ES2387168A1

ES2387168A1 - Dispositivo de refrigeracion magnetica

Info

Publication number: ES2387168A1
Application number: ES200930726A
Authority: ES
Inventors: Ming Zhang; Sesha Madireddi
Original assignee: Hussmann Corp
Current assignee: Hussmann Corp
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2012-09-17
Anticipated expiration: 2029-09-23
Also published as: ES2387168B2

Abstract

Un dispositivo de refrigeración magnética para transferir calor, que incluye un eje giratorio alrededor de un eje geométrico, un imán interior dispuesto en el eje geométrico y a una distancia radial del eje geométrico, un imán exterior dispuesto a una distancia radial del eje geométrico por fuera del imán interior, definiendo un entrehierro magnético entre los imanes interior y exterior, y material magneto-calórico dispuesto a una distancia radial del eje geométrico entre las distancias radiales de los imanes interior y exterior. El material magneto-calórico está acoplado al eje para rotación con el eje alrededor del eje geométrico, de tal modo que durante la rotación del eje una parte del material magneto-calórico alterne entre una posición magnetizada, dispuesta dentro del entrehierro magnético, y una posición desmagnetizada exterior al entrehierro magnético.

Description

DISPOSITIVO DE REFRIGERACIÓN MAGNÉTICA

ANTECEDENTES

El: presente invento se refiere a un dispositivo de

refrigeración magnética.

Los: dispositivos de refrigeración magnética incluyen

generalmente imanes y material magneto-calórico. Los imanes son movidos típicamente en una forma de alternancia con respecto al material magneto-calórico, de tal modo que el material magnetocalórico experimente un campo magnético creciente cuando los imanes se mueven acercándose entre sí, experimentando así un aumento de la temperatura debido al efecto magneto-calórico, y un campo magnético decreciente cuando los imanes se mueven separándose unos de otros, lo que da por resultacto una disminución de la temperatura. Típicamente, se hace pasar un fluido de transferencia de calor a través del material magnetocalórico para absorber calor del material magneto-calórico cuando el campo magnético aumenta, y el fluido de transferencia de calor es 1 uego dirigido a un intercambiador de calor que libera el calor a la atmósfera. Después se hace pasar el fluido de transferencia de calor a través del material magneto-calórico para que ceda calor al material magneto-calórico cuando el campo magnético disminuye, y se dirige el fluido de transferencia de calor a otro intercambiador de calor para evacuar calor del airee que está siendo hecho circular en un espacio refrigerado.

SUMARIO

En una realización, el invento proporciona un dispositivo de refrigeración magnética para transferir calor. El dispositivo de refrigeración magnética comprende un motor que tiene un eje de salida giratorio alrededor de un eje geométrico, un imán interior dispuesto en el un eje geométrico y a una primera distancia radial del eje geométrico, un imán exterior dispuesto a una segunda distancia radial del eje geométrico por fuera del

imán interior, y material magneto-calórico dispuesto a una tercera distancia radial del eje geométrico, entre las distancias radiales primera y segunda. Entre los imanes interior

y: exterior está definido un entrehierro magnético. El material

magneto-calórico: se acopla al eje para rotación con el eje

alrededor: del eje geométrico, de tal modo que durante la

rotación del eje una parte del material magneto-calórico alterna entre una posición de magnetizado, dispuesto dentro del entrehierro magnético, y una posición de desmagnetizado, fuera del entrehierro magnético.

En otro aspecto, el invento proporciona un método para operar un dispositivo de refrigeración magnética para transferir calor. El método comprende hacer girar un eje y un material magneto-calórico con el eje alrededor de un eje geométrico, y alternándose una parte del material magneto-calórico entre una posición magnetizada, dispuesta en un entrehierro magnético, y una posición desmagnetizada dispuesta fuera del entrehierro magnético. El entrehierro magnético está definido entre un imán interior dispuesto en el un eje geométrico y a una distancia radial del eje geométrico, y un imán exterior dispuesto a una distancia radial del eje geométrico por fuera del imán interior.

En todavía otro aspecto, el invento proporciona otro método para operar un dispositivo de refrigeración magnética para transferir calor. El método comprende hacer girar un eje alrededor de un eje geométrico, acoplar un primer imán al eje permitiendo rotación relativa entre ellos, acoplar magnéticamente el primer imán a un segundo imán estacionario, de tal modo que el primer imán se oponga sustancialmente a la rotación con el eje durante la rotación del eje, hacer girar un material magneto-calórico con el eje alrededor del eje geométrico, alternándose una parte del material magneto-calórico entre una posición magnetizada, dispuesta dentro de un entrehierro magnético, y una posición desmagnetizada por fuera del entrehierro magnético, y hacer circular un fluido de trabajo de un circuito de fluido a través del material magneto-calórico para enfriar un medio a ser refrigerado. El entrehierro magnético está definido entre el primer imán dispuesto en el un eje geométrico y a una distancia radial del eje geométrico, y el segundo imán dispuesto a una distancia radial del eje geométrico

por: fuera del primer imán.

Otros: aspectos de invento se harán evide ntes de la

consideración: de la descripción detall ada y de los dibujos que

se: acompañan.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Fig. 1 es una vista en perspectiva de un dispositivo de refrigeración magnética de acuerdo con una realización del presente invento.

La Fig. 2 es una vista en despiece ordenado del dispositivo de refrigeración magnética de la Fig. l.

La Fig. 3 es una vista en corte transversal del dispositivo de refrigeración magnética, dado a lo largo de la línea 3-3 de la Fig. l.

La Fig. 4 es una vista en corte transversal del dispositivo de refrigeración magnética, dado a lo largo de la línea 4-4 de la Fig. 3.

La Fig. 5 es una vista en corte transversal del dispositivo de refrigeración magnética, dado a lo largo de la línea 5-5 de la Fig. 3.

La Fig. 6 es una vista esquemática de un sistema de refrigeración magnética en el que se utiliza el dispositivo de refrigeración magnética de la Fig. l.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Antes de explicar en detalle cualquier realización del invento, ha de quedar entendido que el invento no queda limitado en su aplicación a los detalles de construcción y a la disposición de los componentes expuesta en la descripción que sigue o ilustrada en los dibujos que siguen. El invento es susceptible de otras realizaciones, y de ser puesto en práctica

o ejecutado de diversos modos. Además, ha de quedar entendido que la fraseología y la terminología que aquí se usan son para fines de descripción, y no deberán ser consideradas como limitadoras. El uso de las expresiones. "que incluye", "que comprende", o "que tiene", y variaciones de las mismas, se entiende que abarca los artículos que se relacionen a continuación y los equivalentes de los mismos, así como artículos adicionales. A menos que se especifique o se limite de

otro: modo, los términos "montado", "conectado", "soportado" y

"acoplado",: y las variantes de los mismos, se usan en un sentido

general: y abarcan montajes, conexiones, soportes y

acoplamientos,: tanto director como indirectos. Además, los

términos: "conectado" y "acoplado" no quedan limitados a

conexiones: o acoplamientos físicos o mecánicos.

En las Figs. 1 y 2 se ha ilustrado un dispositivo de refrigeración magnética 10 que incluye una base 32, miembros de soporte 45, un eje giratorio 14, un par de imanes interiores 12, un par de imanes exteriores 16, y un conjunto de recipiente anular 17 que incluye un par de tapas extremas 35, brazos de conexión 42 y un recipiente anular 18 que define una pluralidad de canales 34. El recipiente anular 18 contiene un material magneto-calórico 20 (representado en las Figs. 3-5.

El eje giratorio 14 está acoplado a un eje de salida de un motor 26 (representado esquemáticamente en la Fig. 6), tal como un motor eléctrico. El motor 26 es, preferiblemente, un motor de velocidad variable, aunque pueden emplearse motores que tengan una sola velocidad o múltiples velocidades diferenciadas. El eje giratorio 14 gira alrededor de un eje geométrico 28 y está soportado por cojinetes 44. Los cojinetes 44 están dispuestos en miembros de soporte 45 acoplados a la base 32.

En la construcción ilustrada, los imanes interiores 12 son imanes permanentes que tienen líneas de campo magnético convergentes y divergentes, aunque pueden usarse otros tipos de imán tales como los imanes permanentes isotrópicos y los electroimanes. Los imanes permanentes que tienen líneas de campo magnético convergentes y divergentes se han descrito en la

Solicitud Provisional de EE.UU., pendiente de tramitación junto con la presente, N° 60/997.687, titulada "Permanent Magnet Device" (Dispositivo de Imán Permanente) , cuyo contenido queda aquí incorporado en su totalidad por su referencia.

Con referencia a las Figs. 2, 3 y 5, los imanes interiores 12 están acoplados a una culata interior 22, la cual está a su vez acoplada al eje giratorio 14. Cada imán interior 12 incluye una superficie interior 80 y una cara arqueada que mira hacia fuera 82. Las superficies interiores 80 de los imanes interiores

12: están acopladas a las superficies exteriores de la culata

interior: 14 por medio de cola y/o retenedores de imán
interior

92,: y los imanes interiores 12 están espaciados equidistantes

entre sí circunferencialmente alrededor del eje geométrico 28. La culata interior 22 es de forma cilíndrica e incluye cuatro extensiones radiales 86 para contener los imanes interiores 12. La culata interior 22 está hecha, preferiblemente, de un material magnéticamente permeable (magnéticamente dulce), tal como el acero 1010 ó equivalente. La culata interior 22 está acoplada al eje giratorio 14 por medio de cojinetes 24 situados en cada extremo axial de la culata interior 22, como puede verse mejor en las Figs. 4 y 5. Los cojinetes 24 permiten que el eje 14 gire sin producir rotación de la culata interior 22 y los imanes interiores 12. Los imanes interiores 12 están dispuestos en un primer lugar radial R1. En la construcción ilustrada, se emplean un par de imanes interiores 12. En otras construcciones pueden emplearse uno, tres o más imanes interiores. En consecuencia, el número de extensiones radiales desde la culata interior 22 puede variar, dependiendo del número de imanes interiores empleados.

Los imanes interiores 12 tienen una primera sección transversal representada en la Fig. 5, que define en general trapecios. En la realización ilustrada, los trapecios son trapecios isósceles. En otras realizaciones, los imanes interiores 12 pueden adoptar otras formas que en general son convergentes a medida que se extienden radialmente hacia fuera desde el eje geométrico 28. Como alternativa, los imanes

interiores 12 pueden ser de sección transversal rectangular, no convergente, para economizar espacio y poder obtener un dispositivo 10 más compacto. Como puede verse en un segundo corte transversal de la Fig. 3, los imanes interiores 12 tienen una forma arqueada con un ángulo central de aproximadamente 90 grados alrededor del eje geométrico 28. Los imanes están situados dentro del dispositivo de refrigeración magnética 1O, de tal modo que el centro de la forma arqueada es coincidente con el eje geométrico de rotación 2 8 del eje giratorio 14. En otras construcciones, la superficie interior 80 y la cara arqueada que mira hacia fuera 82 pueden ser del mismo tamaño y de la misma forma.

En una construcción, cada imán interior 12 está compuesto de una pluralidad de imanes individuales que se extienden radialmente desde el eje geométrico 2 8 y pegados juntos con epoxi, con cola, o por otros medios de pegar, de tal modo que los polos norte de cada uno de los imanes individuales estén adyacentes, y a uno de tales imanes se le denomina como imán congruente. Como se ha ilustrado en la Solicitud Provisional de EE.UU. pendiente de tramitación junto con la presente, número 60/997.687, titulada "Permanent Magnet Device", aproximadamente sesenta imanes individuales componen un imán interior 12. Aunque se prefiere que sean al menos sesenta o más, en una construcción alternativa se podrían usar en menor número para crear el mismo efecto. En una construcción, cada imán individual incluye efectivamente una parte de la cara arqueada que mira hacia fuera 82 y la superficie interior 80 del imán interior permanente; sin embargo, no es necesario que todos y cada uno de los imanes individuales incluyan esas superficies. En otra construcción, los imanes interiores 12 pueden estar construidos de una sola pieza, con líneas de campo magnético no paralelas que converjan

o diverj an de un polo al otro. A un imán permanente que tenga líneas de campo magnético no paralelas que converjan y diverjan se le denomina un imán congruente, y puede ser construido de cualquier modo en el que se cumpla ese efecto -incluyendo,

aunque sin quedar limitados a ellos, los modos descritos en lo que antecede.

Los imanes interiores 12 son preferiblemente imanes de Br de alta densidad de flujo remanente, tales como los imanes de Br de alta densidad de flujo remanente de NdFeB (Neodimio Hierro Boro) N52, o cualesquiera otros imanes de Br de alta densidad de flujo remanente equivalentes.

Con referencia a las Figs. 4 y 5, el conjunto de recipiente anular 17 está acoplado de modo fijo al eje giratorio 14 para rotación con el eje giratorio 14. El conjunto de recipiente anular 17 incluye el recipiente anular 18 que tiene partes interiores huecas separadas para circulación de fluido, que definen una pluralidad de canales 34. La pluralidad de canales 34 están configurados para extenderse axialmente cuando el conjunto de recipiente anular 17 está acoplado al eje giratorio

14. El par de tapas extremas 35 están acopladas al recipiente anular 18 para cerrar cada extremo axial del recipiente anular 18, definiendo además la pluralidad de canales 34 y definiendo una pluralidad de aberturas 40 para comunicar para circulación de fluido con cada uno de la pluralidad de canales 34, respectivamente. Cada tapa extrema 35 incluye un rebajo o estría anular para recibir un sello giratorio 37, el cual está acoplado a la misma. El sello giratorio 37 incluye un material más fuerte y más resistente al desgaste que el de la tapa extrema 35. Cada sello giratorio 37 es generalmente anular, e incluye aberturas que definen además la pluralidad de aberturas 40 que comunican para circulación de fluido con cada uno de la pluralidad de canales 34, respectivamente. El número de aberturas 40 en cada tapa extrema 35 y en el sello giratorio 37 es preferiblemente igual al número de canales 34. En cada extremo axial de uno de la pluralidad de canales 34 está situada una de la pluralidad de aberturas 40 para formar entradas y salidas de fluido para cada uno de la pluralidad de canales 34. En otras construcciones, pueden estar situadas dos o más de la pluralidad de aberturas en cada extremo axial de uno de la pluralidad de canales 34. El número de canales 34 es, preferiblemente, de al menos cuatro;

sin embargo, se prefiere que sean ocho o más canales, con objeto de aumentar el rendimiento, lo que se explicará con más detalle en lo que sigue. En la construcción ilustrada, el número de canales 34 es de treinta y dos. Además, en otras construcciones el sello giratorio 37 puede ser de cualquier otra forma y

configuración: que comunique un flujo de fluido entre la parte

giratoria: y la parte estacionaria del dispositivo 10.

Análogamente,: la tapa extrema 35 puede ser de cualquier otra

forma y configuración. En otras construcciones, el sello giratorio 37 puede estar separado de la tapa extrema 35, para reducir al mínimo el tamaño del sello giratorio 37 y reducir al mínimo el volumen de fluido muerto (es decir, el volumen de fluido entre la interfaz de los sellos giratorio y estacionario 37, 38, y el recipiente anular 18),

Cada uno de la pluralidad de canales 34 es para circulación de fluido separada, y contiene material magneto-calórico 20 en forma tal como de un polvo, pequeñas pastillas o glóbulos, un sólido poroso, y similares, de tal modo que pueda circular un fluido a su través. El fluido fluye axialmente a través de una de la pluralidad de aberturas 40, a uno de los canales 34 y a través del material magneto-calórico en una relación de intercambio de calor con el mismo, y finalmente sale del conjunto de recipiente anular 17 por medio de otra de la pluralidad de aberturas en el extremo axial opuesto del conjunto de recipiente anular 17.

El conjunto de recipiente anular 17 y los sellos giratorios 37 están acoplados fijos al eje giratorio 14 por medio de brazos de conexión 42, para rotación con el eje giratorio 14. En la construcción ilustrada, la tapa extrema 35 y los brazos de conexión 42 están formados juntos de una sola pieza. En otras construcciones, la tapa extrema 35 y los brazos de conexión 42 pueden ser piezas separadas acopladas juntas. Los brazos de conexión 42 están formados de una pieza con las tapas 3xtremas 35, e incluyen una parte de collar acoplada al eje giratorio 14. El recipiente anular 18 está dispuesto en una segunda posición radial R2. La segunda posición radial R2 está más lejos del eje geométrico 28 que la primera posición radial R1, de tal modo que el recipiente anular 18 está dispuesto fuera del par de imanes

12. En otras construcciones, el recipiente anular 18 puede ser un recipiente arqueado, o bien una pluralidad de recipientes arqueados acoplados fijos al eje giratorio 14.

En la construcción ilustrada, los imanes exteriores 16 son imanes permanentes que tienen líneas de campo magnético convergentes y divergentes, aunque se pueden usar otros tipos de imanes, tales como los imanes permanentes isotrópicos y los electroimanes. Los imanes permanentes que tienen líneas de campo magnético convergentes y divergentes se han descrito en la Solicitud Provisional de EE.UU. pendiente de tramitación junto con la presente, número 60/997.587, titulada "Permanent Magnet Device", cuyo contenido que da aquí incorporado en su totalidad por su referencia.

Con referencia a las Figs. 2, 3 y 5, los imanes exteriores 16 están acoplados a una culata estacionaria 30 por medio de cola y/o de retenedores de imanes exteriores 94. La culata estacionaria 30 está a su vez acoplada fija a la base 32. Cada imán exterior 16 incluye una superficie exterior 84 y una cara arqueada que mira hacia dentro 80, Las superficies exteriores 84 de los imanes exteriores 16 están acopladas a las superficies interiores de la culata estacionaria 30, y los imanes exteriores 16 están espaciados equidistantes entre sí circunferencialmente alrededor del eje geométrico 28. La culata estacionaria 30 es de forma cilíndrica e incluye cuatro extensiones radiales 8 8 para contener los imanes exteriores 16. La culata estacionaria 30 está hecha, preferiblemente, de un material permeable magnéticamente (magnéticamente dulce) tal como de acero 1010 o equivalente. La culata estacionaria 30 está acoplada a la base 32 por medio de un par de patas 7O. Los imanes exteriores 16 están dispuestos en un tercer lugar radial R3 en el exterior del recipiente anular 18 y del material magneto-calórico 20, es decir, que la tercera posición radial está más lejos del eje geométrico 28 de lo que lo está la segunda posición radial. En la construcción ilustrada, se emplean un par de imanes

exteriores 16. En otras construcciones, se pueden emplear uno, tres o más imanes exteriores. Preferiblemente, el número de imanes exteriores 16 es igual al número de imanes interiores 12. En consecuencia, el número de extensiones radialmente hacia dentro desde la culata estacionaria 30 puede variar, dependiendo del número de imanes exteriores empleados.

Los imanes exteriores 16 tienen una primera sección transversal, representada en la Fig. 5, que define en general

trapecios.: En la realización ilustrada, los trapecios son

trapecios: isósceles. En otras realizaciones, los imanes

exteriores: 16 pueden adoptar otras formas, en general

divergentes, al extenderse radialmente hacia fuera desde el eje geométrico 28. Como alternativa, los imanes exteriores 16 pueden ser de sección transversal rectangular, no convergente, para economizar espacio y poder obtener un dispositivo 10 más compacto. Como puede verse en una segunda sección transversal de la Fig. 3, los imanes exteriores 16 tienen una forma arqueada, con un ángulo central de aproximadamente 90 grados alrededor del eje geométrico 28. Los imanes están situados dentro del dispositivo de refrigeración magnética 10, de tal modo que el centro de la forma arqueada es coincidente con el eje geométrico de rotación 28 del eje giratorio 14. En otras construcciones, la superficie exterior 8 4 y la cara arqueada 90 que mira hacia dentro pueden ser del mismo tamaño y de la misma forma.

En una construcción, cada imán exterior 16 está compuesto de una pluralidad de imanes individuales que se extienden radialmente desde el eje geométrico 2 8 y pegados juntos con epoxi, con cola, o por otros medios de pegar, de tal modo que los polos norte de cada uno de los imanes individuales estén adyacentes, y, como tal, se denomina un imán congruente. Como se ha ilustrado en la Solicitud Provisional de EE.UU. pendiente de tramitación junto con la presente N° 60/007.687, titulada "Permanent Magnet Device", aproximadamente sesenta imanes individuales componen un imán exterior 16; sin embargo, en una construcción alternativa podrían usarse más o menos, para crear el mismo efecto. En una construcción, cada imán individual

incluye efectivamente una parte de la superficie exterior 84 y la cara arqueada 90 que mira hacia dentro del imán exterior permanente 16, aunque no es necesario que todos y cada uno de los imanes individuales incluya esas superficies. En una construcción preferida, los imanes exteriores 16 pueden construirse de una sola pieza, con líneas de campo magnético no

paralelos: que converjan o diverj an desde un polo al otro. Un

imán: que tenga líneas de campo magnético no paralelas que

converjan: y diverjan, se denomina un imán congruente, y puede

ser construido de cualquier modo con el que se consiga ese efecto -incluidos, aunque sin quedar limitados a ellos, los modos descritos en lo que antecede.

Los imanes exteriores 16 son, preferiblemente, imanes de Br de alta densidad de flujo remanente, tales como de NdFeB (Neodimio Hierro Boro) N 52 o cualesquiera otros imanes Br de

alta densidad de flujo remanente equivalentes.

Cada imán interior 12 está emparejado con un imán exterior 16, de tal modo que cada par de imanes interior 12 y exterior 16 comparten el mismo eje geométrico central 28 y ocupan el mismo espacio angular con respecto al eje geométrico central 28. La superficie arqueada que mira hacia fuera 82 de cada imán interior 12 se enfrenta directamente a la superficie arqueada que mira hacia dentro90 del imán exterior adyacente respectivo

16.

Entre cada par de uno de los imanes exteriores 16 y uno de los imanes interiores 12 queda definido un entrehierro magnético

36. Más concretamente, el entrehierro magnético 36 se define como el espacio que está entre la superficie arqueada que mira hacia fuera 82 del imán interior 12 y la superficie arqueada que mira hacia dentro 90 del imán exterior 16, las cuales son de similar tamaño y están enfrentadas directamente. Al menos una parte del conjunto de recipiente anular 17 que contiene material magneto-calórico 20 está situada en el entrehierro magnético 36, el cual se describirá con más detalle en lo que sigue. Otra parte del conjunto de recipiente anular 17 que contiene material magneto-calórico 20, está situada en un entrehierro no magnético

46, como se ha ilustrado en la Fig. 3, el cual no está directamente entre la superficie arqueada que mira hacia fuera 82 del imán interior 12 y la superficie arqueada que mira hacia dentro 90 del imán exterior adyacente respectivo 16. Por consiguiente, la construcción ilustrada incluye dos entrehierros magnéticos 36 y dos entrehierros no magnéticos 46.

En la construcción ilustrada, la disposición de imanes interiores 12, imanes exteriores 16, culata interior 22 y culata exterior 30, forma un circuito de campo magnético que fluye a través de los entrehierros magnéticos 36. La forma y la construcción de los imanes 12 del presente invento, siendo las partes convergentes adyacentes al entrehierro magnético 36, concentran (y por consiguiente refuerzan) el campo magnético a través del entrehierro magnético, y por consiguiente a través del material magneto-calórico 20 dispuesto en el entrehierro magnético 36. Con referencia a la Fig. 3, cada imán interior 12 está emparejado con un imán exterior 16, de tal modo que cada par de imanes interior 12 y exterior 16 ocupa el mismo espacio angular con respecto al eje geométrico central 28. Los imanes 12 y 16 están dispuestos con un primer polo magnético (es decir, con el polo norte o con el polo sur) mirando en una dirección, y por un segundo polo magnético (es decir, el otro de los polos norte o sur) mirando en una segunda dirección. De este modo, cada imán 12 y 16 está situado con los polos opuestos adyacentes entre sí, de tal modo que cada imán 12 y 16 es atraído magnéticamente por los imanes adyacentes, creándose un campo magnético entre cada imán. Las culatas interior y exterior 22 y 30 están hechas de material magnéticamente permeable, como se ha descrito en lo que antecede, para permitir el paso del campo magnético a su través y crear un circuito de campo magnético desde un imán exterior 16, a través del entrehierro magnético 36, al imán interior adyacente 12, a través de la culata interior 22, a través de un segundo imán 12, a través del entrehierro magnético 36, a través del segundo imán exterior 16, y a través de la circunferencia de la culata estacionaria 30, de vuelta al primer imán exterior 16.

El sello estacionario 38 está situado axialmente adyacente al sello giratorio 37, como se ha ilustrado en las Figs. 2, 4 y

5. El sello estacionario 38 es de forma anular e incluye una primera ranura 48, una segunda ranura 50, una tercera ranura 52, y una cuarta ranura 54. Visto desde el extremo del dispositivo de refrigeración magnética 10, la primera ranura 48 y la segunda ranura 50 están situadas en los entrehierros magnéticos 36, y la tercera ranura 52 y la cuarta ranura 54 no están situadas dentro de los entrehierros magnéticos 36 (es decir, que están situadas en los entrehierros no magnéticos 46) Dicho de otro modo, la primera ranura 48 y la segunda ranura 50 están alineadas con el entrehierro magnético 36, vistas desde el extremo del dispositivo de refrigeración magnética 10, y la tercera ranura 52 y la cuarta ranura 54 están alineadas con los entrehierros no magnéticos 46. El número de ranuras se corresponde, preferiblemente, con el número total de entrehierros magnéticos 36 y entrehierros no magnéticos 46, En la construcción ilustrada, hay dos entrehierros magnéticos 36 y dos entrehierros no magnéticos 46. Sin embargo, en otras construcciones se emplean un número diferente de ranuras.

Con referencia a la Fig. 6, la pluralidad de aberturas 40 y sus correspondientes canales 34 giran a través de al menos cuatro posiciones 56, 58, 60, 62. Cada posición 56, 58, 60, 62 se ha ilustrado en líneas de trazos en la Fig. 6. Una primera posición 56 y una segunda posición 58 están situadas en los entrehierros magnéticos 36. La pluralidad de aberturas 40 situadas en la primera posición 56 están conectadas para circulación de fluido a la primera ranura 48. Análogamente, la pluralidad de aberturas 40 situadas en la segunda parte 58 están conectadas para circulación de fluido a la segunda ranura 50. La primera ranura 48 y la segunda ranura 50 están conectadas para circulación de fluido a un intercambiador de calor caliente 72 y a un intercambiador de calor frío 74, por medio de conductos de fluido caliente 64, como se ha ilustrado en la Fig. 6.

Una tercera posición 60 y una cuarta posición 62 están situadas fuera del entrehierro magnético (es decir, en el

entrehierro no magnético 46). La pluralidad de aberturas situadas en la tercera posición 60 están conectadas para circulación de fluido a la tercera ranura 52. Análogamente, la pluralidad de aberturas situadas en la cuarta posición 62 están conectadas para circulación de fluido a la cuarta ranura 54. La tercera ranura 52 y la cuarta ranura 54 están conectadas para circulación de fluido al intercambiador de calor caliente 7 2 y al intercambiador de calor frío 74, por medio de conductos 66 de fluido frío. Una bomba 68 está preferiblemente situada justamente aguas abajo del intercambiador de calor caliente 72 y es operable para hacer circular un fluido de transferencia de calor a través de los conductos de fluido frío 66 y de los conductos de fluido caliente 64. En otras construcciones, la bomba 68 puede estar situada en algún otro lugar, en comunicación de fluido con los conductos de fluido frío 66 o con los conductos de fluido caliente 64.

En funcionamiento, el dispositivo de refrigeración magnética utiliza el efecto magneto-calórico para absorber calor de un medio a ser refrigerado.

Al girar el motor 26, el eje giratorio 14 gira con el mismo. Los imanes exteriores 16 son estacionarios. Los imanes interiores 12, los cuales están acoplados al eje giratorio 14 por medio de cojinetes 24, están acoplados magnéticamente a los imanes exteriores estacionarios 16. Como resultado, el eje giratorio gira en comunicación con los cojinetes 24, sin hacer que giren los imanes interiores 12. Por5 consiguiente, los imanes interiores 12 son sustancialmente estacionarios. Además, los entrehierros magnéticos 36 situados entre los pares de uno de los imanes interiores 12 y uno de los imanes exteriores 16, son también estacionarios.

El eje giratorio 14 está acoplado a los brazos de conexión 42, como se ha descrito en lo que antecede. La rotación del motor 26 hace que el recipiente anular 18, incluyendo las tapas extremas 35, los brazos de conexión 42, los sellos giratorios 37 y los canales 35 que contienen material magneto-calórico 2O, giren con el eje giratorio 14. Al girar el material magneto

calórico 2O, el material magneto-calórico 20 alterna entre una posición magnetizada, dispuesta dentro del entrehierro magnético 36 (por ejemplo, la primera posición 56 o la segunda posición

58): y una posición desmagnetizada fuera del entrehierro

magnético: 36 (por ejemplo, la tercera posición 60 o la cuarta

posición: 62) Como resultado del efecto magneto-calórico, el

material magneto-calórico 20 se calienta cuando se magnetiza y se enfría cuando se desmagnetiza.

Un fluido para transferencia de calor es hecho circular continuamente a través de un sistema de conductos 64, 66, canales 34, e intercambiadores de calor 72, 74, en la dirección indicada por las flechas en la Fig. 6. El intercambiador de calor frío 73 funciona de modo análogo a como lo hace un evaporador en un sistema de refrigeración convencional, absorbiendo calor de un medio a ser refrigerado. Sin embargo, el fluido de transferencia de calor no se evapora necesariamente. El calor absorbido por el intercambiador de calor frío 7 4 es conducido por el fluido de transferencia de calor por medio de los conductos de fluido caliente 64, y pasa a través del material magneto-calórico 2 O situado dentro de los entrehierros magnéticos 3 6 (correspondientes a la p5imera y a la segunda posiciones 56, 58). Como resultado del efecto magneto-calórico, el material magneto-calórico 20 situado en los entrehierros magnéticos 36 experimenta un aumento de la temperatura (es decir, de calor) cuando se magnetiza. Este calor es absorbido por el fluido de transferencia de calor y conducido, por medio de los conductos 64 de fluido caliente, al intercambiador de calor caliente 72. El intercambiador de calor caliente 72 funciona de un modo similar a como lo hace un condensador en un sistema de refrigeración convencional, rechazando el calor hacia un medio de refrigeración, si bien el fluido de transferencia de calor no ha de condensarse necesariamente. El fluido de transferencia de calor refrigerado es luego bombeado po5 la bomba 68 hacia las posiciones tercera y cuarta 60, 62, por medio de conductos de fluido frío 66 y pasa a través del material magneto-calórico 20 situado fuera de los entrehierros magnéticos

36 (es decir, en los entrehierros no magnéticos 46). Como resultado del efecto magneto-calórico, el material magnetocalórico 20 situado en el exterior de los entrehierros magnéticos 36, experimenta una disminución de la temperatura cuando se desmagnetiza. Por consiguiente, el fluido de transferencia de calor se enfría más al pasar a través del material magneto-calórico 20 situado en el exterior de los entrehierros magnéticos 36. El fluido de transferencia de calor más refrigerado es conducido por medio de los conductos de fluido frío 66 hacia el intercambiador de calor frío 74, y se repite el ciclo.

Como resultado de la transferencia de calor entre el fluido de transferencia de calor y el material magneto-calórico 2O, y debido a que el fluido de transferencia de calor se desplaza con movimiento alternativo a través del material magneto-calórico 20 al desplazarse con movimiento alternativo el material magnetocalórico 20 entre las posiciones magnetizada y desmagnetizada, se forma en el material magneto-calórico 20 un gradiente de temperatura en dirección axial, estando el lado caliente del gradiente adyacente al intercambiador de calor caliente 72, y estando el lado frío del gradiente adyacente al intercambiador de calor frío 74 (es decir, regeneración magnética activa). Para hacer máximas las actuaciones del dispositivo 10 (es decir, para utilizar del modo más eficiente el gradiente de temperatura para

calentar: y enfriar el fluido de transferencia de calor), se

optimiza: la relación de la longitud al área de la sección

transversal: del material magneto-calórico 10.

Como se ha ilustrado en la Fig. 6, el flujo de fluido a través de las ranuras 48, 50, 52, 54, los conductos 64, 66, los intercambiadores de calor 72, 74, y la bomba 68, es unidireccional. El flujo de fluido a través de los canales 34 que contienen material magneto-calórico 20 es bidireccional, dependiendo de la posición de un canal en un momento dado durante su rotación, y sustancialmente paralelo al eje geométrico 28. Cuando uno de los canales 34 está situado en la posición magnetizada (por ejemplo, en la primera posición 56 ó en la segunda posición 58) el fluido fluye a su través en una primera dirección desde el intercambiador de calor frío 74 hacia el intercambiador de calor caliente 72. Cuando uno de los canales 35 está situado en la posición desmagnetizada (por ejemplo, en la tercera posición 60 ó en la cuarta posición 62), el fluido fluye a su través en una segunda dirección desde el intercambiador de calor caliente 72 hacia el intercambiador de calor frío 74. La segunda dirección es sustancialmente opuesta a la primera dirección. El fluido que fluye a través de la primera posición 56 y de la segunda posición 58 fluye siempre en la primera dirección. El fluido que fluye a través de la tercera posición 60 y de la cuarta posición 62, fluye siempre en la segunda dirección. Cada canal 34 experimenta una conmutación inmediata en la dirección del flujo de fluido cada vez que el canal 34 pasa de la posición magnetizada a la posición desmagnetizada, y viceversa. En tanto que el canal 34 permanezca dentro de la posición magnetizada, el flujo de fluido a través del canal 34 tiene lugar en la primera dirección. A la inversa, en tanto que el canal 35 permanezca dentro de la posición desmagnetizada, el flujo de fluido a través del canal 34 va en la segunda dirección.

El flujo de fluido a través del bucle exterior estacionario incluyendo los sellos estacionarios 38, los conductos 64, 66, los intercambiadores de calor 72, 74 y la bomba 68, es continuo y unidireccional. Es decir, que el bucle exterior estacionario del dispositivo 10 no experimenta una pausa en el flujo de fluido de transferencia de calor a su través. Como se ha mencionado en lo que antecede, el fluido de transferencia de calor es hecho circular continuamente a través del sistema de conductos 64, 66, canales 34, e intercambiadores de calor 72, 74, en la dirección indicada por las flechas en la Fig. 6. Esto aumenta el rendimiento del dispositivo 10, ya que la bomba de fluido 68 no desperdicia energía en frecuentes arranques y paradas. Además, la transferencia de calor entre los intercambiadores de calor caliente y frío 72, 7 4 y sus respetivos elementos circundantes, tiene lugar continuamente, sin pausas.

El rendimiento del dispositivo 10 aumenta a medida que disminuye el tamaño de los canales 34 y el número de canales 34 aumenta para hacer mínimo el número y el volumen de los canales inactivos (es decir, de los canales que no están conectados para circulación de fluido al bucle exterior estacionario). Como se ha visto en lo que antecede, el recipiente anular está dividido en treinta y dos canales. Al moverse cada cana 34 entre el entrehierro magnético 36 y el entrehierro no magnético 46, experimenta un período de transición en el límite entre el entrehierro magnético 36 y el entrehierro no magnético 46, en el cual el material magneto-calórico 20 no está ni completamente magnetizado ni completamente desmagnetizado. Además, en el período de transición, un canal 34 (es decir, un canal inactivo) no está en comunicación de fluido con una de las ranuras 48, 50, 52, 54, y por lo tanto no comunica fluido de transferencia de calor a los conductos 64, 66. En un momento, cuatro de los canales 36 están inactivos y no en comunicación de fluido con los conductos 64, 66. Cuanto más largo sea el período de transición, y tanto mayor sea la cantidad de fluido de transferencia de calor y el material magneto-calórico 20 que no están disponibles durante el período de transición, tanto menos eficiente será el dispositivo de transferencia de calor 10. Por lo tanto, disminuyendo el tamaño de los canales 34 y aumentando el número de canales 34 se hace mínima la cantidad de material magneto-calórico 20 y de fluido de transferencia de calor en el período de transición de inactividad en cualquier momento dado, y aumenta el rendimiento del dispositivo de refrigeración 1 O. Sin embargo, el que haya demasiados canales 34 contribuye a aumentar la complejidad del dispositivo 10.

Para aumentar la capacidad de refrigeración del dispositivo 10, se puede aumentar la velocidad del motor 26, lo que hace que el material magneto-calórico 20 pase entrando y saliendo del entrehierro magnético 36 más frecuentemente. El empleo de un motor de velocidad variable aumenta también el rendimiento del

dispositivo 10, ya que se puede disminuir la velocidad y reducir por consiguiente el consumo de energía durante las demandas de una menor refrigeración.

La velocidad de la bomba de fluido 68 puede ser también 5 aumentada, preferiblemente dependiendo de la velocidad del motor 26, para aumentar la capacidad de ref5igeración del dispositivo

10. Por consiguiente, el invento proporciona, entre otras cosas, un dispositivo de refrigeración magnética. En las

10 reivindicaciones que siguen se especifican varias características y ventajas del invento.

Claims

REIVINDICACIONES

l. Un dispositivo de refrigeración magnética para transferir calor, comprendiendo el dispositivo de refrigeración magnética:

un eje giratorio alrededor de un eje geométrico;

un imán interior dispuesto en el un eje geométrico y a una distancia radial del eje geométrico exterior

un imán exterior dispuesto a una distancia radial del eje geométrico exteriormente al imán interior, definiendo un entrehierro magnético entre los imanes interior y exterior; y

material magneto-calórico dispuesto a una distancia radial del eje geométrico entre las distancias radiales de los imanes interior y exterior, en que el material magneto-calórico está acoplado al eje para rotación con el eje alrededor del eje geométrico, de tal modo que durante la rotación del eje una parte del material magneto-calórico alterna entre una posición magnetizada, dispuesto dentro del entrehierro magnético, y una posición desmagnetizada exterior al entrehierro magnético.
2.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 1, que comprende además un circuito de fluido que transfiere fluido desde un intercambiador de calor frío al material magneto-calórico en la posición magnetizada, desde el material magneto-calórico en la posición magnetizada a un intercambiador de calor caliente, desde el intercambiador de calor caliente al material magneto-calórico en la posición desmagnetizada, y desde el material magneto-calórico en la posición desmagnetizada al intercambiador de calor frío, en el que el intercambiador de calor frío está configurado para absorber calor de un medio a ser refrigerado, y en el que el intercambiador de calor caliente está configurado para rechazar el calor.
3.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 1, en el que el material magneto-calórico está contenido en un recipiente anular.
4.

El dispositivo de refrigeración magnética segón la reivindicación 3, en el que el recipiente anular está dividido en una pluralidad de canales que se extienden radialmente, y en el que el recipiente anular está acoplado al eje para rotación con el eje alrededor del eje geométrico, de tal modo que durante la rotación del eje una parte, al menos, de cada uno de la pluralidad de canales alterna entre la posición magnetizada y la posición desmagnetizada.
5.

El dispositivo de refrigeración magnética segón la

reivindicación

4, en el que la pluralidad de canales están

configurados

para flujo de fluido axial bidireccional a su

través.
6.

El dispositivo de refrigeración magnética segón la reivindicación 5, en el que uno de la pluralidad de canales está configurado para flujo de fluido a su través en una primera dirección cuando el uno de la pluralidad de canales está en la posición magnetizada, y en el que el uno de la pluralidad de canales está configurado para flujo de fluido a su través en una segunda dirección cuando el uno de la pluralidad de canales está en la posición desmagnetizada, en el que la primera dirección es opuesta a la segunda dirección.
7.

El dispositivo de refrigeración magnética segón la reivindicación 6, que comprende además un sello giratorio acoplado al recipiente anular para rotación con el recipiente anular, en el que el sello giratorio incluye una pluralidad de aberturas y en el que cada una de la pluralidad de aberturas está conectada para circulación de fluido a uno correspondiente de la pluralidad de canales.
8.

El dispositivo de refrigeración magnética segón la reivindicación 7, que comprende además un sello estacionario adyacente al sello giratorio, en el que el sello estacionario

está configurado para ser estacionario e incluye una pluralidad de ranuras en comunicación de fluido con la pluralidad de aberturas.
9.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 8, en el que la pluralidad de ranuras incluye una primera ranura en comunicación de fluido con la parte de la pluralidad de canales en la posición magnetizada, y una segunda ranura en comunicación de fluido con la parte de la pluralidad de canales en la posición desmagnetizada.
10.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 9, en el que el fluido fluye a través de la primera ranura en la primera dirección, y en el que el fluido fluye a través de la segunda ranura en la segunda dirección.
11.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 10, que comprende además un primer circuito configurado para transferir fluido desde un intercambiador de calor frío al material magneto-calórico en la posición magnetizada, desde el material magneto-calórico en la posición magnetizada a un intercambiador de calor caliente, desde el intercambiador de calor caliente al material magneto-calórico en la posición desmagnetizada, y desde el material magneto-calórico en la posición desmagnetizada al intercambiador de calor frío, en el que el intercambiador de calor frío está configurado para absorber calor de un medio a ser refrigerado, y en el que el intercambiador de calor caliente está configurado para rechazar el calor.
12.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 11, en el que el circuito de fluido incluye una bomba configurada para hacer circular un fluido de trabajo a través del circuito de fluido.
13.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 1, que comprende además una culata interior acoplada al imán permanente interior.
14.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 13, en el que la culata interior está acoplada al eje por medio de un cojinete que permite que la culata interior permanezca estacionaria al girar el eje.
15.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 14, que comprende además una culata exterior cilíndrica estacionaria que incluye un material magnético permeable acoplado al imán permanente exterior.
16.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 1, en el que el imán exterior está configurado para ser estacionario, en el que el imán interior está acoplado al imán exterior por medio de fuerza magnética, y en el que el imán interior está sustancialmente fijo con relación al imán exterior.
17.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 1, en el que el material magneto-calórico está contenido en un recipiente configurado para flujo bidirecional de fluido a su través.
18.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 17, en el que el recipiente está configurado para flujo de fluido en una primera dirección cuando el recipiente está situado en la posición magnetizada, y en el que el recipiente está configurado en una segunda dirección cuando el recipiente está situado en la posición desmagnetizada.
19.

El dispositivo de refrigeración magnética según la reivindicación 1, en el que el material magneto-calórico está

contenido en un recipiente configurado para flujo axial de fluido a su través.
20. Un método para operar un dispositivo de refrigeración magnética para transferir calor, comprendiendo el método: hacer girar un eje y un material magneto-calórico con el eje alrededor de un eje geométrico; y

alternar una parte del material magneto-calórico entre una posición magnetizada, dispuesta en un entrehierro magnético

definido

entre un imán interior dispuesto en el un eje

geométrico

y a una distancia radial del eje geométrico, y un

imán

exterior dispuesto a una distancia radial del eje

geométrico

por fuera del imán interior, y una posición

desmagnetizada dispuesta fuera del entrehierro magnético.
21.

El método según la reivindicación 20, que comprende además mover un fluido a través del material magneto-calórico en una primera dirección cuando el material magneto-calórico está en el entrehierro magnético, y en una segunda dirección cuando el material magneto-calórico está fuera del entrehierro magnético.
22.

El método según la reivindicación 20, que comprende además hacer circular un fluido de trabajo en una sola dirección a través de una parte estacionaria que incluye un intercambiador de calor caliente configurado para rechazar el calor y un intercambiador de calor frío configurado para absorber calor de un medio a ser refrigerado, y hacer circular un fluido de trabajo en dos direcciones a través de una parte giratoria que incluye el material magneto-calórico.
23.

El método según la reivindicación 22, que comprende además hacer circular continuamente el fluido de trabajo a través del intercambiador de calor caliente y del intercambiador de calor frío durante la operación del dispositivo de refrigeración magnética.
24.

El método según la reivindicación 20, que comprende además refrigerar un medio, haciendo para ello circular un fluido de trabajo desde la parte del material magneto-calórico que está fuera del entrehierro magnético al intercambiador de calor frío y absorber calor del medio por medio del intercambiador de calor frío.
25.

El método de transferencia de calor según la reivindicación 20, que comprende además hacer circular un fluido de trabajo a través del material magneto-calórico en una dirección sustancialmente paralela al eje geométrico.
26.

El método de transferencia de calor según la reivindicación 20, que comprende además dividir el material magneto-calórico en una pluralidad de secciones que se extienden paralelas al eje geométrico.
27.

El método según la reivindicación 20, que comprende además hacer circular continuamente un fluido de trabajo a través del material magneto-calórico, a través de un intercambiador de calor caliente configurado para rechazar el calor, y a través de un intercambiador de calor frío configurado para absorber calor de un medio a ser refrigerado, durante la operación del dispositivo de refrigeración magnética.
28.

Un método para operar un dispositivo de refrigeración

magnética para transferir calor, comprendiendo el método:

hacer girar un eje alrededor de un eje geométrico;

acoplar un primer imán al eje, permitiendo rotación relativa entre ellos;

acoplar magnéticamente el primer imán con un segundo imán estacionario, de tal modo que el primer imán se oponga sustancialmente a la rotación con el eje durante la rotación del eje;

hacer girar un material magneto-calórico con el eje alrededor del eje geométrico;

alternar una parte del material magneto-calórico entre una posición magnetizada, dispuesta dentro de un entrehierro magnético definido entre el primer imán dispuesto en el un eje geométrico y a una distancia radial del eje geométrico, y el

5 segundo imán dispuesto a una distancia radial del eje geométrico por fuera del primer imán, y una posición desmagnetizada fuera del entrehierro magnético; y

hacer circular un fluido de trabajo de un circuito de fluido a través del material magneto-calórico para refrigerar un 10 medio a ser refrigerado.