MX2014000602A - Sistema y m,etodo para revertir la degradacion de un material magnetocalorico. - Google Patents

Abstract

Un método incluye identificar al menos una degradación parcial de un material magnetocalórico en un sistema de enfriamiento magnético, en donde el material magnetocalórico tiene una temperatura Curie. El método también incluye regenerar el material magnetocalórico al mantener el material magnetocalórico a una temperatura de regeneración, en donde la temperatura de regeneración es diferente de la temperatura Curie del material magnetocalórico.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA REVERTIR LA DEGRADACIÓN DE UN MATERIAL MAGNETOCALÓRICO CAMPO DE LA INVENCIÓN La siguiente descripción se proporciona para ayudar a comprender al lector. Nada de la información proporcionada o las referencias citadas se admite para ser la técnica anterior .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La fuerte interacción de un material ferromagnético, tal como hierro, con un campo magnético aplicado se deriva de la capacidad de los espines atómicos en la estructura del material para alinearse coherentemente por si mismo con el campo aplicado. Por encima de una cierta temperatura, que es característica del material magnético y denominada la temperatura Curie, la agitación térmica evita esta alineación coherente de espines, y la interacción con el campo aplicado se torna muy débil. Por encima de la temperatura Curie, es paramagnética, en lugar de ferromagnética . Cerca de la temperatura Curie, la alineación coherente de los espines atómicos en un campo aplicado da por resultado en una disminución en la entropía magnética del material. Si el material se aisla térmicamente, de tal forma que se conserve su entropía total, esta disminución en su entropía magnética se compensa mediante un aumento en su entropía térmica, y aumenta su temperatura. Este aumento en la temperatura con la exposición a un campo magnético se conoce como el efecto magnetocalorico. Cuando el campo aplicado se retira, la entropía magnética aumenta y la entropía térmica disminuye, disminuyendo la temperatura del material .

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Un método ilustrativo incluye identificar al menos una degradación parcial de un material magnetocalorico en un sistema de enfriamiento magnético, en donde el material magnetocalorico tiene una temperatura Curie. El método también incluye regenerar el material magnetocalorico al mantener el material magnetocalorico a una temperatura de regeneración, en donde la temperatura de regeneración es diferente de la temperatura Curie del material magnetocalorico .

Otro método ilustrativo incluye formar al menos un lecho de un sistema de enfriamiento magnético, en donde al menos un lecho incluye un material magnetocalorico, en donde el material magnetocalorico tiene una temperatura Curie, y en donde se configura un fluido para transferencia de calor para transferir calor hacia o desde el material magnetocalorico en al menos un lecho. El método también incluye formar al menos una válvula del sistema de enfriamiento magnético para controlar un flujo del fluido para transferencia de calor a través de al menos un lecho y ya sea un calentador o un intercambiador térmico, en donde el flujo del fluido para transferencia de calor entre al menos un lecho y el calentador regenera el material magnetocalorico al mantener el material magnetocalorico a una regeneración de temperatura, y en donde la temperatura de regeneración es diferente de la temperatura Curie del material magnetocalorico .

Un aparato ilustrativo incluye un fluido para transferencia de calor y un lecho que comprende un material magnetocalorico que tiene una temperatura Curie. El lecho se configura para permitir que el fluido para transferencia de calor transfiera calor hacia o desde el material magnetocalorico. El aparato también incluye un calentador configurado para mantener el material magnetocalorico a una temperatura de regeneración durante una cantidad de tiempo para regenerar el material magnetocalorico, en donde la temperatura de regeneración es diferente de la temperatura Curie del material magnetocalorico.

Un sistema ilustrativo incluye un primer subsistema y un segundo subsistema. El primer subsistema incluye un primer fluido para transferencia de calor y un primer lecho que tiene un primer material magnetocalórico, en donde el primer material magnetocalórico tiene una primera temperatura Curie. El primer subsistema también incluye una primera válvula configurada para controlar si el primer subsistema funciona en el modo de regeneración o el modo de enfriamiento. El segundo subsistema incluye un segundo fluido para transferencia de calor y una segundo lecho que tiene un segundo material magnetocalórico, en donde el segundo material magnetocalórico tiene una segunda temperatura Curie. El segundo subsistema también incluye una segunda válvula configurado para controlar si el segundo subsistema opera en modo de regeneración o el modo de enfriamiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las anteriores y otras características de la presente descripción se harán evidentes de manera más completa para usos de la siguiente descripción y reivindicaciones anexas, tomadas junto con los dibujos acompañantes. Se debe entender que estos dibujos representan sólo las diversas modalidades de acuerdo con la descripción y por lo tanto, no se considerará que sean limitantes de su alcance, la exposición se describirá con especificidad y detalle adicionales a través del uso de los dibujos acompañantes .

La figura 1, es un diagrama que ilustra el efecto magnetocalórico en gadolinio (Gd) de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 2, es un diagrama que ilustra las etapas de un ciclo regenerador magnético activo de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 3, ilustra una comparación entre el cambio de entropía isotérmica en un campo Tesla 1.0 (panel izquierdo) y la capacidad calorífica (panel derecho) de LaFeSiH y Gd de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 4, ilustra temperaturas mínimas y máximas del fluido durante el ciclo de refrigeración como funciones de la posición en un lecho de refrigeración magnética de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 5, es un diagrama que ilustra el desempeño de un prototipo de refrigeración magnética con lechos LaFeSiH de 5 capas en comparación con un prototipo de refrigeración magnética con lechos Gd de una sola capa de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 6, ilustra una traza de calorimetría diferencial de barrido (DSC) de una muestra prístina de LaFeSiH de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 7, presenta la traza de DSC del mismo material en la figura 6 después de ser mantenido cerca de su temperatura Curie durante un año, de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 8, es un diagrama que ilustra la recuperación de LaFeSiH separado por edad mediante una exposición a temperaturas elevadas de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 9, es un diagrama que ilustra la recuperación de LaFeSiH separado por edad mediante la exposición a una temperatura disminuida de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 10, es un diagrama de un refrigerador de tipo regenerador magnético activo que funciona en el modo de enfriamiento de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 11, es un diagrama de un refrigerador de tipo regenerador magnético activo que opera en el modo de recuperación de acuerdo con una modalidad ilustrativa.

La figura 12, es un diagrama de un sistema de enfriamiento con regenerador magnético activo con dos subsistemas de etapa dual, de acuerdo con una primera modalidad ilustrativa.

La figura 13, es un diagrama de un sistema de enfriamiento con regenerador magnético activo con dos subsistemas de etapa dual, de acuerdo con una segunda modalidad ilustrativa.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En la siguiente descripción detallada, se hace referencia a los dibujos acompañantes, que forman parte de la misma. En los dibujos, símbolos similares identifican típicamente componentes similares, a menos que el contexto lo dicte de otra manera. Las modalidades ilustrativas descritas en la descripción detallada, dibujos y reivindicaciones no significa que sean limitantes. Se pueden utilizar otras modalidades y se pueden realizar otros cambios, sin apartarse del espíritu o alcance de la materia presentada en la misma. Se entenderá fácilmente que los aspectos de la presente descripción, como se describen en general en la presente, y se ilustran en las figuras, se pueden disponer, sustituir, combinar, y designar en una amplia variedad de diferentes configuraciones, todas se contemplan explícitamente y forman parte de esta descripción.

Un refrigerador magnético (MR) utiliza el efecto magnetocalórico para bombear calor hacia fuera de un sistema de enfriamiento y deja que escape ese calor hacia un entorno más caliente. El efecto magnetocalórico se refiere al aumento de temperatura de un material con exposición a un campo magnético. Cuando se retira el campo aplicado, la entropía magnética aumenta y disminuye la entropía térmica, disminuyendo la temperatura del material. Este cambio de temperatura se muestra en la figura 1 para gadolinio (Gd) , que es un material magnetocalorico con una temperatura Curie de aproximadamente 15.55°C (60°F). Con este material inicialmente a una temperatura de 15.55°C (60°F), la aplicación de un campo de 2-Tesla, por ejemplo, provocará un aumento de temperatura de -12.22°C (10°F) . El cambio de temperatura aumenta mientras que se aumenta la resistencia del campo aplicado.

Los sistemas modernos de MR para temperatura ambiente pueden emplear un ciclo regenerador magnético activo (AMR) para realizar el enfriamiento. Una implementación primaria del ciclo de AMR se puede encontrar en la patente de los Estados Unidos No. 4,332,135, la descripción total de la misma se incorpora en la presente como referencia. En una modalidad, el ciclo de AMR tiene cuatro etapas, como se muestra esquemáticamente en la figura 2. El sistema MR en la figura 2 incluye un lecho poroso de material magnetocalorico (MCM) y un fluido para transferencia de calor, que intercambia calor con el MCM mientras que fluye a través del lecho. En la figura, el lado izquierdo del lecho es el lado frío, mientras que el lado caliente está en el lado derecho.

En modalidades alternativas, los lados caliente y frió se pueden invertir. El tiempo y dirección (caliente a frió o frió a caliente) del flujo de fluido se coordina con la aplicación y retiro de un campo magnético.

En la primera etapa del ciclo ("magnetización") , mientras que el fluido en el lecho está estancado, se aplica un campo magnético al MCM, provocando que se caliente. En la segunda etapa del ciclo ("flujo frío a caliente") , el campo magnético sobre el lecho se mantiene, y según vea el fluido a una temperatura fija TCi (la temperatura de entrada de frió) a través del lecho desde el lado frió hacia el lado caliente. El fluido impulsa el calor desde cada sección del lecho, enfriando el lecho y calentando el fluido mientras pasa hacia la siguiente sección de lecho, donde el proceso sigue a una mayor temperatura. El fluido con el tiempo alcanza la temperatura THo (la temperatura de salida de calor) , donde sale al lecho. Típicamente, este fluido se hace circular a través de un intercambiador térmico de lado caliente, donde escapa su calor hacia el medio ambiente. En la tercera etapa ("desmagnetización") , el flujo de fluido se termina y se retira el campo magnético. Esto provoca que el lecho se enfríe adicionalmente . En la etapa final del ciclo ("flujo caliente a frió"), el fluido a una temperatura fija THi (la temperatura de entrada de calor) se bombea a través del lecho desde el lado caliente hacia el lado frió en ausencia continua del campo magnético. El fluido se enfria mientras pasa a través de cada sección del lecho, alcanzando una temperatura TCo (la temperatura de salida de frió) , que es la temperatura más fria alcanzada por el fluido en el ciclo. Típicamente, este fluido más frío se hace circular a través de un intercambiador térmico del lado frío, donde recolecta el calor proveniente del sistema refrigerado, permitiendo que este sistema mantenga su temperatura fría.

El tiempo que lleva completar la ejecución de las cuatro etapas del ciclo de AMR se denomina el tiempo de ciclo, y su inverso se conoce como la frecuencia de ciclo. El "intervalo de temperatura" del sistema MR se define como THi~ TCi, que es la diferencia en las temperaturas del fluido de entrada. El ciclo de AMR es análogo a un simple ciclo para compresión de vapor, donde la compresión del gas (que provoca que el gas caliente) desempeña la función de magnetización, y donde la expansión libre del gas (que disminuye la temperatura del gas) desempeña la función de desmagnetización. Aunque la figura 2 ilustra la operación de un sistema MR de un solo lecho, en modalidades alternativas, múltiples lechos, cada uno experimentando el mismo ciclo de AMR, se pueden combinar en un sistema único para aumentar la potencia de enfriamiento, reducir el tamaño del sistema, o de otra manera mejorar la implementacion del ciclo de AMR.

Típicamente, un campo magnético de 1-2 Tesla se utiliza para explotar efectivamente el efecto magnetocalórico para la refrigeración. Este campo por lo general proporcionado por una unidad de imanes NdFeB poderosos. La magnetización remanente de mayor grado de imanes NdFeB es de aproximadamente 1.5 Tesla. El uso de un campo más fuerte que este podría mejorar en el desempeño del MR, aunque para alcanzar los campos en exceso de la magnetización remanente, se requiere un mayor aumento (y potencialmente prohibitivo) en el tamaño y peso del imán. De esta forma, 1.5 Tesla es la resistencia de campo que proporciona un equilibrio aproximadamente óptimo entre el tamaño y desempeño del sistema de MR. Mientras que mejora la tecnología permanente de imanes, se pueden obtener imanes con mayores magnetizaciones remanentes que 1.5 Tesla. En este caso, por consiguiente aumentará la resistencia de campo óptima de un sistema MR.

La unidad de imanes permanentes en general es el componente más costoso en el MR. Para hacer el mejor uso de este recurso costoso, el material magnetocalórico utilizado en el MR deberá poseer el mayor efecto magnetocalórico posible. Este material también deberá evitar el uso de cualesquiera constituyentes tóxicos, reactivos, o raros (y por lo tanto costosos) . La consideración anterior descarta el uso comercial de Gd, por ejemplo, que es no tóxico, inerte, y económico, pero tiene un débil efecto magnetocalórico . Los sistemas MR que emplean Gd, u otros materiales de resistencia magnetocalórica comparable, podrían ser demasiado grandes para utilidad comercial. El hidruro de lantano hierro silicio (LaFeSiH) es uno de los materiales magnetocalóricos más prometedores para utilizarse en sistemas MR comerciales. Una descripción de LaFeSiH se puede encontrar en un artículo de Fujita et al. titulado "Itinerant-electron metamagnetic transition and large magnetocaloric effects in La ( FexSii_x) 13 compounds and their hydrides," Physical Review B 67 (2003), la descripción total del mismo se incorpora como referencia en el presente. Este material tiene un fuerte efecto magnetocalórico. La figura 3, por ejemplo, muestra las dos medidas más importantes de resistencia magnetocalórica, el cambio de entropía isotérmica (panel izquierdo) en un campo 1.0 Tesla y la capacidad calórica (panel derecho) de LaFeSiH. Para comparación, también se muestran las mismas propiedades para Gd. Debido a su resistencia magnetocalórica mejorada en gran medida, los sistemas MR que emplean LaFeSiH pueden ser mucho más compactos que un sistema que emplea Gd. Aunque LaFeSiH tiene el metal de tierras raras La (lantano) como un constituyente, sigue siendo económico ya que el La es uno de los elementos más abundantes de éstos.

En la mayoría de aplicaciones para enfriamiento, el intervalo de temperatura, será sustancial, típicamente aproximadamente 30°C, 12.22°C (54°F) o mayor. Aunque el intervalo general soportado por un sistema MR puede ser grande, la temperatura de una sección axial determinada de un lecho en el sistema permanecerá dentro de una variación relativamente estrecha durante el ciclo de refrigeración. La figura 4, por ejemplo, muestra las temperaturas mínimas y máximas teóricas del fluido durante el ciclo de refrigeración como una función de la posición axial en el lecho para un sistema MR particular diseñado como un acondicionador de aire residencial. Para este caso, aunque el intervalo de temperatura general es 37 °C, cada posición axial en el lecho experimenta una variación de temperatura de sólo ± 2°C aproximadamente su valor medio. Si el lecho está compuesto de un solo material magnetocalórico, por lo tanto algunas regiones del mismo estarán a temperaturas más allá de su temperatura Curie. Estas regiones del lecho experimentarán poco cambio de entropía y tendrán baja capacidad calórica (véase la figura 3). Estas regiones se comportarán de manera más similar como regeneradores pasivos y contribuirán poco a la potencia de enfriamiento del sistema. Este uso ineficiente del volumen del lecho se puede sortear a través del uso de lechos estatificados, que mejorarán en gran medida el desempeño de un sistema MR. En un lecho estatificado, cada capa contiene una material magnetocalórico con temperatura Curie que coincide con la temperatura promedio de esa capa durante el ciclo. Al seleccionar las temperaturas Curie de los materiales de capa de esta forma, cada capa tendrá un fuerte cambio de entropía durante el ciclo y una mayor capacidad calórica. Por lo tanto, todas las capas contribuirán activamente durante el ciclo de refrigeración, mejorando en gran medida el desempeño general del sistema. Además de tener un fuerte efecto magnetocalórico, la temperatura Curie de LaFeSiH se puede controlar fácilmente entre ± 60 °C (la variación de interés para los sistemas MR de temperatura ambiente) al variar el contenido de hidrógeno (H) , haciéndolo ideal para utilizarse en un lecho estratificado .

Las ventajas asociadas con el uso de lechos estratificados de LaFeSiH se demuestran en la figura 5, la cual muestra la potencia de enfriamiento medida de un sistema MR prototipo como una función del intervalo de temperatura con lechos formados de 5 capas de LaFeSiH. En modalidades alternativas, se pueden utilizar menos o más capas. Por comparación, la figura también muestra el desempeño de lechos idénticos con una sola capa de Gd bajo las mismas condiciones de funcionamiento. A un intervalo de temperatura de 13°C, por ejemplo, los lechos de LaFeSiH estatificados proporcionan más de tres veces la potencia de enfriamiento de los lechos de Gd.

Aunque LaFeSiH parece ser un material ideal para utilizarse en un MR, sus propiedades no son estables. Se ha mostrado que este material experimenta un deterioro gradual de su resistencia magnetocalórica cuando se almacena a una temperatura muy cerca de su punto Curie, como se describe en un articulo de A. Barcza et al. titulado "Stability and magnetocaloric properties of sintered La ( Fe, Mn, Si ) 13Hz alloys", presentado en la IEEE International Magnetics Conference (Taipei, Taiwan) 2011, sesión ED-07 (en lo sucesivo "A. Barcza et al."), la descripción total del mismo se incorpora como referencia en la presente. Este deterioro se observa más fácilmente en la calorimetría diferencial de barrido (DSC). La figura 6, lustra la traza de DSC de una muestra prístina de LaFeSiH, que tiene un pico acentuado, único. La figura también ilustra el ancho del pico en la traza de DSC. Para comparación, la figura 7 muestra la traza de DSC de la misma muestra después de que se haya mantenido cerca de su temperatura Curie durante un año. Cuando se mantienen a una temperatura cercana a su temperatura Curie, la traza de DSC muestra que cambio de fase ferromagnética a paramagnética aumenta el ensancho y disminuye en altura. Con el tiempo, la transición inicialmente grande y acentuada de este material se dividirá en dos picos amplios, superficiales ("división por edad"), como se ilustra en la figura 7 y en A. Barcza et al. La división por edad de la traza de DSC se lleva a cabo mediante una reducción en el cambio de entropía del material, según se mide mediante magnetometría y también se ilustra en A. Barcza et al. La velocidad a la cual se presenta la división depende de la temperatura. Para LaFeSiH con un punto Curie de 2°C almacenado a 2°C, la ampliación significativa del pico lleva 10 días, y la división lleva aproximadamente 60 días para formarse. Para el material LaFeSiH con un punto Curie de 20 °C almacenado a 20 °C, un pico de división se desarrolla en aproximadamente 10 días. Para el material con un punto Curie 32°C almacenado a 32°C, un pico de división se desarrolla en aproximadamente 5 días.

El proceso de envejecimiento para LaFeSiH parece no depender del método de síntesis, siempre y cuando el contenido de hidrógeno sea menor de 1.5 para la fórmula unitaria. El proceso para división por edad se observó en el material que se fundió mediante arco, luego se recoció durante varias semanas para formar la fase 1-13, luego se trató con hidruro. El proceso para división por edad también se observa en un material que se solidificó rápidamente mediante hilado de fusión o atomización, y luego se recoció durante unas cuantas horas o menos para formar la fase 1-13, y luego se trató con hidruro. El proceso de envejecimiento se observó en diferentes muestras de LaFeSiH con composiciones ligeramente diferentes, tales como Lai.29 (Feo.88Sio.12) 13 Hy y Lai.2 (Feo.888Sio.112) 13 Hy. El proceso de envejecimiento también se observó en una muestra de Pr0.6^^0.6 (Feo.sssSio.112) 13 Hy, donde el Pr se sustituyó por algo del La para aumentar la resistencia magnetocalórica . De esta forma, el proceso de división por edad en general se presenta en materiales magnetocalóricos de la forma RE (TMxSii_x) i3Hy material (donde RE representa un elemento de tierras raras tal como La, Ce, Pr, o Nd, y TM representa un metal de transición tal como Fe, Cr, Mn, o Ni, x <0.15, y y <10.5). En una modalidad ilustrativa, el valor de y puede ser entre aproximadamente 0.8 y 1.5. Alternativamente, se puede utilizar una variación diferente de valores y. Como se analiza en la presente, se pueden utilizar diferentes valores de y para generar materiales magnetocalóricos que tengan diferentes temperaturas Curie.

Cuando se utiliza en un sistema de MR, el material magnetocalórico inevitablemente estará expuesto a temperaturas cercanas a su temperatura Curie. De hecho, en un lecho estratificado, el material en una capa se selecciona para que tenga una temperatura Curie igual a la temperatura promedio observada por esta capa durante el ciclo MR. De esta forma, si se utiliza LaFeSiH parcialmente hidrogenado, o de manera más general RE (TMxSii-x) i3Hy, en un sistema MR, sus propiedades magnetocalóricas se degradarán a través del tiempo. A pesar de sus ventajas significativas sobre otros materiales magnetocalóricos, esta degradación en las propiedades magnetocalóricas del material RE (TMxSii_x) i3Hy parcialmente hidrogenado y podría excluir potencialmente su uso en un sistema MR comercial.

Los solicitantes han descubierto que cuando el material RE (TMxSii-x) i3Hy degradado posteriormente se calienta a una temperatura lejos de (por ejemplo, ya sea una temperatura mayor o una menor) de su punto Curie, el proceso de degradación se invierte y, con el tiempo, las propiedades del material regresan a su condición inicial. Además, los solicitantes han encontrado que la recuperación del material prosigue más rápidamente a mayores temperaturas, como se muestra en la figura 8. El material (es decir, LaFeSiH) con una temperatura Curie de 26.7°C se dejó separar por edad mediante almacenamiento a su temperatura durante un año, hasta que el ancho de la transición magnética según se mide mediante DSC alcanzó 14 °C. La transmisión magnética original, según se mide mediante DSC fue 2.1°C. El material degradado luego se expuso a diferentes temperaturas como se muestra en la figura (es decir, 38.5°C, 44°C, 60°C, y 100°C). La exposición a 44 °C durante aproximadamente 6 dias fue suficiente para restaurar completamente el material a su condición inicial, y la exposición a 60°C durante aproximadamente 3 dias fue suficiente para restaurar completamente el material a su condición inicial. La exposición a 100 °C durante menos de 1 dia fue suficiente para obtener una reversión completa de la división por edad. Los solicitantes también han encontrado que la degradación de división por edad de Pro.sLao.s ( Fei-xSix) i3Hy también es reversible completamente mediante este tratamiento con calor. La recuperación de la transición magnética acentuada original de LaFeSiHS dividido por edad, también se obtuvo mediante una exposición a una temperatura disminuida, aunque el proceso prosigue más lentamente, como se muestra en la figura 9. El material LaFeSiH inicialmente tuvo una transición magnética amplia de 1.2°C, que se habla aumentado a 4.4°C después de un mantenimiento de 6 dias cerca de su punto Curie de 37 °C. La recuperación se obtuvo al mantener el material a 5°C. La recuperación fue completa después de 100 dias. En una modalidad ilustrativa, la temperatura de regeneración utilizada para recuperar el material magnetocalórico puede ser menor de una temperatura máxima a la cual el hidrógeno pueda comenzar a dejar el material magnetocalorico. La temperatura máxima es de aproximadamente 180 °C.

Debido a que la degradación de división por edad se puede revertir completamente de una forma relativamente simple, se pueden utilizar materiales RE (TMxSii_x) i3Hy en sistemas MR modificados adecuadamente, lo cual forma la base para la materia descrita en el presente. En el modo de funcionamiento usual de un sistema MR con lechos estratificados de material magnetocalorico, las capas de material permanecerán cercanas a sus temperaturas Curie respectivas, lo cual provocará el deterioro del material magnetocalorico. Además, cuando el sistema no está en funcionamiento, la porción del material magnetocalorico con el punto Curie cercano a la temperatura ambiente también se puede deteriorar. Como tal, los solicitantes han desarrollado un sistema MR modificado que se configura para mantener las capas de material magnetocalorico a una temperatura que difiera de la temperatura Curie del material magnetocalorico para revertir cualquier degradación de división por edad que se pudiera haber presentado y recuperar su efecto magnetocalorico total. La temperatura a la cual se mantiene el material magnetocalorico, que puede ser mayor o menor que la temperatura Curie del material magnetocalorico, puede diferir de la temperatura Curie en 10°C, 25°C, 50°C, 100°C, etc., dependiendo de la velocidad de recuperación deseada, la capacidad del sistema, etc. En una modalidad ilustrativa, la temperatura a la cual se mantiene el material magnetocalórico puede diferir de la temperatura Curie en aproximadamente 10°C.

En una modalidad ilustrativa, un sistema MR emplea RE (TMxSii-x) i3Hy como el material magnetocalórico y tiene un elemento de calentamiento vertical en el sistema de flujo. Cuando el sistema MR de otra manera podría estar en reposo (por ejemplo, un acondicionador de aire residencial en la noche) , se puede activar el elemento de calentamiento. El sistema MR entonces podría hacer circular el fluido caliente a través del material magnetocalórico, revirtiendo completamente cualquier división por edad que se pudiera haber presentado debido al último tratamiento de alta temperatura .

En el caso particular de un sistema MR que normalmente absorbe calor hacia un intercambiador térmico frío (CHEX) y deja escapar el calor hacia un intercambiador térmico caliente (HHEX) , un calentador puede estar vertical en paralelo con el intercambiador térmico frío. En el modo de enfriamiento normal, el flujo se dirige a través del CHEX y el HHEX, como se muestra en la figura 10. Como se ilustra en la figura 10, un refrigerador tipo AMR está funcionando en el modo de enfriamiento, incluyendo uno o más lechos desmagnetizados proporcionando enfriamiento hacia un intercambiador térmico frió en contacto térmico con la carga que será enfriada. Uno o más lechos magnetizados están rechazando calor hacia un intercambiador térmico caliente. En una modalidad, cada lecho comprende capas de RE (TMxSii_x) i3Hy con puntos Curie que varían aproximadamente de Tc hasta T¾, donde Th > Tc.

La figura 11, ilustra un refrigerador tipo AMR funcionando en el modo de recuperación. En una modalidad, un calentador en serie con los lechos calienta los lechos a más de 10 °C por encima del punto Curie mayor de los material en los lechos, y se desvían los intercambiadores térmicos. Cuando se inicia el modo de recuperación, una válvula desvía el flujo lejos del intercambiador térmico frío y redirige el flujo hacia el calentador, como se muestra en la figura 11 como se analizará con mayor detalle más adelante. Se puede agregar una segunda válvula para desviar el flujo lejos del intercambiador térmico caliente cuando está en el modo de recuperación (también véase la figura 11) . Estas dos válvulas se aislan térmicamente del sistema MR de tal forma que se pueda calentar a una temperatura de aproximadamente 10 °C mayor que el punto Curie de todos los materiales magnetocalóricos en el sistema utilizando una cantidad relativamente pequeña de potencia de calentamiento. Si ya sea el movimiento del imán o el fluido fluye inversión se suspende durante el modo de recuperación, la operación del ciclo AMR se suspende, lo cual reduce la cantidad de potencia de calor requerida para mantenerse en el modo de recuperación. Debido a que el movimiento del imán y el flujo de fluido inverso utilizan energía eléctrica adicional, suspender estas operaciones también reduce la cantidad de electricidad consumida por el sistema mientras que está en el modo de recuperación.

En una modalidad alternativa, además de tener un elemento de calentamiento, un sistema de enfriamiento puede incluir dos subsistemas MR independientes. El primer subsistema MR puede proporcionar enfriamiento al igual que en la figura 10, mientras que simultáneamente los lechos del segundo subsistema experimentan tratamiento por calor como en la figura 11, para revertir la división por edad. Después de una cierta duración durante estas condiciones de funcionamiento (por ejemplo, 1 hora, 2 horas, 4 horas, 12 horas, etc.), los subsistemas MR se pueden desviar, con el segundo subsistema proporcionando enfriamiento, y el primer subsistema que experimenta tratamiento por calor. Bajo períodos de demanda de enfriamiento pico, ambos subsistemas MR podrían proporcionar potencia de enfriamiento. En otra modalidad alternativa, el sistema puede incorporar más de dos subsistemas, con algunos subsistemas que proporcionan potencia de enfriamiento, mientras que los subsistemas restantes experimentan tratamiento por calor.

En otra modalidad alternativa, el sistema de enfriamiento puede tener dos etapas, con cada etapa que contiene lechos AMR estratificados. La etapa de enfriamiento puede tener temperaturas Curie que varían de Tc hasta Tm, mientras que la etapa de calentamiento puede tener temperaturas Curie que varían de Tm hasta Th, donde Th > Tm > Tc. En una implementación para acondicionador de aire, Tc puede tener un valor de 10 °C, Tm puede tener un valor de 25°C, y Tn puede tener un valor de 40°C. En modalidades y/o implementaciones alternativas, se pueden utilizar diferentes valores de temperatura. Cuando se desea la recuperación del material magnetocalórico de etapa de calentamiento, la etapa de enfriamiento puede funcionar en modo de enf iamiento, generando una corriente de fluido de salida fría con una temperatura cerca a Tc. Este fluido frío, en lugar de fluir a través del intercambiador térmico del lado frío, se puede dirigir a través de la etapa de calentamiento para llevar la temperatura de etapa de calentamiento cerca de Tc. Debido a que la Tc está muy por debajo de todas las temperaturas Curie en la etapa de calentamiento, la exposición a esta temperatura podría revertir cualquier división por edad en la etapa de calentamiento. Similarmente, cuando se desea la recuperación del material magnetocalórico de etapa fría, la etapa de calentamiento puede operar en el modo de enfriamiento y por lo tanto puede generar una corriente de fluido de salida caliente con una temperatura de cerca a Th. Este fluido caliente, en lugar de fluir a través del intercambiador térmico del costado caliente, se puede dirigir a través de la etapa de enfriamiento, llevando su temperatura a aproximadamente Th. Debido a que esta temperatura está muy por encima de todas las temperaturas Curie en la etapa de enfriamiento, la exposición a esta temperatura podría revertir cualquier división por edad del material de etapa de enfriamiento .

En otra modalidad alternativa, el sistema puede incluir dos subsistemas MR independientes, con cada subsistema que tiene dos etapas, una etapa de calentamiento y una etapa de enfriamiento como en la modalidad descrita anteriormente. Cuando se desea una potencia máxima de enfriamiento, ambos subsistemas se pueden correr en paralelo, con cada uno proporcionando enfriamiento, como se muestra en la figura 12. En la figura 12, las etapas se conectan a la bomba y HEX de calor tienen LaFeSiH como el material magnetocalórico con puntos Curie que varían de Th hasta Tm.

Las etapas conectadas al HEX frió tienen LaFeSiH MCM con puntos Curie que varían de Tm hasta Tc. En una modalidad ilustrativa, el MCM con punto Curie a Tm está en el extremo del lecho que está conectado a otro lecho. Cuando se necesita menos potencia de enfriamiento, un subsistema se podría correr en el modo de enfriamiento, mientras que el otro subsistema se podría correr en el modo de recuperación para restaurar el desempeño de un material magnetocalórico como se muestra en la figura 13. En esta figura, el subsistema inferior está proporcionando potencia de enf iamiento, mientras que el subsistema superior está en modo de recuperación. Al menos una porción de la corriente de fluido de salida fría que emerge de los lechos desmagnetizados del subsistema inferior se desvía en los lechos de etapa de calentamiento del subsistema superior. Simultáneamente, parte de la corriente de fluido de salida de calor de los lechos magnetizados del subsistema inferior se desvía hacia los lechos de etapa de enfriamiento del subsistema superior. Esta modalidad también se puede modificar para incorporar más de dos subsistemas, con algunos subsistemas que proporcionan potencia de enfriamiento, mientras que los subsistemas restantes experimentan tratamiento con calor. Cada subsistema en este caso generalizado podría tener dos etapas como se describió anteriormente.

En otra modalidad alternativa, los lechos posiblemente múltiples de un sistema de refrigeración magnética se pueden diseñar para gue se puedan retirar y reemplazar fácilmente del sistema. Los lechos que se hayan degradado a partir de la división por edad luego se pueden retirar y volver a colocar con lechos prístinos. En un dispositivo por separado que puede estar físicamente remoto del sistema de refrigeración magnética, los lechos degradados se pueden regresar a la condición prístina a través de la exposición a temperaturas suficientemente lejanas de la temperatura Curie de todas las capas que contengan. Este dispositivo, por ejemplo, podría ser un bucle de flujo simple con un calentador, capaz de hacer circular fluido a una temperatura elevada a través de los lechos degradados, o un horno para mantener los lechos a una temperatura elevada. Una vez restaurados a la condición prístina, estos lechos luego se pueden volver a instalar en el sistema de refrigeración magnética .

Cualquiera de las operaciones descritas en la presente se pueden realizar mediante un sistema de cómputo que incluye un procesador, una memoria, un transmisor, un receptor, una pantalla, una interfaz de usuario, y/o cualesquiera otros componentes de computadora conocidos por aquellos expertos en la técnica. Se puede utilizar cualquier tipo del sistema de computación conocido por aquellos expertos en la técnica. En una modalidad, cualquiera de las operaciones descritas en la presente se puede codificar en instrucciones que se almacenan en un medio legible por computadora. Un sistema de computación se puede utilizar para ejecutar las instrucciones de tal forma que se realicen las operaciones .

E emplos : Para verificar el efecto del desempeño del refrigerador magnético de la degradación de división por edad, y para verificar que el tratamiento de temperatura elevadas fue efectivo para revertir esta degradación, los lechos de un refrigerador magnético se empacaron con cinco capas de material La ( Feo.885Sio.115) Hy, con cada capa teniendo un valor diferente de y y, por tanto, un punto Curie diferente. Los puntos Curie de las capas fueron inicialmente 8°C, 11°C, 15°C, 18°C y 21°C. La máquina se probó bajo un conjunto estándar de condiciones de funcionamiento, donde la frecuencia del ciclo fue 3.33 Hz, la magnitud de flujo fue 6 lit/min, la temperatura de entrada de calor fue 25°C, y la carga de enfriamiento, proporcionada por un calentador eléctrico, fue 400 watts. Antes de la operación como un MR, el LaFeSiH en los lechos fue bañado con un fluido acuoso a 35°C durante 80 horas para llevar el material a su estado inicial. El intervalo de temperatura de la máquina con material prístino bajo las condiciones de funcionamiento estándar se encontró que será de 13.4°C. La máquina luego se dejó en un estado sin funcionar a una temperatura ambiente de 22°C durante diez días. En este estado, los materiales con temperaturas Curie de 18 °C y 21°C se podría esperar que experimentarán una degradación de división por edad, y de hecho, el intervalo de temperatura de la máquina después de este tratamiento por 10 días bajo las condiciones de funcionamiento estándar disminuyó a sólo 2.9°C. El LaFeSiH MCM luego se bañó con fluido acuoso a 50°C durante 19 horas para llevar el material a su estado inicial, y luego el intervalo de temperatura de la máquina en el modo de AMR a la condición estándar de una carga de enfriamiento de 400 vatios y una temperatura de entrada de calor de 25 °C se midió para ser 13.2°C. De esta forma llevar el LeFeSiH MCM a una temperatura mayor de 10 °C superior al punto Curie del material durante 19 horas fue capaz de restaurar el desempeño del MCM después de una reducción sustancial en el desempeño que se presentó cuando el MCM se mantuvo cerca de su punto Curie durante diez días.

La materia descrita en la presente algunas veces ilustra diferentes componentes contenidos dentro de los mismos, o en contacto con, diferentes componentes distintos. Se deberá entender que esta arquitectura representada es simplemente ilustrativa y que, de hecho, se pueden implementar muchas otras arquitecturas que alcancen la misma funcionalidad. En un sentido conceptual, cualquier disposición de componentes para alcanzar la misma funcionalidad se "asocia" efectivamente de tal forma que se alcance la funcionalidad deseada. Por lo tanto, cualesquiera de dos componentes en la presente combinados para alcanzar una funcionalidad particular, se pueden observar como "asociados con" entre si, de tal forma que se alcancen la funcionalidad deseada, sin importar las arquitecturas o componentes intermedios. Asimismo, cualesquiera de dos componentes asi asociados también se puede observar que estarán "conectados funcionalmente" o "acoplados funcionalmente" , entre sí para alcanzar la funcionalidad deseada, y cualesquiera de dos componentes capaces de ser asociados de esta forma también se pueden observar que serán "acoplables funcionalmente", entre sí para alcanzar la funcionalidad deseada. Los ejemplos específicos de acoplamiento funcionalmente incluyen, de manera enunciativa hacer coincidir físicamente y/o interactuar físicamente los componentes y/o interactuar inalámbricamente y/o componentes de interacción inalámbrica y/o interactuar lóqicamente y/o componentes interactuables lógicamente.

Con respecto al uso de sustancialmente cualesquiera términos plurales y/o singulares en la presente, aquellos que tengan experiencia en la técnica pueden traducir del plural al singular y/o del singular al plural según sea adecuado para el contexto y/o aplicación. Las diversas permutaciones singulares/plurales se pueden establecer expresamente en la presente para asegurar la claridad.

Se entenderá por aquellos expertos en la técnica que, en general, los términos utilizados en la presente, y en especial en las reivindicaciones anexas (por ejemplo, cuerpos de las reivindicaciones anexas) en general se pretende que sean términos "claros" (por ejemplo, el término "que incluye" se deberá interpretar como "incluyendo, de manera enunciativa", el término "que tiene" se deberá interpretar como "teniendo al menos", el término "incluye" se deberá interpretar, "incluye de manera enunciativa", etc. ) . Se entenderá adicionalmente por aquellos expertos en la técnica que si se pretende un número especifico de una mención de una reivindicación presentada, esta pretensión se mencionará explícitamente en la reivindicación, y en ausencia de esta mención no estará presente está pretensión. Por ejemplo, como una ayuda para la comprensión, las siguientes reivindicaciones anexas pueden contener el uso de frases introductorias "al menos uno" y "uno o más" para presentar menciones de las reivindicaciones. Sin embargo, el uso de estas frases no se debe interpretar se implique que en la presentación de una mención de la reivindicación por los artículos indefinidos "uno" o "una" limite cualquier reivindicación particular que contenga esta mención de la reivindicación presentada para invenciones que contengan solo una de esta mención, incluso cuando la misma reivindicación incluya las frases introductorias "uno o más" o "al menos uno" y los artículos indefinidos tales como "uno" o "una" (por ejemplo, "uno" y/o "una" típicamente se deberán interpretar para significar "al menos uno" o "uno o más") , lo mismo será verdadero para el uso de los artículos definidos utilizados para presentar menciones de reivindicaciones. Además, incluso si se menciona explícitamente un número específico de una mención de reivindicación presentada, aquellos expertos en la técnica reconocerán que esta mención típicamente se interpretará para tener un significado de al menos el número mencionado (por ejemplo, la mención escasa de "dos menciones", sin otros modificadores, típicamente significa al menos dos menciones, o dos o más menciones) . Además, en algunos casos donde se utilice una convención análoga a "al menos uno de A, B, y C, etc.", en general, se pretende que esta construcción en el sentido de que un experto en la técnica podría entender la convención (por ejemplo, "un sistema que tiene al menos uno de A, B y C" puede incluir, de manera enunciativa sistemas que tengan A solo, B sola, C sola, A y B conjuntamente, A y C conjuntamente, B y C conjuntamente, y/o A, B, y C con untamente, etc.). En algunos casos donde se utilice una convención análoga a "al menos uno de A, B, o C, etc.", en general, esta construcción se destina en el sentido en el alguien que tenga experiencia en la técnica pudiera entender la convención (por ejemplo, "un sistema que tiene al menos uno de A, B, o C" podría incluir, de manera enunciativa, sistemas que tengan A sola, B sola, C sola, A y B conjuntamente, A y C conjuntamente, B y C conjuntamente, y/o A, B, y C conjuntamente, etc.). Se deberá entender por aquellos dentro de la técnica que virtualmente cualquier palabra y/o frase disyuntiva que presente dos o más términos alternativos, ya sea en la descripción, reivindicaciones o dibujos, se deberá entender que contempla las posibilidades de incluir uno de los términos, cualquiera de los términos o ambos términos. Por ejemplo, la frase "A o B" se entenderá que incluye la posibilidad de "A" o "B" o "A y B".

La descripción anterior de las modalidades ilustrativas se ha presentado con fines de ilustración y descripción. No se pretende que sea exhaustiva o limitante con respecto a la forma precisa descrita, y son posibles modificaciones y variaciones a luz de las enseñanzas anteriores o se pueden obtener a partir de la práctica de las modalidades descritas. Se pretende que el alcance de la invención se defina por las reivindicaciones anexas a la misma y sus equivalentes.

Claims (22)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes REIVINDICACIONES :

1. Un método caracterizado porque comprende: identificar al menos una degradación parcial de un material magnetocalórico en un sistema de enfriamiento magnético, en donde el material magnetocalórico tiene una temperatura Curie; y regenerar el material magnetocalórico al mantener el material magnetocalórico a una temperatura de regeneración, en donde la temperatura de regeneración es diferente de la temperatura Curie del material magnetocalórico .

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura de regeneración difiere de la temperatura Curie en al menos cinco grados Celsius .

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura de regeneración difiere de la temperatura Curie en al menos diez grados Celsius .

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material magnetocalórico incluye hidrógeno, en donde la temperatura de regeneración está por debajo de una temperatura máxima, y en donde la temperatura máxima es una temperatura que es al menos una porción del hidrógeno que comenzará a dejar el material magnetocalórico.

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el material magnetocalórico comprende RE (TMxSiy) i3Hz, donde RE es un elemento de tierras raras y TM es un metal de transición.

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende suspender un ciclo de regenerador magnético activo del sistema de enfriamiento magnético, mientras que el material magnetocalórico se mantiene a la temperatura de regeneración.

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende: retirar el material magnetocalórico del sistema de enfriamiento magnético de tal forma que el material magnetocalórico se mantenga a la temperatura de regeneración lejos del sistema de enfriamiento magnético; y reemplazar el material magnetocalórico con un material magnetocalórico regenerada.

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la regeneración comprende revertir la división por edad del material magnetocalórico.

9. Un método caracterizado porque comprende: formar al menos un lecho de un sistema de enfriamiento magnético, en donde al menos un lecho incluye un material magnetocalórico, en donde el material magnetocalórico tiene una temperatura Curie, y en donde un fluido para transferencia de calor se configura para transferir calor hacia o desde el material magnetocalórico en al menos leche- formar al menos una válvula del sistema de enfriamiento magnético para controlar un flujo del fluido para transferencia de calor a través de al menos un lecho y, ya sea un calentador o un intercambiador térmico, en donde el flujo del fluido para transferencia de calor entre al menos un lecho y el calentador regenera el material magnetocalórico al mantener un material magnetocalórico a una temperatura de regeneración, y en donde la temperatura de regeneración es diferente de la temperatura Curie del material magnetocalórico .

10. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el flujo del fluido para transferencia de calor entre al menos un lecho y el intercambiador térmico enfria el material magnetocalórico.

11. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque al menos un lecho comprende una pluralidad de capas, en donde cada capa de al menos un lecho incluye un material magnetocalórico distinto que tiene una temperatura Curie distinta, y en donde la temperatura Curie distinta del material magnetocalórico distinto en una capa determinada es una temperatura promedio de la capa determinada durante un ciclo de regenerador magnético activo.

12. Un aparato caracterizado porque comprende: un fluido para transferencia de calor; un lecho que comprende un material magnetocalórico que tiene una temperatura Curie, en donde el lecho está configurado para permitir que el fluido para transferencia de calor transfiera calor hacia o desde el material magnetocalórico; y un calentador configurado para mantener el material magnetocalórico a una temperatura de regeneración durante una cantidad de tiempo para regenerar el material magnetocalórico, en donde la temperatura de regeneración es diferente de la temperatura Curie del material magnetocalórico .

13. El aparato de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el calentador está configurado para calentar el lecho vía el fluido para transferencia de calor.

14. El aparato de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la temperatura de regeneración es mayor que la temperatura Curie.

15. El aparato de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el lecho comprende una pluralidad de materiales magnetocalóricos que tienen temperaturas Curie distintas, y en donde la temperatura de regeneración es mayor que una más grande de las temperaturas Curie distintas.

16. El aparato de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el calentador está lejos del lecho, y en donde el lecho está configurado para ser retirado temporalmente del aparato para regeneración por el calentador.

17. Un sistema para transferencia de calor caracterizado porque comprende: un primer subsistema que comprende: un primer fluido para transferencia de calor; un primer lecho que tiene un primer material magnetocalórico, en donde el primer material magnetocalórico tiene una primera temperatura Curie; y una primera válvula configurada para controlar si el primer subsistema funciona en el modo de regeneración o en el modo de enfriamiento; y un segundo subsistema que comprende: un segundo fluido para transferencia de calor; un segundo lecho que tiene un segundo material magnetocalórico, en donde el segundo material magnetocalórico tiene una segunda temperatura Curie; y una segunda válvula configurada para controlar si el segundo subsistema funciona en el modo de regeneración o el modo de enfriamiento.

18. El sistema para transferencia de calor de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque: la primera válvula está configurada para controlar el primer subsistema para funcionar en el modo de enfriamiento y la segunda válvula está configurada para controlar el segundo subsistema para funcionar en el modo de regeneración durante un primer periodo de tiempo; y la primera válvula está configurada para controlar el primer subsistema para funcionar en el modo de regeneración y la segunda válvula está configurada para controlar el segundo subsistema para funcionar en el modo de enfriamiento durante un segundo periodo de tiempo.

19. El sistema para transferencia de calor de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque la primera válvula está configurada para controlar el primer subsistema para funcionar en el modo de enfriamiento y la segunda válvula está configurada para controlar el segundo subsistema para funcionar en el modo de enfriamiento durante un período de tiempo determinado.

20. El sistema para transferencia de calor de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque: el primer lecho comprende una primera pluralidad de capas, en donde cada capa del primer lecho incluye un material magnetocalórico distinto que tiene una temperatura Curie distinta, y en donde el primer subsistema comprende una etapa de enfriamiento de tal forma que las temperaturas Curie distintas de los materiales magnetocalóricos distintos en la primera pluralidad de capas se encuentran está en una variación entre Tc y Tm; y el segundo lecho comprende una segunda pluralidad de capas, en donde cada capa del segundo lecho incluye un material magnetocalórico distinto que tiene una temperatura Curie distinta, y en donde el segundo subsistema comprende una etapa de calentamiento de tal forma que las temperaturas Curie distintas de los materiales magnetocalóricos distintos en la segunda pluralidad de capas está en una variación entre Tm y Th, en donde Th > Tm > Tc.

21. El sistema para transferencia de calor de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el primer fluido para transferencia de calor está a una temperatura de Tc cuando la etapa de enfriamiento funciona en el modo de enfriamiento, y en donde al menos una de la primera válvula y la segunda válvula dirigen el primer fluido para transferencia de calor a la temperatura de Tc a través de la etapa de calentamiento para regenerar la etapa de calentamiento .

22. El sistema para transferencia de calor de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el segundo fluido para transferencia de calor está a una temperatura de Th cuando la etapa de calentamiento funciona en el modo de enfriamiento, y en donde al menos una de la primera válvula y la segunda válvula dirigen el segundo fluido para t ansferencia de calor a la temperatura de Th a través de la etapa de enfriamiento para regenerar la etapa de enfriamiento .