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.