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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Wärmeflusses durch ein magnetokalorisches Element, wobei das besagte magnetokalorische Element aus mindestens einem magnetokalorischem Material besteht, welches ein warmes, in Verbindung mit einer warmen Kammer stehendes Ende und ein kaltes, in Verbindung mit einer kalten Kammer stehendes Ende aufweist, wobei das besagte Verfahren darin besteht, das magnetokalorische Element abwechselnd magnetisch zu aktivieren und zu deaktivieren, und einen flüssigen Wärmeträger durch das besagte magnetokalorische Element hindurch abwechselnd in Richtung der kalten Kammer und der warmen Kammer synchron mit den magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen zirkulieren zu lassen.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls einen magnetokalorischen Wärmeerzeuger, der das besagte Verfahren einsetzt.
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Stand der Technik:
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Die magnetokalorischen Wärmeerzeuger arbeiten nach dem Prinzip der Wärmepumpe, durch Entnehmen von Wärmeenergie von einer sogenannten „kalten” Kammer oder Quelle und Abgeben dieser Energie, mit einer höheren Temperatur, an eine sogenannte „warme” Kammer oder Quelle.
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Der magnetokalorische Effekt ist eine inhärente Eigenschaft der magnetokalorischen Materialien. Er bewirkt eine umkehrbare Veränderung ihrer Temperatur, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden oder aus diesem entfernt werden, oder wenn dieses Feld aufgehoben oder wesentlich reduziert wird. Es kommen zwei Arten magnetokalorischer Materialien vor: die Materialien des ersten Typs erwärmen sich unter der Wirkung eines Magnetfeldes und kühlen ab, wenn dieses Magnetfeld entfernt wird, und die des zweiten Typs, die sogenannten „Materialien mit umgekehrtem magnetokalorischem Effekt”, kühlen unter der Wirkung eines Magnetfeldes ab und erwärmen sich, wenn dieses Magnetfeld entfernt wird.
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Um das Verständnis der vorliegenden Anmeldung zu erleichtern wird der Ausdruck „magnetisch aktiviert” verwendet, um ein magnetokalorisches Material zu bezeichnen, welches sich erwärmt, gleich ob es einem Magnetfeld ausgesetzt ist oder nicht. So wird ein magnetokalorisches Material des ersten Typs magnetisch aktiviert sein, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt ist, und ein magnetokalorisches Material mit umgekehrtem Effekt wird magnetisch aktiviert sein, wenn es dem Magnetfeld nicht ausgesetzt ist. Gleicherweise ist ein „magnetisch deaktiviertes” Material ein Material, welches sich abkühlt, im Fall der magnetokalorischen Materialien des ersten Typs, wenn es dem Magnetfeld nicht ausgesetzt ist und, im Fall der magnetokalorischen Materialien mit umgekehrtem Effekt, wenn es dem Magnetfeld ausgesetzt ist.
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Das Betriebsprinzip des magnetokalorischen Effekts – unter dem Namen AMR (Active Magnetocaloric Refrigerator) bekannt – ist in den beigefügten bis dargestellt. Es besteht darin, einen flüssigen Wärmeträger synchron mit der magnetischen Aktivierung (mittels Permanentmagneten A – siehe 1B und 1C) und der magnetischen Deaktivierung (siehe 1A und ) eines magnetokalorischen Materials MC zwischen dem warmen Ende und dem kalten Ende des besagten magnetokalorischen Materials MC zirkulieren zu lassen. Der flüssige Wärmeträger zirkuliert in Richtung des warmen Endes während der magnetischen Aktivierung des magnetokalorischen Materials MC (1B und 1C) und anschließend in Richtung des kalten Endes während der magnetischen Deaktivierung des magnetokalorischen Materials MC (1A und 1D). Die Verdrängung der Flüssigkeit kann mittels Kolben P erfolgen. Der flüssige Wärmeträger ist dazu bestimmt, mit dem besagten magnetokalorischen Material MC einen Wärmeaustausch durchzuführen und die beiden warmen und kalten Enden sind mit einer warmen Kammer CH bzw. mit einer kalten Kammer FR verbunden. Das magnetokalorische Material MC ist porös oder weist Durchgänge auf, durch die der flüssige Wärmeträger hindurch fließen kann. Diese Durchgänge verbinden das Volumen der kalten Kammer FR mit dem Volumen der warmen Quelle CH, wobei sich diese Kammern jeweils auf einer Seite des magnetokalorischen Materials befinden. Es gilt TFR als die Temperatur der kalten Kammer, TCH als die Temperatur der warmen Kammer und L als die Länge des magnetokalorischen Materials MC in Richtung der Durchgänge. Ein Temperaturgradient erscheint entlang des magnetokalorischen Materials MC.
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Ein Wärmeerzeuger, der dieses Betriebsprinzip des magnetokalorischen Effekts ausnutzt, ist selbstverständlich dazu bestimmt, Wärmeenergie mit einem oder mehreren externen Benutzer-Kreisläufen (Heizung, Klimatisierung, Temperieren, usw.) auszutauschen, zum Beispiel über einen Wärmetauscher oder nicht.
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Die Offenlegungsschrift
US 4,507,928 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem der magnetokalorische Generator mit Helium funktioniert, die supraleitenden Magneten fest sind und die magnetokalorischen Materialien in einem Kolben untergebracht sind, der sich in einer Translationsbewegung zwischen zwei Endlagen hin und her bewegt. Der flüssige Wärmeträger zirkuliert in zwei separaten Flüssigkeits-Kreisläufen, die jeder von einer Kolbenpumpe angetrieben werden. Wenn der Kolben eine Endlage erreicht wird die Zirkulationsrichtung der Flüssigkeit umgekehrt. So stimmen der Richtungswechsel der Flüssigkeit und der Wechsel des magnetischen Zyklus überein und erfolgen gleichzeitig. Dieses Betriebsprinzip kann unter anderem in den Offenlegungsschriften
EP 1 156 287 ,
US 4,332,135 und
WO 2008/132342 gefunden werden.
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Es besteht ein Bedarf für eine Verbesserung des Verfahrens der Erzeugung eines Wärmeflusses. Dazu wird davon ausgegangen, dass für eine gegebene Temperatur-Amplitude zwischen der kalten und der warmen Kammer und für eine gegebene zu liefernde Wärmeleistung die Effizienz eines magnetokalorischen Wärmeerzeugers nach zwei wesentlichen Kriterien gemessen wird:
- – die Heizleistungsziffer (COP), die das Verhältnis der gelieferten Wärmeenergie zur verbrauchten mechanischen oder elektrischen Energie angibt (insbesondere für die Zirkulation der Flüssigkeit und den Antrieb der magnetischen und/oder hydraulischen Schaltvorrichtungen), und
- – die volumenbezogene Leistungsdichte (in kW/1), die die Größe des Herzens des Generators, d. h. die Größe des magnetokalorischen Elements in Bezug auf die gelieferte Wärmeleistung kennzeichnet.
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Es besteht insbesondere ein Bedarf für magnetokalorische Wärmeerzeuger, die mehrere Kilowatt liefern können, und dies besonders für mobile Anwendungen, die im Allgemeinen wesentliche Kompaktheits-Anforderungen aufweisen, oder für reversible Wärmepumpen, die eine Temperatur-Amplitude über 80°K erfordern. Außerdem sollten solche Generatoren eine Heizleistungsziffer COP größer als 3 aufweisen.
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Man kann davon ausgehen, dass bei jeder Umschaltung des Magnetfeldes (das heißt, bei dem Übergang des magnetisch aktivierten Zustands zu dem magnetisch deaktivierten Zustand und umgekehrt), die Masse des magnetokalorischen Materials augenblicklich und abwechselnd einen Vorrat an „Kalorien” oder „Frigorien” erhält, den sie dann während des durch die besagte Umschaltung eingeleiteten Wechsels der Flüssigkeit weitergibt.
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Daraus ergibt sich, dass das Haupt-Mittel, um die für ein gegebenes Volumen an magnetokalorischem Material gelieferte Leistung zu maximieren, die Erhöhung der magnetischen Umschaltfrequenz ist, um den (fast augenblicklichen) magnetokalorischen Effekt öfter auszunutzen.
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Jedoch erfordert die Erhöhung der Umschaltfrequenz eine entsprechende Erhöhung der Wärmeaustausch-Leistung zwischen dem Material MC und dem flüssigen Wärmeträger, also, in der Praxis, die Vervielfachung der Austauschflächen, wobei das globale Volumen des in dem magnetokalorischen Material MC enthaltenen flüssigen Wärmeträgers beibehalten wird. Dies setzt die Benutzung eines magnetokalorischen Materials mit zahlreichen sehr feinen Flüssigkeits-Durchgängen oder sogar Mikrodurchgängen, oder ein poröses magnetokalorisches Material voraus.
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Nun aber steigt die für die Zirkulation des flüssigen Wärmeträgers im magnetokalorischen Material erforderliche Leistung nach dem Quadrat des Verhältnisses der Länge des magnetokalorischen Materials zum hydraulischen Durchmesser der Flüssigkeits-Kanäle oder – Durchgänge. Zudem steigen die Wärmeleitungsverluste in dem magnetokalorischen Material (störender Wärmeleitungsfluss, der von der warmen Seite zur kalten Seite des magnetokalorischen Materials geht) im umgekehrten Verhältnis zum Quadrat der Länge des magnetokalorischen Materials. Da die Zirkulation des flüssigen Wärmeträgers die Hauptquelle des Leistungsverbrauchs eines magnetokalorischen Wärmeerzeugers ist, wird jede Verschlechterung dieses Punkts den COP unmittelbar beeinträchtigen – im Nenner. Man weiß, dass die für die Zirkulation erforderliche mechanische Energie außerdem zu der gelieferten Wärmeenergie beiträgt – im Zähler des COP – positiv im Fall der Heizung und negativ im Fall der Kühlung. Die Leistungsverluste werden von der gelieferten Nutzleistung abgezogen und beeinträchtigen den COP direkt im Nenner.
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Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, dass, im heutigen Stand der Technologie der magnetokalorischen Legierungen und der Magnetisierungs-Systeme, die erkennten Mittel, die dazu geeignet sind, eine wesentliche Erhöhung der Leistungsdichte zu ermöglichen, ebenfalls den COP stark verschlechtern, und dass die zweckmäßige Dimensionierung einer magnetokalorischen Wärmepumpe für eine gegebene Anwendung sich aus einem Kompromiss zwischen ihren Abmessungen und ihrer Energieeffizienz ergibt.
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Offenbarung der Erfindung:
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Aufgabe dieser Erfindung ist es, den obig erwähnten Kompromiss zu umgehen und ein Verfahren anzubieten, das erlaubt, die ein magnetokalorisches Element durchquerende Wärmeleistung, und folglich die Nutzleistung eines dieses Verfahren einsetzenden Wärmeerzeugers, ohne Effizienzverlust zu steigern.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Wärmeflusses der in dem Oberbegriff angegebenen Art, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Zirkulations-Richtung des flüssigen Wärmeträgers während der besagten magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen umzukehren, wobei die besagte magnetische Aktivierungs-Phase eine Ausgangs-Stufe aufweist, während der der flüssige Wärmeträger in die entgegengesetzte Richtung, in Richtung der kalten Kammer zirkuliert, gefolgt von einer Haupt-Stufe, während der der flüssige Wärmeträger in die richtige Richtung, in Richtung der warmen Kammer zirkuliert, und wobei die besagte magnetische Deaktivierungs-Phase eine Ausgangs-Stufe aufweist, während der der flüssige Wärmeträger in die entgegengesetzte Richtung, in Richtung der warmen Kammer zirkuliert, gefolgt von einer Haupt-Stufe, während der der flüssige Wärmeträger in die richtige Richtung, in Richtung der kalten Kammer zirkuliert.
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Das Verfahren nach der Erfindung setzt somit eine besondere Kopplung zwischen dem magnetokalorischen Zyklus und der Schwingung der Flüssigkeit ein, die durch ihre spezifischen Eigenschaften in den obigen Bedingungen den aktiven „steigenden” Wärmefluss maximiert und die gelieferte Leistung wesentlich verbessert (um eine Leistungsdichte in der Größenordnung von 0.5 bis 1 kW/1 zu erreichen).
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Für Anwendungen, die Kompaktheit verlangen, können die mit der Erhöhung der Frequenz verbundenen inneren Verluste eingeschränkt werden durch die Reduzierung der Länge des durch das magnetokalorische Element gebildeten Regenerators und, noch mehr, der Amplitude der Schwingungen des durch diesen fließenden flüssigen Wärmeträgers, um die fluidischen Druckverluste einzuschränken. Es wird so vorgeschlagen, bei jedem magnetischen Wechsel, eine Menge flüssigen Wärmeträger durch das magnetokalorische Element zirkulieren zu lassen, die kleiner ist als die Flüssigkeitsmenge, die das besagte magnetokalorische Element enthalten kann, so dass ein Teil des in dem magnetokalorischen Element enthaltenen flüssigen Wärmeträgers nicht erneuert wird. Die Erneuerungs-Rate des flüssigen Wärmeträgers in dem magnetokalorischen Element ist dann niedriger als eins.
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Das Verfahren kann so vorzugsweise darin bestehen, eine Menge flüssigen Wärmeträger abwechselnd in eine Richtung und anschließend in die andere Richtung zirkulieren zu lassen, die kleiner ist, als die Menge flüssigen Wärmeträgers, die das besagte magnetokalorische Element enthalten kann.
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Außerdem kann das Verfahren darin bestehen, eine Dauer der Ausgangs-Stufe der magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen festzulegen, die kürzer ist als die Hälfte der Dauer jeder der besagten magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls einen magnetokalorischen Wärmeerzeuger, der mindestens ein magnetokalorisches Element aufweist, welches aus mindestens einem magnetokalorischen Material besteht, das ein mit einer warmen Kammer verbundenes warmes Ende und ein mit einer kalten Kammer verbundenes kaltes Ende aufweist, sowie ein Mittel zur magnetischen Aktivierung und Deaktivierung des besagten magnetokalorischen Materials und Zirkulationsmittel, die einen flüssigen Wärmeträger synchron mit den magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen abwechselnd in Richtung der warmen Kammer und der kalten Kammer durch das besagte magnetokalorische Material hindurch treiben. Dieser magnetokalorische Wärmeerzeuger ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine Steuereinheit für die besagten Zirkulationsmittel des flüssigen Wärmeträgers aufweist, die ausgelegt ist, um seine Zirkulations-Richtung während der besagten magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen nach dem Verfahren umzukehren.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen:
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Diese Erfindung und ihre Vorteile erscheinen klarer in der folgenden Beschreibung einer als Beispiel gegebenen, nicht erschöpfenden Ausführungsform, in Bezug auf die beigefügten Abbildungen, in denen:
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1A bis 1D schematisch ein magnetokalorisches Element in seinen verschiedenen Betriebs-Schritten nach dem bekannten Verfahren zur Erzeugung eines Wärmeflusses darstellen,
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2A bis 2E schematisch ein magnetokalorisches Element in seinen verschiedenen Betriebs-Schritten nach dem Verfahren der Erfindung darstellen,
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3A ein Diagramm ist, das die Entwicklung der Temperatur eines Tropfens flüssigen Wärmeträgers darstellt, der in dem magnetokalorischen Element der 1A bis 1D zirkuliert, und
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3B ein dem Diagramm von 3A ähnliches Diagramm ist, das sich auf das in dem magnetokalorischen Element von 2A bis 2E eingesetzten Verfahren der Erfindung bezieht.
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Beschreibung der Erfindung:
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2A bis 2E stellen eine schematische Vorderansicht eines magnetokalorischen Elements 1 dar, das aus einem oder mehreren magnetokalorischen Materialien 2 besteht, zum Beispiel aus übereinandergelegten Platten deren Abstand Zirkulations-Kanäle für den flüssigen Wärmeträger bildet. Ein flüssiger Wärmeträger fließt durch dieses magnetokalorische Element 1 (in Richtung der Pfeile), synchron mit den magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen dieses magnetokalorischen Elements 1. Diese magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen werden durch ein Mittel 7 zur magnetischen Aktivierung und Deaktivierung erzielt, das in dem beigelegten Beispiel in der Forme eines Permanentmagnets dargestellt ist, der sich in Bezug auf das magnetokalorische Element bewegt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Permanentmagneten beschränkt. Jede andere Vorrichtung, die ein Magnetfeld erzeugen kann, kann eingesetzt werden, wie zum Beispiel ein sequentiell gespeister Elektromagnet.
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Um den Wärmeaustausch mit dem flüssiger Wärmeträger zu erleichtern, kann das besagte magnetokalorische Element 1 porös sein, so dass seine Poren durchgehende Durchgänge für die Flüssigkeit bilden. Er kann ebenfalls die Forme eines vollen Blocks annehmen, in dem Mini- oder Mikro-Kanäle ausgeführt werden, oder noch aus übereinander zusammengebauten Platten bestehen, die eventuell Rillen aufweisen können und zwischen denen der flüssige Wärmeträger hindurch fließen kann. Diese Konfiguration entspricht der dargestellten Konfiguration. Jede andere Ausführungsform, die dem flüssigen Wärmeträger erlaubt, durch das besagte magnetokalorische Element 1 zu fließen, kann selbstverständlich geeignet sein.
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Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, flüssigen Wärmeträger abwechselnd in Richtung der kalten Kammer 6 und anschließend in Richtung der warmen Kammer 4 zirkulieren zu lassen. Diese Zirkulation des flüssigen Wärmeträgers ist neuartig in Bezug auf die magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen synchronisiert. In den bekannten Verfahren (siehe 1A–D) wird der flüssige Wärmeträger in Richtung der warmen Kammer 4 in Bewegung gesetzt wenn das magnetokalorische Element 1 magnetisch aktiviert wird (und sich erwärmt ) – siehe 1B und 1C – und in Richtung der kalten Kammer 6 wenn das magnetokalorische Element 1 magnetisch deaktiviert wird (und abkühlt) – siehe 1A und 1D. Das Verfahren nach der Erfindung sieht vor, eine zeitliche oder Phasen-Verschiebung zwischen dem Richtungswechsel des flüssigen Wärmeträgers und dem Zustandwechsel (magnetisch aktiviert oder deaktiviert) des magnetokalorischen Elements 1 einzuführen.
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Vorzugsweise, und wie in 2A bis 2E und 3B dargestellt, bewirkt diese Phasenverschiebung eine Verzögerung des Richtungswechsels des flüssigen Wärmeträgers in Bezug auf den magnetischen Zustandwechsel des magnetokalorischen Elements.
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Diese Verschiebung ist in 2B und 2D näher dargestellt. 2B zeigt die Lage, in der der flüssige Wärmeträger sich immer noch in Richtung der kalten Kammer 6 bewegt, obwohl der Zyklus-Wechsel bereits stattgefunden hat, also während das Material magnetisch aktiviert ist und sich erwärmt. 2D zeigt die umgekehrte Lage, in der der flüssige Wärmeträger sich immer noch in Richtung der warmen Kammer 4 bewegt, obwohl der Zyklus-Wechsel bereits stattgefunden hat, also während das Material magnetisch deaktiviert ist und abkühlt.
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So sind mit der magnetischen Aktivierungs-Phase zwei Zirkulationsrichtungen des flüssigen Wärmeträgers verbunden. In einem ersten Schritt (Ausgangs-Stufe) behält dieser flüssige Wärmeträger seine Zirkulationsrichtung in Richtung der kalten Kammer 6 (2B) bei, obwohl das magnetokalorische Element 1 in der Zwischenzeit magnetisch aktiviert wurde, und zirkuliert anschließend in Richtung der warmen Kammer 4 während das magnetokalorische Element 1 magnetisch aktiviert bleibt (2C). Danach tritt die magnetische Deaktivierungs-Phase des magnetokalorischen Elements 1 ein, in der der flüssige Wärmeträger seine Zirkulationsrichtung am Anfang (Ausgangs-Stufe) in Richtung der warmen Kammer 4 ebenfalls beibehält (2D), bevor er seine Zirkulationsrichtung wechselt, während das magnetokalorische Element 1 magnetisch deaktiviert bleibt (2E) .
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Mit anderen Worten, die magnetische Aktivierungs-Phase weist eine Ausgangs-Stufe auf, während der der flüssige Wärmeträger in die entgegengesetzte Richtung, in Richtung der kalten Kammer 6 zirkuliert, und eine Haupt-Stufe, während der der flüssige Wärmeträger in die richtige Richtung, in Richtung der warmen Kammer 4 zirkuliertet, und die magnetische Deaktivierungs-Phase weist eine Ausgangs-Stufe auf, während der der flüssige Wärmeträger in die entgegengesetzte Richtung, in Richtung der warmen Kammer 4 zirkuliert, und eine Haupt-Stufe, während der der flüssige Wärmeträger in die richtige Richtung, in Richtung der kalten Kammer 6 zirkuliert.
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Wie im Diagramm von 3B ersichtlich, erlaubt dieses neue Verfahren die Fläche, die von der geschlossenen, den Weg eines Tropfens flüssigen Wärmeträger darstellenden Kurve begrenzt ist, wesentlich zu erweitern in Vergleich mit der Fläche von 3A, die den aktiven Wärmefluss und folglich die Wärmeleistung des Generators darstellt. Die Diagramme der 3A und 3B beschreiben die Bewegung eines Tropfens flüssigen Wärmeträger in einem der Durchgänge des magnetokalorischen Elements nach dem bekannten Verfahren von 1A bis 1D bzw. nach dem in 2A bis 2E dargestellten Verfahren nach der Erfindung.
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Die Bewegung eines Tropfens Flüssigkeit, die die Bildung des aktiven Flusses darstellt, ist hiernach in Bezug auf das Verfahren von 1A bis 1D beschrieben. Das Diagramm von 3A zeigt den Mechanismus der Bildung des aktiven Wärmeflusses, der den im Generator zwischen der kalten Kammer FR und der warmen Kammer CH hergestellten Temperaturgradienten anhebt. In dem Diagramm stellt die Abszissenachse den Abstand x in Richtung der Länge L des magnetokalorischen Materials oder Elements MC dar und die Ordinatenachse stellt die Temperatur dar. Die kalte Quelle oder Kammer FR befindet sich links der Abszisse 0 und die warme Quelle CH befindet sich rechts der Abszisse L. Der flüssige Wärmeträger unterliegt einer linearen Schwingungsbewegung mit einer Periode τ und wechselt folglich seine Richtung bei jeder Halb-Periode. Die Amplitude der Schwingung ist gleich der in jeder Richtung zurückgelegten Strecke und ist kleiner als die Länge L des magnetokalorischen Materials MC, sodass die in diesem Diagramm dargestellte Abszissenachse nicht die vollständige Länge L des magnetokalorischen Materials MC deckt.
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Man stellt fest, dass:
- – Zum Zeitpunkt t = 0 das magnetokalorische Material MC aktiviert ist. Die Position des Tropfens flüssiger Wärmeträger in dem besagten Material MC ist durch einen ersten Punkt dargestellt, links auf dem Diagramm. Er befindet sich dann bei seiner Minimal-Abszisse. Die orientierte Kurve, die von dem Punkt ausgeht, stellt die Entwicklung der Temperatur des Tropfens Flüssigkeit während seiner Bewegung im besagten Material MC dar, bis zu seiner Rückkehr zum Ausgangspunkt bei Zeit t = τ.
- – Zwischen t = 0 und t = τ/2, bleibt das magnetokalorische Material aktiviert und gibt Wärme an den Tropfen flüssiger Wärmeträger ab. Die Temperatur des magnetokalorischen Materials (T MMC) entlang des Wegs des Tropfens Flüssigkeit folgt dem zwischen den warmen und der kalten Quelle hergestellten Temperaturgradient. Sie wird von der Geraden „Gradient T MMC Aktiviert Ausgang” veranschaulicht.
- – Bei t = τ/2 nimmt die Temperatur des magnetokalorischen Materials entlang der Strecke des Tropfens Flüssigkeit wegen der Wärme, die es diesem abgegeben hat, ab. Sie wird von der Geraden „Gradient T MMC Aktiviert Ende” veranschaulicht.
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Die Kurve „T MMC in Bezug auf den Wassertropfen” stellt die Temperatur des magnetokalorischen Materials in Bezug auf den Tropfen Flüssigkeit dar. Von t = 0 bis t = τ/2 verbindet sie natürlich die beiden vorhergehenden Geraden, die erste links auf dem Diagramm bei t = 0, senkrecht bei dem Minimum der Strecke des Tropfens, und die zweite rechts auf dem Diagramm bei t = τ/2, senkrecht bei dem Maximum der besagten Strecke, dargestellt durch den zweiten Punkt.
- – Bei t = τ/2 wird das magnetokalorische Material magnetisch deaktiviert. Seine Temperatur nimmt sofort um ΔTMC ab, gemäß dem zwischen der kalten Kammer und der warmen Kammer hergestellten Gradient. Sie wird von der Geraden „Gradient T MMC Nicht Aktiviert Ausgang” veranschaulicht, die parallel zu den vorhergehenden Geraden ist. Sie ist nun niedriger als die des flüssigen Wärmeträgers, so dass das magnetokalorische Material bis τ Wärme von der Flüssigkeit erhält. Der Tropfen Flüssigkeit zirkuliert nun in der entgegengesetzten Richtung.
- – Bei τ steigt die Temperatur des magnetokalorischen Materials wieder an, wegen der Wärme, die es der Flüssigkeit entnommen hat. Sie wird von der Geraden „Gradient T MMC Nicht Aktiviert Ende” veranschaulicht, die ebenfalls parallel zu den vorhergehenden Geraden ist. Wie vorhin verbindet die Kurve „T MMC in Bezug auf den Wassertropfen” die beiden Geraden, die erste rechts auf dem Diagramm bei t = τ/2, senkrecht bei dem Maximum der Strecke des Tropfens, und die zweite links auf dem Diagramm bei t = τ, senkrecht bei dem Minimum der besagten Strecke.
- – Das magnetokalorische Material wird dann wieder aktiviert und erwärmt sich um ΔTMC, wodurch die Ausgangs-Konfiguration des Zyklus bei t = 0 wieder hergestellt wird.
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Bilanz der ersten Halb-Periode: Das magnetokalorische Material hat sich um ΔTMMC abgekühlt, dargestellt durch den Abstand zwischen den beide Kurven „Gradient T MMC Aktiviert Ausgang” und „Gradient T MMC Aktiviert Ende”, während der in dem gegenüberliegenden Durchgang zirkulierende Tropfen flüssiger Wärmeträger sich erneuert hat und eine höhere Temperatur aufweist als die des Ausgangs-Tropfens, immer gemäß dem Gradient des Generators.
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Um das Diagramm zu erleichtern, wurde das Temperaturprofil des flüssigen Wärmeträgers entlang des Durchgangs nicht dargestellt. Bei t = 0 wäre er durch eine Gerade dargestellt, die parallel zum Gradient und über den ersten Punkt verläuft, und bei = τ/2 durch eine parallele Gerade durch den zweiten Punkt, aber auch durch den kleinen Kreis, der links auf dem Diagramm einen von links kommenden anderen Tropfen Flüssigkeit darstellt, der bei τ/2 die Ausgangs-Abszisse des ersten Tropfens erreicht. Der Abstand zwischen dem ersten Punkt und dem kleinen Kreis misst so die Temperaturänderung der Flüssigkeit in Bezug auf das Material während der ersten Halb-Periode.
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Die zweite Halb-Periode weist natürlich die umgekehrten Änderungen auf.
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Der aktive Wärmefluss, der den Gradient „anhebt” (oder die Wärmeleistung, die von links nach rechts durch den durch einen Durchgang und die halbe Wand, die ihn umgibt, festgelegten Abschnitt des Materials MC fließt, geteilt durch die Fläche des besagten Querschnitts) kann abgeschätzt werden durch Vergleichen der links und rechts des Symmetrie-Zentrums der besagten geschlossenen Kurve ausgetauschten Energien. Während der ersten Halb-Periode sind die Temperaturunterschiede zwischen dem Tropfen Flüssigkeit und dem magnetokalorischen Material MC links größer als rechts. Folglich erhält der Tropfen Flüssigkeit mehr Energie vom Material MC links als rechts. Während der zweiten Halb-Periode sind die (symmetrischen) Temperaturunterschiede rechts größer als links. Bei seiner Rückkehr gibt der Tropfen Flüssigkeit dem Material MC mehr Energie rechts ab als links. Der Unterschied zwischen der in dem linken Abschnitt und der in dem rechten Abschnitt des Wegs ausgetauschten Energie ist während den beiden Halb-Perioden in Absolutwerten identisch. Im Fazit kommt alles darauf zurück, dass der Tropfen Flüssigkeit dem Material MC diesen Energie-Unterschied im linken Abschnitt seines Wegs entnimmt und ihm diesen im rechten Abschnitt wieder zurückgibt. Selbstverständlich wird im folgenden Zyklus ein anderer Tropfen Flüssigkeit, der sich weiter rechts befindet, die vom ersten Tropfen abgegebene Energie aufnehmen und diese etwas weiter befördern. Auf diese Weise schreitet die Wärmeenergie entlang des magnetokalorischen Materials MC voran und „hebt” dabei den Temperaturgradienten an.
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Die Anmelder haben auf eine neue Weise festgestellt, dass die Wärmeenergie des Tropfens Flüssigkeit proportional zu seiner Temperatur ist, im Verhältnis zu seiner Wärmekapazität. So ist die durchschnittliche Energie, die ein Tropfen Flüssigkeit auf seinem Weg von der Minimum-Abszisse zu der Maximum-Abszisse seiner Schwingung transportiert – positiv gezählt – proportional zu der durch die Kurve begrenzte Fläche, die die Temperatur des Tropfens auf diesem Weg bis zur horizontalen Abszissen-Achse darstellt, im Verhältnis zum Abstand „a”. Gleicherweise ist die durchschnittliche Energie, die er auf seinem Rückweg von der Maximum-Abszisse zur Minimum-Abszisse seiner Schwingung transportiert – negativ gezählt – proportional zu der durch die Kurve begrenzte Fläche, die die Temperatur des Tropfens auf diesem Weg bis zur horizontalen Abszissen-Achse darstellt, immer im Verhältnis zum Abstand „a”. So ist die während des vollständigen Zyklus um „a” in Richtung der warmen Quelle geförderte Energie proportional zum Unterschied der beiden Flächen, immer im Verhältnis zum Abstand „a”. Geteilt durch die Periode τ und multipliziert durch die Wärmekapazität der im Regenerator enthaltenen Flüssigkeit, ergibt sich der Leistungsfluss, der von der kalten Quelle zur warmen Quelle fließt. Schließlich ist der Leistungsfluss durch den Regenerator oder durch das magnetokalorische Material proportional zur Fläche des geschlossenen Wegs des Tropfens in der Ebene der Grafik im Verhältnis zum Abstand „a”. Er ist positiv – in Richtung der warmen Quelle – wenn der Tropfen die Strecke im Uhrzeigersinn zurücklegt und negativ andernfalls.
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Dank der Erfindung wird durch die Phasenverschiebung zwischen dem Wechsel der magnetischen Aktivierungsphase und dem Richtungswechsel des flüssigen Wärmeträgers die Fläche der geschlossenen Strecke des Tropfens für die gleiche Menge magnetokalorischem Materials erweitert, wodurch die Wärmeleistung eines das Verfahren nach der Erfindung einsetzenden Generators gesteigert wird.
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Die Dauer der Phasenverschiebung, die der Dauer der oben beschriebenen Ausgangs-Stufen entspricht, wird je nach dem Wärmeaustauschkoeffizient zwischen dem magnetokalorischen Element 1 und dem flüssigen Wärmeträger gewählt. Je größer dieser Koeffizient, desto schneller erreicht die Temperatur der Flüssigkeit die Temperatur des magnetokalorischen Materials nach der magnetischen Umschaltung, und desto kürzer kann diese Phasenverschiebung sein und umgekehrt.
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Im Fall eines Verfahrens, das eine Erneuerungs-Rate kleiner als eins verwendet, kann die Dauer des Ausgangs-Schritts der magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen kürzer sein, als die Hälfte der Dauer jeder der magnetischen Aktivierungs- und Deaktivierungs-Phasen.
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Es ist zu bemerken, dass die empfohlene Verzögerung des flüssigen Wärmeträgers keine Beziehung mit einer eventuellen Aktivierungs-Verzögerung des magnetokalorischen Materials nach dem magnetischen Wechsel hat. Wir gehen hier davon aus, dass die Temperaturerhöhung des magnetokalorischen Materials augenblicklich ist. Sollte eine solche Aktivierungs-Verzögerung zu berücksichtigen sein, zum Beispiel für gewisse Material-Typen oder für hohe Zyklus-Frequenzen, so würde sie sich zu der vorherigen Phasenverschiebung addieren.
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2A bis 2E zeigen den Wärmeerzeuger nach der Erfindung. Er ist selbstverständlich dazu bestimmt, Warmeenergie mit einem oder mehreren externen Benutzer-Kreisläufen (Heizung, Klimatisierung, Temperierung, usw.) auszutauschen, der bzw. die mit mindestens einer warmen 4 oder kalten 5 Kammer verbunden ist bzw. sind, gegebenenfalls über einen Wärmetauscher 4', 6', der in jeder warmen 4 oder kalten 6 Kammer integriert werden kann.
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Industrielle Anwendungsmöglichkeiten:
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Diese Beschreibung zeigt deutlich, dass die Erfindung erlaubt, die gesetzten Ziele zu erreichen, d. h. ein Verfahren anzubieten, das erlaubt, die Wärmeleistung eines magnetokalorischen Elements und die Effizienz eines diesen magnetokalorischen Wärmeerzeugers einsetzenden Verfahrens zu steigern.
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Das Verfahren und der Generator nach der Erfindung können sowohl in der Industrie als auch im Haushalt eine Anwendung finden, im Bereich der Heizung, der Klimatisierung, des Temperierens, der Kühlung, sowie in weiteren Bereichen, und dies zu wettbewerbsfähigen Preisen und mit geringen Platzanforderungen.
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Diese Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt sondern sie erstreckt sich auf jede für einen Fachmann offensichtliche Änderung und Variante und bleibt dabei in dem in den beigefügten Ansprüchen definierten Schutzbereich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4507928 [0008]
- EP 1156287 [0008]
- US 4332135 [0008]
- WO 2008/132342 [0008]
