DE112007003121T5

DE112007003121T5 - Gegenstand zum magnetischen Wärmeaustausch und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE112007003121T5
Application number: DE112007003121T
Authority: DE
Inventors: Matthias Katter
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2007-02-12
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2009-10-15
Also published as: KR20090102807A; JP2010516042A; GB2458039A; CN101765892B; GB0908307D0; US9175885B2; KR101088535B1; US20100037625A1; GB2458039B; WO2008099235A1; CN101765892A

Abstract

Gegenstand, der eine Hülle aufweist, die zumindest einen Kern umhüllt, wobei der Kern eine Vielzahl von Partikeln aufweist, die Precursor eines magnetokalorisch aktiven Materials in Mengen aufweisen, um die Stöchiometrie des magnetokalorisch aktiven Materials zur Verfügung zu stellen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gegenstand zum magnetischen Wärmeaustausch und auf Verfahren zu dessen Herstellung.
Der magnetokalorische Effekt beschreibt die adiabatische Umwandlung einer magnetisch induzierten Entropieänderung in die Entwicklung oder die Absorption von Wärme. Daher kann durch Anwenden eines magnetischen Feldes auf ein magnetokalorisches Material eine Entropieänderung induziert werden, die zur Entwicklung oder zur Absorption von Wärme führt. Dieser Effekt kann nutzbar gemacht werden, um Kühlung und/oder Erwärmung zur Verfügung zu stellen.
Die Technologie des magnetischen Wärmeaustausches weist den Vorteil auf, dass magnetische Wärmetauscher im Prinzip energieeffizienter sind als Systeme mit Zyklen der Gaskompression und Gasexpansion. Darüber hinaus sind magnetische Wärmetauscher umweltfreundlich, da keine Ozon vermindernden Chemikalien, wie zum Beispiel FCKW verwendet werden.
Magnetische Wärmetauscher, wie zum Beispiel der in US 6,676,772 offengelegte, weisen üblicherweise ein mit einer Pumpe angetriebenes Umlaufsystem auf, ein Wärmeaustauschmedium, wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit, eine mit Partikeln aus einem magnetisch kühlend wirkenden Material befüllte Kammer, die den magnetokalorischen Effekt aufweist, und ein Mittel zur Anwendung eines magnetischen Feldes auf die Kammer.
In den letzten Jahren sind Materialien wie zum Beispiel La(Fe_1-aSi_a)₁₃, Gd₅(Si, Ge)₄, Mn(As, Sb) und MnFe(P, As) entwickelt worden, die eine Curie Temperatur T_c bei oder nahe zu Zimmertemperatur aufweisen. Die Curie Temperatur ist dabei die Betriebstemperatur des Materials in einem magnetischen Wärmeaustauschsystem. Folglich sind diese Materialien geeignet zur Verwendung in Anwendungen wie zum Beispiel der Klimasteuerung in Gebäuden, häuslichen und industriellen Kühlgeräten und Gefriergeräten, wie auch bei der Klimasteuerung in Kraftfahrzeugen.
Weitere Entwicklungen dieser Materialien wurden ausgerichtet auf die Optimierung der Zusammensetzung, um dadurch die Entropieänderung zu erhöhen und den Temperaturbereich zu erhöhen, in dem die Entropieänderung auftritt. Dies ermöglicht, dass geringere angewendete magnetische Felder verwendet werden, um eine ausreichende Kühlung und einen stabilen Kühlzyklus über einen größeren Temperaturbereich zu erzielen. Diese Maßnahmen zielen darauf ab, den Entwurf des Wärmeaustauschsystems zu vereinfachen, da die kleineren magnetischen Felder durch einen Dauermagneten erzeugt werden können anstelle von einem Elektromagneten oder sogar einem supraleitenden Magneten. Es sind jedoch weitere Verbesserungen wünschenswert, um eine breitere Anwendung der Technologie des magnetischen Wärmeaustausches zu ermöglichen.
Es ist ein Ziel der Erfindung einen Gegenstand für ein magnetisches Wärmeaustauschsystems zur Verfügung zu stellen, der zuverlässig und kostengünstig hergestellt werden kann und der in einer Form hergestellt werden kann die geeignet ist zur Verwendung in magnetischen Kühlsystemen.
Es ist ein weiteres Ziel Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe der Gegenstand hergestellt werden kann.
Die Erfindung stellt einen Gegenstand zur Verfügung, der eine Hülle aufweist, die zumindest einen Kern umhüllt. In einer Ausführungsform weist der Kern eine Vielzahl von Körnern auf, die ein magnetokalorisch aktives Material aufweisen.
Ein magnetokalorisch aktives Material ist hierin definiert als ein Material, das einer Veränderung der Entropie unterliegt, wenn es einem magnetischen Feld ausgesetzt wird. Die Veränderung der Entropie kann zum Beispiel das Ergebnis einer Veränderung von ferromagnetischem zu paramagnetischem Materialverhalten sein. Das magnetokalorisch aktive Material kann in nur einem Teil eines Temperaturbereichs einen Wendepunkt aufweisen, bei dem das Vorzeichen der zweiten Ableitung der Magnetisierung in Bezug auf ein angelegtes magnetisches Feld von positiv zu negativ wechselt.
Das magnetokalorisch aktive Material ist innerhalb der Hülle eingefasst, die eine äußere Verkleidung zur Verfügung stellt, die eine bestimmte Dicke aufweist und die den Kern umgibt, der das magnetokalorisch aktive Material aufweist. Der Gegenstand weist eine Struktur einer geschichteten oder laminierten Art auf anstelle einer nicht magnetokalorisch aktiven Matrix mit voneinander isolierten Körnern oder Partikeln aus magnetokalorisch aktivem Material, das in die Matrix eingebettet ist. Die Körner oder Partikel des Kerns können an ihre Nachbarn angrenzen. Der Gegenstand weist ein Seitenverhältnis von mehr als 1,2 auf.
Dies weist den Vorteil auf, dass die Probleme, die mit der Verwendung von Partikeln als dem magnetisch wirkenden Material in einem magnetischen Wärmeaustauschsystem verbunden sind, vermieden werden, da die Schwebstoffteilchen, ob in der Form von Körnern oder Partikeln, innerhalb der Hülle umfasst sind. Folglich sind die Partikel des magnetokalorisch aktiven Materials vor dem direkten Kontakt mit dem Kühlmedium oder der Wärmeübertragungsflüssigkeit geschützt.
Dies weist den Vorteil auf, dass die Partikel oder Körner durch die Bewegung der Flüssigkeit nicht hin- und hergeworfen werden und daher nicht zerdrückt werden, wodurch sich ein feines Pulver ergibt, das andere Teile des Wärmeaustauschsystems, wie zum Beispiel die Pumpe, verstopfen kann. Darüber hinaus stellt die Hülle einen Schutz zur Verfügung gegen eine mögliche Korrosion, die durch einen direkten Kontakt des Kühlmediums mit dem magnetokalorisch aktiven Material bewirkt wird, so dass eine zusätzliche Beschichtung der einzelnen Partikel mit Schutzschichten vermieden werden kann. Die Betriebslebensdauer des wirkenden Materials wird erhöht, wodurch weiterhin die Leichtigkeit der Handhabung und die Effektivität der Kosten des magnetischen Wärmeaustauschsystems erhöht werden.
Der Gegenstand, der die Hülle und zumindest einen Kern aufweist, weist eine mechanische Stabilität auf. Dies weist den Vorteil auf, dass der Entwurf des Wärmeaustauschsystems dadurch vereinfacht wird, dass ein Behälter zum Aufnehmen des magnetokalorisch aktiven Materials nicht erforderlich ist. Darüber hinaus kann der Gegenstand leicht und genau in einer Vielzahl von Formen hergestellt werden, wie zum Beispiel als Folie, Platten oder größere Körper, abhängig von der Ausgestaltung des Kühl- oder Wärmeaustauschsystems. Die Einschränkungen bezüglich der Größe des Materials, das hergestellt wird durch Schmelzformverfahren und im Besonderen durch Schmelzspinnverfahren, können daher vermieden werden, genauso wie die Probleme die verbunden sind mit der Unterbringung von Pulver oder Schwebstoffteilchen in einem zusätzlichen Behälter.
Der Gegenstand kann eine Komponente eines Wärmetauschers sein, einer Kühlanlage, einer Klimaanlageneinheit für ein Gebäude oder ein Fahrzeug, im Besonderen ein Automobil, oder eine Klimasteuervorrichtung für ein Gebäude oder ein Automobil. Die Klimasteuervorrichtung kann im Winter als eine Heizung und im Sommer als eine Kühlung verwendet werden, in dem die Richtung der Kühlflüssigkeit oder des Wärmetauschermediums umgekehrt wird. Dies ist besonders vorteilhaft für Automobile und andere Fahrzeuge, da der innerhalb des Chassis verfügbare Platz zur Unterbringung der Klimasteuervorrichtung durch das Design des Fahrzeugs eingeschränkt ist.
Die Erfindung stellt auch einen Gegenstand zur Verfügung, in dem der Kern eine Vielzahl von Partikeln aufweist, die Precursor eines magnetokalorisch aktiven Materials in Mengen aufweisen um die Stöchiometrie des magnetokalorisch aktiven Materials zur Verfügung zu stellen. Dieser Gegenstand kann als ein Zwischenprodukt angesehen werden.
Der Gegenstand kann nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen werden unter Bedingungen, die geeignet sind, um eine chemische Reaktion des Precursors zu bewirken und innerhalb der Hülle eine oder mehrere magnetokalorisch aktive Phasen auszuformen. Eine solche Wärmebehandlung stellt ein reaktives Sintern des Kerns zur Verfügung.
Der Precursor kann eine Mischung von Partikeln aufweisen, von denen jeder eine aus einer Anzahl von unterschiedlichen Zusammensetzungen aufweist. Der Precursor kann eine Vielzahl von Partikeln aufweisen, von denen jeder eine einzelnes chemisches Element oder eine Zweistofflegierung oder eine Dreistofflegierung aufweist.
Die Stöchiometrie des Precursorpulvers kann ausgewählt und eingestellt werden, um in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile des Precursors die erwünschte Phase oder die erwünschten Phasen nach einer Wärmebehandlung zur reaktiven Sinterung zur Verfügung zu stellen.
In einer Ausführungsform weist das magnetokalorisch aktive Material eine Curie Temperatur im Bereich von 220 K bis 345 K auf. Die Betriebstemperatur des magnetokalorisch aktiven Materials beträgt, wenn es in einem magnetischen Wärmeaustauschsystem verwendet wird, ungefähr die seiner Curie Temperatur. Ein magnetokalorisch aktives Material mit einer Curie Temperatur im Bereich von 220 K bis 345 K ist, in Abhängigkeit von der erwünschten Betriebstemperatur und dem Betriebstemperaturbereich geeignet für Anwendungen wie zum Beispiel häusliche und kommerzielle Gefriersysteme, zur Kühlung, für Klimaanlagen oder Klimasteuersysteme.
Das magnetokalorisch aktive Material ist eines aus der Gruppe bestehend aus Gd, einer auf La(Fe_1-bSi_b)₁₃ basierenden Phase, einer auf Gd₅(Si, Ge)₄ basierenden Phase, einer auf Mn(As, Sb) basierenden Phase, einer MnFe(P, As) basierenden Phase, einer auf Tb-Gd basierenden Phase, einer auf (Pr, Nd, Sr)MnO₃ basierenden Phase und einer auf Pr₂(Fe, Ca)₂₇ basierenden Phase. Diese grundlegenden Zusammensetzungen können weiterhin weitere chemische Elemente aufweisen, die die aufgeführten Elemente zum Teil oder vollständig ersetzen können. Diese Phasen können auch Elemente aufweisen, die zumindest zum Teil in Zwischenräumen angeordnet in der Kristallstruktur untergebracht sind.
Diese Phasen können auch Fremdkörperelemente aufweisen und kleine Mengen von Elementen wie zum Beispiel Sauerstoff.
Die Hülle umgibt den Kern und kann ein Material aufweisen das ausgewählt ist um eine Anzahl von Verbesserungen zur Verfügung zu stellen. Die Hülle kann eine mechanisch Verstärkung des Gegenstands zur Verfügung stellen. Dies ist besonders nützlich für die Ausführungsform in der der Kern einen Precursor des magnetokalorisch aktiven Materials aufweist, der noch nicht einer Reaktion unterzogen worden ist, um die erwünschte magnetokalorische Phase auszuformen. Der Gegenstand kann einfacher transportiert und bearbeitet werden, bevor der Reaktionsprozess zur Sinterung ausgeführt wird.
Der Gegenstand kann eine Vielzahl von Kernen aufweisen, die in einer Matrix eingebettet und von der Hülle eingehüllt sein können. Die Matrix und die Hülle können die gleichen oder aber unterschiedliche Materialien aufweisen.
Die Hülle kann zwei oder mehr Schichten aufweisen, von denen jede unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. Eine äußere Hülle kann zum Beispiel Korrosionsbeständigkeit zur Verfügung stellen und eine innere Hülle kann eine erhöhte mechanische Festigkeit zur Verfügung stellen. Die Hülle kann auch so gewählt werden, dass sie eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, um auf diese Weise die Wärmeübertragung von dem Kern auf das Wärmeübertragungsmedium zu erhöhen, in dem der Gegenstand in einem Wärmetauscher angeordnet ist.
Die Hülle kann ein Material mit einem Schmelzpunkt von größer als 1100°C aufweisen, um auf diese Weise zu ermöglichen, dass ein reaktiver Sinterungsprozess des Kerns bei Temperaturen bis hinauf zu gerade unterhalb des Schmelzpunkts der Hülle ausgeführt wird.
Die Hülle kann Eisen oder Siliziumeisen oder Nickel oder Stahl oder Edelstahl aufweisen. Edelstahl weist den Vorteil auf, dass es einen besseren Korrosionswiderstand aufweist. Eisen weist den Vorteil auf, dass es billiger ist.
Wenn magnetokalorisch aktives Material in die Hülle gepackt wird, und im Besonderen in dem Fall in dem keine Wärmebehandlung des Gegenstands ausgeführt wird, kann die Schmelztemperatur des Materials der Hülle geringer sein als 1100°C. Weiterhin werden unerwünschte chemische Reaktionen zwischen der Hülle und dem Kern vermieden, wenn der Gegenstand nicht erwärmt wird. Dies erhöht die Anzahl der für die Hülle geeigneten Materialien.
Das Material der Hülle kann gewählt werden, um eine gute thermische Leitfähigkeit zur Verfügung zu stellen. Dies erhöht die Effektivität der thermischen Übertragung zwischen dem Gegenstand und dem Wärmeaustauschmedium oder der Kühlflüssigkeit. Die Hülle kann zum Beispiel Kupfer oder eine auf Kupfer basierende Legierung oder Aluminium oder eine auf Aluminium basierende Legierung aufweisen.
Wenn ein Precursor des magnetokalorisch aktiven Materials vor der Reaktion zur Ausformung der magnetokalorisch aktiven Phase oder der Phasen in die Hülle gepackt wird, kann das Material der Hülle so gewählt werden, dass es teilweise mit dem Kern reagiert, um die erwünschte Phase zu erzeugen. So kann zum Beispiel eine Legierung aus Eisen und Silizium gewählt und benachbart zu dem Kern positioniert werden, um zu ermöglichen dass eine Reaktion zwischen dem Kern und dem Eisensilizium stattfindet. Die Zusammensetzung des Precursors des Kerns kann dementsprechend eingestellt werden, so dass das sich ergebende reaktiv gesinterte Material des Kerns die erwünschte Zusammensetzung aufweist.
Die Hülle und die Matrix, sofern eine zur Verfügung gestellt wird, können plastisch verformbar sein. Dies ermöglicht, dass herkömmliche Prozessverfahren auf der Basis von Pulver in Röhren verwendet werden, um den Gegenstand herzustellen. Der Gegenstand kann in einer Vielzahl von Ausgestaltungen zur Verfügung gestellt werden, wie zum Beispiel einem Band oder einem Draht oder einer Platte und kann in der Länge gestreckt ausgeführt werden. Der Gegenstand kann auch flexibel sein, wodurch es ermöglicht wird, dass der Gegenstand durch einfache mechanische Verfahren in eine Vielzahl von Spulen und Verbundstoffen ausgeformt wird, wie zum Beispiel durch Wickeln und Biegen.
Ein einzelner langgestreckter Gegenstand kann ausgeformt werden, bei dem die Hülle alle Seiten des Kerns umhüllt. Dieser Gegenstand kann in der Form einer Magnet- oder Flachspule gewickelt werden, die eine Ausgestaltung aufweisen, die für eine bestimmte Anwendung geeignet ist, ohne dass der Gegenstand geschnitten werden muss. Ein Schneiden des Gegenstands weist den Nachteil auf, dass der Kern an der Schneidekante von der Hülle freigelegt wird und dass dieser Bereich in Abhängigkeit von der Stabilität des Kerns und der Umgebung der er ausgesetzt ist korrodieren oder sich zersetzen kann. Wenn ein Teilbereich des Kerns freigelegt wird und es ist erwünscht diesen zu schützen, kann eine weiter äußere Schutzschicht zur Verfügung gestellt werden. Diese Schicht kann nur in den Bereichen des freigelegten Kerns zur Verfügung gestellt werden oder es kann die gesamte Hülle durch eine zusätzliche Schutzschicht be schichtet und versiegelt werden. Der Ausformungsprozess des Gegenstands in die erwünschte Form kann vor oder nach dem reaktiven Sinterungsprozess stattfinden.
Es kann eine Vielzahl von Gegenständen, von denen jeder zumindest einen Kern aufweist, der ein magnetokalorisch aktives Material oder einen Precursor davon aufweist, zusammengesetzt werden um einen Gegenstand für den magnetischen Wärmeaustausch zur Verfügung zu stellen. Jeder Gegenstand kann eine andere T_c aufweisen oder eine gesamte Zusammensetzung, die nach der reaktiven Sinterung zur Ausformung der magnetokalorisch aktiven Phase ein unterschiedliches T_c zur Folge hat. Dies weist den Vorteil auf, dass der Betriebsbereich des Wärmetauschers erhöht wird in dem die Gegenstände verwendet werden, da die T_c die Betriebstemperatur darstellt. Eine Vielzahl von Flachspulen, von denen jede ein Band aufweist, das eine magnetokalorisch aktive Phase mit einem anderen T_c aufweist, kann zum Beispiel in einem Stapel angeordnet werden.
Der Gegenstand kann auch einen oder mehrere Kanäle in einer Oberfläche aufweisen, die angepasst sind, um den Fluss eines Wärmeaustauschmediums zu führen. Diese Kanäle sind in der Oberfläche der Hülle angeordnet und können einfach hergestellt werden durch eine plastische Verformung der Oberfläche, wie zum Beispiel durch Pressen oder Wälzen. Alternativ dazu können der Kanal oder die Kanäle hergestellt werden durch Entfernen von Material, zum Beispiel durch Spanen oder Fräsen.
Der Kanal oder die Kanäle können angepasst sein, um den Fluss eines Wärmeaustauschmediums zu führen. Dies kann erreicht werden durch sowohl das Wählen der Breite und der Tiefe des Kanals wie auch dessen Form und Position in der Oberfläche des Gegenstands.
Der Kanal oder die Kanäle können die Kontaktfläche zwischen dem Gegenstand und der Kühlflüssigkeit erhöhen, um auf diese Weise den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zu erhöhen. Weiterhin kann der Kanal so angepasst werden, dass er die Erzeugung von Wirbelströmen in der Kühlflüssigkeit oder dem Wärmeaustauschmedium verringert und den Flusswiderstand der Kühlflüssigkeit reduziert, um so den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zu verbessern. In einer Ausführungsform wird eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen Kanälen in zumindest einer Oberfläche des Gegenstands zur Verfügung gestellt.
Wenn ein Precursor in die Hülle eingebettet ist, können der Kanal oder die Kanäle vor oder nach dem reaktiven Sinterungsprozess in die Oberfläche eingebracht werden.
Die Erfindung stellt auch einen Wärmetauscher zur Verfügung, der einen Gegenstand gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweist.
Die Erfindung stellt auch einen geschichteten Gegenstand zur Verfügung, der zwei oder mehrere Gegenstände aufweist, die eine Hülle und zumindest einen Kern gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Eine geschichtete Struktur ermöglicht es, dass große Bauteile aus leichter herzustellenden einzelnen Gegenständen zusammengesetzt werden können. Der Kern der Gegenstände des Schichtstoffverbundes kann magnetokalorisch aktives Material oder einen Precursor davon aufweisen.
In einer Ausführungsform weist der geschichtete Gegenstand weiterhin zumindest einen Abstandshalter auf, der zwischen benachbarten Gegenständen angeordnet ist. Wenn der geschichtete Gegenstand n Gegenstände aufweist, kann er n – 1 Abstandshal ter aufweisen, so dass jeder innen liegende Gegenstand der geschichteten Struktur durch einen Abstandshalter von seinen Nachbarn getrennt ist. Alternativ dazu kann der geschichtete Gegenstand n + 1 Abstandshalter aufweisen, so dass benachbart zu jeder Seite eines Gegenstands ein Abstandshalter angeordnet ist.
Der Abstandshalter stattet den geschichteten Gegenstand mit einer offenen Struktur aus, so dass das Wärmeaustauschmedium oder das Kühlmittel zwischen den Schichten des Schichtstoffverbundes fließen kann. Dies erhöht die Querschnittsfläche des geschichteten Gegenstands und erhöht die Wärmeübertragung von dem Schichtstoffverbund auf das Wärmeaustauschmedium.
Der Abstandshalter kann in einer Vielzahl von Formen zur Verfügung gestellt werden. In einer Ausführungsform ist der Abstandshalter ein integraler Bestandteil des Gegenstands und kann zur Verfügung gestellt werden durch eine oder mehrere hervorstehende Bereiche auf einer Oberfläche eines Gegenstands. Diese hervorstehenden Bereiche können zur Verfügung gestellt werden durch Bereitstellen einer oder mehrerer Vertiefungen in der Oberfläche des Gegenstands, wodurch zwischen den Vertiefungen Auskragungen in der Oberfläche erzeugt werden. In einer Ausführungsform werden die hervorstehenden Bereiche zur Verfügung gestellt durch eine Vielzahl von Fugen in der Oberfläche des Gegenstands. Die Fugen können im Allgemeinen parallel zu einander angeordnet sein.
In einer Ausführungsform wird der Abstandshalter zur Verfügung gestellt als ein zusätzliches Element, das zwischen benachbarten Schichten des Schichtstoffverbundstapels angeordnet ist. Das zusätzliche Element kann durch eine Aufbauscheibe zur Verfügung gestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform ist der Abstandshalter ein gewelltes Band. Das gewellte Band kann zwischen im Allgemeinen flachen Gegenständen angeordnet werden, um eine Struktur auszuformen ähnlich der, die im Allgemeinen mit einem Pappkarton in Verbindung gebracht wird.
Der Abstandshalter kann einen Gegenstand aufweisen, der eine Hülle aufweist, und einen magnetokalorisch aktiven Kern oder einen Precursor davon gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Dies erhöht das Volumen des geschichteten Gegenstands, der ein magnetokalorisch aktives Material aufweist, und erhöht den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschsystems.
Wenn ein gewelltes Band als ein Abstandshalter zur Verfügung gestellt wird, kann dieses in geeigneter Weise hergestellt werden durch Wellen von Teilbereichen des Bandes oder weiterer Bänder die im Allgemeinen gleich sind denjenigen, die als die flachen Elemente des geschichteten Gegenstands zur Verfügung gestellt werden.
Das zusätzliche Abstandshalterelement kann einen oder mehrere Kanäle zur Verfügung stellen oder angepasst werden, um diese zur Verfügung zu stellen, wobei die Kanäle angepasst sind um den Fluss eines Wärmeaustauschmediums zu führen. Dies erhöht vorteilhaft den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung.
Eine Vielzahl von Kanälen, die im Allgemeinen parallel zueinander angeordnet sind, kann in einer oder mehreren Oberflächen des Gegenstands oder als Ergebnis der Form des zusätzlichen Abstandshalters zur Verfügung gestellt werden. In einer Ausführungsform sind die Kanäle von benachbarten Schichten in dem Schichtstoffverbund so angeordnet, dass sie orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Dies stellt einen sich überkreuzenden Fluss des Wärmeaustauschmediums zur Verfügung, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht wird.
Der geschichtete Gegenstand kann eine Komponente eines Wärmetauschers, ein Kühlsystem, eine Klimasteuervorrichtung, eine Klimaanlageneinheit, oder ein industrielles, kommerzielles oder im Heimbereich verwendetes Gefriergerät sein.
Die Erfindung stellt auch einen Wärmetauscher zur Verfügung, der zumindest einen geschichteten Gegenstand gemäß einer zuvor beschriebenen Ausführungsform aufweist.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines magnetokalorisch aktiven Verbundstoffgegenstandes zur Verfügung, das aufweist:

– Bereitstellen von Pulver eines magnetokalorisch aktiven Materials oder eines Precursors davon;
– Bereitstellen einer Hülle, und
– Einhüllen des Precursorpulvers in die Hülle, um einen Verbundstoffgegenstand auszuformen

Das Pulver, das in der Hülle eingeschlossen ist, kann verdichtet werden, um einen Presskörper auszuformen oder es kann die Form eines losen Pulvers aufweisen. Dieser Presskörper kann getrennt von der Hülle ausgeformt werden oder er kann ausgeformt werden, in dem Pulver Schicht für Schicht in die Hülle verdichtet wird.
Die Hülle kann in einer Vielzahl von Formen zur Verfügung gestellt werden. Die Hülle kann ein Rohr sein oder kann als eine im Allgemeinen flache Ummantelung zur Verfügung gestellt werden, die auf zumindest einer Seite offen ist, oder als zwei Platten oder Folien. Die Hülle kann ein Metall oder eine Legierung aufweisen.
Nachdem das Pulver in der Hülle ummantelt ist, kann die Hülle abgedichtet werden. Dies kann erreicht werden durch Verschweißen der Nähte oder durch Verschließen der Enden eines Rohrs, möglicherweise mit einem zusätzlichen Schweißschritt, um die Verschlussstopfen und das Rohr zu verbinden. Der Verbundstoffgegenstand kann einer Wärmebehandlung zur Entgasung unterzogen werden bevor die Hülle abgedichtet wird, um auf diese Weise zum Beispiel unerwünschtes Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff zu entfernen.
Der Verbundstoffgegenstand kann dann in einem Wärmeaustauschsystem verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Verbundstoffgegenstand einem mechanischen Verformungsprozess unterzogen. Der mechanische Verformungsprozess erhöht einerseits die Größe des Verbundstoffgegenstands, andererseits auch die Dichte des Kerns. Es ist wünschenswert, dass der mechanisch verformte Verbundstoffgegenstand einen hohen Füllgrad des Pulvers aufweist, das die magnetokalorisch aktive Komponente zur Verfügung stellt, um auf diese Weise für einen Verbundstoffgegenstand einer gegebenen Größe eine höhere Kühlkapazität zur Verfügung zu stellen. Der Verbundstoffgegenstand kann mechanisch verformt werden durch einen oder mehrere herkömmliche Verfahren wie zum Beispiel Wälzen, Gesenkschmieden und Zugumformung.
Ein mehrstufiger Verformungsarbeitsgang mit Glühverfahren kann ebenfalls ausgeführt werden. Während des mechanischen Verformungsprozesses oder der mechanischen Verformungsprozesse können ebenfalls eine oder mehrere zwischengeschaltete Wärmebehandlungen durch Glühverfahren ausgeführt werden, um die Hülle zu enthärten und, in Abhängigkeit von der relativen Härte und dem Glühverhalten des Pulvers in Bezug auf die Hülle, das Pulver ebenfalls. Die Wärmebehandlung im Glühverfahren enthärtet ausschließlich die Metalle und/oder die Legierungen und es findet im Verlauf dieser Wärmebehandlung im Glühverfahren im Wesentlichen keine chemische Reaktion statt, um die magnetokalorisch aktive Phase auszuformen. Eine Wärmebehandlung im Glühverfahren wird üblicherweise bei etwa 50% der Schmelztemperatur des Materials ausgeführt.
Wenn magnetokalorisch aktives Pulver in die Hülle eingebracht worden ist, kann der Gegenstand in dem mechanisch verformten oder geglühten Zustand in einem Wärmeaustauschsystem verwendet werden.
Nach dem das Pulver in die Hülle eingebracht worden ist und einem oder mehreren mechanischen Verformungsprozessen unterzogen worden ist, kann der Verbundstoffgegenstand, wenn erwünscht, einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Im Falle eines Kerns, der magnetokalorisch aktives Material aufweist, kann eine Wärmebehandlung verwendet werden, um die Eigenschaften des magnetokalorisch aktiven Materials zu verbessern. Wenn ein Precursor der magnetokalorisch aktiven Phase in der Hülle ummantelt ist, dann wird die Wärmebehandlung verwendet, um die magnetokalorisch aktive Phase aus dem Precursor auszuformen. Die Bedingungen für die Wärmebehandlung hängen daher sowohl von dem Material als auch von der Art des Precursors ab. Die Wärmebehandlung des Precursorpulvers wird als reaktive Sinterung bezeichnet.
Wenn Precursorpulver in der Hülle ummantelt ist, kann der Verbundstoffgegenstand einem ersten mechanischen Verformungsprozess oder Verformungsprozessen unterzogen werden, einer ersten reaktiven Wärmebehandlung zur Sinterung unterzogen werden, in deren Folge das Pulver teilweise reagiert, einem zweiten mechanischen Verformungsprozess unterzogen werden und dann einer zweiten reaktiven Wärmebehandlung zur Sinterung unterzogen werden. Im Prinzip kann jede Anzahl von reaktiven Sinterungen und mechanischen Verformungsprozessen ausgeführt werden.
Mindestens ein Kanal kann in eine Oberfläche des Verbundstoffgegenstandes eingebracht werden. Der eine oder die mehreren Kanäle können eingebracht werden durch plastische Verformung von zumindest einer Oberfläche des Verbundstoffgegenstands. Dies kann zum Beispiel erreicht werden durch Profilwälzen oder durch Entfernen von Material der Hülle, zum Beispiel durch Fräsen. In einer Ausführungsform wird eine Vielzahl von Fugen in eine Oberfläche eingebracht. Jede Fuge ist von ihrer benachbarten Fuge durch einen Grat getrennt. Die Fugen und Grate können im Allgemeinen parallel zueinander ausgerichtet sein.
Der Kanal kann in eine Oberfläche des Verbundstoffgegenstandes eingebracht werden, bevor der Sinterungsprozess ausgeführt wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren zur Herstellung eines geschichteten Gegenstandes aus zwei oder mehr Gegenständen gemäß einer zuvor beschriebenen Ausführungsform.
Ein geschichteter Gegenstand kann ausgeformt werden, in dem zwei oder mehrere Verbundstoffgegenstände angeordnet werden, um ein Schichtstoffverbund auszuformen, der die Form eines Stapels aufweisen kann. Die Gegenstände können zusammengefügt werden, um einen einzelnen festen geschichteten Gegenstand auszuformen. Dies kann durch Verschweißen ausgeführt werden, oder, in Abhängigkeit von den nachfolgenden Behandlungen, denen der Schichtstoffverbund unterzogen werden wird, durch eine Verbindungstechnologie mit einer niedrigeren Temperatur, wie zum Beispiel Hartlöten oder Weichlöten.
Der geschichtete Gegenstand kann hergestellt werden in einer Form die zum Beispiel geeignet ist zur Verwendung als die aktive Komponente in einem Wärmetauscher oder einer Klimasteuerungsvorrichtung. Diese aktive Komponente kann zum Beispiel die Form einer Finne aufweisen.
In einigen Ausführungsformen wird zumindest ein Abstandshalter zwischen benachbarten Gegenständen der geschichteten Struktur zur Verfügung gestellt. In einer ersten Ausführungsform wird der Abstandshalter durch den Kanal oder die Kanäle zur Verfügung gestellt, die in einer oder mehreren Oberflächen der einzelnen Gegenstände zur Verfügung gestellt sind. Wie zuvor beschrieben, können die Kanäle durch Profilwälzen, Pressen, Brennschneiden oder Fräsen eingebracht werden. Die Kanäle ermöglichen es dem Wärmeaustauschmedium durch den geschichteten Gegenstand zu fließen, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Wärmeaustauschmedium und dem geschichteten Gegenstand verbessert wird und die Eigenschaften der Wärmeübertragung verbessert werden.
In einer Ausführungsform ist der Abstandshalter in der Form eines zusätzlichen Elements zur Verfügung gestellt, das zwi schen benachbarten Schichten des Schichtstoffverbundes angeordnet ist. Der Abstandshalter kann zum Beispiel in der Form eines Abstandshalterblocks oder als Speichen einer Aufbauscheibe oder in der Form eines gewellten Bandes zur Verfügung gestellt werden. Ein gewelltes Band kann hergestellt werden durch Wälzen von flachem Band zwischen zwei ineinander greifenden Zahnrädern, die einen geeigneten Abstand zwischen den Zähnen der zwei Zahnräder aufweisen, wenn diese ineinander greifen. Der Abstandshalter kann selbst magnetokalorisch aktives Material aufweisen und kann selbst ein Gegenstand gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen sein.
Die Kanäle des geschichteten Gegenstands können so angeordnet sein, dass sie den Fluss des Wärmeaustauschmediums so führen, dass die Wärmeübertragung maximiert wird, während die Strömungen reduziert werden. In einer Ausführungsform weist jede Schicht des Schichtstoffverbundes einen Gegenstand auf, in dem eine Oberfläche eine Vielzahl von im Allgemeinen parallelen Fugen aufweist. Die im Allgemeinen parallelen Fugen von benachbarten Schichten in dem Schichtstoffverbund sind im Allgemeinen orthogonal zu einander angeordnet. Wenn ein zusätzlicher Abstandshalter verwendet wird, kann der zwischen benachbarten Schichten angeordnete Abstandshalter auch Kanäle zur Verfügung stellen, die im Allgemeinen orthogonal zu einander angeordnet sind.
Wenn ein oder mehrere Precursor der magnetokalorisch aktiven Phase in der Hülle ummantelt sind, kann der geschichtete Gegenstand zusammengefügt werden bevor oder nachdem ein Wärmebehandlungsverfahren ausgeführt wird, um eine oder mehrere magnetokalorisch aktive Phasen in dem Kern auszuformen.
Der geschichtete Gegenstand kann auch zusammengefügt werden aus Verbundstoffgegenständen, die teilweise reagiert haben, und der Schichtstoffverbund kann einer endgültigen reaktiven Sinterungsbehandlung unterzogen werden, nachdem die Gegenstände zusammengefügt worden sind und möglicherweise miteinander verbunden worden sind, um den geschichteten Gegenstand auszuformen. Der geschichtete Gegenstand kann während der reaktiven Sinterungsbehandlung Druck ausgesetzt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 veranschaulicht einen Schritt bei der Herstellung einer Finne für einen Wärmetauscher, in dem Pulver aus einem magnetokalorisch aktiven Material durch eine Metallhülle ummantelt wird, um einen Verbundstoffgegenstand auszuformen,
2 veranschaulicht die mechanische Verformung des Verbundstoffgegenstands aus 1,
3 veranschaulicht die Herstellung eines Abstandshalters durch Profilwälzen des Verbundstoffgegenstands aus 2,
4 veranschaulicht das Zusammenfügen eines Gegenstands aus Schichtstoffverbund, der eine Vielzahl der in 3 veranschaulichten Verbundstoffgegenstände aufweist, und
5 veranschaulicht einen geschichteten Gegenstand gemäß einer zweiten Ausführungsform, in dem der Abstands halter als ein zusätzliches Element zur Verfügung gestellt ist.
Die 1 bis 3 veranschaulichen die Herstellung eines Verbundstoffgegenstands 1, der einen einzelnen Kern 4 gemäß einer ersten Ausführungsform aufweist.
In dieser in 1 veranschaulichten Ausführungsform wird ein Verbundstoffgegenstand 1, der eine oder mehrere magnetokalorisch aktive auf La(Fe, Si)₁₃ basierende Phasen aufweist, hergestellt, in dem eine Eisenhülle 5 und eine Menge an Pulver 4 zur Verfügung gestellt werden, das die magnetokalorisch aktive(n) auf La(Fe, Si)₁₃ basierende Phase oder Phasen aufweist.
Das Pulver 4 ist in der Eisenhülle 5 angeordnet, so dass die Eisenhülle oder die Schutzhülle 5 das Pulver 4 ummantelt und einschließt. Die Kanten der Hülle 5 können miteinander verschweißt werden, um einen geschlossenen Behälter auszuformen, so dass die Hülle 5 einen Kern 6 aus dem magnetokalorisch aktiven Pulver 4 umgibt.
Das Pulver 4 ist als ein gepresster Rohling zur Verfügung gestellt, der einen gewissen Grad an mechanischer Festigkeit aufweist. Der Rohling wird dann von der Hülle 5 ummantelt. In einer Ausführungsform wird das Pulver als ein loses Pulver zur Verfügung gestellt, das zum Beispiel Schicht für Schicht in die Hülle verdichtet wird.
Die Hülle kann zur Verfügung gestellt werden in der Form eines an einem oder zwei Enden offenen Rohres, oder als eine flache Ummantelung, die an einer Seite offen ist, oder es kann eine Hülle in der Form einer Folie um das Precursorpulver gewickelt werden. Daraus ergibt sich eine einzelne längs laufende Naht, die verschlossen werden kann durch Selbstverschweißung der Hülle während eines nachfolgenden mechanischen Verformungsprozesses oder verschlossen werden kann durch Schweißen oder Hartlöten.
Das Massenverhältnis zwischen dem Pulverkern 6 und der Eisenhülle 5 beträgt vorzugsweise zumindest 4. Es ist vorteilhaft, dass der Füllungsgrad des Verbundstoffgegenstandes 1 so hoch wie möglich ist, um so die Kühlleistung je Volumeneinheit des Verbundstoffgegenstandes 1 zu erhöhen.
Der Gegenstand 1 ist nach diesem Arbeitsschritt im Verfahren der aktive Teil eines magnetischen Wärmeaustauschsystems.
In einer Ausführungsform wird die Anordnung, nachdem das Pulver 4 innerhalb der Eisenhülle 5 verdichtet ist, einer Behandlung zur Entgasung unterzogen, die ausgeführt werden kann in dem die Anordnung in einem Unterdruck angeordnet wird, bevor die mechanische Verformung des Gegenstands ausgeführt wird. Die Wärmebehandlung zur Entgasung entfernt Luft und andere flüchtige Bestandteile, die ansonsten in der Hülle 5 eingeschlossen würden.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Kern 6, der das Precursorpulver 4 aufweist, dann wie in 2 veranschaulicht durch mechanische Verformung des Verbundstoffgegenstandes 1 verdichtet. Dabei können gebräuchliche mechanische Verformungsprozesse wie zum Beispiel Wälzen, Gesenkschmieden und Formziehen verwendet werden. Wenn der anfängliche Verbundstoff eine plattenförmige Struktur aufweist, wie in 2 veranschaulicht, kann Wälzen einfach angewendet werden. Wenn der anfängliche Verbundstoff jedoch eine rohrförmige Struktur aufweist, kann Formziehen oder Gesenkschmieden angewendet werden, möglicherweise gefolgt von Wälzen wenn es erwünscht ist, dass der verformte Verbundstoffgegenstand eine plattenförmige oder bandförmige Form aufweist. Das Herstellungsverfahren kann als eine Art von Pulver in Rohr Verfahren angesehen werden.
In dieser Ausführungsform weist die Hülle Kupfer auf, da sie mechanisch verformt werden soll. Kupfer ist leicht zu bearbeiten, plastisch und weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf, um die thermische Übertragung von dem magnetokalorisch aktiven Kern und dem Wärmeaustauschmedium auf den magnetischen Wärmetauscher zu verbessern. Die Dicke des Verbundstoffgegenstandes beträgt nach dem mechanischen Verformungsprozess in der Größenordnung von einem Millimeter oder weniger und der Gegenstand 1 wird in der Form einer Platte zur Verfügung gestellt.
In weiteren, nicht in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen, weist die Hülle 5 zwei oder mehr Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf.
Dies kann dadurch vorteilhaft sein, dass die innere Hülle chemisch verträglich sein kann mit dem magnetokalorisch aktiven Material oder einem Precursor von diesem. Diese Ausführungsform kann bevorzugt werden, wenn der Gegenstand einer Wärmebehandlung unterzogen werden soll. In diesem Sinne wird chemisch verträglich verwendet um zu bezeichnen dass keine unerwünschte Reaktion zwischen dem Material der Hülle 5 und dem Kern 6 auftritt, die die Stöchiometrie von der erwünschten Stöchiometrie abweichen lassen würde. Die äußere Hülle kann in Bezug auf den Kern chemisch unverträglich sein, kann jedoch mechanische Festigkeit oder Korrosionsschutz zur Verfügung stellen. Die äußere Hülle kann zur Verfügung gestellt werden in der Form einer Folie oder eines Rohres, ähnlich zu einer der bereits be schriebenen Ausführungsformen. Alternativ dazu kann die äußere Hülle als eine Beschichtung auf der Hülle 5 aufgebracht werden.
In weiteren nicht in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen weist der Verbundstoffgegenstand eine Hülle und eine Vielzahl von Kernen auf. Die Vielzahl von Kernen kann zur Verfügung gestellt werden durch Zusammenpacken mehrer Verbundstoffgegenstände und durch Einfassen von diesen in einer zweiten äußeren Hülle. Diese neue mehrkernige Struktur kann nachfolgend weiteren mechanischen Verformungsschritten unterzogen werden, bevor eine Wärmebehandlung zur reaktiven Sinterung ausgeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich dazu könnte eine mehrkernige Struktur anfänglich zur Verfügung gestellt werden durch Zusammenstapeln einer Vielzahl von Rohlingen aus Precursorkörpern, die durch Platten aus Metalllegierung voneinander getrennt sind. Um diese Anordnung herum könnte eine äußere Hülle zur Verfügung gestellt werden und die mehrkernige Struktur könnte mechanisch verformt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Pulver 4, das in die Hülle 5 verdichtet wird, ein Precursorpulver 4 der La(Fe, Si)₁₃ Phase. Die verschiedenen Precursorpulver werden jedes in einer Menge zur Verfügung gestellt, um die Stöchiometrie für die erwünschte auf La(Fe, Si)₁₃ basierende Phase zur Verfügung zu stellen. Das Precursorpulver enthält keine wesentliche Menge einer magnetokalorisch aktiven auf La(Fe, Si)₁₃ basierenden Phase.
Der Verbundstoffgegenstand wird hitzebehandelt und das Precursorpulver des Kerns wird reaktiv gesintert, um einen magneto kalorisch aktiven Kern zu erzeugen, der eine auf La(Fe, Si)₁₃ basierende Phase aufweist, die durch die Hülle umgeben ist. Diese Wärmebehandlung kann nach dem mechanischen Verformungsprozess ausgeführt werden, wenn dieser durchgeführt wird.
Wenn ein Precursorpulver in der Hülle 5 eingeschlossen ist, können geeignete Materialien für die Hülle aus Stahl, Edelstahl, Nickellegierungen und Eisensilizium bestehen. Edelstahl und Nickellegierungen weisen den Vorteil auf, dass sie korrosionsbeständig sind und eine schützende äußere Beschichtung sowohl für das Precursorpulver als auch für die auf La(Fe, Si)₁₃ basierende Phase nach deren Reaktion zur Verfügung stellen können. Wenn die Hülle einer Wärmebehandlung unterzogen werden soll, sollte das Material der Hülle bei diesen Temperaturen und unter den Bedingungen, denen es unterworfen werden soll, chemisch und physisch stabil sein. Diese Materialien können auch verwendet werden, wenn das in die Hülle verdichtete Pulver 4 bereits vollständig reagiert hat.
Der Verbundstoffgegenstand 1 kann in einer Form zur Verfügung gestellt werden, die geeignet ist zur Verwendung als der aktive Bestandteil in einem magnetischen Kühlsystem oder kann in Kombination mit weiteren magnetokalorisch aktiven Verbundstoffgegenständen verwendet werden, um geschichtete Gegenstände oder Verbundstoffgegenstände mit komplexerer Form auszuformen.
Wenn zwei oder mehr Verbundstoffgegenstände zur Verfügung gestellt werden, kann jeder Gegenstand ein anderes T_c aufweisen, das durch Einstellen der Zusammensetzung der La(Fe, Si)₁₃ Phase zur Verfügung gestellt werden kann, in dem die Stöchiometrie der Mischung des Precursorpulvers wie zuvor beschrieben eingestellt wird.
Der Verbundstoffgegenstand, der eine Hülle und einen oder mehrere Kerne aufweist, kann weiterhin bearbeitet werden, um eine Komponente zur Verfügung zu stellen, die die erwünschte Form für einen Wärmetauscher aufweist, wenn der Verbundwerkstoff in seiner hergestellten Form nicht geeignet ist.
Wenn zum Beispiel ein Band langer Länge oder ein Draht hergestellt werden, können diese in eine Spule oder einen Spulenkörper gewickelt werden. Die Spule kann die Form einer Magnetspule aufweisen, die vielschichtig sein kann, oder der Kern kann in der Form einer abgeflachten Flachspule zur Verfügung gestellt werden. Mehrere von diesen Flachspulen können übereinander gestapelt werden, um eine zylindrische Komponente zur Verfügung zu stellen.
Alternativ dazu können das Band oder der Draht um eine Aufbauscheibe der erwünschten Form, zum Beispiel quadratisch, rechtwinklig oder hexagonal, herumgewickelt werden.
Wenn Platten oder plattenförmige Formen hergestellt werden, können diese eine auf die andere gestapelt werden, um eine Schichtstoffverbundstruktur der erwünschten lateralen Größe und Dicke zur Verfügung zu stellen. In allen Fällen können die verschiedenen Schichten verschweißt oder miteinander verlötet werden. Die erwünschte laterale Form kann zur Verfügung gestellt werden durch Ausstanzen der erwünschten Form aus einem Verbundstoffgegenstand in der Form einer Platte oder Folie.
Wenn der zusammengesetzte Gegenstand jedoch keiner weiteren Wärmebehandlung unterzogen wird, kann ein Klebstoff verwendet werden, der die für die Anwendung geeignete thermische Festigkeit aufweist. Da die Curie Temperatur dieser Materialien und dementsprechend die Betriebstemperatur dieser Materialien etwa bei Zimmertemperatur liegt, können gebräuchliche Klebstoffe oder Harze verwendet werden.
In einer weiteren in 3 veranschaulichten Ausführungsform wird der Oberflächenbereich des Verbundstoffgegenstandes, der eine Hülle 5 aufweist und einen oder mehrere Kerne, vergrößert, in dem ein oder mehrere Kanäle 7 in einer oder mehreren Oberflächen zur Verfügung gestellt werden. Dies kann leicht und einfach durch Profilwälzen erreicht werden.
Das Profilwälzen kann so ausgeführt werden, dass eine Oberfläche des Verbundstoffgegenstandes eine Vielzahl von im Allgemeinen parallelen Fugen 7 aufweist, die durch eine Vielzahl von im Allgemeinen parallelen Graten 8 getrennt sind.
Im Fall eines Kernes der anfänglich Precursorpulver aufweist, kann das Profilwälzen vor oder nach dem reaktiven Sinterungsprozess zur Ausformung der magnetokalorisch aktiven Phase ausgeführt werden.
Der Kanal 7 oder die Kanäle sind so angepasst, um den Fluss des Wärmeaustauschmediums zu führen, wenn der Verbundstoffgegenstand in den Wärmetauscher montiert ist. Dies kann den Flusswiderstand des Wärmeaustauschmediums reduzieren und den Wirkungsgrad des Wärmetauschers verbessern.
Weiter Ausführungsformen der Erfindung, veranschaulicht in den 4 und 5, zeigen einen geschichteten Gegenstand 9, der zwei oder mehr Verbundstoffgegenstände 1 aufweist, von denen jeder eine Hülle 5 und einen oder mehrere Kerne 6 aufweist.
4 veranschaulicht die Anordnung eines Schichtstoffverbundgegenstandes gemäß einer ersten Ausführungsform, der eine Vielzahl der in 3 veranschaulichten Verbundstoffgegenstände 1 aufweist.
In der in 4 veranschaulichten Ausführungsform weist der geschichtete Gegenstand 9 zumindest einen Abstandshalter 10 auf, der zwischen benachbarten Schichten 11 des geschichteten Gegenstands 9 angeordnet ist. Der Abstandshalter 10 stellt Aussparungen in dem geschichteten Gegenstand 9 zur Verfügung, durch die das Wärmeaustauschmedium fließen kann, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Wärmeaustauschmedium und dem geschichteten Gegenstand 9 erhöht wird und die Wärmeübertragung verbessert wird. Der Abstandshalter 10 ist in einer Form zur Verfügung gestellt die angepasst ist, um eine Reihe von Kanälen 7 zur Verfügung zu stellen, durch die das Wärmeaustauschmedium fließen kann. Diese Kanäle 7 sind im Allgemeinen parallel zu einander angeordnet und können weiterhin angepasst sein, um den Fluss des Wärmeaustauschmediums zu führen, um so den Flusswiderstand zu reduzieren, wenn der geschichtete Gegenstand als Teil eines magnetischen Wärmetauschers verwendet wird. In der ersten in 4 veranschaulichten Ausführungsform ist der Abstandshalter als ein integraler Teil des Verbundstoffgegenstands 1 zur Verfügung gestellt, da die Kanäle 7 durch die Fugen 7 in einer Oberfläche der Gegenstände 1 zur Verfügung gestellt werden.
In der in 4 veranschaulichten Ausführungsform weist der Schichtstoffverbund 9 sieben Schichten 11 des Verbundstoffgegenstands 1 auf, wobei jede eine Vielzahl von im Allgemeinen parallelen Fugen 7 aufweist, die durch Profilwälzen in einer Oberfläche hergestellt sind. Diese Verbundstoffgegenstände 1 sind gestapelt mit der die Fugen 7 aufweisenden Seite gegen eine Grundplatte 12 zeigend, die keine Fugen aufweist. Die Grundplatte 12 ist ebenfalls ein Verbundstoffgegenstand 1, aufweisend eine Hülle 5 und einen Kern 6, der eine auf La(Fe, Si)₁₃ basierende Phase aufweist. Auf diese Weise wird ein Abstandshalter 10 in der Form einer Vielzahl von Kanälen 7 zwischen benachbarten Schichten 11 der Schichtstoffverbundstruktur 9 zur Verfügung gestellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der geschichtete Gegenstand 9 so gestapelt, dass die Fugen 7 einer Schicht 12 orthogonal zu den Fugen 7 der benachbarten Schicht 11 angeordnet sind, und so weiter durch den Stapel hindurch. Dies stellt eine Finne des Wärmetauschers mit einer überkreuzenden Anordnung zur Verfügung. Dabei kann eine Richtung als der Einfluss und die andere Richtung als der Ausfluss verwendet werden.
In einer zweiten in 5 veranschaulichten Ausführungsform eines geschichteten Gegenstandes 13 ist der Abstandshalter 10 in der Form eines zusätzlichen Elements zur Verfügung gestellt, das zwischen benachbarten Verbundstoffgegenständen 1 der geschichteten Struktur 9 angeordnet ist.
Der Abstandshalter 10 ist durch ein gewelltes Band 14 zur Verfügung gestellt. Der geschichtete Gegenstand 13 weist daher sich abwechselnde Schichten aus einem flachen Verbundstoffgegenstand 1 und einem gewellten Band 14 auf, wie sie üblicherweise aus der Struktur von Pappkarton bekannt sind. Das gewellte Band 14 stellt Kanäle 7 zur Verfügung, die angepasst sind den Fluss des Wärmeaustauschmediums zu führen. In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform weist der geschichtete Gegenstand 13 zwei Abstandshalter 10 in der Form von gewelltem Band 14 auf und drei flache Verbundstoffgegenstände 1. Es kann jedoch jede beliebige Anzahl an Schichten zur Verfügung gestellt werden. Die außen liegenden Schichten des Stapels können ebenfalls gewelltes Bands 14 aufweisen.
In der in 5 veranschaulichten Ausführungsform weist das gewellte Band 14 zumindest eine magnetokalorisch aktive auf La(Fe, Si)₁₃ basierende Phase auf. Mit anderen Worten kann der Abstandshalter 10 in der Form eines gewellten Bandes 14 zur Verfügung gestellt werden durch einen gewellten Verbundstoffgegenstand 1, der eine Hülle 5 und zumindest einen Kern 6 gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufweist. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Schichtstoffverbundstruktur 13 solide ist und die Dicke des Bandes 14, das den gewellten Abstandshalter 10 zur Verfügung stellt, und die flachen Bänder 1 wie erwünscht variiert werden können in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche und der Größe der Kanäle 7.
Die Verwendung eines zusätzlichen Abstandshalters 10 weist den Vorteil auf, dass dieser leichter in eine Struktur der Art einer Spule integriert werden kann, in dem ein flaches Band und ein gewelltes Band gemeinsam gewickelt werden. Eine gemeinsam gewickelte Flachspule oder Magnetspule kann ebenfalls auf ähnliche Weise hergestellt werden.
Das gewellte Band 14 kann zum Beispiel hergestellt werden durch Quetschen des Bandes, oder des Verbundstoffgegenstandes 1 in Bandform, zwischen zwei ineinander greifenden Zahnrädern.
In weiteren nicht in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen kann der Abstandshalter als eine Aufbauscheibe zur Verfügung gestellt werden. Die Aufbauscheibe kann aus einer Reihe von Stangen oder Stäben bestehen, die zwischen benachbarten Schichten 11 angeordnet sind. Alternativ dazu kann die Aufbauscheibe, wenn ein Band oder Draht langer Länge zur Verfügung gestellt wird, in der Form eines Rades zur Verfügung gestellt werden, das eine Vielzahl von senkrecht angeordneten Stiften aufweist, die in Intervallen vom Zentrum zur Peripherie des Rades angeordnet sind, um die herum das Band oder der Draht gewickelt werden können.
In dem Fall, in dem anfänglich Precursorpulver in die Hülle 5 verdichtet wird, können die Schichtstoffverbundstrukturen 9 oder 13 ebenfalls zusammengefügt werden, bevor eine Wärmebehandlung ausgeführt wird. Die Wärmebehandlung zur Ausformung der magnetokalorisch aktiven Phase wird dann auf den geschichteten Gegenstand angewandt. Der geschichtete Gegenstand kann während der Wärmebehandlung mechanisch unter Druck gehalten werden.
Zusammenfassung
Gegenstand zum magnetischen Wärmeaustausch und ein Verfahren zu dessen Herstellung
Gegenstand zum magnetischen Wärmeaustausch, der eine Hülle aufweist, die zumindest einen Kern ummantelt, wobei der Kern eine Vielzahl von Körnern aufweist, die ein magnetokalorisch aktives Material aufweisen oder eine Vielzahl von Partikeln, die Precursor eines magnetokalorisch aktiven Materials aufweisen.

1: Verbundstoffgegenstand
4: Precursorpulver
5: Hülle
6: Kern
7: Fuge
8: Grat
9: erster laminierter Gegenstand
10: Abstandshalter
11: Schicht
12: Grundplatte
13: zweiter laminierter Gegenstand
14: Abstandshalter aus gewelltem Band

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6676772 [0004]

Claims

Gegenstand, der eine Hülle aufweist, die zumindest einen Kern umhüllt, wobei der Kern eine Vielzahl von Partikeln aufweist, die Precursor eines magnetokalorisch aktiven Materials in Mengen aufweisen, um die Stöchiometrie des magnetokalorisch aktiven Materials zur Verfügung zu stellen.
Gegenstand, der eine Hülle aufweist, die zumindest einen Kern umhüllt, wobei der Kern eine Vielzahl von Körner aufweist, die ein magnetokalorisch aktives Material aufweisen.
Gegenstand gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das magnetokalorisch aktive Material eine Curie Temperatur im Bereich von 220 K bis 345 K aufweist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das magnetokalorisch aktive Material eines ist aus der Gruppe bestehend aus Gd, einer auf La(Fe_1-bSi_b)₁₃ basierenden Phase, einer auf Gd₅(Si, Ge)₄ basierenden Phase, einer auf Mn(As, Sb) basierenden Phase, einer MnFe(P, As) basierenden Phase, einer auf Tb-Gd basierenden Phase, einer auf (Pr, Nd, Sr)MnO₃ basierenden Phase und einer auf Pr₂(Fe, Ca)₂₇ basierenden Phase.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei benachbarte Körner der Vielzahl von Körnern aneinander angrenzend sind.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der eine Vielzahl von durch die Hülle ummantelten Kernen aufweist.
Gegenstand gemäß Anspruch 6, wobei die Vielzahl von Kernen in eine Matrix eingebettet ist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Hülle plastisch verformbar ist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Hülle zwei Schichten aufweist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Hülle ein Material mit einem Schmelzpunkt von größer als 1100°C aufweist.
Gegenstand gemäß Anspruch 10, wobei die Hülle Eisen oder Eisensilizium oder Nickel oder Stahl oder Edelstahl aufweist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Hülle Kupfer oder eine Kupferlegierung oder Aluminium oder eine auf Aluminium basierende Legierung aufweist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Matrix und die Hülle gleiche oder unterschiedliche Materialien aufweisen.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Gegenstand langgestreckt ist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Gegenstand die Form eines Bandes oder eines Drahtes oder einer Platte aufweist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Gegenstand in der Form einer Magnetspule gewickelt ist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Gegenstand in der Form einer Flachspule gewickelt ist.
Gegenstand gemäß Anspruch 17, wobei der Gegenstand eine Vielzahl von als Flachspulen gewickelten Spulen aufweist.
Gegenstand gemäß Anspruch 18, wobei jede Spule ein anderes T_c aufweist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der Gegenstand weiterhin zumindest einen Kanal in einer Oberfläche aufweist.
Gegenstand gemäß Anspruch 20, wobei der Kanal angepasst ist, den Fluss eines Wärmeaustauschmediums zu führen.
Gegenstand gemäß Anspruch 20 oder 21, wobei eine Vielzahl von im Allgemeinen parallelen Fugen in zumindest einer Oberfläche des Gegenstands zur Verfügung gestellt ist.
Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei der Gegenstand eine Komponente eines Wärmetauschers, eines Kühlsystems, einer Klimasteuerungsanordnung, einer Klimaanlageneinheit, oder eines industriellen, kommerziellen oder heimischen Gefrierschranks ist.
Wärmetauscher, der zumindest einen Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 aufweist.
Geschichteter Gegenstand, der eine Vielzahl von Gegenständen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 aufweist.
Geschichteter Gegenstand gemäß Anspruch 25, der weiterhin zumindest einen Abstandshalter aufweist, wobei der Ab standshalter zwischen benachbarten Gegenständen angeordnet ist.
Geschichteter Gegenstand gemäß Anspruch 26, wobei der Abstandshalter durch einen oder mehrere hervorstehenden Bereiche auf einer Oberfläche eines Gegenstands zur Verfügung gestellt wird.
Geschichteter Gegenstand gemäß Anspruch 26 oder 27, wobei die hervorstehenden Bereiche durch eine Vielzahl von Fugen in der Oberfläche des Gegenstands zur Verfügung gestellt werden.
Geschichteter Gegenstand gemäß Anspruch 26, wobei der Abstandshalter als ein zusätzliches Element zur Verfügung gestellt ist.
Geschichteter Gegenstand gemäß Anspruch 29, wobei der Abstandshalter durch eine Aufbauscheibe zur Verfügung gestellt ist.
Geschichteter Gegenstand gemäß Anspruch 29, wobei der Abstandshalter ein gewelltes Band ist.
Geschichteter Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 48 bis 52, wobei der Abstandshalter einen Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 to 22 aufweist.
Geschichteter Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 26 bis 32, wobei der Abstandshalter einen oder mehrere Kanäle zur Verfügung stellt die angepasst sind, um den Fluss eines Wärmeaustauschmediums zu führen.
Geschichteter Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 26 bis 33, wobei der Abstandshalter zwischen jeder Schicht eine Vielzahl von im Allgemeinen parallelen Fugen aufweist, wobei die Fugen eines Abstandshalters im Allgemeinen orthogonal zu den Fugen eines benachbarten Abstandshalter des geschichteten Gegenstands angeordnet sind.
Geschichteter Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 25 bis 34, wobei der geschichtete Gegenstand eine Komponente eines Wärmetauschers, eines Kühlsystems, einer Klimasteuerungsanordnung, einer Klimaanlageneinheit oder eines industriellen, kommerziellen oder heimischen Gefrierschranks ist.
Wärmetauscher, der zumindest einen geschichteten Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 25 bis 34 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Verbundstoffgegenstandes, das aufweist: – Bereitstellen eines Pulvers, das ein magnetokalorisch aktives Material oder einen Precursor davon aufweist, – Bereitstellen einer Hülle, – Ummanteln des Pulvers durch die Hülle, um einen Verbundstoffgegenstand auszuformen
Verfahren gemäß Anspruch 37, wobei der Verbundstoffgegenstand entgast wird, nach dem das Pulver durch die Hülle ummantelt wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 36 oder Anspruch 37, wobei der Verbundstoffgegenstand zumindest einem mechanischen Verformungsprozess unterzogen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 39, wobei der mechanische Verformungsprozess eines oder mehrere ist aus Wälzen, Gesenkschmieden und Formziehen.
Verfahren gemäß Anspruch 39 oder Anspruch 40, wobei ein mehrstufiger mechanischer Verformungsprozess mit dazwischen liegenden Glühschritten ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 37 bis 41, wobei nach der Herstellung des Verbundstoffgegenstandes zumindest ein Kanal in eine Oberfläche des Verbundstoffgegenstandes eingebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 42, wobei der Kanal eingebracht wird durch plastische Verformung von zumindest einer Oberfläche des Verbundstoffgegenstandes.
Verfahren gemäß Anspruch 43, wobei der Kanal durch Profilwälzen eingebracht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 37 bis 44, das weiterhin das Ausführen einer Wärmebehandlung des Verbundstoffgegenstandes aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 45, wobei die Wärmebehandlung unter solchen Bedingungen ausgeführt wird, dass in dem Kern magnetokalorisch aktives Material ausgeformt wird.
Verfahren zur Herstellung eines geschichteten Gegenstands, das aufweist das Anordnen von zwei oder mehr Gegenständen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, um einen geschichteten Gegenstand auszuformen.
Verfahren gemäß Anspruch 47, wobei ein Abstandshalter zwischen benachbarten Precursorverbundstoffgegenständen des geschichteten Gegenstands zur Verfügung gestellt wird durch Anordnen von zumindest einem Kanal, der in zumindest einem der Verbundstoffgegenstände zur Verfügung gestellt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 47, wobei ein Abstandshalter in der Form eines zusätzlichen Elements zur Verfügung gestellt wird, das zwischen benachbarten Precursorverbundstoffgegenständen des geschichteten Gegenstands angeordnet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 47 bis 49, wobei benachbarte Abstandshalter in dem geschichteten Gegenstand so angeordnet sind, um eine Vielzahl von Kanälen zur Verfügung zu stellen und so dass die Vielzahlen der Kanäle von benachbarten Abstandshaltern im Allgemeinen orthogonal zu einander angeordnet sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 47 bis 50, wobei der Abstandshalter ein Verbundstoffgegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 22 ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 47 bis 51, wobei der geschichtete Gegenstand zusammengesetzt wird, bevor er einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 47 bis 51, wobei der geschichtete Gegenstand zusammengesetzt wird, nachdem die Verbundstoffgegenstände einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen worden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 52 oder Anspruch 53, wobei das Wärmebehandlungsverfahren ausgeführt wird unter Bedingungen, dass magnetokalorisch aktives Material in dem Kern ausgeformt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 47 bis 54, wobei zumindest ein Gegenstand des geschichteten Gegenstands mit zumindest einem weiteren Gegenstand des geschichteten Gegenstands verbunden wird durch zumindest eines aus Schweißen, Hartlöten und Weichlöten.