(57)【要約】  本発明は、弾性熱量材料から成る弾性熱量部材（１１）を有する熱交換装置（１）と、機械振動を発生させる振動ユニット（２）とを含む熱交換システムに関し、熱交換装置（１）は、弾性熱量部材（１１）を動かし、これにより弾性熱量部材（１１）が変形させられて弾性熱量効果が達成されるように構成されている。さらに振動伝達装置（３）が設けられており、この振動伝達装置（３）は、振動ユニット（２）と熱交換装置（１）との間に配置されており、弾性熱量部材（１１）が動くように、振動ユニット（２）の振動を弾性熱量部材（１１）に伝達する。
2021511477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換システムであって、
弾性熱量材料から成る弾性熱量部材（１１）を有する熱交換装置（１）であって、前記熱交換装置（１）は、前記弾性熱量部材（１１）が変形させられて弾性熱量効果が達成されるよう、前記弾性熱量部材（１１）を動かすように構成されている、熱交換装置（１）と、
機械振動を発生させる振動ユニット（２）と、
を含む、熱交換システムにおいて、
振動伝達装置（３）をさらに備え、前記振動伝達装置（３）は、前記振動ユニット（２）と前記熱交換装置（１）との間に配置されており、前記弾性熱量部材（１１）が動くように、前記振動ユニット（２）の振動を前記弾性熱量部材（１１）に伝達することを特徴とする、熱交換システム。
【請求項２】
前記熱交換装置（１）は熱伝導部材（１２）を有し、前記弾性熱量部材（１１）と前記熱伝導部材（１２）とを、互いに近づくように動かして、前記弾性熱量部材（１１）が前記熱伝導部材（１２）と接触し変形させられて弾性熱量効果が達成されるように、かつ／または互いに離れるように動かすように構成されており、
前記振動伝達装置（３）は、前記弾性熱量部材（１１）と前記熱伝導部材（１２）とが互いに近づくように動くように、かつ／または互いに離れるように動くように、前記振動ユニット（２）の振動を少なくとも前記弾性熱量部材（１１）に伝達することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記振動伝達装置（３）は機械的な伝達部材（３００）を含む、請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記振動伝達装置（３）は移動距離制限器（３０２）を含み、前記移動距離制限器（３０２）は前記振動の振れを、前記熱交換装置（１）の動作のために意図された移動距離に制限する、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記振動伝達装置（３）は、前記振動の伝達の際に発生する力を減衰するために減衰部材を含む、請求項３または４記載のシステム。
【請求項６】
前記振動伝達装置は、圧力（ｐ）を変化させる手段（３１０）を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項７】
前記振動伝達装置（３）は、前記振動を電気作用に変換するための手段（３２０、３２１）と、前記電気作用を前記弾性熱量部材の運動に変換する少なくとも１つのアクチュエータ（３２３）とを含む、請求項１から６までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項８】
前記振動ユニット（２）の機械振動の周波数、前記振動ユニット（２）から伝達される力、前記弾性熱量部材（１１）に及ぼされる伸長および／または移動距離を測定するセンサ（４、４１、４２）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項９】
前記振動伝達装置（３）は、前記振動ユニットの機械振動の周波数を、前記熱交換装置（１）の動作に適した周波数に変換するように構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のシステム。
【請求項１０】
前記振動伝達装置（３）は、前記振動ユニットの機械振動の周波数を、前記熱交換装置（１）の共振周波数に変換するように構成されている、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項の熱交換システムを含むヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性熱量効果を利用した振動伝達装置による熱交換システムに関する。さらに本発明は、かかる熱交換システムを備えたヒートポンプに関する。
【０００２】
従来の技術
弾性熱量効果は、材料に機械的な力が加えられてたとえば変形したときの、その材料の断熱的な温度変化のことを表す。機械的な力もしくは変形によって、相とも称せされる結晶構造の転移が材料において引き起こされる。相転移の結果、材料の温度上昇が生じる。その際に放出される熱が排出されると、温度が低下してエントロピーが減少する。次いで機械的な力が取り除かれると、再び逆の相転移（逆転移）が引き起こされ、その結果、材料の温度低下が生じる。その後、材料に再び熱が供給されると、エントロピーが再び増加する。
【０００３】
ほぼ断熱的な相転移の後、温度は初期温度よりも高くなっている。その際に発生する熱をたとえば周囲に排出することができ、次いで材料は周囲温度となる。このとき、機械的な力がゼロまで低減されることで相の逆転移が始まると、初期温度よりも低い温度が生じる。相転移後の最高温度と、（熱が事前に放出されて）逆転移が生じた後の最低温度との間の温度差が、４０℃までに達する可能性がある。
【０００４】
弾性熱量効果を示す材料は弾性熱量材料と呼ばれる。かかる弾性熱量材料はたとえば、超弾性を有する形状記憶合金である。超弾性合金は、この合金が強く変形させられた後であっても自ら再び自身の本来の形状に復帰する、という点で優れている。超弾性形状記憶合金は２つの異なる相（結晶構造）を有する。すなわち、オーステナイトは室温で安定した相であり、マルテンサイトはそれよりも低い温度で安定している。機械的な変形によって、オーステナイトからマルテンサイトへの相転移が引き起こされ、その結果として断熱的な温度上昇が生じる。上昇した温度をこのとき熱として周囲に放出させることができ、このことによってエントロピーの減少が引き起こされる。弾性熱量材料から再び負荷が取り去られると、マルテンサイトからオーステナイトへの逆転移が生じ、これに付随して断熱的な温度低下が生じる。
【０００５】
以下では、２つの典型的な熱交換装置について説明する。ある１つの装置の場合、両凸熱伝導部材、すなわち両側が凸状である熱伝導部材が、２つの平坦な熱伝導部材間に距離をおいて配置されている。それぞれ１つの弾性熱量部材が、平坦な熱伝導部材と両凸熱伝導部材との間の中間スペースに張設されている。これらの弾性熱量部材は互いに接続されており、一緒に動くことができる。その際にこれらの弾性熱量部材は、そのつど一方の弾性熱量部材が両凸熱伝導部材により変形させられるように配置されており、これによって凸状の薄片外側で引張応力が引き起こされ、凹状の内側で圧縮応力が引き起こされる。唯一、いわゆる中立軸においては、応力が発生しない。これと同時に他方の弾性熱量部材の形状が、この部材の超弾性によって自身の平坦な本来の形状に再び復帰し、平坦な熱伝導部材と平面的に接触するようになる。本来の形状への復帰変形が不完全であるとしたならば、平坦な熱伝導部材との接触の際に残りの復帰変形が行われる。この装置によって、平坦な熱伝導部材から両凸熱伝導部材へと熱が輸送される。
【０００６】
熱は一般的には、熱伝導部材と接触状態にある熱輸送媒体、たとえば冷却媒体、によって、熱伝導部材から搬出され、または熱伝導部材へと搬送される。熱輸送媒体の搬送のために、通常はコンプレッサまたはポンプが用いられる。動作中、この搬送構成要素が機械振動を発生させる。本明細書では、機械振動を発生させる構成要素を振動ユニットと称する。
【０００７】
発明の概要
ここでは熱交換システムが提案される。このシステムは、それ自体公知の熱交換装置を含み、この熱交換装置は、弾性熱量材料から成る弾性熱量部材を有する。熱交換装置は、弾性熱量部材を動かすように構成されている。弾性熱量部材の運動によって、この部材が変形させられる。変形によりトリガされて、弾性熱量材料において弾性熱量効果が発生し、これによって弾性熱量部材の加熱が引き起こされる。弾性熱量部材が再び復帰するように動くと、弾性熱量部材は形状復帰時に冷える。
【０００８】
さらに、提案されている熱交換システムは振動ユニットを有する。この振動ユニットはたとえば、熱輸送媒体たとえば冷却媒体または同等のものを搬送するためのコンプレッサまたはポンプである。一般的に振動ユニットは熱交換装置と関連して、弾性熱量効果により変換された熱を熱交換装置から排出する目的で、既に設けられている。振動ユニットは、その動作時に機械振動を発生させる。
【０００９】
さらに振動伝達装置が設けられており、これは振動ユニットと熱交換装置との間に配置されている。振動伝達装置は、弾性熱量部材が動くよう、振動ユニットの振動を熱交換装置の弾性熱量部材に伝達するように構成されている。この場合、振動伝達装置は、弾性熱量部材のみに、熱伝導部材のみに、または弾性熱量部材にも熱伝導部材にも、振動を伝達することができ、その結果、ここで挙げた構成要素の既に説明した上述の運動がそれぞれ引き起こされる。振動伝達装置によって、一般的には既存の振動ユニットの振動を、運動として利用可能な形態で弾性熱量部材に伝えることができる。これにより、弾性熱量部材のための付加的な駆動部を省くことができる。
【００１０】
振動伝達装置は主として、弾性熱量部材もしくは熱伝導部材の運動方向を指す振れを有する振動を伝達する。振動ユニットは一般的に種々の方向へ、またはそれどころか全ての方向へ、同時に振動を発生させるので、弾性熱量部材を種々の方向において、特に振動ユニットが振動を発生させる全ての方向において、振動ユニットの周囲に配置するように構成することができる。
【００１１】
１つの態様によれば、熱交換装置は付加的に熱伝導部材を有することができる。弾性熱量部材が運動する際にこの弾性熱量部材を、固定された熱伝導部材に向かって、かつ／またはそこから離れるように動かすことができ、あるいは弾性熱量部材も熱伝導部材も、それぞれ異なる方向に、かつ／または逆方向に動かすことができる。弾性熱量部材の運動によって、弾性熱量部材は熱伝導部材と接触するに至り、弾性熱量部材は変形させられる。弾性熱量部材が再び復帰するように動くと、弾性熱量部材は形状復帰時に冷える。しかも振動伝達装置は、弾性熱量部材と熱伝導部材とが互いに近づくように動くように、かつ／または互いに離れるように動くように、振動ユニットの振動を少なくとも弾性熱量部材に伝達する。この場合、振動伝達装置は、弾性熱量部材のみに、または弾性熱量部材にも熱伝導部材にも、振動を伝達することができ、その結果、ここで挙げた構成要素の既に説明した上述の運動がそれぞれ引き起こされる。
【００１２】
１つの態様によれば、振動伝達装置は、たとえばばね部材または適切な剛性を有する他の機械的な伝達部材のような機械的な伝達部材を含む。機械的な伝達部材を介して、振動を直線的に弾性熱量部材に伝達することができる。このことは、振動が規則的な場合に、すなわち一定の振幅および一定の周波数を有する場合に、特に有利である。このことはたとえば、振動ユニットが定置されて１つの動作点で駆動される場合に該当する。
【００１３】
これに加え、振幅および／または周波数が変化する振動ユニットの不規則な振動も、熱交換装置のために使用することができる。弾性熱量部材を駆動するために、意図された移動距離および意図された伝達力を遵守することができる。しかも振動伝達装置を、振動ユニットの機械振動の周波数を熱交換装置の動作に適した周波数に変換するように、構成することができる。その際に周波数を好ましくは、熱交換装置の共振周波数に変換することができ、この周波数を用いることで特に高い有効性を達成することができる。以下では、振動ユニットの不規則な振動から意図する移動距離および意図する力を達成することができ、振動の周波数を熱交換装置の動作に適した周波数に変換できるようにした措置を紹介する。
【００１４】
振動伝達装置は、移動距離制限器たとえばストッパを含み、この移動距離制限器は、振動の振れを熱交換装置の動作のために意図された移動距離に制限する。これにより、不規則な振動であっても常に同じ移動距離を達成することができる。
【００１５】
これに加え、振動伝達時に発生し、振動の不規則な振幅に起因してそれぞれ異なる強さで生じる可能性のある力を減衰させる目的で、振動伝達装置は減衰部材、たとえばばねまたは液圧部材、を含むことができる。これによって、弾性熱量部材がそれぞれ異なる形態で変形するのを回避することができる。
【００１６】
好ましくは、振動ユニットおよび／または振動伝達装置のところで測定を実施するセンサを設けることができる。以下では、例示的な測定を挙げておくが、この場合、個々の、複数の、かつ／または図示されていないさらに別の測定を実行することができる。
・振動ユニットの機械振動の周波数の測定
・振動ユニットにより伝達される力の測定
・弾性熱量部材に及ぼされる変形の測定
・移動距離の測定
【００１７】
熱交換システムの動作をこれらのパラメータに合わせて設定するために、または任意選択的に調整するために、これらの測定を使用することができる。たとえば、熱輸送媒体が搬送される周期を、振動ユニットにより送出され振動伝達装置により伝達され、その際に場合によっては変化させられた振動に対し、同期して設定し、または任意選択的に調整することができる。
【００１８】
振動伝達装置は、振動伝達装置内の圧力を変化させるための手段、つまり特にポンプ、を含むことができ、この手段によって、負圧を形成するために、または正圧を形成するために、不規則な振動を使用することができる。その際に負圧もしくは正圧の形成を段階的に行うことができ、この場合、各振動を個別に負圧もしくは正圧の形成に寄与させることができ、たとえば弁および／または移動距離制限器を介して制御することができる。次いで、形成された負圧もしくは正圧を、弾性熱量部材と接続されている直線的に動く伝達部材に作用させることができる。負圧の場合には、伝達部材は、負圧が形成される容積体内に入るように動くことができ、正圧の場合には、正圧が形成される容積体から出るように動くことができる。伝達部材は、圧力によりトリガされた自身の運動を弾性熱量部材に伝達する。圧力を予め定めることによって、熱交換装置を動作させるために意図された力およびその結果として生じる弾性熱量部材の変形を実現することができ、さらに圧力の段階的な形成により適切な周波数を実現することができる。しかも、所望の圧力が形成され、それにより意図された力が弾性熱量部材に作用した後、膨張弁を介してコントロールしながら圧力を消失させるように、構成することができる。これによって弾性熱量部材は、自身の本来の形状に再び復帰することができる。圧力の形成から消失までのシーケンスを周期的に実施することができ、任意選択的に圧力センサおよび／または上述のセンサを用いて調整することができる。
【００１９】
振動伝達装置は、振動を電気作用に変換するための手段を含むことができる。このために、振動をコイルにより取り囲まれた永久磁石に伝達することができ、次いで永久磁石は、コイル内およびコイル外への周期的な運動を実行する。電気作用を、電気エネルギーの形態でエネルギー蓄積器に、たとえばバッテリに、蓄積することができる。これに加え振動伝達装置は、少なくとも１つのアクチュエータを含むことができ、このアクチュエータは、次いで電気作用を弾性熱量部材の運動に変換する。
【００２０】
さらに、上述の熱交換システムを有するヒートポンプが提案される。装置に関する上述の特徴および利点は、このヒートポンプについても適用される。熱交換システムによって、ヒートポンプ内部の付加的な駆動部を省略することができ、その結果、よりコンパクトに、かつより低コストで、ヒートポンプを実現することができる。
【００２１】
ほんのいくつかの例を挙げるならば、たとえば冷蔵庫／冷凍庫において、リチウムイオン電池および固体電池の温度管理において、さらには車両室内の暖房もしくは冷房のためなどに、このヒートポンプを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明の実施例が図面に示されており、それらについて以下の記載で詳細に説明する。
【図１】本発明による熱交換システムの１つの実施例を概略的に示す図である。
【図２】図１による振動伝達装置の第１の実施形態を概略的に示す図である。
【図３】図１による振動伝達装置の第２の実施形態を概略的に示す図である。
【図４】図１による振動伝達装置の第３の実施形態を概略的に示す図である。
【図５】図１による振動伝達装置の第４の実施形態を概略的に示す図である。
【００２３】
本発明の実施例
図１には、熱交換装置１を含む本発明による熱交換システムの１つの実施形態が概略的に示されている。熱交換装置１は、弾性熱量材料から成る弾性熱量部材１１と熱伝導部材１２とを有する。この実施形態の場合、弾性熱量部材１１は固定された熱伝導部材１２に向かって周期的に動かされ、これによって弾性熱量部材１１は熱伝導部材１２と接触して変形させられ、その結果、弾性熱量効果が達成され、その後、熱伝導部材１２から離れるように動かされる。さらなる実施例の場合、熱伝導部材１２を動かすことができ、弾性熱量部材１１を不動にするか、または弾性熱量部材１１も熱伝導部材１２も動かすことができる。
【００２４】
熱交換システムはさらに、熱輸送媒体２１を搬送するためのたとえばコンプレッサまたはポンプのような振動ユニット２を有しており、これは機械振動を発生させる。この場合、一方では、振動ユニット２が定置されて１つの動作点で駆動されると、一定の振幅および周波数の規則的な振動を発生させることができ、他方、振動および周波数が変化する不規則な振動を発生させることができる。
【００２５】
本発明によれば、振動ユニット２と熱交換装置１との間に、振動伝達装置３を配置することができる。振動伝達装置３は、振動ユニット２の機械振動を、熱交換装置１の弾性熱量部材１１および／または熱伝導部材１２に伝達するように構成されており、これによって弾性熱量部材１１および熱伝導部材１２は周期的に互いに近づくように動き、さらに互いに離れるように動く。以下の実施形態では、同じ形式および手法で形成されている振動伝達装置３は、振動を弾性熱量部材１１のみに伝達し、次いで弾性熱量部材１１は固定された熱伝導部材１２に向かって動き、これらの部材と接触するようになり、その際に変形し、次いでそれらの部材から離れるように動く。さらなる実施形態において、振動伝達装置３は、振動を択一的または付加的に熱伝導部材１２に伝達することができ、その結果、それらの部材が動くようになる。振動伝達装置の構造および機能については、あとで図２〜図４を参照しながら詳しく説明する。
【００２６】
これらに加え、振動ユニット２の機械振動の周波数、振動ユニット２から伝達される力、弾性熱量部材１１に及ぼされる伸長および／または移動距離を測定するセンサ４が設けられている。これらのセンサ４の配置および機能についても、あとで図２〜図４を参照しながら説明する。電子計算機５が、振動伝達装置３およびセンサ４と、さらには振動ユニット２と接続されており、センサ４により測定された量を用いて熱交換システムを調整する。たとえば、熱輸送媒体２１が搬送される周期が、振動ユニット２により送出されて振動伝達装置３により伝達された振動と同期して設定される。
【００２７】
図２〜図５には、振動伝達装置３の３つの実施形態が示されている。同じ参照符号は同じ構成要素を指しており、それらについては一度しか詳しくは説明しない。これらの実施形態では、熱伝導部材１２が固定されており、弾性熱量部材１１が動かされる。振動伝達装置が同じ形式で構成されているさらなる実施形態では、弾性熱量部材１１が固定されており、熱伝導部材１２が動かされる。図面で表す都合上、これらの図面には、ただ１つの弾性熱量部材１１だけしか示されていないけれども、熱交換装置における１つの弾性熱量部材１１、複数の弾性熱量部材１１、または全ての弾性熱量部材１１について、説明が当てはまるものとする。
【００２８】
図２には、振動伝達装置３の第１の実施形態が示されており、この振動伝達装置３は、ばね部材３００の形態の機械的な伝達部材を有する。この実施形態は、振動ユニット２が、同じ振幅および同じ周波数の規則的な振動を発生させる場合に、特に良好に適している。ばね部材３００は、熱輸送のための装置１の要求および規則的な振動のパラメータに従って選択される。振動伝達装置３内部での付加的な調整は、このケースでは不要である。ばね部材３００の方向に振れる振動ユニット２の機械振動は、ばね部材３００によって受け止められ、そこから直線的に伝達部材３０１に伝達される。ばね部材３００はその際に付加的に、振動伝達時に発生する力を減衰させる減衰部材としての役割を果たす。この場合、第１のセンサ４１が設けられており、この第１のセンサ４１は、ばね部材３００に伝達された力および伝達された振動の周波数を測定する。伝達部材３０１は、弾性熱量部材１１と接続された状態にある。ばね部材３００が振れると、伝達部材３０１による運動が弾性熱量部材１１に伝達される。この場合、ばね部材３００のためのストッパ３０２が設けられており、このストッパ３０２は、ばね部材３００の振れを予め定められた移動距離に制限する。ばね部材３００が振動に起因して伸長すると、弾性熱量部材１１が、ここには図示されていない熱伝導部材１２の方向に予め定められた移動距離だけ動かされ、この部材と接触するに至る。ばね部材３００が収縮すると、弾性熱量部材１１が逆方向に動かされる。弾性熱量部材１１の運動の移動距離および／または弾性熱量部材１１の変形は、第２のセンサ４２によって測定される。
【００２９】
図３および図４には、振動伝達装置３の第２および第３の実施形態が示されており、この振動伝達装置３はそれぞれポンプ３１０を有しており、このポンプ３１０によって圧力シリンダ３１１内の圧力ｐを変化させることができる。これらの実施形態は、振幅が変化し周波数がそれぞれ異なる不規則的な振動を振動ユニット２が発生させる場合に、特に良好に適している。図３における第２の実施例の場合、ポンプ３１０は、振動ユニット２の機械振動により駆動され、圧力シリンダ３１１内に段階的に負圧を形成する。圧力ｐの変化を制御する目的で、逆止め弁３１２が設けられている。換言すれば、（ポンプを駆動する適切な方向への）いかなる小さい振動によっても、圧力ｐの低減がもたらされ、これが累積して最後には所望の負圧を生じさせる。圧力シリンダ内の圧力ｐは、圧力センサ４１によって測定される。予め定められた負圧になると、弾性熱量部材１１と接続され直線的に動く伝達部材３１３が、圧力シリンダ３１１内に引き込まれ、その結果、弾性熱量部材１１が熱伝導部材１２に向かって動かされて、この部材と接触するに至る。図４における第３の実施例の場合には、負圧の代わりに正圧が圧力シリンダ３１１内に形成される。正圧によって、伝達部材３１３が圧力シリンダ３１１から外に動かされる。この場合も、弾性熱量部材１１が熱伝導部材１２に向かって動かされ、この部材と接触するに至る。次いで、圧力シリンダ３１１における膨張弁３１４を介して、圧力シリンダ３１１内の圧力ｐが再び平衡調整されて、伝達部材３１３は再びその初期位置に復帰するように動く。両方の実施形態において、ポンプ３１０および膨張弁３１４を、測定圧力を用いて設定または調整することができる。
【００３０】
図５には、振動伝達装置３の第４の実施形態が示されており、この振動伝達装置３は、振動を電気作用に変換するコイル３２０および永久磁石３２１、ならびにアクチュエータ３２３を有する。この実施形態も、振幅が変化し周波数がそれぞれ異なる不規則的な振動を振動ユニット２が発生させる場合に、特に良好に適している。永久磁石３２１の方向に振れる振動ユニット２の機械振動は、永久磁石３２１に伝えられ、次いで永久磁石３２１は、コイル３２０の中へと動き、かつ／またはコイルから外へと動く。磁束が変化することによって電圧が誘導され、この電圧が電圧測定器４４により測定される。誘導された電圧から結果として生じる電気エネルギーが、エネルギー蓄積器３２２に、たとえばバッテリに、蓄積される。したがってエネルギー蓄積器３２２は、永久磁石３２１を短い距離だけしか動かさない小さい振動によっても充電される。アクチュエータ３２３を駆動するために、エネルギー蓄積器３２２からの電気エネルギーが使用され、アクチュエータ３２３は、弾性熱量部材１１と接続されている伝達部材３２４を含み、その際にセンサ４１、４２、４４を用いて、アクチュエータ３２３を設定または調整することができる。アクチュエータ３２３は伝達部材３２４を動かし、その結果、弾性熱量部材１１が、図示されていない熱伝導部材１２の方向に周期的に動かされて、熱伝導部材１２と接触するに至り、次いで逆方向に動かされる。
【図１】
2021511477.tif 000003
【図２】
2021511477.tif 000004
【図３】
2021511477.tif 000005
【図４】
2021511477.tif 000006
【図５】
2021511477.tif 000007
【国際調査報告】
2021511477.tif 000008
2021511477.tif 000009
2021511477.tif 000010
2021511477.tif 000011