NO127164B

NO127164B -

Info

Publication number: NO127164B
Application number: NO00139677A
Authority: NO
Inventors: Thomas James Swoboda; Edward William Yetter; William Frederick Jaep
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1960-04-01
Filing date: 1961-03-28
Publication date: 1973-05-14
Also published as: DE1272467B; GB981219A; SE313106B; NL135705C; DK119364B; NL263051A; DK107243C; BE597985A; CH434440A

Description

Fremgangsmåte ved overføring av varme ved at et arbeidsmedium utsettes for et magnetisk felt, samt et dertil egnet apparat. Procedure for the transfer of heat by exposing a working medium to a magnetic field, as well as a suitable apparatus.

Foreliggende oppfinnelse vedrdrer en fremgangsmåte ved overforing av varme ved anvendelse av et arbeidsmedium som intermittent utsettes for virkningen av et magnetisk felt og derved forandrer sin indre energi, samt dertil egnet apparat. The present invention relates to a method for transferring heat using a working medium which is intermittently exposed to the effect of a magnetic field and thereby changes its internal energy, as well as suitable apparatus.

Et sådant apparat er en form for varmepumpe, hvoravSuch a device is a form of heat pump, of which

det best kjente eksempel formodentlig er et husholdsningskjbleskap, hvis drift avhenger av avvekslende omdannelse av et fluidum fra væske- til dampform.. Ved de kjente apparater av denne art sirku-lerer arbeidsfluidumet mellom et område méd hoyt trykk og et område med lavt trykk, idet trykkforskjellen ligger på ca. 10 atm. For opprettholdelse av denne trykkforskjell drives et mekanisk system som omfatter en kompressor eller pumpe, av en elektromotor, hvilket medforer problemer med smoring, vibrasjon, stoy og ulemper som the best-known example is probably a household refrigerator, the operation of which depends on the alternating conversion of a fluid from liquid to vapor form. In the known devices of this kind, the working fluid circulates between an area with high pressure and an area with low pressure, as the pressure difference is approx. 10 atm. To maintain this pressure difference, a mechanical system comprising a compressor or pump is driven by an electric motor, which entails problems with lubrication, vibration, noise and disadvantages such as

folge av de forskjellige mekanismers virkninger.consequence of the effects of the various mechanisms.

En helt annen type varmepumper som kan anvendes ved meget lave temperaturer, gjor bruk av et paramagnetisk materiale som arbeidsmedium. Når et sådant stoff utsettes for et sterkt magnetisk felt ved en meget lav temperatur i nærheten av det absolutte nullpunkt (0° K) og når det magnetiske felt derpå reduseres til null, synker stoffets temperatur, litt som folge av den såkalte "magnetokaloriske effekt". Denne teknikk er f. eks. beskrevet av Gorter i "Progress in Low Temperature Physics", Interscience Publishers, New York (1955)5bind 1, side 320 - 321. Det samme prinsipp utnyt-tes ved hoye temperaturer i nærheten av Curie-punktet ved apparater av den type som er beskrevet i U.S. patent 2 589 775. Størrelses-ordenen av den varme som overfores pr. syklus under anvendelsen av den magnetokaloriske effekt, er forholdsvis liten, da der ikke er noen ledsagende varme. Folgelig har denne type avkjoling bare funnet meget spesielle anvendelser, såsom ved ytterst lave temperaturer, ved hvilke andre avkjolingsmidler har vist seg å være uvirksomme. A completely different type of heat pump that can be used at very low temperatures uses a paramagnetic material as the working medium. When such a substance is exposed to a strong magnetic field at a very low temperature near absolute zero (0° K) and when the magnetic field is then reduced to zero, the substance's temperature drops, somewhat as a result of the so-called "magnetocaloric effect" . This technique is e.g. described by Gorter in "Progress in Low Temperature Physics", Interscience Publishers, New York (1955) 5 volume 1, pages 320 - 321. The same principle is utilized at high temperatures near the Curie point in devices of the type that are described in the U.S. patent 2 589 775. The order of magnitude of the heat transferred per cycle during the application of the magnetocaloric effect, is relatively small, as there is no accompanying heat. Consequently, this type of cooling has only found very special applications, such as at extremely low temperatures, at which other cooling agents have been shown to be ineffective.

Formålet med oppfinnelsen er å skaffe en fremgangsmåte ved og et nytt apparat for tilveiebringelse av varmeoverforing med en hoyere termisk effektivitet og en storre grad av varmeoverforing pr. syklus enn de hittil kjente magnetokaloriske apparater. Fremgangsmåten og apparatet ifdlge oppfinnelsen er ideelle for anvendelse over et meget stort temperaturområde og kan derfor lett ut-formes til optimal ytelse ved spesielle ekstreme temperaturer. Et apparat, særlig en varmepumpe ifblge oppfinnelsen, er enkel i ut-fbrelse og fri for meget av det mekaniske tilbehbr som er essen-tielt ved konvensjonelle varmepumpesystemer. The purpose of the invention is to provide a method by and a new apparatus for providing heat transfer with a higher thermal efficiency and a greater degree of heat transfer per cycle than the previously known magnetocaloric devices. The method and apparatus according to the invention are ideal for use over a very large temperature range and can therefore easily be designed for optimal performance at particular extreme temperatures. An apparatus, especially a heat pump according to the invention, is simple in construction and free of much of the mechanical accessories which are essential in conventional heat pump systems.

Det ssregne ved fremgangsmåten ifolge oppfinnelsen erWhat is special about the method according to the invention is

at der anvendes et magnetisk arbeidsmedium som under innflytelse av et ytre magnetisk felt som kobles inn og ut, gjennomgår innenfor et bestemt temperaturområde en overgang av fbrste orden fra en faset tilstandsfase til en annen faset tilstandsfase ved en samtidig endring av sin indre energi, idet metningsinduksjonen forandrer seg brått innenfor overgangsområdet ved endring av temperaturen, og i sammenheng dermed arbeidsmediets temperatur enten synker når den that a magnetic working medium is used which, under the influence of an external magnetic field which is switched on and off, undergoes a first-order transition within a certain temperature range from a phased state phase to another phased state phase by a simultaneous change in its internal energy, as the saturation induction changes abruptly within the transition area when the temperature changes, and in connection with this the temperature of the working medium either drops when it

ene tilstandsfase nåes, eller oker når den annen tilstandsfase nåes, og at en varmekilde og en varmeavleder etter tur og tidskpordinert med tilstandsfaseovergangene bringes i varmeoverfbrende forhold til one state phase is reached, or increases when the other state phase is reached, and that a heat source and a heat sink in turn and in time coordinated with the state phase transitions are brought into heat-transferring conditions to

arbeidsmediet for å bevirke overforing av varme til og fra det magnetiske arbeidsmedium. the working medium to effect transfer of heat to and from the magnetic working medium.

Det særegne ved apparatet for utfdrelse av denne fremgangsmåte er en kombinasjon av en varmeoverfSringsbærer som består av et stoff som oppviser en overgang av forste orden fra en fast tilstandsfase til en annen fast tilstandsfase med ledsagende forandring av det interne energiinnhold under innflytelse av et magnetisk felt, en varmekilde som er innrettet til å opprettholde en bestemt hoyere temperatur i forhold til bæreren når denne befinner seg i den forste faste tilstandsfase, en varmeopptager som er innrettet til å opprettholde en bestemt lavere temperatur i forhold til bæreren når denne befinner seg i den annen faste tilstandsfase, organer som kan sette bæreren under et magnetisk felt, således at bæreren bringes til å gjennomgå tilstandsfaseovergangen av forste orden, og organer som er tidskoordinert i forhold til denne tilstandsfaseovergang for selektivt og suksessivt å bringe bæreren og varmekilden i varmeoverfbrende forhold til hinannennår bæreren er i den forste faste tilstandsfase, og bæreren og varmeopptageren når bæreren er i den annen faste tilstandsfase. The distinctive feature of the apparatus for carrying out this method is a combination of a heat transfer medium consisting of a substance which exhibits a first order transition from one solid state phase to another solid state phase with an accompanying change of the internal energy content under the influence of a magnetic field, a heat source which is arranged to maintain a certain higher temperature in relation to the carrier when it is in the first solid state phase, a heat sink which is arranged to maintain a certain lower temperature in relation to the carrier when it is in the second solid state state phase, means which can place the carrier under a magnetic field, so that the carrier is brought to undergo the state phase transition of the first order, and means which are time-coordinated in relation to this state phase transition to selectively and successively bring the carrier and the heat source into heat transfer relationship with each other when the carrier is in the first solid state phase, and the carrier and the heat sink when the carrier is in the second solid state phase.

En overgang av forste orden er en sådan, i hvilken der opptrer en diskontinuitet i differentialkvosienten av forste grad A transition of the first order is one in which a discontinuity appears in the differential quotient of the first degree

av Gibbs'fri energi. Det dreier seg her om diskontinuiteter f.eks. med hensyn til temperaturer, dvs. i entropi, trykk, dvs. i romfang, og for et magnetisk materiales vedkommende med hensyn til det magnetiske felt, dvs. i magnetiseringsretningen. of the Gibbs free energy. This concerns discontinuities, e.g. with respect to temperatures, i.e. in entropy, pressure, i.e. in volume, and in the case of a magnetic material with respect to the magnetic field, i.e. in the direction of magnetisation.

En overgang av annen orden er en overgang, ved hvilken differentialkvosienten av annen grad av den fri energi er diskon-tinuerlig. Ved en overgang av annen orden forandres med andre ord energi, romfang og i et magnetisk stoff magnetiseringen kontinuerlig, men disse forandringers temperaturdifferentialkvosienter er særegne. Curie-punktet i et magnetisk materiale er et eksempel på et overgangspunkt av annen orden. A second-order transition is a transition in which the second-order differential quotient of the free energy is discontinuous. In a transition of another order, in other words, energy, volume and, in a magnetic substance, the magnetization change continuously, but the temperature differential quotients of these changes are peculiar. The Curie point in a magnetic material is an example of a transition point of a different order.

De stoffer som anvendes som varmeoverfdringsmedier, skal i det fblgende for letthets skyld betegnes som "bærere" og er av naturen metalliske og har evne til, i det minste delvis, å foreta en faststoff-fase- til faststoff-fase-overgang av forste orden under virkningen av et magnetisk felt av passende styrke. Dette magnetiske felt kan, hvis det er sterkt nok, bevirke én fullsten dig overgang; noe svakere felter kan imidlertid bevirke full overgang, hvis feltet er tilstrekkelig til i det minste å innlede, overgangen som derpå fullfores ved varmeoverfbringen mellom stoffet og omgivelsene. Varmeoverfbringen kan praktisk ledes isotermisk i forhold til stoffet selv ved at der tilfores eller fjernes varme som holder likevekt med den latente varme som er forbundet med overgangen, fortrinnsvis mens overgangen finner sted, eller straks etter, således at tapene utad nedsettes. I alle tilfelle bevirker det magnetiske felt som fremkaller overgangen, at bærerens temperatur senkes til å begynne med, for derved å bygge opp det temperatur-differensial som er nbdvendig for å bevirke varmeovergangen. The substances used as heat transfer media shall in the following for simplicity be referred to as "carriers" and are by nature metallic and have the ability, at least partially, to make a solid-phase to solid-phase transition of the first order under the action of a magnetic field of suitable strength. This magnetic field can, if strong enough, effect one complete transition; however, somewhat weaker fields can cause full transition, if the field is sufficient to at least initiate the transition, which is then completed by heat transfer between the substance and the surroundings. The heat transfer can practically be carried out isothermally in relation to the substance itself by adding or removing heat that maintains equilibrium with the latent heat associated with the transition, preferably while the transition takes place, or immediately after, so that losses to the outside are reduced. In all cases, the magnetic field which induces the transition causes the carrier's temperature to be lowered initially, thereby building up the temperature differential which is necessary to effect the heat transition.

Samtidig med at overgangen passeres, opptrer der en forandring i den magnetiske tilstand bestående i at stoffet går over fra paramagnetisk eller anti-ferro-magnetisk tilstand på den ene side og til ferromagnetisk eller ferrimagnetisk tilstand på den annen side, selvom den spesifike magnetiske tilstand i mange tilfelle er vanskelig å identifisere, idet det viser seg at forskjellige magnetiske tilstander leilighetsvis kan bestå ved siden av hinannen innenfor lokale områder av et gitt provestykke. I stoffer hvor overgangen finner sted over et forholdsvis bredt område av magnetisk feltstyrke, kan forandringen fra den ene magnetiske tilstand til den annen til og med foregå temmelig gradvis og fblgelig ofte ikke merkbart, således at den vanskelig lar seg bestemme. Grunnen til détte kan ligge i manglende homogenitet hos stoffet i en gitt prove, eller i en evne hos stoffet til å beholde meta-stabile tilstander; men der kan også være andre årsaker som i øye-blikket ikke kan forklares. Uten hensyn til hvorledes forholdene er, drives alle stoffene gjennom sine overganger ved hjelp av et magnetisk felt, og man kan ofte trenge forholdsvis store felter i forhold til dem som trenges ved prover av ideelle stoffer. Dette representerer ingen ulempe med hensyn til foreliggende oppfinnelse, fordi de magnetiske tilstander er fullstendig uvesentlige med hensyn til virkemåten, unntatt i de spesielle tilfelle hvor den magnetiske tiltrekning benyttes til å frembringe en fysikalsk trans-port av bæreren fra varmeoverforingstilstand i forhold til en varmeavgiver, til varmeoverfbringstilstand i forhold til en varmeopptager. Forbvrig er det viktig at der foreligger en forholdsvis skarp differanse i de magnetiske egenskaper på den ene side av overgangen i forhold til den annen; alt dette skal beskrives nærmere i det folgende under henvisning til fig. 1 og 2. At the same time that the transition is passed, a change in the magnetic state occurs, consisting of the substance passing from a paramagnetic or anti-ferro-magnetic state on the one hand to a ferromagnetic or ferrimagnetic state on the other, even though the specific magnetic state in many cases are difficult to identify, as it turns out that different magnetic states can occasionally exist next to each other within local areas of a given sample. In substances where the transition takes place over a relatively wide range of magnetic field strength, the change from one magnetic state to the other can even take place rather gradually and often imperceptibly, so that it is difficult to determine. The reason for this may lie in a lack of homogeneity of the substance in a given sample, or in an ability of the substance to retain meta-stable states; but there may also be other reasons that cannot be explained at first glance. Regardless of the conditions, all substances are driven through their transitions with the help of a magnetic field, and relatively large fields are often needed compared to those required for samples of ideal substances. This represents no disadvantage with respect to the present invention, because the magnetic states are completely unimportant with regard to the mode of operation, except in the special case where the magnetic attraction is used to produce a physical transport of the carrier from a heat transfer state in relation to a heat emitter, to heat transfer condition in relation to a heat sink. Furthermore, it is important that there is a relatively sharp difference in the magnetic properties on one side of the transition in relation to the other; all of this will be described in more detail in the following with reference to fig. 1 and 2.

Sn overgang av forste orden er alltid forbundet med en forandring av den indre energi i det stoff som utsettes for overgangen, hvilken forandring manifesteres ved én latent varme som ved den nevnte bærer, i hvilken det indre energiinnhold senkes, blir tilgjengelig som en fblbar varme som overfores ved ledning, samt de andre måter for varmeoverforing til en tilstbtende varmeopptager, i forhold til hvilken der foreligger en positiv termisk gradient. Omvendt heves det indre energiinnhold på den annen side av overgangspunktet, idet bæreren sbker å oppta varme fra sine omgivelser og fblgelig vil utta varme fra en varmeavgiver, i forhold til hvilken der foreligger en negativ termisk gradient. På denne måte oppnås en varmepumpevirkning som.ved hensiktsmessig valg av anordningens konstruksjon kan bringes til å virke både som varme- og kjbleanordning. A transition of the first order is always associated with a change in the internal energy of the substance that is subjected to the transition, which change is manifested by a latent heat which at the mentioned carrier, in which the internal energy content is lowered, becomes available as a fableable heat which is transferred by conduction, as well as the other means of heat transfer to an adjacent heat sink, in relation to which there is a positive thermal gradient. Conversely, the internal energy content is raised on the other side of the transition point, as the wearer tends to absorb heat from its surroundings and will likely extract heat from a heat emitter, in relation to which there is a negative thermal gradient. In this way, a heat pump effect is achieved which, by appropriate selection of the device's construction, can be made to work both as a heating and cooling device.

Materialer som er særlig anvendelige i varmeoverfbrings-anordninger ifblge oppfinnelsen, er beskrevet i norsk patent 102 kkh. Disse materialer består minst av to/fblgende grunnstoffer: vanadium, niob, tantal, krom, molybden, wolfram, mangan og rhenium i samlede mengder på 35 - 95 aton$ og minst ett av fblgende grunnstoffer: nitrogen, fosfor, arsen, antimon og vismut i en mengde på mindre enn ^-0 atom%. Materialer av denne art oppviser en overgang av forste orden i et temperaturområde f. eks. fra det absolutte nullpunkt til +200° C. Materials which are particularly applicable in heat transfer devices according to the invention are described in Norwegian patent 102 kkh. These materials consist of at least two of the following elements: vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese and rhenium in total amounts of 35 - 95 atone$ and at least one of the following elements: nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony and bismuth in an amount of less than ^-0 atomic %. Materials of this kind exhibit a first-order transition in a temperature range, e.g. from absolute zero to +200° C.

Sammensetninger som prinsipielt inneholder fire kjemiske elementer, har vist seg å være meget effektive bærere. Sådanne kvaternære komposisjoner inneholder vanligvis 5-35 atom# antimon, 35 - 70 atom# mangan, 0,8 - 25 atom# av minst ett av stoffene krom og vanadium, samt 0-30 aton$ av minst ett av elementene i grup-pene II - IV i det periodiske system, særlig gallium, indium, kad-mium, bly, tallium, tinn, zircon, scandium, yttrium, magnesium og sink, idet de prosentuale mengder velges således at det hele utgjor 100 %. Compositions that basically contain four chemical elements have proven to be very effective carriers. Such quaternary compositions usually contain 5-35 atoms# of antimony, 35-70 atoms# of manganese, 0.8-25 atoms# of at least one of the substances chromium and vanadium, as well as 0-30 atoms# of at least one of the elements in the groups II - IV in the periodic table, especially gallium, indium, cadmium, lead, thallium, tin, zircon, scandium, yttrium, magnesium and zinc, the percentage amounts being chosen so that the whole amounts to 100%.

Ovennevnte sammensetninger er eksempler på materialerThe above compositions are examples of materials

som undergår en overgang av fast tilstandsfase til fast tilstandsfase av. forste orden under virkningen av et magnetisk felt, hvor overgangen i dette tilfelle er ledsaget av et temperaturfall i stoffene og en forandring fra ikke-magnetisert til magnetisert tilstand. which undergoes a transition from solid state phase to solid state phase of. first order under the action of a magnetic field, where the transition in this case is accompanied by a temperature drop in the substances and a change from a non-magnetized to a magnetized state.

Andre stoffer som moter de generelle krav angitt ovenfor for en bærer, f. eks. materialer som oppviser en forste-ordens overgang i motsatte retninger, dvs. går over fra en magnetisk til en ikke-magnetisk tilstand ved en dkning av temperaturen, kan også anvendes. Other substances which meet the general requirements stated above for a carrier, e.g. materials that exhibit a first-order transition in opposite directions, i.e. go from a magnetic to a non-magnetic state when the temperature is covered, can also be used.

Som et eksempel på en ternær komposisjon som viser en overgang av forste orden ved en samtidig forandring i den fdlsomme temperatur, skal nevnes en én-krystall av vekt 8 g med fdlgende sammensetning: V?,°2 % Mn, 2,25 % Cr, 0,12 % In og 52,01 % Sb. Da denne krystall plutselig ble skjbvet inn mellom polene på en per-manent magnet med en målt feltstyrke på 5000 orsted, avtok krystal-lens temperatur, målt med et til krystallen festet termoelement, 0,67° C, hvilket angir at det indre energinivå av stoffet som krystallen består av, hadde dket slik at krystallen tok ut varme fra omgivelsene. As an example of a ternary composition that shows a first-order transition with a simultaneous change in the temperature, a single crystal of weight 8 g with the following composition should be mentioned: V?,°2% Mn, 2.25% Cr , 0.12% In and 52.01% Sb. When this crystal was suddenly pushed between the poles of a permanent magnet with a measured field strength of 5000 orsted, the crystal's temperature, measured with a thermocouple attached to the crystal, decreased by 0.67°C, indicating that the internal energy level of the substance of which the crystal is made up had been covered so that the crystal extracted heat from its surroundings.

Ved en annen prove med mangan-krom-antimonid som inneholdt 1+5,5»+ % Mn, 2,81 % Cr og 51,67 % Sb, bevirket en plutselig utset-telse for det samme magnetiske felt en temperatursynking på 1° C. In another sample of manganese-chromium-antimonide containing 1+5.5% Mn, 2.81% Cr and 51.67% Sb, sudden exposure to the same magnetic field caused a temperature drop of 1° C.

En enkel konstruksjon av en varmepumpe, som er egnet tilA simple construction of a heat pump, which is suitable for

å bekrefte de ovenfor omtalte eksperimentelle resultater i noe storre målestokk, er vist på fig. 1. Bæreren består her av et frem-og tilbakebevegelig legeme etter blokk 1 av et materiale med en overgang av forste orden under virkningen av et magnetfelt. I dette tilfelle er det hensiktsmessig å gi legemet en sylindrisk form, selvom dette ikke er vesentlig. Det valgte materiale ble sterkt magnetisk da det befant seg i et magnetisk felt og fullstendig umag-netisk utenfor dette felt; fenomenet kunne derfor anvendes til å bevege legemet fra et nedre varmeforråd 5 til kontakt med et ovre varmeforråd h som ligger vertikalt over det nedre forråd 5. Beve-gelsen kan foregå under virkningen av et magnetisk felt som frem-bringes av en kobberspoLe 3 anordnet nærmere forrådet h enn forrådet 5. De to varmeforråd utgjdres av massive metallplater fremstilt av et ikke-magnetisk materiale, såsom kobber. Da legemet 1 er magnetisk i den ene av sine to tilstander, er der mellom legemet 1 og spolen 3 anbragt en fysisk barriere eller skillevegg i form av et ror 2 av polytetrafluorethylen-harpiks innskutt mellom de to forråd. to confirm the above-mentioned experimental results on a somewhat larger scale, is shown in fig. 1. The carrier here consists of a reciprocating body according to block 1 of a material with a first-order transition under the action of a magnetic field. In this case, it is appropriate to give the body a cylindrical shape, although this is not essential. The selected material became strongly magnetic when in a magnetic field and completely non-magnetic outside this field; the phenomenon could therefore be used to move the body from a lower heat reservoir 5 into contact with an upper heat reservoir h which lies vertically above the lower reservoir 5. The movement can take place under the influence of a magnetic field produced by a copper coil 3 arranged closer the storage than the storage 5. The two heat storages are made of massive metal plates made of a non-magnetic material, such as copper. As the body 1 is magnetic in one of its two states, a physical barrier or partition in the form of a rudder 2 of polytetrafluoroethylene resin inserted between the two supplies is placed between the body 1 and the coil 3.

. Når alle. komponenter har samme begynnelsestemperatur og en elektrisk strdm av tilstrekkelig styrke ledes gjennom spolen 3*vil . When everyone. components have the same initial temperature and an electric current of sufficient strength is passed through the coil 3*vil

legemet påtrykkes et magnetisk felt som-bevirker at legemets materiale utsettes for en overgang av forste orden, således at legemets temperatur synker. Da legemet nå befinner seg i magnetisk tilstand, vil det beveges oppover innenfor roret 2 under virkningen av spolens 3 felt, inntil det stoter an mot undersiden av platen h og holder seg der i tett kontakt, således at det kan trekke varme ut av denne "kilde" h ved termisk ledning. I lbpet av en viss tid, i hvilken kildens h temperatur synker mot temperaturen av legemet 1, kobles strbmmen i spolen 3 ut. Materialet i legemet 1 passerer byeblikkelig over i den annen (ikke-magnetiske) tilstand, hvorpå den indre energitilstand forandrer seg, der dets indre energibehov avtar og temperaturen stiger over det opprinneli-ge likevektsnivå. Samtidig faller legemet 1 under tyngdekraftens virkning, ned til sin utgangsstilling, idet det stoter mot skivens 5 ovre flate som i dette tilfelle er det varmeopptagende element som blir tilfort varme ved termisk ledning. Etter en viss tids forlbp tilstrekkelig til overforing av varme fra bæreren, gjentas den beskrevne syklus. a magnetic field is applied to the body which causes the body's material to undergo a first-order transition, so that the body's temperature drops. As the body is now in a magnetic state, it will move upwards within the rudder 2 under the action of the field of the coil 3, until it bumps against the underside of the plate h and stays there in close contact, so that it can extract heat from this " source" h by thermal conduction. In the course of a certain time, in which the high temperature of the source decreases towards the temperature of the body 1, the current in the coil 3 is switched off. The material in the body 1 immediately passes into the other (non-magnetic) state, after which the internal energy state changes, where its internal energy demand decreases and the temperature rises above the original equilibrium level. At the same time, the body 1 falls under the action of gravity, down to its starting position, as it bumps against the upper surface of the disk 5, which in this case is the heat-absorbing element that is supplied with heat by thermal conduction. After a certain period of time sufficient for the transfer of heat from the carrier, the described cycle is repeated.

Et forsbksapparat ble utfort i henhold til fig. 1 med et sylindrisk legeme 1 med 7 mm diameter og 9 mm lengde utfort av fblgende kvaternære komposisjon angitt i vektJÉ: ^+5,62 % Mn, An experimental apparatus was carried out according to fig. 1 with a cylindrical body 1 with a diameter of 7 mm and a length of 9 mm made of the following quaternary composition expressed in weight: ^+5.62% Mn,

2,25 % Cr, 0,12 % In og 52,01 % Sb. Sylinderen 1 befant seg i vertikal stilling i et ror 2 med en intfe diameter på 10 mm og en lengde på 15 mm. Rorets ovre og nedre ender ble dekket med hver sin kobberplate, hvorav den ovre h virket som varme avgiver eller 2.25% Cr, 0.12% In and 52.01% Sb. The cylinder 1 was in a vertical position in a rudder 2 with an inner diameter of 10 mm and a length of 15 mm. The upper and lower ends of the rudder were each covered with a copper plate, of which the upper h acted as a heat emitter or

-kilde og den andre 5 som varmeopptager. Anordningen ble anordnet i et horisontalt magnetisk felt på ca. 7000 brsted frembragt ved hjelp av en elektromagnet. Apparatet arbeidet med en syklus på 10 min, idet strbm ble tilfort spolen 3 i 5 min, etterfulgt av en strbmlbs periode på 5 min. Selv under disse relativt ugunstige arbeidsforhold ble temperaturen av platen k gradvis redusert inntil den etter 5° min hadde en temperatur som var 1,5° lavere enn platen 5. -source and the other 5 as a heat sink. The device was arranged in a horizontal magnetic field of approx. 7000 brsted produced by means of an electromagnet. The apparatus worked with a cycle of 10 min, with strbm being supplied to coil 3 for 5 min, followed by a strbmlbs period of 5 min. Even under these relatively unfavorable working conditions, the temperature of plate k was gradually reduced until after 5° min it had a temperature that was 1.5° lower than plate 5.

Uten å anvende kjbling mens bæreren utforte sin overgang av forste orden, var den varme som ble frigjort av magneten som folge av motstandstap og lignende, tilstrekkelig til å holde den ovre plate h på en temperatur 1° chbyere enn den nedre plate 5, hvilket skyldes den asymmetriske beliggenhet av spolen 3. Det er innlysende at legemet 1 eventuelt kanforesfra platen 5 til platen h ved hjelp av en mekanisk drevet stav som er festet til legemet og fort-gjennom et glidelager i midten av den ene eller begge plater på lignende måte som ved et stempel i en sylinder, for på den måte å eliminere den magnetiske bevegelse opp og ned. Without applying coupling while the carrier made its first-order transition, the heat liberated by the magnet as a result of resistance losses and the like was sufficient to maintain the upper plate h at a temperature 1° chbyer than the lower plate 5, which is due the asymmetric location of the coil 3. It is obvious that the body 1 can optionally be fed from the plate 5 to the plate h by means of a mechanically driven rod which is attached to the body and through a sliding bearing in the middle of one or both plates in a similar way as by a piston in a cylinder, so as to eliminate the magnetic movement up and down.

I dette tilfelle kan man også sloyfe roret 2. Dette ror kan imidlertid også slbyfes ved den viste anordning med magnetisk påvirket legeme ved at legemet er glidbart anordnet på en streng eller stav som er anordnet konsentrisk til platene h og 5, idet legemet har en sentral boring. In this case, the rudder 2 can also be sloyed. However, this rudder can also be sloyed by the device shown with a magnetically influenced body in that the body is slidably arranged on a string or rod that is arranged concentrically to the plates h and 5, the body having a central drilling.

Ved en hensiktsmessig forandring av den kjemiske sammensetning er det ennvidere mulig å forandre overgangspunktene for de stoffer som anvendes ved fremstilling av bæreren, således at den ovenfor beskrevne overgang av forste orden kan bringes til å opptre ved gradvis tiltagende temperatur fra én bærer til neste ved en samtidig anvendelse av de samme eller tilnærmet de samme magnetiske felter. Dette gir en mulighet for fler-trinns varmeoverforing med en derav folgende utvidelse av varmeområdet, idet et antall individuelle varmepumper anbringes etter hinannen, f. eks. som vist på fig. 2. Her er hvert av de fire trinn utfort identisk med apparatet ifolge fig. 1. By suitably changing the chemical composition, it is also possible to change the transition points for the substances used in the production of the carrier, so that the first-order transition described above can be made to occur at gradually increasing temperature from one carrier to the next at a simultaneous application of the same or nearly the same magnetic fields. This provides an opportunity for multi-stage heat transfer with a consequent expansion of the heating area, as a number of individual heat pumps are placed one after the other, e.g. as shown in fig. 2. Here, each of the four stages is carried out identically to the apparatus according to fig. 1.

Ved apparatet ifolge fig. 2 antas det at varmekilden med'den laveste temperatur er den ovre plate 8, og varmeopptageren med den hbyeste temperatur er den nedre plate 9; De enkelte, trinn er betegnet med A, B, C og D, og deres bærere har progressivt bkende overgangstemperaturer betraktet nedenfra og opp ved hensiktsmessig valg av de enkelte komposisjoner. Det viste seg at det praktisk var mulig å oppnå et i det vesentlige kontinuerlig spektrum i over-gangstemperatur-nivået fra 3 - 5° c fra trinn til trinn ved en omhyggelig innstilling av analysen for de individuelle kvat er nære komposisjoner beskrevet ovenfor, således at en påtrykning av i det vesentlige samme magnetiske felt ved hjelp av de tilhbrende spoler vil bevirke en overforing av varme fra et hbyere til det neste In the case of the apparatus according to fig. 2 it is assumed that the heat source with the lowest temperature is the upper plate 8, and the heat sink with the highest temperature is the lower plate 9; The individual stages are denoted by A, B, C and D, and their carriers have progressively increasing transition temperatures considered from the bottom up by appropriate selection of the individual compositions. It turned out that it was practically possible to obtain an essentially continuous spectrum in the transition temperature level from 3 - 5° c from step to step by carefully setting the analysis for the individual quaternary close compositions described above, so that an application of essentially the same magnetic field by means of the associated coils will cause a transfer of heat from one heater to the next

lavere trinn. Under disse forhold kan alle spoler være forbundet i serie, men i visse tilfelle kan det også være hensiktsmessig for fleksibilitetens skyld å tilpasse feltene til overgang stemperatu-,rene ved åt spolene tilfores strbm individuelt. Bærerne i de enkelte trinn kan heves på magnetisk vei samtidig eller i en eller annen rekkefblge som kan vise seg hensiktsmessig, da de enkelte plater virker som midlertidige varmereservoarer med tilstrekkelig kapasitet, således at der ikke foreligger noen kritiske forhold. lower step. Under these conditions, all coils can be connected in series, but in certain cases it may also be appropriate for the sake of flexibility to adapt the fields to the transition temperatures by feeding the coils individually with strbm. The carriers in the individual stages can be raised magnetically at the same time or in some sequence that may prove appropriate, as the individual plates act as temporary heat reservoirs with sufficient capacity, so that there are no critical conditions.

Ved den på flg. h viste utfdrelse ble der anvendt sta-sjonære varmereservoarer og bevegelige bærere. Varmepumplng kan imidlertid også oppnås ved å bevege en væskekomponent tilhdrende reservoaret i forhold til bæreren, og en sådan måte skal beskrives under henvisning til fig. 3 som er et ett-trinns arrangement. Her utgjor væskekomponentene to flytende medier som har hver sin Individuelle sirkulasjonskrets; væskene pumpes i rekkefolge gjennom en ubevegelig bærermasse 12 i tidsfaser som er samordnet med på-trykningen av det magnetiske felt som frembringer overgangen, således at den forste av væskene avkjdles, dvs. virker som varmekilde eller -giver, og den annen oppvarmes, dvs. virker som varmeopptager, hvilket foregår avvekslende. In the case of the development shown in h, stationary heat reservoirs and movable carriers were used. However, heat pumping can also be achieved by moving a liquid component belonging to the reservoir in relation to the carrier, and such a method shall be described with reference to fig. 3 which is a one-step arrangement. Here, the liquid components form two liquid media that each have their own individual circulation circuit; the liquids are pumped in sequence through an immobile carrier mass 12 in time phases which are coordinated with the application of the magnetic field which produces the transition, so that the first of the liquids is cooled, i.e. acts as a heat source or source, and the second is heated, i.e. acts as a heat sink, which takes place alternately.

Som særlig vist på fig.<*>f utgjdres bæreren 12 av en gra-nulert masse som kan være av kornstdrrelsen k masker/cm og som befinner seg i en beholder 1<*>+ som i det minste for toppens og bunnens vedkommende er utfort av blikkmateriale for å kunne anbringes tett inntil og i kontakt med de motstående polflater av en elektromagnet 15, se også fig. 3 og 5. Risten 16 og 17 i hver ende av beholderen 1*+ tjener til å holde den granulerte masse i stilling og samtidig tillate fri passasje av væsker gjennom beholderen. De i hver ende av beholderen anordnede åpninger 18 og 20 er forbundet med hver sin tre-veis ventil 19 henholdsvis 21. As particularly shown in fig.<*>f, the carrier 12 is made of a granulated mass which can be of the grain size k mesh/cm and which is located in a container 1<*>+ which, at least for the top and bottom, is made of tin material in order to be placed close to and in contact with the opposite pole faces of an electromagnet 15, see also fig. 3 and 5. The grating 16 and 17 at each end of the container 1*+ serves to keep the granulated mass in position and at the same time allow free passage of liquids through the container. The openings 18 and 20 arranged at each end of the container are each connected to a three-way valve 19 and 21, respectively.

"Kulde"-reservoaret (varmeavgiveren) 2h, dvs. den beholder som inneholder den kalde væske, tilfores denne væske fra beholderen lk gjennom ventilen 19 ved hjelp av en pumpe 27 som leder væsken til forrådet gjennom roret 28. I det samme tids-intervall er kulde-reservoaret 2h i åpen forbindelse med beholderen lk gjennom ventilen 21 og åpningen 20, således at væsken sir-kulerer gjennom beholderen lh. På lignende måte tilfores "varme"-reservoaret (varmemottageren) 29, dvs. det reservoar som lagrer varm væske, sådan fra beholderen l*f i retning gjennom ventilen 21 ved hjelp av en pumpe 30, hvis utgang er forbundet med et ror 31»denne væske resirkuleres til beholderen lh gjennom den ovre passasje i ventilen 19 og åpningen 18 når disse deler er forbundet med hinannen den påfdlgende annen halve arbeidssyklus. The "cold" reservoir (heat emitter) 2h, i.e. the container containing the cold liquid, is supplied with this liquid from the container 1k through the valve 19 by means of a pump 27 which leads the liquid to the storage through the rudder 28. In the same time interval the cold reservoir 2h is in open connection with the container lk through the valve 21 and the opening 20, so that the liquid circulates through the container lh. In a similar way, the "heat" reservoir (heat receiver) 29, i.e. the reservoir that stores hot liquid, is supplied as such from the container l*f in the direction through the valve 21 by means of a pump 30, the output of which is connected to a rudder 31»this liquid is recirculated to the container lh through the upper passage in the valve 19 and the opening 18 when these parts are connected to each other in the following second half work cycle.

Den elektriske krets for anordningen ifolge fig. 3 er meget enkel og omfatter to spoler 33 og 3^ som er forbundet i serie og lagt rundt hver sin pol 15; spolene er innskutt i en likestrdm-krets, hvis bilde er angitt som et batteri 35. I kretsen ligger en vanlig én-polet bryter 36 som sluttes og åpnes avvekslende i forut fastlagte intervaller, styrt av en tidsstyring 37 synkront ved dreiningen av ventilenes 19 og 21 ventillegemer fra den stilling som er vist på fig. 3 til den motsatte stilling, som angitt med strekede linjer. The electrical circuit for the device according to fig. 3 is very simple and comprises two coils 33 and 3^ which are connected in series and placed around each pole 15; the coils are inserted into a direct current circuit, the image of which is indicated as a battery 35. In the circuit there is an ordinary one-pole switch 36 which is closed and opened alternately at predetermined intervals, controlled by a timer 37 synchronously with the rotation of the valves 19 and 21 valve bodies from the position shown in fig. 3 to the opposite position, as indicated by dashed lines.

Med de to ventiler 19 og 21 innstilt som vist på fig. 3 vil bæreren 12, straks den utsettes for et tilstrekkelig sterkt magnetisk felt ved at strbmmen gjennom spolene 33 og 3^ sluttes, passere gjennom overgangen; i lbpet av en viss tid vil dets temperatur synke så meget at den uttar varme fra den væske som sirku-lerer i kjblekretsen ved hjelp av pumpen 27. Etter en viss tid som er tilstrekkelig til å tilveiebringe en tilnærmet termisk likevekt mellom væsken og bæreren, kobles strbmmen ut og bæreren 12 passerer tilbake til sin annen tilstand, således at dens temperatur oker. Med ventilene 19 og 21 i motsatt stilling til den som er vist på fig. 3, vil pumpen 30 trekke varm væske fra beholderen 29 forbi bæreren 12 og gjennom ventilen 21 og returledningen 31 og derunder trekke varme ut av bæreren. Etter en viss tid bringes atter væsken i beholderen 2h til å sirkulere og hele syklusen gjentas, idet der uttas varme fra den kolde væske og tilfores varme til den varme væske i avvekslende tidsintervaller. With the two valves 19 and 21 set as shown in fig. 3, the carrier 12, as soon as it is exposed to a sufficiently strong magnetic field when the current through the coils 33 and 3^ is closed, will pass through the transition; in the course of a certain time, its temperature will drop so much that it extracts heat from the liquid circulating in the coil circuit by means of the pump 27. After a certain time which is sufficient to provide an approximate thermal equilibrium between the liquid and the carrier, the current is switched off and the carrier 12 passes back to its other state, so that its temperature increases. With the valves 19 and 21 in the opposite position to that shown in fig. 3, the pump 30 will draw hot liquid from the container 29 past the carrier 12 and through the valve 21 and the return line 31 and underneath draw heat out of the carrier. After a certain time, the liquid in the container 2h is brought to circulate again and the whole cycle is repeated, heat is extracted from the cold liquid and heat is added to the hot liquid at alternating time intervals.

Utfbrelsen ifolge fig. 3-5 arbeider intermittentThe design according to fig. 3-5 work intermittently

hva angår det kalde reservoar på den ene side og det varme reservoar på den annen side. Hvis der imidlertid anvendes to adskilte bærere som er anordnet parallelt og med avvekslende omkobling av styreventilene, kan anordningen bringes til å arbeide kontinuerlig, idet én bærer uttar varme samtidig som den annen leverer varme. as regards the cold reservoir on the one hand and the hot reservoir on the other. If, however, two separate carriers are used which are arranged in parallel and with alternating switching of the control valves, the device can be made to work continuously, with one carrier taking heat at the same time as the other supplies heat.

Utfbrelsen ifolge fig. 3-5 egner seg særlig for ett-trinns varmeoverforing, selvom det også er mulig å anvende anordningen i en kaskadekobling på samme måte som vist på fig. 2, hvis det er bnskelig å oppnå et flertrinns arbeide. I sistnevnte tilfelle kan man imidlertid oppnå et noe enklere system ved å an-ordne en enkel reversibel pumpe og fore væsken frem og tilbake gjennom beholderen som inneholder bæreren, for på denne måte å akkumulere væsken i varme- og kulde-reservoarene anordnet ved hver ende av beholderen 12. Reservoarene kan være forsynt med rbrslbyfer som tar ut varme for å muliggjbre en indirekte varmeutveksling både i avkjblende og oppvarmende retning i forhold til væsken i sirkulasjonskretsen. For å opprettholde et skarpt skille mellom den kalde og den varme væske, kan der anvendes to ikke-blandbare væsker samtidig, av hvilke den ene anvendes til varmeutveksling og den annen til kjoleutveksling; disse væsker er tilstede i til-strekkelige mengder til å sikre et stort, nok forråd for varmeoverforing under hver halvperiode av arbeidssyklusen. The design according to fig. 3-5 is particularly suitable for one-stage heat transfer, although it is also possible to use the device in a cascade connection in the same way as shown in fig. 2, if it is desirable to achieve a multi-stage operation. In the latter case, however, a somewhat simpler system can be achieved by arranging a simple reversible pump and passing the liquid back and forth through the container containing the carrier, in this way accumulating the liquid in the heat and cold reservoirs arranged at each end of the container 12. The reservoirs can be provided with friction tubes that remove heat to enable an indirect heat exchange both in the cooling and heating direction in relation to the liquid in the circulation circuit. In order to maintain a sharp distinction between the cold and the hot liquid, two immiscible liquids can be used at the same time, one of which is used for heat exchange and the other for clothing exchange; these fluids are present in sufficient quantities to ensure a large enough supply for heat transfer during each half period of the duty cycle.

Det er også mulig å oppnå en trinnvirkning ved hjelp av en eneste bærer som varierer progressivt med hensyn til sammenset-ningen sett i bærerens lengderetning, på en måte som tilsvarer en overgang i forhold til temperatur under virkningen av enten et eneste magnetisk felt eller en rekke forskjellige felter som er fordelt langs bæreren, således at det totale varmeoverforingsområde utvides tilsvarende. It is also possible to achieve a step effect by means of a single support which varies progressively with respect to the composition seen in the longitudinal direction of the support, in a manner corresponding to a transition in relation to temperature under the action of either a single magnetic field or a series of different fields which are distributed along the carrier, so that the total heat transfer area is expanded accordingly.

Claims

1. Process for the transfer of heat using a working medium which is intermittently exposed to the effect of a magnetic field and thereby changes its internal energy, characterized in that a magnetic working medium (1) is used which is under the influence of an external magnetic field which is switched on and out, undergoes, within a certain temperature range, a first-order transition from a solid state phase to another solid state phase by a simultaneous change in its internal energy, as the saturation induction changes abruptly within the transition range by changing the temperature, and in conjunction with that the working medium's (1) temperature either decreases when one state phase is reached, or increases when the other state phase is reached, and that a heat source (^, 8) and a heat sink (5, 9) in turn and time-coordinated with the state phase transitions are brought into a heat-transferring relationship with the working medium for to effect the transfer of heat to and from the magnetic working medium.

2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized by a combination of a heat transfer medium consisting of a substance that exhibits a first-order transition from one solid state phase to another solid state phase with accompanying change of the internal energy content under influence of a magnetic field, a heat source which is arranged to maintain a certain higher temperature in relation to the carrier when it is in the first solid state phase, a heat collector which is arranged to maintain a certain lower temperature in relation to the carrier when it is in the second solid state phase, means which can place the carrier under a magnetic field, so that the carrier is caused to undergo the state phase transition of the first order, and means which are time-coordinated in relation to this state phase transition to selectively and successively bring the carrier and the heat source into heat transfer relationship with each other when the carrier is in the first solid state phase, and the carrier and heat sink when the carrier is in the second solid state phase.