DE1272467B - Verfahren und Waermepumpe zum Transportieren von Waerme - Google Patents

Verfahren und Waermepumpe zum Transportieren von Waerme

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DE1272467B
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William Frederick Jaep
Thomas James Swoboda
Edward William Yetter
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EIDP Inc
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EI Du Pont de Nemours and Co
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Description

  • Verfahren und Wärmepumpe zum Transportieren von Wärme Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Wärmepumpe zum Transportieren von Wärme und insbesondere ein Verfahren und eine Wärmepumpe zum Transportieren von Wärme unter Verwendung eines Materials, das unter der Einwirkung eines magnetischen Feldes eine Phasenumwandlung erster Ordnung mit gleichzeitiger Änderung der inneren Energie erleidet.
  • Ein Beispiel für eine Wärmepumpe ist das Kälteaggregat eines Haushaltskühlschranks, in dem ein Medium zyklisch verflüssigt und wieder verdampft wird. In einem solchen Kälteaggregat beträgt die Druckdifferenz zwischen dem hohen Druck im Kondensator und dem niederen Druck im Verdampfer etwa 10 Atmosphären. Um diesen Druckunterschied aufrechtzuerhalten, wird beispielsweise ein Kompressor verwendet, der mit einem Elektromotor angetrieben wird, welcher der nötigen Wartung, beispielsweise der Schmierung, bedarf, der vibriert und laut ist.
  • Es ist auch schon eine weitere Wärmepumpe bekannt, die jedoch nur bei sehr niedrigen Temperaturen brauchbar ist. In dieser Wärmepumpe wird ein paramagnetisches Material als Arbeitsmedium verwendet. Wenn dieses Material einem starken Magnetfeld bei sehr niederer Temperatur nahe dem absolutem Nullpunkt ausgesetzt und das Magnetfeld hierauf auf Null verringert wird, sinkt die Temperatur des Materials etwas infolge des sogenannten »magnetokalorisehen Effekts« ab. Das gleiche Prinzip wurde auch bereits bei Temperaturen nahe dem Curie-Punkt angewandt (USA.-Patentschrift 2 589 775). Die Größe des Wärmetransports pro Verfahrenszyklus unter Verwendung des magnetokalorischen Effekts ist jedoch relativ klein, da keine latente Wärme gespeichert werden kann. Deshalb hat diese Art von Kälteerzeugung sich nur für sehr spezielle Anwendungszwecke als brauchbar herausgestellt, wie z. B. um extrem niedere Temperaturen zu erzeugen, wo andere Kälteerzeugungsmaßnahmen sich als unwirksam erwiesen haben (vgl. deutsche Auslegeschrift 1168 091).
  • Die Erfindung schafft ein völlig neues Verfahren und eine neue Wärmepumpe, um einen Wärmetransport mit größerem thermischem Wirkungsgrad, als es mit magnetokalorischen Vorrichtungen möglich ist, zu bewirken.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Arbeitsmedium verwendet wird, das unter dem Einfluß des Ein- und Aussehaltens eines äußeren Magnetfeldes innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs einen Zustandsübergang seiner festen Phase unter großer Änderung seiner inneren Energie aufweist, wobei sich im übergangsbereich die Sättigungsmagnetisierbarkeit bei Änderung der Temperatur stark ändert und im Zusammenhang damit die Temperatur des magnetischen Arbeitsmediums entweder erniedrigt wird, wenn der eine feste Zustand erreicht ist, oder erhöht wird, wenn der andere feste Zustand erreicht wird, und daß eine Wärmequelle und eine Wärmesenke in Beziehung zu jedem der festen Phasenzustände einzeln gebracht wird, um einen Wärmeübergang zu und von dem magnetischen Arbeitsmedium zu bewirken.
  • Die Wärmepumpe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierte Wärmequelle vorgesehen ist, die Wärme an das magnetische Arbeitsmedium abgibt, wenn dieses sich bei Einschalten des Magnetfeldes abkühlt, und eine isolierte Wärmesenke vorhanden ist, die Wärme aus dem magnetischen Arbeitsmedium aufnimmt, wenn sich dieses bei Ausschalten des Magnetfeldes erwärmt.
  • An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
  • F i g. 1 zeigt schematisch einen Vertikalschnitt durch eine einstufige Wärmepumpe nach dieser Erfindung, wobei die Einzelheiten der elektrischen Energieversorgung und des Steuerregelkreises zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen wurden; F i g. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine vierstufige Wärmepumpe mit Einheiten, von denen eine in F i g. 1 dargestellt ist, welche in Reihe hintereinandergeschaltet sind; F i g. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer einstufigen Wärmepumpe einschließlich des dieser Pumpe zugeordneten elektrischen Schaltkreises, wobei ein stationäres Arbeitsmedium und eine bewegliche Wärmequelle und -senke Verwendung finden; F i g. 4 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des in einer Vorrichtung, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, enthaltenen Arbeitsmediums; F i g. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V-V in F i g. 4. Beispiel I Die Substanzen, die als Arbeitsmedium verwendet werden, besitzen metallische Eigenschaften und können wenigstens teilweise durch einen Zustandsübergang erster Ordnung seiner fester Phase unter dem Einfluß eines Magnetfeldes geeigneter Stärke verändert werden. Das Magnetfeld kann, wenn es hinreichend stark ist, den vollen übergang bewirken. Schwächere Felder können den übergang einleiten und ihn nur voll dann ganz ermöglichen, wenn sie hinreichend stark sind, um den übergang in Gang zu bringen, der hernach vervollständigt wird, indem die Wärme zwischen der Substanz und deren Umgebung ausgetauscht wird. Dadurch kann praktisch die Wärmeübertragung isotherm in bezug auf die Substanz des Arbeitsmediums erfolgen, indem der Ausgleich der mit dem Übergang verbundenen latenten Wärme vorzugsweise während des Übergangs selbst oder unmittelbar hernach durch Zu- oder Abführen von Wärme erfolgt, so daß die Verluste nach außen auf ein Minimum herabgedrückt werden. In jedem Fall verringert das die Umwandlung einleitende Magnetfeld die Temperatur des Arbeitsmediums zu Beginn, wodurch der Temperaturunterschied, der notwendig ist, um den Wärmeaustausch zu ermöglichen, erhalten wird.
  • Am Übergangspunkt tritt eine Änderung des magnetischen Zustands ein, die einen übergang von dem paramagnetischen oder antiferromagnetischen Zustand einerseits in den ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Zustand andererseits bewirkt. Der magnetische Zustand ist in verschiedenen Fällen schwierig zu identifizieren, und es scheint, daß verschiedene magnetische Zustände gelegentlich beieinander in begrenzten Bereichen eines bestimmten Arbeitsmediums bestehen können. Darüber hinaus kann in Arbeitsmedien, in denen sich der Zustandsübergang innerhalb eines relativ weiten Bereichs der magnetischen Feldstärke vollzieht, die Änderung von einem magnetischen Zustand in den anderen ganz allmählich erfolgen und der wahrnehmbare Fortschritt dem Experimentator deshalb etwas unbestimmt sein. Die Dründe für diese Effekte können in der Inhomogenität der Zusammensetzung einer bestimmten Probe oder in der Dauerhaftigkeit metastabiler Zustände liegen. Möglicherweise sind auch andere, noch nicht erkannte Ursachen dafür maßgebend. Nichtsdestoweniger werden alle Substanzen durch ein Magnetfeld umgewandelt, obgleich dazu etwas größere Feldstärken als bei idealen Probestücken erforderlich sind. Dies ist kein Nachteil vom Standpunkt der Erfindung aus gesehen, weil die magnetischen Zustände ohne Bedeutung für die Arbeitsweise sind, mit Ausnahme des besonderen Falls, bei dem die magnetische Anziehungskraft verwendet wird, um den physikalischen Transport des Arbeitsmediums aus einem Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle zu einem Wärmeaustausch mit einer Wärmesenke zu bewirken.
  • Ein Zustandsübergang erster Ordnung, also eine Änderung, bei der eine Diskontinuität in den ersten Ableitungen der Gibbsschen Funktionen für die freie Energie auftritt, ist immer mit einer Änderung der inneren Energie der Substanz verbunden. Diese Änderung tritt in Form einer latenten Wärme auf, die in dem Zustand des Arbeitsmediums, in dem sich die innere Energie verringert, als Wärme verfügbar ist, die für den Wärmeaustausch mittels Leitung und anderer Arten von Wärmeübertragung in bezug auf eine angrenzende Wärmesenke, der gegenüber ein positiver Temperaturgradient existiert, geeignet ist. Umgekehrt, wenn das Arbeitsmedium nach dem Umwandlungspunkt in einem Zustand ist, .in dem die innere Energie ansteigt, sucht das Arbeitsmedium Wärme aus seiner Umgebung zu absorbieren und wird dementsprechend die Wärme aus einer Quelle, der gegenüber ein negativer Temperaturgradient existiert, abziehen. Auf diese Weise wird eine Wärmepumpwirkung erhalten, die bei geeigneter Wahl der Arbeitsbedingungen so verwendet werden kann, daß sie die Funktion einer Heizung und einer Kühlung verbindet.
  • Zusammensetzungen, die im wesentlichen vier chemische Elemente enthalten, wurden zu sehr wirksamen Arbeitsmedien ausgebildet. Solche quaternäre Zusammensetzungen enthalten gewöhnlich 5 bis 35 Atomprozent Antimon, 35 bis 70 Atomprozent Mangan, 0,8 bis 25 Atomprozent von wenigstens einem der Metalle Chrom und Vanadium und 0 bis 30 Atomprozent von wenigstens einem der Elemente der Gruppen 1I bis IV des Periodischen Systems, insbesondere Gallium, Indium, Cadmium, Blei, Tallium, Zinn, Zirkon, Scandium, Ittrium, Magnesium und Zink, deren Prozentanteile entsprechend der Ergänzung auf ganze 1001/o gewählt werden.
  • Als Beispiel für eine ternäre Zusammensetzung, die bei einer Änderung der Temperatur einer Umwandlung erster Art unterworfen ist, wurde ein Einkristall mit 8 g Gewicht folgender Zusammensetzung hergestellt: 45;62% Mangan, 2,25% Chrom, 0,12% Indium und 52,01% Zinn. Wenn dieser Kristall plötzlich zwischen die Pole eines permanenten Magneten mit einer Feldstärke von 5000 Oersted eingebracht wurde, fiel die Temperatur des Kristalls, die mittels eines mit dem Kristall in Berührung stehenden Thermoelements gemessen wurde, um 0,67 °C ab, was anzeigt, daß die .innere Energie der Substanz, die den Kristall bildet, zugenommen hatte, wodurch ein Wärmebedarf des Kristalls entsteht, den dieser durch Wärmeaufnahme von seiner Umgebung auszugleichen sucht.
  • In einem zweiten Versuch, bei dem ein Mangan-Chrom-Antimonid mit einem Gehalt von 45,54% Mangan, 2,81% Chrom und 51,67% Zinn verwendet wurde, wurde diese Substanz plötzlich demselben Magnetfeld ausgesetzt, um einen Temperaturabfall von 1 °C zu erhalten.
  • Ein einfaches Beispiel einer Wärmepumpe, die entsprechend den vorher beschriebenen experimenteil gefundenen Resultaten arbeitet, ist in F i g. 1 etwas vergrößert dargestellt. Hierbei besteht das magnetische Arbeitsmedium aus einem hin- und hergehenden Stab 1, der vorzugsweise zylindrisch ist. Das Arbeitsmedium war streng magnetisch in Gegenwart eines Magnetfeldes und im wesentlichen nicht magnetisch, wenn kein Magnetfeld vorhanden war, so daß dieses Phänomen verwendet werden konnte, um den Stab von einer untersten Wärmesenke 5 nach oben zu bewegen und in Kontakt mit einer oberen Wärmequelle 4 zu bringen, die senkrecht über der Wärmesenke 5 angeordnet ist. Die Bewegung nach oben erfolgt unter dem Einfluß des Magnetfeldes, das durch eine Kupferspule 3 induziert wird, die näher an der Wärmequelle 4 als an der Wärmesenke 5 angeordnet ist. Die Elemente 4 und 5 sind lediglich feste Metallplatten, die aus nichtmagnetischen Substanzen, wie z. B. Kupfer, hergestellt sind. Da der Stab 1 in einem seiner zwei Zustände magnetisch ist, ist eine physikalische Trennwand zwischen dem Stab 1 und der Spule 3 in Form einer Röhre 2 aus Polytetrafluoräthylenharz vorgesehen.
  • Vor Inbetriebnahme der Vorrichtung haben alle Komponenten dieselbe Temperatur. Wenn ein elektrischer Strom von ausreichender Stärke durch die Spule 3 geleitet wird, wird ein Magnetfeld im Stab 1 induziert, das einen Zustandsübergang erster Ordnung des Arbeitsmediums zur Folge hat, wodurch die fühlbare Temperatur des Stabs verringert wird. Gleichzeitig wird der magnetische Zustand des Stabs umgewandelt, und der Stab erhebt sich innerhalb der Röhre 2 unter dem Einfluß des ungleichen Feldes der Spule 3, bis er gegen die untere Fläche der Wärmequelle 4 stößt, mit dieser in engem Kontakt bleibt und Wärme aufnimmt. Nach einem geeigneten Zeitintervall, während welchem die Temperatur der Quelle 4 auf die Temperatur des Stabs 1 abfällt, wird der Strom durch die Spule 3 ausgeschaltet. Das Material des Stabs 1 wird dadurch unmittelbar in seinen anderen (nichtmagnetischen) Zustand übergeführt, wobei die innere Energie abfällt und hierdurch die fühlbare Temperatur über die des anfänglichen Gleichgewichtsniveaus ansteigt. Gleichzeitig fällt der Stab 1 unter dem Einfluß der Schwere in seine ursprüngliche Stellung zurück und trifft auf die obere Fläche der Wärmesenke 5 auf, wobei die Wärme durch Wärmeleitung übertragen wird. Nachdem ein entsprechendes Zeitintervall verstrichen ist, um den Wärmeaustausch zu ermöglichen, wird der ganze Zyklus wiederholt.
  • Eine Versuchsapparatur, die entsprechend der Darstellung in F i g. 1 aufgebaut wurde, wurde mit einem zylindrischen Stab von 7 mm Durchmesser und 9 mm Länge ausgerüstet. Dieser Stab besaß eine quaternäre Zusammensetzung von 45,62 Gewichtsprozent Mangan, 2,25 Gewichtsprozent Chrom. 0,12 Gewichtsprozent Indium und 52,01% Zinn. Der Stab 1 wurde in ein vertikales Polyäthylenrohr 2 mit einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Länge von 15 mm eingesetzt. Die Enden des Rohres waren oben und unten mit Kupferplatten bedeckt, die die Quelle 4 bzw. die Senke 5 darstellten. Die Vorrichtung wurde in ein vertikales Magnetfeld von etwa 7000 Oersted, das mittels eines Elektromagneten erzeugt wurde, eingebracht. Die Vorrichtung wurde im 10-Minuten-Zyklus betätigt, wobei Strom durch die Spule 3 5 Minuten lang geleitet wurde, wonach eine Unterbrechungszeit des Stroms von weiteren 5 Minuten folgte. Sogar unter diesen relativ ungünstigen Betriebsbedingungen wurde die Temperatur der Platte 4 allmählich verringert, bis nach 50 Minuten die Platte 4 1,5 °C kälter als die Platte 5 war.
  • Bei Nichtvorhandensein der Kühlwirkung infolge der zyklischen Zustandsübergänge erster Ordnung des Arbeitsmediums war die Wärme, die durch den Magneten freigesetzt wurde, infolge der Widerstandsverluste u. dgl. hinreichend, um die obere Platte 4 auf einer Temperatur zu halten, die 1 °C höher war als die der unteren Platte 5 infolge der asymmeirischeu Stellung der Spule 3. Es ist klar, daß an Stelle des magnetischen Antriebs für den Stab ein mechanischer Antrieb vorgesehen werden kann, wodurch die magnetische Wechselerregung entfällt. Es ist damit auch möglich, das Rohr 2 zu eliminieren. Das Führungsrohr kann ebenfalls entbehrt werden, wenn statt dessen während des Anhebens durch das Magnetfeld der Stab 1 auf einer zentralen Führungsachse gleitet.
  • Die Übergangspunkte der Arbeitsmedien können durch zweckentsprechende Veränderung der chemischen Zusammensetzungen verschoben werden, so daß sie bei progressiv gestuften Temperaturen stattfinden, wobei dieselben oder annähernd dieselben Magnetfelder Verwendung finden können. Dies ermöglicht ein vielstufiges Wärmeübertragungsverfahren über einen relativ großen Temperaturbereich, indem mehrere einzelne Wärmepumpen in Reihe geschaltet werden. F i g. 2 zeigt eine solche Anordnung, die mit vier Stufen ausgerüstet ist, die von gleicher Art wie die in F i g. 1 dargestellt sind.
  • Es sei angenommen, daß in F i g. 2 die Wärmequelle mit der niedrigsten Temperatur die oberste Platte 8 ist, wohingegen die auf der höchsten Temperatur befindliche Senke die unterste Platte, d. h. die Platte 9, ist. Die verschiedenen Stufen sind mit A, B, C oder D bezeichnet. Die Zustandsübergangstemperaturen der Arbeitsmedien dieser Stufen nehmen von oben nach unten in der Vorrichtung stufenweise zu, was durch entsprechende Wahl der verschiedenen Zusammensetzungen erreicht wird. Es hat sich als praktisch durchführbar erwiesen, ein im wesentlichen kontinuierliches Spektrum des Übergangstemperaturniveaus mit Intervallen von 3 bis 5 °C von Stufe zu Stufe zu erhalten. Alle Spulen können in Reihe geschaltet werden; wenn eine etwas größere Ausweichmöglichkeit für die Proportionierung der Felder erforderlich ist, kann jede Spule getrennt geschaltet werden. Ebenso können die Stäbe der einzelnen Stufen wahlweise magnetisch nach oben gleichzeitig oder in irgendeiner anderen passenden Zeitfolge angetrieben werden, da die einzelnen Platten als temporäre Wärmereseivoire von genügender Kapazität arbeiten, so daß die zeitliche Bewegung der Stäbe nicht kritisch ist.
  • In den Beispielen nach den F i g. 1 und 2 werden stationäre Wärmespeicher und bewegliche Arbeitsmedien verwendet. Wärmepumpen der erfindungsgemäßen Art können jedoch ebensogut so ausgebildet werden, daß sich eine Flüssigkeitskomponente des Wärmespeichers relativ zu dem Arbeitsmedium bewegt. F i g. 3 stellt eine solche Anordnung einstufig dar.
  • Jede der beiden flüssigen Komponenten 24, 29 besitzt ihren eigenen Strömungskreislauf 28, 31. Diese Flüssigkeiten werden nacheinander durch die unbewegte Masse des Arbeitsmediums 12 in Zeitphasen gepumpt, die mit der Einwirkung des die Umwandlung des Arbeitsmediums bewirkenden Magnetfelds koordiniert ist, so daß abwechselnd zuerst die eine Flüssigkeit 24, d. h die Quelle, gekühlt und dann die andere Flüssigkeit 29, d. h. die Senke, erwärmt wird.
  • Wie in F i g. 4 dargestellt ist, liegt das Arbeitsmedium 12 vorzugsweise als körnige Substanz vor, deren Korngröße etwa 2 mm beträgt und die sich in einem Behälter 14 befindet, von dem wenigstens der Boden und der Deckel flach ausgebildet sind, um eine Verlagerung der körnigen Substanz 12 jeweils in die Nähe der einander gegenüber angeordneten Polflächen des Elektromagneten 15 zu ermöglichen, wie in den F i g. 3 und 5 dargestellt ist. Siebe 16 und 17 an den entgegengesetzten Enden des Behälters 14 verhindern ein Ausfließen des Arbeitsmediums 12, während sie einen relativ freien Durchfluß der Flüssigkeiten ermöglichen. Die Leitungen 18 und 20 sind mit den entsprechenden Dreiwegehähnen 19 und 21 verbunden.
  • Die Wärmequelle 24, in der sich die kalte Flüssigkeit befindet, nimmt die Flüssigkeit auf, die in Richtung des Uhrzeigers aus dem Behälter 14 durch das Ventil 19 mittels der Pumpe 27 gepumpt und durch die Leitung 28 in die Wärmequelle 24 gefördert wird. Während des gleichen Zeitintervalls kommuniziert die Wärmequelle 24 offen mit dem Behälter 14 über das Ventil 21 und die Leitung 20, wodurch eine Rückleitung der kalten Flüssigkeit zum Behälter 14 erfolgt. In ähnlicher Weise nimmt die Wärmesenke 29, in der sich die warme Flüssigkeit befindet, Flüssigkeit, die vom Behälter 14 abgezogen wird, in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn durch das Ventil 21 mittels der Wirkung der Pumpe 30 auf, wobei der Pumpenausgang mit der Leitung 31 verbunden ist. Die Flüssigkeit wird zu dem Behälter durch den oberen Weg des Ventils 19 und die Leitung 18 zu dem Behälter 14 zurückgeleitet, wenn das Ventil 19 und die Leitung 18 während der folgenden Halbperiode miteinander verbunden sind.
  • Die elektrische Schaltung der in F i g. 3 dargestellten Vorrichtung ist sehr einfach. Sie weist Spulen 33 und 34 auf, die in Reihe geschaltet und um die einander gegenüber angeordneten Magnetpole 15 gewickelt sind. Die Spulen sind in einem Kreis mit einer Gleichstromquelle 35 über einen einpoligen Zugschalter 36 geschaltet. Der Schalter 36 wird in vorbestimmten Zeitintervallen mittels eines üblichen Zeitgebers 37 und synchron mit der Drehung der Dreiwegehähne 19 und 21 aus ihren in F i g. 3 dargestellten Stellungen heraus in die entgegengesetzten Stellungen, wie sie schematisch durch die gestrichelten Linien dargestellt sind, abwechselnd geschlossen bzw. geöffnet.
  • Wenn die Vorrichtung in Tätigkeit ist und die Dreiwegehähne 19 und 21, so wie es in F i g. 3 dargestellt ist, gestellt sind und wenn ein hinreichend starkes Magnetfeld bei Stromfiuß durch die Windungen 33 und 34 auf das Arbeitsmedium wirkt, wird die Umwandlung des Arbeitsmediums herbeigeführt. Während dieser Zeit fällt die Temperatur ab, und die Wärme wird aus der Flüssigkeit, die durch den kalten Kreislauf mittels der Pumpe 27 umgewälzt wird, abgezogen. Nachdem sich ein nahezu thermisches Gleichgewicht zwischen der kalten Flüssigkeit und dem Arbeitsmedium 12 eingestellt hat, erfolgt, wenn der Strom ausgeschaltet wird, die Umwandlung des Arbeitsmediums 12 in umgekehrter Richtung, wodurch dessen Temperatur ansteigt und, wenn die Ventile 19 und 21 in die der in F i g. 3 dargestellten Stellung entgegengesetzte Stellung gedreht werden, i pumpt die Pumpe 30 warme Flüssigkeit aus der Wärmesenke 29 durch das Arbeitsmedium 12, das Ventil 21 und die Rücklaufleitung 31, wodurch dem Arbeitsmedium Wärme entzogen wird. Nach einem weiteren geeigneten Zeitintervall wird die kalte Wärmequelle 24 wieder in den Stromkreis eingeschaltet, und der ganze Zyklus beginnt von neuem. Auf diese Weise wird Wärme von der kalten Flüssigkeit entfernt und der warmen Flüssigkeit während aufeinanderfolgender Zeitabschnitte zugeführt.
  • Die in den F i g. 3 bis 5 dargestellte Ausführungsform arbeitet intermittierend in bezug auf die kalte Wärmequelle einerseits und die warme Quelle andererseits. Wenn zwei getrennte Arbeitsmedien verwendet werden, die parallel zueinander mit wechselweise geschalteten Flüssigkeitssteuerventilen geschaltet werden, wird eine kontinuierliche Arbeitsweise erhalten, wobei das eine Arbeitsmedium Wärme entzieht und gleichzeitig das andere Wärme liefert.
  • Geschlossene Flüssigkeitsstromkreise, die mit einer Flüssigkeit betrieben werden, wie in Zusammenhang mit der Ausführungsform nach den F i g. 3 bis 5 beschrieben wurde, sind besonders geeignet für einen einstufigen Wärmeübertrager. Sie können jedoch auch in derselben Weise in Reihe geschaltet werden, wie das im Zusammenhang mit der in F i g. 2 dargestellten mehrstufigen Einrichtung beschrieben wurde. Für die letztgenannte Ausführungsform wurde ein einfaches System entwickelt, wobei eine einzige Umlaufpumpe verwendet wird und die Flüssigkeit rückwärts und vorwärts durch das in dessen Behälter unbewegt angeordnete Arbeitsmedium gefördert wird. Die Flüssigkeit wird dabei in warme und kalte Speicher, die neben den einander gegenüberliegenden Enden des Behälters angeordnet sind, geleitet. Von den Behältern kann jeder mit einer Wärmeaustauschschlange versehen sein, die einen indirekten Wärmeaustausch sowohl .im abkühlenden als auch im erwärmenden Sinn in bezug auf die in oszillierender Strömung strömenden Flüssigkeit ermöglichen. Um eine scharfe Trennung zwischen kalter Flüssigkeit und warmer Flüssigkeit zu erhalten, können nicht mischbare Flüssigkeiten zusammen verwendet werden, von denen eine für den warmen Wärmeaustausch und die andere für den kalten Wärmeaustausch dient, wobei hinreichende Mengen von jeder dieser Flüssigkeiten vorgesehen sein müssen, so daß eine ausreichend große Zufuhr von jeder Flüssigkeit zur Verfügung steht, um eine kontinuierliche Wärmeübertragung während jeder Halbperiode eines Arbeitszyklus zu gewährleisten.
  • Es ist ebenfalls möglich, eine Stufenwirkung zu erhalten, indem ein einziges Arbeitsmedium hergestellt wird, dessen Zusammensetzung stufenweise sich über dessen Länge in einer Weise ändert, die einen temperaturabhängigen Übergang unter dem Einfiuß eines einzigen Magnetfeldes oder eine Folge von verschiedenen Feldern im Abstand voneinander längs des Arbeitsmediums so bewirkt, daß der ganze Wärmeübertragungsbereich sich proportional ausbreitet.
  • Es ist klar, daß verschiedene Arten und Kombinationen von festen und beweglichen Arbeitsmedien mit unbewegten oder beweglichen Quellen oder Senken gemäß der Erfindung Verwendung finden können. Insbesondere können solche Arbeitsmedien verwendet werden, die einen fließfähigen oder beweglichen Zustand in dispergierter Form besitzen.
  • Es ist möglich, verschiedene gewünschte Steuereffekte zu erhalten, indem zyklisch magnetische Abschirmungen oder insbesondere feste Raster zwischen die Magnetpole und das Arbeitsmedium gebracht werden. Auch können auf andere Weise das Verfahren und die Vorrichtung, die in diesem Beispiel beschrieben wurden, im Rahmen der Erfindung modifiziert werden.

Claims (10)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Transportieren von Wärme mit einem Arbeitsmedium, das intermittierend einem Magnetfeld ausgesetzt wird und dabei seine innere Energie ändert, d a d u r c h g e -kennzeichnet, daß ein magnetisches Arbeitsmedium (1) verwendet wird, das unter dem Einfluß des Ein- oder Ausschaltens eines äußeren Magnetfeldes innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs einen Zustandsübergang seiner festen Phase unter großer Änderung seiner inneren Energie aufweist, wobei sich im übergangsbereich die Sättigungsmagnetisierbarkeit bei Änderung der Temperatur stark ändert und im Zusammenhang damit die Temperatur des magnetischen Arbeitsmediums (1) entweder erniedrigt wird, wenn der eine feste Zustand erreicht ist, oder erhöht wird, wenn der andere feste Zustand erreicht wird, und daß eine Wärmequelle (4, 8) und eine Wärmesenke (5, 9) in Beziehung zu jedem der festen Phasenzustände einzeln gebracht wird, um einen Wärmeübergang zu und von dem magnetischen Arbeitsmedium zu bewirken.
  2. 2. Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierte Wärmequelle (4, 8, 24) vorgesehen ist, die Wärme an das magnetische Arbeitsmedium (1, 12) abgibt, wenn dieses sich bei Einschalten des Magnetfeldes abkühlt, und eine isolierte Wärmesenke (5, 9, 29) vorhanden ist, die Wärme aus dem magnetischen Arbeitsmedium aufnimmt, wenn sich dieses bei Ausschalten des Magnetfeldes erwärmt.
  3. 3. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Arbeitsmedium aus einem Material besteht, dessen chemische Zusammensetzung in Richtung der Wärmeübertragung sich ändert, so daß die Reihe seiner Umwandlungspunkte der jeweiligen mittleren Arbeitstemperatur angepaßt ist.
  4. 4. Wärmepumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Arbeitsmedium (1), das die Wärme überträgt, beweglich ist und daß die Wärmequelle (4) und die Wärmesenke (5) fest angeordnet sind.
  5. 5. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (4) und die Wärmesenke (5) mit vertikalem Abstand voneinander angeordnet sind und daß die Einrichtungen, die vorgesehen sind, um das magnetische Arbeitsmedium (1) dem Magnetfeld auszusetzen, zugleich verwendet werden, um dieses Arbeitsmedium von der unteren Wärmesenke (5, 9) zu der oberen Wärmequelle (4, 8) zu heben, und daß die Schwerkraft verwendet wird, um das Arbeitsmedium wieder nach unten zu führen.
  6. 6. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie vielstufig ausgebildet ist, wobei zwischen die äußerste Wärmequelle (8) und Wärmesenke (9) Zwischenstufen eingeschaltet sind, die nach der einen Seite als Wärmesenke und nach der anderen Seite als Wärmequelle wirken, und außerdem innerhalb einer jeden Stufe jeweils ein eigenes Arbeitsmedium angeordnet ist.
  7. 7. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Arbeitsmedium fest angeordnet ist, wobei die Wärmequelle (24) aus einer Flüssigkeitsmenge besteht, die im Vorbeiströmen Wärme an das im Magnetfeld abkühlende magnetische Arbeitsmedium (12) abgibt und die Wärmesenke (29) eine zweite Flüssigkeitsmenge darstellt, die im Vorbeiströmen Wärme aus dem bei Abschalten des Magnetfeldes sich erwärmenden magnetischen Arbeitsmedium (12) aufnimmt. B.
  8. Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeitsmenge (24) und die zweite Flüssigkeitsmenge (29) aus miteinander nicht mischbaren Flüssigkeiten bestehen.
  9. 9. Wärmepumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter der Wärmequelle (24) über einen ersten Dreiwegehahn (21) mit dem magnetischen Arbeitsmedium (12) zu verbinden ist und mittels einer ersten Pumpe (27) über einen zweiten Dreiwegehahn (19) zum Flüssigkeitsbehälter (24) zurückfließt und sodann die Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter der Wärmesenke (29) ebenfalls in einem geschlossenen Flüssigkeitsstromkreis, über einen zweiten Dreiwegehahn (19) mit dem magnetischen Arbeitsmedium (12) zu verbinden ist und mittels einer zweiten Pumpe (30) über den ersten Dreiwegehahn (19) zum Flüssigkeitsbehälter (29) zurückfließt.
  10. 10. Wärmepumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Arbeitsmedium (12) fest innerhalb eines Behälters (14) angeordnet ist, wobei die Wärmequelle (24) und Wärmesenke (29) aus einem Flüssigkeitskörper bestehen, der gegenüber dem Arbeitsmedium beweglich ist. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1168 091.
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