergleichen erfolgen.
Die von dem Energiewandlersystem 28 bereitstellbare thermische Leistung ist dabei einstellbar basierend auf einem oder mehreren der folgenden Parameter:
• Masse an thermoelastischem Material: hier kann Länge, Durchmesser, Anzahl der thermoelastischen Elemente 12 je nach Anwendungsfall angepasst werden
• Beaufschlagungsfrequenz der thermoelastischen Elemente: insbesondere die Rotationsgeschwindigkeit der thermoelastischen Elemente 12 kann eingestellt werden, und
• Ausmaß der elastischen Verspannung und Entspannung der thermoelastischen Elemente: stärkere oder schwäche Verspannung/Entspannung, insbesondere Längenänderung ist möglich, bspw. über variable Führungsspur oder verstellbare Nocke.
Bei der Funktionsweise des thermoelastischen Energiewandlersystems wird immer der Flüssigkeitsmassenstrom des Wärmeübertragungsfluids auf den Massenstrom der thermoelastischen Elemente 12 derart angepasst, dass die Produkte aus Massenstrom mal spezifische Wärmekapazität der beiden Medien gleich groß sind, was bei derartigen Energiewandlersystemen jedoch üblich ist.
Obwohl in Zusammenhang mit Figuren 1 bis 5 das Energiewandlersystem 28 die
Energiewandlereinheit 10 nutzt, ist denkbar, dass andere, zweckmäßige
Energiewandlereinheiten im Energiewandlersystem 28 genutzt werden können.

Claims

Patentansprüche
1 . Thermoelastisches Energiewandlersystem (28) aufweisend: eine Energiewandlereinheit (10) mit mehreren thermoelastischen Elementen (12) und einer Beaufschlagungsvorrichtung (14) für die thermoelastischen Elemente (12), wobei die Beaufschlagungsvorrichtung (14) mit Enden der thermoelastischen Elemente (12) gekoppelt und dazu ausgebildet ist, bei Rotation der Beaufschlagungsvorrichtung (14) um eine Rotationsachse (22) die thermoelastischen Elemente (12) um diese Rotationsachse (22) zu rotieren und dabei phasenweise zyklisch derart zu verspannen und zu entspannen, dass beim Verspannen die thermoelastischen Elemente (12) latente Wärme abgeben und beim Entspannen die thermoelastischen Elemente (12) latente Wärme aufnehmen, wobei die Beaufschlagungsvorrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass die Verspannung der thermoelastischen Elemente (12) in einem ersten Rotationswinkelbereich und die Entspannung der thermoelastischen Elemente (12) in einem zweiten Rotationswinkelbereich erfolgt, und wobei das thermoelastische Energiewandlersystem (28) ferner aufweist: ein die Energiewandlereinheit (10) umgebendes Gehäuse (30) mit einem ersten Fluidkanal (32) und einem zweiten Fluidkanal (34), die fluidmäßig miteinander verbunden und zum Führen von Wärmeübertragungsfluid ausgebildet sind, wobei die thermoelastischen Elemente (12) sich während ihrer Rotation um die Rotationsachse (22) abwechselnd durch den ersten und zweiten Fluidkanal (32, 34) bewegen, im ersten Fluidkanal (32) im Wesentlichen im entspannten Zustand und im zweiten Fluidkanal (34) im Wesentlichen im verspannten Zustand vorliegen, und wobei ein Eingang (T1 ) des ersten Fluidkanals (32) mit einem Ausgang (T2) des zweiten Fluidkanals (34) über einen ersten Wärmeübertrager (38) fluidmäßig verbunden ist, und ein Eingang (T3) des zweiten Fluidkanals (34) mit einem Ausgang (T4) des ersten Fluidkanals (32) über einen zweiten Wärmeübertrager (40) fluidmäßig verbunden ist.
2. Energiewandlersystem (28) nach Anspruch 1 , ferner aufweisend: eine Pumpvorrichtung (42), die eine Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsfluids durch die Fluidkanäle (32, 34) derart vorgibt, dass die Strömungsrichtung einer Drehrichtung (36) der thermoelastischen Elemente (12) im jeweiligen Fluidkanal (32, 34) entgegensetzt ist.
3. Energiewandlersystem (28) nach Anspruch 2, wobei die Pumpvorrichtung (42) fluidmäßig zwischen dem Ausgang (T2) des zweiten Fluidkanals (34) und dem Eingang (T1 ) des ersten Fluidkanals (32) und/oder zwischen dem Ausgang (T4) des ersten Fluidkanals (32) und dem Eingang (T3) des zweiten Fluidkanals (34) angeordnet ist.
4. Energiewandlersystem (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: einen zu beheizenden Verbraucher (44), der wärmetechnisch mit dem ersten Wärmeübertrager (38) gekoppelt ist.
5. Energiewandlersystem (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: einen zu kühlenden Verbraucher (46), der wärmetechnisch mit dem zweiten Wärmeübertrager (40) gekoppelt ist.
6. Verwendung des Energiewandlersystems (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Kühl-ZHeizvorrichtung, insbesondere in einem Fahrzeug.
7. Verfahren zum Bertreiben eines Energiewandlersystems (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit den folgenden Schritten:
Ermitteln einer Heizanforderung
Ermitteln einer Heizleistung basierend auf der ermittelten Heizanforderung, und
Betreiben des Energiewandlersystems (28) als Heizvorrichtung mit einer thermischen Leistung, die der ermittelten Heizleistung entspricht.
8. Verfahren zum Bertreiben eines Energiewandlersystems (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit den folgenden Schritten:
Ermitteln einer Kühlanforderung
Ermitteln einer Kühlleistung basierend auf der ermittelten Kühlanforderung, und
Betreiben des Energiewandlersystems (28) als Kühlvorrichtung mit einer thermischen Leistung, die der ermittelten Kühlleistung entspricht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei eine von dem Energiewandlersystem (28) bereitstellbare thermische Leistung eingestellt wird basierend auf einem oder mehreren der folgenden Parameter:
Masse an thermoelastischem Material, Beaufschlagungsfrequenz der thermoelastischen Elemente (12), Ausmaß der elastischen Verspannung und Entspannung der thermoelastischen Elemente (12).
PCT/EP2023/066877 2022-06-22 2023-06-21 Thermoelastisches energiewandlersystem, verfahren zum betreiben eines derartigen energiewandlersystems, sowie verwendung eines derartigen energiewandlersystems als kühl-/heizvorrichtung WO2023247655A1 (de)

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