DE102017120371B3

DE102017120371B3 - Verfahren zum Betreiben einer magnetokalorischen Wärmepumpe und magnetokalorische Wärmepumpenanordnung

Info

Publication number: DE102017120371B3
Application number: DE102017120371.0A
Authority: DE
Inventors: Nina Kevlishvili; B. Eng Andre Wohnsland
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-01-24
Anticipated expiration: 2037-09-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer magnetokalorischen Wärmepumpe, bei dem ein Arbeitsfluid über zumindest zwei Stufen (S_i) zwischen einer Wärmequelle (43) und einer Wärmesenke (44) im Kreis geführt wird, wobei innerhalb jeder Stufe das Arbeitsfluid durch Bereiche mit magnetokalorischem Material geleitet wird, in welchen ein Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsfluid und dem magnetokalorischen Material stattfindet, wobei in jeder Stufe (S_i) ein magnetisierter Bereich (60) von dem in Richtung Wärmesenke (44) strömenden Arbeitsfluid durchströmt wird, in dem das magnetokalorische Material mit einem Magnetfeld beaufschlagt und dadurch magnetisiert wird und Wärme an das Arbeitsfluid abgibt, und ein nicht magnetisierter Bereich (70) von dem in Richtung Wärmequelle (43) strömenden Arbeitsfluid durchströmt wird, in dem das magnetokalorische Material Wärme aus dem Arbeitsfluid aufnimmt. Ein für den Betrieb einer Kältemaschine erforderlicher Temperaturhub ist auf effiziente Weise dadurch erreichbar, dass zumindest ein Teil des Arbeitsfluids bei Überleitung in zumindest einen der Bereiche (60, 70) einer Stufe (S_i) einen Zwischenbereich (30) durchströmt, in dem es mit zumindest einem Teil des Arbeitsfluids aus dem anderen Bereich (60, 70) und/oder einer anderen Stufe (S_i+1, S_i-1) und/oder einem Wärmetauscher (41, 42) kommend durchmischt wird, und dass das durchmischte Arbeitsfluid in zumindest einen der Bereiche (60, 70) der Stufe (S_i) eingeleitet wird (Fig. 1A).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer magnetokalorischen Wärmepumpe, bei dem ein Arbeitsfluid über zumindest zwei Stufen S_i zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke (zumindest zeitweise kontinuierlich) im Kreis geführt wird, wobei innerhalb jeder Stufe das Arbeitsfluid durch Bereiche mit magnetokalorischem Material geleitet wird (z. B. Kanäle mit Schüttgut etc.), in welchen ein Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsfluid und dem magnetokalorischen Material stattfindet, wobei in jeder Stufe ein magnetisierter Bereich von dem in Richtung Wärmesenke strömenden Arbeitsfluid durchströmt wird, in dem das magnetokalorische Material mit einem Magnetfeld beaufschlagt und dadurch magnetisiert wird und Wärme an das Arbeitsfluid abgibt, und ein nicht magnetisierter Bereich von dem in Richtung Wärmequelle strömenden Arbeitsfluid durchströmt wird, in dem das magnetokalorische Material Wärme aus dem Arbeitsfluid aufnimmt, wobei zumindest ein Teil des Arbeitsfluids bei Überleitung in zumindest einen der Bereiche einer Stufe einen Zwischenbereich durchströmt, in dem es mit zumindest einem Teil des Arbeitsfluids aus dem anderen Bereich und/oder einer anderen Stufe und/oder einem Wärmetauscher kommend durchmischt wird, wobei das durchmischte Arbeitsfluid in zumindest einen der Bereiche der Stufe eingeleitet wird, wobei das Arbeitsfluid in dem Zwischenbereich in zumindest einem Mischbereich durchmischt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine magnetokalorische Wärmepumpenanordnung, die dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Magnetokalorische Wärmepumpen stellen eine Alternative zu klassischen - verdampfungsbasierten - Wärmepumpen, z. B. beim Einsatz in der Kältetechnik, dar. An die Stelle der Energiezuführung in Form von Druck (Verdichtung, Expansion), wie sie bei klassischen Wärmepumpen zum Einsatz kommt, tritt dabei Wärmezufuhr bzw. -abfuhr unter Ausnutzung des magnetokalorischen Effekts. Bei dem magnetokalorischen Effekt erwärmt sich ein einem Magnetfeld ausgesetztes Material durch Ausrichtung der magnetischen Dipole adiabat, wobei die Entropie und die Wärmekapazität des Materials verringert wird. Bei Entfernung des Magnetfeldes erfolgt eine adiabate Abkühlung des Materials, z. B. von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur, aufgrund einer nun entstandenen Unordnung der magnetischen Dipole verbunden mit einer Entropieerhöhung. Der Effekt ist um die Curie-Temperatur besonders ausgeprägt und kann bei speziellen, sog. magnetokalorischen, Materialien eine Temperaturdifferenz von mehreren, momentan etwa bis zu 6 K, bedingen.
In Anwendung bei einer magnetokalorischen Wärmepumpe wird die durch die Magnetisierung entstehende Wärme (Q) bzw. durch die Entmagnetisierung entstehende Kälte (-Q) an ein Arbeitsfluid übertragen und von dem Arbeitsfluid an eine Wärmesenke bzw. Wärmequelle abgegeben. Als Arbeitsfluid können insbesondere gängige flüssige oder gasförmige Medien verwendet werden, beispielsweise Wasser, Glykol, Helium oder andere geeignete Medien. Zur stetigen neuen Einbringung von Wärme bzw. Kälte in den Prozess, die jeweils durch das Arbeitsfluid abtransportiert wird, wird das magnetokalorische Material abwechselnd einem Magnetfeld ausgesetzt (magnetisiert) und dieses wieder entfernt. Nach Entfernung des Magnetfeldes ist das magnetokalorische Material, je nach technischer Ausgestaltung, keinem oder einem niedrigen Magnetfeld ausgesetzt. Die abwechselnde Magnetisierung erfolgt z. B. durch Umschaltung einer Magnetanordnung (z.B. mit Permanentmagneten, Elektromagneten oder Supraleitern) relativ zu dem magnetokalorischen Material.
Um die hohen, zum Einsatz in der Kältetechnik benötigten Temperaturdifferenzen zu erreichen, sind unterschiedliche Maßnahmen bekannt. So werden beispielsweise magnetokalorische Materialien unterschiedlicher Curie-Temperaturen aneinandergestapelt und dadurch sogenannte „Layered Beds“ geschaffen, die in Summe eine höhere Temperaturdifferenz erbringen können als einzelne Materialen. Derartige Wärmetauscherbetten und entsprechende dabei verwendete magnetokalorische Materialien sind beispielsweise aus der US 2011/0094243 A1 , der WO 2016/096512 A1 und der WO 2011/018347 bekannt.
Weiterhin sind mehrstufige magnetokalorische Wärmepumpenanordnungen und Verfahren zum Betreiben solcher Wärmepumpenanordnungen bekannt, der auch das Verfahren und die Wärmepumpenanordnung der eingangs genannten Art zuzuordnen sind.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Wärmepumpenanordnung gehen beispielsweise aus der US 8 104 293 B2 hervor. Dabei sind magnetokalorische Elemente in mehreren Stufen zusammengeschaltet, wobei durch die dort offenbarte Steuerung und Zusammenschaltung der Elemente eine effiziente Einstellung der Betriebsparameter beim Hochfahren der Wärmepumpenanordnung ermöglicht wird.
In der EP 1 736 717 A1 ist eine mehrstufige magnetokalorische Wärmepumpenanordnung angegeben, die kontinuierlich rotiert und bei der jeweils Fluid zwischen Sektoren der unterschiedlichen (d. h. magnetisierten und nicht magnetisierten) Bereiche ausgetauscht wird.
Bei den vorgenannten gestaffelten „Layered Beds“ Materialien bzw. mehrstufigen Verfahren kann es, insbesondere bei der Umschaltung, im magnetokalorischen Material zu Bereichen kommen, in denen der Arbeitstemperaturbereich (in der Regel im Bereich um die Curie-Temperatur) verfehlt wird. Dadurch wird der erforderliche Temperaturhub nicht erreicht.
Die DE 693 26 694 T2 , von der auch die vorliegende Erfindung ausgeht, zeigt eine aktive magnetische Regenerationsvorrichtung (AMR) zur Wasserstoffverflüssigung, die mehrere Stufen umfassen kann. Zwischen jeder Stufe wird ein Teil des Stroms, der aus der kalten Seite des Bettes einer Stufe austritt, abgezweigt und mit dem Strom aus der warmen Seite der nächst kälteren Stufe zusammengeführt. Die zusammengeführte Strömung wird in die kalte Seite des zweiten Bettes der gleichen Stufe geleitet, aus der das Fluid abgezweigt worden war. Das aus dem kalten Ende des Bettes in der letzten Stufe austretende Fluid wird lediglich teilweise durch einen Wärmetauscher geleitet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer magnetokalorischen Wärmepumpe sowie eine magnetokalorische Wärmepumpenanordnung bereitzustellen, um auf effiziente Weise einen hohen Temperaturhub, wie er insbesondere für den Betrieb einer Kältemaschine erforderlich ist, zu erreichen.
Die Aufgabe wird für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Arbeitsfluids bei Überleitung (kommend von einem Wärmetauscher oder einer anderen Stufe) in zumindest einen der Bereiche einer Stufe S_i einen Zwischenbereich durchströmt, in dem es mit zumindest einem Teil des Arbeitsfluids aus dem anderen Bereich und/oder einer anderen Stufe S_i+1 , S_i-1 und/oder einem der Wärmetauscher kommend durchmischt wird. Dabei wird das durchmischte Arbeitsfluid in zumindest einen der Bereiche der Stufe S_i eingeleitet. Hierbei bezeichnet i = 1 ... n eine bestimmte Stufe der mindestens zwei Stufen, mit n = Gesamtanzahl der Stufen der magnetokalorischen Wärmepumpe (mit n ≥ 2).
Für die magnetokalorische Wärmepumpenanordnung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 6 gelöst. Dabei ist in Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem magnetisierten und nicht magnetisierten Bereich zumindest ein Zwischenbereich mit zumindest einem Mischbereich zum Mischen von Arbeitsfluid aus den unterschiedlichen Bereichen und/oder unterschiedlichen Stufen und/oder einem der Wärmetauscher zwischengeschaltet ist, wobei vorzugsweise einer der Mischbereiche jeweils einer Stufe zugeordnet ist. „Zwischengeschaltet“ bedeutet dabei derart angeordnet, dass vor Überleitung in den magnetisierten oder den nicht magnetisierten Bereich zunächst der Zwischenbereich von Arbeitsfluid (d. h. zumindest einem Teil des Arbeitsfluids) durchströmt wird. Möglich ist dabei, dass jeder Stufe, aber auch nur einigen oder einer Stufe, ein Mischbereich zugeordnet ist, und/oder dass ausgehend von dem Mischbereich das durchmischte Arbeitsfluid in eine oder mehrere Stufen und/oder Bereiche geleitet wird.
Die Mischung von Arbeitsfluid in dem Zwischenbereich erlaubt eine Kontrolle über die Eintrittstemperatur in die Strömungskanäle der einzelnen Stufen, wodurch passende Eintrittstemperaturen des Arbeitsfluids in die einzelnen Strömungskanäle eingestellt werden können. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Zwischenschaltung eines Zwischenbereichs mit einem oder mehreren Mischbereichen zwischen die beiden (d. h. magnetisierten und nicht magnetisierten) Bereiche die Arbeitstemperaturen innerhalb der magnetokalorischen Materialien besser eingehalten werden können als ohne einen derartigen Zwischenbereich. Dadurch können die magnetokalorischen Materialien effizient genutzt werden. Auch haben sich Vorteile beim Hochfahren einer derartigen magnetokalorischen Wärmepumpenanordnung gezeigt, wobei sich ein selbstregelndes System ergibt, bei dem keine Vorkonditionierung notwendig ist. Die Selbstregelung kann beim Hochfahren der Wärmepumpenanordnung, betrieben als Kältemaschine oder als Wärmepumpe, ohne ein von außen vorgegebenes Regelungskonzept erfolgen. Dabei wird vorzugsweise das Arbeitsfluid zunächst ohne die Zwischenschaltung bzw. den Betrieb der Wärmetauscher im Kreis geführt. Zunächst arbeitet ausgehend von einer einheitlichen, in der Regel der Umgebungstemperatur entsprechenden Temperatur, diejenige Stufe, deren Arbeitstemperatur der Umgebungstemperatur am nächsten liegt, zumindest soweit, dass über das Arbeitsfluid der Zwischenbereich, insbesondere der ihr zugeordnete Mischbereich, aufgewärmt wird. Nach Erreichen einer Temperatur, die der notwendigen Arbeitstemperatur der nachgeschalteten Stufe entspricht, schaltet sich diese ebenfalls zu und so fort. Nach Erreichen der Arbeitstemperaturen aller zu betreibender Stufen erfolgt eine Zuschaltung bzw. Inbetriebnahme der Wärmetauscher. Bei bisher bekannten Wärmepumpenanordnungen müssen häufig bestimmte Regelungskonzepte angewandt werden, um ein stabiles Hochfahren zu gewährleisten.
Eine besonderes vorteilhafte Temperaturkontrolle ergibt sich dadurch, dass das Arbeitsfluid in dem Zwischenbereich in zumindest einem Mischbereich B_i durchmischt wird, wobei der Mischbereich B_i (bei Vorhandensein mehrerer Mischbereiche die jeweiligen Mischbereiche B_i ) einer Stufe S_i (bei Vorhandensein mehrerer Mischbereiche jeweils einer Stufe S_i ) zugeordnet ist.
Dem Mischbereich B_i der jeweiligen Stufe S_i wird jeweils ein Massenstrom an Arbeitsfluid aus dem magnetisierten (d. h. „warmen“) Bereich einer anderen, vorgeschalteten, Stufe S_i-1 , oder der Wärmequelle (die der hier definitionsgemäß ersten Stufe (i = 1) vorgeschaltet ist), und ein Massenstrom an Arbeitsfluid aus dem nicht magnetisierten (d. h. „kalten“) Bereich einer anderen, vorgeschalteten, Stufe S_i+1 , oder der Wärmesenke (die hier definitionsgemäß der letzten Stufe (i = n) vorgeschaltet ist), zugeführt, die durchmischt werden, wobei das durchmischte Arbeitsfluid jeweils zu einem Anteil dem magnetisierten und zu einem anderen Anteil dem nicht magnetisierten Bereich der jeweiligen Stufe S_i zugeführt wird. Hierbei durchströmt definitionsgemäß das Arbeitsfluid ausgehend von einem ersten Wärmetauscher (zugeordnet der Wärmequelle) die Stufen in der Reihenfolge S₁ bis S_n hin zu der Wärmesenke durch den magnetisierten Bereich. Ausgehend von dem zweiten Wärmetauscher (zugeordnet der Wärmesenke) durchströmt das Arbeitsfluid die Stufen in der Reihenfolge S_n bis S₁ hin zu der Wärmequelle durch den nicht magnetisierten Bereich. Nach Durchmischung in dem Mischbereich ist die Temperatur des Arbeitsfluids gegenüber dem von dem magnetisierten, „warmen“ Bereich kommenden Arbeitsfluid abgesenkt. Gegenüber dem von dem nicht magnetisierten, „kalten“ Bereich kommenden Arbeitsfluid ist die Temperatur nach Durchmischung angehoben.
Ein gleichmäßiger und effizienter Betrieb der Wärmepumpenanordnung ist dadurch erreichbar, dass die Anteile der aus dem magnetisierten und dem nicht magnetisierten Bereich in den Mischbereich B_i zugeführten Massenströme und die Anteile der der aus dem Mischbereich B_i hin zu der Stufe S_i abgeführten Massenströme gleich groß sind. Auf diese Weise lässt sich die Masse an Arbeitsfluid in den unterschiedlichen Bereichen aufrechterhalten. Insbesondere mit einer gleichen Ausbildung der Strömungskanäle in den Bereichen (z. B. gleiche Länge, gleiche durchströmte Fläche), durch die ein kontrollierter, gleichmäßiger Wärmeübergang gefördert wird, kann ein kontrollierter Betrieb der Wärmepumpenanordnung erreicht werden. In einer bevorzugten Variante beträgt das Massenverhältnis der Massenströme jeweils 1 zu 1. Möglich wären auch andere Verhältnisse, die eine zusätzliche Variabilität in der Einströmtemperatur geben können.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die Magnetisierung der Bereiche durch eine Umschaltung des angelegten Magnetfeldes diskontinuierlich gewechselt, wobei in einem ersten Zyklus ein erster Bereich mit den ihm zugeordneten Strömungskanälen und in einem zweiten Zyklus ein zweiter Bereich mit den anderen, ihm zugeordneten Strömungskanälen durch das Magnetfeld magnetisiert wird und der jeweils andere Bereich (d. h. in dem ersten Zyklus der zweite Bereich und in dem zweiten Zyklus der erste Bereich) nicht durch das Magnetfeld magnetisiert wird. Dabei kann der jeweilige Zyklus z. B. aus einer Umschaltzeit und einer Durchströmzeit zusammengesetzt sein. Während der Umschaltzeit kann die Durchströmung durch Arbeitsfluid unterbrochen sein, während es während der Durchströmzeit kontinuierlich strömt. Auf diese Weise wird vorteilhaft das Arbeitsfluid unter weitgehend bekannten und gut kontrollierbaren Randbedingungen durch die Strömungskanäle geleitet. Die Umschaltung zwischen den Zyklen erfolgt bevorzugt dann, wenn gerade ein Temperaturausgleich zwischen der Eintrittstemperatur des Arbeitsfluids und den Bereichen bzw. den Strömungskanälen erreicht ist (ein technisch vernachlässigbarer Temperaturunterschied dT kann bestehen bleiben). Alternativ kann die Umschaltung bereits vor Erreichen des Temperaturausgleichs erfolgen.
Anstelle der diskontinuierlichen Umschaltung kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einer kontinuierlichen Umschaltung, bspw. eine kontinuierliche Rotation, angewandt werden.
Einer effizienten Verfahrensführung mit geringen Strömungsverlusten und einer gleichmäßigen, kontrollierbaren Eintrittstemperatur ist es zuträglich, wenn bei Umschaltung die Durchströmrichtung des Arbeitsfluids durch die Bereiche beibehalten wird.
Vorzugsweise durchströmt das Arbeitsfluid innerhalb einer Stufe Strömungskanäle mit einem gleichen magnetokalorischen Material und bei zumindest zwei Stufen S_i , S_i-1 , S_i+1 durchströmt das Arbeitsfluid das gleiche oder unterschiedliches magnetokalorisches Material. Dabei sind vorzugsweise innerhalb einer Stufe die Strömungskanäle mit einem gleichen magnetokalorischen Material gefüllt und bei zumindest zwei Stufen S_i , S_i-1 , S_i+1 ist das gleiche oder unterschiedliches magnetokalorisches Material verwendet. Bei Verwendung von unterschiedlichen Materialen sind vorzugsweise die Stufen in Richtung Wärmesenke hintereinanderliegend mit Materialien aufsteigender Curie-Temperaturen (d. h. entsprechend in Richtung Wärmequelle abfallender Curie-Temperaturen) gefüllt. Ob gleiches oder unterschiedliches Material und welches Material verwendet wird, hängt z. B. von den Materialeigenschaften, d. h. insbesondere den Arbeitstemperaturbereichen (um die Curie-Temperaturen) der einzelnen Materialien, und den Betriebsparametern der Wärmepumpenanordnung ab. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Materialien bekannt, die geeignet sein können.
Bei der magnetokalorischen Wärmepumpenanordnung ist eine vorteilhafte Strömungsführung, wobei die Durchströmrichtung bei Umschaltung zwischen den Zyklen vorteilhaft beibehalten werden kann, dadurch erreichbar, dass die jeweiligen Strömungskanäle über die Leitungsanordnung mit den jeweiligen Mischbereichen B_i (mit i = 1 bis n, n = Anzahl der Stufen) verbunden sind, wobei jeweils einem Strömungskanal einer jeweiligen Stufe S_i und des jeweiligen ersten oder zweiten Bereichs zumindest ein variabler und zumindest ein fester Anschluss zugeordnet ist.
Vorzugsweise ist der variable Anschluss des Strömungskanals der jeweiligen Stufe S_i in dem jeweiligen Bereich, der gerade den magnetisierten Bereich bildet, mit einem Mischbereich B_i+1 einer strömungsmechanisch nachgeschalteten Stufe S_i+1 verbunden. In den Mischbereich B_i+1 strömt das Arbeitsfluid nach Durchströmen des Strömungskanals ein. Die letzte Stufe, für die gilt i+1 = n+1, ist anstelle mit der nachgeschalteten Stufe mit dem zweiten Wärmetauscher, zur Wärmesenke hin, verbunden. In dem jeweiligen Bereich, der gerade den nicht magnetisierten Bereich bildet, ist der variable Anschluss mit einem Mischbereich B_i-1 einer strömungsmechanisch nachgeschalteten Stufe S_i-1 verbunden. Die erste Stufe, für die gilt i-1 = 0, ist anstelle mit der nachgeschalteten Stufe mit dem ersten Wärmetauscher, zur Wärmequelle hin, verbunden. Aufgrund der Umschaltung zwischen den Zyklen, wobei der magnetisierte Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich wechselt, werden auch die Verbindungen zwischen den Anschlüssen umgeschaltet, sodass sich variable Anschlüsse ergeben. Die Umschaltung der Verbindungen kann z. B. über ein Ventil erfolgen. Der feste Anschluss des Strömungskanals ist mit dem Mischbereich B_i der jeweiligen Stufe S_i verbunden, wobei (dann durchmischtes) Arbeitsfluid aus dem Mischbereich B_i in den Strömungskanal einströmt.
Den Mischbereichen B_i , B_i-1 , B_i+1 sind jeweils zumindest zwei feste Anschlüsse zum Ausströmen und zumindest zwei variable Anschlüsse zum Einströmen von Arbeitsfluid zugeordnet. Dabei ist einer der variablen Anschlüsse mit einem Strömungskanal der strömungsmechanisch vorgeschalteten Stufe S_i-1 in dem Bereich, der gerade den magnetisierten Bereich bildet, (alternativ, für i-1 = 0: mit dem Wärmetauscher der Wärmequelle) verbunden und einer der variablen Anschlüsse mit einem vorgeschalteten Strömungskanal der strömungsmechanisch vorgeschalteten Stufe S_i+1 in dem Bereich, der gerade den nicht magnetisierten Bereich bildet, (alternativ, für i+1 = n+1: mit dem Wärmetauscher der Wärmesenke) verbunden. Die festen Anschlüsse sind jeweils mit den Strömungskanälen der jeweiligen Stufe S_i verbunden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strömungskanäle, sich axial erstreckend, in einer Zylinderanordnung umlaufend nebeneinander angeordnet, wobei sie je abwechselnd dem ersten und dem zweiten Bereich zugeordnet sind und wobei sie zumindest großteils von der Magnetanordnung umgeben sind oder zumindest großteils die Magnetanordnung umgeben. „Großteils“ bedeutet hier, dass Teile der Magnetanordnung, z. B. leitende, insbesondere weichmagnetische, Materialen, auch auf der anderen Seite der Strömungskanäle angeordnet sein können als der übrige Teil der Magnetanordnung, d.h. innen- oder außenliegend. Die Strömungskanäle nehmen so, vorzugsweise je gleich große, Sektorabschnitte der Zylinderanordnung ein. Die Magnetanordnung ist, relativ zu den Strömungskanälen rotierbar (durch Rotation der Magnetanordnung und/oder der Strömungskanäle), umlaufend um die Strömungskanäle oder umgeben durch die Strömungskanäle angeordnet, und weist vorzugsweise einen zylindrischen oder mehrkantigen Außenquerschnitt auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Magnetanordnung derart umlaufend rotierbar um die Strömungskanäle angeordnet, dass sie zyklisch abwechselnd den ersten Bereich in einem ersten Zyklus und, nach Umschaltung, den zweiten Bereich in einem zweiten Zyklus magnetisiert, sodass abwechselnd der erste oder der zweite Bereich den magnetisierten Bereich und der jeweils andere den nicht magnetisierten Bereich bildet. Im Übergang zwischen den Zyklen ist das Magnetfeld durch Rotation der Magnetanordnung um einen Sektorabschnitt, den ein Strömungskanal einnimmt, beispielsweise innerhalb einer Umschaltzeit umschaltbar. Magnetanordnungen, wie sie hier vorteilhaft Verwendung finden können, sind beispielsweise aus der Veröffentlichung „L. Lorenz, N. Kevlishvili, Designing of Halbach cylinder based magnetic assembly for a rotating magnetic refrigerator. Part 1: Designing procedure, Int. Journal of Refrigeration 73 (2017), S. 246-256" oder „N. Kevlishvili, L. Lorenz, Designing of Halbach cylinder based magnetic assembly for a rotating magnetic refrigerator. Part 2: Inverted Design, Int. Journal of Refrigeration" (eingereicht am 24. Mai 2017) bekannt.
Daneben kann die Magnetanordnung auch zahlreiche weitere Ausgestaltungen aufweisen, auch ausgehend von bekannten Magnetanordnungen, wie z. B. aus „Okamura, T., Rachi, R., Hirano, N., and Nagaya, S., 2007. Proc. 2nd International Conference on Magnetic Refrigeration at Room Temperature, Portoroz, Solvenia, IIF/IIR:377-382" oder „Bjork, R., Bahl, C. R. H., Smith, A., Christensen, D. V. and Pryds, N., An optimized magnet for magnetic refrigeration, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 322, S. 3324-3328, 2010", die entsprechend zu einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung modifiziert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1A, B ein Fließschema eines ersten Zyklus (1A) und eines zweiten Zyklus (1B) eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 einen Teil eines verallgemeinerten Fließschemas eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Verschaltung von Mischbereichen und Strömungskanälen und
3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Magnetanordnung, wie sie in einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenanordnung vorteilhaft verwendet werden kann.

Die 1A und 1B zeigen Fließschemata je eines ersten Zyklus (1A) und eines zweiten Zyklus (1B) eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer magnetokalorischen Wärmepumpe 1. Dabei wird ein Arbeitsfluid zwischen einer Wärmequelle 43 (zu kühlende Seite, z.B. Kühlraum) und einer Wärmesenke 44 (z.B. Umgebung) über mehrere Stufen S_i (mit i = 1...n, n Anzahl der Stufen), vorliegend beispielhaft n = 3 Stufen S_i , S₃ , S₃ , im Kreis geführt. Je nach Ausführung kann die Anzahl n der Stufen variieren. Der Strömungsweg des Arbeitsfluids durch eine Leitungsanordnung 50 ist schematisch durch Linien bzw. Pfeile verdeutlicht, wobei die gestrichelten Linien die Verbindungen zwischen den einzelnen Stufen S_i darstellen. Das Arbeitsfluid steht im Betrieb mit der Wärmequelle 43 über einen von dem Arbeitsfluid durchströmten ersten Wärmetauscher 41 und mit der Wärmesenke 44 über einen von dem Arbeitsfluid durchströmten zweiten Wärmetauscher 42 in thermischem Kontakt. Die Stufen S_i sind zwischen den Wärmetauschern 41, 42 angeordnet und hier in aufsteigender Reihenfolge ausgehend von dem ersten Wärmetauscher 41 (diesem ist S₁ nachgeschaltet) zu dem zweiten Wärmetauscher 42 (diesem ist S_n vorgeschaltet) bezeichnet.
Die Stufen S_i weisen jeweils in einem ersten Bereich 10 zumindest einen Strömungskanal 14 und in einem zweiten Bereich 20 zumindest einen Strömungskanal 24 auf, d.h. in Summe zumindest zwei Strömungskanäle 14, 24. Vorliegend sind dies in dem ersten Bereich 10 ein erster Strömungskanal 11 (zugeordnet der ersten Stufe), ein zweiter Strömungskanal 12 (zugeordnet der zweiten Stufe) und ein dritter Strömungskanal 13 (zugeordnet der dritten Stufe), und in dem zweiten Bereich 20 ein erster Strömungskanal 21 (zugeordnet der ersten Stufe), ein zweiter Strömungskanal 22 (zugeordnet der zweiten Stufe) und ein dritter Strömungskanal 23 (zugeordnet der dritten Stufe). Die Strömungskanäle 14, 24 sind jeweils derart mit magnetokalorischem Material gefüllt, dass das Arbeitsfluid beim Durchströmen der Strömungskanäle 14, 24 mit dem magnetokalorischen Material in thermischen Kontakt tritt. Dabei kann das magnetokalorische Material beispielsweise als Schüttgut, als geschichtete, von Arbeitsfluid umströmbare Materialplatten, als poröses Material oder auf andere, zur Durchströmung geeignete Weise in die Strömungskanäle 14, 24 eingebracht sein. Vorzugsweise ist in den Strömungskanälen 14, 24 je Stufe S_i das gleiche magnetokalorische Material verwendet, während die Strömungskanäle 14, 24 unterschiedlicher Stufen S_i , je nach Arbeitstemperaturbereich und Betriebsparametern, mit gleichem oder unterschiedlichem Material gefüllt sein können. Als magnetokalorisches Material können bekannte magnetokalorische Materialien, die auch „layered bed“-Materialien umfassen können, verwendet werden. Die einzelnen Strömungskanäle 14, 24 sind vorzugsweise gleichartig ausgebildet, d. h. sie weisen insbesondere die gleiche Geometrie auf, wodurch sich gleiche Durchströmgeschwindigkeiten und Massenströme ergeben.
In dem in 1A dargestellten ersten Zyklus ist der erste Bereich 10 durch eine (z. B. in 3 schematisch gezeigte) Magnetanordnung 80 mit einem Magnetfeld H₁ magnetisiert, d. h. der erste Bereich 10 bildet einen magnetisierten Bereich 60, während der zweite Bereich 20 nicht magnetisiert ist und damit, je nach Ausführungsform der Magnetanordnung 80, kein bzw. ein geringes Magnetfeld H₀ aufweist und einen nicht magnetisierten Bereich 70 bildet. In dem in 1B dargestellten zweiten Zyklus ist das Magnetfeld derart umgeschaltet, dass der zweite Bereich 20 den magnetisierten Bereich 60 bildet, während der erste Bereich 10 den nicht magnetisierten Bereich 70 bildet.
Erfindungsgemäß ist zwischen den beiden Bereichen 10 und 20, die jeweils abwechselnd magnetisiert sind (und damit auch zwischen den magnetisierten und nicht magnetisierten Bereichen 60, 70), ein Zwischenbereich 30 mit Mischbereichen 34, vorliegend drei an der Zahl, angeordnet, wobei ein erster Mischbereich 31 der ersten Stufe S₁ , ein zweiter Mischbereich 32 der zweiten Stufe S₂ und ein dritter Mischbereich 33 der dritten Stufe S₃ zugeordnet ist. Die Mischbereiche 34 können z. B. durch Behälter oder Kanäle oder sonstige zur Durchströmung und Mischung von Fluiden geeigneten Vorrichtungen gebildet sein.
Den Mischbereichen 34 sind jeweils zwei feste Anschlüsse zugeordnet, die über die Leitungsanordnung 50 mit den jeweiligen Strömungskanälen 14, 24 der gleichen Stufe S_i verbunden sind und über die Arbeitsfluid aus den Mischbereichen 34 aus- und in die Strömungskanäle 14, 24 der jeweiligen Stufen S_i einströmt. Ferner sind den Mischbereichen 34 zwei variable Anschlüsse zugeordnet, aus denen Arbeitsfluid in die Mischbereiche 34 einströmt.
Eine allgemeine Zuordnung der Anschlüsse, wie sie auch für 1A, B gilt, ist anhand 2 gezeigt, wobei die erste und die letzte Stufe S₁ , S_n (die mit den Wärmetauschern verschaltet sind), nicht berücksichtigt sind. Dabei stellen die durchgehenden Linien und durchgehend umrissenen Symbole die Verschaltung während des ersten Zyklus und die gestrichelten Linien und gestrichelt umrissenen Symbole die Verschaltung während des zweiten Zyklus dar.
Während die festen Anschlüsse eines in 2 dargestellten Mischbereichs B_i mit den Strömungskanälen 14, 24 innerhalb der gleichen Stufe S_i verbunden sind, stehen die variablen Anschlüsse mit Strömungskanälen 14, 24 der benachbarten Stufen S_i+1 , S_i-1 in Verbindung. Einer der variablen Anschlüsse ist mit dem Strömungskanal 14, 24 der strömungsmechanisch vorgeschalteten Stufe S_i-1 des Bereichs 10, 20 verbunden, der gerade den magnetisierten Bereich 60 bildet (in dem ersten Zyklus einer der Strömungskanäle 14, in dem zweiten Zyklus einer der Strömungskanäle 24). Der andere variable Anschluss ist mit einem Strömungskanal 14, 24 der strömungsmechanisch vorgeschalteten Stufe S_i-1 des Bereichs 10, 20 verbunden, der gerade den nicht magnetisierten Bereich 70 bildet (in dem ersten Zyklus einer der Strömungskanäle 24, in dem zweiten Zyklus einer der Strömungskanäle 14). Aus dem magnetisierten Bereich 60 strömt jeweils Arbeitsfluid mit einer höheren Temperatur in den Mischbereich B_i ein als von dem nicht magnetisierten Bereich 70 kommend. Da die Magnetisierung der Bereiche 10, 20 zyklisch wechselt, wechselt auch die Zuordnung der variablen Anschlüsse.
Bei dem Beispiel in 1A, das den ersten Zyklus (mit magnetisiertem erstem Bereich 10) zeigt, sind bei dem zweiten Mischbereich 32 entsprechend die variablen Anschlüsse mit dem Strömungskanal 11 (der Stufe S₁ ) und mit dem Strömungskanal 23 (der Stufe S₃ ) aus dem zweiten Bereich 20 verbunden. Bei dem zweiten Zyklus (1B) (mit magnetisiertem zweitem Bereich 20) sind die variablen Anschlüsse des zweiten, mittleren Mischbereichs 32 mit dem Strömungskanal 21 (der Stufe S₁ ) und dem Strömungskanal 13 (der Stufe S₃ ) verbunden.
Wie 2 weiter zeigt, weisen die Strömungskanäle 14, 24 je einen festen Anschluss auf, der mit dem jeweiligen Mischbereich B_i der gleichen Stufe S_i verbunden ist. Durch die festen Anschlüsse strömt Arbeitsfluid in den jeweiligen Strömungskanal 14, 24 ein. Weiterhin weisen die Strömungskanäle 14, 24 je einen variablen Anschluss auf, die, je nach Zyklus wechselnd, mit den stromab angeordneten Mischbereichen B_i+1 bzw. B_i-1 verbunden sind und aus denen Arbeitsfluid in die Mischbereiche B_i+1 bzw. B_i-1 einströmt.
Wie die 1A und 1B zeigen, weisen der erste Mischbereich 31 (entsprechend B₁ ) und der letzte Mischbereich 33 (entsprechend B_n ), die jeweils benachbart der Wärmetauscher 41 bzw. 42 angeordnet sind, drei feste Anschlüsse auf, nämlich zusätzlich einen von dem jeweiligen Wärmetauscher 41, 42 kommend. Die zusätzlichen festen Anschlüsse ersetzen jeweils die variablen Anschlüsse, die bei den übrigen Mischbereichen B_i (mit i ≠ 1, n) jeweils von dem magnetisierten Bereich 60 (bei B₁ ersetzt durch Anschluss des ersten Wärmetauschers 41) bzw. dem nicht magnetisierten Bereich 70 (bei B_n ersetzt durch Anschluss des zweiten Wärmetauschers 42) kommend belegt sind.
Der Verfahrensablauf im Betrieb wird anhand 1 erläutert. In dem ersten Zyklus (1A) fließt das Arbeitsfluid ausgehend von dem ersten Wärmetauscher 41 kontinuierlich durch die Stufen S₁ bis S₃ durch den ersten Bereich 10, der hier den magnetisierten Bereich 60 bildet, durch die jeweils zwischengeschalteten Mischbereiche 31, 32, 33 und die Strömungskanäle 11, 12, 13 zu dem zweiten Wärmetauscher 42. Während des Umschaltens zwischen dem ersten und dem zweiten Zyklus kann der Durchfluss unterbrochen werden. Der magnetisierte Bereich 60 stellt den warmen Bereich dar, sodass das Arbeitsfluid auf dem Strömungsweg Wärme aus den magnetisierten Strömungskanälen 11, 12, 13, aufnimmt, wodurch seine Temperatur ansteigt. Innerhalb eines einzelnen Strömungskanals 11, 12, 13 wird das Arbeitsfluid von einer Eintrittstemperatur T_s,ein auf eine Austrittstemperatur T_s,aus erwärmt. Stromab der Strömungskanäle 11, 12, wird das Arbeitsfluid in den jeweils nachgeschalteten Mischbereich 32, 33 der nächsten Stufe S₂ , S₃ geleitet, wobei die Eintrittstemperatur in den jeweiligen Mischbereich 32, 33 T_B,ein = T_s,aus beträgt. Stromab des Strömungskanals 13 strömt das Arbeitsfluid in den zweiten Wärmetauscher 42, wobei es derart erwärmt ist, dass es Wärme an die Wärmesenke 44 abgeben kann. In dem jeweiligen Mischbereich 32, 33 wird das Arbeitsfluid mit ebenfalls zugeführtem Arbeitsfluid von dem nicht magnetisierten und dadurch kalten Bereich 70 (in 1A entsprechend dem zweiten Bereich 20) kommend, vorzugsweise (technisch) homogen, durchmischt. Dabei wird beispielsweise von dem magnetisierten Bereich 60, d.h. hier dem ersten Bereich 10, und dem nicht magnetisierten Bereich 70 jeweils das gleiche Massenverhältnis an Arbeitsfluid zugeführt. Als Mischtemperatur T_mix des durchmischten Arbeitsfluids stellt sich eine Temperatur ein, die zwischen der Temperatur des von dem magnetisierten, warmen Bereich 60 einströmenden Arbeitsfluids und des von dem nicht magnetisierten, kalten Bereich 70 einströmenden Arbeitsfluids liegt. Bei gleichem Massenverhältnis stellt sich die mittlere Temperatur ein. Die Temperatur des von dem magnetisierten Bereich 60 kommenden Arbeitsfluids wird damit verringert, die des von dem nicht magnetisierten Bereich 70 kommenden Arbeitsfluids erhöht. Das durchmischte Arbeitsfluid wird z. B. zu gleichen Teilen aufgeteilt und strömt in die Strömungskanäle 14, 24 der gleichen jeweiligen Stufe S₂ , S₃ jeweils in den magnetisierten, warmen Bereich 60 und den nicht magnetisierten, kalten Bereich 70 ein, wobei es die Mischtemperatur des durchmischten Arbeitsfluids T_mix aufweist. In dem magnetisierten Bereich 60 wird die Temperatur in den Strömungskanälen 14, 24 der gleichen jeweiligen Stufe S₂ , S₃ auf eine Temperatur erhöht, die oberhalb der Austrittstemperatur des Strömungskanals 14 der jeweiligen stromauf angeordneten Stufen S₁ , S₂ liegt. Aus dem Strömungskanal 14 der letzten Stufe S₃ fließt das Arbeitsfluid ohne Zwischenschaltung eines weiteren Mischbereichs 34 in den zweiten Wärmetauscher 42.
Ausgehend von dem zweiten Wärmetauscher 42 strömt das Arbeitsfluid durch den nicht magnetisierten Bereich 70 (in 1A durch zweiten Bereich 20 gebildet) in Richtung des ersten Wärmetauschers 41. Auf diesem Weg wird es über jede Stufe S₃ , S₂ , S₁ zunehmend abgekühlt, sodass das Arbeitsfluid am Ende Wärme aus der Wärmequelle 43 aufnehmen kann. Zwischen den einzelnen Strömungskanälen 24 der einzelnen Stufen S₃ , S₂ , S₁ wird das Arbeitsfluid jeweils durch die Mischbereiche 33, 32, 31 geleitet. In den jeweiligen Mischbereichen 33, 32, 31 wird es mit dem ebenfalls zugeführten Arbeitsfluid aus dem magnetisierten, warmen, Bereich 60, vorzugsweise (technisch) homogen, durchmischt (siehe oben). Die sich einstellende Mischtemperatur T_mix ist höher als die Eintrittstemperatur des von dem nicht magnetisierten, kalten Bereich 70 kommenden Arbeitsfluids. Stromab des jeweiligen Mischbereiches 33, 32, 31 wird das Arbeitsfluid in den Strömungskanal 23, 22, 21 der jeweiligen Stufe S₃ , S₂ , S₁ geleitet, wobei es mit einer Temperatur in den jeweiligen Strömungskanal 23, 22, 21 eintritt, die höher ist als die Austrittstemperatur aus dem vorangeschalteten Strömungskanal 22, 23 bzw. dem vorgeschalteten zweiten Wärmetauscher 42. Aus dem Strömungskanal 21 der ersten Stufe S₁ , die benachbart zu dem ersten Wärmetauscher 41 angeordnet ist, strömt das Arbeitsfluid ohne Zwischenschaltung eines weiteren Mischbereiches 34 in den ersten Wärmetauscher 41 ein.
In dem zweiten Zyklus (1B) fließt das Arbeitsfluid ausgehend von dem ersten Wärmetauscher 41 kontinuierlich durch die Stufen S₁ bis S₃ durch den zweiten Bereich 20, der nun den magnetisierten, warmen, Bereich 60 bildet, durch die jeweils zwischengeschalteten Mischbereiche 31, 32, 33 und die Strömungskanäle 21, 22, 23 zu dem zweiten Wärmetauscher 42. Auf dem Weg von dem zweiten Wärmetauscher 42 zu dem ersten Wärmetauscher 41 fließt es durch den ersten Bereich 10, der nun den nicht magnetisierten, kalten Bereich 70 bildet. Die Strömungsführung und Mischung des Arbeitsfluids entspricht ansonsten sinngemäß der Strömung, die in 1A beschrieben wurde.
Die Umschaltung zwischen den Zyklen erfolgt vorzugsweise, bevor die Strömungskanäle 14, 24 die jeweiligen Eintrittstemperaturen des Arbeitsfluids erreicht haben oder wenn die Strömungskanäle 14, 24 (nahezu) auf die Eintrittstemperatur abgekühlt bzw. aufgewärmt sind (ggf. mit Ausnahme eines vernachlässigbar kleinen Temperaturunterschieds dT). Bis zu diesem Zeitpunkt, an dem die Umschaltung beginnt, werden die Strömungskanäle 14, 24 kontinuierlich mit dem Arbeitsfluid durchströmt, wobei dieser Phase einer hier als „Durchströmzeit“ bezeichnete Zeitspanne zugeordnet ist. Am Ende der Durchströmzeit tritt die Umschaltung des Magnetfeldes z. B. durch eine Positionsänderung der Magnetanordnung 80 (vgl. 3) ein. Die Umschaltung läuft innerhalb einer hier als „Umschaltzeit“ bezeichneten Zeitspanne ab. Während des Umschaltens kann die Strömung des Arbeitsfluids unterbrochen oder fortgeführt werden.
3 zeigt schematisch eine Magnetanordnung 80 in Ansicht von vorne, wie sie in einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenanordnung 1 vorteilhaft verwendet werden kann. Eine derartige Magnetanordnung 80 ist aus der Veröffentlichung „L- Lorenz, N. Kevlishvili, Designing of Halbach cylinder based magnetic assembly for a rotating magnetic refrigerator. Part 1: Designing procedure", Int. Journal of Refrigeration 73 (2017), S. 246-256 bekannt. Die Magnetanordnung 80 weist über ihre (in die Bildebene hinein verlaufende) Länge vorzugsweise einen gleichbleibenden, insbesondere zumindest nahezu kreisförmigen, Querschnitt auf. Innerhalb der Magnetanordnung 80 sind die Strömungskanäle 14, 24 angeordnet, die sich axial durch die Magnetanordnung 80 erstrecken und in einer Zylinderanordnung 81 umlaufend nebeneinander angeordnet sind. Dabei sind sie abwechselnd dem ersten Bereich 10 und dem zweiten Bereich 20 zugeordnet und von der Magnetanordnung 80 großteils umgeben. Ein kleinerer Teil der Magnetanordnung 80, insbesondere weichmagnetisches Material, z. B. Eisen, ist zu Leitungszwecken innerhalb der Zylinderanordnung 81 angeordnet. Die Strömungskanäle 14, 24 erstrecken sich entlang der Zylinderanordnung 81 in einzelnen, gleich großen Sektorabschnitten, sodass die Strömungskanäle 14, 24 je gleich große Sektorabschnitte der Zylinderanordnung 81 einnehmen. Die Magnetanordnung 80 ist umlaufend rotierbar um die Strömungskanäle 14, 24 angeordnet und weist vorliegend einen mehrkantigen Außenquerschnitt auf, der z. B. auch zylindrisch ausgebildet sein könnte. Die Magnetanordnung 80 ist derart ausgebildet, dass sie zyklisch abwechselnd in dem ersten Zyklus den ersten Bereich 10 und, durch Umschaltung, in dem zweiten Zyklus den zweiten Bereich 20 magnetisiert. Auf diese Weise bilden abwechselnd der erste Bereich 10 und der zweite Bereich 20 den magnetisierten Bereich 60 und der jeweils andere den nicht magnetisierten Bereich 70. Im Übergang zwischen den Zyklen wird das Magnetfeld innerhalb der Umschaltzeit durch Rotation der Magnetanordnung 80 um einen Sektorabschnitt, den einer der Strömungskanäle 14, 24 einnimmt, umgeschaltet.
Eine weitere Magnetanordnung 80, die vorteilhaft für eine erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung 1 verwendbar ist, ist aus der Veröffentlichung „N. Kevlishvili, L- Lorenz, Designing of Halbach cylinder based magnetic assembly for a rotating magnetic refrigerator. Part 2: Inverted Design", Int. Journal of Refrigeration (eingereicht am 24. Mai 2017), z. B. angegeben in 3a, b, bekannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Kontrolle über die Eintrittstemperatur in die Strömungskanäle 14, 24 der einzelnen Stufen, wodurch derartige Eintrittstemperaturen des Arbeitsfluids in die einzelnen Strömungskanäle 14, 24 eingestellt werden können, die besser auf die Arbeitstemperaturbereiche der magnetokalorischen Materialien abgestimmt sind, als dies bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bzw. magnetokalorischen Wärmepumpenanordnungen 1 der Fall ist. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Zwischenschaltung eines Zwischenbereichs 30 zwischen die beiden Bereiche 10, 20 mit Mischbereichen 34 die Arbeitstemperaturbereiche innerhalb der magnetokalorischen Materialien eingehalten werden können. Dadurch können die magnetokalorischen Materialien effizient genutzt werden. Auch haben sich Vorteile beim Hochfahren einer derartigen magnetokalorischen Wärmepumpenanordnung 1 gezeigt, wobei sich ein selbstregelndes System ergibt, bei dem keine Vorkonditionierung notwendig ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer magnetokalorischen Wärmepumpe, bei dem ein Arbeitsfluid über zumindest zwei Stufen (S_i) zwischen einer Wärmequelle (43) und einer Wärmesenke (44) im Kreis geführt wird, wobei innerhalb jeder Stufe (S_i) das Arbeitsfluid durch Bereiche (60, 70) mit magnetokalorischem Material geleitet wird, in welchen ein Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsfluid und dem magnetokalorischen Material stattfindet, wobei in jeder Stufe (S_i) ein magnetisierter Bereich (60) von dem in Richtung Wärmesenke (44) strömenden Arbeitsfluid durchströmt wird, in dem das magnetokalorische Material mit einem Magnetfeld beaufschlagt und dadurch magnetisiert wird und Wärme an das Arbeitsfluid abgibt, und ein nicht magnetisierter Bereich (70) von dem in Richtung Wärmequelle (43) strömenden Arbeitsfluid durchströmt wird, in dem das magnetokalorische Material Wärme aus dem Arbeitsfluid aufnimmt, wobei zumindest ein Teil des Arbeitsfluids bei Überleitung in zumindest einen der Bereiche (60, 70) einer Stufe (S_i) einen Zwischenbereich (30) durchströmt, in dem es mit zumindest einem Teil des Arbeitsfluids aus dem anderen Bereich (60, 70) und/oder einer anderen Stufe (S_i+1, S_i-1) und/oder einem Wärmetauscher (41, 42) kommend durchmischt wird, wobei das durchmischte Arbeitsfluid in zumindest einen der Bereiche (60, 70) der Stufe (S_i) eingeleitet wird, wobei das Arbeitsfluid in dem Zwischenbereich (30) in zumindest einem Mischbereich (B_i) durchmischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Mischbereich (B_i) jeweils einer Stufe (S_i) zugeordnet ist, dass dem jeweiligen Mischbereich (B_i) der jeweiligen Stufe (S_i) jeweils ein Massenstrom an Arbeitsfluid aus dem magnetisierten Bereich (60) einer anderen, vorgeschalteten, Stufe (S_i-1), oder der Wärmequelle (43), und ein Massenstrom an Arbeitsfluid aus dem nicht magnetisierten Bereich einer anderen, vorgeschalteten, Stufe (S_i+1), oder der Wärmesenke, zugeführt wird, die durchmischt werden, und dass das durchmischte Arbeitsfluid jeweils zu einem Anteil dem magnetisierten und zu einem anderen Anteil dem nicht magnetisierten Bereich (60, 70) der jeweiligen Stufe (S_i) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile der aus dem magnetisierten und dem nicht magnetisierten Bereich (60, 70) in den Mischbereich (B_i) zugeführten Massenströme und die Anteile der aus dem Mischbereich (B_i) hin zu der Stufe (S_i) abgeführten Massenströme gleich sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung der Bereiche (60, 70) durch eine Umschaltung des angelegten Magnetfeldes diskontinuierlich gewechselt wird, wobei in einem ersten Zyklus ein erster Bereich (10) und in einem zweiten Zyklus ein zweiter Bereich (20) durch das Magnetfeld magnetisiert wird und der jeweils andere Bereich (10, 20) nicht durch das Magnetfeld magnetisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei Umschaltung die Durchströmrichtung des Arbeitsfluids durch die Bereiche (10, 20) beibehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid innerhalb einer Stufe Strömungskanäle (14, 24) mit einem gleichen magnetokalorischen Material durchströmt und dass bei zumindest zwei Stufen (S_i, S_i-1, S_i+1) das Arbeitsfluid das gleiche oder unterschiedliches magnetokalorisches Material durchströmt.
Magnetokalorische Wärmepumpenanordnung (1), die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen, mit - einem ersten, einer Wärmequelle (43) zugeordneten, Wärmetauscher (41) und einem zweiten, einer Wärmesenke (44) zugeordneten, Wärmetauscher (42), - mindestens zwei dazwischen angeordneten Stufen (S_i, S_i-1, S_i+1) mit jeweils zumindest zwei Strömungskanälen (14, 24), wobei die Strömungskanäle (14, 24) derart mit magnetokalorischem Material gefüllt sind, dass ein Arbeitsfluid beim Durchströmen mit dem magnetokalorischen Material in thermischen Kontakt tritt, wobei zumindest einer der Strömungskanäle (14) einem ersten Bereich (10) und zumindest einer der Strömungskanäle (24) einem zweiten Bereich (20) zugeordnet ist, wobei der erste Bereich (10) und der zweite Bereich (20) abwechselnd mit einem Magnetfeld magnetisiert sind und dabei abwechselnd einen magnetisierten Bereich (60) und einen nicht magnetisierten Bereich (70) bilden, - einer Magnetanordnung (80) zur Magnetisierung des magnetisierten Bereichs (60) und - einer Leitungsanordnung (50), die dazu ausgebildet ist, Arbeitsfluid zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher (41, 42) über die zumindest zwei Stufen (S_i, S_i-1, S_i+1) im Kreis zu führen, wobei zwischen dem magnetisierten und nicht magnetisierten Bereich (60, 70) zumindest ein Zwischenbereich (30) mit zumindest einem Mischbereich (B_i, B_i-1, B_i+1) zum Mischen von Arbeitsfluid aus den unterschiedlichen Bereichen (60, 70) und/oder unterschiedlichen Stufen (S_i, S_i-1, S_i+1) und/oder einem der Wärmetauscher (41, 42) zwischengeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Mischbereiche (B_i) jeweils einer Stufe (S_i) zugeordnet ist und dass den Mischbereichen (B_i, B_i-1, B_i+1) jeweils zumindest zwei feste Anschlüsse zum Ausströmen und zumindest zwei variable Anschlüsse zum Einströmen von Arbeitsfluid zugeordnet sind, wobei einer der variablen Anschlüsse mit einem Strömungskanal (14, 24) der strömungsmechanisch vorgeschalteten Stufe (S_i-1) in dem Bereich (10, 20), der gerade den magnetisierten Bereich (60) bildet, verbunden ist und einer der variablen Anschlüsse mit einem vorgeschalteten Strömungskanal (14, 24) der strömungsmechanisch vorgeschalteten Stufe (S_i+1) in dem Bereich (10, 20), der gerade den nicht magnetisierten Bereich bildet, verbunden ist, und wobei die festen Anschlüsse jeweils mit den Strömungskanälen (14, 24) der jeweiligen Stufe (S_i) verbunden sind.
Magnetokalorische Wärmepumpenanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Stufe (S_i) die Strömungskanäle (14, 24) mit einem gleichen magnetokalorischen Material gefüllt sind und dass bei zumindest zwei Stufen (S_i, S_i-1, S_i+1) das gleiche oder unterschiedliches magnetokalorisches Material verwendet ist.
Magnetokalorische Wärmepumpenanordnung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Strömungskanäle (14, 24) über die Leitungsanordnung (50) mit den jeweiligen Mischbereichen (B_i, B_i-1, B_i+1) verbunden sind, wobei jeweils einem Strömungskanal (14, 24) einer jeweiligen Stufe (S_i) und des jeweiligen ersten oder zweiten Bereichs (10, 20) zumindest ein variabler und zumindest ein fester Anschluss zugeordnet ist.
Magnetokalorische Wärmepumpenanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Anschluss des Strömungskanals (14, 24) der jeweiligen Stufe (S_i) in dem Bereich (10, 20), der gerade den magnetisierten Bereich (60) bildet, mit einem Mischbereich (B_i+1) einer strömungsmechanisch nachgeschalteten Stufe (S_i+1) verbunden ist und in dem Bereich (10, 20), der gerade den nicht magnetisierten Bereich (70) bildet, mit einem Mischbereich (B_i-1) einer strömungsmechanisch nachgeschalteten Stufe (S_i-1) verbunden ist, und dass der feste Anschluss des Strömungskanals (14, 24) mit dem Mischbereich (B_i) der jeweiligen Stufe (S_i) verbunden ist, wobei Arbeitsfluid aus dem Mischbereich (B_i) in den Strömungskanal (14, 24) einströmt.
Magnetokalorische Wärmepumpenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (14, 24), sich axial erstreckend, in einer Zylinderanordnung (81) umlaufend nebeneinander angeordnet sind, wobei sie je abwechselnd dem ersten und dem zweiten Bereich (10, 20) zugeordnet sind, wobei sie zumindest großteils von der Magnetanordnung (80) umgeben sind oder zumindest großteils die Magnetanordnung (80) umgeben und dass die Magnetanordnung (80) umlaufend rotierbar um die Strömungskanäle (14, 24) oder umgeben durch die Strömungskanäle (14, 24) angeordnet ist.
Magnetokalorische Wärmepumpenanordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (80) derart umlaufend rotierbar um die Strömungskanäle (14, 24) angeordnet ist, dass sie zyklisch abwechselnd den ersten Bereich (10) in einem ersten Zyklus und, nach Umschaltung, den zweiten Bereich (20) in einem zweiten Zyklus magnetisiert, sodass abwechselnd der erste oder der zweite Bereich (10, 20) den magnetisierten Bereich (60) und der jeweils andere den nicht magnetisierten Bereich (70) bildet, wobei im Übergang zwischen den Zyklen das Magnetfeld durch Rotation der Magnetanordnung (80) um einen Sektorabschnitt, den ein Strömungskanal (14, 24) einnimmt, umschaltbar ist.