DE102013102154A1

DE102013102154A1 - Verfahren zum Klassifizieren von Gegenständen und Verfahren zum Herstellen eines magnetokalorisch aktiven Bauteils für magnetischen Wärmetausch

Info

Publication number: DE102013102154A1
Application number: DE102013102154A
Authority: DE
Inventors: Matthias Katter
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2013-09-19
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: DE102013102154B4; GB2500202A; KR20130105363A; GB2500202B; GB201204349D0; KR101574843B1

Abstract

Verfahren zum Klassifizieren von Gegenständen und Verfahren zum Herstellen eines magnetokalorisch aktiven Bauteils für magnetischen Wärmetausch Ein Verfahren zum Klassifizieren von Gegenständen, die magnetokalorisch aktives Material entsprechend der magnetischen Übergangstemperatur aufweisen, umfasst ein Bereitstellen einer Quelle von Gegenständen, die zu klassifizieren sind, wobei die Quelle Gegenstände umfasst, die magnetokalorisch aktive Materialien aufweisen, die unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen besitzen, ein sequentielles Anwenden eines magnetischen Feldes bei unterschiedlichen Temperaturen auf die Quelle, wobei das magnetische Feld ausreichend ist, um eine magnetische Kraft auf die Quelle auszuüben, die größer ist als das Beharrungsvermögen einer Fraktion der Gegenstände, die eine Fraktion der Gegenstände veranlasst sich zu bewegen und eine Gegenstandsfraktion zu bilden, und ein Aufsammeln der Gegenstandsfraktion bei jeder Temperatur um eine Mehrzahl von getrennten Gegenstandsfraktionen unterschiedlicher magnetischer Übergangstemperaturen bereitzustellen, so dass die Gegenstände, die magnetokalorisch aktives Material aufweisen, entsprechend der magnetischen Übergangstemperatur klassifiziert werden.

Description

Verfahren zum Klassifizieren von Gegenständen und Verfahren zum Herstellen eines magnetokalorisch aktiven Bauteils für magnetischen Wärmetausch
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Klassifizieren von Gegenständen, insbesondere zum Klassifizieren von Partikeln, die magnetokalorisch aktives Material enthalten, und ein Verfahren zum Herstellen eines magnetokalorisch aktiven Bauteils für magnetischen Wärmetausch.
Der magnetokalorische Effekt beschreibt die adiabatische Konversion einer magnetisch induzierten Entropieänderung zur Wärmeentwicklung oder Wärmeabsorption. Deshalb kann durch Anwenden eines Magnetfeldes auf ein magnetokalorisches Material eine Entropieänderung induziert werden, welche in die Wärmeentwicklung oder Wärmeabsorption übergeht. Dieser Effekt kann in magnetischen Wärmetauschern genutzt werden, um Kühlung und/oder Erwärmung bereitzustellen.
Materialien wie Gd₅(Si₅Ge)₄, Mn(As, Sb) und MnFe(P₅, As) sind entwickelt worden, welche eine magnetische Übergangstemperatur oder Curie-Temperatur bei oder nahe bei Raumtemperatur aufweisen. Die magnetische Übergangstemperatur überträgt die Betriebstemperatur auf das Material in einem magnetischen Wärmetauschsystem. Konsequenterweise sind diese Materialien zur Verwendung in Anwendungen wie einer Bildung einer Klimasteuerung in häuslichen oder industriellen Kühlanlagen und Gefrieranlagen sowie als Fahrzeugklimasteuerung geeignet.
Magnetische Wärmetauschtechnologie ist von Interesse, da magnetische Wärmetauscher im Prinzip energieeffizienter sind als Gaskompressions-/Gasexpansions-Zyklussysteme. Weiterhin sind magnetische Wärmetauscher umweltfreundlich, da ozonvermindernde Chemikalien wie CFCs nicht verwendet werden.
WO 2009/090442 offenbart einen Verbundgegenstand, welcher eine Mehrzahl von Schichten einschließt, die jede magnetokalorisch aktives Material aufweist. Jede Schicht hat eine unterschiedliche magnetische Übergangstemperatur und die Schichten sind so angeordnet, dass die magnetische Übergangstemperatur von einem Ende des Verbundgegenstandes zum anderen ansteigt, um ein geschichtetes Bauteil für einen magnetischen Wärmetausch bereitzustellen. Diese geschichtete Anordnung von ansteigenden oder absteigenden magnetischen Übergangstemperaturen ermöglicht den Betriebsbereich des Bauteils verglichen mit einem Bauteil, das magnetokalorisch aktives Material mit einer einzigen magnetischen Übergangstemperatur aufweist, zu erhöhen.
Um derartige geschichtete Bauteile herzustellen, kann eine Mehrzahl von magnetokalorisch aktiven Materialien in Form von Pulvern verwendet werden. Jedes magnetokalorisch aktive Material weist eine unterschiedliche Curie-Temperatur auf. Deshalb sind Verfahren zum Herstellen einer Mehrzahl von magnetokalorisch aktiven Materialien mit unterschiedlicher magnetischer Übergangstemperatur wünschenswert.
Ein Verfahren zum Klassifizieren von Gegenständen, die magnetokalorisch aktives Material gemäß einer magnetischen Übergangstemperatur enthalten, umfasst das Nachfolgende. Eine Quelle, die eine Mehrzahl von Gegenständen, die zu klassifizieren sind, umfasst, wird bereitgestellt. Die Quelle schließt Gegenstände ein, die magnetokalorisch aktive Materialien mit unterschiedlichen magnetischen Übergangstemperaturen enthalten. Ein Magnetfeld wird auf die Quelle sequentiell bei unterschiedlichen Temperaturen angewendet. Das Magnetfeld ist ausreichend, um eine magnetische Kraft auf die Quelle auszuüben, die größer ist als das Beharrungsvermögen einer Fraktion des Gegenstandes. Die magnetische Kraft verursacht die Fraktion des Gegenstands sich zu bewegen und eine Gegenstandsfraktion wird hergestellt. Bei jeder Temperatur wird ein Gegenstandsbruchteil gesammelt, um eine Mehrzahl von getrennten Gegenstandsfraktionen von unterschiedlichen magnetischen Übergangstemperaturen bereitzustellen. Die Gegenstände, die magnetokalorisch aktives Material umfassen, sind deshalb klassifiziert gemäß der magnetischen Übergangstemperatur.
Das Verfahren bildet eine Mehrzahl von getrennten Gegenstandsfraktionen, wobei jede magnetokalorisches Material umfasst, das eine unterschiedliche mittlere magnetische Übergangstemperatur aufweist. Die Mehrzahl der getrennten Gegenstandsfraktionen wird von einer einzigen Quelle, welche eine Mischung von Gegenständen umfasst, die magnetokalorisch aktives Material umfassen und unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen aufweisen, erhalten. Deshalb klassifiziert das Verfahren die Gegenstände, die magnetokalorisch aktives Material enthalten, gemäß magnetischer Übergangstemperatur, da jede Gegenstandsfraktion eine unterschiedliche mittlere magnetische Übergangstemperatur aufweist. Das Verfahren kann als ein thermomagnetisches Trennverfahren beschrieben werden.
Ein magnetokalorisch aktives Material wird hierin als ein Material definiert, welches einem Wechsel der Entropie unterworfen wird, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Der Entropiewechsel kann zum Beispiel das Ergebnis einer Änderung von ferromagnetischem zu paramagnetischem Verhalten sein. Die Temperatur, bei welcher ein magnetischer Übergang von ferromagnetischem zu paramagnetischem Verhalten auftritt, ist auch als Curie-Temperatur bekannt. Der Entropiewechsel kann auch das Ergebnis einer Änderung von antiferromagnetischem zu ferromagnetischem Verhalten sein. Es kann auch ein Ergebnis von jeder Art von magnetischem Spin-Reorientierungsübergang sein.
Die Gegenstände können viele Formen aufweisen. Zum Beispiel umfassen in einigen Ausführungsformen die Gegenstände Partikel eines Pulvers und haben einen Durchmesser von weniger als 2 mm. In einigen Ausführungsformen können die Gegenstände als Fraktionen oder Komponenten betrachtet werden und können mindestens eine Dimension aufweisen, welche größer ist als 2 mm.
In einer Ausführungsform weist das magnetokalorisch aktive Material eine magnetische Übergangstemperatur im Bereich von 220 K bis 345 K auf. Die Betriebstemperatur des magnetokalorisch aktiven Materials ist, wenn es in einem magnetischen Wärmetauschsystem verwendet wird, ungefähr die seiner magnetischen Übergangstemperatur. Ein magnetokalorisch aktives Material mit einer magnetischen Übergangstemperatur im Bereich von 220 K bis 345 K ist für Anwendungen wie häusliche oder kommerzielle Gefriersysteme, Kühlung, Luftkonditionierung oder Klimasteuerungssysteme in Abhängigkeit von der gewünschten Betriebstemperatur und dem Betriebstemperaturbereich geeignet.
Das magnetokalorisch aktive Material kann eines sein von Gd, von einer La(Fe_1-b, Si_b)₃-basierenden Phase, einer Gd₅(Si, Ge)₄-basierenden Phase, einer Mn(As, Sb)-basierenden Phase, einer MnFe(P, As)-basierenden Phase, einer Tb-Gd-basierenden Phase, einer (La, Ca, Pr, Nd, Sr)MnO₃-basierenden Phase, einer Co-Mn-(Si, Ge)-basierenden Phase, einer Ni(Mn, Co, Fe)(Sn, In, Ge)-basierenden Phase und einer Pr₂(Fe, Co)₁₇-basierenden Phase.
Diese grundlegende Zusammensetzung kann weiterhin weitere chemische Elemente umfassen, welche teilweise oder vollständig die aufgelisteten Elemente ersetzen. Diese Phasen können auch Elemente umfassen, welche mindestens zum Teil interstitiell in die Kristallstruktur eingebettet sind, zum Beispiel Wasserstoff. Diese Phasen können auch Verunreinigungselemente und kleine Mengen von Elementen wie Sauerstoff aufweisen.
In dem Fall, dass der magnetische Übergang ein Übergang von dem ferromagnetischen zum paramagnetischen Zustand ist, verwendet das Verfahren die Eigenschaft, dass die Sättigungsmagnetisierung der Gegenstände, die magnetokalorisch aktives Material aufweisen, größer ist als die Temperatur unter ihrer magnetischen Übergangstemperatur als die Temperatur über ihrer magnetischen Übergangstemperatur. Deshalb werden beim Anwenden eines Magnetfeldes bei unterschiedlichen Temperaturen Gegenstände in der Quelle, die eine magnetische Übergangstemperatur bei oder nahe bei der angewandten Temperatur aufweisen, stärker magnetisiert als andere Gegenstände in der Quelle, die eine magnetische Übergangstemperatur aufweisen, die niedriger als die angewandte Temperatur ist. Deshalb werden die höher magnetisierten Gegenstände einer größeren magnetischen Kraft unterworfen und zum Bewegen veranlasst und somit diesen Gegenständen ermöglicht, von den verbleibenden Gegenständen abgetrennt zu werden.
Die Gegenstände, die stärker magnetisiert sind, haben eine magnetische Übergangstemperatur, die ungefähr bei der Temperatur, die auf die Quelle angewandt wird, liegt. Konsequenterweise können Gegenstände, die eine bestimmte magnetische Übergangstemperatur aufweisen, von einer Quelle abgetrennt werden, die Gegenstände umfasst, die eine Mehrzahl von unterschiedlichen magnetischen Übergangstemperaturen aufweist, durch Anwenden eines magnetischen Feldgradienten bei einer Temperatur auf die Quelle, welche sich der gewünschten magnetischen Übergangstemperatur der zu entfernenden Gegenstände annähert.
In dem Fall, dass während des magnetischen Übergangs die Sättigungsmagnetisierung mit zunehmender Temperatur ansteigt, zum Bespiel während eines anti-ferromagnetischen zu einem ferromagnetischen Übergangs, werden Gegenstände mit einer Übergangstemperatur, die niedriger ist als die aktuelle Trenntemperatur, von dem magnetischen Feld angezogen.
Das Verfahren ermöglicht also die Herstellung einer Gegenstandsfraktion mit einem engeren magnetischen Übergangstemperaturbereich als für Gegenstandsfraktionen, die durch andere Verfahren erhalten werden, zum Beispiel durch Herstellen von magnetokalorisch aktivem Pulver, das eine Zusammensetzung aufweist, die entwickelt wurde, um eine besondere magnetische Übergangstemperatur herzustellen.
Dieser enge Bereich der magnetischen Übergangstemperatur der Gegenstandsfraktion kann verwendet werden, um einen geschichteten Gegenstand herzustellen, in welchem jede Schicht eine klarer definierte magnetische Übergangstemperatur aufweist. Diese Anordnung ermöglicht die Effizienz des Bauteils, das diese Schichten von unterschiedlichen magnetischen Übergangstemperaturen aufweist, zu erhöhen und konsequenterweise die Effizienz des magnetischen Wärmetauschers zu erhöhen.
In einer Ausführungsform wird die Temperatur der Quelle auf eine Temperatur T1 entsprechend einer ersten gewünschten magnetischen Übergangstemperatur T_Übergang1 (T_trans1) gesetzt. Ein magnetisches Feld wird auf die Quelle angewandt, während die Quelle bei einer Temperatur T1 ist, was verursacht, dass eine erste Gegenstandsfraktion in der Quelle, die eine magnetische Übergangstemperatur von T_Übergang1 ± 3°C (T_trans1 ± 3°C) aufweist, magnetisch von dem Magneten angezogen wird und von der Quelle entfernt wird. Die erste Gegenstandsfraktion wird dann eingesammelt.
Um eine Gegenstandsfraktion von der Quelle zu entfernen, wird die Stärke des Magnetfeldes, das auf die Quelle bei einer bestimmten Temperatur und für eine bestimmte Geometrie der Gegenstände einwirkt, derart ausgesucht, dass idealerweise die Gegenstände magnetisch gesättigt sind.
Die erste Gegenstandsfraktion umfasst Gegenstände von magnetokalorisch aktivem Material, welche eine magnetische Übergangstemperatur innerhalb ± 3°C der gewünschten magnetischen Übergangstemperatur T_Übergang1 (T_trans1) aufweisen, um von der Quelle entfernt zu werden.
Vorzugsweise weist die erste Gegenstandsfraktion eine magnetische Übergangstemperatur innerhalb von ± 1°C der gewünschten magnetischen Übergangstemperatur T_Übergang1 (T_trans1) auf.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Temperatur der Quelle auf eine Temperatur T2 entsprechend einer zweiten gewünschten Übergangstemperatur T_übergang2 gesetzt, wobei T_Übergang2 ≠ T_Übergang1 und T2 ≠ T1 ist. Ein magnetisches Feld wird auf die Quelle angewandt, während die Quelle bei einer Temperatur T2 ist, was verursacht, dass eine zweite Gegenstandsfraktion in der Quelle, die eine magnetische Übergangstemperatur von T_Über _gang2 ± 3°C (T_trans2 ± 3°C) aufweist, magnetisch zu dem Magnet angezogen wird und von der Quelle entfernt wird. Die zweite Gegenstandsfraktion wird eingesammelt.
Die zweite Gegenstandsfraktion hat eine mittlere magnetische Übergangtemperatur, die von der mittleren magnetischen Übergangstemperatur der ersten Gegenstandsfraktion unterschiedlich ist, da die zweite Gegenstandsfraktion bei einer Temperatur T2, die von der Temperatur T1 unterschiedlich ist, eingesammelt wird.
Vorzugsweise hat die zweite Gegenstandsfraktion eine magnetische Übergangstemperatur innerhalb ± 1°C der gewünschten magnetischen Übergangstemperatur T_Übergang2 (T_trans2)
Um einen oder mehrere Gegenstandsfraktionen von der Quelle, die weiterhin unterschiedliche mittlere magnetische Übergangstemperaturen aufweisen, zu klassifizieren, kann die Temperatur, die auf die Quelle angewandt wird, geändert werden und bei jeder weiteren unterschiedlichen Temperatur wird ein magnetisches Feld angewandt und die Gegenstände, welche eine magnetische Übergangstemperatur innerhalb von ungefähr 3°C der Temperatur aufweisen, auf welcher die Quelle gehalten wird, werden durch das magnetische Feld angezogen und werden veranlasst sich zu bewegen und können von der Quelle entfernt werden.
Der Unterschied zwischen den mittleren magnetischen Übergangstemperaturen der unterschiedlichen Gegenstandsfraktionen kann durch angemessene Auswahl der Temperaturen, die auf die Quelle angewandt werden, bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Unterschied zwischen den Temperaturen T1 und T2 in dem Bereich von 0,5°C bis 5°C, nämlich 0,5°C ≤ |T2–T1| ≤ 5°C, liegen.
In einer Ausführungsform wird die Quelle in einem thermisch leitfähigen Behälter platziert. Die Temperatur des Behälters kann geändert werden, um die Temperatur der Quelle durch thermische Leitung zu ändern. In einer Ausführungsform wird der Behälter thermisch mit einem Bad gekoppelt, zum Beispiel durch einen Erwärmungs- und/oder Kühlungskreislauf. Die Temperatur des Bades wird geändert, um die Temperatur der Quelle durch thermische Leitung zwischen dem Erwärmungs-/Kühlungskreislauf und der Quelle zu ändern.
Die Quelle wird sequentiell auf einer Mehrzahl von unterschiedlichen Temperaturen gehalten. Bei jeder Temperatur wird ein magnetisches Feld angewandt und eine Gegenstandsfraktion, die eine magnetische Übergangstemperatur aufweist, die annähernd der Temperatur der Quelle ist, wird entfernt. Ein derartiges Verfahren kann als statisches Verfahren beschrieben werden.
In weiteren Ausführungsformen kann ein kontinuierlicher Prozess genutzt werden. In diesen Ausführungsformen wird die Quelle einem Temperaturgradienten ausgesetzt und die Quelle entlang des Temperaturgradienten bewegt, um die Temperatur der Quelle durch thermische Leitung zu ändern. Eine Gegenstandsfraktion wird von der Quelle an unterschiedlichen Punkten und bei unterschiedlichen Temperaturen entlang des Temperaturgradienten entfernt. Dieses Verfahren kann für eine kontinuierlich zugeführte Quelle verwendet werden, die kontinuierlich in dem Temperaturgradienten bewegt wird.
Zwei oder mehr Mittel für das Anwenden eines magnetischen Feldes können in Intervallen entlang des Temperaturgradienten derart angeordnet werden, dass ein magnetisches Feld an die Quelle bei unterschiedlichen Punkten entlang des Temperaturgradienten und damit bei unterschiedlichen Temperaturen angewandt wird. Dieses Verfahren ermöglicht Gegenstandsfraktionen von unterschiedlicher magnetischer Übergangstemperatur von der bewegten Quelle sequentiell zu entfernen, während sich die Quelle entlang des Temperaturgradienten bewegt.
In einer Ausführungsform wird die Quelle entlang des Temperaturgradienten von einer höheren Temperatur zu einer niedrigeren Temperatur bewegt. Diese Ausführungsform kann verwendet werden für Gegenstände, welche einen magnetischen Übergang von einer hohen Magnetisierung zu einer niedrigen Magnetisierung für ansteigende Temperaturen zeigen. Beispiele dieser Materialien sind LaFeSi- und MnFePAs-basiernde Materialien. Diese Anordnung benutzt auch eine inherente Wärmeverteilung, wenn die hohe Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur ist. Das kann die Erzeugung eines Temperaturgradienten, während sich die Quelle durch den Temperaturgradienten bewegt, vereinfachen.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Quelle durch den Temperaturgradienten von einer niedrigeren Temperatur zu einer höheren Temperatur bewegt. Diese Ausführungsform kann verwendet werden für Gegenstände, welche einen magnetischen Übergang von einer niedrigen Magnetisierung zu einer hohen Magnetisierung für ansteigende Temperaturen zeigen. Beispiele dieser Materialien sind CoMnSi- und NiMnGa-basierende Systeme.
In einer Ausführungsform wird die Quelle auf einem Band, welches die Quelle durch den Temperaturgradienten trägt, platziert. Das Band kann die Form eines Treibriemens aufweisen, der eine Richtung der Bewegung aufweist, welche der Richtung des Temperaturgradienten entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann die Quelle entlang dem Band durch Vibration des Bandes bewegt werden.
Die Quelle kann kontinuierlich entlang dem Band durch Vibration oder auf andere Weise bewegt werden und das magnetische Feld kann in Abständen oder Intervallen entlang dem Band angewandt werden, wodurch die Quelle eine unterschiedliche Temperatur bei jedem Abstand oder Intervall, bei welchem das magnetische Feld angewandt wird, aufweist.
Das magnetische Feld kann rechtwinklig zu der Oberfläche des Bandes, das die Quelle unterstützt, und rechtwinklig zu der Richtung der Bewegung der Quelle angewandt werden. In Bezug auf Kartesische Koordinaten kann, wenn die Richtung der Bewegung des Bandes und der Quelle in der x-Richtung entworfen wird, die Breite des Bandes sich in y-Richtung erstrecken und die magnetischen Felder können in der z-Richtung angewandt werden.
In einigen Ausführungsformen liegt der Temperaturgradient in dem Bereich von 10°C/m bis 200°C/m. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Temperatur auf einem Ende des Bandes –10°C und die Temperatur auf dem gegenüberliegenden Ende des Bandes +60°C. Der Temperaturgradient ist 175°C/m. In dieser Ausführungsform wird der Temperaturgradient über einen Abstand von etwa 40 cm angewandt.
Das magnetische Feld kann auf die Quelle durch Anwenden eines Stroms durch einen Elektromagneten angewandt werden. Alternativ kann ein Permanentmagnet verwendet werden, um das magnetische Feld anzuwenden.
Die Feldstärke, die auf die Quelle angewandt wird, kann bis auf einen Schwellwert ansteigen, bei welchem die Gegenstände ausreichend magnetisiert sind, um in eine Bewegung durch das Ansteigen des magnetischen Feldgradienten, der auf die Quelle angewandt wird, gebracht zu werden. Dies kann zum Beispiel durch Vermindern des Abstands zwischen dem Permanentmagneten und der Quelle oder durch Ansteigen des Stroms, der durch die Spule eines Elektromagneten fließt, ausgeführt werden.
Das magnetische Feld kann durch Positionieren eines ersten Magneten benachbart zu einer ersten Seite der Quelle erzeugt werden. In einer weiteren Ausführungsform wird ein weiterer Magnet benachbart zu der gegenüberliegenden Seite der Quelle positioniert. Die Kombination der zwei Magnete kann nicht nur verwendet werden, um die Stärke des magnetischen Feldes, das auf die Quelle einwirkt, anzupassen, sondern auch um den Gradienten des Feldes einzustellen. Ein magnetisches Feld, das angewandt wird, kann in dem Bereich von 0,003 T bis 0,3 T oder 0,01 T bis 0,1 T liegen. Der magnetische Gradient kann 0,5 T/m bis 10 T/m sein.
Wie oben erörtert, verwendet das Verfahren die Eigenschaft, dass die Magnetisierung der Gegenstände höher für Gegenstände ist, die ein magnetokalorisch aktives Material aufweisen, das eine magnetische Übergangstemperatur aufweist, welche ungefähr die Temperatur, die auf die Quelle angewandt wird, ist. Dieser Grad der Magnetisierung kann weiterhin dadurch optimiert werden, dass ein magnetisches Feld angewandt wird, das eine Stärke aufweist, die abhängig von der magnetischen Polarisation der Gegenstände, welche eine bestimmte Gestalt aufweisen, ist. In dem Fall von isotropen Gegenständen, zum Beispiel sphärischen Gegenständen, kann das magnetische Feld B auf die Quelle mit mindestens Js/3 angewandt werden, um die Gegenstände bei der angewandten Temperatur zu sättigen.
Nachdem die Gegenstände von der Quelle entfernt worden sind, kann die entfernte Gegenstandsfraktion auf einer entfernten Oberfläche gesichert werden, zum Beispiel einer Oberfläche des Magneten, bevor die in einem Sammelbehälter transportiert wird.
Die Anmeldung betrifft auch die Verwendung einer magnetischen Trennung bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Temperaturen, um eine Mehrzahl von Partikelfraktionen, die unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen aufweisen, von einer Quelle, die eine Mehrzahl von Partikeln mit unterschiedlichen magnetischen Übergangstemperaturen umfasst, herzustellen. Die Partikel können eine La(Fe, Si)₁₃-basierende Phase umfassen. In weiteren Ausführungsformen umfassen die Partikel eine oder mehrere der nachfolgenden Phasen: eine Gd₅(Si, Ge)₄-basierende Phase, eine Mn(As, Sb)-basierende Phase, eine MnFe(P, As)-basierende Phase, eine Tb-Gd-basierende Phase, eine (La, Ca, Pr, Nd, Sr)MnO₃-basierende Phase, eine Co-Mn-(Si, Ge)-basierende Phase und eine Pr₂(Fe, Co)₁₇-basierende Phase.
Ein Verfahren zum Herstellen eines magnetokalorischen aktiven Bauteils für magnetischen Wärmetausch wird ebenfalls bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Erhalten einer Mehrzahl von Partikelfraktionen, die jede eine unterschiedliche magnetische Übergangstemperatur, unter Verwendung des Verfahrens gemäß einer der Ausführungsformen, die oben beschrieben sind, aufweisen. Die Partikelfraktionen werden in einer Reihenfolge der ansteigenden oder abfallenden magnetischen Übergangstemperatur angeordnet und ein magnetokalorisch aktives Bauteil für magnetischen Wärmetausch wird hergestellt.
Die Partikelfraktionen können derart angeordnet werden, dass eine schichtartige Struktur hergestellt wird, in welcher die mittlere magnetische Übergangstemperatur der Schicht in Bearbeitungsrichtung des magnetokalorisch aktiven Bauteils ansteigt oder abfällt.
Die mittlere magnetische Übergangstemperatur der Partikel einer Fraktion liegt innerhalb eines engeren Bereichs der mittleren magnetischen Übergangstemperatur der Partikel der Fraktionen einer Quelle aufgrund der Verwendung der thermomagnetischer Trennung, durch Klassifizierung der Partikelfraktionen der Quelle. Dieses erhöht die Effizienz des Bauteils gegenüber einem, in welchem die mittlere magnetische Übergangstemperatur der Partikel innerhalb einer Partikelfraktion oder innerhalb einer Schicht im Fall einer schichtartigen Komponente größer ist.
Eine erste Partikelfraktion kann kompaktiert werden, bevor eine weitere Partikelfraktion, die eine unterschiedliche magnetische Übergangstemperatur aufweist, auf der ersten Partikelfraktion angeordnet wird. Die weitere Partikelfraktion kann dann kompaktiert werden. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um ein geschichtetes Bauteil zu bilden, in welchem jede Schicht eine unterschiedliche mittlere magnetische Übergangstemperatur aufweist.
In einigen Ausführungsformen wird, nachdem die Partikelfraktionen in der Reihenfolge von ansteigender oder abfallender magnetischer Übergangstemperatur angeordnet sind, die Anordnung wärmebehandelt und ein gesintertes magnetokalorisch aktives Bauteil für einen magnetischen Wärmetausch erzeugt. Die Wärmebehandlung kann verwendet werden, um die mechanische Integrität des Bauteils zu erhöhen.
Geeignete Wärmebehandlungskonditionen, um ein gesintertes Bauteil herzustellen, können zum Beispiel in dem Bereich von 300°C zu 1200°C für 2 Stunden bis 10 Stunden für La(Fe, Si)₁₃-basierende Phasen liegen. Das Kompaktieren, um einen Grünkörper zu formen, kann bei Drücken in dem Bereich von 10 MPa bis 300 MPa ausgeführt werden und optional bei anderen Temperaturen als bei Raumtemperatur wie 30°C bis 250°C.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Partikel der Partikelfraktionen mit Adhäsionsmitteln vor dem Kompaktieren gemischt. Nach dem Kompaktieren der Partikel-/Adhäsionsmischung kann das Adhäsionsmittel ausgehärtet werden. Die Art, in welcher das Adhäsionsmittel ausgehärtet wird, ist von der Zusammensetzung des Adhäsionsmittels abhängig. Das Adhäsionsmittel kann durch Wärmebehandlung ausgehärtet werden, zum Beispiel bei einer Temperatur in dem Bereich von 0°C bis 200°C. Das Adhäsionsmittel kann, indem es zum Beispiel UV-Licht ausgesetzt wird, ausgehärtet werden.
Ausführungsformen werden nun mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zum Klassifizieren magnetokalorisch aktiver Gegenstände unter Verwendung thermomagnetischer Trennung.
2 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zum Klassifizieren magnetokalorisch aktiver Gegenstände unter Verwendung thermomagnetischer Trennung.
3 zeigt einen Graphen der magnetokalorischen Entropie als eine Funktion der Temperatur für eine erste Quelle.
4 zeigt einen Graphen der magnetokalorischen Entropie als eine Funktion der Temperatur für eine zweite Quelle.
5 zeigt einen Graphen der magnetokalorischen Entropie als eine Funktion der Temperatur für eine dritte Quelle.
6 zeigt einen Graphen der magnetokalorischen Entropie als eine Funktion der Temperatur für eine vierte Quelle, die unterschiedlichen thermomagnetischen Trennbedingungen unterworfen wird.
7 zeigt einen Graphen der magnetokalorischen Entropie als eine Funktion der Temperatur für die vierte Quelle, die unterschiedlichen thermomagnetischen Trennbedingungen unterworfen wird.
8 zeigt einen Graphen der Sättigungsmagnetisierung über der Temperatur.
9 zeigt ein Bauteil, das unter Verwendung magnetokalorisch aktiven Materials, welches gemäß der Erfindung klassifiziert ist, hergestellt ist.
10 zeigt die Kräfte, die auf ein individuelles Partikel in einem inhomogenen Magnetfeld wirken.
11 zeigt ein Magnetisierungsverhalten der magnetokalorischen Partikel mit unterschiedlichen Entmagnetisierungsfaktoren.
12 zeigt den Einfluss von αFe auf die thermomagnetische Trennung.
13 zeigt eine Kettenbildung von magnetischen Partikeln.
14 zeigt ein Diagramm der berechneten Sättigungsmagnetisierung, die zum Abheben eines Partikels erforderlich ist.
15 zeigt ein Diagramm der berechneten Sättigungsmagnetisierung, die zum Abheben eines Partikels erforderlich ist.
In den nachfolgenden Ausführungsformen sind die Gegenstände, die durch thermomagnetische Trennung getrennt werden, Partikel, die von einer Pulverquelle getrennt werden. Die Partikel haben einen mittleren Durchmesser, der durch Sieben von 50 μm bis 750 μm bestimmt ist. Die beschriebenen Verfahren können jedoch auch zum Trennen größerer oder kleinerer Gegenstände von einer Quelle durch Anpassen der magnetischen Feldstärke und des magnetischen Feldgradienten in Abhängigkeit von der Größe, Gestalt und der magnetischen Polarisation der Gegenstände verwendet werden.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform zum Klassifizieren magnetokalorisch aktiver Partikel unter Verwendung thermomagnetischer Trennung.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Behälter 11, der thermisch leitfähig ist und nicht magnetisch, einen Magneten 12 und Mittel zum Anpassen der Temperatur des Behälters 11 in der Form eines Bades 13, welches erwärmt oder gekühlt zum Anpassen der Temperatur des Behälters 11 werden kann. Der Behälter 11 ist auf seiner oberen Seite offen und kann Kupfer aufweisen.
Die Quelle 14 der magnetokalorisch aktiven Partikel 15, welche zu klassifiziert sind, wird in dem thermisch leitenden Behälter 11 platziert. Die Quelle 14 umfasst eine Mehrzahl von Partikeln 15, die magnetokalorisch aktive Materialien, die unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen aufweisen, umfasst. In dieser Ausführungsform umfasst die Mehrheit der Partikel 15 magnetokalorisch aktives Material. Einige Verunreinigungspartikel können jedoch vorhanden sein, welche kein magnetokalorisch aktives Material einschließen.
In einer speziellen Ausführungsform ist das magnetokalorisch aktive Material aus Partikeln einer La(FeSi)₁₃-basierenden Phase. Die Verunreinigungspartikel können zum Beispiel Alpha-Eisen umfassen.
Die Quelle 14 wird innerhalb des Behälters 11 platziert und der Behälter 11 wird mittels einer nicht magnetischen Abdeckung 16 abgedeckt. Der Magnet 12 ist über der Abdeckung 16 angeordnet und wird relativ zu der Quelle 14 bewegt, so dass die magnetische Feldstärke und der magnetische Gradient, der auf die Quelle 14 angewandt wird, angepasst werden können. Ein Bewegen des Magneten 12 und der Abdeckung 16 ist mit dem Pfeil 17 gezeigt. In einer besonderen Ausführungsform hat das Magnetfeld 0,03 T und der Magnetfeldgradient ist 2,2 T/m.
Die Temperatur des Behälters 11 kann durch Bereitstellen von Kanälen 18 in der Basis 19 des Behälters 11, welche in Strömungsverbindung mit dem Kühlungs- und Erwärmungsbad 13 stehen, angepasst werden. Die Temperatur des Bades 13 kann angepasst werden und der Flüssigkeit ermöglicht werden, durch die Kanäle 18 in der Basis 19 des Behälters 11 zu strömen. Die Kanäle 18 in der Basis 19, das Bad 13 und der Kreislauf 20, der mit den Kanälen 18 zu dem Bad 13 gekoppelt ist, stellen einen Erwärmungs-/Kühlungskreislauf 21 für die Quelle 14 zur Verfügung. Die Temperatur des Behälters 11 und der Quelle 14 wird durch thermische Leitung der Wärme von oder zu der Flüssigkeit, die in dem Erwärmungs-/Kühlungskreislauf 21 fließt, angepasst. Die Temperatur des Behälters 11 und eine Quelle 14 können mittels eines Thermokopplers 22, der auf der Innenoberfläche 23 der Basis 19 des Behälters angeordnet ist, gemessen werden.
In 1 wird auch ein optionaler zweiter Magnet 24 gezeigt, welcher benachbart zu der unteren Oberfläche 25 der Basis 19 des Behälters 11 angeordnet ist. Der zweite Magnet 24 kann verwendet werden, um die magnetische Feldstärke und den Magnetfeldgradienten über der Quelle 14 anzupassen.
In dieser besonderen Ausführungsform sind die Magnete 12 und 24 Permanentmagnete und die Partikel 15 der Quelle 14 haben einen Durchmesser in dem Bereich von 400 μm bis 500 μm. Nach Anpassung der Temperatur des Bades 13 wird die Temperatur des Behälters 11 überwacht und, wenn die Thermokopplung 22 anzeigt, dass die gewünschte Temperatur erreicht worden ist, wird eine Pause verwendet, um sicherzustellen, dass die Temperatur der Partikel 15 der Quelle 14 mit der gemessenen für den Behälter 11 übereinstimmt.
Die Abdeckung 16 ist auf der offenen Seite des Behälters 11 montiert und der Temperatur wird ermöglicht sich zu stabilisieren. Der Magnet 12 wird in Richtung auf die Abdeckung 16 gebracht, um den Magnetfeldgradienten über der Quelle 14 zu erhöhen. Einige der Partikel 26 werden auf die Innenseite der Abdeckung 16 gezogen aufgrund des erhöhten Magnetfeldes, das durch den Magneten 12 bereitgestellt wird. Diese Partikel hängen an der Innenseite der Abdeckung 16.
Um die erste Partikelfraktion 27 zu entfernen, wird die Abdeckung 16 zusammen mit dem Magneten 12 von dem Behälter 11 entfernt, während die entfernten Partikel 26 weiterhin durch den Magneten 12 angezogen werden. Schließlich wird der Magnet 12 von der Abdeckung 16 entfernt und die entfernten Partikel 26 können in einem Behälter eingesammelt werden.
Diese entfernten Partikel 26 bilden eine erste Partikelfraktion 27, die von der Quelle 14 klassifiziert wird. Die erste Partikelfraktion 27 weist eine magnetische Übergangstemperatur auf, welche mit dem Material korrespondiert, das die größte magnetische Polarisation bei dieser besonderen Temperatur aufweist. Die magnetische Übergangstemperatur der ersten Partikelfraktion 27 entspricht der Temperatur, die auf die Quelle angewandt wird.
Die Temperatur der Quelle 14 wird dann geändert durch Ändern der Temperatur des Erwärmungs- und Kühlungsbades 13. Nachdem die neue Temperatur erreicht worden ist, wird das Verfahren, das oben beschrieben wurde, wiederholt, um eine zweite Partikelfraktion von der Quelle 14 zu entfernen. Die Partikel der zweiten Partikelfraktion haben eine mittlere magnetische Übergangstemperatur, welche der zweiten Temperatur, die auf die Quelle 14 angewandt wird, entspricht. Die mittlere magnetische Übergangstemperatur der zweiten Partikelfraktion ist unterschiedlich zu der mittleren magnetischen Übergangstemperatur der ersten Partikelfraktion 27.
Diese Vorrichtung kann verwendet werden, um einen statischen oder einen arttypischen thermomagnetischen Trennprozess auszuführen.
2 zeigt eine Vorrichtung 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche zum Klassifizieren magnetokalorisch aktiver Partikel verwendet wird.
Die Vorrichtung 30 umfasst ein Band 31 und einen Temperaturgradienten 32. Eine Quelle 33, die Partikel 34 eines magnetokalorisch aktiven Materials aufweist, welche zu klassifizieren sind, wird durch den Temperaturgradienten 32 durch Bewegen des Bandes 31 transportiert. In dieser besonderen Ausführungsform vibriert das Band 31, um die Quelle 33 durch den Temperaturgradienten 32 in Richtung des Pfeils 35 zu bewegen.
In anderen Ausführungsformen kann das Band 31 die Quelle 33 entlang des Temperaturgradienten 32 durch Bewegung des Bandes 31 in die Richtung des Temperaturgradienten 32 bewegen. Das Band 31 kann zum Beispiel ein Transportband sein.
Die Vorrichtung 30 umfasst weiterhin eine Mehrzahl von Magneten 36, 37, 38, 39, welche in Intervallen entlang der Länge des Bandes 31 beabstandet angeordnet sind. Jeder der Mehrzahl von Magneten 36, 37, 38, 39 ist über dem Band 31 bei unterschiedlichen Temperaturen aufgrund des Temperaturgradienten 32 angeordnet. Die Mehrheit der Partikel 34 der Quelle 33 weist magnetokalorisch aktives Material auf. Die magnetische Übergangstemperatur der Partikel 34 unterscheidet sich aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung des magnetokalorisch aktiven Materials.
Das Band 31 transportiert die Quelle 33 durch den Temperaturgradienten 32 und unterhalb der Mehrzahl von Magneten 36, 37, 38, 39 mit einer Geschwindigkeit, die geeignet ist, um sicherzustellen, dass die Temperatur der Quelle 33 mit der des Temperaturgradienten 32 korrespondiert. Deshalb, wenn die Quelle 33 den Magneten 36 erreicht, hat sie eine Temperatur T1. Konsequenterweise werden Partikel, welche hoch magnetisiert sind, bei der Temperatur T1 durch das magnetische Feld, das durch den Magneten 36 erzeugt wird, zu dem Magneten 36 hin angezogen und von der Quelle 33 auf dem Band 31 entfernt, indem eine erste Partikelfraktion 40 erzeugt wird.
Wenn die Quelle 33 durch den Temperaturgradienten 32 fortschreitet, hat sie eine Temperatur T2, welche geringer ist als T1, wenn sie unterhalb des Magneten 37 positioniert ist. Die Partikel, welche hoch magnetisiert und vorzugsweise bei der Temperatur T2 aufgrund der Anwesenheit des Magnetfeldes, das durch den Magneten 37 bereitgestellt wird, gesättigt sind, werden angezogen, damit werden diese Partikel von der Quelle 33 getrennt und bilden eine zweite Partikelfraktion 41.
Die Quelle 33 kann kontinuierlich an dem Start des Bandes 31 aufgefüllt werden und Partikelfraktionen können von der Quelle 33 bei den Intervallen entlang des Bandes 31 aufgrund der Positionierung der Magnete entfernt werden. In 2 sind vier Magnete 36, 37, 38, 39 gezeigt, welche zum Entfernen von Partikelfraktionen sequentiell von der Quelle mit abfallenden Temperaturen angeordnet sind. Die Anzahl der Magnete und Partikelfraktionen, die von der Quelle klassifiziert werden, ist jedoch nicht auf vier beschränkt. Die Anzahl der Partikelfraktionen, die von der Quelle 33 klassifiziert werden, kann durch Anpassen der Anzahl der Magnete und des Temperaturbereichs, mit welchem der Temperaturgradient bereitgestellt wird, angepasst werden.
Die Magnete 36, 37, 38, 39 können zusammengefasst werden und einen einzigen langgestreckten Magneten bilden, der im Prinzip eine kontinuierliche Trennung ermöglicht. Die Magnete 36, 37, 38, 39 können mit ihrer Magnetisierungsausrichtung senkrecht zu der Hauptoberfläche des Bandes 31, wie in 2 gezeigt, orientiert sein. Jedoch können sie auch parallel zu dem Band orientiert sein. In dieser parallelen Anordnung können die Magnete um eine Achse senkrecht zu der Ebene des Bandes gedreht werden. Der resultierende Schütteleffekt innerhalb der Quelle 33 unterstützt die Extraktion der individuellen Partikel der Quelle.
Die Vorrichtung 30 gemäß der zweiten Ausführungsform kann verwendet werden, um einen kontinuierlichen thermomagnetischen Trennungsprozess zur Klassifizierung von Partikeln, die magnetokalorisch aktives Material aufweisen, von einer Quelle, die eine Mehrzahl von Partikeln, die magnetokalorisch aktives Material mit unterschiedlichen magnetischen Übergangstemperaturen umfasst, bereitzustellen.
In alternativen Ausführungsformen werden die Partikel von der Quelle mit Hilfe eines weiteren Magnetsystems, welches ihren Weg bestimmt, getrennt. Wenn ein horizontales Band zum Beispiel über ein zylindrisches Magnetsystem bewegt wird, werden Partikel, die eine hohe Sättigungsmagnetisierung aufweisen, entlang eines unteren parabolischen Weges ausgerichtet als Partikel, die eine niedrige Sättigungsmagnetisierung aufweisen. Dadurch können die zwei Arten der Partikel voneinander getrennt werden.
3 zeigt einen Graphen der adiabatischen Temperaturänderung, welche ebenfalls den magnetokalorischen Effekt (MCE) als eine Funktion der Temperatur für eine Probe gemäß einer ersten Ausführungsform bestimmen kann. Die Quelle umfasst Partikel, die einen Durchmesser von 400 μm bis 500 μm und eine nominale Zusammensetzung von LaFe_11.42Mn_0.32Si_1.26H_1,53 aufweist. Ein einzelner Permanentmagnet wurde in einer Entfernung von etwa 20 mm von der Quelle platziert, um ein magnetisches Feld von 0,03 T und einen magnetischen Feldgradienten von 2,2 T/m bereitzustellen.
Das Ausgangspulver, das bis dahin nicht durch einen thermomagnetischen Trennprozess klassifiziert worden ist, wird durch die gestrichelte Linie in 3 gezeigt. Die magnetische Übergangstemperatur des Ausgangpulvers ist ungefähr 24°C, wie es durch die Position der Spitze der Kurve gezeigt wird. Das Ausgangspulver wird einem Magnetfeld und einer Mehrzahl von unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt und eine Partikelfraktion wird von der Quelle bei jeder dieser Temperaturen entfernt. Das Intervall zwischen angewendeten Temperaturen ist 2 K.
3 zeigt eine Kurve des magnetokalorischen Effekts in Bezug auf die Temperatur für jede dieser Pulverfraktionen. 3 zeigt, dass außer für die erste Fraktion und die letzte Fraktion die Breite der Spitze für die erste Partikelfraktion dünner ist als die des Ausgangspulvers, indem es anzeigt, dass die Homogenität der individuellen Partikelfraktionen besser ist als das Ausgangspulver. Weiterhin ist der magnetokalorische Effekt von diesen Partikelfraktionen größer als für die Ausgangsmischung. Die erste Fraktion und die letzte Fraktion sind derartige Fraktionen, die bei der höchsten und niedrigsten Temperatur entfernt werden.
Wenn die Partikelfraktionen eine Spitzentemperatur aufweisen, die wesentlich höher und wesentlich niedriger als die Spitzentemperatur des Ausgangspulvers ist, werden sie entfernt, so dass die Homogenität des verbleibenden Pulvers verbessert sein kann. Deshalb kann das Verfahren verwendet werden, um Partikelfraktionen, die magnetische Übergangstemperaturen außerhalb der gewünschten Spitzenbreite aufweisen, zu entfernen. Das verbleibende Pulver, welches obwohl es in weitere Partikelfraktionen klassifiziert werden könnte, kann als eine Mischung zurückbleiben, da die Mischung Eigenschaften aufweist, welche für eine besondere Anwendung in geeigneter Weise gleichförmig sind.
4 zeigt einen Graphen des magnetokalorischen Effekts über der Temperatur für eine Probe, die eine etwas unterschiedliche Zusammensetzung des LaFe_11,39Mn_0,35Si_1,26H_1,53 und eine niedrigere magnetische Übergangstemperatur von 17°C besitzt. Die Partikelgröße des Pulvers ist 400 μm bis 500 μm. Das Ausgangspulver wurde einem thermomagnetischen Trennprozess unterworfen, indem ein magnetisches Feld von 0,03 T, das einen Gradienten von 2,2 T/m aufweist, auf das Pulver bei einer Mehrzahl von Temperaturen angewandt wurde. Das Intervall zwischen den Temperaturen ist etwa 2°C.
Eine Mehrzahl von Partikelfraktionen, die unterschiedliche Spitzentemperaturen aufweisen, wird erhalten. Partikelfraktionen, die eine Spitzentemperatur nahe zu der des Ausgangspulvers aufweisen, haben einen höheren magnetokalorischen Effekt als das Ausgangspulver. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein thermomagnetischer Trennprozess erfolgreich für das Ausgangspulver durchgeführt werden kann, das unterschiedliche mittlere magnetische Übergangstemperaturen aufweist.
5 zeigt einen Graphen des magnetokalorischen Effekts über der Temperatur für ein Pulver, das eine Zusammensetzung entsprechend zu der in 4 aufweist: LaFe_11,39Mn_0,35S_1,26H_1,53 und eine magnetische Übergangstemperatur von 17°C und eine mittlere Partikelgröße von weniger als 250 μm.
Das Pulver wurde einer magnetischen Trennung bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Temperaturen unterworfen, das Intervall zwischen den Temperaturen liegt bei etwa 2 K. Für den magnetokalorischen Effekt wird beobachtet, dass er für Partikelfraktionen zunimmt, die eine Übergangstemperatur im Bereich der mittleren magnetischen Übergangstemperatur von 17°C des Ausgangspulvers aufweist. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine thermomagnetische Trennung auch verwendet werden kann für Ausgangspulver von unterschiedlicher Partikelgröße.
6 zeigt einen Graphen des magnetokalorischen Effekts über der Temperatur für eine Probe, die gleiche Bruchteile der Pulver aufweist, die eine La(FeSi)₁₃-Phase mit unterschiedlichen Mangangehalten umfasst: LaFe_11,74Mn_yS_1,26H_1,53, wobei y = 0,32, 0,34, 0,36, 0,37, 0,39 bei einem Verhältnis von 1:1:1:1:1 aufweist. Die Partikelgröße ist 400 μm bis 500 μm. Das Ausgangspulver wurde einem thermomagnetischen Trennprozess unterworfen, in welchem das Pulver einem Magnetfeld von 0,03 T, das einen Gradienten von 2,2 T/m aufweist, bei einer Mehrzahl von Temperaturen ausgesetzt wurde. Das Intervall zwischen den Temperaturen ist 2°C.
Die Kurve des magnetokalorischen Effekts (MCE) über der Temperatur für das Ausgangspulver ist in 6 durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet. Die Kurve zeigt, dass das Pulver Phasen umfasst, die unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen aufweisen, und nicht homogen aufgrund der sehr großen Breite der Spitze und der Anwesenheit von weiteren Spitzen ist.
Das Pulver kann in eine Mehrzahl von Partikelfraktionen klassifiziert werden, die einen magnetokalorischen Effekt aufweisen, der größer ist als der des Ausgangspulvers. In einigen Fällen ist der magnetokalorische Effekt dann verdoppelt. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Pulvermischung auch in unterschiedliche Partikelfraktionen klassifiziert werden kann, wobei jede eine gute Homogenität aufweist wie es durch die erhöhten MCE Werte gezeigt wird.
7 zeigt einen Graphen des magnetokalorischen Effekts über der Temperatur, der die Klassifikation des Pulvers, das auch in der Ausführungsform der 6 verwendet wird, darstellt. Jedoch wurde in der in 7 gezeigten Ausführungsform ein zweiter Magnet während der thermomagnetischen Trennung eingesetzt. Der zweite Magnet wird auf der entgegengesetzten Seite der Quelle des Ausgangspulvers positioniert. In dieser Ausführungsform werden ein magnetisches Feld von 0,08 T und ein magnetischer Feldgradient von 1 T/m eingesetzt. In dieser Ausführungsform wurde das Intervall zwischen Temperaturen, bei welchen das magnetische Feld angewandt wurde, auf 1 K reduziert. Eine Mehrzahl von Partikelfraktionen wurde von dem Ausgangspulver bei unterschiedlichen Temperaturen entfernt. Jede Partikelfraktion weist eine unterschiedliche Spitzentemperatur auf. Dies zeigt, dass thermomagnetische Trennung auch bei einem höheren magnetischen Feld durchgeführt werden kann.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass das thermomagnetische Trennverfahren gemäß der oben beschriebenen Ausführungsformen auf einem oder mehreren der folgenden Konzepte basieren kann.
Einige magnetokalorisch aktive Materialien zeigen eine große Temperaturabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung in dem Gebiet ihrer Betriebstemperatur, welche im Allgemeinen mit der magnetischen Übergangstemperatur oder Curie-Temperatur korrespondiert. Die magnetische Übergangstemperatur kann auch stark von der Zusammensetzung der magnetokalorischen Phase abhängen. Zum Bespiel kann die Curie-Temperatur der La(Fe, Si)₁₃-Phase durch Ersetzen der Elemente Mn und H angepasst werden. Die Curie-Temperatur sinkt um –26 K für 1 Gew.% des Mn und erhöht sich um +700 K für 1 Gew.% Wasserstoff.
Wenn die Curie-Temperatur stark von der Zusammensetzung der Partikel abhängt, kann die magnetische Trennung bei unterschiedlichen Temperaturen verwendet werden, um Partikelfraktionen von einer Mischung zu trennen. Die Partikelfraktionen haben einen engen Zusammensetzungsbereich, so dass Zusammensetzungen außerhalb des engen Bereichs nicht magnetisch angezogen werden, da ihre Sättigungsmagnetisierung bei der eingestellten Temperatur zu klein ist.
Wenn ein magnetisches Feld angewandt wird, welches groß genug ist, um die Partikel zu sättigen, werden Partikel von unterschiedlichen magnetischen Übergangstemperaturen auf unterschiedliche Magnetisierungsgrade magnetisiert. 8 zeigt einen Graphen der Sättigungsmagnetisierung als eine Funktion der Temperatur für zwei magnetokalorisch aktive Materialien A und B, die unterschiedliche Zusammensetzungen und unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen aufweisen.
8 zeigt, dass bei einer vorbestimmten Trennungstemperatur T_Trennung die magnetische Polarisation für Probe A größer ist als für Probe B. Wenn diese Partikel einem magnetischen Feldgradienten zusätzlich zu dem magnetischen Feld ausgesetzt werden, werden die Partikel magnetischen Kräften zusätzlich zur Gravitationskraft ausgesetzt. Die magnetischen Kräfte hängen von der Sättigungsmagnetisierung ab und deshalb auch von der Curie-Temperatur der Partikel. Wenn die Richtung des magnetischen Feldgradienten so gewählt wird, dass die resultierende magnetische Kraft der Gravitationskraft gegenüberliegt, und der Wert des magnetischen Feldgradienten so gewählt ist, dass die magnetische Kraft auf die Partikel A größer ist als die Gravitationskraft, aber die magnetische Kraft auf die Partikel B geringer als die Gravitationskraft auf die Partikel B ist, werden Partikel A gezwungen sich zu bewegen und können von der Mischung getrennt werden.
Dieses Prinzip kann zum Trennen einer Mehrzahl von Partikelfraktionen von einer einzigen Quelle durch geeignete Auswahl der Temperatur und des Magnetfelds und des magnetischen Gradienten verwendet werde, wobei die Partikelfraktionen unterschiedliche Curie-Temperaturen aufweisen.
9 zeigt ein Bauteil 100 für einen magnetischen Wärmetauscher, welches aus einer Mehrzahl von Partikelfraktionen 101, 102, 103 hergestellt ist, die unter Verwendung thermomagnetischer Trennung klassifiziert wurden, wobei davon jede magnetokalorisch aktives Material aufweist.
Das Bauteil 100 hat eine Schichtstruktur, die drei Schichten 104, 105, 106 aufweist, die unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen besitzen, welche entlang der Bauteilrichtung 107 des Bauteils 100 ansteigen oder abfallen. Das Bauteil 100 ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass es nur drei Schichten aufweist. Weniger oder mehr als drei Schichten und weniger oder mehr als drei unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen können auch für ein Bauteil verwendet werden.
Das Bauteil 100 kann wie folgt hergestellt werden. Die Partikelfraktionen 101, 102, 103 werden jede mit einem Adhäsionsmittel gemischt, um drei getrennte Pasten zu erzeugen. Eine Paste, welche die erste Partikelfraktion 101 umfasst, ist in einer Form kompaktiert, die zweite Gegenstandsfraktion 102 ist auf der ersten kompaktierten Partikelfraktion 101 platziert und ist selbst kompaktiert. Die dritte Partikelfraktion 103 ist auf der zweiten Partikelfraktion 102 platziert und kompaktiert, um einen Grünkörper zu erzeugen.
Der Grünkörper wird dann einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur in dem Bereich von 30°C bis 200°C unterworfen, um das Adhäsionsmittel auszuhärten und das Bauteil 100 zu erzeugen. Das Adhäsionsmittel dient als ein Binder und kann verwendet werden, um die mechanische Integrität des Bauteils 100 verglichen mit einem Bauteil, das nur kompaktierte Partikel aufweist, zu erhöhen. Die Menge des Binders wird so gewählt, dass eine offene Porosität in dem Bauteil gebildet wird. Die offene Porosität ermöglicht einer Wärmeübertragungsflüssigkeit durch das Bauteil zu strömen. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit kann durch die offene Porosität des Bauteils gepumpt werden. In anderen Ausführungsformen wird ein Adhäsionsmittel nicht angewandt.
In weiteren nicht gezeigten Ausführungsformen kann das Bauteil 100 wie folgt hergestellt sein. Die Partikelfraktionen 101, 102, 103 werden jede in einer schichtweisen Art in einer Form, wie in der Ausführungsform oben beschrieben, angeordnet und die geschichtete Struktur wird kompaktiert, um einen Grünkörper zu erzeugen. Die Schichten können jede kompaktiert werden, während die geschichtete Struktur sich in der Form ausbildet. Der Grünkörper wird dann einer Wärmebehandlung bei Temperaturen zum Sintern der Partikel und zum Erzeugen eines Bauteils 100 ausgesetzt.
Geeignete Wärmebehandlungsbedingungen können zum Beispiel in dem Bereich von 300°C bis 1200°C für 2 bis 10 Stunden für La(Fe, Si)₁₃-basierende Phasen sein. Die Kompaktierung, um den Grünkörper zu formen, kann bei einem Druck im Bereich von 10 MPa bis 300 MPa optional bei anderen Temperaturen als der Raumtemperatur, wie 30°C bis 250°C durchgeführt werden.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann die thermomagnetische Trennung (TMS) eine oder mehrere der nachfolgenden Konzepte verwenden.
Die Kräfte, die auf ein individuelles Partikel in einem inhomogenen Magnetfeld vertikal zur z-Richtung orientiert wirken, können berechnet werden. Die berücksichtigten Bedingungen sind in 10 gezeigt, wobei B_z die magnetische Induktion, die außerhalb angewandt wird, in T ist, dB_z/dz der Gradient in T/m ist, J die Polarisation in T ist, m die Masse in kg ist, ρ die Dichte in kg/m³ ist und schließlich FG die Gewichtskraft in N ist.
Arbeitspunkt
Eine magnetische Kraft und die Gravitationskraft wirken auf das Partikel:
F_G = mg. (2)
Durch Gleichsetzen der beiden Kräfte wird eine Gleichgewichtsbedingung erzeugt, welche den Betriebspunkt der thermomagnetischen Trennung beschreibt:
Hier beschreibt die linke Seite der Gleichung den Einfluss der Gravitationskraft und die rechte Seite der Gleichung die magnetische Kraft. Solange von dem Gradient des magnetischen Feldes angenommen werden kann, dass er konstant über dem Volumen des Partikels ist, hängt die Gleichgewichtsbedingung nicht von der Masse oder dem Volumen des Partikels ab. Die Stärke des magnetischen Feldes ist nicht explizit in diese Bedingung eingeschlossen.
Sättigungsbedingung
Um eine thermomagnetische Trennfunktion zu erzeugen, muss das magnetische Feld stark genug sein, um die magnetokalorisch aktive Phase der Partikel, welche zu trennen sind, d. h. von der Quelle zu entfernen sind, magnetisch zu sättigen.
Um die notwendige Sättigungsfeldstärke zu berechnen, wird angenommen, dass die magnetokalorischen Partikel in dem Bereich ihrer magnetischen Übergangstemperaturen sehr leicht magnetisierbar sind, und dass das Magnetisierungsverhalten im Wesentlichen durch das partikeleigene Entmagnetisierungsfeld bestimmt ist. Eine derartige Voraussetzung wird als zulässig für La(FeSi)₁₃-basierende Materialien, insbesondere für ihre gegebene kubische Kristallsymmetrie, betrachtet. In diesem Fall ist die makroskopisch wirksame Permeabilität nur von der Geometrie und Orientierung der Partikel abhängig und Folgendes kann verwendet werden: J =μ₀H_ext/N = B_z/N. (4)
H_ext ist das externe magnetische Feld, das auf das Partikel einwirkt und N ist der Entmagnetisierungsfaktor, der in Richtung auf das magnetische Feld wirkt. B_z ist somit die magnetische Induktion, die in z-Richtung auf den Ort des Partikels in dem speziellen Fall unter der hier betrachteten Voraussetzung wirkt. Unterschiedliche Partikelgeometrien ergeben unterschiedliche Magnetisierungskurven, siehe 11.
Hier hängt die Sättigungsfeldstärke H₁ von dem Magnetisierungsfaktor des in Frage kommenden Partikels ab. Da die Partikel in der Lage sind, sich frei zu bewegen, werden sie sich immer so drehen, dass ihre längste Achse parallel zu dem angewandten magnetischen Feld ausgerichtet ist. Als ein Ergebnis erscheint die höchste erwartete Feldstärke, die erforderlich ist, um das Partikel zu sättigen, in dem Fall eines sphärischen Partikels mit N = 1/3. Für eine thermomagnetische Trennung wird am besten zusätzlich zu der Gleichung (3) die nachfolgende Bedingung erfüllt: B_z > J_s/3. (5)
Wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird, besteht die Möglichkeit, dass jene Partikel, welche am einfachsten magnetisiert werden können dank ihrer Gestalt entlang ihrer längsten Achse wahrscheinlicher angehoben werden. In einem solchen Fall würden die Partikel eher durch ihre Gestalt als durch die Curie-Temperatur, wie es erwünscht ist, sortiert.
Zwischenphasenbedingung
LaFeSi-Legierungspulver können wenige Prozent einer αFe-Phase aufweisen. Die αFe-Phase kann unerwünschte Sinterrückstände bilden, welche nicht vollständig während der Herstellung gelöst werden oder können von einer metallischen Zusammensetzung herrühren, die zu der Fe-reichen Seite durch erhöhte Sauerstoffaufnahme während des Pulvermetallisierungsprozesses, der bei der Herstellung eingesetzt wird, verschoben wird. Es ist jedoch auch möglich, außerstöchiometrische Legierungspulver absichtlich herzustellen, um die Bildung der teilweise korrosionsanfälligen La(FeSi)₁₃-Phase zu verhindern. Die Fe-Einschlüsse reagieren natürlicherweise mit dem magnetischen Feld, das angewandt wird, und ergeben für die thermomagnetische Trennung unerwünschte Beiträge der Kraft.
Die αFe-Phase ist im Allgemeinen in Form von globularen Einschlüssen in der Struktur vorhanden und im Durchschnitt ist es möglich, einen Entmagnetisierungsfaktor von N_Fe = 1/3 anzunehmen. Da αFe eine Sättigungspolarisierung von ungefähr 2,16 T bei Raumtemperatur aufweist, wird es nicht vollständig gesättigt bis eine Feldstärke von ungefähr 0,7 T erreicht ist und eine wirksame Polarisation kann wie folgt beschrieben werden: J_Fe = μ₀H_ext/N_Fe = 3B_z. (6)
Dies ergibt den folgenden Ausdruck der Kraftkomponente auf das Partikel, resultierend von dem αFe-Gehalt:
wobei α das Teil des Volumens des αFe ist.
Um eine thermomagnetische Trennung zu erzeugen, sollte F_Fe geringer sein als die Gravitationskraft, die auf die Partikel einwirkt, was die nachfolgende Zwischenphasenbedingung ergibt:
Allgemein kann auch berücksichtigt werden, dass die Phasenfraktion der magnetokalorisch aktiven Phase β geringer ist als 100%. Dies ergibt folgende Bedingungen für die Ausführbarkeit der thermomagnetischen Trennung:
B_z > J_s/3 Sättigungsbedingung (10)
12 zeigt den Einfluss des αFe auf die thermomagnetische Trennung, wobei für die 1:13 Phase J_s = J_s(T) ist, für die Phasenkomponente: ß und αFe J_s = 2,16 T ist, für die Phasenkomponente: α ist J_s die Sättigungspolarisation der magnetokalorischen Phase bei der Temperatur, bei welcher die TMS durchgeführt wird. Um eine saubere Trennung zu erreichen, sollte βJ_s so groß wie möglich im Vergleich zu 3αB_z sein. 12 zeigt die Anforderung für die B_z, die ausgewählt wird, um nur geringfügig größer als J_s/3 zu sein. Geeignete Bedingungen für die Verwendung in der thermomagnetischen Trennung werden in 12 durch die grau schattierte Region gezeigt.
Im Licht der 12 wird in einer Ausführungsform die Sättigungsmagnetisierung der magnetokalorischen Phase, bei der die Abhebebedingung (9) erfüllt ist, in dem Bereich platziert, in dem die Temperaturabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung am höchsten ist, um die größte Trennschärfe zu erreichen. Der Gradient, der in Gleichung (9) ausgewählt wird, sollte ausreichend niedrig sein und das B_z, das in Gleichung (10) ausgewählt wird, sollte ausreichend hoch für die Partikel sein, die nicht abzuheben sind bis die relativ hohe gewünschte Sättigungspolarisation von etwa 0,5 T erreicht ist. Diese Näherung kann für einzelne Partikel verwendet werden. In der Praxis werden jedoch Pulveranhäufungen verwendet und ein derart hoher Grad der Magnetisierung führt zu beträchtlichen Wechselwirkungen zwischen den Pulverpartikeln und somit zu einer Verschlechterung der Trennschärfe. Der nächste Abschnitt beschreibt eine Näherung des Grades der Polarisation, welcher erwartet werden kann in einem Fall einer unterbrochenen Wechselwirkung dieser Art.
Partikelwechselwirkung
Um die Wechselwirkung zwischen zwei benachbarten Partikeln abzuschätzen ist es ausreichend, in einer ersten Annäherung einfach die Partikel mit ihrem Dipol-Moment μ₁ und μ₂ zu beschreiben. Die Verwendung von fettgedruckten Kennzeichen zeigt vektorielle Werte. Die magnetostatische Dipol-Wechselwirkungsenergie ist im Allgemeinen:
Hier ist r die Position des Vektors zwischen den Mittelpunkten der zwei Partikel. Wenn man die speziellen Fälle, die hier gezeigt werden, betrachtet, in denen die Richtung von μ₁ und μ₂ mit der z-Achse zusammenfallen, ist es leicht mit Hilfe der Gleichung (12) die bekannte Bedingung zu verstehen, in welcher es energetisch bevorzugt ist, die Partikel hintereinander entlang der z-Achse zu platzieren (μ parallel zu r) anstelle Seite an Seite (μ senkrecht zu r). Dies führt zu der bekannten Formation von Pulverketten in die Richtung des magnetischen Feldes und zu der Zurückweisung von Ketten senkrecht dazu.
Wenn die Richtung des magnetischen Feldes parallel zu der Schwerkraft ist, muss ein Partikel um den Durchmesser eines anderen Partikels angehoben werden, um das erste Element einer Pulverkette, wie in 13 gezeigt, zu bilden.
Wenn die Arbeit, die erforderlich ist, um dieses zu machen, geringer ist als der Gewinn in magnetostatischer Energie, formt sich eine Pulverkette, wenn sie erst einmal geeignet aktiviert ist. 13 zeigt die Bedingungen, die für den einfachsten Fall von sphärischen Partikeln identischer Größe erforderlich sind.
D ist der Durchmesser der Partikel. Die Polarisation J wird in z-Richtung durch das magnetische Feld gezwungen, B_z erfüllt die Sättigungsbedingungen (10), welche die Polarisation unabhängig von den relativen Positionen der Partikel macht. Mit R als den Radius der Partikel ergibt sich:
In dem speziellen Fall unter dieser Berücksichtigung ergibt das Einführen der Gleichung (13) in die Gleichung (12) eine Pulverkette, die aus zwei Kugeln mit der folgenden magnetostatischen Energie besteht:
In dem Grenzfall muss diese Reduktion in der magnetostatischen Energie das Anwachsen potentieller Energie kompensieren, wenn die Pulverkette gebildet wird, wodurch die folgende Gleichheitsbedingung erzeugt wird: J₁J₂ = 12μ₀ρgD. (15)
Wenn J₁ = J₂ ist, ist es möglich, die Grenzpolarisation als Pulverkettenverbindung zu berechnen, die abhängig von D auftritt. Eine typische LaFeMnSiH_sat-Dichte von ungefähr 7,1 g/cm³ ergibt eine Grenzpolarisation von ungefähr 0,033 T bei einem Partikeldurchmesser von 1 mm und eine Grenzpolarisation von nur ungefähr 0,010 T bei einem Partikeldurchmesser von 100 μm. Um längere Ketten zu bilden, müssen neu hinzukommende Partikel eine immer größer werdende Höhendifferenz überwinden, an dem als ein Ergebnis der Grad der Magnetisierung einen Anstieg mit der Wurzel aus der Kettenlänge gemäß der Gleichung (15) erfordert.
Wenn die Pulverkette aus gleichförmigen Partikeln mit gleichen magnetischen Übergangstemperaturen besteht, kann eine thermomagnetische Trennung durchgeführt werden. Sobald die Sättigungsmagnetisierung ausreichend hoch ist – aufgrund der fallenden Temperatur – um die Abhebebedingung (9) zu erfüllen, wird die gesamte Kette aus dem Grundmaterial abgehoben. In Übereinstimmung mit der Gleichung (15) sind es genau die Partikel mit der höchsten Sättigungsmagnetisierung und somit den höchsten magnetischen Übergangstemperaturen, welche die erste Kette bilden.
Die Anziehungskräfte zwischen den Partikeln innerhalb einer Kette können jedoch größer sein als die Schwerkraft und das ergibt Partikel, welche noch nicht ausreichend magnetisch gesättigt sind, und die als anhaftend bzw. piggy-backed an einem Partikel mit einer ausreichend hohen Curie-Temperatur abgeleitet werden können. Die Kraft zwischen zwei Partikeln, die sich wie in 13 gezeigt berühren, kann durch Differenzierung von (14) mit Bezug auf z berechnet werden:
Wenn diese Kraft der Gewichtskraft gleichgesetzt wird, die auf das untere Partikel einwirkt, ergibt eine Bedingung für die kontinuierliche Anhaftung eines Partikels in einer Weise, ähnlich der Gleichung (15): J₁J₂ = 4μ₀ρgD. (17)
Die Hauptpolarisation, welche ein benachbartes Partikel fortnimmt, ist deshalb noch immer niedriger durch einen Faktor von √3 als die Polarisation, die erforderlich ist, um eine Pulverkette zu bilden. Um den Einfluss der Pulverpartikel-Wechselwirkung zu minimieren, sollte die Sättigungspolarisation für Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 100 μm deutlich weniger als 0,1 T sein. Zusätzlich ist es sinnvoll die Pulvergrundmasse relativ dünn zu halten, um die Koagulation der Pulverpartikel durch mechanische Vibration zu unterdrücken. Dies kann durch eine Kombination des Transportierens des Pulvers auf Vibrationstransportbändern und der Anwendung des niedrigsten möglichen Magnetfeldes, um thermomagnetische Trennung auszuführen, erfolgen.
Berechnete Beispiele und Betriebsdiagramme
Die Bedingungen, die oben abgeleitet sind, werden am besten anhand eines Diagramms erörtert, das die erforderliche Sättigungsmagnetisierung zum Abheben eines Partikels gemäß der Gleichung (9) als Funktion eines magnetischen Feldgradienten ausdrückt. Dieses ist in 14 für eine Serie von Feldstärken Bz, αFe Fraktionen α und Fraktionen der magnetokalorisch aktiven 1:13 Phase ß gezeigt. Die typischen LaFeMnSiH_sat-Dichtenwerte von 7,1 g/cm³ wurden angewandt.
Hier zeigt die kontinuierliche schwarze Kurve den Fall einer Probe, die aus 100% 1:13 Phase besteht und kein αFe enthält. In diesem Fall gemäß Gleichung (9) hängt der Basispunkt nicht von der Feldstärke sondern hauptsächlich von dem Gradient ab. Die Sättigungsbedingung (10) muss jedoch dennoch erfüllt werden. Ein B_z von 0,03 T wurde für die Berechnung der schwarzen Linie angenommen. Als eine Konsequenz der Sättigungsbedingung endet die Linie bei einem dB_z/dz von ungefähr 1 T/m bei einer Sättigungspolarisation von 0,09 T. Das bedeutet, dass bei einer Sättigungsfeldstärke von 0,03 T der Gradient mindestens ungefähr 1 T/m sein muss, damit eine thermomagnetische Trennung überhaupt funktioniert. Die Ausführungsformen, die oben beschrieben wurden, verwenden ein B_z = 0,03 T und einen Gradient von 2,2 T/m. Wenn 1:13 Partikel von einer Temperatur oberhalb ihrer Curie-Temperatur in diesem Betrachtungsfeld langsam abgekühlt werden, steigt ihre Sättigungsmagnetisierung an, bis das Partikel aus dem Grundpulver bei einem Wert von ungefähr 0,04 T herausgehoben wird.
Die gestrichelten Linien in 14 zeigen den Effekt eines ansteigenden αFe-Gehalts auf die Feldstärke von 0,03 T. Ein αFe-Gehalt von 5% hat nur einen geringfügigen Effekt auf den Verlauf der Betriebskurve (durchgezogene schwarze und gestrichelte Linien). Bei 10% (kurz gestrichelte Linie) und 20% (lang gestrichelte Linie) fällt jedoch die Sättigungspolarisation der 1:13 Phase für höhere Gradienten, die zum Abheben der Partikelströme erforderlich sind, beträchtlich. Bei 20% αFe wird es sogar negativ bei einem Gradienten von ungefähr 5 T/mJ_s (1:13). Dies bedeutet, dass unter diesen Bedingungen die Kraft, die auf den αFe-Gehalt einwirkt, allein ausreicht, um die Partikel anzuheben. Dies entspricht der Zwischenphasenbedingung (11), welche auch als J_s (1:13) > 0 beschrieben werden kann, wenn sie in (9) eingesetzt wird.
Bei einem Gradient von 2,2 T/m führt ein 20%-iger αFe-Gehalt zu einer Reduktion in J_s (1:13) von etwa 0,04 zu ungefähr 0,03 T. Dies reduziert die Trennschärfe der thermomagnetischen Trennung durch unterschiedliche αFe-Gehalte. 14 zeigt auch, dass je niedriger der Gradient, umso niedriger ist die Empfindlichkeit für den αFe-Gehalt. Bei B_z = 0,03 T laufen die Linien für die unterschiedlichen αFe-Gehalte bei einem minimalen erlaubten Gradienten für diese Feldstärke von ungefähr 1 T/m praktisch zusammen.
Schließlich zeigt mittels der durchgezogenen Linie (B_z = 0,01 T), der kurz schraffierten Linie (B_z = 0,03 T), und der lang schraffierten Linie (B_z = 0,08 T), der 15 auch den Einfluss der magnetischen Feldstärke für typische LaFeMnSiH_sat bei 5% αFe und 90% 1:13 Phasen. Für B_z = 0,08 T und einem Gradient von ungefähr 1 T/m ist es immer noch möglich, eine sinnvolle thermomagnetische Trennung durchzuführen. Die relative Höhe J_s (1:13), die ungefähr 0,085 T erfordert, führt jedoch zu einem signifikanten Anstieg der Tendenz der Kettenbildung.
Wie gemäß der Gleichung (9) erwartet, vermindert sich der Einfluss von αFe mit B_z und für B_z = 0,01 T ist die Betriebskurve fast identisch mit der αFe-freien idealen Kurve. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse, die oben abgeleitet wurden, ergibt dies ein B_z von ungefähr 0,01 T bei einem Gradient von ungefähr 4–5 T/m als einen besonders bevorzugten Basispunkt der thermomagnetischen Trennung. In diesem Bereich ist der erwartete αFe-Einfluss niedrig und aufgrund der relativ niedrigen Sättigungspolarisation der 1:13 Phase von ungefähr 0,02 T ist die erwartete Wechselwirkung zwischen den Partikeln auch gering.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/090442 [0006]

Claims

Verfahren zum Klassifizieren von Gegenständen, die magnetokalorisch aktives Material entsprechend einer magnetischen Übergangstemperatur aufweisen, umfassend: – Bereitstellen einer Quelle von Gegenständen, die zu klassifizieren sind, wobei die Quelle Gegenstände umfasst, welche magnetokalorisch aktive Materialien aufweisen, die unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen besitzen; – sequentielles Anwenden eines magnetischen Feldes bei unterschiedlichen Temperaturen auf die Quelle, wobei das magnetische Feld ausreichend ist, um eine magnetische Kraft auf die Quelle auszuüben, die größer ist als das Beharrungsvermögen einer Fraktion der Gegenstände, die eine Fraktion der Gegenstände veranlasst, sich zu bewegen und eine Gegenstandsfraktion zu erzeugen, und – Sammeln der Gegenstandsfraktion bei jeder Temperatur, um eine Mehrzahl von getrennten Gegenstandsfraktionen von unterschiedlicher magnetischer Übergangstemperatur bereitzustellen, so dass die Gegenstände, die magnetokalorisch aktives Material aufweisen gemäß der magnetischen Übergangstemperatur, klassifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei – die Temperatur der Quelle auf eine Temperatur T₁ entsprechend einer ersten gewünschten magnetischen Übergangstemperatur T_Übergang1 gesetzt wird, – ein magnetisches Feld wird auf die Quelle angewandt, das eine erste Gegenstandsfraktion innerhalb der Quelle, die eine magnetische Übergangstemperatur von T_Übergang1 ± 3°C aufweist, veranlasst, magnetisch von dem Magneten angezogen und von der Quelle entfernt zu werden, und – die erste Gegenstandsfraktion wird eingesammelt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei – die Temperatur der Quelle auf eine Temperatur T₂ geändert wird entsprechend einer zweiten gewünschten magnetischen Übergangstemperatur T_Übergang2, wobei T_Übergang2 ≠ T_Übergang1, – ein magnetisches Feld wird auf die Quelle angewandt, das eine zweite Gegenstandsfraktion innerhalb der Quelle, die eine magnetische Übergangstemperatur von T_Über _gang2 ± 3°C aufweist, veranlasst, magnetisch von dem Magneten angezogen und von der Quelle entfernt zu werden, und – die zweite Gegenstandsfraktion eingesammelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei 0,5°C ≤ |T₂–T₁| ≤ 5°C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Quelle in einem thermisch leitenden Behälter angeordnet wird und die Temperatur des Behälters geändert wird, um die Temperatur der Quelle durch thermische Leitung zu verändern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Quelle einem Temperaturgradient ausgesetzt wird, die Quelle entlang des Temperaturgradienten bewegt wird, um die Temperatur der Quelle durch thermische Leitung zu ändern und eine Gegenstandsfraktion von der Quelle bei unterschiedlichen Temperaturen entlang des Temperaturgradienten zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Quelle entlang des Temperaturgradienten von der höheren Temperatur zu der niedrigeren Temperatur oder von einer niedrigeren Temperatur zu einer höheren Temperatur bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die Quelle auf einem Band, welches die Quelle durch den Temperaturgradient trägt, platziert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Quelle entlang des Temperaturgradienten durch Vibration des Bandes bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Quelle kontinuierlich durch den Temperaturgradienten bewegt wird und ein magnetisches Feld bei Intervallen entlang des Bandes angewandt wird, wobei die Quelle eine unterschiedliche Temperatur bei jedem Intervall aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Quelle auf einer Oberfläche getragen wird und das magnetische Feld rechtwinklig zu der Oberfläche angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Quelle auf einer Oberfläche getragen wird und das magnetische Feld parallel zu der Oberfläche angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das magnetische Feld um eine Achse rechtwinklig zu der Oberfläche gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei der Temperaturgradient in dem Bereich von 10°C/m bis 200°C/m liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das magnetische Feld durch Anlegen eines Stroms an einen Elektromagneten oder durch einen Permanentmagnet angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein erster Magnet benachbart zu der ersten Seite der Quelle angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein weiterer Magnet benachbart zu der gegenüberliegenden Seite der Quelle angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei ein Magnetfeld von 0,003 T bis 0,3 T oder 0,01 T bis 0,1 T angewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei ein Magnetfeldgradient auf die Quelle angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der magnetische Gradient 0,5 T/m bis 10 T/m ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das magnetische Feld B ≥ J_s/3 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Gegenstände einen maximalen Durchmesser von 2 mm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Gegenstände Partikel sind, die einen Durchmesser innerhalb des Bereichs von 50 um bis 750 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Gegenstände, die von der Quelle entfernt werden, auf einer entfernbaren Oberfläche sichergestellt werden.
Verwendung der magnetischen Trennung bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Temperaturen, um eine Mehrzahl von getrennten Partikelfraktionen zu erzeugen, die unterschiedliche magnetische Übergangstemperaturen einer Quelle aufweisen, die eine Mehrzahl von Partikeln mit unterschiedlichen magnetischen Übergangstemperaturen aufweist.
Verwendung nach Anspruch 25, wobei die Partikel eine oder mehrere einer La(Fe_1-b, Si_b)₃-basierenden Phase, einer Gd₅(Si, Ge)₄-basierenden Phase, einer Mn(As, Sb)-basierenden Phase, einer MnFe(P, As)-basierenden Phase, einer Tb-Gd-basierenden Phase, einer (La, Ca, Pr, Nd, Sr)MnO₃-basierenden Phase, einer Co-Mn-(Si, Ge)-basierenden Phase und einer Pr₂(Fe, Co)₁₇-basierenden Phase umfassen.
Verfahren zum Herstellen eines magnetokalorisch aktiven Bauteils für einen magnetischen Wärmetausch, umfassend: – Durchführen der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23 und Erzeugen einer Mehrzahl von Partikelfraktionen, die unterschiedliche mittlere magnetische Übergangstemperaturen aufweisen, und – Anordnen der Partikelfraktionen in der Reihenfolge von ansteigenden oder abfallenden mittleren Übergangstemperaturen und Erzeugen eines magnetokalorisch aktiven Bauteils für einen magnetischen Wärmetausch.
Verfahren nach Anspruch 27, weiterhin umfassend Kompaktieren einer ersten Partikelfraktion vor Anordnen einer weiteren Partikelfraktion auf der ersten Partikelfraktion.
Verfahren nach Anspruch 28, weiterhin umfassend Kompaktieren der weiteren Partikelfraktion.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei nachdem die Partikelfraktionen in der Reihenfolge der aufsteigenden oder abfallenden magnetischen Übergangstemperaturen angeordnet sind, die Partikelfraktionen wärmebehandelt werden und ein gesintertes magnetokalorisch aktives Bauteil für ein magnetisches Wärmetauschen erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei die Partikel der Partikelfraktion mit einem Adhäsionsmittel vor dem Kompaktieren gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei nach dem Kompaktieren das Adhäsionsmittel ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Adhäsionsmittel bei einer Temperatur T_aushärten von 0°C < T_aushärten < 200°C gehärtet wird.