NL1003887C2 - Warmtepomp zonder bewegende mechanische delen. - Google Patents

Description

-1-

WARMTEPOMP ZONDER BEWEGENDE MECHANISCHE DELEN

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een 5 warmtepomp, die werkt met een gesloten thermodynamische gascyclus met compressie en expansie, waarbij de warmtepomp geen mechanische bewegende delen bevat. Om het werkingsgas te comprimeren, te transporteren en te expanderen wordt gebruik gemaakt van een magnetische vloeistof "ferrofluid", 10 bestaande uit een stabiele colloïdale suspensie van magnetische deeltjes in een vloeibare drager bijvoorbeeld in de vorm van een minerale olie of een ester.

De werking van warmtepompen, zoals bijvoorbeeld toegepast in huishoudkoelapparatuur, berust over het 15 algemeen op het zogenaamde Rankine verdampingsprincipe, waarbij fluor-waterstof-verbindingen en tegenwoordig milieuvriendelijker koolwaterstof-verbindingen als warmtetransportmedium worden toegepast. Het nadeel van deze systemen is, dat het koeleffect ofwel de COP (Coefficient Of 20 Performance=de hoeveelheid verwijderde warmte gedeeld door de hiervoor benodigde energie), tamelijk gering is en bij de gewenste temperatuurverschillen varieert van ca. 1,2 tot 1,4. Een gunstiger COP voor een temperatuurverschil van ca. 30° C, in de orde van grootte van 3, is te bereiken met 25 behulp van Sterlingkoelers, welke echter nog nauwelijks worden toegepast in verband met hun complexiteit.

Beide voornoemde warmtepompen hebben het nadeel, dat ze zijn opgebouwd uit bewegende mechanische delen, die relatief zwaar zijn, trillingen veroorzaken, geluidsoverlast 30 produceren, slijtage vertonen, slecht regelbaar zijn en rendementsverliezen hebben in verband met wrijving en lekkage van het werkingsmedium.

De onderhavige uitvinding beoogt hiervoor een ï ÜÜ 5 88 / -2- oplossing te bieden en zal aan de hand van een tweetal figuren in het vervolg worden beschreven.

Figuur 1 toont een voorbeeld p-v-diagram zoals doorlopen door het gas, dat als warmtetransportmedium wordt 5 gebruikt.

Figuur 2 toont een voorbeeld werkingsprincipe van de warmtepomp volgens de uitvinding.

De werking van de warmtepomp volgens de uitvinding berust op het comprimeren, verplaatsen en expanderen van 10 gasbellen van het werkingsgas, bijvoorbeeld lucht of helium, die in een leiding in de vorm van een slangetje of pijpje gescheiden worden door propjes magnetische vloeistof, waarbij deze propjes magnetische vloeistof worden aangedreven door zich verplaatsende, electromagnetisch 15 opgewekte magneetvelden. De diameter van bovengenoemde slangetjes of pijpjes wordt zodanig gekozen, dat de oppervlaktespanning van de magnetische vloeistof in staat is om de scheiding tussen de achtereenvolgende gasbellen van het werkingsgas instand te houden.

20 Aangezien deze zogenaamde super-paramagnetische vloeistoffen, die commerciëel verkrijgbaar zijn, relatief lage magnetische verzadigingswaarden vertonen, is de kracht die hierop met een magneetveld kan worden uitgeoefend, ofwel het drukverschil dat door een dergelijk magneetveld kan 25 worden opgewekt met een vloeistofprop in een leiding, tamelijk gering en bedraagt maximaal zo'n 20 kPa. Om toch een veel groter drukverschil tussen compressie en expansie te bereiken, wordt bij de warmtepomp volgens de uitvinding een groot aantal magnetische vloeistofproppen in een leiding 30 in serie geplaatst, welke gescheiden worden door gasbellen van het werkingsgas en welke allemaal tegelijkertijd worden aangedreven door de zich verplaatsende electromagnetisch opgewekte magneetvelden. Op deze wijze kan eenvoudig een drukverschil tussen compressie en expansie worden bereikt 35 van 300 tot 400 kPA. Om het rondpompvolume van de warmtepomp nog te vergroten, kunnen eventueel meerdere leidingen parallel worden geplaatst.

1003887 -3-

Per gasbel vindt voor het beschreven uitvoeringsvoorbeeld en zoals aangegeven in het p-v-diagram van figuur 1 op het traject 1-2 compressie plaats van de gasbellen tussen de vloeistofproppen, waarbij warmteafgifte 5 plaatsvindt. Vervolgens wordt het gas op het traject 2-3 isobarisch in temperatuur verlaagd, waarbij het volume afneemt en waarbij in een regenerator de vrijkomende warmte wordt overgedragen aan het retourgas. Op het traject 3-4 wordt warmte opgenomen door het gas bijvoorbeeld na smoring 10 te laten expanderen. Tenslotte wordt op het traject 4-1 het geëxpandeerde retourgas via de regenerator weer isobarisch in temperatuur verhoogd, waarbij het volume weer toeneemt tot het uitgangsvolume.

Schematisch bestaat de warmtepomp, zoals aangegeven 15 in het uitvoeringsvoorbeeld van figuur 2 uit een gesloten systeem (1), waarin het werkingsgas, bijvoorbeeld helium, onder een verhoogde druk van bijvoorbeeld 2-3 MPa, is aangebracht. Voor het opwekken van de bewegende magneetvelden wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van 20 statisch opgestelde ringvormige meervoudige poolschoenen (2) en (3), waartussen met een aantal windingen een buisvormige leiding (6) is gewikkeld. Op de buitenste poolschoenen (2) en de binnenste poolschoenen (3) zijn respectievelijk de spoelen (4) en (5) gewikkeld, welke in bijvoorbeeld vier 25 fasen achtereenvolgens bekrachtigd worden, zodat een circulair bewegend magnetisch veld wordt opgewekt met een veldsterkte, die vlak bij of boven de verzadigingsveld-sterkte ligt van de super-paramagnetische vloeistof. Het begin van de leiding (6), die gedeeltelijk tussen de 30 poolschoenen gewikkeld is, bevindt zich in een container (7), waarin een kleine voorraad magnetische vloeistof (8) aanwezig is, doch juist boven het vloeistofniveau. Indien met behulp van één van de spoelen (5) aan het begin van leiding (6) een magneetveld wordt opgewekt, dan zal bij (9) 35 een hoeveelheid magnetische vloeistof (8) in leiding (6) gezogen worden, omdat de magnetische vloeistof geneigd is het gebied met de hoogste magnetische fluxdichtheid te *003 887 -4- vullen.

Door in bijvoorbeeld vier fasen telkens één van de spoelen (4) en (5) te bekrachtigen wordt leiding (6) op deze wijze achtereenvolgens gevuld met vloeistofproppen (10) en 5 bellen werkingsgas. Per winding van leiding (6) lopen de vloeistofproppen (10) in fase, zodat alle vloeistofproppen in de verschillende leidingwindingen, die zich tussen de poolschoenen (2) en (3) bevinden, worden aangedreven, waarbij per vloeistofprop (10) een geringe druktoename op de 10 daarvoorliggende gasbel wordt overgebracht. Aangezien het werkingsgas in de gasbellen op deze wijze wordt samengedrukt, is een geringe correctie nodig op de onderlinge relatieve afstand van de poolschoenen ten opzichte van de leiding (6). Dit laatste kan bijvoorbeeld 15 worden bereikt, door de spoed, waarmee de leiding (6) tussen de poolschoenen (2) en (3) is gewikkeld af te laten nemen naarmate de druk in de leiding (6) hoger wordt.

Tijdens en na het comprimeren van de gasbellen wordt warmte afgestaan aan de "hete" zijde (11) van de warmtepomp 20 via de poolschoenen (2) en (3) en de warmtewisselaar (12). Via regenerator (13) wordt het gecomprimeerde afgekoelde werkingsgas tezamen met de vloeistofproppen (10) naar de "koude" zijde (14) van de warmtepomp gevoerd. De warmte-inhoud van de magnetische vloeistof (8), hoofdzakelijk 25 bestaande uit bijvoorbeeld minerale olie of ester, ligt ongeveer op hetzelfde niveau als dat van het gecomprimeerde werkingsgas.

In de regenerator (13) wordt de warmte, die vrijkomt bij de afkoeling, gebruikt om het retourgas en de 30 terugkomende vloeistofproppen weer op te warmen naar de omgevingstemperatuur aan de "hete" zijde (11). Aan de "koude" zijde (14) wordt bijvoorbeeld met behulp van permanentmagneten (16), die een kracht uitoefenen op de magnetische vloeistofproppen (10), smoring aangebracht zodat 35 de compressor in staat is de gewenste compressiedruk op te bouwen. Nadat de vloeistofproppen (10) de permanentmagneten (16) gepasseerd zijn, expandeert het werkingsgas tot de 1603 897 -5- omgevingsdruk in het gesloten systeem (1), waarbij vanuit de "koude" zijde warmte wordt opgenomen via de warmtewisselaar (15). Nadat het retourgas en de magnetische vloeistofproppen (10) weer opgewarmd zijn in de regenerator (13) wordt de 5 magnetische vloeistof weer toegevoerd aan de container (7), om vervolgens opnieuw gebruikt te worden.

Onder de container (7) kan eventueel nog een extra permanentmagneet (17) worden aangebracht, die de magnetische vloeistof (8) in de container (7) trekt, zodat de warmtepomp 10 in elke willekeurige stand kan funktioneren.

Uiteraard zijn op het beschreven werkingsprincipe van de warmtepomp modificaties aan te brengen, zonder dit principe wezenlijk aan te tasten. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk eventueel in meerdere rijen lineair in plaats van 15 ringvormig opgestelde poolschoenen toe te passen. Ook kan een ander smoorsysteem, bijvoorbeeld met een restrictie worden toegepast. Verder is het mogelijk om in plaats van een aangedreven compressie, op overeenkomstige wijze een aangedreven expansie toe te passen, of een combinatie van 20 zowel een aangedreven compressie als een aangedreven expansie. Ook zou in het laatste geval van een combinatie van aangedreven compressie en aangedreven expansie een heen en weer pompend, in plaats van een rondpompend, systeem kunnen worden toegepast, waarbij eventueel in de trajecten 25 2-3 en 4-1 van figuur 1 isochorisch in plaats van isobarisch transport van het werkingsmedium plaats vindt. Dergelijke modificaties op het beschreven werkingsprincipe, allen met het kenmerk, dat in de warmtepomp in serie geschakelde electromagnetisch aangedreven super-paramagnetische 30 vloeistofproppen, afgewisseld door gasbellen van het werkingsgas, worden toegepast om het gewenste drukverschil tussen compressie en expansie te bewerkstelligen, worden geacht te vallen onder de onderhavige uitvinding.

3 .· é S3 1

Claims (16)

1. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen, waarbij het warmtetransport plaatsvindt door compressie en expansie van een werkingsgas met het kenmerk, dat in 5 de warmtepomp in serie geschakelde, met behulp van bewegende magneetvelden aangedreven super-paramagnetische vloeistofproppen, afgewisseld door gasbellen van het werkingsgas, worden toegepast om het gewenste drukverschil tussen compressie en expansie te 10 bewerkstelligen, waarbij per aangedreven vloeistofprop een klein gedeelte van dit drukverschil wordt gerealiseerd.

2. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens de voorgaande conclusie met het kenmerk, dat de 15 bewegende magneetvelden voor het aandrijven van de super-paramagnetische vloeistofproppen langs electromagnetische weg worden opgewekt met behulp van na elkaar geplaatste en in verschillende fasen electromagnetisch bekrachtigde poolschoenen.

3. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat de poolschoenen ringvormig zijn opgesteld.

4. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat de leiding 25 waarin zich de super-paramagnetische vloeistofproppen afgewisseld door het werkingsgas bevinden met meerdere windingen tussen de ringvormig opgestelde poolschoenen is gewikkeld, waarbij per winding de super-paramagnetische vloeistofproppen in fase door de 30 betreffende electromagnetisch bekrachtigde poolschoenen worden aangedreven. 1003*07 -7-

5. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens conclusie 4 met het kenmerk, dat de spoed van de leiding, die tussen de poolschoenen gewikkeld is, afneemt, naarmate de druk in de gasbellen van het 5 werkingsgas toeneemt, waardoor de relatieve positie van de poolschoenen ten opzichte van de zich hiervoor bevindende super-paramagnetische vloeistofproppen constant blijft.

6. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen 10 volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat de poolschoenen lineair eventueel in meerdere rijen zijn opgesteld.

7. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens één of meerdere der conclusies 1 t/m 6 met het kenmerk, dat de aandrijving van de super-paramagnetische 15 vloeistofproppen plaatsvindt aan de compressiezijde.

8. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens één of meerdere der conclusies 1 t/m 6 met het kenmerk, dat de aandrijving van de super-paramagnetische vloeistofproppen plaatsvindt aan de expansiezijde.

9. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens één of meerdere der conclusies 1 t/m 6 met het kenmerk, dat de aandrijving van de super-paramagnetische vloeistofproppen zowel aan de compressiezijde als aan de expansiezijde plaatsvindt.

10. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens één of meerdere der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat het drukverschil tussen compressie en expansie wordt gerealiseerd, door smoring in het expansiegedeelte. 100 3 887 -8-

11. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens conclusie 10 met het kenmerk, dat de smoring wordt gerealiseerd met behulp van langs de leiding op enige afstand in serie geplaatste permanentmagneten, die elk 5 een kracht uitoefenen op de zich voor deze magneten bevindende super-paramagnetische vloeistofproppen en daarmee per vloeistofprop een drukverschil creëren in het werkingsgas tussen deze vloeistofproppen.

12. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen 10 volgens conclusie 10 met het kenmerk, dat de smoring wordt gerealiseerd met behulp van een restrictie in de leiding waarin het werkingsgas en de super-paramagnetische vloeistofproppen worden getransporteerd.

13. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen 15 volgens conclusie 9 met het kenmerk, dat in plaats van een rondpompend systeem gebruik gemaakt wordt van een heen en weer pompend systeem, waarbij het werkingsmedium isochorisch in plaats van isobarisch van de "warme" naar de "koude" zijde wordt getransporteerd en omgekeerd.

14. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens één of meerdere der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat een regenerator wordt toegepast, om de warmte die vrij komt bij het transporteren van het werkingsgas en de super-paramagnetische vloeistofproppen 25 van de "warme" naar de "koude" zijde van de warmtepomp, over te dragen aan het werkingsgas en de super-paramagnetische vloeistofproppen, die worden getransporteerd van de "koude" naar de "warme" zijde van de warmtepomp, zodat het warmtelek geminimaliseerd wordt. 100 3 88? -9-

15. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens één of meerdere der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat voor het transport van het werkingsgas en de super-paramagnetische vloeistofproppen meerdere 5 leidingen parallel geplaatst worden, om het rondpompvolume per tijdseenheid te vergroten.

16. Een warmtepomp zonder bewegende mechanische delen volgens één of meerdere der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat bij de container voor de super- 10 paramagnetische vloeistof één of meerdere permanentmagneet(en) wordt (worden) geplaatst, zodat de vloeistof niet uit de container valt en de warmtepomp in elke willekeurige stand kan funktioneren. 1. f)t:) 3 S f