ES2323478T3 - Generador termico con material magnetocalorico. - Google Patents
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Abstract
Generador térmico (1) con material magnetocalórico que comprende por lo menos un soporte (2) fijo que soporta por lo menos dos elementos térmicos (3) de material magnetocalórico, unos medios magnéticos (4) móviles con respecto a dichos elementos térmicos (3) de manera que los someta a una variación de campo magnético para hacer variar su temperatura, y unos medios de recuperación (5) de las calorías y de las frigorías emitidas por dichos elementos térmicos (3) que comprenden por lo menos dos circuitos (51, 52) distintos, en cada uno de los cuales circula un fluido portador de calor, un circuito denominado "caliente" (51) y un circuito denominado "frío" (52), estando cada circuito (51, 52) acoplado a por lo menos un intercambiador térmico (55, 56) apropiado para evacuar las calorías o las frigorías recuperadas y a unos medios de conmutación (57, 58) dispuestos para poner alternativamente en dicho circuito (51, 52) el elemento térmico (3) correspondiente, caracterizado porque cada elemento térmico (3) comprende unos pasos de fluido (35) que forman por lo menos dos circuitos colectores (31, 32) distintos, un circuito colector denominado "caliente" (31) en el cual circula el fluido portador de calor del circuito caliente (51) encargado de recoger las calorías emitidas por dicho elemento térmico (3) sometido al campo magnético, y un circuito colector denominado "frío" (32) en el cual circula el fluido portador de calor del circuito frío (52) encargado de recoger las frigorías emitidas por dicho elemento térmico (3) no sometido al campo magnético, siendo dichos fluidos portadores de calor puestos en movimiento alternativamente en uno u otro circuito colector (31, 32) según que dicho elemento térmico (3) es sometido o no al campo magnético y que emite unas calorías o unas frigorías.
Description
Generador térmico con material
magnetocalórico.
La presente invención se refiere a un generador
térmico con material magnetocalórico que comprende por lo menos un
soporte fijo que soporta por lo menos dos elementos térmicos de
material magnetocalórico, unos medios magnéticos móviles con
respecto a dichos elementos térmicos de manera que los someta a una
variación de campo magnético para hacer variar su temperatura, y
unos medios de recuperación de las calorías y de las frigorías
emitidas por dichos elementos térmicos que comprenden por lo menos
dos circuitos de fluido portador de calor, un circuito denominado
"caliente" y un circuito denominado "frío", estando cada
circuito acoplado a por lo menos un intercambiador térmico y
provisto de medios de conmutación para poner, en dicho circuito, el
elemento térmico correspondiente.
Los generadores térmicos con material
magnetocalórico utilizan las propiedades magnetocalóricas de ciertos
materiales, tales como el gadolinio o algunas aleaciones, que
presentan la particularidad de calentarse bajo el efecto de un
campo magnético, y de enfriarse, a una temperatura inferior a su
temperatura inicial, después de la desaparición del campo magnético
o a consecuencia de una disminución de este campo magnético. Este
efecto magnetocalórico se produce en la proximidad del punto de
Curie del material. Esta nueva generación de generadores térmicos
presenta la ventaja de ofrecer una solución muy ecológica puesto que
no es contaminante. Sin embargo, para ser económicamente rentable y
proporcionar un buen rendimiento energético, la concepción de dichos
generadores y de sus medios de recuperación de las calorías y de
las frigorías emitidas por este material es primordial.
La publicación
WO-A-03/050456 da un primer ejemplo
en el cual el generador térmico con material magnetocalórico
comprende un recinto anular monobloque que delimita doce
compartimientos separados por unas juntas y que reciben cada uno
gadolinio en forma porosa. Cada compartimiento está provisto de
cuatro orificios, de los que uno es orificio de entrada y el otro
un orificio de salida conectados a un circuito caliente, y un
orificio de entrada y un orificio de salida conectados a un
circuito frío. Los dos imanes permanentes están animados con un
movimiento de rotación continua de manera que barren los diferentes
compartimientos sometiéndolos sucesivamente a un campo magnético
diferente. Las calorías y las frigorías emitidas por el gadolinio de
los diferentes compartimientos son guiadas hacia unos
intercambiadores de calor por unos circuitos caliente y frío, en los
cuales circula un fluido portador de calor, y a los cuales son
sucesivamente conectados por medio de juntas giratorias, cuya
rotación está sincronizada con la de los imanes. Los imperativos
ligados a esta rotación síncrona hacen este dispositivo
técnicamente difícil y costoso de realizar. Además, su principio de
funcionamiento hace sus perspectivas de evolución técnica muy
limitadas. Por otra parte, su construcción es compleja y costosa
teniendo en cuenta los diferentes conductos, rácores y válvulas
necesarios para realizar los circuitos caliente y frío. Por otra
parte, el rendimiento energético de dicho generador resulta
insuficiente, limitando considerablemente sus aplicaciones. En
efecto, el fluido portador de calor que circula a través de los
poros del material magnetocalórico es el mismo tanto para el
circuito frío, como para el circuito caliente, estando solamente su
sentido de circulación invertido, de lo que resulta una inercia
térmica muy penalizante.
La publicación
FR-A-2 861 454 da un segundo ejemplo
en el cual los elementos térmicos son atravesados por un canal,
situado en la proximidad del material magnetocalórico, y que
comunica con el circuito de fluido portador de calor a través de
una platina sobre la cual están montados. Esta platina presenta unos
canales que definen los circuitos caliente y frío en los cuales
circula el fluido portador de calor y a los cuales está
directamente conectado el canal de los elementos térmicos, sin
conducto ni racor intermedio. Este tipo de construcción tiene la
ventaja de reducir netamente el coste de fabricación de dicho
generador y de ofrecer una gran flexibilidad de configuraciones.
Sin embargo, adolece de los inconvenientes ligados al fluido
portador de calor único, que circula en los elementos térmicos
tanto para el circuito frío, como para el circuito caliente. Esta
solución presenta por consiguiente un rendimiento calorífico
insuficiente.
insuficiente.
La presente invención prevé evitar estos
inconvenientes proponiendo un generador térmico no polucionante,
que tiene un rendimiento energético muy bueno, de concepción simple
y económica, bajo consumidor de energía, siendo al mismo tiempo
evolutivo, flexible, modular y que puede ser utilizado tanto en unas
instalaciones industriales a gran escala como para unas
aplicaciones domésticas.
A este fin, la invención se refiere a un
generador térmico del tipo indicado en el preámbulo, caracterizado
porque cada elemento térmico presenta unos pasos de fluido que
forman por lo menos dos circuitos colectores distintos, un circuito
colector denominado "caliente" en el cual circula el fluido
portador de calor del circuito caliente encargado de recoger las
calorías emitidas por dicho elemento térmico sometido al campo
magnético, y un circuito colector llamando "frío" en el cual
circula el fluido portador de calor del circuito frío encargado de
recoger las frigorías emitidas por dicho elemento térmico no
sometido al campo magnético, siendo dichos fluidos portadores de
calor puestos en movimiento alternativamente en uno o en otro
circuito colector según que dicho elemento térmico es sometido o no
al campo magnético y que emite calorías o frigorías.
Los elementos térmicos están por lo menos en
parte realizados en un material magnetocalórico que se presenta por
lo menos en una forma seleccionada de entre el grupo que comprende
un bloque macizo, un apilamiento de bloques macizos, o en placas
macizas, un ensamblaje de partículas, un bloque poroso, un
apilamiento de bloques porosos o de placas porosas, y una
combinación de estas formas.
Los circuitos colectores están preferentemente
constituidos cada uno por una multitud de pasos de fluido,
repartidos en el espesor de los elementos térmicos para ofrecer una
gran superficie de intercambio térmico, siendo estos pasos de
fluido de pequeño tamaño, comprendido entre 0,01 mm y 5 mm y
preferentemente igual a 0,15 mm, apropiados para crear un flujo
sustancialmente laminar del fluido portador de calor a través de los
elementos térmicos. Los pasos de fluido de los dos circuitos
colectores de cada elemento térmico pueden tener unas orientaciones
paralelas o diferentes y por ejemplo perpendiculares. Están
definidos por lo menos por una forma seleccionada en el grupo que
comprende unas perforaciones, unas ranuras, unas hendiduras, unos
intersticios, una combinación de estas formas, pudiendo estas
formas ser obtenidas por mecanizado, grabado químico, iónico o
mecánico, conformado, intermedio entre bloques o placas, espacio
entre partículas.
En la forma de realización preferida de la
invención, el soporte fijo comprende por lo menos un platina
provista de por lo menos dos aberturas que delimitan unas cavidades
para recibir en ellas los elementos térmicos y por lo menos dos
series de canales que forman una parte de los circuitos de fluido
portador de calor caliente y frío y que desembocan en cada cavidad
por un orificio de entrada y un orificio de salida apropiados para
comunicar con los pasos de fluido correspondientes de los elementos
térmicos, o sea dos orificios de entrada y dos orificios de salida
por cavidad.
Los canales pueden estar formados por unas
ranuras repartidas sobre una o la otra de las dos caras o sobre las
dos caras de la platina, estando la o las caras recubiertas por una
placa aplicada dispuesta para obturar y estanqueizar estos
canales.
Los elementos térmicos y las cavidades tienen de
manera ventajosa unas formas de encajado complementarias, que
pueden ser sustancialmente paralelepipédicas, presentando cada lado
de la cavidad un orificio de entrada o un orificio de salida de uno
de los circuitos de fluido portador de calor caliente y frío y
presentando cada lado del elemento térmico una entrada o una salida
de sus circuitos colectores.
En la forma de realización preferida, se deja un
juego, comprendido entre 0,05 mm y 15 mm y preferentemente igual a
1 mm, a cada lado entre la cavidad y el elemento térmico formando
una cámara de repartición del fluido portador de calor que se
extiende en el espesor del elemento térmico, estando un órgano de
estanqueidad dispuesto en cada ángulo de la cavidad.
Este generador térmico comprende ventajosamente
un número par de elementos térmicos repartidos sustancialmente en
círculo alrededor de un eje central del soporte y los medios
magnéticos están preferentemente acoplados a unos medios de
arrastre en rotación alrededor de este eje central.
Estos medios magnéticos pueden comprender un
número de imanes que corresponde al número de elementos térmicos,
estando estos imanes unidos por pares y dispuestos a ambos lados de
los elementos térmicos para someter al campo magnético a un
elemento térmico de cada dos. En la forma de realización preferida,
los elementos térmicos están dispuestos entre sí de manera
adyacente de modo que los pares de imanes pasen de una serie de
elementos térmicos a la otra sin ruptura del campo magnético.
Los medios de recuperación de las calorías y de
las frigorías pueden comprender unos medios de puesta en circulación
forzada del fluido portador de calor previstos sobre uno de los
circuitos de fluido portador de calor o sobre los dos. En el primer
caso, los dos circuitos de fluido portador de calor caliente y frío
están conectados en un bucle cerrado, conectando el circuito de
fluido portador de calor caliente la salida de un intercambiador
térmico frío con la entrada de un intercambiador térmico caliente y
conectando el circuito de fluido portador de calor frío la salida
del intercambiador térmico caliente con la entrada del
intercambiador térmico frío. En el segundo caso, los dos circuitos
de fluido portador de calor caliente y frío son independientes y
forman cada uno un bucle cerrado. Preferentemente, los fluidos
portadores de calor de los dos circuitos caliente y frío circulan
en sentidos contrarios.
Los medios de conmutación pueden comprender por
lo menos una válvula prevista sobre cada circuito de fluido
portador de calor caliente y frío y dispuesta para poner en serie
uno o el otro de los circuitos colectores de los elementos térmicos
según que sean o no sometidos al campo magnético y que produzcan
unas calorías o unas frigorías.
La presente invención y sus ventajas se pondrán
más claramente de manifiesto a partir de la descripción siguiente
de un modo de realización dado a título de ejemplo no limitativo,
haciendo referencia a los planos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista simplificada en
perspectiva del generador térmico según la invención,
- la figura 2 es una vista explosionada del
generador de la figura 1,
- la figura 3 es una vista en perspectiva de la
platina del generador de la figura 1, sin los elementos
térmicos,
- la figura 4 es una vista en perspectiva de un
elemento térmico destinado a ser montado en la platina de la figura
3 y la figura 4A es una vista ampliada del detalle A de la figura 4,
y
- las figuras 5A y 5B son unos esquemas que
ilustran los circuitos de fluido portador de calor según los dos
ciclos de funcionamiento.
Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, el
generador térmico 1 con material magnetocalórico según la invención
comprende un soporte fijo que se presenta en forma de una platina 2
dispuesta para soportar por lo menos dos, y en el ejemplo
ilustrado, ocho elementos térmicos 3 de material mangnetocalórico.
Comprende asimismo unos medios magnéticos 4 móviles con respecto a
los elementos térmicos 3 de manera que los someta a una variación
de campo magnético para hacer variar su temperatura y unos medios de
recuperación 5 de las calorías y de las frigorías emitidas por los
elementos térmicos 3. Estos medios de recuperación 5 comprenden en
particular dos circuitos 51, 52 de fluido portador de calor
distintos, es decir estancos hidráulicamente uno del otro, a saber
un circuito denominado "caliente" 51 que recupera las calorías
y un circuito denominado "frío" 52 que recupera las frigorías,
estando cada circuito 51, 52 acopado a por lo menos un
intercambiador térmico apropiado para utilizar estas calorías y
frigorías para unas aplicaciones, tanto industriales como
domésticas, de calefacción, de templado, de enfriado, de
climatización o similar.
En el ejemplo ilustrado, los elementos térmicos
3 están alojados en unas cavidades 20 de la platina 2 y están
repartidos sustancialmente en círculo alrededor de un eje central B.
Los medios magnéticos 4 comprenden ocho imanes permanentes 40
repartidos por pares, a ambos lados de la platina 2, de manera que
sometan al campo magnético a un elemento térmico 3 de cada dos.
Estos imanes permanentes 40 están soportados por dos armaduras 41
previstas a cada lado de la platina 2 y arrastradas en rotación por
un árbol de arrastre (no representado) acoplado a cualquier tipo de
accionador, tal como un motor, motorreductor, motor paso a paso,
servomotor, gato rotativo, etc, directamente o por cualquier tipo
de transmisión mecánica adecuada.
La ventaja de este modo de construcción de los
elementos térmicos 3 en círculo alrededor de un eje B permite
utilizar un modo de arrastre de los medios magnéticos 4, simple, por
rotación continúa en el mismo sentido. Evidentemente pude convenir
cualquier otro modo de construcción. Por ejemplo si los elementos
térmicos 3 están dispuestos en línea, se elegirá un modo de
arrastre de los medios magnéticos 4 por traslación alternativa.
Los imanes permanentes pueden ser macizos,
sinterizados o en hojas, asociados a uno o varios materiales
magnetizables que concentran y dirigen sus líneas de campo
magnético en dirección a los elementos térmicos 3. Cualquier otro
tipo de imán puede convenir tal como un electroimán o un
supraconductor. Sin embargo, el imán permanente presenta unas
ventajas ciertas en términos de dimensionado, de simplicidad de
utilización y de bajo coste. Se elegirán preferentemente unos
imanes permanentes 40 capaces de generar un campo magnético de cómo
mínimo 1 Tesla.
Por otra parte, los elementos térmicos 3 están
dispuestos entre sí de forma adyacente de manera que los pares de
imanes 40 pasan de una serie de elementos térmicos 3 a la otra sin
ruptura del flujo magnético. Esta disposición tiene la ventaja de
limitar considerablemente la fuerza motriz necesaria para poner en
movimiento los medios magnéticos 4 dado que no tiene necesidad de
oponerse a la fuerza magnética.
La platina 2 está constituida por una placa
realizada preferentemente en un material térmicamente aislante y no
magnético. La misma presenta unas aberturas que forman las cavidades
20 que tienen unas formas de encajado complementarias con los
elementos térmicos 3, así como un espesor sustancialmente igual para
que los elementos térmicos 3 enrasen con las caras de la platina 2.
Son posibles otras formas de construcción, siendo lo esencial que
cada elemento térmico 3 pueda ser activado por el campo magnético de
los imanes permanentes 40.
Más particularmente con referencia a la figura
3, esta platina 2 presenta dos series de canales 21, 22 que forman
la parte interior de los circuitos de fluido portador de calor
caliente 51 y frío 52. Los canales 21, 22 de cada serie desembocan
por una parte en las cavidades 20 por unos orificios de entrada y de
salida de fluido dispuestos para comunicar con los elementos
térmicos 3, o bien por cavidad 20 dos orificios de entrada y dos
orificios de salida, y por otra parte en el exterior de la platina 2
por unos orificios de entrada y de salida dispuestos para ser
conectados a la parte exterior de los circuitos de fluido portador
de calor caliente 51 y frío 52 que comprenden en particular los
intercambiadores térmicos. En el ejemplo representado, estos
canales 21, 22 están repartidos sobre las dos caras de la platina 20
y están formados por ranuras, por ejemplo realizadas por
mecanizado, grabado, moldeado o cualquier otra técnica apropiada. En
esta realización, la platina 2 está asociada a unos medios de
estanqueidad 6 en forma de dos placas 60, no metálicas, dispuestas
para aplicarse cada una contra una cara de la platina 2 por medio de
una junta 61 en forma de una membrana que permite así obturar y
estanqueizar los canales 21, 22. En el ejemplo representado, las
placas 60 y las juntas 61 presentan unos recortes 62, 63 dispuestos
en correspondencia con los elementos térmicos 3 y son ensamblados a
la platina 2 por ejemplo por atornillado o por cualquier otro medio
equivalente. Las placas 60 y las juntas 61 pueden también ser
macizas. Evidentemente, los canales 21, 22 pueden estar previstos
sobre una sola cara de la platina 2. Esta platina 2 puede estar
asimismo realizada de modo diferente, por ejemplo en dos piezas
moldeadas y ensambladas, estando los canales 21, 22 alojados en el
interior. Asimismo, las juntas 61 pueden ser reemplazadas por una
capa de cola apropiada o similar.
Los elementos térmicos 3 están por lo menos en
parte y preferentemente totalmente, realizados en un material
magnetocalórico, tal como por ejemplo gadolinio (Gd), una aleación
de gadolinio que contiene por ejemplo silicio (Si), germanio (Ge),
una aleación de manganeso que contiene por ejemplo hierro (Fe),
magnesio (Mg), fósforo (P) o cualquier otro material o aleación
magnetizable equivalente. La elección entre estos materiales
magnetocalóricos se realiza en función de las potencias calóricas y
frigoríficas buscadas y de las gamas de temperatura necesarias. De
manera general, el material magnetocalórico puede presentarse en
forma de un bloque macizo, de un apilamiento de bloques macizos o
de placas macizas, de un ensamblaje de partículas en forma de polvo
o de partículas, de un bloque poroso, de un apilamiento de bloques
porosos o de placas porosas, o cualquier otra forma adecuada, así
como una combinación de estas formas. Asimismo, los elementos
térmicos 3 pueden estar constituidos por un ensamblaje de
diferentes materiales magnetocalóricos. Pueden también estar
realizados en un material térmicamente conductor que comprende uno
o varios materiales magnetocalóricos.
Estos elementos térmicos 3 tienen la
particularidad de comprender cada uno por lo menos dos circuitos
colectores 31, 32 distintos, es decir estancos hidráulicamente uno
del otro, a saber un circuito colector denominado "caliente"
31 conectado al circuito de fluido portador de calor caliente 21, 51
y un circuito colector denominado "frío" conectado al circuito
de fluido portador de calor frío 22, 52, siendo el fluido portador
de calor de cada uno de los circuitos puesto en movimiento
alternativamente en uno u otro circuito colector 31, 32 según que
el elemento térmico 3 sea sometido o no al campo magnético y que
emita calorías o frigorías.
En el ejemplo representado y detallado en las
figuras 4 y 4A, los elementos térmicos 3 están formados por un
apilamiento de placas macizas 30 realizadas en gadolinio. Las mismas
tienen una forma cuadrada y presentan cada una tres nervaduras, una
nervadura central 33 y dos nervaduras extremas 34, dispuestas para
delimitar entre ellas, cuando las placas 30 son superpuestas, dos
ranuras estrechas, paralelas, que forman unos pasos de fluido 35.
Las placas 30 están alternativamente orientadas en unas direcciones
perpendiculares para formar dos series de pasos de fluido 35 que
forman los dos circuitos colectores 31, 32 distintos. Así, estos
circuitos colectores 31, 32 están formados por una multitud de
pasos de fluido 35, repartidos en el espesor de los elementos
térmicos 3 de manera que ofrezcan una superficie muy grande de
intercambio térmico. Teniendo estas placas 30 un espesor del orden
del milímetro, los pasos de fluido 35 son del orden de la décima de
milímetro apropiados para crear un flujo denominado laminar del
fluido portador de calor a través de los elementos térmicos 3
favoreciendo también el rendimiento de este intercambio térmico con
una cantidad mínima de fluido portador de calor. Estos elementos
térmicos 3 constituyen así unos mini o microintercambiadores
térmicos activos que generan e intercambian unas calorías y unas
frigorías con los fluidos portadores de calor que los atraviesan en
función de las alternancias magnetización/desmagnetización. Estos
pasos de fluido 35 pueden también estar orientados en unas
direcciones paralelas.
Cada circuito colector 31, 32 desemboca sobre
dos lados opuestos de los elementos térmicos 3 por una entrada y
una salida de fluido que comunican automáticamente con los orificios
de entrada y de salida de fluido portador de calor de los circuitos
caliente 21 y frío 22 previstos en correspondencia en cada cavidad
20 cuando los elementos térmicos 3 están montados en la platina. A
este fin, de ja un juego comprendido entre 0,05 mm y 15 m y
preferentemente igual a 1 mm entre los lados correspondientes de la
platina 2 y del elemento térmico 3 para delimitar unas cámaras de
repartición del fluido portador de calor que se extienden en el
espesor de elemento térmico 3. La estanqueidad de los circuitos
colectores 31, 32 está asegurada por una parte, entre las cámaras
de repartición, por unas juntas (no representadas) previstas por
ejemplo en los cuatro vértices de las cavidades 20 y por otra
parte, sobre las caras anverso-reverso de la platina
2, por las placas 60 y las juntas 61.
Evidentemente, estos circuitos colectores 31, 32
pueden estar realizados de modo diferente según la forma del
material magnetocalórico. En el ejemplo ilustrado, las placas 30 y
sus nervaduras 33, 34 pueden ser obtenidas por mecanizado,
laminado, embutición, electroerosión o similar. En otra forma de
realización, las placas 30 pueden ser planas y se intercala entre
ellas una hoja intermedia o una riostra que delimita los pasos de
fluido. Los pasos de fluido 35 pueden también estar formados por
unas perforaciones, unas ranuras de formas diferentes, unas
hendiduras, unos intersticios, una combinación de estas formas,
siendo estas formas obtenidas por mecanizado, grabado químico,
iónico o mecánico, conformado, espacio entre las partículas. Estos
pasos de fluido 35 pueden tener un tamaño comprendido entre 0,01 mm
y 5 mm y preferentemente ser igual a 0,15 mm, contribuyendo esta
pequeña dimensión a crear un flujo del fluido portador de calor
denominado laminar.
Haciendo referencia ahora a las figuras 5A y 5B,
por lo menos un circuito 51, 52 de fluido portador de calor
comprende unos medios de circulación forzada del fluido portador de
calor, tales como por ejemplo una bomba 53, un termosifón o
cualquier otro medio equivalente. Esta circulación puede también ser
libre y natural, simplemente por el juego de las diferencias de
temperatura del fluido portador de calor.
La composición química del fluido portador de
calor está adaptada a la gama de temperaturas deseada y elegida
para obtener un intercambio térmico máximo. Se utilizará por ejemplo
agua pura para unas temperaturas positivas y agua adicionada con
anticongelante, por ejemplo un producto glicolado, para las
temperaturas negativas. Este generador térmico 1 permite así
liberarse de la utilización de cualquier fluido corrosivo o nocivo
para el hombre y/o su entorno.
Cada circuito 51, 52 de fluido portador de calor
comprende unos medios de evacuación de las calorías y de las
frigorías recogidas respectivamente para calentar y enfriar, tales
como por ejemplo un intercambiador térmico caliente 55 y un
intercambiador térmico frío 56, o cualquier otro medio equivalente.
Asimismo, cada circuito 51, 52 comprende unos medios de conmutación
para poner, en el circuito 51, 52 correspondiente, los elementos
térmicos 3 correspondientes, tales como por ejemplo una
electroválvula 57, 58 de dos vías, o similar. El mando de estas
electroválvulas 57, 58 está evidentemente sincronizado con la
rotación de los imanes 40, como se explicará más adelante. Estos
medios de conmutación también pueden estar integrados en la platina
2, por mecanizado y/o moldeado y ensamblaje de componentes, siendo
la conmutación obtenida por la atracción magnética de un pistón, de
una bola, etc..., móvil entre dos partes que definen unas
válvulas.
El funcionamiento del generador térmico 1 según
la invención se describe con referencia a las figuras 5A y 5B que
ilustran esquemáticamente los dos ciclos de funcionamiento del
generador térmico 1 con, para simplificar, cuatro elementos
térmicos 3 y dos pares de imanes 40. En este ejemplo, los medios de
recuperación comprenden una sola bomba 53 prevista sobre el
circuito caliente 51 y los dos circuitos caliente 51 y frío 52 están
conectados en un bucle cerrado: el circuito caliente 51 de fluido
portador de calor que conecta la salida Sf del intercambiador
térmico frío 56 con la entrada Ec del intercambiador térmico
caliente 55 y el circuito frío 52 que conecta la salida Sc del
intercambiador térmico caliente 55 con la entrada Ef del
intercambiador térmico frío 56. Se pueden también prever dos
circuitos 51, 52 completamente independientes que forman cada uno un
bucle cerrado. En este caso, cada circuito 51, 52 comprende su
propia bomba 53. En todos los casos, el sentido de circulación del
fluido portador de calor en estos dos circuitos 51, 52 está
preferentemente invertido. Para simplificar, los circuitos caliente
y frío están referenciados 51, 52, sabiendo que una parte de estos
circuitos caliente y frío es interior al generador térmico 1 y está
integrada a la platina 2 bajo las referencias 21, 22.
En el primer ciclo de funcionamiento ilustrado
por la figura 5A, los imanes 40 están frente a los dos elementos
térmicos 3(1), 3(3) que se calientan bajo el efecto
del campo magnético, enfriándose los otros dos elementos térmicos
3(2), 3(4) puesto que no están sometidos al campo
magnético. Las electroválvulas 57, 58 son basculadas a una primera
posición que permite poner, en serie en el circuito caliente 51, los
elementos térmicos 3(1), 3(3) que se calientan, y en
serie en el circuito frío 52, los elementos térmicos 3(2),
3(4) que se enfrían, estando los circuitos en los cuales el
fluido portador de calor está en movimiento representados en trazo
seguido. La salida Sf del intercambiador térmico frío 56 está
conectada, por la electroválvula 58, con la entrada Ec(1)
del elemento térmico 3(1), su salida Sc(1) está
conectada a la entrada Ec(3) del elemento térmico
3(3) y su salida Sc(3) con la entrada Ec del
intercambiador térmico caliente 55. Este circuito caliente 51 pone
en movimiento el fluido portador de calor en los circuitos
colectores calientes 31 de los elementos térmicos 3(1),
3(3), siendo los otros inactivos. Asimismo, la salida Sc del
intercambiador térmico caliente 55 está conectada, por la
elecroválvula 57, con la entrada Ef(4) del elemento térmico
3(4), su salida Sf(4) está conectada con la entrada
Ef(2) del elemento térmico 3(2) y su salida
Sf(2) con la entrada Ef del intercambiador térmico frío 56.
El circuito frío 52 pone en movimiento el fluido portador de calor
en los circuitos colectores fríos 32 de los elementos térmicos
3(2), 3(4), estando los otros inactivos. Este ciclo es
rápido y dura entre algunas milésimas de segundo y 20 segundos y
preferentemente 1 segundo que corresponde al tiempo de paso de los
imanes 40 frente a los elementos térmicos 3(1) y
3(3).
Cuando los dejan para pasar frente a los
elementos térmicos 3(2) y 3(4), las electroválvulas
57, 58 son basculadas a una segunda posición ilustrada en la figura
5B que corresponde al segundo ciclo de funcionamiento en el cual
los imanes 40 están frente a los dos elementos térmicos 3(2),
3(4) que se calientan bajo el efecto del campo magnético,
enfriándose los dos primeros elementos térmicos 3(1),
3(3) puesto que no están ya sometidos al campo magnético.
Las electroválvulas 57, 58 basculadas a su segunda posición ponen en
el circuito caliente 51, los elementos térmicos 3(2),
3(4) que se calientan, y en el circuito frío 52, los
elementos térmicos 3(1), 3(3) que se enfrían, estando
los circuitos en los cuales el fluido portador de calor está en
movimiento representados en trazo seguido. La salida Sf del
intercambiador térmico frío 56 está conectada, por la electroválvula
58, con la entrada Ec(2) del elemento térmico 3(2),
su salida Sc(2) está conectada con la entrada Ec(4)
del elemento térmico 3(4) y su salida Sc(4) con la
entrada Ec del intercambiador térmico caliente 55. El circuito
caliente 51 pone en movimiento el fluido portador de calor en los
circuitos colectores calientes 31 de los elementos térmicos
3(2), 3(4), estando los otros inactivos. Asimismo, la
salida Sc del intercambiador térmico caliente 55 está conectada,
por la electroválvula 57, con la entrada Ef(3) del elemento
térmico 3(3), su salida Sf(3) está conectada con la
entrada Ef(1) del elemento térmico 3(1) y su salida
Sf(1) con la entrada Ef del intercambiador térmico frío 56.
El circuito frío 52 pone en movimiento el fluido portador en calor
de los circuitos colectores fríos 32 de los elementos térmicos
3(1), 3(3), estando los otros inactivos. Este ciclo
rápido corresponde al tiempo de paso de los imanes 40 frente a los
elementos térmicos 3(2) y 3(4). Cuando los dejan para
pasar de un nuevo frente a los elementos térmicos 3(1) y
3(3), las electroválvulas 57, 58 son basculadas a su primera
posición ilustrada en la figura 5A y el primer ciclo de
funcionamiento empieza de nuevo.
El hecho de utilizar como fluido portador de
calor un líquido y no un gas permite liberarse de válvula
antiretorno. El ejemplo es visible en las figuras 5A y 5B en las
cuales, en las entradas Ec y Ef de los intercambiadores térmicos
caliente 55 y frío 56, los dobles circuitos calientes 51 y fríos 52
se unen respectivamente. El fluido portador de calor siendo líquido
no es comprensible y se dirige naturalmente al circuito que está
cerrado y no al que está abierto.
Se desprende claramente de esta descripción que
los dos circuitos caliente 51 y frío 52 son activos y dinámicos en
los dos ciclos de funcionamiento, así como los elementos térmicos 3
son todos explotados. Además, el fluido portador de calor encargado
de recuperar las calorías está limitado a esta función, así como
para el fluido portador de calor encargado de recuperar las
frigorías. Dado que no hay ninguna mezcla de fluido potador de
calor a unas temperaturas diferentes, como en la técnica anterior,
siendo los dos circuitos caliente 51 y frío 52 distintos, en
particular a nivel de los circuitos colectores 31, 32 en los
elementos térmicos 3, no hay ningún intercambio ni mezcla térmica
entre circuitos. Esta nueva tecnología permite así reducir
considerablemente las pérdidas térmicas, acelerar los ciclos de
funcionamiento, incrementar la potencia del generador térmico 1 y
alcanzar unos rendimientos térmicos muy buenos para una necesidad
energética muy reducida teniendo en cuenta la baja potencia motriz
necesaria para hacer girar los imanes 40.
Además, esta técnica de circuitos calientes 21,
31, 51 y fríos 22, 32, 52 distintos permite poner en práctica el
ciclo denominado "AMR", es decir que a cada nuevo ciclo de
funcionamiento del generador térmico 1, la diferencia de
temperatura, entre las temperaturas al inicio y al final de ciclo,
respectivamente en el circuito caliente 51 y en el circuito frío
52, aumenta, lo que permite alcanzar unos niveles de temperatura de
calentamiento y de enfriado superiores a los generadores de este
tipo actualmente conocidos. Por otra parte, el generador térmico 1
de la invención no presenta ningún peligro, ni para las personas, ni
para el entorno. En efecto, si llegara a faltar fluido portador de
calor en los circuitos caliente 51 y frío 52, no habría ya
intercambio térmico por tanto ningún riesgo de embalado
térmico.
Este generador térmico 1 encuentra su aplicación
en cualquier campo técnico donde es necesario calentar, templar,
enfriar o climatizar, como en los aparatos electrodomésticos para
los refrigeradores y los congeladores, en las climatizaciones y las
calefacciones tanto industriales como domésticas y también en los
vehículos, en la industria agroalimentaria para las vitrinas y los
armarios refrigerados, en las cavas de vino climatizadas y en
cualquier tipo de recintos refrigerados.
La presente invención no está limitada al
ejemplo de realización descrito sino que se extiende a cualquier
modificación y variante evidentes para un experto en la materia
estando al mismo tiempo comprendidas en el alcance de la protección
definida en las reivindicaciones adjuntas. En particular, las formas
ilustradas, el número de elementos térmicos 3 y de imanes 40, la
forma de crear los circuitos colectores 31, 32 y de integrar los
circuitos caliente 21 y frío 22 en la platina 2 pueden diferir.
Claims (20)
1. Generador térmico (1) con material
magnetocalórico que comprende por lo menos un soporte (2) fijo que
soporta por lo menos dos elementos térmicos (3) de material
magnetocalórico, unos medios magnéticos (4) móviles con respecto a
dichos elementos térmicos (3) de manera que los someta a una
variación de campo magnético para hacer variar su temperatura, y
unos medios de recuperación (5) de las calorías y de las frigorías
emitidas por dichos elementos térmicos (3) que comprenden por lo
menos dos circuitos (51, 52) distintos, en cada uno de los cuales
circula un fluido portador de calor, un circuito denominado
"caliente" (51) y un circuito denominado "frío" (52),
estando cada circuito (51, 52) acoplado a por lo menos un
intercambiador térmico (55, 56) apropiado para evacuar las calorías
o las frigorías recuperadas y a unos medios de conmutación (57, 58)
dispuestos para poner alternativamente en dicho circuito (51, 52)
el elemento térmico (3) correspondiente, caracterizado porque
cada elemento térmico (3) comprende unos pasos de fluido (35) que
forman por lo menos dos circuitos colectores (31, 32) distintos, un
circuito colector denominado "caliente" (31) en el cual circula
el fluido portador de calor del circuito caliente (51) encargado de
recoger las calorías emitidas por dicho elemento térmico (3)
sometido al campo magnético, y un circuito colector denominado
"frío" (32) en el cual circula el fluido portador de calor del
circuito frío (52) encargado de recoger las frigorías emitidas por
dicho elemento térmico (3) no sometido al campo magnético, siendo
dichos fluidos portadores de calor puestos en movimiento
alternativamente en uno u otro circuito colector (31, 32) según que
dicho elemento térmico (3) es sometido o no al campo magnético y
que emite unas calorías o unas frigorías.
2. Generador según la reivindicación 1,
caracterizado porque los elementos térmicos (3) están por lo
menos en parte realizados en un material magnetocalórico que se
presenta por lo menos en una forma seleccionada en el grupo que
comprende un bloque macizo, un apilamiento de bloques macizos o de
placas macizas (30), un ensamblaje de partículas, un bloque poroso,
un apilamiento de bloques porosos o de placas porosas o una
combinación de estas formas.
3. Generador según la reivindicación 2,
caracterizado porque dichos circuitos colectores (31, 32)
están formados cada uno por una multitud de pasos de fluido (35),
repartidos en el espesor de los elementos térmicos (3) para ofrecer
una gran superficie de intercambio térmico.
4. Generador según la reivindicación 3,
caracterizado porque dichos pasos de fluido (35) son de
pequeño tamaño comprendido entre 0,01 mm y 5 mm y preferentemente
es igual a 0,15 mm apropiado para crear un flujo de dicho fluido
portador de calor a través de dichos elementos térmicos (3), siendo
dicho flujo sustancialmente laminar.
5. Generador según la reivindicación 3,
caracterizado porque los pasos de fluido (35) de los dos
circuitos colectores (31, 32) de cada elemento térmico (3) tienen
unas orientaciones diferentes.
6. Generador según la reivindicación 3,
caracterizado porque los pasos de fluido (35) de los dos
circuitos colectores (31, 32) de cada elemento térmico (3) tienen
unas orientaciones sustancialmente paralelas.
7. Generador según la reivindicación 3,
caracterizado porque dichos pasos de fluido (35) están
definidos por lo menos por una forma seleccionada en el grupo que
comprende unas perforaciones, unas ranuras, unas hendiduras, unos
intersticios o una combinación de estas formas, siendo estas formas
obtenidas por mecanizado, grabado químico, iónico o mecánico,
conformado, intermedio entre bloques o placas, espacio entre
partículas.
8. Generador según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicho soporte fijo comprende por lo
menos una platina (2) provista por lo menos de dos aberturas que
delimitan unas cavidades (20) para recibir en ellas dichos
elementos térmicos (3) y por lo menos dos series de canales (21, 22)
que forman una parte de dichos circuitos de fluido portador de
calor caliente (51) y frío (52) y que desembocan en cada cavidad
(20) por orificio de entrada y un orificio de salida para cada
circuito de fluido portador de calor (51, 52) apropiados para
comunicar con los pasos de fluido (35) correspondientes de dichos
elementos térmicos (3), o sea dos orificios de entrada y dos
orificios de salida por cavidad (20).
9. Generador según la reivindicación 8,
caracterizado porque dichos canales (21, 22) están formados
por unas ranuras repartidas sobre por lo menos una de las caras de
dicha platina (20) y porque el generador térmico (1) comprende por
lo menos una placa (60) aplicada sobre dicha cara de la platina (2)
para obturar y estanqueizar dichos canales
(21, 22).
(21, 22).
10. Generador según la reivindicación 4,
caracterizado porque dichos elementos térmicos (3) y dichas
cavidades (20) tienen unas formas de encajado complementarias.
11. Generador según la reivindicación 10,
caracterizado porque estas formas de encajado complementarias
son sustancialmente paralelepipédicas, porque cada lado de la
cavidad (20) presenta un orificio de entrada o un orificio de
salida de uno de dichos circuitos de fluido portador de calor
caliente (51) y frío (52), y porque cada lado del elemento térmico
(3) presenta una entrada o una salida de uno de sus circuitos
colectores (31, 32).
12. Generador según la reivindicación 11,
caracterizado porque se deja un juego comprendido entre 0,05
mm y 15 mm y preferentemente igual a 1 mm en cada lado entre la
cavidad (20) y el elemento térmico (3), formando este juego una
cámara de repartición de dicho fluido portador de calor que se
extiende en el espesor de dicho elemento térmico (3), y porque un
órgano de estanqueidad está dispuesto en cada ángulo de la cavidad
(20).
13. Generador según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende un número par de elementos
térmicos (3) repartidos sustancialmente en círculo alrededor de un
eje central (B) de dicho soporte (2) y porque dichos medios
magnéticos (4) están acoplados a unos medios de arrastre en rotación
alrededor de este eje central (B).
14. Generador según la reivindicación 13,
caracterizado porque los medios magnéticos (4) comprenden un
número de imanes (40) correspondiente al número de elementos
térmicos (3), estando estos imanes (40) unidos por pares y
dispuestos a ambos lados de dichos elementos térmicos (3) para
someter a dicho campo magnético a un elemento térmico (3) de cada
dos.
15. Generador según la reivindicación 14,
caracterizado porque los elementos térmicos (3) están
dispuestos entre sí de forma adyacente de manera que los pares de
imanes (40) pasan de una serie de elementos térmicos (3) a la otra
sin ruptura del campo magnético.
16. Generador según la reivindicación 1,
caracterizado porque los fluidos portadores de calor de los
circuitos caliente (51) y frío (52) circulan en sentidos
contrarios.
17. Generador según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de recuperación de las
calorías y de las frigorías comprenden unos medios de puesta en
circulación forzada (53) de dicho fluido portador de calor
previstos sobre por lo menos uno de los circuitos de fluido portador
de calor (51, 52).
18. Generador según la reivindicación 17,
caracterizado porque los circuitos caliente (51) y frío (52)
están conectados en un bucle cerrado, conectando el circuito de
fluido total de calor caliente (51) la salida (Sf) de un
intercambiador térmico frío (56) con la entrada (Ec) de un
intercambiador térmico caliente (55) y conectando el circuito de
fluido portador de calor frío (52) la salida (Sc) del intercambiador
térmico caliente (55) con la entrada (Ef) del intercambiador
térmico frío (56).
19. Generador según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de recuperación de las
calorías y de las frigorías comprenden unos medios de puesta en
circulación forzada (53) de dicho fluido portador de calor
previstos sobre cada uno de los circuitos de fluido portador de
calor (51, 52), siendo estos circuitos independientes y formando
cada uno un bucle cerrado.
20. Generador según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de conmutación comprenden por
lo menos una válvula (57, 58) prevista sobre cada circuito de
fluido portador de calor caliente (51) y frío (52) y dispuesta para
poner en serie uno u otro de los circuitos colectores (31, 32) de
los elementos térmicos (3) según que sean o no sometidos al campo
magnético y que emitan calorías o frigorías.
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