DE102022120022A1

DE102022120022A1 - Regenerator für einen magnetischen Wärmetauscher und Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102022120022A1
Application number: DE102022120022.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Katter; Alexander Barcza; Hugo Abdiel Vieryra Villegas; Kilian Bartholomé; Lena Maria MAIER; Patrick CORHAN; Manuel Näher; Christian Vogel
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2024-02-15
Also published as: US20240053067A1; GB2623861A; GB202312079D0

Abstract

In einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Regenerator für einen magnetischen Wärmetauscher ein Gehäuse mit einer Kammer, einem Einlass für ein Arbeitsmedium und einem Auslass für das Arbeitsmedium, wobei die Kammer ein Volumen V aufweist und zumindest ein magnetokalorisch aktives Bauteil, das in der Kammer zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und das zumindest einen inneren Strömungskanal mit einem hydraulischem Durchmesser dhydaufweist. Das von dem magnetokalorisch aktiven Bauteil nichtbelegte Volumen der Kammer stellt zumindest einen Bypass-Strömungskanal bereit, wobei sowohl der Einlass als auch der Auslass von dem zumindest einen Bypass-Strömungskanal erreicht werden und dieser einen hydraulischen Durchmesser D aufweist, wobei D > dhyd. Der mindestens eine innere Strömungskanal des magnetokalorisch aktiven Bauteils steht in Strömungsverbindung mit dem Bypass-Strömungskanal. Eine Strömungsrichtung des Arbeitsmediums erstreckt sich vom Einlass bis zum Auslass und das magnetokalorisch aktive Bauteil und der zumindest eine Bypass-Strömungskanal sind in Bezug auf die Strömungsrichtung parallel zueinander angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Regenerator für einen magnetischen Wärmetauscher, insbesondere für einen magnetischen Wärmtauscher, mit einer maximalen Betriebsfrequenz von mindestens 10 Hz und einen Wärmetauscher, insbesondere einen Wärmetauscher mit einer maximalen Betriebsfrequenz von mindestens 10 Hz.
Der magnetokalorische Effekt beschreibt die adiabatische Konversion einer magnetisch induzierten Entropieänderung zur Wärmeentwicklung oder zur Wärmeabsorption. Dieser Effekt wird in einem magnetischen Wärmetauscher genutzt, um eine Kühlung und/oder eine Erwärmung bereitzustellen. Durch das Anlegen eines Magnetfeldes an ein magnetokalorisch aktives Arbeitsmaterial wird eine Entropieänderung induziert, die eine Wärmeentwicklung oder eine Wärmeabsorption ergibt.
Magnetische Wärmetauscher können auf Basis unterschiedlicher Prinzipien konstruiert werden, beispielsweise dem aktiven Regenerator-Prinzip, auch AMR (aktive magnetische Regeneration)-Prozess genannt, oder demWärmerohr-Prinzip, das auch Heat-Pipe-Prozess genannt ist.
Die US 7,076,958 B2 offenbart ein Beispiel eines magnetischen Wärmetauschers, der nach dem aktiven Regenerator-Prinzip arbeitet, der ein pumpenangetriebenes Umlaufsystem, ein Wärmeaustauschmedium wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit, eine mit Partikeln aus einem magnetokalorisch aktiven Material befüllte Kammer und ein Mittel zur Anwendung eines magnetischen Feldes auf die Kammer aufweist.
Die DE 10 2014 010 476 B3 offenbart ein Beispiel eines magnetischen Wärmetauschers, der nach dem Wärmerohr-Prinzip arbeitet und offenbart eine Klimatisierungseinrichtung, die zumindest ein Wärmerohr, insbesondere Thermosiphon, und ein magnetokalorisches Material im temporären Einfluss eines magnetischen Feldes aufweist.
Es ist eine Vielzahl von magnetokalorisch aktiven Phasen bekannt, die magnetische Phasenübergangstemperaturen in einem Bereich aufweisen, der für das Bereitstellen häuslicher und kommerzieller Klimaanlagen und Kühlgeräte geeignet ist. Ein derartiges magnetokalorisch aktives Material, das zum Beispiel in der US 7,063,754 offenbart wird, weist eine NaZn₁₃-Typ Kristallstruktur auf und kann durch eine allgemeine Formel La(Fe_1-x-yT_yM,)₁₃H_z dargestellt werden, wobei M mindestens ein Element der Gruppe ist, die aus Si und AI besteht, und T kann ein oder mehrere der Übergangsmetallelemente sein, wie Co, Ni, Mn und Cr. Die magnetische Phasenübergangstemperatur dieses Materials kann durch Anpassung der Zusammensetzung eingestellt werden.
Um extensivere Anwendungen der magnetischen Wärmeaustauschtechnologie zu ermöglichen, sind weitere Verbesserungen wünschenswert. Insbesondere ist es wünschenswert, die Leistungsdichte des Regenerators zu erhöhen.
Erfindungsgemäß ist ein Regenerator für einen magnetischen Wärmetauscher nach einem ersten Ausführungsbeispiel bereitgestellt. Der Regenerator umfasst ein Gehäuse mit einer Kammer, einem Einlass für ein Arbeitsmedium und einem Auslass für das Arbeitsmedium, wobei die Kammer ein Volumen V aufweist und zumindest ein magnetokalorisch aktives Bauteil, das in der Kammer zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und das zumindest einen inneren Strömungskanal mit einem hydraulischem Durchmesser d_hyd aufweist. Das von dem magnetokalorisch aktiven Bauteil nichtbelegte Volumen der Kammer stellt zumindest einen Bypass-Strömungskanal bereit, wobei sowohl der Einlass als auch der Auslass von dem zumindest einen Bypass-Strömungskanal erreicht werden und dieser einen hydraulischen Durchmesser D aufweist, wobei D > d_hyd. Der mindestens eine innere Strömungskanal des magnetokalorisch aktiven Bauteils steht in Strömungsverbindung mit dem Bypass-Strömungskanal. Eine Strömungsrichtung des Arbeitsmediums erstreckt sich vom Einlass bis zum Auslass und das magnetokalorisch aktive Bauteil und der zumindest eine Bypass-Strömungskanal sind in Bezug auf die Strömungsrichtung parallel zueinander angeordnet.
Dieser Regenerator ist für einen Wärmetauscher, der nach dem Wärmerohr-Prinzip betrieben wird, geeignet.
In einem alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird ein Regenerator für einen magnetischen Wärmetauscher bereitgestellt, der ebenfalls ein Gehäuse mit einer Kammer, einem Einlass für ein Arbeitsmedium und einem Auslass für das Arbeitsmedium, wobei die Kammer ein Volumen V aufweist, und zumindest ein magnetokalorisch aktives Bauteil, das in der Kammer zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und das zumindest einen inneren Strömungskanal mit einem hydraulischem Durchmesser d_hyd aufweist, umfasst. Das von dem magnetokalorisch aktiven Bauteil nichtbelegte Volumen der Kammer stellt zumindest zwei Bypass-Strömungskanäle bereit, die jeweils einen hydraulischen Durchmesser D aufweisen, wobei D > d_hyd. Der mindestens eine innere Strömungskanal des magnetokalorisch aktiven Bauteils steht in Strömungsverbindung mit zumindest zweien der Bypass-Strömungskanäle. Einer der Bypass-Strömungskanäle grenzt an dem Einlass an und ein anderer der Bypass-Strömungskanäle grenzt an dem Auslass an. Die zumindest zwei Bypass-Strömungskanäle sind in Bezug auf die Strömungsrichtung seriell zueinander angeordnet.
Dieser Regenerator ist für einen Wärmetauscher, der nach dem aktiven Regenerator-Prinzip betrieben wird, geeignet. Da die zumindest zwei Bypass-Strömungskanäle in Bezug auf die Strömungsrichtung seriell zueinander angeordnet sind, erstreckt sich der Bypass-Strömungskanal, der an den Einlass angrenzt, nicht bis zum Auslass und der andere Bypass-Strömungskanal, der an den Auslass angrenzt, erstreckt sich nicht bis zum Einlass.
Beide Regeneratoren weisen einen Bypass-Strömungskanal für das Arbeitsmedium auf, der einen hydraulischen Durchmesser aufweist, der größer ist als der hydraulische Durchmesser des zumindest einen inneren Strömungskanals, der im magnetokalorisch aktiven Bauteil geformt ist. Diese Anordnung ermöglicht, Druckverluste im Arbeitsmedium zu reduzieren und die Betriebsfrequenz des Wärmetauscher zu erhöhen. Somit kann die Leistungsdichte des Regenerators erhöht werden.
In manchen Ausführungsbeispielen ist eine kürzeste Länge s des mindestens einen inneren Strömungskanals kürzer als eine Länge L des magnetokalorisch aktiven Bauteils gemessen in Richtung der mittleren Strömungsrichtung des Arbeitsmediums. Dieses Verhältnis ermöglicht eine weitere Reduzierung der Druckverluste. Die Länge s bezeichnet die kürzeste Strecke, über die das Arbeitsmedium in dem inneren Strömungskanal fließen muss. Beispielsweise ist im Falle eines monolithischen magnetokalorisch aktiven Bauteils für einen Wärmerohr-Regenerator die Länge s die Hälfe des Durchmessers des Bauteils.
In Ausführungsbeispielen, in denen der Regenerator in einem Wärmetauscher, der nach dem Wärmerohr-Prinzip betrieben wird, verwendet wird, kann das magnetokalorisch aktive Bauteil eine Gesamtquerschnittsfläche a aufweisen, die kleiner ist als eine innere Querschnittsfläche A der Kammer. Der Bypass-Strömungskanal wird somit zwischen dem magnetokalorisch aktiven Bauteil und der Kammer gebildet.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Bypass-Strömungskanal von dem magnetokalorisch aktiven Bauteil umgeben. In manchen Ausführungsbeispielen ist der Bypass-Strömungskanal durch zumindest einen Spalt zwischen dem Gehäuse und dem magnetokalorisch aktiven Bauteil gebildet. In manchen Ausführungsbeispielen wird der Bypass-Strömungskanal durch zumindest einen Spalt zwischen dem Gehäuse und dem magnetokalorisch aktiven Bauteil und durch zumindest eine Aussparung im Querschnitt des magnetokalorisch aktiven Bauteils gebildet
In manchen Ausführungsbeispielen besteht das magnetokalorisch aktive Bauteil aus mehreren Subeinheiten und der Bypass-Strömungskanal wird durch zumindest einen Spalt gebildet, der zwischen den Subeinheiten entsteht. In manchen Ausführungsbeispielen wird der Bypass-Strömungskanal durch eine oder mehreren Öffnungen in den jeweiligen Subeinheiten gebildet. In manchen Ausführungsbeispielen wird der Bypass-Strömungskanal durch sowohl zumindest einen Spalt, der zwischen den Subeinheiten entsteht, als auch durch eine oder mehreren Öffnungen in den Subeinheiten selbst gebildet.
In manchen Ausführungsbeispielen sind die Subeinheiten nebeneinander und quer zu der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums in der Kammer und/oder aufeinander und parallel zu der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums in der Kammer angeordnet.
In manchen Ausführungsbeispielen weist der Regenerator eine makroskopische Porosität ε_makro, die sich aus dem Volumen Vbs des Bypass-Strömungskanals geteilt durch das Volumen V der Kammer errechnet, auf und eine mikroskopische Porosität ε_mikro, die sich aus dem Volumen der inneren Strömungskanäle Vis geteilt durch das Volumen Vb des magnetokalorisch aktiven Bauteils errechnet, wobei 10% < ε_makro < 50% und 10% < ε_mikro < 50% und 19% ≤ ε_gesamt ≤ 75%. Hierbei errechnet sich die Gesamtporosität ε_gesamt aus dem Ausdruck (Vbs + Vis)/V. Dieses Verhältnis ermöglicht, eine weitere Reduzierung der Druckverluste.
In manchen Ausführungsbeispielen ist das magnetokalorisch aktive Bauteil aus einzelnen magnetokalorisch aktiven Partikeln gebildet, die miteinander fest verbunden sind, wobei der zumindest eine innere Strömungskanal zwischen den Partikeln gebildet ist. Beispielsweise kann die vorhandene Porosität des magnetokalorisch aktiven Bauteils den inneren der Strömungskanäle bilden. Das magnetokalorische Bauteil ist in diesen Ausführungsbeispielen ein monolithischen Gegenstand. Ein monolithischer Gegenstand hat den Vorteil, dass er einfacher handzuhaben ist, als Pulver oder Granulat. Die magnetokalorisch aktiven Partikel können mithilfe eines magnetokalorisch passiven Materials fest verbunden werden. Das magnetokalorisch passive Material kann ein Lot oder ein Klebstoff sein. In manchen Ausführungsbeispielen sind die einzelnen Partikel fest miteinander versintert. Der mittlere Durchmesser der Partikel kann weniger als 500 µm sein.
In manchen Ausführungsbeispielen ist das magnetokalorisch aktive Bauteil aus mehreren magnetokalorisch aktiven Subeinheiten gebildet, wobei der zumindest eine innere Strömungskanal zwischen den Subeinheiten gebildet ist.
In manchen Ausführungsbeispielen sind die Subeinheiten plattenförmig und übereinandergestapelt und weisen jeweils zumindest eine Aussparung auf, die den inneren Strömungskanal bildet. In manchen Ausführungsbeispielen sind die Subeinheiten plattenförmig und aus Partikeln gebildet, die fest miteinander verbunden sind, wobei der innere Strömungskanal durch Porosität oder entsprechend kleine Durchöffnungen gebildet ist.
In manchen Ausführungsbeispielen sind die magnetokalorisch aktiven Subeinheiten mithilfe eines magnetokalorisch passiven Materials fest verbunden. Wie bei der Gestaltung des Bauteils selbst kann das magnetokalorisch passive Material ein Lot oder ein Klebstoff sein. Die Subeinheiten können aus gesinterten Partikeln gebildet werden.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der hydraulische Durchmesser d_hyd der inneren Strömungskanäle < 500 µm und der hydraulische Durchmesser D der Bypass-Strömungskanäle > 500 µm. Diese Abmessungen sind geeignet, eine Betriebsfrequenz von mindestens 10 Hz bei einem Wärmetauscher zu erreichen, der nach dem Wärmerohr- oder dem aktiven Regenerator-Prinzip arbeitet.
In manchen Ausführungsbeispielen weist das magnetokalorisch aktive Bauteil ein magnetokalorisch aktives Material mit einer Zusammensetzung von La_1-a-R_a(Fe_1-x-yT_yM_x)1₃H_xC_b auf, wobei M Si und optional AI ist, T eines oder mehrere der Elemente aus der Gruppe von Mn, Co, Ni, Ti, V und Cr ist und R eines oder mehrere der Elemente Ce, Nd, Y und Pr, wobei 0≤a≤0.5, 0.05≤x≤0.2, 0.003≤y≤0.2, 0≤z≤3 und 0≤b≤1.5 ist.
In der Praxis erfordert ein magnetischer Wärmetauscher magnetokalorisch aktives Material, das mehrere unterschiedliche magnetische Phasenübergangstemperaturen aufweist, um eine Kühlung über einen breiteren Temperaturbereich bereitzustellen. Dies kann durch eine geeignete Auswahl der Zusammensetzung innerhalb der oben genannten Bereiche erreicht werden.
Ein Wärmetauscher wird auch bereitgestellt, der zumindest einen Regenerator nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, ein Arbeitsmedium, das im Betrieb des Wärmetauschers durch den inneren Strömungskanal und den Bypass-Strömungskanal fließt, und einen schaltbaren Magnetfelderreger zur Erzeugung eines Magnetfelds am Bauteil des Regenerators, aufweist.
In manchen Ausführungsbeispielen sind zumindest zwei Regeneratoren bereitgestellt und die Regeneratoren weisen mindestens zwei unterschiedliche Curie Temperaturen auf. Somit kann der Arbeitstemperaturbereich erweitert werden. In manchen Ausführungsbeispielen sind die zumindest zwei Regeneratoren derart in Serie geschaltet, dass eine Kaskade mit steigender Curie-Temperatur bereitgestellt ist.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Wärmetauscher nach dem Wärmerohrprinzip ausgebildet und weist ferner einen Kondensator, der in Strömungsverbindung mit dem Auslass des Gehäuses steht, und einen Verdampfer auf, der in Strömungsverbindung mit dem Einlass des Gehäuses steht. In einer Weiterbildung weist der Wärmetauscher ferner mindestens zwei Regeneratoren und eine regelbare thermische Verbindung zwischen den zwei Regeneratoren auf. Die regelbare thermische Verbindung kann ein Druckventil oder einen Thermoventil umfassen. In diesen Ausführungsbeispielen sind das magnetokalorisch aktive Bauteil und der Bypass-Strömungskanal in Bezug auf die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums parallel zueinander angeordnet.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Wärmetauscher nach dem aktiven magnetokalorischen Regenerator-Prinzip ausgebildet. In diesen Ausführungsbeispielen sind die zumindest zwei Bypass-Strömungskanäle in Bezug auf die mittlere Strömungsrichtung des Arbeitsmediums seriell angeordnet.
Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnungen und Beispiele näher beschrieben.

1a zeigt den Fluidtransport in einem Vergleichsregenerator für einen Wärmetauscher nach dem Wärmerohr-Prinzip.
1 b zeigt den Fluidtransport in einem Vergleichsregenerator für einen Wärmetauscher nach dem aktiven Regenerator-Prinzip.
2a zeigt den Fluidtransport in einem erfindungsgemäßen Regenerator für einen Wärmetauscher nach dem Wärmerohr-Prinzip.
2b zeigt den Fluidtransport in einem erfindungsgemäßen Regenerator für einen Wärmetauscher nach dem aktiven Regenerator-Prinzip.
3 zeigt Leistungsdaten einer magnetischen Heat-Pipe Stufe bei einer Betriebsfrequenz von 6 Hz mit und ohne einen Bypass-Strömungskanal.
4 zeigt zwei perspektivische Ansichten eines Regenerators mit sphärischem magnetokalorisch aktiven LaFeSi Granulat zwischen zwei Edelstahlsieben.
5 zeigt einen Graph von spezifischer Kühlleistung für den Regenerator nach dem dritten Ausführungsbeispiel.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines monolithischen Regenerators aus gesintertem Granulat sowie einen Graph der gemessenen Porosität bei verschiedenen Sintertemperaturen.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Regenerators aus ringförmigen offenporig gesinterten Bauteilen.
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Regenerator für einen Wärmtauscher nach dem aktiven Regenerator-Prinzip.

1a zeigt den Fluidtransport in einem Vergleichsregenerator 10 für einen Wärmetauscher nach dem Wärmerohr-Prinzip und 1b den Fluidtransport in einem Vergleichsregenerator 20 für einen Wärmetauscher nach dem aktiven Regenerator-Prinzip.
Der Regenerator 10 weist ein Gehäuse 11 mit einer Kammer 12, einem Einlass 13 für ein Arbeitsmedium und einem Auslass 14 für das Arbeitsmedium auf. Das Arbeitsmedium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit wie Wasser oder Methanol sein. Zumindest ein magnetokalorisch aktives Bauteil 15 ist in der Kammer 12 zwischen dem Einlass 13 und dem Auslass 14 angeordnet, sodass das Arbeitsmedium durch Kanäle im magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 fließt. Das Arbeitsmedium wird üblicherweise durch Poren bzw. Strömungskanäle im magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 durch das magnetokalorische Material transportiert und kommt somit in Kontakt mit dem magnetokalorischen Material, wobei Wärme aus diesem abführt werden kann, die durch das zeitweise Anlegen eines nicht dargestellten Magnetfelds erzeugt wird.
Eine Strömungsrichtung des Arbeitsmediums, die mit dem Pfeil 16 gezeigt ist, erstreckt sich vom Einlass 13 bis zum Auslass 14. Das kalte Ende des Regenerators befindet sich am Einlass 13 des Gehäuses 11 und das warme Ende des Generators befindet sich am Auslass 14 des Gehäuses 11. Im Fall des Heat-Pipe-Prozesses wird das erwärmte Fluid über die als thermische Dioden fungierenden Ventile auf einer Seite 14 des Regenerators 10 abgeführt und zu einem Kondensator geführt, an dem das Arbeitsmedium kondensiert, um die Wärme abzugeben und an der anderen Seite 13 des Regenerators angesaugt. Der Strom 16 des Arbeitsmediums ist dabei jeweils im Wesentlichen durch den Regenerator 10 immer in eine Richtung gerichtet.
1b zeigt einen Regenerator 20, der nach dem klassischen aktiven Regenerator-Prinzip arbeitet. Der Regenerator 20 weist ebenfalls ein Gehäuse 11 mit einer Kammer 12, einem Einlass 13 für ein Arbeitsmedium und einem Auslass 14 für das Arbeitsmedium auf und zumindest ein magnetokalorisch aktives Bauteil 15, das in der Kammer 12 zwischen dem Einlass 13 und dem Auslass 14 angeordnet ist, sodass das Arbeitsmedium durch Kanäle im magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 fließen muss. Im Gegensatz zu dem Wärmerohr-Prinzip ändert sich beim klassischen AMR-Prozess die Richtung des Fluidtransportes in jedem Zyklus zweimal, wie in 1b mit dem Pfeil 17 gezeigt ist.
In beiden Arten von Regeneratoren 10, 20 muss das Arbeitsmedium, ob Gas oder Flüssigkeit, über die gesamte Länge L des Regenerators 10 strömen. Das Arbeitsmedium kann auch als Kühlflüssigkeit oder Wärmeträgerfluid bezeichnet werden.
Bei einem magnetokalorischen Kreisprozess wird die durch die Veränderung der Magnetfeldstärke erzeugte Wärme mit Hilfe des Arbeitsmediums abtransportiert. Dabei muss die Wärme zunächst über die Oberfläche des magnetokalorischen Materials an das Fluid übertragen werden. Um diesen Wärmeübergang möglichst effizient zu gestalten, wird herkömmlich die spezifische Oberfläche des magnetokalorischen Materials, die in Kontakt mit dem Fluid steht, so groß wie möglich gestaltet. Das führt zu Regeneratoren, die z.B. aus einigen wenige 100 µm dünnen Platten, wie in 1b dargestellt ist, oder aus Granulaten mit Partikelgrößen von einigen 100 µm bestehen, wie in 1a dargestellt ist, um die spezifische Oberfläche zu erhöhen. Um das Volumen des Magnetfelds, das durch relativ teure Permanentmagnete erzeugt wird, möglichst klein zu halten, sollte der Füllgrad der Regeneratoren möglichst groß sein. Diese beiden widersprüchlichen Anforderungen führen nun dazu, dass der Querschnitt der Strömungskanäle, über die das Fluid die Wärme abtransportieren kann, in der Regel noch deutlich kleiner als die innere Dicke bzw. der innere Durchmesser des magnetokalorischen Teils 15 ist.
Es wurde festgestellt, dass im Falle der von einem Arbeitsmedium durchströmten Regeneratoren diese im klassischen Active Magnetic Regeneration (AMR)-Prozess zu unerwünschten Druckverlusten führen, die sich direkt auf die Effizienz auswirken. Im Fall des Heat-Pipe-Prozesses wurde festgestellt, dass das ab- bzw. zuströmende gasförmige Fluid nur einen kleinen Druckverlust erfährt, dieser aber direkt zu einer Änderung der Temperatur des Fluids führt, was zur Ausbildung eines unerwünschten Temperaturgradienten führt. In beiden Fällen führen diese Druckverluste zu einer Beschränkung der maximalen Arbeitsfrequenz von magnetokalorischen Wärmetauschern auf einige wenige Hz und dadurch zu geringen Leistungsdichten < 2 J/g.
Die Erfindung stellt eine besondere Form von Regeneratoren bereit, die es erlaubt, die Arbeitsfrequenz von magnetokalorischen Wärmetauschern auf mindestens 10 Hz anzuheben. Durch die Erhöhung der Arbeitsfrequenz steigt die Leistungsdichte auf über 10 J/g, wodurch sich solche Systeme deutlich kompakter und leichter bauen lassen. Insbesondere die Menge der benötigten Dauermagnete kann dadurch signifikant reduziert werden, was zu einer wesentlichen Kosteneinsparung führt.
Basierend auf diesen Erkenntnissen sollte die in einem Magnetisierungszyklus erzeugte Wärme möglichst vollständig aus dem magnetokalorisch aktiven Material an das Wärmeträgerfluid übertragen werden, um eine Arbeitsfrequenz von mindestens 10 Hz überhaupt sinnvoll ausnutzen zu können. In erster Näherung lässt sich der zeitliche Temperaturverlauf eines Körpers in einer Umgebung mit einer anderen Temperatur wie folgt beschreiben: $Δ T \propto e^{- \frac{t}{τ}}$
wobei _T die Relaxationszeit ist. Diese Näherung gilt nur, wenn der Körper hinreichend klein ist, um als thermisch dünn zu gelten. Ein Körper kann als thermisch dünn betrachtet werden, sobald die sogenannte Biotzahl, Bi, kleiner als 0,1 ist. $B i = \frac{α \frac{s}{2}}{λ}$
Hier ist α der Wärmeübergangskoeffizient an der Oberfläche des Körpers, s die Dicke des Körpers und λ die Wärmeleitfähigkeit des Körpers. Für Bi < 0,1 ergibt sich dann nach dem Newton'schen Kapazitätsmodell für _T $τ = \frac{c_{p} ρ V}{α A}$
wobei c_p die spezifische Wärmekapazität, p die Dichte, V und A das Volumen bzw. die Oberfläche des Körpers sind. Das Verhältnis V/A beschreibt dabei eine für den Körper charakteristische Länge. Für eine Kugel gilt V/A = d/6, für einen Zylinder V/A = d/4 und für eine Platte V/A = d/2, wobei d der Durchmesser bzw. die Dicke ist.
In der ersten Hälfte eines magnetokalorischen Zyklus muss die durch das Anschalten des Magnetfeldes erzeugte Wärme zunächst an das Fluid abgegeben werden. Damit zumindest 95% der enthaltenen Wärme übertragen werden, wird eine Zeitdauer von zumindest 3_T benötigt. Die gleiche Zeitdauer wird benötigt, um nach Abschalten des Magnetfeldes die zu pumpende Wärme aus dem nachströmenden Fluid zu übernehmen. Vernachlässigt man die Übergangszeiten zwischen der Hochfeld- und der Niederfeldphase, wird für einen kompletten Zyklus also mindestens eine Periodenlänge von 6_T benötigt.
Für den klassischen AMR-Prozess liegt der Wärmeübergangskoeffizient für das in der Regel als Fluid verwendete strömende Wasser in der Größenordnung von 1000 W/m²K. Mit einer für LaFeSi typischen Wärmeleitfähigkeit von ca. 8 W/mK ergibt sich für die kritische Größe, unterhalb derer eine Kugel aus dem Material noch als thermisch dünner Körper betrachtet werden kann, ein Durchmesser von 1,6 mm. Mit einer mittleren Wärmekapazität von 1000 J/kgK und einer Dichte von 7200 kg/m³ ergibt sich bei einer Wunschfrequenz von 10 Hz ein notwendiger Teilchendurchmesser von nur 14 µm. Dieser Durchmesser ist hinreichend kleiner als der kritische Durchmesser für die Anwendung der Näherungen des Newton'schen Kapazitätsmodells. Es zeigt sich aber auch, dass der Wunsch nach einer hohen Arbeitsfrequenz aufgrund des relativ geringen Wärmeübergangskoeffizienten zu sehr kleinen Partikeldurchmessern führt. Im Falle von plattenförmigen Regeneratoren wird die Situation noch ungünstiger, weil sich für eine Platte bei gleicher Dicke/Durchmesser die Relaxationszeit nach Glg. (3) verdreifacht.
Für den Heat-Pipe-Prozess beträgt der Wärmeübergangskoeffizient für z.B. verdunstendes bzw. kondensierendes Wasser etwa 20.000 - 50.000 W/m² K. Für den Wert von 20.000 W/m²K ergibt sich ein kritischer Durchmesser für die Rechtfertigung der Näherung des thermisch dünnen Körpers für das oben beschriebene Material von 80 µm. Mit den Materialdaten von LaFeSi ergibt sich für diesen Durchmesser eine maximale Arbeitsfrequenz von ca. 35 Hz, bei der in jedem Zyklus noch praktisch die gesamte zur Verfügung stehende Wärmemenge übertragen werden kann. Ein Regenerator mit Partikeln mit einem Durchmesser von ca. 280 µm könnte in einem Wärmetauscher nach dem Wärmerohr-Prinzip mit einer Frequenz von 10 Hz betrieben werden. Für diese größeren Partikel gilt jedoch die Näherung des thermischen dünnen Körpers nicht mehr. In diesem Fall wird die Relaxationszeit für den Wärmeaustausch durch die Wärmeleitung innerhalb der Partikel bestimmt und lässt sich wie folgt berechnen: $τ = \frac{c_{p} ρ d^{2}}{π λ}$
Bei der Anwendung von Glg. (4) muss jedoch beachtet werden, dass ihr die Annahme zugrunde liegt, dass der Wärmeübergangskoeffizient an der Oberfläche des Partikels im Vergleich zum Wärmeleitungskoeffizienten hinreichend groß sein muss. Letztendlich muss die in Glg. (2) definierte Biotzahl deutlich größer als 0,1 sein. Die Tatsache, dass ein hoher Wärmeübergangskoeffizient vorteilhaft für die Erreichung von hohen Betriebsfrequenzen ist, bleibt aber unberührt.
In Summe bleibt festzuhalten, dass der Wunsch nach einer Betriebsfrequenz von mindestens 10 Hz einhergeht mit der Forderung, die Abmessungen der aktiven Regeneratorelemente in Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten möglichst klein zu gestalten. Für den Heat-Pipe-Prozess beträgt der maximal zulässige Durchmesser für ein LaFeSi-basiertes magnetokalorisches Material einige wenige 100 µm, während für den klassischen AMR-Prozess mit einem flüssigen Wärmeträgermedium der maximale Durchmesser nur 10 - 20 µm beträgt.
Damit das Magnetfeldvolumen möglichst effizient ausgenutzt wird, wird herkömmlicherweise die Porosität des Regenerators, bzw. der Anteil der Strömungskanäle möglichst gering gehalten. Üblich sind hier Porositäten von ca. 20 - 40%. Das führt nun in Verbindung mit der weiter oben abgeleiteten Forderung nach einer möglichst kleinen Abmessung der einzelnen Regeneratorelemente dazu, dass der Querschnitt der Poren bzw. der Strömungskanäle zur Erreichung hoher Betriebsfrequenzen sehr klein sein muss. Das bedeutet letztendlich, dass der hydraulische Durchmesser, definiert durch d_hyd = 4A/U, für Regeneratoren für den Heat-Pipe-Prozess in der Größenordnung von ca. 100 µm, für den AMR-Prozess sogar kleiner 10 µm liegen muss. A ist dabei die Querschnittsfläche der einzelnen Strömungskanäle und U deren Umfang.
Der Druckverlust, den ein Fluid erfährt, wenn es durch einen Strömungskanal fließt, hängt von der Geschwindigkeit, der Viskosität des Fluids und letztendlich vom hydraulischen Durchmesser ab. Generell gilt jedoch, dass der Druckverlust mit zunehmender Geschwindigkeit und Viskosität sowie mit abnehmendem hydraulischem Durchmesser steigt. Daraus sieht man schon, dass der Heat-Pipe-Prozess in Bezug auf die Erreichbarkeit von hohen Betriebsfrequenzen gegenüber dem AMR-Prozess Vorteile hat. Zum einen hat das gasförmige Fluid eine wesentlich geringere Viskosität und zum anderen haben die zur Verfügung stehenden Strömungskanäle wegen der hohen Wärmeübertragungsrate einen deutlich größeren hydraulischen Durchmesser.
Trotz dieser Vorteile hat es sich in der Praxis aber gezeigt, dass der Druckverlust über einen Regenerator aus einer losen Granulatschüttung selbst für den Heat-Pipe-Prozess zu groß ist, um eine Betriebsfrequenz von 10 Hz sinnvoll anwenden zu können. Es wurde festgestellt, dass der Druckverlust neben der Viskosität, der Geschwindigkeit und dem hydraulischen Durchmesser zusätzlich noch von der Länge L des Regenerators abhängt.
2a zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Regenerators 100 für einen magnetischen Wärmetauscher, der nach dem Wärmerohr-Prinzip arbeitet, und 2b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Regenerators 100' für einen magnetischen Wärmetauscher, der nach dem aktiven Regenerator-Prinzip arbeitet.
Der Regenerator 100 umfasst ein Gehäuse 11 mit einer Kammer 12, einem Einlass 13 für ein Arbeitsmedium und einem Auslass 14 für das Arbeitsmedium. Zumindest ein magnetokalorisch aktives Bauteil 15 ist in der Kammer 12 zwischen dem Einlass 13 und dem Auslass 14 angeordnet.
In manchen Ausführungsbeispielen weist das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 ein magnetokalorisch aktives Material mit einer Zusammensetzung von La_1-a-R_a(Fe_1-x-yT_yM_x)₁₃H_xC_b auf, wobei M Si und optional AI ist, T eines oder mehrere der Elemente aus der Gruppe von Mn, Co, Ni, Ti, V und Cr ist und R eines oder mehrere der Elemente Ce, Nd, Y und Pr, wobei 0≤a≤0.5, 0.05≤x≤0.2, 0.003≤y≤0.2, 0≤z≤3 und 0≤b≤1.5 ist. Alternative magnetokalorisch aktive Materialien können jedoch auch verwendet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 aus einzelnen magnetokalorisch aktiven Partikeln gebildet, die miteinander fest verbunden sind, wobei der zumindest eine innere Strömungskanal 18 zwischen den Partikeln gebildet ist. Die magnetokalorisch aktiven Partikel können mithilfe eines magnetokalorisch passiven Materials wie ein Lot oder ein Klebstoff fest verbunden werden. Alternativ können die einzelnen Partikel fest miteinander versintert sein. Der Durchmesser der Partikel kann kleiner als 500 µm sein.
Das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 weist zumindest einen inneren Strömungskanal 18 mit einem hydraulischem Durchmesser d_hyd auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist der innere Strömungskanal durch die Poren im magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 gebildet, die zwischen den Partikeln geformt sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind mehrere innere Strömungsrichtungen 18 verteilt über das Volumen des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15 breitgestellt. Die Kammer 12 weist ein Volumen V auf. Anders als bei dem Regenerator der 1 füllt das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 nicht den gesamten Querschnitt der Kammer 12, sodass das von dem magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 nichtbelegte Volumen V` der Kammer 12 zumindest einen Bypass-Strömungskanal 19 bereitstellt. Das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 hat somit eine Gesamtquerschnittsfläche a, die kleiner ist als eine innere Querschnittsfläche A der Kammer.
Sowohl der Einlass 13 als auch der Auslass 14 werden von dem zumindest einen Bypass-Strömungskanal 19 erreicht. Der mindestens eine innere Strömungskanal 18 des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15 steht in Strömungsverbindung mit dem Bypass-Strömungskanal 19. Der Bypass-Strömungskanal 19 weist einen hydraulischen Durchmesser D auf, der größer als der hydraulische Durchmesser d_hyd des inneren Strömungskanals 18 ist, sodass D > d_hyd ist. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums, die mit dem Pfeil 16 schematisch gezeigt ist, erstreckt sich vom Einlass 13 bis zum Auslass 14 des Gehäuses 10 und in nur einer Richtung. Das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 und der zumindest eine Bypass-Strömungskanal 18 sind in Bezug auf die Strömungsrichtung 16 parallel zueinander angeordnet. Als Folge dieser Anordnung kann das Arbeitsmediums durch den Bypass-Strömungskanal 19 wegen dessen großen hydraulischen Durchmessers D mit nur einem geringen Durckverlust über die Länge L des Regenerators um das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 herum fließen. Der Strömungsweg s des Arbeitsmediums durch die kleineren inneren Strömungskanäle 18 mit dem kleineren hydraulischen Durchmesser d_hyd ist hingegen viel kürzer womit dabei nur relativ geringe Druckverluste anfallen.
Im Ausführungsbeispiel der 2a wird der Bypass-Strömungskanal 19 zwischen dem magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 und den Innenwänden 20 der Kammer gebildet. Der Bypass-Strömungskanal 19 kann jedoch durch zumindest einen Spalt zwischen dem Gehäuse, bzw. den Innenwände 20 der Kammer 12 und dem magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 und/oder durch zumindest eine Aussparung im Querschnitt des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15 gebildet werden.
Die inneren Strömungskanäle 18 verlaufen jedoch in den meisten Fällen nicht parallel, sondern geneigt zu der Strömungsrichtung 16 des Arbeitsmediums. In manchen Ausführungsbeispielen kann zumindest einer der inneren Strömungskanäle 18 im Durchschnitt senkrecht zu der Strömungsrichtung 16 des Arbeitsmediums verlaufen.
Die Strecke s bezeichnet somit den theoretisch kleinsten Pfad, über den das Arbeitsmedium durch das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 fließen muss. Die geometrische Form des Regenerators 100 ist so zu gestalteen, dass die Strecke s, über die das Arbeitsmedium durch einen Bereich mit kleinem hydraulischem Durchmesser fließen muss, d.h. die inneren Strömungskanäle 18, kleiner ist als die Gesamtlänge des Regenerators L, wie in 2 dargestellt ist. Vorzugsweise ist dabei diese kurze Strecke s, in deren Richtung das Arbeitsmedium fließt, so orientiert, dass das Arbeitsmedium über einen Bypass-Strömungskanal 19 mit einem größeren hydraulischem Durchmesser D ab- bzw. zuströmen kann.
Der Regenerator 100 kann eine makroskopische Porosität ε_makro aufweisen, die sich aus dem Volumen Vbs des Bypass-Strömungskanals 19 geteilt durch das Volumen V der Kammer 12 errechnet und eine mikroskopische Porosität ε_mikro aufweist, die sich aus dem Volumen Vis der inneren Strömungskanäle 18 geteilt durch das Volumen Vb des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15 errechnet, wobei 10% < ε_makro < 50% und 10% < ε_mikro < 50% und 19% ≤ ε_gesamt ≤ 75% und sich die Gesamtporosität aus der Beziehung ε_gesamt = (Vbs + Vis)/V berechnet.
In manchen Ausführungsbeispiele ist der hydraulische Durchmesser d_hyd der jeweiligen inneren Strömungskanäle < 500 µm und der hydraulische Durchmesser D der jeweiligen Bypass-Strömungskanäle > 500 µm. Diese Werte sind dazu geeignet, einen Wärmetauscher mit einer Betriebsfrequenz von mindestens 10 Hz herzustellen. Der Regenerator 100 kann bei einem magnetischen Wärmetauscher nach dem Wärmerohr-Prinzip verwendet werden, da der Regenerator 100 ein mittlere Strömungsrichtung aufweist, die sich in nur einer Richtung vom Einlass 13 bis zum Auslass 14 erstreckt.
Bei dieser Anordnung setzt sich der gesamte Druckverlust aus der Summe des Druckverlusts über die kurze Strecke s mit dem kleinen, mikroskopischen hydraulischen Durchmesser d_hyd, d.h. die inneren Strömungskanäle 18, und dem Druckverlust über die makroskopische Länge L des Regenerators 100 mit dem wesentlich größeren hydraulischen Durchmesser D der makroskopischen Bypass-Strömungskanäle 18, zusammen. Da der hydraulische Durchmesser D in den makroskopischen Bypass-Strömungskanälen 19 wesentlich größer ist als der hydraulische Durchmesser d_hyd in den mikroskopischen Strömungskanälen 18 innerhalb des Bauteils 15, ist der Gesamtströmungswiderstand der erfindungsgemäßen Regeneratoren 100 mit zumindest einem Bypass-Strömungskanal 19 signifikant niedriger als die bislang verwendeten Regeneratoren, wie in der 1 dargestellt, die keinen Bypass-Strömungskanal haben, da das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 den gesamten Querschnitt der Kammer 12 füllt. Folglich muss im Vergleichsregenerator 10 das Arbeitsmedium über die gesamte Länge L durch das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 fließen.
2b zeigt einen Regenerator 100' nach dem aktiven Regenerator-Prinzip, das ebenfalls Bypass-Strömungskanäle 19 in der Kammer 12 und innere Strömungskanäle 18, die innerhalb des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15 gebildet sind, aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel stellt das von dem magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 nichtbelegte Volumen V` der Kammer 12 zumindest zwei Bypass-Strömungskanäle 19, 19' bereit, die jeweils einen hydraulischen Durchmesser D aufweisen, wobei D > d_hyd. Der mindestens eine innere Strömungskanal 18 des magnetokalorisch aktiven Bauteils15 steht in Strömungsverbindung mit zumindest zweinen der Bypass-Strömungskanäle 19, 19`. Einer der Bypass-Strömungskanäle 19 grenzt an den Einlass 13 und erstreckt sich nicht bis zum Auslass 14 und ein anderer der Bypass-Strömungskanäle 19' grenzt an den Auslass 14 an und ersreckt sich nicht bis zum Einlass 13. Die zumindest zwei Bypass-Strömungskanäle 19, 19' sind somit in Bezug auf die Strömungsrichtung 17 seriell zueinander angeordnet.
Das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 weist im Querschnitt eine V Form auf, die aus zwei Teilen 22,23 gebildet ist. Das offene Ende 25 hat eine Breite, die der Breite der Kammer 12 entspricht. Am Einlass 13 ist somit ein erstes Ende 24 des magnetökologischen Bauteils 15 mit den Innenwänden der Kammer 12 verbunden. Der Bypass-Strömungskanal 19 ist somit zwischen den zwei Teilen 22, 23 des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15 geformt, der ungefähr in der Mitte des Querschnitts der Kammer 12 gebildet ist und an den Einlass 13 angrenzt. Am zweiten Ende 25 des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15 sind die zwei Teile 22, 23 miteinander verbunden, um eine Spitze zu bilden. Aufgrund der V-Form ist somit ein Hohlraum zwischen der Außenseite des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15 und den Innenwänden der Kammer 12 geformt, der den zweiten Bypass-Strömungskanal 19` formt, der an den Auslass 14 grenzt und mit diesem in Strömungsverbindung steht. Der Bypass-Strömungskanal 19 ist somit über das magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 von dem zweiten Bypass-Strömungskanal 19` getrennt und mit diesem nur über die inneren Strömungskanäle 18 der zwei Teile 22,23 des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15 verbunden. Die Bypass-Strömungskanäle 19, 19' sind somit seriell in Bezug auf die Strömungsrichtung 17 des Arbeitsmediums miteinander und seriell mit dem magnetokalorischen Bauteil 15 verbunden. Das Arbeitsmedium fließt in zwei entgegengesetzte Richtungen, wie mit dem Doppelpfeil 17 gezeigt ist.
Das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 kann zum Beispiel aus mehreren gestapelten Platten gebildet werden, die aus einem magnetokalorisch aktiven Material geformt sind. Die inneren Strömungskanäle 18 werden durch die Abstände zwischen benachbarter Platten gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Länge s der inneren Strömungskanäle 18 ungefähr die Breite des einzelnen Teils 22, 23. Die Länge L der Bauteile 22 und 23 ist größer als die Länge s.
Damit die vorgeschlagenen Regeneratorgeometrien 100, 100' auch sicher bei Betriebsfrequenzen von 10 Hz und darüber in der industriellen Praxis eingesetzt werden können, ist es außerdem vorteilhaft, dass die Regeneratoren eine ausreichende mechanische Stabilität haben. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass die einzelnen magnetokalorisch aktiven Partikel bzw. Bauteilstücke miteinander verklebt oder versintert werden. Die Versinterung hat dabei den Vorteil, dass kein zusätzlicher thermischer Ballast in Form eines Klebstoffs benötigt wird, der obendrein auch noch den Wärmeübergang vom magnetokalorisch aktiven Material auf das Fluid behindern kann.
Durch die eingebrachten zusätzlichen makroskopischen Bypass-Strömungskanäle erhöht sich zwangsweise die Gesamtporosität des Regenerators 100, 100', womit sich der Füllgrad des aktiven magnetokalorischen Materials reduziert. Dieser Nachteil wird durch die mögliche Erhöhung der Betriebsfrequenz aber bei Weitem wettgemacht, wodurch sowohl die gravimetrische als auch die volumetrische Leistungsdichte der erfindungsgemäßen Regeneratoren 100, 100' gegenüber den Vergleichsregeneratoren 10, 20 signifikant höher liegt.
Vergleichsbeispiel
3a zeigt einen Vergleichsregenerator 110, 3b einen erfindungsgemäßen Regenerator nach einem ersten Ausführungsbeispiel und 3c Leistungsdaten für den Vergleichsregenerator 110 und den Regenerator 120 nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Bei dem Vergleichsregenerator 110 wurden 25 g eines sphärischen Granulates 111 bestehend aus einer LaFeSi-Legierung mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 500 µm in ein zylindrisches Gehäuse 112 (Durchmesser 20mm) gefüllt, um ein magnetokalorisches Bauteil 15 zu erhalten. Neben der Granulatschüttung ist kein Bypass-Strömungskanal vorgesehen. Diese Anordnung wurde bei einer Betriebsfrequenz von 6 Hz einem magnetischen Heat-Pipe-Prozess unterzogen, sodass der Regenerator 110 das erwärmte Arbeitsmedium über die als thermische Dioden fungierenden Ventile 113 stromaufwärts des Auslasses 14 des Regenerators 110 führt und zu einem nicht im Detail dargestellten Kondensator 114 führt, an dem das Arbeitsmedium kondensiert, um die Wärme abzugeben und zu einem ebenfalls nicht dargestellten Verdampfer 115 vor dem Einlass 13 des Regenerators 110 führt.
Wie in 3c gezeigt ist, wurde eine maximale Temperaturdifferenz von etwa 0,8 K und eine maximale spezifische Kühlleistung von ca. 0,4 W/g erreicht. In dieser Anordnung liegt der innere hydraulische Durchmesser d_hyd von ca. 200 µm über die gesamte Länge L des Regenerators von 23 mm an, was zu Druckverlusten führt. Diese Druckverluste lassen für diese Anordnung keinen Betrieb mit einer Frequenz von 6 Hz zu.
1. erfindungsgemäßes Auführungsbeispiel
In 3b ist ein Regenerator 120 nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem in der gleichen Maschine 5 g des gleichen magnetokalorischen Materials 121 in einem netzförmigen Innengehäuse 122 angeordnet wurde, um das magnetokalorisch aktives Bauteil 15 zu formen. Neben dem magnetokalorischen Material 121 entstehen noch zwei gegenüberliegende zylindrische Bypass-Strömungskanäle 19 mit einem äquivalenten hydraulischen Durchmesser D von etwa 6 mm. Diese erfindungsgemäße Anordnung führte bei einer Betriebsfrequenz von 6 Hz zu einer maximalen Temperaturdifferenz von ca. 2,2 K und einer schon sehr guten spezifischen Leistung von ca. 6 W/g, wie in 3c gezeigt ist. In dieser Anordnung wirkt der kleine innere hydraulische Durchmesser d_hyd von 200 µm nur über die Länge L von 4 mm, die in diesem Fall der Strecke s in 2 entspricht. Der Regenerator hat hier bei einem Durchmesser von 20 mm ein Volumen von 1256 mm³, womit die Kantenlänge des Würfels mit dem gleichen Volumen ca. 10,8 mm beträgt, was deutlich größer ist als die Strecke s. Der in Summe sich ergebende Strömungswiderstand ist hier so klein, dass die Anordnung noch problemlos mit 6 Hz betrieben werden kann.
2. erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
4 zeigt zwei Ansichten eines Regenerators 130 nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, der ein magnetokalorisch aktives Bauteil 15 aus sphärischem LaFeSi Granulat 131, der zwischen zwei Edelstahlsieben 132 angeordnet ist, aufweist.
Dieses magnetokalorisch aktive Bauteil 15 erstreckt sich zwischen den Innenwänden 133 eines nicht dargestellten Gehäuses 134 und über fast die gesamte Länge des Gehäuses 134, sodass zwei Bypass-Strömugnskanäle 19 an gegenüberliegenden Seiten des Bauteils 15 zwischen den Innenwänden 133 und den Edelstahlsieben 132 gebildet sind. Das sphärische Granulat 131 ist so zwischen zwei Edelstahlsieben 132 fixiert, dass sich für die effektiv wirksame Länge der inneren Strömungskanäle 18, die durch die Porosität zwischen den Granulaten 131 gebildetwerden, eine Strecke s, die dem halben Abstand zwischen den Edelstahlsieben 132 entspricht, von nur etwa 1 mm ergibt. Der hydraulische Durchmesser D der beiden Bypass-Strömungskanäle 19, 19' beträgt hier jeweils ca. 9 mm bei einer Länge L von ca. 33 mm. Der Gesamtströmungswiderstand dieser Anordnung ist nochmal deutlich kleiner als im vorherigen Beispiel.
Dieser Regenerator 130 wurde in der gleichen Maschine wie die beiden vorgehenden Beispiele getestet. 5 zeigt die spezifische Kühlleistung für den Regenerator 130 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel und zeigt, dass sich mit diesem Regenerator 130 Betriebsfrequenzen bis zu 20 Hz mit einer außergewöhnlich hohen spezifischen Kühlleistung von ca. 12 W/g erreichen lassen.
3. erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
In einem erfindungsgemäßen dritten Ausführungsbeispiel wurde zunächst ein Feinpulver aus einer LaFeSi-Legierung mit einer Korngröße < 10 µm hergestellt. Dieses Feinpulver wurde dann isostatisch mit einem Druck von 2500 kg/cm² verdichtet und bei einer Temperatur von ca. 1100 °C zu einem Block mit einer Dichte von ca. 7200 kg/m³ gesintert. Dieser Block wurde dann zu einem Grobpulver vermahlen, das auf eine Partikelgröße von 80 - 160 µm abgesiebt wurde. Dieses Grobpulver wurde dann in eine Silikonform mit einem Querschnitt von ca. 20 x 20 mm und einer Länge von ca. 80 mm gefüllt und isostatisch mit einem Druck von 2500 kg/cm² verdichtet.
Auf diese Art und Weise wurden mehrere solcher Grünlinge aus dem groben Granulat hergestellt, die dann für jeweils 4 h bei Temperaturen von 1050 bis 1130°C gesintert wurden. 6a zeigt eine schematische Darstellung eines solchen gesinterten Körpers 140 mit einer Länge L von ca. 60 mm und einem Querschnitt von ca. 16 x 16 mm. An den Sinterlingen wurde mit Hilfe eines Tränkverfahrens die Porosität bestimmt.
6b zeigt einen Graph der gemessenen Porosität für verschiedene Sintertemperaturen. Die Porosität liegt bis zu einer Sintertemperatur von 1110°C nahezu konstant bei ca. 30%. Erst bei einer Sintertemperatur von 1130°C nimmt sie signifikant auf ca. 24% ab. Bei einer Sintertemperatur von 1050°C sind die Grobpulverpartikel noch nicht ausreichend fest miteinander versintert und lassen sich noch von Hand abreiben. Für Sintertemperaturen ab 1070°C hingegen sind die Sinterlinge abriebfest und lassen sich als poröse Regeneratoren einsetzen. Der innere hydraulische Durchmesser d_hyd beträgt dabei ca. 80 µm und die Strecke s, die in diesem Fall der halben Dicke des Bauteils 140 entspricht, beträgt ca. 8 mm. Der hydraulische Durchmesser des Bypass-Strömungskanals ergibt sich in diesem Fall aus dem Spalt zwischen einem Gehäuse und dem Bauteil 140 selbst. Wird das quadratische Bauteil 140 in ein zylindrisches Gehäuse mit einem Innendurchmesser von ca. 23 mm eingebracht, ergibt sich für den ca. 60 mm langen Bypass-Strömungskanal ein hydraulischer Durchmesser von D = ca. 4,7 mm.
4. erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
In dem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird eine LaFeSi-Legierung mittels des strip-casting-Verfahrens zu Flakes mit einer Dicke von ca. 300 µm abgegossen. Die Legierung wird dann bei 1050°C für 4 h homogenisiert, damit sich das während der Erstarrung ausgeschiedene α-Fe wieder auflöst. Im nächsten Schritt wird die Legierung dann mechanisch zu einem Grobpulver zerkleinert und auf eine Partikelgröße von 150 - 300 µm abgesiebt. Dieses Grobpulver wird dann mit einem Pressdruck von 1500 kg/cm² in einem Ringwerkzeug zu kleinen Ringen D6 x D2 x 10 mm verpresst. Die Ringe werden dann bei einer Temperatur von ca. 1100°C für 4 h zu Formkörpern mit einer offenen inneren Porosität von ca. 30% und einem inneren hydraulischen Durchmesser von ca. 150 µm versintert. Nach der Sinterung werden die Sinterlinge noch bei einer Temperatur von 1050°C für 6 h homogenisiert, damit sich das während der Sinterung gebildete α-Fe gemeinsam mit der flüssigen Phase wieder in die magnetokalorisch aktive 1:13 Phase umwandeln kann. Zuletzt werden die Sinterlinge in einer Wasserstoffatmosphäre in 24 h von 500°C auf Raumtemperatur abgekühlt, um die Curietemperatur auf einen Wert nahe Raumtemperatur einzustellen.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Regenerators 150, bei dem diese Ringe 151 in einem zylindrischen Gehäuse 152 zu einem magnetokalorisch aktiven Bauteil 15 zusammengebaut sind. Die Ringe 151 bilden Subeinheiten des magnetokalorisch aktiven Bauteils 15. Mehrere Ringe 151 sind nebeneinander in einer Lage 153 angeordnet und mehrere ähnliche Lagen aufeinander gestapelt, um mehrere mehrteilige Rohre 154 aus den Ringen 151 zu bilden, die parallel zueinander in Strömungsrichtung 16 verlaufen. Bypass-Strömungskanäle 19 sind durch die Öffnungen im Zentrum der jeweiligen Ringe 151, die die Rohre bilden, sowie durch die Hohlräume 155, die zwischen den Innenwänden des Gehäuses 152 und den Außenwänden der Ringe 151 gebildet sind, bereitgestellt. Die inneren Strömungskanäle 18 sind durch die Porosität der Ringe 151 geformt.
Die Gesamtlänge L des Regenerators 150 beträgt dabei ca. 40 mm und die Stecke s, die hier der halben Wandstärke der Ringe 151 entspricht, beträgt nur 1 mm. Da der hydraulische Durchmesser der Bypass-Strömungskanäle 19 mit D = 2 mm um Größenordnungen größer ist als der der inneren Strömungskanäle 18, ist der Gesamtströmungswiderstand dieses Regenerators fast 40 Mal kleiner als bei einem vollständig mit Granulat gefüllten Regenerator wie dem Regenerator 10 des Vergleichsbeispiels. Die zusätzlichen Bypass-Strömungskanäle 19 führen in diesem Ausführungsbeispiel zu einer makroskopischen Porosität von ε_makro = ca. 30%. Gemeinsam mit der inneren Porosität von ε_mikro = ca. 30% führt das zu einer Gesamtporosität von ε_gesamt = ca. 50%. Der Füllgrad eines solchen Regenerators 150 ist mit 50% zwar deutlich niedriger als der eines vollständig mit Granulat gefüllten Regenerators 10 von ca. 70%. Der geringere Strömungswiderstand erlaubt aber eine um Faktoren höhere Betriebsfrequenz, was den Nachteil des geringeren Füllgrades mehr als wettmacht.
Die bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in erster Linie für den Heat-Pipe-Prozess geeignet, bei dem das gasförmige Fluid durch die durch die Temperaturunterschiede hervorgerufenen Druckunterschiede von sich aus in bzw. aus der porösen Struktur in eine Richtung strömt. In 8 ist ein erfindungsgemäßer Regenerator 160 nach einem fünften Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich auch für den klassischen aktiven Regenerator-Prozess verwenden lässt.
5. erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Regenerator 160 nach einem fünften Ausführungsbeispiel, bei dem sich das magnetokalorisch aktive Bauteil 15 über den gesamten Querschnitt der Kammer 12 des Gehäuses 11 erstreckt. Somit sind zwei Bypass-Strömungskanäle 19, 19' an gegenüberliegenden Seiten des Bauteils 15 innerhalb des Gehäuses 10 gebildet, die seriell in Bezug auf die Strömungsrichtung 17 angeordnet sind, d.h, das Arbeitsmedium fließt zunächst durch den Einlass und den Bypass-Strömungskanal 19, durch die inneren Strömungskanälen des Bauteils 15 und danach durch den zweiten Bypass-Strömungskanal 19` und den Auslass 14.
In dem fünften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird zunächst eine LaFeSi-Legierung mittels eines Argonstrahls aus der Schmelze zu kugelförmigen Partikeln mit einer Partikelgröße von ca. 30 - 300 µm verdüst. Dieses Granulat mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 125 µm wird zunächst mit ca. 3 Gew.% Polypropylencarbonat (PPC) als Binder gemischt. Der Binder wird dabei in Methylethylenketon (MEK) aufgelöst, um einen gießfähigen Schlicker zu erhalten. Der Schlicker wird dann mit einem Gießkasten auf eine Kunststofffolie gegossen. Die Kunststofffolie bewegt sich dabei mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 m/min unter dem Gießkasten hinweg und durch einen mittels eines Doktorblades eingestellten Spalt entsteht eine ca. 1 mm dicke Folie. Im nächsten Schritt wird das MEK abgetrocknet und es entsteht eine flexible Folie. Diese Folie wird dann in ca. 20 mm breite Streifen geschnitten und die Streifen werden, wie in 8 dargestellt ist, mäanderförmig gefaltet. Diese mäanderförmigen Braunlinge werden dann stirnseitig auf eine Sinterplatte aus Fe gestellt. Bei einer Temperatur von ca. 350°C wird dann in einer Wasserstoff-Atmosphäre der Binder entfernt und der sich ergebende Grünling wird bei einer Temperatur von ca. 1100°C für 4 h gesintert und bei 1050°C für 6 h homogenisiert. Zuletzt werden die Sinterlinge noch in einer Wasserstoffatmosphäre von 500°C in 24 h auf Raumtemperatur abgekühlt, um die Curietemperatur in den Bereich der Raumtemperatur zu bringen.
Die so erhaltene mäanderförmige Platte 161 dienen als magnetokalorisch aktives Bauteil 15 und wird dann so in ein Gehäuse 11 eingebaut, dass der Regenerator 160 stirnseitig und seitlich dicht mit dem Gehäuse 11 abschließt. Der Regenerator hat keilförmige Bypass-Strömungskanäle 19, 19' mit einem mittleren hydraulischen Durchmesser D von ca. 1 mm. Die Bypass-Strömungskanäle 19, 19' sind an gegenüberliegenden Seiten der Platte 161 gebildet und sind somit im Gegensatz zu der Anordnung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele 1 bis 3 seriell in Bezug auf die mittlere Strömungsrichtung 17 und das magnetokalorische Bauteil 15 angeordnet. Der innere hydraulische Durchmesser, der durch die Porosität der Platte 161 gebildet ist, beträgt hingegen nur ca. 80 µm. Die makroskopische Länge des Regenerators 160 beträgt ca. 10 mm, während die Strecke s, hier die Dicke der gesinterten Platte 161, nur 1 mm beträgt. Durch die spezielle Anordnung der makroskopischen Bypass-Strömungskanäle 19, 19' hat der Regenerator 160 nach dem fünften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nur ungefähr ein Zehntel des Strömungswiderstandes im Vergleich zu einem vollständig mit einem vergleichbaren Granulat gefüllten Regenerator, wie der Regenerator 10 des Vergleichsbeispiels. Die sphärische Form der zugrundeliegenden Partikel führt in diesem besonderen Fall zu einer weiteren Reduktion des Strömungswiderstands im Vergleich zu den Regeneratoren aus gebrochenem Granulat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7076958 B2 [0004]
DE 102014010476 B3 [0005]
US 7063754 [0006]

Claims

Regenerator für einen magnetischen Wärmetauscher, umfassend: ein Gehäuse mit einer Kammer, einem Einlass für ein Arbeitsmedium und einem Auslass für das Arbeitsmedium, wobei die Kammer ein Volumen V aufweist, zumindest ein magnetokalorisch aktives Bauteil, das in der Kammer zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und das zumindest einen inneren Strömungskanal mit einem hydraulischem Durchmesser d_hyd aufweist, wobei das von dem magnetokalorisch aktiven Bauteil nichtbelegte Volumen der Kammer zumindest einen Bypass-Strömungskanal bereitstellt, wobei sowohl der Einlass als auch der Auslass von dem zumindest einen Bypass-Strömungskanal erreicht wird und dieser einen hydraulischen Durchmesser D aufweist, wobei D > d_hyd und der mindestens eine innere Strömungskanal des magnetokalorisch aktiven Bauteils in Strömungsverbindung mit dem Bypass-Strömungskanal steht, wobei sich eine Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vom Einlass bis zum Auslass erstreckt und das magnetokalorisch aktive Bauteil und der zumindest eine Bypass-Strömungskanal in Bezug auf die Strömungsrichtung parallel zueinander angeordnet sind.
Regenerator für einen magnetischen Wärmetauscher, umfassend: ein Gehäuse mit einer Kammer, einem Einlass für ein Arbeitsmedium und einem Auslass für das Arbeitsmedium, wobei die Kammer ein Volumen V aufweist, zumindest ein magnetokalorisch aktives Bauteil, das in der Kammer zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist und das zumindest einen inneren Strömungskanal mit einem hydraulischem Durchmesser d_hyd aufweist, wobei das von dem magnetokalorisch aktiven Bauteil nichtbelegte Volumen der Kammer zumindest zwei Bypass-Strömungskanäle bereitstellt, die jeweils einen hydraulischen Durchmesser D aufweisen, wobei D > d_hyd, wobei der mindestens eine innere Strömungskanal des magnetokalorisch aktiven Bauteils in Strömungsverbindung mit zumindest zweinen der Bypass-Strömungskanäle steht, wobei zumindest ein Bypass-Strömungskanal an den Einlass und zumindest ein anderer Bypass-Strömungskanal an den Auslass angrenzt und die zumindest zwei Bypass-Strömungskanäle in Bezug auf die Strömungsrichtung seriell zueinander angeordnet sind.
Regenerator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei eine kürzeste Länge s des mindestens einen inneren Strömungskanals kürzer ist als eine Länge L des magnetokalorisch aktiven Bauteils gemessen in Richtung der mittleren Strömungsrichtung des Arbeitsmediums.
Regenerator nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, wobei das magnetokalorisch aktive Bauteil eine Gesamtquerschnittsfläche a aufweist, die kleiner ist als eine innere Querschnittsfläche A der Kammer, sodass der Bypass-Strömungskanal zwischen dem magnetokalorisch aktiven Bauteil und der Kammer gebildet wird.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bypass-Strömungskanal von dem magnetokalorisch aktivem Bauteil umgeben ist.
Regenerator nach einem der Ansprüche 1, und 3 bis 4, wobei der Bypass-Strömungskanal durch zumindest einen Spalt zwischen dem Gehäuse und dem magnetokalorisch aktiven Bauteil und/oder durch zumindest eine Aussparung im Querschnitt des magnetokalorisch aktiven Bauteils gebildet ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das magnetokalorisch aktive Bauteil aus mehreren Subeinheiten besteht und der Bypass-Strömungskanal durch zumindest einen Spalt gebildet wird, der zwischen den Subeinheiten entsteht.
Regenerator nach Anspruch 7, wobei die Subeinheiten nebeneinander und quer zu der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums in der Kammer angeordnet sind und/oder aufeinander und parallel zu der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums in der Kammer angeordnet sind.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine makroskopische Porosität ε_makro, die sich aus dem Volumen Vbs des Bypass-Strömungskanals geteilt durch das Volumen V der Kammer errechnet und eine mikroskopische Porosität ε_mikro aufweist, die sich aus dem Volumen Vis der inneren Strömungskanäle geteilt durch das Volumen Vb des magnetokalorisch aktiven Bauteils errechnet, wobei 10% < ε_makro < 50% und 10% < ε_mikro < 50% und 19% ≤ ε_gesamt ≤ 75%. Die Gesamtporosität ε_gesamt berechnet sich dabei nach ε_gesamt = (Vbs + Vis)/V.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das magnetokalorisch aktive Bauteil aus einzelnen magnetokalorisch aktiven Partikeln gebildet ist, die miteinander fest verbunden sind, wobei der zumindest eine innere Strömungskanal zwischen den Partikeln gebildet ist.
Regenerator nach Anspruch 10, wobei die magnetokalorisch aktiven Partikel mithilfe eines magnetokalorisch passiven Materials fest verbunden sind.
Regenerator nach Anspruch 11, wobei das magnetokalorisch passive Material ein Lot oder ein Klebstoff ist.
Regenerator nach Anspruch 10, wobei die einzelnen Partikel fest miteinander versintert sind.
Regenerator nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Durchmesser der Partikel < 500 µm ist.
Regenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das magnetokalorisch aktive Bauteil aus mehreren magnetokalorisch aktiven Subeinheiten gebildet ist, wobei der zumindest eine innere Strömungskanal zwischen den Subeinheiten gebildet ist.
Regenerator nach Anspruch 15, wobei die Subeinheiten plattenförmig und übereinandergestapelt sind und jeweils zumindest eine Aussparung aufweisen, die den inneren Strömungskanal bildet.
Regenerator nach Anspruch 15, wobei die magnetokalorisch aktiven Subeinheiten mithilfe eines magnetokalorisch passiven Materials fest verbunden sind.
Regenerator nach Anspruch 17, wobei das magnetokalorisch passive Material ein Lot oder ein Klebstoff ist.
Regenerator nach Anspruch 15, wobei die Subeinheiten aus gesinterten Partikeln gebildet sind.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der hydraulische Durchmesser d_hyd der inneren Strömungskanäle < 500 µm und der hydraulische Durchmesser D der Bypass-Strömungskanäle > 500 µm ist.
Regenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das magnetokalorisch aktive Bauteil ein magnetokalorisch aktives Material mit einer Zusammensetzung von La_1-a-R_a(Fe_1-x-yT_yM_x)₁₃H_xC_b aufweist, wobei M Si und optional AI ist, T eines oder mehrere der Elemente aus der Gruppe von Mn, Co, Ni, Ti, V und Cr ist und R eines oder mehrere der Elemente Ce, Nd, Y und Pr, wobei 0≤a≤0.5, 0.05≤x≤0.2, 0.003≤y≤0.2, 0≤z≤3 und 0≤b≤1.5 ist.
Wärmetauscher, umfassend zumindest einen Regenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, ein Arbeitsmedium, das im Betrieb des Wärmetauschers durch den inneren Strömungskanal und den Bypass-Strömungskanals fließt, einen schaltbaren Magnetfelderreger zur Erzeugung eines Magnetfelds am Bauteil des Regenerators.
Wärmetauscher nach Anspruch 22, wobei zumindest zwei Regeneratoren bereitgestellt sind und die Regeneratoren mindestens zwei unterschiedliche Curie-Temperaturen aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, wobei die zumindest zwei Regeneratoren derart in Serie geschaltet sind, dass eine Kaskade mit steigender Curie-Temperatur bereitgestellt ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 22 bis 24, der nach dem Wärmerohrprinzip ausgebildet ist und ferner einen Kondensator, der in Strömungsverbindung mit dem Auslass des Gehäuses steht und einen Verdampfer, der in Strömungsverbindung mit dem Einlass des Gehäuses steht.
Wärmetauscher nach Anspruch 25, ferner aufweisend eine regelbare thermische Verbindung zwischen zwei Regeneratoren.
Wärmetauscher nach Anspruch 26, wobei die regelbare thermische Verbindung ein Druckventil oder einen Thermoventil umfasst.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 22 bis 24, der nach dem aktiven magnetokalorischen Regenerator-Prinzip ausgebildet ist.