DE3833251C1

DE3833251C1 - Active magnetic regenerator

Info

Publication number: DE3833251C1
Application number: DE3833251A
Authority: DE
Inventors: Constantin Dr Ing Carpetis
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1990-06-13
Anticipated expiration: 2008-10-01

Abstract

In a method for magnetic cooling by means of a cyclic process a warm medium is caused to flow through a regenerator consisting of ferromagnetic material (active magnetic regenerator) with the regenerator demagnetised, said medium is cooled therein, heat is absorbed from a cold load by means of the cooled medium after passage of the regenerator, and the medium is subsequently guided through the magnetised regenerator and in the process dissipates the magnetising heat of the latter and extracts heat in an upper heat reservoir from the medium after passage of the regenerator. In order to increase the reversibility of this process, it is proposed to use a regenerator whose active mass per length unit along the flow path of the medium in the regenerator decreases from the cold end of the regenerator, which is adjacent to the cold load, to the warm end of the regenerator, which is adjacent to the upper heat reservoir.

Description

Die Erfindung betrifft einen aktiven ferromagnetischen Regenerator mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.The invention relates to an active ferromagnetic Regenerator with the characteristics of the generic term of claim 1.

Ein solcher ferromagnetischer Regenerator ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 35 39 584 bekannt.Such a ferromagnetic regenerator is for example from the German patent 35 39 584 known.

Für die Beschreibung der Wirkungsweise eines solchen aktiven ferromagnetischen Regenerators wird auch verwiesen auf folgende Literaturstelle:For a description of how it works active ferromagnetic regenerator is also referenced to the following literature:

W. Peschka,
"Flüssiger Wasserstoff als Energieträger,
Seiten 47 und 48,
Springer Verlag, Wien, New York, 1984.W. Peschka,
"Liquid hydrogen as an energy source,
Pages 47 and 48,
Springer Verlag, Vienna, New York, 1984.

Bei einem solchen Verfahren arbeitet der aus einem ferromagnetischem Material bestehende aktive magnetische Regenerator zunächst wie ein normaler Regenerator in einem Kreisprozeß, er weist also in Richtung des Strömungsweges einen Temperaturgradienten auf. Derartige normale kryogene Regeneratoren sind beispielsweise bekannt aus "Applied Cryogenic Engineering", Seite 174, John Wiley & Sons, Inc., New York, London, 1962. Wenn der Regenerator aus einem ferromagnetischen Material besteht und als aktiver magnetischer Regenerator eingesetzt wird, wird dieses Material zusätzlich im Takt der Durchströmung mit dem Arbeitsmedium abwechselnd magnetisiert und entmagnetisiert. Wenn das Material magnetisiert ist, wird es vom kalten Ende her angeströmt, wobei das ankommende Arbeitsmedium geringfügig kälter als dieses Ende ist. Die Magnetisierungswärme wird dadurch abgeführt. Diese Betriebsphase wird im folgenden "heiße Phase" genannt. Das Arbeitsmedium gelangt an das warme Ende des Regenerators und ist dabei geringfügig kälter als dieses Ende. Es gibt seine Wärme in einem oberen Wärmereservoir ab. Anschließend wird der Regenerator entmagnetisiert und dadurch abgekühlt. Das Arbeitsmedium wird nach der Wärmeabgabe im oberen Wärmereservoir mit dessen Temperatur nun von der warmen Seite zur kalten Seite des Regenerators durch diesen hindurchgeführt, dabei kühlt sich das Arbeitsmedium entlang des Materialblockes ab. Die Abkühlung entspricht dem Temperaturgradienten zwischen warmem und kaltem Ende des Regenerators, eine zusätzliche Abkühlung ergibt sich durch die aufgrund der Entmagnetisierung eintretende Abkühlung.In such a method, the works from one active magnetic ferromagnetic material Regenerator initially like a normal regenerator in a cycle, so it points in Direction of the flow path a temperature gradient on. Such normal cryogenic regenerators are known for example from "Applied Cryogenic Engineering ", page 174, John Wiley & Sons, Inc., New York, London, 1962. When the regenerator is out a ferromagnetic material and as an active magnetic regenerator is used this material is also in time with the flow alternately magnetized with the working medium and demagnetized. When the material magnetizes the cold end flows towards it, where the incoming working medium is slight is colder than this end. The heat of magnetization is dissipated. This operational phase is called the "hot phase" in the following. The working medium reaches the warm end of the regenerator and is slightly colder than this end. There is heat in an upper heat reservoir from. The regenerator is then demagnetized and thereby cooled. The working medium is after the heat has been given off in the upper heat reservoir whose temperature is now from the warm side to the cold side Side of the regenerator passed through this, the working medium cools down of the material block. The cooling corresponds the temperature gradient between warm and cold End of the regenerator, an additional cooling results from the due to demagnetization cooling occurs.

Die Versuche, den beschriebenen Betrieb möglichst reversibel zu gestalten, haben zu dem Ergebnis geführt, daß längs des Strömungsweges im Regenerator an jeder Stelle das Verhältnis der Temperatur des Regenerators während der heißen Phase und der Temperatur an derselben Stelle während der kalten Phase gleich sein sollte (C. P. Taussig et al. in Proc. of the 4th International Cryocoolers Conference, Easton 1986, Seite 79, "Magnetic Refrigeration base on magnetically active Regeneration; C. R. Cross et al. in Adv. in Cryogenic Engineering, Plenum Press, 1988, S. 767-775, "Optimal Temperature-Entropy-Curves for Magnetic Refrigeration"). Dabei ergibt sich, daß die Isofelden im Entropie-Temperatur-Diagramm des magnetischen Materials eine gewisse lineare Anordnung haben müssen. Für möglichst reversiblen Wärmetransport mit einem Transfermedium, welches eine konstante Wärmekapazität hat, müßte die oben erwähnte Bedingung auch innerhalb der Arbeitsmedienströmung erfüllt sein. Dies ist jedoch nicht möglich, weil die Einzelelemente des aktiven magnetischen Regenerators als Refrigeratoren aktiv sind, anders als bei gewöhnlichen passiven Regeneratoren ist daher der verlangte Ausgleich der übertragenen Leistungen nicht ohne weiteres möglich. Der Grund dafür liegt darin, daß die jeweilige Kälteleistung der sozusagen gemeinsam angetriebenen "elementaren Refrigeratoren" nicht überall mit der von dem Medium reversibel abzuführenden Wärmemenge lokal übereinstimmen kann.The attempts to operate as described reversible, have led to the result that along the flow path in the regenerator at every point the ratio of the temperature of the Regenerator during the hot phase and temperature in the same place during the cold phase should be the same (C. P. Taussig et al. in Proc. of the 4th International Cryocoolers Conference, Easton 1986, page 79, "Magnetic Refrigeration base on magnetically active regeneration; C.R. Cross et al. in Adv. In Cryogenic Engineering, Plenum Press, 1988, Pp. 767-775, "Optimal Temperature-Entropy-Curves for Magnetic Refrigeration "). that the isofelden in the entropy-temperature diagram a certain linear arrangement of the magnetic material need to have. For the most reversible Heat transfer with a transfer medium, which has a constant heat capacity, the above should have mentioned condition also within the working medium flow be fulfilled. However, this is not possible because the individual elements of the active magnetic Regenerators are active as refrigerators, unlike ordinary passive regenerators is therefore the requested compensation of the transferred Services not easily possible. The reason for this lies in the fact that the respective cooling capacity the "elementary, so to speak, driven together Refrigerators "not everywhere with that of the medium Reversible amount of heat to be dissipated locally can match.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen aktiven ferromagnetischen Regenerator vorzuschlagen, mit dem der beschriebene Kreisprozeß möglichst reversibel gestaltet werden kann.It is an object of the invention, a generic propose active ferromagnetic regenerator, with which the cycle described is as reversible as possible can be designed.

Diese Aufgabe wird bei einem aktiven ferromagnetischen Regenerator der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is done with an active ferromagnetic Regenerator of the type described in the opening paragraph of the invention by the characteristic features of claim 1 solved.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß eine solche Zunahme der durchströmten, aktiven Regeneratormasse pro Längeneinheit eine erhebliche Verbesserung der Leistungsanpassung zwischen Arbeitsmedium und Regenerator ermöglicht und somit die Reversibilität des Kreisprozesses verbessert.It has surprisingly been found that such an increase in the flow through the active regenerator mass a significant improvement per unit length the performance adjustment between working medium and regenerator enables reversibility of the cycle improved.

Bei einer vereinfachten Ausgestaltung wird vorgesehen, daß für jeden Strömungsquerschnitt der Entropie- Gradient nach der Temperatur und damit das Produkt aus dem Massengradienten und der Temperatur konstant ist.In a simplified embodiment, it is provided that that for every flow cross-section the entropy Gradient according to the temperature and therefore the product from the mass gradient and the temperature constant is.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt The following description of a preferred embodiment the invention serves in connection with the drawing of the detailed explanation. It shows

Fig. 1 eine schematische Anordnung zur Durchführung des magnetischen Kühlungsprozesses bei Durchströmung des aktiven magnetischen Regenerators vom oberen Wärmereservoir zur Kühllast, Fig. 1 shows a schematic arrangement for carrying out the cooling process in the magnetic flow through the active magnetic regenerator heat from the upper reservoir to the cooling load,

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 bei der Durchströmung des aktiven magnetischen Regenerators in umgekehrter Richtung und Fig. 2 is a representation similar to Fig. 1 in the flow through the active magnetic regenerator in the reverse direction and

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines aktiven magnetischen Regenerators mit über den Strömungsweg vom kalten zum warmen Ende abnehmenden Querschnitt. Fig. 3 is a schematic representation of an active magnetic regenerator with a decreasing cross section over the flow path from the cold to the warm end.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Kreisprozesses umfaßt ein oberes Wärmereservoir 1, von dem über eine Leitung 2 ein gasförmiges oder flüssiges Arbeitsmedium durch einen aktiven ferromagnetischen Regenerator 3 hindurch einem unteren Wärmereservoir 4 zugeführt wird. Das obere Wärmereservoir 1 hat die Temperatur T _W, das untere Wärmereservoir 4 hat die Temperatur T _K. Der aktive magnetische Regenerator 3 weist zwischen seinen Enden einen Temperaturgradienten auf, dieser wird durch die Temperaturen T _W am warmen Ende und T _K am kalten Ende charakterisiert. The device for carrying out the cycle comprises an upper heat reservoir 1 , from which a gaseous or liquid working medium is fed through a line 2 through an active ferromagnetic regenerator 3 to a lower heat reservoir 4 . The upper heat reservoir 1 has the temperature T _W , the lower heat reservoir 4 has the temperature T _K. The active magnetic regenerator 3 has a temperature gradient between its ends, which is characterized by the temperatures T _W at the warm end and T _K at the cold end.

Der aktive magnetische Regenerator besteht aus einem ferromagnetischen Material, das abwechselnd magnetisiert und entmagnetisiert werden kann, entweder durch Ein- und Ausschalten eines Magnetfeldes oder durch die räumliche Bewegung des aktiven magnetischen Regenerators in ein Magnetfeld bzw. aus diesem heraus.The active magnetic regenerator consists of a ferromagnetic material that alternately magnetizes and can be demagnetized, either by Switching a magnetic field on and off or by the spatial movement of the active magnetic regenerator into or out of a magnetic field.

In der ersten in Fig. 1 dargestellten Betriebsweise ist das Material des aktiven magnetischen Regenerators entmagnetisiert, dadurch kühlt sich der aktive magnetische Regenerator um die Temperatur Δ T _K ab. Dies ist in der Fig. 1 durch die Temperaturen am warmen bzw. kalten Ende angedeutet. In dieser ersten Betriebsphase wird ein gasförmiges oder flüssiges Arbeitsmedium, beispielsweise Heliumgas, vom oberen Wärmereservoir mit der Temperatur T _W durch den aktiven magnetischen Regenerator hindurchgeleitet und dabei auf eine Temperatur abgekühlt, die der Temperatur T _K-Δ T _K am kalten Ende des aktiven magnetischen Regenerators entspricht. Das Arbeitsmedium erreicht somit das untere Wärmereservoir 4 mit einer Temperatur, die unter dessen Temperatur T _K liegt, und nimmt in diesem unteren Wärmereservoir die Wärmemenge Q _K auf, die somit einer Kühllast entzogen wird.In the first in Fig. 1 illustrated operation of the material of the active magnetic regenerator is demagnetised, thereby the active magnetic regenerator is cooled to the temperature of Δ T _K off. This is indicated in FIG. 1 by the temperatures at the warm or cold end. In this first operating phase, a gaseous or liquid working medium, for example helium gas, is passed from the upper heat reservoir with the temperature T _W through the active magnetic regenerator and thereby cooled to a temperature which is the temperature T _K - Δ T _K at the cold end of the active magnetic Corresponds to the regenerator. The working medium thus reaches the lower heat reservoir 4 at a temperature which is below its temperature T _K , and absorbs the amount of heat Q _K in this lower heat reservoir, which is thus removed from a cooling load.

In einer zweiten in Fig. 2 dargestellten Betriebsphase wird der aktive magnetische Regenerator magnetisiert. Dadurch steigt seine Temperatur gegenüber den Temperaturen T _W und T _K, die sich ohne Magnetisierungsvorgänge einstellen würden, um den Betrag Δ T _W an, dies ist in Fig. 2 angedeutet. Nach der Magnetisierung wird das Arbeitsmedium vom unteren Wärmereservoir 4 wieder durch den aktiven magnetischen Regenerator hindurch zum oberen Wärmereservoir 1 geführt, dabei kühlt das Arbeitsmedium den aktiven magnetischen Regenerator ab, es nimmt also die bei der Magnetisierung entstandene Wärme mit und gibt diese im oberen Wärmereservoir 1 bei der Temperatur T _W als Wärmemenge Q _W ab. Danach beginnt der Zyklus von neuem, nachdem der aktive magnetische Regenerator entmagnetisiert ist.In a second operating phase shown in FIG. 2, the active magnetic regenerator is magnetized. As a result, its temperature rises by the amount Δ T _W compared to the temperatures T _W and T _K , which would occur without magnetization processes, this is indicated in FIG. 2. After the magnetization, the working medium is again led from the lower heat reservoir 4 through the active magnetic regenerator to the upper heat reservoir 1 , the working medium cools the active magnetic regenerator, so it takes the heat generated during magnetization with it and releases it in the upper heat reservoir 1 at the temperature T _W as the amount of heat Q _W. The cycle then begins again after the active magnetic regenerator is demagnetized.

Wie aus der Darstellung der Fig. 3 ersichtlich wird, ist die Masse des aktiven magnetischen Materials des Regenerators von der warmen zur kalten Seite hin so gewählt, daß pro Längeneinheit auf der warmen Seite die Masse geringer ist als auf der kalten Seite. Dies kann durch eine geeignete Abnahme des Querschnitts von der kalten zur warmen Seite hin erreicht werden, möglich wäre auch eine kontinuierliche oder stufenweise Abnahme der Dichte des magnetischen Materials im Regenerator von der kalten zur warmen Seite hin.As can be seen from the illustration in FIG. 3, the mass of the active magnetic material of the regenerator is chosen from the warm to the cold side so that the mass per unit length on the warm side is less than on the cold side. This can be achieved by a suitable decrease in the cross section from the cold to the warm side, or a continuous or step-wise decrease in the density of the magnetic material in the regenerator from the cold to the warm side would also be possible.

In Fig. 3 ist der aktive magnetische Regenerator in einzelne Schichten unterteilt, und zwei Schichten an den Positionen x₁ und x₂ sind durch Schraffur herausgehoben.In Fig. 3, the active magnetic regenerator is divided into individual layers, and two layers at the positions x ₁ and x ₂ are highlighted by hatching.

Um eine optimale Reversibilität des oben beschriebenen Prozesses zu erreichen, sollte die Verteilung der Regeneratormasse M längs des Strömungsweges x so gewählt werden, daß folgende Beziehung giltIn order to achieve optimal reversibility of the process described above, the distribution of the regenerator mass M along the flow path x should be chosen such that the following relationship applies

Die Massen der beiden schraffierten Schichten sollten also den jeweiligen Temperaturen in diesen Schichten umgekehrt proportional sein.The masses of the two hatched layers should be the respective temperatures in these layers be inversely proportional.

Diese Beziehung gilt dann, wenn die Entropie des magnetischen Materials eine lineare Funktion der Temperatur ist, wenn dies nicht der Fall ist, muß die obige Beziehung folgendermaßen korrigiert werden.This relationship holds when the entropy of the magnetic Material is a linear function of temperature If this is not the case, the above Relationship can be corrected as follows.

ist dabei die Steigung der Entropiekurve im Entropie-Temperaturdiagramm für die Verhältnisse, die am Ort x₂ gelten,is the slope of the entropy curve in the entropy temperature diagram for the conditions that apply at location x ₂,

die entsprechende Größe an der Stelle x₁. Es wird also die in der Formel (1) genannte Beziehung dadurch modifiziert, daß die absoluten Temperaturen jeweils mit der Steigung der Entropiekurve im S-T-Diagramm für den jeweils geltenden Ort multipliziert werden.the corresponding size at the point x ₁. The relationship mentioned in formula (1) is modified by multiplying the absolute temperatures by the slope of the entropy curve in the ST diagram for the applicable location.

Claims

1. Active ferromagnetic regenerator, which flows through a working medium and is alternately magnetized and demagnetized in a cycle, the working medium flowing through the magnetized regenerator at the beginning of the cycle in the direction of a heat exchanger and thereby giving off the magnetizing heat to this heat exchanger, then through the demagnetized regenerator flows and is cooled, subsequently absorbs heat from the cooling load and finally flows back to the magnetized regenerator, characterized in that the total active regenerator mass flowed through by the working medium per unit length along the flow path from the warm to the cold end of the regenerator increases in such a way that lengthways of the flow path for each flow cross-section the product of the mass gradient in the direction of the flow path, of the temperature and of the entropy gradient is constant according to the temperature.

2. Regenerator according to claim 1, characterized in that for each flow cross section the En tropic gradient according to the temperature and thus that Product of the mass gradient and the temperature is constant.