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Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmeübertrager und Kältemaschinen für ein Kraftfahrzeug.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Kühlvorrichtung zum Kühlen mit magnetokalorischen Partikeln in Dispersion für ein Kraftfahrzeug.
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Kühlanlagen basierend auf dem magnetokalorischen Effekt sind bereits bekannt und befinden sich für eine kommerzielle Anwendung aktuell in Entwicklung.
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Hierbei kommen jedoch magnetokalorische Materialien als massive Körper zum Einsatz. Es sind hierfür bereits viele Legierungen verschiedener Hersteller bekannt, die einen weitaus größeren thermischen Effekt bei kleinerer Verteilung/Spreizung der für sie spezifischen Curie-Temperatur aufweisen, als das recht bekannte Gadolinium.
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Nachteile der als massiver Körper ausgeformten magnetokalorischen Materialien sind zum einen die großen Massen, welche bewegt werden müssen, oder durch welche ein flüssiges Kühlmedium gepumpt werden muss. Weiterhin wird neben der großen Masse auch der Durchfluss-Widerstand der porösen, massiven Körper negativ gesehen. Zur Optimierung des Effektes müssen zudem möglichst geringe Luftspalte zwischen dem extern angelegten Magnetfeld und dem magnetokalorisch-aktiven Block hergestellt werden (wobei das Magnetfeld sich über den Block bewegt oder umgekehrt).
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Die thermische Ausdehnung des massiven Körpers nach der Magnetisierung und die Bewegung des Blocks gegen das Magnetfeld (und den dieses erzeugenden Magneten) erfordern jedoch einen gewissen Toleranz-Abstand, welcher den Luftspalt zwischen Magnet und thermisch-aktivem Block vergrößern.
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Die
WO 2006/136041 betrifft einen magnetischen Kühlschrank und / oder eine Wärmepumpe unter Verwendung eines magnetokalorischen Fluids als Kältemittel mit einem Wirkungsgrad, der groß genug für Heim- und industrielle Anwendungen wie industrielle thermische Prozesse, Kühlschrankherstellung, Automobil-, Zug- und Flugzeugindustrie ist. Diese magnetische Kühl- und / oder Wärmepumpe umfasst einen Heißkreis und einen Kaltkreis zum Transport eines magnetokalorischen Fluids. Der Heißkreis umfasst Mittel (zur Erzeugung eines Magnetfelds und umfasst einen Magneten, einen Heißwärmetauscher und eine erste Pumpe. Die Kaltschaltung umfasst einen kalten Wärmetauscher und eine zweite Pumpe und der Heißkreis umfasst ein erstes Mischelement und einen ersten Trägerflüssigkeitspartikelabscheider.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlvorrichtung für Kraftfahrzeuge bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen mit magnetokalorischen Partikeln für ein Kraftfahrzeug, wobei die Kühlvorrichtung umfasst: einen ersten Kühlkreislauf, einen zweiten Kühlkreislauf, einen dritten Kühlkreislauf, einen ersten Wärmtauscher, eine Magnetfeldeinrichtung und einen zweiten Wärmtauscher.
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Der erste Kühlkreislauf weist eine Dispersion auf, welche eine erste dispergierte Phase mit einer ersten Curie-Temperatur und eine zweite dispergierte Phase mit einer zweiten Curie-Temperatur aufweist, wobei die zweite Curie-Temperatur höher als die erste Curie-Temperatur ist.
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Der erste Kühlkreislauf ist dazu ausgebildet, von der Dispersion an einen Eintrittspunkt des ersten Kühlkreislaufs mit einer Eintrittstemperatur durchflossen zu werden.
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Der erste Wärmtauscher ist dazu ausgebildet, den ersten Kühlkreislauf und den zweiten Kühlkreislauf thermisch zu koppeln, wobei ein erster thermischer Koppelungsbereich des ersten Kühlkreislaufs strömungsabwärts in Bezug auf den Eintrittspunkt angeordnet ist, wobei der erste thermische Koppelungsbereich zur thermischen Koppelung des ersten Kühlkreislaufs und des zweiten Kühlkreislaufs ausgebildet ist.
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Die Magnetfeldeinrichtung ist dazu ausgebildet, ein Magnetfeld innerhalb eines Magnetisierungsbereichs des ersten Kühlkreislaufs zu erzeugen.
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Der zweite Wärmtauscher ist dazu ausgebildet, den ersten Kühlkreislauf und den dritten Kühlkreislauf thermisch zu koppeln, wobei ein zweiter thermischer Koppelungsbereich des ersten Kühlkreislaufs strömungsabwärts in Bezug auf den ersten thermischen Koppelungsbereich des ersten Kühlkreislaufs angeordnet ist, wobei der erste Kühlkreislauf dazu ausgebildet ist, von der Dispersion an einen Eintrittspunkt des zweiten Wärmtauscher mit einer zweiten Dispersionstemperatur durchflossen zu werden, wobei die zweite Dispersionstemperatur tiefer als die Eintrittstemperatur ist.
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Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft, den magnetokalorischen Effekt von verschiedenen Legierungen zu nutzen, ohne jedoch die Materialien in einen massiven Körper zu bringen.
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Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft das Problem der großen, bewegten Massen, entweder des bewegten Magneten oder des massiven magnetokalorischen Blocks zu vermeiden. Weiterhin sollte der thermische Übergangswiderstand zwischen thermisch aktivem Material und dem Kühlmedium, etwa ein flüssiges Kühlmittel, optimiert und der Durchflusswiderstand verringert werden.
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Die Kühlvorrichtung kann als eine Kühlanlage, welche u.a. zur Klimatisierung von Fahrzeugen dienen kann, ausgebildet sein.
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Die Kühlvorrichtung kann für Kälte- und Klimatechnik im Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft, eine Energie-effiziente Kühlvorrichtung bereitzustellen, da kein massiver oder poröser Festkörper als magnetokalorisch-aktiver Körper genutzt wird, sondern dispergierte Miko- oder Nanopartikel in Lösung mit gleichen bzw. durch unterschiedliche Curie-Temperaturen angepasste Eigenschaften verwendet werden.
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Daher ist die zur Wärmeübertragung an das Kühlmedium verfügbare Oberfläche pro Masseneinheit des Aktivmaterials der dispergierte Miko- oder Nanopartikel wesentlich höher.
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Weiterhin ist der Strömungs- und/oder der Fließwiderstand des Kühlmediums geringer, wenn das Aktivmaterial darin dispergiert ist, als im Falle, dass das Kühlmedium durch den - etwa auch porösen - Festkörper gepumpt werden muss, wobei ein erhöhter Strömungswiderstand auftreten kann.
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Die Wärmeübertragung geschieht so schneller, effektiver und mit geringerem Energieaufwand.
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Zudem ermöglicht die beschriebene Konstruktion der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, dass die Temperaturerhöhung, bzw. das Abkühlen des gesamten Kühlmediums in einem fließenden Prozess ermöglicht wird in einem Kühlkreislauf - vorliegend dem ersten Kühlkreislauf, ohne dass ein kaskadierter Aufbau mit einer Vielzahl von Kühlkreisläufen erforderlich wäre - Wärmeübertragung von einem Legierungs-Element in das nächste zur Erreichung der nächsten Curie-Temperatur, danach Wärmetransport zur übernächsten und zum nächsten Legierungs-Element, jeweils ein Legierungs-Element pro Kühlkreislauf.
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Der Wärmetauscher kann ganz oder teilweise mit magnetischen Platten aufgebaut sein. D.h. die Platten des Wärmetauschers enthalten magnetische Schichten, welche während der Wärmeübertragung auf den magnetischen Fluss aufrechterhalten.
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Dieser Aufbau gewährleistet zudem eine besonders effektive Schirmung des Umgebenden Raumes gegen die starken Magnetfelder und einen möglichst geringen Luftspalt zur Erhaltung großer Feldstärken.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Patentansprüche definiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Dispersion n dispergierte Phasen umfasst, wobei n > 2 ist, wobei jede der n dispergierten Phasen eine jeweilige, spezifische Curie-Temperatur aufweist.
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Dies ermöglicht vorteilhaft, einen vorbestimmten Temperaturbereich mit einer Vielzahl von jeweiligen, spezifischen Curie-Temperaturen abzudecken, somit kann ein effektives Aufheizen von der Dispersion über einen vorbestimmten Temperaturbereich erreicht werden und ein erhöhter Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung erreicht werden.
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Mit anderen Worten ausgedrückt: für jede vorherrschende Temperatur der Dispersion ist eine jeweilige, spezifische Curie-Temperatur vorhanden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kühlkreislauf dazu ausgebildet ist, von der Dispersion an einen Aufheizungspunkt des ersten Kühlkreislaufs mit einer Dispersionstemperatur durchflossen zu werden, wobei die Dispersionstemperatur höher als die höchste Curie-Temperatur der n dispergierten Phasen ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmtauscher als ein Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Magnetfeldeinrichtung als ein Permanentmagnet oder als eine magnetische Schicht ausgebildet ist. Die magnetische Schicht kann als magnetische Platte des Plattenwärmetauschers ausgebildet sein.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Konzepten der Erfindung.
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Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines Plattenwärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2: eine schematische Darstellung eines Aufbaus des Kühlsystems mit drei Kühlkreisläufen bzw. der Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3: eine schematische Darstellung eines Temperaturverlaufs im ersten Kreislauf der Kühlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Zur Realisierung einer magnetokalorischen Kühlanlage dienen die magnetokalorisch-aktiven Legierungen in ihrer mikroskopischen Form.
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Aktive Mikro- oder Nanopartikel werden in einer Dispersion mit einem Kühlmedium, Glykol oder Öl, in einen fließenden Kreislauf gebracht. Hierbei werden verschiedene Legierungen - unterschiedlicher, jeweiligen spezifischen Curie-Temperatur - vermischt.
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Die Dispersion fließt bei einer Ausgangstemperatur T0 in einem Fließkanal und tritt an einem Punkt P0 in ein, beispielsweise konstantes, starkes Magnetfeld ein. Hier bewirkt das Magnetfeld die Aufheizung des Legierungstyps L0, dessen Curie-Temperatur oberhalb der in Dispersion vorherrschenden Temperatur T0 liegt.
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Die Partikel erwärmen sich und geben die freiwerdende thermische Energie an das Kühlmedium und damit auch an die darin dispergierten Partikel der anderen Legierungstypen L1-Lx ab. Die Temperatur steigt auf T1 > T0.
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Die Partikel des nächsten Legierungstyps L1 sind nun im Bereich ihrer thermischen Aktivität, d.h. sie tragen im Magnetfeld befindlich wiederum zu einer Erwärmung der Dispersion, etwa bei Erreichen der Temperatur T2 > T1. Diese weitere Erwärmung bringt die nächste Legierung L2 in den Bereich der thermischen Aktivität der jeweiligen Curie-Temperatur und dies setzt sich fort.
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Die Kaskade der unterschiedlichen Legierungstypen mit unterschiedlicher, jeweiligen spezifischen Curie-Temperatur kann dabei derart abgestimmt sein, dass nach und nach innerhalb des Magnetfeldes alle Legierungen zu einer Temperaturerhöhung auf Tx beitragen und so alle beteiligten Partikel über ihre spezifische Curie-Temperatur Tcx gehoben werden Tx > Tcx, wobei Tcx für eine beliebige Curie-Temperatur einer bestimmten Phase der n Phasen der Dispersion steht.
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Nun fließt die Dispersion bei Punkt P1 in einen ersten Wärmetauscher W1 - vorzugsweise ein Plattenwärmetauscher - hinein, welcher mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf K2 verbunden ist. Dieser zweite Kühlkreislauf K2 übernimmt die Wärmemenge aus der Dispersion, welche beim magnetokalorischen Aufheizen entstanden ist.
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Der Wärmeaustausch findet ebenfalls im Magnetfeld statt, sodass eine vorzeitige Umkehr des Effekts vermieden wird.
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Nach Wärmeübertragung im ersten Wärmetauscher W1 befindet sich die Dispersion mit den magnetokalorischen Partikeln wieder in einem Temperaturbereich T unterhalb der Curie-Temperatur Tcy der Partikel, d.h. T < Tcy - oder der größten Zahl der in Dispersion befindlichen Legierungen.
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Die Dispersion tritt nun aus dem ersten Wärmetauscher W1 aus und fließt bei Punkt P3 in einen zweiten Wärmetauscher W2, welcher nicht mehr von einem Magnetfeld durchdrungen wird.
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Durch den Wegfall des externen Magnetfeldes kommt es zum Abkühlen der Partikel - als Folge des magnetokalorischen Effekts durch Erhöhung der Entropie.
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Die gesamte Dispersion kühlt ab, da alle - oder die größte Zahl der - Legierungen bzw. dispergierten Phasen thermisch unterhalb der für sie spezifischen Curie-Temperatur liegen, tragen alle Legierungen zu diesem Abkühleffekt bei.
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Innerhalb des Wärmetauschers W2 wird nun Wärme von einem weiteren Kühlkreislauf K3 aus einem Kühlmedium zur Verfügung gestellt, welches sich daraufhin ebenfalls abkühlt. Dieser dritte Kühlkreislauf K3 dient im Folgenden zur Kühlung oder Klimatisierung im Zwecke der Kühlanlage, beispielsweise eine Innenraum-Klimatisierung eines Fahrzeugs - also zum Kühlen von Frischluft.
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Die Fließgeschwindigkeit der Dispersion und der Temperaturausgleich im Medium müssen so ausgelegt sein, dass sowohl die Aufwärmphase als auch das Abkühlen des Mediums im Wärmetauscher W1 innerhalb des Magnetfeldes geschehen kann.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus eines Plattenwärmetauschers umfassend eine Mehrzahl von Platten 1, 2, 3, 4, 5, 6 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Platten 4, 5, 6 aus einem Permanentmagnet ausgebildet oder er erfolgt ein Einfügen magnetischer Schichten zwischen den genannten Platten 4, 5, 6 zum Erhalt des Magnetfeldes im Wärmetauscher W1.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus des Kühlsystems mit drei Kühlkreisläufen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die 2 zeigt einen schematischen Aufbau des Kühlsystems mit drei Kühlkreisläufen - K0, K2, K3. Der erste Kühlkreislauf K0 enthält die magnetokalorisch-aktiven Partikel in Dispersion, welche im Bereich K0-M des angelegten Magnetfeldes, Bereich zwischen PO und P1 - aufgeheizt werden.
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Nach Reduktion der Temperatur im Wärmetauscher Wl, und Abgabe thermischer Energie - zwischen P1 und P2 - an den zweiten Kühlkreislauf K2 durchfließt die Dispersion in dem ersten Kühlkreislauf KO den Bereich zwischen Punkt P2, und P3, ohne Magnetfeld, wodurch die enthaltenen Partikel abkühlen.
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So kann thermische Energie von dem dritten Kühlkreislauf K3 im Bereich des Wärmetauschers W2 aufgenommen werden - die Kühleinrichtung bzw. Klimaanlage kann Kälteleistung liefern, wobei der erste thermische Koppelungsbereich zur thermischen Koppelung des ersten Kühlkreislaufs und des zweiten Kühlkreislaufs ausgebildet ist.
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Die Kühlvorrichtung 100 umfasst einen ersten Kühlkreislauf K0.
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Der erste Kühlkreislauf K0, welcher eine Dispersion aufweist, welche eine erste dispergierte Phase mit einer ersten Curie-Temperatur TC1 und eine zweite dispergierte Phase mit einer zweiten Curie-Temperatur TC2 aufweist, wobei die zweite Curie-Temperatur höher als die erste Curie-Temperatur ist, ist dazu ausgebildet, von der Dispersion an einen Eintrittspunkt P0 des ersten Kühlkreislaufs K0 mit einer Eintrittstemperatur T0 durchflossen zu werden.
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Die Kühlvorrichtung 100 umfasst ferner einen zweiten Kühlkreislauf K2 und einen dritten Kühlkreislauf K3.
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Die Kühlvorrichtung 100 umfasst ferner einen ersten Wärmtauscher Wl, welcher dazu ausgebildet ist, den ersten Kühlkreislauf K0 und den zweiten Kühlkreislauf K2 thermisch zu koppeln, wobei ein erster thermischer Koppelungsbereich K0-TK1 des ersten Kühlkreislaufs K0 strömungsabwärts in Bezug auf den Eintrittspunkt P0 angeordnet ist.
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Die Kühlvorrichtung 100 umfasst ferner eine Magnetfeldeinrichtung 10, welche dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld innerhalb eines Magnetisierungsbereichs K0-M des ersten Kühlkreislaufs K0 zu erzeugen.
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Die Kühlvorrichtung 100 umfasst ferner einen zweiten Wärmtauscher W2, welcher dazu ausgebildet ist, den ersten Kühlkreislauf K0 und den dritten Kühlkreislauf K3 thermisch zu koppeln, wobei ein zweiter thermischer Koppelungsbereich K0-TK2 des ersten Kühlkreislaufs K0 strömungsabwärts in Bezug auf den ersten thermischen Koppelungsbereich K0-TK1 des ersten Kühlkreislaufs K0 angeordnet ist.
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Der erste Kühlkreislauf K0 ist dazu ausgebildet ist, von der Dispersion an einen Eintrittspunkt P3 des zweiten Wärmtauschers W2 mit einer zweiten Dispersionstemperatur T3 durchflossen zu werden, wobei die zweite Dispersionstemperatur T3 tiefer als die Eintrittstemperatur T0 ist.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Temperaturverlaufs im ersten Kreislauf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Darstellung des Temperaturverlaufs in dem ersten Kreislauf K0 wird in 3 gezeigt. Durch den magnetokalorischen Effekt innerhalb des angelegten Magnetfeldes, zwischen P0 und P1, erwärmen sich zunächst die im Temperaturbereich um T0 aktiven Partikel der Legierung L0, die Dispersion im ersten Kühlkreislauf K0 wird erwärmt, hierdurch geraten die Partikel der nächsten Legierung L1, in den aktiven Temperaturbereich - beispielsweise ein Temperaturbereich um T1 herum - und erwärmen wiederum die Dispersion um einen neuen Betrag, d.h. T ~ T2.
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Hierdurch geraten die Partikel der nächsten Legierung L2, in aktiven Temperaturbereich und so weiter.
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Diese Kaskade bzw. Kaskadierung der Curie-Temperatur TCx der Partikel der einzelnen Legierungen in Form der dispergierten Phasen bewirkt ein Aufheizen des Kühlkreislaufs K0, der anschließend im Wärmetauscher Wl, wieder abgekühlt wird.
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Beim Austritt aus dem Wärmetauscher Wl, bei Punkt P2, endet das Magnetfeld und die enthaltenen Partikel kühlen die Dispersion auf eine Temperatur deutlich unterhalb T0 ab.
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In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile, Komponenten oder Verfahrensschritte, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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