ES2574083T3 - Álabe de múltiples materiales para motores térmicos magneto-calóricos o electro-calóricos de regeneración activa - Google Patents

Abstract

Álabe de múltiples materiales para su uso en un motor magneto-calórico o electro-calórico de regeneración activa, siendo el álabe una pila de una pluralidad de elementos (2) y que comprende un cuerpo de álabe (1) fabricado a partir de la pluralidad de elementos (2), que están fabricados de diferentes materiales magneto-calóricos o electro-calóricos, en el que el cuerpo de álabe (1) se divide a lo largo de su longitud en dicha pluralidad de elementos (2); una pluralidad de canales asociados (3), que penetran en el cuerpo de álabe (1) y se extienden a lo largo de la longitud del álabe, en el que cada uno de la pluralidad de canales asociados (3) está provisto de una capa de recubrimiento hidrófoba (12), y se proporciona una capa de vidrio o de plástico por debajo de la capa de recubrimiento hidrófoba.

Description

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DESCRIPCION

Alabe de multiples materiales para motores termicos magneto-caloricos o electro-caloricos de regeneracion activa Introduccion

La presente invention se refiere a un alabe de multiples materiales para su uso en un motor termico magneto- calorico o electro-calorico de regeneracion activa. En particular, el alabe de multiples materiales actua como un regenerador magnetico activo (AMR) o un regenerador de electro-calorico activo (AER) en el motor respectivo, y esta disenado para mejorar significativamente su rendimiento. Tales motores termicos pueden usarse en aplicaciones de refrigeration, bombeo de calor y recuperation de energla.

El motor de regeneracion magnetico activo y el regenerador magnetico activo se identificaron primero por Barclay (vease, por ejemplo el documento US 4.332.135) en cuanto a que son capaces de explotar el efecto magneto- calorico de los materiales ferromagneticos, con el fin de entregar la refrigeracion y el enfriamiento a lo largo de un intervalo de temperatura relativamente amplio. Un dispositivo anteriormente denominado como el dispositivo magneto-calorico de Brown (vease el documento US 4.069.028) tambien utilizaba un ciclo de regeneracion, aunque no un ciclo de regeneracion magnetica activa.

Materiales

Los materiales magneto-caloricos presentan el efecto magneto-calorico (MCE), que es el cambio en la temperatura tras la aplicacion o elimination de un campo magnetico (tlpicamente medido en las condiciones adiabaticas). En condiciones isotermicas, la aplicacion o eliminacion de un campo magnetico impulsa un cambio en la entropla en el material de MCE. Los materiales electro-caloricos presentan el efecto electro-calorico (ECE), que es el cambio en la temperatura tras la aplicacion o eliminacion de un campo electrico (tlpicamente medido en condiciones adiabaticas). En condiciones isotermicas, la aplicacion o eliminacion de un campo electrico impulsa un cambio en la entropla en el material de ECE.

La presencia del campo (ya sea electrico o magnetico en funcion del material) fuerza una transition de un estado de entropla a otro. El tamano del cambio de entropla depende de la magnitud del campo aplicado y el signo del cambio depende de la naturaleza de la transicion. La temperatura caracterlstica a la que se produce la transicion asociada con el cambio de entropla se conoce como la temperatura de Curie (Tc).

Los materiales que presentan estas propiedades incluyen, pero de ninguna manera se limitan a Gd (transicion ferromagnetica-paramagnetica), RhFe (transicion metamagnetica anti-ferromagnetica a ferromagnetica), BaTiO3 (transicion ferroelectrica a paraelectrica), y, por ejemplo P (VDF-TrFE-clorofluoretileno) (mostrando un comportamiento ferroelectrico relaxor).

Ciclo basico de refrigeracion magnetica

Un ciclo basico de refrigeracion magnetica (no regenerativa) se muestra en la figura 1A, para un material magneto- calorico que muestra un cambio de temperatura positivo cuando se expone a una transicion de campo magnetico (por ejemplo, paramagnetico - ferromagnetico).

Cuando se realizan las etapas 1 a 4, el material magneto-calorico sigue idealmente un ciclo, ABCD, mostrado en la figura 2. AB y CD son cambios de temperatura "adiabaticos" debidos a los campos magneticos crecientes o decrecientes, respectivamente, y corresponden a las fases 1 y 3 de la figura 1a, respectivamente. BC y DA se alcanzan a traves de un intercambio de calor entre el material magneto-calorico y un fluido de intercambio, y se corresponden con las fases 2 y 4 de la figura 1a, respectivamente. El fluido de intercambio puede absorber o rechazar calor con el mundo exterior a traves de unos intercambiadores de calor. El cambio de temperatura adiabatica del material magneto-calorico se etiqueta como AT (frla y caliente).

El lapso maximo (diferencia entre Tfr,a y Tcaliente) de este ciclo es el cambio de temperatura 'adiabatica' (ATfr,a o ATcaliente) con una potencia de refrigeracion baja. La potencia maxima de refrigeracion es AS. La Tmedia en un lapso bajo (donde AS esta dado por CA en la figura 2). Unos ciclos de refrigeracion similares pueden generarse para materiales electro-caloricos.

Las propiedades utiles de un material magneto-calorico (o electro-calorico) pueden caracterizarse mapeando DS(T) y DT(T) para subir y bajar los campos magneticos o electricos. De hecho, las curvas DS y DT son la diferencia (en o temperatura o entropla) frente a la temperatura entre las curvas de campo bajo y campo alto que se muestran en la figura 2. Son estas curvas DS y DT, y los diagramas T-S correspondientes los que se usan para disenar los ciclos de refrigeracion optimos.

Ciclo de regeneracion activa

El ciclo de regeneracion magnetica activa de Barclay, entrego una extension significativa del lapso de temperatura a lo largo del ciclo magnetico basico descrito anteriormente.

Cuando el refrigerante magnetico se calienta por la aplicacion de un campo magnetico, un fluido de intercambio que fluye a traves de una disposition de poros abiertos del material refrigerante mueve el "calor" a un extremo. Cuando el material refrigerante se enfrla por la eliminacion del campo magnetico, el mismo fluido de intercambio se invierte y se mueve "frlo" hasta el otro extremo. Cuando el fluido de intercambio se hace pasar clclicamente entre los dos

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extremos del AMR, y el campo magnetico se aplica y se elimina con la misma periodicidad, se establece un gradiente de temperatura entre el lado de extremo frio y el lado extremo caliente del AMR. La idea conceptual se muestra en la figura 1b. El resultado es que a traves del refrigerante pueden crearse unos gradientes de temperatura significativos de 30K (o mas).

En cualquier punto en un AMR idealizado, el material refrigerante local, el campo aplicado y la temperatura local determinaran los TS locales reales (ABCD) de tipo bucle. Sin embargo, cada punto se acopla a traves del fluido de intercambio, y asi conjuntamente puede pensarse como someter todo el lecho a una cascada acoplada de fluido de intercambio.

Estado de la tecnica

El diseno del AMR de Barclay consiste en unos materiales magneto-caloricos con una estructura de poros abierta, y el fluido de intercambio interpenetra el material magneto-calorico e intercambia calor con el material magneto- calorico. Una estructura de poros abierta simple es un lecho empaquetado de polvo, y un trabajo extenso se ha emprendido en tales regeneradores de lecho empaquetado (documentos US 4.332.135, US 6.526.759) y tambien en los regeneradores de lecho empaquetado solido (documento US 2010/0107654 A1). Se han logrado impresionantes gradientes de temperatura entre el lado caliente y el lado frio.

Sin embargo, un lecho en polvo tiene varias desventajas. La principal desventaja es su baja velocidad de funcionamiento, normalmente solo de 0,1 Hz a 1 Hz. La velocidad de funcionamiento es la frecuencia con la que el fluido de intercambio y el campo magnetico pueden realizar un ciclo. La baja frecuencia se traduce en una solucion relativamente grande, pesada y cara por vatio de refrigeracion. La limitacion de frecuencia surge debido a que la alta presion cae a traves del lecho empaquetado poroso del AMR, cuando se usa un fluido de intercambio Kquido, a frecuencias mas altas. Las caidas de presion dan como resultado grandes perdidas de viscosidad y por lo tanto de bombeo. Aunque, utilizando un medio de intercambio gaseoso podrian reducirse las caidas de presion y las perdidas de viscosidad, se limita la potencia de refrigeracion disponible debido a la baja capacidad termica de los gases.

Otra desventaja de los lechos en polvo es que la densidad de empaquetamiento mas alta que puede alcanzarse es de un 74 % (en el empaquetamiento compacto hexagonal (HCP) tambien en el cubico centrado en caras (FCC)), y en la practica las densidades reales de empaquetamiento alcanzables son incluso mas bajas. En el mejor caso, el 26 % del volumen de campo magnetico no esta ocupado por el material magneto-calorico. Maximizar la utilizacion del campo magnetico es sin embargo critico para lograr una solucion comercial que cumpla con los requisitos de coste y tamano y que utilice imanes compactos.

Ademas, el "cambio de temperatura adiabatica" mencionado anteriormente AB es en realidad menor que la adiabatica, debido a la presencia del fluido de intercambio en contacto directo con el material magneto-calorico, al que se transfiere el calor. Por lo tanto, el ciclo ABCD mostrado en la figura 2 es mas como el ciclo AFCE tambien mostrado en la figura 2. En vez del cambio completo de temperatura AT, el cambio del material magneto-calorico es solamente AT-8T. En consecuencia, AS (que se relaciona con la potencia de refrigeracion) ya no es la diferencia de entropia entre D y A, sino mas bien la diferencia mas pequena entre E y A. Con el fin de estar mas cerca del ciclo ideal, la relacion de capacidad termica entre el fluido de intercambio y el material magneto-calorico necesita minimizarse. Esto puede lograrse, o aumentando la densidad de empaquetamiento del material magneto-calorico, reduciendo la cantidad relativa de fluido de intercambio, o reduciendo la capacidad termica del fluido de intercambio relativo a la capacidad termica del material magneto-calorico. Sin embargo, la ultima solucion, aumenta las perdidas de bombeo cuando necesita bombearse mas fluido. Una alta densidad de empaquetamiento es preferentemente.

Las geometrias basadas en canal evitan las limitaciones de lecho empaquetado como la densidad de empaquetamiento del AMR que puede, en principio, ajustarse a cualquier valor entre 0 % (sin material magneto- calorico) a 100 % (sin canales). El aumento de la densidad de empaquetamiento del material permite la optimization de tanto el ciclo de refrigeracion, es decir, para hacer AF tan cerca de AB (o CD tan cerca de CE) como se desee, como al mismo tiempo, maximizar la utilizacion del campo magnetico, manteniendo al mismo tiempo los canales de tamano finito y regulares (y por lo tanto la presion baja).

Al mismo tiempo, cae la presion inferior de los canales regulares y por lo tanto se pierde viscosidad.

Se han tratado un numero de geometrias basadas en canal (Tishin, "The magnetocaloric effect and its applications", IOP Publication 2003 y las referencias de la misma). Sin embargo, el reto para un dispositivo refrigerante comercial es lograr un alto gradiente de temperatura entre el extremo frio y el extremo caliente del AMR, mientras que se usan unos imanes de un tamano razonable y unos AMR compactos.

Los materiales magneto-caloricos (y electro-caloricos) presentan la mas alta AT y AS en la proximidad de sus temperaturas de Curie Tc aunque en funcion de la naturaleza de la transition el maximo puede ser agudo o plano y ancho. Para el diseno de un AMR optimo (o de un AER) es imprescindible tener unos materiales con una alta AT y AS a lo largo de toda la longitud del AMR (o del AER). Por lo tanto, se usaran unos materiales multiples con AT y AS optimizados en funcion del intervalo de temperatura en el que funcionaran. La election de los materiales magneto- caloricos adecuados y un modelo detallado de la estructura del AMR (o del AER) son muy importantes para lograr unos disenos eficientes.

Al mismo tiempo la potencia de refrigeracion total de un AMR (o del AER) depende del numero de ciclos por segundo (ABCD o AFCE) que puede someterse el AMR (o el AER), con un intercambio simultaneo de calor con el fluido de intercambio y los intercambiadores de calor y frio. Las frecuencias de funcionamiento altas, es decir, el movimiento rapido alrededor del ciclo descrito anteriormente ABCD (o AFCE), es por lo tanto esencial para soluciones pequenas y compactas.

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La potencia de refrigeracion real depende de las perdidas, y es una medida, de cuanta capacidad de refrigeracion del refrigerante puede liberarse a partir del material magneto-calorico del AMR (o del AER) en el fluido de intercambio, y por consiguiente puede realizarse en el extremo frlo del AMR (o del AER), mediante un paso de caliente a frlo, en el intercambiador de frlo (o fuera del extremo caliente del AMR (o del AER), mediante un paso de frlo a caliente, en el intercambiador de calor para aplicaciones de bombeo de calor).

Idealmente, la potencia de refrigeracion y la capacidad de refrigeracion deben ser la misma. La diferencia, sin embargo, entre la potencia de refrigeracion y la capacidad de refrigeracion se denomina como la "perdida total", que se compone de un numero de diferentes factores contribuyentes. La perdida asociada con el transporte de calor en el fluido de intercambio se denomina en el presente documento como "perdida de HE"; esta perdida se asocia con los gradientes de temperatura dentro del fluido de intercambio. La perdida asociada con el reflujo de calor a traves del AMR de caliente a frlo se llama "perdida de reflujo". La perdida asociada con el flujo de calor local dentro del material refrigerante se denomina "perdida local". La perdida asociada con la histeresis se llama "perdida de histeresis". La perdida asociada con el bombeo del fluido se llama "perdida de viscosidad", y se asocia con la disipacion viscosa en el fluido. El diseno de un AMR optimo requiere la minimization de todas las perdidas.

En un motor termico magnetico un gran componente flsico es el iman. Maximizar la utilization del campo magnetico (por ejemplo a traves de una alta densidad de empaquetamiento) por unidad de volumen de refrigerante es por lo tanto un imperativo para una solution compacta.

En general, el problema objetivo de la presente invention es superar las desventajas mencionadas anteriormente del estado de la tecnica, y proporcionar un AMR (o un AER) que mejore el rendimiento de un motor magneto-calorico o electro-calorico de regeneration activa. El objetivo final es hacer el motor respectivo comercialmente viable.

En particular, la presente invencion trata de:

1. especificar los criterios de selection de materiales para los dispositivos AMR o AER de multiples materiales de alto rendimiento.

2. especificar las arquitecturas optimas para los regeneradores basados en canal optimos

3. especificar las geometrlas optimas para los regeneradores basados en canal para minimizar las perdidas (perdida de HE, perdida local, perdida de reflujo, perdida de viscosidad), maximizar el rendimiento y maximizar la utilizacion del campo aplicado.

4. especificar las mejoras de las arquitecturas y las geometrlas para minimizar las perdidas y ayudar en la fabrication.

5. especificar los metodos para la fabricacion de arquitecturas y mejoras optimas.

El AMR o el AER deberla ser mas facil de montar, tener suficiente resistencia mecanica, una estructura fiable, y deberla comprender unos materiales que sean faciles de procesar.

La presente invencion pretende tambien reducir el tamano y el coste del AMR (o del AER) y del motor de regeneracion activa, y pretende fabricar el AMR (o el AER) con los procesos de fabricacion de alta velocidad y de bajo error automatizados.

El documento WO 03/016794 A1 se refiere a un sistema de manejo de fluidos que comprende un dispositivo para cambiar la temperatura del fluido que fluye a traves del sistema. El dispositivo se basa en el efecto magneto-calorico de los materiales magneticos para efectuar los cambios de temperatura.

El documento US 2011/048031 A1 se refiere a los regeneradores en la refrigeracion magneto-calorica. En particular, se presenta un regenerador, que tiene una matriz de difusividad termica que incluye un material magneto-calorico que tiene multiples salientes en miniatura Intimamente empaquetados para formar un hueco entre los salientes. Se proporciona una trayectoria de fluido dentro del hueco.

El documento WO 2008/142253 A1 describe un dispositivo de transferencia de calor con al menos un elemento que tiene unas propiedades magneto-termicas, que se incorpora en un circuito capaz de conducir un flujo magnetico, y en contacto termico con un fluido frlo, un fluido aislante termicamente y un fluido caliente, respectivamente. El dispositivo incluye tambien unos medios para generar un campo magnetico permanente y unos medios para generar un campo magnetico variable y para aplicar este campo magnetico a cada elemento que tiene las propiedades magneto-termicas.

El documento JP 2010 025435 A se refiere a un dispositivo de refrigeracion magnetica con un recipiente de intercambio de calor lleno de partlculas de material magnetico que tienen unos efectos magneto-caloricos. Se proporciona un mecanismo de aplicacion y elimination de campo magnetico capaz de aplicar y de eliminar el campo magnetico con respecto a las partlculas de material magnetico. Se hace fluir un refrigerante llquido desde un lado extremo al otro lado extremo dentro del recipiente de intercambio de calor, sincronizando con la aplicacion y la eliminacion del campo magnetico. Ademas, se proporciona un mecanismo de generation de turbulencias para hacer que el refrigerante llquido fluya dentro del recipiente de intercambio de calor en un estado de turbulencia.

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Sumario de la invencion

Por lo tanto, la presente invencion se refiere a un alabe de multiples materiales para su uso en un motor magneto- calorico o electro-calorico de regeneracion activa para su uso en aplicaciones de refrigeracion, bombeo de calor y recuperacion de energla, siendo el alabe una pila de una pluralidad de elementos.

El alabe comprende un cuerpo de alabe hecho de una pluralidad de elementos fabricados de diferentes materiales magneto-caloricos o electro-caloricos, en el que el cuerpo de alabe se divide a lo largo de su longitud en dicha pluralidad de elementos. El alabe comprende ademas una pluralidad de canales asociados, que penetran en el cuerpo de alabe y que se extienden a lo largo de la longitud del alabe. Cada uno de la pluralidad de canales asociados del alabe esta provisto de una capa de recubrimiento hidrofoba, y se proporciona una capa de vidrio o de plastico por debajo de la capa de recubrimiento hidrofoba.

SELECCION DE MATERIALES

Preferentemente, cada uno de la pluralidad de elementos esta hecho de un material magneto-calorico preferentemente seleccionado del grupo de LaFeSi, LaFeSiCo, LaFeSiH, MnPFeAs, MnPFeSi, Ferh, MnAsSb, MnPFeGe, Gd, GdDy, CoMnSi, CoMnGe, y GdSiGe, que adicionalmente puede estar provisto de uno o mas agentes de dopado (que a menudo desplaza el Tc o hacia arriba o hacia abajo para una familia de materiales), y pueden tener relaciones variables de los elementos especificados, en el que cada material magneto-calorico tiene una temperatura de Curie diferente, y cada material magneto-calorico tiene una porosidad del 20 % o menos en relacion con su volumen.

Los materiales electro-caloricos adecuados incluyen P(VDF-TrFE-clorofluoretileno), PLZT (8/65/35), Pb(Mg1/2Nb2/3) O3-35PbTiO3 (PMN-35PT)), BaTiO3, o (NH4) 2SO4.

En un sistema ideal (despreciando las perdidas), a una temperatura media del lado frlo Tfria la energla de refrigeracion clclica disponible de un refrigerante esta dada por Twa-AS^a para un campo aplicado dado B (donde AS'fria esta dada por la diferencia absoluta de entropla entre los puntos D y A en la figura 2 (o en la practica D' y A).

En un ciclo de refrigeracion regenerativa, que abarca desde una Tfria media a una temperatura media del lado caliente Tcaliente, la parte de longitud del regenerador que contribuye a la refrigeracion es 0,5-ATfna Longitud/Lapso, en el que el lapso se define como el gradiente de temperatura Tcaliente - Tfr,a (entre el extremo caliente y el extremo frlo del AMR o del AER), y la longitud es la longitud del AMR (o del AER). Esto puede demostrarse simplemente para un sistema ideal por un experto en la materia usando un argumento geometrico simple, suponiendo que el fluido de intercambio que entra en el regenerador tiene un perfil de temperatura apropiado. La capacidad de refrigeracion del regenerador (clclico) total en (J) de un AMR (o del AER) multi-capa es igual a 0,5 ATfria ASfria Tfria Longitud Area Densidad Densidad de empaquetado/Lapso en una configuracion multi-capa "ideal", en la que la longitud es la longitud del regenerador, el area es el area de la seccion transversal del regenerador, la densidad es la densidad del material y la densidad de empaquetado es el % de volumen de refrigerante activo, es decir, el material magneto-calorico o electro-calorico.

Esta exposicion no se limita a aplicaciones de refrigeracion, y puede aplicarse a los motores termicos que se usan para aplicaciones de bombeo de calor y de recuperacion de energla.

Extrayendo las propiedades del material (y despreciando la densidad) de la ecuacion anterior se obtiene un factor de calidad de un material magneto-calorico (o electro-calorico), que es simplemente AT AS. En un dispositivo practico el tamano del campo aplicado es relevante, especialmente desde el punto de vista economico, y un refinamiento adicional serla normalizar este valor en funcion del campo aplicado. Por simplicidad, tomando los valores pico de tanto AS como AT para un material, puede usarse el factor de calidad para comparar diferentes materiales. Algunos de los desarrollos clave de los materiales magneto-caloricos se resumen en la siguiente tabla.

Material

Ejemplo de material AS (1T) (J/Kg K) AT (1T) (K) Factor de calidad (J/kg)

1a Generacion

Gd ~ 2,5 ~ 3 ~ 7,5

2a Generacion

Tipo LaFe13SiCo ~ 5,5 ~ 2,2 ~ 12,1

3a Generacion

Tipo LaFe13SiH ~ 10 ~ 3,5 ~ 35

En general, un factor mas alto de calidad es preferible a uno mas bajo, aunque las consideraciones tales como la histeresis, o la velocidad o la longevidad del efecto magneto-calorico (o electro-calorico), pueden dar lugar a seleccionar unos materiales con un factor de calidad inferior.

La diferencia de entropla maxima AS y la AT maxima se produce en (o en la proximidad de) la temperatura de Curie. Cuando multiples materiales con aumento o disminucion de las temperaturas Curie estan en cascada de la manera correcta, pueden trazar la temperatura definida por el gradiente de temperatura entre el extremo caliente y frlo del alabe. Cuando se usan tales materiales adecuados en diversos puntos de temperatura a lo largo de la longitud del alabe, el gradiente de temperatura total, cuando se aplica clclicamente un campo magnetico (o electrico) y un fluido intercambiado se bombea clclicamente a traves del alabe, puede aumentarse de manera significativa. Ademas, no es suficiente considerar solo la temperatura de Curie. La capacidad de refrigeracion de regenerador de la pluralidad

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de elementos necesita maximizarse a lo largo de la longitud del regenerador. Ademas la pluralidad de elementos debe tener una capacidad de refrigeracion de regenerador lentamente ascendente, la velocidad de aumento proporcional al lapso del AMR (o del AER) y proporcional al trabajo de entrada necesario para impulsar el ciclo de refrigeracion.

Expresando la ecuacion de regenerador anterior en terminos de parametros locales, la capacidad de refrigeracion en un punto (x) en un elemento dado, se define como AS(T(x))AT(T(x))T(x)LongitudAreaDensidadDensidad de empaquetado/Lapso, para ese elemento, en la que T(x), AS(T(x)) y AT(T(x)) y T(x) es la temperatura local, la entropla y el cambio de temperatura 'adiabatica' del material local, la longitud es la longitud del elemento, el area es el area de seccion transversal del elemento, la densidad es la densidad del material local, y la densidad de empaquetamiento es la densidad de empaquetamiento del elemento local (% en volumen de refrigerante activo al volumen total) y el lapso es el lapso a traves del elemento. La suma de los lapsos a traves de cada elemento es el lapso total a traves del regenerador. Tengase en cuenta que para los calculos de capacidad de refrigeracion, los valores absolutos AS y AT se usan en todas las circunstancias. Esto se entiende que es el caso en todo el presente documento.

Tengase en cuenta que en la practica, a menudo el area, la densidad y la densidad de empaquetamiento son iguales o similares a traves de multiples elementos; sin embargo la longitud puede ser considerablemente diferente entre los elementos, y por lo tanto es un parametro util que puede usarse para el ajuste fino de la capacidad de refrigeracion de los elementos.

Tengase en cuenta que la multiplicacion de la capacidad de refrigeracion de regenerador por la frecuencia, da la potencia de refrigeracion de potencial maximo del regenerador.

En el llmite entre los elementos, y en el que el elemento adyacente esta hecho de un material diferente con una temperatura de Curie diferente, y que posee por lo tanto diferentes propiedades de AS y AT, se requiere idealmente una transicion suave entre las capacidades de refrigeracion. Esto puede lograrse ajustando la longitud de los elementos individuales o eligiendo el material apropiado o la temperatura de Curie.

Sin embargo, el cambio entre los elementos con diferente Tc es discontinuo, y solo puede lograrse una capacidad de refrigeracion casi continua, de tal manera que la variacion no es mas del 30 % de manera inmediata entre los elementos vecinos (tanto para un cambio de campo hacia arriba como hacia abajo). Eso significa que la capacidad de refrigeracion en un llmite entre dos elementos a lo largo del cuerpo de alabe resulta dentro del 30 %. Un cambio en la capacidad de refrigeracion de un elemento a otro en un llmite de elemento esta por lo tanto por debajo del 30 %. El mlnimo en la capacidad de refrigeracion dentro de un elemento se localiza en cualquiera de los dos extremos del elemento. Cambiando bruscamente las curvas de AS y AT (tales como las encontradas en los materiales de tipo de primer orden) necesitaran el uso de muchos materiales diferentes, y se requerira unas escalas de longitud mas corta para cada elemento para garantizar la capacidad de refrigeracion casi continua.

Los gradientes de temperatura a traves de cada uno de la pluralidad de elementos deben ser tan igualados como sea posible. De no hacerlo, se crean unos gradientes de temperatura locales en los elementos que aumentaran las perdidas del regenerador. Adicionalmente, los gradientes de temperatura locales (o tras una elevacion de campo o una calda de campo) pueden producirse en la interfaz entre dos materiales con diferente Tc y por lo tanto las curvas de AT. Esto puede provocar un reflujo mejorado localmente, o un flujo de avance localmente de calor en funcion del gradiente de temperatura que prevalece. Para evitar tales gradientes de temperatura locales, que generan una entropla que interrumpe el funcionamiento de cualquier motor magneto-calorico de regeneracion activa, las curvas de AT deberlan coincidir tan estrechamente como sea posible en la interfaz. Sin embargo, las curvas AT para un campo hacia arriba y hacia abajo a una temperatura dada pueden ser muy diferentes y por lo tanto tal coincidencia, aunque deseable, no es completamente posible. Por lo tanto, pueden usarse los separadores de baja conductividad termica entre los diferentes materiales. Estos separadores tienen poco impacto en la relacion de la perdida de reflujo general con la potencia de refrigeracion (a medida que la potencia de refrigeracion cae linealmente con la longitud de espaciador total, as! lo hace el reflujo), pero reducen la 'perdida local' de generacion de entropla.

La presente invencion se refiere a los criterios de seleccion de materiales para la pluralidad de elementos en el alabe de multiples materiales, de tal manera que se utilizan materiales con altos factores de calidad (mayor que el gadolinio), y la capacidad de refrigeracion se maximiza a lo largo de la longitud del AMR (o del AER). Ademas, la capacidad de refrigeracion deberla ser cuasi-constante (dentro del 30 %, y preferentemente inferior) inmediatamente entre los elementos vecinos, elevandose a lo largo de la longitud del regenerador a una velocidad proporcional al lapso y al trabajo de entrada del regenerador, con la capacidad de refrigeracion mas baja en cualquier elemento localizado en uno de los dos extremos.

Ademas, en orden de prioridad, las temperaturas Curie (Tc) a lo largo de la longitud del AMR (o del AER) de frlo a calor deberla aumentar, la capacidad de refrigeracion deberla coincidir en las interfaces del material (para tanto los cambios de campo hacia arriba como hacia abajo) (por la seleccion correcta de la Tc del material, la densidad de empaquetamiento, la densidad y la longitud del elemento), y deberla minimizarse la diferencia entre las curvas de AT en las interfaces del material (para tanto el cambio de campo hacia arriba como hacia abajo). Los criterios de seleccion de material mencionados anteriormente se aplican a todas las arquitecturas de canal (descritas en mas detalle a continuacion), que incluyen, pero no se limitan a, unas placas paralelas (figura 4), unas pilas de placas paralelas, unas pilas de placas paralelas con 90° de rotacion (figura 3), unas placas perforadas (figura 9), unas pilas de placas perforadas (figura 8) y unas variaciones mejoradas y evolventes (figura 16) (descritas en el presente documento) de las mismas.

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Ademas, la presente invencion usa espaciadores, presentes en este caso para minimizar las perdidas locales entre los elementos de diferentes materiales, y reducir las perdidas locales en el diseno del AMR (o del AER), dimensionado para minimizar el reflujo local. Los gradientes de temperatura locales, en lugar de las consideraciones de gradientes de temperatura globales (lapso / longitud), se usan para dimensionarlos (con el espesor preferido en el intervalo de 50 um a 1000 um). Tales espaciadores deberlan realizarse de un material de baja conductividad termica (preferentemente de 0,01 a 2 W/mK) y permitir el flujo del fluido de intercambio entre los elementos vecinos o a traves de una estructura de poros abierta o conformada con el fin de no bloquear los canales completamente. La disposicion anterior de los materiales magneto-caloricos es valida para todas las arquitecturas basadas en canales de acuerdo con la presente invencion. Preferentemente, cada uno de la pluralidad de elementos tiene una conductividad termica en un intervalo de 0,1 W/mK a 30 W/mk, preferentemente de 0,1 W/mK a 10 W/mK, mas preferentemente de 0,1 W/mK a 5 W/mK o mas preferentemente de 0,1 W/mK a 2 W/mK. Una baja conductividad termica de la pluralidad de elementos minimiza la as! llamada perdida de reflujo en el AMR (o en el AER). La perdida de reflujo es el calor que fluye de manera natural desde el extremo caliente del alabe al extremo frlo del alabe, cuando se utiliza en un motor magneto-calorico o electro-calorico. Para lograr la baja conductividad termica, tienen que usarse unos materiales adecuados. Ademas, cuando, por ejemplo, cada uno de la pluralidad de elementos se realiza de polvos unidos extruidos de diferentes materiales magneto-caloricos, se usa preferentemente un agente aglutinante de baja conductividad termica. El agente aglutinante es preferentemente para tener una conductividad termica que sea menor o como maximo igual a la conductividad termica de los materiales magneto-caloricos.

Los materiales anteriormente indicados (y sus variantes) pueden seleccionarse para presentar un gran efecto magneto-calorico (o electro-calorico) y un alto factor de calidad, tienen una baja conductividad termica, y pueden fabricarse en las escalas de longitud adecuadas. Los materiales tienen unas temperaturas de Curie Tc en el intervalo de temperatura deseado. Los materiales son adecuados para proporcionar unos elementos con diferentes temperaturas de Curie a lo largo de la longitud del alabe, con el fin de aumentar el gradiente de temperatura total que se establece en el ciclo de regeneracion. Ademas la capacidad de refrigeracion de estos materiales puede hacerse coincidir para proporcionar una solucion optima.

ARQUITECTURAS Y GEOMETRIAS

Las arquitecturas con canales asociados a traves del cuerpo de alabe ayudan a evitar las perdidas de alta presion que se producen en los AMR de lecho empaquetado. El objetivo de un diseno de AMR (o de AER) avanzado es proporcionar la maxima refrigeracion, mientras que las perdidas se minimizan. La seleccion de los materiales de acuerdo con los criterios mencionados anteriormente maximiza el potencial de refrigeracion de un AMR (o de un AER). Sin embargo, el minimizar las perdidas requiere un examen mas detenido.

Las perdidas en un sistema de AMR (o de AER) aumentan la cantidad de trabajo de entrada necesario para lograr una cantidad de refrigeracion, disminuyendo de este modo la eficacia del dispositivo de AMR. Se requiere un dimensionamiento correcto de la arquitectura del AMR (o del AER) con el fin de minimizar las perdidas.

Como ya se ha indicado, algunas de las perdidas principales asociadas con un AMR (o un AER) son la perdida de HE, la perdida de reflujo, la perdida de viscosidad, la perdida local y la perdida de histeresis. La perdida de reflujo puede minimizarse usando un refrigerante de baja conductividad termica, los espaciadores pueden usarse en un alabe de multiples materiales para minimizar las perdidas locales, y el uso de unos materiales de baja histeresis minimiza la perdida de histeresis. Las arquitecturas de canal reducen en general la perdida de viscosidad. Sin embargo, la perdida dominante en un sistema de AMR (o de AER) es la perdida de HE, asociada con los gradientes de temperatura en el fluido, mientras que se transfiere calor desde el refrigerante al fluido de intercambio y por lo tanto a los intercambiadores de calor.

Por ejemplo, despues de un cambio negativo de temperatura adiabatica, el fluido caliente encuentra el refrigerante frlo y se produce un rapido intercambio de calor (paso CD' en la figura 2). A continuacion, el fluido se hace pasar de caliente a frlo, y el fluido mas caliente se empuja hacia el material mas frlo, transfiriendo calor desde el fluido al material, calentando de este modo los materiales refrigerantes (etapa D'A en la figura 2). La velocidad de transferencia de calor determina el tiempo que se tarda (o deseado) para completar el intercambio de calor de refrigerante (esto normalmente limita la frecuencia de funcionamiento maxima del sistema). El fluido proximo a la pared esta en equilibrio termico con el refrigerante; sin embargo, el fluido en el centro del canal esta mas caliente. Por lo tanto, aparte de en el comienzo de un paso a frlo, la temperatura media del fluido que sale del extremo frlo del AMR es mas caliente que el extremo frlo del AMR. El gradiente de temperatura dentro del canal de fluido determina cuanta de la capacidad de refrigeracion del refrigerante esta realmente disponible en el intercambiador de frlo, cuando la presencia del fluido mas caliente diluira la capacidad de refrigeracion total del fluido de intercambio. Esta reduccion de la capacidad de refrigeracion se llama perdida de HE. Efectos analogos se producen en un paso a caliente.

Fijando la calda de presion (o la perdida de viscosidad) a traves de un canal de cierta longitud dentro de un AMR con un lapso medio constante fijo, la velocidad de transferencia de calor desde el refrigerante al llquido (o viceversa) se escala con un diametro de canal (es decir, cuando el diametro del canal disminuye, la transferencia de calor disminuye). La perdida de HE disminuye tambien a medida que disminuye el diametro del canal, pero lo hace de manera mas rapida (a una potencia mas alta de la escala) que la velocidad de transferencia de calor. Al reducir el diametro del canal, la perdida de HE puede escalarse a una cantidad pequena arbitraria. Sin embargo, la velocidad de transferencia de calor esta disminuyendo tambien, limitando de este modo el llmite superior de la frecuencia de funcionamiento. La velocidad de transferencia de calor es la cantidad de calor por segundo que se esta transfiriendo

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desde el fluido al refrigerante (o viceversa). Para compensar la reduccion de velocidad de transferencia de calor, la cantidad de calor a moverse puede reducirse reduciendo la cantidad de refrigerante (por ejemplo, usando unas placas mas delgadas). Sin embargo, al reducir la cantidad de refrigerante se reduce la relacion de empaquetado del llquido con el refrigerante en el AMR (o en el AER), resultando en que CE diverge de CD, y reduciendo la densidad de empaquetado total. Al mismo tiempo, las escalas pequenas de longitud de refrigerante son mas diflciles de fabricar. Por lo tanto, un AMR deberla dimensionarse de tal manera que las sumas de la perdida de viscosidad (determinada por la longitud de AMR, las propiedades flsicas del fluido de intercambio y la velocidad de flujo, as! como el diametro de canal), la perdida de reflujo (determinada por la longitud, el lapso, la conductividad termica del refrigerante y del llquido, el volumen del llquido y del refrigerante), y la perdida de HE (determinada por la anchura de canal, las propiedades del fluido de intercambio, la velocidad de flujo, AS y AT del refrigerante, el volumen del llquido y del refrigerante, y la longitud y el lapso del AMR) se minimiza, para una frecuencia de funcionamiento de destino (en el intervalo de 1 Hz - 20 Hz). Una solucion preferida tiene las tres perdidas que son de un tamano comparable (dentro de un factor de 10 la una de la otra). Para un canal de placas paralelas dentro de un elemento (incluyendo la evolvente) el espesor de placa optimo deberla estar en el intervalo de 50 um a 1500 um, o mas preferentemente de 70 um a 700 um, o mas preferentemente de 90 um a 400 um. La separacion entre canales deberla estar en el intervalo de 5 um a 100 um, o mas preferentemente de 10 um a 75 um, o incluso mas preferentemente, de 15 um a 60 um.

Para una placa perforada, la distancia optima entre las perforaciones deberla estar en el intervalo de 60 um a 2000 um, o mas preferentemente de 80 um a 1.000 um, o mas preferentemente de 100 um a 650 um. El diametro de la perforacion deberla estar en el intervalo de 10 um a 150 um, o mas preferentemente de 15 um a 110 um, o incluso mas preferentemente de 20 um a 85 um.

Los valores dados logran un balance entre la perdida de viscosidad, el reflujo y la perdida de HE.

Las escalas de longitud dadas son en cierto modo dependientes de los materiales magneto-caloricos que se usan.

En el primer ejemplo de un alabe de multiples materiales, cada uno de la pluralidad de elementos esta formado por una pluralidad de placas, la pluralidad de placas estan apiladas una encima de la otra. Ademas, cada uno de la pluralidad de elementos en el cuerpo de alabe se hace girar con respecto a sus elementos adyacentes, preferentemente se gira 90°. Esta disposition soporta la mezcla del fluido de intercambio, es decir, aumenta la homogeneidad termica a traves de los canales asociados y reduce la perdida de HE cuando se usa en un motor magneto-calorico de regeneration activa. Ademas, esta disposicion mejora la fiabilidad de la fabrication de montaje completa, ya que no se requiere un canal paralelo continuo a lo largo de la longitud del alabe. La longitud sobre la que se requiere el montaje paralelo exacto se reduce a la longitud de un unico elemento en vez de al alabe completo. Preferentemente, las placas estan separadas una de otra por al menos un espaciador, preferentemente impreso con tecnicas bien conocidas de impresion de inyeccion de tinta, de impresion de plantilla o de pantalla, fotolitografla, o de aplicacion directa por un sistema de punteo o de chorro, en las que las separaciones entre la pluralidad de placas forman la pluralidad de canales asociados.

Usando dichas tecnologlas bien conocidas, y reduciendo en consecuencia los costes de fabricacion, se convierte en factible una solucion comercial. La fabricacion se hace tambien mas sencilla, mas rapida y mas reproducible. Tales equipos comerciales listos para su uso (COTS) pueden usarse en el proceso de fabricacion, y pueden automatizarse muchas etapas de fabricacion.

La presente invention se refiere ademas a un alabe de multiples materiales para su uso en un motor magneto- calorico de regeneracion activa. El alabe comprende un cuerpo de alabe hecho de una pluralidad de elementos fabricados de diferentes materiales magneto-caloricos, en el que el cuerpo de alabe se divide a lo largo de su longitud en dicha pluralidad de elementos. El alabe comprende ademas una pluralidad de canales asociados, que penetran en el cuerpo de alabe y se extienden a lo largo de la longitud del alabe. Cada uno de la pluralidad de elementos del alabe tiene una forma curvada, de tal manera que la pluralidad de elementos puede formar un cuerpo de alabe evolvente. En un dispositivo refrigerante, un alabe de acuerdo con la presente invencion puede suministrar una cantidad de unidad de potencia de refrigeration. Combinando multiples alabes, la potencia de refrigeration puede incrementarse sin reducir la eficiencia del dispositivo. Una combination de alabes puede realizarse, por ejemplo, como un sistema magnetico rotativo, en el que los alabes estan dispuestos en un clrculo y se hacen girar a traves de un campo magnetico. Como se ha explicado anteriormente, la utilization del campo magnetico es importante. Cuando los alabes en forma de cuboides se empaquetan juntos en un clrculo, la densidad de empaquetamiento y, correspondientemente, la utilizacion del campo magnetico no seran ideales. Un diseno evolvente del cuerpo de alabe, o de los elementos que componen un cuerpo de alabe ofrece, sin embargo, la posibilidad de empaquetar multiples alabes juntos en una geometrla radial perfecta con una anchura de canal constante en un sistema magnetico rotativo. Esto significa que pueden montarse multiples laminas en un clrculo completo, en el que puede mantenerse una separacion constante entre los diferentes alabes, y las placas dentro de los elementos del alabe. Esta disposicion resulta en una mejor utilizacion de campo en un 30 %. Correspondientemente, pueden usarse imanes mas pequenos y menos costosos.

Debido a los canales asociados a traves de los que puede fluir el fluido, pueden usarse unos materiales magneto- caloricos con menor porosidad. La porosidad de un material se provoca en general por los poros distribuidos y es una propiedad del material. La porosidad puede entenderse como el volumen de huecos (poros) en el material magneto-calorico con respecto a su volumen total. En contraste con esto, los canales asociados que pueden crearse de manera activa en los materiales magneto-caloricos no se consideran que sean porosos.

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La presente invencion se refiere ademas a un alabe de multiples materiales para su uso en un motor magneto- calorico o electro-calorico de regeneration activa. El alabe comprende un cuerpo de alabe hecho de una pluralidad de elementos fabricados de diferentes materiales magneto-caloricos, en los que el cuerpo de alabe se divide a lo largo de su longitud en dicha pluralidad de elementos. El alabe comprende ademas una pluralidad de canales asociados, que penetran en el cuerpo de alabe y se extienden a lo largo de la longitud del alabe. La section transversal del cuerpo de alabe perpendicular a los canales asociados tiene a lo largo de una direction predeterminada una pluralidad de regiones de diferente porosidad, en el que en una interfaz de las regiones adyacentes la porosidad cambia bruscamente al menos un 10 %.

Las regiones de mayor porosidad pueden, por ejemplo, actuar como la pluralidad de canales asociados si es una estructura de poros abierta (y en estos tambien pueden actuar unos espaciadores), en el que las regiones de menor porosidad se hacen de materiales magneto-caloricos mas densos. Sin embargo, pueden proporcionarse ademas unos canales asociados al material de mayor porosidad. Las regiones mas altas de porosidad tambien pueden funcionar como una estructura de mezcla para un fluido de intercambio. La funcion de mezcla de las regiones porosas reduce la perdida de HE, cuando el alabe se usa en un motor magneto-calorico de regeneracion activa. Las regiones de mayor porosidad pueden formarse como estructuras similares a esponjas flexibles, que pueden adaptarse y cambiar su forma. De esta manera pueden compensar cualquier irregularidad provocada en la fabrication de los elementos. Las regiones de mayor porosidad y de menor porosidad pueden disponerse asimismo para cada uno de la pluralidad de elementos, o pueden disponerse de manera diferente para cada elemento.

Varios metodos conocidos podrlan emplearse para medir la porosidad en un material, por ejemplo, unos metodos opticos (es decir, determinando la superficie del material frente a la superficie de los poros visible bajo el microscopio), unos metodos de humectacion (es decir, la inmersion de una muestra porosa al vaclo en un fluido que preferentemente moja los poros), un metodo de saturation de agua (es decir, el volumen de poros es igual al volumen total de agua que queda despues del remojo) o un metodo de evaporation de agua (es decir, el volumen de poros es igual al peso de una muestra saturada menos el peso de una muestra seca considerando la densidad del agua).

Cualquier poro en el material magneto-calorico no pasara a traves de todo el cuerpo de alabe como los canales asociados, que son por lo general mas bien cortos. Los poros naturales son normalmente del orden de 0,01 mm a 10 mm de largo, y son mas bien pequenos en diametro, es decir, en el orden de 0,01 mm a 50 mm. En contraste con los canales asociados, los poros estan distribuidos al azar en el material magneto-calorico.

Cuanto menor es la porosidad del material magneto-calorico mas alta puede hacerse la densidad de empaquetado de cada uno de la pluralidad de elementos. La densidad de empaquetamiento se define como la relation del material magneto-calorico con el volumen total de uno de la pluralidad de elementos, es decir, el volumen que incluye el volumen de los canales asociados.

Se desea que la mayor cantidad de fluido de intercambio fluya a traves de los canales asociados no el material magneto-calorico. Entonces, puede lograrse una densidad mas alta para los materiales magneto-caloricos de la pluralidad de elementos. En los canales asociados estan presentes ademas unas presiones mas bajas y unas perdidas de viscosidad.

Preferentemente, el espaciador poroso entre los elementos es un material poroso con una porosidad mayor que un 25 % con respecto a su volumen, siendo el material poroso preferentemente al menos uno de entre una espuma de colageno glicosaminoglicano-colageno, una espuma de politetrafluoroetileno, spontex, y una ceramica de hidroxiapatita. En este caso, el espaciador puede actuar ademas como una estructura de mezcla para el fluido de intercambio y ayudar a reducir la perdida de HE. El espaciador puede adaptarse tambien a las irregularidades en las placas, por lo tanto se reducen los requisitos de planeidad de las placas.

En un ejemplo adicional de un alabe de multiples materiales, cada uno de la pluralidad de elementos esta formado por una placa perforada, en la que una pluralidad de perforaciones en las placas perforadas forma la pluralidad de canales asociados.

Este ejemplo permite unas placas mas gruesas a usarse para superar las limitaciones de fabricacion mencionadas anteriormente, aunque transfiriendo el problema a hacer suficientes perforaciones finas. En este caso, un elemento puede considerarse como una (o mas) placas perforadas con la misma temperatura de Curie Tc.

En la geometrla de placa paralela, el espesor de placa mas preferido esta en el intervalo de 90 um a 400 um. Estas dimensiones pueden ser diflciles de fabricar con precision o de manera fiable en ciertos materiales. Usando placas perforadas, el espesor de placa puede ser considerablemente mayor (en un orden de magnitud), y el llmite superior se determina por los criterios de selection de materiales relacionados con la "longitud" necesaria para maximizar la capacidad de refrigeration indicada anteriormente.

Preferentemente, la pluralidad de perforaciones son una pluralidad de agujeros redondos y/o angulares, un diametro o anchura de cada uno de la pluralidad de agujeros esta en un intervalo de 10 pm a 150 pm, preferentemente de 15 pm a 110 pm, o mas preferentemente de 20 pm a 85 pm. La distancia entre agujeros adyacentes esta en un intervalo de 60 pm a 2000 pm, preferentemente 80 pm a 1000 pm, o mas preferentemente de 100 pm a 650 pm. Las escalas de longitud dadas son de nuevo en cierto modo dependientes de los materiales magneto-caloricos que se usan. Sin embargo, los valores preferidos logran la perdida de HE mas baja, y la mejor transferencia de calor desde las placas al fluido de intercambio en un motor magneto-calorico de regeneracion activa.

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Mejoras

La minimizacion de la perdida de HE necesita una escala de longitud relativamente pequena de fabricacion, en terminos de espaciadores, placas o perforaciones. Para ciertos materiales refrigerantes la fabricacion de tales escalas de longitud pequenas puede ser problematico.

El uso de estructuras de mezcla especialmente disenadas en los canales asociados para mezclar el fluido de intercambio reduce la perdida de HE, cuando el alabe de multiples materiales de la presente invention se utiliza en un motor magneto-calorico de regeneration activa. La mezcla del fluido de intercambio debe realizarse de manera que las perdidas de presion aumenten con menor rapidez de lo que se produce la reduction de la perdida de HE. La perdida de HE puede reducirse significativamente, ya que la adicion de estructuras de mezcla aumenta la homogeneidad termica a traves de los canales asociados, y de manera mas importante en el centro del canal donde el flujo es mas rapido. Por otra parte, la homogeneizacion de la temperatura en el centro de los canales requiere unos gradientes de temperatura mas altos en las paredes lo que aumenta aun mas las velocidades de transferencia de calor y permite una frecuencia aumentada de funcionamiento. Se anade una capa de recubrimiento hidrofoba a los canales asociados (con o sin estructura de mezclar) y se hace que produzca una condition de llmite de deslizamiento entre el fluido de intercambio y el material magneto-calorico, cuando el fluido de intercambio se impulsa a traves de los canales. Por unidad de volumen de fluido de intercambio, la perdida de HE podrla reducirse de este modo en un 10-20 % (o incluso mas). Un cristal o plastico fino o una capa similar se anade adicionalmente por debajo de la capa de recubrimiento hidrofoba, con el fin de aumentar la suavidad de la capa de recubrimiento hidrofoba. La suavidad soporta la ocurrencia de la condicion de llmite de deslizamiento. En general, el principal resultado de la reduccion de la perdida de HE del alabe es que el tamano del canal asociado, el tamano de la perforation o el tamano del espaciador puede aumentarse en terminos absolutos, lo que simplifica el proceso de fabricacion. El aumento de una dimension tal tambien puede disminuir las perdidas de presion y de bombeo para un nivel fijo de la perdida de HE.

Como alternativa, la escala de longitud de la pluralidad de elementos (espesor de la placa o la separation entre perforaciones) dentro de cada elemento que compone el cuerpo de alabe tambien podrla aumentarse para ayudar a la fabricacion, mientras se mantiene la perdida de HE a un nivel constante.

Por ultimo, incluso la frecuencia de funcionamiento puede aumentarse sin aumentar la perdida de HE.

Tal reduccion de la perdida de HE puede lograrse de varias maneras.

Preferentemente, se proporciona una textura superficial al menos en la parte superior de cada una de la pluralidad de placas como una estructura de mezcla de fluidos, y/o se proporciona una capa de recubrimiento hidrofobica a cada una de la pluralidad de placas, en las que se proporciona preferentemente una capa de vidrio o de plastico por debajo de cada capa de recubrimiento hidrofoba. La adicion de la textura de superficie aumenta la homogeneidad termica a traves de los canales asociados, y reduce la perdida de HE cuando se usa el alabe en un motor magneto- calorico de regeneracion activa. La capa de recubrimiento hidrofobica reduce la perdida de HE creando una condicion de llmite de deslizamiento entre su superficie y el fluido de intercambio. La capa de vidrio o de plastico puede aumentar la suavidad de las placas antes de aplicar la capa de recubrimiento. La capa de recubrimiento puede ser mas suave tambien, y por lo tanto mas eficaz.

Preferentemente, la textura de superficie se imprime mediante unas tecnicas de impresion de chorro de tinta o se forma a partir de arena o un material aspero similar a la arena equivalente que se pega a la pluralidad de placas. Ambas soluciones son faciles de conseguir y son soluciones de bajo coste con la estabilidad mecanica necesaria. Preferentemente, se inserta un interruptor de simetrla como una estructura de mezcla de fluidos en cada uno de la pluralidad de agujeros o canales, y/o una pared interior de cada uno de la pluralidad de agujeros tiene una superficie aspera que sirve como estructura de mezcla de fluidos. La pared interior de cada uno de la pluralidad de agujeros esta provista de una capa de recubrimiento hidrofoba, que esta en la parte superior de una capa de vidrio o de plastico. Las estructuras de mezcla son para mezclar el fluido de intercambio en un motor magneto-calorico de regeneracion activa, y aumentar la homogeneidad termica del fluido de intercambio en los canales asociados. En consecuencia, se reduce la perdida de HE. Tambien la capa de recubrimiento hidrofoba ayuda a reducir la perdida de HE, ya que se crea una condicion de deslizamiento entre la superficie del canal y el fluido de intercambio.

Como alternativa, tales interruptores de simetrla, superficies asperas o capas de deslizamiento hidrofobas, pueden permitir unos agujeros mas grandes que pueden ser mas faciles de fabricar en funcion del material magneto- calorico, sin aumentar la perdida de HE.

En todos los ejemplos se proporcionan preferentemente unos separadores entre los adyacentes de la pluralidad de elementos, con el fin de compensar los gradientes de temperatura locales en las interfaces de la pluralidad de elementos en un motor magneto-calorico de regeneracion activa.

La presente invencion de un alabe de multiples materiales tambien puede aplicarse a los materiales electro- caloricos. Los principios de diseno optimos descritos para el AMR se transfieren de manera equivalente al AER para la transferencia de motores electro-caloricos (aunque algunas de las geometrlas resultantes seran diferentes).

La presente invencion del alabe de multiples materiales para su uso en un motor termico puede aplicarse a las aplicaciones (usando el motor termico mencionado) destinadas al bombeo de calor, la recuperation de energla a partir del calor residual, as! como a la refrigeration y el enfriamiento.

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Fabrication

La presente invention se refiere ademas a un metodo para fabricar un alabe de multiples materiales para su uso en un motor magneto-calorico o electro-calorico de regeneration activa. El metodo comprende las etapas de formar un cuerpo de alabe a partir de una pluralidad de elementos hechos a partir de diferentes materiales magneto-caloricos o electro-caloricos, en el que la pluralidad de elementos esta dispuesta a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe. El metodo comprende ademas las etapas de formar una pluralidad de canales asociados, que penetran en el cuerpo de alabe y que se extienden a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe, y dotarse cada uno de la pluralidad de canales asociados con una capa de recubrimiento hidrofoba, en el que se proporciona una capa de vidrio o de plastico por debajo de la capa de recubrimiento hidrofoba.

El metodo logra fabricar un alabe de multiples materiales que puede usarse como un AMR en un motor magneto- calorico de regeneration activa, y se mejora especlficamente en terminos de reduction de la perdida de HE en el sistema.

La presente invention se refiere ademas a un metodo para fabricar un alabe de multiples materiales para su uso en un motor magneto-calorico o electro-calorico de regeneration activa. El metodo comprende las etapas de formar un cuerpo de alabe a partir de una pluralidad de elementos fabricados de diferentes materiales magneto-caloricos o electro-caloricos, en el que la pluralidad de elementos esta dispuesta a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe. El metodo comprende ademas las etapas de formar una pluralidad de canales asociados, que penetran en el cuerpo de alabe y que se extienden a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe, en el que cada uno de la pluralidad de elementos se forma apilando una pluralidad de placas en la parte superior de cada otra, en el que la pluralidad de placas estan separadas entre si por al menos un espaciador impreso con tecnicas de impresion de chorro de tinta (o de impresion de plantilla/pantalla, fotolitografla, o de aplicacion directa por un sistema de punteo o de chorro), y sujetando y/o pegando entre si la pluralidad de placas, en el que cada uno de la pluralidad de placas se forma alineando unas sub-placas hechas de un material magneto-calorico o electro-calorico en un marco, aplicando unas tiras y/o puntos a las sub-placas, y cociendo las sub-placas alineadas y el marco para formar la pluralidad de placas. El metodo es compatible con un proceso de fabrication de bajo coste automatizado. Se hace posible un motor de regeneration comercialmente viable de coste competitivo.

Los metodos pueden comprender adicionalmente unas etapas de fabrication, en particular las etapas que forman o logran cualquier estructura ventajosa y adecuada del alabe de multiples materiales descrito en el presente documento. Los diferentes ejemplos y estructuras del alabe de multiples materiales pueden combinarse ademas para lograr una combination de caracterlsticas ventajosas. Por ejemplo, todos los alabes de multiples materiales descritos anteriormente podrlan formarse con una forma curvada para lograr un diseno de alabe evolvente.

A continuation, la presente invention se describira con mas detalle en referencia a los dibujos adjuntos.

La

figura 1a

La

figura 1b

La

figura 2

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figura 3

La

figura 4

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figura 6

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figura 8

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figura 9

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La

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La

figura 13

La

figura 14

La

figura 15

La

figura 16

La

figura 17

ilustra como el efecto magneto-calorico puede utilizarse en un motor magneto-calorico simple. ilustra como funciona el motor magneto-calorico regenerativo.

muestra la temperatura en funcion del ciclo de la entropla, de un refrigerante magnetico.

muestra un alabe de multiples materiales de acuerdo con un primer ejemplo de la presente

invention.

muestra uno de una pluralidad de elementos de un alabe de multiples materiales de acuerdo con el primer ejemplo.

muestra una estructura de mezcla de un alabe de multiples materiales de acuerdo con el primer ejemplo.

muestra una estructura de mezcla de un alabe de multiples materiales de acuerdo con el primer ejemplo.

muestra uno de una pluralidad de elementos de un alabe de multiples materiales de acuerdo con la primera realization.

muestra un alabe de multiples materiales de acuerdo con un segundo ejemplo de la presente invention.

muestra uno de una pluralidad de elementos de un alabe de multiples materiales de acuerdo con el segundo ejemplo.

muestra un alabe de multiples materiales de acuerdo con el segundo ejemplo.

muestra una estructura de mezcla de un alabe de multiples materiales de acuerdo con el segundo

ejemplo.

muestra una estructura de mezcla de un alabe de multiples materiales de acuerdo con el segundo ejemplo.

muestra un alabe de multiples materiales de acuerdo con el segundo ejemplo.

muestra un elemento electro-calorico de un alabe de multiples materiales de acuerdo con un tercer

ejemplo de la presente invention.

muestra uno de una pluralidad de elementos de un alabe de multiples materiales de acuerdo con el tercer ejemplo.

muestra un diseno evolvente de unos alabes de multiples materiales de acuerdo con un cuarto ejemplo de la presente invention.

muestra las etapas de fabrication de un alabe de multiples materiales de acuerdo con el primer ejemplo de la presente invention.

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Description detallada de la invention

Como se ha descrito anteriormente el alabe de multiples materiales de acuerdo con la presente invention comprende un cuerpo de alabe 1 que esta hecho a partir de una pluralidad de elementos 2 hechos a partir de diferentes materiales magneto-caloricos o electro-caloricos. El cuerpo de alabe se divide a lo largo de su longitud en la pluralidad de elementos 2. A traves del cuerpo de alabe 1 discurre una pluralidad de canales asociados 3, que se extienden a lo largo de toda la longitud del alabe. La pluralidad de canales asociados 3 penetra en el cuerpo de alabe 1, de tal manera que en un motor magneto-calorico o electro-calorico de regeneration activa, puede bombearse un fluido de intercambio a traves de los canales asociados 3 desde un extremo del alabe al otro. A continuation, la presente invention presentara varios ejemplos y disenos de un alabe de multiples materiales. Los ejemplos pueden combinarse cuando sea posible, con el fin de lograr unas caracterlsticas combinadas ventajosas. Algunos principios son validos para todos los ejemplos, pero no se repiten en el mismo detalle una y otra vez.

La figura 3 muestra un primer ejemplo de un alabe de multiples materiales de acuerdo con la presente invention que se va a usar en un motor magneto-calorico de regeneration activa. En la figura 3 cada uno de la pluralidad de elementos 2 se fabrica mediante una tecnica de apilamiento, en el que los elementos 2 estan alineados adyacentes y se sujetan y/o se pegan entre si, con el fin de formar el cuerpo de alabe 1. Como se muestra en la figura 4, cada uno de la pluralidad de elementos 2, de nuevo, consiste en una pluralidad de placas 4, que se apilan una encima de la otra, y que estan separadas por espaciadores 5. Los espaciadores 5 definen obviamente unos huecos entre las placas adyacentes 4, y forman unos canales asociados 3 a traves de cada uno de los elementos 2 y a traves de todo el cuerpo de alabe 1.

Cada placa 4 esta hecha de un material magneto-calorico, en el que las placas de un elemento 2 estan hechas preferentemente del mismo material. Sin embargo, puede usarse tambien una variation de materiales para las placas 4 de un elemento 2. Un grupo preferido de materiales es LaFeSi, LaFeSiCo, LaFeSiH, MnPFeAs, MnPFeSi, MnAsSb, MnPFeGe, Gd, GdDy, CoMnSi, CoMnGe, y GdSiGe, que puede contener diversos agentes de dopado o relaciones de los elementos indicados. Cada uno de la pluralidad de elementos 2 comprende al menos un material magneto-calorico diferente en comparacion con los otros elementos, o comprende al menos un material que difiere en su temperatura de Curie Tc. Por ejemplo, una diferencia en la temperatura de Curie puede lograrse mediante diferentes dopajes del mismo material.

Cada placa 4 tiene un espesor de aproximadamente 50 pm a 1500 pm, preferentemente de 70 pm a 700 pm, mas preferentemente de 90 pm a 400 pm. Los valores dependen ligeramente del material magneto-calorico usado. Todas las placas 4 de cada elemento 2 pueden tener el mismo tamano y forma, como se muestra en la figura 4, pero tambien pueden ser diferentes unas de otras, por ejemplo, con el fin de implementar una curvatura del alabe. Para formar un cuerpo de alabe evolvente todas las curvaturas son las mismas.

Las placas 4 que se muestran en la figura 4 tienen una forma rectangular, pero esto no es en modo alguno limitativo, y pueden imaginarse otras formas, como cuadrados, triangulos o clrculos. Las placas 4 tambien se muestran como que son planas, pero, como se describira mas adelante en relation con la figura 16, las placas 4 pueden presentar tambien una curvatura en cualquiera de sus superficies. La curvatura puede ser convexa o concava. Las placas 4 pueden hacerse mediante unas tecnicas de extrusion, en las que los polvos magneto-caloricos estan unidos entre si por algun tipo de aglutinante para formar una placa solida 4. Naturalmente las placas 4 pueden estar hechas tambien de bloques solidos de un solo material magneto-calorico, o una aleacion de materiales magneto-caloricos.

En cualquier caso, las placas 4 tienen una conductividad termica que es lo mas baja posible en un intervalo de 0,1 W/mK a 10 W/mK, preferentemente de 0,1 W/mK a 5 W/mK, mas preferentemente de 0,1 W/mK a 2 W/mK. Entonces, tambien cada uno de la pluralidad de elementos 2 tendra una baja conductividad termica. En el caso de que las placas 4 se fabriquen mediante polvos extruidos que se mezclan con aglutinantes, los aglutinantes deberlan tener una conductividad termica que sea menor o igual que la de los materiales magneto-caloricos. En consecuencia, se prefieren unos materiales como el plastico a los metales para el agente aglutinante. La baja conductividad termica de las placas 4 y de la pluralidad de elementos 2, respectivamente, minimiza las perdidas en el motor magneto-calorico de regeneration activa que se provocan por el reflujo del calor a traves del alabe de multiples materiales. Tengase en cuenta que los separadores entre los adyacentes de la pluralidad de elementos 2 no reduciran el reflujo como un % de la potencia de refrigeration total. Sin embargo, pueden usarse los separadores entre los adyacentes de la pluralidad de elementos 2 con fines de montaje, y para reducir los gradientes de temperatura locales entre los materiales adyacentes.

Los espaciadores 5, que definen los canales asociados 3 a traves del cuerpo de alabe 1, tienen un espesor de 5 a 100 pm, preferentemente de 10 pm a 75 pm, mas preferentemente de 15 a 60 pm. Los valores dependen de nuevo del material magneto-calorico de las placas 4, y tambien del fluido de intercambio que discurre a traves de los canales asociados 3 en un motor de regeneration activa. Idealmente, los espaciadores 5 son tan pequenos como es posible, ya que unos canales mas estrechos 3 experimentan una perdida de HE menor. Sin embargo, un compromiso entre la perdida de HE y las perdidas de viscosidad y de presion tiene que tenerse en cuenta. Los espaciadores se hacen preferentemente de un material de baja conductividad termica, que se encuentra en el intervalo dado anteriormente para los materiales magneto-caloricos o inferior. La pluralidad de elementos 2 en la figura 3 pueden alinearse a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe 1, de tal manera que cada uno de la pluralidad de elementos 2 se hace girar 90° con respecto a los elementos 2 adyacentes a los mismos. Por supuesto, puede elegirse cualquier otro angulo. El flujo del fluido de intercambio sera de una manera que el fluido de intercambio se mezcla, con el fin de reducir aun mas la perdida de HE.

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En un motor magneto-calorico de regeneracion activa, un extremo del cuerpo de alabe 1 es el extremo frlo y el otro es el extremo caliente. Un fluido de intercambio se hara pasar a traves de los canales asociados 3 desde el extremo caliente al extremo frlo y desde el extremo frlo al extremo caliente, cuando se aplica o se quita un campo magnetico del alabe de multiples materiales, segun sea apropiado. Despues de que el fluido de intercambio ha pasado a traves de varios ciclos de bombeo, se establece un gradiente de temperatura desde el extremo frlo del cuerpo de alabe 1 hasta el extremo caliente del mismo. El gradiente de temperatura total depende del diseno del alabe, en particular de la selection y la disposition de los materiales magneto-caloricos.

La pluralidad de elementos 2 que forman el cuerpo de alabe 1 se hacen por lo tanto de tales materiales magneto- caloricos, y/o dopados de tal manera, que pueden disponerse a lo largo del cuerpo de alabe de manera que las temperaturas Curie de los materiales magneto-caloricos en cada uno de los elementos 2 trazan el gradiente de temperatura que se establece a traves de toda la longitud del cuerpo de alabe 1. El gradiente de temperatura es preferentemente lineal, lo que requiere una adaptation de las temperaturas de Curie, la longitud, y el lapso de temperatura de cada uno de la pluralidad de elementos. Cada uno de la pluralidad de elementos 2 se dispone ademas en una position, en la que funciona tan cerca de su temperatura de Curie como es posible. La pluralidad de elementos 2 puede tener diferentes longitudes o puede tener la misma longitud, en la direction de los canales asociados 3. Las temperaturas de Curie, la longitud y el cambio de temperatura AT a traves de cada uno de la pluralidad de elementos 2 deberla seleccionarse preferentemente de tal manera que la capacidad de refrigeration este cerca de la uniformidad, en la que uniformidad se entiende que tienen una desviacion de ±30 %, preferentemente de ±20 %, mas preferentemente de ±10 % inmediatamente entre los elementos localizados a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe 1, es decir, en los llmites de dos elementos.

Los gradientes de temperatura locales pueden establecerse en el cuerpo de alabe 1, entre los elementos, y generar una entropla que interrumpa el rendimiento de cualquier motor magneto-calorico de regeneracion activa. El calor no puede entonces transferirse de manera optima desde la pluralidad de elementos hasta el fluido de intercambio. Para contrarrestar este efecto, pueden usarse los espaciadores o separadores entre todos o algunos de la pluralidad de elementos 2 por razones de montaje, y para reducir los gradientes de temperatura locales que puedan surgir entre las sub-laminas que poseen diferente AT en el llmite entre los dos materiales. La disposicion anterior de los materiales magneto-caloricos (y tambien de los materiales electro-caloricos) es valida para todos los ejemplos de un alabe de multiples materiales de acuerdo con la presente invention.

La figura 5 muestra una de dicha pluralidad de placas 4, en la que se imprimen dos espaciadores 5. El espaciador 5 puede imprimirse mediante tecnicas de impresion de chorro de tinta, lo que permite un bajo coste y una fabrication automatizada. Los espaciadores pueden por supuesto imprimirse o pegarse mediante otras tecnicas. El numero de espaciadores 5 no se requiere que sea dos, pero al menos un espaciador 5 deberla estar presente. Ademas, una textura de superficie 6 puede imprimirse, por ejemplo, mediante tecnicas de impresion de chorro de tinta, o aplicarse de otro modo a la una o ambas superficies de algunas o todas las placas 4. La adicion de una textura de superficie 6 aumenta la homogeneidad termica a traves del canal asociado respectivo 3, cuando el fluido de intercambio se bombea a traves del canal 3 en un motor magneto-calorico o electro-calorico de regeneracion activa. La mezcla del fluido de intercambio reduce la perdida de HE, y por lo tanto aumenta el rendimiento global del motor. La forma y las dimensiones de la textura de superficie 6 pueden ser diferentes de las mostradas en la figura 5.

Como alternativa a, o ademas de, la textura de superficie 6, se imprime o de otro modo se aplica una capa de recubrimiento hidrofoba sobre alguna o cada una de las placas 4. La capa de recubrimiento hidrofoba puede estar en ambas o en una superficie de las placas 4. La capa de recubrimiento hidrofoba y la textura de superficie 6 pueden estar, por ejemplo, en superficies opuestas de una placa 4. Ademas, una capa delgada de vidrio o de plastico esta dispuesta por debajo de cada capa de recubrimiento hidrofoba. La capa de recubrimiento hidrofoba crea una condition de llmite de deslizamiento entre la superficie de la placa 4, es decir, la superficie del canal asociado 3 y el fluido de intercambio, cuando el alabe se usa en un motor magneto-calorico de regeneracion activa. La condicion de llmite de deslizamiento sirve para reducir la perdida de HE. Otra estructura de mezcla que puede aplicarse con una placa apilada 4 se muestra en la figura 6. En lugar de los espaciadores de impresion y/o la textura de superficie 6 con, por ejemplo, tecnicas de impresion por chorro de tinta, se tamizan con polvo de arena a la escala de longitud correcta, y se forman y se pegan a la placa 4 unas estructuras de arena de bordes afilados. Las estructuras de arena de bordes afilados sirven tanto como espaciadores 5 como una estructura de mezcla 6. Las estructuras se utilizan para definir la anchura de los canales asociados 3 y para reducir la perdida de HE. Preferentemente, los materiales de baja conductividad termica (es decir, menor que la conductividad termica de los materiales magneto-caloricos) deberla usarse para el polvo o la arena, mientras que se mantiene la conductividad termica de cada uno de la pluralidad de elementos 2 lo mas pequena posible por las razones descritas anteriormente.

La figura 7 muestra uno de una pluralidad de elementos 2 de otro segundo ejemplo de la presente invencion. El ejemplo es similar a y compatible con el primer ejemplo, ya que de nuevo las placas 4 pueden apilarse para formar la pluralidad de elementos 2. El cuerpo de alabe 1 de la segunda realization presenta una section transversal que tiene unas regiones de diferente porosidad en una direccion, que es en la figura 7 la direccion vertical. Las regiones de diferente porosidad estan separadas unas de otras y se definen por un salto repentino de la porosidad que es al menos de un 10 %, pero es preferentemente al menos de un 20 %, mas preferentemente al menos de un 30 %. En la figura 7 las placas 4 que representan las regiones de baja porosidad (la porosidad puede incluso ser cero, pero tambien puede ser de valor finito) se apilan alternativamente una encima de otra con capas porosas 19 en el medio. Las capas porosas 19 forman los canales asociados 3, as! como los espaciadores 5. El fluido de intercambio fluira preferentemente a traves de la region con la mayor porosidad (estructura abierta), en el caso de la figura 7 las capas 19 entre las placas 4. Sin embargo una cierta cantidad de fluido de intercambio tambien podrla fluir a traves de la

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region de menor porosidad. El material magneto-calorico tiene preferentemente menos de un 10 % de porosidad, lo que tambien es cierto para los materiales magneto-caloricos usados en todas las otras realizaciones.

Son posibles muchos disenos de regiones de diferente porosidad en el cuerpo de alabe 1. El cuerpo de alabe 1 puede presentar al menos dos regiones de diferente porosidad a lo largo de su direccion vertical o su direccion horizontal, pero tambien puede tener varias regiones de porosidad diferente, e incluso cada region puede tener una porosidad diferente. La seccion transversal de cada uno de la pluralidad de elementos 2 del cuerpo de alabe no tiene necesariamente que ser la misma. Tambien el numero de regiones de mayor y/o menor porosidad puede diferir de elemento 2 a elemento 2.

Las regiones de diferente porosidad pueden disenarse de tal manera que sirven como una estructura de mezcla 6, lo que reduce la perdida de HE en un sistema de refrigerante. Ademas, las diferentes porosidades pueden usarse para controlar la presion en el alabe de multiples materiales, y por lo tanto para controlar y reducir las perdidas de viscosidad. La capa porosa 19 mostrada en la figura 7 tiene una anchura vertical preferida de 15 a 80 pm, como maximo 125 pm, en funcion de la porosidad. El material de la capa porosa 19 puede ser, por ejemplo, unas matrices de glicosaminoglicanos de colageno o spontex. Ademas, pueden usarse espuma de colageno, politetrafluoroetileno o ceramica de hidroxiapatita. Las porosidades estan preferentemente en un intervalo del 25 al 95 %. Los tamanos de poro estan preferentemente en un intervalo de 1 pm a 100 pm. La ceramica de hidroxiapatita presenta micro-poros. El tamano de los microporos es preferentemente de 0,1 a 10 pm. Al menos una region de alta porosidad puede hacerse flexible, por ejemplo, como una estructura similar a una esponja que puede adaptar su tamano y forma. Por lo tanto, los requisitos de planeidad de las placas 4 pueden reducirse para montar la pluralidad de elementos apilados del cuerpo de alabe 1.

La figura 8 muestra otro tercer ejemplo de un alabe de multiples materiales de acuerdo con la presente invencion. De nuevo, el cuerpo de alabe 1 consiste en una pluralidad de elementos 2 y canales asociados 3. La figura 9 muestra una placa perforada 7 que forma uno de la pluralidad de elementos 2 de la figura 8. Una pluralidad de placas perforadas 7 se alinean a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe 1, y los canales asociados 3 discurren a traves de todas las placas 7. Para este fin, cada alabe perforado 7 comprende unas perforaciones 9, como se muestra en la figura 8. La placa perforada 7 puede producirse mediante una perforacion, una extrusion o un proceso de prensado o a traves de otras tecnicas de procesamiento de polvo. Los agujeros pueden ser angulares, rectangulares o redondos, o pueden tener cualquier otra forma. El diametro de cada agujero puede optimizarse, y es idealmente de 10 a 150 pm, preferentemente de 15 a 110 pm o mas preferentemente de 20 pm a 85 pm. La distancia entre dos agujeros adyacentes esta preferentemente en un intervalo de 60 pm a 2 mm, mas preferentemente de 80 a 1000 pm, mas preferentemente de 100 pm a 650 pm. Las escalas de longitud dependen del material magneto-calorico, del que se hace cada una de las placas perforadas 7, pero son equivalentes a los requisitos de escala de longitud de los canales asociados 3 descritos en el primer ejemplo. Las placas perforadas 7 se muestran como que son de forma rectangular o cuadrada, pero pueden tener tambien otras formas. Las placas perforadas 7 se muestran de nuevo como placas planas 7, pero, como se describira mas tarde, las placas perforadas 7 tambien pueden presentar una curvatura o un angulo de flexion.

Cuando las placas perforadas 7 se apilan juntas, como se muestra en la figura 8, idealmente sin espaciadores, se usan simplemente para tratar de minimizar la perdida de reflujo. Sin embargo, los espaciadores podrlan usarse si es necesario, para permitir incluso mas apilamiento, y una reduccion de los gradientes de temperatura locales. Preferentemente, cada una de las placas perforadas 7 tiene una muesca de alineacion de tal manera que el montaje del cuerpo de alabe 1 es simple y fiable. Cada placa perforada 7 se hace, de nuevo, de un material magneto-calorico diferente, que puede seleccionarse del mismo grupo de materiales descrito en el primer ejemplo. Los requisitos para seleccionar las temperaturas de Curie de cada uno de la pluralidad de elementos 2 son los mismos que los mencionados anteriormente.

Si las tecnicas de production, como la extrusion o el prensado, con las que se fabrican las placas perforadas 7, funcionan solo para los agujeros mas grandes que los que se usan preferentemente en el alabe de multiples materiales, entonces pueden aplicarse adicionalmente unas inserciones de tubo, con el fin de optimizar el flujo de los fluidos de intercambio a traves de los canales asociados 3. De este modo, puede minimizarse la perdida de HE. La figura 10 muestra unas inserciones de tubo 10 que se insertan en cada uno de la pluralidad de agujeros 9, con el fin de reducir su diametro, y por lo tanto reducir la perdida de HE. Las inserciones de tubo 10 pueden incluso tener diametros diferentes, de tal manera que no todos los canales asociados 3 tienen el mismo diametro. Los tubos 10 se hacen preferentemente de un material con una baja capacidad termica, y una baja conductividad termica (por ejemplo, el vidrio). La conductividad termica de cada uno de la pluralidad de elementos 2, es decir, de cada placa perforada 7 deberla encontrarse en un intervalo de 0,1 W/mK a 10 W/mK, preferentemente de 0,1 W/mK a 5 W/mK, mas preferentemente de 0,1 W/mK a 2 W/mK. Las razones se han descrito anteriormente.

En cada uno de los tubos 10 o en cada uno de los agujeros 9, pueden insertarse los interruptores de simetrla o de flujo 13. Como puede verse en la figura 11, estos interruptores de simetrla 13 actuan como estructuras de mezcla, y pueden, por ejemplo, extenderse longitudinalmente en espirales que discurren a traves de los canales asociados 3. Los interruptores de simetrla 13 soportan la mezcla del fluido de intercambio, cuando se bombea a traves de los canales asociados 3, y ayudan de este modo a reducir la perdida de HE. Los interruptores de simetrla se hacen preferentemente de un material de capacidad termica mas baja, como el plastico, de tal manera que el calor se transfiere en gran parte al fluido de intercambio cuando los materiales magneto-caloricos cambian la temperatura, y de un material de baja conductividad termica, es decir, no mas alta que la conductividad termica del material

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magneto-calorico. Esto es para mantener la conductividad termica total de las placas perforadas 2 lo mas baja posible.

Otra posibilidad para proporcionar una estructura de mezcla que reduzca la perdida de HE son las paredes asperas 11 en el interior de algunos o de cada uno de los agujeros 9 o de las inserciones de tuberla 10, respectivamente. La figura 12 muestra la aspereza de la parte interior de las paredes 11. La aspereza se sintoniza preferentemente para minimizar la perdida de presion y la perdida de HE al mismo tiempo. Debido a las paredes asperas un agujero de mayor diametro 9 o un tubo de pared delgada 10 pueden usarse sin aumentar la perdida de HE. La aspereza puede producirse por ranuras, salientes, dientes, u otros patrones de aspereza.

Una alternativa para reducir la perdida de HE se muestra en la figura 13. El interior de los agujeros 9 o las inserciones de tubo 10 estan provistos de una capa de recubrimiento de deslizamiento. Especlficamente, se aplica una capa hidrofobica a las paredes interiores. Tambien un tubo de vidrio 10 puede insertarse en los agujeros 9. El recubrimiento puede ser una capa de recubrimiento hidrofoba de vidrio convencional. Como se ha descrito anteriormente, la capa de recubrimiento de deslizamiento crea una condicion llmite de deslizamiento entre el fluido de intercambio y la superficie del canal asociado 3, y reduce la perdida de HE de manera significativa. Es posible que algunos agujeros 9 esten provistos solo de unas capas de recubrimiento hidrofobas y que algunos otros agujeros esten provistos tambien de interruptores de simetrla 13 o de paredes asperas. Los interruptores de simetrla 13 son incluso compatibles con las capas de recubrimiento en un unico agujero 9.

El uso de tecnicas de reduccion de perdida de HE puede incluso impulsar un sistema mas eficiente. Como alternativa, para una perdida dada, se permiten unos canales o unos agujeros mas grandes, que pueden ser mas faciles de fabricar.

El alabe de multiples materiales de la presente invencion puede tener tambien una pluralidad de elementos 2 que estan hechos de al menos un elemento electro-calorico 15, que representa un cuarto ejemplo de la presente invencion. La figura 14 muestra un elemento electro-calorico 15. El elemento electro-calorico 15 comprende un material electro-calorico 13 que esta intercalado entre dos electrodos 14, a los que puede aplicarse una tension. La estructura del elemento electro-calorico 15 es, por lo tanto, basicamente una estructura de condensador formado en el material electro-calorico 13. El material electro-calorico es similar al material magneto-calorico, excepto en que el material se somete a un cambio de temperatura AT que esta impulsado por un campo electrico en lugar de un campo magnetico. Cuando se aplica una tension a los dos electrodos, se crea un campo electrico a traves del material electro-calorico, y la temperatura del material 13 cambia. La figura 15 muestra una estructura de condensador multi-capa 16. Esta estructura de condensador multi-capa 16 difiere de la realizacion mostrada en la figura 14 en que utiliza multiples capas de un unico material electro-calorico 13 separadas por multiples electrodos 14. Esta realizacion tiene la ventaja de permitir unas capas mucho mas delgadas de material electro-calorico, y por lo tanto pueden usarse tensiones mas pequenas, o pueden generarse campos electricos de mayor tamano aumentando de este modo AS y AT y mejorando la capacidad de refrigeration.

El elemento electro-calorico 15 o la estructura de condensador multi-capa 16 puede usarse en la forma de las placas 4 de la figura 4, para hacer unas estructuras multi-capa con 3 canales asociados y unos espaciadores 5.

Sin embargo, el elemento electro-calorico 15 y la estructura de condensador multi-capa 16 tambien pueden tener unas perforaciones o unos agujeros, y cada uno forma uno de la pluralidad de elementos 2 que establecen canales asociados a lo largo del cuerpo de alabe como en la figura 8.

Los electrodos 14 pueden ser electrodos de metal, y son preferentemente un 5 % o menos que el espesor del elemento electro-calorico 15.

El alabe de multiples materiales electro-calorico tiene los mismos requisitos para la election de los materiales que los alabes de multiples materiales magneto-caloricos descritos anteriormente. Una temperatura de transition, alrededor de la que hay un cambio en la entropla, deberla seguir la temperatura definida por el gradiente de temperatura a lo largo del alabe en un motor electro-calorico de regeneration activa. En principio, la AT y AS en los materiales electro-caloricos es, en principio, mucho mas grande que en los materiales magneto-caloricos. Esto se debe al hecho de que pueden aplicarse campos electricos mas grandes que los magneticos, especialmente en las estructuras de condensadores multi-capa. La gran AT y AS tambien existe a lo largo de los intervalos de temperatura mas amplios, lo que significa que se necesitan menos materiales a lo largo de la longitud de un AER. No obstante, los principios basicos siguen siendo los mismos que para un AMR.

Como se ha descrito anteriormente de manera breve, las formas de los alabes de multiples materiales se han descrito como que son planas. Sin embargo, las formas curvadas son ventajosas cuando se usan los alabes con un sistema rotatorio, es decir, cuando multiples alabes tienen que empaquetarse y montarse en un clrculo. La figura 16 muestra un elemento 2 que tiene una forma curvada, ya que la pluralidad de placas 4 del elemento 2 se compone de una forma curvada. Por lo tanto, el elemento 2 tiene un diseno evolvente, que proporciona la posibilidad de un embalaje perfecto en un clrculo completo, con una separation de placas constante dentro de cada elemento, como se muestra en la figura 16. Ya que la separacion entre los elementos se mantiene constante, en comparacion con un empaquetado de elementos en forma de cuboides en una geometrla circular, se necesita un volumen de campo un 30 % mas pequeno, ya que la utilization del campo magnetico es mucho mayor. Por lo tanto, pueden usarse unos imanes mas pequenos y menos costosos en el motor de regeneracion activa respectivo. La utilizacion del campo magnetico puede alcanzar hasta el 100 %. Cada elemento todavla puede hacerse de un numero de placas individuales, como las placas apiladas 4 de la figura 4 o las placas perforadas 7 de la figura 9. Las placas curvadas

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pueden fabricarse mediante una extrusion curvada. Tambien para el diseno evolvente de la figura 16, puede aplicarse unas paredes asperas o unas texturas de superficie a cada uno de los canales asociados 3, tambien puede usarse un recubrimiento antideslizante.

Multiples elementos (2) pueden combinarse verticalmente (o radialmente), para crear una estructura de alabe de multiples materiales (1). En general todos los ejemplos pueden usar las caracterlsticas ventajosas y las mejoras de los otros ejemplos. Los ejemplos pueden combinarse tambien entre si.

La figura 17 muestra un ejemplo de como puede fabricarse un alabe de multiples materiales de acuerdo con la presente invencion, en particular con la primera realizacion. En general, un cuerpo de alabe 1 esta formado por una pluralidad de elementos 2, en el que cada uno de la pluralidad de elementos 2 esta hecho de una material magneto- calorico o electro-calorico diferente. La pluralidad de elementos 2 estan dispuestos a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe 1, y los canales asociados 3 se crean de manera que penetran en el cuerpo de alabe 1. Por ultimo, se proporcionan una capa de recubrimiento hidrofoba y opcionalmente una estructura de mezcla a cada uno de los canales asociados 3.

En la figura 17 cada uno de la pluralidad de elementos 2 se forma apilando una pluralidad de placas 4 en la parte superior de cada otra. Cada una de la pluralidad de placas 4 se forma alineando unas sub-placas 16 en un marco 17, aplicando unas tiras y puntos 18 en las sub-placas y cociendo las sub-placas alineadas 16 junto con el marco 17, con el fin de formar las placas 4. A continuacion, las placas 4 se apilan una encima de la otra con unos espacios 5 en el medio, se sujetan o se pegan entre si, por ejemplo a los lados, y opcionalmente se cubren. Por ultimo la pluralidad de elementos 2 se ponen juntos para formar el cuerpo de alabe 1, en el que preferentemente cada pila se hace girar preferentemente 90° con respecto a sus pilas de placas adyacentes.

En resumen, la presente invencion describe el diseno y la fabricacion de unos alabes de multiples materiales usados como regeneradores de regeneracion activa en los motores magneto-caloricos o electro-caloricos de regeneracion activa. Los alabes consisten en una pluralidad de elementos 2 que dividen el cuerpo de alabe a lo largo de su longitud. Cada elemento 2 esta hecho de un material magneto-calorico o electro-calorico diferente, y de una pluralidad de canales asociados 3 que penetran en el cuerpo de alabe 1 y se extienden a lo largo de la longitud del alabe. Los canales asociados 3 pueden estar provistos de unas estructuras de mezcla de fluidos, unas capas de poros o unos recubrimientos hidrofobos para reducir la perdida de HE en un motor de regeneracion activa. Los alabes de multiples materiales pueden obtenerse mediante unas tecnicas de chorro de tinta (o equivalentes) con costes reducidos. Los alabes de multiples materiales puede tener, ademas, una forma curvada para formar un cuerpo de alabe evolvente 1. Todas las medidas pueden mejorar el rendimiento de los motores magneto-caloricos o electro-caloricos de regeneracion activa, y colocar las bases para las soluciones comerciales.

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   REIVINDICACIONES

   1. Alabe de multiples materiales para su uso en un motor magneto-calorico o electro-calorico de regeneracion activa, siendo el alabe una pila de una pluralidad de elementos (2) y que comprende

   un cuerpo de alabe (1) fabricado a partir de la pluralidad de elementos (2), que estan fabricados de diferentes materiales magneto-caloricos o electro-caloricos, en el que el cuerpo de alabe (1) se divide a lo largo de su longitud en dicha pluralidad de elementos (2);

   una pluralidad de canales asociados (3), que penetran en el cuerpo de alabe (1) y se extienden a lo largo de la longitud del alabe, en el que cada uno de la pluralidad de canales asociados (3) esta provisto de una capa de recubrimiento hidrofoba (12), y se proporciona una capa de vidrio o de plastico por debajo de la capa de recubrimiento hidrofoba.
2. 2. Alabe de multiples materiales de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que

   cada uno de la pluralidad de elementos (2) tiene una conductividad termica en un intervalo de 0,1 W/mK a 5 W/mK, preferentemente de 0,1 W/mK a 2 W/mK.
3. 3. Alabe de multiples materiales de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que

   dicha pluralidad de elementos (2) estan disenados y dispuestos de tal manera que la temperatura de Curie de los materiales traza un gradiente de temperatura establecido a lo largo del cuerpo de alabe (1) en un motor magneto- calorico de regeneracion activa.
4. 4. Alabe de multiples materiales de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que cada uno de la pluralidad de elementos (2) esta formado por una placa perforada (7), en la que

   una pluralidad de perforaciones (9) en las placas perforadas (7) forman la pluralidad de canales asociados (3).
5. 5. Alabe de multiples materiales de acuerdo con la reivindicacion 4, en el que

   la pluralidad de perforaciones son una pluralidad de agujeros redondos y/o angulares (9), en el que un diametro o anchura de cada uno de la pluralidad de agujeros (9) esta en un intervalo de 10 pm a 150 pm, preferentemente de 20 pm a 85 pm, y una distancia entre unos agujeros adyacentes de la pluralidad de agujeros (9) esta en un intervalo de 60 pm a 2 mm, preferentemente de 100 pm a 650 pm.
6. 6. Alabe de multiples materiales de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 5, en el que

   un interruptor de simetrla (13) se inserta como una estructura de mezcla de fluidos en cada uno de la pluralidad de agujeros (9) y/o

   una pared interior de cada uno de la pluralidad de agujeros (9) tiene una superficie aspera (11) que sirve como una estructura de mezcla de fluidos y/o la pared interior de cada uno de la pluralidad de agujeros (9) esta provista de la capa de recubrimiento hidrofoba (12).
7. 7. Metodo para fabricar un alabe de multiples materiales para su uso en un motor magneto-calorico o electro-calorico de regeneracion activa, siendo el alabe una pila de una pluralidad de elementos (2), en el que el metodo comprende las etapas de

   formar un cuerpo de alabe (1) a partir de la pluralidad de elementos (2), que estan fabricados de diferentes materiales magneto-caloricos o electro-caloricos, en el que la pluralidad de elementos (2) estan dispuestos a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe (1);

   formar una pluralidad de canales asociados (3), que penetran en el cuerpo de alabe (1) y se extienden a lo largo de la longitud del cuerpo de alabe (1);

   proporcionar a cada uno de la pluralidad de canales asociados (3) una capa de recubrimiento hidrofoba (12), en el que se proporciona una capa de vidrio o de plastico por debajo de la capa de recubrimiento hidrofoba.