DE3539584C1

DE3539584C1 - Vorrichtung zur magnetokalorischen Kaelteerzeugung

Info

Publication number: DE3539584C1
Application number: DE3539584A
Authority: DE
Inventors: Walter Prof. Dr.-Phys. 7032 Sindelfingen Peschka; Gottfried 7000 Stuttgart Schneider
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5300 Bonn; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1985-11-08
Filing date: 1985-11-08
Publication date: 1986-12-18
Also published as: US4727721A; FR2590004A1; FR2590004B1; CA1262375A; JPS62153662A; JPH0370153B2

Description

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des Arbeitsgases auf der kalten Seite im Inneren des gnetischem Material.

Rotors geführt, wobei dort keinerlei gegeneinander be- In einem Statorgehäuse 1 mit einem Boden 2, einem

wegte Teile auftreten. Eine Dichtung ist nur an der Au- Deckel 3 und einer kreiszylindrischen Seitenwand 4 ist

ßenfläche des Rotors notwendig, d. h. auf der Warmseite ein scheibenförmiger Rotor 5 mittels einer zentralen des Arbeitsgaskerislaufes. Dadurch ergeben sich keine 5 Hohlwelle 6 drehbar gelagert. Der Boden 2 und der

tieftemperaturbedingten Abdichtungsprobleme. Deckel 3 weisen dazu zentrale Öffnungen 7 auf, in denen

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- geeignete Lagerringe 8 gehalten sind. Die Hohlwelle 6

dung ist vorgesehen, daß bei einem Paar der Beginn und steht mit einem zentralen Innenraum 9 in dem scheiben-

das Ende des Strömungsweges einen Umfangswinkel förmigen Rotor 5 in Verbindung. In aus der Zeichnung

360 _,,. ,..„ ,. . -,,,· 10 nicht ersichtlicher Weise ist die Hohlwelle 6 außerhalb

von — Grad einschließen, wobei η eine ganze Zahl ist, _{des Statorgehäuses} _ί abgedichtet mit einer Gaszufuhr

daß längs des Umfanges jeweils η Zuleitungen und η und einer Gasabfuhr verbunden, so daß die Hohlwelle 6

Ableitungen gleichmäßig verteilt sind und die Zuleitun- und der Innenraum 9 von einem Gas durchströmt wer-

gen und Ableitungen sich abwechseln. den, das im folgenden als Kältemedium bezeichnet wird.

Durch diese Ausgestaltung erfährt jeder magnetische 15 In dem scheibenförmigen Rotor 5 befinden sich in der

Körper bei einer Umdrehung des Rotors mehrere Ma- Nähe von dessen Umfang vier jeweils um 90° gegenein-

gnetisierungen und Entmagnetisierungen, die durch ver- ander versetzte Kammern 10, die mit einem Körper 11

schiedene Arbeitsgaskreisläufe nacheinander zu einer aus einem porösen, ferromagnetischen Material ausge-

Abkühlung des durch die Mitte des Rotors verlaufenden füllt sind, beispielsweise mit Gadolinium-Gallium-Gra-

Kältemediums verwendet werden. Es ergibt sich da- 20 nat GdsGasO^.

durch ein quasi kontinuierlicher Wärmeentzug des Kai- Jede Kammer 11 ist gegenüber dem hohlen Innen-

temediums, wobei die Gleichmäßigkeit des Wärmeent- raum 9 des Rotors durch eine Zwischenwand 12 ge-

zugs durch eine Steigerung von η erhöht werden kann. trennt. Jeweils zwei benachbarte Kammern 10 sind mit-

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn mehrere Zu- tels einer wendeiförmigen Wärmetauscherleitung 13

leitungen und mehrere Ableitungen untereinander je- 25 miteinander verbunden, die in dem Innenraum 9 ange-

weils parallel geschaltet sind und mit einer externen ordnet ist, so daß das durch die Hohlwelle 6 und den

Wärmesenke in Verbindung stehen. Dann ergibt sich Innenraum 9 strömende Kältemedium mit den Wärme-

auch auf der externen Seite ein quasi kontinuierlicher tauscherleitungen 13 in innigen Wärmetauschkontakt

Betrieb. tritt.

Die Vergleichmäßigung kann dadurch verbessert 30 Jede Kammer 10 weist eine radial nach außen gerich-

werden, daß die Paare so längs des Umfanges des Ro- tete, zum Umfang des Rotors 5 führende Öffnung 14 auf.

tors verteilt sind, daß die Strömungswege aller Paare In der Seitenwand 4 des Statorgehäuses 1 sind diame-

gleichzeitig mit den Zu- bzw. Ableitungen in Verbin- tral einander gegenüberliegend zwei Zuleitungen 15

dung stehen. Beispielsweise können insgesamt vier fer- und zwei Ableitungen 16 für ein Arbeitsgas vorgesehen,

romagnetische Körper im Rotor angeordnet sein, die 35 die in der Höhe der Rotormittelebene angeordnet sind,

jeweils unter 90° in Umfangsrichtung gegeneinander Die Durchtrittsstelle der Zuleitungen 15 und der Ablei-

versetzt sind. Jeder Körper jedes Paares gelangt dabei tungen 16 ist jeweils mit einer an der Seitenwand 4

während einer Umdrehung des Rotors zweimal in ein gehaltenen Ringdichtung 17 umgeben, die mit ihrer

Magnetfeld, d. h. jeder der vier Körper wird bei einer Stirnfläche an der Umfangsfläche 18 des Rotors dich-

Umdrehung zweimal magnetisiert und zweimal entma- 40 tend anliegt. Zuleitungen und Ableitungen stehen recht-

gnetisiert, so daß bei einer Umdrehung insgesamt vier- winkling zueinander, so daß in Umfangsrichtung gese-

mal abgekühltes Arbeitsgas mit dem Kältemedium in hen nach jeweils 90° abwechselnd eine Zuleitung und

Wärmekontakt gelangt. eine Ableitung angeordnet sind.

Vorteilhaft ist es, wenn die Körper aus porösem fer- Die Zuleitungen 15 sind mittels einer gemeinsamen,

romagnetischem Material bestehen und den Quer- 45 sich verzweigenden Rohrleitung 19 mit dem Ausgang

schnitt des Strömungsweges ausfüllen, so daß das Ar- eines Wärmetauschers 20 verbunden, die Ableitungen

beitsgas durch das poröse ferromagnetische Material 16 in gleicher Weise mittels zweier zusammengeführter

hindurchtritt. Rohrleitungen 21 mit dem Eingang des Wärmetau-

Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Körper aus schers 20. Zur Förderung des Arbeitsgases ist eine Umferromagnetischem Material in Rotorkammern ange- 50 wälzpumpe 22 oder ein Verdichter vorgesehen. Im Wärordnet sind, durch die der Strömungsweg hindurchge- metauscher 20 besteht Wärmekontakt mit einer Wärführt, und daß zwischen den die beiden Körper aufneh- mesenke, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt menden Kammern eine diese verbindende, durch die ist. Es kann sich hier beispielsweise um eine bei höherer hohle Lagerwelle des Rotors führende Wärmetauscher- Temperatur arbeitende magnetokalorische Kältestufe leitung angeordnet ist. 55 oder irgendeine andere Kältemaschine handeln.

Diese Wärmetauscherleitung hat vorzugsweise die Oberhalb und unterhalb des Rotors 5 befinden sich

Form einer Wendel. jeweils zwei diametral gegenüber angeordnete Spulen

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausfüh- 23 und 24 eines supraleitenden Magneten, wobei ober-

rungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang halb und unterhalb des Rotors 5 angeordnete Spulen

mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt 60 gemeinsam ein den Rotor im Umfangsbereich durchset-

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer magnetokalori- zendes Magnetfeld ausbilden. Die Anordnung der Spu-

schen Kühlvorrichtung mit vier ferromagnetischen Kör- len 23 und 24 ist dabei so getroffen, daß die Kammern 10

pern, mit den darin angeordneten ferromagnetischen Kör-

Fig. 2 eine Schnittansicht längs Linie 2-2 in Fig. 1, pern 11 in das Magnetfeld eintauchen, wenn sich diese

wobei zusätzlich der Kreislauf des Arbeitsgases darge- 65 Kammern 10 in Strömungsverbindung mit den Ablei-

stellt ist und tungen 16 befinden (Fig. 2).

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 eines Rotors mit Im Betrieb wird die Hohlwelle 6 kontinuierlich von

acht über den Umfang verteilten Körpern aus ferroma- dem Kältemedium durchströmt. Wenn der Rotor 5 sich

in einer Winkelverstellung befindet, bei der die Öffnungen 14 der Kammern 10 mit den Zuleitungen 15 bzw. den Ableitungen 16 ausgerichtet sind, kann Arbeitsgas über die Zuleitungen 15 in die nichtmagnetisierten Kammern 10 einströmen und das darin enthaltene ferromagnetische Material durchströmen. Da dieses Material durch die Herausbewegung aus einem Magnetfeld entmagnetisiert worden ist, befindet es sich auf tiefer Temperatur und kühlt bei der Durchströmung das Arbeitsgas. Dieses gibt anschließend in der Wärmetauscherleitung 13 Kälteleistung an das die Hohlwelle 6 und den Innenraum 9 durchströmende Kältemedium ab und gelangt nach entsprechender Erwärmung in die benachbarte Kammer 10, die sich dabei in einem Magnetfeld befindet. Durch die Magnetisierung ist die Temperatur des ferromagnetischen Materials erhöht, das dieses ferromagnetische Material durchströmende Arbeitsgas erwärmt sich beim Durchströmen des ferromagnetischen Materials und transportiert auf diese Weise Wärme zum externen Wärmetauscher 20, in dem dem Arbeitsgas diese Wärme wieder entzogen wird. Dieser Kreislauf des Arbeitsgases findet nur dann statt, wenn der Rotor eine Winkelstellung einnimmt, in der die öffnungen 14 der Kammern mit den Zuleitungen 15 und den Ableitungen 16 ausgerichtet sind. Dreht sich der Rotor aus dieser Stellung weiter, werden zunächst Ableitungen und Zuleitungen verschlossen, bis nach einer Drehung von 90° wieder eine Ausrichtung der öffnungen 14 der Kammern mit Zuleitungen und Ableitungen erfolgt. Bei dieser Drehung sind die Kammern, die vorher im Magnetfeld lagen, nunmehr in den magnetfeldfreien Bereich gelangt und umgekehrt. Gleichzeitig sind die Kammern, die vorher mit Zuleitungen verbunden waren, nunmehr mit Ableitungen verbunden und umgekehrt. Beim nunmehr wieder einsetzenden Kreislauf des Arbeitsgases erfolgt in gleicher Weise eine Abkühlung des Arbeitsgases, eine Übereinstimmung von Kälteleistung auf das Kältemedium, eine Abfuhr von Wärme aus dem magnetisierten ferromagnetischen Material und eine Abgabe der Wärme im externen Wärmetauscher 20. Dabei haben die ferromagnetischen Materialien in den beiden über die Wärmetauscherleitung 13 miteinander verbundenen Kammern 10 gegenüber der vorherigen Stellung die Rollen getauscht. Nach einer weiteren Umdrehung um 90° tritt erneut ein Tausch der Rollen ein. Die beiden mit ferromagnetischem Material gefüllten Kammern 10, die über eine Wärmeleitung 13 miteinander verbunden sind, bilden somit ein Paar aus, dessen Partner abwechselnd magnetisiert und entmagnetisiert werden, wobei immer ein Partner magnetisiert ist un der andere Partner entmagnetisiert.

Es ist dabei vorteilhaft, daß die Dichtungen 17 sich immer im Hochtemperaturbereich des Arbeitsgases befinden, nämlich einerseits vor der Abkühlung in dem entmagnetisierten ferromagnetischen Material und andererseits nach der Aufwärmung des Arbeitsgases durch das magnetisierte ferromagnetische Material. Im zentralen Kaltbereich des Rotors sind keine Dichtungen notwendig.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform ist im wesentlichen gleich aufgebaut wie der der Fig. 1 und 2, gleiche Teile tragen daher dieselben Bezugszeichen. Im Unterschied zur Anordnung der Fig. 2 weist der Rotor jedoch insgesamt acht über den Umfang gleichmäßig verteilte Kammern 10 auf, wobei jeweils benachbarte Kammern über eine Wärmetauscherleitung 13 miteinander verbunden sind. Dementsprechend sind vier jeweils um 90° gegeneinander versetzte Zuleitungen 15 und vier jeweils um 90° gegeneinander versetzte Ableitungen 16 vorgesehen, außerdem vier ebenfalls jeweils um 90° gegeneinander versetzte Spulen 23 und 24. Durch diese Vervielfachung der Zahl der ferromagnetischen Körper 11 längs des Umfanges und der Magnetfelder längs des Umfanges erfolgt in jedem Paar bei einer Umdrehung des Rotors achtmal eine magnetische Abkühlung, so daß in jeder Wärmetauscherleitung 13 bei einer Umdrehung achtmal Kälteleistung an das Kältemedium abgegeben werden kann. Dadurch wird der Betrieb sehr gleichmäßig gestaltet, d. h. man erhält eine quasi kontinuierliche Kühlung des Kältemediums.

Diese Vervielfachung der magnetischen Körper 11 längs des Umfanges könnte entsprechend fortgesetzt werden, wobei in jedem Falle der Vorteil erhalten bleibt, daß die Dichtungen an der Außenseite des Rotors sich im Warmbereich befinden, während im Kaltbereich keinerlei Dichtungen notwendig sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Patentansprüche ferromagnetische Material hindurchtritt. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn-

1. Vorrichtung zur magnetokalorischen Kälteer- zeichnet, daß die Körper (11) aus ferromagneti-

zeugung mit einem ferromagnetischen Material, schem Material in Rotorkammern (10) angeordnet

welches in einem Rotor längs des Rotorumfanges 5 sind, durch die der Strömungsweg hindurchläuft

in Form von voneinander getrennten Körpern an- und daß zwischen den die beiden Körper (11) eines

geordnet ist, die bei Drehung dieses Rotors ab- Paares aufnehmenden Kammern (10) eine diese

wechselnd in ein ortsfestes Magnetfeld ein- und verbindende, durch die hohle Lagerwelle (6) des

wieder aus diesem austreten, mit einem Kreislauf Rotors (5) führende Wärmetauscherleitung (13) an-

für ein Arbeitsgas, welches nacheinander mit au- io geordnet ist.

ßerhalb des Magnetfeldes angeordneten und da- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn-

durch abgekühlten Körpern aus ferromagneti- zeichnet, daß die Wärmetauscherleitung (13) die

schem Material, einer Kältelast, mit in dem Ma- Form einer Wendel hat. gnetfeld befindlichen und dadurch aufgewärmten

Körpern aus ferromagnetischem Material sowie ei- 15 Beschreibung ner externen Wärmesenke in Wärmetauschkontakt

tritt, und mit an der Umfangsfläche des Rotors ab- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur magnetgedichtet anliegenden Leitungen für das Arbeits- okalorischen Kälteerzeugung mit den im Oberbegriff gas, die abhängig von der Winkelstellung des Ro- des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, tors mit den Körpern in Verbindung stehen, da- 20 Es ist bekannt, daß ferromagnetische Substanzen ab- durch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Körper gekühlt werden, wenn sie aus einem Magnetfeld heraus-(11) durch einen im Rotor (5) angeordneten Strö- gezogen werden. Führt man diesen Prozeß periodisch mungsweg für das Arbeitsgas zu einem Paar ver- durch, kann auf diese Weise eine kontinuierliche Kühbunden sind, der von der Umfangsfläche (18) des lung erhalten werden, wenn es gelingt, die beim Entma-Rotors (5) über einen Wärmekontakt mit dem ei- 25 gnetisieren entstehende Kälteleistung einer Kältelast nem Körper (11) des Paares in die Mitte des Rotors zuzuführen und andererseits die beim anschließenden (5) und von dort über einen Wärmekontakt mit dem Magnetisieren der ferromagnetischen Substanz entsteanderen Körper (11) des Paares wieder zu der Um- hende Wärme abzuführen. In der praktischen Ausfühfangsfläche (18) des Rotors (5) führt, daß der Strö- rung derartiger Anordnungen versucht man, diese mungsweg im Innern des Rotors bei mindestens 30 Übertragung der Wärmemengen durch Arbeitsgas voreiner Winkelstellung des Rotors mit einer das Ar- zunehmen, die man in Wärmekontakt mit den ferromabeitsgas zuführenden Zuleitung und am anderen gnetischen Substanzen strömen läßt. Dabei ergeben Ende mit einer das Arbeitsgas ableitenden Ablei- sich jedoch ganz erhebliche Schwierigkeiten, da die fertung in Verbindung steht, daß jeder Ableitung (16) romagnetischen Substanzen zum Einbringen in das Maein ortsfestes Magnetfeld zugeordnet ist, so daß 35 gnetfeld und zum darauffolgenden Herausziehen aus sich bei dieser Winkelstellung der der Ableitung dem Magnetfeld bewegt werden müssen. Bei tiefen (16) nächst liegende Körper (11) innerhalb, der je- Temperaturen können zuverlässige Dichtungen für das weils andere Körper (11) des Paares dagegen au- Arbeitsgas nur schwer oder gar nicht hergestellt werßerhalb dieses ortsfesten Magnetfeldes befindet, den.

und daß durch eine hohle Lagerwelle (6) des Rotors 40 So ist es beispielsweise bekannt, einen Ring aus ferro-

(5) eine Kühlleitung geführt ist, durch die ein in der magnetischem Material so zu drehen, daß ein Bereich

Mitte des Rotors (5) mit dem Arbeitsgas in Wärme- sich immer in einem stationären Magnetfeld befindet,

kontakt tretendes, als Kältelast wirkendes Kälte- während ein anderer, gegenüberliegender Bereich nicht

medium hindurchströmt. in einem Magnetfeld angeordnet ist. Der Ring besteht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 45 aus einem porösen magnetischen Material, in den ein zeichnet, daß bei einem Paar der Beginn und das Arbeitsgas eingeführt werden kann, welches in den Ring Ende des Strömungsweges einen Umfangswinkel einströmen kann und danach den Ring wieder verläßt.

360 „,.,,.„ , . . Das Arbeitsgas wird dabei so im Kreislauf geführt, daß

von — Grad einschließen, wobei π eine ganze _{es yon einer}°_xternen Wärmesenke zunächst in den feld-Zahl ist, daß längs des Umfanges jeweils η Zuleitun- 50 freien Ringbereich eingeleitet und dort abgekühlt wird,

gen (15) und η Ableitungen (16) gleichmäßig ver- danach mit der Kältelast in Wärmeaustauschkontakt

teilt sind und die Leitungen (15) und Ableitungen tritt, danach in dem Feldbereich des Ringes austritt und

(16) sich abwechseln. . die dort entstandene Wärme aufnimmt und schließlich

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- diese Wärme einer externen Wärmesenke zuführt zeichnet, daß mehrere Zuleitungen (15) und mehre- 55 (US-PS 45 07 927). Obwohl dieses Verfahren theorere Ableitungen (16) miteinander jeweils parallel ge- tisch funktionsfähig erscheint, haben sich bei der praktischaltet sind und mit einer externen Wärmesenke sehen Ausführung aufgrund der auftretenden Dich-(20) in Verbindung stehen. tungsprobleme erhebliche Schwierigkeiten ergeben,

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch insbesondere in dem kalten Bereich, gekennzeichnet, daß die Paare so längs des Umfan- 60 Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße ges des Rotors (5) verteilt sind, daß die Strömungs- Vorrichtung derart weiterzubilden, daß schwierige wege aller Paare gleichzeitig mit den Zu- bzw. Ab- Dichtungsprobleme im Kaltbereich vermieden werden leitungen (15,16) in Verbindung stehen. können.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden An- Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der einspräche, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper 65 gangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die im (11) aus porösem ferromagnetischem Material be- kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen stehen und den Querschnitt des Strömungsweges Merkmale gelöst.

ausfüllen, so daß das Arbeitsgas durch das poröse Durch diese Anordnung wird der gesamte Kreislauf