-
Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungseinrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Klimatisierungseinrichtungen für Fahrzeuge und Verfahren zum Betreiben von solchen Klimatisierungseinrichtungen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Eine solche Klimatisierungseinrichtung umfasst üblicherweise eine Temperiervorrichtung, mittels welcher Luft, welche dem Innenraum des jeweiligen, beispielsweise als Kraftfahrzeug, insbesondere als Kraftwagen ausgebildeten, Fahrzeugs zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird, temperierbar, das heißt zu kühlen und/oder zu erwärmen ist. Hierzu umfasst die Klimatisierungseinrichtung üblicherweise einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf, mittels welchem die Luft infolge eines Wärmeübergangs von der Luft an das Kältemittel gekühlt werden kann. Ferner ist es möglich, die Luft mittels eines elektrischen Heizelements und/oder mittels eines Wärmetauschers zu erwärmen, über welchen beispielsweise ein Wärmeübergang von einem den Wärmetauscher durchströmenden Heizfluid an die dem Innenraum zuzuführende Luft erfolgt.
-
Außerdem offenbart die
US 2016/0025385 A1 eine Kühlvorrichtung, welche sowohl eine aktive und regenerative magnetische Kühlung (AMR) als auch verschiedene Wärmetauscher umfasst.
-
Des Weiteren offenbart die
DE 10 2014 106 754 A1 ein Trocknergerät, mit einer Trocknungskammer zur Aufnahme von Trocknungsgut, durch die erwärmte Trocknungsluft geleitet wird, die anschließend durch Abkühlen entfeuchtet wird. Dabei ist es vorgesehen, dass das Erwärmen und/oder Abkühlen der Trocknungsluft mittels einer magnetokalorischen Einheit erfolgt.
-
Aus der
US 2015/0089960 A1 ist eine magnetische Kühlanlage bekannt. Des Weiteren offenbart die
US 2015/0033763 A1 ein Verbundmaterial zur Realisierung einer magnetischen Kühlung. Darüber hinaus offenbart die
US 2014/0338365 A1 eine magnetische Struktur. Schließlich ist der
US 2012/0032105 A1 ein wässriges Wärmeträgermedium für magnetische Kühler als bekannt zu entnehmen.
-
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimatisierungseinrichtung für ein Fahrzeug derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders vorteilhafte Klimatisierung des Fahrzeugs realisiert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Klimatisierungseinrichtung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der Beschreibung.
-
Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungseinrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Die Klimatisierungseinrichtung umfasst wenigstens eine Temperiervorrichtung, mittels welcher dem Innenraum des Fahrzeugs zuzuführende Luft zu temperieren, das heißt zu erwärmen und/oder zu kühlen ist.
-
Um nun das Fahrzeug, insbesondere dessen Innenraum, besonders vorteilhaft klimatisieren beziehungsweise temperieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Temperiervorrichtung wenigstens eine Magneteinrichtung umfasst, mittels welcher wenigstens ein Magnetfeld bereitstellbar ist. Ferner umfasst die Temperiervorrichtung wenigstens zwei von einem jeweiligen Luftstrom durchströmbare Kanäle. Der jeweilige Luftstrom umfasst beispielsweise Luft beziehungsweise ist durch Luft gebildet. Außerdem umfasst die Temperiervorrichtung wenigstens ein Temperierelement, welches zumindest jeweilige, sich durch magnetokalorisches Material hindurcherstreckende Kanalbereiche der Kanäle bildet, sodass der den jeweiligen Kanal durchströmende Luftstrom den jeweiligen Kanalbereich durchströmt und somit durch das jeweilige magnetokalorische Material hindurchströmt. Die Temperiervorrichtung ist ferner zwischen wenigstens zwei voneinander unterschiedlichen Zuständen, insbesondere Betriebszuständen, verstellbar oder umschaltbar. In dem jeweiligen Zustand stellt die Magneteinrichtung beispielsweise wenigstens ein Magnetfeld, insbesondere genau ein Magnetfeld, bereit. Dabei ist - insbesondere bei dem Betrieb der Klimatisierungseinrichtung, insbesondere der Temperiervorrichtung - in dem jeweiligen Zustand einer der Kanalbereiche in dem von der Magneteinrichtung bereitgestellten Magnetfeld angeordnet, und der jeweils andere Kanalbereich ist außerhalb des von der Magneteinrichtung bereitgestellten Magnetfelds angeordnet. Somit wirkt das bereitgestellte Magnetfeld auf den einen Kanalbereich beziehungsweise auf das den einen Kanalbereich bildende magnetokalorische Material, während das Magnetfeld auf den anderen Kanalbereich beziehungsweise auf das den anderen Kanalbereich bildende magnetokalorische Material nicht wirkt. Hierdurch ist es möglich, in dem jeweiligen Zustand zumindest einen der Luftströme mittels des magnetokalorischen Effekts zu temperieren, insbesondere zu kühlen oder zu erwärmen. Die Temperiervorrichtung fungiert somit als Kühlvorrichtung zum Kühlen und/oder als Heizvorrichtung zum Erwärmen des zumindest einen Luftstroms. Somit fungiert beispielsweise das Temperierelement als Kühlelement zum Kühlen und/oder als Heizelement zum Erwärmen des zumindest einen Luftstroms.
-
Wie allgemein bekannt ist, ist unter dem magnetokalorischen Effekt, insbesondere unter dem positiven magnetokalorischen Effekt, das Phänomen beziehungsweise der Effekt zu verstehen, dass sich ein positives magnetokalorisches Material beispielsweise erwärmt, wenn das positive magnetokalorische Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird, sodass das Magnetfeld auf das positive magnetokalorische Material einwirkt. Wird das Magnetfeld abgeschaltet beziehungsweise wird das positive magnetokalorische Material dann außerhalb des Magnetfelds angeordnet, sodass das Magnetfeld nicht mehr auf das positive magnetokalorische Material, auf das das Magnetfeld zuvor eingewirkt hat, einwirkt, so kühlt sich das positive magnetokalorische Material ab. Ist somit beispielsweise zunächst der andere Kanalbereich in dem Magnetfeld angeordnet, während das Magnetfeld bereitgestellt wird, sodass das Magnetfeld auf das positive magnetokalorische Material wirkt, durch das sich der andere Kanalbereich hindurcherstreckt, so wird beispielsweise zunächst das positive magnetokalorische Material, durch das sich der andere Kanalbereich hindurcherstreckt, erwärmt. Strömt beispielsweise der Luftstrom durch den zunächst in dem Magnetfeld angeordneten anderen Kanalbereich, so wird beispielsweise das positive magnetokalorische Material, durch das sich der andere Kanalbereich hindurcherstreckt, mittels des den anderen Kanalbereich durchströmenden Luftstroms gekühlt, sodass das positive magnetokalorische Material, durch das sich der andere Kanalbereich hindurcherstreckt, nicht oder nur sehr geringfügig erwärmt wird. Somit wird beispielsweise der den anderen Kanalbereich durchströmende Luftstrom erwärmt beziehungsweise genutzt, um Wärme von dem den anderen Kanalbereich begrenzenden beziehungsweise bildenden positiven magnetokalorischen Material abzutransportieren.
-
Wird daraufhin die Temperiervorrichtung derart umgeschaltet, dass dann der andere Kanalbereich außerhalb des Magnetfelds angeordnet ist, so kühlt sich das positive magnetokalorische Material, durch das sich der andere Kanalbereich hindurcherstreckt, das heißt das den anderen Kanalbereich begrenzende beziehungsweise bildende positive magnetokalorische Material ab, sodass der den anderen Kanalbereich durchströmende Luftstrom mittels des sich abkühlenden positiven magnetokalorischen Materials gekühlt wird. Insbesondere ist es dadurch möglich, den den anderen Kanalbereich durchströmenden Luftstrom besonders stark und insbesondere so stark zu kühlen, dass der den anderen Kanalbereich durchströmende Luftstrom eine Temperatur aufweist, welche geringer als die Umgebungstemperatur ist. Diese Kühlung des den anderen Kanalbereich durchströmenden Luftstroms ist ohne weiteres auch auf den einen Kanalbereich beziehungsweise auf den den einen Kanalbereich durchströmenden Luftstrom und das positive magnetokalorische Material übertragbar, durch welches sich der eine Kanalbereich hindurcherstreckt.
-
Insbesondere ist es dabei möglich, den den anderen Kanalbereich durchströmenden Luftstrom mittels des magnetokalorischen Effekts, insbesondere mittels des positiven magnetokalorischen Effekts, zu kühlen, während der den einen Kanalbereich, der in dem Magnetfeld angeordnet ist, durchströmende Luftstrom erwärmt wird, da ein Wärmeübergang von dem den einen Kanalbereich bildenden magnetokalorischen Material an den den einen Kanalbereich durchströmenden Luftstrom erfolgt. Dann ist es beispielsweise möglich, den erwärmten Luftstrom mit dem gekühlten Luftstrom zu mischen, insbesondere in einem einstellbaren Verhältnis, sodass dadurch ein die Luftströme umfassender Gesamtluftstrom erzeugt werden kann, der eine besonders vorteilhafte Temperatur aufweist. Beispielsweise durch Einstellen eines ersten Anteils des erwärmten Luftstroms an dem Gesamtluftstrom und durch Einstellen eines zweiten Anteils des gekühlten Luftstroms an dem Gesamtluftstrom, wobei sich die Anteile voneinander unterscheiden können, kann die Temperatur des Gesamtluftstroms bedarfsgerecht eingestellt werden.
-
Mittels der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung wird beispielsweise zumindest einer der Luftströme temperiert, und zumindest der temperierte Luftstrom wird genutzt, um den Innenraum zu temperieren. Hierzu wird beispielsweise zumindest der temperierte Luftstrom, insbesondere der Gesamtluftstrom, dem Innenraum zugeführt und dabei in den Innenraum eingeleitet. Dadurch kann der Innenraum des Fahrzeugs besonders effektiv und effizient temperiert, das heißt gekühlt oder erwärmt werden.
-
Ferner ist es denkbar, alternativ oder zusätzlich ein anderes magnetokalorisches Material, insbesondere ein negativ magnetokalorisches Material, mittels welchem der negative magnetokalorische Effekt, insbesondere zur Kühlung, genutzt werden kann, zu nutzen. Ein solches Material kühlt sich beispielsweise ab, wenn es in einem beziehungsweise in dem von der Magneteinrichtung bereitgestellten Magnetfeld angeordnet ist. Wird dieses Material außerhalb des Magnetfelds angeordnet beziehungsweise wird dann das Magnetfeld abgeschaltet, sodass das Material nicht mehr in dem Magnetfeld angeordnet ist, so erwärmt sich das negativ magnetokalorische Material. Dieser Effekt kann zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen, eines der oben genannten Luftströme verwendet werden, wobei dann derjenige der Luftströme gekühlt wird, welcher den Kanalbereich durchströmt, der in dem jeweiligen Zustand in dem bereitgestellten Magnetfeld angeordnet ist.
-
Der Erfindung liegt dabei insbesondere folgende Erkenntnis zugrunde: Herkömmliche Klimageräte in modernen Fahrzeugen benötigen konstruktionsbedingt viel Bauraum und nutzen darüber hinaus umweltschädliche Kältemittel als Fluide, insbesondere als Kältemittel, um den Innenraum beziehungsweise dem Innenraum zuzuführende Luft zu temperieren. Aus diesem Grund wird mittlerweile verstärkt an neuen Arten von Klimaanlagen geforscht. Die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung nutzt dabei den magnetokalorischen Effekt, um zumindest einen der Luftströme zu temperieren. Der jeweilige Luftstrom stammt beispielsweise zumindest im Wesentlichen direkt aus der Umgebung der Temperiervorrichtung und strömt beispielsweise bei dem Betrieb der Klimatisierungseinrichtung zumindest im Wesentlichen direkt in die Umgebung der Temperiervorrichtung und dabei aus dieser aus. Durch die Nutzung des magnetokalorischen Effekts können der beispielsweise dem Innenraum zuzuführende Luftstrom und somit der Innenraum ohne den Einsatz von umweltschädlichen Kältemitteln und ohne eine übermäßige Anzahl an kosten-, gewichts- und bauraumintensiven Wärmetauschern temperiert werden, sodass die Teileanzahl, das Gewicht, der Bauraumbedarf und die Kosten der Klimatisierungseinrichtung besonders gering gehalten werden können.
-
Der magnetokalorische Effekt entsteht dabei beispielsweise, insbesondere bei positivem magnetokalorischem Effekt, durch die Ausrichtung der magnetischen Momente (Spins) des magnetokalorischen Materials durch das Magnetfeld. Die Temperatur eines Körpers stellt grundsätzlich ein Maß für die Bewegung und Unordnung seiner atomaren Bestandteile, also seiner Entropie, dar. Wird ein Magnetfeld an einen magnetokalorischen Werkstoff, das heißt an ein magnetokalorisches Material, angelegt, indem das magnetokalorische Material in dem Magnetfeld angeordnet wird, sodass das Magnetfeld auf das magnetokalorische Material wirkt, so richten sich die bisher ungeordneten magnetischen Momente parallel zum angelegten Magnetfeld aus.
-
Dieser Effekt steht nicht im Widerspruch mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, da die Gesamtentropie des Systems entweder erhalten bleibt oder dabei ansteigt. Bei dem magnetokalorischen Effekt besteht die Gesamtentropie des Systems aus der thermischen sowie der magnetischen Entropie. Durch diese Ausrichtung der magnetischen Momente (Spins) beim Anlegen eines Magnetfelds an das magnetokalorische Material sinkt die magnetische Entropie, wodurch die thermische Entropie des Systems ansteigen muss. Dies spiegelt sich in einer Temperaturerhöhung des Materials wider. Beim Verlassen des Magnetfelds nimmt die magnetische Entropie wieder zu, da die magnetische Ausrichtung der Momente von einer geordneten Anordnung in Unordnung übergeht (natürliches Verhalten eines Materials hin zu einer größeren Entropie). Dabei nimmt die thermische Entropie des Gesamtsystems ab, wodurch die Temperatur des magnetokalorischen Materials schlagartig sinkt. Dieser Effekt ist auch als adiabate Entmagnetisierung bekannt. Durch die geschickte Anwendung dieses magnetokalorischen Effekts, beispielsweise durch Kühlung des im Magnetfeld angeordneten magnetokalorischen Materials, können nach dem Verlassen des Magnetfelds Temperaturen des magnetokalorischen Materials realisiert werden, welche geringer als die Umgebungstemperatur sind, sodass einer der Luftströme effektiv gekühlt werden kann.
-
Üblicherweise wird als das magnetokalorische Material eine Legierung verwendet, welche einen magnetokalorischen Effekt aufweist. Eine solche Legierung umfasst üblicherweise seltene Erden sowie andere Legierungselemente. Magnetokalorische Legierungen auf Basis von Lanthan, Eisen und Silizium, welche alle nicht-toxisch sind, lassen sich beispielsweise auf pulvermetallurgischem Weg herstellen. Hierbei werden beispielsweise geeignete Ausgangslegierungen zu einem feinen Pulver vermahlen und wahlweise direkt mithilfe eines Lasers gesintert oder zu sogenannten Grünlingen verpresst und anschließend durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet. Wichtig dabei ist beispielsweise, dass die Curie-Temperatur der verwendeten Legierung auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden sollte. Wie bereits oben ausgeführt, kann zwischen sogenannten positiven und negativen magnetokalorischen Materialien unterschieden werden. Positive magnetokalorische Materialien, wie beispielsweise Legierungen aus Lanthanoiden, u.a. Gadolinium, Dysprosium und Ytterbium, produzieren Wärme beziehungsweise werden erwärmt, wenn ein Magnetfeld anliegt. Bei Entfernung des Magnetfeldes nimmt das positive magnetokalorische Material Wärme aus seiner Umgebung auf. Negative magnetokalorische Materialien, wie beispielsweise Legierungen aus Fe-Rh, Co-Mn-Si-Ge oder Ni-Mn-Sn besitzen umgekehrt die Eigenschaft, Wärme aus der Umgebung aufzunehmen, sobald ein Magnetfeld angelegt wird, und bei Entfernung des Magnetfeldes Wärme abzugeben.
-
Als Legierungen werden beispielsweise Materialien mit einem geringen HystereseVerhalten verwendet, das heißt solche, die schnell auf Änderungen der äußeren Gegebenheiten, zum Beispiel auf den Wechsel von der Anordnung in dem Magnetfeld zu der Anordnung außerhalb des Magnetfelds, reagieren und ihr Systemverhalten anpassen, beispielsweise an den Betrag der Magnetisierung.
-
Bekannte technische Umsetzungen von Prototypen als AMR-Kühlsysteme (AMR - Active Magnetive Regenerative) verwenden zur Temperaturregelung vorrangig mit Fluiden gefüllte Zwischenspeicher, die räumlich voneinander getrennt sind. Zudem werden Wärmetauscher zur Abfuhr der Wärme an die Umgebung genutzt. Wird das in dem AMR-Kühlsystem verwendete magnetokalorische Material, insbesondere positives magnetokalorisches Material, insbesondere Legierungen aus Lanthanoiden, magnetisiert, so erwärmt sich dieses durch den magnetokalorischen Effekt, während es sich im Magnetfeld befindet. In einem AMR-Zyklus agiert dieses als Wärmetauscher zwischen zwei voneinander getrennten Zwischenspeichern. Ein Fluid aus einem ersten, kalten der Zwischenspeicher wird in Röhren unbestimmter Form durch das magnetokalorische Material in Richtung des zweiten Zwischenspeichers gefördert. Dabei nimmt es die thermische Energie auf, die durch den adiabaten Prozess der Magnetisierung entsteht. Nachdem das Magnetfeld abgeschaltet wurde, wird das warme Fluid des zweiten Zwischenspeichers in Richtung des ersten Zwischenspeichers geleitet. Dabei gibt es seine thermische Energie an das umgebende leitende Material ab, wodurch dieses sich erwärmt und kühlt selbst dabei ab. Ist der AMR-Zyklus mit zusätzlichen Wärmetauschern ausgestattet, die den Kühlkreislauf vervollständigen und die Temperaturen aus den beiden Fluidspeichern an die Umgebung abgeben, ist der Betrieb beispielsweise eines Kühlschrankes mit magnetokalorischem Material möglich.
-
Im Gegensatz dazu kann mittels der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung aufgrund der Umschaltbarkeit zwischen den Zuständen zumindest einer der Luftströme, welcher beispielsweise aus der Umgebung in den Innenraum des Fahrzeugs geleitet wird, zumindest im Wesentlichen kontinuierlich gekühlt beziehungsweise erwärmt werden. Insbesondere wurden folgende Nachteile herkömmlicher Klimaanlagen gegenüber der erfindungsgemäßen, magnetokalorischen Klimatisierungseinrichtung identifiziert: Verwendung schädlicher Kühlmittel; lautes Betriebsgeräusch infolge eines Betriebs eines Kompressors; großer Bauraumbedarf; geringe Effizienz; starkes Austrocknen der Luft; kein Wärmeeintrag möglich; höhere Kosten basierend auf dem Einsatz von Wärmetauschern und dem Kühlmittel. Diese Nachteile können nun vermieden werden. Ferner bestehen die Nachteile von auf dem AMR-Zyklus basierenden Kühlsystemen in der Komplexität der Zwischenspeicherkreisläufe für bestehende Prototypen. Des Weiteren erfordern auf dem AMR-Zyklus basierende Kühlsysteme viel Bauraum und hohe Kosten, da Wärmetauscher und Fluide im Zyklus nötig sind. Darüber hinaus ist die Serienreife noch nicht gewährleistet.
-
Auch kann der Bauraumbedarf der Klimatisierungseinrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Klimaanlagen besonders gering gehalten werden. Aufgrund nicht benötigter Wärmetauscher und Kühlmittel sind deutliche Kosteneinsparungen möglich. Im Gegensatz zu konventionellen Klimaanlagen kann mittels der Erfindung auch ein Wärmeeintrag in das Fahrzeug stattfinden. Der Energieverbrauch kann bei Einsatz der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Klimaanlagen um bis zu 30 Prozent reduziert werden. Außerdem kann eine übermäßig starke Austrocknung der Luft reduziert werden.
-
Gegenüber anderen Kühlsystemen mit magnetokalorischem Effekt ist die Anlagenkomplexität der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung deutlich reduziert. Des Weiteren kann mittels der Erfindung eine Gewichtseinsparung realisiert werden. Auch ist im Gegensatz zu anderen Kühlsystemen mit magnetokalorischem Effekt mit der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung ein kontinuierlicher Kühlmassenstrom möglich.
-
Es ist möglich, dass die Temperiervorrichtung derart ausgebildet ist, dass die Magneteinrichtung in einem ersten der Zustände das wenigstens eine Magnetfeld als ein erstes Magnetfeld in einem ersten Bereich bereitstellt. In dem ersten Bereich ist beispielsweise ein erster der Kanalbereiche angeordnet. In dem zweiten Zustand stellt die Magneteinrichtung beispielsweise ein zweites Magnetfeld in einem zweiten Bereich bereit.
-
Der zweite Bereich ist beispielsweise von dem ersten Bereich unterschiedlich. Dies bedeutet, dass der zweite Bereich überlappungsfrei zu dem ersten Bereich angeordnet ist. Dabei ist der zweite Kanalbereich in dem zweiten Bereich angeordnet. In dem ersten Zustand stellt die Magneteinrichtung das zweite Magnetfeld nicht bereit, und in dem zweiten Zustand stellt die Magneteinrichtung das erste Magnetfeld nicht bereit. Mit anderen Worten ist beispielsweise in dem ersten Zustand das erste Magnetfeld aktiviert, während das zweite Magnetfeld deaktiviert, das heißt ausgeschaltet ist. In dem zweiten Zustand ist beispielsweise das zweite Magnetfeld aktiviert, während das erste Magnetfeld deaktiviert, das heißt ausgeschaltet ist. Somit ist in dem jeweiligen Zustand einer der Kanalbereiche dem jeweiligen Magnetfeld ausgesetzt, während das jeweilige Magnetfeld nicht auf den anderen Kanalbereich einwirkt. Dadurch kann beispielsweise der den einen Kanalbereich durchströmende Luftstrom mittels des magnetokalorischen Effekts gekühlt werden. Bei dieser Ausführungsform stehen beispielsweise das Temperierelement und die Magneteinrichtung beziehungsweise das jeweilige Magnetfeld relativ zueinander fest.
-
Bei der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Temperierelement und das Magnetfeld beziehungsweise die Magneteinrichtung um eine Drehachse relativ zueinander drehbar sind, in einem ersten der Zustände eine erste Drehstellung relativ zueinander einnehmen und in dem zweiten Zustand eine von der ersten Drehstellung unterschiedliche zweite Drehstellung relativ zueinander einnehmen, wobei in der jeweiligen Drehstellung der eine Kanalbereich in dem Magnetfeld und der jeweils andere Kanalbereich außerhalb des Magnetfelds angeordnet ist. Dadurch kann ein zumindest im Wesentlichen kontinuierlicher Volumen- beziehungsweise Massenstrom der mittels der Temperiervorrichtung zu temperierenden Luft realisiert werden, sodass eine besonders angenehme und effektive Temperierung realisierbar ist.
-
Mit anderen Worten, stellt die Magneteinrichtung während eines Betriebs der Temperiervorrichtung das Magnetfeld bereit, so ist das Temperierelement relativ zu dem Magnetfeld drehbar beziehungsweise wird relativ zu dem Magnetfeld gedreht. Das Temperierelement bildet dabei die jeweiligen, sich durch magnetokalorisches Material hindurcherstreckenden Kanalbereiche der Kanäle, sodass der den jeweiligen Kanal durchströmende Luftstrom den jeweiligen Kanalbereich durchströmt und somit durch das jeweilige magnetokalorische Material hindurchströmt. Dabei ist - insbesondere bei dem Betrieb der Temperiervorrichtung - in der jeweiligen Drehstellung einer der Kanalbereiche in dem Magnetfeld und der jeweils andere Kanalbereich außerhalb des Magnetfelds angeordnet. Somit wirkt das bereitgestellte Magnetfeld auf den einen Kanalbereich beziehungsweise auf das den einen Kanalbereich bildende magnetokalorische Material, während das Magnetfeld auf den anderen Kanalbereich beziehungsweise auf das den anderen Kanalbereich bildende magnetokalorische Material nicht wirkt. Hierdurch ist es möglich, in der jeweiligen Drehstellung zumindest einen der Luftströme mittels des magnetokalorischen Effekts zu temperieren.
-
Des Weiteren ist es bei der Erfindung vorgesehen, dass die Magneteinrichtung wenigstens zwei voneinander beabstandete Magnetelemente umfasst, mittels welchen das Magnetfeld erzeugbar beziehungsweise bereitstellbar ist. In der jeweiligen Drehstellung ist der jeweilige, in dem Magnetfeld angeordnete Kanalbereich zwischen den Magnetelementen angeordnet, wobei in der jeweiligen Drehstellung eines der Magnetelemente zwischen den Kanalbereichen angeordnet ist. Dadurch kann eine besonders effiziente und effektive Kühlung realisiert werden.
-
Eine Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Magneteinrichtung feststehend ist, wobei das Temperierelement um die Drehachse relativ zu der Magneteinrichtung drehbar ist. Dies bedeutet, dass die Magneteinrichtung stationär ist. Mit anderen Worten ist beispielsweise eine Basis vorgesehen, an welcher das Temperierelement und die Magneteinrichtung zumindest mittelbar gehalten sind. Dabei umfasst die Basis beispielsweise ein Gehäuse, in welchem die Magneteinrichtung und das Temperierelement angeordnet sein können. Beispielsweise ist dabei das Temperierelement drehbar an der Basis angeordnet, sodass das Temperierelement um die Drehachse relativ zu der Magneteinrichtung und relativ zu der Basis drehbar ist. Bezüglich der Basis ist die Magneteinrichtung feststehend, sodass die Magneteinrichtung nicht relativ zu der Basis drehbar ist. Hierdurch kann ein besonders einfacher Aufbau realisiert werden, sodass eine besonders vorteilhafte Funktions- beziehungsweise Einsatzfähigkeit der Temperiervorrichtung dargestellt werden kann.
-
Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn die Kanalbereiche voneinander beabstandet und/oder thermisch voneinander isoliert sind. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das den einen Kanalbereich bildende magnetokalorische Material von dem den anderen Kanalbereich bildenden magnetokalorischen Material beabstandet angeordnet ist und/oder dass das den einen Kanalbereich bildende magnetokalorische Material thermisch von dem den anderen Kanalbereich bildenden magnetokalorischen Material thermisch isoliert ist.
-
Um den Bauraumbedarf besonders gering halten zu können und somit eine besonders vorteilhafte und flexible Einsatzfähigkeit zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Drehachse das eine Magnetelement, das heißt das Magnetelement, welches zwischen den Kanalbereichen angeordnet ist, schneidet.
-
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Magneteinrichtung wenigstens einen Elektromagneten und/oder wenigstens einen Permanentmagneten umfasst. Hierdurch kann eine besonders bedarfsgerechte Kühlung realisiert werden beziehungsweise die Kosten und der Bauraumbedarf können besonders gering gehalten werden.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Fördereinrichtung zum Fördern des jeweiligen Luftstroms aus der Umgebung in den jeweiligen Kanal, durch den jeweiligen Kanal hindurch und aus dem jeweiligen Kanal an die Umgebung vorgesehen. Durch bedarfsgerechtes Ein- und Ausschalten der Fördereinrichtung kann beispielsweise eine besonders effektive Kühlung effizient realisiert werden.
-
Um einen besonders einfachen Aufbau und somit eine besonders vorteilhafte Einsatzfähigkeit der Temperiervorrichtung realisieren zu können, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Fördereinrichtung als Gebläse ausgebildet ist, mittels welchem den jeweiligen Luftstrom bildende Luft zu fördern ist.
-
Um beispielsweise einen besonders vorteilhaften Wärmeübergang von dem magnetokalorischen Material an den jeweiligen, das jeweilige magnetokalorische Material durchströmenden Luftstrom beziehungsweise umgekehrt realisieren zu können, hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn in wenigstens einem der Kanäle zumindest ein Strömungsleitelement vorgesehen ist, mittels welchem der den wenigstens einen Kanal durchströmende Luftstrom beeinflussbar ist. Beispielsweise ist das Strömungsleitelement als Düse oder Diffusor ausgebildet.
-
Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn das Strömungsleitelement dazu ausgebildet ist, eine turbulente Strömung des Luftstroms zu bewirken, wodurch ein besonders vorteilhafter Wärmeaustausch realisierbar ist.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Klimatisierungseinrichtung ist die Temperiervorrichtung als offenes System ausgebildet ist, dessen Kanäle jeweils beidenends in die Umgebung der Temperiervorrichtung münden. Dies bedeutet, dass die Luftströme nicht dieselben Luftströme sind beziehungsweise dass der den einen Kanalbereich beziehungsweise der einen der Kanäle durchströmende Luftstrom nicht derselbe Luftstrom ist, der den anderen Kanalbereich beziehungsweise den anderen Kanal durchströmt. Während des Betriebs der Temperiervorrichtung strömt beispielsweise der jeweilige Luftstrom aus der Umgebung in den jeweiligen Kanal ein, woraufhin der jeweilige Luftstrom den jeweiligen Kanal und somit den jeweiligen Kanalbereich durchströmt. Dann strömt der jeweilige Luftstrom aus dem jeweiligen Kanal an beziehungsweise in die Umgebung der Temperiervorrichtung aus, sodass dann der aus dem jeweiligen Kanal ausgeströmte Luftstrom nicht wieder dem jeweils anderen Kanal zugeführt wird. Die Kanäle sind somit nicht beziehungsweise nicht direkt fluidisch miteinander verbunden. Da die Temperiervorrichtung als offenes System ausgebildet ist, sind die Kanäle beispielsweise lediglich über die insbesondere räumlich unbegrenzte Umgebung der Temperiervorrichtung fluidisch miteinander verbunden. Durch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung als offenes System ist es möglich, den jeweiligen Luftstrom bedarfsgerecht und somit effizient und effektiv zu kühlen. Insbesondere kann ein sich in der Umgebung der Temperiervorrichtung befindendes und beispielsweise den jeweiligen Luftstrom bildende Luft zumindest im Wesentlichen direkt und ohne den Einsatz von zusätzlichen Wärmetauschern und Kühlmitteln gekühlt werden, sodass die Teileanzahl, der Bauraumbedarf, das Gewicht und die Kosten der Temperiervorrichtung besonders gering gehalten werden können.
-
Unter einem offenen System ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass die Luftströme beziehungsweise mittels des magnetokalorischen Effekts zu temperierende Luft nicht einen Kreislauf durchströmt und somit nicht im Kreis gefördert wird, sondern der jeweilige zu temperierende Luftstrom wird aus der Umgebung entnommen und daran anschließend wieder an die Umgebung abgelassen und dabei nicht dem jeweils anderen Kanal wieder zugeführt. Somit kann beispielsweise die mittels des magnetokalorischen Effekts zu temperierende Luft direkt als Kühlmedium verwendet werden, welches beispielsweise einem zu kühlenden Bereich gezielt und bedarfsgerecht zugeführt werden kann. Ein Wärmeaustausch zwischen der jeweiligen, mittels des magnetokalorischen Effekts zu temperierende Luft oder Luftstroms an eine davon unterschiedliche Luft kann ebenso vermieden werden wie ein Wärmetauscher zum Bewirken eines solchen Wärmeaustausches.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:
- 1 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei die Klimatisierungseinrichtung den magnetokalorischen Effekt zum Kühlen wenigstens eines Luftstroms nutzt;
- 2 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Vorderansicht der Klimatisierungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung der Klimatisierungseinrichtung; und
- 4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der Klimatisierungseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
-
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen und geschnittenen Vorderansicht eine Klimatisierungseinrichtung 33 für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagen. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, wird die Klimatisierungseinrichtung 33 als Komponente des Fahrzeugs genutzt, um dem Innenraum des Fahrzeugs zuzuführende Luft zu temperieren, das heißt zu kühlen und/oder zu erwärmen. Hierfür umfasst die Klimatisierungseinrichtung 33 eine Temperiervorrichtung 1, welche beispielsweise als Kühlvorrichtung zum Kühlen der Luft und/oder als Heizeinrichtung zum Erwärmen der dem Innenraum zuzuführenden Luft fungieren kann. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Klimatisierungseinrichtung 33. Bei der ersten Ausführungsform umfasst die Temperiervorrichtung 1 eine Magneteinrichtung 2, mittels welcher wenigstens zwei Magnetfelder 3a und 3b bereitstellbar sind. Dies bedeutet, dass im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben der Klimatisierungseinrichtung 33 die Magneteinrichtung 2 dann, wenn die Klimatisierungseinrichtung 33, die Temperiervorrichtung 1 und somit die Magneteinrichtung 2 aktiviert sind, wenigstens ein Magnetfeld bereitstellt, welches in 1 besonders schematisch dargestellt und mit 3a beziehungsweise 3b bezeichnet ist.
-
In Zusammenschau mit 4 ist erkennbar, dass die Temperiervorrichtung 1 wenigstens zwei von einem jeweiligen Luftstrom durchströmbare Kanäle 4 und 5 aufweist. In 4 ist der den Kanal 4 während des Betriebs der Temperiervorrichtung 1 durchströmende Luftstrom durch Pfeile 6 veranschaulicht. Ferner ist der während des Betriebs der Temperiervorrichtung 1 den Kanal 5 durchströmende Luftstrom in 4 mit Pfeilen 7 veranschaulicht. Zumindest einer der Luftströme umfasst zumindest einen Teil der dem Innenraum zuzuführenden Luft, mittels welcher der Innenraum temperiert, das heißt gekühlt und/oder erwärmt werden kann.
-
Wie besonders gut aus 1 erkennbar ist, umfasst die Temperiervorrichtung 1 wenigstens ein Temperierelement 8, welches um eine auch als Rotationsachse bezeichnete Drehachse 9 relativ zu der Magneteinrichtung 2 und somit relativ zu den Magnetfeldern 3a und 3b zwischen zumindest zwei voneinander unterschiedlichen Drehstellungen drehbar ist.
-
Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, fungiert das Temperierelement 8 als Wärmetauscher, wobei das Temperierelement 8 zumindest bei der ersten Ausführungsform als Revolver, insbesondere als Wärmetauscherrevolver, ausgebildet ist. Dabei weist das Temperierelement 8 beispielsweise zumindest im Wesentlichen die Form eines Zylinders auf. Die Temperiervorrichtung 1 umfasst beispielsweise eine in 1 besonders schematisch dargestellte Basis 10, an welcher das Temperierelement 8 und die Magneteinrichtung 2 jeweils zumindest mittelbar, insbesondere direkt, gehalten sind. Hierbei ist beispielsweise das Temperierelement 8 drehbar an der Basis 10 gehalten, insbesondere drehbar an der Basis 10 gelagert. Die Basis 10 umfasst beispielsweise ein Gestell beziehungsweise wenigstens ein Abstützelement, über welches die Temperiervorrichtung 1 beispielsweise an einem Gestell der Klimatisierungseinrichtung 33 befestigt werden kann. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Temperierelement 8 um die Drehachse 9 relativ zu der Basis 10 drehbar ist, wobei die Magneteinrichtung 2 nicht relativ zur Basis 10 drehbar ist. Insbesondere ist die Magneteinrichtung 2 zumindest mittelbar an der Basis 10 befestigt, so dass die Magneteinrichtung 2 relativ zu der Basis 10 feststehend beziehungsweise ortsfest ist.
-
Wie besonders gut aus einer Zusammenschau von 1 und 4 erkennbar ist, bildet das Temperierelement 8 zumindest jeweilige, sich durch magnetokalorisches Material 11 beziehungsweise 12 hindurchstreckende Kanalbereiche 13 und 14 der Kanäle 4 und 5. Bei der ersten Ausführungsform ist das jeweilige magnetkalorische Material 11 beziehungsweise 12 als positives magnetkalorisches Material ausgebildet. In 4, in welcher die Drehbarkeit des Temperierelements 8 relativ zur Magneteinrichtung 2 durch einen Pfeil 15 veranschaulicht ist, ist erkennbar, dass beispielsweise in einer in 1, 2 und 4 veranschaulichten ersten der Drehstellungen die Kanalbereiche 13 Teil des Kanals 4 sind beziehungsweise dem Kanal 4 zugeordnet sind. Ferner sind in der ersten Drehstellung die Kanalbereiche 14 Teile des Kanals 5 beziehungsweise dem Kanal 5 zugeordnet. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ist es denkbar, dass in der von der ersten Drehstellung unterschiedlichen zweiten der Drehstellungen die Kanalbereiche 14 dem Kanal 4 zugeordnet sind beziehungsweise Teile des Kanals 4 sind, wobei in der zweiten Drehstellung die Kanalbereiche 13 dem Kanal 5 zugeordnet sind beziehungsweise Teile des Kanals 5 sind.
-
Dabei erstrecken sich die Kanalbereiche 13 durch das magnetokalorische Material 11 hindurch, wobei sich die Kanalbereiche 14 durch das magnetokalorische Material 12 hindurcherstrecken. Aus 1 ist erkennbar, dass die Kanalbereiche 13 paarweise voneinander und jeweils von den Kanalbereichen 14 beabstandet sind, wobei die Kanalbereiche 14 paarweise voneinander beabstandet sind. Insbesondere sind die Kanalbereiche 13 von den Kanalbereichen 14 thermisch isoliert. Alternativ oder zusätzlich ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das magnetokalorische Material 11 von dem magnetokalorischen Material 12 beabstandet und/oder thermisch isoliert ist. Die magnetokalorischen Materialien 11 und 12 sind beispielsweise durch das gleiche magnetokalorische Material beziehungsweise durch den gleichen magnetokalorischen Werkstoff gebildet, wobei es sich bei dem magnetokalorischen Werkstoff um eine Legierung mit magnetokalorischem Effekt handeln kann. Aus 1 ist erkennbar, dass das magnetokalorische Material 11 die Kanalbereiche 13 bildet, wobei das magnetokalorische Material 12 die Kanalbereiche 14 bildet. Insbesondere ist der jeweilige Kanalbereich 13 in dessen Umfangsrichtung vollständig umlaufend durch das magnetokalorische Material 11 gebildet beziehungsweise begrenzt. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der jeweilige Kanalbereich 14 in dessen Umfangsrichtung vollständig umlaufend durch das magnetokalorische Material 12 gebildet beziehungsweise begrenzt ist.
-
Durch das bedarfsgerechte Bewegen beziehungsweise Drehen des Temperierelements 8 und somit der Kanalbereiche 13 und 14 in die Drehstellungen und durch bedarfsgerechtes Aktivieren und Deaktivieren der Magnetfelder 3a und 3b kann zumindest einer der Luftströme bedarfsgerecht temperiert werden, um dadurch den Innenraum bedarfsgerecht, effizient und effektiv zu temperieren. Hierzu sind die Temperiervorrichtung 1 und somit die Klimatisierungseinrichtung 33 zwischen einem als Kühlbetrieb ausgebildeten ersten Betriebszustand und einem als Heizbetrieb ausgebildeten zweiten Betriebszustand umschaltbar. Innerhalb des jeweiligen Betriebszustands ist die Temperiervorrichtung 1 wiederum zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand verstellbar. In dem Kühlbetrieb wird einer der Luftströme gekühlt und dem Innenraum zugeführt, um dadurch den Innenraum zu kühlen. In dem Heizbetrieb wird einer der Luftströme erwärmt und dem Innenraum zugeführt, um dadurch den Innenraum zu erwärmen beziehungsweise zu beheizen. In dem ersten Zustand nehmen die Magneteinrichtung 2 und das Temperierelement 8 die in 1 gezeigte erste Drehstellung relativ zueinander ein, wobei in dem zweiten Zustand die Magneteinrichtung 2 und das Temperierelement 8 die von der ersten Drehstellung unterschiedliche zweite Drehstellung relativ zueinander einnehmen.
-
In dem Kühlbetrieb ist das Magnetfeld 3a, insbesondere dauerhaft, aktiviert, während das Magnetfeld 3b, insbesondere dauerhaft, deaktiviert ist. In dem ersten Zustand und somit in der ersten Drehstellung wird der die Kanalbereiche 13 und somit das magnetokalorische Material 11 durchströmende Luftstrom gekühlt. Der in der ersten Drehstellung die Kanalbereiche 14 und somit das magnetokalorische Material 12 durchströmende Luftstrom wird in der ersten Drehstellung genutzt, um das magnetokalorische Material 12 zu kühlen. Wäre beispielsweise eine Kühlung des magnetokalorischen Materials 12 in der ersten Drehstellung nicht vorgesehen, so würde das magnetokalorische Material 12 mittels des Magnetfeldes 3a, welches auf das magnetokalorische Material 12, nicht jedoch auf das magnetokalorische Material 11 wirkt, erwärmt. Da jedoch der Luftstrom durch die Kanalbereiche 14 und somit durch das magnetokalorische Material 12 hindurchströmt, wird das magnetokalorische Material 12 gekühlt, so dass beispielsweise ein Wärmeübergang von dem magnetokalorischen Material 12 an den die Kanalbereiche 14 durchströmenden Luftstrom erfolgt. Mit anderen Worten wird beispielsweise der Luftstrom, der in der ersten Drehstellung durch die Kanalbereiche 14 strömt, mittels des Magnetfelds 3a erwärmt, um dadurch mittels des die Kanalbereiche 14 durchströmenden Luftstroms Wärme von dem magnetokalorischen Material 12 abzutransportieren. Dadurch kann beispielsweise eine durch das Magnetfeld 3a bewirkte übermäßige Erwärmung des magnetokalorischen Materials 12 vermieden werden.
-
Wurde in dem Kühlbetrieb vor dem Einstellen der in 1 gezeigten ersten Drehstellung die zweite Drehstellung eingestellt, so dass zuvor die Kanalbereiche 13 in dem Magnetfeld 3a und die Kanalbereiche 14 außerhalb des Magnetfelds 3a angeordnet waren, so wird in der ersten Drehstellung der Luftstrom, der durch die nun außerhalb des Magnetfeldes 3a angeordneten Kanalbereiche 13 strömt, in der ersten Drehstellung gekühlt, da sich das magnetokalorische Material 11 durch den magnetokalorischen Effekt abkühlt. Dies bedeutet, dass beispielsweise nach dem Einstellen der ersten Drehstellung die zweite Drehstellung eingestellt wird, sodass dann die Kanalbereiche 13 innerhalb des Magnetfeldes 3a und die Kanalbereiche 14 außerhalb des Magnetfeldes 3a angeordnet sind und der dann durch die Kanalbereiche 14 strömende Luftstrom durch den magnetokalorischen Effekt gekühlt wird, wobei dann der durch die Kanalbereiche 13 strömende Luftstrom genutzt wird, um Wärme von dem magnetokalorischen Material 11 abzutransportieren. In dem Kühlbetrieb wird somit beispielsweise derjenige der Luftströme, der in der jeweiligen Drehstellung durch denjenigen der Kanäle 4 und 5 strömt, dessen Kanalbereiche 13 beziehungsweise 14 außerhalb des Magnetfelds 3a angeordnet sind, mittels des magnetokalorischen Effekts gekühlt und dem Innenraum zugeführt, um den Innenraum zu kühlen.
-
Ist in dem Kühlbetrieb die erste Drehstellung eingestellt, so sind beispielsweise die Kanalbereiche 14 und somit das die Kanalbereiche 14 bildende beziehungsweise begrenzende magnetokalorische Material 12 jeweils zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in dem Magnetfeld 3a angeordnet, während die Kanalbereiche 13 und somit das die Kanalbereiche 13 bildende magnetokalorische Material 11 jeweils zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, außerhalb des Magnetfeldes 3a angeordnet sind. Ist in dem Kühlbetrieb die in 1 nicht näher dargestellte zweite Drehstellung eingestellt, so sind beispielsweise die Kanalbereiche 13 und somit das die Kanalbereiche 13 bildende magnetokalorische Material 11 jeweils zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in dem Magnetfeld 3a angeordnet, während die Kanalbereiche 14 und das magnetokalorische Material 12 jeweils zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, außerhalb des Magnetfeldes 3a angeordnet sind.
-
Beispielsweise ist das jeweilige magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12 zumindest außenumfangsseitig zylinderförmig ausgebildet und dabei beispielsweise in einer als Revolvertrommel ausgebildeten Trommel des Temperierelements 8 angeordnet. Wie zuvor bezüglich des Temperierelements 8 erläutert, sind die Trommel und somit die magnetokalorischen Materialien 11 und 12 und somit die Kanalbereiche 13 und 14 um die Drehachse 9 drehbar und dabei beispielsweise an der Basis 10 gelagert. Der jeweilige Kanalbereich 13 beziehungsweise 14 kann mit einer entsprechenden Form bedarfsgerecht ausgestaltet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzahl der Kanalbereiche 13 beziehungsweise 14 variieren. Die Magneteinrichtung 2 ist dabei ein Magnetfelderzeuger, welcher vorzugsweise stationär ist, während das Temperierelement 8 drehbar gelagert ist.
-
Der Heizbetrieb unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem Kühlbetrieb, dass das Magnetfeld 3b, insbesondere dauerhaft, von der Magneteinrichtung 2 bereitgestellt wird, während das Magnetfeld 3a, insbesondere dauerhaft, deaktiviert ist. Ferner wird bei dem Heizbetrieb derjenige der Luftströme, der in der jeweiligen Drehstellung durch denjenigen der Kanäle 4 und 5 strömt, dessen Kanalbereiche 13 beziehungsweise 14 innerhalb des Magnetfelds 3b angeordnet sind, dem Innenraum zugeführt, um den Innenraum zu erwärmen, da derjenige der Luftströme, der in der jeweiligen Drehstellung durch denjenigen der Kanäle 4 und 5 strömt, dessen Kanalbereiche 13 beziehungsweise 14 innerhalb des Magnetfelds 3b angeordnet sind, Wärme von dem jeweiligen magnetokalorischen Material 11 beziehungsweise 12 abtransportiert und dadurch erwärmt wird.
-
Beispielsweise ist der Kanal 4 fluidisch mit dem Innenraum verbunden, sodass beispielsweise in beiden Betriebszuständen die den Kanal 4 durchströmende Luft dem Innenraum zugeführt wird. Da in dem Kühlbetrieb das Magnetfeld 3a aktiviert und das Magnetfeld 3b deaktiviert ist, und da in dem Heizbetrieb das Magnetfeld 3b aktiviert und das Magnetfeld 3a deaktiviert ist, wird in dem Kühlbetrieb die den Kanal 4 durchströmende Luft gekühlt, und in dem Heizbetrieb wird die den Kanal 4 durchströmende Luft erwärmt, sodass durch das bedarfsgerechte Umschalten zwischen den Zuständen (Drehstellungen) und das bedarfsgerechte Aktivieren und Deaktivieren der Magnetfelder 3a und 3b die dem Innenraum zuzuführende Luft gekühlt oder erwärmt werden kann, ohne die fluidische Verbindung des Kanals 4 mit dem Innenraum ändern zu müssen.
-
Aus 1 ist erkennbar, dass die Magneteinrichtung 2 wenigstens vier Magnetelemente 17a, 17b, 18a und 18b umfasst, welche beispielsweise zwei Magnetsätze oder zwei Magnetpaare bilden, welche vorzugsweise räumlich fest sind. Die jeweiligen Magnetelemente 17a, 17b, 18a und 18b können dabei beispielsweise als Permanentmagnete oder aber als Elektromagnete ausgebildet sein. Durch den Einsatz von Elektromagneten kann das Magnetfeld 3a beziehungsweise das Magnetfeld 3b bedarfsgerecht an- oder abgeschaltet werden.
-
Vorzugsweise umfasst das Temperierelement 8 einen Kunststoff, in welchem das jeweilige magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12, zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, angeordnet beziehungsweise eingebettet ist. Dabei ist vorzugsweise eine thermische Isolation zwischen den magnetokalorischen Materialien 11 und 12 angeordnet, wobei diese thermische Isolation durch den zuvor genannten Kunststoff realisiert werden kann. Dabei sind exakte Lage, Form und Material der Bauteile der Temperiervorrichtung 1 frei wählbar. Die Magnetelemente 17a, 17b, 18a und 18b stellen beispielsweise jeweilige Pole der Magneteinrichtung 2 dar. Bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform sind die Pole beziehungsweise Magnetelemente 17a, 17b, 18a und 18b bezogen auf die Bildebene von 1 links und rechts außerhalb des Temperierelements 8 angeordnet. Das Magnetfeld 3a wird beispielsweise durch das Magnetpaar bereitgestellt, welche die Magnetelemente 17a und 18a umfasst. Das Magnetfeld 3b wird beispielsweise durch das Magnetpaar bereitgestellt, welches die Magnetelemente 17b und 18b umfasst. Dabei ist in den jeweiligen Drehstellungen das jeweilige magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12 zwischen den jeweiligen Magnetelementen 17a und 18a beziehungsweise 17b und 18b des jeweiligen Magnetpaares angeordnet.
-
2 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei welcher beispielsweise die Magnetelemente 18a und 18b außerhalb des Temperierelements 8 angeordnet und dabei stationär beziehungsweise feststehend sind. Die Magnetelemente 17a und 17b können in dem Temperierelement 8 und dabei insbesondere unterhalb der Drehachse 9 angeordnet und wie die Magnetelemente 18a und 18b vorzugsweise feststehend sein, sodass das Temperierelement 8 relativ zu den Magnetelementen 17a, 17b, 18a und 18b drehbar ist.
-
Das Magnetfeld 3a wird bei der zweiten Anordnung durch das Magnetpaar bereitgestellt, welche die Magnetelemente 17a und 18a umfasst. Das Magnetfeld 3b wird beispielsweise durch das Magnetpaar bereitgestellt, welches die Magnetelemente 17b und 18b umfasst. Auch bei der zweiten Ausführungsform ist in den jeweiligen Drehstellungen das jeweilige magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12 zwischen den jeweiligen Magnetelementen 17a und 18a beziehungsweise 17b und 18b des jeweiligen Magnetpaares angeordnet. Ferner ist die Drehachse 9 zwischen den Magnetelementen 17a und 17b angeordnet.
-
Um einen zumindest im Wesentlichen kontinuierlichen Massenstrom des jeweiligen Luftstroms zu ermöglichen, kann die Temperiervorrichtung 1 beliebig viele, mindestens jedoch zwei beispielsweise nebeneinander angeordnete Kanalbereiche wie beispielsweise die Kanalbereiche 13 und 14 umfassen, von denen in der jeweiligen Drehstellung zumindest einer innerhalb eines aktivierten Magnetfeldes 3a beziehungsweise 3b und zumindest einer außerhalb des aktivierten Magnetfeldes 3a beziehungsweise 3b angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Temperiervorrichtung 1 mehrere, das heißt mindestens zwei Temperierelemente 8 umfasst, welche beispielsweise nebeneinander angeordnet sind. Das jeweilige Temperierelement 8 stellt dabei beispielsweise ein jeweiliges Drehsystem dar, welches in eine Rotations- oder Drehrichtung um seine jeweilige Drehachse 9 drehbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Drehrichtungen der mehreren Drehsysteme gegenläufig sind, um Drehmomente aufzuheben. Zur Realisierung eines zumindest im Wesentlichen kontinuierlichen Massenstroms ist es vorteilhaft, wenn jeweilige, von dem jeweiligen Luftstrom durchströmbare Querschnittsflächen der Drehsysteme gleich groß sind, so dass die jeweiligen Massenströme gleich groß sind. Dies kann durch ein geschicktes, beispielsweise abwechselndes Drehen der Temperierelemente 8 ermöglicht werden, wobei vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt mindestens eine Querschnittsfläche eines Kanals (zusammengesetzt aus den projizierten Flächen beider in der Strömungsrichtung befindlichen Kanäle) von Luft beziehungsweise Fluid durchströmt sein sollte. Für eine Realisierung eines kontinuierlichen Massenstroms können im Gesamtsystem beliebig viele, mindestens jedoch zwei Temperierelemente, insbesondere als Revolvertrommeln ausgeführt, nebeneinander verbaut werden. Damit kann durch rechtzeitige Umlenkung der Luft auf die nächsten Leitungen die Volumenmenge an Strömungsluft normiert und konstant gehalten werden. Auch ist es denkbar die kalte Luft in einem Druckspeicher zu speichern, um einen Vorrat an kühler Luft für die weitere Nutzung zur Verfügung zu haben.
-
Vorzugsweise ist die als Strömungsanlage ausgebildete Temperiervorrichtung 1 so konzipiert, dass in dem Kühlbetrieb das Magnetfeld 3a permanent eingeschaltet ist beziehungsweise bereitgestellt wird, insbesondere in dem Fall, dass ein Elektromagnet verwendet wird, so dass sich daraufhin das jeweilige magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12, welches in dem Magnetfeld 3a liegt, erwärmt. Gleichzeitig wird durch die Kanalbereiche 13 beziehungsweise 14 des in dem Magnetfeld 3a angeordneten magnetokalorischen Materials 11 beziehungsweise 12 Luft, insbesondere Umgebungsluft, geführt, um Wärme von dem sich erhitzenden magnetokalorischen Material 11 beziehungsweise 12 abzuführen. Sobald eine magnetische Sättigung eingetreten ist und das magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12 durch den jeweiligen Luftstrom ungefähr auf Umgebungstemperatur gekühlt wurde, wird das Temperierelement 8 so gedreht, dass das zuvor in dem Magnetfeld 3a angeordnete magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12 dann außerhalb des Magnetfelds 3a angeordnet und dabei beispielsweise bezogen auf die Bildebene von 1 oben angeordnet ist. Nun liegt das magnetokalorische Material 12 beziehungsweise 11, welches vorher außerhalb des Magnetfeldes 3a angeordnet war, in dem Magnetfeld 3a und wird erwärmt und ebenfalls von Luft, beispielsweise Umgebungsluft, durchströmt.
-
Das nun außerhalb des Magnetfeldes 3a angeordnete magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12 kühlt sich nach Verlassen des Magnetfeldes 3a aufgrund des magnetokalorischen Effekts positiver magnetokalorischer Materialien sofort um ein bestimmtes Maß ab, wobei das sich abkühlende magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12 von der Luft, insbesondere Umgebungsluft, durchströmt wird. Hierdurch wird die Luft, welche durch den Kanalbereich 13 beziehungsweise 14 strömt, der außerhalb des Magnetfeldes 3a angeordnet ist, gekühlt, so dass beispielsweise kalte Luft aus dem Temperierelement 8 beziehungsweise aus der Temperiervorrichtung 1 insgesamt ausströmt.
-
Aus 3 ist erkennbar, dass die Klimatisierungseinrichtung 33 beispielsweise wenigstens eine Fördereinrichtung 19 umfasst, mittels welcher die Luft, welche die Luftströme bildet, förderbar ist beziehungsweise gefördert wird. Beispielsweise handelt es sich bei der Fördereinrichtung 19 um ein Gebläse, mittels welchem die die Luftströme bildende Luft gefördert werden kann. Insbesondere kann die Luft mittels des Gebläses in den Innenraum gefördert und somit diesem zugeführt werden. Beispielsweise wird mittels des Gebläses Luft aus der Umgebung 25 des Kraftfahrzeuges in die Temperiervorrichtung 1, insbesondere in den Kanal 4, gefördert, insbesondere gesaugt, um die Luft mittels des magnetokalorischen Effektes zu temperieren und anschließend dem in 3 mit 26 bezeichneten Innenraum zuzuführen.
-
Eine weitere, beispielsweise als Gebläse ausgebildete Fördereinrichtung 34 kann verwendet werden, um Luft durch den Kanal 5 zu fördern. Die den Kanal 5 durchströmende Luft stammt beispielsweise zumindest teilweise aus dem Innenraum 26 und/oder aus der Umgebung 25 des Fahrzeugs. Nach Durchströmen des Kanals 5 kann die Luft an die Umgebung 25 des Fahrzeugs strömen.
-
Die Klimatisierungseinrichtung 33 umfasst beispielsweise eine Steuerung 27, mittels welcher eine aus dem Innenraum 26 stammende und den Kanal 5 durchströmende Luftmenge und eine aus dem Innenraum 26 stammende den Kanal 5 umgehende und somit nicht durchströmende und dabei direkt an die Umgebung 25 strömende Luftmenge einstellbar sind. Mit anderen Worten kann dem Kanal 5 Luft aus dem Innenraum 26 zugeführt werden, wobei eine Menge an aus dem Innenraum 26 stammender und dem Kanal 5 zuzuführender Luft mittels der Steuerung 27 eingestellt werden kann. Ferner kann mittels der Fördereinrichtung 34 über ein Ventil 28 Luft aus der Umgebung 25 angesaugt und durch den Kanal 5 gefördert werden, sodass mittels der Fördereinrichtung 34 Luft aus dem Innenraum 26 und/oder Luft aus der Umgebung 25 durch den Kanal 5 gefördert werden und den Kanal 5 durchströmen kann. Dies dient beispielsweise der Einstellung eines hinreichenden Luftmassenstroms durch den Kanal 5. Somit kann beispielsweise im Kühlbetrieb eine hinreichende Kühlung des jeweiligen, im Magnetfeld 3a angeordneten Materials 11 beziehungsweise 12 sichergestellt werden. Die Kanäle 4 und 5 werden somit vorzugsweise gleichzeitig und dabei beispielsweise gegensinnig von Luft durchströmt.
-
Aus 3 ist außerdem erkennbar, dass die Klimatisierungseinrichtung 33 beispielsweise einen Luftfilter 20 umfasst, mittels welchem die zumindest einen der Luftströme bildende Luft, insbesondere die dem Innenraum 26 zuzuführende beziehungsweise in die Temperiervorrichtung 1 einströmende Luft gefiltert wird. Ferner ist beispielsweise eine Mischungssteuerung 21 vorgesehen, mittels welcher eine Ausgangstemperatur des Luftstromes, welcher temperiert und dem Innenraum 26 zugeführt wird, bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Hierfür ist optional wenigstens eine Umgehungsleitung 22 vorgesehen, welche auch als Bypass bezeichnet wird. Mittels der Umgehungsleitung 22 wird beispielsweise ein Teil der den Kanal 4 durchströmenden und in 3 durch einen Pfeil 23 veranschaulichten Luft zum Bilden des zu temperierenden Luftstroms, insbesondere aus dem Kanal 4, abgezweigt, wobei der die Umgehungsleitung 22 durchströmende Teil der Luft die Kanalbereiche 13 und 14 umgeht und somit nicht durchströmt, so dass der die Umgehungsleitung 22 durchströmende Teil der Luft nicht mittels des Temperierelements 8 temperiert wird. Ein von dem die Umgehungsleitung 22 durchströmenden Teil unterschiedlicher, den Kanal 4 durchströmender zweiter Teil der Luft strömt durch das Temperierelement 8 und wird demzufolge temperiert. Die Abzweigung des die Umgehungsleitung 22 durchströmenden Teils erfolgt beispielsweise stromauf des Temperierelements 8 beziehungsweise der Kanalbereiche 13 und 14. Beispielsweise stromab der jeweiligen Kanalbereiche 13 beziehungsweise 14 werden die Teile wieder zusammengeführt, um eine Temperatur der dem Innenraum 26 zuzuführenden Luft bedarfsgerecht einzustellen. Beispielsweise wird der die Umgehungsleitung 22 durchströmende erste Teil stromab der Kanalbereiche 13 und 14 wieder in den Kanal 4 eingeleitet. Dadurch kann beispielsweise mittels des magnetokalorischen Effekts gekühlte Luft aus den Kanalbereichen 13 beziehungsweise 14 mit warmer Umgebungsluft aus der Umgehungsleitung 22 vermischt werden. Die temperierte, durch den Pfeil 23 veranschaulichte Luft kann beispielsweise in einem Druckspeicher 24 zwischengespeichert werden.
-
4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Temperiervorrichtung 1. Aus 4 ist erkennbar, dass beispielsweise in dem Kanal 4 und/oder in dem Kanal 5 wenigstens ein Strömungsleitelement 29 beziehungsweise 30 zum Beeinflussen des den jeweiligen Kanal 4 beziehungsweise 5 durchströmenden Luftstroms angeordnet ist. Eine in 4 mit 31 bezeichnete Seite des Temperierelements 8 ist in dem Kühlbetrieb eine kalte Seite und in dem Heizbetrieb eine Warme Seite des Temperierelements 8. Auf der Seite 31 strömt in dem Kühlbetrieb die gekühlte Luft beziehungsweise der gekühlte Luftstrom aus dem Temperierelement 8 aus. In dem Heizbetrieb strömt auf der Seite 31 die erwärmte Luft beziehungsweise der erwärmte Luftstrom aus dem Temperierelement 8 aus. Ferner ist mit 32 eine der Seite 31 gegenüberliegende Seite des Temperierelements 8 bezeichnet. In dem Kühlbetrieb strömt auf der Seite 32 der zu kühlende Luftstrom in das Temperierelement 8 ein. In dem Heizbetrieb strömt auf der Seite 32 der zu erwärmende Luftstrom in das Temperierelement 8 ein. In Strömungsrichtung des jeweiligen Luftstroms durch den jeweiligen Kanal 4 beziehungsweise 5 ist das jeweilige Strömungsleitelement 29 beziehungsweise 30 stromauf der jeweiligen Kanalbereiche 13 beziehungsweise 14 angeordnet. Das Strömungsleitelement 29 beziehungsweise 30 ist beispielsweise als Düse oder Diffusor oder aber als ein anderes Luftleitelement ausgebildet. Mittels des jeweiligen Strömungsleitelements 29 beziehungsweise 30 wird beispielsweise die bisher laminare Strömung der Luft abgelöst und eine turbulente Strömung der Luft entsteht. Die turbulente Strömung dient zur Verbesserung des Wärmeaustausches zwischen der Luft und dem magnetokalorischen Material 11 beziehungsweise 12. Vorteilhaft ist es, wenn eine mit der Luft in Berührung kommende, jeweilige Oberfläche des magnetokalorischen Materials 11 beziehungsweise 12 möglichst groß und/oder porös und/oder wabenartig aufgebaut ist, um einen möglichst vorteilhaften Wärmeübergang beziehungsweise Wärmeaustausch realisieren zu können. Hierbei ist es beispielsweise hilfreich, ein jeweiliges, durch das magnetokalorische Material 11 beziehungsweise 12 gebildetes magnetokalorisches Element, durch welches sich die Kanalbereiche 13 beziehungsweise 14 hindurcherstrecken, mit Hilfe eines generativen Fertigungsverfahrens beziehungsweise mit Hilfe eines Rapid-Prototyping-Verfahrens herzustellen.
-
Ein solches generatives Fertigungsverfahren eignet sich beispielsweise durch selektives Lasersintern, mittels welchem das jeweilige magnetokalorische Element aus einem Pulvermaterial hergestellt wird. Dadurch können auch besonders komplexe Geometrien sowie eine möglichst große Oberfläche realisiert werden. Zum Drehen des Temperierelements 8 wird beispielsweise ein Motor, insbesondere ein Elektromotor, verwendet.
-
Alternativ zu dem direkten Wärmeaustausch zwischen der Luft und dem magnetokalorischen Material 11 beziehungsweise 12 kann ein Wärmeaustausch über Kupferleitungen mit hoher Leitfähigkeit erfolgen. Dafür sollten die Kupferleitungen mit hoher Leitfähigkeit direkt am magnetokalorischen Material 11 beziehungsweise 12 angebracht werden. Vorzugsweise kommen, insbesondere im gesamten Kreislauf, Thermoelemente beziehungsweise Temperatursensoren zum Einsatz, welche, insbesondere dauerhaft, jeweilige Temperaturen, insbesondere der Luft beziehungsweise Luftströme, ermitteln und die Prozesse bedarfsgerecht anpassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Temperiervorrichtung
- 2
- Magneteinrichtung
- 3a
- Magnetfeld
- 3b
- Magnetfeld
- 4
- Kanal
- 5
- Kanal
- 6
- Pfeile
- 7
- Pfeile
- 8
- Temperierelement
- 9
- Drehachse
- 10
- Basis
- 11
- magnetokalorisches Material
- 12
- magnetokalorisches Material
- 13
- Kanalbereich
- 14
- Kanalbereich
- 15
- Pfeil
- 17a
- Magnetelement
- 17b
- Magnetelement
- 18a
- Magnetelement
- 18b
- Magnetelement
- 19
- Fördereinrichtung
- 20
- Luftfilter
- 21
- Mischungssteuerung
- 22
- Umgehungsleitung
- 23
- Pfeil
- 24
- Druckspeicher
- 25
- Umgebung
- 26
- Innenraum
- 27
- Steuerung
- 28
- Ventil
- 29
- Strömungsleitelement
- 30
- Strömungsleitelement
- 31
- Seite
- 32
- Seite
- 33
- Klimatisierungseinrichtung
- 34
- Fördereinrichtung
