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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindungen beziehen sich auf eine thermomagnetische Austauschvorrichtung und insbesondere auf eine thermomagnetische Austauschvorrichtung, die ein Wärmetauschelement und eine Magneteinheit, die ein Magnetfeld für das Wärmetauschelement erzeugt, enthält.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Die Magnetkühlung wird als eine im hohen Grade effiziente und umweltfreundliche Kühltechnik betrachtet. Die Magnetkühltechniken wenden einen magnetokalorischen Effekt magnetokalorischer Materialien (MCM) an, um Kühlzyklen zu verwirklichen oder zu verwenden.
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In 1 enthält eine herkömmliche thermomagnetische Austauschvorrichtung 1 ein Wärmetauschelement 10 und eine Magneteinheit 20. Das Wärmetauschelement 10 enthält einen Kanal 11 und mehrere Kanäle 12, wobei sich der Kanal 11 zwischen den Kanälen 12 befindet. In dieser Ausführungsform strömt ein wärmeübertragendes Fluid durch die Kanäle 11 und 12, wobei die Querschnittsflächen der Kanäle 11 und 12 die Gleichen sind und der Abstand zwischen den zwei benachbarten Kanälen 11 und 12 der Gleiche ist. Die Magneteinheit 20 kann ein Magnetfeld für das Wärmetauschelement 10 erzeugen. Weil das Magnetfeld ungleichmäßig ist, kann das Magnetfeld im Kanal 11 das im Kanal 12 übersteigen, wobei der Wärmetauschwirkungsgrad zwischen dem Wärmetauschelement 10 und dem wärmeübertragenden Fluid in dem Kanal 11 größer als der zwischen dem Wärmetauschelement 10 und dem wärmeübertragenden Fluid in den Kanal 12 ist. Folglich ist der Wirkungsgrad der thermomagnetischen Austauschvorrichtung 1 verringert.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Um die Probleme des Standes der Technik zu lösen, ist es die Aufgabe der Erfindung, eine thermomagnetische Austauschvorrichtung zu schaffen, die ein Wärmetauschelement und eine Magneteinheit enthält. Das Wärmetauschelement weist wenigstens einen Kanal auf. Die Magneteinheit erzeugt ein Magnetfeld für das Wärmetauschelement. Die Temperaturgradienten an verschiedenen Punkten des Wärmetauschelements sind im Wesentlichen die Gleichen, wenn ein wärmeübertragendes Fluid durch den Kanal strömt.
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Für die obige Aufgabe enthält eine thermomagnetische Austauschvorrichtung ein Wärmetauschelement und eine Magneteinheit. Das Wärmetauschelement weist wenigstens einen Kanal auf, um ein wärmeübertragendes Fluid zu befördern, wobei es zwei Enden aufweist. Die Magneteinheit ist um das Wärmetauschelement angeordnet und stellt dem Wärmetauschelement ein Magnetfeld bereit. Die Größe des Magnetfeldes ist ungleichmäßig. Die Querschnittsfläche des Kanals entspricht dem Magnetfeld, so dass die Temperaturgradienten an verschiedenen Punkten jedes Endes des Wärmetauschelements im Wesentlichen die Gleichen sind, wenn das wärmeübertragende Fluid durch den Kanal strömt.
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Für die obige Aufgabe enthält eine thermomagnetische Austauschvorrichtung ein Wärmetauschelement und eine Magneteinheit. Das Wärmetauschelement weist einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal auf, um ein wärmeübertragendes Fluid zu befördern. Der erste Kanal weist eine erste Querschnittsfläche und der zweite Kanal weist eine zweite Querschnittsfläche auf, wobei die erste Querschnittsfläche größer als die zweite Querschnittsfläche ist. Die Magneteinheit ist um das Wärmetauschelement angeordnet und stellt dem Wärmetauschelement ein Magnetfeld bereit. Die Größe des an den ersten Kanal angelegten Magnetfeldes ist größer als die Größe des an den zweiten Kanal angelegten Magnetfeldes.
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Für die obige Aufgabe enthält eine thermomagnetische Austauschvorrichtung ein Wärmetauschelement und eine Magneteinheit. Das Wärmetauschelement weist mehrere erste Kanäle und wenigstens einen zweiten Kanal auf, um ein wärmeübertragendes Fluid zu befördern. Der Abstand zwischen den zwei benachbarten ersten Kanälen ist größer als der Abstand zwischen dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal, die zwei benachbarte Kanäle sind. Die Magneteinheit ist um das Wärmetauschelement angeordnet und stellt dem Wärmetauschelement ein Magnetfeld bereit. Die Größe des an jeden der ersten Kanäle angelegten Magnetfeldes ist größer als die Größe des an den zweiten Kanal angelegten Magnetfeldes.
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Schließlich sind die Temperaturgradienten an verschiedenen Punkten des Wärmetauschelements im Wesentlichen die Gleichen, wenn das wärmeübertragende Fluid durch den Kanal strömt, wobei der Austauschwirkungsgrad der thermomagnetischen Austauschvorrichtung vergrößert ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung kann durch das Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele vollständiger verstanden werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei:
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1 eine schematische Ansicht einer herkömmlichen thermomagnetischen Austauschvorrichtung ist;
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2 eine schematische Ansicht einer thermomagnetischen Austauschvorrichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
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3 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschelements der ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
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4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' nach 3 ist;
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5 eine schematische Ansicht einer thermomagnetischen Austauschvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist; und
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6 eine schematische Explosionsansicht einer thermomagnetischen Austauschvorrichtung einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In den 2 bis 4 ist 2 eine schematische Ansicht einer thermomagnetischen Austauschvorrichtung 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschelements 30 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' nach 3. Die thermomagnetische Austauschvorrichtung 2 enthält ein Wärmetauschelement 30 und zwei Magneteinheiten 40. Das Wärmetauschelement 30 weist eine Röhrenstruktur auf.
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Das Wärmetauschelement 30 ist aus einem Material hergestellt, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus wenigstens einem magnetokalorischen Material besteht. Das magnetokalorische Material kann z. B. eine Mn-Fe-P-As-Legierung, eine Mn-Fe-P-Si-Legierung, eine Mn-Fe-P-Ge-Legierung, eine Mn-As-Sb-Legierung, eine Mn-Fe-Co-Ge-Legierung, eine Mn-Ge-Sb-Legierung, eine Mn-Ge-Si-Legierung, eine La-Fe-Co-Si-Legierung, eine La-Fe-Si-H-Legierung, eine La-Na-Mn-O-Legierung, eine La-K-Mn-O-Legierung, eine La-Ca-Sr-Mn-O-Legierung, eine La-Ca-Pb-Mn-O-Legierung, eine La-Ca-Ba-Mn-O-Legierung, eine Gd-Legierung, Gd-Si-Ge, eine Gd-Yb-Legierung, eine Gd-Si-Sb-Legierung, eine Gd-Dy-Al-Co-Legierung oder eine Ni-Mn-Ga-Legierung sein und ist nicht darauf eingeschränkt.
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Das Wärmetauschelement 30 enthält einen ersten Kanal 31 und zwei zweite Kanäle 32. Die Anzahl der ersten Kanäle 31 oder die Anzahl der zweiten Kanäle 32 ist nicht eingeschränkt. In der Ausführungsform befindet sich der erste Kanal 31 zwischen den zweiten Kanälen 32. Der erste Kanal 31 und die zweiten Kanäle 32 sind entlang einer ersten Ausdehnungsrichtung D1 angeordnet. Die erste Ausdehnungsrichtung D1 ist zu einem Querschnitt S1 des Wärmetauschelements 30 parallel. Das Wärmetauschelement 30, der erste Kanal 31 und die zweiten Kanäle 32 verlaufen entlang einer Längsrichtung D3. Der erste Kanal 31 und die zweiten Kanäle 32 sind vorgesehen, um ein wärmeübertragendes Fluid zu befördern.
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Die Magneteinheit 40 kann ein Permanentmagnet, ein supraleitender Magnet oder ein Solenoid sein. Um das Wärmetauschelement 30 sind zwei Magneteinheiten 40 angeordnet. In der Ausführungsform befindet sich das Wärmetauschelement 30 zwischen den Magneteinheiten 40. Die Magneteinheiten 40 und das Wärmetauschelement 30 sind entlang einer zweiten Ausdehnungsrichtung D2 angeordnet, wobei die erste Ausdehnungsrichtung D1, die zweite Ausdehnungsrichtung D2 und die Längsrichtung D3 zueinander senkrecht sind. Jede der Magneteinheiten 40 kann dem Wärmetauschelement 30 ein Magnetfeld bereitstellen, wobei die Größe des Magnetfeldes zeitlich veränderlich und ungleichmäßig sein kann. Folglich kann die Wärmetauschfähigkeit des Wärmetauschelements 30 geändert werden, wenn das Magnetfeld an das Wärmetauschelement 30 angelegt ist.
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In 2 weist der Querschnitt S1 des Wärmetauschelements 30 eine Zone Z1 mit einem ersten Querschnitt und zwei Zonen Z2 mit einem zweiten Querschnitt auf. Der erste Kanal 31 befindet sich in der Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt und die zweiten Kanäle 32 befinden sich jeweils in der Zone Z2 mit dem zweiten Querschnitt. Die Flächen der Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt und der Zonen Z2 mit dem zweiten Querschnitt sind die Gleichen, wobei sich die Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt zwischen den Zonen Z2 mit dem zweiten Querschnitt befindet. In der Ausführungsform sind die Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt und die Zonen Z2 mit dem zweiten Querschnitt entlang der ersten Ausdehnungsrichtung D1 angeordnet.
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Die Anordnung der Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt und der Zonen Z2 mit dem zweiten Querschnitt ist zur Magneteinheit 40 im Wesentlichen parallel. Die Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt befindet sich nahe bei dem Mittelbereich der Magneteinheit 40. Die Zonen Z2 mit dem zweiten Querschnitt befinden sich nahe bei zwei gegenüberliegenden Enden der Magneteinheit 40. Das Magnetfeld in der Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt übersteigt das in jeder der Zonen Z2 mit dem zweiten Querschnitt. Die Größe des an den ersten Kanal 31 angelegten Magnetfeldes ist nämlich größer als die Größe des an jeden der zweiten Kanäle 32 angelegten Magnetfeldes.
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Im Allgemeinen kann ein stärkeres Magnetfeld eine höhere Wärmetauschfähigkeit des Wärmetauschelements 30 fördern. Weil die Querschnittsflächen der ersten Kanäle 31 und der zweiten Kanäle 32 so konstruiert sind, um der Magnetfeldverteilung innerhalb des Wärmetauschelements 30 zu entsprechen, sind die Temperaturgradienten an verschiedenen Punkten des Querschnitts S1 des Wärmetauschelements 30 im Wesentlichen die Gleichen, wenn das wärmeübertragende Fluid durch den ersten und die zweiten Kanäle 31 und 32 strömt.
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In der Ausführungsform ist die Querschnittsfläche des ersten Kanals 31 größer als die Querschnittsfläche des zweiten Kanals 32, wobei die Flächen der Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt und der Zone Z2 mit dem zweiten Querschnitt die Gleichen sind. Weil die Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt des Wärmetauschelements 30 ein stärkeres Magnetfeld aufweist, ist die Querschnittsfläche des ersten Kanals 31 konstruiert, um die des zweiten Kanals 32 zu übersteigen.
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Wenn das wärmeübertragende Fluid durch den ersten Kanal 31 und die zweiten Kanäle 32 strömt, ist die Strömungsgeschwindigkeit des wärmeübertragenden Fluids in dem ersten Kanal 31 höher als die in dem zweiten Kanal 32. Weil das Magnetfeld der Zonen Z2 mit dem zweiten Querschnitt kleiner als das der Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt ist, ist die Wärmetauschfähigkeit des Wärmetauschelements 30 in den Zonen Z2 mit dem zweiten Querschnitt relativ schwach. Durch die langsamere Strömungsgeschwindigkeit des wärmeübertragenden Fluids in den zweiten Kanälen 32 ist jedoch der Wärmeaustausch zwischen dem Austauschelement 30 in der Zone Z2 mit dem zweiten Querschnitt und dem wärmeübertragenden Fluid in den zweiten Kanälen 32 ausreichend. Folglich sind die Temperaturgradienten in der Zone Z1 mit dem zweiten Querschnitt und der Zone Z2 mit dem zweiten Querschnitt im Wesentlichen die Gleichen.
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5 ist eine schematische Ansicht einer thermomagnetischen Wärmetauschvorrichtung 2a einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In der Ausführungsform enthält das Wärmetauschelement 30a mehrere erste Kanäle 31a. Die Querschnittsflächen jedes der ersten Kanäle 31a und der zweiten Kanäle 32a sind die Gleichen. Die Anzahl der ersten Kanäle 31a in der Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt übersteigt jedoch die der zweiten Kanäle 32a in der Zone Z2 mit dem zweiten Querschnitt. Die Gesamtquerschnittsfläche der ersten Kanäle 31a in der Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt übersteigt nämlich die der zweiten Kanäle 32a in der Zone Z2 mit dem zweiten Querschnitt. Außerdem ist, wie in 5 gezeigt ist, der Abstand zwischen den zwei benachbarten ersten Kanälen 31a kleiner als der zwischen dem ersten Kanal 31a und dem zweiten Kanal 32a, die zwei benachbarte Kanäle sind. Folglich können die Gesamtquerschnittsfläche der ersten Kanäle 31a in der Zone Z1 mit dem ersten Querschnitt und die Gesamtquerschnittsfläche des zweiten Kanals 32a in der Zone Z2 mit dem zweiten Querschnitt entsprechend der Größe des Magnetfeldes geeignet konstruiert sein.
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6 ist eine schematische Explosionsansicht einer thermomagnetischen Austauschvorrichtung 2b einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Das Wärmetauschelement 30b enthält einen Wärmetauschabschnitt 33 und einen Wärmetauschabschnitt 34, wobei der Wärmetauschabschnitt 33 mit dem Wärmetauschabschnitt 34 gekoppelt ist. Jede der Magneteinheiten 40b enthält einen Magnetabschnitt 41 und einen Magnetabschnitt 42, wobei der Magnetabschnitt 41 mit dem Magnetabschnitt 42 gekoppelt ist.
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Der erste Kanal 31 enthält einen Kanalabschnitt 311 und einen Kanalabschnitt 312. Jeder der zweiten Kanäle 32 enthält einen Kanalabschnitt 321 und einen Kanalabschnitt 322. Der Kanalabschnitt 311 steht mit dem Kanalabschnitt 312 in Verbindung, während der Kanalabschnitt 321 mit den Kanalabschnitt 322 in Verbindung steht.
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In der Ausführungsform ist das durch den Magnetabschnitt 41 erzeugte Magnetfeld größer als das durch den Magnetabschnitt 42 erzeugte Magnetfeld. Die Querschnittsfläche des Kanalabschnitts 311 übersteigt die des Kanalabschnitts 312, während die Querschnittsfläche des Kanalabschnitts 321 die des Kanalabschnitts 322 übersteigt. Folglich übersteigt die Gesamtquerschnittsfläche der ersten und zweiten Kanäle 31 und 32 des Wärmetauschabschnitts 33 die der ersten und zweiten Kanäle 31 und 32 das Wärmetauschabschnitts 34. Die Querschnittsflächen der ersten und zweiten Kanäle 31 und 32 können nämlich entsprechend der Größe des Magnetfeldes geeignet konstruiert werden. Wenn das wärmeübertragende Fluid durch die ersten und zweiten Kanäle 31 und 32 strömt, sind folglich die Temperaturgradienten an verschiedenen Punkten jedes Endes des Wärmetauschelements 30b im Wesentlichen die Gleichen.
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Schließlich sind die Temperaturgradienten an verschiedenen Punkten des Wärmetauschelements im Wesentlichen die Gleichen, wenn das wärmeübertragende Fluid durch den Kanal strömt, wobei der Austauschwirkungsgrad der thermomagnetischen Austauschvorrichtung vergrößert ist.
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Während die Erfindung beispielhaft und hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht darauf 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.
