DE102022203621A1

DE102022203621A1 - Heat pump comprising a heat pump unit with an elastocaloric element and motor vehicle with a heat pump

Info

Publication number: DE102022203621A1
Application number: DE102022203621.2A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Olfe; Christian Schneck
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Um eine Wärmepumpe mit einer Wärmepumpeneinheit mit einem elastokalorischen Element bereitzustellen, welche kompakt ausgebildet ist und welche eine reduzierte Leistungsaufnahme aufweist, wird eine Wärmepumpe (100) umfassend einen ersten Kühlmittelkanal (10) auf einer Kaltseite für einen ersten Kühlmittelstrom, einen zweiten Kühlmittelkanal (11) auf einer Heißseite für einen zweiten Kühlmittelstrom, und mindestens eine Wärmepumpeneinheit (12, 12a, 12b) vorgeschlagen, wobei die Wärmepumpeneinheit (12, 12a, 12b) ein elastokalorisches Element (13, 13a, 13b), eine erste Kurbelwelle (14) und eine zweite Kurbelwelle (15) umfasst, wobei das elastokalorische Element (13, 13a, 13b) zwischen der ersten Kurbelwelle (14) und der zweiten Kurbelwelle (15) angeordnet und mit der ersten Kurbelwelle (14) und der zweiten Kurbelwelle (15) verbunden ist, wobei die erste Kurbelwelle (14) und die zweite Kurbelwelle (15) ausgebildet sind, das elastokalorische Element (13, 13a, 13b) in einer Transferbewegung (18) zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal (10) und dem zweiten Kühlmittelkanal (11) hin und her zu bewegen und das elastokalorische Element (13, 13a, 13b) zyklisch zu verformen, wobei ferner vorgesehen ist, dass die Transferbewegung (18) eine Überlagerung von einer ersten Linearbewegung (19) und einer rechtwinklig zu der ersten Linearbewegung (19) verlaufenden zweiten Linearbewegung (20) ist.In order to provide a heat pump with a heat pump unit with an elastocaloric element, which is compact and has a reduced power consumption, a heat pump (100) comprising a first coolant channel (10) on a cold side for a first coolant flow, a second coolant channel (11) on a hot side for a second coolant flow, and at least one heat pump unit (12, 12a, 12b), wherein the heat pump unit (12, 12a, 12b) has an elastocaloric element (13, 13a, 13b), a first crankshaft (14) and a second crankshaft (15), wherein the elastocaloric element (13, 13a, 13b) is arranged between the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15) and is connected to the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15). , wherein the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15) are formed, the elastocaloric element (13, 13a, 13b) cyclically moves between the first coolant channel (10) and the second coolant channel (11) in a transfer movement (18). to move back and forth and to cyclically deform the elastocaloric element (13, 13a, 13b), it being further provided that the transfer movement (18) is a superposition of a first linear movement (19) and one running at right angles to the first linear movement (19). second linear movement (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe umfassend einen ersten Kühlmittelkanal auf einer Kaltseite für einen ersten Kühlmittelstrom, einen zweiten Kühlmittelkanal auf einer Heißseite für einen zweiten Kühlmittelstrom, und mindestens eine Wärmepumpeneinheit, wobei die Wärmepumpeneinheit ein elastokalorisches Element, eine erste Kurbelwelle und eine zweite Kurbelwelle umfasst, wobei das elastokalorische Element zwischen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle angeordnet und mit der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle verbunden ist, wobei die erste Kurbelwelle und die zweite Kurbelwelle ausgebildet sind, das elastokalorische Element in einer Transferbewegung zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal hin und her zu bewegen und das elastokalorische Element zyklisch zu verformen.The present invention relates to a heat pump comprising a first coolant channel on a cold side for a first coolant flow, a second coolant channel on a hot side for a second coolant flow, and at least one heat pump unit, wherein the heat pump unit comprises an elastocaloric element, a first crankshaft and a second crankshaft, wherein the elastocaloric element is arranged between the first crankshaft and the second crankshaft and connected to the first crankshaft and the second crankshaft, wherein the first crankshaft and the second crankshaft are formed, the elastocaloric element in a transfer movement cyclically between the first coolant channel and the second To move the coolant channel back and forth and to cyclically deform the elastocaloric element.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Wärmepumpe.The present invention further relates to a motor vehicle with a heat pump.

Zur Effizienzsteigerung von Wärmepumpen in Kraftfahrzeugen können elastokalorische Wärmepumpen verwendet werden. In einer elastokalorischen Wärmepumpe wird der elastokalorische Effekt genutzt, wobei durch zyklische Deformation eines elastokalorischen Materials eine reversible Temperaturänderung hervorgerufen wird, welche für die Übertragung von Wärme von einem kälteren Kühlmittelstrom auf einen wärmeren Kühlmittelstrom genutzt werden kann.Elastocaloric heat pumps can be used to increase the efficiency of heat pumps in motor vehicles. In an elastocaloric heat pump, the elastocaloric effect is used, whereby cyclic deformation of an elastocaloric material causes a reversible temperature change, which can be used to transfer heat from a colder coolant stream to a warmer coolant stream.

Aus der DE 10 2020 201 880 A1 ist eine Vorrichtung zum Wärmetausch bekannt, mit an einem rotierenden steifen äußeren Ring angeordneten Aufhängungen, ringförmig angeordneten Segmenten mit Aufhängungen, die mit dem äußeren Ring mitrotieren und gegenüber den Aufhängungen am äußeren Ring radial auslenkbar sind, und elastokalorischen Elementen, die radial zwischen den Aufhängungen am äußeren Ring und den Aufhängungen der Segmente gespannt sind.From the DE 10 2020 201 880 A1 a device for heat exchange is known, with suspensions arranged on a rotating rigid outer ring, annularly arranged segments with suspensions which rotate with the outer ring and can be radially deflected relative to the suspensions on the outer ring, and elastocaloric elements which are arranged radially between the suspensions outer ring and the suspensions of the segments are tensioned.

Aus der US 2019/0032969 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb von zyklisch prozessbasierten Systemen mit einem heißseitigen Speicher und einem kaltseitigen Speicher für ein Fluid und mindestens einer Wärmetauschereinheit mit einem mechanokalorischen Material bekannt.From the US 2019/0032969 A1 a method for operating cyclically process-based systems with a hot-side storage and a cold-side storage for a fluid and at least one heat exchanger unit with a mechanocaloric material is known.

Die US 2020/0217567 A1 offenbart eine mechanokalorische Stufe umfassend eine längliche Außenhülse. Eine längliche Innenhülse ist innerhalb der länglichen Außenhülse angeordnet. In der länglichen Innenhülse sind Kolben aufgenommen, und die Kolben sind relativ zur länglichen Innenhülse beweglich angeordnet. In der länglichen Innenhülse ist zwischen dem Kolbenpaar ein mechanokalorisches Material komprimierbar angeordnet.The US 2020/0217567 A1 discloses a mechanocaloric stage comprising an elongated outer sleeve. An elongated inner sleeve is disposed within the elongated outer sleeve. Pistons are accommodated in the elongated inner sleeve, and the pistons are arranged to be movable relative to the elongated inner sleeve. A mechanocaloric material is arranged in a compressible manner between the pair of pistons in the elongated inner sleeve.

Die DE 10 2019 211 888 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Wärmetausch mit einer Wärmequelle, einer Wärmesenke und zumindest zwei elastokalorischen Systemen. Jedes elastokalorische System weist zumindest ein elastokalorisches Element auf. Die elastokalorischen Elemente verschiedener elastokalorischer Systeme bestehen dabei aus unterschiedlichen elastokalorischen Materialien. Die zumindest zwei elastokalorischen Systeme sind voneinander thermisch isoliert.The DE 10 2019 211 888 A1 discloses a heat exchange device with a heat source, a heat sink and at least two elastocaloric systems. Every elastocaloric system has at least one elastocaloric element. The elastocaloric elements of different elastocaloric systems consist of different elastocaloric materials. The at least two elastocaloric systems are thermally insulated from each other.

Die WO 2021/023686 A1 offenbart ein Wärmepumpensystem, das einen Basisträger, einen oberen Träger und eine oder mehrere längliche Trägerstrukturen aufweist, die mit dem Basisträger und dem oberen Träger verbunden sind. Es ist ein hydraulisches System vorgesehen, das so konfiguriert ist, dass es eine Druckspannung auf mindestens einen elastokalorischen Kern erzeugt. Der längliche Träger ist so konfiguriert, dass er mit dem elastokalorischen Kern in Verbindung kommt, wenn eine Druckspannung angelegt wird, um zu verhindern, dass der Kern seitlich ausweicht.The WO 2021/023686 A1 discloses a heat pump system that includes a base support, an upper support, and one or more elongate support structures connected to the base support and the upper support. A hydraulic system configured to generate compressive stress on at least one elastocaloric core is provided. The elongated beam is configured to contact the elastocaloric core when compressive stress is applied to prevent the core from deflecting laterally.

Die US 10,876,770 B2 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer elastokalorischen Wärmepumpe, wobei eine elastokalorische Stufe der elastokalorischen Wärmepumpe mit einer Vorspannung beaufschlagt ist, die auf eine initiale Vorspannungseinstellung eingestellt ist. Verfahrensgemäß wird im Betrieb die Vorspannung graduell von der initialen Vorspannung zu einer finalen Vorspannung über ein Zeitintervall hinweg verschoben.The US 10,876,770 B2 discloses a method for operating an elastocaloric heat pump, wherein an elastocaloric stage of the elastocaloric heat pump is biased to an initial bias setting. According to the method, during operation the preload is gradually shifted from the initial preload to a final preload over a time interval.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe mit einer Wärmepumpeneinheit mit einem elastokalorischen Element bereitzustellen, welche kompakt ausgebildet ist und welche eine reduzierte Leistungsaufnahme aufweist.The present invention is based on the object of providing a heat pump with a heat pump unit with an elastocaloric element, which is compact and has a reduced power consumption.

Zur Lösung wird eine Wärmepumpe umfassend einen ersten Kühlmittelkanal auf einer Kaltseite für einen ersten Kühlmittelstrom, einen zweiten Kühlmittelkanal auf einer Heißseite für einen zweiten Kühlmittelstrom, und mindestens eine Wärmepumpeneinheit vorgeschlagen, wobei die Wärmepumpeneinheit ein elastokalorisches Element, eine erste Kurbelwelle und eine zweite Kurbelwelle umfasst, wobei das elastokalorische Element zwischen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle angeordnet und mit der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle verbunden ist, wobei die erste Kurbelwelle und die zweite Kurbelwelle ausgebildet sind, das elastokalorische Element in einer Transferbewegung zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal hin und her zu bewegen und das elastokalorische Element zyklisch zu verformen, wobei ferner vorgesehen ist, dass die Transferbewegung eine Überlagerung von einer ersten Linearbewegung und einer rechtwinklig zu der ersten Linearbewegung verlaufenden zweiten Linearbewegung ist.To solve this, a heat pump comprising a first coolant channel on a cold side for a first coolant flow, a second coolant channel on a hot side for a second coolant flow, and at least one heat pump unit is proposed, wherein the heat pump unit comprises an elastocaloric element, a first crankshaft and a second crankshaft, wherein the elastocaloric element is arranged between the first crankshaft and the second crankshaft and connected to the first crankshaft and the second crankshaft, wherein the first crankshaft and the second crankshaft are formed, the elastocaloric element in a transfer movement cyclically between the first coolant channel and the second To move the coolant channel back and forth and to cycle the elastocaloric element lisch to deform, it being further provided that the transfer movement is a superposition of a first linear movement and a second linear movement running at right angles to the first linear movement.

Unter einem ersten Kühlmittelkanal und einem zweiten Kühlmittelkanal werden Einrichtungen verstanden, durch die ein erster Kühlmittelstrom beziehungsweise ein zweiter Kühlmittelstrom geleitet werden können. Der erste Kühlmittelkanal und der zweite Kühlmittelkanal können dafür einen im Wesentlichen rechteckigen, quadratischen, runden oder sonst geeigneten Querschnitt aufweisen.A first coolant channel and a second coolant channel are understood to mean devices through which a first coolant stream or a second coolant stream can be passed. The first coolant channel and the second coolant channel can have a substantially rectangular, square, round or otherwise suitable cross section.

Das elastokalorische Element der Wärmepumpeneinheit der Wärmepumpe ist derart zwischen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle angeordnet und mit der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle verbunden, dass die Drehbewegungen der Kurbelwellen in die Transferbewegung des elastokalorischen Elements sowie dessen zyklische Verformung umgewandelt wird.The elastocaloric element of the heat pump unit of the heat pump is arranged between the first crankshaft and the second crankshaft and connected to the first crankshaft and the second crankshaft in such a way that the rotational movements of the crankshafts are converted into the transfer movement of the elastocaloric element and its cyclic deformation.

Das elastokalorische Element dient dem Wärmetransfer von dem Kühlmittelstrom auf der Kaltseite auf den Kühlmittelstrom auf der Heißseite.The elastocaloric element serves to transfer heat from the coolant flow on the cold side to the coolant flow on the hot side.

Das elastokalorische Element kann bevorzugt zwischen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle eingespannt und insbesondere bevorzugt mit einer Vorspannung beaufschlagt sein. Bei der Vorspannung kann es sich um eine Zug- oder auch um eine Druckspannung handeln. The elastocaloric element can preferably be clamped between the first crankshaft and the second crankshaft and can particularly preferably be subjected to a preload. The prestress can be a tensile or a compressive stress.

Das elastokalorische Material des elastokalorischen Elements kann den elastokalorischen Effekt bei der Zugbelastung und/oder bei der Druckbelastung aufweisen. Das elastokalorische Element kann in der Wärmepumpeneinheit zwischen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle so eingespannt werden, dass es entweder, insbesondere ausschließlich, im reinen Zugbereich oder, insbesondere ausschließlich, im reinen Druckbereich belastet beziehungsweise verformt wird.The elastocaloric material of the elastocaloric element can have the elastocaloric effect during tensile loading and/or during compressive loading. The elastocaloric element can be clamped in the heat pump unit between the first crankshaft and the second crankshaft in such a way that it is loaded or deformed either, in particular exclusively, in the pure tension range or, in particular exclusively, in the pure pressure range.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Transferbewegung eine Überlagerung von einer ersten Linearbewegung und einer rechtwinkelig zu der ersten Linearbewegung verlaufenden zweiten Linearbewegung ist.According to the invention it is provided that the transfer movement is a superposition of a first linear movement and a second linear movement running at right angles to the first linear movement.

Mit anderen Worten wird das elastokalorische Element nicht lediglich in einer Linearbewegung zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal hin und her bewegt, sondern es führt dabei gleichzeitig auch eine überlagerte Bewegung rechtwinkelig zu der Bewegung zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal aus.In other words, the elastocaloric element is not only moved back and forth in a linear movement between the first coolant channel and the second coolant channel, but at the same time it also carries out a superimposed movement at right angles to the movement between the first coolant channel and the second coolant channel.

Eine derartige Überlagerung von einer ersten Linearbewegung und einer rechtwinkelig zu der ersten Linearbewegung verlaufenden zweiten Linearbewegung ist beispielsweise erhältlich, indem das elastokalorische Element, beispielsweise über beidseitg angeordnete Verbindungselemente, insbesondere Stangen, direkt mit einer Kurbelwellenkröpfung der ersten Kurbelwelle und einer Kurbelwellenkröpfung der zweiten Kurbelwelle ohne Zwischenschaltung von Pleuelstangen verbunden ist. Es müssen lediglich zwischen den Verbindungselementen und den Kurbelwellenkröpfungen Lager, beispielsweise Wälzlager, vorgesehen werden. Aufgrund der Rotation der Kurbelwellen führen die Kurbelwellenkröpfungen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle kreisförmige Bewegungen aus, welche eine Überlagerung einer Linearbewegung in einer ersten Richtung und einer zu der ersten Richtung rechtwinkelig verlaufenden Linearbewegung darstellen. Diese Überlagerung von Linearbewegungen kann bei einer direkten Verbindung des elastokalorischen Elements mit den Kurbelwellenkröpfungen ohne Zwischenschaltung von Pleuelstangen im Wesentlichen unmittelbar in die Transferbewegung des elastokalorischen Elements übersetzt werden. Da das elastokalorische Element zudem zyklisch verformt wird, kann die Transferbewegung von der von den Kurbelwellenkröpfungen ausgeführten Drehbewegung abweichen.Such a superposition of a first linear movement and a second linear movement running at right angles to the first linear movement is obtainable, for example, in that the elastocaloric element, for example via connecting elements arranged on both sides, in particular rods, is directly connected to a crankshaft offset of the first crankshaft and a crankshaft offset of the second crankshaft without an intermediate connection connected by connecting rods. Bearings, such as roller bearings, simply need to be provided between the connecting elements and the crankshaft cranks. Due to the rotation of the crankshafts, the crankshaft cranks of the first crankshaft and the second crankshaft carry out circular movements, which represent a superposition of a linear movement in a first direction and a linear movement running at right angles to the first direction. This superposition of linear movements can be translated essentially directly into the transfer movement of the elastocaloric element when the elastocaloric element is directly connected to the crankshaft cranks without the interposition of connecting rods. Since the elastocaloric element is also deformed cyclically, the transfer movement can deviate from the rotational movement carried out by the crankshaft cranks.

Berechnungen und Simulationen der Anmelderin haben gezeigt, dass eine optimale Verschiebung und Dehnung eines elastokalorischen Elements zwischen zwei ortsfesten Kühlmittelströmen bei Wärmepumpen, bei denen das elastokalorische Element zwischen zwei Kurbelwellen und mit den beiden Kurbelwellen verbunden ist, wobei die Kurbelwellen ausgebildet sind, das elastokalorische Element zyklisch zu verformen und gleichzeitig in einer reinen Linearbewegung zwischen den Kühlmittelströmen hin und her zu bewegen, nur dann erzielt werden kann, wenn die beiden Kurbelwellen unabhängig voneinander angesteuert werden.Calculations and simulations by the applicant have shown that an optimal displacement and expansion of an elastocaloric element between two stationary coolant flows in heat pumps in which the elastocaloric element is connected between two crankshafts and to the two crankshafts, the crankshafts being designed to be cyclic deforming and at the same time moving back and forth between the coolant flows in a pure linear movement can only be achieved if the two crankshafts are controlled independently of one another.

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen, aus einer Überlagerung einer ersten Linearbewegung und einer rechtwinklig zu der ersten Linearbewegung verlaufenden zweiten Linearbewegung resultierenden Transferbewegung, welche beispielsweise durch eine im Wesentlichen direkte Übertragung der Drehbewegungen der Kurbelwellen auf das elastokalorische Element erzielt werden kann, kann die Verschiebung und Verformung des elastokalorischen Materials auch ohne eine unabhängige Ansteuerung der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle erzielt werden. Mit anderen Worten können die Kurbelwellen von einem einzigen Antrieb angetrieben werden und es kann auf einen zweiten Antrieb verzichtet werden. Die Wärmepumpe kann daher kompakter ausgeführt werden. Ferner werden Reibungsverluste reduziert, und die Leistungsaufnahme kann verringert werden.Due to the transfer movement provided according to the invention, resulting from a superposition of a first linear movement and a second linear movement running at right angles to the first linear movement, which can be achieved, for example, by a substantially direct transmission of the rotational movements of the crankshafts to the elastocaloric element, the displacement and deformation of the elastocaloric material can also be achieved without independent control of the first crankshaft and the second crankshaft. In other words, the crankshafts can be driven by a single drive and a second drive can be dispensed with. The heat pump can therefore be made more compact. Become further Friction losses are reduced and power consumption can be reduced.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das elastokalorische Element beidseitig zwischen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle eingespannt ist.It is preferably provided that the elastocaloric element is clamped on both sides between the first crankshaft and the second crankshaft.

Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Transferbewegung eine Ellipsenbewegung, insbesondere eine Kreisbewegung, ist.With further advantage it can be provided that the transfer movement is an elliptical movement, in particular a circular movement.

Bei einer Aufsicht entlang der Längsachsen des ersten Kühlmittelkanals und des zweiten Kühlmittelkanals und/oder entlang der Drehachsen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle beschreibt das zwischen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle angeordnete elastokalorische Element somit beim Betrieb der Kurbelwellen eine elliptische oder eine kreisförmige Bewegung, bei der es zum einen entlang einer gedachten Verbindungslinie zwischen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle hin und her bewegt wird und gleichzeitig entlang einer zu dieser gedachten Linie senkrecht ausgerichteten zweiten gedachten Linie hin und her bewegt wird.When viewed along the longitudinal axes of the first coolant channel and the second coolant channel and/or along the axes of rotation of the first crankshaft and the second crankshaft, the elastocaloric element arranged between the first crankshaft and the second crankshaft thus describes an elliptical or a circular movement during operation of the crankshafts , in which it is moved back and forth along an imaginary connecting line between the first crankshaft and the second crankshaft and at the same time is moved back and forth along a second imaginary line aligned perpendicular to this imaginary line.

Im Verlauf der Transferbewegung befindet sich das elastokalorische Element bevorzugt stets in einem der Kühlmittelkanäle oder in einer Bewegung zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal, bevorzugt durch ein zwischen den Kühlmittelkanälen angeordnetes Trennelement hindurch. Dementsprechend vollzieht das elastokalorische Element die Transferbewegung zumindest teilweise auch in dem ersten Kühlmittelkanal und in dem zweiten Kühlmittelkanal und führt somit weiter bevorzugt einen Abschnitt der Ellipsenbewegung beziehungsweise der Kreisbewegung auch in dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal aus.During the course of the transfer movement, the elastocaloric element is preferably always in one of the coolant channels or in a movement between the first coolant channel and the second coolant channel, preferably through a separating element arranged between the coolant channels. Accordingly, the elastocaloric element also carries out the transfer movement at least partially in the first coolant channel and in the second coolant channel and thus further preferably carries out a portion of the elliptical movement or the circular movement also in the first coolant channel and the second coolant channel.

Befindet sich das elastokalorische Element in dem ersten Kühlmittelkanal auf der Kaltseite, so nimmt dieses von dem in dem ersten Kühlmittelkanal geführten Kühlmittelstrom Wärme auf. Befindet sich das elastokalorische Element in dem zweiten Kühlmittelkanal auf der Heißseite, so gibt es dort die aufgenommene Wärme an das Kühlmittel des zweiten Kühlmittelstroms wieder ab.If the elastocaloric element is located in the first coolant channel on the cold side, it absorbs heat from the coolant flow guided in the first coolant channel. If the elastocaloric element is located in the second coolant channel on the hot side, it releases the absorbed heat there to the coolant of the second coolant stream.

Das elastokalorische Element umfasst bevorzugt ein elastokalorisches Material oder besteht aus einem elastokalorischen Material. Das elastokalorische Material kann beispielsweise eine Nickel-Titan-Legierung umfassen oder aus einer Nickel-Titan-Legierung bestehen.The elastocaloric element preferably comprises an elastocaloric material or consists of an elastocaloric material. The elastocaloric material can, for example, comprise a nickel-titanium alloy or consist of a nickel-titanium alloy.

Das Kühlmittel des ersten Kühlmittelstroms und/oder des zweiten Kühlmittelstroms kann ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gas, sein. Insbesondere kann das Kühlmittel Wasser, ein Wasser-Glykol-Gemisch oder Luft sein.The coolant of the first coolant stream and/or the second coolant stream can be a fluid, in particular a liquid or a gas. In particular, the coolant can be water, a water-glycol mixture or air.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal ein Trennelement, insbesondere eine Trennwand, angeordnet ist, und dass die erste Linearbewegung senkrecht zu dem Trennelement verläuft.It is preferably provided that a separating element, in particular a separating wall, is arranged between the first coolant channel and the second coolant channel, and that the first linear movement runs perpendicular to the separating element.

Die erste Linearbewegung entspricht somit dem Anteil der Transferbewegung senkrecht zu dem Trennelement. Die zweite Linearbewegung erfolgt dann senkrecht zu einer von den Drehachsen der Kurbelwellen und einer gedachten, zwischen den Drehachsen der Kurbelwellen verlaufenden Verbindungslinie aufgespannten Ebene.The first linear movement therefore corresponds to the proportion of the transfer movement perpendicular to the separating element. The second linear movement then takes place perpendicular to a plane spanned by the axes of rotation of the crankshafts and an imaginary connecting line running between the axes of rotation of the crankshafts.

Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass der erste Kühlmittelkanal und der zweite Kühlmittelkanal durch das Trennelement fluidisch voneinander getrennt sind, wobei das Trennelement eine Öffnung aufweist, in der das elastokalorische Element zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal verschiebbar angeordnet ist.With further advantage it can be provided that the first coolant channel and the second coolant channel are fluidically separated from one another by the separating element, the separating element having an opening in which the elastocaloric element is displaceably arranged between the first coolant channel and the second coolant channel.

In der Öffnung ist mit weiterem Vorteil eine Dichtung oder Abdichtung vorgesehen, welche verhindert, dass ein Austausch des Kühlmittels von dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal stattfindet oder diesen Austausch im Wesentlichen unterbindet.A seal or seal is further advantageously provided in the opening, which prevents an exchange of the coolant from the first coolant channel and the second coolant channel from taking place or essentially prevents this exchange.

Da die Transferbewegung auch eine Komponente senkrecht zu der ersten Linearbewegung zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal aufweist, bewegt sich das elastokalorische Element auch in der Ebene des Trennelements. Das elastokalorische Element führt somit eine Auf- und Abbewegung innerhalb der Öffnung des Trennelements durch. Daher ist bevorzugt vorgesehen, dass die Dichtung sich vor dem elastokalorischen Element öffnet beziehungsweise hinter diesem schließt.Since the transfer movement also has a component perpendicular to the first linear movement between the first coolant channel and the second coolant channel, the elastocaloric element also moves in the plane of the separating element. The elastocaloric element thus performs an up and down movement within the opening of the separating element. It is therefore preferably provided that the seal opens in front of the elastocaloric element or closes behind it.

Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass das elastokalorische Element in Form eines Quaders oder eines Stabs oder Stäbchens oder Drahts ausgebildet ist.With further advantage it can be provided that the elastocaloric element is designed in the form of a cuboid or a rod or rod or wire.

Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die erste Kurbelwelle und die zweite Kurbelwelle, insbesondere Drehachsen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle, parallel ausgerichtet und/oder angeordnet sind.With further advantage it can be provided that the first crankshaft and the second crankshaft, in particular axes of rotation of the first crankshaft and the second crankshaft, are aligned and/or arranged in parallel.

Zudem kann vorgesehen sein, dass die erste Kurbelwelle mindestens eine Kurbelwellenkröpfung, bevorzugt mehrere Kurbelwellenkröpfungen, aufweist, und dass die zweite Kurbelwelle mindestens eine Kurbelwellenkröpfung, bevorzugt mehrere Kurbelwellenkröpfungen, aufweist, wobei ein Kurbelradius der ersten Kurbelwelle größer ist als ein Kurbelradius der zweiten Kurbelwelle, und/oder dass die erste Kurbelwelle mindestens eine Kurbelwellenkröpfung, bevorzugt mehrere Kurbelwellenkröpfungen, mit einem ersten Hub aufweist, und dass die zweite Kurbelwelle mindestens eine Kurbelwellenkröpfung, bevorzugt mehrere Kurbelwellenkröpfungen, mit einem zweiten Hub aufweist, wobei der erste Hub größer ist als der zweite Hub.In addition, it can be provided that the first crankshaft has at least one crankshaft offset, preferably has a plurality of crankshaft offsets, and that the second crankshaft has at least one crankshaft offset, preferably several crankshaft offsets, wherein a crank radius of the first crankshaft is larger than a crank radius of the second crankshaft, and / or that the first crankshaft has at least one crankshaft offset, preferably several crankshaft offsets , with a first stroke, and that the second crankshaft has at least one crankshaft offset, preferably several crankshaft offsets, with a second stroke, the first stroke being greater than the second stroke.

Durch die unterschiedlichen Hübe beziehungsweise die unterschiedlichen Kurbelradien kann die für die Verformung des elastokalorischen Elementes notwendige Druck- oder Zugspannung während der Transferbewegung auf das elastokalorische Material übertragen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Kurbelradien beziehungsweise Hübe variiert der Abstand zwischen den Kurbelwellenkröpfungen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle, sodass das zwischen diesen Kurbelwellenkröpfungen eingespannte elastokalorische Element je nach Phase der Drehbewegungen der Kurbelwellen verformt wird.Due to the different strokes or the different crank radii, the compressive or tensile stress necessary for the deformation of the elastocaloric element can be transferred to the elastocaloric material during the transfer movement. Due to the different crank radii or strokes, the distance between the crankshaft offsets of the first crankshaft and the second crankshaft varies, so that the elastocaloric element clamped between these crankshaft offsets is deformed depending on the phase of the rotational movements of the crankshafts.

Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Wärmepumpe eine Antriebseinheit, insbesondere einen Elektromotor, umfasst, wobei die Antriebseinheit ausgebildet ist, die erste Kurbelwelle und/oder die zweite Kurbelwelle anzutreiben.With further advantage it can be provided that the heat pump comprises a drive unit, in particular an electric motor, wherein the drive unit is designed to drive the first crankshaft and/or the second crankshaft.

Ganz besonders bevorzugt umfasst die Wärmepumpe genau einen Antrieb.Most preferably, the heat pump includes exactly one drive.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Wärmepumpeneinheit derart ausgebildet ist, dass die erste Kurbelwelle und die zweite Kurbelwelle synchron und/oder gleichphasig angetrieben werden.In addition, it can be provided that the heat pump unit is designed such that the first crankshaft and the second crankshaft are driven synchronously and/or in phase.

Unter einer synchronen oder gleichphasigen angetriebenen ersten Kurbelwelle und zweiten Kurbelwelle wird dabei ein Betrieb der Kurbelwellen verstanden, bei denen der Phasenwinkel zwischen den jeweiligen Kröpfungen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle 0° beträgt.A synchronous or in-phase driven first crankshaft and second crankshaft is understood to mean an operation of the crankshafts in which the phase angle between the respective cranks of the first crankshaft and the second crankshaft is 0°.

Mit anderen Worten sind bei einer Aufsicht entlang der Drehachsen der Kurbelwellen die jeweils einander zugeordneten Kröpfungen der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle stets in die gleiche Richtung ausgerichtet und bewegen sich synchron.In other words, when viewed along the axes of rotation of the crankshafts, the offsets of the first crankshaft and the second crankshaft that are assigned to one another are always aligned in the same direction and move synchronously.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Kurbelwelle und die zweite Kurbelwelle über ein Kraftübertragungselement, insbesondere einen Antriebsriemen, verbunden sind.It is preferably provided that the first crankshaft and the second crankshaft are connected via a force transmission element, in particular a drive belt.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Transferbewegung, welche durch Überlagerung einer ersten Linearbewegung und einer zweiten Linearbewegung ausgebildet ist, kann auf einen unabhängigen Antrieb der Kurbelwellen oder ein Getriebe zur unterschiedlichen Ansteuerung der beiden Kurbelwellen verzichtet werden.Due to the transfer movement provided according to the invention, which is formed by superimposing a first linear movement and a second linear movement, an independent drive of the crankshafts or a gearbox for different control of the two crankshafts can be dispensed with.

Das mittels des Antriebs auf beispielsweise die erste Kurbelwelle übertragene Antriebsmoment kann dann über einen Antriebsriemen, bevorzugt mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1, direkt auf die zweite Kurbelwelle übertragen werden.The drive torque transmitted to, for example, the first crankshaft by means of the drive can then be transmitted directly to the second crankshaft via a drive belt, preferably with a gear ratio of 1:1.

Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Wärmepumpeneinheit mindestens zwei elastokalorische Elemente umfasst, wobei das erste elastokalorische Element zwischen einer ersten Kurbelwellenkröpfung der ersten Kurbelwelle und einer ersten Kurbelwellenkröpfung der zweiten Kurbelwelle eingespannt ist, und wobei das zweite elastokalorische Element zwischen einer zweiten Kurbelwellenkröpfung der ersten Kurbelwelle und einer zweiten Kurbelwellenkröpfung der zweiten Kurbelwelle eingespannt ist.With further advantage it can be provided that the heat pump unit comprises at least two elastocaloric elements, wherein the first elastocaloric element is clamped between a first crankshaft offset of the first crankshaft and a first crankshaft offset of the second crankshaft, and wherein the second elastocaloric element is clamped between a second crankshaft offset of the first Crankshaft and a second crankshaft offset of the second crankshaft is clamped.

Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Kurbelwellenkröpfung und die zweite Kurbelwellenkröpfung der ersten Kurbelwelle um 180° versetzt sind, und/oder dass die erste Kurbelwellenkröpfung und die zweite Kurbelwellenkröpfung der zweiten Kurbelwelle um 180° versetzt sind.It is preferably provided that the first crankshaft offset and the second crankshaft offset of the first crankshaft are offset by 180 °, and / or that the first crankshaft offset and the second crankshaft offset of the second crankshaft are offset by 180 °.

Mit weiterem Vorteil kann vorgesehen sein, dass ein Kurbelradius der ersten Kurbelwellenkröpfung der ersten Kurbelwelle und ein Kurbelradius der ersten Kurbelwellenkröpfung der zweiten Kurbelwelle, und ein Kurbelradius der zweiten Kurbelwellenkröpfung der ersten Kurbelwelle und ein Kurbelradius der zweiten Kurbelwellenkröpfung der zweiten Kurbelwelle derart eingestellt sind, dass das erste elastokalorische Element und das zweite elastokalorische Element während der zyklischen Verformung Drehmomente mit unterschiedlichen Vorzeichen auf die erste und/oder auf die zweite Kurbelwelle ausüben.With further advantage it can be provided that a crank radius of the first crankshaft throw of the first crankshaft and a crank radius of the first crankshaft throw of the second crankshaft, and a crank radius of the second crankshaft throw of the first crankshaft and a crank radius of the second crankshaft throw of the second crankshaft are set such that The first elastocaloric element and the second elastocaloric element exert torques with different signs on the first and/or on the second crankshaft during the cyclic deformation.

Bei einer derartigen paarweisen Anordnung des ersten elastokalorischen Elements und des zweiten elastokalorischen Elements werden diese gegenphasig zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal und dem zweiten Kühlmittelkanal hin und her bewegt. Dabei üben das erste elastokalorische Element und das zweite elastokalorische Element während der zyklischen Verformung zumindest zweitweise Drehmomente mit unterschiedlichen Vorzeichen auf die erste und/oder auf die zweite Kurbelwelle aus, welche sich zumindest teilweise aufheben. Das von der Antriebseinheit aufzubringende Antriebsmoment ist dann lediglich zur Überwindung der Materialhysterese der elastokalorischen Elemente und zur Überwindung der Reibung notwendig.With such a pairwise arrangement of the first elastocaloric element and the second elastocaloric element, they are cyclically moved back and forth in antiphase between the first coolant channel and the second coolant channel. During the cyclic deformation, the first elastocaloric element and the second elastocaloric element exert at least two torques with different signs on the first and/or on the second cycle belwelle, which at least partially cancel each other out. The drive torque to be applied by the drive unit is then only necessary to overcome the material hysteresis of the elastocaloric elements and to overcome the friction.

Das maximal aufzubringende Antriebsmoment der Antriebseinheit kann daher deutlich, um einen Faktor von bis zu 9, verringert werden. Die Antriebseinheit, insbesondere der Elektromotor, kann folglich kleiner dimensioniert werden, und es sind geringere elektrische Verluste in der Motor- und der Leistungselektronik zu erwarten. Zudem kann Bauraum eingespart werden, und es können die Kosten verringert werden.The maximum drive torque to be applied by the drive unit can therefore be significantly reduced by a factor of up to 9. The drive unit, in particular the electric motor, can therefore be made smaller, and lower electrical losses in the motor and power electronics are to be expected. In addition, installation space can be saved and costs can be reduced.

Ferner kann vorgesehen sein, dass das erste elastokalorische Element während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Zug oder ausschließlich auf Druck belastet wird, und dass das zweite elastokalorische Element während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Druck oder ausschließlich auf Zug belastet wird.Furthermore, it can be provided that the first elastocaloric element is loaded exclusively in tension or exclusively in compression during the cyclic deformation, and that the second elastocaloric element is loaded exclusively in compression or exclusively in tension during the cyclic deformation.

Je nach Wahl der Kurbelradien der ersten Kurbelwellenkröpfung der ersten Kurbelwelle, der ersten Kurbelwellenkröpfung der zweiten Kurbelwelle, der zweiten Kurbelwellenkröpfung der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwellenkröpfung der zweiten Kurbelwelle kann, um die von dem ersten elastokalorischen Element und dem zweiten elastokalorischen Element bewirkten Drehmomente mit unterschiedlichen Vorzeichen zu erzielen, vorgesehen sein, dass das erste elastokalorische Element während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Zug belastet wird und dass das zweite elastokalorische Element während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Druck belastet wird, oder dass das erste elastokalorische Element während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Druck belastet wird und dass das zweite elastokalorische Element während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Zug belastet wird, oder dass das erste elastokalorische Element und das zweite elastokalorische Element während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Druck belastet werden, oder dass das erste elastokalorische Element und das zweite elastokalorische Element während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Zug belastet werden.Depending on the choice of the crank radii of the first crankshaft throw of the first crankshaft, the first crankshaft throw of the second crankshaft, the second crankshaft throw of the first crankshaft and the second crankshaft throw of the second crankshaft, the torques caused by the first elastocaloric element and the second elastocaloric element can be different To achieve signs, it can be provided that the first elastocaloric element is loaded exclusively in tension during the cyclic deformation and that the second elastocaloric element is loaded exclusively in compression during the cyclic deformation, or that the first elastocaloric element is loaded exclusively in compression during the cyclic deformation is loaded and that the second elastocaloric element is loaded exclusively in tension during the cyclic deformation, or that the first elastocaloric element and the second elastocaloric element are loaded exclusively in compression during the cyclic deformation, or that the first elastocaloric element and the second elastocaloric element are subjected to tensile stress only during cyclic deformation.

Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass das erste elastokalorische Element und/oder das zweite elastokalorische Element während der zyklischen Verformung sowohl auf Druck und auf Zug belastet werden. Da das elastokalorische Material des ersten elastokalorischen Elements und des zweiten elastokalorischen Elements den elastokalorischen Effekt sowohl bei einer Zugbelastung und bei einer Druckbelastung aufweisen können, kann eine derartige Ausführungsform vorteilhaft sein.In principle, however, it is also possible for the first elastocaloric element and/or the second elastocaloric element to be loaded in both compression and tension during the cyclic deformation. Since the elastocaloric material of the first elastocaloric element and the second elastocaloric element can have the elastocaloric effect both under a tensile load and under a compressive load, such an embodiment can be advantageous.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Wärmepumpe eine zweite Wärmepumpeneinheit umfasst.It is preferably provided that the heat pump comprises a second heat pump unit.

Die zweite Wärmepumpeneinheit ist dabei bevorzugt identisch zu der ersten Wärmepumpeneinheit ausgebildet. Die erste Wärmepumpeneinheit und die zweite Wärmepumpeneinheit können sich ferner den ersten Kühlmittelkanal und den zweiten Kühlmittelkanal teilen.The second heat pump unit is preferably designed identically to the first heat pump unit. The first heat pump unit and the second heat pump unit may further share the first coolant channel and the second coolant channel.

Darüber hinaus kann die Wärmepumpe auch mehr als zwei, beispielsweise drei oder vier, Wärmepumpeneinheiten aufweisen.In addition, the heat pump can also have more than two, for example three or four, heat pump units.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Kurbelwelle und die zweite Kurbelwelle der zweiten Wärmepumpeneinheit über ein Kraftübertragungselement, insbesondere einen Antriebsriemen, mit der ersten Kurbelwelle und der zweiten Kurbelwelle der ersten Wärmepumpeneinheit verbunden sind.It is preferably provided that the first crankshaft and the second crankshaft of the second heat pump unit are connected to the first crankshaft and the second crankshaft of the first heat pump unit via a force transmission element, in particular a drive belt.

Es kann somit auch im Falle von mehreren Wärmepumpeneinheiten lediglich eine einzige Antriebseinheit vorgesehen sein, welche sämtliche Wärmepumpeneinheiten antreibt. Die Drehmomentübertragung erfolgt dann mittels eines Kraftübertragungselementes, welche das Drehmoment von der angetriebenen Kurbelwelle auf sämtliche weitere Kurbelwellen der ersten, zweiten und jeder weiteren Wärmepumpeneinheit überträgt.Even in the case of several heat pump units, only a single drive unit can be provided, which drives all heat pump units. The torque is then transmitted by means of a force transmission element, which transmits the torque from the driven crankshaft to all other crankshafts of the first, second and each other heat pump unit.

Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in einem Kraftfahrzeug umfassend eine vorbeschriebene Wärmepumpe.A further solution to the problem on which the invention is based consists of a motor vehicle comprising a heat pump as described above.

Die Erfindung wird nachstehend näher anhand der beigefügten Figuren erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the attached figures.

Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer bekannten Wärmepumpe,
2 eine perspektivische Ansicht einer Wärmepumpe,
3 eine Aufsicht auf die Wärmepumpe,
4 eine Seitenansicht der Wärmepumpe,
5 eine Seitenansicht einer weiteren Wärmepumpe.

Show it:

1 a perspective view of a known heat pump,
2 a perspective view of a heat pump,
3 a supervision of the heat pump,
4 a side view of the heat pump,
5 a side view of another heat pump.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer nicht von der Erfindung umfassten Wärmepumpe 200. Die Wärmepumpe 200 umfasst einen ersten Kühlmittelkanal 210 auf einer Kaltseite für einen ersten Kühlmittelstrom und einen zweiten Kühlmittelkanal 211 auf einer Heißseite für einen zweiten Kühlmittelstrom. Ferner sind elastokalorische Elemente 212 vorgesehen, welche zwischen einer ersten Kurbelwelle 213 und einer zweiten Kurbelwelle 214 eingespannt sind. Für die Übertragung der Drehbewegungen der ersten Kurbelwelle 213 und der zweiten Kurbelwelle 214 sind Pleuel 215 vorgesehen, welche zwischen Kurbelwellenkröpfungen 216 und unverschwenkbar mit den elastokalorischen Elementen 212 verbundenen Stangen 217 angeordnet sind. Durch Rotation der ersten Kurbelwelle 213 und der zweiten Kurbelwelle 214 werden die elastokalorischen Elemente 212 in einer linearen Bewegung 218 zwischen dem ersten Kühlmittelkanal 210 und dem zweiten Kühlmittelkanal 211 hin und her bewegt und dabei zyklisch verformt. Um bei einer derartigen Wärmepumpe 200 eine optimale Wärmeübertragung von der Kaltseite auf die Warmseite zu gewährleisten, müssen die beiden Kurbelwellen 213, 214 von unabhängigen Antrieben angetrieben werden, oder es muss ein Getriebe zwischen der ersten Kurbelwelle 213 und der zweiten Kurbelwelle 214 zur Übertragung und Übersetzung des Antriebsmomentes vorgesehen werden. 1 shows a perspective view of a heat pump 200 not included in the invention. The heat pump 200 includes a first coolant channel 210 on a cold side for a first coolant flow and a second coolant channel 211 on a hot side for a second coolant stream. Furthermore, elastocaloric elements 212 are provided, which are clamped between a first crankshaft 213 and a second crankshaft 214. For the transmission of the rotational movements of the first crankshaft 213 and the second crankshaft 214, connecting rods 215 are provided, which are arranged between crankshaft cranks 216 and rods 217 connected non-pivotably to the elastocaloric elements 212. By rotating the first crankshaft 213 and the second crankshaft 214, the elastocaloric elements 212 are moved back and forth in a linear movement 218 between the first coolant channel 210 and the second coolant channel 211 and are thereby cyclically deformed. In order to ensure optimal heat transfer from the cold side to the hot side in such a heat pump 200, the two crankshafts 213, 214 must be driven by independent drives, or there must be a gear between the first crankshaft 213 and the second crankshaft 214 for transmission and translation of the drive torque can be provided.

2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wärmepumpe 100 im Einklang mit der Erfindung. 3 zeigt eine Aufsicht und 4 zeigt eine Seitenansicht der Wärmepumpe 100. 2 shows a perspective view of a heat pump 100 in accordance with the invention. 3 shows a supervision and 4 shows a side view of the heat pump 100.

Die Wärmepumpe 100 umfasst einen ersten Kühlmittelkanal 10 auf einer Kaltseite für einen ersten Kühlmittelstrom und einen zweiten Kühlmittelkanal 11 auf einer Heißseite für einen zweiten Kühlmittelstrom. Ferner umfasst die Wärmepumpe 100 eine Wärmepumpeneinheit 12. Die Wärmepumpeneinheit 12 umfasst elastokalorische Elemente 13, eine erste Kurbelwelle 14 und eine zweite Kurbelwelle 15. Die elastokalorischen Elemente 13 sind zwischen der ersten Kurbelwelle 14 und der zweiten Kurbelwelle 15 angeordnet und mit der ersten Kurbelwelle 14 und der zweiten Kurbelwelle 15 verbunden. Die Verbindung mit der ersten Kurbelwelle 14 und der zweiten Kurbelwelle 15 erfolgt dabei direkt über unverschwenkbar mit den elastokalorischen Elementen 13 verbundene Stangen 16, welche wiederum an Kurbelwellenkröpfungen 17 gelagert sind.The heat pump 100 includes a first coolant channel 10 on a cold side for a first coolant flow and a second coolant channel 11 on a hot side for a second coolant flow. Furthermore, the heat pump 100 includes a heat pump unit 12. The heat pump unit 12 includes elastocaloric elements 13, a first crankshaft 14 and a second crankshaft 15. The elastocaloric elements 13 are arranged between the first crankshaft 14 and the second crankshaft 15 and are connected to the first crankshaft 14 and the second crankshaft 15 connected. The connection to the first crankshaft 14 and the second crankshaft 15 takes place directly via rods 16 which are non-pivotably connected to the elastocaloric elements 13 and which in turn are mounted on crankshaft cranks 17.

Beim Betrieb der ersten Kurbelwelle 14 und der zweiten Kurbelwelle 15 werden die elastokalorischen Elemente 13 jeweils in einer Transferbewegung 18 zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal 10 und dem zweiten Kühlmittelkanal 11 hin und her bewegt. Zugleich werden die elastokalorischen Elemente 13 zyklisch verformt. Wie in 4 gezeigt ist, ist die Transferbewegung 18 im Wesentlichen eine elliptische oder kreisförmige Bewegung, welche einer Überlagerung einer ersten Linearbewegung 19 und einer rechtwinkelig zu der ersten Linearbewegung 19 verlaufenden zweiten Linearbewegung 20 entspricht. Die erste Linearbewegung 19 verläuft dabei entlang einer gedachten Linie zwischen den Drehachsen 21 der beiden parallel angeordneten Kurbelwellen 14, 15 und verläuft insbesondere senkrecht zu einem den ersten Kühlmittelkanal 10 und den zweiten Kühlmittelkanal 11 fluidisch voneinander trennenden Trennelement 22, welches als Trennwand 23 ausgebildet ist. Die zweite Linearbewegung 20 verläuft in der Ebene des Trennelements 22. Um diese Linearbewegung 20 durchführen zu können, sind in dem Trennelement 22 Öffnungen vorgesehen, in denen Dichtungen angeordnet sind, um einen Austausch der Kühlmittel zwischen dem ersten Kühlmittelkanal 10 und dem zweiten Kühlmittelkanal 11 zu verhindern oder weitestgehend zu unterbinden.During operation of the first crankshaft 14 and the second crankshaft 15, the elastocaloric elements 13 are each moved back and forth cyclically between the first coolant channel 10 and the second coolant channel 11 in a transfer movement 18. At the same time, the elastocaloric elements 13 are cyclically deformed. As in 4 is shown, the transfer movement 18 is essentially an elliptical or circular movement, which corresponds to a superposition of a first linear movement 19 and a second linear movement 20 running at right angles to the first linear movement 19. The first linear movement 19 runs along an imaginary line between the axes of rotation 21 of the two parallel crankshafts 14, 15 and runs in particular perpendicular to a separating element 22 which fluidly separates the first coolant channel 10 and the second coolant channel 11 from one another and which is designed as a partition 23. The second linear movement 20 runs in the plane of the separating element 22. In order to be able to carry out this linear movement 20, openings are provided in the separating element 22, in which seals are arranged in order to allow an exchange of coolant between the first coolant channel 10 and the second coolant channel 11 prevent or prevent as much as possible.

Die zeitgleich mit der Transferbewegung 18 erfolgende zyklische Verformung der elastokalorischen Elemente 13 wird dadurch erzielt, dass die Kurbelradien 24, 25 der ersten Kurbelwelle 14 und der zweiten Kurbelwelle 15 verschieden sind (3). Die erste Kurbelwelle 14 und die zweite Kurbelwelle 15 werden gleichphasig beziehungsweise synchron betrieben. Je nach Ausgestaltung der Wärmepumpe 100 kann vorgesehen sein, dass die elastokalorischen Elemente 13 im reinen Zugbereich oder im reinen Druckbereich oder sowohl im Zugbereich und im Druckbereich belastet werden.The cyclic deformation of the elastocaloric elements 13, which occurs simultaneously with the transfer movement 18, is achieved in that the crank radii 24, 25 of the first crankshaft 14 and the second crankshaft 15 are different ( 3 ). The first crankshaft 14 and the second crankshaft 15 are operated in phase or synchronously. Depending on the design of the heat pump 100, it can be provided that the elastocaloric elements 13 are loaded in the pure tension area or in the pure pressure area or both in the tension area and in the pressure area.

Jeweils zwei elastokalorische Elemente 13a, 13b sind in Paaren 26, 27 angeordnet und mit um 180° versetzten Kurbelwellenkröpfungen 17 verbunden. Das erste elastokalorische Element 13a jedes Paares 26, 27 ist mit einer ersten Kurbelwellenkröpfung 17a der ersten Kurbelwelle 14 und einer ersten Kurbelwellenkröpfung 17b der zweiten Kurbelwelle 15 verbunden. Das zweite elastokalorische Element 13b jedes Paares 26, 27 ist mit einer zweiten Kurbelwellenkröpfung 17c der ersten Kurbelwelle 14 und einer zweiten Kurbelwellenkröpfung 17d der zweiten Kurbelwelle 15 verbunden. Die Transferbewegungen 18 der beiden elastokalorischen Elemente 13a, 13b jedes Paares 26, 27 sind um einen Phasenwinkel von 180° versetzt. Die Kurbelradien der ersten Kurbelwellenkröpfung 17a der ersten Kurbelwelle 14, der ersten Kurbelwellenkröpfung 17b der zweiten Kurbelwelle 15, der zweiten Kurbelwellenkröpfung 17c der ersten Kurbelwelle 14 und der zweiten Kurbelwellenkröpfung 17d der zweiten Kurbelwelle 15 sind dabei derart gewählt, dass das erste elastokalorische Element 13a und das zweite elastokalorische Element 13b während der zyklischen Verformung Drehmomente mit unterschiedlichen Vorzeichen auf die erste Kurbelwelle 14 und auf die zweite Kurbelwelle 15 ausüben. Die Drehmomente mit unterschiedlichen Vorzeichen heben sich zumindest teilweise auf. Das von der Antriebseinheit aufzubringende Antriebsmoment ist dann lediglich zur Überwindung der Materialhysterese der elastokalorischen Elemente 13a, 13b und zur Überwindung der Reibung notwendig.Two elastocaloric elements 13a, 13b are arranged in pairs 26, 27 and connected to crankshaft cranks 17 offset by 180 °. The first elastocaloric element 13a of each pair 26, 27 is connected to a first crankshaft throw 17a of the first crankshaft 14 and a first crankshaft throw 17b of the second crankshaft 15. The second elastocaloric element 13b of each pair 26, 27 is connected to a second crankshaft throw 17c of the first crankshaft 14 and a second crankshaft throw 17d of the second crankshaft 15. The transfer movements 18 of the two elastocaloric elements 13a, 13b of each pair 26, 27 are offset by a phase angle of 180°. The crank radii of the first crankshaft throw 17a of the first crankshaft 14, the first crankshaft throw 17b of the second crankshaft 15, the second crankshaft throw 17c of the first crankshaft 14 and the second crankshaft throw 17d of the second crankshaft 15 are selected such that the first elastocaloric element 13a and that second elastocaloric element 13b exerts torques with different signs on the first crankshaft 14 and on the second crankshaft 15 during the cyclic deformation. The torques with different signs at least partially cancel each other out. The drive torque to be applied by the drive unit is then only necessary to overcome the material hysteresis of the elastocaloric elements 13a, 13b and to overcome the friction.

Bei der Wärmepumpe 100 der 2 bis 4 wird nur die erste Kurbelwelle 14 von einer nicht weiter dargestellten Antriebseinheit angetrieben. Die Kraftübertragung zwischen der ersten Kurbelwelle 14 und der zweiten Kurbelwelle 15 findet dann mittels eines als Antriebsriemen 28 ausgebildeten Kraftübertragungselements 29 statt, sodass die erste Kurbelwelle 14 und die zweite Kurbelwelle 15 synchron und gleichphasig von der Antriebseinheit angetrieben werden.With the heat pump 100 the 2 until 4 only the first crankshaft 14 is driven by a drive unit, not shown. The power transmission between the first crankshaft 14 and the second crankshaft 15 then takes place by means of a power transmission element 29 designed as a drive belt 28, so that the first crankshaft 14 and the second crankshaft 15 are driven synchronously and in phase by the drive unit.

5 zeigt eine Wärmepumpe 100 mit zwei Wärmepumpeneinheiten 12a, 12b, wobei jede Wärmepumpeneinheit 12a, 12b mindestens zwei elastokalorische Elemente 13 und jeweils eine erste Kurbelwelle 14 und eine zweite Kurbelwelle 15 aufweist. Auch in diesem Fall ist lediglich eine der Kurbelwellen 14, 15 der ersten Wärmepumpeneinheit 12a direkt von einer Antriebseinheit angetrieben. Mittels eines Kraftübertragungselements 29 wie beispielsweise eines Antriebsriemens 28 wird das Antriebsmoment von der angetriebenen ersten Kurbelwelle 14 der ersten Wärmepumpeneinheit 12a auf die zweite Kurbelwelle 15 der ersten Wärmepumpeneinheit 12a sowie auf die erste und zweite Kurbelwelle 14, 15 der zweiten Wärmepumpeneinheit 12b übertragen. 5 shows a heat pump 100 with two heat pump units 12a, 12b, each heat pump unit 12a, 12b having at least two elastocaloric elements 13 and each a first crankshaft 14 and a second crankshaft 15. In this case too, only one of the crankshafts 14, 15 of the first heat pump unit 12a is driven directly by a drive unit. By means of a force transmission element 29 such as a drive belt 28, the drive torque is transferred from the driven first crankshaft 14 of the first heat pump unit 12a to the second crankshaft 15 of the first heat pump unit 12a and to the first and second crankshafts 14, 15 of the second heat pump unit 12b.

BezugszeichenlisteReference symbol list

100100: WärmepumpeHeat pump
1010: Erster KühlmittelkanalFirst coolant channel
1111: Zweiter KühlmittelkanalSecond coolant channel
1212: WärmepumpeneinheitHeat pump unit
12a12a: WärmepumpeneinheitHeat pump unit
12b12b: WärmepumpeneinheitHeat pump unit
1313: Elastokalorisches ElementElastocaloric element
13a13a: Erstes elastokalorisches ElementFirst elastocaloric element
13b13b: Zweites elastokalorisches ElementSecond elastocaloric element
1414: Erste KurbelwelleFirst crankshaft
1515: Zweite KurbelwelleSecond crankshaft
1616: Stangepole
1717: KurbelwellenkröpfungCrankshaft offset
17a17a: KurbelwellenkröpfungCrankshaft offset
17b17b: KurbelwellenkröpfungCrankshaft offset
17c17c: KurbelwellenkröpfungCrankshaft offset
17d17d: KurbelwellenkröpfungCrankshaft offset
1818: TransferbewegungTransfer movement
1919: Erste LinearbewegungFirst linear movement
2020: Zweite LinearbewegungSecond linear movement
2121: DrehachseAxis of rotation
2222: TrennelementSeparator
2323: Trennwandpartition wall
2424: KurbelradiusCrank radius
2525: KurbelradiusCrank radius
2626: PaarCouple
2727: PaarCouple
2828: Antriebsriemendrive belt
2929: Kraftübertragungselement Power transmission element
200200: WärmepumpeHeat pump
210210: Erster KühlmittelkanalFirst coolant channel
211211: Zweiter KühlmittelkanalSecond coolant channel
212212: Elastokalorisches ElementElastocaloric element
213213: Erste KurbelwelleFirst crankshaft
214214: Zweite KurbelwelleSecond crankshaft
215215: Pleuelconnecting rod
216216: KurbelwellenkröpfungCrankshaft offset
217217: Stangepole
218218: Lineare BewegungLinear movement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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WO 2021/023686 A1 [0008]WO 2021/023686 A1 [0008]
US 10876770 B2 [0009]US 10876770 B2 [0009]

Claims

Wärmepumpe (100) umfassend einen ersten Kühlmittelkanal (10) auf einer Kaltseite für einen ersten Kühlmittelstrom, einen zweiten Kühlmittelkanal (11) auf einer Heißseite für einen zweiten Kühlmittelstrom, und mindestens eine Wärmepumpeneinheit (12, 12a, 12b), wobei die Wärmepumpeneinheit (12, 12a, 12b) ein elastokalorisches Element (13, 13a, 13b), eine erste Kurbelwelle (14) und eine zweite Kurbelwelle (15) umfasst, wobei das elastokalorische Element (13, 13a, 13b) zwischen der ersten Kurbelwelle (14) und der zweiten Kurbelwelle (15) angeordnet und mit der ersten Kurbelwelle (14) und der zweiten Kurbelwelle (15) verbunden ist, wobei die erste Kurbelwelle (14) und die zweite Kurbelwelle (15) ausgebildet sind, das elastokalorische Element (13, 13a, 13b) in einer Transferbewegung (18) zyklisch zwischen dem ersten Kühlmittelkanal (10) und dem zweiten Kühlmittelkanal (11) hin und her zu bewegen und das elastokalorische Element (13, 13a, 13b) zyklisch zu verformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferbewegung (18) eine Überlagerung von einer ersten Linearbewegung (19) und einer rechtwinklig zu der ersten Linearbewegung (19) verlaufenden zweiten Linearbewegung (20) ist.Heat pump (100) comprising a first coolant channel (10) on a cold side for a first coolant flow, a second coolant channel (11) on a hot side for a second coolant flow, and at least one heat pump unit (12, 12a, 12b), wherein the heat pump unit (12 , 12a, 12b) comprises an elastocaloric element (13, 13a, 13b), a first crankshaft (14) and a second crankshaft (15), the elastocaloric element (13, 13a, 13b) being between the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15) is arranged and connected to the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15), the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15) being formed, the elastocaloric element (13, 13a, 13b) to move cyclically back and forth between the first coolant channel (10) and the second coolant channel (11) in a transfer movement (18) and to cyclically deform the elastocaloric element (13, 13a, 13b), characterized in that the transfer movement ( 18) is a superposition of a first linear movement (19) and a second linear movement (20) running at right angles to the first linear movement (19).

Wärmepumpe (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferbewegung (18) eine Ellipsenbewegung, insbesondere eine Kreisbewegung, ist.Heat pump (100) after Claim 1 , characterized in that the transfer movement (18) is an elliptical movement, in particular a circular movement.

Wärmepumpe (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Kühlmittelkanal (10) und dem zweiten Kühlmittelkanal (11) ein Trennelement (22), insbesondere eine Trennwand (23), angeordnet ist, und dass die erste Linearbewegung (19) senkrecht zu dem Trennelement (22) verläuft, wobei bevorzugt der erste Kühlmittelkanal (10) und der zweite Kühlmittelkanal (11) durch das Trennelement (22) fluidisch voneinander getrennt sind, wobei das Trennelement (22) eine Öffnung aufweist, in der das elastokalorische Element (13, 13a, 13b) zwischen dem ersten Kühlmittelkanal (10) und dem zweiten Kühlmittelkanal (11) verschiebbar angeordnet ist.Heat pump (100) after Claim 1 or 2 , characterized in that a separating element (22), in particular a separating wall (23), is arranged between the first coolant channel (10) and the second coolant channel (11), and that the first linear movement (19) perpendicular to the separating element (22) runs, wherein preferably the first coolant channel (10) and the second coolant channel (11) are fluidly separated from one another by the separating element (22), the separating element (22) having an opening in which the elastocaloric element (13, 13a, 13b) is displaceably arranged between the first coolant channel (10) and the second coolant channel (11).

Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kurbelwelle (14) mindestens eine Kurbelwellenkröpfung (17, 17a, 17b), bevorzugt mehrere Kurbelwellenkröpfungen (17, 17a, 17b), aufweist, und dass die zweite Kurbelwelle (15) mindestens eine Kurbelwellenkröpfung (17, 17c, 17d), bevorzugt mehrere Kurbelwellenkröpfungen (17, 17c, 17d), aufweist, wobei ein Kurbelradius (24) der ersten Kurbelwelle (14) größer ist als ein Kurbelradius (25) der zweiten Kurbelwelle (15), und/oder dass die erste Kurbelwelle (14) mindestens eine Kurbelwellenkröpfung (17, 17a, 17b), bevorzugt mehrere Kurbelwellenkröpfungen (17, 17a, 17b), mit einem ersten Hub aufweist, und dass die zweite Kurbelwelle (15) mindestens eine Kurbelwellenkröpfung (17, 17c, 17d), bevorzugt mehrere Kurbelwellenkröpfungen (17, 17c, 17d), mit einem zweiten Hub aufweist, wobei der erste Hub größer ist als der zweite Hub.Heat pump (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the first crankshaft (14) has at least one crankshaft offset (17, 17a, 17b), preferably several crankshaft offsets (17, 17a, 17b), and that the second crankshaft ( 15) has at least one crankshaft offset (17, 17c, 17d), preferably several crankshaft offsets (17, 17c, 17d), wherein a crank radius (24) of the first crankshaft (14) is larger than a crank radius (25) of the second crankshaft ( 15), and/or that the first crankshaft (14) has at least one crankshaft offset (17, 17a, 17b), preferably several crankshaft offsets (17, 17a, 17b), with a first stroke, and that the second crankshaft (15) has at least a crankshaft offset (17, 17c, 17d), preferably a plurality of crankshaft offsets (17, 17c, 17d), with a second stroke, the first stroke being greater than the second stroke.

Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (100) eine Antriebseinheit, insbesondere einen Elektromotor, umfasst, wobei die Antriebseinheit ausgebildet ist, die erste Kurbelwelle (14) und/oder die zweite Kurbelwelle (15) anzutreiben, und/oder dass die Wärmepumpeneinheit (12, 12a, 12b) derart ausgebildet ist, dass die erste Kurbelwelle (14) und die zweite Kurbelwelle (15) synchron und/oder gleichphasig angetrieben werden, und/oder dass die erste Kurbelwelle (14) und die zweite Kurbelwelle (15) über ein Kraftübertragungselement (29), insbesondere einen Antriebsriemen (28), verbunden sind.Heat pump (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pump (100) comprises a drive unit, in particular an electric motor, wherein the drive unit is designed to drive the first crankshaft (14) and/or the second crankshaft (15). , and/or that the heat pump unit (12, 12a, 12b) is designed such that the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15) are driven synchronously and/or in phase, and/or that the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15) are connected via a power transmission element (29), in particular a drive belt (28).

Wärmepumpe (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpeneinheit (12, 12a, 12b) mindestens zwei elastokalorische Elemente (13, 13a, 13b) umfasst, wobei das erste elastokalorische Element (13, 13a) zwischen einer ersten Kurbelwellenkröpfung (17, 17a) der ersten Kurbelwelle (14) und einer ersten Kurbelwellenkröpfung (17, 17b) der zweiten Kurbelwelle (15) eingespannt ist, und wobei das zweite elastokalorische Element (13, 13b) zwischen einer zweiten Kurbelwellenkröpfung (17, 17c) der ersten Kurbelwelle (14) und einer zweiten Kurbelwellenkröpfung (17, 17d) der zweiten Kurbelwelle (15) eingespannt ist.Heat pump (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pump unit (12, 12a, 12b) comprises at least two elastocaloric elements (13, 13a, 13b), the first elastocaloric element (13, 13a) being between a first crankshaft offset (17, 17a) of the first crankshaft (14) and a first crankshaft offset (17, 17b) of the second crankshaft (15), and wherein the second elastocaloric element (13, 13b) is clamped between a second crankshaft offset (17, 17c). first crankshaft (14) and a second crankshaft offset (17, 17d) of the second crankshaft (15) is clamped.

Wärmepumpe (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kurbelwellenkröpfung (17, 17a) und die zweite Kurbelwellenkröpfung (17, 17c) der ersten Kurbelwelle (14) um 180° versetzt sind, und/oder dass die erste Kurbelwellenkröpfung (17, 17b) und die zweite Kurbelwellenkröpfung (17, 17d) der zweiten Kurbelwelle (15) um 180° versetzt sind.Heat pump (100) after Claim 6 , characterized in that the first crankshaft offset (17, 17a) and the second crankshaft offset (17, 17c) of the first crankshaft (14) are offset by 180 °, and / or that the first crankshaft offset (17, 17b) and the second crankshaft offset (17, 17d) of the second crankshaft (15) are offset by 180 °.

Wärmepumpe (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurbelradius (24) der ersten Kurbelwellenkröpfung (17, 17a) der ersten Kurbelwelle (14) und ein Kurbelradius (25) der ersten Kurbelwellenkröpfung (17, 17b) der zweiten Kurbelwelle (15), und ein Kurbelradius (24) der zweiten Kurbelwellenkröpfung (17, 17c) der ersten Kurbelwelle (14) und ein Kurbelradius (25) der zweiten Kurbelwellenkröpfung (17, 17d) der zweiten Kurbelwelle (15) derart eingestellt sind, dass das erste elastokalorische Element (13, 13a) und das zweite elastokalorische Element (13, 13b) während der zyklischen Verformung Drehmomente mit unterschiedlichen Vorzeichen auf die erste Kurbelwelle (14) und/oder auf die zweite Kurbelwelle (15) ausüben.Heat pump (100) after Claim 6 or 7 , characterized in that a crank radius (24) of the first crankshaft offset (17, 17a) of the first crankshaft (14) and a crank radius (25) of the first crankshaft offset (17, 17b) of the second crankshaft (15), and a crank radius (24 ) of the second crankshaft throw (17, 17c) of the first crankshaft (14) and a crank radius (25) of the second crankshaft throw (17, 17d) of the second crankshaft (15) are set such that the first elastocaloric element (13, 13a) and the second elastocaloric element (13, 13b) during Cyclic deformation exerts torques with different signs on the first crankshaft (14) and/or on the second crankshaft (15).

Wärmepumpe (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elastokalorische Element (13, 13a) während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Zug oder ausschließlich auf Druck belastet wird, und dass das zweite elastokalorische Element (13, 13b) während der zyklischen Verformung ausschließlich auf Druck oder ausschließlich auf Zug belastet wird.Heat pump (100) according to one of the Claims 6 until 8th , characterized in that the first elastocaloric element (13, 13a) is loaded exclusively in tension or exclusively in compression during the cyclic deformation, and that the second elastocaloric element (13, 13b) is loaded exclusively in compression or exclusively in tension during the cyclic deformation is charged.

Wärmepumpe (100) umfassend eine zweite Wärmepumpeneinheit (12, 12b), wobei bevorzugt die erste Kurbelwelle (14) und die zweite Kurbelwelle (15) der zweiten Wärmepumpeneinheit (12, 12b) über ein Kraftübertragungselement (29), insbesondere einen Antriebsriemen (28), mit der ersten Kurbelwelle (14) und der zweiten Kurbelwelle (15) der ersten Wärmepumpeneinheit (12, 12a) verbunden sind.Heat pump (100) comprising a second heat pump unit (12, 12b), preferably the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15) of the second heat pump unit (12, 12b) via a force transmission element (29), in particular a drive belt (28). , are connected to the first crankshaft (14) and the second crankshaft (15) of the first heat pump unit (12, 12a).

Kraftfahrzeug umfassend eine Wärmepumpe nach einem der vorgenannten Ansprüche.Motor vehicle comprising a heat pump according to one of the preceding claims.