DE112018000412T5

DE112018000412T5 - Magnetische Wärmepumpenvorrichtung

Info

Publication number: DE112018000412T5
Application number: DE112018000412.0T
Authority: DE
Inventors: Sangchul Bae
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2019-10-02
Also published as: US20200003461A1; JP2018115792A; CN110177982A; WO2018135386A1

Abstract

Bereitgestellt wird eine magnetische Wärmepumpenvorrichtung, die ein durch die Nutzung eines Drehventils verursachtes Problem löst und die eine verbesserte Effizienz aufweist. Die magnetische Wärmepumpenvorrichtung umfasst magnetisch arbeitende Körper 11A und 11B, die mit magnetisch arbeitenden Substanzen 13 versehen sind, die einen magnetokalorischen Effekt aufweisen, und in denen ein Wärmetransfermedium zirkuliert, Permanentmagneten 6, die die Größe des auf die magnetisch arbeitende Substanzen anzuwendenden Magnetfelds ändern, Verdränger 8, die das Wärmetransfermedium dazu veranlassen, sich zwischen einem Hochtemperatur-Ende 14 und einem Niedertemperatur-Ende 16 der magnetisch arbeitenden Körper hin- und herzubewegen, und externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreisläufe 27 und 28, die externe Wärmetauscher 19 und 22 aufweisen, und die ein zweites Wärmetransfermedium zirkulieren. Der externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf veranlasst einen zwischen dem zweiten Wärmetransfermedium und dem Wärmetransfermedium der jeweiligen magnetisch arbeitenden Körper auszuführenden Wärmetausch und zirkuliert dann das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, zu den externen Wärmetauschern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Wärmepumpenvorrichtung, die den magnetokalorischen Effekt magnetisch arbeitender Substanzen nutzt.
Stand der Technik
In letzter Zeit wurde anstelle einer herkömmlichen Dampfkompression-Kältevorrichtung, die ein Gaskältemittel, wie beispielsweise Fluorchlorkohlenwasserstoff, verwendet, einer magnetischen Wärmepumpenvorrichtung, die die Eigenschaft magnetisch arbeitender Substanzen nutzt, dass eine große Temperaturänderung bei der Magnetisierung und Entmagnetisierung (magnetokalorischer Effekt) bewirkt wird, Aufmerksamkeit geschenkt.
Bisher ändert eine magnetische Wärmepumpenvorrichtung dieses Typs, die in die Kanäle magnetisch arbeitender Körper gefüllte magnetisch arbeitende Substanzen aufweist, ein auf die magnetisch arbeitenden Substanzen anzuwendendes Magnetfeld durch Veranlassung der Permanentmagneten mit den magnetisch arbeitenden Körpern in Kontakt zu kommen oder sich von diesen zu separieren. Zu dieser Zeit, wenn das anzuwendende magnetische Feld erhöht wird (magnetisiert), steigt die Temperatur der magnetisch arbeitenden Substanzen, und wenn das magnetische Feld verringert wird (entmagnetisiert), sinkt die Temperatur.
Währenddessen wird ein Wärmetransfermedium (Wasser oder dergleichen) zwischen einem Hochtemperatur-Ende und einem Niedertemperatur-Ende der magnetisch arbeitenden Körper durch Nutzung einer Pumpe und eines Drehventils hin- und herbewegt. In diesem Fall werden die magnetisch arbeitenden Substanzen magnetisiert, um ihre Temperatur zu erhöhen, und anschließend wird das Wärmetransfermedium zur Seite des Hochtemperatur-Endes von der Seite des Niedertemperatur-Endes bewegt, wodurch Wärme zwischen den magnetisch arbeitenden Substanzen, in denen die Temperatur durch die Magnetisierung erhöht wurde, und dem Niedertemperatur-Wärmetransfermedium ausgetauscht wird. Somit tritt ein Temperaturgradient, bei dem die Temperatur auf der Seite des Hochtemperatur-Endes hoch ist und die Temperatur auf der Seite des Niedertemperatur-Endes gering ist, in den magnetisch arbeitenden Körpern auf.
Danach sinkt die Temperatur wenn die magnetisch arbeitenden Substanzen entmagnetisiert werden. Das Wärmetransfermedium wird zur Seite des Niedertemperatur-Endes von der Seite des Hochtemperatur-Endes bewegt, wodurch Wärme zwischen den magnetisch arbeitenden Substanzen, in denen die Temperatur durch die Entmagnetisierung verringert wurde, und dem Hochtemperatur-Wärmetransfermedium ausgetauscht wird. Dies erhöht den Temperaturgradient der magnetisch arbeitenden Körper weiter.
Somit wird die durch den magnetokalorischen Effekt verursachte Temperaturänderung in den magnetisch arbeitenden Körpern selbst gespeichert, und das Wärmetransfermedium auf der Seite des Niedertemperatur-Endes und das Wärmetransfermedium auf der Seite des Hochtemperatur-Endes werden zu einem externen Wärmetauscher abgeführt, wodurch eine Wärmeaufnahme (kühlend) oder eine Wärmeableitung (heizend) ausgeführt wird (siehe beispielsweisePatentdokument 1).
Zitierungsliste
Patentdokumente
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2008-51409
Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Die Nutzung eines Drehventils führt jedoch aus strukturellen Gründen zu einem Mischungsverlust oder Reibungswärme der unterschiedliche Temperaturen aufweisenden Wärmetransfermedien. Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Durchfluss eines Wärmetransfermediums zwischen einem externen Wärmetauscher und einem magnetisch arbeitenden Körper differiert.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf eine Lösung der mit dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik verbundenen technischen Probleme gemacht, und eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine magnetische Wärmepumpenvorrichtung bereitzustellen, die das durch die Nutzung eines Drehventils verursachte Problem löst, wodurch die Effizienz verbessert wird.
Mittel zur Lösung der Probleme
Eine magnetische Wärmepumpenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: einen magnetisch arbeitenden Körper, der eine magnetisch arbeitende Substanz, die einen magnetokalorischen Effekt aufweist, umfasst und in dem ein Wärmetransfermedium zirkuliert wird; eine Magnetfeldänderungsvorrichtung, die die Größe des auf die magnetisch arbeitende Substanz anzuwendenden Magnetfelds ändert; einen Verdränger, der das Wärmetransfermedium zwischen einem Hochtemperatur-Ende und einem Niedertemperatur-Ende des magnetisch arbeitenden Körpers hin-und herbewegt; und einen externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf, der einen externen Wärmetauscher aufweist und der ein zweites Wärmetransfermedium zirkuliert, wobei der externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf das zweite Wärmetransfermedium und das Wärmetransfermedium des magnetisch arbeitenden Körpers dazu veranlasst, einen Wärmetausch auszuführen, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, zum externen Wärmetauscher zirkuliert.
Die magnetische Wärmepumpenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung des Anspruchs 2 umfasst: einen ersten externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf, der einen externen Wärmetauscher auf einer Wärmeableitungsseite aufweist; und einen zweiten Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf, der einen externen Wärmetauscher auf einer Wärmeaufnahmeseite aufweist, wobei der erste externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf das zweite Wärmetransfermedium und das Wärmetransfermedium auf einer Seite des Hochtemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers dazu veranlasst, einen Wärmetausch auszuführen, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, zum externen Wärmetauscher auf der Wärmeableitungsseite zu zirkulieren, und der zweite Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf das zweite Wärmetransfermedium und das Wärmetransfermedium auf einer Seite des Niedertemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers dazu veranlasst, einen Wärmetausch auszuführen, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, zum externen Wärmetauscher auf der Wärmeaufnahmeseite in der vorangegangenen Erfindung zu zirkulieren.
Die magnetische Wärmepumpenvorrichtung gemäß der Erfindung des Anspruchs 3 umfasst: einen Hochtemperatur-Endseiten-Verdränger, der auf der Seite des Hochtemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers vorgesehen ist; und einen Niedertemperatur-Endseiten-Verdränger, der auf der Seite des Niedertemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers vorgesehen ist, wobei der Hochtemperatur-Endseiten-Verdränger und der Niedertemperatur-Zeiten-Verdränger in den vorangegangenen Erfindungen Rücken an Rücken vorgesehen sind.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die magnetische Wärmepumpenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen magnetisch arbeitenden Körper, der eine magnetisch arbeitende Substanz, die einen magnetokalorischen Effekt aufweist, umfasst und in dem ein Wärmetransfermedium zirkuliert wird, eine Magnetfeldänderungsvorrichtung, die die Größe eines auf die magnetisch arbeitende Substanz anzuwendenden Magnetfelds ändert; einen Verdränger, der das Wärmetransfermedium zwischen einem Hochtemperatur-Ende und einem Niedertemperatur-Ende des magnetisch arbeitenden Körpers hin-und herbewegt; und einen externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf, der einen externen Wärmetauscher aufweist und der ein zweites Wärmetransfermedium zirkuliert, wobei der externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf einen Wärmetausch zwischen dem zweite Wärmetransfermedium und dem Wärmetransfermedium des magnetisch arbeitenden Körpers veranlasst und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, zum externen Wärmetauscher zirkuliert. Somit kann der Wärmetausch dadurch zwischen dem Wärmetransfermedium auf der Seite des Hochtemperatur-Endes und der Seite des Niedertemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers und dem zweite Wärmetransfermedium ausgeführt werden, um das erhaltene Wärmetransfermedium indirekt in einen externen Wärmetauscher abzuleiten.
Zudem wird das Wärmetransfermedium des magnetisch arbeitenden Körpers durch den Verdränger hin-und herbewegt, sodass das Problem des Mischungsverlusts oder der Reibungswärme, die durch die Nutzung eines Drehventils verursacht würden, gelöst werden kann, und die durch den magnetokalorischen Effekt der magnetisch arbeitenden Substanzen verursachte Temperaturänderung kann effektiv und effizient genutzt werden.
In diesem Fall, wie mit der Erfindung des Anspruchs 2, wenn ein erster externer Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf, der einen externen Wärmetauscher auf einer Wärmeableitungsseite aufweist, und ein zweiter externer Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf, der einen externen Wärmetauscher auf einer wärmer Aufnahmeseite aufweist, vorgesehen sind, und wenn der erste externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf das zweite Wärmetransfermedium und das Wärmetransfermedium auf einer Seite des Hochtemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers dazu veranlasst, einen Wärmeaustausch auszuführen, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmeaustausch unterzogen wurde, zum externen Wärmetauscher auf der Wärmeableitungsseite zirkuliert, und der zweite externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf das zweite Wärmetransfermedium und das Wärmetransfermedium auf einer Seite des Niedertemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers dazu veranlasst, einen Wärmetauscher auszuführen, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetauscher unterzogen wurde, zum externen Wärmetauscher auf der Wärmeaufnahmeseite zirkuliert, kann dann die Temperatur des Wärmetransfermedium auf der Seite des Hochtemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers effizient zum zweiten Wärmetransfermedium bewegt werden, und die Wärme des zweiten Wärmetransfermedium kann effizient zum Wärmetransfermedium auf der Seite des Niedertemperatur-Endes bewegt werden.
Zudem kann die Antriebsleistung der Verdränger durch Anordnung des Hochtemperatur-Endseiten-Verdrängers, der auf der Seite des Hochtemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers vorgesehen ist, und des Niedertemperatur-Endseiten-Verdrängers, der auf der Seite des Niedertemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers vorgesehen ist, Rücken an Rücken, auf ein Minimum gesteuert werden, wie mit der Erfindung des Anspruchs 3.
Figurenliste

1 ist ein Gesamtkonfigurationsschaubild einer magnetischen Wärmepumpenvorrichtung eines Beispiels, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wurde;
2 ist eine Schnittansicht eines AMR (aktiver magnetischer Regenerator) für die magnetische Wärmepumpe der 1; und
3 ist ein Gesamtkonfigurationsschaubild zur Erläuterung einer magnetischen Wärmepumpenvorrichtung eines anderen Beispiels, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wurde.

Formen zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird ein Beispiel der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Gesamtkonfigurationsschaubild einer magnetischen Wärmepumpenvorrichtung 1 des Beispiels, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wurde, und 2 ist eine Schnittansicht eines Wärmepumpen-AMR 2 der magnetischen Wärmepumpenvorrichtung 1.
Konfiguration der Wärmepumpenvorrichtung 1
Zunächst wird der magnetische Wärmepumpen-AMR 2 der 2 beschrieben. Der magnetische Wärmepumpen-AMR 2 der magnetischen Wärmepumpenvorrichtung 1 ist mit einem hohlen zylindrischen Gehäuse 3, dessen beide Enden in axialer Richtung geschlossen sind und dessen Innenraum in einem vakuumdichten Zustand ist, und einem Drehkörper 7, der sich in der axialen Mitte des Gehäuses 3 befindet und in dem ein Paar (zwei Teile) Permanentmagnete 6 (Magnetfelderzeugungselemente) radial an achsensymmetrischen peripheren Flächen angebracht sind, versehen. Beide Enden eines Schafts des Drehkörpers 7 sind drehbar und schwenkbar durch das Gehäuse 3 gelagert, und der Drehkörper 7 ist über einen Verzögerer, der nicht gezeigt ist, mit einer Rotationswelle 10 eines Motors M (1,1 Servomotor) gekoppelt, und die Drehung wird durch den Motor M gesteuert. Der Drehkörper 7, die Permanentmagnete 6, der Motor M und dergleichen bilden eine Magnetfeldänderungsvorrichtung, die die Größe eines auf die später beschriebenen magnetisch arbeitenden Substanzen 13 anzuwendendes Magnetfeld ändert. Darüber hinaus sind auch Nocken 9 (1), die Verzögerer (Kolben) 8 antreiben, was später beschrieben wird, an die Rotationswelle 10 des Motors M gekoppelt.
Währenddessen sind vier magnetisch arbeitende Körper 11A, 11A, 11B und 11B, die die doppelte Anzahl der Permanentmagnete 6 sind, in gleichen Abständen in Umfangsrichtung nahe der äußeren Umfangsfläche der Permanentmagneten 6 am inneren Umfang des Gehäuses 3 befestigt. Im Fall des Beispiels sind die magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11A an achsensymmetrischen Position mit dem dazwischen angeordneten Drehkörper 7 angeordnet, und die magnetisch arbeitenden Körper 11B und 11B sind an achsensymmetrischen Position mit dem dazwischen angeordneten Drehkörper 7 angeordnet (2). Die magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11B sind solche, in die magnetisch arbeitende Substanzen 13, die einen magnetokalorischen Effekt aufweisen, einzeln in einen hohlen Kanal 12, der einen kreisbogenförmigen Querschnitt entlang des inneren Umfangs des Gehäuses 3 hat, gefüllt werden, so dass ein Wärmetransfermedium (hier Wasser: ein erstes Wärmetransfermedium) zirkulieren kann (1).
Obwohl die magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11B an und für sich je 2 an achsensymmetrischen Positionen, wie in 2 gezeigt, angeordnet sind, veranschaulicht 1 stellvertretend einen magnetisch arbeitenden Körper 11A und einen magnetisch arbeitenden Körper 11B. In dem Beispiel besteht der Kanal 12 aus einem Harzmaterial mit einer hohen Wärmeisolationseigenschaft. Somit wird der Wärmeverlust in die Atmosphäre (außen) von den magnetisch arbeitenden Substanzen 13, in denen die Temperatur aufgrund der Änderung (Magnetisierung und Entmagnetisierung) des Magnetfelds, wie später beschrieben, reduziert. In dem Beispiel wird ein Mn-basiertes Material oder ein La-basiertes Material als magnetisch arbeitende Substanzen 13 verwendet.
Zudem hat in dem Gesamtkonfigurationsschaubild der magnetischen Wärmepumpenvorrichtung 1 der 1, in der der Wärmepumpen-AMR 2 installiert ist, jeder magnetisch arbeitende Körper 11A und 11B ein Hochtemperatur-Ende 14 an einem Ende (das rechte Ende in 1) und hat ein Niedertemperatur-Ende 16 an dem anderen Ende (das linke Ende in 1). Darüber hinaus ist eine Hochtemperaturleitung 17 an dem Hochtemperatur-Ende 14 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B angebracht (1 veranschaulicht stellvertretend einen magnetisch arbeitenden Körper 11A und einen magnetisch arbeitenden Körper 11B) und wird aus dem Gehäuse 3 der 2 herausgeführt. Des Weiteren ist eine Niedertemperaturleitung 18 an dem Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B angebracht (1 veranschaulicht stellvertretend einen magnetisch arbeitenden Körper 11A und einen magnetisch arbeitenden Körper 11B) und wird aus dem Gehäuse 3 der 2 herausgeführt.
Hochtemperatur-Endseiten-Wärmetauscher 24 und 24, die im Hochtemperatur-Ende 14 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B angeordnet sind, und ein externer Wärmetauscher 19 auf der Wärmeableitungsseite, der außerhalb des magnetischen Wärmepumpen-AMR 2 angeordnet ist, sind mit der Hochtemperaturleitung 17 verbunden. Zudem ist eine Zirkulationspumpe 21 in der Hochtemperaturleitung 17 vorgesehen. Ein zweites Wärmetransfermedium (dieses ist auch Wasser) wird in der Hochtemperaturleitung 17 verschlossen. Das zweite Wärmetransfermedium wird durch die Zirkulationspumpe 21 durch den Wärmetauscher 24, der im Hochtemperatur-Ende 14 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11a, 11a, vorgesehen ist, den externen Wärmetauscher 19 und den Wärmetauscher 24, der im Hochtemperatur-Ende 14 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11B und 11B vorgesehen ist, in dieser Reihenfolge zirkuliert. Das zweite Wärmetransfermedium wird einem Wärmetausch mit dem Wärmetransfermedium auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 (das erste Wärmetransfermedium) jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B in den Wärmetauschern 24 und 24 unterzogen. Die Hochtemperaturleitung 17, die Wärmetauscher 24 und 24, der externe Wärmetauscher 19 und die Zirkulationspumpe 21 bilden einen ersten externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf 27 aus.
Niedertemperatur-Endseiten-Wärmetauscher 26 und 16, die im Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B angeordnet sind, und ein wärmeaufnahmeseitiger externer Wärmetauscher 22, der außerhalb des magnetischen Wärmepumpen-AMR 2 angeordnet ist, sind mit der Niedertemperaturleitung 18 verbunden. Darüber hinaus ist eine Zirkulationspumpe 23 in der Niedertemperaturleitung 18 vorgesehen. Das zweite Wärmetransfermedium wird durch die Zirkulationspumpe 23 durch den Wärmetauscher 26, der im Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A und 11A vorgesehen ist, den externen Wärmetauscher 22 und den Wärmetauscher 26, der im Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11B und 11B vorgesehen ist, in dieser Reihenfolge zirkuliert. Das zweite Wärmetransfermedium wird einem Wärmetausch mit dem Wärmetransfermedium auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 (das erste Wärmetransfermedium) jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B in den Wärmetauschern 26 und 26 unterzogen. Die Niedertemperaturleitung 18, die Wärmetauscher 26 und 26, der externe Wärmetauscher 22 und die Zirkulationspumpe 23 bilden einen zweiten externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf 28 aus.
Die Verdränger (Kolben) 8 sind einzeln am Hochtemperatur-Ende 14 und Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B angeordnet und werden durch Nocken 9, die durch die Rotationswelle 10 des Motors M gedreht werden, angetrieben, um das Wärmetransfermedium (Wasser: das erste Wärmetransfermedium) zu veranlassen, sich zwischen dem Hochtemperatur-Ende 14 und dem Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B hin- und herzubewegen.
Insbesondere, wenn sich der Verdränger 8 auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A und 11A zurückzieht und der Verdränger 8 auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 dieser vordringt, wie in 1 veranschaulicht, wird das Wärmetransfermedium zur Seite des Hochtemperatur-Endes 14 von der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 des magnetisch arbeitenden Körpers 11A bewegt. Auf der anderen Seite zieht sich der Verdränger 8 auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11B und 11B zurück und der Verdränger auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 dieser dringt vor, wie in 1 veranschaulicht, so dass das Wärmetransfermedium zur Seite des Niedertemperatur-Endes 16 von der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 des magnetisch arbeitenden Körpers 11B bewegt wird. Die Verdränger 8 und die Nocken 9 und ferner der Motor M, die Rotationswelle 10 und dergleichen bilden eine Wärmetransfermedium-Bewegungsvorrichtung, die das Wärmetransfermedium dazu veranlasst, sich zwischen dem Hochtemperatur-Ende 14 und dem Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B hin-und herzubewegen.
Betrieb der magnetischen Wärmepumpenvorrichtung
Der Betrieb der magnetischen Wärmepumpenvorrichtung 1 der oben beschriebenen Konfiguration wird beschrieben. Wenn sich der Drehkörper 7 an der Position von 0° befindet (in 2 veranschaulichte Position), befinden sich die Permanentmagnete 6 und 6 zunächst an den Positionen von 0° und 180°. Daher nimmt die Größe der auf die magnetisch arbeitenden Substanzen 13 der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11A an den Positionen von 0° und 180° anzuwendenden Magnetfelder zu und die Temperatur steigt durch Magnetisierung an. Andererseits verringert sich die Größe der auf die magnetischen Substanzen 13 der an den Positionen von 90° und 270°, deren Phasen davon um 90° abweichen, befindlichen magnetisch arbeitenden Körper 11B und 11B anzuwendenden Magnetfelder, und die Temperatur sinkt durch Entmagnetisierung.
Wenn sich der Drehkörper 7 an der Position von 0° (2) durch die Rotation des Motors M befindet, werden die Nocken 9 und 9 durch die Rotationswelle 10 des Motors M angetrieben, um die Verdränger 8 auf den Seiten der Hochtemperatur-Enden 14 der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11A zurück zu ziehen und die Verdränger 8 auf den Seiten der Hochtemperatur-Enden 16 davon vorzudrängen, wie in 1 veranschaulicht. Somit wird das Wärmetransfermedium zur Seite des Hochtemperatur-Endes 14 von der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 des magnetisch arbeitenden Körpers 11 A bewegt.
Somit wird dadurch Wärme zwischen den magnetisch arbeitenden Substanzen 13 der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11A, bei denen die Temperatur durch Magnetisierung durch die Permanentmagneten 6 und 6 gestiegen ist, und dem Niedertemperatur-Wärmetransfermedium ausgetauscht, um einen Temperaturgradienten zu erzeugen, bei dem die Temperatur in jedem der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11A auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 hoch ist und die Temperatur auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 gering ist.
Wenn sich der Drehkörper 7 an der Position von 0° (2) durch die Rotation des Motors M befindet, werden die Nocken 9 und 9 durch die Rotation Welle 10 des Motors M angetrieben, um die Verdränger 8 auf den Seiten der Hochtemperatur-enden 14 der magnetisch arbeitenden Körper 11B und 11B vorzudrängen und die Verdränger 8 auf den Seiten der Niedertemperatur-Enden 16 davon zurückzuziehen, wie in 1 veranschaulicht. Somit wird das Wärmetransfermedium zur Seite des Niedertemperatur-Endes 16 von der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 des magnetisch arbeitenden Körpers 11B bewegt. Folglich wird Wärme zwischen den magnetisch arbeitenden Substanzen 13 der magnetisch arbeitenden Körper 11B und 11B, bei denen die Temperatur durch Entmagnetisierung abgenommen hat, und dem Hochtemperatur-Wärmetransfermedium ausgetauscht, um den Temperaturgradienten der magnetisch arbeitenden Körper 11B und 11B weiter zu erhöhen.
Wenn der Drehkörper 7 um 90° durch den Motor M gedreht wird, werden als nächstes die Permanentmagnete 6 und 6 zu den Positionen von 90° und 270° gebracht. Daher nimmt die Größe des auf die magnetisch arbeitenden Substanzen 13 der an den Positionen von 90° und 270° befindlichen magnetisch arbeitenden Körper 11B und 11B anzuwendenden Magnetfelds zu und die Temperatur steigt durch Magnetisierung. Auf der anderen Seite nimmt die Größe der auf die magnetisch arbeitenden Substanzen 13 der an den Positionen von 0° und 180°, deren Phasen davon um 90° abweichen, befindlichen magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11A anzuwendenden Magnetfelder ab und die Temperatur sinkt durch Entmagnetisierung.
Wenn sich der Drehkörper 7 an der Position von 90° durch die Rotation des Motors M befindet, werden die Nocken 9 und 9 durch die Rotationswelle 10. Motors M angetrieben, um die Verdränger auf den Seiten der Hochtemperatur-Enden 14 der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11A vorzudrängen und die Verdränger auf den Seiten der Niedertemperatur-Enden 16 davon zurückzuziehen. Somit wird das Wärmetransfermedium zur Seite des Niedertemperatur-Endes 16 von der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 des magnetisch arbeitenden Körpers 11 A bewegt. Folglich wird Wärme zwischen den magnetisch arbeitenden Substanzen 13 der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11A, bei denen die Temperatur durch Entmagnetisierung abgenommen hat, und dem Hochtemperatur-Wärmetransfermedium ausgetauscht, um die Temperaturgradienten der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11A weiter zu erhöhen.
Wenn der Drehkörper 7 zur Position von 90° durch Rotation des Motors M gebracht wird, werden die Nocken 9 und 9 durch die Rotationswelle10 des Motors M angetrieben, um die Verdränger 8 auf den Seiten der Niedertemperatur-Enden 16 der magnetisch arbeitenden Körper 11B und 11B vorzudrängen und die Verdränger 8 auf den Seiten der Hochtemperatur-Enden 14 davon zurückzuziehen. Somit wird das Wärmetransfermedium zur Seite des Hochtemperatur-Endes 14 von der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 des magnetisch arbeitenden Körpers 11B bewegt.
Folglich wird Wärme zwischen den magnetisch arbeitenden Substanzen 13 der magnetisch arbeitenden Körper 11B und 11B, in denen die Temperatur durch Magnetisierung durch die permanent Magnete 6 und 6 angestiegen ist, und dem Niedertemperatur-Wärmetransfermedium ausgetauscht, um die Temperaturgradienten der magnetisch arbeitenden Körper 11B und 11B weiter zu erhöhen.
Somit tauscht das Wärmetransfermedium auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B, bei dem die Temperatur wie vorstehend beschrieben angestiegen ist, Wärme mit dem zweiten Wärmetransfermedium des ersten externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf 27 im Wärmetauscher 24 aus und die Temperatur des zweiten Wärmetransfermediums steigt. Das zweite Wärmetransfermedium, dessen Temperatur gestiegen ist, wird von der Zirkulationspumpe 21 durch das Hochtemperaturleitung 17 zum Wärmetauscher 19 auf der Wärmeableitungsseite zirkuliert und leitet die Wärme nach außen ab.
Das Wärmetransfermedium auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 der magnetisch arbeitenden Körper 11A, 11A, 11B und 11B, bei dem die Temperatur abgenommen hat, tauscht Wärme mit dem zweiten Wärmetransfermedium des zweiten externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislaufs 28 im Wärmetauscher 26 aus, und die Temperatur des zweiten Wärmetransfermedium sinkt. Das zweite Wärmetransfermedium mit der verringerten Temperatur wird zum wärmeaufnahmeseitigen externen Wärmetauscher 22 durch die Niedertemperaturleitung 18 durch die Zirkulationspumpe 23 zirkuliert und nimmt Wärme von außen auf. Da sich das Wärmetransfermedium (das erste Wärmetransfermedium) hin-und herbewegt, werden synchron zur Hin-und Herbewegung Temperaturänderungen am Hochtemperatur-Ende 14 und Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A und 11B beobachtet. Der Wärmetausch mit dem zweiten Wärmetransfermedium wird jedoch wie oben beschrieben ausgeführt, und die Wärme wird im externen Wärmetauscher 19 oder 22 abgeleitet oder aufgenommen, wodurch die Temperaturänderungen des Wärmetransfermedium (des ersten Wärmetransfermedium zu) nivelliert werden.
Die Drehung des Drehkörpers 7 durch den Motor M und das Schalten der Verdränger 8 werden bei relativ hohen Geschwindigkeiten und relativ schnellen Zeitabständen ausgeführt, das Wärmetransfermedium (Wasser) wird zwischen dem Hochtemperatur-Ende 14 und dem Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B hin-und herbewegt, und die Wärmeaufnahme in die und die Wärmeableitung von den zu magnetisierenden und entmagnetisierenden magnetisch arbeitenden Substanzen 13 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B wird wiederholt, wodurch eine Temperaturdifferenz zwischen dem Hochtemperatur-Ende 14 und dem Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11 A, 11 A, 11 B und 11 B graduell ansteigt. Dann sinkt schließlich die Temperatur des Niedertemperatur-Endes 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B, die mit dem Wärmetauscher 26 versehen sind, durch den das zum wärmeaufnahmeseitigen externen Wärmetauscher 22 zu zirkulierende zweite Wärmetransfermedium geleitet wird, auf eine Temperatur, bei der die Kälteleistung der magnetisch arbeitenden Substanzen 13 und eine Wärmelast eines zu kühlenden Objekts durch den externen Wärmetauscher 22 ausgeglichen werden, und die Temperatur des Hochtemperatur-Endes 14 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A, 11A, 11B und 11B, die mit dem Wärmetauscher 24 versehen sind, durch den das zum externen Wärmetauscher 19 auf der Wärmeableitungsseite zu zirkulierende zweite Wärmetransfermedium geleitet wird, wird eine im Wesentlichen konstante Temperatur, da die Wärme Ableitungsfähigkeit und die Kälteleitung des externen Wärmetauschers 19 in ein Gleichgewicht gebracht werden.
Wie vorstehend beschrieben, wird das Wärmetransfermedium gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen dem Hochtemperatur-Ende 14 und dem Niedertemperatur-Ende 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A und 11B durch die Verdränger 8 hin-und herbewegt, werden die externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf 27 und 28, die das zweite Wärmetransfermedium zu den externen Wärmetausch schon 19 und 22 zirkulieren, vorgesehen, wird der Wärmetausch zwischen dem zweiten Wärmetransfermedium und den Wärmetransfermedium der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11B durch die externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf 27 und 28 ausgeführt, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, wird zu den externen Wärmetauschern 19 und 22 zirkuliert. Daher kann der Wärmetausch zwischen dem Wärmetransfermedium (dem ersten Wärmetransfermedium) auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 und der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A und 11B und dem zweiten Wärmetransfermedium erfolgen, und das Wärmetransfermedium kann nach dem Wärmetausch indirekt aus den externen Wärmetauschern 19 und 22 ausgeführt werden.
Zudem werden die Wärmetransfermedien der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11B durch die Verdränger 8 hin-und herbewegt, so dass das Problem des Mischungsverlusts oder der Reibungswärme, das aufgrund der Nutzung eines Drehventils auftreten würde, gelöst wird. Somit macht es die vorliegende Erfindung möglich, die durch den magnetokalorischen Effekt der magnetisch arbeitenden Substanzen 13 verursachten Temperaturänderungen effektiv und effizient zu nutzen.
Darüber hinaus sind in dem Beispiel der erste externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf 27, der den wärmeableitungsseitigen externen Wärmetauscher 19 aufweist, und der zweite externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf 28, der den wärmeaufnahmeseitigen externen Wärmetauscher 22 aufweist, vorgesehen, der erste externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf 27 bewirkt den auszuführenden Wärmetausch zwischen dem zweiten Wärmetransfermedium und dem Wärmetransfermedium (dem ersten Wärmetransfermedium) auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A und 11B, das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, wird zum wärmeableitungsseitigen externen Wärmetauscher 19 zirkuliert, der zweite externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf 28 bewirkt den auszuführenden Wärmetausch zwischen dem zweiten Wärmetransfermedium und dem Wärmetransfermedium (dem ersten Wärmetransfermedium) auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A und 11B, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, wird zum wärmeaufnahmeseitigen externen Wärmetauscher 22 zirkuliert. Diese Anordnung ermöglicht es, die Temperatur des Wärmetransfermedium (des 1. Wärmetransfermedium) auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 jedes magnetisch arbeitenden Körpers 11A und 11B effizient zum zweiten Wärmetransfermedium zu transportieren, und die Wärme des zweiten Wärmetransfermedium effektiv zu dem Wärmetransfermedium (dem ersten Wärmetransfermedium) auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 zu bewegen.
In dem Beispiel werden die Verdränger 8 und die Nocken 9 der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11B an der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 bzw. der Seite des Niedertemperatur-Endes 16, wie in 1 veranschaulicht, angetrieben. Alternativ könnten die auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 vorgesehenen Verdränger 8 (die Verdränger auf der Seite des Hochtemperatur-Endes) der magnetisch arbeitenden Körper 11 A und 11 B und die auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 vorgesehenen Verdränger 8 (die Verdränger auf der Seite des Niedertemperatur-Endes) davon jedoch Rücken an Rücken angeordnet werden. In solch einem Fall wäre es notwendig, die Formen der magnetisch arbeitenden Körper 11A und 11B in Kreisformen oder dergleichen zu ändern, und die spezifische Konfiguration des magnetischen Wärmepumpen-AMR 2 würde sich von der der 2 unterscheiden. Die Nocken 9 auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 und die Nocken 9 auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 könnten jedoch zu einem Teil kombiniert werden, und der Verdränger 8 auf der Seite des Hochtemperatur-Endes 14 könnte an beiden Seiten davon vorgedrängt/zurückgezogen werden, umso den Verdränger 8 auf der Seite des Niedertemperatur-Endes 16 vorzudrängen/zurückzuziehen, wie dies durch gestrichelten Linienpfeile F1 und F2 in 3 gekennzeichnet ist. Daher könnte die Nocken 9 geteilt werden und die Antriebsleistung zum Antrieb der Verdränger 8 könnte auf ein Minimum gesteuert werden.
Die Gesamtkonfiguration der magnetischen Wärmepumpenvorrichtung ist nicht auf das Beispiel beschränkt, und es können offensichtlich verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Bereichs vorgenommen werden, der nicht vom Geist der vorliegenden Erfindung abweicht.
Bezugszeichenliste

1: magnetische Wärmepumpenvorrichtung
2: magnetischer Wärmepumpen-AMR (aktiver magnetischer Regenerator)
3: Gehäuse
6: Permanentmagnet (Magnetfeldänderungsvorrichtung)
7: Drehkörper (Magnetfeldänderungsvorrichtung)
8: Verdränger (Wärmetransfermedium-Bewegungsvorrichtung)
9: Nocke (Wärmetransfermedium-Bewegungsvorrichtung)
11A, 11B: magnetisch arbeitender Körper
12: Kanal
13: magnetisch arbeitende Substanz
14: Hochtemperatur-Ende
16: Niedertemperatur-Ende
19, 22: externer Wärmetauscher
21, 23: Zirkulationspumpe
24, 26: Wärmetauscher
27: erster externer Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf
28: zweiter externer Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf
M: Motor

Claims

Eine magnetische Wärmepumpenvorrichtung, umfassend: einen magnetisch arbeitenden Körper, der eine magnetisch arbeitende Substanz, die einen magnetokalorischen Effekt aufweist, umfasst und in dem ein Wärmetransfermedium zirkuliert wird; eine Magnetfeldänderungsvorrichtung, die die Größe des auf die magnetisch arbeitende Substanz anzuwendenden Magnetfelds ändert; einen Verdränger, der das Wärmetransfermedium zwischen einem Hochtemperatur-Ende und einem Niedertemperatur-Ende des magnetisch arbeitenden Körpers hin- und herbewegt; und einen externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf, der einen externen Wärmetauscher aufweist und der ein zweites Wärmetransfermedium zirkuliert, wobei der externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf das zweite Wärmetransfermedium und das Wärmetransfermedium des magnetisch arbeitenden Körpers dazu veranlasst, einen Wärmetausch auszuführen, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, zum externen Wärmetauscher zirkuliert.
Die magnetische Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend: einen ersten externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf, der den externen Wärmetauscher auf einer Wärmeableitungsseite aufweist; und einen zweiten externen Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf, der den externen Wärmetauscher auf einer Wärmeaufnahmeseite aufweist, wobei der erste externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf das zweite Wärmetransfermedium und ein Wärmetransfermedium auf einer Seite des Hochtemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers dazu veranlasst, einen Wärmetausch auszuführen, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, zum externen Wärmetauscher auf der Wärmeableitungsseite zu zirkulieren, und der zweite externe Wärmetransfermedium-Zirkulationskreislauf das zweite Wärmetransfermedium und ein Wärmetransfermedium auf einer Seite des Niedertemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers dazu veranlasst, einen Wärmeaustausch auszuführen, und das zweite Wärmetransfermedium, das dem Wärmetausch unterzogen wurde, zum externen Wärmetauscher auf der Wärmeaufnahmeseite zu zirkulieren.
Die magnetische Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend: einen Hochtemperatur-Endseiten-Verdränger, der auf der Seite des Hochtemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers vorgesehen ist; und einen Niedertemperatur-Endseiten-Verdränger, der auf der Seite des Niedertemperatur-Endes des magnetisch arbeitenden Körpers vorgesehen ist, wobei der Hochtemperatur-Endseiten-Verdränger und der Niedertemperatur-Endseiten-Verdränger Rücken an Rücken angeordnet sind.