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Title:
METHOD FOR THE STABILISATION AND/OR OPEN-LOOP AND/OR CLOSED-LOOP CONTROL OF A WORKING TEMPERATURE, HEAT EXCHANGER UNIT, DEVICE FOR TRANSPORTING ENERGY, REFRIGERATING MACHINE AND HEAT PUMP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/156298
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for the stabilisation and/or open-loop and/or closed-loop control of the working temperature of a cycle-based system using at least one heat exchanger unit comprising at least one calorifically effective material element. The essential feature is that a base temperature of the calorifically effective material element (11, 12) is controlled by a coolant fluid. The invention also relates to a heat exchanger unit, a refrigerating machine and a heat pump.

Inventors:
FITGER ANDREAS (DE)
MAHLKE ANDREAS (DE)
BACHMANN NORA (DE)
CORHAN PATRICK (DE)
MAIER LENA MARIA (DE)
BARTHOLOMÉ KILIAN (DE)
SCHÄFER-WELSEN OLAF (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/052529
Publication Date:
August 12, 2021
Filing Date:
February 03, 2021
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
International Classes:
F25B21/00; F25B23/00; F25B25/00
Foreign References:
DE102015221322A12017-05-04
US20120272665A12012-11-01
DE112018000412T52019-10-02
US20190264958A12019-08-29
CN108679875A2018-10-19
DE102014010476B32015-12-24
DE102015121657A12017-06-14
Attorney, Agent or Firm:
LEMCKE, BROMMER & PARTNER PATENTANWÄLTE PARTNERSCHAFT MBB (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Betrieb kreisprozessbasierter Systeme mit einem Heißseiten reservoir (2) und einem Kaltseitenreservoir (3) und zumindest einer Fluid kammer (4, 5), einem Verdampferbereich und einem Kondensatorbereich für ein Arbeitsfluid und zumindest einer Wärmeübertragereinheit mit zumindest einem kalorisch wirksamen Materialelement (11 , 12), wobei das kalorisch wirksame Materialelement (11 , 12) in der Fluidkammer (4, 5) mittelbar oder unmittelbar in Wirkverbindung mit dem Arbeitsfluid angeordnet ist und ein Wärmeübertrag zwischen dem kalorisch wirksamen Material des kalorisch wirksamen Materialelements (11 , 12) und dem Arbeitsfluid mittels latentem Wärmeübertrag erfolgt, folgende Verfahrensschritte umfassend:

A Aktivieren eines elektrischen Feldes und/oder magnetischen Feldes und/oder mechanischen Spannungs-Feldes, sodass das kalorisch wirk same Material zumindest temporär einer Wechselwirkung mit dem ge nannten elektrischen Feld und/oder magnetischen Feld und/oder mecha nischen Spannungs-Feld ausgesetzt ist;

B Verdampfen des Arbeitsfluids durch Erwärmen des kalorisch wirksamen Materials durch eine in Verfahrensschritt A induzierte erste Tempera turänderung des kalorisch wirksamen Materials über eine Basistempera tur;

C Abführen des Arbeitsfluids zu dem Heißseitenreservoir (2) und Konden sieren des Arbeitsfluids an dem Kondensatorbereich, wobei Wärme mit tels latenter Wärme des verdampften Arbeitsfluids transportiert wird;

D Rücktransport des kondensierten Arbeitsfluids von dem Kondensatorbe reich zu dem Verdampferbereich;

E Deaktivieren des elektrischen und/oder magnetischen und/oder elasti schen Feldes;

F Zweite, entgegengesetzte Temperaturänderung des kalorisch wirksamen Materials unter die Basistemperatur;

G Zuführen des Arbeitsfluids von dem Kaltseitenreservoir (3) in die Fluid kammer, wobei Wärme mittels latenter Wärme des verdampften Arbeits fluids von dem Verdampferbereich in die Fluidkammer transportiert wird; dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Kühlfluids die Basistemperatur des kalorisch wirksamen Materialelements gesteuert oder geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wiederholt wird, insbesondere, dass eine Mehrzahl von Fluidkammern (4, 5) in Reihe oder parallel geschaltet sind, sodass das Ar beitsfluid die in Reihe oder parallel geschalteten Fluidkammern (4, 5) durch strömt und das Verfahren in den in Reihe oder parallel geschalteten Fluid kammern zyklisch wiederholt wird.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Kühlfluids die Basistemperatur des kalorisch wirksamen Ma terialelements (11 , 12) an eine ideale Arbeitstemperatur für das kalorisch wirksame Material angepasst wird, insbesondere dass eine Mehrzahl von Fluidkammern (4, 5) in Reihe oder parallel geschaltet sind und die Basistem peratur des kalorisch wirksamen Materialelements (11 , 12) der in Reihe oder parallel geschalteten Fluidkammern (4, 5) jeweils an eine ideale Arbeitstem peratur für das kalorisch wirksame Material der jeweiligen Fluidkammer (4,

5) angepasst wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsfluid und Kühlfluid räumlich getrennt sind, insbesondere, dass Arbeitsfluid und Kühlfluid in zwei getrennten Flüssigkeitskreisläufen (16, 17) zirkulieren.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid durch das kalorisch wirksame Materialelement (11 , 12) geleitet wird, vorzugsweise dass das Kühlfluid durch zumindest einen Kanal (13, 14) in dem kalorisch wirksamen Materialelement (11 , 12) geleitet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid als Kühlfluid eingesetzt wird, insbesondere, dass eine Fluidrückführung des Arbeitsfluids von dem Heißseitenreservoir (2) zu dem Kaltseitenreservoir (3) als Kühlfluid durch das kalorisch wirksame Materialel ement (11 , 12) oder an dem kalorisch wirksamen Materialelement (11 , 12) vorbeigeleitet wird, sodass Kühlfluid und kalorisch wirksames Material des kalorisch wirksamen Materialelements (11 , 12) in Wirkverbindung stehen und/oder dass eine Fluidverbindung von dem Kaltseitenreservoir (3) als Kühlfluid durch das kalorisch wirksame Materialelement (11 , 12) oder an dem kalorisch wirksamen Materialelement (11 , 12) vorbeigeleitet wird, so dass Kühlfluid und kalorisch wirksames Material des kalorisch wirksamen Materialelements (11 , 12) in Wirkverbindung stehen. 7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kalorisch wirksame Material einem elektrischen Feld und/oder mag netischen Feld und/oder mechanischen Spannungs-Feld ausgesetzt wird, wobei das mechanischen Spannungs-Feld in Form einer mechanischen Spannung in dem kalorisch wirksamen Material erzeugt wird, vorzugsweise durch eine Zug- und/oder Druckbelastung des kalorisch wirksamen Materials, eine Scherung und/oder eine Kompression des kalorisch wirksamen Materi als, wobei durch die Zug- und/oder Druckbelastung des kalorisch wirksamen Materials eine Temperaturänderung des kalorisch wirksamen Materials er- zeugt wird, und/oder das elektrische Feld mittels eines elektrischen Konden sators erzeugt wird, wobei durch das elektrische Feld eine Temperaturände rung des kalorisch wirksamen Materials erzeugt wird, und/oder das magneti sche Feld mittels eines Permanentmagneten, vorzugsweise mittels eines be wegbaren Permanentmagneten erzeugt wird, wobei durch das magnetische Feld eine Temperaturänderung des kalorisch wirksamen Materials erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transportmittel für das Arbeitsfluid und/oder das Kühlfluid, insbe sondere in Form eines Verdichters, durch einen Hub, der durch die Mittel zur Erzeugung des mechanischen Spannungs-Feldes entsteht, angetrieben wird.

9. Wärmeübertragereinheit für ein kreisprozessbasiertes System, insbesondere für eine Wärmepumpe und/oder eine Kühlvorrichtung und/oder eine Wärme kraftmaschine, welche Wärmeübertragereinheit zumindest ein kalorisch wirk sames Materialelement (11 , 12) mit kalorisch wirksamem Material umfasst, wobei das kalorisch wirksame Material in Wirkverbindung mit einem Arbeits fluid angeordnet ist, sodass Wärme zwischen Arbeitsfluid und kalorisch wirk samem Material übertragbar ist und der Wärmeübertrag zwischen Arbeits fluid und kalorisch wirksamem Material im Wesentlichen mittels latenten Wärmeübertrags erfolgt dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragereinheit eine Regulierungsvorrichtung zur Steue rung oder Regelung einer Basistemperatur des kalorisch wirksamen Material elements umfasst.

10. Wärmeübertragereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierungsvorrichtung als zumindest ein Fluidkanal (13, 14) für ein Kühlfluid in Wirkverbindung mit dem kalorisch wirksamen Material, insbe sondere an dem kalorisch wirksamen Material oder durch das kalorisch wirk same Material verlaufend, ausgebildet ist.

11 . Wärmeübertragereinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid Wasser, Alkohol, Butan, Propan, CO2, NH3 und/oder ein Gemisch der vorgenannten Fluide ist.

12. Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierungsvorrichtung zumindest eine Pumpe (18) zum Pumpen des Kühlfluids und/oder eine Drossel (23) umfasst.

13. Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid als Kühlfluid eingesetzt wird, insbesondere dass eine Fluidrückführung (15) des kreisprozessbasierten Systems derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass das Arbeitsfluid in der Fluidrückführung (15) in Wirkverbindung mit dem kalorisch wirksamen Material gebracht wird.

14. Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidrückführung (15) des kreisprozessbasierten Systems derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass das Arbeitsfluid mittels der Fluidrück führung (15) zu dem kalorisch wirksamen Material geführt wird, sodass eine Benetzung einer Oberfläche des kalorisch wirksamen Materials in der Fluid kammer erfolgt.

15. Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkeitskreislauf (16) für das Arbeitsfluid und ein Flüssigkeits kreislauf (17) für das Kühlfluid, insbesondere räumlich getrennt, vorgesehen sind.

16. Vorrichtung zum Transport von Energie, betreibbar als Wärmepumpe und/o der Kühlvorrichtung, umfassend ein Heißseitenreservoir (2) und ein Kaltseitenreservoir (3) für ein Arbeits fluid, zumindest eine Fluidkammer (4, 5), die über Fluidleitungen (6) mit dem Heißseitenreservoir (2) und dem Kaltseitenreservoir (3) verbunden ist, wobei zumindest ein Heißseitenventil (9) zwischen Heißseitenreservoir (2) und

Fluidkammer (4, 5) und zumindest ein Kaltseitenventil (7) zwischen Kaltsei tenreservoir (3) und Fluidkammer (4, 5) vorgesehen ist, und in der Fluidkammer (4, 5) ein kalorisch wirksames Materialelement (11 , 12) mit kalorisch wirksamem Material angeordnet ist und das kalorisch wirk same Material in Wirkverbindung mit dem Arbeitsfluid angeordnet ist, sodass Wärme zwischen Arbeitsfluid und kalorisch wirksamem Material mittels laten ten Wärmeübertrags übertragbar ist, wobei die Vorrichtung Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und/o der magnetischen Feldes und/oder mechanischen Spannungs-Feldes für das kalorisch wirksame Material aufweist, sodass das kalorisch wirksame Mate rial in einem Wechselwirkungsbereich des Feldes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprü che 9 bis 15 aufweist.

17. Kühlvorrichtung mit einer Wärmeübertragereinheit, wobei die Wärmeübertra- gereinheit ein kalorisch wirksames Materialelement (11 , 12) mit kalorisch wirksamem Material umfasst, wobei das kalorisch wirksame Material in Wirk verbindung mit einem Arbeitsfluid angeordnet ist, sodass Wärme zwischen Arbeitsfluid und kalorisch wirksamem Material übertragbar ist und der Wär meübertrag zwischen Arbeitsfluid und kalorisch wirksamem Material im We sentlichen mittels latenten Wärmeübertrags erfolgt dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 15 ausge bildet ist. 18. Wärmepumpe mit einer Wärmeübertragereinheit, wobei die Wärmeübertra gereinheit ein kalorisch wirksames Materialelement (11 , 12) mit kalorisch wirksamem Material umfasst, wobei das kalorisch wirksame Material in Wirk verbindung mit einem Arbeitsfluid angeordnet ist, sodass Wärme zwischen Arbeitsfluid und kalorisch wirksamem Material übertragbar ist und der Wär- meübertrag zwischen Arbeitsfluid und kalorisch wirksamem Material im We sentlichen mittels latentem Wärmeübertrag erfolgt dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragereinheit nach einem der Ansprüche 11 bis 15 aus gebildet ist.

Description:
Verfahren zur Stabilisierung und/oder Steuerung und/oder Regelung der Arbeitstemperatur, Wärmeübertragereinheit, Vorrichtung zum Transport von

Energie, Kältemaschine sowie Wärmepumpe,

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung und/oder Steuerung und/oder Regelung der Arbeitstemperatur eines kreisprozessbasierten Systems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , eine Wärmeübertragereinheit für ein kreisprozessbasiertes System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, eine Vorrichtung zum Transport von Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16, eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17 sowie eine Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 18.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei kreisprozessbasierten Systemen wie Kältemaschinen, Wärmepumpen oder Wärmekraftmaschinen kalorisch wirk sames Material einzusetzen, welches in Wechselwirkung mit einem entspre chenden Feld seine Temperatur ändert. Beispielsweise ist in der DE 10 2014 010 476 B3 eine Klimatisierungsvorrichtung auf der Basis einer He- atpipe mit kalorisch wirksamem Material, in diesem Fall magnetokalorischem Material, beschrieben. Ebenfalls ist aus der DE 10 2015 121 657 A1 ein Verfah ren zum Betrieb kreisprozessbasierter Systeme unter Einsatz mechanokalori schen Materials bekannt.

Dabei sind Kreisprozesse aus der Thermodynamik bekannt als eine Folge von periodischen Zustandsänderungen eines Arbeitsfluids, die regelmäßig einen Ausgangszustand durchlaufen. Beispiele für solche Kreisprozesse sind das Hei zen und/oder Kühlen durch Einsatz von Arbeit wie zum Beispiel in Wärmepum pen oder Kältemaschinen oder auch das Umwandeln von Wärme in Arbeit wie zum Beispiel in Wärmekraftmaschinen.

Wie bereits ausgeführt, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, in solchen Kreisprozessen kalorisch wirksame Materialien einzusetzen. Solche kalorisch wirksamen Materialien ändern in dem Einflussbereich eines entsprechend pas senden Feldes ihre Temperatur. Unter dem Begriff „kalorisch wirksame Materia lien“ fallen beispielsweise elektrokalorische Materialien, magnetokalorische Ma terialien sowie mechanokalorische Materialien.

Elektrokalorische Materialien ändern in dem Einflussbereich eines elektrischen Feldes aufgrund der Ausrichtung der elektrischen Momente und der damit ver bundenen Entropie-Herabsetzung bzw. einer Kristallgitterumwandlung zwischen einer ferroelektrischen und einer paraelektrischen Phase ihre Temperatur. Mag netokalorische Materialien ändern in dem Einflussbereich eines magnetischen Feldes aufgrund der Ausrichtung der magnetischen Momente und der damit ver bundenen Entropie-Herabsetzung bzw. einer Kristallgitterumwandlung zwischen einer ferromagnetischen und einer paramagnetischen Phase ihre Temperatur. Mechanokalorische Materialien (auch bekannt als elastokalorische Materialien, barokalorische Materialien oder Formgedächtnislegierungen) durchlaufen durch das Anlegen einer mechanischen Spannung einen kristallinen Phasenübergang, welcher eine Temperaturänderung des Materials hervorruft. Hierbei handelt es sich üblicherweise um eine Kristallgitterumwandlung zwischen einer Hochtempe raturphase (Austenit) und einer Niedrigtemperaturphase (Martensit).

Die beschriebenen Effekte bei kalorisch wirksamen Materialien sind üblicher weise reversibel und funktionieren auch umgekehrt: Bei mechanokalorischen Materialien kann durch eine Temperaturänderung entsprechend eine Form- und/oder Volumenänderung des Materials induziert werden. Bei magnetokalori schen Materialien kann durch eine Temperaturänderung entsprechend eine Än derung von der ferromagnetischen in eine paramagnetische Phase oder umge kehrt in dem Material induziert werden. Bei elektrokalorischen Materialien kann durch eine Temperaturänderung entsprechend eine Änderung von der ferromag netischen in eine paramagnetische Phase oder umgekehrt in dem Material indu ziert werden.

In kreisprozessbasierten Systemen können kalorisch wirksame Materialien da her zum Transport und/oder zur Umwandlung von Energie bzw. Wärme einge setzt werden: Dazu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass der Wärme übertrag über sensible Wärme, insbesondere über das Pumpen von Flüssigkei- ten, um Wärme abzuführen, vergleichsweise verlustbehaftet ist und so keine zu friedenstellende Effizienz bzw. Leistungsdichte der Systeme erreicht werden kann. Vielmehr wird die Wärme mittels latenter Wärme übertragen. Dabei wird das kalorisch wirksame Material typischerweise als Wärmeübertrager in einem Fluidkreislauf in Verbindung mit einem Heißseitenreservoir und einem Kaltsei tenreservoir angeordnet. Der Wärmeübertrag zwischen Fluid und Wärmeübertra ger erfolgt mittels latenter Wärme. Die Effektivität des Wärmetransports wird durch die Realisierung des Wärmetransports mittels latenter Wärme (das heißt Verdunstungs- und Kondensationswärme des Arbeitsfluids) signifikant gesteigert im Vergleich zu Systemen, die mit Pumpen arbeiten.

Um die Effizienz der Systeme zu steigern, wird das kalorisch wirksame Material zyklisch erwärmt und abgekühlt. Der Wärmefluss nimmt dabei im Idealen linear mit der Zyklenfrequenz zu. Gerichtet wird der Wärmestrom über thermische Dio den, die als aktive oder passive Fluidventile ausgeführt werden. Bekannt ist der Einsatz von passiven Rückschlagventilen.

Dabei ist der Prozess, den das kalorisch wirksame Material durchläuft, zwar grundsätzlich reversibel. In der Realität weisen jedoch alle kalorisch wirksamen Materialien im zyklischen Betrieb eine Eigenerwärmung auf, z. B. durch Hyste reseeffekte. Bei jeder Phasenumwandlung geht dadurch Feldenergie verloren, die in Wärme umgewandelt wird und das kalorische Material im Mittel erwärmt. Beispielsweise fallen unter die Eigenerwärmung die bereits genannten Hyste reseeffekte, insbesondere bei mechanokalorischen Materialien, aber auch Rei bung oder insbesondere bei elektrokalorischen, magnetokalorischen und multi kalorischen Materialien eine induktive Erwärmung, kapazitive Erwärmung und/o der resistive Erwärmung, die durch Lade- und/oder Wirbelströme, die durch den Feldwechsel hervorgerufen werden, sowohl in den kalorisch wirksamen Materia lien als auch in anderen Elementen induziert wird und damit direkt oder indirekt das kalorisch wirksame Materialelement erwärmt. Die Basistemperatur des kalo risch wirksamen Materials, das heißt Temperatur ohne Feldbeaufschlagung, steigt.

Nachteilig an den vorbekannten Vorrichtungen und Verfahren aus dem Stand der Technik ist, dass die Basistemperatur des kalorisch wirksamen Materials aufgrund der beschriebenen Eigenerwärmung steigt. Mit dieser Materialerwär mung verschiebt sich die Arbeitstemperatur bei steigender Betriebsdauer weg von einer idealen Betriebstemperatur des kalorisch wirksamen Materials. Der Verbleib an Wärme in dem kalorisch wirksamen Materialelement und ein damit einhergehender Temperaturanstieg in dem kalorisch wirksamen Materialele ment, steht einer effizienten Erhöhung der Betriebsfrequenz der vorbekannten Systeme entgegen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb kreisprozessbasierter Systeme, eine Wärmeübertragereinheit und eine Vorrichtung, vorzuschlagen, die einen im Vergleich zu vorbekannten Vor richtungen und Verfahren höheren Wirkungsgrad aufweisen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Temperaturstabilisierung und/oder Steuerung und/oder Regelung gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Wärmeübertragereinheit gemäß Anspruch 9 und eine Vorrichtung zum Transport von Energie gemäß Anspruch 16. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungs gemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 8. Bevorzugte Ausge staltungen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinheit finden sich in den Ansprüchen 10 bis 15. Weiter wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch eine Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 17 und eine Wärmepumpe gemäß An spruch 18. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Durchführung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und/oder einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtungen ausgebildet. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind vor zugsweise zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren und/oder einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stabilisierung und/oder Steuerung der Ar beitstemperatur eines kreisprozessbasierten Systems wird, wie an sich bekannt, mit einem kreisprozessbasierten System mit einer Wärmeübertragereinheit mit kalorisch wirksamem Material durchgeführt. Wesentlich ist, dass mittels eines Kühlfluids eine Basistemperatur des kalorisch wirksamen Materialelements gesteuert wird.

Die Erfindung ist in der Erkenntnis der Anmelderin begründet, dass durch Stabi lisierung der Basistemperatur bzw. eine Steuerung und/oder Regelung auf eine gewünschte Basistemperatur die Effizienz kreisprozessbasierter Systeme mit ei ner Wärmeübertragereinheit mit kalorisch wirksamem Material signifikant gestei gert werden kann.

Unter dem Begriff „kalorisch wirksames Materialelement“ wird im Rahmen dieser Beschreibung ein Element teilweise oder vollständig aus kalorisch wirksamem Material verstanden. Das kalorisch wirksame Materialelement kann als Wärme übertrager ausgebildet sein.

Die Basistemperatur ist im Rahmen dieser Beschreibung eine gewünschte Ar beitstemperatur des kalorisch wirksamen Materials, das heißt die gewünschte Temperatur ohne Feldbeaufschlagung.

Das Verfahren ist sowohl für den Transport von Energie mit einer Kältemaschine als auch für den Transport von Energie mit einer Wärmepumpe als auch für die Umwandlung von Wärme in Energie in einer Wärmekraftmaschine geeignet. Als kalorisch wirksames Material können mechanokalorische, elektrokalorische oder magnetokalorische Materialien eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb kreisprozessbasierter Systeme wird mit einem kreisprozessbasierten System mit einem Heißseitenreservoir und einem Kaltseitenreservoir und zumindest einer Fluidkammer für ein Arbeitsfluid ausgeführt. Das System ist mit einem Verdampferbereich und einem Kondensa torbereich für das Arbeitsfluid ausgebildet und weist zumindest eine Wärme übertragereinheit mit zumindest einem kalorisch wirksamen Materialelement auf, wobei das kalorisch wirksame Material in der Fluidkammer mittelbar oder unmit telbar in Wirkverbindung mit dem Arbeitsfluid angeordnet ist und ein Wärme übertrag zwischen dem kalorisch wirksamen Material des kalorisch wirksamen Materialelements und dem Arbeitsfluid mittels latentem Wärmeübertrag erfolgt.

Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: A Aktivieren eines elektrischen Feldes und/oder magnetischen Feldes und/oder mechanischen Spannungs-Feldes, sodass das kalorisch wirksame Material zumindest temporär einer Wechselwirkung mit dem genannten elektrischen Feld und/oder magnetischen Feld und/oder mechanischen Spannungs-Feld ausgesetzt ist;

B Verdampfen des Arbeitsfluids durch Erwärmen des kalorisch wirksamen Ma terials durch eine in Verfahrensschritt A induzierte erste Temperaturände rung des kalorisch wirksamen Materials über eine Basistemperatur; C Abführen des Arbeitsfluids zu dem Heißseitenreservoir und Kondensieren des Arbeitsfluids in dem Kondensatorbereich, wobei Wärme mittels latenter Wärme des verdampften Arbeitsfluids transportiert wird;

D Rücktransport des kondensierten Arbeitsfluids von dem Kondensatorbereich zu dem Verdampferbereich; E Deaktivieren des elektrischen und/oder magnetischen und/oder elastischen Feldes;

F Zweite, entgegengesetzte Temperaturänderung des kalorisch wirksamen Ma terials unter die Basistemperatur;

G Zuführen des Arbeitsfluids von dem Kaltseitenreservoir in die Fluidkammer, wobei Wärme mittels latenter Wärme des verdampften Arbeitsfluids von dem Verdampferbereich in die Fluidkammer transportiert wird.

Wesentlich ist, dass mittels eines Kühlfluids die Basistemperatur des kalorisch wirksamen Materialelements gesteuert oder geregelt wird.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Wärme, die in dem kalorisch wirksa men Material entstanden oder eingetragen wurde, von dem kalorisch wirksamen Material abgeführt werden kann. Das kalorisch wirksame Material wird also stabil bei einer Basistemperatur gehalten, die vorzugsweise der idealen Arbeits- temperatur des kalorisch wirksamen Materials entspricht.

Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich, nicht nur eine Basistemperatur des ka lorisch wirksamen Materialelements zu halten. Vielmehr kann mittels des Kühl fluids die Arbeitstemperatur, das heißt eine gewählte Soll-Basistemperatur, des kalorisch wirksamen Materialelements eingestellt werden. Die Temperatur schwankungen aufgrund der Feldbeaufschlagung des kalorisch wirksamen Ma terials schwanken dann um die Soll-Basistemperatur.

Kalorisch wirksame Materialien zeigen materialabhängig eine ideale Arbeitstem peratur (Soll-Basistemperatur, Basistemperatur). Kalorische Materialien weisen einen begrenzten Temperaturbereich auf, in dem der kalorische Effekt auftritt. Dieses Temperaturband ist bekannt als Arbeitsfenster. Das Arbeitsfenster ist üblicherweise bei elektrokalorischen und mechanokalorischen Materialien sehr breit (typischerweise bis 100K) und bei magnetokalorischen Materialien sehr schmal (typischerweise wenige Kelvin). Die Lage des Arbeitsfensters ist im we sentlichen materialabhängig und kann über die Materialzusammensetzung bzw. die Legierungsbestandteile eingestellt werden. Erfindungsgemäß ergibt sich der Vorteil, dass die Arbeitstemperatur des Prozesses gezielt eingestellt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren wieder holt, insbesondere mehrfach wiederholt, bevorzugt zyklisch mit einer Frequenz größer als 1 Hz, insbesondere bevorzugt mit einer Frequenz größer als 10 Hz, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 100 Hz.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Verfah ren mit einem kreisprozessbasierten System durchgeführt, das mehrere Fluid kammern, insbesondere mehrere in Reihe geschaltete Fluidkammern aufweist. Das Arbeitsfluid durchströmt die in Reihe geschalteten Fluidkammern. Da sich die Temperatur des Arbeitsfluids mit jeder Fluidkammer ändert, ist es sinnvoll, das kalorisch wirksame Material der Fluidkammern an die jeweilige Temperatur des Arbeitsfluids anzupassen. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrich tung sind beispielsweise in der DE 10 2015 121 657 A1 beschrieben. Auf diese Ausführung wird hier vollumfänglich Bezug genommen.

Alternativ können mehrere Fluidkammern parallel geschaltet sein. Eine solche Anordnung parallel geschalteter Fluidkammern kann in Vorrichtungen zur Wär- merekuperation eingesetzt werden. Üblicherweise ist zwischen Heißseitenreservoir und Fluidkammer zumindest ein Heißseitenventil vorgesehen und zwischen Kaltseitenreservoir und Fluidkammer zumindest ein Kaltseitenventil vorgesehen. Die Ventile agieren vorzugsweise als passive Ventile und ermöglichen den Betrieb des Systems als thermische Diode, das heißt mit einem gerichteten Wärmetransport. Wie beschrieben ist das Sys tem mit einem Verdampferbereich und einem Kondensatorbereich für das Ar beitsfluid ausgebildet. Verdampferbereich und Kondensatorbereich können als separate Bereiche ausgebildet sein, vorzugsweise in Form des Heißseitenreser voirs und des Kaltseitenreservoirs. Es können jedoch auch eigenständige Berei che vorgesehen sein. Insbesondere bei mehreren in Reihe geschalteten Fluid kammern wirkt das kalorisch wirksame Material einer Wärmeübertragereinheit als Verdampferbereich und als Kondensatorbereich: Das Fluid strömt von dem Kaltseitenreservoir oder einer vorgeschalteten Fluidkammer dampfförmig in die Fluidkammer und kondensiert auf der Wärmeübertragereinheit aus kalorisch wirksamem Material. Durch die Erwärmung des kalorisch wirksamen Materials verdampft das kondensierte Fluid, der Druck in der Fluidkammer steigt und das Fluid strömt über das Heißseitenventil in die nächste Fluidkammer, um dort wie der auf der Wärmeübertragereinheit aus kalorisch wirksamem Material zu kon densieren. Mit diesem widerholten Prozess durchläuft das Fluid alle in Reihe ge schalteten Fluidkammern bis zu dem Heißseitenreservoir. Von dort wird das Fluid über die Fluidrückführung zu dem Kaltseitenreservoir zurückgeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mittels des Kühlfluids die Basistemperatur des kalorisch wirksamen Materialelements an eine ideale Arbeitstemperatur für das kalorisch wirksame Material angepasst. Insbesondere wenn eine Mehrzahl von Fluidkammern in Reihe oder parallel geschaltet sind, ist es vorteilhaft, die Basistemperatur jedes kalorisch wirksamen Materialele ments der in Reihe geschalteten Fluidkammern jeweils an eine ideale Arbeits temperatur für das kalorisch wirksame Material der jeweiligen Fluidkammer an zupassen. Durch den gerichteten Wärmetransport verändert das Arbeitsfluid mit dem Durchlaufen der Fluidkammern seine Temperatur. Durch die Steuerung o- der Regelung der Basistemperatur des jeweiligen kalorisch wirksamen Material elements kann die Systemeffizienz deutlich gesteigert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen der Flu idkreislauf für das Arbeitsfluid und der Fluidkreislauf für das Kühlfluid räumlich getrennt, insbesondere zirkulieren das Arbeitsfluid und das Kühlfluid in zwei ge trennten Fluidkreisläufen.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass man bei der Auswahl des Kühlfluids nicht auf das Fluid im Arbeitsfluidkreislauf beschränkt ist. Das Fluid im Arbeitsfluid kreislauf kann unabhängig vom Fluid im Kühlfluidkreislauf gewählt werden. Dar über hinaus lassen sich im Arbeitsfluidkreislauf die Parameter Druck und/oder Temperatur unabhängig vom Arbeitsfluidkreislauf einstellen.

Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung wird das Kühlfluid durch das kalorisch wirksame Materialelement mit kalorisch wirksamem Material geleitet. Bevorzugt wird das Kühlfluid durch zumindest einen Kanal in dem kalorisch wirksamen Materialelement geleitet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass in einfacher Art und Weise Kühlfluid und kalorisch wirksames Material des kalo risch wirksamen Materialelements in Wirkverbindung gebracht werden können, sodass ein thermischer Kontakt entsteht und die Wärme von dem kalorisch wirk samen Material abgeführt wird. Dabei ist die Trennung von Kühlfluid innerhalb des Kanals des kalorisch wirksamen Materialelements und Arbeitsfluid an einer äußeren Oberfläche des kalorisch wirksamen Materialelements gewährleistet.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird das Arbeitsfluid als Kühlfluid eingesetzt. Insbesondere bevorzugt kann dafür die Fluidrückführung des Arbeitsfluids von dem Heißseitenreservoir zu dem Kaltseitenreservoir ver wendet werden.

Vorzugsweise wird das kalorisch wirksame Material einem elektrischen Feld und/oder magnetischen Feld und/oder mechanischen Spannungs-Feld ausge setzt wird, wobei das elastische Feld in Form einer mechanischen Spannung in dem kalorisch wirksamen Material erzeugt wird, vorzugsweise durch eine Zug- und/oder Druckbelastung des kalorisch wirksamen Materials, eine Scherung und/oder eine Kompression des kalorisch wirksamen Materials, wobei durch die Zug- und/oder Druckbelastung des kalorisch wirksamen Materials eine Tempera turänderung des kalorisch wirksamen Materials erzeugt wird, und/oder das elektrische Feld mittels eines elektrischen Kondensators erzeugt wird, wobei durch das elektrische Feld eine Temperaturänderung des kalorisch wirksamen Materials erzeugt wird, und/oder das magnetische Feld mittels eines Permanent magneten, vorzugsweise mittels eines bewegbaren Permanentmagneten erzeugt wird, wobei durch das magnetische Feld eine Temperaturänderung des kalorisch wirksamen Materials erzeugt wird. Hierdurch kann in einfacher Art und Weise der kalorische Effekt induziert werden.

Vorzugsweise wird ein Transportmittel für das Arbeitsfluid und/oder das Kühl fluid, insbesondere in Form eines Verdichters, durch einen Hub, der durch die Mittel zur Erzeugung des mechanischen Spannungs-Feldes entsteht, angetrie ben.

Hierdurch kann Energie aus der Erzeugung des mechanischen Spannungs-Fel des zum Antrieb bzw. zur Beförderung von Kühlfluid und/oder Arbeitsfluid ge nutzt werden.

Um zu vermeiden, dass das Kaltseitenreservoir austrocknet, da für den gerichte ten Wärmetransport das Arbeitsfluid von dem Kaltseitenreservoir als Verdampfer hin zu dem Heißseitenreservoir als Kondensator transportiert wird, ist bei kreis prozessbasierten Systemen mit kalorisch wirksamen Materialien üblicherweise eine Fluidrückführung von dem Heißseitenreservoir zurück zu dem Kaltseitenre servoir vorgesehen. Das Fluid kondensiert im Kondensatorbereich auf der Heißseite und wird mittels der Fluidrückführung zu dem Kaltseitenreservoir zu rückgeführt. Wird das Arbeitsfluid beim Zurückleiten von dem Heißseitenreser voir zu dem Kaltseitenreservoir an dem kalorisch wirksamen Materialelement vorbei oder bevorzugt durch die Wärmeübertragereinheit geleitet, kann das Ar beitsfluid als Kühlfluid eingesetzt werden. Kühlfluid und kalorisch wirksames Material können so in Wirkverbindung gebracht werden.

Hierbei liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, dass Heißseiten- und Kaltsei tenreservoir vertauscht sind und/oder die Fluidrückführung in die andere thermi sche Richtung führt. Das Prinzip der Fluidrückführung lässt sich unabhängig von Richtung und Temperaturdifferenz als erfindungsgemäße Temperaturregulierung für das Kühlfluid einsetzen.

Bei der Verwendung des Arbeitsfluid als Kühlfluid ergibt sich der Vorteil, dass in einfacher Art und Weise mit bereits vorhandenen Mitteln das kalorisch wirksame Materialelement gekühlt werden kann. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das kalorisch wirksame Materi alelement nicht gekühlt wird, sondern dass mittels des Kühlfluids gezielt eine gewünschte Temperatur eingestellt wird oder auf eine gewünschte Temperatur geregelt wird. Die Verwendung der Bezeichnung „Kühlfluid“ und des Begriffs „Kühlens“ stellen lediglich Vereinfachungen dar. Gemeint ist hiermit im Rahmen der Erfindung, dass eine beliebige Basistemperatur eingestellt wird. Darunter fällt im Rahmen der Erfindung ebenfalls, dass das kalorisch wirksame Material einer Fluidkammer auf eine gewünschte Basistemperatur, insbesondere die ide ale Arbeitstemperatur, erwärmt wird.

In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Fluid verbindung von dem Kaltseitenreservoir vorgesehen, die Kühlfluid von dem Kalt seitenreservoir durch das kalorisch wirksame Materialelement oder an dem kalo risch wirksamen Materialelement vorbeileitet, sodass Kühlfluid und kalorisch wirksames Material des kalorisch wirksamen Materialelements in Wirkverbin dung stehen.

In einer weiteren alternativen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich zu der Fluidrückführung eine Fluidverbindung von dem Kaltseitenre servoir vorgesehen, die Kühlfluid von dem Kaltseitenreservoir durch das kalo risch wirksame Materialelement oder an dem kalorisch wirksamen Materialele ment vorbei leitet zu dem Kaltseitenreservoir, sodass Kühlfluid und kalorisch wirksames Material des kalorisch wirksamen Materialelements in Wirkverbin dung stehen.

Die oben beschriebene Aufgabe ist ebenfalls gelöst durch eine Wärmeübertra gereinheit für ein kreisprozessbasiertes System. Die Wärmeübertragereinheit umfasst, wie an sich bekannt, ein kalorisch wirksames Materialelement mit kalo risch wirksamem Material, wobei das kalorisch wirksame Material in Wirkverbin dung mit einem Arbeitsfluid angeordnet ist, sodass Wärme zwischen Arbeitsfluid und kalorisch wirksamem Material übertragbar ist und der Wärmeübertrag zwi schen Arbeitsfluid und kalorisch wirksamem Material im Wesentlichen mittels la tentem Wärmeübertrag (das heißt Verdunstungs- und Kondensationswärme des Arbeitsfluids) erfolgt. Wesentlich ist, dass die Wärmeübertragereinheit eine Regulierungsvorrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Basistemperatur des kalorisch wirksamen Materialelements umfasst.

Die erfindungsgemäße Wärmeübertragereinheit weist ebenfalls die bereits ge nannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Ebenso weist das er findungsgemäße Verfahren alle im weiteren genannten Vorteile der erfindungs gemäßen Wärmeübertragereinheit auf.

In einer möglichen bevorzugten Realisierung ist die Regulierungsvorrichtung als zumindest ein Fluidkanal für das Kühlfluid ausgebildet. Der Fluidkanal verläuft in Wirkverbindung mit dem kalorisch wirksamen Material. Bevorzugt verläuft der Fluidkanal an dem kalorisch wirksamen Material oder durch das kalorisch wirk same Material. Hierdurch kann in einfacher Art und Weise das Kühlfluid in Wirk verbindung mit dem kalorisch wirksamen Material gebracht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das kalorisch wirksame Material in Form von Stäben, bevorzugt in Form von Hohlstäben, ausgebildet. Bevorzugt sind eine Mehrzahl Stäbe, insbesondere bevorzugt 2 bis 100 Stäbe, bevorzugt 5 bis 50 Stäbe, insbesondere bevorzugt 10 Stäbe als Teil der Wärme übertragereinheit angeordnet. Insbesondere bevorzugt wird die Anzahl und Aus gestaltung der Stäbe in Abhängigkeit von der gesamten kalorischen Material masse sowie in Abhängigkeit von dem Verhältnis Oberfläche zu Volumen be stimmt, um ausreichend Wärme ab- bzw. zuführen zu können. Bevorzugt ver läuft durch jeden Stab aus kalorisch wirksamem Material der Wärmeübertra gereinheit ein Kanal für das Kühlfluid.

Vorzugsweise ist das Kühlfluid Wasser, Alkohol, Butan, Propan, CO2, NH 3 oder ein Gemisch der vorgenannten Fluide.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Regulierungs vorrichtung zumindest eine Pumpe zum Pumpen des Kühlfluids und/oder zumin dest eine Drossel. Sowohl die Pumpe als auch die Drossel sind bevorzugt in der Fluidleitung für das Kühlfluid, insbesondere bevorzugt in der Fluidrückführung angeordnet. Mittels der Pumpe und/oder der Drossel kann eine Geschwindigkeit des Kühlfluids eingestellt werden. Anhand der Geschwindigkeit des Kühlfluids wird gesteuert, welche Wärmemenge von dem kalorisch wirksamen Material des kalorisch wirksamen Materialelements auf das Kühlfluid übertragen wird, das heißt wie stark das Kühlfluid das kalorisch wirksame Material kühlt.

Mit dem Einsatz der Pumpe und/oder einer Drossel kann somit in einfacher Art und Weise die Basistemperatur gesteuert werden.

In einer alternativen Ausführungsform wird das Arbeitsfluid als Kühlfluid einge setzt. Bevorzugt ist eine Fluidrückführung des kreisprozessbasierten Systems derart angeordnet und ausgestaltet, dass das Arbeitsfluid in der Fluidrückfüh rung in Wirkverbindung mit dem kalorisch wirksamen Material gebracht wird. Ar beitsfluid und Kühlfluid sind somit nicht mehr räumlich getrennt. Vielmehr ist das Arbeitsfluid das Kühlfluid. Es ist somit im Wesentlichen nur ein Fluidkreislauf für Arbeitsfluid und Kühlfluid vorgesehen. Dabei können zwei Kreisläufe von Fluid leitungen vorgesehen sein. Diese beiden Kreisläufe sind jedoch verbunden, be vorzugt über das Heißseitenreservoir und/oder das Kaltseitenreservoir. Das Ar beitsfluid wird von dem Kaltseitenreservoir verdampft und in der Fluidkammer durch das kalorisch wirksame Material erwärmt. Dadurch strömt das Arbeitsfluid zu dem Heißseitenreservoir, wo es in dem Kondensatorbereich kondensiert. Das kondensierte Arbeitsfluid wird als Kühlfluid mittels der Fluidrückführung so zu dem Kaltseitenreservoir zurückgeführt, dass das Arbeitsfluid als Kühlfluid in dem kalorisch wirksamen Materialelement in Wirkverbindung mit dem kalorisch wirksamen Material gebracht wird.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ohne eine aufwändige Gestaltung von Fluidkreisläufen eine Steuerung der Basistemperatur möglich ist.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Fluidrückführung des kreisprozessbasierten Systems derart angeordnet und ausgestaltet, dass das Arbeitsfluid als Kühlfluid mittels der Fluidrückführung zu dem kalorisch wirksa men Material geführt wird, sodass eine Benetzung einer Oberfläche des kalo risch wirksamen Materials in der Fluidkammer erfolgt. Das Kühlfluid wird also nicht durch das kalorisch wirksame Material geleitet. Mit dem Kühlfluid wird viel mehr die Oberfläche des kalorisch wirksamen Materials in der Fluidkammer be netzt. Durch die zusätzliche Verdampfungswärme durch das Mehr an Fluid kann so die Temperatur des kalorisch wirksamen Materials eingestellt werden. Das Fluid kann dabei innerhalb des Systems beispielsweise von der Warmseite, der Kaltseite oder einem anderen Segment zugeführt werden. Die Zuführung des Fluides kann aktiv (Pumpe, Ventil) gesteuert oder beispielsweise durch einen passiv induzierten Druckgradienten oder die Schwerkraft in die Fluidkammer ge- leitet werden. Des Weiteren kann die Fluidzufuhr mit programmierbaren Materia len geregelt werden.

Um die Wärme optimal abzuführen, muss sich das zusätzliche Fluid auf der Oberfläche des kalorischen Materials verteilen, um dort durch Verdampfung Wärme abzuführen. Vorzugsweise wird dies durch eine gezielte Anpassung der Benetzungseigenschaften erzielt. Benetzende Oberflächeneigenschaften kön nen mittels chemischer Behandlung der Oberflächen erzielt werden. Eine Ver stärkung des Effekts ist durch eine zusätzliche Mikrostrukturierung der Oberflä che möglich.

Vorzugsweise ist die Wärmeübertragereinheit mit einem Flüssigkeitskreislauf für das Arbeitsfluid und einem Flüssigkeitskreislauf für das Kühlfluid, insbesondere räumlich getrennt, ausgebildet. Die erfindungsgemäße Aufgabe ist ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zum Transport von Energie. Die Vorrichtung zum Transport von Energie ist betreib bar als Wärmepumpe und/oder Kühlvorrichtung und umfasst, wie an sich be kannt, ein Heißseitenreservoir und ein Kaltseitenreservoir für ein Arbeitsfluid.

Die Vorrichtung umfasst weiter zumindest eine Fluidkammer, die über Fluidlei- tungen mit dem Heißseitenreservoir und dem Kaltseitenreservoir verbunden ist. Zwischen Heißseitenreservoir und Fluidkammer ist zumindest ein Heißseiten ventil vorgesehen; zwischen Kaltseitenreservoir und Fluidkammer ist zumindest ein Kaltseitenventil vorgesehen. In der Fluidkammer ist ein kalorisch wirksames Materialelement mit kalorisch wirksamem Material angeordnet, wobei das kalo- risch wirksame Material in Wirkverbindung mit dem Arbeitsfluid steht, sodass Wärme zwischen Arbeitsfluid und kalorisch wirksamem Material mittels latentem Wärmeübertrag übertragen werden kann. Die Vorrichtung weist Mittel zur Erzeu gung eines elektrischen und/oder magnetischen und/oder elastischen Feldes für das kalorisch wirksame Material auf, sodass das kalorisch wirksame Material in einem Wechselwirkungsbereich des Feldes angeordnet ist. Eine mögliche Reali sierung einer solchen Vorrichtung ist beispielsweise in der DE 10 2015 121 657 A1 beschrieben.

Wesentlich ist, dass die Vorrichtung eine Regulierungsvorrichtung zur Steue rung einer Basistemperatur des kalorisch wirksamen Materialelements umfasst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Transport von Energie bietet ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinheit. Die erfindungsgemäße Vorrich tung zum Transport von Energie ist insbesondere für den Einsatz der erfin dungsgemäßen Wärmeübertragereinheit und/oder der bevorzugten Ausfüh rungsformen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragereinheit geeignet.

Die erfindungsgemäße Aufgabe ist ebenfalls gelöst durch eine Kühlvorrichtung oder eine Wärmepumpe mit einer Wärmeübertragereinheit, wobei die Wärme übertragereinheit ein kalorisch wirksames Materialelement mit kalorisch wirksa mem Material umfasst. Das kalorisch wirksame Material ist in Wirkverbindung mit einem Arbeitsfluid angeordnet, sodass Wärme zwischen Arbeitsfluid und ka lorisch wirksamem Material übertragbar ist, wobei der Wärmeübertrag zwischen Arbeitsfluid und kalorisch wirksamem Material im Wesentlichen mittels latentem Wärmeübertrag erfolgt.

Wesentlich ist, dass die Wärmepumpe oder die Kühlvorrichtung eine Regulie rungsvorrichtung zur Steuerung einer Basistemperatur des kalorisch wirksamen Materialelements umfasst.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Wärmeübertra gereinheit sind grundsätzlich für Anwendungen geeignet, bei denen Wärme von einem Reservoir mit einer ersten Temperatur in ein Reservoir mit einer zweiten Temperatur transportiert werden soll. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Wärmeübertragereinheit sind daher vorzugsweise als Wär mepumpen oder Kältemaschinen ausgebildet oder werden in Wärmepumpen o- der Kältemaschinen eingesetzt. Eine besonders vorteilhafte mögliche Realisierung besteht in einer Klimatisie rungseinrichtung, insbesondere in einem Kühl- und Klimagerät. Bekannte Kühl- und Klimageräte arbeiten in der Regel kompressorbasiert und benötigen ein Käl temittel. Diese Kältemittel sind bekanntermaßen klima- und umweltschädlich so wie leicht entzündlich und darüber hinaus gesundheitsschädlich. Aus diesem Grund ist die Kühlung mit Hilfe der vorgestellten Systeme mit kalorisch wirksa men Materialien eine interessante Alternative zu kompressorbasierten Syste men. Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bereits bekannten Systemen ist die vergleichsweise geringe Effizienz. Diese Effizienz wird mit der erfin dungsgemäßen Temperaturstabilisierung gesteigert.

Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert.

Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Innendurchflutung der Wärmeübertragereinheit;

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Innendurchflu tung der Wärmeübertragereinheit;

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Innendurchflutung der Wärmeübertragereinheit;

Figur 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Benetzung der Oberfläche der Wärmeübertra gereinheit;

Figur 5 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbei spiels der Erfindung in Form eines Kühlsystems.

In den Figuren 1 bis 5 bezeichnen die gleiche Bezugszeichen die gleichen oder gleichwirkenden Elemente. Figur 1 zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kältemaschine. Die Kältemaschine 1 ist mit einem Heißseitenreservoir 2 und einem Kaltseitenreservoir 3 für ein Arbeitsfluid ausge bildet. Vorliegend wird als Arbeitsfluid Wasser verwendet. Das Kaltseitenreser voir weist vorliegend eine Temperatur von 5°C sowie einen herrschenden Druck von 8 mbar auf. Das Heißseitenreservoir 2 weist vorliegend eine Temperatur von 35°C sowie einen herrschenden Druck von 55 mbar auf.

Zwischen Kaltseitenreservoir 3 und Heißseitenreservoir 2 sind zwei Fluidkam mern 4, 5 vorgesehen. Die erste Fluidkammer 4 ist über eine Fluidleitung 6 mit dem Kaltseitenreservoir 3 verbunden. Zwischen Kaltseitenreservoir 3 und erster Fluidkammer 4 ist in der Fluidleitung 6 ein Kaltseitenventil 7 angeordnet. Das Kaltseitenventil 7 ist als Rückschlagventil ausgebildet.

Die zweite Fluidkammer 5 ist über eine Fluidleitung 8 mit dem Heißseitenreser voir 2 verbunden. Zwischen Heißseitenreservoir 2 und zweiter Fluidkammer 5 ist in der Fluidleitung 8 ein Heißseitenventil 9 angeordnet. Das Heißseitenventil 9 ist als Rückschlagventil 10 ausgebildet.

Die erste Fluidkammer 4 und die zweite Fluidkammer 5 sind ebenfalls über ein Rückschlagventil 10 miteinander verbunden. In der ersten Fluidkammer 4 und in der zweiten Fluidkammer 5 ist jeweils ein kalorisch wirksames Materialelement 11 , 12 angeordnet. Die kalorisch wirksamen Materialelemente 11 , 12 sind vorlie gend aus mechanokalorischem Material ausgebildet, speziell eine Nickel-Titan- Legierung Ni55,8Ti44,2.

Durch das kalorisch wirksame Material der kalorisch wirksamen Materialele mente 11 , 12 verläuft vorliegend ein Kanal 13, 14. Durch den Kanal wird das Kühlfluid zur Stabilisierung und/oder Steuerung der Basis-Temperatur der kalo risch wirksamen Materialelemente 11 , 12 geleitet. Das Kühlfluid durchströmt so mit die kalorisch wirksamen Materialelemente 11 , 12.

Zwischen Heißseitenreservoir 2 und Kaltseitenreservoir 3 ist eine Fluidrückfüh rung 15 angeordnet. In der Fluidrückführung 15 ist eine Drossel 23 vorgesehen. Die Kühlvorrichtung 1 weist somit einen ersten Fluidkreislauf 16 für das Arbeits- fluid auf. Der Fluidkreislauf 16 für das Arbeitsfluid umfasst das Kaltseitenreser voir 3, die erste Fluidleitung 6, die erste Fluidkammer 4, die zweite Fluidkammer 5, die zweite Fluidleitung 8, das Heißseitenreservoir 2 sowie die Fluidrückfüh rung 15. Der Fluidkreislauf 16 ist als druckdichtes System ausgebildet, in dem im Wesentlichen alle Fremdgase (das heißt alle Gase mit Ausnahme des Ar beitsfluids) aus dem druckdichten System entfernt sind.

In dem Fluidkreislauf ist, wie bereits beschrieben, zwischen dem Kaltseitenre servoir 3 und der ersten Fluidkammer 4 das Kaltseitenventil 7 und zwischen dem Heißseitenreservoir und der zweiten Fluidkammer 5 das Heißseitenventil 9 angeordnet. Vorliegend sind das Kaltseitenventil 7 und das Heißseitenventil 9 als druckgesteuerte Ventile ausgebildet. Der jeweilige Differenzdruck, bei dem die beiden Ventile öffnen, ist einstellbar und liegt vorliegend bei ungefähr 1 mbar.

Zusätzlich zu dem ersten Fluidkreislauf 16 für das Arbeitsfluid ist ein zweiter Fluidkreislauf 17 für das Kühlfluid vorgesehen. In dem zweiten Fluidkreislauf 17 ist eine Pumpe 18 zur Steuerung des Durchflusses des Kühlfluids vorgesehen.

Der zweite Fluidkreislauf 17 verläuft von dem Heißseitenreservoir 2 über die Pumpe 18 zu der ersten Fluidkammer 4. In der ersten Fluidkammer 4 verläuft der zweite Fluidkreislauf 17 durch den ersten Kanal 13 durch das erste kalorisch wirksame Materialelement 11. Dadurch wird das erste kalorisch wirksame Mate rialelement 11 innen von dem Kühlfluid durchströmt. Der Fluidkreislauf 17 ver läuft dann weiter zu der zweiten Fluidkammer 5. Hier verläuft der zweite Fluid kreislauf mit dem zweiten Kanal 14 durch das zweite kalorisch wirksame Materi alelement 12. Damit wird auch das zweite kalorisch wirksame Materialelement 12 innen von dem Kühlfluid durchströmt. Der zweite Fluidkreislauf 17 verläuft dann weiter zurück zu dem Heißseitenreservoir 2. Der zweite Fluidkreislauf 17 ist somit ein Fluidkreislauf, der über das Heißseitenreservoir 2 mit dem ersten Fluidkreislauf 16 verbunden ist. Das Arbeitsfluid des ersten Fluidkreislaufs 16 wird somit als Kühlfluid des zweiten Fluidkreislaufs 17 eingesetzt.

Mittels der Pumpe 18 kann die Geschwindigkeit des Kühlfluids gesteuert wer den. Über die Steuerung der Geschwindigkeit ist einstellbar, wieviel Wärme von dem ersten kalorisch wirksamen Materialelement 11 und dem zweiten kalorisch wirksamen Materialelement 12 auf das Kühlfluid übertragen wird, sodass dadurch die Basistemperatur der beiden kalorisch wirksamen Materialelemente 11 , 12 steuerbar ist.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbei spiels der Erfindung mit einem separaten Reservoir für das Kühlfluid.

Zur Vermeidung von Wiederholungen soll im Folgenden lediglich auf die Unter schiede zu Figur 1 eingegangen werden.

Für das Kühlfluid und das Arbeitsfluid sind vorliegend zwei getrennte Flüssig keitskreisläufe 16, 19 vorgesehen. Das Arbeitsfluid strömt, wie zu Figur 1 be schrieben, in einem Flüssigkeitskreislauf 16 vom Kaltseitenreservoir 3 über die kalorisch wirksamen Materialelemente 11 , 12 zum Heißseitenreservoir 2 und über die Fluidrückführung 15 zurück zu dem Kaltseitenreservoir 3.

Der separate Fluidkreislauf 19 für das Kühlfluid ist vorliegend nicht mit dem Kaltseitenreservoir 3 oder dem Heißseitenreservoir 2 verbunden. Vielmehr ist ein eigenes Kühlfluidreservoir 20 für das Kühlfluid vorgesehen. Von dem Kühl fluidreservoir 20 verläuft eine Fluidleitung 21 zu dem ersten kalorisch wirksamen Materialelement 11 mit kalorisch wirksamem Material. Das Kühlfluid durchströmt das erste kalorisch wirksame Materialelement 11 durch den Kanal 13, der innen durch das kalorisch wirksame Material des ersten kalorisch wirksamen Material elements 11 verläuft. Von dem ersten kalorisch wirksamen Materialelement 11 strömt das Kühlfluid über den zweiten Kanal 14 durch das zweite kalorisch wirk same Materialelement 12. Der Kanal 14 verläuft ebenso im Inneren des kalo risch wirksamen Materials. Um den separaten Fluidkreislauf 19 zu schließen führt eine Fluidleitung von dem Kanal 14 zurück zu dem Kühlfluidreservoir 20.

In dem Fluidkreislauf 19 ist in der Fluidleitung 21 zwischen Kühlfluidreservoir 20 und Kanal 13 eine Pumpe 18 vorgesehen. Mit der Pumpe 18 kann die Ge schwindigkeit des Kühlfluids in dem Fluidkreislauf 19 gesteuert werden. Über die Geschwindigkeit ist, wie zu Figur 1 beschrieben, die Basistemperatur der beiden kalorisch wirksamen Materialelemente 11 , 12 steuerbar. Der separate Fluidkreislauf 19 für das Kühlfluid ist somit ein geschlossener Flu idkreislauf, der räumlich getrennt von dem ersten Fluidkreislauf 16 für das Ar beitsfluid ist.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbei spiels der Erfindung.

Die Fluidrückführung 15 ist vorliegend derart ausgebildet, dass die Fluidrückfüh rung 15 über den Kanal 14 durch das kalorisch wirksame Materialelement 12 und durch den Kanal 13 durch das kalorisch wirksame Materialelement 11 ver läuft. Die Fluidrückführung 15 verläuft vom Heißseitenreservoir zum Kaltseiten reservoir 3.

In der Fluidleitung der Fluidrückführung 15 ist zwischen Heißseitenreservoir 2 und dem Kanal 14 durch das kalorisch wirksame Materialelement 12 eine Dros sel 23 vorgesehen. Mit der Drossel 23 kann die Geschwindigkeit des Kühlfluids eingestellt werden, sodass die Wärmemenge, die von den kalorisch wirksamen Materialelementen 12 und 11 auf das Kühlfluid übertragen wird, gesteuert wer den kann.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbei spiels der Erfindung mit Benetzung der Oberfläche des kalorisch wirksamen Ma terials durch das Kühlfluid.

Der erste Fluidkreislauf 16 ist mit der Fluidrückführung 15, wie zu den Figuren 1 und 2 beschrieben, ausgebildet.

Von dem Heißseitenreservoir 2 führt eine Fluidleitung 24 zu den Fluidkammern 4, 5. Die Fluidleitung 24 teilt sich in zwei Fluidleitungen 24. a, 24. b auf, die je weils an der dem Heißseitenreservoir zugewandten Seite der Fluidkammern 4, 5 enden. In den beiden Fluidleitungen ist jeweils eine Drossel 23. a, 23. b vorgese hen. Mit den Fluidleitungen 24. a, 24. b wird das Kühlfluid den beiden Fluidkam mern 4, 5 derart zugeführt, dass eine dem Heißseitenreservoir 2 zugewandte Oberfläche der kalorisch wirksamen Materialelemente 11 , 12 jeweils mit dem Kühlfluid benetzt wird. Durch das zusätzliche Kühlfluid, was zusätzlich zu dem Arbeitsfluid in der Fluidkammer 4, 5 zur Verfügung steht, erfolgt eine stärkere Verdampfung und damit ein größerer Abtransport von Wärme. Dadurch kann die Temperatur der kalorisch wirksamen Materialelemente 11 , 12 eingestellt wer den.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen kreisprozessbasierten Systems, vorliegend einer Kühlvor richtung.

Die Kühlvorrichtung umfasst mehrere Fluidkammern, vorliegend fünf Fluidkam mern. Die Fluidkammern 4, 5 sind kreisförmig um eine Mitte angeordnet. In der Mitte ist ein Exzenter 30 vorgesehen. Beispielhaft gekennzeichnet sind die Flu idkammern 4, 5. Die Fluidkammern 4, 5 sind über Rückschlagventile miteinander verbunden. In den Fluidkammern 4, 5 sind kalorisch wirksame Materialelemente 11 , 12 vorgesehen, vorliegend Hohlstäbe aus mechanokalorischem Material. Vorliegend sind mehrere Fluidkammern 4, 5 in Reihe geschaltet. Mittels des Ex- zenters 30 werden die kalorisch wirksamen Materialelemente 11 , 12 mit Druck beaufschlagt. Dadurch erwärmt sich das mechanokalorische Material der kalo risch wirksamen Materialelemente 11 , 12. Durch die Temperaturänderung ver dampft das Fluid in der Fluidkammer 4, 5 und strömt über das Rückschlagventil in die nächste Fluidkammer. Durch die Pfeile ist die „Bewegungsrichtung“ des Arbeitsfluis angegeben, vorliegend gegen den Urzeigersinn. In diese Richtung wird auch die Wärme transportiert. Das Arbeitsfluid durchströmt die in Reihe geschalteten Fluidkammern 4, 5. Mit jeder Fluidkammer 4, 5 ändert sich die Temperatur des Arbeitsfluids.

Die Vorrichtungen zur Temperaturregulierung sind derart angepasst, dass die Temperatur der kalorisch wirksamen Materialelemente 11 , 12 jeweils auf die ideale Arbeitstemperatur in der jeweiligen Fluidkammer 4, 5 eingestellt wird.

Die Fluidkammer 5 ist als Detailausschnitt vergrößert dargestellt. In der Fluid kammer 5 sind drei Hohlstäbe aus mechanokalorischem Material, beispielhaft gekennzeichnet 11 , 12, vorgesehen, die jeweils einen Kanal, beispielhaft ge kennzeichnet 13, 14 aufweisen. Über den Fluidkreislauf 17 strömt das Kühlfluid durch das kalorisch wirksame Material. Bezugszeichenliste

1 Kühlvorrichtung

2 Heißseitenreservoir 3 Kaltseitenreservoir

4 Fluidkammer

5 Fluidkammer

6 Fluidleitung

7 Kaltseitenventil 8 Fluidleitung

9 Heißseitenventil

10 Rückschlagventil

11 Kalorisch wirksames Materialelement

12 Kalorisch wirksames Materialelement 13 Kanal

14 Kanal

15 Fluidrückführung

16 1. Fluidkreislauf

17 2. Fluidkreislauf 18 Pumpe

19 Fluidkreislauf

20 Kühlfuidreservoir

21 Fluidleitung

23 Drossel 23.1 Drossel

23.2 Drossel

24. a Fluidleitungen

24. b Fluidleitungen

30 Exzenter