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Die
Erfindung betrifft einen Gegenstand zum magnetischen Wärmeaustausch
und Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes zum magnetischen Wärmeaustausch.
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Der
magnetokalorische Effekt beschreibt die adiabatische Konversion
einer magnetisch induzierten Entropieänderung zu einer
Wärmeentwicklung oder einer Wärmeabsorption. Durch
Anwenden eines Magnetfelds auf ein magnetokalorisches Material kann
eine Entropieänderung induziert werden, die eine Wärmeentwicklung
oder eine Wärmeabsorption ergibt. Dieser Effekt kann zur
Kühlung und/oder zur Erwärmung nutzbar gemacht
werden.
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In
letzter Zeit wurden Materialien entwickelt, wie das La(Fe1-aSia)13,
Gd5(Si, Ge)4, Mn(As,
Sb) und MnFe(P, As), die eine Curietemperatur TC bei
oder nahe der Raumtemperatur aufweisen. Die Curietemperatur wirkt
sich auf die Betriebstemperatur des Materials in einem magnetischen
Wärmeaustauschsystem aus. Folglich sind diese Materialien
geeignet, um in Anwendungen wie Gebäudeklimasteuerung,
häusliche und industrielle Kühlgeräte
und Gefriergeräte sowie als automobile Klimaanlage eingesetzt
zu werden.
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Die
magnetische Wärmeaustauschtechnologie hat den Vorteil,
dass magnetische Wärmetauscher im Prinzip energieeffizienter
sind als Gas – Kompressions/Expansions – Zirkulationssysteme. Weiterhin
sind magnetische Wärmetauscher umweltfreundlich, da sie
keine Chemikalien wie Fluorchlorkohlenstoff (CFC), von denen angenommen
wird, dass sie zur Verarmung der Ozonschicht beitragen, einsetzen.
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Folglich
werden magnetische Wärmeaustauschersysteme entwickelt,
um die Vorteile, die durch die neuentwickelten magnetokalorischen
Materialien zur Verfügung stehen, praktisch zu verwirklichen. Magnetische
Wärmetauscher, wie sie in der
US 6,676,772 offenbart werden, umfassen
typischerweise ein Pumpenzirkulationssystem, ein Wärmeaustauschermedium
als Kühlflüssigkeit, eine Kammer, in der Partikel
eines magnetisch kühlenden Materials eingepackt sind, das
den magnetokalorischen Effekt zeigt, und ein Mittel, um ein magnetisches
Feld an die Kammer zu legen.
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Weitere
Verbesserungen sind jedoch wünschenswert, um eine extensivere
Anwendung der magnetischen Wärmeaustauschtechnologie zu
ermöglichen.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gegenstand zum magnetischen
Wärmeaustausch vorzusehen, der zuverlässig und
kosteneffektiv hergestellt werden kann. Eine weitere Aufgabe ist
es, Verfahren, mit denen der Gegenstand hergestellt werden kann,
vorzusehen.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Weitere vorteilhafte Verbesserungen sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung stellt einen Gegenstand zum magnetischen Wärmeaustausch
zur Verfügung. Der Gegenstand erstreckt sich in einer ersten
und einer zweiten Richtung, die im allgemeinen axial senkrecht zu
der ersten Richtung ist und umfasst mindes tens eine magnetokalorisch
aktive Phase. Gemäß der Erfindung ist die mittlere
thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes anisotrop.
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Der
Gegenstand kann als magnetisches Kühlmittel oder als magnetisches
Betriebsmittel eines magnetischen Wärmeaustauschsystems
verwendet werden. Das Vorsehen des Gegenstandes mit einer anisotropen
mittleren thermischen Leitfähigkeit hat den Vorteil, dass
die erzeugte Hitze innerhalb des Gegenstandes aufgrund des magnetokalorischen
Effekts anisotrop zu der Oberfläche des Gegenstandes geleitet
werden kann. Der Wärmeaustausch zwischen dem Gegenstand
und einem Kühlmedium, das den Gegenstand umgibt, kann auch
anisotrop sein.
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Der
Gegenstand kann in einem magnetischen Wärmeaustauschsystem
angeordnet sein, so dass die größte effiziente
thermische Übertragung in Richtungen senkrecht zu der Richtung
des Kühlmittelflusses und die geringste thermische Übertragung in
Richtung des Kühlmediumflusses auftritt. Diese Anordnung
ermöglicht einen effizienteren Wärmeaustausch.
Wärme, die durch den magnetokalorischen Effekt in dem Gegenstand
erzeugt wird, kann effizient in den Richtungen senkrecht zu dem
Kühlmediumfluss an die Oberfläche des Gegenstandes geleitet
werden, wo die Wärme an den Kühler übertragen
wird und durch das Kühlmedium von dem Gegenstand in der
Kühlmittelflussrichtung abgeführt wird.
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Die
schlechtere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes in
Richtung des Kühlflusses verhindert die Übertragung
der anfänglich von dem Gegenstand abgeführten
Wärme zurück in den Gegenstand und in die entgegen
gesetzte Richtung des Kühlmittelflusses. Darüber
hinaus wird der Kühlungswirkungsgrad des Gegenstandes mit
magnetischen Wärmeaustausch verbessert, in dem der Gegenstand mit
einer anisotropen mittleren thermischen Leitfähigkeit versehen
wird.
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Ein
magnetokalorisch aktives Material wird hier als ein Material definiert,
das eine Änderung in der Entropie erfährt, wenn
es einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Die Entropieänderung
kann sich z. B. bei einem Wechsel von einem ferromagnetischen zu
einem paramagnetischen Zustand ergeben. Das magnetokalorisch aktive
Material kann sich nur in einem Teil des Temperaturbereichs bei
einem Wendepunkt zeigen, bei dem das Vorzeichen der zweiten Ableitung
der Magnetisierung mit Bezug auf das angewandte Magnetfeld von positiv
zu negativ wechselt.
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Ein
magnetokalorisch passives Material wird hier als ein Material definiert,
das keine signifikante Änderung der Entropie zeigt, wenn
es einem Magnetfeld ausgesetzt wird.
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In
einer Ausführungsform ist die mittlere thermische Leitfähigkeit
des Gegenstandes in der ersten Richtung geringer als die mittlere
thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes in der zweiten
Richtung. Im Betrieb wird der Gegenstand mit der ersten Richtung
im allgemeinen parallel zu dem Kühlmittelfluss angeordnet,
um eine höchsteffiziente Wärmeübertragung
zu erzeugen.
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In
einer Ausführungsform weist der Gegenstand eine erste Länge
auf, die sich in der ersten Richtung erstreckt, und eine Querschnittsfläche,
die sich in der zweiten Richtung erstreckt, wobei die Querschnittsfläche
eine zweite Länge aufweist. Die mittlere thermische Leitfähigkeit,
die über der ersten Länge des Gegenstandes gemessen
wird, ist geringer als die mittlere thermische Leitfähigkeit,
die über der zweiten Länge des Gegenstandes und
damit in der Ebene der Querschnittsfläche gemessen wird. Erneut
wird im Betrieb die erste Länge des Gegenstandes im allgemeinen
parallel und die zweite Richtung im allgemeinen senkrecht zu der
Flussrichtung des Kühlmittels angeordnet.
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Die
anisotrope mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes
kann auf unterschiedliche Weise bereitgestellt werden. In einigen
Ausführungsformen weist der Gegenstand weiterhin eine magnetokalorisch
passive Phase auf, die eine thermische Leitfähigkeit besitzt,
die größer ist als die thermische Leitfähigkeit
der magnetokalorisch aktiven Phase.
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Die
anisotrope mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes
kann durch unterschiedliche Anordnungen der magnetokalorisch aktiven
Phase und der magnetokalorisch passiven Phase innerhalb des Gegenstandes
erzeugt werden. Die thermische Anisotropie kann durch eine mikroskope
Anisotropie erzeugt werden, die eine Anordnung der einzelnen Körner
oder Partikel der magnetokalorisch passiven Phase und/oder der magnetokalorisch
aktiven Phase ist oder makroskopisch aufgrund von Anordnungen von
Komponenten, die im wesentlichen aus einer der magnetokalorisch
aktiven und passiven Phasen bestehen.
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In
einer Ausführungsform umfasst die magnetokalorisch passive
Phase eine Vielzahl von Körnern, die im Mittel eine bevorzugte
Orientierung aufweisen. Die bevorzugte Orientierung wird zur Bestimmung
einer anisotropen Anordnung und/oder Verteilung der Körner
innerhalb des Gegenstandes verwendet. Zum Beispiel können
die individuellen Körner im allgemeinen eine kugelförmige
Form aufweisen und deshalb keine individuelle bevorzugte Orientierung
haben. Jedoch können die kugelförmigen Körner
in einer oder mehreren Reihen oder in einer Matrix von Reihen und
Spalten ausgerichtet sein und deshalb eine bevorzugte beispielsweise
physische anisotrope Anordnung innerhalb des Gegenstandes aufweisen.
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Diese
anisotrope Anordnung ergibt einen Gegenstand mit einer mittleren
anisotropen thermischen Leitfähigkeit in dem Fall, in dem
die thermische Leitfähigkeit der magnetokalorisch passiven
Phase unterschiedlich von der thermischen Leitfähigkeit
der magnetokalorisch aktiven Phase ist, selbst wenn die magnetokalorisch
aktive Phase innerhalb des Gegenstandes statistisch verteilt angeordnet
ist. Falls die thermische Leitfähigkeit der magnetokalorisch passiven
Phase größer ist als die thermische Leitfähigkeit
der magnetokalorisch aktiven Phase, dann ist die mittlere thermische
Leitfähigkeit des Gegenstandes in der Längsrichtung
der Reihen oder in der Ebene der Matrix der Kerne der magnetokalorisch
passiven Phase größer als die in den Richtungen
senkrecht zu der Längsrichtung der Reihen oder der Ebene
der Matrix der Körner der magnetokalorisch passiven Phase.
Der gesamte Gegenstand weist dann eine anisotrope mittlere thermische
Leitfähigkeit auf.
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In
einer Ausführungsform umfasst die magnetokalorisch passive
Phase eine Vielzahl von Körnern, wobei jedes Korn eine ähnliche
Form mit einer Längsrichtung und einer Querrichtung, im
allgemeinen senkrecht zu der Längsrichtung, aufweist.
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Um
eine thermische Anisotropie im mikroskopischem Maßstab
zu erzeugen, können die Körner der magnetokalorisch
passiven Phase in dem Gegenstand mit einer bevorzugten Orientierung und/oder
einer bevorzugten Textur angeordnet sein.
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Eine
bevorzugte Orientierung wird zum Beschreiben der physikalischen
Anordnung der Körner innerhalb des Gegenstandes verwendet.
Eine bevorzugte Textur wird verwendet, um Körner zu beschreiben,
die innerhalb des Gegenstandes in der Weise angeordnet sind, dass
sie im Mittel eine bevorzugte kristallographische Orientierung aufweisen.
Deshalb ist es möglich, dass die Körner sowohl
eine bevorzugte Orientierung als auch eine bevorzugte Textur aufweisen.
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In
dem Fall, dass die Körner eine längliche Form
aufweisen, und in einer bevorzugten Textur angeordnet sind, ist
die mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes
in der Längsrichtung der Körner höher
als die mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes
in der Querrichtung der Körner.
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Ein
thermisch anisotroper Gegenstand kann durch Anordnen der Vielzahl
von länglichen Körnern der magnetokalorisch passiven
Phase in dem Gegenstand derart vorgesehen werden, dass sich im Mittel
ihre Längsrichtung im allgemeinen senkrecht zu der ersten
Richtung des Gegenstandes erstreckt. Die Vielzahl der länglichen
Körner der magnetokalorisch passiven Phase können
in dem Gegenstand so angeordnet sein, dass sich im Mittel ihre Querrichtung
im allgemeinen parallel zu der ersten Richtung des Gegenstandes
erstreckt. Diese Anordnungen stellen einen Gegenstand mit einer
mittleren thermischen Leitfähigkeit bereit, die in den
Richtungen senkrecht zu der ersten Richtung höher ist und
in Richtungen parallel zu der ersten Richtung niedriger ist.
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Im
Betrieb ist der Gegenstand derart angeordnet, dass die Längsrichtung
der Körner im allgemeinen senkrecht zu der Kühlmittelflussrichtung
ausgerichtet ist und die Querrichtung der Körner im allgemeinen
parallel zu dem Kühlmittelfluss ausgerichtet ist. Diese
Anordnung behindert den Wärmefluss durch den Gegenstand
in Richtungen entgegengesetzt zu dem Kühlmittelfluss.
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In
einer Ausführungsform umfasst die magnetokalorisch aktive
Phase eine Vielzahl von Körnern, die in dem Gegenstand
angeordnet sind, mit einer im Mittel bevorzugten Orientierung. In
diesem Fall wird die bevorzugte Orientierung verwendet, um eine
anisotrope Anordnung der Körner innerhalb des Gegenstandes
anzuzeigen.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die
magnetokalorisch aktive Phase eine Vielzahl von Körnern,
die in dem Gegenstand mit einer bevorzugten Textur und in einer
weiteren Ausführungsform auch mit einer bevorzugten Orientierung
angeordnet sind.
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In
einer Ausführungsform umfasst die magnetokalorisch aktive
Phase eine Vielzahl von Körnern, wobei jedes Korn eine
längliche Form mit einer Längsrichtung und einer
Querrichtung, die allgemein senkrecht zu der Längsrichtung
ist, aufweist. Die Körner können z. B. faserartig
oder plattenförmig sein.
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Um
einen Gegenstand mit einer thermischen Anisotropie im mikroskopischen
Maßstab herzustellen, können die Körner
der magnetokalorisch aktiven Phase in dem Gegenstand derart angeordnet
sein, dass sich die Längsrichtung der Körner im
Mittel im allgemeinen senkrecht zu der ersten Länge des
Gegenstandes erstreckt. Die Körner der magnetokalorisch
aktiven Phase können auch in dem Gegenstand so angeordnet
sein, dass sich die Querrichtung der Körner im Mittel im
allgemeinen parallel zu der ersten Länge des Gegenstandes
erstreckt.
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Diese
Anordnung stellt einen Gegenstand mit einer mittleren thermischen
Leitfähigkeit bereit, die größer in Richtungen
des Gegenstandes parallel zu der Längsrichtung der Körner
und mit einer mittleren thermischen Leitfähigkeit, die
geringer in der Querrichtung der Körner ist.
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In
einigen Ausführungsformen sind sowohl die magnetokalorisch
passive Phase als auch die magnetokalorisch aktive Phase innerhalb
des Gegenstandes mit einer bevorzugten Orientierung und/oder einer
bevorzugten Textur angeordnet. Die Körner der zwei Phasen
können innig gemischt sein, um eine thermische Anisotropie
auf einem mikroskopischen Niveau vorzusehen.
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In
anderen Ausführungsformen hat nur die magnetokalorisch
aktive Phase eine bevorzugte Orientierung und/oder Textur oder längliche
Körner, um einen Gegenstand mit einer anisotropen mittleren thermischen
Leitfähigkeit bereitzustellen. Der Gegenstand kann eine
magnetokalorisch passive Phase aufweisen, die eine bevorzugte Textur
hat. Eine magnetokalorisch aktive Phase kann mit einer bevorzugten
Orientierung und/oder Textur mit den Körnern der magnetokalorisch
passiven Phase verteilt sein. Alternativ kann die magnetokalorisch
aktive Phase ohne eine bevorzugte Orientierung und/oder Textur unter
den Körnern der magnetokalorisch passiven Phase, welche
eine bevorzugte Orientierung und/oder Textur aufweist, verteilt
sein. Die magnetokalorisch passive Phase kann eine Matrix vorsehen, in
der die Körner der magnetokalorisch aktiven Phase angeordnet
sind. Der Gegenstand kann als ein Verbundwerkstoff beschrieben werden.
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Ein
Gegenstand zum magnetischen Wärmeaustausch kann auch mit
einer anisotropen mittleren thermischen Leitfähigkeit durch
Anordnen der Materialien unterschiedlicher thermischer Leit fähigkeit
in einem makroskopischen Maßstab bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform umfasst der Gegenstand eine Vielzahl
von ersten Schichten, die im wesentlichen aus der magnetokalorisch
aktiven Phase bestehen, wobei eine Vielzahl von zweiten Schichten,
die im wesentlichen aus der magnetokalorisch passiven Phase bestehen,
dazwischen liegen.
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In
einer Ausführungsform umfasst der Gegenstand nur magnetokalorisch
aktive Phasen und keinen substantiellen Anteil der magnetokalorisch passiven
Phasen. In diesem Fall wird die Phase verwendet, um einen festen
Körper unter Ausschluss von Gasen und Luft zu bilden. Ein
Anteil mit weniger als 10 vol.% wird als kein substantieller Anteil
definiert.
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In
dieser Ausführungsform wird eine mittlere anisotrope thermische
Leitfähigkeit durch eine anisotrope Verteilung der Dichte
des Gegenstandes erreicht. Insbesondere variiert die Dichte des
Gegenstandes makroskopisch. Dieses wird in einer Ausführungsform
durch mindestens eine erste Schicht vorgesehen, die im wesentlichen
aus einer magnetokalorisch aktiven Phase besteht und die eine erste Dichte
aufweist, und mindestens eine zweite Schicht, die im wesentlichen
aus der magnetokalorisch aktiven Phase besteht und eine zweite Dichte
aufweist, wobei die erste Dichte größer ist als
die zweite Dichte.
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Die
erste Schicht mit der größeren Dichte weist eine
größere thermische Leitfähigkeit als
die zweite Schicht mit einer geringeren Dichte auf. Deshalb ist
die mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes
in Richtungen senkrecht zu der Ebene der Schichten geringer als
die mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes
in Richtungen parallel zu der Ebene der Schichten. Der Gegenstand
hat deshalb eine anisotrope mittlere thermische Leitfähigkeit.
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Die
Dichten von mindestens einer ersten Schicht und von mindestens einer
zweiten Schicht können auf einen gewünschten mittleren
Wert eingestellt werden, indem die Porosität der jeweiligen Schicht
gesteuert wird. Die mindestens eine erste Schicht kann eine erste
mittlere Porosität aufweisen und die mindestens zweite
Schicht kann eine zweite mittlere Porosität aufweisen,
wobei die zweite mittlere Porosität größer
ist als die erste mittlere Porosität. Dieses stellt eine
erste Schicht mit einer größeren Dichte als die
zweite Schicht und einen Gegenstand mit einer anisotropen mittleren
thermischen Leitfähigkeit zur Verfügung.
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In
einer weiteren Ausführungsform sind mindestens die erste
Schicht und mindestens die zweite Schicht in einem Stapel angeordnet,
wobei benachbarte Schichten in physischem Kontakt miteinander sind.
Die benachbarten Schichten können mit ihrem unmittelbaren
Nachbarn durch eine Schicht eines Klebstoffmaterials oder direkt
miteinander durch beispielsweise Sintern des Materials der benachbarten Schichten
verbunden sein.
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Die
ersten Schichten und die zweiten Schichten weisen eine Dicke auf,
die sich im allgemeinen parallel zu der ersten Richtung des Gegenstandes
erstreckt, und eine Querschnittsfläche, die sich im allgemeinen
in die zweite Richtung des Gegenstandes erstreckt. Jede Schicht
wird aus einer Vielzahl von Schichten von Körnern oder
Partikeln der jeweiligen Phase aufgebaut.
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Im
Betrieb ist der Gegenstand so angeordnet, dass sich die laterale
Fläche der Ebene der Schichten im allgemeinen senk recht
zu der Kühlflussrichtung erstreckt und sich die Dicke der
Schichten im allgemeinen parallel zu der Kühlmittelflussrichtung
erstreckt. Die thermische Leitfähigkeit der magnetokalorisch
passiven Phase ist vorzugsweise größer als die
thermische Leitfähigkeit der magnetokalorisch aktiven Phase
in dieser Anordnung des Gegenstandes, damit die mittlere thermische
Leitfähigkeit des Gegenstandes in der Kühlmittelflussrichtung
geringer ist als die mittlere thermische Leitfähigkeit
des Gegenstandes in Richtungen senkrecht zu der Kühlmittelflussrichtung.
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In
einer anderen Ausführungsform umfasst der Gegenstand eine
Vielzahl von aktiven Schichten, wobei jede aktive Schicht ein magnetokalorisch
aktives Material aufweist, das eine TC besitzt,
die unterschiedlich zu der TC des magnetokalorischen
Materials in einer benachbarten Schicht ist. In einer weiteren Ausführungsform
ist das magnetokalorisch aktive Material von jeder der Schichten
so gewählt, dass mit der Ordnung, in der das Material angeordnet
ist, die TC progressiv von einem Ende des
Gegenstandes zu dem anderen Ende ansteigt.
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Die
Verwendung der Gegenstände kann eine Vielzahl von magnetokalorisch
aktiven Materialien aufweisen, welche unterschiedliche TC's haben, das hat den Vorteil, dass der
Betriebsbereich des Wärmetauschers, in dem der Gegenstand
verwendet wird, vergrößert wird. Die Curietemperatur
TC wirkt sich auf die Betriebstemperatur
aus, und da ein Bereich von unterschiedlichen TC's
bereitgestellt wird, ist der Betriebsbereich des Wärmeaustauschers
vergrößert. Dieses ermöglicht dem Wärmetauscher
ein Kühlen und/oder ein Erwärmen über
einen breiteren Betriebstemperaturbereich bereitzustellen, und stellt
ein Kühlen und/oder Erwärmen von einer Starttemperatur
zu einer kleineren/größeren oder zu einer niedrigs ten/höchsten
Temperatur bereit, als dies unter Verwendung von einem magnetokalorisch
aktiven Material mit nur einer einzigen TC möglich
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst weiterhin der Gegenstand
mindestens eine thermisch Barriere, die eine thermische Leitfähigkeit
aufweist, die geringer als die thermische Leitfähigkeit der
magnetokalorisch aktiven Phase ist.
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Die
thermische Barriere behindert die thermische Übertragung
von dem Gebiet des Gegenstandes auf einer Seite zu dem Gebiet des
Gegenstandes auf der anderen Seite der thermischen Barriere. Die thermische
Barriere kann so angeordnet sein, dass eine thermische Übertragung
in die Richtung des Kühlmedienflusses behindert wird, womit
die Effizienz des magnetischen Wärmeaustausches weiter verbessert
wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gegenstand eine
Vielzahl von thermischen Barrieren, die in Intervallen entlang der
ersten Richtung des Gegenstandes angeordnet sind. Wenn eine Vielzahl
von Bereichen mit unterschiedlichen TC bereitgestellt
wird, kann die thermische Barriere zwischen den benachbarten Bereichen
angeordnet werden.
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Die
magnetokalorisch aktive Phase kann eine oder mehrere Phasen von
Gd, eine La(Fe1-bSib)13-basierende Phase, eine Gd5(Si, Ge)4-basierende Phase, eine Mn(As, Sb)-basierende Phase,
eine MnFe(P, As)-basierende Phase, eine Tb-Gd-basierende Phase,
eine (La, Ca, Pr, Nd, Sr)MnO3-basierende
Phase, eine CoMn-(Si, Ge)-basierende Phase und eine Pr2(Fe,
Co)17-basierende Phase sein. Diese Basiszusammensetzung
kann weiterhin weitere chemische Elemente aufweisen, die teilweise
oder vollständig die aufgelisteten Elemente ersetzen. Diese Phasen
können auch Elemente aufweisen, die mindestens in einem
Teil interstitiell in der Kristallstruktur wie beispielsweise Wasserstoff
eingelagert sind. Diese Phasen können auch Verunreinigungselemente
und kleinere Mengen von Elementen wie Sauerstoff aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfassen die Körner
der magnetokalorisch aktiven Phase eine Korrosionsschutzbeschichtung.
Diese Korrosionsschutzbeschichtung kann einen oder mehrere Metalle,
Legierungen, Polymere, Keramiken oder anorganische Verbindungen
aufweisen. Das Metall kann Al, Cu oder Sn sein und die Legierungen
können eine oder mehrere der Elemente Al, Cu und Sn aufweisen. Eine
anorganische Korrosionsschutzbeschichtung kann durch ein Phosphat
z. B. ein Zinkphosphat bereitgestellt werden. Die Korrosionsschutzbeschichtung
kann verwendet werden, um die Betriebslebensdauer der magnetokalorisch
aktiven Phase zu erhöhen, da Korrosion und Degradation
des magnetokalorisch aktiven Materials in nicht magnetokalorisch aktive
Phasen mindestens verlangsamt oder vollständig über
die Betriebslaufzeit des magnetokalorischen Materials aufgrund der
Korrosionsschutzbeschichtung verhindert wird.
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Der
Gegenstand kann außerdem eine effektive Porosität
aufweisen. Die effektive Porosität wird hierbei verwendet,
um eine Porosität des Gegenstandes zu beschreiben, die
einen messbaren Effekt auf die Effizienz des magnetischen Wärmeaustausches hat.
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Die
effektive Porosität umfasst mindestens einen Kanal innerhalb
des Körpers des Gegenstandes, der sich von der ersten Seite
des Gegenstandes zu der zweiten Seite des Gegenstandes erstreckt. Die
Porosität kann im Bereich von 10 vol.% bis 60 vol.% liegen.
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Die
effektive Porosität kann in Form einer Reihe im fließenden
Austausch untereinander verbundener Kanäle vorgesehen sein,
die ein hohles Netzwerk einer skelettartigen Struktur innerhalb
des Körpers des Gegenstandes bilden. Das Wärmeaustauschfluid
oder Kühlmittel kann dann durch das hohle Netzwerk von
einer Seite des Gegenstandes zur anderen Seite des Gegenstandes
fließen.
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Die
effektive Porosität kann durch ein loses Kompaktieren des
Pulvers oder durch ein loses Kompaktieren des Pulvers gefolgt von
einer Sinterung vorgesehen werden, um in diesem Fall einen Körper mit
einer Dichte von weniger als 100% zu bilden, so dass das nicht beanspruchte
Volumen ein untereinander verbundenes hohles Netzwerk bildet, durch das
das Wärmeaustauschfluid fließen kann.
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Diese
Ausführungsformen eines Gegenstandes haben den Vorteil,
dass die Oberfläche des Gegenstandes vergrößert
wird. Das Kühlmittel ist in Kontakt mit den inneren Oberflächen,
welche die Oberflächen der die Porosität bereitstellenden
Kanäle sind, die innerhalb des Körpers des Gegenstandes angeordnet
sind, sowie die gesamte äußere Oberfläche
des Gegenstandes. Somit wird die Kontaktfläche zwischen
dem Gegenstand und dem Wärmeaustauschfluid vergrößert.
Konsequenterweise kann der Wirkungsgrad des kritischen Wärmeaustausches weiter
erhöht werden.
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Der
Gegenstand kann weiterhin mindestens einen Kanal aufweisen. Der
Kanal kann die Form eines Durchgangsloches haben, das durch den
Gegenstand umgeben wird, oder kann in Form ei nes Kanals in einer äußeren
Fläche des Gegenstandes bereitgestellt werden. Eine oder
mehrere Kanäle haben den Vorteil der Vergrößerung
der Oberfläche des Gegenstandes, was weiterhin die Wärmeaustauscheffizienz
zwischen dem Gegenstand und dem Kühlmittel verbessert.
Der Kanal kann beispielsweise durch Extrudieren oder Strangpressen
gebildet sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist der Kanal zum Führen
des Kühlmittelsflusses angepasst. Die Position des Kanals
wird durch das Design des Wärmetauschersystems bestimmt,
in dem der Gegenstand arbeiten soll. Der Kanal kann angepasst sein,
um den Fluss des Kühlmittels mit verminderter oder optimaler
oder minimaler Turbulenz zu führen, um den Wirkungsgrad
des Wärmeaustausches zu erhöhen.
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Der
Gegenstand kann eine Komponente eines Wärmetauschers, eines
Kühlsystems, einer Klimaanlageneinheit für ein
Gebäude oder für ein Fahrzeug, insbesondere für
ein Automobil oder eine Klimasteuereinrichtung für ein
Gebäude oder ein Automobil sein. Die Klimasteuereinrichtung
kann als Heizer im Winter und als Kühler im Sommer durch
Umkehrrichtung der Kühlflüssigkeit oder des Wärmeaustauschmittels
verwendet werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft für
Automobile und andere Fahrzeuge, da der Raum innerhalb des Chassis
für das Unterbringen der Klimasteuersysteme durch das Design des
Fahrzeugs begrenzt ist.
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Der
Gegenstand kann auch eine äußere Schutzbeschichtung
aufweisen. Die äußere Schutzbeschichtung kann
ein Metall oder eine Legierung oder ein Polymer aufweisen. Das Material
der äußeren Schutzbeschichtung kann so gewählt
werden, dass es chemisch sowohl als auch mechanisch stabil während
der Lebensdauer des Gegenstandes in dem Wärmeaustauschmedium
ist.
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Wenn
die Beschichtung auf den fertigen Gegenstand aufgebracht wird, so
wird er keinen höheren Temperaturen als beispielsweise
beim Sintern oder beim Bearbeiten des Gegenstandes ausgesetzt. In
diesem Fall kann ein Polymer mit einer relativ niedrigen Zersetzungstemperatur
oder Schmelztemperatur verwendet werden.
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Das
Wärmeaustauschmedium kann Ethanol oder Glykol oder eine
Mischung mit Wasser, Ethanol oder Glykol oder einem alternativen
Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit aufweisen,
um die Effizienz des Wärmeaustausches zwischen dem Wärmeaustauschmedium
und dem Gegenstand zu erhöhen. Das Wärmeaustauschmedium
kann korrosiv für das magnetokalorisch aktive Material
und/oder für das magnetokalorisch passive Material der
Matrix sein. Deshalb kann eine zusätzliche äußere
Schutzbeschichtung verwendet werden, um einen zusätzlichen
Schutz vorzusehen.
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Der
Gegenstand gemäß einer dieser Ausführungsformen
kann als eine Komponente eines Wärmetauschers, eines Kühlsystems,
einer Klimasteuereinrichtung, einer Klimaanlage oder einer industriellen,
kommerziellen oder häuslichen Gefriergeräts sein.
Der Gegenstand ist derart angeordnet, dass die erste Richtung des
Gegenstandes im allgemeinen parallel zu der Richtung des Wärmeflusses
während des Betriebs ausgerichtet ist.
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Die
Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes
zum magnetischen Wärmeaustausch vor. In einer Ausführungsform
wird eine magnetokalorisch aktive Phase und eine magnetokalorisch
passive Phase, die eine Vielzahl von Partikeln aufweist, bereitgestellt.
Die magnetokalorisch aktive Phase und die magnetokalorisch passive Phase
sind zusam mengebaut und kompaktiert, um einen Gegenstand zu bilden.
Eine bevorzugte Orientierung wird im Mittel durch physikalische
Anordnung von mindestens einer Vielzahl von Körnern mit
der magnetokalorisch passiven Phase hergestellt.
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In
einer Ausführungsform wird ein Precursor der magnetokalorisch
aktiven Phase vorgesehen und eine magnetokalorisch passive Phase,
die eine Vielzahl von Partikeln aufweist, wird bereitgestellt. Der Precursor
der magnetokalorisch aktiven Phase und die magnetokalorisch passive
Phase werden zusammengebaut und kompaktiert, um einen Gegenstand zu
bilden. Eine bevorzugte Orientierung der Vielzahl der Körner
der magnetokalorisch passiven Phase wird hergestellt. In dieser
Ausführungsform, ist der Gegenstand reaktionsgesintert,
um aus dem Precursor die magnetokalorisch aktive Phase zu bilden.
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Der
Gegenstand wird mit einer anisotropen thermischen Leitfähigkeit
aufgrund der bevorzugten Orientierung der magnetokalorisch passiven
Phase vorgesehen, da die thermische Leitfähigkeit der Vielzahl
der Körner der magnetokalorisch passiven Phase höher
in der Längsrichtung der Körner als in der Querrichtung
der Körner ist. Wie vorher erörtert, können
die Körner im Mittel auch eine bevorzugte Textur der kristallographischen
Orientierung aufweisen.
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Die
bevorzugte Orientierung kann mindestens teilweise durch den Kompaktiervorgang
oder durch einen teilweise oder vollständig separaten Verfahrensschritt
hergestellt werden, der vor oder nach der Kompaktierung durchgeführt
werden kann.
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In
einer Ausführungsform wird die Kompaktierung so ausgeführt,
dass eine bevorzugte Orientierung mindestens der Kör ner
der magnetokalorisch passiven Phase und/oder mindestens der Körner
der magnetokalorisch aktiven Phase reduziert wird.
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In
einer Ausführungsform wird die mittlere bevorzugte Orientierung
von mindestens einer Mehrzahl der Körner der magnetokalorisch
passiven Phase mindestens teilweise durch Anwenden eines Magnetfeldes
erzeugt. Dieses Verfahren kann, wenn die magnetokalorisch passive
Phase ferromagnetisch ist und zum Beispiel Fe oder FeSi aufweist,
verwendet werden.
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Ein
magnetisches Feld kann auch eingesetzt werden, um eine bevorzugte
Orientierung der Partikel der magnetokalorisch aktiven Phase bereitzustellen,
falls die magnetokalorisch aktive Phase in einem ferromagnetischen
Zustand ist. Wenn die magnetokalorisch aktive Phase bei Temperaturen
unterhalb der Kühltemperatur ferromagnetisch ist, kann
das Magnetfeld bei Temperaturen unterhalb der Curietemperatur der
magnetokalorisch aktiven Phase verwendet werden, um magnetisch die
Partikel auszurichten.
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Das
magnetische Feld kann, bevor die Kompaktierung durchgeführt
wird, so angewandt werden, um eine bevorzugte Orientierung der Partikel
der magnetokalorisch passiven Phase und/oder magnetokalorisch aktiven
Phase vorzusehen. Diese bevorzugte Orientierung während
der Kompaktierung wird in dem kompaktierten Gegenstand aufrechterhalten.
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Die
Kompaktierung kann durchgeführt werden, um eine bevorzugte
Textur in mindestens der magnetokalorisch passiven Phase zu induzieren. Wenn
die Partikel der magnetokalorisch passiven Phase eine anisotrope
Dimension aufweisen, kann die Kompaktierung durch Anordnung der
Kompaktierungsrichtung so durchgeführt werden, dass die Kompaktierungsrichtung
im all gemeinen senkrecht zu der Längsrichtung der Körner
oder in dem Fall von plattenförmigen Körnern im
allgemeinen senkrecht zu der Fläche der Platten rückgeführt
wird. Ein Grad der bevorzugten Orientierung kann auch vorgesehen werden
durch Schütteln des Pulvers in den Richtungen orthogonal
zu der Kompaktierungsrichtung bevor die Kompaktierung durchgeführt
wird. Dieses veranlasst, dass plattenförmige Körner
eine schichtweise Struktur vor der Kompaktierung einnehmen.
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Die
Kompaktierung wird derart ausgeführt, dass die Körner
der magnetokalorisch passiven Phase im Mittel mit ihrer Längsrichtung
senkrecht zu der ersten Richtung des Gegenstandes orientiert sind. Dieses
erzeugt einen Gegenstand mit einer höheren mittleren thermischen
Leitfähigkeit in den Richtungen orthogonal zu der ersten
Richtung und einer niedrigeren mittleren thermischen Leitfähigkeit
in der ersten Richtung.
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In
einer Ausführungsform wird die mittlere bevorzugte Orientierung
mindestens der Vielzahl der Körner der magnetokalorisch
passiven Phase und/oder der magnetokalorisch aktiven Phase mindestens
teilweise durch mechanische Deformation des Gegenstandes nach der
Kompaktierung hergestellt. Die mechanisch Deformation kann durch
Walzen, Gesenkschmieden, Ziehen oder Extrudieren ausgeführt
werden.
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In
einer Ausführungsform werden die magnetokalorisch aktive
Phase und die magnetokalorisch passive Phase durch inniges Mischen
der magnetokalorisch aktiven Phase und der magnetokalorisch passiven
Phase miteinander zusammengesetzt. Dieses Verfahren stellt einen
Gegenstand mit einer anisotropen thermischen Leitfähigkeit
her, die in einem mikroskopischen Maßstab hergestellt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform werden die magnetokalorisch
aktive Phase und die magnetokalorisch passive Phase durch alternatives
Anordnen von Schichten zusammengesetzt, die im wesentlichen aus
der magnetokalorisch aktiven Phase mit zwischenliegenden Schichten,
die im wesentlichen aus der magnetokalorisch passiven Phase bestehen. Dieses
Verfahren erzeugt einen Gegenstand mit einer anisotropen mittleren
thermischen Leitfähigkeit in einem makroskopischen Maßstab.
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In
einer Ausführungsform wird zusätzlich ein Schmiermittel,
ein organischer Binder oder ein Dispersat zu der zusammengesetzten
magnetokalorisch aktiven Phase und der magnetokalorisch passiven Phase
addiert. Diese Additive können die Dichte des Gegenstands
erhöhen.
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Die
zusammengesetzte magnetokalorisch aktive Phase und magnetokalorisch
passive Phase können durch Walzen oder Pressen kompaktiert
werden. Das Walzen kann dazu verwendet werden, um einen lang gestreckten
Gegenstand herzustellen, in dem die thermische Leitfähigkeit
entlang der Länge des Gegenstandes und quer zur Breite
des Gegenstandes größer ist als quer zur Dicke
des Gegenstandes. Derartige Gegenstände können
in einem laminierten Stapel angeordnet werden. Das Pressen kann
verwendet werden, um einen Gegenstand zu erzeugen, in dem die thermische
Leitfähigkeit größer über die
Breite des Gegenstandes als entlang seiner Länge ist, da
die Längsrichtung der magnetokalorisch passiven Phase im
allgemeinen senkrecht zu der Länge des Gegenstandes ausgerichtet
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird der Gegenstand während
der Kompaktierung aufgeheizt. Eine Wärmebehandlung kann
verwendet werden, um weiter den Gegenstand zu kompaktieren sowie
zum Zusammensintern der Körner. Wenn ein Precursor verwendet wird,
wird die Wärmebehandlung unter Bedingungen durchgeführt,
die so ausgesucht werden, dass die magnetokalorisch aktive Phase
von dem Precursor gebildet wird.
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Eine
Wärmebehandlung während der Kompaktierung kann
auch verwendet werden, um weiterhin den Grad der Textur der Körner
aufgrund der Reorientierung der Körner sowie dem Wachstum
der Körner in einer bevorzugten Richtung zu erhöhen.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird ein Magnetfeld während
der Kompaktierung angelegt, um magnetisch die Körner der
magnetokalorisch passiven Phase und/oder aktiven Phase auszurichten,
so dass im Mittel ihre Längsrichtung im allgemeinen senkrecht
zu der ersten Richtung des Gegenstandes orientiert ist. Wärme
kann auch zur gleichen Zeit eingesetzt werden. Dieses Verfahren
kann dann verwendet werden, wenn die magnetokalorisch passive Phase
ein weichmagnetisches Material wie Fe oder FeSi oder wenn die magnetokalorisch
aktive Phase bereits gebildet ist und während des Pressvorgangs
ferromagnetisch ist.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes ohne eine magnetokalorisch
passive Phase und mit einer mittleren anisotropen thermischen Leitfähigkeit
ist ebenfalls vorgesehen. In diesem Verfahren werden mindestens
eine erste Platte, die im wesentlichen aus einer magnetokalorisch
aktiven Phase besteht und eine erste Dichte aufweist, und mindestens
eine zweite Platte, die im wesentlichen aus einer magnetokalorisch
aktiven Phase besteht und eine zweite Dichte aufweist, vorgesehen.
Die erste Dichte der ersten Platte ist größer
als die zweite Dichte der zweiten Platte. Die erste Platte und die
zweite Platte werden in einem Stapel angeordnet, um einen Gegenstand
zum magnetischen Wärmeaustausch bereitzustellen.
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Die
ersten und zweiten Platten weisen unterschiedliche mittlere thermische
Leitfähigkeiten aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte
auf. Eine höhere Dichte stellt eine höhere mittlere
thermische Leitfähigkeit bereit. Deshalb ist die mittlere
thermische Leitfähigkeit in der Stapelrichtung, das ist
die Richtung senkrecht zu der Ebene der Platten, niedriger als die mittlere
thermische Leitfähigkeit in der Ebene der Platten.
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In
einer Ausführungsform sind die erste Platte und die zweite
Platte derart angeordnet, dass sie in physischem Kontakt miteinander
sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist die erste Platte eine
erste Porosität und die zweite Platte eine zweite Porosität
auf, wobei die zweite Porosität größer
ist als die erste Porosität. Dieses stellt eine erste Platte
mit einer größeren Dichte als die zweite Platte
bereit.
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Die
erste Platte und/oder die zweite Platte können durch Kompaktieren
von Partikeln einer magnetokalorisch aktiven Phase oder durch einen
Precursor einer magnetokalorisch aktiven Phase hergestellt werden.
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Die
Bedingungen des Kompaktierens werden angepasst, um eine geringere
Porosität in der ersten Platte als in der zweiten Platte
herzustellen. Zum Beispiel können der Kompaktierungsdruck
und, falls eingesetzt, die Temperatur erhöht werden, um die
Porosität zu vermindern und die Dichte der Platte zu erhöhen.
Entgegengesetzt können der Kompaktierungsdruck und, falls
eingesetzt, die Temperatur vermindert werden, um die Porosität
zu erhöhen und die Dichte der Platte zu vermindern.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird eine Vielzahl von ersten
Platten und eine Vielzahl von zweiten Platten vorgesehen. Die Vielzahl
der ersten Platten und die Vielzahl der zweiten Platten werden untereinander
in einer Stapelrichtung des Gegenstandes zusammengelegt. Der erzeugte
Gegenstand weist eine Vielschichtigkeit oder eine geschichtete Struktur
auf.
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Nachdem
der Gegenstand kompaktiert oder nachdem der Gegenstand hergestellt
wurde, kann eine äußere Schutzbeschichtung auf
den Gegenstand aufgebracht werden. Die äußere
Schutzbeschichtung kann durch ein Tauchen, durch ein Sprühen
oder durch Elektroabscheidung aufgebracht werden.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Gegenstandes zum magnetischen Wärmeaustausch;
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht des Gegenstandes der 1;
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Gegenstandes zum magnetischen Wärmeaustausch mit
einer Mikrostruktur gemäß einer ersten Ausführungsform;
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4 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Gegenstandes zum magnetischen Wärmeaustausch mit
einer Mikrostruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Gegenstandes für magnetischen
Wärmeaustausch mit einer Mikrostruktur gemäß einer
dritten Ausführungsform;
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Gegenstandes zum magnetischen Wärmeaustausch mit
einer Mikrostruktur gemäß einer vierten Ausführungsform,
und
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7 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Gegenstandes zum magnetischen Wärmeaustausch mit
einer Mikrostruktur gemäß einer fünften
Ausführungsform.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Gegenstandes 1 zum magnetischen Wärmeaustausch,
der eine magnetokalorisch aktive Phase 2 aufweist, die
in dieser Ausführungsform im wesentlichen aus einer La(Fe1-a-bCoaSib)13-basierenden
Phase mit einer Curietemperatur TC von 20°C
besteht. Der Gegenstand 1 stellt eine magnetisch kühlende
betriebsfähige Komponente eines nicht gezeigten magnetischen Wärmeaustauschsystems
bereit, die darüber hinaus ein pumpendes Zirkulationssystem,
ein Wärmeaustauschmedium wie ein Flüssigkühlmittel
und Mittel zum Aufbringen eines magnetischen Feldes in der Kammer
umfasst.
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Der
Gegenstand 1 weist eine erste Länge l auf und
eine zweite Länge b, die sich im allgemeinen senkrecht
zu der ersten Lange erstreckt. Die Richtung des Kühlmittelflusses
wird in 1 durch einen Pfeil 3 gezeigt.
Abhängig davon, ob entweder das Wärmeaustauschsystem
vorgesehen ist, um Kühlung bereitzustellen oder Wärme
bereitzustellen, kann das Kühlmittel in zwei entgegen gesetzte
Richtungen fließen. Im Betrieb ist die erste Länge
l des Gegenstandes 1 so angeordnet, dass sie sich in der Kühlmittelflussrichtung 3 erstreckt
und die zweite Länge b ist so angeordnet, dass sie sich
im allgemeinen senkrecht zu der Kühlmittelflussrichtung 3 erstreckt.
In der in 1 gezeigten Ansicht ist die
Kühlmittelflussrichtung von oben nach unten. Der Gegenstand 1 hat
auch eine Vielzahl von Kanälen 4 in seiner äußeren
Oberfläche, die sich in Richtung des Kühlmittels 3 erstrecken
und die Oberfläche des Gegenstandes 1 derart vergrößern,
dass die Effektivität der Wärmeübertragung
von dem Gegenstand 1 zu dem Kühlmittel verbessert
wird.
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Gemäß der
Erfindung weist der Gegenstand 1 eine anisotrope mittlere
thermische Leitfähigkeit auf. Insbesondere ist die thermische
Leitfähigkeit des Gegenstandes in Richtung des Kühlmittelflusses 3 niedriger
als die mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes 1 in
Richtungen, die durch die Pfeile 5 gezeigt werden, in denen
sich die zweite Länge b des Gegenstandes senkrecht zu dem
Kühlmittelfluss 3 erstreckt.
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Diese
Anordnung ermöglicht, dass die magnetisch induzierte Wärme,
die durch die magnetokalorisch aktive Phase 2 in dem Gegenstand 1 induziert wird,
effektiv zu den äußeren Oberflächen 6 des
Gegenstandes 1 in Richtung der Pfeile 5 geleitet
wird und von dort in das Kühlmittel, während gleichzeitig eine
Leitung der magnetisch induzierten Hitze innerhalb des Gegenstandes
in den Richtungen entgegengesetzt zu der Kühlmittelflussrichtung 3 verhindert
wird. Dieses verhindert eine Art internen Kurzschluss innerhalb
des Gegenstandes 1, bei dem die Wärme von dem
kalten Ende 7 zu dem heißen Ende 8 durch
das Kühlmittel einfach zurück zu dem kalten Ende 7 durch
den Gegenstand 1 selber geführt wird.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht des Gegenstandes 1 der 1.
Die Querschnittsansicht der 2 zeigt,
dass der Gegenstand eine geschichtete Struktur aufweist und drei
akti ve Bereiche 9, 10, 11 aufweist, die
eine magnetokalorisch aktive Phase 2 enthalten. Jede der
drei aktiven Bereiche 9, 10, 11 weist
eine magnetokalorisch aktive Phase auf, die eine unterschiedliche
TC derart besitzt, dass die TC von
jedem aktiven Bereich in Richtung auf den Kühlmittelfluss 3 ansteigt.
Jeder aktive Bereich 9, 10, 11 ist von
seinem Nachbarn durch eine thermische Barriere 12 getrennt,
was weiterhin eine thermische Leitfähigkeit zwischen den
benachbarten Bereichen 9, 10, 11 des
Gegenstandes 1 verhindert.
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Jeder
Bereich 9, 10, 11 weist weiterhin eine magnetokalorisch
passive Phase 13 auf, die eine größere
thermische Leitfähigkeit als die thermische Leitfähigkeit
der magnetokalorisch aktiven Phase 2 aufweist. Die anisotrope
mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes 1 wird
durch Vorsehen der Körner 14 der magnetokalorisch
passiven Phase 13 in einer geschichteten Art der Anordnung
bereitgestellt. Die geschichtete Anordnung kann mikroskopisch vorgesehen
werden, wie es in den 3 und 5 gezeigt
wird, oder makroskopisch, wie es in den 2 und 4 gezeigt
wird. Anordnungen, die eine Kombination sowohl der mikroskopischen
als auch der makroskopischen Schichtung einschließen, können
ebenfalls eingesetzt werden.
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In
der Ausführungsform, die in 3 gezeigt wird,
umfasst die magnetokalorisch passive Phase 13 eine Vielzahl
von Körnern 14, die im allgemeinen eine plattenartige
Form aufweisen. Die plattenartigen Körner 14 haben
eine Längsrichtung 15 und eine Querrichtung 16,
die im allgemeinen senkrecht zu der Längsrichtung 15 angeordnet
ist. Die plattenförmigen Körner 14 sind
innerhalb des Gegenstandes 1 derart angeordnet, dass sich
eine mittlere Längsrichtung 15 in Richtungen parallel
zu der zweiten Länge b des Gegenstandes 1 und
im allgemeinen senkrecht zu der Kühlmittelrichtung 3 erstreckt.
Die Querrichtung 16 der Körner 14 erstreckt
sich im Mittel im allgemeinen parallel zu der ersten Länge
l des Gegenstandes und parallel zu der Kühlmittelflussrichtung 3.
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Die
Vielzahl der Körner 14 der magnetokalorisch passiven
Phase 13 ist innerhalb des Gegenstandes derart angeordnet,
dass sie eine bevorzugte Orientierung und/oder bevorzugte Textur
aufweisen. Die bevorzugte Orientierung wird zum Festlegen der physischen
Anordnung der Körner verwendet und die bevorzugte Textur
wird zum Festlegen der kristallographischen Orientierung der Körner
eingesetzt. Aufgrund dieser bevorzugten Orientierung und/oder Textur
ist die mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes 1 in
den Richtungen senkrecht zu der Kühlmittelflussrichtung 3 höher
als die mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes 1 in
den Richtungen parallel zu der Kühlmittelflussrichtung 3.
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Die
Körner 17 der magnetokalorisch aktiven Phase 2 sind
in dieser Ausführungsform im allgemeinen isotrop im Vergleich
zu den Körnern 14 der magnetokalorisch passiven
Phase 13. Die Körner 17 der magnetokalorisch
aktiven Phase 2 sind über die Körner 14 der
magnetokalorisch passiven Phase 13 verteilt. Die magnetokalorisch
passive Phase 13 kann die Matrix des Gegenstandes 1 vorsehen
und als einen Binder für die Körner 17 der
magnetokalorisch aktiven Phase 2 wirken. Die Ausführungsform,
die in 3 gezeigt wird, sieht einen Gegenstand 1 vor,
der eine anisotrope mittlere thermische Leitfähigkeit aufgrund
der Verteilung der Körner 14 der magnetokalorisch
passiven Phase 13 im mikroskopischen Maßstab aufweist.
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In
der zweiten Ausführungsform, die in 4 gezeigt
wird, weisen die Körner 14 der magnetokalorisch
passiven Phase 13 auch eine im allgemeinen plattenförmige
Form auf. Die Körner 14 sind in dem Gegenstand 1 mit
einer bevorzugten Orientierung derart angeordnet, dass sich ihre
Längsrichtung 14 in Richtungen im allgemeinen
parallel zu der zweiten Länge b des Gegenstandes 1 und
in Richtungen im allgemeinen senkrecht zu der Kühlmittelflussrichtung 3 erstreckt.
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In
der zweiten Ausführungsform der 4 sowie
in der Ausführungsform der 2 wird die
anisotrope thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes 1 durch
eine beschichtete Struktur vorgesehen, in der Schichten 18,
die im wesentlichen aus einer magnetokalorisch aktiven Phase 2 bestehen,
zwischen Schichten 19, die im wesentlichen aus einer magnetokalorisch
passiven Phase 13 bestehen, gelegt sind. In der Ausführungsform,
die in 4 gezeigt wird, wird die mittlere thermische Leitfähigkeit
des Gegenstandes 1 makroskopisch bereitgestellt.
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Eine
einzige Schicht 19 der magnetokalorisch passiven Phase 13 ist
sandwichartig zwischen zwei Schichten 18 der magnetokalorisch
aktiven Phase 2, wie in 4 gezeigt,
angeordnet, obgleich jede beliebige Anzahl von Schichten bereitgestellt werden
kann. Die gestapelte Anordnung der Schichten 18, 19 wird
in der Richtung der ersten Länge l des Gegenstandes 1 aufgebaut.
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Die
magnetokalorisch passive Phase 13 kann ein Metall und ist
in einigen Ausführungsformen magnetisch sein. Eine magnetische
magnetokalorisch passive Phase 13 hat den Vorteil, dass
die Körner 14 magnetisch ausgerichtet werden können,
um die bevorzugte Orientierung herzustellen.
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Der
Gegenstand 1 kann auch eine äußere Beschichtung 20 aufweisen,
um den Gegenstand 1 und insbesondere die magnetokalorisch
aktive Phase 2 vor Korrosion durch die Umgebung und insbesondere
durch das Kühlmittel zu schützen.
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Der
Gegenstand 1 der 3 kann durch
inniges Mischen eines Pulvers einer magnetokalorisch aktiven Phase 2 und
eines Pulvers einer magnetokalorisch passiven Phase 13 und
einem Kompaktieren der sich ergebenden Mischung hergestellt werden. Die
bevorzugte Orientierung der Körner 14 der magnetokalorisch
passiven Phase 13 kann mindestens teilweise als ein Ergebnis
des Absetzen des Pulvers in der Form, in der die Pulvermischung
kompaktiert wird, auftreten. Die bevorzugte Orientierung der Körner 14 kann
auch durch den Kompaktiervorgang induziert werden. Die Richtung
des Druckes, der während des Kompaktiervorgangs ausgeübt
wird, ist im allgemeinen senkrecht zu der Längsrichtung 16 der plattenförmigen
Körner 14, so dass die plattenförmigen
Körner 14 gezwungen werden, mit ihrer Längsrichtung
senkrecht zu der Richtung der Kompaktierung zu liegen. Außerdem
können die plattenförmigen Körner 14 übereinander
gleiten und somit den Grad der bevorzugten Orientierung erhöhen.
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Der
Grad der bevorzugten Orientierung kann auch durch Anwenden von Wärme
während des Kompaktiervorgangs erhöht werden.
Die Wärme kann ein Sintern der Körner erzwingen,
was eine bevorzugte Wachstumsrichtung vorgibt, was weiterhin die
Anisotropie der plattenförmigen Körner und den Grand
der bevorzugten Orientierung erhöht.
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Die
bevorzugte Orientierung der Körner kann auch mindestens
teilweise durch Ausrichtungsprozesse hergestellt werden, welche
vor oder nach der Kompaktierung stattfinden. Die bevor zugte Orientierung
kann auch im wesentlichen getrennt von dem Kompaktiervorgang erreicht
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann die magnetokalorisch
passive Phase durch ein magnetisches Material und ein magnetisches
Feld, das so eingesetzt wird, dass eine bevorzugte Orientierung
in der gewünschten Richtung innerhalb des Gegenstandes 1 bereitgestellt
wird. Das magnetische Feld kann vor und/oder während der
Kompaktierung angewandt werden. Darüber hinaus kann eine
Wärmebehandlung auch zur gleichen Zeit wie das Magnetfeld
eingesetzt werden.
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Der
Gegenstand 1 kann auch durch reaktives Sintern hergestellt
werden. In dieser Ausführungsform wird ein Precursor der
magnetokalorisch aktiven Phase vorgesehen. Der Precursor besteht aus
nicht magnetokalorisch aktiven Phasen in Mengen, die, wenn diese
miteinander reagieren, die magnetokalorisch aktive Phase erzeugen.
Der Precursor kann innig mit der magnetokalorisch passiven Phase
gemischt werden, um einen anisotropen thermisch leitenden Gegenstand
in einem mikroskopischen Maßstab herzustellen. Der Precursor,
der magnetokalorisch aktiven Phase kann auch als diskrete Schicht
oder Schichten innerhalb einer makroskopisch geschichteten Anordnung, ähnlich
wie sie in 4 gezeigt wird, bereitgestellt
werden. Nach oder während der Kompaktierung wird der Gegenstand derart
erhitzt, dass der Precursor reaktionssintert und die magnetokalorisch
aktive Phase zu bilden.
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Die
bevorzugte Orientierung der magnetokalorisch passiven Phase kann
auch durch andere Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind,
erreicht werden. Zum Beispiel kann die magnetokalorisch passive
Phase einem Walzvorgang unterworfen werden oder kann als dünne
Schicht mit einer bevorzugten Orientierung bereitgestellt werden.
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Wenn
eine äußere Beschichtung vorgesehen ist, kann
die Beschichtung des Gegenstandes nach dem Kompaktieren und nach
irgendeinem Wärmebehandlungsvorgang durchgeführt
werden. Die Beschichtung kann durch Tauchen, Sprühen oder Elektroplattieren
durchgeführt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform, die in 5 gezeigt
wird, weist die magnetokalorisch aktive Phase 2 auch Körner 21 auf,
die eine längliche Form haben. Nur für die Darstellung
sind die Körner 21 der magnetokalorisch aktiven
Phase 2 schwarz markiert und die Körner 14 der
magnetokalorisch passiven Phase 13 unmarkiert gelassen.
In dieser Ausführungsform ist die magnetokalorisch aktive Phase 2 auch
in dem Gegenstand 1 mit einer bevorzugten Orientierung
derart angeordnet, dass sich die Längsrichtung 22 der
Körner 21 in den Richtungen im allgemeinen senkrecht
zu der Kühlmittelrichtung 3 erstrecken und sich
die Querrichtung 23 der Körner 21 in
die Richtung des Kühlmittelflusses 3 erstreckt.
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6 zeigt
einen Gegenstand 1 für eine betriebsfähige
Komponente eines magnetischen Wärmeaustauschsystems gemäß einer
vierten Ausführungsform.
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Der
Gegenstand 1 der vierten Ausführungsform umfasst
eine Vielzahl von Körnern 17 einer magnetokalorisch
aktiven Phase 2 und eine Vielzahl von Körnern 14 einer
magnetokalorischen Phase 13. Im Mittel hat jedes der Körner 17 eine
Form die im allgemeinen anisotrop ist. In dieser Ausführungsform
hat der Gegenstand 1 eine anisotrope thermische Leitfähigkeit
auf grund der bevorzugten Orientierung der isotrop geformten Körner 14 der
magnetokalorisch passiven Phase 13.
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Die
im allgemeinen kugelförmigen Körner 14 der
magnetokalorisch passiven Phase 13 weisen ein ferromagnetisches
Material in diesem Fall Eisen auf. Die Körner 14 sind
in einer Vielzahl von Zeilen oder Ketten 24 angeordnet,
die eine Längsrichtung haben, welche sich in die Richtungen
im allgemeinen parallel zu der zweiten Richtung 5 und senkrecht
zu der Kühlmittelflussrichtung 3 des Gegenstandes 1 erstrecken. Die
Ketten 24 sind in Serie von Schichten übereinander
in der Stapelrichtung 28 angeordnet, die parallel zu der
Kühlmittelflussrichtung 3 ist. Die Körner 17 der magnetokalorisch
aktiven Phase 2 sind zwischen den Ketten 24 der
magnetokalorisch passiven Phase 13 angeordnet und weisen
auch einen Grad einer bevorzugten Orientierung auf. Die bevorzugte
Orientierung der magnetokalorisch aktiven Phase 2 wird
als Ergebnis einer Vorformierung einer bevorzugten Orientierung
in der magnetokalorisch passiven Phase 13 hergestellt.
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Die
thermische Leitfähigkeit der magnetokalorisch passiven
Phase 13 ist größer als die thermische
Leitfähigkeit der magnetokalorisch aktiven Phase 2.
Der Gegenstand 1 hat deshalb im Mittel eine anisotrope
thermische Leitfähigkeit, insbesondere ist die thermische
Leitfähigkeit des Gegenstandes 1 größer
in der zweiten Richtung 5 als in der Kühlmittelflussrichtung 3.
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Der
Gegenstand 1 der in 6 gezeigten vierten
Ausführungsform wird durch inniges Mischen von Partikeln
der magnetokalorisch aktiven Phase 2 und Partikeln der
magnetokalorisch passiven Phase 13 und durch Einbringen
dieser in einen Kompaktierbehälter als einen Die hergestellt.
Ein magneti sches Feld wird in der zweiten Richtung 5 eingesetzt,
das verursacht, dass die ferromagnetischen Partikel der magnetokalorisch
passiven Phase 13 sich selber in der Richtung des anliegenden
magnetischen Feldes ausrichten, um eine Vielzahl von Ketten 24 zu
bilden.
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Die
bevorzugte Orientierung der Körner 17 der magnetokalorisch
aktiven Phase 2 tritt aufgrund der Beschränkung
der Bewegung der Partikel der magnetokalorisch aktiven Phase 2 innerhalb
des Gegenstandes 1 auf und der Vorformierung der ausgerichteten
Ketten 24 der Partikel der magnetokalorisch passiven Phase 13.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist die magnetokalorisch
aktive Phase 2 bei Temperaturen unterhalb der Kühltemperatur
ferromagnetisch. Deshalb kann, wenn das magnetische Feld auf die
Pulvermischung bei Temperaturen unterhalb der Kühltemperatur
der magnetokalorisch aktiven Phase 2 einwirkt, eine bevorzugte
Orientierung der Partikel der magnetokalorisch aktiven Phase 2 in
Richtung des anliegenden magnetischen Feldes ebenfalls erreicht
werden.
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7 zeigt
einen Gegenstand 1' zur Verwendung als betriebsfähige
Komponente eines magnetischen Wärmeaustauschsystems gemäß einer fünften
Ausführungsform.
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Der
Gegenstand 1' der fünften Ausführungsform
besteht im wesentlichen aus einer oder mehreren magnetokalorisch
aktiven Phasen 2. Die anisotrope mittlere thermische Leitfähigkeit
des Gegenstandes 1' wird in dieser Ausführungsform
durch eine anisotrope Verteilung der Dichte des Gegenstandes 1' und
insbesondere durch eine anisotrope Verteilung der Porosität
des Gegenstandes 1' bereitgestellt.
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Der
Gegenstand 1' der fünften Ausführungsform
schließt eine Vielzahl von Schichten, von denen fünf
in 7 gezeigt werden, ein. Drei erste Schichten 25 haben
eine niedrige Porosität und zwei Schichten 26,
die zwischen den benachbarten ersten Schichten 25 angeordnet
sind, weisen einen höheren Grad der Porosität
als die der ersten Schichten 25 auf. In der Darstellung
der 7 sind die Poren 27 durch schwarze Bereiche
gekennzeichnet.
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Die
Poren weisen eine geringere thermische Leitfähigkeit auf
als die magnetokalorisch aktive Phase 2. Deshalb haben
die zweiten Schichten 26 eine niedrigere mittlere thermische
Leitfähigkeit als die ersten Schichten 25. Dieses
steht einem Gegenstand 1' zur Verfügung mit einer
mittleren thermischen Leitfähigkeit, die von Ende zu Ende
des Gegenstandes in der Kühlmittelflussrichtung 3 gemessen
wird, die geringer ist als die mittlere thermische Leitfähigkeit,
die von Seitenfläche zu Seitenfläche des Gegenstandes 1' in
der zweiten Richtung 5 gemessen wird.
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Der
vielschichtige oder laminierte Gegenstand 1 der fünften
Ausführungsform kann durch Stapeln einer Vielzahl von Schichten
unterschiedlicher Dichte oder Porosität zusammen hergestellt
werden. Insbesondere die Schichten 25 weisen eine höhere Dichte
als die zwischenliegenden Schichten 26 auf, welche eine
geringere Dichte haben. Die Schichten 25, 26 sind
direkt aufeinander gestapelt und die Stapelrichtung 28 ist
derart, dass jede Schicht in physischem Kontakt mit seiner unmittelbar
benachbarten Schicht ist. Die Schichten 25, 26 können
durch einen Klebstoff auf ihrem Nachbarn fixiert aufgebracht sein.
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Der
Gegenstand 1' der fünften Ausführungsform
kann durch ein erstes Herstellen einer Vielzahl von ersten Schichten 25 in
Form von Platten oder Folien, die eine erste Dichte aufweisen, hergestellt
werden. Eine Vielzahl von zweiten Schichten 26 in Form der
Platten oder Folien kann in einer zweiten Dichte, die geringer als
die erste Dichte ist, hergestellt werden.
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Die
ersten Platten 25 und die zweiten Platten 26 sind
alternierend aufeinander gestapelt, indem jede Platte 25, 26 die
darunter liegende berührt, um den Gegenstand 1' herzustellen.
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Die
Platten oder Folien 25, 26 können durch Kompaktieren
von Partikeln einer magnetokalorisch aktiven Phase 2' hergestellt
werden. Die Dichte der Platten und der Folien kann durch Anpassen
der Kompaktierbedingungen justiert werden. Beispielsweise kann der
Druck, und falls eine Wärmebehandlung verwendet wird, die
Temperatur und die Zeit der Wärmebehandlung erhöht
werden, um eine höhere Dichte der Platte oder Folie zu
erreichen.
-
Der
Gegenstand 1' der fünften Ausführungsform
kann weiterhin eine äußere Schutzbeschichtung,
thermische Barriereschichten, eine Korrosionsschutzbeschichtung,
welche die Körner der magnetokalorisch aktiven Phase bedeckt
aufweisen, wie es in Verbindung mit den vorhergehenden Ausführungsformen
beschrieben ist.
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- 1
- Gegenstand
zum magnetischen Wärmeaustausch
- 2
- magnetokalorisch
aktive Phase
- 3
- Kühlmittelflussrichtung
- 4
- Kanal
- 5
- zweite
Richtung
- 6
- äußere
Oberfläche des Gegenstandes
- 7
- kaltes
Ende des Gegenstandes
- 8
- heißes
Ende des Gegenstandes
- 9
- erster
aktiver Bereich
- 10
- zweiter
aktiver Bereich
- 11
- dritter
aktiver Bereich
- 12
- thermische
Barriere
- 13
- magnetokalorisch
passive Phase
- 14
- Körner
der magnetokalorisch passiven Phase
- 15
- Längsrichtung
der Körner
- 16
- Querrichtung
der Körner
- 17
- Körner
der magnetokalorisch aktiven Phase
- 18
- Schicht
der magnetokalorisch aktiven Phase
- 19
- Schicht
der magnetokalorisch passiven Phase
- 20
- äußere
Schutzbeschichtung
- 21
- Körner
der magnetokalorisch aktiven Phase
- 22
- Längsrichtung
der Körner
- 23
- Querrichtung
der Körner
- 24
- Ketten
- 25
- erste
Schicht
- 26
- zweite
Schicht
- 27
- Pore
- 28
- Stapelrichtung
-
Zusammenfassung
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Ein
Gegenstand (1) zum magnetischen Wärmeaustausch
erstreckt sich in eine erste Richtung (3) und in eine zweite
Richtung (4), die im allgemeinen axial senkrecht auf der
ersten Richtung (3) angeordnet ist. Der Gegenstand (1)
umfasst mindestens eine magnetokalorisch aktive Phase (2).
Die mittlere thermische Leitfähigkeit des Gegenstandes
(1) ist anisotrop.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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