DE3843065A1 - Method and apparatus for the generation of cold by means of a magneto caloric cyclic process - Google Patents

Method and apparatus for the generation of cold by means of a magneto caloric cyclic process

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Abstract

In a process for the generation of cold by means of a magneto caloric cyclic process, a pressurised fluid conveyed in circulation between a heat sink and a heat source is brought into heat contact with a plurality of magnetic materials arranged in steps. At the same time, the fluid, coming from the heat sink, is cooled in stepped contact, a part stream of the fluid quantity being branched off after each step. After heat exchange with the heat source, the fluid is heated again in the opposite direction, with the branched-off part streams being admixed in steps. The process can be used for liquifying the fluid, in that the fluid quantity cooled in the lowest step is expanded so as to generate cold. Hydrogen or helium gas, for example, can serve as fluids.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung durch einen magnetokalorischen Kreisprozeß, bei welchem ein im Kreislauf geführtes Fluid, das im Wärmeaustausch steht mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, in Wärmekontakt mit mehreren stufenweise angeordneten magnetischen Materialien gebracht wird, die sich jeweils in der Nähe ihrer Curietemperatur befinden, sowie die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Verflüssigung tiefsiedender Gase.The invention relates to a method and a device for the generation of cold by a magnetocaloric Circular process in which a circulated Fluid that is in heat exchange with a heat source and a heat sink, in thermal contact with several graded magnetic materials brought, which are each close to their Curie temperature, as well as the application of the Process and apparatus for liquefaction low-boiling gases.

Die Kälteerzeugung mittels magnetokalorischem Kreisprozeß nutzt den bekannten physikalischen Effekt, daß sich ein magnetisierbares Material durch Einbringen in ein ausreichend hohes Magnetfeld um einen bestimmten Betrag erwärmt und nach Entfernung des Magnetfelds um den gleichen Betrag wieder abkühlt. Dieser Effekt kann zum Wärmetransport von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke herangezogen werden, indem ein Fluid in einem Kreislauf, bei dem das magnetische Material abwechselnd magnetisiert und entmagnetisiert wird, in wärmeübertragendem Kontakt mit dem magnetischen Material gebracht wird. Die Wärmequelle befindet sich dabei auf der kalten Prozeßseite, während die Wärmesenke auf der warmen Seite liegt.The generation of cold by means of a magnetocaloric cycle uses the known physical effect that a magnetizable material by inserting it into a sufficiently high magnetic field by a certain amount warmed and after removal of the magnetic field around the the same amount cools down again. This effect can Heat transfer from a heat source to a heat sink can be used by a fluid in a circuit, in which the magnetic material alternately magnetizes  and is demagnetized in heat transfer contact brought with the magnetic material. The The heat source is on the cold one Process side while the heat sink is on the warm side lies.

Besonders groß sind die durch ein bestimmtes Magnetfeld hervorgerufenen Temperaturänderungen von magnetischen Materialien in der Nähe ihrer Curietemperaturen. Unter der Curietemperatur eines magnetisierbaren Materials versteht man die Temperatur oberhalb der ein ferromagnetisches Material in den paramagnetischen Zustand wechselt.They are particularly large due to a certain magnetic field induced temperature changes of magnetic Materials close to their Curie temperatures. Under the Curie temperature of a magnetizable material one understands the temperature above the one ferromagnetic material in the paramagnetic State changes.

Ein magnetokalorischer Kreisprozeß arbeitet daher besonders effizient, wenn die zu überbrückenden Temperaturen sich in der Nähe der Curietemperatur des verwendeten magnetischen Materials befinden.A magnetocaloric cycle therefore works particularly efficient when the ones to be bridged Temperatures close to the Curie temperature of the used magnetic material.

Ein Verfahren zur Kälteerzeugung mittels magnetokalorischem Kreisprozeß ist aus der US-PS 43 32 135 bekannt. Dort werden in Schichten angeordnete poröse magnetische Materialien in zyklischem Wechsel magnetisiert und entmagnetisiert, wobei sie zu bestimmten Zyklusabschnitten in Wärmekontakt mit einem Fluid gebracht werden, das Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke transportiert. Dabei werden die nach abnehmender Curietemperatur gestaffelt angeordneten magnetischen Materialien während eines Zyklusabschnitts durch hindurchströmendes Fluid erwärmt, wodurch gleichzeitig das Fluid stufenweise abgekühlt wird und daraufhin Wärme von der Wärmequelle aufnehmen kann. In einem weiteren Zyklusabschnitt wird das nun von der kalten Seite herkommende Fluid in Wärmekontakt mit den Schichten porösen magnetischen Materials stufenweise erwärmt und gibt seine Wärme an die Wärmesenke ab. Dadurch erfolgt eine Abkühlung auf die Ausgangstemperatur und der Zyklus kann von neuem beginnen.A method of using refrigeration magnetocaloric cycle is from the US-PS 43 32 135 known. There are arranged in layers cyclic porous magnetic materials magnetized and demagnetized, taking them to certain Cycle sections in thermal contact with a fluid brought that heat from one heat source to another Heat sink transported. The are after decreasing Curie temperature staggered magnetic materials during a cycle section heated by flowing fluid, whereby at the same time the fluid is gradually cooled and can then absorb heat from the heat source. In a further cycle section, this is now from the  cold coming fluid in thermal contact with the Layers of porous magnetic material gradually warms and releases its heat to the heat sink. This cools down to the initial temperature and the cycle can start again.

Das bekannte Verfahren hat durch die Verwendung mehrerer, nach ihrer Curietemperatur gestaffelt angeordneter, magnetischer Materialien bereits einen Fortschritt gegenüber der Verwendung eines einzigen magnetischen Materials gebracht, da mit einem Zyklus ein größeres Temperaturintervall, hier 300K bis 20K, überbrückbar ist. In Zusammenhang mit der technischen Anwendung obengenannten Verfahrens treten jedoch folgende Probleme auf:The known method has the use of several, staggered according to their Curie temperature, magnetic materials are already making progress versus using a single magnetic Materials brought, because with a cycle a larger one Temperature interval, here 300K to 20K, can be bridged is. In connection with the technical application However, the above-mentioned method has the following problems on:

  • 1. Die Wärmeleitung innerhalb und zwischen den Schichten magnetischen Materials führt zu Verlusten.1. The heat conduction inside and between the layers magnetic material leads to losses.
  • 2. Die spezifische Wärme des Fluids ändert sich relativ wenig mit der Temperatur, während die spezifische Wärme von Festkörpern speziell für Temperaturen unter 100K mit steigender Temperatur stark zunimmt, wodurch eine optimale Anpassung der zwischen Fluid und magnetischem Material auszutauschenden Wärme erschwert wird.2. The specific heat of the fluid changes relatively little with the temperature, while the specific Heat from solids especially for temperatures below 100K increases sharply with increasing temperature, which allows an optimal adjustment of the between fluid and heat to exchange magnetic material is difficult.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren des eingangs geschilderten Standes der Technik so abzuwandeln, daß eine deutliche Verbesserung der Wärmeübertragung im magnetokalorischen Kreisprozeß möglich ist. The present invention is based on the object the procedure of the state of the Modify technology so that a significant improvement heat transfer in the magnetocaloric cycle is possible.  

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß, indemThis object is achieved according to the invention by

  • a) das von der Wärmesenke herkommende unter Druck stehende Fluid in stufenweisem Kontakt mit den nach abnehmender Curietemperatur geordneten magnetischen Materialien abgekühlt wird, wobei nach jeder Stufe ein Teilstrom der darin abgekühlten Fluidmenge abgezweigt wird, unda) that coming from the heat sink under pressure fluid in gradual contact with the decreasing Curie temperature ordered magnetic Materials are cooled, after each stage a partial flow of the amount of fluid cooled therein is branched off, and
  • b) die abgezweigten Teilströme in umgekehrter Reihenfolge mit von der Wärmequelle herkommendem Fluid stufenweise zusammengeführt und in Gegenrichtung in Kontakt mit den magnetischen Materialien erwärmt werden.b) the branched partial flows in reverse Order with what comes from the heat source Fluid gradually merged and in Opposite direction in contact with the magnetic Materials are heated.

Das erfindungsgemäße Vorgehen hat zur Folge, daß die magnetischen Materialen der höheren, wärmeren Stufen mit größeren Fluidmengen in thermischem Kontakt treten als die magnetischen Materialien der unteren Stufen. Die Möglichkeit die Fluidströme, mit denen die magnetischen Materialien in stufenweisen Kontakt treten, an die speziellen Eigenschaften des magnetischen Materials anpassen zu können, erlaubt eine Optimierung der Wärmeübertragung und damit eine Wirkungsgradverbesserung. Als Fluide kommen jegliche Art von Gasen und Flüssigkeiten in Betracht, die eine Wärmeübertragung im gewünschten Temperaturintervall ermöglichen.The result of the procedure according to the invention is that the magnetic materials of the higher, warmer levels with larger quantities of fluid come into thermal contact than the magnetic materials of the lower levels. The Possibility of fluid flows with which the magnetic Step by step materials to which special properties of the magnetic material being able to adapt allows an optimization of the Heat transfer and thus an improvement in efficiency. All kinds of gases and come as fluids Liquids are considered that heat transfer in the enable the desired temperature interval.

Die Erfindung ausgestaltend wird als Fluid ein Gas verwendet, welches unter überkritischem Druck steht.The invention is embodied as a gas as a fluid used, which is under supercritical pressure.

Die Verwendung eines unter überkritischem Druck stehenden Gases als Wärmetauschfluid hat den Vorteil, daß ein guter Transport relativ großer Wärmemengen möglich ist und gleichzeitig unerwünschte etwaige Bildung von Flüssigphase vermieden wird. Die Bildung von Flüssigphase des wärmetauschenden gasförmigen Fluids würde eine empfindliche Störung des Prozeßgleichgewichts bewirken.The use of a supercritical pressure Gases as heat exchange fluid has the advantage of being a good one Transport of relatively large amounts of heat is possible and at the same time undesirable possible formation of  Liquid phase is avoided. The formation of liquid phase of the heat exchanging gaseous fluid would be one cause sensitive disturbance of the process balance.

Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften eignen sich zur Erzeugung tiefster Temperaturen besonders die Gase Helium, Wasserstoff und Neon.Due to their physical properties are suitable especially the gases to generate the lowest temperatures Helium, hydrogen and neon.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kälteerzeugung kann zweckmäßig zu einem Verfahren für die Verflüssigung eines tiefsiedenden Gases erweitert werden. Dazu wird, die Erfindung weiterbildend, das zu verflüssigende Gas als Fluid verwendet, wobei es in stufenweisem Kontakt mit den magnetischen Materialien abgekühlt und anschließend kälteleistend entspannt und dabei mindestens teilweise verflüssigt wird.The inventive method for refrigeration can useful for a process for the liquefaction of a low-boiling gas can be expanded. This will be the Developing the invention, the gas to be liquefied as Fluid used, being in gradual contact with the cooled magnetic materials and then cold-relaxing and at least partially is liquefied.

Das sich nach der kälteleistenden Entspannung bildende gasförmige Fluid kann als Kältemedium in anderen Teilen des Prozesses dienen und nach seiner dortigen Anwärmung zusammen mit dem Einsatzgas rückverflüssigt werden.The one that forms after the cooling relief gaseous fluid can act as a refrigerant in other parts serve the process and after it has warmed up be liquefied together with the feed gas.

Dieses Verflüssigungsverfahren empfiehlt sich besonders für die Gase Helium, Wasserstoff und Neon, da deren Drücke am kritischen Punkt nicht allzu hoch sind und deshalb keine besonderen Vorkehrungen zur Abdichtung der Prozeßanlage notwendig sind.This liquefaction process is particularly recommended for the gases helium, hydrogen and neon, since their Pressures at the critical point are not too high and therefore no special precautions to seal the Process plant are necessary.

Als besonders günstiger Arbeitsbereich hat sich das Temperaturintervall zwischen 77K und 20K erwiesen. This has proven to be a particularly cheap work area Temperature interval between 77K and 20K proven.  

Von Vorteil ist hierbei die Verwendung von flüssigem Stickstoff als Wärmesenke, da dieser in der Regel problemlos verfügbar ist. Seine Herstellung kann durch konventionelle N2-Verflüssigung oder ebenfalls mittels eines eigenen separaten magnetokalorischen Kreisprozesses erfolgen, welcher auf die speziellen Arbeitsbedingungen der Stickstoff-Verflüssigung ausgelegt ist. Der durch den indirekten Wärmetausch mit "warmem" Helium- oder Wasserstoffgas verdampfende Stickstoff wird in seinen separaten Verflüssigungsprozeß zurückgeleitet, der analog der erfindungsgemäßen Helium/Wasserstoff-Verflüssigung arbeitet.The use of liquid nitrogen as a heat sink is advantageous here, since this is generally readily available. It can be produced by conventional N 2 liquefaction or also by means of a separate magnetocaloric cycle, which is designed for the special working conditions of nitrogen liquefaction. The nitrogen evaporating through the indirect heat exchange with "warm" helium or hydrogen gas is returned to its separate liquefaction process, which works analogously to the helium / hydrogen liquefaction according to the invention.

In Ausgestaltung der Erfindung wird damit vorgeschlagen, separate magnetokalorische Kreisprozesse derart hintereinanderzuschalten, daß die Wärmesenke des einen Prozesses durch verflüssigtes Fluid der nächsthöheren Stufe gespeist wird.In an embodiment of the invention it is proposed separate magnetocaloric circular processes like this to connect in series that the heat sink of one Process by liquefied fluid of the next higher Stage is fed.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt eine Wärmesenke und eine Wärmequelle, einen mit diesen in Wärmeaustausch stehenden Fluidkreislauf, einen oder mehrere Magneten zur Magnetfelderzeugung sowie separat angeordnetes magnetisches Material, das in Wärmekontakt mit dem Fluid steht.The device for performing the method comprises a heat sink and a heat source, one with these in Heat exchange fluid circuit, one or several magnets for generating magnetic fields and separately arranged magnetic material that is in thermal contact with the fluid.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die magnetischen Materialien so angeordnet sind, daß die Temperatur, die ein magnetisches Material nach seiner Magnetisierung besitzt in der Nähe der Curietemperatur des magnetischen Materials der darüberliegenden Stufe liegt, und die Temperatur, die das magnetische Material nach seiner Entmagnetisierung besitzt, in der Nähe der Curietemperatur des magnetischen Materials der darunterliegenden Stufe liegt. The device according to the invention is characterized by this from that the magnetic materials are arranged so that the temperature that a magnetic material is after possesses its magnetization near the Curie temperature of the magnetic material of the level above, and the temperature that the magnetic material after its demagnetization owns, near the Curie temperature of the magnetic Material of the level below.  

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Materialien wird zweierlei bewirkt. Einerseits gewährt das zahnradartige Ineinandergreifen der Arbeitstemperaturen der Materialien, daß das in Wärmekontakt tretende Fluid kontinuierlich abgekühlt werden kann. Andererseits werden die abgezweigten Teilströme immer mit anzuwärmendem Fluid der gleichen Temperatur vermischt, was ebenfalls einen kontinuierlichen Prozeß der Temperaturerhöhung des Fluids über die gesamte Anordnung der Materialien gewährleistet.Due to the arrangement of the materials according to the invention does two things. On the one hand, this allows gear-like Meshing of the working temperatures of the Materials that the fluid coming into thermal contact can be cooled continuously. On the other hand the branched partial streams always with fluid to be heated mixed at the same temperature, which is also a continuous process of increasing the temperature of the fluid guaranteed over the entire arrangement of materials.

Es ist zweckmäßig vorzusehen, das magnetische Material räumlich getrennt, mit Abstand voneinander anzuordnen.It is advisable to provide the magnetic material spatially separated, spaced apart.

Diese Vorrichtungsausgestaltung ermöglicht bequem den Abzug bzw. die Zumischung der Teilströme. Sie hat noch einen weiteren Vorteil, da die magnetischen Materialien untereinander nicht mehr in unmittelbaren Kontakt kommen, sondern nur noch Wärmekontakt über das Fluid besteht. Damit werden Störeinflüsse durch Wärmeleitung entlang der Anordnung unterbunden.This device design conveniently enables the Deduction or admixing of the partial flows. She still has another advantage because of the magnetic materials no longer come into direct contact with each other, but only thermal contact via the fluid. This eliminates interference from heat conduction along the Order prevented.

Weiterhin ist vorgesehen, jedem magnetischen Material eine eigene Magnetfelderzeugung zuzuordnen.It also provides any magnetic material assign your own magnetic field generation.

Diese Ausgestaltung ermöglicht eine optimale Anpassung des Magnetfeldes an die Arbeitstemperatur des jeweiligen magnetischen Materials.This configuration enables optimal adaptation of the magnetic field to the working temperature of the respective magnetic material.

Das magnetische Material wird bevorzugt so angeordnet, daß mit abnehmender Curietemperatur das vom Fluid durchströmte Volumen reduziert wird.The magnetic material is preferably arranged that with decreasing Curie temperature that of the fluid volume flow is reduced.

Das erfindungsgemäße Verfahren sei im folgenden anhand der schematischen Fig. 1a und 1b sowie Fig. 2 beschrieben.The method according to the invention is described below with reference to the schematic FIGS. 1a and 1b and FIG. 2.

Fig. 1a zeigt das Entropie/Temperatur-Diagramm eines sogenannten Brayton-Zyklus unter Verwendung einer Monoschicht magnetischen Materials. Beim Brayton-Zyklus werden folgende Abschnitte durchlaufen: FIG. 1a shows the entropy / temperature diagram of a so-called Brayton cycle using a single layer of magnetic material. The Brayton cycle goes through the following sections:

I-II: Das magnetische Material wird durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes adiabatisch magnetisiert, was sich in einer Temperaturerhöhung äußert.I-II: The magnetic material is created by applying of an external magnetic field adiabatic magnetizes what's in a Temperature increase expresses.

II-III: Das sich weiterhin im Hochfeld-Bereich H max befindende Material wird mit, von der kalten Seite (Wärmequelle) kommendem, Fluid gekühlt, das sich dabei gleichzeitig erwärmt.II-III: The material still in the high field area H max is cooled with fluid coming from the cold side (heat source), which heats up at the same time.

III-IV: Eine weitere Abkühlung durch adiabatische Entmagnetisierung schließt sich an.III-IV: Another cooling by adiabatic Demagnetization follows.

IV-I: Das sich im Niedrigfeld Bereich H min befindende magnetische Material wird mit Fluid, von der warmen Seite (Wärmesenke) kommend, erwärmt, wodurch sich das Fluid abkühlt.IV-I: The magnetic material located in the low field area H min is heated with fluid coming from the warm side (heat sink), as a result of which the fluid cools down.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehrere Schichten magnetischen Materials so angeordnet, daß ihre Arbeitstemperaturen einen kontinuierlichen Wärmeübergang an das Fluid ermöglichen. Eine derartige Anordnung zeigt Fig. 1b. To carry out the method according to the invention, several layers of magnetic material are arranged in such a way that their working temperatures enable continuous heat transfer to the fluid. Such an arrangement is shown in Fig. 1b.

In Fig. 1b sind mehrere Schichten magnetischen Materials, welche jeweils einen Brayton-Zyklus durchlaufen, mit abnehmender Curietemperatur gestaffelt angeordnet. Eine Ausnahme davon können die oberste und unterste Schicht (hier nicht dargestellt) bilden, da sie sich ohne besondere Vorkehrungen ständig mit wärmetauschendem Fluid in Kontakt befinden, was zu einem isothermen Wärmeaustausch führt. Mit dieser Anordnung läßt sich der nachfolgend beschriebene Wärmetauschzyklus durchlaufen. Das von der Wärmesenke herkommende Fluid 5 wird in stufenweisem Kontakt 5′, 5′′ etc. mit den sich im Niedrigfeld-Bereich befindenden Materialien, die sich im Gegenstrom zum Fluid bewegen, abgekühlt. Nach Durchgang jeder Schicht wird ein Teilstrom des Fluidstromes abgezweigt 6, 6′, 6′′ etc. Das aus der letzten Stufe austretende Fluid gibt im Wärmeaustausch mit der Wärmequelle seinen Kälteinhalt ab und wird in Gegenrichtung in stufenweisem Kontakt 7, 7′, 7′′ etc. mit im Hochfeld-Bereich befindlichen magnetischen Materialien wieder erwärmt. Dabei werden die vorher abgezweigten Teilströme nach jeder Stufe sukzessive mit dem anzuwärmenden Fluidstrom zusammengeführt. So bildet beispielsweise Teilstrom 6′ zusammen mit Fluidstrom 7′′ den Fluidstrom 7′.In FIG. 1b, several layers of magnetic material, each of which goes through a Brayton cycle, are staggered with decreasing Curie temperature. An exception to this can be the top and bottom layers (not shown here) because they are in constant contact with heat-exchanging fluid without special precautions, which leads to an isothermal heat exchange. With this arrangement, the heat exchange cycle described below can be run through. The fluid 5 coming from the heat sink is cooled in step-wise contact 5 ', 5 ''etc. with the materials located in the low field area, which move in countercurrent to the fluid. After passing through each layer, a partial flow of the fluid flow is branched off 6, 6 ', 6'' etc. The fluid emerging from the last stage releases its cold content in heat exchange with the heat source and is in the opposite direction in step-by-step contact 7 , 7 ', 7 ''Etc. reheated with magnetic materials located in the high field area. The previously branched off partial streams are successively combined with the fluid stream to be heated after each stage. For example, partial flow 6 'together with fluid flow 7 ''forms the fluid flow 7 '.

Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gleichzeitigen Verflüssigung des wärmetauschenden Fluids. Das zu verflüssigende gasförmige Fluid, beispielsweise Helium, Neon oder, bei zusätzlichem Einbau von Ortho-Para-Wandlern, Wasserstoff 1 wird in zwei Stufen C 1 und C 2 auf überkritischen Druck komprimiert, wobei vor der ersten bzw. zweiten Kompression aus dem magnetokalorischen Anlagenteil MC kommende Fluidströme 2 und 3 zugespeist werden. Der komprimierte gasförmige Fluidstrom 4 wird danach in indirektem Wärmetausch E 1 und E 2 mit Strömen, die den magnetokalorischen Anlagenteil verlassen, abgekühlt. Der Fluidstrom wird nun in Wärmekontakt mit den magnetischen Materialien in stufenweisem Kontakt 5, 5′, 5′′ etc. bis in die Nähe seines Siedepunktes (bei ca. 1 bar) abgekühlt. Dabei werden die Teilströme 6, 6′, 6′′ etc. nach jeder Stufe abgezweigt. Das in letzter Wärmekontaktstufe anfallende Fluid 8 wird in einem Drosselventil V entspannt und teilweise verflüssigt. Der flüssige Anteil 9 wird in einem geeigneten Behälter T gespeichert. Der gasförmige Anteil 10 wird rückgeführt und dient dabei zum Ausgleich von Wärmeverlusten im magnetokalorischen Anlagenteil MC und in indirektem Wärmetausch in E 2 und E 1 der Vorkühlung des abzukühlenden Fluidstromes 4, bevor er dem zu verflüssigenden Fluid wieder zugemischt wird. Die abgezweigten Teilströme 6, 6′, 6′′ etc. werden dem anzuwärmenden Fluid sukzessive unter Bildung des Fluidstromes 7′′, 7′, 7 wieder zugemischt und nach indirektem Wärmetausch in E 2 und E 1 dem zu komprimierenden Fluidstrom zugeleitet. Zur Vorkühlung E 2 und als Wärmesenke des magnetokalorischen Anlagenteils MC findet eine Flüssigkeit 12 Verwendung, die nahe dem oberen Temperaturniveau des magnetokalorischen Anlagenteils siedet und von diesem Wärme aufnehmen kann. Bei der Verflüssigung von Helium oder Wasserstoff entsprechend der Erfindung eignet sich beispielsweise flüssiger Stickstoff. Der sich bildende Dampf 13 dient im Wärmetauscher E 1 der weiteren Vorkühlung, wobei er auf Umgebungstemperatur angewärmt wird. Dieser warme Strom 14 kann in einer eigenen Verflüssigungsanlage nach konventionellem oder magnetokalorischem Prinzip rückverflüssigt werden. Fig. 2 shows the schematic structure of the inventive method for simultaneous liquefaction of the heat exchanging fluid. The gaseous fluid to be liquefied, for example helium, neon or, if ortho-para converters are additionally installed, hydrogen 1 is compressed to supercritical pressure in two stages C 1 and C 2 , with the first or second compression from the magnetocaloric system part MC coming fluid streams 2 and 3 are fed. The compressed gaseous fluid stream 4 is then cooled in indirect heat exchange E 1 and E 2 with streams that leave the magnetocaloric part of the system. The fluid flow is now cooled in thermal contact with the magnetic materials in step-wise contact 5 , 5 ', 5 ''etc. to near its boiling point (at about 1 bar). The substreams 6 , 6 ', 6 ''etc. are branched off after each stage. The fluid 8 obtained in the last heat contact stage is expanded in a throttle valve V and partially liquefied. The liquid portion 9 is stored in a suitable container T. The gaseous fraction 10 is recycled and is used to compensate for heat losses in the magnetocaloric plant part MC and in indirect heat exchange in E 2 and E 1 of the pre-cooling of the fluid stream 4 to be cooled, before it is mixed again with the fluid to be liquefied. The branched partial streams 6 , 6 ', 6 ''etc. are gradually mixed again with the fluid to be heated to form the fluid stream 7 '', 7 ', 7 and fed to the fluid stream to be compressed after indirect heat exchange in E 2 and E 1 . For pre-cooling E 2 and as a heat sink of the magnetocaloric system part MC , a liquid 12 is used which boils near the upper temperature level of the magnetocaloric system part and can absorb heat from it. For the liquefaction of helium or hydrogen according to the invention, liquid nitrogen, for example, is suitable. The steam 13 which forms serves in the heat exchanger E 1 for further pre-cooling, it being warmed to ambient temperature. This warm stream 14 can be re-liquefied in a separate liquefaction plant according to the conventional or magnetocaloric principle.

Claims (11)

1. Verfahren zur Kälteerzeugung durch einen magnetokalorischen Kreisprozeß, bei welchem ein im Kreislauf geführtes Fluid, das in Wärmeaustausch steht mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, in Kontakt mit mehreren stufenweise angeordneten magnetischen Materialien gebracht wird, die sich jeweils in der Nähe ihrer Curietemperatur befinden, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) das von der Wärmesenke herkommende unter Druck stehende Fluid in stufenweisem Kontakt mit den nach abnehmender Curietemperatur geordneten magnetischen Materialien abgekühlt wird, wobei nach jeder Stufe ein Teilstrom der darin abgekühlten Fluidmenge abgezweigt wird, und
  • b) die abgezweigten Teilströme in umgekehrter Reihenfolge mit von der Wärmequelle herkommendem Fluid stufenweise zusammengeführt und in Gegenrichtung in Kontakt mit den magnetischen Materialien erwärmt werden.
1. A method of generating cold by means of a magnetocaloric cycle, in which a circulating fluid which is in heat exchange with a heat source and a heat sink is brought into contact with a plurality of stepwise arranged magnetic materials which are each close to their Curie temperature, characterized in that
  • a) the pressurized fluid coming from the heat sink is cooled in step-by-step contact with the magnetic materials ordered according to decreasing Curie temperature, with a partial flow of the amount of fluid cooled therein being branched off after each step, and
  • b) the branched partial streams are merged in reverse order with the fluid coming from the heat source and heated in the opposite direction in contact with the magnetic materials.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid ein Gas verwendet wird, welches unter überkritischem Druck steht. 2. The method according to claim 1, characterized in that that a gas is used as the fluid, which under supercritical pressure.   3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid gasförmiges Helium verwendet wird.3. The method according to claims 1 or 2, characterized characterized in that the fluid is gaseous helium is used. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid gasförmiger Wasserstoff verwendet wird.4. The method according to claims 1 or 2, characterized characterized in that the fluid is gaseous Hydrogen is used. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid gasförmiges Neon verwendet wird.5. The method according to claims 1 or 2, characterized characterized in that as a fluid gaseous neon is used. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur gleichzeitigen Verflüssigung eines tiefsiedenden Gases, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verflüssigende Gas als Fluid verwendet wird, wobei es in stufenweisem Kontakt mit den magnetischen Materialien abgekühlt und anschließend kälteleistend entspannt und dabei mindestens teilweise verflüssigt wird.6. The method according to claims 1 to 5 for simultaneous liquefaction of a low-boiling Gases, characterized in that the too liquefying gas is used as the fluid, wherein it in gradual contact with the magnetic Materials cooled and then cold-performing relaxed and at least partially liquefied becomes. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiger Stickstoff als Wärmesenke verwendet wird.7. The method according to claims 1 to 6, characterized characterized in that liquid nitrogen as Heat sink is used. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß separate magnetokalorische Kreisprozesse derart hintereinander geschaltet werden, daß die Wärmesenke eines bei tiefen Temperaturen arbeitenden Kreisprozesses durch verflüssigtes Fluid eines bei höheren Temperaturen arbeitenden Kreisprozesses gespeist wird. 8. The method according to any one of claims 6 or 7, characterized characterized that separate magnetocaloric Circular processes connected in this way be that the heat sink one at deep Temperatures working cycle liquefied fluid one at higher temperatures working cycle is fed.   9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend eine Wärmesenke und eine Wärmequelle, einen mit diesen in Wärmeaustausch stehendem Fluidkreislauf, einen oder mehreren Magneten zur Magnetfelderzeugung, sowie mehrere magnetische Materialien, die in Wärmekontakt mit dem Fluid stehen, sowie mechanische Vorrichtungen, um die magnetischen Materialien in und aus den Magnetfeldbereich zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Materialien so angeordnet sind, daß die Temperatur die ein magnetisches Material nach seiner Magnetisierung besitzt, in der Nähe der Curietemperatur des magnetischen Materials der darüberliegenden Stufe liegt und die Temperatur, die das magnetische Material nach seiner Entmagnetisierung besitzt in der Nähe der Curietemperatur des magnetischen Materials der darunterliegenden Stufe liegt.9. Device for performing the method according to one of claims 1 to 8 comprising a Heat sink and a heat source, one with these in Heat exchange fluid circuit, one or several magnets for magnetic field generation, as well several magnetic materials in thermal contact stand with the fluid, as well as mechanical Devices to the magnetic materials in and move out of the magnetic field area, thereby characterized in that the magnetic materials so are arranged that the temperature the one magnetic material after its magnetization owns, near the Curie temperature of the magnetic material of the level above lies and the temperature that the magnetic Material after its demagnetization has in close to the Curie temperature of the magnetic Material of the level below. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Materialien räumlich getrennt, mit Abstand voneinander angeordnet sind.10. The device according to claim 9, characterized in that the magnetic materials are spatially separated, are spaced apart. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das in Wärmekontakt mit dem Fluid tretende Volumen magnetischen Materials mit dessen sinkender Curietemperatur abnimmt.11. The device according to one of claims 9 or 10, characterized in that in thermal contact with volume of magnetic material entering the fluid decreases with its falling Curie temperature.
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