-
Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der magnetischen Kühlung und
insbesondere aktive magnetische regenerative Kühlvorrichtungen.
-
Die
aktive magnetische Regeneration kombiniert einen Regenerator mit
einer Vorrichtung, welche basierend auf dem magnetokalorischen Effekt
arbeitet. Der Betrieb von aktiven magnetischen Regeneratoren wird
in der
US-Patentschrift Nr. 4
332 135 für Barclay,
et al. beschrieben. Ein experimentelles Modell eines aktiven magnetischen
Regenerators wurde gebaut und geprüft und wird in dem Artikel
von A.J. DeGregoria, et al. "Test
Results of an Active Magnetic Regenerative Refrigerator," Advances in Cryogenic Engineering,
Band 37B, 1991, beschrieben. In einem Artikel von A.J. DeGregoria,
Advances in Cryogenic Engineering, Band 37B, 1991, findet sich ein
detailliertes Modell des aktiven magnetischen Regenerators. Ein
aktiver magnetischer Regenerator ist eine Art Kühlvorrichtung bzw. Wärmepumpe,
die den magnetokalorischen Effekt ausnutzt. Den magnetokalorischen
Effekt aufweisende Materialien wärmen
sich bei Magnetisierung auf und kühlen bei Entmagnetisierung
ab. Bei einer grundlegenden aktiven magnetischen Regenerator-Vorrichtung (AMR-Vorrichtung) ist
ein Bett aus einem gegenüber
einem Wärmeübertragungsfluid
durchlässigen
magnetokalorischen Material mit zwei Wärmetauschern verbunden, wobei ein
Mechanismus zum Bewirken eines Hin- und Herfließens von Fluid durch das Bett
aus magnetokalorischem Material von einem Wärmetauscher zum anderen vorgesehen
wird. Außerdem
wird ein Mechanismus zum Magnetisieren bzw. Entmagnetisieren des
Bettes vorgesehen. Ein AMR-Zyklus umfasst vier Teile: Bettmagnetisierung,
die das magnetokalorische Material und das im Bett befindliche Fluid
durch den magnetokalorischen Effekt aufwärmt; Fluidfluss von der kalten
zur heißen
Seite durch das Bett bei Abgabe von Wärme durch einen Wärmetauscher
an der heißen
Seite; Bettentmagnetisierung, wobei das magnetokalorische Material
und das im Bett befindliche Fluid abgekühlt werden; sowie Fluidfluss
von der heißen
zur kalten Seite durch das Bett, wobei das gekühlte Fluid Wärme am Wärmetauscher
an der kalten Seite absorbiert.
-
US Patent Nr. 4 727 721 für Peschka
et al. beschreibt einen magnetokalorischen Kühlmechanismus, bei dem ferromagnetisches
Material um einen Rotor angeordnet ist, so dass es bei Drehen des
Rotors abwechselnd in ein stationäres magnetisches Feld eindringt
und dieses verlässt.
In einer hohlen Lagerwelle des Rotors ist eine Kühlleitung mit einem durch diese
strömenden
Kühlmittel
angeordnet, um mit einem Arbeitsgas in Wärmekontakt zu kommen. Das Arbeitsgas
befindet sich in einem Kreislauf, der sukzessiv mit dem ferromagnetischen
Material in wärmetauschenden
Kontakt kommt.
-
Eine
AMR-Vorrichtung magnetisiert und erwärmt das Bett vor dem Fluidströmen von
kalt auf warm und entmagnetisiert und kühlt das Bett vor dem Strömen von
der heißen
zur kalten Seite. Das Anlegen des magnetische Feldes an das magnetische Bett
erzeugt ein Profilpaar von Temperatur und relativer Lage im Bett,
und zwar eines bei magnetisiertem Bett und das andere bei entmagnetisiertem
Bett. Der adiabatische Temperaturwechsel des magnetokalorischen
Materials bei Änderung
des magnetischen Felds ist der Unterschied zwischen den zwei Bettprofilen
an beliebiger Lage. Ist der adiabatische Temperaturwechsel groß genug,
kann das von der Kälteseite
des Betts ausströmende
Fluid eine Temperatur aufweisen, die niedriger als die Temperatur
des Kältespeichers
ist, was anstatt zu einem Wärmeleck
von dem Wärme-
zum Kältespeicher,
was bei einem normalen Regenerator der Fall wäre, zu einem Nettoabkühlen des
Kältespeichers
führt.
Gemäß den Gesetzen
der Thermodynamik muss dabei natürlich
Arbeit verrichtet werden, da Wärme
von einem Kälte-
zu einem Wärmespeicher
fließt.
Bei einem AMR erfolgt die Arbeit durch den Antriebsmechanismus,
der den Magnet und/oder das Bett relativ zueinander bewegt, oder
durch einen elektrisch geschalteten Magnet. Durch Einsatz der Wärmetauscher
sowohl an der heißen
als auch an der kalten Seite kann die Wärme über den AMR von dem Wärmetauscher
an der kalten Seite abgezogen und über den Wärmetauscher an der heißen Seite
abgegeben werden. Ein Aufbau zum Erzielen dieser Übertragung
wird in der oben genannten
US-Patentschrift
4 332 135 offenbart.
-
Eine
weitere Erweiterung aktiver magnetischen Regeneratoren wird in der
US-Patentschrift Nr. 5 249 424 für DeGregoria,
et al. gezeigt, in der der Fluss von Wärmeübertragungsfluid durch das
Bett ungleichmäßig ist,
so dass durch das Bett mehr Fluid von der heißen zur kalten Seite des Betts
als von der kalten zur heißen
Seite strömt.
Das überschüssige Wärmeübertragungsfluid
wird zurück
zur heißen
Seite des Betts gelenkt, und es können mehrere Stufen von aktiven
magnetischen Regeneratoren eingesetzt werden. Wie in diesem Patent
beschrieben können die
Regeneratorbetten entweder in die Magnetfelder hinein und aus den
Magnetfeldern herausbewegt werden oder die Betten können in
einem sich drehenden Rad montiert werden.
-
Einer
der Nachteile von aktiven magnetischen Regeneratoren ist die mangelnde
Effizienz, die sich ergibt, weil bei sich hin- und herbewegenden
aktiven magnetischen Regeneratoren das Wärmeübertragungsfluid zwischen dem
Regeneratorbett bzw. den Regeneratorbetten und den jeweiligen heißen und
kalten Wärmetauscher
hin und her geleitet wird. Da das Strömen von Fluid nicht in einer
einzigen Richtung zwischen den Betten und den Wärmetauschern stattfindet, befindet
sich ein Teil des Wärmetauscherfluids
immer in den Verbindungsleitungen zwischen den Betten und den Wärmetauschern
und bewegt sich nie zyklisch durch die Betten und die Wärmetauscher.
Dieses zurückgehaltene
Wärmeübertragungsfluid,
das üblicherweise
als „Totvolumen" bezeichnet wird,
stellt eine wesentliche Ursache der Ineffizienz bei vorbekannten
aktiven magnetischen Regeneratoren dar.
U.S. Patent 5 934 078 für Lawton,
Jr. et al. offenbart eine sich hin- und herbewegende aktive magnetische
Regeneratorkühlvorrichtung,
die das Totvolumen des Wärmeübertragungsfluids
stark verringert.
-
Die
Erfindung wird in den Ansprüchen
dargelegt.
-
Erfindungsgemäß weist
eine magnetische Kühlvorrichtung
mit sich drehendem Bett magnetische Regeneratorbetten auf, die in
einem Ring angeordnet sind, der zur Drehung um eine mittlere Achse angebracht
ist, so dass sich jedes Bett in und aus einem Magnetfeld bewegt,
das bei Drehen des Rings von einem Magnet vorgesehen wird. Jedes
Bett weist ein heißes
Ende und ein kaltes Ende auf. Wärmeübertragungsfluid
wird durch ein Verteilungsventil, das durch Leitungen mit den heißen und
kalten Enden der Betten verbunden ist und das mit der Bettenring dreht,
zu und von den Regeneratorbetten geleitet. Das Verteilungsventil
weist ein unbewegliches Ventilelement auf, das durch Leitungen mit
einem heißen Wärmetauscher
und einem kalten Wärmetauscher verbunden
ist. Eine in den Leitungen angeschlossene Pumpe treibt das Wärmeübertragungsfluid
zirkulierend mittels der Leitungen durch die heißen und kalten Wärmetauscher,
das Verteilungsventil und die magnetischen Regeneratorbetten. Jedes
der Betten umfasst magnetokalorisches Material, das porös ist und
Wärmeübertragungsfluid
dadurch strömen
lässt. Das
Verteilungsventil leitet Wärmeübertragungsfluid zu
dem heißen
Ende eines Betts, das sich außerhalb des
Magnetfelds befindet, so dass das Wärmeübertragungsfluid umlaufend
durch das Bett zu dessen kaltem Ende strömt, wo es zurück zum Verteilungsventil
geleitet wird. Wenn sich ein Bett in dem Magnetfeld befindet, leitet
das Verteilungsventil Fluid zum kalten Ende des Betts zum umlaufenden
Strömen durch
dieses zum heißen
Ende, wo das Fluid zurück zum
Verteilungsventil geleitet wird, was einen aktiven magnetischen
Regeneratorzyklus abschließt.
Während
jeder vollständigen
Umdrehung des Rings aus Regeneratorbetten strömt das durch jede Leitung strömende Fluid
nur in einer einzigen Richtung oder bleibt während eines Teils des Zyklus
stationär,
was das Totvolumen in den Leitungen minimiert und dadurch den Wirkungsgrad
verbessert.
-
Es
kann ein Verteilungsventil verwendet werden, das ein inneres unbewegliches
Ventilelement und ein äußeres sich
drehendes Ventilelement umfasst, das so angebracht ist, dass es
im Eingriff mit dem unbeweglichen Ventilelement um eine mittlere Achse
dreht. Bei einem bevorzugten sich drehenden Verteilungsventil weist
das unbewegliche Ventilelement zwei Kaltfluidkammern und zwei Heißfluidkammern
auf, und das sich drehende Ventilelement weist darin erste Kaltfluidmündungen,
die bei Drehen des sich drehenden Ventilelements nacheinander in
Verbindung mit der ersten Kaltfluidkammer stehen, sowie zweite Kaltfluidmündungen
darin, die bei Drehen des sich drehenden Ventilelements nacheinander
in Verbindung mit der zweiten Kaltfluidkammer stehen, auf. Das sich
drehende Ventilelement weist weiterhin erste Heißfluidmündungen, die bei Drehen des
sich drehenden Ventilelements nacheinander in Verbindung mit der
ersten Heißfluidkammer
stehen, und zweite Heißfluidmündungen,
die bei Drehen des sich drehenden Ventilelements nacheinander in
Verbindung mit der zweiten Heißfluidkammer
stehen, auf. In dem unbeweglichen Ventilelement sind Kanäle ausgebildet,
die sich von zwei Heißfluidöffnungen
zu den ersten und zweiten Heißfluidkammern
und von zwei Kaltfluidöffnungen
zu den ersten und zweiten Kaltfluidkammern erstrecken. Leitungen
erstrecken sich dann von den Kalteinlassmündungen der Betten an den kalten
Enden derselben zu den Mündungen
in dem sich drehenden Ventilelement, die nacheinander in Verbindung
mit der ersten der Kaltfluidkammern kommen. Leitungen erstrecken
sich auch von den Kaltauslassmündungen
der Betten zu den Mündungen
in dem sich drehenden Ventilelement, die nacheinander in Verbindung
mit der zweiten der Kaltfluidkammern kommen. Leitungen erstrecken
sich auch von den Heißauslassmündungen
der Betten an den heißen
Enden der Betten zu den Mündungen
in dem sich drehenden Ventilelement, die nacheinander in Verbindung
mit der ersten der Heißfluidkammern kommen,
sowie Leitungen, die sich von den Heißeinlassmündungen der Betten zu den Mündungen
des sich drehenden Ventilelements erstrecken, die nacheinander in
Verbindung mit der zweiten der Heißfluidkammern kommen. Das sich
drehende Ventilelement ist durch die Leitungen mit den Betten in
dem Bettenring verbunden und dreht sich mit dem Ring. Somit erfolgt
das gesamte Umschalten des Fluidstroms am mittleren sich drehenden
Verteilungsventil statt an den mit dem Ring in Eingriff stehenden
Ventilen. Die für
das mittlere sich drehende Verteilungsventil erforderlichen Dichtungen
sind leistungsfähig
und viel einfacher als Dichtungen, die zum Greifen mit den Mündungen
an den Betten erforderlich wären,
was eine vereinfachte Dichtungskonstruktion, verminderten Verschleiß an den
Dichtungen und minimierte mechanische Verluste in dem Verteilungsventil
ermöglicht.
-
Das
Verteilungsventil kann auch mit zwei Scheiben mit flachen Stirnseiten,
die eng in Eingriff miteinander stehen, ausgebildet sein. Eine der Scheiben
ist ein unbewegliches Ventilelement und die andere ist ein zur Drehung
angebrachtes, sich drehendes Ventilelement. Die beiden Scheiben
haben darin Mündungen,
die nacheinander in und aus der Verbindung treten, um Fluidstrom
zu geeigneten Leitungen zu leiten, die sich von der sich drehenden Scheibe
zu dem heißen
Ende und dem kalten Ende jedes magnetischen Kühlvorrichtungsbetts erstrecken.
Die unbewegliche Scheibe des Verteilungsventils ist durch Leitungen
mit dem heißen
Wärmetauscher
und dem kalten Wärmetauscher
verbunden, und von den Scheiben des Verteilungsventils wird Fluidstrom
in gleicher Weise wie vorstehend bei dem Verteilungsventil mit einem
unbeweglichen inneren Ventilelement und einem sich drehenden äußeren Ventilelement
erläutert
verteilt.
-
Da
der Ring bei einer konstanten Geschwindigkeit in kreisförmiger Bewegung
angetrieben werden kann, kann ein größerer mechanischer Wirkungsgrad
als bei sich hin- und herbewegenden Systemen erhalten werden. Ferner
können
die Trägheitswirkungen
durch Verringern der Masse der sich drehenden Komponenten minimiert
werden. Bevorzugt sind die den Ring bildenden mehreren Betten mit
den heißen
Enden benachbarter Betten aneinander angrenzend und den kalten Enden
benachbarter Betten aneinander angrenzend angeordnet, um die Temperaturunterschiede
zwischen angrenzenden Betten zu minimieren und daher Wärmelecken
zwischen Betten zu minimieren. Bevorzugt sind die heißen Enden angrenzender
Betten durch einen strömdichten
Separator getrennt. Separatoren können auch an den kalten Enden
angrenzender Betten verwendet werden, sind aber nicht notwendig,
und in einer bevorzugten Auslegung sind die kalten Enden angrenzender
Betten zueinander offen und stehen miteinander in Verbindung.
-
Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden
eingehenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
hervor. Hierbei zeigen:
-
1 eine
vereinfachte schematische Ansicht der erfindungsgemäßen magnetischen
Kühlvorrichtung,
-
2 eine
vereinfachte Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Ring magnetischer Regeneratorbetten,
die in vereinfachter Form die Anordnung von Leitungen zeigt, die
sich von dem Verteilungsventil zu den Mündungen an den heißen Enden
und den kalten Enden der Regeneratorbetten erstrecken.
-
3 eine
schematische Ansicht, die das Muster des Strömens von Wärmeübertragungsfluid durch die
Komponenten der Vorrichtung in einer ersten Position des Rings von
Regeneratorbetten zeigt.
-
4 eine
schematische Ansicht wie in 3, die das
Fluidströmen
mit dem Bettenring in einer zweiten, bewegten Position zeigt.
-
5 eine
schematische Ansicht wie in 3, die das
Fluidströmen
mit dem Bettenring in einer weiteren bewegten Position zeigt.
-
6 eine
Teilquerschnittansicht einer bevorzugten Umsetzung einer erfindungsgemäßen, sich
drehenden magnetischen Kühlvorrichtung.
-
7 eine
Querschnittansicht durch das Verteilungsventil von 6.
-
8 eine
Querschnittansicht durch das Verteilungsventil im Allgemeinen entlang
der Linien 8-8 von 7.
-
9 eine
Querschnittansicht durch das Verteilungsventil im Allgemeinen entlang
der Linien 9-9 von 7.
-
10 eine
Querschnittansicht durch das Verteilungsventil im Allgemeinen entlang
der Linien 10-10 von 7.
-
11 eine
Querschnittansicht durch das Verteilungsventil im Allgemeinen entlang
der Linien 11-11 von 7.
-
12 eine
Ansicht von Scheiben, die in einer anderen Verteilungsventilanordnung
eingesetzt werden können.
-
13 und 14 Ansichten
von anderen Scheiben zur Verwendung in einem Verteilungsventil.
-
15 eine
Aufrissansicht einer Montagebaugruppe für ein die Scheiben von 12 verwendendes
Verteilungsventil.
-
16 eine
Querschnittansicht durch die Montagebaugruppe von 15.
-
17 eine
Querschnittansicht eines bevorzugten C-förmigen Magneten.
-
Die
erfindungsgemäße magnetische
Kühlvorrichtung
mit sich drehendem Bett führt
eine mechanische Bewegung der sich bewegenden Teile der Vorrichtung
mit kontinuierlicher kreisförmiger
Bewegung aus, was einen ausgezeichneten mechanischen Wirkungsgrad
liefert. Die Kräfte
an den Teilen der Vorrichtung sind gut ausgewogen, und die Nettoantriebskraft
ist vorrangig die, die zum Antreiben des Kühlvorgangs erforderlich ist.
Der regenerative Betrieb wird durch Hin- und Herströmen des
Wärmeübertragungsfluids
zu Betten aus magnetokalorischem Material vorgesehen. Es wird ein
Strömen
des Wärmeübertragungsfluids
in eine Richtung durch die Wärmetauscher
und Leitungen erhalten, wodurch Totvolumenwirkungen in den Wärmetauschern
oder in den Leitungen zwischen den aktiven Materialien und den Wärmetauschern
minimiert werden. Das Ventil kann von einfacher Konstruktion sein,
ist minimalem Verschleiß ausgesetzt
und erzeugt an der Maschine minimale Reibungslast. Weiterhin können Trägheitswirkungen
durch Verringern der Masse der sich drehenden Komponenten in dem
Regeneratorbett minimiert werden, und Wärmelecken wird durch Zusammengruppieren
von Betten mit ähnlichen
Temperaturen und Vorsehen räumlicher
Trennung zwischen Betten bei deutlich anderen Temperaturen verringert.
Die Erfindung sieht auch ein gleichzeitiges Strömen von Wärmeübertragungsfluid durch mehrere
Regneratorbetten vor.
-
Zum
Zweck der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung wird in 1 bei 20 allgemein eine
erfindungsgemäße magnetische
regenerative Kühlvorrichtung
mit sich drehendem Bett in vereinfachter schematischer Form gezeigt.
Die Vorrichtung 20 umfasst einen kreisförmigen Ring 21, der
aus mehreren Regeneratorbetten 22 gebildet ist, die jeweils
Material enthalten, das den magnetokalorischen Effekt aufweist und
das porös
ist, um das Strömen
von Wärmeübertragungsfluid
durch das Material zu ermöglichen.
Der Ring 21 ist zur Drehung um eine mittlere Achse 23 angebracht.
Ein mittleres Verteilungsventil 24 ist an der mittleren
Achse 23 angeordnet und umfasst ein inneres unbewegliches
Ventilelement 25 und ein äußeres sich drehendes Ventilelement 26.
Eine Gruppe von sich drehenden Leitungen 27 für das Wärmeübertragungsfluid
erstreckt sich von dem äußeren Ventilelement 26 zur
Verbindung zu dem Ring 21 von Regeneratorbetten 22.
Die Gruppe von Leitungen 27 werden zur Veranschaulichung sich
direkt von dem sich drehenden Verteilungsventil 24 zu dem
Ring 21 erstreckend gezeigt, wenngleich sich versteht,
dass sie auf andere Weise (wie auch nachstehend erläutert) geführt sein
können
oder eingesetzt werden können,
um dem Ring 21 physikalische Lagerung zu bieten, wodurch
er zur Drehung um die Achse 23 angebracht ist.
-
Ein
Magnet 29 ist so ausgebildet, dass er einen Abschnitt zwischen
Endplatten 30 aufweist, an denen sich ein Magnetfeld durch
einen Teil, aber nicht den gesamten Umfang des Rings 21 erstreckt, so
dass einige der einzelnen Betten in dem Ring 21 in das
Magnetfeld des Magneten 29 gesetzt werden, während andere
Betten 22 sich außerhalb
des Magnetfelds befinden. Wenn sich der Ring 21 um die
Achse 23 dreht, bewegen sich einzelne Betten 22 innerhalb
des Rings 21 schrittweise in, durch und dann aus dem durch
den Magneten 29 vorgesehenen Magnetfeld. Wenn sich die
Betten 22 in dem Magnetfeld des Magneten 29 befinden,
erhöht
sich die Temperatur des magnetokalorischen Materials in den Betten, und
kühleres
Wärmeübertragungsfluid
kann durch diese passieren, um Wärme
von dem magnetokalorischen Material abzuziehen. Wenn sich die Betten 22 aus
dem Magnetfeld heraus bewegen, sinkt ihre Temperatur, und wärmeres Wärmeübertragungsfluid kann
durch die Betten geleitet werden, um Wärme von dem Wärmeübertragungsfluid
zu dem magnetokalorischen Material der Betten abzuziehen. Die Betten 22 sind
bevorzugt so angeordnet, dass ein Wärmegefälle durch das poröse magnetokalorische
Material umlaufend durch die Betten von einem „heißen" Ende zu einem „kalten" Ende aufrechterhalten wird, indem das
kühlere
Wärmeübertragungsfluid
von dem kalten Ende zu dem warmen Ende jedes Betts strömen kann,
wenn sich die Betten in dem Magnetfeld des Magneten 29 befinden,
und indem das wärmere Wärmeübertragungsfluid
von dem heißen
Ende des Betts zu dem kalten Ende des Betts strömen kann, wenn sich die Betten
außerhalb
des Magnetfelds des Magneten 29 befinden. Die Leitungen 27 sind
von dem sich drehenden Verteilungsventil 24 mit den heißen und
kalten Enden jedes Betts verbunden, um ein solches Strömen zuzulassen.
-
Das
Ventil 24 dient zum Aufnehmen des aus einem oder mehreren
Betten in dem Magnetfeld durch eine oder mehrere der Leitungen in
der Gruppe 27 austretendem heißen Wärmeübertragungsfluid und zum Leiten
des Fluids von dem unbeweglichen Ventilelement 25 an einer
Leitung 31 durch eine Pumpe 33 zu einem heißen Wärmetauscher 34,
der die Wärme
in dem Fluid an die Umgebungsluft oder an eine andere Wärmesenke überträgt. Das
gekühlte Fluid,
das aus dem heißen
Wärmetauscher 34 austritt,
strömt
an einer Leitung 35 zurück
zu einer Mündung
in dem unbeweglichen Ventilelement 25. Dieses Fluid wird
dann an einer oder mehreren der Leitungen 27 zu dem heißen Ende
eines oder mehrerer der Betten 22, die außerhalb
des Magnetfelds sind, geleitet, wo das Fluid an Temperatur verliert,
während
es durch das gekühlte
Bett tritt. Das gekühlte Fluid
wird dann zurück
zu dem sich drehenden Ventilelement 26 des Ventils 24 an
den Leitungen 27 geleitet, und das gekühlte Fluid tritt aus dem unbeweglichen
Ventilelement 25 an einer Leitung 37 zu einem kalten
Wärmetauscher 38 aus,
der Wärme
von dem zu kühlenden
Volumen (z.B. das Innere eines Kühlvorrichtungsmantels)
zu dem Wärmeübertragungsfluid überträgt. Das
erwärmte
Wärmeübertragungsfluid
tritt dann aus dem kalten Wärmetauscher 38 an einer
Leitung 39 zurück
zu dem Ventil 24 aus, das es an einer oder mehreren der
Leitungen 27 zu dem kalten Ende eines oder mehreren Betten
leitet, die sich in dem durch den Magneten 29 ausgeübten Kraftfeld befinden.
Das erwärmte
Fluid tritt aus dem heißen Ende
des Betts auf eine der Leitungen 27 aus, die das Fluid
zurück
zu dem Verteilungsventil 24 leitet, von wo es an der Leitung 31 zu
der Pumpe 33 strömt, um
den Zyklus abzuschließen.
Wenn der Ring 21 dreht, schaltet das sich drehende Verteilungsventil 24 den
Strom zu den Leitungen 27 um, um die geeignete Strömungsrichtung
zu den Regeneratorbetten 22 zu wahren, während sie
sich in das und aus dem Magnetfeld des Magneten 29 bewegen.
-
Obwohl
das Diagramm von 1 zur Veranschaulichung vereinfacht
ist, ist zu beachten, dass die Leitungen in der Gruppe von Leitungen 27 an
den Regeneratorbetten 22 befestigt sind und sich mit dem Ring 21 von
Regeneratorbetten drehen. Somit ist ersichtlich, dass zwischen den
Leitungen 27 und den Regeneratorbetten an der Position
des Rings 21 kein gleitender Kontakt erforderlich ist.
Ferner ist die Gruppe von Leitungen 27 ebenfalls fest mit
dem sich drehenden Ventilelement 26 verbunden, das mit
dem Ring 21 dreht. Zudem erfolgt das Strömen an den Leitungen 27 in
eine Richtung; d.h. das Fluid strömt entweder in einer einzigen
Richtung in jeder der Leitungen in der Gruppe 27, wenn
diese Leitung angeschlossen ist, um Wärmeübertragungsfluid durch ein Regeneratorbett
zu übertragen,
oder es erfolgt kein Strömen
durch die Leitung 27, so dass das Wärmeübertragungsfluid in der Leitung
dort verweilt, bis das Bett, mit dem sie verbunden ist, eine andere
Position erreicht. Weiterhin erfolgt das Strömen des Wärmeübertragungsfluids durch die äußeren Leitungen 31 und 35,
die Pumpe 33 und den heißen Wärmetauscher 34 in
einer einzigen Richtung, und das Strömen des Wärmeübertragungsfluids durch die äußeren Leitungen 37 und 39 und
den kalten Wärmetauscher 38 erfolgt
ebenfalls in einer einzigen Richtung, und das Fluid strömt kontinuierlich
durch diese Elemente. Somit wird das Totvolumen des Wärmeübertragungsfluids
minimiert.
-
2 zeigt
schematisch die Strecke, auf der die Wärmeübertragungsleitungen 27 mit
den heißen Enden
und kalten Enden der Betten 22 verbunden sein können. Der
Ring 21 von 2 umfasst bei diesem Beispiel
sechs Betten 22, die mit 1–6 bezeichnet sind.
Es könnten
andere Anzahlen von Betten mit analoger Leitung verwendet werden.
Jedes Bett hat ein heißes
Ende, das durch den Buchstaben „h" bezeichnet wird, und ein durch den
Buchstaben „c" bezeichnetes kaltes
Ende. Wie in 2 gezeigt wird, weist jedes
der Betten 22 zwei Mündungen
am heißen
Ende auf, d.h. die Mündungen
h1 für
Bett 1, h2 für
Bett 2, h3 für
Bett 3, h4 für
Bett 4, h5 für
Bett 5 und h6 für
Bett 6. Eine der Mündungen
dient als Einlassmündung
des heißen
Endes und ist mit einer der Leitungen in der Gruppe 27 verbunden,
die mit 27hi bezeichnet ist. Die andere der Mündungen
an dem heißen
Ende dient als Auslassmündung
und ist mit einer der Leitungen, die in 2 als 27ho bezeichnet
ist, verbunden. Bevorzugt liegt eine gerade Anzahl an Betten vor,
wobei jedes der Betten 22 ein heißes Ende aufweist, das an das
heiße
Ende des angrenzenden Betts angrenzt. Die bauliche Lagerung des Bettrings 21 und
des heißen
Abschnitts des Ventils wird am besten an den heißen Enden der Betten angebracht.
Die heißen
Enden jedes Betts sind durch Separatoren 40 getrennt, so
dass kein Wärmeübertragungsfluid
zwischen den angrenzenden Betten an deren heißen Enden strömt. Die
kalten Enden der Betten grenzen somit ebenfalls aneinander an und könnten ähnliche
Mündungsanordnungen
wie die Seiten der Betten haben. Die Leitungsverbindungen können aber,
wie in 2 gezeigt wird, durch eine einzige Einlassmündung und
eine einzige Auslassmündungen
an der Position, an der sich die kalten Enden angrenzender Betten 22 treffen,
vereinfacht werden. Eine als 27ci bezeichnete einzige Leitung
ist mit der Einlassmündung
an den kalten Enden angrenzender Betten angeschlossen, und eine
in 2 als 27co bezeichnete Leitung ist an
der Auslassmündung
des kalten Endes an einer Position zwischen den kalten Enden der
angrenzenden Betten 22 angeschlossen. Um eine gleichmäßige Verteilung
des Wärmeübertragungsfluids
durch die Betten an den kalten Enden zu ermöglichen, kann ein durch die
als 41 in 2 bezeichneten Strichlinien
festgelegter Verteilungsraum zwischen den angrenzenden Betten ausgebildet
werden. Die bauliche Lagerung des kalten Abschnitts des Ventils
wird am besten an den kalten Enden der Betten angebracht.
-
An
den äußeren Abschnitten
des Fluidkreislaufs kann zum Verbessern von Zuverlässigkeit
eine herkömmliche
Fluidbehandlungsanlage hinzugefügt werden.
Zum Beispiel können
ein Fluidspeicher und ein Filter dem Strömkreislauf nach der Pumpe 33 hinzugefügt werden,
um das Ventil und die magnetokalorischen Betten vor Druckspitzen
und Verunreinigung zu schützen.
-
Einlass-
und Auslasspaare von Leitungen 27, die aus dem Ventil treten,
können
zu einem einzigen Durchlass verbunden werden, der an dem Bettring 21 endet.
Das Zusammenlegen kann mit einem Y-Konnektor erfolgen. Unter Bezug
auf 2 können zum
Beispiel Einlass- und Auslasspaare von Leitungen 27ho, 27hi durch
einen Y-Konnektor verbunden werden und an einer einzigen Einlass-/Auslassmündung an
jedem Bett enden, und analog für
die Leitungen 27co, 27ci. Das Strömen in dem
Durchlass zwischen dem Y-Konnektor und dem Bett erfolgt in zwei Richtungen
und hat somit den Nachteil, dass es zu dem Stromtotvolumen wird.
Kombinierte Einlass-/Auslassmündungen
an dem Bett haben aber den Vorteil, weniger Raum einzunehmen, weniger
zu Verstopfung zu neigen und können
weniger Wärmelecken
aufweisen.
-
3 bis 5 zeigen
die Strömmuster durch
die sich drehenden und die unbeweglichen Leitungen, das sich drehende
Verteilungsventil 24 und die Regeneratorbetten 22 bei
Drehen des Bettrings 21. Zur Veranschaulichung wird die
Position des Magneten 29 in diesen Figuren bezüglich des
Rings 21 in Strichlinien in verschiedenen Positionen gezeigt, wenngleich
sich versteht, dass es der Ring ist, der sich bezüglich des
Magneten gegen den Uhrzeigersinn bewegt, statt dass sich der Magnet
bezüglich des
Rings im Uhrzeigersinn bewegt. In jeder dieser Figuren werden die
Leitungen, durch die Fluid strömt, in
fetten Linien gezeigt, und die Leitungen, in denen kein Fluid strömt, werden
in hellen Linien gezeigt. Analog werden die Verbindungen im Ventil 24,
die ein Fluidströmen
zwischen Leitungen zulassen, durch die dunkel schattierten Bereiche
gezeigt, wogegen die hellen Bereiche des Ventils anzeigen, dass
Fluidströmen
zu oder von den angeschlossenen Leitungen zu diesen Bereichen durch
das Ventil abgesperrt wird. Es gibt vier Abschnitte des Ventils 24,
die als 24ho, 24hi, 24ci und 24co in 3–5 bezeichnet
sind.
-
Bei
dem in 3 gezeigten Fall befinden sich das gesamte Bett 1 und
der Großteil
des Betts 6 in dem Magnetfeld des Magneten 29.
Das Wärmeübertragungsfluid
strömt
von dem warmen Ende des Wärmetauschers 38 durch
die Leitung 39, dann zu einer Kaltfluidkammer des Ventilabschnitts 24ci und dann
an den beiden Leitungen 27ci, die an die Einlassmündungen
ci des kalten Endes des Betts 1 und des Betts 6 anschließen. Das
Wärmeübertragungsfluid
strömt
durch das Bett 1 umlaufend von dem kalten Ende des Betts
zu dem heißen
Ende des Betts und tritt aus der Mündung ho des heißen Endes
in die Leitung 27ho, die zurück zu einem heißen Auslassventilabschnitt 24ho des
Ventils 24 an einer Mündung
H1 führt.
Die Kammer des Heißauslasses
des Ventilabschnitts 24ho, in die das Fluid strömt, nimmt auch
Wärmeübertragungsfluid
an einer Leitung 27ho von der heißen Auslassmündung ho
des Betts 6 auf, das sich aus dem Magnetfeld des Magneten 29 herausbewegt.
Das warme Wärmeübertragungsfluid von
den Leitungen 27ho, das von dem Ventilabschnitt 24ho des
Heißauslasses
aufgenommen wird, wird dann zu der (unbeweglichen) Auslassleitung 31 und
dann durch die Pumpe 33 zu dem heißen Wärmetauscher 34 befördert, wo
von dem Fluid Wärme abgelassen
wird, was es abkühlt.
Das abgekühlte Fluid
strömt
dann an der Leitung 35 zu einem Ventilabschnitt 24hi des
Heißeinlasses
des Ventils 24, wo es in eine Heißfluidkammer verteilt wird,
die in 3 in einem dunkleren Profil gezeigt wird. Das
gekühlte Fluid
strömt
aus dem Ventil 24 heraus in die beiden Leitungen 27hi,
die zu der Einlassmündung
hi des heißen
Endes des Betts 3 und der Einlassmündung hi des heißen Endes
des Betts 4 führen.
Die Betten 3 und 4 befinden sich allesamt außerhalb
des Magnetfelds und sind somit kühl.
Das Wärmeübertragungsfluid
strömt
von den Einlassmündungen
hi an dem heißen
Ende dieser beiden Betten durch das magnetokalorische Material in
den Betten zu den kalten Enden der Betten, wo es durch die Auslassmündung co zu
der Leitung 27co austritt. Dann strömt das Fluid durch den Ventilabschnitt 24co des
kalten Auslasses zu der unbeweglichen Leitung 31 und somit
zum kalten Wärmetauscher 38.,
-
4 zeigt
die Strömmuster,
bei denen sich die relative Position des Magneten 29 zu
dem Ring 21 geändert
hat, so dass das Magnetfeld des Magneten 29 vollständig über den
Betten 1 und 2 ist und das Bett 6 sich
außerhalb
des Magnetfelds befindet. Der Ventilabschnitt 24ho hat
sich bewegt, so dass er jetzt das Strömen in der Leitung 27ho sperrt,
die von der Auslassmündung
ho des Betts 6 führt,
und der Ventilabschnitt 24ci hat sich bewegt, so dass er
jetzt das Strömen
in der Leitung 27ci sperrt, die zu der Einlassmündung ci
des kalten Endes des Betts 6 führt. Weiterhin hat sich der
Ventilabschnitt 24hi bewegt, so dass er jetzt das Strömen in der
Leitung 27hi sperrt, die zu der Einlassmündung hi
des Betts 3 führt,
so dass jetzt kein Fluid durch das Bett 3 strömt. Somit
weisen die Betten 3 und 6, die jetzt nicht vollständig in
dem Magnetfeld oder vollständig
außerhalb
des Magnetfelds sind, kein Strömen
durch diese auf, während
die Betten 1 und 2, die sich im Magnetfeld befinden,
ein sie durchströmendes
Fluid aufweisen, das zu dem heißen
Wärmetauscher 34 strömt, und
die Betten 4 und 5, die vollständig außerhalb des Magnetfelds sind
(und somit eine niedrigere Temperatur haben), weisen ein sie durchströmendes Fluid auf,
das zu dem kalten Wärmetauscher 38 strömt.
-
5 zeigt
die weitere bewegte relative Position des Rings 21 bezüglich des
Magnets 29, wobei das gesamte Bett 2 und der Großteil des
Betts 3 in dem Magnetfeld sind. Der Ventilabschnitt 24ci hat sich
jetzt zu einer Position bewegt, in der die zu den Einlassmündungen
des kalten Endes der Betten 2 und 3 führenden
Leitungen 27ci Fluid zu diesen Betten liefern, und der
Ventilabschnitt 24ho hat sich bewegt, um ein Strömen von
den Auslassmündungen ho
der Betten 2 und 3 durch die Leitung 27ho zu
liefern. Das durch die Betten 2 und 3 strömende Fluid strömt somit
durch den Ventilabschnitt 24ho zu der Auslassleitung 31,
der Pumpe 33 und dann zu dem heißen Wärmetauscher 34. Der
Ventilabschnitt 24hi jetzt sich jetzt bewegt, um Fluidströmen an der
Leitung 27hi zu den Einlassmündungen hi des heißen Endes
der Betten 5 und 6 vorzusehen (die sich jetzt vollständig außerhalb
des Magnetfelds befinden und somit gekühlt sind), und der Ventilabschnitt 27co hat sich
zu einer Position bewegt, in der er Strömen an der Leitung 27co von
der Auslassmündung
co des kalten Endes der Betten 5 und 6 durch den
Ventilabschnitt 24c zu der Leitung 37 und somit
zu dem kalten Wärmetauscher 38 vorsieht.
-
Das
vorstehende Muster des Strömens
von Wärmetauscherfluid
wird wiederholt, wenn die relative Position des Bettrings 21 bezüglich des
Magnetfelds des Magneten 29 eine vollständige Umdrehung des Rings 21 abschließt. Es ist
ersichtlich, dass das Fluidströmen
durch jedes der Betten von dem kalten Ende zu dem heißen Ende
des Betts erfolgt, wenn sich das Bett im Magnetfeld des Magneten 29 befindet
und dass das Strömen
von dem heißen
Ende zu dem kalten Ende des Betts erfolgt, wenn sich das Bett außerhalb
des Magnetfelds befindet. Somit wird das Temperaturgefälle in dem
magnetokalorischen Material in den Betten beibehalten, wenn sich
die Betten in das Magnetfeld und aus diesem heraus drehen. Die Strömrichtung
in jeder der Leitungen 27 bleibt unidirektional, so dass
es zu keiner Zeit ein Rückströmen von
Wärmeübertragungsfluid
gibt. In bestimmten Positionen des Ventils 24 bleibt in
manchen der Leitungen (wie in 3–5 in
den hellen Linien gezeigt) das Wärmeübertragungsfluid
bis zu einer späteren
Position des Ventils 24 unbeweglich (kehrt aber nicht die
Strömrichtung
um).
-
6 zeigt
einen beispielhaften mechanischen Aufbau zur Umsetzung der Kühlvorrichtung 20.
Zum Beispiel kann der Magnet 29 so ausgebildet sein, dass
sich der Ring 21 durch eine Öffnung 50 in der Mitte
des Magneten 29 erstreckt, bei der der Fluss konzentriert
ist. Ein Schlitz 51 in dem Magnet 29, der zur Öffnung 50 führt, lässt ein
Durchtreten eines Lagerelements 53 zu, das ebenfalls hohl
ausgebildet sein kann, um als Teil einer Leitung 27 zu
dienen. Die Lagerungen 53 erstrecken sich zu einer Montageplattform 55,
die durch ein Lager 56 zur Drehung an einem Mittelstück 57 angebracht
ist. Die Leitungen 27 erstrecken sich zu dem sich drehenden äußeren Teil 26 des
Verteilungsventils 24. Der unbewegliche Teil 25 des
Ventils 24 ist an dem Mittelstück 57 angebracht,
während
der sich drehende Teil 26 zur Drehung durch Lager 59 an
dem Mittelstück 57 angebracht
ist. Wie in 6 gezeigt wird, sind die unbeweglichen
Leitungen 31A, 35A, 37A und 39A mit dem
unbeweglichen Ventilelement 25 verbunden. Ein Motor 60 ist
durch ein Getriebe 61 mit der Pumpe 33 verbunden,
um die Pumpe anzutreiben, und ist auch zum Antreiben der Montageplattform 55 und
des damit bei Drehung verbundenen sich drehenden Ventilelements 26 verbunden.
Wie in 6 gezeigt wird, kann der heiße Wärmetauscher 34 ein
Gebläse 62 umfassen,
das angeschlossen ist, um Luft durch die Wärmetauschelemente zu blasen,
um den Wirkungsgrad des Wärmetausches
zu verbessern.
-
7 zeigt
eingehender den axialen Querschnitt durch das Ventil 24,
und 8-11 sind Querschnitte senkrecht
zur Achse auf den Höhen
der verschiedenen Abschnitte 24ho, 24hi, 24ci, 24co des
Ventils. Wie in 7 gezeigt wird, ist der unbewegliche
Teil 25 des Ventils bevorzugt in einer verjüngten Form
ausgebildet und ist in einer Innenbohrung des sich drehenden Ventilabschnitts 26 aufgenommen,
der ebenfalls verjüngt
ist, um der Verjüngung
des unbeweglichen Elements zu entsprechen, was es dem sich drehenden
Element 26 ermöglicht, eng über dem
unbeweglichen Element 25 zu sitzen. Eine Feder 65 übt zwischen
dem äußeren Ventilelement 26 und
dem unbeweglichen Element 25 durch Lager 66 mit
dem Kragen 67 Druck aus. Die Ventilelemente 25 und 26 können aus
einem geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise verschiedenen Kunststoffen,
einschließlich
der handelsüblichen
Produkte Nylatron GS und Teflon, die einen festen Eingriff zwischen
den inneren und äußeren Ventilelementen
vorsehen, um ein Fluidströmen
zu sperren, doch mit relativ geringem Widerstand und Reibungsverlust,
wenn das äußere Ventilelement 26 bezüglich des
unbeweglichen Ventilelements 25 dreht.
-
Der
Ventilabschnitt 24ho des Heißauslasses (8)
weist eine darin ausgebildete Heißfluidkammer 71 auf,
die mit einem in dem unbeweglichen Ventilelement ausgebildeten Kanal 31A in
Verbindung steht, der mittels einer Heißfluidöffnung an die Leitung 31 anschließt. Der
Ventilabschnitt 24hi des Heißeinlasses weist eine darin
ausgebildete Heißfluidkammer 70 auf,
mit der ein Kanal 35A in dem Ventilelement 25 mittels
einer Heißfluidöffnung in
dem unbeweglichen Ventilabschnitt in Verbindung steht, um an die
Leitung 35 anzuschließen
(9). Der Ventilabschnitt 24ci des Kalteinlasses
weist eine darin ausgebildete Kaltfluidkammer 75 auf, die
mit einem in dem unbeweglichen Ventilelement 25 ausgebildeten
Kanal 39A in Verbindung steht, der eine Kaltfluidöffnung aufweist,
mit der die Leitung 39 verbunden werden kann (10),
und der Ventilabschnitt 24co des Kaltauslasses weist eine
Kaltfluidkammer 74 darin auf, die mit einem Kanal 37A in
dem unbeweglichen Ventilelement 25 in Verbindung steht,
der eine Kaltfluidöffnung
aufweist, mit der die Leitung 37 verbunden werden kann
(11). Wie in 6 gezeigt
wird, zeigen die Kaltfluidöffnungen
an einem Ende (dem wie dargestellt oberen Ende) des Ventils in axialer
Richtung, und die Heißfluidöffnungen
zeigen an dem anderen Ende (dem wie dargestellt unteren Ende) in
axialer Richtung.
-
Wenn
das äußere Ventilelement 26 bezüglich des
inneren unbeweglichen Elements 25 dreht, treten die sechs
Mündungen
(H1-H6) in jedem der Ventilabschnitte 24ho und 24hi,
die mit den Leitungen 27hi bzw. 27ho verbunden
sind, mit den Heißfluidkammer 70 und 71 in
und aus der Verbindung. Wenn das Ventil dreht, treten analog die
Kaltfluidmündungen
C1-2, C3-4 und C5-6 in jedem der Ventilabschnitte 24ci und 24co,
mit denen die Leitungen 27ci bzw. 27co verbunden
sind, in Verbindung mit den Kaltfluidkammern 75 bzw. 74.
-
Das
Ventil 24 kann in mehrere Abschnitte unterteilt sein, die
die gleichen Funktionen wie das bereits beschriebene kombinierte
Ventil verwirklichen. Zum Beispiel können die Wärmelecks von Heiß zu Kalt
durch Unterteilen des Ventils in einen heißen Abschnitt, der die Funktionen
der Abschnitte 24ho und 24hi umfasst, und einen
kalten Abschnitt, der die Funktionen der Abschnitte 24co und 24ci umfasst, gemindert
werden.
-
Eine
alternative Konfiguration für
das Ventil 24 ist ein Tellersitzventil. Das Tellersitzventil
dient wiederum zwei Zwecken. Es überträgt vier
separate in einer Richtung verlaufende Flussströme zwischen den unbeweglichen
und den sich drehenden Teilen der Vorrichtung. Es führt auch
die Umschaltfunktion aus, wobei es das entsprechende Strömen zu/von den
entsprechenden Betten zu den richtigen Zeiten leitet.
-
12 zeigt
eine Ausführung
eines Tellersitzventils, das zwei ebene, flache Teller 80 und 81 aufweist.
Der erste Teller 80 weist als bogenförmige Schlitze 82, 83, 84 und 85 bei
verschiedenen Radien ausgebildete Mündungen auf und ist an dem
unbeweglichen Teil der Vorrichtung mit seiner Mittelachse koaxial
zur Drehachse 23 der Vorrichtung befestigt. Jeder der Schlitze
entspricht einem separaten Strom, der von/zu dem unbeweglichen Teil
zu/von dem sich drehenden Teil der Vorrichtung zu übertragen
ist, und jede Schlitzmündung
ist mit einer der Leitungen, 31, 35, 37 und
39 verbunden. Bei einer bevorzugten Konfiguration mit einem einzelnen
Magneten und sechs Betten sind die Schlitze 82 und 83 einander
zugewandt und erstrecken sich auf 180 Bogengrad und befördern den
Strom zu/von dem kalten Wärmetauscher,
und die Schlitze 84 und 85 sind einander zugewandt
und erstrecken sich auf 120 Bogengrad und befördern den Strom zu/von dem
heißen
Wärmetauscher.
Der zweite Teller 81 weist Gruppen von Mündungen
auf, die als kreisförmige Öffnungen 87, 88 bei verschiedenen
Radien ausgebildet sind und die in und aus der Verbindung mit den
Mündungsschlitzen 82, 83, 84, 85 an
dem unbeweglichen Teller 80 kommen, wenn die beiden Teller
zueinander drehen. Die Mündungen 87, 88 sind
mit den sich drehenden Leitungen 27 verbunden. Bei einer
bevorzugten Konfiguration mit einem einzelnen Magneten und sechs Betten
sind die Mündungen
um den Kreis gleichmäßig beabstandet,
und die Mündungen 87 sind
bezüglich
der Mündungen 88 um
30 Grad verschoben. Der zweite Teller 81 ist an dem sich
drehenden Teil der Vorrichtung angebracht, wiederum mit seiner Mittelachse
koaxial zur sich drehenden Achse 23 der Vorrichtung. Die
flache Fläche 90 des
Tellers 80 und die flache Seite 91 des Tellers 81 passen
zusammen und liegen eng aneinander an, um eine dynamische Dichtung
zu bilden. Die beiden Teller 80 und 81 können durch
eine Feder zusammengepresst werden, wie nachstehend erläutert wird,
um den richtigen Kontaktdruck sicherzustellen und jede Fehlausrichtung zu
korrigieren.
-
15 und 16 zeigen
einen Montagebaugruppe 105 für den unbeweglichen Ventilteller 80. Die
Montagebaugruppe 105 übt
eine Abdichtkraft zum Halten der Teller 80 und 81 gegeneinander
aus, verhindert ein Drehen des unbeweglichen Tellers 80 und
gleicht eine Fehlausrichtung zwischen den unbeweglichen und sich
drehenden Tellern 80 und 81 aus. Eine mit ausfahrbaren
Rohren 108 und 109 kombinierte Spiralfeder 107 drückt den
unbeweglichen Teller 80 gegen den sich drehenden Teller 81,
wobei dem inneren Fluiddruck Widerstand geleistet wird, der die
Teller zu trennen pflegt. Ein Zapfen 111, der an dem Innenrohr 109 befestigt
ist und in einem axial ausgerichteten Schlitz 113 in dem
Außenrohr 108 gleitet,
leistet gegenüber
dem durch den sich drehenden Teller ausgeübten Reibungsdrehmoment Widerstand
und verhindert ein Drehen des unbeweglichen Tellers 80.
Der Teller 80 ist mit einer Stützplatte 115, einem
elastischen Element 116 (z.B. einem Gummi- oder Kunststoffring)
und einem Ventilsitz 117 angebracht, wobei das elastische
Element 116 zum Ausgleich einer geringfügigen Fehlausrichtung oder
einem „Wackeln" zwischen den beiden
Tellern dient, was die beiden zusammenpassenden Oberflächen vollständig in
Kontakt hält.
Andere Umsetzungen eines Kreuzgelenks können ebenfalls verwendet werden,
um den obigen Zweck zu erreichen. Es werden vier Fluidströme mittels
der Leitungen 31, 35, 37 und 39 hereingebracht,
die das innere Rohr und die Feder passieren. Die Baugruppe 105 ist
an einer Montageplatte 119 befestigt und die Feder 107 ist
in einem Gewindestutzen 121 durch ein Gewindeeinstellelement 120 gehalten.
Der sich drehende Ventilteller 81 ist an dem (nicht dargestellten)
sich drehenden Teil der Vorrichtung fest angebracht.
-
13 und 14 zeigen
eine Abwandlung, bei der zwei separate Tellersitzventile verwendet
werden, die aus einem Paar Teller 93 und 94 sowie
einem Paar Teller 95 und 96 bestehen. Die Teller haben
Mündungsschlitze 101 und 102 sowie
Mündungen 103,
die in gleicher Weise wie vorstehend unter Bezug auf die Teller 80 und 81 erläutert funktionieren.
Das erste Tellersitzventilpaar 93 und 94 wird
an einem axialen Ende der Vorrichtung zwischen dem sich drehenden
und unbeweglichen Teil angeordnet, während das zweite Ventilpaar 95 und 96 an
dem entgegengesetzten Ende zwischen dem sich drehenden und dem unbeweglichen
Teil angeordnet wird. Alle vier einzelnen Teller werden so angeordnet,
dass die Drehachse senkrecht zu ihren Oberflächen ist und durch deren Mittel
verläuft,
so dass die Teller koaxial mit der Drehachse 23 der Vorrichtung
drehen. Ventilpaare 93, 94 und Ventilpaare 95, 96 übertragen jeweils
zwei separate Flussströme
zwischen den unbeweglichen und sich drehenden Teilen der Vorrichtung.
Der Vorteil bei der Verwendung von zwei separaten Tellersitzventilen
liegt darin, dass thermische Trennung zwischen heißen und
kalten Teilen der Vorrichtung und eventuelle niedrigere Herstellungskosten
für die
Stirnseitenflächen
der kleineren flachen Teller ermöglicht
werden.
-
Die
Teller 80, 81, 93, 94, 95, 96 können aus verschiedenen
Materialien gefertigt werden, einschließlich aus keramischem oder
Carbon-Graphit-Verbundstoff. Die zusammenpassenden Paare müssen nicht
aus den gleichen Materialien gefertigt sein.
-
Das
zum Füllen
der Betten
22 gewählte
bestimmte magnetokalorische Material hängt vom Betriebstemperaturbereich
der Vorrichtung und dem Magnetfeld des Magneten
29 ab.
Das Material kann als kleine zusammenpackte Körnchen ausgebildet sein, was
Zwischenräume
belässt,
durch welche das Wärmeübertragungsfluid
treten kann. Bei Betrieb bei oder nahe der Raumtemperatur ist eine
Art von geeignetem magnetokalorischen Material Gadolinium, und ein
geeignetes Wärmeübertragungsfluid
ist Wasser oder Wasser mit Gefrierschutzmittel gemischt. Die Konstruktion
der Betten und die Materialien für die
verschiedenen Bauteile können
wie in dem oben erwähnten
U.S. Patent 5 934 078 dargelegt
verwendet werden, dessen Offenbarung durch Erwähnung hiermit Bestandteil wird.
An der Bettenwand kann eine Wärmeisolierung
hinzugefügt
werden, und in einer bevorzugten Ausführung bildet eine steife Schaumisolierung
die Innenwand des Betts. Der Magnet
29 kann einen Dauermagneten
umfassen, beispielsweise einen ringförmigen Dipolmagnet mit einem
in den Magneten geschnittenen Schlitz. Es kann ein Magnet
29 mit
einem C-förmigen
Querschnitt mit einem Dauermagnetstück
125 und zwei Fluss
konzentrierenden Polstücken
131 und
132,
wie er in
17 gezeigt wird, verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Konfiguration mit einem einzelnen Magneten
und sechs Betten erstreckt sich der Magnet über einen Bogen von 120 Grad.
Zudem können
auch andere Arten von Magneten verwendet werden, darunter Elektromagneten
und kryogen gekühlte
superleitende Magnete. Beispiele für diese werden in dem oben
erwähnten
Patent 5 934 078 und in
dem
Patent 5 249 424 beschrieben,
deren Offenbarung durch Erwähnung hierin übernommen
wird.
-
Es
versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen hierin
veranschaulichend dargestellten Ausführungen beschränkt ist,
sondern dass sie alle Ausführungsformen
einschließt,
die innerhalb des Schutzbereichs der nachfolgenden Ansprüche fallen.