EP-4500096-B1 - ELASTOCALORIC DEVICE AND CORRESPONDING METHOD FOR PRODUCING SUCH A DEVICE

Inventors

• PAULOV, Mark
• SCHEIN, UWE

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20230320

Claims (7)

1. Elastocaloric device (200) which is configured to assume a first state, in which an elastocaloric material gives off heat energy on the basis of the elastocaloric effect, and a second state in which the elastocaloric material takes up heat energy on the basis of the elastocaloric effect, wherein the elastocaloric device (200) comprises: a plurality of elements (210) made of an elastocaloric material, and at least two oppositely situated clamping means (220) which clamp respective end portions (211) of each element (210) in such a way that only a centre portion (212) of each element (210) that lies between the oppositely situated clamping means (220) can be offset in the first state and the second state to take up heat energy and give off heat energy, characterized in that each clamping means (220) has multiple spheroidal shell elements (221-224) which have different sizes and are inserted one in another in such a way that the end portions (211) of the plurality of elements (210) are clamped between adjoining shell elements (221-224).
2. Elastocaloric device (200) according to Claim 1, wherein the clamping means (220) are configured to bring about the first and the second state of the plurality of elements (210) by virtue of the first state being brought about by exertion of a force on the plurality of elements (210) via the clamping means (220) and the second state being brought about by relieving the tension in the plurality of elements (210) by stopping the exertion of force.
3. Elastocaloric device (200) according to Claim 1 or 2, wherein the centre portions (212) of the plurality of elements have a uniform length and/or the respective end portions (211) of the plurality of elements (210) are fixedly clamped in the clamping means (220).
4. Elastocaloric device (200) according to one of the preceding claims, wherein a first shell element (221) and an adjoining second shell element (222) clamp end portions (211) of a one-piece first bundle (B1) consisting of a plurality of elements (210), and the second shell element (222) and an adjoining third shell element (223) clamp end portions (211) of a one-piece second bundle (B2) which is different from the first bundle (B1) and consists of a plurality of elements (210).
5. Elastocaloric device (200) according to Claim 4, wherein the first shell element (221) is designed in the form of a hemispherical shell with a smallest radius or in the form of an ellipsoidal shell with smallest half-axes and each further shell element (222-224) in the form of a hemispherical or ellipsoidal shell with a respective larger radius or respective larger half-axes adjoins the respective next shell element with a smaller radius or smaller half-axes.
6. Elastocaloric device (200) according to Claim 4, wherein adjoining shell elements (221-224) can be braced against one another via fastening means (S).
7. Method for producing an elastocaloric device (200) according to one of Claims 1 to 6, which is configured to assume a first state, in which an elastocaloric material takes up heat energy on the basis of the elastocaloric effect, and a second state in which the elastocaloric material gives off heat energy on the basis of the elastocaloric effect, wherein the method comprises the following steps: clamping a plurality of elements (210) made of an elastocaloric material in at least two oppositely situated clamping means (220) which clamp respective end portions (211) of each element (210) in such a way that only a centre portion (212) of each element (210) that lies between the oppositely situated clamping means (220) can be offset in the first state and the second state to take up heat energy and give off heat energy.

Description

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 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 g