Elastokalorische Vorrichtung, Einspannung und entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elastokalorische Vorrichtung zum Austausch von Wärme, d.h. zur Wärmeenergieaufnahme und -abgabe, durch Verwendung eines elastokalorischen Materials. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Einspannung zum Einspannen elastokalorischen Materials und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elastokalorischen Vorrichtung.

Herkömmlicherweise werden eine oder mehrere derartige elastokalorischen Vorrichtungen in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen. Derartige Vorrichtungen verwenden elastokalorische Materialien, die auch als sog. Formgedächtnislegierungen (FGL) bekannt sind. Bei derartigen pseudoelastischen Legierungen lässt sich durch Eintrag von Wärme durch eine Wärmequelle eine starke Formänderung induzieren. Entfernt man die Wärmequelle wieder, nimmt das Metall seine 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 also vor dem Wärmeenergieaustausch einnehmen kann.

Im Speziellen wird das elastokalorische Material einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt, so dass es bei diesem zu einer kristallinen Phasenumwandlung kommt und sich dabei erwärmt. Diese entstehende Wärme wird beispielsweise wieder über eine Wärmesenke abgeführt, so dass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird nun die mechanische Beanspruchung entfernt d.h. es folgt eine Entspannung 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 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 Belastung und Entlastung bzw. Entspannung verbunden mit entsprechender Steuerung eines Fluidkreislaufs, welcher beispielsweise ein Kühlmittel wie Wasser aufweisen kann, lässt sich somit eine Wärmepumpe bzw. Kältemaschine realisieren.

Die Einleitung mechanischer Kräfte auf das elastokalorische Material erfolgt herkömmlicherweise über eine Einspannung, über welche Zugkräfte von bis zu 1000 MPa aufgebracht werden können.

In Fig. 1 ist beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte Einspannung 100 in perspektivischer Ansicht gezeigt.

In dem dargestellten Fall ist eine Rolle 120 mit einem Element bzw. Draht 110 aus elastokalorischem Material umwickelt. Die Rolle 120 weist an Endabschnitten Einspannabschnitte 121 auf, über welche die Rolle 120 einspannbar und belastbar ist. Durch Einleitung mechanischer Kräfte kann der Draht 110 mechanisch belastet und durch Aufhebung dieser mechanischen Kräfte wieder entspannt werden.

Weiterhin weist die Rolle 120 eine Wickelfläche 122 auf, welche bestimmungsgemäß mit dem Draht 110 aus elastokalorischem Material umwickelt wird. Dazu wird der Draht 110 aus elastokalorischem Material zunächst an einem Ende der Wickelfläche 122 mechanisch arretiert und mehrmals um die Wickelfläche 122 der Rolle 120 gewickelt.

Anschließend wird der Draht 110 von der Rolle 120 ausgehend zu einem Gegenlager der elastokalorischen Vorrichtung 100 geführt, umgelenkt, zur Rolle 120 zurückgeführt und wiederum um die Wickelfläche 122 der Rolle 120 gewickelt. Das Gegenlager kann beispielsweise durch eine weitere Rolle 120 ausgebildet werden. Dieser Vorgang wird wiederholt bis die Wickelfläche 122 der Rolle 120 vollständig umwickelt ist. Die Drähte 110 werden somit, wie gezeigt, in zwei Ebenen E zwischen der Rolle 120 und dem Gegenlager aufgespannt. Diese aus dem Stand der Technik bekannte Art der Einspannung bringt jedoch eine Mehrzahl von Problemen mit sich.

Das Belasten / Entlasten bzw. Spannen/ Entspannen des Drahtes durch Einleitung und Aufhebung der mechanischen Kräfte auf die Rolle führt zu einer Relativbewegung des Drahtes gegenüber der Rolle an den Abschnitten, an welchen der Draht mit der Rolle in Kontakt ist, das heißt an der Wickelfläche. Dies bewirkt Reibung zwischen dem Draht und der Rolle und führt somit zu erhöhtem Verschleiß. Weiterhin führt die Ausführung der Einspannung in Form der Rolle dazu, dass der Draht im Biegeradius beansprucht wird und somit einer ungünstigen Deformationssituation ausgesetzt wird. Die Reibung und die ungünstige mechanische Belastung führen somit zu einer Reduzierung der Lebensdauer der elastokalorischen Vorrichtung.

Weiterhin erfordert die elastokalorische Vorrichtung für den Betrieb eine definierte Vorspannung. Wird der Draht in Folge einer Belastung/ eines Spannens nicht - wie beabsichtigt - elastisch, sondern plastisch verformt, wird die Vorspannung innerhalb der elastokalorischen Vorrichtung herabgesetzt und ist gegebenenfalls nicht mehr ausreichend. Eine plastische Verformung hat daher negative Auswirkungen auf die Kühl-ZWärmeleistung der elastokalorischen Vorrichtung.

Wird ein Draht darüber hinaus übermäßig plastisch verformt und reißt in der Folge, führt dies zum Ausfall des gesamten Drahtbündels bzw. der Drähte, welche in dergleichen Ebene E aufgespannt sind.

Darüber hinaus ist die Herstellung der elastokalorischen Vorrichtung mit einer Einspannung in Form der Rolle komplex. So muss die Vorspannung des aufzubringenden Drahtes während des Fügens, Wickelns und Montierens bis hin zur Verwendung durchgehend aufrechterhalten werden. Die genannten Herstellungsschritte können darüber hinaus nicht in einer gemeinsamen Aufspannvorrichtung realisiert werden, wodurch die Erhaltung der Vorspannung weiter erschwert wird. Die zu erzielende Kühl-/Wärmeleitung der elastokalorischen Vorrichtung hängt in besonderer Weise von der Oberfläche des elastokalorischen Drahtes ab, welche mit einem zum Wärmeaustausch vorgesehenen Kühlmittel in Kontakt gelangt.

Eine Maßnahme, die Kühlleistung einer Vorrichtung zu erhöhen, besteht gemäß dem Stand der Technik daher darin, mehrere Einspannungen und/ oder mehrere Bündel in einer Einspannung zu kombinieren.

In Fig. 2 ist beispielhaft eine aus dem Stand der Technik bekannte Kombination von Einspannungen in einer Ansicht von oben gezeigt. In der gezeigten elastokalorischen Vorrichtung wird neben der zuvor beschriebenen Rolle 120 eine weitere Rolle 130 mit einem geringeren Durchmesser vorgesehen. So können die entsprechenden elastokalorischen Vorrichtungen 100 ineinander verschachtelt werden. Diese Kombination ist jedoch dahingehend nachteilig, dass die maximale Dehnung stets durch das Rollenpaar mit dem geringeren Durchmesser bestimmt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass dieses Rollenpaar aufgrund der Verschachtelung eine geringere Distanz überspannt und entsprechend einen geringeren Dehnungsweg erfahren kann. Beim äußeren Rollenpaar mit dem größeren Durchmesser wird die maximale Dehnung somit nicht erreicht, so dass die volle Effizienz dieses Rollenpaars nicht ausgeschöpft werden kann.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elastokalorische Vorrichtung, eine Einspannung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elastokalorischen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, anhand welcher sich eine effizientere Kühlleistung und/oder ein höherer Ausfallschutz erzielen lassen.

Diese Aufgabe wird durch eine elastokalorische Vorrichtung nach Anspruch 1 , eine Einspannung nach Anspruch 13 und ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße elastokalorische Vorrichtung ist eingerichtet bzw. dazu ausgelegt, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts ein elastokalorisches Material Wärmeenergie abgibt, und einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts das elastokalorische Material Wärmeenergie aufnimmt, und die elastokalorische Vorrichtung weist auf: mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente, und zumindest zwei, einander gegenüberliegende Einspannungen, welche jeweilige Endabschnitte eines jeden Elements derart einspannen, dass lediglich ein zwischen den gegenüberliegenden Einspannungen liegender Mittenabschnitt eines jeden Elements in den ersten Zustand und den zweiten Zustand zur Wärmenergieaufnahme und Wärmeenergieabgabe versetzt werden kann.

Bevorzugt sind eine oder mehrere der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtungen in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen.

Die jeweiligen Endabschnitte eines jeden Elements werden somit in vorteilhafterweise zwischen Abschnitten/Klemmteilen jeder Einspannung fest eingeklemmt bzw. eingespannt. Vorzugsweise erfolgt die Klemmung der jeweiligen Endabschnitte über eine Linien- oder Flächenpressung anhand der Klemmteile.

Der elastokalorische Effekt beschreibt die Eigenschaft bestimmter elastokalorischer Materialien, auf Änderung einer auf das Material ausgeübten mechanischen Belastung durch Abkühlung oder Erwärmung zu reagieren.

Vorzugsweise sind die Einspannungen eingerichtet, den ersten und den zweiten Zustand der mehreren Elemente herbeizuführen, indem der erste Zustand durch Kraftausübung, z.B. durch Belasten bzw. Spannen, auf die mehreren Elemente über die Einspannungen und der zweite Zustand durch Entspannen der mehreren Elemente unter Aufhebung der Kraftausübung bewirkt wird.

Bevorzugt können zwei sich gegenüberliegende Einspannungen und die mehreren Elemente eine elastokalorische Zelle bilden, wobei mehrere solcher Zellen in der elastokalorischen Vorrichtung vorgesehen sein können. Wird eine mechanische Belastung auf ein elastokalorisches Material aufgebracht, kommt es zu einer kristallinen Phasenumwandlung, wobei sich das elastokalorische Material erwärmt. In diesem ersten Zustand kann die entstehende Wärmeenergie an die Umgebung abgeführt werden, sodass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird die auf das elastokalorische Material wirkende mechanische Belastung in der Folge wieder entfernt, erfolgt die kristalline Phasenumwandlung in umgekehrter Weise, wobei sich das elastokalorische Material abkühlt. Entsprechend kann in diesem zweiten Zustand das elastokalorische Material Wärmeenergie aus der Umgebung aufnehmen. Durch zyklische Be- und Entlastung des Materials und entsprechende Wärmeenergiezufuhr und -abfuhr lässt sich ein Kreisprozess herstellen, mit dem man heizen, aber auch kühlen kann. Beispiele für elastokalorische Materialien sind Formgedächtnislegierungen wie Nickeltitan, welches bei mechanischer Belastung eine kristalline Phasenumwandlung von kubischer Austenit-Struktur zu einer metastabilen Martensit-Struktur vollzieht.

Die Elemente aus elastokalorischem Material werden vorzugsweise als dünne Streifen, Rohre oder als Drähte ausgeführt, damit einem Volumen des Elements eine möglichst große Oberfläche zur Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme zur Verfügung steht.

Eine mechanische Belastung kann bevorzugt durch Dehnung, Stauchung, Biegung, Scherung oder Torsion hervorgerufen werden, wobei die Verformung des Materials durch die mechanische Belastung innerhalb des elastischen Bereichs des Materials erfolgen sollte.

Des Weiteren kann die erfindungsgemäße elastokalorische Vorrichtung derart gestaltet sein, dass die Mittenabschnitte der mehreren Elemente eine einheitliche Länge aufweisen und/oder die jeweiligen Endabschnitte der Elemente feststehend in den Einspannungen eingeklemmt sind.

Vorteilhaft ist, dass die Endabschnitte der Elemente feststehend/unbeweglich gegenüber der Einspannung eingeklemmt sind. Somit ist die Reibung zwischen der Einspannung und den Elementen minimiert. Weiterhin findet bei mechanischer Belastung der Elemente keine Relativbewegung zwischen der Einspannung und den Endabschnitten der Elemente statt. Damit kann eine Lebensdauer des Elements erhöht werden.

Vorteilhaft ist weiterhin ein einzelnes Einklemmen der Elemente in der Einspannung über die jeweiligen Endabschnitte. Dadurch fällt bei Reißen eines Elements nur eben jenes Element aus, während die elastokalorische Vorrichtung mit übrigen Elementen aufgrund der Einzeleinspannung weiterhin betriebsfähig bleibt. Weiterhin werden dadurch im Idealfall ausschließlich die Mittenabschnitte belastet und entlastet bzw. gespannt und entspannt, um Wärmeenergie abzugeben oder aufzunehmen. Die Mittenabschnitte sollen bevorzugt keine weiteren Belastungen, wie Reibung, erfahren, so dass die Lebensdauer der Elemente erhöht ist. Die einheitliche Länge der Mittenabschnitte bewirkt vorzugsweise, dass die mechanische Belastung für alle Mittenabschnitte gleich ist. Erfolgt die mechanische Belastung beispielsweise durch Dehnung, erfahren alle Mittenabschnitte aufgrund der einheitlichen Länge die gleiche Dehnung und liefern folglich eine gleiche Wärmeleistung. Die Varianz zwischen den einzelnen Elementen wird somit minimiert.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße elastokalorische Vorrichtung derart verwirklicht sein, dass eine jeweilige Einspannung mehrere spheroidförmige/ellipsoidförmige Schalenelemente in unterschiedlicher Größe aufweist, die derart ineinandergefügt sind, dass die Endabschnitte der mehreren Elemente zwischen angrenzenden Schalenelementen eingeklemmt sind.

Ein RotationsspheroidZ-ellipsoid ist eine dreidimensionale Entsprechung einer kreisförmigen oder ellipsenförmigen Fläche, welche aufgrund deren Drehung um eine ihrer Achsen entsteht. Entsprechende Schalenelemente entstehen daher bevorzugt durch Rotation von kreisförmigen oder ovalen/elliptischen Flächen. Vorzugsweise werden auf diese Weise halbschalenförmige Elemente ausgebildet, welche konstruktiv, beispielsweise durch unterschiedliche Dimensionierung, ineinanderfügbar sind.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße elastokalorische Vorrichtung derart weitergebildet sein, dass ein erstes Schalenelement und ein daran angrenzendes zweites Schalenelement Endabschnitte aus einem einstückigen ersten Bündel aus mehreren Elementen einklemmen, und das zweite Schalenelement und ein daran angrenzendes drittes Schalenelement Endabschnitte aus einem sich von dem ersten Bündel unterscheidenden einstückigen zweiten Bündel aus mehreren Elementen einklemmen.

Bevorzugt umfasst ein Bündel mehrere Elemente, welche in vordefinierter Weise geometrisch angeordnet sind. Beispielsweise sind die mehreren Elemente in einer kreisförmigen oder ellipsenförmigen Anordnung ausgerichtet. Bei mehreren Bündeln entsteht somit eine konzentrische Anordnung der Bündel radial, zum Beispiel kreisförmig oder ellipsenförmig, um eine gemeinsame Längsachse der angrenzenden Schalenelemente.

Weiterhin ist ein Bündel bevorzugt zwischen ineinandergefügten bzw. angrenzenden Schalenelementen eingeklemmt. Ein Bündel kann auch einstückig derart ausgeführt sein, dass es mehrere zusammenhängende bzw. miteinander verbundene bzw. einstückige Elemente aufweist.

Alternativ kann die elastokalorische Vorrichtung derart weitergebildet sein, dass das erste Schalenelement, das daran angrenzende zweite Schalenelement und das daran angrenzende dritte Schalenelement Endabschnitte eines einzigen einstückigen Bündels einklemmen. Mit anderen Worten kann sich das einzige einstückige Bündel mit dessen zusammenhängenden Elementen über mehrere Schalenelemente erstrecken.

Vorzugsweise unterscheiden sich die Bündel in der Dimensionierung der vordefinierten geometrischen Anordnung, beispielsweise im Durchmesser.

Die ineinanderfügbaren Schalenelemente in Verbindung mit den Bündeln sind vorteilhaft, da eine bessere Bauraumausnutzung erzielt werden kann.

Bevorzugt ist das erste Schalenelement als halbkugelförmige Schale mit einem kleinsten Radius oder als ellipsoidförmige Schale mit kleinsten Halbachsen ausgebildet, wobei jedes weitere Schalenelement als halbkugelförmige oder ellipsoidförmige Schale mit einem jeweils größeren Radius oder jeweils größeren Halbachsen an das jeweils nächste Schalenelement mit kleinerem Radius oder kleineren Halbachsen angrenzt. Weiterhin können die Schalenelemente als ellipsoidförmige Halbschalen ausgebildet sein.

Vorzugsweise weisen die halbkugelförmigen oder ellipsoidförmigen Schalen neben einem spheroidförmigen/ellipsoidförmigen Abschnitt weiterhin einen zylindrischen Abschnitt auf. Die Einklemmung der mehreren Elemente in dem zylindrischen Abschnitt bewirkt, dass die Belastung der Elemente entlang deren Längsrichtung erfolgen kann und somit keine Belastung im Biegeradius erfolgt.

Alternativ sind angrenzende Schalenelemente über Befestigungsmittel gegeneinander verspannbar.

Vorzugsweise sind die jeweiligen Einspannungen in Form einer Platte ausgebildet, die in Umfangsrichtung verteilt mehrere Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten jeweiliger Elemente aufweisen.

Vorteilhaft ist, wenn die Platte als Kreisscheibe mit einer ebenen Oberfläche ausgeführt ist. Die Spanneinrichtungen können darüber hinaus sternförmig auf der Platte angeordnet sein.

Eine entsprechende Spanneinrichtung kann eine Aussparung und ein korrespondierendes in die Aussparung einsetzbares Spannelement aufweisen, wobei das Spannelement derart in die Aussparung einsetzbar ist, dass die Endabschnitte der mehreren Elemente zwischen der Aussparung und dem darin verspannten Spannelement eingespannt sind.

Vorteilhaft ist, wenn die Aussparung und das Spannelement formschlüssig ineinanderfügbar sind. Die Aussparungen und die Spannelemente können beispielsweise in der Art einer Nut-Feder-Verbindung verwirklicht werden, wobei die Elemente zwischen der Nut und der Feder eingeklemmt werden.

Ein Bündel umfasst bevorzugt mehrere Elemente, welche gemeinsam in der Spanneinrichtung eingeklemmt sind. Eine Mehrzahl von Bündeln kann über die Umfangsrichtung der Platte verteilbar sein. Damit ist die Möglichkeit einer effizienten und skalierbaren Bauraumausnutzung gegeben, indem mehr Elemente in dem vorhandenen Bauraum aufnehmbar sind.

Die Aussparung und das korrespondierende in die Aussparung einsetzbare Spannelement klemmen bevorzugt jeweils Endabschnitte von Elementen eines Bündels ein.

Die Klemmung kann bevorzugt durch Crimpen, Kleben oder Schweißen abgesichert werden.

Bevorzugt weist das Spannelement eine weitere Aussparung auf, in die ein weiteres korrespondierendes in die weitere Aussparung einsetzbares Spannelement einsetzbar ist, wobei das weitere Spannelement derart in die weitere Aussparung einsetzbar ist, dass die Endabschnitte der mehreren Elemente zwischen der weiteren Aussparung und dem darin verspannten weiteren Spannelement eingespannt sind.

Die weitere Aussparung und das korrespondierende in die weitere Aussparung einsetzbare weitere Spannelement klemmen bevorzugt jeweils Endabschnitte von Elementen eines anderen Bündels ein.

Bevorzugt sind die Einspannungen als Scheibe, vorzugsweise als Kreisscheibe, ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Einspannung zum Einklemmen von mehreren Elementen aus einem elastokalorischen Material weist auf: zumindest ein erstes Einspannungsteil und zweites Einspannungsteil, die derart ineinandergefügt sind, dass Endabschnitte der mehreren Elemente zwischen dem ersten Einspannungsteil und dem zweiten Einspannungsteil feststehend einklemmbar sind.

In Bezug auf die Einspannung ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung, welche eingerichtet ist, einen ersten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts ein elastokalorisches Material Wärmeenergie aufnimmt, und einen zweiten Zustand einzunehmen, bei dem auf der Grundlage des elastokalorischen Effekts das elastokalorische Material Wärmeenergie abgibt, weist die folgenden Schritte auf:

Einspannen von mehreren aus einem elastokalorischen Material ausgebildeten Elementen in zumindest zwei, einander gegenüberliegenden Einspannungen, welche jeweilige Endabschnitte eines jeden Elements derart einspannen, dass lediglich ein zwischen den gegenüberliegenden Einspannungen liegender Mittenabschnitt eines jeden Elements in den ersten Zustand und den zweiten Zustand zur Wärmenergieaufnahme und Wärmeenergieabgabe versetzt werden kann.

Vorteilhaft ist, wenn die Einspannungen in einer Aufnahme vorpositioniert werden. So kann der gesamte Herstellungsprozess sequentiell in der Aufnahme erfolgen. Teile der Einspannungen werden nacheinander zugestellt und die Elemente eines jeweiligen Bündels im direkt folgenden Teilprozess aufgebracht. Dabei werden die Elemente unter kontinuierlicher und homogener Vorspannung durch einen kontrollierten Elementverlegeprozess (Überwachung des Drahtzuges) über das gesamte Bündel aufgebracht. Somit ist ein montagefreundlicher Prozess gegeben, welcher weiterhin ein hohes Automationspotenzial bietet.

In Bezug auf das Verfahren ergeben sich darüber hinaus die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten elastokalorischen Vorrichtung.

Figur 2 zeigt eine Ansicht von oben einer Kombination von zwei der aus dem Stand der Technik bekannten Einspannungen.

Figur 3 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 4 zeigt eine Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung von Fig. 3.

Figuren 5A bis 5C zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.

Figuren 6A bis 6C zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Modifikation der ersten Ausführungsform.

Figur 7 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln.

Figur 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.

Figur 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln. Figuren 10A und 10B zeigen eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform mit ersten Bündeln in konstruktiv abgewandelten Formen.

Figur 11 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten und zweiten Bündeln.

Figur 12 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln und zweiten Bündeln in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.

Figur 13 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln und zweiten Bündeln anhand einer Explosionsdarstellung.

Figur 3 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 200 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine oder mehrere dieser elastokalorischen Vorrichtungen 200 können in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen sein. Die elastokalorische Vorrichtung 200 umfasst mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente 210. Diese Elemente 210 sind in zwei einander gegenüberliegenden Einspannungen 220 eingespannt, wobei aufgrund der Querschnittansicht nur eine der beiden Einspannungen 220 gezeigt ist. Die sich gegenüberliegenden Einspannungen 220 und die zugehörigen elastokalorischen Elemente 210 sind bevorzugt in Form von einer oder mehreren elastokalorischen Zellen ausgebildet.

Im konkret dargestellten Fall sind die Elemente 210 als dünne Drähte mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Die Elemente 210 sind in Bündel gruppiert bzw. zusammengefasst, wobei jedes Bündel eine Mehrzahl von Elementen 210 aufweist, die miteinander verbunden sind. Jedes Bündel ist somit ein einstückiges Bündel aus mehreren zusammenhängenden Elementen 210. In jedem Bündel sind die einzelnen Elemente 210 eines Bündels radial um eine Längsachse LA der elastokalorischen Vorrichtung 200 in gleichem Radius angeordnet und bilden somit eine Gruppierung. Unterschiedliche Bündel weisen somit Elemente 210 auf, die in unterschiedlichen Radien um die Längsachse LA der elastokalorischen Vorrichtung 200 angeordnet sind. Innerhalb eines Bündels ist der Abstand der Elemente 210 zu der Längsachse LA somit jeweils einheitlich. In der gezeigten ersten Ausführungsform umfasst die elastokalorische Vorrichtung 200 drei konzentrische Bündel B1-B3 von Elementen 210.

Figur 4 zeigt eine Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 200 von Fig. 3. Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, umfasst die Einspannung 220 vier halbkugelförmige Schalenelemente 221-224 in unterschiedlicher Größe, welche ineinandergefügt sind. Das erste halbkugelförmige Schalenelement 221 weist einen kleinsten Radius auf und jedes weitere Schalenelement 222-224 grenzt mit einem jeweils größeren Radius an das jeweils nächste Schalenelement mit kleinerem Radius an. Zwischen den angrenzenden Oberflächen der Schalenelemente 221-224 sind Endabschnitte 211 der Elemente 210 feststehend in der Einspannung 220 eingeklemmt. Dabei sind die Elemente 210 des ersten Bündels B1 feststehend zwischen dem ersten Schalenelement 221 und einem daran angrenzenden zweiten Schalenelement 222 eingeklemmt. Die Elemente 210 des zweiten Bündels B2 sind feststehend zwischen dem zweiten Schalenelement 222 und einem angrenzenden dritten Schalenelement 223 eingeklemmt. Darüber hinaus sind die Elemente 210 des dritten Bündels B3 zwischen dem dritten Schalenelement 223 und einem angrenzenden vierten Schalenelement 224 eingeklemmt. Die Schalenelemente 221- 224 bilden auf einer Seite der (ersten) Einspannung 220, welcher der nicht gezeigten gegenüberliegenden zweiten Einspannung zugewandt ist, eine gemeinsame Fläche A aus. Damit weisen Mittenabschnitte 212 der Elemente 210, welche zwischen den beiden gegenüberliegenden Einspannungen 220 liegen, eine einheitliche Länge auf. Die Mittenabschnitte 212 liegen frei und sind somit für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung eingerichtet. Weiterhin weisen die Schalenelemente 221-224 eine konzentrische Bohrung B auf.

Über diese Bohrung sind die Schalenelemente 221 -224 mittels einem nicht gezeigten Befestigungsmittel miteinander bzw. gegeneinander verspannbar.

Figuren 5A bis 5C zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 200 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.

Schritt 1 (Figur 5A)

Die ersten Schalenelemente 221 , welche den kleinsten Radius aufweisen, werden einander gegenüberliegend in einer nicht gezeigten Aufnahme vorpositioniert. Anschließend werden die mehreren Elemente 210 des ersten Bündels B1 auf die ersten Schalenelemente 221 aufgebracht, so dass die jeweiligen Endabschnitte 211 der Elemente 210 des ersten Bündels B1 in Kontakt mit den ersten Schalenelementen 221 sind und die Mittenabschnitte 212 zwischen den beiden einander gegenüberliegenden ersten Schalenelementen 221 freiliegen.

Schritt 2 (Figur 5B)

Anschließend werden jeweils die zweiten Schalenelemente 222 mit dem nächstgrößeren Radius mit den ersten Schalenelemente 221 mit dem kleinsten Radius ineinandergefügt, so dass die Endabschnitte 211 eines jeden Elements 210 des ersten Bündels jeweils zwischen den angrenzenden Oberflächen der ersten Schalenelemente 221 und der zweiten Schalenelemente 222 feststehend eingeklemmt sind, während die Mittenabschnitte 212 weiterhin freiliegen.

Schritt 3 (Figur 5C)

Anschließend werden die mehreren Elemente 210 des zweiten Bündels B2 auf die zweiten Schalenelemente 222 aufgebracht, so dass die jeweiligen Endabschnitte 211 der Elemente 210 des zweiten Bündels B2 in Kontakt mit den zweiten Schalenelementen 222 sind und die Mittenabschnitte 212 zwischen den beiden einander gegenüberliegenden zweiten Schalenelementen 222 freiliegen. Im Anschluss können weitere Schalenelemente (z.B. 223 in Fig. 4) und Bündel (z.B. B3 in Fig. 4) zugeführt bzw. angefügt werden, bis abschließende Schalenelemente (z.B. 224 in Fig. 4) aufgebracht werden. Figuren 6A bis 6C zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 in einer Modifikation der ersten Ausführungsform, wobei die mehreren Elemente 210 einstückig ausgebildet sind.

Figur 6A zeigt dabei eine erste Möglichkeit der Ausbildung der mehreren Elemente 210 des ersten Bündels als einstückiges Element, bzw. als einstückiges Bündel aus mehreren Elementen 210. Das erste Schalenelement 221 umfasst hierzu zylindrische Führungselemente 2211 in Form von herausstehenden kurzen Bolzen, welche radial um die Längsachse LA herum auf der angrenzenden Oberfläche des ersten Schalenelements 221 angeordnet sind.

Das einstückige erste Bündel wird zunächst von einem ersten Schalenelement 221 zu einem anderen ersten Schalenelement 221 geführt. Die ersten Schalenelemente 221 werden daraufhin um die Längsachse LA gedreht, wobei das einstückige Bündel zunächst an einem ersten zylindrischen Führungselement 2211 des anderen ersten Schalenelements 221 geführt wird und in eine in dem anderen ersten Schalenelement 221 ausgebildete Nut gelegt wird. Anschließend wird das einstückige Bündel um ein zweites Führungselement 2212 auf dem anderen ersten Schalenelement 221 geführt und anschließend zu dem einen ersten Schalenelement 221 zurückgeführt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt bis alle zylindrischen Führungselemente 2211 mit dem einstückigen Bündel belegt sind.

Figur 6B zeigt eine zweite Möglichkeit der Ausbildung der mehreren Elemente 210 des ersten Bündels als einstückiges Element, bzw. als einstückiges Bündel aus mehreren Elementen 210. Das erste Schalenelement 221 umfasst hierzu ebenfalls die zylindrischen Führungselemente 2211 , welche radial um die Längsachse LA herum auf der angrenzenden Oberfläche des ersten Schalenelements 221 angeordnet sind.

Das einstückige Bündel wird zunächst von dem einen ersten Schalenelement 221 zu dem anderen ersten Schalenelement 221 geführt. Anschließend wird das einstückige Bündel um ein erstes zylindrisches Führungselement 2211 geführt. In der Folge wird das einstückige Bündel zu dem einen Schalenelement 221 zurückgeführt und um ein zweites zylindrisches Führungselement 2212 geführt. Das einstückige Bündel wird folglich mäanderförmig auf die ersten Schalenelemente 221 aufgebracht. Ein beispielhaftes Ergebnis dieses Vorgangs ist in Figur 6C gezeigt.

Figur 7 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 300 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln B11-B14. Figur 8 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 300 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung. Eine oder mehrere dieser elastokalorischen Vorrichtungen 300 können in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen sein.

Die elastokalorische Vorrichtung 300 umfasst mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente 310. Diese Elemente 310 sind in zwei einander gegenüberliegenden Einspannungen 320 eingespannt, wobei aufgrund der Querschnittansicht nur eine der beiden Einspannungen 320 gezeigt ist. Die sich gegenüberliegenden Einspannungen 320 und die elastokalorischen Elemente 310 können auch als eine oder mehrere elastokalorische Zellen vorgesehen werden.

Im konkret dargestellten Fall sind die Elemente 310 als dünne Drähte mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Darüber hinaus sind die Elemente 310 in die vier ersten Bündel B11-B14 gruppiert bzw. zusammengefasst.

Die Einspannung 320 umfasst ein erstes Einspannungsteil 321 , welches im dargestellten Fall als Platte/ Kreisscheibe ausgebildet ist. Das erste Einspannungsteil 321/ die Platte weist in Umfangsrichtung verteilt vier Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 311 jeweiliger Elemente 310 der ersten Bündel B11 - B14 auf.

Das erste Einspannungsteil 321 / die Platte umfasst dazu auf einer Seite Vorsprünge, die Aussparungen 3211 -3214 aufweisen, wobei korrespondierende in die Aussparungen 3211 -3214 einsetzbare Spannelemente 3221 -3224 vorgesehen sind. Die einsetzbaren Spannelemente 3221 -3224 sind über ein Verbindungsteil zu einem zweiten Einspannungsteil 322 miteinander verbunden bzw. einstückig ausgebildet. Die Endabschnitte 311 der Elemente 310 werden zwischen angrenzenden Flächen der Aussparungen 3211-3214 und der korrespondierenden Spannelemente 3221-3224 feststehend eingeklemmt bzw. eingespannt.

Mittenabschnitte 312 der Elemente 310 aller ersten Bündel B11 -B14, welche zwischen den beiden gegenüberliegenden Einspannungen 320 liegen, weisen eine einheitliche Länge auf. Die Mittenabschnitte 312 liegen frei und sind somit für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung eingerichtet.

Weiterhin weisen das erste Einspannungsteil 321 / die Platte, auf welcher die Vorsprünge mit den Aussparungen 3211-3214 ausgebildet sind, und das zweite Einspannungsteil 322, welches die Spannelemente 3221-3224 aufweist, eine konzentrische Bohrung auf. Über diese Bohrung sind die korrespondierenden Spannelemente 3221-3224 und die jeweiligen Aussparungen 3211-3214 mit einem Befestigungsmittel, im gezeigten Fall mit einer Schraube S, miteinander bzw. gegeneinander verspannbar.

Das erste Einspannungsteil 321 / die Platte, welche die Aussparungen 3211-3214 aufweist, wird in einer nicht gezeigten Aufnahme vorpositioniert.

Anschließend werden über die Spannelemente 3221-3224, auf welchen bereits die mehreren Elemente 310 der ersten Bündel B11 -B14 angeordnet sind, die Aussparungen 3211-3214 der ersten Platte 321 gefügt, so dass die jeweiligen Endabschnitte 311 der Elemente 310 der ersten Bündel B11-14 in Kontakt zwischen den Aussparungen 3211-3214 und den Spannelementen 3221-3224 feststehend eingeklemmt sind und die Mittenabschnitte 312 freiliegen.

Abschließend werden das erste Einspannungsteil 321 / die Platte und das zweite Einspannungsteil 322, welches die Spannelemente 3221-3224 aufweist, durch Einsetzen der Schraube S in die Bohrung gegeneinander verspannt.

Figur 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 300 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln B11-B14. In dem dargestellten Fall sind die Verklemmung der Aussparungen 3211-3214 und der korrespondierenden Spannelemente 3221-3224 zusätzlich durch Verklebung/Verschweißung 331 und/oder durch Crimpen 332 (Verbindung durch plastische Verformung) der jeweiligen korrespondierenden Paarungen gesichert.

Figuren 10A und 10B zeigen eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 300 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln in konstruktiv abgewandelten Formen.

Die in Figur 10A gezeigte elastokalorische Vorrichtung 300 umfasst in Umfangsrichtung verteilt fünf Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 311 jeweiliger Elemente 310 von ersten Bündeln B11 ‘-B15‘.

Die in Figur 10B gezeigte elastokalorische Vorrichtung 300 umfasst in Umfangsrichtung verteilt sechs Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 311 jeweiliger Elemente 310 von ersten Bündeln B11 “-B16“.

Über eine Erhöhung der Anzahl der Spannelemente bzw. der ersten Bündel kann eine Erhöhung einer Packungsdichte der elastokalorischen Vorrichtung 310 bewirkt werden.

Figur 11 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 400 gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln B11-B14 und zweiten Bündeln B21-B24. Eine oder mehrere dieser elastokalorischen Vorrichtungen 400 können in einer elastokalorischen Maschine verbaut bzw. aufgenommen sein. Die elastokalorische Vorrichtung 400 umfasst mehrere aus einem elastokalorischen Material ausgebildete Elemente 410. Diese Elemente 410 sind in zwei einander gegenüberliegenden Einspannungen 420 eingespannt, wobei aufgrund der Querschnittansicht nur eine der beiden Einspannungen 420 gezeigt ist. Die sich gegenüberliegenden Einspannungen 420 und die elastokalorischen Elemente 410 können auch als eine oder mehrere elastokalorische Zellen vorgesehen werden. Im konkret dargestellten Fall sind die Elemente 410 als dünne Drähte mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Darüber hinaus sind Elemente 410 in erste Bündel B11 -B14 und zweite Bündel B21 -B24 unterteilt.

Figur 12 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 400 gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit ersten Bündeln B11 -B14 und zweiten Bündeln B21 -B24 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung.

Die Einspannung 420 umfasst ein erstes Einspannungsteil 421 , im gezeigten Fall eine Platte, welche im dargestellten Fall als Kreisscheibe ausgebildet ist. Die Platte 421 bildet in Umfangsrichtung verteilt vier Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 411 jeweiliger Elemente 410 der ersten Bündel B11 -B14 aus.

Das erste Einspannungsteil 421 bzw. die Platte umfasst dazu auf einer Seite Vorsprünge, die Aussparungen 4211 -4214 aufweisen, wobei korrespondierende in die Aussparungen 4211 -4214 einsetzbare Spannelemente 4221 -4224 vorgesehen sind. Die einsetzbaren Spannelemente 4221 -4224 sind über ein Verbindungsteil zu einem zweiten Einspannungsteil 422 miteinander verbunden. Die Endabschnitte 411 der Elemente 410 der ersten Bündel B11 -B14 werden zwischen angrenzenden Flächen der Aussparungen 4211 -4214 und der korrespondierenden Spannelemente 4221 -4224 feststehend eingeklemmt bzw. eingespannt.

Weiterhin sind in den Spannelementen 4221 -4224 vier weitere Spanneinrichtungen zum Einspannen von Endabschnitten 411 jeweiliger Elemente 410 zweiter Bündel B21 -B24 ausgebildet. Dazu umfassen die Spannelemente 4221 -4224 weitere Aussparungen 4221 ‘-4224‘, wobei korrespondierende in die weiteren Aussparungen 4221 '-4224' einsetzbare weitere Spannelemente 4231-4234 vorgesehen sind. Die weiteren einsetzbaren Spannelemente 4231 -4234 sind über ein weiteres Verbindungsteil zu einem dritten Einspannungsteil 423 miteinander verbunden. Die Endabschnitte 411 der Elemente 410 der ersten Bündel B11 -B14 sind zwischen angrenzenden Flächen der weiteren Aussparungen 4221 '-4224' und der korrespondierenden weiteren Spannelemente 4231 -4234 feststehend eingeklemmt bzw. eingespannt. Mittenabschnitte 412 der Elemente 410 aller ersten Bündel B11 -B14 und aller zweiten Bündel B21 -B24, welche zwischen den beiden gegenüberliegenden Einspannungen 420 liegen, weisen eine einheitliche Länge auf. Die Mittenabschnitte 412 liegen frei und sind somit für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung eingerichtet.

Weiterhin weisen das erste Einspannungsteil 421/ die Platte, auf welcher die Vorsprünge mit den Aussparungen 4211-4214 ausgebildet sind, das zweite Einspannungsteil 422 , welches die Spannelemente 4221 -4224 aufweist, und das dritte Einspannungsteil 423, welches die weiteren Spannelemente 4231 -4234 aufweist, eine konzentrische Bohrung auf. Über diese Bohrung sind die korrespondierenden Spannelemente 4221 -4224 und die jeweiligen Aussparungen 4211 -4214 sowie die korrespondierenden weiteren Spannelemente 4231 -4234 und die jeweiligen Aussparungen 4221 '-4224' mit einem Befestigungsmittel, im gezeigten Fall mit einer Schraube S, miteinander verspannbar.

Figur 13 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen elastokalorischen Vorrichtung 400 von Figur 12 gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform der Erfindung anhand einer Explosionsdarstellung.

Im Folgenden wird auf Figur 13 in Zusammenschau mit Figur 12 verwiesen.

Die Platte bzw. das erste Einspannungsteil 421 , welches die Vorsprünge mit den Aussparungen 4211-4214 aufweist, das zweite Einspannungsteil 422, welches die Spannelemente 4221 -4224 und die weiteren Aussparungen 4221 '-4224' umfasst, und das dritte Einspannungsteil 423, welches die weiteren Spannelemente 4231- 4234 umfasst, werden in einer nicht gezeigten Aufnahme vorpositioniert.

Zunächst werden die weiteren Spannelemente 4231 -4234 des dritten Einspannungsteils 423 mit den mehreren Elementen 410 der zweiten Bündel B21 - B24 umwickelt. Anschließend wird das zweite Einspannungsteil 422 durch Aufbringen der weiteren Aussparungen 4221 '-4224' auf die weiteren umwickelten weiteren Spannelemente 4231-4234 positioniert, so dass die jeweiligen Endabschnitte 411 der Elemente 410 der zweiten Bündel B21-24 zwischen den Aussparungen 4221 '-4224' und den weiteren Spannelementen 4231-4234 feststehend eingeklemmt sind und die Mittenabschnitte 412 freiliegen.

Anschließend werden die Spannelemente 4221-4224 des zweiten Einspannungsteils 422 mit den mehreren Elementen 410 der ersten Bündel B11 -B14 umwickelt.

Danach wird das erste Einspannungsteil bzw. die Platte 421 durch Aufbringen der Aussparungen 4211-4214 auf die umwickelten Spannelemente 4221-4224 positioniert, so dass die jeweiligen Endabschnitte 411 der Elemente 410 der ersten Bündel B11-14 zwischen den Aussparungen 4211-4214 und den Spannelementen 4221-4224 feststehend eingeklemmt sind und die Mittenabschnitte 412 freiliegen.

Abschließend werden die Platte/ das erste Einspannungsteil 421 , das zweite Einspannungsteil 422, welches die Spannelemente 4221-4224 umfasst, und das dritte Einspannungsteil 423, welches die weiteren Spannelemente 4231-4234 umfasst, durch Einsetzen der Schraube S in die Bohrung miteinander verspannt.

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.