DE102012110415A1 - Magnetkühlvorrichtung und Magnetokalorisches Modul hierfür - Google Patents

Magnetkühlvorrichtung und Magnetokalorisches Modul hierfür Download PDF

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Abstract

Es wird eine Magnetkühlvorrichtung geschaffen, die ein magnetokalorisches Modul und eine Magneteinheit enthält. Das magnetokalorische Modul enthält ein Bett, ein erstes magnetokalorisches Material, ein zweites magnetokalorisches Material und einen Wärmeisolator. Das erste magnetokalorische Material ist in dem Bett angeordnet. Das zweite magnetokalorische Material ist in dem Bett angeordnet, wobei die Curie-Temperatur des zweiten magnetokalorischen Materials größer als die Curie-Temperatur des ersten magnetokalorischen Materials ist. Der Wärmeisolator ist zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material angeordnet, um die Wärmeleitung zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material zu isolieren. Die Magneteinheit ist an das magnetokalorische Modul gekoppelt, wobei die Magneteinheit wechselweise verschiedene Magnetfelder an das erste und das zweite magnetokalorische Material anlegt, wobei ein Wärmeübertragungsfluid durch das erste und das zweite magnetokalorische Material strömt, um die Wärme von einem Tieftemperaturende zu einem Hochtemperaturende des magnetokalorischen Moduls zu übertragen.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der taiwanesischen Patentanmeldung Nr. 100139499 , eingereicht am 31. Oktober 2011, deren Gesamtheit durch Literaturhinweis hier eingefügt ist.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetkühlvorrichtung und bezieht sich insbesondere auf eine Magnetkühlvorrichtung und ein magnetokalorisches Modul mit verschiedenen magnetokalorischen Materialien.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Magnetkühlvorrichtungen benötigen keine Kältemittel und keine Kondensierer, wobei sie eine einfache Struktur besitzen und weniger Geräusch produzieren. Außerdem verbrauchen die Magnetkühlvorrichtungen weniger Energie, wobei ihre Wartungskosten niedrig sind, was wichtige Forschungsbereiche in der Kältetechnik sind.
  • Im International Journal of Refrigeration, Band 27, Seiten 1327–1331, ist eine aktive magnetische Regeneration (AMR) offenbart, die vier verschiedene magnetokalorische Materialien (Gd0,92Y0,08, Gd0,84Dy0,16, Gd0,87Dy0,13, Gd0,89Dy0,11) aufweist, die in Reihe von einem Tieftemperaturende C zu einem Hochtemperaturende H angeordnet sind, wobei jedes magnetokalorische Material eine andere Curie-Temperatur aufweist, siehe 1. Mit den in Reihe angeordneten magnetokalorischen Materialien wird ein Arbeitstemperaturbereich der Magnetkühlvorrichtung vergrößert und wird die Kühltemperatur der Magnetkühlvorrichtung verringert.
  • Die Curie-Temperatur eines magnetokalorischen Materials ist jedoch die beste Arbeitstemperatur des magnetokalorischen Materials. Wenn die verschiedenen magnetokalorischen Materialien in Reihe angeordnet sind, wird die Wärme entlang einer Reihenrichtung zwischen den magnetokalorischen Materialien (entlang der Mittelachse A in 1) geleitet, so dass deshalb ein Temperaturgradient fällt und der Wirkungsgrad der Magnetkühlvorrichtung verringert ist.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Ausführungsform der Erfindung schafft eine Magnetkühlvorrichtung. Die Magnetkühlvorrichtung enthält ein magnetokalorisches Modul und eine Magneteinheit. Das magnetokalorische Modul enthält ein Bett, ein erstes magnetokalorisches Material, ein zweites magnetokalorisches Material und einen Wärmeisolator. Das erste magnetokalorische Material ist in dem Bett angeordnet. Das zweite magnetokalorische Material ist in dem Bett angeordnet, wobei die Curie-Temperatur des zweiten magnetokalorischen Materials größer als die Curie-Temperatur des ersten magnetokalorischen Materials ist. Der Wärmeisolator ist zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material angeordnet, um die Wärmeleitung zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material zu isolieren. Die Magneteinheit ist an das magnetokalorische Modul gekoppelt, wobei die Magneteinheit wechselweise verschiedene Magnetfelder an das erste und das zweite magnetokalorische Material anlegt, wobei ein Wärmeübertragungsfluid durch das erste und das zweite magnetokalorische Material strömt, um die Wärme von einem Tieftemperaturende zu einem Hochtemperaturende des magnetokalorischen Moduls zu übertragen.
  • In einer Ausführungsform weist der Wärmeisolator eine Kammer auf, wobei die Kammer ein Vakuum enthält oder mit Gas gefüllt ist.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Wärmeisolator ein Aerogel.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Wärmeisolator POM.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Wärmeisolator Teflon.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Wärmeisolator Asbest.
  • In einer Ausführungsform umfasst wenigstens eines der ersten und zweiten magnetokalorischen Materialien Gadolinium oder eine Gadoliniumlegierung.
  • In einer Ausführungsform umfasst wenigstens eines der ersten und zweiten magnetokalorischen Materialien eine Yttriumlegierung oder eine Dysprosiumlegierung.
  • In einer Ausführungsform umfasst wenigstens eines der ersten und zweiten magnetokalorischen Materialien eine Manganlegierung oder eine Lanthanlegierung.
  • In einer Ausführungsform wird die Magneteinheit bezüglich des magnetokalorischen Moduls bewegt.
  • In einer Ausführungsform sind das erste und das zweite magnetokalorische Material entlang einer Mittelachse des magnetokalorischen Moduls in Reihe angeordnet und geht das Wärmeübertragungsfluid entlang der Mittelachse durch das erste und das zweite magnetokalorische Material hindurch.
  • Die Ausführungsform der Erfindung schafft ferner ein magnetokalorisches Modul, das in einer Magnetkühlvorrichtung angeordnet ist, wobei eine Magneteinheit der Magnetkühlvorrichtung wechselweise verschiedene Magnetfelder an das magnetokalorische Modul anlegt. Das magnetokalorische Modul umfasst ein Bett, ein erstes magnetokalorisches Material, ein zweites magnetokalorisches Material und einen Wärmeisolator. Das erste magnetokalorische Material ist in dem Bett angeordnet. Das zweite magnetokalorische Material ist in dem Bett angeordnet, wobei die Curie-Temperatur des zweiten magnetokalorischen Materials größer als die Curie-Temperatur des ersten magnetokalorischen Materials ist. Der Wärmeisolator ist zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material angeordnet, um die Wärmeleitung zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material zu isolieren, wobei ein Wärmeübertragungsfluid durch das erste und das zweite magnetokalorische Material strömt, um die Wärme von einem Tieftemperaturende zu einem Hochtemperaturende des magnetokalorischen Moduls zu übertragen.
  • Eine ausführliche Beschreibung ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen in den folgenden Ausführungsformen gegeben.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung kann durch das Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele vollständiger verstanden werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei:
  • 1 ein herkömmliches magnetokalorisches Modul zeigt;
  • 2 eine Magnetkühlvorrichtung einer Ausführungsform der Erfindung und deren magnetokalorisches Modul zeigt; und
  • 3 ein magnetokalorisches Modul einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die folgende Beschreibung beschreibt die als am besten betrachtete Art zum Ausführen der Erfindung. Diese Beschreibung ist für den Zweck des Veranschaulichens der allgemeinen Prinzipien der Erfindung gegeben und sollte nicht in einem einschränkenden Sinn genommen werden. Der Umfang der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche am besten bestimmt.
  • 2 zeigt eine Magnetkühlvorrichtung 100 einer Ausführungsform der Erfindung. Die Magnetkühlvorrichtung 100 umfasst ein magnetokalorisches Modul 10 und eine Magneteinheit 20 (z. B. einen Magneten oder einen Elektromagneten). Die Magneteinheit 20 ist um das magnetokalorische Modul 10 angeordnet und legt wechselweise verschiedene Magnetfelder an das magnetokalorische Modul 10 an. Wie in 2 gezeigt ist, weist das magnetokalorische Modul 10 ein Bett 11, ein erstes magnetokalorisches Material M1, ein zweites magnetokalorisches Material M2 und einen Wärmeisolator 12 auf. Das erste magnetokalorische Material M1 und das zweite magnetokalorische Material M2 sind in dem Bett 11 angeordnet. Der Wärmeisolator 12 ist zwischen dem ersten magnetokalorischen Material M1 und dem zweiten magnetokalorischen Material M2 angeordnet. In dieser Ausführungsform kann eine Lücke zwischen dem ersten magnetokalorischen Material M1 und dem zweiten magnetokalorischen Material M2 mit dem Wärmeisolator 12 gefüllt sein. In einem modifizierten Beispiel können außerdem Durchgangslöcher oder poröse Strukturen innerhalb des Wärmeisolators 12 ausgebildet sein, um zu erlauben, dass ein Wärmeübertragungsfluid hindurchströmt. Der Wärmeisolator 12 kann z. B. aus Asbest, Teflon, Polyoxymethylen (POM) oder Aerogel hergestellt sein, um zu verhindern, dass Wärme zwischen dem ersten magnetokalorischen Material M1 und dem zweiten magnetokalorischen Material M2 geleitet wird.
  • Wenn die Magnetkühlvorrichtung 100 arbeitet, wird die Magneteinheit 20 bezüglich des magnetokalorischen Moduls 10 wechselweise gedreht oder bewegt, um verschiedene Magnetfelder an das erste magnetokalorische Material M1 und das zweite magnetokalorische Material M2 anzulegen und um die Temperatur des ersten magnetokalorischen Materials M1 und des zweiten magnetokalorischen Materials M2 mit einer besonderen Frequenz zu ändern. In der Ausführungsform der Erfindung ist die Curie-Temperatur des zweiten magnetokalorischen Materials M2 größer als die Curie-Temperatur des ersten magnetokalorischen Materials M1. Indem das erste magnetokalorische Material M1 und das zweite magnetokalorische Material M2 in einer Reihe angeordnet werden, wird ein Arbeitstemperaturbereich der Magnetkühlvorrichtung vergrößert und eine Kühltemperatur der Magnetkühlvorrichtung verringert. Wie in 2 gezeigt ist, tritt das Wärmeübertragungsfluid durch ein Tieftemperaturende 101 (die linke Seite des magnetokalorischen Moduls 10) in das magnetokalorische Modul 10 ein, wobei es sich entlang der Mittelachse A durch das erste magnetokalorische Material M1 und das zweite magnetokalorische Material M2 bewegt und das magnetokalorische Modul 10 durch ein Hochtemperaturende 102 (die rechte Seite des magnetokalorischen Moduls 10) verlässt. Die Wärme wird durch das Wärmeübertragungsfluid von dem Tieftemperaturende 101 zu dem Hochtemperaturende 102 bewegt, um eine Kühlfunktion zu schaffen.
  • In der Ausführungsform der Erfindung wird durch den Wärmeisolator 12, der zwischen dem ersten magnetokalorischen Material M1 und dem zweiten magnetokalorischen Material M2 angeordnet ist, verhindert, dass Wärme entlang der Mittelachse A zwischen dem ersten magnetokalorischen Material M1 und dem zweiten magnetokalorischen Material M2 geleitet wird, so dass verhindert wird, dass der Temperaturgradient fällt, und der Wirkungsgrad der Magnetkühlvorrichtung verbessert ist.
  • 3 zeigt ein magnetokalorisches Modul 10 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Wie in 3 gezeigt ist, weist das magnetokalorische Modul 10 ein Bett 11, ein erstes magnetokalorisches Material M1, ein zweites magnetokalorisches Material M2 und einen Wärmeisolator 13 auf. Der Wärmeisolator 13 ist eine hohle Struktur und ist zwischen dem ersten magnetokalorischen Material M1 und dem zweiten magnetokalorischen Material M2 angeordnet. Der Wärmeisolator 13 kann z. B. aus Asbest, Teflon, POM, Aerogel oder anderen wärmeisolierenden Materialien hergestellt sein. Außerdem kann der Wärmeisolator 13 vermaschte oder poröse Strukturen enthalten, um zu erlauben, dass das Wärmeübertragungsfluid hindurchströmt. Eine Kammer 130 ist innerhalb des Wärmeisolators 13 ausgebildet, um zu verhindern, dass Wärme zwischen dem ersten magnetokalorischen Material M1 und dem zweiten magnetokalorischen Material M2 geleitet wird.
  • Die Kammer 130 innerhalb des Wärmeisolators 13 kann abgedichtet sein, wobei sie ein Vakuum enthält oder mit Gas (z. B. Luft) gefüllt ist, um zu verhindern, dass Wärme zwischen dem ersten magnetokalorischen Material M1 und dem zweiten magnetokalorischen Material M2 geleitet wird, und um zu verhindern, dass ein Temperaturgradient fällt. Der Wirkungsgrad der Magnetkühlvorrichtung ist deshalb verbessert. Das erste magnetokalorische Material M1 und das zweite magnetokalorische Material M2 können aus Gadolinium, einer Gadoliniumlegierung, einer Yttriumlegierung, einer Dysprosiumlegierung, einer Manganlegierung, einer Lanthanlegierung oder anderen magnetokalorischen Materialien hergestellt sein.
  • Die Erfindung schafft eine Magnetkühlvorrichtung und deren magnetokalorisches Modul, wobei mehrere verschiedene magnetokalorische Materialien in dem magnetokalorischen Modul angeordnet sind und ein Wärmeisolator zwischen den magnetokalorischen Materialien angeordnet ist, um die Wärmeleitung dazwischen zu verhindern. Der Wärmeisolator vergrößert die Abmessung des magnetokalorischen Moduls geringfügig, wobei er aber ausreichend verhindert, dass ein Temperaturgradient fällt. Das magnetokalorische Modul der Erfindung kann in verschiedenen Magnetkühlvorrichtungen umfassend verwendet werden.
  • Die Verwendung der Ordinalbegriffe ”erster”, ”zweiter”, ”dritter” usw. in den Ansprüchen, um ein Anspruchselement zu modifizieren, bedeutet nicht von selbst irgendeine Priorität, irgendeinen Vorrang oder irgendeine Reihenfolge eines Anspruchselements gegenüber einem weiteren oder die zeitliche Reihenfolge, in der die Handlungen eines Verfahrens ausgeführt werden, wobei sie lediglich als Etiketten verwendet werden, um ein Anspruchselement, das einen bestimmten Namen aufweist, von einem weiteren Element, das den gleichen Namen (außer der Verwendung des Ordinalbegriffs) aufweist, zu unterscheiden, um die Anspruchselemente zu unterscheiden.
  • Während die Erfindung beispielhaft und hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt ist. Es ist im Gegenteil vorgesehen, verschiedene Modifikationen und ähnliche Anordnungen (wie sie für die Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein würden) abzudecken. Deshalb sollte dem Umfang der beigefügten Ansprüche die breiteste Interpretation gewährt werden, um alle derartige Modifikationen und ähnliche Anordnungen einzuschließen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • TW 100139499 [0001]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • International Journal of Refrigeration, Band 27, Seiten 1327–1331 [0004]

Claims (12)

  1. Magnetkühlvorrichtung, die umfasst: ein magnetokalorisches Modul, das umfasst: ein Bett; ein erstes magnetokalorisches Material, das in dem Bett angeordnet ist; ein zweites magnetokalorisches Material, das in dem Bett angeordnet ist, wobei die Curie-Temperatur des zweiten magnetokalorischen Materials größer als die Curie-Temperatur des ersten magnetokalorischen Materials ist; und einen Wärmeisolator, der zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material angeordnet ist, um die Wärmeleitung zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material zu isolieren; und eine Magneteinheit, die an das magnetokalorische Modul gekoppelt ist, wobei die Magneteinheit wechselweise verschiedene Magnetfelder an das erste und das zweite magnetokalorische Material anlegt, wobei ein Wärmeübertragungsfluid durch das erste und das zweite magnetokalorische Material strömt, um die Wärme von einem Tieftemperaturende zu einem Hochtemperaturende des magnetokalorischen Moduls zu übertragen.
  2. Magnetkühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wärmeisolator eine Kammer aufweist, wobei die Kammer ein Vakuum enthält oder mit Gas gefüllt ist.
  3. Magnetkühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmeisolator eine der folgenden Komponenten umfasst: Aerogel, POM, Teflon, Asbest.
  4. Magnetkühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eines der ersten und zweiten magnetokalorischen Materialien Gadolinium oder eine Gadoliniumlegierung umfasst oder wenigstens eines der ersten und zweiten magnetokalorischen Materialien eine Yttriumlegierung oder eine Dysprosiumlegierung umfasst oder wenigstens eines der ersten und zweiten magnetokalorischen Materialien eine Manganlegierung oder eine Lanthanlegierung umfasst.
  5. Magnetkühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magneteinheit bezüglich des magnetokalorischen Moduls bewegt wird.
  6. Magnetkühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite magnetokalorische Material entlang einer Mittelachse des magnetokalorischen Moduls in Reihe angeordnet sind und das Wärmeübertragungsfluid entlang der Mittelachse durch das erste und das zweite magnetokalorische Material hindurchgeht.
  7. Magnetokalorisches Modul, das in einer Magnetkühlvorrichtung angeordnet ist, wobei eine Magneteinheit der Magnetkühlvorrichtung wechselweise verschiedene Magnetfelder an das magnetokalorische Modul anlegt, wobei das magnetokalorische Modul umfasst: ein Bett; ein erstes magnetokalorisches Material, das in dem Bett angeordnet ist; ein zweites magnetokalorisches Material, das in dem Bett angeordnet ist, wobei die Curie-Temperatur des zweiten magnetokalorischen Materials größer als die Curie-Temperatur des ersten magnetokalorischen Materials ist; und einen Wärmeisolator, der zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material angeordnet ist, um die Wärmeleitung zwischen dem ersten und dem zweiten magnetokalorischen Material zu isolieren, wobei ein Wärmeübertragungsfluid durch das erste und das zweite magnetokalorische Material strömt, um die Wärme von einem Tieftemperaturende zu einem Hochtemperaturende des magnetokalorischen Moduls zu übertragen.
  8. Magnetokalorisches Modul nach Anspruch 7, wobei der Wärmeisolator eine Kammer aufweist, wobei die Kammer ein Vakuum enthält oder mit Gas gefüllt ist.
  9. Magnetokalorisches Modul nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Wärmeisolator eine der folgenden Komponenten umfasst: Aerogel, POM, Teflon, Asbest.
  10. Magnetokalorisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7–9, wobei wenigstens eines der ersten und zweiten magnetokalorischen Materialien Gadolinium oder eine Gadoliniumlegierung umfasst oder wenigstens eines der ersten und zweiten magnetokalorischen Materialien eine Yttriumlegierung oder eine Dysprosiumlegierung umfasst oder wenigstens eines der ersten und zweiten magnetokalorischen Materialien eine Manganlegierung oder eine Lanthanlegierung umfasst.
  11. Magnetokalorisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7–10, wobei die Magneteinheit bezüglich des magnetokalorischen Moduls beweglich ist.
  12. Magnetokalorisches Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7–11, wobei das erste und das zweite magnetokalorische Material entlang einer Mittelachse des magnetokalorischen Moduls in Reihe angeordnet sind und das Wärmeübertragungsfluid entlang der Mittelachse durch das erste und das zweite magnetokalorische Material hindurchgeht.
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