WO2024022980A1 - Elastokalorische maschine und entsprechendes verfahren zum betreiben einer solchen elastokalorischen maschine - Google Patents

Elastokalorische maschine und entsprechendes verfahren zum betreiben einer solchen elastokalorischen maschine Download PDF

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WO2024022980A1
WO2024022980A1 PCT/EP2023/070326 EP2023070326W WO2024022980A1 WO 2024022980 A1 WO2024022980 A1 WO 2024022980A1 EP 2023070326 W EP2023070326 W EP 2023070326W WO 2024022980 A1 WO2024022980 A1 WO 2024022980A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
channel
elastocaloric
lock
fluid
space
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/070326
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ivo Sandor
Henry Strobel
Sebastian Brettner
Sasa SLAVIC
Sara Vongher
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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Publication date
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
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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 an elastocaloric machine for exchanging heat or thermal energy with a fluid.
  • the invention further relates to a method for operating such an elastocaloric machine.
  • Such elastocaloric machines include several elastocaloric elements, the elastocaloric materials of which are combined into bundles or wire bundles. These elastocaloric elements use in particular elastocaloric materials, also known as so-called
  • Shape memory alloys are known.
  • SMA Shape memory alloys
  • a change in shape can be induced by applying heat from a heat source. If you remove the heat source, the alloy returns to its original shape. This effect is absolutely reversible. This is accompanied by the reverse effect, the so-called elastocaloric effect.
  • conversion heat of the elastocaloric material is exchanged with the environment, so that after heat energy exchange with the environment, the elastocaloric material can assume a lower energy state than before the heat energy exchange.
  • the elastocaloric material is exposed to mechanical stress or stress, so that a crystalline phase transformation occurs and it heats up in the process.
  • This resulting heat is, for example, dissipated again via a heat sink, for example in the form of a fluid, so that the material cools back to the initial temperature.
  • the mechanical stress is now removed, that is, the material is relaxed or relieved, the order is reduced and the material even cools down to a value below the initial temperature, so that it now receives thermal energy or thermal energy from the environment, for example from a surrounding fluid.
  • cyclically loading and unloading the elastocaloric material appropriate heat supply and removal can be achieved in the sense of an elastocaloric heat pump.
  • suitable control of the cyclic loading and unloading or relaxation combined with appropriate control of a fluid circuit, which can have a coolant such as water, for example, an elastocaloric machine in the form of a heat pump or refrigeration machine can be realized.
  • FIG. 1A and 1B are exemplary sectional views of an elastocaloric machine 1′ known from the prior art.
  • the elastocaloric machine 1 ' comprises a plurality of elastocaloric elements 10' (only one is designated in Figures 1A and 1B), which are arranged radially or in a certain radius around an axis of rotation R'.
  • the elastocaloric machine 1' further comprises a rotor 16', which rotates together with the plurality of elastocaloric elements 10' about the axis of rotation R'.
  • the rotor 16' and the plurality of elastocaloric elements 10' are accommodated in a housing 17', which rotatably supports the rotor 16' as part of a shaft guide via a drive shaft connected to the rotor 16' (see Fig.
  • the elastocaloric machine comprises a first channel 11', which is set up to guide a first fluid F1', and a second channel 12', which is set up to guide a second fluid F2'.
  • the first channel 11' and the second channel 12' are connected to one another to form a circuit, so that the plurality of elastocaloric elements 10' is guided along the first channel 11' and along the second channel 12', while the plurality of elastocaloric elements 10 'is rotated around the rotation axis R'.
  • the first channel 11' and the second channel 12' are formed around the rotor 16' in the housing 17' with respect to the cross section of the elastocaloric machine 1', so that the first fluid F1' and the second fluid F2' A large number of elastocaloric elements 10 'can flow around. Consequently, the rotor 16' forms an inner surface of the first channel 11' and the second channel 12' with respect to the rotation axis R', while the housing 17' forms an outer surface of the first channel 11'. and the second channel 12 'forms.
  • the first channel 11 'and the second channel 12' are designed in the form of cylinder segments within the housing 17', which are connected to one another to form the circuit.
  • the circuit is therefore essentially designed in the form of a cylindrical annular channel around the rotor 16'. Furthermore, while the elastocaloric elements 10' are moved along the first channel 11', they are brought into a first state by loading, in which they release thermal energy to the first fluid F1'. The load can be caused in particular by tensile stress on the elastocaloric element. If, on the other hand, the elastocaloric elements 10' are moved through the second channel 12', they are brought into a state by relaxation in which they absorb heat energy from the second fluid F2'.
  • the first fluid F1' which flows through the first channel 11', is heated by the elastocaloric elements 10', while the second fluid F2', which flows through the second channel 12', is cooled by the elastocaloric elements 10'.
  • the elastocaloric machine T includes an inlet 111' and 121' as well as an outlet 112' and 122' for the first channel 11' and the second channel 12'.
  • the inlets 111', 121' and the outlets 112', 122' enable the first fluid F1' heated in the elastocaloric machine T and the cooled second fluid F2' to flow to a respective heat exchanger in order to absorb or release thermal energy there.
  • the first fluid F1' and the second fluid F2' can be a fluid from a common fluid circuit that circulates in a part of the elastocaloric machine T in the form of a heating or cooling machine.
  • the fluid can be water or a commonly used coolant.
  • the elastocaloric machine T can function as a heating or cooling machine.
  • the first channel 11 'and the second channel 12' are connected to one another in the area between the respective inlets and outlets via a connecting channel, due to the fact that the elastocaloric elements 10' the rotation axis R' can be rotated.
  • This causes mixing of the first fluid FT and the second fluid F2', which in the case shown occurs primarily between the inlet 111' of the first channel 1 and the outlet 122' of the second channel 12' and between the inlet 121' of the second channel 12 'and the outlet 112' of the first channel 1 occurs. Due to the mixing of the fluid FT to be heated and the fluid to be cooled F2', the efficiency, i.e. the cooling or heating power, of the entire elastocaloric machine T is reduced.
  • the invention is therefore based on the object of providing a generic elastocaloric machine which has greater efficiency offers, in particular the extent of mixing of the fluid to be heated and the fluid to be cooled is reduced.
  • the elastocaloric machine according to the invention for exchanging heat energy with a fluid has: a first channel which is set up to guide a first fluid in order to absorb heat energy through the first fluid guided in the first channel, a second channel which is set up to guide second fluid in order to release thermal energy through the second fluid guided in the second channel, a lock device which is arranged in a connecting channel between the first channel and the second channel and is set up to pass the first channel and the second channel via the connecting channel to couple with each other, that the first channel and the second channel can be connected to one another like a lock or separated from one another, and at least one elastocaloric element which is set up to assume a first state in which the elastocaloric element transfers thermal energy to the first fluid due to the elastocaloric effect emits while the elastocaloric element is moved along the first channel, and is further set up to assume a second state in which the elastocaloric element absorbs heat energy from the second fluid due to the
  • the arrangement of the lock device between one channel and the other channel preferably has the effect that an exchange or mixing of the first fluid and second fluid between the one channel and the other channel can be reduced. In this way, the extent of heat exchange between the first fluid and the second fluid is also reduced, so that the efficiency of the elastocaloric machine can be increased.
  • the rotation element can preferably form a plurality of lock spaces, which are distributed in the circumferential direction of the rotation element. Providing multiple lock rooms can achieve the following:
  • a first elastocaloric element can be received or introduced from one channel into one of the lock spaces of the rotation element.
  • a second elastocaloric element adjacent to the first elastocaloric element can preferably be accommodated in another of the lock spaces of the rotation element, while the first elastocaloric element is accommodated in one of the lock spaces and is moved along with it.
  • the first elastocaloric element can then preferably be moved from one of the lock spaces into the other channel, while the second elastocaloric element is accommodated in the other of the lock spaces and is moved along with it.
  • the second elastocaloric element can also be moved from the other lock space into the other channel.
  • a distance between the first elastocaloric element and the second elastocaloric element can thus be shortened compared to a rotation element with only one lock space. Accordingly, in an elastocaloric machine with the rotation element with several lock spaces, a larger number of elastocaloric elements can be provided in the same space compared to an elastocaloric machine with the rotation element with only one lock space.
  • the rotation element is designed in such a way that when it is rotated into a first position, the lock space is positioned using the connecting channel and the rotation element in such a way that the lock space establishes a first connection only to the one channel from the first channel and the second channel, so that the elastocaloric element can be moved from the one channel into the lock space, when it is rotated into a second position, the lock space is positioned using the connecting channel and the rotation element in such a way that the first connection to the one channel and a second connection to the other channel are separated is, while the elastocaloric element is accommodated in the lock space, and when it is rotated into a third position, the lock space is positioned using the connecting channel and the rotation element in such a way that the lock space only establishes the second connection to the other channel, so that the elastocaloric element can be moved from the lock room into the other canal.
  • the lock device can preferably be set up to cyclically establish or disconnect the first connection and/or the second connection.
  • the first channel and the second channel preferably each have an inlet for supplying the respective first or second fluid and each have an outlet for discharging the respective first or second fluid, the connecting channel being arranged between the inlet of one channel and the outlet of the other channel is while another connecting channel is arranged between the inlet of the other channel and the outlet of one channel.
  • a further lock device is preferably arranged in the further connecting channel, so that the elastocaloric element can be channeled from the other channel back into the one channel via the further lock device.
  • the first channel and the second channel are therefore preferably each connected to one another via the respective connecting channel.
  • a circuit is formed by the first channel, the second channel and the respective connecting channels.
  • the multitude of elastocaloric elements can be guided or moved along this circuit.
  • the method according to the invention for operating an elastocaloric machine for exchanging thermal energy with a fluid has the following steps: guiding a first fluid in a first channel in order to absorb thermal energy through the first fluid guided in the first channel,
  • the elastocaloric element after passing through one of the first channel and the second Channel is transferred from one channel into the other channel through the intermediary of the lock device, in that the elastocaloric element is accommodated in a lock space of a rotation element of the lock device and the lock space is moved when the rotation element rotates.
  • the elastocaloric machine according to the invention for exchanging heat energy with a fluid has: a first channel which is set up to guide a first fluid in order to absorb heat energy through the first fluid guided in the first channel, a second channel which is set up to guide second fluid in order to release heat energy through the second fluid guided in the second channel, a lock device which is set up to couple the first channel and the second channel together in such a way that the first channel and the second channel can be connected to one another or separated from one another like a lock, and at least one elastocaloric element which is set up to assume a first state , in which the elastocaloric element releases heat energy to the first fluid due to the elastocaloric effect while the elastocaloric element is moved along the first channel, and is further configured to assume a second state in which the elastocaloric element releases heat energy from the due to the elastocaloric effect second fluid while the elastocaloric element is moved along the second channel
  • the first lock element and the second lock element can each be designed in the form of the rotation element described above.
  • the first lock element is preferably designed to define a first lock space in which the elastocaloric element can be moved from the one channel to the second lock element
  • the second lock element is preferably designed to define a second lock space in which the elastocaloric element can be moved from the The first lock space of the first lock element can be moved to the other channel.
  • the first lock element and the second lock element are rotatably mounted in a connecting channel connecting one and the other channel, the first lock element being designed to position the first lock space when it is rotated into a first position in such a way that the elastocaloric element can be received from the one channel into the first lock space, and is further designed, when it is rotated into a second position while the elastocaloric element is received in the first lock space, to position the first lock space so that the elastocaloric element can be moved from the first lock space to the second lock element, the second lock element is designed, when rotating into a further first position, the second lock space can be positioned so that the elastocaloric element coming from the first lock element can be received in the second lock space , and is further designed, when rotating it into a further second position while the elastocaloric element is accommodated in the second lock space, to position the second lock space so that the elastocaloric element can be moved from the second lock space into
  • the elastocaloric element coming from the first lock space can be moved into an intermediate space between the first lock element and the second lock element in the connecting channel and can then be received from the intermediate space into the second lock space.
  • the first lock element is preferably designed to form a first connection of the first lock space only to the one channel, so that the elastocaloric element can be moved from the one channel into the first lock space.
  • the second lock element is preferably designed to form a second connection of the second lock space only to form the other channel, so that the elastocaloric element coming from the first lock element can be moved into the other channel, and the first and second lock elements are preferably further designed to close the elastocaloric element when transferred from the first lock space to isolate the second lock room from one canal and the other canal.
  • the method according to the invention for operating an elastocaloric machine for exchanging thermal energy with a fluid has the following steps: guiding a first fluid in a first channel in order to absorb thermal energy through the first fluid guided in the first channel,
  • the elastocaloric element Moving the elastocaloric element along the second channel while the elastocaloric element assumes a second state in which the elastocaloric element absorbs thermal energy from the second fluid due to the elastocaloric effect, the elastocaloric element after passing through one of the first channel and the second Channel is channeled from one channel into the other channel through the intermediary of the lock device, the elastocaloric element being channeled from one channel into the other channel in the interaction of a first lock element of the lock device and a second lock element of the lock device.
  • Figures 1 A and 1 B show sectional views of an elastocaloric machine known from the prior art
  • Figure 2 shows a cross section of an elastocaloric machine according to the invention according to a first embodiment
  • Figures 3a to 3e show a locking process of an elastocaloric element in the elastocaloric machine according to the invention according to the first embodiment
  • Figure 4 shows a cross section of an elastocaloric machine according to the invention according to a second embodiment
  • Figures 5a to 5g show a locking process of an elastocaloric element in the elastocaloric machine according to the invention according to the second embodiment
  • Figure 6 shows another cross section of the elastocaloric
  • Figure 2 shows a cross section of an elastocaloric machine 1 according to the invention according to a first embodiment of the invention, with identical or similar elements of the elastocaloric machine 1 according to the invention in relation to those of the elastocaloric machine belonging to the prior art and shown in FIGS. 1A and 1B 1 'are provided with the same or similar reference numbers.
  • the differences in relation to the elastocaloric machine T which is part of the state of the art, will be discussed in more detail.
  • the elastocaloric machine 1 has a first channel 11, which is set up to guide a first fluid F1, and a second channel 12, which is set up to guide a second fluid F2.
  • first channel 11 heat energy is absorbed by a first fluid F1 guided therein, while in the second channel 12, heat energy is released to the second fluid F2 guided therein.
  • first channel 11 and the second channel 12 each have an inlet for supplying the first or second fluid F1 or F2 and one each Outlet for discharging the first or second fluid F1 or F2, wherein in the specifically illustrated case of FIG. 2 only the inlet 111 of the first channel 11 and the outlet 122 of the second channel 12 are shown.
  • the corresponding inlets and the corresponding outlets are aligned in opposite directions, so that the first fluid F1 flows in a first flow direction, while the second fluid F2 flows in a second flow direction opposite the first flow direction. In the specifically illustrated case, this is achieved by arranging the inlet 111 of the first channel 11 on an upper side of the elastocaloric machine 1, shown in FIG.
  • the first channel 11 and the second channel 12 are connected to one another via a connecting channel 15 on the upper side shown between the inlet 111 of the first channel 11 and the outlet 122 of the second channel 12.
  • the first channel 11 and the second channel 12 between the inlet of the second channel 12 and the outlet of the first channel 11 are also connected to one another via a further connecting channel, not shown.
  • a circuit is formed by the first channel 11, the second channel 12 and the respective connecting channels.
  • the first channel 11, the second channel 12 and the respective connecting channels form a circuit with a circular cross section.
  • a large number of elastocaloric elements 10 can be guided along this circuit.
  • the plurality of elastocaloric elements 10 are arranged in a circle and spaced apart from one another about an axis of rotation R.
  • the large number of elastocaloric elements 10 are rotated about the axis of rotation R.
  • the plurality of elastocaloric elements 10 are rotated in the clockwise direction.
  • a respective elastocaloric element 10 while being moved through the first channel 11, becomes a first State shifted in which the respective elastocaloric element 10 releases heat energy to the first fluid F1 due to the elastocaloric effect.
  • the respective elastocaloric element 10 If, on the other hand, the respective elastocaloric element 10 is moved through the second channel 12, it is put into a second state by relaxation or relief, in which the respective elastocaloric element 10 absorbs heat energy from the second fluid F2 due to the elastocaloric effect.
  • An inner surface or inner circumferential surface of the first and second channels 11 and 12 as well as the respective connecting channels is formed by a rotor 16 or its outer circumferential surface, which rotates together with the plurality of elastocaloric elements 10 about the axis of rotation R.
  • an outer surface or outer circumferential surface of the first and second channels as well as the respective connecting channels is formed by a housing 17 or its inner circumferential surface, which surrounds the rotor 17 and the plurality of elastocaloric elements 10 and rotatably supports the rotor 16 via a shaft guide.
  • a lock device 13 is arranged in the respective connecting channels 15, through which a respective elastocaloric element 10 passes during a transition from the first channel 11 into the second channel 12 or from the second channel 12 into the first channel 11.
  • the lock device 13 in FIG. 2 is set up to transfer the respective elastocaloric element 10 into the second channel 12 after passing through the first channel 11.
  • the lock device 13 includes a rotation element 131, which is rotatably mounted within the connecting channel 15. In this way, the rotation element 131 can be rotated about an axis LA.
  • the rotation element 131 is designed as a multi-wing element with three wings.
  • the three wings form three chambers 1311, 1312 and 1313, each of the chambers 1311, 1312 and 1313 forming a respective lock space 14, in which an elastocaloric element 10 can be recorded.
  • guide sections are also provided, which partially rest on the connecting channel 15, in particular on the inner peripheral surface or the outer peripheral surface of the connecting channel 15, and thus seal the rotating element 131 from the connecting channel 15.
  • each wing has a quasi-T-shaped cross section.
  • Figures 3a to 3e show an example of a locking process of an elastocaloric element 10 in the elastocaloric machine 1 according to the invention according to the first embodiment.
  • Figure 3a shows an initial state in which the rotation element 131 is rotated such that a guide section of a first wing of the rotation element 131 rests on the inner peripheral surface of the connecting channel 15, while guide sections of a second and a third wing rest on the outer peripheral surface of the connecting channel 15. Consequently, the rotating element 131 is positioned such that a connection between the first channel 11 and the second channel 12 via the wings of the rotating element 131 is separated. The first fluid F1 and the second fluid F2 cannot therefore mix with one another.
  • the rotation element 131 is rotated into a first position, so that one of the lock spaces 14, which is defined by two wings, is positioned so that the lock space 14 establishes a first connection only to the first channel 11.
  • the respective elastocaloric element 10 can thus be moved into the one lock space 14.
  • FIG 3b shows a state following the initial state in FIG is.
  • the one lock room 14 continues to establish the first connection only to the first channel 11.
  • FIG. 3c shows a state following the state in FIG. 3b, in which the lock space 14, in which the respective elastocaloric element 10 is recorded, is ideally rotated into a second position by further rotation of the rotation element 131 counterclockwise in such a way that the first connection to the first channel 11 and a second connection to the second channel 12 are separated.
  • This is preferably achieved in that the guide section of the first wing and the guide section of the second wing rest on the inner peripheral surface of the connecting channel 15, while the guide section of the third wing continues to rest on the outer peripheral surface of the connecting channel 15.
  • the lock space 14 as shown in Figure 3d, can be positioned such that the lock space 1, in which the respective elastocaloric element 10 is accommodated, only establishes the second connection to the second channel 12 . This is achieved analogously to the production of the first connection in Figure 3a.
  • FIG. 4 shows a cross section of an elastocaloric machine 2 according to the invention according to a second embodiment.
  • the elastocaloric machine 2 in particular has a lock device 23 that is modified compared to the first embodiment. 4, as previously in FIG.
  • the modified lock device 23 is arranged in the connecting channel 25.
  • a further lock device is arranged, which is preferably designed identically.
  • the lock device 23 comprises a first lock element 231 and a second lock element 232 connected in series, the first lock element 231 adjoining the first channel 21 and the second lock element 232 adjoining the second channel 22.
  • the first lock element 231 and the second lock element 232 are preferably each formed in the form of a rotating element or a multi-wing element, as described in connection with the first embodiment.
  • the first lock element 231 and the second lock element 232 each have four wings, with respective guide sections being formed on end sections of the wings, which partially rest on the connecting channel 15 and seal the respective lock element relative to the connecting channel 15.
  • first lock element 231 and the second lock element 232 are each inserted into these pockets in such a way that the first lock element 231 can be rotated about a first axis LA1 and the second lock element 232 can be rotated about a second axis LA2.
  • each lock element form four chambers.
  • Each of the chambers of the first lock element 231 forms a respective first lock space 241 and each of the chambers of the second lock element 232 forms a respective second lock space 242.
  • the first lock rooms 241 and the second lock rooms 242 are in turn set up to accommodate a respective elastocaloric element 20.
  • Figures 5a to 5g show an example of a locking process of an elastocaloric element 20 in the elastocaloric machine 2 according to the invention according to the second embodiment.
  • the locking process of the elastocaloric element 20 through the respective locking elements takes place analogously to the locking process, which was described above in connection with the elastocaloric machine 1 according to the first embodiment.
  • the elastocaloric element 20, as shown in Figures 5a to 5c, is initially received from the first channel 21 into one of the first lock spaces 241 of the first lock element 231 and into an intermediate space in the connecting channel 25 between the first lock element 231 and the second Lock element 232 transferred.
  • the elastocaloric element 20, as shown in FIGS. 5e to 5g, is received into one of the second lock spaces 242 of the second lock element 232 and transferred into the second channel 22.
  • the first lock element 231 and the second lock element 232 are also designed to support the elastocaloric element 20 during the transfer from one of the first lock rooms 241 to one of the second lock rooms 242 from the first channel 21 and to isolate the second channel 22. This is achieved by respective guide sections of the respective lock elements resting on the inner circumferential surface of the connecting channel 25 during the transfer, so that the first lock element 231 separates the connection to the first channel 21 and the second lock element 232 separates the connection to the second channel 22.
  • Figure 6 shows a further cross section of the elastocaloric machine according to the second embodiment.
  • the further lock device 23 which is arranged in the further connecting channel 25 on the lower side of the elastocaloric machine 2 is also shown.
  • Preferred dimensions or dimensional ratios which are advantageous when designing an elastocaloric machine 2 according to the second embodiment, are considered below.
  • FIG. 6 shows a dashed circle with a diameter D1, which runs along the center points of the plurality of elastocaloric elements 20, the direction of movement of the plurality of elastocaloric elements 20 being indicated by an arrow.
  • a further dashed circle with a diameter D2 is shown for each of the lock elements, which is measured at the position of the center of an elastocaloric element 20 in a respective lock space of the lock element.
  • D2 is the same size for all lock elements.
  • D2/D1 (N+1 )/a where a is the number of elastocaloric elements 20 and N is a natural number, where:
  • N b-1 where b corresponds to the number of chambers/lock rooms of a lock element.
  • the speed ratio between the rotor 26/the elastocaloric elements 20 and the lock elements is as follows:
  • the number space is preferably limited at the bottom so that the angular range w is large enough to be able to arrange the lock elements in such a way that they can each be freely rotated or do not collide with one another.
  • the numerical space is preferably limited at the top based on a distance between the respective inlet or outlet, between which the lock elements of the lock device are arranged. Accordingly, M must be chosen so that the angular range w is small enough to be able to accommodate the lock elements between the respective inlet and outlet.
  • an angle V which represents an angle of the cylindrical guide section, is preferably selected based on the following equation:
  • a corresponding angle can be selected so that the elastocaloric elements can be moved into the lock space of the respective lock element and at the same time there is a sufficiently large guide section for sealing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elastokalorische Maschine (1) zum Austausch von Wärmeenergie mit einem Fluid (F1; F2), welche aufweist: einen ersten Kanal (11), der eingerichtet ist, ein erstes Fluid (F1) zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem ersten Kanal (11) geführte erste Fluid (F1) aufzunehmen, einen zweiten Kanal (12), der eingerichtet ist, ein zweites Fluid (F2) zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem zweiten Kanal (12) geführte zweite Fluid (F2) abzugeben, eine Schleuseneinrichtung (13), die eingerichtet ist, den ersten Kanal (11) und den zweiten Kanal (12) derart miteinander zu koppeln, dass der erste Kanal (11) und der zweite Kanal (12) schleusenartig miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können, und mindestens ein elastokalorisches Element (10), das eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element (10) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid (F1) abgibt, während das elastokalorische Element (10) entlang des ersten Kanals (11) bewegt wird, und weiter eingerichtet ist, einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element (10) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid (F2) aufnimmt, während das elastokalorische Element (10) entlang des zweiten Kanals (12) bewegt wird, wobei das elastokalorische Element (10) nach Durchlaufen von einem Kanal aus dem ersten Kanal (11; 21) und dem zweiten Kanal (12) unter Vermittlung der Schleuseneinrichtung (13) von dem einen Kanal in den jeweils anderen Kanal geschleust wird, wobei die Schleuseneinrichtung (13) ein innerhalb von mindestens einem Wandabschnitt drehbar gelagertes, an dem Wandabschnitt anliegendes Rotationselement (131) aufweist, wobei das Rotationselement (131) ausgebildet ist, einen Schleusenraum (14), in welchen das elastokalorische Element (10) eingeschleust werden kann, zumindest teilweise festzulegen, so dass der Schleusenraum (14) bei Drehung des Rotationselements (131) mitbewegt wird.

Description

Beschreibung
Elastokalorische Maschine und entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer solchen elastokalorischen Maschine
Die Erfindung betrifft eine elastokalorische Maschine zum Austausch von Wärme bzw. von Wärmeenergie mit einem Fluid. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elastokalorischen Maschine.
Herkömmlicherweise umfassen solche elastokalorische Maschinen mehrere elastokalorische Elemente, deren elastokalorische Materialien zu Bündeln bzw. Drahtbündeln vereint sind. Diese elastokalorischen Elemente verwenden insbesondere elastokalorische Materialien, die auch als sog.
Formgedächtnislegierungen (FGL) bekannt sind. Bei derartigen pseudoelastischen Legierungen lässt sich durch Eintrag von Wärme durch eine Wärmequelle eine Formänderung induzieren. Entfernt man die Wärmequelle wieder, nimmt die Legierung ihre ursprüngliche Form wieder an. Dieser Effekt ist absolut reversibel. Damit einhergehend wird der umgekehrte Effekt, der sog. elastokalorische Effekt, genutzt. Über eine Formänderung des elastokalorischen Materials wird Umwandlungswärme des elastokalorischen Materials mit der Umgebung ausgetauscht, so dass das elastokalorische Material nach Wärmeenergieaustausch mit der Umgebung einen energetisch niedrigeren Zustand als vor dem Wärmeenergieaustausch einnehmen kann.
Im Speziellen wird das elastokalorische Material einer mechanischen Beanspruchung bzw. Belastung ausgesetzt, so dass es bei diesem zu einer kristallinen Phasenumwandlung kommt und sich dabei erwärmt. Diese entstehende Wärme wird beispielsweise wieder über eine Wärmesenke, beispielsweise in Form eines Fluids, abgeführt, so dass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird nun die mechanische Beanspruchung entfernt, d.h. es folgt eine Entspannung bzw. Entlastung des Materials, so verringert sich die Ordnung und das Material kühlt sogar auf einen Wert unterhalb der Ausgangstemperatur ab, so dass es nun thermische Energie bzw. Wärmeenergie aus der Umgebung, beispielsweise aus einem umgebenden Fluid, aufnehmen kann. Durch zyklische Be- und Entlastung des elastokalorischen Materials kann somit im Sinne einer elastokalorischen Wärmepumpe eine entsprechende Wärmezufuhr und -abfuhr realisiert werden. Durch geeignete Steuerung der zyklischen Be- und Entlastung bzw. Entspannung verbunden mit entsprechender Steuerung eines Fluidkreislaufs, welcher beispielsweise ein Kühlmittel wie Wasser aufweisen kann, lässt sich somit eine elastokalorische Maschine in Form einer Wärmepumpe bzw. Kältemaschine realisieren.
Fig. 1A und 1 B sind beispielhafte Schnittansichten einer aus dem Stand derTechnik bekannten elastokalorischen Maschine 1 ‘.
In dem dargestellten Fall umfasst die elastokalorische Maschine 1 ‘ eine Vielzahl von elastokalorischen Elementen 10' (lediglich eines ist in den Figuren 1A und 1 B bezeichnet), welche radial bzw. in einem bestimmten Radius um eine Rotationsachse R' angeordnet sind. Die elastokalorische Maschine 1 ' umfasst weiterhin einen Rotor 16‘, welcher sich gemeinsam mit der Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10' um die Rotationsachse R' dreht. Der Rotor 16’ und die Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10' sind in einem Gehäuse 17’ aufgenommen, welches den Rotor 16’ im Rahmen einer Wellenführung drehbar über eine mit dem Rotor 16' verbundene Antriebswelle lagert (siehe Fig. 1 B). Weiterhin umfasst die elastokalorische Maschine einen ersten Kanal 11 ‘, der eingerichtet ist, ein erstes Fluid F1 ‘ zu führen, und einen zweiten Kanal 12‘, der eingerichtet ist, ein zweites Fluid F2‘ zu führen. Der erste Kanal 11 ‘ und der zweite Kanal 12' sind zu einem Kreislauf miteinander verbunden, so dass die Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10' entlang des ersten Kanals 11 ' und entlang des zweiten Kanals 12' geführt wird, während die Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10' um die Rotationsachse R' gedreht wird. Im dargestellten Fall sind der erste Kanal 11 ' und der zweite Kanal 12' bezüglich des Querschnitts der elastokalorischen Maschine 1 ' um den Rotor 16’ herum in dem Gehäuse 17’ gebildet, so dass das erste Fluid F1 ‘ und das zweite Fluid F2‘ die Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10' umströmen können. Folglich bildet der Rotor 16' in Bezug auf die Rotationsachse R' eine innere Fläche bzw. eine Innenumfangsfläche des ersten Kanals 11 ' und des zweiten Kanals 12' aus, während das Gehäuse 17' eine äußere Fläche bzw. eine Außenumfangsfläche des ersten Kanals 11 ' und des zweiten Kanals 12' ausbildet. Der erste Kanal 11 ' und der zweite Kanal 12’ sind im dargestellten Fall in Form von Zylindersegmenten innerhalb des Gehäuses 17’ ausgebildet, welche zu dem Kreislauf miteinander verbunden sind. Der Kreislauf ist somit quasi in Form eines zylindrischen ringförmigen Kanals um den Rotor 16' ausgebildet. Weiterhin werden die elastokalorischen Elemente 10‘, während diese entlang des ersten Kanals 11 ' bewegt werden, durch Belastung in einen ersten Zustand versetzt, in dem sie Wärmeenergie an das erste Fluid F1 ‘ abgeben. Die Belastung kann dabei insbesondere durch Zugbeanspruchung des elastokalorischen Elements hervorgerufen werden. Werden die elastokalorischen Elemente 10' hingegen durch den zweiten Kanal 12' bewegt, werden diese durch Entspannung in einen Zustand versetzt, in dem sie Wärmeenergie von dem zweiten Fluid F2‘ aufnehmen. Somit wird das erste Fluid F1 ‘, welches durch den ersten Kanal 11 ' strömt, durch die elastokalorischen Elemente 10' erwärmt, während das zweite Fluid F2‘, welches durch den zweiten Kanal 12' strömt, durch die elastokalorischen Elemente 10' abgekühlt wird.
Weiterhin umfasst die elastokalorische Maschine T, wie in Fig. 1A dargestellt, für den ersten Kanal 11 ‘ und den zweiten Kanal 12' jeweils einen Einlass 111 ' und 121 ‘ sowie jeweils einen Auslass 112' und 122‘. Die Einlässe 111 ‘, 121 ' und die Auslässe 112‘, 122' ermöglichen, dass das in der elastokalorischen Maschine T erwärmte erste Fluid F1 ‘ und das gekühlte zweite Fluid F2‘ zu einem jeweiligen Wärmetauscher strömen, um dort Wärmeenergie aufzunehmen oder abzugeben. Dabei können das erste Fluid F1 ‘ und das zweite Fluid F2‘ ein Fluid aus einem gemeinsamen Fluidkreislauf sein, das in einem Teil der elastokalorischen Maschine T in Form einer Wärme- bzw. Kältemaschine zirkuliert. Bevorzugt kann das Fluid Wasser oder ein üblicherweise verwendetes Kühlmittel sein.
Auf diese Weise kann die elastokalorische Maschine T als Wärme- bzw. Kältemaschine fungieren. Wie in Fig. 1 A jedoch weiterhin erkennbar ist, sind der erste Kanal 11 ' und der zweite Kanal 12' im Bereich zwischen den jeweiligen Ein- und Auslässen über einen Verbindungskanal miteinander verbunden, bedingt durch den Umstand, dass die elastokalorischen Elemente 10' um die Rotationsachse R' gedreht werden. Dadurch tritt eine Vermischung des ersten Fluids FT und des zweiten Fluids F2‘ auf, welche im dargestellten Fall vor allem zwischen dem Einlass 111 ' des ersten Kanals 1 und dem Auslass 122' des zweiten Kanals 12' sowie zwischen dem Einlass 121 ' des zweiten Kanals 12' und dem Auslass 112' des ersten Kanals 1 vorkommt. Aufgrund der Vermischung des zu erwärmenden Fluids FT und des zu kühlenden Fluids F2‘ wird die Effizienz, d.h. die Kühl- oder Heizleistung, der gesamten elastokalorischen Maschine T verringert.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße elastokalorische Maschine zur Verfügung zu stellen, welche eine höhere Effizienz bietet, insbesondere das Ausmaß der Vermischung des zu erwärmenden Fluids und des zu kühlenden Fluids verringert.
Diese Aufgabe wird durch die elastokalorische Maschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 6 sowie ein Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße elastokalorische Maschine zum Austausch von Wärmeenergie mit einem Fluid weist auf: einen ersten Kanal, der eingerichtet ist, ein erstes Fluid zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem ersten Kanal geführte erste Fluid aufzunehmen, einen zweiten Kanal, der eingerichtet ist, ein zweites Fluid zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem zweiten Kanal geführte zweite Fluid abzugeben, eine Schleuseneinrichtung, die in einem Verbindungskanal zwischen dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal angeordnet ist und eingerichtet ist, den ersten Kanal und den zweiten Kanal derart über den Verbindungskanal miteinander zu koppeln, dass der erste Kanal und der zweite Kanal schleusenartig miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können, und mindestens ein elastokalorisches Element, das eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid abgibt, während das elastokalorische Element entlang des ersten Kanals bewegt wird, und weiter eingerichtet ist, einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid aufnimmt, während das elastokalorische Element entlang des zweiten Kanals bewegt wird, wobei das elastokalorische Element nach Durchlaufen von einem Kanal aus dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal unter Vermittlung der Schleuseneinrichtung von dem einen Kanal in den jeweils anderen Kanal geschleust wird, wobei die Schleuseneinrichtung ein innerhalb des Verbindungskanals drehbar gelagertes, an dem Verbindungskanal anliegendes Rotationselement aufweist, wobei das Rotationselement ausgebildet ist, einen Schleusenraum, in welchen das elastokalorische Element eingeschleust werden kann, zumindest teilweise festzulegen, so dass der Schleusenraum bei Drehung des Rotationselements mitbewegt wird. Die Anordnung der Schleuseneinrichtung zwischen dem einen Kanal und dem anderen Kanal bewirkt bevorzugt, dass ein Austausch bzw. eine Vermischung des ersten Fluids und zweiten Fluids zwischen dem einen Kanal und dem anderen Kanal verringert werden kann. Auf diese Weise wird auch das Ausmaß eines Wärmeaustauschs zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid verringert, so dass die Effizienz der elastokalorischen Maschine erhöht werden kann.
Das Rotationselement kann bevorzugt mehrere Schleusenräume ausbilden, welche in Umfangsrichtung des Rotationselements verteilt sind. Das Vorsehen mehrerer Schleusenräume kann Folgendes bewirken:
Zunächst kann ein erstes elastokalorisches Element von dem einen Kanal kommend in einen der Schleusenräume des Rotationselements aufgenommen bzw. eingeschleust werden.
Anschließend kann bevorzugt ein zu dem ersten elastokalorischen Element benachbartes zweites elastokalorisches Element in einen weiteren der Schleusenräume des Rotationselements aufgenommen werden, während das erste elastokalorische Element in dem einen der Schleusenräume aufgenommen ist und mitbewegt wird.
Anschließend kann bevorzugt das erste elastokalorische Element von dem einen der Schleusenräume kommend in den anderen Kanal bewegt werden, während das zweite elastokalorische Element in dem weiteren der Schleusenräume aufgenommen ist und mitbewegt wird.
Abschließend kann das zweite elastokalorische Element von dem weiteren der Schleusenräume kommend ebenfalls in den anderen Kanal bewegt werden.
Somit kann ein Abstand zwischen dem ersten elastokalorischen Element und dem zweiten elastokalorischen Element im Vergleich zu einem Rotationselement mit nur einem Schleusenraum verkürzt werden. Entsprechend kann bei einer elastokalorischen Maschine mit dem Rotationselement mit mehreren Schleusenräumen im Vergleich zu einer elastokalorischen Maschine mit dem Rotationselement mit nur dem einen Schleusenraum eine größere Anzahl der elastokalorischen Elemente auf gleichem Raum vorgesehen werden. Vorzugsweise ist das Rotationselement so ausgebildet, dass bei dessen Drehung in eine erste Position der Schleusenraum anhand des Verbindungskanals und des Rotationselements so positioniert ist, dass der Schleusenraum eine erste Verbindung nur zu dem einen Kanal aus dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal herstellt, so dass das elastokalorische Element von dem einen Kanal in den Schleusenraum bewegt werden kann, bei dessen Drehung in eine zweite Position der Schleusenraum anhand des Verbindungskanals und des Rotationselements so positioniert ist, dass die erste Verbindung zu dem einen Kanal und eine zweite Verbindung zu dem anderen Kanal getrennt ist, während das elastokalorische Element in dem Schleusenraum aufgenommen ist, und bei dessen Drehung in eine dritte Position der Schleusenraum anhand des Verbindungskanals und des Rotationselements so positioniert ist, dass der Schleusenraum die zweite Verbindung nur zu dem anderen Kanal herstellt, so dass das elastokalorische Element aus dem Schleusenraum in den anderen Kanal bewegt werden kann.
Die Schleuseneinrichtung kann bevorzugt eingerichtet sein, die erste Verbindung und/oder die zweite Verbindung zyklisch herzustellen bzw. zu trennen.
Der erste Kanal und der zweite Kanal weisen bevorzugt jeweils einen Einlass zum Zuführen des jeweils ersten oder zweiten Fluids und jeweils einen Auslass zum Abführen des jeweils ersten oder zweiten Fluids auf, wobei der Verbindungskanal zwischen dem Einlass des einen Kanals und dem Auslass des anderen Kanals angeordnet ist während ein weiterer Verbindungskanal zwischen dem Einlass des anderen Kanals und dem Auslass des einen Kanals angeordnet ist.
Bevorzugt ist in dem weiteren Verbindungskanal eine weitere Schleuseneinrichtung angeordnet, so dass das elastokalorische Element unter Vermittlung der weiteren Schleuseneinrichtung von dem anderen Kanal zurück in den einen Kanal geschleust werden kann.
Der erste Kanal und der zweite Kanal sind somit bevorzugt jeweils über den jeweiligen Verbindungskanal miteinander verbunden. Auf diese Weise ist ein Kreislauf durch den ersten Kanal, den zweiten Kanal und die jeweiligen Verbindungskanäle gebildet. Entlang dieses Kreislaufes kann die Vielzahl elastokalorischer Elemente geführt bzw. bewegt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer elastokalorischen Maschine zum Austausch von Wärmeenergie mit einem Fluid weist die folgenden Schritte auf: Führen eines ersten Fluids in einem ersten Kanal, um Wärmeenergie durch das in dem ersten Kanal geführte erste Fluid aufzunehmen,
Führen eines zweiten Fluids in einem zweiten Kanal, um Wärmeenergie durch das in dem zweiten Kanal geführte zweite Fluid abzugeben,
Koppeln des ersten Kanals und des zweiten Kanals mittels einer in einem Verbindungskanal angeordneten Schleuseneinrichtung derart, dass der erste Kanal und der zweite Kanal schleusenartig miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können,
Bewegen eines elastokalorischen Elements entlang des ersten Kanals, während das elastokalorische Element einen ersten Zustand einnimmt, bei dem das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid abgibt, und
Bewegen des elastokalorischen Elements entlang des zweiten Kanals, während das elastokalorische Element einen zweiten Zustand einnimmt, bei dem das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid aufnimmt, wobei das elastokalorische Element nach Durchlaufen von einem Kanal aus dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal unter Vermittlung der Schleuseneinrichtung von dem einen Kanal in den jeweils anderen Kanal geschleust wird, indem das elastokalorische Element in einen Schleusenraum eines Rotationselements der Schleuseneinrichtung aufgenommen wird und der Schleusenraum bei Drehung des Rotationselements mitbewegt wird.
In Bezug auf das Verfahren ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der elastokalorischen Maschine verwiesen wird.
Die erfindungsgemäße elastokalorische Maschine zum Austausch von Wärmeenergie mit einem Fluid weist auf: einen ersten Kanal, der eingerichtet ist, ein erstes Fluid zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem ersten Kanal geführte erste Fluid aufzunehmen, einen zweiten Kanal, der eingerichtet ist, ein zweites Fluid zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem zweiten Kanal geführte zweite Fluid abzugeben, eine Schleuseneinrichtung, die eingerichtet ist, den ersten Kanal und den zweiten Kanal derart miteinander zu koppeln, dass der erste Kanal und der zweite Kanal schleusenartig miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können, und mindestens ein elastokalorisches Element, das eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid abgibt, während das elastokalorische Element entlang des ersten Kanals bewegt wird, und weiter eingerichtet ist, einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid aufnimmt, während das elastokalorische Element entlang des zweiten Kanals bewegt wird, wobei das elastokalorische Element nach Durchlaufen von einem Kanal aus dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal unter Vermittlung der Schleuseneinrichtung von dem einen Kanal in den jeweils anderen Kanal geschleust wird, wobei die Schleuseneinrichtung ein erstes Schleusenelement und ein in Reihe geschaltetes zweites Schleusenelement aufweist, welche eingerichtet sind, im Zusammenspiel das elastokalorische Element von dem einen Kanal in den anderen Kanal jeweils zu schleusen.
Das erste Schleusenelement und das zweite Schleusenelement können jeweils in Form des vorstehend beschriebenen Rotationselements ausgebildet sein.
Das erste Schleusenelement ist bevorzugt ausgebildet, einen ersten Schleusenraum festzulegen, in welchem das elastokalorische Element von dem einen Kanal kommend zu dem zweiten Schleusenelement bewegt werden kann, und das zweite Schleusenelement ist bevorzugt ausgebildet, einen zweiten Schleusenraum festzulegen, in welchem das elastokalorische Element von dem ersten Schleusenraum des ersten Schleusenelements kommend zu dem anderen Kanal bewegt werden kann.
Bevorzugt sind das erste Schleusenelement und das zweite Schleusenelement in einem den einen und den anderen Kanal verbindenden Verbindungskanal drehbar gelagert, wobei das erste Schleusenelement ausgebildet ist, bei dessen Drehung in eine erste Position den ersten Schleusenraum so zu positionieren, dass das elastokalorische Element von dem einen Kanal kommend in den ersten Schleusenraum aufgenommen werden kann, und weiter ausgebildet ist, bei dessen Drehung in eine zweite Position, während das elastokalorische Element in dem ersten Schleusenraum aufgenommen ist, den ersten Schleusenraum so zu positionieren, dass das elastokalorische Element von dem ersten Schleusenraum kommend zu dem zweiten Schleusenelement bewegt werden kann, das zweite Schleusenelement ausgebildet ist, bei dessen Drehung in eine weitere erste Position den zweiten Schleusenraum so zu positionieren, dass das elastokalorische Element von dem ersten Schleusenelement kommend in den zweiten Schleusenraum aufgenommen werden kann, und weiter ausgebildet ist, bei dessen Drehung in eine weitere zweite Position, während das elastokalorische Element in dem zweiten Schleusenraum aufgenommen ist, den zweiten Schleusenraum so zu positionieren, dass das elastokalorische Element von dem zweiten Schleusenraum kommend in den anderen Kanal bewegt werden kann.
Bevorzugt kann das von dem ersten Schleusenraum kommende elastokalorische Element in einen Zwischenraum zwischen dem ersten Schleusenelement und dem zweiten Schleusenelement in dem Verbindungskanal bewegt werden und anschließend von dem Zwischenraum in den zweiten Schleusenraum aufgenommen werden.
Bevorzugt ist das erste Schleusenelement ausgebildet, eine erste Verbindung des ersten Schleusenraums nur zu dem einen Kanal zu bilden, so dass das elastokalorische Element von dem einen Kanal kommend in den ersten Schleusenraum bewegt werden kann, ist das zweite Schleusenelement bevorzugt ausgebildet, eine zweite Verbindung des zweiten Schleusenraums nur zu dem anderen Kanal zu bilden, so dass das elastokalorische Element von dem ersten Schleusenelement kommend in den anderen Kanal bewegt werden kann, und sind das erste und das zweite Schleusenelement bevorzugt weiter ausgebildet, das elastokalorische Element bei Überführung von dem ersten Schleusenraum zu dem zweiten Schleusenraum von dem einen Kanal und dem anderen Kanal zu isolieren.
Das Herstellen einer Verbindung zu nur jeweils einem der beiden Kanäle bzw. das Isolieren des elastokalorischen Elements bei der Überführung von dem ersten Schleusenraum in den zweiten Schleusenraum bewirkt, dass ein Überströmen bzw. ein Wärmeaustausch zwischen den jeweiligen Fluiden von dem einen Kanal in den anderen Kanal verringert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer elastokalorischen Maschine zum Austausch von Wärmeenergie mit einem Fluid weist die folgenden Schritte auf: Führen eines ersten Fluids in einem ersten Kanal, um Wärmeenergie durch das in dem ersten Kanal geführte erste Fluid aufzunehmen,
Führen eines zweiten Fluids in einem zweiten Kanal, um Wärmeenergie durch das in dem zweiten Kanal geführte zweite Fluid abzugeben,
Koppeln des ersten Kanals und des zweiten Kanals über eine Schleuseneinrichtung derart, dass der erste Kanal und der zweite Kanal schleusenartig miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können,
Bewegen eines elastokalorischen Elements entlang des ersten Kanals, während das elastokalorische Element einen ersten Zustand einnimmt, bei dem das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid abgibt, und
Bewegen des elastokalorischen Elements entlang des zweiten Kanals, während das elastokalorische Element einen zweiten Zustand einnimmt, bei dem das elastokalorische Element aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid aufnimmt, wobei das elastokalorische Element nach Durchlaufen von einem Kanal aus dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal unter Vermittlung der Schleuseneinrichtung von dem einen Kanal in den jeweils anderen Kanal geschleust wird, wobei das elastokalorische Element im Zusammenspiel eines ersten Schleusenelements der Schleuseneinrichtung und eines zweiten Schleusenelements der Schleuseneinrichtung von dem einen Kanal in den anderen Kanal geschleust wird.
In Bezug auf das Verfahren ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der elastokalorischen Maschine verwiesen wird.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Figuren 1 A und 1 B zeigen Schnittansichten einer aus dem Stand der Technik bekannten elastokalorischen Maschine; Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figuren 3a bis 3e zeigen einen Schleusenvorgang eines elastokalorischen Elements bei der erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform;
Figur 4 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Figuren 5a bis 5g zeigen einen Schleusenvorgang eines elastokalorischen Elements bei der erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform;
Figur 6 zeigt einen weiteren Querschnitt der elastokalorischen
Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche oder ähnliche Elemente der erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine 1 in Bezug auf jene der dem Stand der Technik angehörenden und in Fig. 1A und Fig. 1 B dargestellten elastokalorischen Maschine 1 ‘ mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei wird bei der nachfolgenden Beschreibung vorwiegend auf die Unterschiede in Bezug auf die dem Stand der Technik angehörende elastokalorische Maschine T näher eingegangen.
Im konkret dargestellten Fall weist die elastokalorische Maschine 1 einen ersten Kanal 11 , der eingerichtet ist, ein erstes Fluid F1 zu führen, und einen zweiten Kanal 12, der eingerichtet ist, ein zweites Fluid F2 zu führen, auf. In dem ersten Kanal 11 wird Wärmeenergie durch ein durch das darin geführte erste Fluid F1 aufgenommen, während in dem zweiten Kanal 12 Wärmeenergie an das darin geführte zweite Fluid F2 abgegeben wird.
Weiterhin weisen der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 jeweils einen Einlass zum Zuführen des jeweils ersten oder zweiten Fluids F1 bzw. F2 und jeweils einen Auslass zum Abführen des jeweils ersten oder zweiten Fluids F1 bzw. F2 auf, wobei im konkret dargestellten Fall von Fig. 2 lediglich der Einlass 111 des ersten Kanals 11 und der Auslass 122 des zweiten Kanals 12 gezeigt sind. Die entsprechenden Einlässe und die entsprechenden Auslässe sind gegenläufig ausgerichtet, sodass das erste Fluid F1 in eine erste Fließrichtung fließt, während das zweite Fluid F2 in eine der ersten Fließrichtung entgegengesetzten zweiten Fließrichtung fließt. Im konkret dargestellten Fall wird dies erreicht, indem der Einlass 111 des ersten Kanals 11 auf einer in Fig. 2 gezeigten oberen Seite der elastokalorischen Maschine 1 und der Auslass des ersten Kanals auf einer in Fig. 2 nicht gezeigten unteren Seite der elastokalorischen Maschine 1 angeordnet ist, während der Einlass des zweiten Kanals 12 auf der in Fig. 2 nicht gezeigten unteren Seite der elastokalorischen Maschine 1 und der Auslass 122 des zweiten Kanals 12 auf der in Fig. 2 gezeigten oberen Seite der elastokalorischen Maschine 1 angeordnet ist. Mit anderen Worten fließt das erste Fluid F1 in dem ersten Kanal 11 von oben nach unten, während das zweite Fluid F2 in dem zweiten Kanal 12 von unten nach oben fließt. Die entsprechenden Fließrichtungen der Fluide sind anhand von Pfeilen in Fig. 2 veranschaulicht.
Der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 sind im konkret dargestellten Fall auf der gezeigten oberen Seite zwischen dem Einlass 111 des ersten Kanals 11 und dem Auslass 122 des zweiten Kanals 12 über einen Verbindungskanal 15 miteinander verbunden. Auf der nicht gezeigten unteren Seite der elastokalorischen Maschine 1 sind der erste Kanal 11 und der zweite Kanal 12 zwischen dem Einlass des zweiten Kanals 12 und dem Auslass des ersten Kanals 11 zudem über einen nicht gezeigten weiteren Verbindungskanal miteinander verbunden. Auf diese Weise ist ein Kreislauf durch den ersten Kanal 11 , den zweiten Kanal 12 und die jeweiligen Verbindungskanäle gebildet. Im dargestellten Fall bilden der erste Kanal 11 , der zweite Kanal 12 und die jeweiligen Verbindungskanäle einen im Querschnitt kreisförmigen Kreislauf aus.
Entlang dieses Kreislaufes kann eine Vielzahl elastokalorischer Elemente 10 geführt werden. Im konkret dargestellten Fall ist die Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10 kreisförmig und zueinander beabstandet um eine Rotationsachse R angeordnet. Zum Betrieb der elastokalorischen Maschine 1 wird die Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10 um die Rotationsachse R rotiert. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10 in Richtung des Uhrzeigersinns rotiert. Dabei wird ein jeweiliges elastokalorisches Element 10, während es durch den ersten Kanal 11 bewegt wird, in einen ersten Zustand versetzt, bei dem das jeweilige elastokalorische Element 10 aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid F1 abgibt. Wird das jeweilige elastokalorische Element 10 hingegen durch den zweiten Kanal 12 bewegt, wird es durch Entspannung bzw. Entlastung in einen zweiten Zustand versetzt, bei dem das jeweilige elastokalorische Element 10 aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid F2 aufnimmt.
Eine Innenfläche bzw. Innenumfangsfläche des ersten und zweiten Kanals 11 und 12 sowie der jeweiligen Verbindungskanäle ist durch einen Rotor 16 bzw. dessen Außenumfangsfläche ausgebildet, welcher sich gemeinsam mit der Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10 um die Rotationsachse R dreht. Eine Außenfläche bzw. Außenumfangsfläche des ersten und zweiten Kanals sowie der jeweiligen Verbindungskanäle ist hingegen durch ein Gehäuse 17 bzw. dessen Innenumfangsfläche ausgebildet, welches den Rotor 17 sowie die Vielzahl der elastokalorischen Elemente 10 umgibt und den Rotor 16 drehbar über eine Wellenführung lagert.
In den jeweiligen Verbindungskanälen 15, welche ein jeweiliges elastokalorisches Element 10 bei einem Übergang von dem ersten Kanal 11 in den zweiten Kanal 12 bzw. von dem zweiten Kanal 12 in den ersten Kanal 11 durchläuft, ist jeweils eine Schleuseneinrichtung 13 angeordnet.
In der Figur 2 ist lediglich die im oberen der Verbindungskanäle 15 angeordnete Schleuseneinrichtung 13 gezeigt, wobei in dem nicht gezeigten weiteren Verbindungskanal ebenso eine weitere Schleuseneinrichtung angeordnet ist, welche bevorzugt identisch ausgebildet ist.
Die Schleuseneinrichtung 13 in Fig. 2 ist eingerichtet, das jeweilige elastokalorische Element 10 nach Durchlaufen des ersten Kanals 11 in den zweiten Kanal 12 zu schleusen.
Die Schleuseneinrichtung 13 umfasst ein Rotationselement 131 , welches drehbar innerhalb des Verbindungskanals 15 gelagert ist. Auf diese Weise kann das Rotationselement 131 um eine Achse LA gedreht werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Rotationselement 131 als mehrflügliges Element mit drei Flügeln ausgebildet. Die drei Flügel bilden drei Kammern 1311 , 1312 und 1313 aus, wobei jede der Kammern 1311 , 1312 und 1313 einen jeweiligen Schleusenraum 14 ausbildet, in welchen ein elastokalorisches Element 10 aufgenommen werden kann. An Endabschnitten der Flügel sind darüber hinaus Führungsabschnitte vorgesehen, welche teilweise an dem Verbindungskanal 15, insbesondere an der Innenumfangsfläche oder der Außenumfangsfläche des Verbindungskanals 15, anliegen und das Rotationselement 131 somit gegenüber dem Verbindungskanal 15 abdichten. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist jeder Flügel einen quasi T-förmigen Querschnitt auf.
Die Figuren 3a bis 3e zeigen exemplarisch einen Schleusenvorgang eines elastokalorischen Elements 10 bei der erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine 1 gemäß der ersten Ausführungsform.
Figur 3a zeigt einen Ausgangszustand, in welchem das Rotationselement 131 derart gedreht ist, dass ein Führungsabschnitt von einem ersten Flügel des Rotationselements 131 an der Innenumfangsfläche des Verbindungskanals 15 anliegt, während Führungsabschnitte eines zweiten und eines dritten Flügels an der Außenumfangsfläche des Verbindungskanals 15 anliegen. Folglich ist das Rotationselement 131 derart positioniert, dass eine Verbindung zwischen dem ersten Kanal 11 und dem zweiten Kanal 12 über die Flügel des Rotationselements 131 getrennt ist. Somit können sich das erste Fluid F1 und das zweite Fluid F2 nicht miteinander vermischen.
Des Weiteren ist das Rotationselement 131 in eine erste Position gedreht, so dass einer der Schleusenräume 14, welcher durch zwei Flügel festgelegt wird, so positioniert ist, dass der Schleusenraum 14 eine erste Verbindung nur zu dem ersten Kanal 11 herstellt. Wenn sich ein jeweiliges elastokalorisches Element 10 von dem ersten Kanal 11 kommend dem Rotationselement 131 nähert, kann das jeweilige elastokalorische Element 10 somit in den einen Schleusenraum 14 bewegt werden.
In Figur 3b ist ein auf den Ausgangszustand in Fig. 3a folgender Zustand gezeigt, wobei das Rotationselement 131 derart in der Richtung entgegen des Uhrzeigersinns weitergedreht wurde und das jeweilige elastokalorische Element 10 derart weiterbewegt wurde, so dass es nun vollständig in dem einen Schleusenraum 14 aufgenommen ist. Der eine Schleusenraum 14 stellt dabei weiterhin die erste Verbindung nur zu dem ersten Kanal 11 her.
In Figur 3c ist ein auf den Zustand in Fig. 3b folgender Zustand gezeigt, in welchem der Schleusenraum 14, in welchem das jeweilige elastokalorische Element 10 aufgenommen ist, durch weitere Drehung des Rotationselements 131 entgegen des Uhrzeigersinns idealerweise derart in eine zweite Position gedreht ist, dass die erste Verbindung zu dem ersten Kanal 11 und eine zweite Verbindung zu dem zweiten Kanal 12 getrennt ist. Bevorzugt wird dies erreicht, indem der Führungsabschnitt des ersten Flügels und der Führungsabschnitt des zweiten Flügels an der Innenumfangsfläche des Verbindungskanals 15 anliegen, während der Führungsabschnitt des dritten Flügels weiterhin an der Außenumfangsfläche des Verbindungskanals 15 anliegt.
Wie in Fig. 3c erkannt werden kann, besteht aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Rotationselements 131 ein geringer Spalt zwischen den Führungsabschnitten des ersten und des zweiten Flügels und der Innenumfangsfläche des Verbindungskanals 15. Dieser Spalt ist allerdings so bemessen, dass die Vermischung des ersten Fluids F1 und des zweiten Fluids F2 weitestgehend verhindert wird.
Bei weiterer Drehung des Rotationselements 131 in eine dritte Position kann der Schleusenraum 14, wie in Figur 3d gezeigt, derart positioniert werden, dass der Schleusenraum 1 , in welchem das jeweilige elastokalorische Element 10 aufgenommen ist, die zweite Verbindung nur zu dem zweiten Kanal 12 herstellt. Dies wird analog zu Herstellung der ersten Verbindung in Figur 3a erreicht.
Sobald das jeweilige elastokalorische Element 10, wie in Figur 3e gezeigt, vollständig aus dem Schleusenraum 14 bewegt wurde, ist das Rotationselement 131 wieder in die erste Position gedreht, wobei ein weiterer der Schleusenräume 14, welcher zwischen dem zweiten Flügel und dem dritten Flügel gebildet ist, so positioniert ist, dass der weitere Schleusenraum 14 die erste Verbindung nur zu dem ersten Kanal 11 herstellt. Dieser Zustand entspricht somit erneut dem Ausgangszustand von Fig. 3a.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. In der nachfolgenden Beschreibung wird daher vorwiegend auf die Unterschiede in Bezug auf die Schleuseneinrichtung 13 der elastokalorischen Maschine 1 gemäß der ersten Ausführungsform näher eingegangen. Die elastokalorische Maschine 2 weist insbesondere eine im Vergleich zur ersten Ausführungsform modifizierte Schleuseneinrichtung 23 auf. In Figur 4 ist, wie zuvor in Figur 2, lediglich ein Ausschnitt der oberen Seite der elastokalorischen Maschine 2 gezeigt, so dass wiederum lediglich der obere Verbindungskanal 25 gezeigt ist, welcher den ersten Kanal 21 und den zweiten Kanal 22 miteinander verbindet. In dem Verbindungskanal 25 ist die modifizierte Schleuseneinrichtung 23 angeordnet. In einem nicht gezeigten weiteren Verbindungskanal an der unteren Seite der elastokalorischen Maschine 2 ist darüber hinaus eine weitere Schleuseneinrichtung angeordnet, welche bevorzugt identisch ausgebildet ist.
Die Schleuseneinrichtung 23 umfasst ein erstes Schleusenelement 231 und ein in Reihe geschaltetes zweites Schleusenelement 232, wobei das erste Schleusenelement 231 an den ersten Kanal 21 und das zweite Schleusenelement 232 an den zweiten Kanal 22 angrenzt.
Das erste Schleusenelement 231 und das zweite Schleusenelement 232 sind bevorzugt jeweils in Form eines Rotationselements bzw. eines mehrflügligen Elements, wie es im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, gebildet. Das erste Schleusenelement 231 und das zweite Schleusenelement 232 weisen im konkret dargestellten Fall jeweils vier Flügel auf, wobei an Endabschnitten der Flügel wiederum jeweilige Führungsabschnitte ausgebildet sind, welche teilweise an dem Verbindungskanal 15 anliegen und das jeweilige Schleusenelement gegenüber dem Verbindungskanal 15 abdichten.
Darüber hinaus sind in dem Gehäuse 27 der elastokalorischen Maschine 2, welches die Außenfläche bzw. Außenumfangsfläche des Verbindungskanals 25 bildet, zwei Taschen bzw. Rotationsräume ausgebildet. In diese Taschen sind das erste Schleusenelement 231 und das zweite Schleusenelement 232 jeweils derart eingesetzt, dass das erste Schleusenelement 231 um eine erste Achse LA1 und das zweite Schleusenelement 232 um eine zweite Achse LA2 gedreht werden kann.
Die vier Flügel eines jeweiligen Schleusenelements bilden vier Kammern aus. Jede der Kammern des ersten Schleusenelements 231 bildet einen jeweiligen ersten Schleusenraum 241 aus und jede der Kammern des zweiten Schleusenelements 232 bildet einen jeweiligen zweiten Schleusenraum 242 aus. Die ersten Schleusenräume 241 und die zweiten Schleusenräume 242 sind wiederum eingerichtet, ein jeweiliges elastokalorisches Element 20 aufzunehmen. Die Figuren 5a bis 5g zeigen exemplarisch einen Schleusenvorgang eines elastokalorischen Elements 20 bei der erfindungsgemäßen elastokalorischen Maschine 2 gemäß der zweiten Ausführungsform.
Der Schleusenvorgang des elastokalorischen Elements 20 durch die jeweiligen Schleusenelemente erfolgt jeweils analog zum Schleusenvorgang, welcher vorstehend im Zusammenhang mit der elastokalorischen Maschine 1 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
Entsprechend wird das elastokalorische Element 20, wie in der Figuren 5a bis 5c gezeigt, zunächst von dem ersten Kanal 21 kommend in einen der ersten Schleusenräume 241 des ersten Schleusenelements 231 aufgenommen und in einen Zwischenraum in dem Verbindungskanal 25 zwischen dem ersten Schleusenelement 231 und dem zweiten Schleusenelement 232 überführt.
Anschließend wird das elastokalorische Element 20, wie in den Figuren 5e bis 5g gezeigt, in einen der zweiten Schleusenräume 242 des zweiten Schleusenelements 232 aufgenommen und in den zweiten Kanal 22 überführt.
Wie in den Figuren 5c bis 5e gezeigt, sind das erste Schleusenelement 231 und das zweite Schleusenelement 232 darüber hinaus ausgebildet, das elastokalorische Element 20 bei der Überführung von dem einen der ersten Schleusenräume 241 zu dem einen der zweiten Schleusenräume 242 von dem ersten Kanal 21 und dem zweiten Kanal 22 zu isolieren. Dies wird erreicht, indem jeweilige Führungsabschnitte der jeweiligen Schleusenelemente im Zuge der Überführung an der Innenumfangsfläche des Verbindungskanals 25 anliegen, so dass das erste Schleusenelement 231 die Verbindung zum ersten Kanal 21 trennt und das zweite Schleusenelement 232 die Verbindung zum zweiten Kanal 22 trennt.
Figur 6 zeigt einen weiteren Querschnitt der elastokalorischen Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform.
Im konkret dargestellten Fall ist, zusätzlich zur Schleuseneinrichtung 23 in dem Verbindungskanal 25 auf der oberen Seite der elastokalorischen Maschine 2 auch die weitere Schleuseneinrichtung 23, welche in dem weiteren Verbindungskanal 25 auf der unteren Seite der elastokalorischen Maschine 2 angeordnet ist, gezeigt. Nachfolgend werden bevorzugte Abmessungen bzw. Abmessungsverhältnisse, welche bei der Auslegung einer elastokalorischen Maschine 2 gemäß der zweiten Ausführungsform vorteilhaft sind, betrachtet.
In der Figur 6 ist ein gestrichelter Kreis mit einem Durchmesser D1 gezeigt, welcher entlang der Mittelpunkte der Vielzahl der elastokalorischen Elemente 20 verläuft, wobei die Bewegungsrichtung der Vielzahl der elastokalorischen Elemente 20 anhand eines Pfeils angedeutet ist.
Weiterhin ist für jedes der Schleusenelemente jeweils ein weiterer gestrichelter Kreis mit einem Durchmesser D2 gezeigt, welcher sich an der Lage des Mittelpunkts eines elastokalorischen Elements 20 in einem jeweiligen Schleusenraum des Schleusenelements bemisst. Im konkret dargestellten Fall sind alle Schleusenelemente gleich dimensioniert, so dass D2 für alle Schleusenelemente gleich groß ist.
Für das Verhältnis der Durchmesser D1 und D2 gilt:
D2/D1 =(N+1 )/a wobei a der Anzahl der elastokalorischen Elemente 20 und N einer natürlichen Zahl entspricht, wobei gilt:
N=b-1 wobei b der Anzahl der Kammern/Schleusenräume eines Schleusenelements entspricht.
Anhand den Durchmessern D1 und D2 ergibt sich weiterhin das Drehzahlverhältnis zwischen dem Rotor 26/den elastokalorischen Elementen 20 und den Schleusenelementen wie folgt:
D2/D1 =CÜ1 /CÜ2 wobei CÜ1 einer Winkelgeschwindigkeit des Rotors/der elastokalorischen Elemente 20 und CÜ2 einer Winkelgeschwindigkeit der Schleusenelemente entspricht. Weiterhin kann ein Winkelbereich w zwischen den Schleusenelementen einer Schleuseneinrichtung wie folgt ermittelt werden: w=3607a*(0,5+M) wobei M einer natürlichen Zahl entspricht, welche bevorzugt innerhalb eines gewissen Zahlenraums frei wählbar ist.
Nach unten hin ist der Zahlenraum vorzugsweise dadurch begrenzt, so dass der Winkelbereich w groß genug ist, um die Schleusenelemente so anordnen zu können, dass diese jeweils frei drehbar sind bzw. nicht miteinander kollidieren.
Nach oben hin ist der Zahlenraum bevorzugt anhand eines Abstands zwischen dem jeweiligen Einlass bzw. Auslass begrenzt, zwischen welchen die Schleusenelemente der Schleuseneinrichtung angeordnet sind. Entsprechend ist M so zu wählen, dass der Winkelbereich w klein genug ist, um die Schleusenelemente zwischen dem jeweiligen Ein- und Auslass unterbringen zu können.
Darüber ist ein Winkel V, welcher einen Winkel des zylindrischen Führungsabschnitts darstellt, bevorzugt auf Grundlage folgender Gleichung zu wählen:
V=3607(2*b)
Auf diese Weise kann ein entsprechender Winkel so gewählt werden, dass die elastokalorischen Elemente in den Schleusenraum des jeweiligen Schleusenelements bewegbar sind und gleichzeitig ein ausreichend großer Führungsabschnitt zum Abdichten gegeben ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

Patentansprüche
1 . Elastokalorische Maschine (1 ) zum Austausch von Wärmeenergie mit einem Fluid (F1 ; F2), aufweisend: einen ersten Kanal (11 ), der eingerichtet ist, ein erstes Fluid (F1 ) zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem ersten Kanal (11 ) geführte erste Fluid (F1 ) aufzunehmen, einen zweiten Kanal (12), der eingerichtet ist, ein zweites Fluid (F2) zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem zweiten Kanal (12) geführte zweite Fluid (F2) abzugeben, eine Schleuseneinrichtung (13), die in einem Verbindungskanal (15) zwischen dem ersten Kanal (11 ) und dem zweiten Kanal (12) angeordnet ist und eingerichtet ist, den ersten Kanal (11 ) und den zweiten Kanal (12) derart über den Verbindungskanal (15) miteinander zu koppeln, dass der erste Kanal (11 ) und der zweite Kanal (12) schleusenartig miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können, und mindestens ein elastokalorisches Element (10), das eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element (10) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid (F1 ) abgibt, während das elastokalorische Element (10) entlang des ersten Kanals (11 ) bewegt wird, und weiter eingerichtet ist, einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element (10) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid (F2) aufnimmt, während das elastokalorische Element (10) entlang des zweiten Kanals (12) bewegt wird, wobei das elastokalorische Element (10) nach Durchlaufen von einem Kanal aus dem ersten Kanal (11 ; 21 ) und dem zweiten Kanal (12) unter Vermittlung der Schleuseneinrichtung (13) von dem einen Kanal in den jeweils anderen Kanal geschleust wird, wobei die Schleuseneinrichtung (13) ein innerhalb des Verbindungskanals (15) drehbar gelagertes, an dem Verbindungskanal (15) anliegendes Rotationselement (131 ) aufweist, wobei das Rotationselement (131 ) ausgebildet ist, einen Schleusenraum (14), in welchen das elastokalorische Element (10) eingeschleust werden kann, zumindest teilweise festzulegen, so dass der Schleusenraum (14) bei Drehung des Rotationselements (131 ) mitbewegt wird.
2. Elastokalorische Maschine (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Rotationselement (131 ) so ausgebildet ist, dass bei dessen Drehung in eine erste Position der Schleusenraum (14) anhand des Verbindungskanals (15) und des Rotationselements (131 ) so positioniert ist, dass der Schleusenraum (14) eine erste Verbindung nur zu dem einen Kanal aus dem ersten Kanal (11 ) und dem zweiten Kanal (12) herstellt, so dass das elastokalorische Element (10) von dem einen Kanal in den Schleusenraum (14) bewegt werden kann, bei dessen Drehung in eine zweite Position der Schleusenraum (14) anhand des Verbindungskanals (15) und des Rotationselements (131 ) so positioniert ist, dass die erste Verbindung zu dem einen Kanal und eine zweite Verbindung zu dem anderen Kanal getrennt ist, während das elastokalorische Element (10) in dem Schleusenraum (14) aufgenommen ist, und bei dessen Drehung in eine dritte Position der Schleusenraum (14) anhand des Verbindungskanals (15) und des Rotationselements (131 ) so positioniert ist, dass der Schleusenraum (14) die zweite Verbindung nur zu dem anderen Kanal herstellt, so dass das elastokalorische Element (10) aus dem Schleusenraum (14) in den anderen Kanal bewegt werden kann.
3. Elastokalorische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Kanal (11 ) und der zweite Kanal (12) jeweils einen Einlass (111 ) zum Zuführen des jeweils ersten oder zweiten Fluids (F1 ; F2) und jeweils einen Auslass (121 ) zum Abführen des jeweils ersten oder zweiten Fluids (F1 ; F2) aufweisen, wobei der Verbindungskanal (15) zwischen dem Einlass (111 ) des einen Kanals und dem Auslass (112) des anderen Kanals angeordnet ist, während ein weiterer Verbindungskanal (15) zwischen dem Einlass des anderen Kanals und dem Auslass des einen Kanals angeordnet ist.
4. Elastokalorische Maschine (1 ) nach Anspruch 3, wobei in dem weiteren Verbindungskanal (15) eine weitere Schleuseneinrichtung (13) angeordnet ist, so dass das elastokalorische Element (10) unter Vermittlung der weiteren Schleuseneinrichtung (13) von dem anderen Kanal zurück in den einen Kanal geschleust werden kann.
5. Verfahren zum Betreiben einer elastokalorischen Maschine (1 ) zum Austausch von Wärmeenergie mit einem Fluid (F1 ; F2), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Führen eines ersten Fluids (F1 ) in einem ersten Kanal (11 ), um Wärmeenergie durch das in dem ersten Kanal (11 ) geführte erste Fluid (F1 ) aufzunehmen, Führen eines zweiten Fluids (F2) in einem zweiten Kanal (12), um Wärmeenergie durch das in dem zweiten Kanal (12) geführte zweite Fluid (F2) abzugeben, Koppeln des ersten Kanals (11 ) und des zweiten Kanals (12) mittels einer in einem Verbindungskanal (15) angeordneten Schleuseneinrichtung (13) derart, dass der erste Kanal (11 ) und der zweite Kanal (12) schleusenartig miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können, Bewegen eines elastokalorischen Elements (10) entlang des ersten Kanals (11 ), während das elastokalorische Element (10) einen ersten Zustand einnimmt, bei dem das elastokalorische Element (10) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid (F1 ) abgibt, und
Bewegen des elastokalorischen Elements (10) entlang des zweiten Kanals (12), während das elastokalorische Element (10) einen zweiten Zustand einnimmt, bei dem das elastokalorische Element (10) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid (F2) aufnimmt, wobei das elastokalorische Element (10) nach Durchlaufen von einem Kanal aus dem ersten Kanal (11 ) und dem zweiten Kanal (12) unter Vermittlung der Schleuseneinrichtung (13) von dem einen Kanal in den jeweils anderen Kanal geschleust wird, indem das elastokalorische Element (10) in einen Schleusenraum (14) eines Rotationselements (131 ) der Schleuseneinrichtung (131 ) aufgenommen wird und der Schleusenraum (14) bei Drehung des Rotationselements (131 ) mitbewegt wird.
6. Elastokalorische Maschine (2) zum Austausch von Wärmeenergie mit einem Fluid (F1 ; F2), aufweisend: einen ersten Kanal (21 ), der eingerichtet ist, ein erstes Fluid (F1 ) zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem ersten Kanal (21 ) geführte erste Fluid (F1 ) aufzunehmen, einen zweiten Kanal (22), der eingerichtet ist, ein zweites Fluid (F2) zu führen, um Wärmeenergie durch das in dem zweiten Kanal (22) geführte zweite Fluid (F2) abzugeben, eine Schleuseneinrichtung (23), die eingerichtet ist, den ersten Kanal (21 ) und den zweiten Kanal (22) derart miteinander zu koppeln, dass der erste Kanal (21 ) und der zweite Kanal (22) schleusenartig miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können, und mindestens ein elastokalorisches Element (20), das eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element (20) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid (F1 ) abgibt, während das elastokalorische Element (20) entlang des ersten Kanals (21 ) bewegt wird, und weiter eingerichtet ist, einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem das elastokalorische Element (20) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid (F2) aufnimmt, während das elastokalorische Element (20) entlang des zweiten Kanals (22) bewegt wird, wobei das elastokalorische Element (20) nach Durchlaufen von einem Kanal aus dem ersten Kanal (21 ) und dem zweiten Kanal (22) unter Vermittlung der Schleuseneinrichtung (23) von dem einen Kanal in den jeweils anderen Kanal geschleust wird, wobei die Schleuseneinrichtung (23) ein erstes Schleusenelement (231 ) und ein in Reihe geschaltetes zweites Schleusenelement (232) aufweist, welche eingerichtet sind, im Zusammenspiel das elastokalorische Element (20) von dem einen Kanal in den anderen Kanal jeweils zu schleusen.
7. Elastokalorische Maschine (2) nach Anspruch 6, wobei das erste Schleusenelement (231 ) ausgebildet ist, einen ersten Schleusenraum (241 ) festzulegen, in welchem das elastokalorische Element (20) von dem einen Kanal kommend zu dem zweiten Schleusenelement (232) bewegt werden kann, und das zweite Schleusenelement (232) ausgebildet ist, einen zweiten Schleusenraum (241 ) festzulegen, in welchem das elastokalorische Element (20) von dem ersten Schleusenelement (231 ) kommend zu dem anderen Kanal (20) bewegt werden kann.
8. Elastokalorische Maschine (2) nach Anspruch 7, wobei das erste Schleusenelement (231 ) und das zweite Schleusenelement (232) in einem den einen und den anderen Kanal verbindenden Verbindungskanal (25) drehbar gelagert sind, wobei das erste Schleusenelement (231 ) ausgebildet ist, bei dessen Drehung in eine erste Position den ersten Schleusenraum (241 ) so zu positionieren, dass das elastokalorische Element (20) von dem einen Kanal kommend in den ersten Schleusenraum (241 ) aufgenommen werden kann, und weiter ausgebildet ist, bei dessen Drehung in eine zweite Position, während das elastokalorische Element (20) in dem ersten Schleusenraum (241 ) aufgenommen ist, den ersten Schleusenraum (241 ) so zu positionieren, dass das elastokalorische Element (20) von dem ersten Schleusenraum (241 ) kommend zu dem zweiten Schleusenelement (232) bewegt werden kann, das zweite Schleusenelement (232) ausgebildet ist, bei dessen Drehung in eine weitere erste Position den zweiten Schleusenraum (242) so zu positionieren, dass das elastokalorische Element (20) von dem ersten Schleusenelement (231 ) kommend in den zweiten Schleusenraum (242) aufgenommen werden kann, und weiter ausgebildet ist, bei dessen Drehung in eine weitere zweite Position, während das elastokalorische Element (20) in dem zweiten Schleusenraum (242) aufgenommen ist, den zweiten Schleusenraum (232) so zu positionieren, dass das elastokalorische Element (20) von dem zweiten Schleusenraum (242) kommend in den anderen Kanal bewegt werden kann.
9. Elastokalorische Maschine (2) nach Anspruch 8, wobei das erste Schleusenelement (231 ) ausgebildet ist, eine erste Verbindung des ersten Schleusenraums (241 ) nur zu dem einen Kanal zu bilden, so dass das elastokalorische Element (20) von dem einen Kanal kommend in den ersten Schleusenraum (241 ) bewegt werden kann, das zweite Schleusenelement (232) ausgebildet ist, eine zweite Verbindung des zweiten Schleusenraums (242) nur zu dem anderen Kanal zu bilden, so dass das elastokalorische Element (20) von dem ersten Schleusenelement (241 ) kommend in den anderen Kanal bewegt werden kann, und das erste und das zweite Schleusenelement (231 , 232) weiter ausgebildet sind, das elastokalorische Element (20) bei Überführung von dem ersten Schleusenraum (241 ) zu dem zweiten Schleusenraum (242) von dem einen Kanal und dem anderen Kanal zu isolieren.
10. Verfahren zum Betreiben einer elastokalorischen Maschine (2) zum Austausch von Wärmeenergie mit einem Fluid (F1 ; F2), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Führen eines ersten Fluids (F1 ) in einem ersten Kanal (21 ), um Wärmeenergie durch das in dem ersten Kanal (21 ) geführte erste Fluid (F1 ) aufzunehmen, Führen eines zweiten Fluids (F2) in einem zweiten Kanal (12), um Wärmeenergie durch das in dem zweiten Kanal (22) geführte zweite Fluid (F2) abzugeben, Koppeln des ersten Kanals (21 ) und des zweiten Kanals (22) über eine Schleuseneinrichtung (23) derart, dass der erste Kanal (11 ) und der zweite Kanal (12) schleusenartig miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können,
Bewegen eines elastokalorischen Elements (20) entlang des ersten Kanals (21 ), während das elastokalorische Element (20) einen ersten Zustand einnimmt, bei dem das elastokalorische Element (20) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie an das erste Fluid (F1 ) abgibt, und Bewegen des elastokalorischen Elements (20) entlang des zweiten Kanals (22), während das elastokalorische Element (20) einen zweiten Zustand einnimmt, bei dem das elastokalorische Element (20) aufgrund des elastokalorischen Effekts Wärmeenergie von dem zweiten Fluid (F2) aufnimmt, wobei das elastokalorische Element (20) nach Durchlaufen von einem Kanal aus dem ersten Kanal (21 ) und dem zweiten Kanal (22) unter Vermittlung der Schleuseneinrichtung (23) von dem einen Kanal in den jeweils anderen Kanal geschleust wird, wobei das elastokalorische Element (20) im Zusammenspiel eines ersten Schleusenelements (231) der Schleuseneinrichtung (23) und eines in Reihe geschalteten zweiten Schleusenelements (232) der Schleuseneinrichtung (23) von dem einen Kanal in den anderen Kanal geschleust wird.
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