DE602004007299T2

DE602004007299T2 - Vorrichtung zur erzeugung von thermischem fluss mit magnetokalorischem material

Info

Publication number: DE602004007299T2
Application number: DE602004007299T
Authority: DE
Inventors: Christian Muller; Jean-Louis Dupin; Jean-Claude Heitzler
Original assignee: Cooltech Applications SAS
Current assignee: Cooltech Applications SAS
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2024-10-14
Also published as: CN1977131A; CA2543123C; AU2004286064A1; CN100467978C; KR20060123118A; AU2004286064B2; BRPI0415615A; EP1702183A1; KR101116457B1; PT1702183E; ATE365896T1; DE602004007299D1; EA011049B1; EA200600629A1; PL1702183T3; FR2861454A1; HRP20070451T3; US20070130960A1; JP2007509307A; JP4745973B2

Description

Beschreibung des Standes der Technik:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Wärmestromes von magnetokalorischem Werkstoff, der mindestens eine Einheit zur Erzeugung eines Wärmestromes umfasst, die mit mindestens zwei Thermoelementen versehen ist, die jeweils mindestens ein magnetokalorisches Element, Magneteinrichtungen umfassen, die angeordnet sind, um mindestens ein Magnetfeld abzugeben, Verlagerungseinrichtungen, die mit den Magneteinrichtungen verbunden sind, um sie im Verhältnis zu den magnetokalorischen Elementen zu verlagern, um sie einer Magnetfeldveränderung oder -auflösung auszusetzen, um sie zur Veränderung ihrer Temperatur zu veranlassen, Einrichtungen zur Rückgewinnung von Kalorien und/oder von Kälte, die von den magnetokalorischen Elementen ausgegeben wird.
Stand der Technik:
Die herkömmlichen Vorrichtungen zur Erzeugung von Kälte weisen gewöhnlich einen Kompressor auf, um ein Kühlfluid zu komprimieren, um seine Temperatur anzuheben, und Entspannungseinrichtungen, um das Kühlfluid zu dekomprimieren, um es adiabatisch abzukühlen. Die herkömmlichen Vorrichtungen erzeugen viele Unannehmlichkeiten. In der Tat sind Gase wie zum Beispiel FKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe), die geläufigerweise als Kühlfluid verwendet werden, extrem umweltschädlich, und ihre Verwendung umfasst bedeutende atmosphärische Verschmutzungsrisiken und Risiken der Zerstörung der Ozonschicht. Auf Grund dieser Tatsache erfüllen die Gase nicht mehr die aktuellen Anforderungen der Normen zahlreicher Länder in Bezug auf die Umwelt. Außerdem ist es zwingend notwendig, dass die Installation und Wartung dieser herkömmlichen Geräte, die unter Druck arbeiten, durch qualifiziertes und zertifiziertes Personal durchgeführt wird, welches sich an zwingend vorgeschriebene Vorgehensweisen halten muss, deren Ablauf lange und wiederholte Eingriffszeiten erfordert. Schließlich sind diese herkömmlichen Geräte laut, sie erzeugen zahlreiche Schwingungen, sie sind platzraubend, komplex und große Stromverbraucher. Diese herkömmlichen Vorrichtungen sind somit nicht zufriedenstellend.
Durch die Forschungsbemühungen wurde es möglich, magnetokalorische Werkstoffe zu identifizieren, die in Temperierungs- und/oder Kühlungsinstallationen verwendet werden können. Die magnetokalorische Wirkung ist die Eigenschaft, die bestimmte Werkstoffe besitzen, um sich unter der Einwirkung eines Magnetfeldes zu erwär men und sich bei einer Temperatur abzukühlen, die unter ihrer Anfangstemperatur liegt, nachdem das Magnetfeld verschwunden ist oder nach einer Veränderung des Magnetfeldes.
Eine erste Technologie, die auf der Verwendung von Supraleitermagnetanordnungen großer Größe basiert, wird in Laboren und im Bereich der Atomforschung verwendet, um Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes zu erreichen.
Es ist insbesondere das Patent US-A-4.674.288 bekannt, worin eine Vorrichtung zur Verflüssigung von Helium beschrieben wird, die eine bewegliche magnetisierbare Substanz in einem Magnetfeld, welches durch eine Supraleiterspule erzeugt wird, und einen Tank umfasst, der Helium enthält, der in Wärmeleitverbindung mit der Supraleiterspule steht. Die Translationsbewegung der magnetisierbaren Substanz erzeugt Kälte, die mittels leitenden Elementen zu dem Helium übertragen wird. Durch die Verwendung von Supraleiterwerkstoff werden Kühlanlagen mit Flüssigstickstoff notwendig, die voluminös und kostspielig sind und die heikle Wartungsvorgänge erfordern. Diese Vorrichtungen sind komplex und können nur für begrenzte Anwendungen verwendet werden. Diese Lösung ist somit nicht zufriedenstellend.
Der Gegenstand der Veröffentlichung FR-A-2 525 748 ist eine magnetische Kühlvorrichtung, die einen magnetisierbaren Werkstoff, ein System zur Erzeugung eines variablen Magnetfeldes und Einrichtungen zur Übertragung der Wärme und der Kälte aufweist, die eine mit einem gesättigten flüssigen Kühlmittel gefüllte Kammer umfassen. In einer ersten Position erzeugt der magnetisierbare Werkstoff Kälte, und die Einrichtungen zur Übertragung von Kälte extrahieren die Kälte von dem magnetisierbaren Werkstoff durch Kondensation eines Kühlmittels. In einer zweiten Position erzeugt der magnetisierbare Werkstoff Wärme, und die Einrichtungen zur Übertragung von Wärme extrahieren die Wärme von dem magnetischen Werkstoff durch Sieden oder durch Erwärmung eines weiteren Kühlmittels. Die globale Wirksamkeit solcher Systeme ist extrem schwach, und kann in Bezug auf die Leistungsfähigkeit nicht mit den aktuellen Kühlsystemen konkurrieren. Diese Lösung ist also wirtschaftlich nicht zufriedenstellend.
In den Vereinigten Staaten von Amerika durchgeführte Studien ermöglichten die Durchführung der Erzeugung eines Wärmeflusses unter Verwendung eines magnetokalorischen Werkstoffes. Durch das Vorbeibewegen vor dem Magnetfeld richten sich die magnetischen Momente des magnetokalorischen Werkstoffes aus, wodurch eine Neuanordnung der Atome herbeigeführt wird, welche die Erwärmung des magnetokalorischen Werkstoffes erzeugen. Außerhalb des Magnetfeldes kehrt sich der Prozess um, und der magnetokalorische Werkstoff kühlt sich ab, bis er eine Temperatur erreicht, die unter seiner Anfangstemperatur liegt. Ein erster Werkstoff auf Gadoliniumbasis wurde entwickelt. Dieser Werkstoff, der bei Umgebungstemperatur wirksam ist, weist die Unannehmlichkeit auf, dass er kostspielig und für diese Anwendung schwer erhältlich ist. Aktuell werden weniger kostspielige und leichter erhältliche Legierungen untersucht.
Eine Gruppe amerikanischer Forscher hat einen Prototyp entwickelt und fertiggestellt, der die Validation von theoretischen Forschungsergebnissen über das Gadolinium ermöglicht. Dieser Prototyp weist eine Scheibe auf, die aus Sektoren ausgebildet ist, die eine Gadoliniumlegierung aufweist. Die Scheibe wird in ununterbrochener Drehung um ihre Achse geführt, so dass ihre Sektoren zum Vorbeibewegen in einem Magnetfeld veranlasst werden, welches durch einen feststehenden Dauermagneten erzeugt wird. Dieser Dauermagnet überlappt die Sektoren der Scheibe. Gegenüber dem Dauermagneten bewegt sich die Scheibe in einen Wärmeübertragungsblock, der ein Wärmeübertragungsfluid aufweist, welches zum Transportieren der Kalorien und/oder Kälte geeignet ist, die durch das Gadolinium erzeugt werden, welches wechselweise dem Vorhandensein und dem Nichtvorhandensein des Magnetfeldes ausgesetzt wird.
Der Wärmeübertragungsblock kann auf zwei Arten konzipiert werden. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Wärmeübertragungsblock sozusagen „blind", und der Kreislauf durchquert ihn, ohne dass das Wärmeübertragungsfluid direkt mit der Scheibe in Kontakt steht. Im ersten Fall ist der Ertrag von Wärmeaustausch sehr gering, und die Vorrichtung ist energetisch nicht rentabel. Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist der Wärmeübertragungsblock Eingangs- und Ausgangsöffnungen auf, die in die in Drehung befindliche Scheibe einmüden und es dem Wärmeübertragungsfluid ermöglichen, mit der Scheibe in Kontakt zu stehen. In dem zweiten Fall ist es sehr schwierig, selbst unter Verwendung von Drehkupplungen, die Dichtigkeit zwischen der Scheibe und dem Wärmeübertragungsblock sicherzustellen, ohne den Gesamtertrag der Vorrichtung zu beeinträchtigen. Diese Lösung ist somit nicht zufriedenstellend.
In der Veröffentlichung WO-A-03/050456 ist ebenfalls eine magnetische Kühlvorrichtung mit einem ähnlichen magnetokalorischen Werkstoff beschrieben, wobei zwei Dauermagnete verwendet werden. Die Vorrichtung weist eine ringförmige Monoblockzelle auf, die zwölf magnetokalorische Abteile begrenzt, die durch Abdichtungen getrennt sind, und die jeweils Gadolinium in feinporiger Form aufnehmen. Jedes Abteil ist mit mindestens vier Öffnungen versehen, davon eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung, die mit einem warmen Kreislauf verbunden sind, und eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung, die mit einem kalten Kreislauf verbunden sind. Die zwei Dauermagnete werden durch eine ununterbrochene Drehbewegung so aktiviert, dass sie aufeinanderfolgend über die unterschiedlichen feststehenden magnetokalorischen Abteile streichen, indem sie diese aufeinanderfolgend einem unterschiedlichen Magnetfeld aussetzen. Die Kalorien und/oder Kälte, die durch das Gadolinium abgegeben werden, werden durch warme und kalte Kreisläufe von Wärmeübertragungsfluid in Richtung der Wärmetauscher geführt, womit sie aufeinanderfolgend mittels Drehkupplungen verbunden werden, deren Drehung mit einer oder mehreren Riemen mit Antriebsachse mit ununterbrochener Drehung der zwei Magnete verbunden wird. Auf diese Weise wird der Kanal von Wärmeübertragungsfluid, der die feststehenden magnetokalorischen Abteile durchquert, aufeinanderfolgend durch Drehkupplungen mit warmen und kalten Kreisläufen verbunden. Die Vorrichtung, die auf diese Weise die Funktion eines Flüssigkeitsringes simuliert, benötigt eine ununterbrochene und präzise Drehung, und Dauermagnete, wodurch sie technisch schwierig und kostspielig in der Verwirklichung ist. Ihr ununterbrochenes Funktionsprinzip macht ihre technischen Entwicklungsperspektiven sehr begrenzt. Schließlich ermöglicht die Verwendung von Drehkupplungen nicht die Sicherstellung einer guten Dichtigkeit und verringert die Lebensdauer der Vorrichtung.
In der Veröffentlichung FR-A-2 601 440 sind ein magnetisches Kühlgerät und -verfahren beschrieben, wobei eine magnetokalorische Substanz verwendet wird, welche die Form einer magnetokalorischen Scheibe aufweist, die im Verhältnis zu einem feststehenden Magnetring drehbeweglich ist, der das Magnetfeld erzeugt. Mit der in Drehbewegung befindlichen Scheibe ist es schwierig, die Dichtigkeit zwischen den Rohrleitungen sicherzustellen, welche das Wärmeübertragungsfluid und die warmen und kalten externen Thermokreisläufe transportieren, die feststehend sind.
In der Veröffentlichung XP 002047554 mit der Überschrift "Rotary recuperative magnetic heat pump" ist eine Wärmepumpe beschrieben, die einen feststehenden magnetischen Rotor und bewegliche magnetokalorische Scheiben mit geringer Dicke aufweist, die einen magnetokalorischen Werkstoff wie zum Beispiel Gadolinium umfassen. Die Veränderung des Magnetfeldes wird durch ununterbrochene oder wechselweise Drehung der magnetokalorischen Scheiben erhalten. In diesem Fall ist die Funktion ähnlich der vorangegangen, und weist dieselben Unannehmlichkeiten auf.
Zusammenfassung der Erfindung:
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Beseitigung der Unannehmlichkeiten, indem eine umweltfreundliche, wirksame, zuverlässige Vorrichtung mit einfacher Konzeption zur Erzeugung eines Wärmestromes angeboten wird, wobei eine Anzahl bedeutender thermischer, erweiterbarer, flexibler, modularer, kosten günstiger Elemente akzeptiert werden kann, deren Installations- und Wartungsvorgänge von Personal ohne spezifische Qualifikation ausgeführt werden können, die nur wenig elektrischen Strom verbraucht, deren Volumen optimiert wird, die einen guten Ertrag bringt, die nur eine begrenzte Menge an magnetokalorischem Werkstoff benötigt, und die bei Industrieanlagen in großem Maßstab sowie für Haushaltsanwendungen verwendbar ist.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Wärmestromes von magnetokalorischem Werkstoff gemäß der in dem Oberbegriff angegebenen Art, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerungseinrichtungen sich hin- und herbewegend sind, und zur Verlagerung der Magneteinrichtungen im Verhältnis zu den magnetokalorischen Elementen entsprechend einer Hin- und Herbewegung angeordnet sind, die aus der Gruppe ausgewählt werden kann, die mindestens eine Schwenkbewegung, eine mit einer Translation wie zum Beispiel einer spiralförmigen Bewegung kombinierte Schwenkbewegung, eine geradlinige, kreisförmige, sinusförmige Translation umfasst, oder die jeder anderen angepassten Bewegungsbahn folgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Rückgewinnungseinrichtungen mindestens einen Kreislauf für Wärmeübertragungsfluid, Einrichtungen zur Zirkulation des Wärmeübertragungsfluids in dem Kreislauf oder den Kreisläufen, und Einrichtungen zum Ausstoß der Kalorien und/oder Kälte, die durch das Wärmeübertragungsfluid oder die Wärmeübertragungsfluids gesammelt wurden, wobei der Kreislauf mindestens zwei Übertragungszonen umfasst, die jeweils in der unmittelbaren Umgebung eines der magnetokalorischen Elemente positioniert und so angeordnet sind, dass das Wärmeübertragungsfluid mindestens teilweise die Kalorien und/oder die Kälte zurückgewinnt, die von dem entsprechenden magnetokalorischen Element abgegeben wurden.
Die Rückgewinnungseinrichtungen umfassen Einrichtungen zur Umkehrung der Zirkulationsrichtung des Wärmeübertragungsfluids in dem Kreislauf von Wärmeübertragungsfluid.
Die Rückgewinnungseinrichtungen umfassen vorzugsweise mindestens zwei Kreisläufe von Wärmeübertragungsfluid, davon mindestens einen „warmen Kreislauf" für die Kalorien, und mindestens einen „kalten Kreislauf" für die Kälte, und Schalteinrichtungen, die angeordnet sind, um jede Übertragungszone alternativ mit einem oder dem anderen der Kreisläufe von Wärmeübertragungsfluid zu verbinden.
Auf vorteilhafte Art und Weise umfasst die Vorrichtung Synchronisationseinrichtungen, die zur Synchronisation der Hin- und Herverlagerungseinrichtungen mit den Schalteinrichtungen angeordnet sind, so dass entsprechend dem Magnetfeld, zu dem das magnetokalorische Element übertragen wird, die entsprechende Übertragungszone mit einem oder dem anderen der Kreisläufe für Wärmeübertragungsfluid verbunden ist.
Das magnetokalorische Element umfasst mindestens einen der magnetokalorischen Werkstoffe, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens das Gadolinium (Gd), eine Gadoliniumlegierung umfasst, die mindestens einen der Werkstoffe umfasst, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens Silizium (Si), Germanium (Ge), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Phosphor (P), Arsen (As) umfasst, wobei der magnetokalorische Werkstoff eine der Formen aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die einen Block, eine Pastille, ein Pulver, ein Agglomerat aus Stücken umfasst. Hierbei ermöglicht die Verwendung magnetokalorischer Werkstoffe, die eine große Bandbreite an unterschiedlichen Temperaturbereichen aufweisen, das Erhalten einer großen Leistungs- und Temperaturspanne.
Jedes Thermoelement wird mindestens teilweise aus einem leitenden Werkstoff hergestellt, der auf Grund seiner guten Wärmeleitung ausgewählt wird, und aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Stähle, Stahllegierungen, nichtrostende Elemente und Legierungen nichtrostender Elemente umfasst.
Auf vorteilhafte Art und Weise umfasst mindestens eines der Thermoelement mindestens einen Durchgangskanal, der mit mindestens einer Eingangsöffnung versehen ist, und mit mindestens einer Ausgangsöffnung, die mit dem Kreislauf verbunden ist, wobei der Durchgangskanal die entsprechende Übertragungszone des Wärmeübertragungsfluids festlegt.
Auf besonders vorteilhafte Art und Weise umfasst das Thermoelement einen einzigen Durchgangskanal, der mit einer einzigen Eingangsöffnung und mit einer einzigen Ausgangsöffnung versehen ist, die mit dem Kreislauf verbunden sind, wobei der Durchgangskanal die entsprechende Übertragungszone festlegt.
Die Magneteinrichtungen umfassen vorzugsweise mindestens ein Magnetelement, welches mit mindestens einem Dauermagneten versehen ist.
Das Magnetelement kann mindestens einen magnetisierbaren Werkstoff umfassen, der angeordnet ist, um die Feldlinien des Dauermagneten zu konzentrieren und auszurichten, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens Eisen (Fe), Kobalt (Co), Vanadium (V), Weicheisen, eine Verbindung dieser Werkstoffe umfasst.
Das Magnetelement weist vorzugsweise eine U-Form oder C-Form auf, die zur alternativen Aufnahme des magnetokalorischen Elementes zwischen seinen Schenkeln in der Lage ist. In Abhängigkeit von dem zu erzeugenden Magnetfeld kann die Magnetelementform anders und optimiert sein.
Die Thermoelemente sind vorteilhafterweise unabhängig, und durch mindestens ein thermisch isolierendes Element getrennt, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens einen Raum, einen Isolationswerkstoff umfasst. Sie kann ebenfalls mehrere Magnetelemente umfassen, die durch einen Träger getragen werden, der mit den Hin- und Herverlagerungseinrichtungen verbunden ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist der Träger praktisch kreisförmig und legt mindestens einen Ring fest, der sich auf seiner Achse hin- und herbewegend angebracht ist, wobei der Ring radial die Magneteinrichtungen trägt, und wobei die Thermoelemente praktisch kreisförmig angeordnete Kreissektoren aufeinanderfolgend festlegen, um durch die Magneteinrichtungen praktisch frei überlappt werden zu können.
Bei dieser Ausgestaltung können die Magneteinrichtungen so ausgerichtet sein, dass die Schlitze in U- oder C-Form praktisch parallel oder senkrecht zu der Schwenkachse des Ringes verlaufen, und wobei die Thermoelemente praktisch parallel oder senkrecht zu der Schwenkachse des Trägers ausgerichtet sein können.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist der Träger praktisch geradlinig, und legt mindestens einen geradlinig in Form einer Translation hin- und herbewegbaren Stab fest, wobei der Stab die Magneteinrichtungen trägt und die Thermoelemente durch mindestens einen Rahmen getragen werden, der den Stab umgibt, und die praktisch in Reihe angeordnet sind, um durch die Magneteinrichtungen praktisch frei überlappt werden zu können.
Bei dieser Ausgestaltung können die Magneteinrichtungen zickzackförmig beiderseits des Stabes angeordnet sein, um zwei Reihen festzulegen, wobei der Rahmen zwei Reihen von Thermoelementen umfassen kann, wovon jedes Magneteinrichtungen einer der Reihen entspricht.
Ein Teil der Thermoelemente wird vorteilhafterweise durch mindestens eine Platte getragen, die mindestens Verbindungsöffnungen zum Durchgang des Wärmeübertragungsfluids zu dem Kreislauf umfasst.
Die Zirkulationseinrichtungen werden aus der Gruppe ausgewählt, die mindestens eine Pumpe, eine Umlaufpumpe, eine Zirkulation per Thermosiphon umfasst.
Die Ausstoßeinrichtungen umfassen mindestens zwei Tauschelemente, wovon mindestens ein Kalorientauscher mit dem „warmen Kreislauf" verbunden ist, und wovon mindestens ein Tauschelement für Kälte mit dem „kalten Kreislauf" verbunden ist.
Die Hin- und Herbewegungsantriebseinrichtungen können aus der Gruppe ausgewählt werden, die mindestens einen Motor, einen Kolben, einen Federmechanismus, eine Windkraftmaschine, einen Elektromagneten, eine Wasserkraftmaschine umfasst.
Die Vorrichtung umfasst vorteilhafterweise mehrere Einheiten zur Erzeugung eines Wärmestromes, die in Reihe, parallel oder gemäß einer reihenparallelen Kombination verbunden sind.
Zusammenfassende Beschreibung der Zeichnungen:
Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden an Hand der nachfolgenden Beschreibung mehrere Ausführungsformen besser verdeutlicht, die an Hand von Bei spielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nicht begrenzend gegeben werden, wobei:
1 eine perspektivische Explosionsansicht einer Vorrichtung der Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform ist,
2 eine Seitenschnittansicht eines Thermoelementes des Wärmeübertragungsfluids der Vorrichtung von 1 ist,
3A-B perspektivische Ansichten der Vorrichtung von 1 jeweils von unten und von oben sind,
4A-C jeweils perspektivische Explosionsansichten einer Vorrichtung der Erfindung gemäß einer zweiten Ausführungsform jeweils von oben und von unten sind,
5A-C jeweils perspektivische Explosionsansichten und Nicht-Explosionsansichten einer Vorrichtung der Erfindung gemäß zwei Funktionsetappen einer dritten Ausführungsform sind,
6A-B Schemen sind, die auf vereinfachte Art die Betriebsart einer Vorrichtung gemäß der Erfindung veranschaulichen.
Beste Art der Ausführung der Erfindung:
Unter Bezugnahme auf 1, 2, 3A-B, und gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines Wärmestromes von magnetokalorischem Werkstoff, die nachfolgend „die Vorrichtung" genannt wird, eine Einheit 10 zur Erzeugung eines Wärmestromes auf, die mit zwölf Thermoelementen 11 versehen ist, die jeweils einen kreisförmigen Sektor festlegen. Jedes Thermoelement 11 bildet ein unabhängiges mechanisches Element aus, welches je nach Bedarf anpassbar ist. Die Thermoelemente 11 sind aufeinanderfolgend angeordnet, so dass sie zwangsläufig einen Kreis ausbilden, und sind paarweise durch eines oder mehrere thermisch isolierende Elemente wie zum Beispiel einen Raum J, einen isolierenden Werkstoff oder jede andere gleichwertige Einrichtung getrennt.
Die Thermoelemente 11 enthalten ein magnetokalorisches Element 12, welches aus magnetokalorischem Werkstoff wie zum Beispiel Gadolinium (Gd), einer Gadoliniumlegierung hergestellt ist, die zum Beispiel Silizium (Si), Germanium (Ge), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Phosphor (P), Arsen (As) umfasst, oder aus jedem anderen Werkstoff oder gleichwertigen magnetisierbaren Legierung hergestellt ist. Die Auswahl aus den magnetokalorischen Werkstoffen erfolgt in Abhängigkeit von den gesuchten installierten Wärme- und Kälteleistungen, von dem Arbeitstemperaturbereich, von der instal lierten Leistung des Magnetfeldes und von der Art des magnetokalorischen Werkstoffes selbst. Zur Information: es ist zum Beispiel möglich, 160 Watt Kühlleistung mit 1 kg Gadolinium, einem Magnetfeld von 1,5 Tesla, einem Temperaturbereich von 33°C und einem Zyklus von 4 Sekunden zu erreichen, wobei der Zyklus die aufeinanderfolgenden Phasen des Ausgesetztseins und des Nichtausgesetztseins gegenüber dem Magnetfeld umfasst.
In diesem Beispiel weist das magnetokalorische Element 12 die Form eines kreisförmigen Sektors auf, und jedes Thermoelement 11 weist ein thermisch leitendes Element 13 auf, welche das magnetokalorische Element 12 seitlich verlängert. Das thermisch leitende Element 13 ist aus einem leitenden Werkstoff ausgeführt, der auf Grund seiner guten thermischen Leitfähigkeit wie zum Beispiel Kupfer, den Kupferlegierungen, Aluminium, den Aluminiumlegierungen, den rostfreien Legierungen oder jedem anderen gleichwertigen Werkstoff ausgewählt wird. Auf diese Weise überträgt es dann, wenn sich das magnetokalorische Element 12 unter der Einwirkung der Veränderung des Magnetfeldes erwärmt oder abkühlt, einen Teil seiner Kalorien oder Kälte zu dem thermisch leitenden Element 13, welches sich schnell erwärmt oder abkühlt, wodurch die Wärmeabsorptionsfähigkeit des Thermoelementes 11 gleichermaßen gesteigert wird. Die Geometrie der Thermoelemente 11 begünstigt somit eine große Kontaktfläche mit den weiter unten beschriebenen Magnetelementen 103. Auf allgemeine Art und Weise kann der magnetokalorische Werkstoff die Form eines Blockes, einer Pastille, eines Pulver, eines Agglomerates aus Stücken oder jede andere angepasste Form aufweisen.
Jedes Thermoelement 11 weist eine Übertragungszone 14 auf, die von dem zu erwärmenden oder abzukühlenden Wärmeübertragungsfluid durchquert wird. Diese Übertragungszone 14, die von 2A veranschaulicht wird, wird aus einem Durchgangskanal ausgebildet, der in diesem Beispiel von derselben Seite in eine praktisch ebene Wand 15 des Thermoelementes 11 über eine Eingangsöffnung 16 und über eine Ausgangsöffnung 17 einmündet. Es ist selbstverständlich möglich vorzusehen, dass bei allen oder bei einem Teil der Thermoelemente 11 die Eingangs- 16 und Ausgangsöffnungen 17 paarweise aufgeteilt sind, sogar auf eine größere Anzahl von Wänden 15, wobei die Wände 15 vollständig eben sein können oder nicht.
Die Thermoelemente 11 sind unter Auflage auf ihrer Wand 15 befestigt, welche die Eingangs- 16 und Ausgangsöffnungen 17 aufweist, und zwar auf einer Platte 18, die aus einem starren Werkstoff hergestellt ist. Gegenüber der Platte 18 sind die Thermoelemente 11 mit Ansätzen 11' versehen, wodurch ihr Querschnitt steigt, um ihre Montage auf der Platte 18 zu erleichtern und den Wärmeaustausch mit dem Wärmeübertragungsfluid zu verbessern. Die Platte 18 und die Thermoelemente 11 sind durch eine Thermodichtung 19 getrennt. Diese Thermodichtung 19 und die Platte 18 umfassen die Kommunikationsöffnungen 100, die den Durchgang des Wärmeübertragungsfluids ermöglichen. Die Kommunikationsöffnungen 100 sind mit Anschlüssen (nicht dargestellt) versehen, um die Eingangs- 16 und Ausgangsöffnungen 17 der Übertragungszonen 14 der unterschiedlichen Thermoelemente 11 mit einem oder mehreren externen Kreisläufen zu verbinden, die mit Wärmetauschern versehen sind, die in den Figuren nicht dargestellt sind. Die externen Kreisläufe sind zum Beispiel aus starren oder flexiblen Rohrleitungen ausgebildet, die jeweils mit identischen oder unterschiedlichen Wärmeübertragungsfluids gefüllt sind. Der oder die externen Kreisläufe und die Übertragungszonen 14 legen den oder die Kreisläufe von Wärmeübertragungsfluid fest.
Jeder Kreislauf von Wärmeübertragungsfluid weist Einrichtungen für freie oder Zwangszirkulation von Wärmeübertragungsfluid auf, die in den Figuren nicht dargestellt sind, wie zum Beispiel eine Pumpe oder jede andere gleichwertige Einrichtung. Die chemische Zusammensetzung des Wärmeübertragungsfluids ist an den gewollten und ausgewählten Temperaturbereich angepasst, um einen maximalen Wärmeaustausch zu erhalten. Es wird zum Beispiel reines Wasser verwendet, um positive Temperaturen zu erhalten, und Wasser, dem Frostschutzmittel, zum Beispiel ein glykolisiertes Produkt beigemischt wurde, für negative Temperaturen. Die Vorrich tung 1 ermöglicht auf diese Weise die Beseitigung der Verwendung von jedem ätzenden oder für den Menschen und/oder seine Umwelt schädlichen Fluid. Jeder Kreislauf von Wärmeübertragungsfluid ist außerdem mit Ausstoßeinrichtungen versehen, die in den Figuren nicht dargestellt sind, wie zum Beispiel mit Tauschelementen oder jeder anderen gleichwertigen Einrichtung, welche die Verteilung von Kalorien und Kälte ermöglicht.
Die magnetischen Einrichtungen 102 der Vorrichtung 1 weisen Magnetelemente 103 auf, die jeweils mit einem oder mehreren Voll-, Sinter- oder Blattmagneten versehen sind, die mit einem oder mehreren magnetisierbaren Werkstoffen verbunden sind, welche die Linien von jedem Magnetfeld des Dauermagneten konzentrieren und leiten. Die magnetisierbaren Werkstoffe können Eisen (Fe), Kobalt (Co), Vanadium (V), Weicheisen, eine Verbindung dieser Werkstoffe oder jeden gleichwertigen Werkstoff enthalten. Außerdem ist es selbstverständlich, dass jede andere gleichwertige Art von Magnet, wie zum Beispiel ein Elektromagnet, ein Supraleiter, verwendet werden kann. Trotzdem weist der Dauermagnet bestimmte Vorteile in Bezug auf Dimensionierung, Verwendungseinfachheit, geringem Stromverbrauch und geringen Kosten auf.
Die Magnetelemente 103 werden von einem beweglichen Träger 104 getragen. In diesem Beispiel weist die Vorrichtung sechs Magnetelemente 103 auf, die praktisch kreisförmig aufeinanderfolgend angeordnet, und paarweise in einem Abstand I voneinander beabstandet sind. Die Magnetelemente 103 weisen eine U- oder C-Form auf, wobei die Beabstandung der Schenkel den freien Durchgang der Thermoelemente 11 ermöglicht. Die Magnetelemente 103 werden radial auf einem praktisch kreisförmigen Träger befestigt, der einen Ring 104 festlegt. Der Ring 104 ist auf seiner Achse schwenkbar zwischen zwei Positionen angebracht, und mit nicht dargestellten Antriebseinrichtungen zur Hin- und Herbewegung versehen, die den Ring 104 wechselweise von einer Position zur anderen gehen lassen. Bei den Hin- und Herbewegungsantriebseinrichtungen handelt es sich zum Beispiel um einen Motor, einen Zylinder, einen Federmechanismus, eine Windkraftmaschine, einen Elektromagneten, eine Wasserkraftmaschine oder jede andere gleichwertige Einrichtung. Im Verhältnis zu ununterbrochenen oder Schrittbewegungen weist die Hin- und Herschwenkbewegung den Vorteil auf, dass sie durch einfache und preiswerte Hin- und Herbewegungsantriebseinrichtungen erhalten werden kann. Außerdem werden für die Hin- und Herbewegung nur zwei Positionen benötigt, was eine vereinfachte Funktion, einen begrenzten und leicht beherrschbaren Verlagerungsverlaufsweg zum Ergebnis hat.
Die Magnetelemente 103 sind über einem Teil der Thermoelemente 11 so angebracht, dass die letzteren beiderseits durch die Schenkel der Magnetelemente 103 überlappt und eingerahmt werden. Da die Anzahl von Thermoelementen 11 derjenigen der Magnetelemente 103 entspricht oder das Doppelte beträgt, befinden sich die Thermoelemente 11 bei der Hin- und Herbewegung der Magnetelemente 103 im Verhältnis zu den Thermoelementen 11 aufeinanderfolgend gegenüber oder nicht gegenüber einem Magnetelement 103.
In diesem Beispiel sind die Thermoelemente 11 praktisch parallel zu der Schwenkachse des Ringes 104 angeordnet, und die Magnetelemente 103 sind so ausgerichtet, dass ihre Schlitze praktisch parallel zu derselben Schwenkachse verlaufen.
Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 6A-B beschrieben wird, umfasst die Vorrichtung 1 Schalteinrichtungen und Synchronisationseinrichtungen. Auf diese Weise zirkuliert das durch ein Thermoelement 11, welches einem Magnetfeld ausgesetzt wird, erwärmte Wärmeübertragungsfluid in einer ersten Etappe in einem „warmen Kreislauf" in Richtung eines Wärmetauschers von Kalorien. In einer zweiten Etappe zirkuliert das durch das Thermoelement 11, welches dem Nichtvorhandensein eines Magnetfeldes ausgesetzt wurde, oder durch das Vorhandensein eines anderen Magnetfeldes, abgekühlte Wärmeübertragungsfluid in einem „kalten Kreislauf" in Richtung eines Kältetauschers.
Die Einheit zur Erzeugung eines Wärmestromes 10 kann mit anderen ähnlichen Einheiten verbunden werden oder nicht, mit denen sie in Reihe und/oder parallel und/oder einer reihenparallelen Kombination verbunden werden können.
Die Vorrichtung 2 ist gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in 4A-C dargestellt ist, der vorangegangenen praktisch ähnlich. Sie unterscheidet sich davon durch die Tatsache, dass die Thermoelemente 21 praktisch senkrecht zu der Schwenkachse des Ringes 204 ausgerichtet sind, und durch die Ausrichtung der Magneteinrichtungen 203, deren Schlitz praktisch senkrecht zu derselben Schwenkachse verläuft.
Gemäß einer dritten Ausführungsform, die in 5A-C dargestellt ist, umfasst die Vorrichtung 3 zwei Einheiten zur Erzeugung eines Wärmestromes 30, die Seite an Seite angeordnet, und jeweils mit zwölf Thermoelementen 31 und mit sechs Magnetelementen 303 versehen sind. Die Vorrichtung ist in 5B und C in zwei unterschiedlichen Positionen dargestellt, die zwei getrennten Funktionsetappen entsprechen.
Die Thermoelemente 31 sind geradlinig, und praktisch in Reihe entsprechend zwei übereinandergelagerten Reihen angeordnet. Ihr Aufbau ist dem vorangegangenen praktisch ähnlich. Sie sind paarweise durch einen Raum J voneinander getrennt. Jedes Paar von Reihen von Thermoelementen 31 wird von einem praktisch geradlinigen Rahmen 306 getragen, wobei die Reihen beiderseits des Rahmens auf eine Traverse 305 aufgeteilt sind. Der Rahmen 306 ist aus einem thermisch isolierenden und mechanisch starren Werkstoff ausgeführt. Die Rahmen 306 sind aneinander zum Beispiel durch Schrauben, Vernieten, Klammern, Schweißen oder jedes andere gleichwertige Mittel befestigt. Sie können voneinander und/oder im Verhältnis zu den Thermoelementen durch eine nicht dargestellte Thermodichtung verbunden sein. Die Linien von Thermoelementen 31 sind jeweils von oben und von unten durch Verbindungsplatten abgedeckt, die den vorangegangenen praktisch ähnlich, und nicht dargestellt sind.
Die Magnetelemente 303 sind den vorangegangen praktisch ähnlich, und weisen ebenfalls eine U- oder C-Form auf. Sie sind schachbrettförmig beiderseits von zwei praktisch geradlinigen Stäben 304 angeordnet, die jeweils zwischen den zwei Traversen 305 des entsprechenden Rahmens 306 vorgesehen sind. Auf diese Weise legen die Magnetelemente 303 zwei Reihen von Us oder Cs fest, die jeweils einen Teil der Thermoelemente 31 überlappen. Die Stäbe 304 sind geradlinig in Form einer Translation auf den Rahmen 306 hin- und herbewegbar, und mit nicht dargestellten Hin- und Herbewegungsantriebseinrichtungen verbunden. Zu diesem Zweck weisen die Stäbe 304 an ihrem äußersten Enden Führungsfinger 307 auf, die sich in Führungsohren 308 gleitend hin- und herbewegen, die auf den Rahmen 306 vorgesehen sind.
Wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen können diese Einheiten zur Erzeugung eines Wärmestromes 30 mit anderen Einheiten verbunden werden, die ähnlich sind oder nicht, mit denen sie in Reihe und/oder parallel und/oder einer reihenparallelen Kombination verbunden werden können. Auf diese Weise kann man differenzierte Temperaturetappen verwirklichen.
Gemäß weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvarianten kann es sich bei der Hin- und Herbewegung, die durch die Hin- und Herverlagerungseinrichtungen erzeugt wurde, um die Magneteinrichtungen zu verlagern, um eine Drehung handeln, die mit einer Translation wie Beispiel einer spiralförmigen Bewegung, einer kreisförmigen Translation, einer sinusförmigen Translation kombiniert ist, oder eine Translation sein, die jeder anderen angepassten Bewegungsbahn folgt.
Die Funktion der vorangegangenen Vorrichtungen 1-3 wird unter Bezugnahme auf 6A-B beschrieben, die drei Etappen des Funktionszyklus schematisieren. Unter Bezugnahme auf diese Figuren weist die Vorrichtung 4 Thermoelemente 41a, 41b, ein Magnetelement 403 und zwei Kreisläufe 410a, 410b für Wärmeübertragungsfluid auf, wovon ein „warmer Kreislauf" 410a mit einem Wärmetauscher 413a und ein „kalter Kreislauf" 410b mit einem Kältetauscher 413b gekoppelt ist. Die Zirkulation von Wärmeübertragungsfluid wird durch die Pumpen 411a, 411b, zum Beispiel eine Doppelpumpe mit mehreren Kammern oder mit mehreren Etagen sichergestellt. Die Schalteinrichtungen 412 ermöglichen die Verbindung eines jeden Thermoelementes 41a, 41b mit einem oder dem anderen der Kreisläufe 410a, 410b von Wärmeübertragungsfluid, weisen zum Beispiel Ventile, Schieber mit elektrischer, pneumatischer, hydraulischer Steuerung oder jede andere angepasste Einrichtung auf.
In dem beschriebenen Beispiel kann die Funktion der Vorrichtung 4 in drei Etappen aufgeteilt werden, zwischen denen die Schalteinrichtungen 412 zum Einsatz kommen, und das Magnetfeld verändert wird. Bei einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform wird die Zirkulation des Wärmeübertragungsfluids durch einen Zirkulator, einen Thermosiphon oder durch jede andere angepasste Einrichtung sichergestellt.
Bei der ersten Anlaufetappe des Zyklus (siehe teilweise 6A) wird das Thermoelement 410a mit dem „warmen Kreislauf" 410a mittels Schalteinrichtungen 412 verbunden. Es wird dem Magnetfeld des Magnetelementes 403 ausgesetzt, erwärmt sich und überträgt seine Kalorien auf das Wärmeübertragungsfluid des „warmen Kreislaufes" 410a, der es durchquert. Die Kalorien werden durch den „warmen Kreislauf" 410a transportiert und durch den Wärmetauscher 413a ausgestoßen.
Um von der ersten zu der zweiten Etappe überzugehen, werden die Schalteinrichtungen 412 umgelegt, damit die Thermoelemente 41a, 41b jeweils mit dem „kalten Kreislauf" 410b und dem „warmen Kreislauf" 410a verbunden werden. Außerdem wird das Magnetelement 403 verlagert, damit das Thermoelement 41a nicht mehr seinem Magnetfeld ausgesetzt ist, sondern stattdessen das Thermoelement 41b.
Bei der zweiten Etappe des Zyklus (siehe 6B) kühlt das Thermoelement 41a, welches nicht mehr dem Magnetfeld des Magnetelementes 403 ausgesetzt ist, ab, um eine Temperatur zu erreichen, die unter seiner Anfangstemperatur liegt, und um seine Kälte auf das Wärmeübertragungsfluid des „kalten Kreislaufes" 410b zu übertragen, der es durchquert. Die Kälte wird durch den „kalten Kreislauf" 410b transportiert und durch den Kältetauscher 413b ausgestoßen, der in einem kalten Raum 414 angeordnet werden kann. Außerdem wird das Thermoelement 41b dem Magnetfeld des Magnetelementes 403 ausgesetzt, erwärmt sich, und überträgt seine Kalorien auf das Wärmeübertragungsfluid des „warmen Kreislaufes" 410a, der es durchquert. Die Kalorien werden durch den „warmen Kreislauf" 410a transportiert und durch den Wärmetauscher 413a ausgestoßen.
Um von der zweiten zu der dritten Etappe überzugehen, werden die Schalteinrichtungen 412 umgelegt, damit die Thermoelemente 41a, 41b jeweils mit dem „warmen Kreislauf" 410a und dem „kalten Kreislauf" 410b verbunden werden. Außerdem wird das Magnetelement 403 verlagert, damit das Thermoelement 41b nicht mehr seinem Magnetfeld ausgesetzt ist, sondern stattdessen das Thermoelement 41a.
Bei der dritten Etappe des Zyklus (siehe 6A) wird das Thermoelement 41a also mit dem „warmen Kreislauf" 410a, und das Thermoelement 41b mit dem „kalten Kreislauf" 410b mittels der Schalteinrichtungen 412 verbunden. Das Thermoelement 41a wird dem Magnetfeld des Magnetelementes 403 ausgesetzt, erwärmt sich und überträgt seine Kalorien auf den „warmen Kreislauf" 410a, der es durchquert. Die Kalorien werden durch den „warmen Kreislauf" 410a transportiert und durch den Wärmetauscher 413a ausgestoßen. Das Thermoelement 41b, welches nicht mehr dem Magnetfeld des Magnetelementes 403 ausgesetzt ist, kühlt sich ab, um eine Temperatur zu erreichen, die unter seiner Ausgangstemperatur liegt, und überträgt seine Kälte auf den „kalten Kreislauf" 410b, der es durchquert. Die Kälte wird durch den „kalten Kreislauf" 410b transportiert und durch den Kältetauscher 413b ausgestoßen, der in einem kalten Raum 414 angeordnet werden kann.
Die Schalteinrichtungen 412 legen sich um und bringen die Vorrichtung 4 in die Konfiguration der zweiten Etappe. Der Heiz-/Kühlzyklus kann auf diese Weise grenzenlos wiederholt werden. Bei jedem Zyklus wird der magnetokalorische Werkstoff des Thermoelementes 41a, 41b aufeinanderfolgend Magnetfeldern ausgesetzt, dann von diesen Magnetfeldern subtrahiert. Die Häufigkeit des Zyklus ist von den verwendeten Einrichtungen und den zu erhaltenden thermischen Ergebnissen abhängig.
Das Umlegen der Thermoelemente 41a, 41b und der „kalten" 410b und „warmen" Kreisläufe 410a kann mit der Hin- und Herverlagerung des Magnetfeldes synchronisiert werden, zum Beispiel durch die Drehung um einen konstanten Winkel oder die lineare Verlagerung mit einem konstanten Schritt. Der Funktionszyklus kann einer Temperatursonde unterworfen werden, die in dem kalten Raum 414 installiert ist, oder zum Beispiel in der Nähe von zu kühlenden Produkten.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform weist die Vorrichtung 4 keine Schalteinrichtung auf, und der Übergang von einer Etappe zu einer anderen wird durch die Umkehrung der Zirkulationsrichtung des Wärmeübertragungsfluids in einen einzigen Zirkulationskreislauf von Wärmeübertragungsfluid begleitet. Diese Variante ermöglicht die Überwindung von jedem Dichtigkeitsproblem durch Beseitigung der Ventile.
Möglichkeiten der industriellen Anwendung:
Die Vorrichtung 4 ermöglicht auf diese Weise die Erwärmung, Kühlung oder Temperierung einer Örtlichkeit, eines landwirtschaftlichen Tunnels, des Inneren eines Kühlschrankes, sie kann auch als Wärmepumpe oder für jede andere ähnliche Anwendung dienen, und zwar in der Industrie oder bei Privatleuten. Die Vorrichtung 4 kann schließlich zur thermischen Regulierung von Konservierungs-, Trockenräumen oder zur Klimatisierung von Örtlichkeiten dienen.
Auf allgemeine Art und Weise werden die Hin- und Herbewegungseinrichtungen mit den magnetischen Einrichtungen 103, 203, 303, 403 verbunden, um sie im Verhältnis zu dem Thermoelement 11, 21, 31, 41a, 41b hin- und herzuverlagern. Auf Grund dieser Tatsache ist die Gesamtheit der Kreisläufe von Wärmeübertragungsfluid feststehend, und die Veränderung des Magnetfeldes wird durch die Hin- und Herverlagerung der magnetischen Einrichtungen 103, 203, 303, 403 selbst erhalten. Auf diese Weise wird es durch diese besondere Konstruktion ermöglicht, die zahlreichen Dichtigkeitsprobleme zu beseitigen, wenn sich ein Teil der Kreisläufe 410a, 410b von Wärmeübertragungsfluid im Verhältnis zu dem Rest der Kreisläufe 410a, 410b in Bewegung befindet.
Durch diese Beschreibung wird klar unter Beweise gestellt, dass es die Vorrichtung 1-4 gemäß der Erfindung ermöglicht, bei einer Verringerung des Stromverbrauches ohne Umweltschädlichkeit bedeutende Wärmeströme zu erzeugen, die bei jeder Art von Anwendung verwendbar sind. Diese einfache Vorrichtung kann von Personal ohne spezifische Qualifikation platziert und überprüft werden. Außerdem weist bei ihrem Betrieb einen sehr niedrigen Lärmpegel auf.
Außerdem weist die Vorrichtung 1-4 den Vorteil auf, dass sie nur zwei Funktionspositionen benötigt, wodurch ihre Konzeption, ihre Funktion und ihre Steuerung erleichtert werden. Somit ist ihre Verwirklichung und Nutzung weniger kostspielig als die von herkömmlichen Vorrichtungen.
Durch die Hin- und Herverlagerungen wird außerdem das Erhalten von Konstruktionen der Vorrichtung 1-4 ermöglicht, die eine leichte und wirtschaftlich rentable Steigerung der Anzahl von Thermoelementen 11, 21, 31, 41a, 41b und/oder magnetischen Einrichtungen 103, 203, 303, 403 und/oder Einheiten 10, 30 zur Erzeugung von Wärmeströmen zulässt. Sie ermöglichen auch durch Kombination mehrerer Einheiten zur Erzeugung von Wärmeströmen mit Hin- und Herverlagerungen die Steigerung von Thermokapazitäten der Vorrichtung 1-4 auf zuver lässige Art und Weise, bei gemäßigten Kosten, und ohne auf übertriebene Art und Weise die Funktion oder die Konstruktion der Vorrichtung 1-4 zu verkomplizieren.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Wärmestromes von magnetokalorischem Werkstoff (1-4), die mindestens eine Einheit zur Erzeugung eines Wärmestromes (10, 30), die mit mindestens zwei Thermoelementen (11, 21, 31, 41a, 41b) versehen ist, die jeweils mindestens ein magnetokalorisches Element (12, 22, 32), Magneteinrichtungen (103, 203, 303, 403), die angeordnet sind, um mindestens ein Magnetfeld abzugeben, Verlagerungseinrichtungen, die mit den Magneteinrichtungen (103, 203, 303, 403) verbunden sind, um sie im Verhältnis zu den magnetokalorischen Elementen (12, 22, 32) zu verlagern, um sie einer Magnetfeldveränderung auszusetzen, um sie zur Veränderung ihrer Temperatur zu veranlassen, und Einrichtungen zur Rückgewinnung von Kalorien und/oder von Kälte, die von den magnetokalorischen Elementen (12, 22, 32) ausgegeben wird, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerungseinrichtungen sich hin- und herbewegend sind und zur Verlagerung der Magneteinrich tungen (103, 203, 303, 403) im Verhältnis zu den magnetokalorischen Elementen (12, 22, 32) entsprechend einer Hin- und Herbewegung angeordnet sind.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hin- und Herbewegung aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens eine Schwenkbewegung, eine mit einer Translation kombinierte Schwenkbewegung und eine Translation umfasst.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückgewinnungseinrichtungen mindestens einen Kreislauf (410a, 410b) für Wärmeübertragungsfluid, Einrichtungen zur Zirkulation (411a, 411b) des Wärmeübertragungsfluids in dem Kreislauf (410a, 410b) und Einrichtungen (413a, 413b) zum Ausstoß der Kalorien und/oder Kälte umfassen, die durch das Wärmeübertragungsfluid gesammelt wurden, wobei der Kreislauf (410a, 410b) mindestens zwei Übertragungszonen (14) umfasst, die jeweils in der unmittelbaren Umgebung der magnetokalorischen Elemente (12, 22, 32) positioniert und so angeordnet sind, dass das Wärmeübertragungsfluid mindestens teilweise die Kalorien und/oder die Kälte zurückgewinnt, die von dem entsprechenden magnetokalorischen Element (12, 22, 32) abgegeben wurden.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückgewinnungseinrichtungen Einrichtungen zur Umkehrung der Zirkulationsrichtung des Wärmeübertragungsfluids in dem Kreislauf (410a, 410b) von Wärmeübertragungsfluid umfassen.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückgewinnungseinrichtungen mindestens zwei Kreisläufe (410a, 410b), davon mindestens einen „warmen Kreislauf" (410a) für die Kalorien, und mindestens einen „kalten Kreislauf" (410b) für die Kälte, und Schalteinrichtungen (412) umfassen, die angeordnet sind, um jede Übertragungszone (14) alternativ mit einem oder dem anderen der Kreisläufe (410a, 410b) zu verbinden.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Synchronisationseinrichtungen umfasst, die zur Synchronisation der Hin- und Herverlagerungseinrichtungen mit den Schalteinrichtungen (412) angeordnet sind, so dass entsprechend dem Magnetfeld, zu dem das magnetokalorische Element (12, 22, 32) übertragen wird, die entsprechende Übertragungszone (14) mit einem oder einem anderen der Kreisläufe (410a, 410b) verbunden ist.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetokalorische Element (12, 22, 32) mindestens einen der magnetokalorischen Werkstoffe umfasst, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens das Gadolinium (Gd) umfasst, eine Gadoliniumlegierung, die mindestens einen der Werkstoffe umfasst, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die mindestens Silizium (Si), Germanium (Ge), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Phosphor (P), Arsen (As) umfasst, wobei der magnetokalorische Werkstoff eine der Formen aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die einen Block, eine Pastille, ein Pulver und ein Agglomerat aus Stücken umfasst.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Thermoelement (11, 21, 31, 41a, 41b) mindestens teilweise aus einem leitenden Werkstoff ausgewählt ist, der auf Grund seiner guten Wärmeleitung ausgewählt wird, und der aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Stähle und Stahllegierungen, nichtrostende Elemente und Legierungen nichtrostender Elemente umfasst.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (11, 21, 31, 41a, 41b) mindestens einen Durchgangskanal umfasst, der mit mindestens einer Eingangsöffnung (16), und mit mindestens ei ner Ausgangsöffnung (17) versehen ist, die mit dem Kreislauf (410a, 410b) verbunden ist, wobei der Durchgangskanal die entsprechende Übertragungszone (14) festlegt.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoelement (11, 21, 31, 41a, 41b) einen einzigen Durchgangskanal umfasst, der mit einer Eingangsöffnung (16) und mit einer Ausgangsöffnung (17) versehen ist, die mit dem Kreislauf (410a, 410b) verbunden sind, wobei der Durchgangskanal die entsprechende Übertragungszone (14) festlegt.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtungen mindestens ein Magnetelement (103, 203, 303, 403) umfassen, welches mit mindestens einem Dauermagneten oder einem Elektromagneten oder einem Supraleiter versehen ist.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (103, 203, 303, 403) mindestens einen magnetisierbaren Werkstoff umfasst, der angeordnet ist, um die Feldlinien des Dauermagneten zu konzentrieren und auszurichten, der aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens Eisen (Fe), Kobalt (Ca), Vanadium (V), Weicheisen, eine Verbindung dieser Werkstoffe umfasst.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement (103, 203, 303, 403) eine U-Form oder C-Form aufweist, die zur alternativen Aufnahme des magnetokalorischen Elementes (12, 22, 32) zwischen seinen Schenkeln in der Lage ist.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelemente (11, 21, 31, 41a, 41b) unabhängig und durch mindestens ein thermisch isolierendes Element getrennt sind, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die mindestens einen Raum und einen Isolationswerkstoff umfasst.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Magnetelemente (103, 203, 303, 403) umfasst, die durch mindestens einen Träger (104, 304) getragen werden, der mit den Hin- und Herverlagerungseinrichtungen verbunden ist.
Vorrichtung (1, 2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger praktisch kreisförmig ist und mindestens einen Ring (104) festlegt, der sich auf seiner Achse hin- und herbewegend angebracht ist, wobei der Ring radial die Magneteinrichtungen (103, 203) trägt, und wobei die Thermoelemente (11, 21) praktisch kreisförmig angeordnete Kreis sektoren aufeinanderfolgend festlegen, um durch die Magneteinrichtungen (103, 203) praktisch frei überlappt werden zu können.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtungen (103) so ausgerichtet sind, dass die Schlitze in U- oder C-Form praktisch parallel zu der Schwenkachse des Ringes (104) verlaufen, wobei die Thermoelemente (11) praktisch parallel zu der Schwenkachse des Ringes (104) ausgerichtet sind.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtungen (203) so ausgerichtet sind, dass die Schlitze in U- oder C-Form praktisch senkrecht zu der Schwenkachse des Ringes (204) verlaufen, wobei die Thermoelemente (21) praktisch parallel zu der Schwenkachse des Ringes (204) ausgerichtet sind.
Vorrichtung (3) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger praktisch geradlinig ist und mindestens einen geradlinig in Form einer Translation hin- und herbewegbaren Stab (304) festlegt, wobei der Stab (304) die Magneteinrichtungen (303) trägt, und die Thermoelemente (31) durch mindestens einen Rahmen (306) getragen werden, der den Stab (304) umgibt, und die praktisch in Reihe angeordnet sind, um durch die Magneteinrichtungen (303) praktisch frei überlappt werden zu können.
Vorrichtung (3) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtungen (303) zickzackförmig beiderseits des Stabes (304) angeordnet sind, um zwei Reihen festzulegen, wobei der Rahmen (306) zwei Reihen von Thermoelementen (31) umfasst, wovon jedes Magneteinrichtungen (303) einer der Reihen entspricht.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Thermoelemente (11, 21, 31, 41a, 41b) durch mindestens eine Platte (18, 28) getragen wird, die Verbindungsöffnungen (100) zum Durchgang des Wärmeübertragungsfluids zu dem Kreislauf (410a, 410b) umfasst.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulationseinrichtungen aus der Gruppe ausgewählt werden, die mindestens eine Pumpe (411a, 411b), eine Umlaufpumpe und einen Thermosiphon umfasst.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausstoßeinrichtungen mindestens zwei Tauschelemente umfassen, wovon mindestens ein Kalorien tauscher (413a) mit dem „warmen Kreislauf" (410a) verbunden ist, und mindestens ein Tauschelement für Kälte (413b) mit dem „kalten Kreislauf" (410b) verbunden ist.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hin- und Herbewegungsantriebseinrichtungen aus der Gruppe ausgewählt werden, die mindestens einen Motor, einen Kolben, einen Federmechanismus, eine Windkraftmaschine, einen Elektromagneten und eine Wasserkraftmaschine umfasst.
Vorrichtung (1-4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Einheiten zur Erzeugung eines Wärmestromes umfasst, die in Reihe, parallel oder gemäß einer reihenparallelen Kombination verbunden sind.