Titel

Vorrichtung zum Wärmetausch

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmetausch unter Ausnutzung des barokalorischen Effekts. Zudem betrifft die Erfindung eine Wärmepumpe mit solch einer Vorrichtung zum Wärmetausch.

Stand der Technik

Der barokalorische Effekt beschreibt eine adiabatische Temperaturänderung eines Materials, wenn das Material mit einem isostatischen Druck beaufschlagt wird und eine Kontraktion des Volumens des Materials erfolgt. Durch den isostatischen Druck wird eine Umwandlung der Kristallstruktur, auch Phase genannt, in dem Material verursacht. Die Phasenumwandlung führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Materials. Wird die dabei freigesetzte Wärme abgeführt, erniedrigt sich die Temperatur und die Entropie nimmt ab. Wird dann die mechanische Kraft entfernt, wird wiederum eine umgekehrte

Phasenumwandlung (Rückumwandlung) verursacht, die zu einer Absenkung der Temperatur des Materials führt. Wird dem Material dann wieder Wärme zugeführt nimmt die Entropie wieder zu.

Nach der annähernd adiabaten Phasenumwandlung liegt die Temperatur über der Ausgangstemperatur. Die dabei entstandene Wärme kann beispielsweise an die Umgebung abgeführt werden und das Material nimmt dann

Umgebungstemperatur an. Wird nun die Phasenrückumwandlung initiiert, indem der isostatische Druck auf Umgebungsdruck reduziert wird, stellt sich eine niedrigere Temperatur als die Ausgangstemperatur ein. Es können

Temperaturdifferenzen zwischen maximaler Temperatur nach der

Phasenumwandlung und minimaler Temperatur nach der Rückumwandlung (bei zuvor abgegebener Wärme) von bis zu 15 °C erreicht werden. Materialien, an denen sich der barokalorische Effekt nachweisen lässt, werden als barokalorische Materialien bezeichnet. Solche barokalorische Materialien sind beispielsweise ferroelektrische Salze, Ammoniumsulfat (NH ₄ ) ₂ S0 ₄ , Silberiodid oder PDMS-(Polydimethylsiloxan)- Elastomere oder andere organische

Materialien. Der angelegte isostatische Druck verursacht eine

Phasenumwandlung - bei Ammoniumsulfat z.B. im Ordnungszustand des lonengitters -, die einen adiabatischen Temperaturanstieg zur Folge hat. Die erhöhte Temperatur kann nun in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben werden, was zu einer Abnahme der Entropie führt. Wird der an das

barokalorische Material angelegte isostatische Druck verringert, erfolgt eine Rückumwandlung und damit einhergehend eine adiabatische

Temperaturabsenkung.

Aktuell werden meist hydraulische Systeme mit Druckkammern verwendet, in denen der Druck mittels eines Fluids isostatisch auf das barokalorische Element aufgebracht wird. Bei solchen hydraulischen Systemen wird ein Teil der frei werdenden Wärme von dem Fluid aufgenommen.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Vorrichtung zum Wärmetausch vorgeschlagen, welche eine

Wärmequelle und eine Wärmesenke, einen Wärmetauscher und ein

barokalorisches Element umfasst. Der Wärmetauscher ist derart angeordnet und eingerichtet, dass er mit dem barokalorischen Element fest verbunden ist und zudem abwechselnd mit der Wärmequelle und der Wärmesenke verbindbar ist. Das barokalorische Element weist ein barokalorisches Material auf, welches bei angelegtem isostatischem Druck Wärme freisetzt. Wenn der Wärmetauscher mit der Wärmesenke verbunden ist, kann er Wärme vom barokalorischen Element zur Wärmesenke leiten. Wenn der Wärmetauscher mit der Wärmequelle verbunden ist, kann er Wärme von der Wärmequelle an das barokalorische Element leiten. Der Wärmetauscher ist z. B. als Stab, Blech oder Geflecht ausgebildet und weist vorzugsweise große Kontaktflächen sowohl zum barokalorischen Element als auch zur Wärmequelle bzw. zur Wärmesenke auf.

Zusätzlich ist ein Formgedächtnismaterial vorgesehen, welches bei einer Temperaturänderung eine Phasenumwandlung vollzieht, bei der sich das Formgedächtnismaterial verformt. Dieser Prozess wird nachfolgend auch als temperaturbedingten Verformung bezeichnet. Das Formgedächtnismaterial ist eingerichtet, bei seiner temperaturbedingten Verformung Druck auf das barokalorische Element auszuüben. Dabei kann der Druck bei der

temperaturbedingten Verformung durch die Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit durch Abkühlung oder bevorzugt bei der Phasenumwandlung von Martensit zu Austenit durch Erwärmung ausgeübt werden. Eine gezielte und steuerbare Erwärmung des Formgedächtnismaterials lässt sich leichter bewerkstelligen als eine Abkühlung. Hierfür kann beispielsweise ein weiter unten beschriebenes elektrisches Heizelement verwendet werden. Bei der jeweiligen Phasenrückumwandlung des Formgedächtnismaterials erfolgt eine

Rückverformung und das barokalorische Element wird wieder vom Druck entlastet.

Durch den bei der temperaturbedingten Verformung des

Formgedächtnismaterials ausgeübten Druck auf das barokalorische Element wird durch den barokalorischen Effekt Wärme in dem barokalorischen Material des barokalorischen Elements freigesetzt. Während das Formgedächtnismaterial Druck auf das barokalorische Element ausübt, ist der Wärmetauscher mit der Wärmesenke verbunden. Die im barokalorischen Element freigesetzte Wärme wird über den Wärmetauscher zu der Wärmesenke abgeleitet.

Im Anschluss erfolgt die Rückverformung des Formgedächtnismaterials, sodass das Formgedächtnismaterial keinen oder zumindest einen geringeren Druck auf das barokalorische Element ausübt. Aufgrund des geringeren Drucks findet eine Phasenrückwandlung innerhalb des barokalorischen Materials statt, welche dazu führt, dass die Temperatur des barokalorischen Material unter die

Umgebungstemperatur fällt, so dass nun Wärme aufgenommen werden kann. Während das Formgedächtnismaterial keinen Druck auf das barokalorische Element ausübt, ist der Wärmetauscher mit der Wärmequelle verbunden. Wärme aus der Wärmequelle wird über den Wärmetauscher dem barokalorischen Element zugeführt, welches die Wärme aufnimmt.

Vorteilhafterweise ist das Formgedächtnismaterial in Bezug auf das

barokalorische Element so angeordnet und eingerichtet, dass es den Druck gleichförmig auf das barokalorische Element ausübt. Dadurch wird erreicht, dass der isostatische Druck gleichmäßig auf das barokalorische Element einwirkt und folglich die Phasenumwandlung innerhalb des barokalorischen Materials homogen verteilt abläuft.

In einer bevorzugten Anordnung umschließt das Formgedächtnismaterial das barokalorische Element, wobei das barokalorische Element eingerichtet ist, den Druck zumindest in Richtung des barokalorischen Elements, das heißt nach Innen hin, auszuüben. Dadurch stehen die gesamte äußere Oberfläche des barokalorischen Elements und die gesamte innere Oberfläche des

Formgedächtnismaterials als Kontaktflächen zur Übertragung des Drucks zur Verfügung.

Hierfür eignen sich besonders gut ein in Kugelform ausgebildetes

barokalorisches Element und ein Formgedächtnismaterial in Form einer Kugelschale, welches um das barokalorische Element herum angeordnet ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn sich das Formgedächtnismaterial, während es um das barokalorische Element herum angeordnet wird, im verformten Zustand befindet. Durch die temperaturbedingte Verformung weist das

Formgedächtnismaterial die Tendenz auf, den Innendurchmesser der

Kugelschale zu verkleinern, allerdings verhindert das Vorhandensein des barokalorischen Elements ein Zusammenziehen. Stattdessen wird das barokalorische Element gewissermaßen eingezwängt bzw. gequetscht.

Demzufolge wird der isostatische Druck gleichmäßig auf die Oberfläche des kugelförmigen barokalorischen Elements verteilt ausgeübt.

Im Speziellen ist das Formgedächtnismaterial in Form einer Manschette oder als Drahtnetz ausgebildet. Die Manschette kann über das barokalorische Element gezogen werden. Vorzugsweise weist die Manschette ein elastisches Element auf, welches gedehnt werden kann, wenn die Manschette über das

barokalorische Element gezogen wird, und sich anschließend zusammenzieht. Alternativ kann die Manschette ein Stellelement aufweisen, mit der die

Manschette vergrößert werden kann, wenn die Manschette über das

barokalorische Element gezogen wird, und anschließend wieder verkleinert werden kann. Das Drahtnetz kann ebenfalls über das barokalorische Element gezogen werden, wobei die einzelnen Drähte des Formgedächtnismaterials anschließend ausgerichtet werden können, um eine gleichförmige Verteilung zu erreichen. Der Wärmetauscher kann durch das Drahtnetz hindurch ausgebildet sein. Sowohl die spezielle Ausgestaltung in Form einer Manschette als auch als Drahtnetz ist geeignet, das barokalorische Element zu umschließen und den isostatischen Druck gleichmäßig auf das barokalorische Element auszuüben. Beide Ausgestaltungen können, wie vorstehend beschrieben, als Kugelschale um das kugelförmige Element herum angeordnet sein.

Zwischen dem Formgedächtnismaterial und dem barokalorischen Element ist vorzugsweise eine Isolationslage angeordnet. Die Isolationslage ist eingerichtet, einen Wärmefluss zwischen dem barokalorischen Element und dem

Formgedächtnismaterial zu verhindern, sodass die aus dem barokalorischen Element freigesetzte Wärme nicht zum Formgedächtnismaterial Vordringen kann, wo diese die Rückverformung behindern würde. Gleichzeitig ist die Isolationslage eingerichtet, den vom Formgedächtnismaterial aufgebrachten Druck zum barokalorischen Element zu übertragen.

Wie bereits beschrieben ist der Wärmetauscher sowohl mit der Wärmequelle als auch mit der Wärmesenke verbindbar und zwar abhängig davon, ob gerade Druck am barokalorischen Element anliegt und somit Wärme freigesetzt wird oder ob gerade kein Druck anliegt und somit Wärme aufgenommen werden kann.

Um den Wärmetauscher zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke zu bewegen, kann gemäß einem Aspekt vorgesehen sein, dass zumindest das barokalorische Element beweglich gelagert ist, sodass der fest mit dem barokalorischen Element verbundene Wärmetauscher durch die Bewegung des barokalorischen Elements mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke verbunden wird. Der Ausdruck„beweglich gelagert“ umfasst neben einer linearen Bewegung vor allem auch eine Drehbewegung. Im Falle des kugelförmigen barokalorischen Elements ist die Drehbewegung durch Drehung an einer Radialachse durch den Mittelpunkt des barokalorischen Elements besonders einfach realisierbar. Gemäß einem weiteren Aspekt, kann die Wärmesenke und/oder die die Wärmequelle beweglich gelagert sein. Dann bewegt sich je nach Ansteuerung die Wärmequelle oder die Wärmesenke zu dem fest verbundenen Wärmetauscher hin, um sich mit diesem zu verbinden. Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist ein Federelement vorgesehen, welches den Wärmetauscher mit einer Kraft oder Vorspannung beaufschlagt, um diesen mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke zu verbinden. Hierfür kann der Wärmetauscher einen festen Abschnitt, der fest mit dem barokalorischen

Element verbunden ist, und einen beweglichen Abschnitt, auf den die Kraft oder die Vorspannung wirkt, aufweisen. Bevorzugt beaufschlagt das Federelement den Wärmetauscher so mit der Kraft oder der Vorspannung, dass dieser im Grundzustand, bei der kein Druck auf das barokalorische Element ausgeübt wird, an der Wärmequelle anliegt und mit dieser verbunden ist.

Vorteilhafterweise besteht das Federelement aus einem Formgedächtnismaterial. Wird das Federelement erwärmt, verformt sich dieses derart, dass es den Wärmetauscher von einer Position, bei dem der Wärmetauscher an der

Wärmequelle anliegt und mit dieser verbunden ist, in eine Position, bei dem der Wärmetauscher an der Wärmesenke anliegt und mit verbunden ist, oder umgekehrt bewegt. Optional kann eine Rückstellfeder vorgesehen sein, um den Wärmetauscher wieder in seine Grundstellung zu bewegen. Liegt der

Wärmetauscher, wie vorstehend beschrieben, im Grundzustand an der

Wärmequelle an, bewegt das Federelement bei Erwärmung den Wärmetauscher zu der Wärmesenke.

Darüber hinaus ist zumindest ein elektrisches Heizelement vorgesehen, das eingerichtet ist, das Formgedächtnismaterial zu erwärmen, um die

temperaturbedingte Verformung des Formgedächtnismaterials herbeizuführen. Vor allem wird das Formgedächtnismaterial, welches Druck auf das

barokalorische Element ausübt, durch das zumindest eine elektrische

Heizelement erwärmt. Das elektrische Heizelement bietet den Vorteil, dass dessen Erwärmung leicht zu steuern ist, beispielsweise durch ein Steuergerät, welches die Zufuhr von elektrischer Energie aus einer Strom-/Spannungsquelle steuert, und die Wärme gezielt an das Formgedächtnismaterial übertragbar ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Erwärmung des

Formgedächtnismaterials, welches Druck auf das barokalorische Element ausübt, mittels des zumindest einen elektrischen Heizelements und die

Erwärmung des Formgedächtnismaterials des Federelements von der gleichen Steuerung über die gleiche Strom-/Spannungsversorgung erfolgt. In diesem Fall wird durch die Erwärmung des Formgedächtnismaterials Druck auf das barokalorische Element ausgeübt und gleichzeitig der Wärmetauscher zu der Wärmesenke bewegt, sodass die zu diesem Zeitpunkt im das barokalorische Element freigesetzte Wärme zur Wärmesenke abgeführt wird.

Darüber hinaus wird eine Wärmepumpe vorgeschlagen, welche die

obengenannte Vorrichtung zum Wärmeaustausch aufweist. Die obengenannten Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gelten auch für die Wärmepumpe. Die Wärmepumpe kann beispielsweise Einsatz bei Kühlschränken/-truhen, beim Temperaturmanagement von Li- Ionen- Batterien und Festkörperbatterien sowie zur Erwärmung bzw. Kühlung des Innenraums von Fahrzeugen usw. finden, um nur einige Beispiele zu nennen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnitt-Darstellung einer ersten

Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 zeigt eine schematische Schnitt-Darstellung einer zweiten

Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils eine schematische Schnitt- Darstellung einer Vorrichtung zum Wärmetausch gemäß einer ersten Ausführungsform (Figur 1) und gemäß einer zweiten Ausführungsform (Figur 2) der Erfindung. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden im Folgenden nur einmal beschrieben.

Ein barokalorisches Element 3, welches aus barokalorischem Material besteht, weist eine Kugelform auf und ist von einem Formgedächtnismaterial 1 in Form einer Kugelschale umgeben. Das Formgedächtnismaterial 1 kann dabei das kugelförmige barokalorische Element 3 vollständig umschließen. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen ist das Formgedächtnismaterial 1 in Form einer Manschette oder als Drahtnetz um das barokalorische Element 3 herum angeordnet. Zwischen dem Formgedächtnismaterial 1 und dem barokalorischen Element 3 ist eine Isolationslage 2 angeordnet, die einen Wärmefluss zwischen dem barokalorischen Element 3 und dem Formgedächtnismaterial 1 verhindert. Gleichzeitig wird Druck vom Formgedächtnismaterial 1 zum barokalorischen Element 3 durch die Isolationsalge 2 hindurch übertragen.

An dem Formgedächtnismaterial 1 sind elektrische Heizelemente 4 vorgesehen, die sich erwärmen, wenn sie mit elektrischer Energie versorgt werden. Die elektrischen Heizelemente 4 sind mit einem Steuergerät 6 verbunden, welches einen elektrischen Strom, der von einer Strom-/Spannungsversorgung 61 bereitgestellt wird, steuert. Die von den Heizelementen 4 aufgebrachte Wärme wird an das Formgedächtnismaterial 1 übertragen, welches sich dadurch erwärmt. Die Erwärmung führt zu einer Phasenumwandlung des

Formgedächtnismaterials 1 von Martensit zu Austenit, durch welche sich das Formgedächtnismaterial 1 verformt. Bei der Verformung weist das

Formgedächtnismaterial 1 die Tendenz auf, sich zusammenzuziehen und dabei seinen Innendurchmesser zu verkleinern. Das Vorhandensein des

barokalorischen Elements 3 verhindert jedoch, dass das Formgedächtnismaterial 1 seinen entlasteten Grundzustand erreicht. Demzufolge wird ein isostatischer Druck aufgebaut, der nach innen gerichtet ist und durch die Isolationslage 2 hindurch auf das barokalorische Element 3 übertragen wird. Aufgrund der Form des Formgedächtnismaterials 1 als Kugelschale und der Kugelform des barokalorischen Elements 3 wird der isostatische Druck gleichförmig auf das barokalorische Element 3 ausgeübt. Als Folge des isostatischen Drucks erwärmt sich aufgrund des barokalorischen Effekts das barokalorische Material des barokalorischen Elements 3 durch Phasenumwandlung.

Zudem ist ein Wärmetauscher 5 vorgesehen, der z. B. in Form eines Stabs, eines Blechs oder eines Geflechts ausgebildet ist. Der Wärmetauscher 5 ist mit dem barokalorischen Element 1 fest verbunden und kann Wärme von dem barokalorischen Element 1 abführen oder dem barokalorischen Element 1 Wärme zuführen. Zu diesem Zweck ist der Wärmetauscher 5 entweder mit einer Wärmequelle 7 oder mit einer Wärmesenke 8 verbunden, indem er jeweils an einer der beiden anliegt. Die genaue Art und Weise, wie der Wärmetauscher 5 zwischen der Wärmequelle 7 und der Wärmesenke 8 bewegt wird, ist weiter unten beschrieben. Der Wärmetauscher 5 weist große Kontaktflächen sowohl zum barokalorischen Element 1 hin als auch an dem Abschnitt, der mit der Wärmequelle 7 bzw. mit der Wärmesenke 8 verbunden wird, auf. Erwärmt sich als Folge des isostatischen Drucks das barokalorische Material des

barokalorischen Elements 3 aufgrund des barokalorischen Effekts durch die Phasenumwandlung, wird der Wärmetauscher 5 mit der Wärmesenke 8 verbunden, sodass die freigesetzte Wärme über den Wärmetauscher 5 an die Wärmesenke 8 abgegeben wird. Dies erfolgt solange, bis das barokalorische Elements 3 und der Wärmetauscher 5 wieder die Umgebungstemperatur angenommen haben. Dann wird der Wärmetauscher 5 von der Wärmesenke 8 getrennt.

Wenn die elektrischen Heizelemente 4 im Anschluss nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt werden, kühlt auch das Formgedächtnismaterial 1 wieder ab und eine Phasenrückumwandlung von Austenit zu Martensit findet statt. Als Folge übt das Formgedächtnismaterial 1 nun keinen Druck mehr auf das barokalorische Element 3 aus, sodass auch dort eine Phasenrückumwandlung des barokalorischen Materials stattfindet. Bei dieser Phasenrückumwandlung des barokalorischen Materials kann das barokalorische Element 3 Wärme

aufnehmen. Hierfür wird der Wärmetauscher 5 mit der Wärmequelle 7 verbunden und die Wärme wird von der Wärmequelle 7 zum barokalorische Element 3 übertragen. Anschließend startet der eben beschriebene Prozess von neuem.

Um den Wärmetauscher 5 zwischen der Wärmequelle 7 und der Wärmequelle 8 und umgekehrt zu bewegen, ist in der ersten, in Figur 1 gezeigten

Ausführungsform vorgesehen, das barokalorische Element 3 mitsamt dem fest verbundenen Wärmetauscher 5 in der hier dargestellten Schnittebene um das Zentrum des kugelförmigen barokalorischen Elements 3 herum zu drehen.

Hierfür kann eine nicht dargestellte Drehvorrichtung vorgesehen sein, die das barokalorische Element 3 entlang der senkrecht zur Schnittebene stehenden Radialachse, die durch das Zentrum verläuft, dreht. Zusätzlich oder alternativ ist in der ersten Ausführungsform in Figur 1 vorgesehen, die Wärmequelle 7 und/oder die Wärmesenke 8 auf den Wärmetauscher 5 zu zu bewegen, bis die Wärmequelle 7 oder die Wärmesenke 8 an dem Wärmetauscher 5 anliegt, und die Wärmequelle 7 und/oder die Wärmesenke 8 von dem Wärmetauscher 5 weg zu bewegen. Hierfür kann ein ebenfalls nicht dargestellter linearer Antrieb vorgesehen sein, der die Wärmequelle 7 oder die Wärmesenke 8 separat oder beide gemeinsam bewegt. Die Drehbewegung des barokalorischen Elements 3 mitsamt dem Wärmetauscher 5 und die Bewegung der Wärmequelle 7 und/oder der Wärmesenke 8 können auch kombiniert eingesetzt werden.

In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die eine Alternative aufzeigt, den Wärmetauscher 5 zwischen der Wärmequelle 7 und der Wärmequelle 8 und umgekehrt zu bewegen. Es ist ein Federelement 9 vorgesehen, welches auf einen beweglichen Abschnitt 51 des Wärmetauschers 5 einwirkt, wobei der Wärmetauscher 5 weiterhin über einen festen Abschnitt 52 mit dem barokalorischen Element 3 verbunden ist. Das Federelement 9 besteht aus einem Formgedächtnismaterial und kann sich ebenfalls bei Erwärmung verformen. Bei Umgebungstemperatur ist das Federelement 9 nicht ausgelenkt und der Wärmetauscher 5 liegt an der Wärmequelle 7 an. Zudem kann eine Rückstellfeder 10 vorgesehen sein, die den Wärmetauscher 5 in Richtung der Wärmequelle 7 drückt. Das aus Formgedächtnismaterial bestehende

Federelement 9 wird über das Steuergerät 6 mit elektrischer Energie von der Strom-/Spannungsquelle 61 gespeist. Wird elektrischer Strom angelegt, erwärmt sich das Federelement 9 und verformt dabei. Durch die Verformung dehnt sich das Federelement 9 aus und bewegt den beweglichen Abschnitt 51 des

Wärmetauschers 5 zur Wärmesenke 8 hin, bis der Wärmetauscher 5 an der Wärmesenke 8 anliegt, wobei die Federkraft der Rückstellfeder 10 überwunden wird. Das Steuergerät 6 steuert die elektrische Energie derart, dass die

Heizelemente 4 versorgt werden und gleichzeitig das Federelement 9 gespeist wird. Dann wird die im barokalorischen Element 3 freigesetzte Wärme über den an der Wärmesenke 8 anliegenden beweglichen Abschnitt 51 des

Wärmetauschers 5 zur Wärmesenke 8 abgeleitet. Werden die Heizelemente 4 nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt, wird das Federelement 9 zeitgleich auch nicht mehr gespeist. In diesem Fall überwiegt die Rückstellkraft der Rückstellfeder 10 und der bewegliche Abschnitt 51 des Wärmetauschers 5 liegt wieder an der Wärmequelle 7 an und die Wärme wird von der Wärmequelle 7 über den Wärmetauscher 5 zum barokalorischen Element übertragen.