DE102012108084A1

DE102012108084A1 - Magnetisch-thermisches Modul und magnetisch-thermische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102012108084A1
Application number: DE102012108084A
Authority: DE
Inventors: Chi-Hsiang Kuo; Yi-Fei Lee; Shen-Fan Hsieh
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2013-03-21
Also published as: CN102967172A; US20130055726A1; CN102967172B

Abstract

Ein magnetisch-thermisches Modul, welches einem Magnetfeld unterworfen ist, umfasst zumindest ein magnetisch-thermisches Material und einen Behälter. Das magnetisch-thermische Material wird dazu verwendet, Kalorien oder Frigorien in Antwort auf ein variables und steuerbares Magnetfeld zu erzeugen. Der Behälter wird dazu verwendet, das magnetisch-thermische Material zu beinhalten. Darüber hinaus ist hierin eine magnetisch-thermische Vorrichtung offenbart.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf ein magnetisches Modul und eine magnetische Vorrichtung. Genauer bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein magnetisch-thermisches Modul und eine magnetisch-thermische Vorrichtung, welche das magnetisch-thermische Modul aufnimmt.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Verwendung des magnetokalorischen Effekts (MKE) als Grundlage für Wärmeaustauschsysteme ist seit vielen Jahren bekannt. MK(Magnetokalorisches)-Material besitzt eine spezifische Curie-Temperatur. Im Detail besitzt das MK-Material einen spezifischen Temperaturbereich, um als Reaktion in ein Magnetfeld hinein oder aus einem magnetischen Feld heraus magnetisiert bzw. entmagnetisiert zu werden. Im Betrieb wird das MK-Material von der Temperatur in verschiedenen Umgebungen, wie zum Beispiel in tropischen Regionen, subtropischen Regionen oder Wüstenregionen, beeinflusst, was in einer Begrenzung der Leistung der Wärmeaustauschsysteme resultiert. Gleichfalls sind sogar eine Vielzahl von MK-Materialien in Serie verbunden; der Temperaturbereich oder die Energieübergangseffizienz der seriellen Kombination der MK-Materialien kann den Anforderungen nicht genügen.
Deshalb besteht gegenwärtig ein bisher nicht adressierter Bedarf daran, die oben genannten Defizite und Unzulänglichkeiten zu adressieren.
Zusammenfassung
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung eines magnetisch-thermischen Moduls, um die Energieeffizienz des Wärmeaustauschs zu verbessern und ein komfortables Aufrüsten oder Austauschen bereit zu stellen. Das magnetisch-thermische Modul, welches einem magnetischen Feld ausgesetzt ist, umfasst zumindest ein magnetisch-thermisches Material und einen Behälter. Das magnetisch-thermische Material wird für die Erzeugung von Kalorien und Frigorien in Antwort auf ein variables und steuerbares Magnetfeld verwendet. Der Behälter wird dafür verwendet, das magnetisch-thermische Material zu beinhalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das magnetisch-thermische Material in dem Behälter austauschbar.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung besitzt das magnetisch-thermische Material eine magnetische Übergangstemperatur.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird das magnetisch-thermische Material mit einem Kaltwärmetauscher und/oder einem Heißwärmetauscher angewendet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung einer magnetisch-thermischen Vorrichtung, um die Energieeffizienz eines Wärmeaustauschs zu verbessern und ein komfortables Aufrüsten oder Austauschen bereit zu stellen. Die magnetisch-thermische Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, zumindest ein magnetisches Element und zumindest ein magnetisch-thermisches Modul. Das magnetische Element wird dazu verwendet, ein variables Magnetfeld zu erzeugen. Das magnetisch-thermische Modul ist austauschbar in das Gehäuse eingefügt. Das magnetisch-thermische Modul umfasst zumindest ein magnetisch-thermisches Material und einen Behälter. Das magnetisch-thermische Material wird dazu verwendet, Kalorien oder Frigorien in Antwort auf das variable Magnetfeld zu erzeugen. Der Behälter wird dazu verwendet, das magnetisch-thermische Material zu beinhalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das magnetische Element in dem Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die magnetisch-thermische Vorrichtung weiterhin Hilfsmittel, zum Unterstützen einer Bewegung des magnetisch-thermischen Moduls in das Gehäuse hinein oder aus dem Gehäuse heraus.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das magnetisch-thermische Material austauschbar.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die magnetisch-thermische Vorrichtung weiterhin eine Mehrzahl an magnetisch-thermischen Modulen, in welchen die magnetisch-thermischen Module in dem Gehäuse in Serie, parallel oder als Kombination aus seriell und parallel mit demselben oder unterschiedlichem magnetisch-thermischen Material verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung besitzt das magnetisch-thermische Material eine magnetische Übergangstemperatur.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das variable magnetische Feld steuerbar.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das magnetische Element zumindest einen Permanentmagneten, einen Elektromagneten oder einen supraleitenden Magneten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird zwischen dem magnetischen Element und dem magnetisch-thermischen Modul eine relative Bewegung erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird die Bewegung durch An- und Ausschalten des Elektromagneten oder des superleitenden Magneten erreicht.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine magnetisch-thermische Vorrichtung bereitzustellen, so dass die Energieeffizienz eines Wärmetausches verbessert und einen komfortables Aufrüsten oder Austauschen bereit zu stellen. Die magnetisch-thermische Vorrichtung umfasst ein Gehäuse, zumindest ein magnetisches Element, Tragemittel und Hilfsmittel. Das magnetische Element wird dazu genutzt, ein variables Magnetfeld zu erzeugen. Das Tragemittel wird austauschbar in das Gehäuse eingesetzt und wird dazu benutzt, zumindest ein magnetisch-thermisches Material zu tragen, welches Wärme in Antwort auf das variable Magnetfeld abgibt oder aufstaut. Das Hilfsmittel wird dazu genutzt, eine Bewegung des Tragemittels in das Gehäuse hinein oder aus dem Gehäuse heraus zu unterstützen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das magnetische Element in dem Gehäuse angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das magnetisch-thermische Material austauschbar.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Hilfsmittel Gleitschienen, Nuten, Zapfen, Lokatoren oder die Kombination daraus.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Tragemittel eine Mehrzahl an Durchgangslöchern zum Durchlassen eines wärmetransferierenden Fluids für einen Kaltwärmetauscher und/oder einen Heißwärmetauscher.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die magnetisch-thermische Vorrichtung weiter eine Steuereinheit, welche an das magnetische Element gekoppelt ist, um das magnetische Element zu steuern.
Deshalb kann das austauschbare magnetisch-thermische Modul oder Material der vorliegenden Offenbarung in ein Wärmeaustauschsystem oder das magnetisch-thermische System übernommen werden, um ein komfortables Aufrüsten oder Austauschen bereit zu stellen, um die Energieeffizienz zu verbessern.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen ersichtlich, obgleich darin Variationen und Modifikationen betroffen sein können, ohne von dem Geist und dem Umfang der neuen Konzepte der Offenbarung abzuweichen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die begleitenden Zeichnungen zeigen eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der schriftlichen Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Wo immer möglich, werden dieselben Bezugszeichen in den Zeichnungen durchgehend verwendet, um auf dieselben oder gleichen Elemente einer Ausführungsform zu verweisen, und wobei:
1 schematisch ein Blockdiagramm eines magnetisch-thermischen Moduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2 schematisch ein Blockdiagramm eines magnetisch-thermischen Moduls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3 schematisch ein Blockdiagramm einer magnetisch-thermischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
4 schematisch ein Blockdiagramm einer magnetisch-thermischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
5 schematisch ein Blockdiagramm einer magnetisch-thermischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
6 schematisch ein Blockdiagramm einer magnetisch-thermischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Es wird nun im Detail auf die vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung verwiesen, wobei in den beiliegenden Zeichnungen Beispiele davon gezeigt sind. Wo immer möglich, werden dieselben Bezugszeichen in den Zeichnungen und der Beschreibung verwendet, um auf dieselben oder gleiche Teile zu verweisen.
Die hierin verwendete Terminologie hat den Zweck, nur bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und hat nicht die Absicht, limitierend für die Erfindung zu sein. Die hierin verwendeten Singularformen ein, eine, der, die und das, haben die Absicht, auch die Pluralformen mit einzuschließen, es sei denn, der Zusammenhang zeigt klar etwas anderes. Weiterhin wird verstanden, dass die Begriffe „umfassen” und/oder „umfassend” oder „einschließen” und/oder „einschließend” oder „besitzen” und/oder „besitzend”, wenn sie in der Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, Bereichen, ganzen Zahlen, Schritten, Funktionsweisen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Bereichen, ganzen Zahlen, Schritten, Funktionsweisen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon, ausschließen.
Es ist darauf hingewiesen, dass der hier und nachfolgend in der vorliegenden Offenbarung offenbarte oder verwendete Begriff „austauschbares” oder „austauschendes” Element allgemein bedeutet, dass ein Element durch ein anderes äquivalentes, ähnliches oder modifiziertes Element vollständig ausgetauscht oder aufgerüstet werden kann.
Es ist darauf hingewiesen, dass der hier und nachfolgend in der vorliegenden Offenbarung offenbarte oder verwendete Begriff „Relativbewegungs-Konditionen” oder „-Status” allgemein Konditionen oder Status meint, die zwischen zwei Elementen aufgetreten sind, und wobei zumindest eines der oben erwähnten zwei Elemente eine Bewegung und/oder eine variable Kondition oder einen variablen Status in der Perspektive des anderen besitzt.
Es ist darauf hingewiesen, dass der hier und nachfolgend in der vorliegenden Offenbarung offenbarte oder verwendete Begriff „variable(s)” und „steuerbare(s)” Magnetfeld oder Reichweite des magnetischen Flusses allgemein bedeutet, dass das Magnetfeld oder die Reichweite des magnetischen Flusses Konditionen oder Status zu zwei verschiedenen Zeitpunkten besitzt, wobei die Konditionen oder Status angeschaltet, abgeschaltet, in Quantität erhöht, in Quantität gesenkt werden können, und wobei ein Abstand zwischen den zwei verschiedenen Zeitpunkten in einem Bereich von sehr kurz bis sehr lang sein kann.
1 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines magnetisch-thermischen Moduls 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das magnetisch-thermische Modul 100, welches einem Magnetfeld unterworfen ist, umfasst zumindest ein magnetisch-thermisches Material 141 und einen Behälter 150. Das magnetisch-thermische Material 141 wird dazu verwendet, Kalorien oder Frigorien in Antwort auf ein variables und steuerbares Magnetfeld (nicht gezeigt in 1) oder einen Bereich eines magnetischen Flusses, welcher durch das magnetische Element (nicht gezeigt in 1) erzeugt wird, zu erzeugen. Der Behälter 150 wird dazu verwendet, das magnetisch-thermische Material 141 zu beinhalten. Das magnetisch-thermische Material 141 besitzt jegliche Form, welche passend ist, in dem Behälter 150 beinhaltet zu werden, und ist nicht beschränkend.
Wenn das magnetisch-thermische Material 141 dem Magnetfeld unterworfen ist, heizt das magnetisch-thermische Material 141 unter einer Magnetisierung oder einem magnetokalorischen Heizeffekt auf. Wenn das Magnetfeld verschwindet oder weitgehend abnimmt, kühlt das magnetisch-thermische Material 141 unter einer Entmagnetisierung oder einem magnetokalorischen Kühleffekt ab. Daher kann das magnetisch-thermische Material 141 in einem Kaltwärmetauscher und/oder einem Heißwärmetauscher angewendet werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann es ein Hilfsmittel (zum Beispiel Hilfsmittel 360 in 3) geben, um die Bewegung des Behälters 150 in eine magnetisch-thermische Vorrichtung (nicht gezeigt in 1) hinein oder aus einer magnetisch-thermischen Vorrichtung (nicht gezeigt in 1) heraus zu unterstützen. Das Hilfsmittel kann zwischen dem Behälter 150 und einer inneren Oberfläche der magnetisch thermischen Vorrichtung angeordnet sein, und das Hilfsmittel kann aus der Gruppe aus Gleitschienen, Nuten, Zapfen, Lokatoren oder einer Kombination daraus ausgewählt werden. Da das Hilfsmittel dazu bereitgestellt werden kann, die Bewegung des Behälters 150 relativ zu der magnetisch thermischen Vorrichtung zu unterstützen, ist der Behälter 150 austauschbar.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das magnetisch-thermische Material 141 in dem Behälter 150 austauschbar. Zum Beispiel kann das magnetisch-thermische Material 141 in dem Behälter 150 durch ein anderes Material, welches andere magnetokalorische Eigenschaften für eine spezifische Anwendung oder einen spezifischen Temperaturbereich aufweist, ausgetauscht werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung besitzt das magnetisch-thermische Material 141 eine magnetische Übergangstemperatur. Zum Beispiel besitzen verschiedene magnetisch-thermische Materialien unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen (oder so genante Curie-Temperaturen), bei welchen ein ferromagnetisches oder ein ferrimagnetisches Material unter Erwärmen paramagnetisch wird und der Effekt reversibel ist. Das magnetisch-thermische Material 141 verliert seinen Magnetismus, wenn es über die Curie-Temperatur erhitzt wird. Deshalb kann das magnetisch-thermische Material 141 flexibel gewählt werden, um die spezifischen Temperaturbereiche in verschiedenen Applikationen oder Umgebungen zu treffen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das magnetisch-thermische Material 141 zumindest eines der seltenen Erdmetalle, Legierungen und der Kombination daraus. Zum Beispiel kann das magnetisch-thermische Material 141 FeRh, Gd₅Si₂Ge₂, Gd₅(Si₁-_xGe_x)₄, RCo₂, La(Fe_13-xSi_x), MnAs₁-_xSb_x, MnFe(P, As), Co(S_1-xSe_x)₂, NiMnSn, MnCoGeB, R_1-xM_xMnO₃, (wobei R = Lanthanide, M = Ca, Sr und Ba), ... etc. sein.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das Magnetfeld variabel und steuerbar. Das Magnetfeld kann dazu gesteuert werden, die Temperatur des magnetisch-thermischen Materials 141 zu erhöhen oder zu senken, um die Temperatur des Wärmetauschers oder der äquivalenten Vorrichtungen, oder anderer Vorrichtungen, zu steuern.
2 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines magnetisch-thermischen Moduls 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das in 2 gezeigte magnetisch-thermische Modul 200 ähnelt dem in 1 gezeigten magnetisch-thermischen Modul 100. Das magnetisch-thermische Modul 200 umfasst vier magnetisch-thermische Materialien 241–244 und einen Behälter 250. Die magnetisch-thermischen Materialien 241–244 werden dazu verwendet, Kalorien oder Frigorien in Antwort auf ein variables und steuerbares Magnetfeld (nicht gezeigt in 2) oder einen Bereich magnetischen Flusses, welcher durch das magnetische Element (nicht gezeigt in 2) erzeugt wird, zu erzeugen. Der Behälter 250 wird dazu verwendet, die magnetisch-thermischen Materialien 241–244 zu beinhalten.
Die magnetisch-thermischen Materialien 241–244 besitzen ähnliche oder unterschiedliche magnetokalorische Eigenschaften. Deshalb können sie für den spezifischen Temperaturbereich in unterschiedlichen Applikationen oder Umgebungen verwendet werden. Die anderen Strukturen des magnetisch-thermischen Moduls und die Korrelationen zwischen 2 und 1 sind dieselben oder ähnlich und hierin ohne überflüssige Illustrationen.
Der Vorteil der vorliegenden Offenbarung liegt in der Leistung des Wärmetauschers oder der äquivalenten Vorrichtungen, welche durch Austauschen des magnetisch-thermischen Moduls und/oder des magnetisch-thermischen Materials mit einem anderen, welches eine unterschiedliche magnetokalorische Eigenschaft besitzt, einfach eingestellt werden kann.
Darüber hinaus kann der spezifische Temperaturbereich durch Hinzufügen derselben oder unterschiedlicher magnetisch-thermischen Materialien in dem Wärmetauscher oder den äquivalenten Vorrichtungen definiert werden.
3 zeigt schematisch Blockdiagramme einer magnetisch-thermischen Vorrichtung 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die magnetisch-thermische Vorrichtung 300 umfasst ein Gehäuse 310, zumindest ein magnetisches Element 320 und zumindest ein magnetisch-thermisches Modul, zum Beispiel ein erstes magnetisch-thermisches Modul 331 und ein zweites magnetisch-thermisches Modul 332, welche in 3 in dieser Ausführungsform gezeigt sind. Das magnetische Element 320 wird dazu verwendet, ein Magnetfeld (nicht gezeigt in 3) zu erzeugen und ist zum Beispiel in dem Gehäuse 310 angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass das magnetische Element 320 außerhalb des Gehäuses 310 angeordnet sein kann und dass die vorliegende Offenbarung diese Ausführungsform nicht einschränkt. Die magnetisch-thermischen Module 331 und 332 sind dazu vorgesehen, austauschbar in das Gehäuse 310 eingesetzt zu werden. Das erste magnetisch-thermische Modul 331 umfasst ein erstes magnetisch-thermisches Material 341 und einen Behälter 351, und das zweite magnetisch-thermische Modul 332 umfasst ein zweites magnetisch-thermisches Material 342 und einen Behälter 352. Die magnetisch-thermischen Materialien 341 und 342 werden dazu verwendet, Kalorien oder Frigorien in Antwort auf eine Relativbewegung innerhalb des Magnetfelds oder des Bereiches magnetischen Flusses, welcher durch das magnetische Element 320 erzeugt wird, zu erzeugen. Der Behälter 351 wird dazu verwendet, das erste magnetisch-thermische Material 341 zu beinhalten, und der Behälter 352 wird dazu verwendet, das zweite magnetisch-thermische Material 342 zu beinhalten.
Wenn die magnetisch-thermischen Materialien 341 und 342 dem Magnetfeld unterworfen sind, heizen die magnetisch-thermischen Materialien 341 und 342 unter einer Magnetisierung oder einem magnetokalorischen Heizeffekt auf. Wenn das Magnetfeld verschwindet oder weitgehend abnimmt, kühlen die magnetisch-thermischen Materialien 341 und 342 unter einer Endmagnetisierung oder einem magnetokalorischen Kühleffekt ab. Deshalb können die magnetisch-thermischen Materialien 341 und 342 in einem Kaltwärmetauscher und/oder einem Heißwärmetauscher in der magnetisch-thermischen Vorrichtung, oder äquivalenten Vorrichtungen, oder anderen Vorrichtungen, angewendet werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die magnetisch-thermische Vorrichtung 300 weiterhin Hilfsmittel 360 zur Unterstützung der Bewegung der Behälter 351 und 352 in das Gehäuse 310 hinein oder aus dem Gehäuse 310 heraus. Die Hilfsmittel 360 können zwischen den Behältern 351 und 352 und einer inneren Oberfläche des Gehäuses 310 angeordnet werden, und die Hilfsmittel 360 können Gleitschienen, Nuten, Zapfen, Lokatoren, oder eine Kombination daraus sein. Da die Hilfsmittel 360 zur Unterstützung der Bewegung der Behälter 351 und 352 relativ zu der magnetisch-thermischen Vorrichtung 300 bereitgestellt werden können, sind die magnetisch-thermischen Module 331 und 332 austauschbar.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das magnetisch-thermische Material 341 in dem Behälter 351 genauso wie das magnetisch-thermische Material 342 in dem Behälter 352 austauschbar. Zum Beispiel kann das magnetisch-thermische Material 341 in dem Behälter 351 durch ein anderes Material ausgetauscht werden, welches unterschiedliche magnetokalorische Eigenschaften für eine spezifische Applikation oder einen spezifischen Temperaturbereich besitzt. Gleichermaßen ist das magnetisch-thermische Material 342 in dem Behälter 352 austauschbar und hier ohne überflüssige Illustrationen.
Bitte beziehen sie sich zugleich auf 3 und 4. 4 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer magnetisch-thermischen Vorrichtung 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die in 4 gezeigte magnetisch-thermische Vorrichtung 400 ähnelt der in 3 gezeigten magnetisch-thermischen Vorrichtung 300 und ist hier ohne überflüssige Illustrationen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die magnetisch-thermischen Module 331 und 332 in dem Gehäuse 310 mit denselben oder unterschiedlichen magnetisch-thermischen Materialien in Serie verbunden, wie in 3 gezeigt und die magnetisch-thermischen Module 431 und 432 sind in dem Gehäuse 410 mit denselben oder unterschiedlichen magnetisch-thermischen Materialien, wie in 4 gezeigt, parallel verbunden. Wenn es in der magnetisch-thermischen Vorrichtung 400 mehr als zwei magnetisch-thermische Module gibt, können die magnetisch-thermischen Module sogar zur gleichen Zeit in Serie und/oder parallel verbunden sein.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung besitzt in 3 und 4 jedes magnetisch-thermische Material 341, 342, 441 und 442 eine magnetische Übergangstemperatur, wobei die magnetischen Übergangstemperaturen untereinander unterschiedlich sein können. Zum Beispiel besitzen verschiedene magnetisch-thermische Materialien unterschiedliche Übergangstemperaturen (oder so genannte Curie-Temperaturen), bei welchen ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material durch Aufheizen paramagnetisch wird und der Effekt reversibel ist. Das magnetisch-thermische Material verliert seinen Magnetismus, wenn es über die Curie-Temperatur erhitzt wird. Deshalb kann das magnetisch-thermische Material flexibel ausgewählt werden, um den spezifischen Temperaturbereichen in unterschiedlichen Applikationen oder Umgebungen zu entsprechen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfassen beide magnetischen Elemente 320 und 420 in 3 und 4 zumindest einen der Gruppe aus Permanentmagnet, Elektromagnet und supraleitender Magnet. In einer Ausführungsform ist das Magnetfeld variabel und steuerbar. Wenn zum Beispiel das magnetische Element 320 der Elektromagnet ist, kann das Steuern elektrischer Ströme, welche durch das magnetische Element 320 verlaufen, die Intensität des Magnetfelds einstellen, um den magnetokalorischen Effekt der magnetisch-thermischen Materialien 341 und 342 zu steuern. Es ist darauf hingewiesen, dass in einem Sonderfall mit dem zuvor genannten Elektromagnet und/oder dem supraleitenden Magnet genau hier sich das magnetische Element und die magnetisch-thermischen Module nicht bewegen, jedoch ein variables und steuerbares Magnetfeld innerhalb der magnetisch-thermischen Vorrichtung existent ist.
Daher liegt der Vorteil der vorliegenden Offenbarung in der Betriebstemperatur der magnetisch-thermischen Vorrichtung, oder der äquivalenten Vorrichtungen, oder anderen Vorrichtungen, welche durch Austauschen des magnetisch-thermischen Moduls und/oder dem magnetisch-thermischen Material durch ein anderes, welches unterschiedliche magnetokalorische Eigenschaft aufweist, einfach eingestellt werden können. Darüber hinaus kann der spezifische Temperaturbereich durch Anordnen der magnetisch-thermischen Module in Serie, parallel oder in serieller/paralleler Kombination in der magnetisch-thermischen Vorrichtung, oder den äquivalenten Vorrichtungen, oder anderen Vorrichtungen, wie zum Beispiel ein Wärmetauscher, eine magnetische Kühlvorrichtung, eine magnetische Wärmekraftmaschine, ein magnetisch-thermischer Generator, ... etc. definiert werden.
5 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer magnetisch-thermischen Vorrichtung 500 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die magnetisch-thermische Vorrichtung 500 umfasst ein Gehäuse 510, zumindest ein magnetisches Element 520, Tragemittel 550 und Hilfsmittel 560. Das magnetische Element 520 wird zur Erzeugung eines Magnetfelds (nicht gezeigt in 5) verwendet und ist zum Beispiel in dem Gehäuse 510 angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, dass das magnetische Element 520 außerhalb des Gehäuses 510 angeordnet sein kann und die vorliegende Offenbarung diese Ausführungsform nicht beschränkt. Das Tragemittel 550 ist austauschbar in das Gehäuse 510 eingesetzt und wird dazu verwendet, zumindest ein magnetisch-thermisches Material 541 zu tragen, welches Wärme in Antwort auf eine Relativbewegung innerhalb des Magnetfelds oder des Bereichs magnetischen Flusses, welcher durch das Magnetfeld erzeugt wird, aufzulösen oder aufzustauen. Das Hilfsmittel 560 wird dazu verwendet, die Bewegung des Tragemittels 550 in das Gehäuse 510 hinein oder aus dem Gehäuse 510 heraus zu unterstützen, und das Hilfsmittel 560 kann aus der Gruppe aus Gleitlagern, Nuten, Zapfen, Lokatoren, oder einer Kombination daraus, ausgewählt werden. Da das Hilfsmittel 560 dazu bereitgestellt werden kann, die Bewegung des Tragemittels 550 relativ zu der magnetisch-thermischen Vorrichtung 500 zu unterstützen, ist das Tragemittel 550 austauschbar. In einer Ausführungsform ist das magnetisch-thermische Material 541 in dem Tragemittel 550 austauschbar.
Zum Beispiel kann das Tragemittel 550 ein Behälter, eine Entnahmebox oder eine Kombination daraus sein. Das magnetisch-thermische Material 541 kann durch Ersetzen des Tragemittels 550 mit einem anderen, welches ein unterschiedliches magnetisch-thermisches Material für eine andere Applikation oder einen anderen spezifischen Temperaturbereich besitzt, ausgetauscht werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Tragemittel 550 eine Mehrzahl an Durchgangslöchern (zum Beispiel ein erstes Durchgangsloch 581 und ein zweites Durchgangsloch 582) zum Durchlassen eines Wärmetransferierenden Fluids für einen Kaltwärmetauscher und/oder einen Heißwärmetauscher (nicht gezeigt in 5). Zum Beispiel überträgt das erste Durchgangsloch 581, welches an einem Ausgang des Tragemittels 550 angeordnet ist, das Wärmetransferierende Fluid an eine externe Vorrichtung (nicht gezeigt in 5), um Wärme abzubauen, zu zirkulieren, auszutauschen, oder aufzustauen, und das Wärmetransferierende Fluid wird dazu verwendet, die Wärmeaustauschfunktion mit der äußeren Umgebung auszuführen. Dann wird das wärmetransferierende Fluid an das zweite Durchgangsloch 582, welches an einem Einlass des Tragemittels 550 angeordnet ist, zurückgeschickt. Danach wird eine Mehrzahl an Wärmetauschzyklen ausgeführt, um die Temperatur der Vorrichtung und/oder der äußeren Umgebung einzustellen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die magnetisch-thermische Vorrichtung 500 weiterhin eine Steuereinheit 570, welche an das magnetische Element 520 gekoppelt ist, um das magnetische Element 520 dazu zu steuern, Bedingungen, wie zum Beispiel eine Intensität des Magnetfelds, einzustellen. Die Steuereinheit 570 besitzt darüber hinaus einen Temperatursensor (nicht gezeigt in 5) zum Detektieren der Temperatur des Wärmetransferierenden Fluids und/oder zum Detektieren einer Umgebungstemperatur. Wenn die Umgebungstemperatur höher ist als eine vorbestimmte Temperatur, steuert die Steuereinheit 570 das magnetische Element 520, um die Intensität des Magnetfelds zu reduzieren, um die Umgebungstemperatur abzukühlen. Wenn die Umgebungstemperatur dagegen niedriger ist als die vorbestimmte Temperatur, steuert die Steuereinheit 570 das magnetische Element 520, um die Intensität des Magnetfelds zu erhöhen, um die Umgebungstemperatur aufzuheizen. Folglich kann der spezifische Temperaturbereich mit vorhergehenden Operationen der Steuereinheit 570 gesteuert werden.
6 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer magnetisch-thermischen Vorrichtung 600 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die in 6 gezeigte magnetisch-thermische Vorrichtung 600 ähnelt der in 5 gezeigten magnetisch-thermischen Vorrichtung 500.
6 und 5 vergleichend wird das Tragemittel 660, wie in 6 gezeigt, zum Tragen eines ersten magnetisch-thermischen Materials 641 und eines zweiten magnetisch-thermischen Materials 642 verwendet, welche dieselben oder unterschiedliche magnetokalorische Eigenschaften aufweisen, und das erste magnetisch-thermische Material 641 kann mit dem zweiten magnetisch-thermischen Material 642 seriell oder parallel für die spezifischen Applikationen oder die spezifischen Temperaturbereiche verbunden werden. Die anderen Strukturen und Korrelationen zwischen 5 und 6 sind dieselben oder ähnlich und hier ohne überflüssige Illustrationen.
Zusammenfassend stellt die vorliegende Offenbarung ein simples, austauschbares magnetisch-thermisches Modul bereit, durch das Auswählen eines vernünftigen magnetisch-thermischen Materials zum Ausführen der Wärmetauschfunktionen in unterschiedlichen Applikationen oder Umgebungen in vielen Regionen und Territorien, wie zum Beispiel Kaltregionen oder tropische Regionen, um die beste Energieeffizienz, wie zum Beispiel die Übergangseffizienz der Energie oder des Wärmetauschs zu erreichen. Nebenbei kann ein schnelles Systemaufrüsten oder ein einfacher Austausch von Elementen, wenn Elemente beschädigt sind, auch einfach durch Austauschen des magnetisch-thermischen Moduls und/oder des magnetisch-thermischen Materials erreicht werden.
Für den Fachmann wird es offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen der Struktur der vorliegenden Erfindung gemacht werden können, ohne von dem Umfang oder dem Erfindungsgedanken abzuweichen. In Anbetracht des Vorhergehenden ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Modifikationen und Variationen, welche von dieser Erfindung geschaffen worden sind, unter den Schutzbereich der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

Magnetisch-thermisches Modul, welches einem Magnetfeld unterworfen ist, umfassend: zumindest ein magnetisch-thermisches Material, welches eine magnetische Übergangstemperatur aufweist und Kalorien oder Frigorien in Antwort auf ein variables und steuerbares Magnetfeld erzeugt; und einen Behälter zum Beinhalten des magnetisch-thermischen Materials, wobei das magnetisch-thermische Material in dem Behälter austauschbar ist.
Magnetisch-thermisches Modul gemäß Anspruch 1, wobei das magnetisch-thermische Material in einem Kaltwärmetauscher und/oder einem Heißwärmetauscher anwendbar ist.
Magnetisch-thermische Vorrichtung, umfassend: ein Gehäuse; zumindest ein magnetisches Element zum Erzeugen eines variablen Magnetfelds; und zumindest ein magnetisch-thermisches Modul, welches austauschbar in das Gehäuse eingesetzt ist, wobei das magnetisch-thermische Modul umfasst: zumindest ein magnetisch-thermisches Material, welches eine magnetische Übergangstemperatur aufweist und Kalorien oder Frigorien in Antwort auf ein variables Magnetfeld erzeugt; und einen Behälter zum Beinhalten des magnetisch-thermischen Materials, wobei das magnetisch-thermische Material in dem Behälter austauschbar ist.
Magnetisch-thermische Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei das magnetische Element in dem Gehäuse angeordnet ist.
Magnetisch-thermische Vorrichtung gemäß Anspruch 3, weiter umfassend: Hilfsmittel zum Unterstützen der Bewegung des magnetisch-thermischen Moduls in das Gehäuse hinein oder aus dem Gehäuse heraus.
Magnetisch-thermische Vorrichtung gemäß Anspruch 3, weiter umfassend: eine Mehrzahl an magnetisch-thermischen Modulen, wobei die magnetisch-thermischen Module in Serie, parallel oder als Kombination aus seriell und parallel in dem Gehäuse mit demselben oder unterschiedlichen magnetisch-thermischen Material verbunden sind.
Magnetisch-thermische Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei das variable Magnetfeld steuerbar ist.
Magnetisch-thermische Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei das magnetische Element zumindest einen Permanentmagneten, Elektromagneten oder supraleitenden Magneten umfasst.
Magnetisch-thermische Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei zwischen dem magnetischen Element und dem magnetisch-thermischen Modul eine Relativbewegung erreicht wird.
Magnetisch-thermische Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Relativbewegung durch An- und Ausschalten des Elektromagneten oder des supraleitenden Magneten erreicht wird.