PT1702183E - Dispositivo de geração de fluxo térmico com material magnetocalórico - Google Patents

Description

Descrição

Dispositivo de geração de fluxo térmico com material magnetocalórico

Campo técnico A presente invenção diz respeito a um dispositivo de geração de fluxo térmico com material magnetocalórico que compreende pelo menos uma unidade de geração de fluxo térmico provido de pelo menos dois órgãos térmicos que contêm cada um pelo menos um elemento magnetocalórico, meios magnéticos ajustados para emitir pelo menos um campo magnético, meios de deslocação acoplados aos meios magnéticos para os deslocar em relação aos elementos magnetocalóricos afim de os submeter a uma variação ou a uma anulação do campo magnético, de maneira a fazer variar a sua temperatura e meios de recuperação das calorias e/ou frigorias emitidas por esses elementos magnetocalóricos. Técnica antecedente

Os dispositivos convencionais de geração do frio compreendem habitualmente um compressor para comprimir um fluído refrigerante afim de elevar a sua temperatura e meios de expansão para descomprimir esse fluído refrigerante afim de arrefecer de maneira adiabática. Esses dispositivos convencionais dão origem a múltiplos inconvenientes. Com efeito, os gases tais como os CFC (clorofluorocarbonados) correntemente utilizados como fluído refrigerante, são extremamente poluentes e a sua utilização compreende riscos importantes de poluição atmosférica e de destruição da camada de ozono. Por isso, esses gases não correspondem mais às exigências actuais nem 1/24 às normas de vários países em matéria de ambiente. Além disso, esses aparelhos convencionais que funcionam sob pressão impõem que a sua instalação e manutenção seja efectuada por pessoal qualificado e certificado, devendo seguir os procedimentos incómodos cujo desenvolvimento necessita de períodos de tempo de intervenção longos e repetidos. Por fim, esses aparelhos convencionais são ruidosos, geram numerosas vibrações, são incómodos, complexos e são grandes consumidores de energia eléctrica. Por conseguinte, esses dispositivos convencionais não são satisfatórios.

Os esforços de procura permitiram identificar as matérias magnetocalóricas podendo ser utilizadas nas instalações de temperamento e/ou de arrefecimento. 0 efeito magnetocalórico é a propriedade que certos materiais possuem de aquecimento sob o efeito de um campo magnético e de se arrefecer a uma temperatura inferior à sua temperatura inicial após o desaparecimento do campo magnético ou a seguir a uma variação desse campo magnético.

Uma primeira tecnologia, baseada na utilização de conjuntos magnéticos com supracondutores de grande tamanho, é utilizada nos laboratórios e no domínio da pesquisa nuclear para atingir as temperaturas próximas do zero absoluto. É conhecida em particular, a Patente US-A-4.674.288 que descreve um dispositivo de liquefacção de hélio que compreende uma substância magnetizável móvel num campo magnético gerado por uma bobine supracondutora e um reservatório que contém hélio e em condução térmica com a dita bobine supracondutora. O movimento de translação da substância magnetizável gerada do frio, é transmitido a hélio por intermédio de elementos condutores. A utilização 2/24 de material supracondutor necessita das instalações de arrefecimento com o azoto liquido, volumosos, dispendiosos e que requerem operações de manutenção delicadas. Esses dispositivos são complexos e não podem ser utilizados senão pelas aplicações limitadas. Essa solução não é por conseguinte satisfatória. A publicação FR-A-2525748 tem por objecto um dispositivo de refrigeração magnético que compreende uma matéria magnetizável, um sistema de geração de um campo magnético variável e meios de transferência do calor e do frio que compreendem uma câmara cheia de um refrigerante liquido saturado. Numa primeira posição, a matéria magnetizável gerada do frio e os meios de transferência de frio, extrai o frio da matéria magnetizável pela condensação de um refrigerante. Numa segunda posição, a matéria magnetizável gera calor e os meios de transferência de calor extraem o calor da matéria magnetizável por ebulição ou por aquecimento de um outro refrigerante. A eficácia global de tais sistemas é extremamente fraca e não pode rivalizar com os sistemas de refrigeração actuais em termos de rendimento. Por conseguinte, essa solução não é economicamente satisfatória.

Estudos conduzidos nos Estados Unidos da América permitiram pôr a funcionar um novo procedimento de geração de fluxo térmico utilizando um material magnetocalórico. De passagem à frente do campo magnético, os momentos magnéticos do material magnetocalórico alinham-se, o que provoca uma reestruturação dos átomos que geram o aquecimento do material magnetocalórico. Fora do campo magnético, o processo é inverso e o material magnetocalórico arrefece até atingir uma temperatura inferior à sua temperatura inicial. Um primeiro material à base de gadolinio foi 3/24 desenvolvido. Esse material, eficaz à temperatura ambiente, apresenta o inconveniente de ser dispendioso e difícil de obter para essa aplicação. Ligas menos onerosas e mais fáceis de obter, estão actualmente em estudo.

Uma equipa de pesquisadores americanos desenvolveram e colocaram em funcionamento um protótipo que permite validar os resultados teóricos das pesquisas do gadolínio. Esse protótipo compreende um disco formado de sectores que compreendem uma liga de gadolínio. 0 disco é dirigido em rotação contínua à volta do seu eixo de maneira a fazer desfiar os seus sectores num campo magnético criado por um íman permanente fixo. Esse íman permanente cruza os sectores do disco. Em frente do íman permanente, o disco passa num bloco de transferência térmica que compreende um circuito de fluído portador de calor destinado a transportar as calorias e/ou as frigorias geradas pelo gadolínio, submetido alternativamente à presença e à ausência do campo magnético. 0 bloco de transferência térmica pode ser concebido de duas maneiras. De acordo com uma primeira forma de realização, o bloco de transferência térmica é dita "às cegas", e o circuito atravessa-o sem que o fluído portador de calor não esteja em contacto directo com o disco. Nesse primeiro caso, o rendimento das mudanças térmicas é muito fraco e o dispositivo energicamente não rentável. De acordo com uma segunda forma de realização, o bloco de transferência térmica compreende orifícios de entrada e de saída desembocando no disco em rotação e permitindo ao fluído portador de calor de entrar em contacto com o disco. Nesse segundo caso, é muito difícil, mesmo utilizando juntas giratórias, de assegurar a impermeabilidade entre o disco e o bloco de transferência térmica sem penalizar o rendimento 4/24 global do dispositivo. Por conseguinte, essa solução não é satisfatória. A publicação WO-AA-03/050456 descreve igualmente um dispositivo de refrigeração magnética com material magnetocalórico similar utilizando dois imanes permanentes. Esse dispositivo compreende um monobloco anular fechado delimitando doze compartimentos magnetocalóricos separados por juntas e recebendo cada um do gadolinio sob forma porosa. Cada compartimento é provido no mínimo de quatro orifícios cujos orifícios de entrada e orifício de saída ligados com um circuito quente e um orifício de entrada e um orifício de saída são ligados a um circuito frio. Os dois imanes permanentes são animados de um movimento de rotação contínua de maneira a que eles limpem sucessivamente os diferentes compartimentos magnetocalóricos fixos submetendo-os sucessivamente a um campo magnético diferente. As calorias e/ou frigorias emitidas pelo gadolinio dos diferentes compartimentos são guiadas para os permutadores de calor pelos circuitos quente e frio de fluído portador de calor aos quais esses são sucessivamente unidos por intermédio de juntas giratórias, cuja rotação é acoplada por uma ou várias correias no eixo de transporte em rotação contínua dos dois imanes. Assim, o tubo de fluído portador de calor que atravessa os compartimentos magnetocalóricos fixos, é sucessivamente unido nos circuitos quente e frio através de juntas rotativas. Esse dispositivo, que simula assim o funcionamento de uma anilha líquida, necessita de uma rotação contínua e em sincronia precisa de diferentes juntas rotativas e imanes permanentes, o restituidor tecnicamente difícil e dispendioso de realizar. 0 seu princípio de funcionamento contínuo torna as suas perspectivas de evolução técnica muito limitadas. Além 5/24 disso, a construção desse dispositivo não permite a utilização de um número superior de compartimentos magnetocalóricos sem o tornar economicamente não rentável e tecnicamente não fiável. Por fim, a utilização de juntas rotativas não permite garantir uma boa impermeabilidade e reduz a durabilidade de vida desse dispositivo. A publicação FR-A-2601440 descreve um aparelho e um processo de refrigeração magnéticos que utilizam uma substância magnetocalórica que se apresenta sob a forma de um disco magnetocalórico, móvel em rotação em relação a uma anilha magnética fixa que gera o campo magnético. 0 disco magnetocalórico sendo móvel em rotação, é dificil garantir a impermeabilidade entre os tubos que transportam o fluído portador de calor e os circuitos térmicos quente e frio externos que são fixos. A publicação XP 002047554 intitulada "rotary recuperative magnetic heat pump" descreve uma bomba de calor que compreende um rotor magnético fixo e discos magnetocalóricos móveis de pouca espessura que compreende um material magnetocalórico tal como o Gadolínio. A variação do campo magnético é obtida pela rotação contínua ou alternativa dos discos magnetocalóricos. Nesse caso, o funcionamento é similar ao anterior e apresenta os mesmos inconvenientes.

Exposição da invenção A presente invenção propõe-se atenuar esses inconvenientes oferecendo um dispositivo de geração de fluxo térmico não poluente, eficaz, fiável, de simples concepção, podendo aceitar um número importante de órgãos térmicos, evolutivo, flexível, modular, pouco onoroso, cujas operações de 6/24 instalação e de manutenção podem ser realizadas por pessoal sem qualificação especifica, consumidor fiável de energia eléctrica, cujo volume é optimizado, tendo um bom rendimento, não necessitando que uma quantidade limitada de material magnetocalórico e podendo ser utilizadas as instalações industriais de grande escala assim como para aplicações domésticas.

Nesse termo, a invenção diz respeito a um dispositivo de geração de fluxo térmico com material magnetocalórico do género indicado no preâmbulo, caracterizado pelo facto de que os meios de deslocação são alternativos e ajustados para deslocar os meios magnéticos em relação aos elementos magnetocalóricos de acordo com um movimento alternativo que pode ser escolhido no grupo que compreende pelo menos uma rotação, uma rotação combinada a uma translação tal como um movimento helicoidal, uma translação rectilinea, circular, sinusoidal ou seguindo uma outra trajectória adaptada.

De acordo com uma forma de realização preferida, os meios de recuperação compreendem pelo menos um circuito de fluido portador de calor, meios de circulação desse fluido portador de calor no ou nos circuitos e meios de evacuação das calorias e/ou frigorias recuperadas pelo ou fluidos portadores de calor, o circuito compreendendo pelo menos duas zonas de transferência situadas cada uma no ambiente imediato de um dos elementos magnetocalóricos e ajustados para que o fluido portador de calor recupere pelo menos em parte as calorias e/ou frigorias emitidas pelo elemento magnetocalórico correspondente.

Os meios de recuperação podem compreender meios de inversão do sentido de circulação do fluido portador de calor no circuito de fluido portador de calor. 7/24

Os meios de recuperação compreendem de preferência pelo menos dois circuitos de fluido portador de calor em que pelo menos um "circuito quente" para as calorias e pelo menos um "circuito frio" para as frigorias e os meios de comutação ajustados para unir alternativamente cada zona de transferência a um ou outro circuito de fluído portador de calor.

De maneira vantajosa, o dispositivo compreende meios de sincronização ajustados para sincronizar os meios de deslocação alternativos aos meios de comutação de maneira a que, de acordo com o campo magnético ao qual é submetido cada elemento magnetocalórico, a zona de transferência correspondente é ligada a uma ou outra dos circuitos de fluído portador de calor. 0 elemento magnetocalórico compreende vantajosamente pelo menos um dos materiais magnetocalóricos escolhidos do grupo que compreende pelo menos o gadolínio (Gd) , uma liga de gadolínio que compreende pelo menos um dos materiais escolhidos do grupo que compreende pelo menos o silício (Si), o germânio (Ge), o ferro (Fe), o magnésio (Mg), o fósforo (P) , o arsénico (As), o material magnetocalórico apresentando-se sob uma das formas escolhidas do grupo que compreende um bloco, uma pastilha, pó, um aglomerado de pedaços. A utilização de matérias magnetocalóricas tem gamas de temperaturas diferentes que permitem obter uma vasta gama de potências e de temperaturas.

Cada órgão térmico é vantajosamente pelo menos em parte, realizado num material condutor escolhido pela sua boa condução térmica e escolhido do grupo que compreende pelo menos o cobre, as ligas de cobre, o alumínio, as ligas de 8/24 alumínio, os aços, as ligas de aço, os inoxidáveis e as ligas inoxidáveis.

De maneira preferencial, pelo menos um dos órgãos térmicos compreende pelo menos um tubo que atravessa provido de pelo menos um orifício de entrada e de pelo menos um orifício de saída unidos no circuito do fluído portador de calor, o tubo que atravessa definindo a zona de transferência correspondente.

De maneira particularmente vantajosa, pelo menos um dos órgãos térmicos compreende um tubo que atravessa único provido de um orifício de entrada única e de um orifício de saída única unido no circuito, o tubo que atravessa definindo a zona de transferência correspondente.

Os meios magnéticos compreendem de preferência pelo menos um elemento magnético provido de pelo menos um íman permanente.

Esse elemento magnético pode compreender pelo menos um material magnetizável ajustado para concentrar e dirigir as linhas de campo do íman permanente, esse material magnetizável sendo escolhido do grupo que compreende pelo menos o ferro (Fe), o cobalto (Co), o ferro macio, o vanádio (V), ou uma união desses materiais. 0 elemento magnético tem de preferência uma forma em U ou em C, ajustado para receber entre as suas nervuras e de maneira alternativa o elemento magnetocalórico. Em função do campo magnético a gerar, a forma do elemento magnético poderá ser diferente e optimizado. 9/24

Os órgãos térmicos são vantajosamente independentes e separados por pelo menos um elemento termicamente isolador escolhido do grupo que compreende pelo menos um espaço, um material isolador. Pode igualmente compreender vários elementos magnéticos portes por um suporte acoplado aos meios de deslocação alternativos.

De acordo com uma primeira forma de realização, o suporte é sensivelmente circular e definido pelo menos uma anilha montada em rotação alternativamente sobre o seu eixo, essa anilha compreendendo radialmente os meios magnéticos, os órgãos térmicos definindo sectores circulares sensivelmente dispostos em circulo de maneira consecutiva para poderem ser cruzados livremente pelos meios magnéticos.

Nessa configuração, os meios magnéticos podem ser orientados de maneira que as ranhuras das formas em u ou em C sejam sensivelmente paralelas ou perpendiculares ao eixo de rotação da anilha e, os órgãos térmicos podem ser orientados respectivamente e sensivelmente paralelamente ou perpendicularmente ao eixo de rotação do suporte.

De acordo com uma segunda forma de realização, o suporte é sensivelmente rectilíneo e define pelo menos uma barra, móvel em translação rectilínea alternativa, a barra compreendendo os meios magnéticos, e os órgãos térmicos sendo suportados por pelo menos um quadro rodeando a barra e sensivelmente dispostos em linha para serem cruzados livremente pelos meios magnéticos.

Nessa configuração, os meios magnéticos podem ser dispostos em quincôncio de um lado e de outro da barra para definir duas fileiras e o quadro pode compreender duas séries de 10/24 órgãos térmicos em que cada um corresponde aos meios magnéticos de uma das fileiras.

Uma parte dos órgãos térmicos é vantajosamente suportada por pelo menos uma platina que compreende pelo menos orifícios de comunicação para a passagem do fluído portador de calor para o circuito de fluído portador de calor.

Os meios de circulação são escolhidos vantajosamente no grupo que compreende pelo menos uma bomba, um circulador, uma circulação por termosifão. Os meios de evacuação compreendem de preferência pelo menos dois permutadores em que pelo menos um permutador de calorias ligado ao "circuito quente" e pelo menos um permutador de frigorias ligado ao "circuito frio".

Os meios de transporte alternativos podem ser escolhidos do grupo que compreende pelo menos um motor, um cilindro hidráulico, um mecanismo de mola, um aerogerador, um electroíman, um hidrogerador. 0 dispositivo compreende vantajosamente várias unidades de geração de fluxo térmico unida em série, em paralelo ou de acordo com uma combinação série-paralelo.

Descrição sumária dos desenhos: A presente invenção e as suas vantagens serão melhor compreendidas na descrição seguinte de vários modos de realização dados a título de exemplos não limitativos com referência aos desenhos em anexo, nos quais: 11/24 - a figura 1 é uma vista em perspectiva explodida de um dispositivo da invenção de acordo com um primeiro modo de realização, - a figura 2 é uma vista em corte lateral de um órgão térmico do fluido portador de calor do dispositivo da figura 1, - as figuras 3A-B são vistas em perspectiva respectivamente debaixo e de cima do dispositivo da figura 1, - as figuras 4A-C são respectivamente vistas em perspectiva explodidas, de cima e de debaixo de um dispositivo da invenção de acordo com um segundo modo de realização, - As figuras 5A-C são vistas em perspectiva respectivamente explodidas e não explodidas de um dispositivo da invenção de acordo com duas etapas de funcionamento de um terceiro modo de realização, e - as figuras 6A-B são esquemas que ilustram de maneira simplificada o modo de funcionamento de um dispositivo de acordo com a invenção.

Modo mais indicado de realizar a invenção

Com referência às figuras 1,2,3A-B, e de acordo com um primeiro modo de realização da invenção, o dispositivo 1 de geração de fluxo térmico com material magnetocalórico, chamado na continuação da descrição "o dispositivo", compreende uma unidade de geração de fluxo térmico 10 provido de doze órgãos térmicos 11 que definem cada um dos sectores circulares. Cada órgão térmico 11 forma um elemento mecânico independentemente adaptável de acordo com 12/24 as necessidades. Esses órgãos térmicos 11 são dispostos de maneira consecutiva para formar sensivelmente um circulo e são separados dois a dois por um ou vários elementos termicamente isoladores tal como por exemplo um espaço J, um material isolador ou um outro meio equivalente.

Os órgãos térmicos 11 contêm um elemento magnetocalórico 12 realizado em material magnetocalórico tal como por exemplo gadolínio (Gd), uma liga de gadolinio que compreende por exemplo o silício (Si), o germânio (Ge), o ferro (Fe), o magnésio (Mg), o fósforo (P) , o arsénico (As), ou outro material ou liga magnetizável equivalente. A escolha entre os materiais magnetocalóricos faz-se em função das potências calóricas e frigoríficas pesquisadas e gamas de temperaturas necessárias. Do mesmo modo, a quantidade de material magnetocalórico utilizado no órgão térmico 11, depende das potências calórica e frigorifica instaladas, da gama de temperaturas de funcionamento, da força instalada do campo magnético e da natureza mesmo do material magnetocalórico. Para informação, é por exemplo possível obter 160 watts frigoríficos com 1 kg de gadolínio, um campo magnético de 1,5 Tesla, uma gama de temperatura de 33°C e um ciclo de 4 segundos, esse ciclo compreendendo as fases sucessivas de exposição ao campo magnético e de não exposição.

Nesse exemplo, o elemento magnetocalórico 12 apresenta-se sobre a forma de um sector circular e cada órgão térmico 11 compreende um elemento termicamente condutor 13 que prolonga lateralmente o elemento magnetocalórico 12. O elemento termicamente condutor 13 é realizado num material condutor escolhido pela sua boa condução térmica tal como por exemplo o cobre, as ligas de cobre, o alumínio, as ligas de alumínio, os aços, as ligas de aço, os 13/24 inoxidáveis, as ligas de inoxidáveis, ou outro material equivalente. Assim, no momento em que o elemento magnetocalórico 12 se aquece ou arrefece sob o efeito da variação do campo magnético, transmite uma parte dessas calorias ou frigorias ao elemento termicamente condutor 13 que aquece ou arrefece rapidamente, aumentando igualmente a capacidade de absorção térmica do órgão térmico 11. A geometria dos órgãos térmicos 11 favorece desta forma uma grande superfície de contacto com os elementos magnéticos 103 descritos mais adiante. De maneira geral, o material magnetocalórico pode se apresentar sob a forma de um bloco, uma pastilha, pó, um aglomerado de pedaços ou outra forma adaptada. O elemento magnetocalórico 12 pode compreender vários materiais magnetocalóricos, por exemplo várias placas dispostas lado a lado.

Cada órgão térmico 11 compreende uma zona de transferência 14 atravessada pelo fluido portador de calor a aquecer ou a arrefecer. Essa zona de transferência 14, ilustrada pela figura 2A, é formada por um tubo que atravessa e desemboca do mesmo lado, nesse exemplo, sobre uma parede 15 sensivelmente plana do órgão térmico 11 por um orifício de entrada 16 e por um orifício de saída 17. É bem possível prever que para o total ou partes dos órgãos térmicos 11, os orifícios de entrada 16 e de saída 17 são repartidos em dois, até mesmo sobre um número superior de paredes 15, essas paredes 15 sendo planas ou não.

Os órgãos térmicos 11 são afixados, em apoio na sua parede 15 que compreendem os orifícios de entrada 16 e de saída 17, numa platina 18 realizada num material mecanicamente rígido. Em frente da platina 18, os órgãos térmicos 11 são providos de suportes 11' que aumentam a sua secção para facilitar a sua montagem na platina 18 e melhorar as 14/24 mudanças térmicas com o fluído portador de calor. A platina 18 e os órgãos térmicos 11 são separados por uma junta térmica 19. Essa junta térmica 19 e a platina 18 compreendem orifícios de comunicação 100 que permitem a passagem do fluído portador de calor. Os orifícios de comunicação 100 são providos de uniões (não representados) para unir os orifícios de entrada 16 e de saída 17 das zonas de transferência 14 dos diferentes órgãos térmicos 11 a um ou vários circuitos externos providos de permutadores térmicos, não representados nessas figuras. Esses circuitos externos são por exemplo formados por tubos rígidos ou flexíveis cheios cada um com um fluído portador de calor idêntico ou diferente. O ou os circuitos externos e as zonas de transferência 14 definem o ou os circuitos de fluído portador de calor.

Cada circuito de fluído portador de calor compreende meios de circulação forçada ou livre do fluído portador de calor, não representadas nessas figuras, tais como por exemplo uma bomba, ou outro meio equivalente. A composição química do fluído portador de calor é adaptada à gama de temperaturas requeridas e escolhidas para obter uma mudança térmica máxima. Será por exemplo utilizado água pura para temperaturas positivas e água adicionada de anticongelante, por exemplo um produto baseado em glicol, para temperaturas negativas. Esse dispositivo 1 permite desta forma libertar a utilização de todo o fluído corrosivo ou nocivo para o homem e/ou o seu ambiente. Cada circuito de fluído portador de calor é por outro lado provido de meios de evacuação, não representados nessas figuras, tais como por exemplo permutadores ou outro meio equivalente que permita a difusão das calorias e frigorias. 15/24

Os meios magnéticos 102 do dispositivo 1 compreendem elementos magnéticos 103 providos cada um de vários imanes permanentes amplos, fritos ou folhados, associados a um ou vários materiais magnetizáveis que concentram e dirigem as linhas de campo magnético do iman permanente. Os materiais magnetizáveis podem conter o ferro (Fe), o cobalto (Co), o ferro macio, o vanádio (V) , uma união desses materiais ou outro material equivalente. Por outro lado, é bem entendido que outro tipo de iman equivalente tal como um electroiman, um supracondutor pode ser utilizado. Contudo, o iman permanente apresenta certas vantagens em termos de dimensionamento, de simplicidade de utilização, fraco consumo de energia eléctrica e pouco custo.

Os elementos magnéticos 103 são suportados por um suporte 104 móvel. Nesse exemplo, o dispositivo 1 compreende seis elementos magnéticos 103 dispostos sensivelmente em circulos, de maneira consecutiva, e distantes dois a dois de um intervalo I. Esses elementos magnéticos 103 têm uma forma em U ou em C cujo afastamento das nervuras permite a passagem livre dos órgãos térmicos 11. Os elementos magnéticos 103 são fixos radialmente a um suporte sensivelmente circular definindo uma anilha 104. Essa anilha 104 é montada em rotação sobre o seu eixo entre duas posições e acoplada a meios de transporte alternativos não representados fazendo passar alternativamente a anilha 104 de uma posição à outra. Os meios de transporte alternativos são por exemplo um motor, um cilindro hidráulico, um mecanismo de mola, um aerogerador, um electroiman, um hidrogerador ou outro meio equivalente, em relação aos movimentos contínuos ou passo a passo, o movimento de rotação alternativa apresenta a vantagem de poder ser obtida por meios de transporte alternativos simples e pouco dispendiosos. Além disso, esse movimento alternativo não 16/24 necessita que duas posições de onde o funcionamento simplificado, um curso de deslocação limitada e facilmente refreável.

Os elementos magnéticos 103 são ajustados em cima de uma parte dos órgãos térmicos 11 de maneira a que esses últimos sejam cruzados e enquadrados por um lado e por outro pelas nervuras dos elementos magnéticos 103. O número de órgãos térmicos 11 sendo igual ao dobro daquele dos elementos magnéticos 103, no momento da rotação alternativa dos elementos magnéticos 103 em relação aos órgãos térmicos 11, os órgãos térmicos 11 são sucessivamente em frente ou não de um elemento magnético 103.

Nesse exemplo, os órgãos térmicos 11 são orientados sensivelmente paralelamente ao eixo de rotação, a anilha 104 e os elementos magnéticos 103 são orientados para que a sua ranhura seja sensivelmente paralela a esse mesmo eixo de rotação.

Como descrito posteriormente com referência às figuras 6A-B, o dispositivo 1 compreende meios de comutação e meios de sincronia. Desta forma, numa primeira etapa, o fluido portador de calor aquecido por um órgão térmico 11 submetido a um campo magnético circula num "circuito quente" para um permutador de calorias. Numa segunda etapa, o fluido portador de calor arrefecido pelo órgão térmico 11 submetido à ausência do campo magnético ou pela presença de um campo magnético diferente circula num "circuito frio" para um permutador de frigorias.

Essa unidade de geração de fluxo térmico 10 pode ser acoplado a outras unidades similares ou não com as quais 17/24 elas podem ser ligadas em série e/ou em paralelo e/ou uma combinação série/paralelo. 0 dispositivo 2, de acordo com um segundo modo de realização e representado pelas figuras 4A-C, é sensivelmente similar ao anterior. É diferenciado pelo facto de que os órgãos térmicos 21 são orientados sensivelmente perpendicularmente ao eixo de rotação da anilha 204 e por orientação dos meios magnéticos 203 cuja sua ranhura é sensivelmente perpendicular a esse mesmo eixo de rotação.

De acordo com um terceiro modo de realização representado pelas figuras 5A-C, o dispositivo 3 compreende duas unidades de geração de fluxo térmico 30 dispostas lado a lado e providas cada uma de doze órgãos térmicos 31 e seis elementos magnéticos 303. Esse dispositivo é representado nas figuras 5B e C em duas posições diferentes que correspondem a duas etapas de funcionamento distintas.

Os órgãos térmicos 31 são rectilineos e sensivelmente dispostos em linha segundo duas fileiras sobrepostas. A sua constituição é sensivelmente similar àquela dos anteriores. São separados dois a dois por um espaço J. Cada par de fileira de órgãos térmicos 31 é suportado por um quadro 306 sensivelmente rectilineo, as fileiras sendo repartidas por um lado e outro desse quadro numa travessa 305. O quadro 306 é realizado num material termicamente isolador e mecanicamente rigido. Os quadros 306 são fixos um ao outro por exemplo através de aparafusamento, ribetagem, clivagem, soldadura ou outro meio equivalente. Podem ser separados, entre eles e/ou em relação aos órgãos térmicos por uma junta térmica não representada. As linhas de órgãos térmicas 31 são respectivamente recobertas pelo topo e pelo 18/24 fim das platinas de união sensivelmente similares aos precedentes e não representados.

Os elementos magnéticos 303 são sensivelmente similares aos anteriores e têm igualmente uma forma de U ou C. Estão dispostos em quincôncio por um lado e outro de duas barras 304 sensivelmente rectilineas, previstas cada uma entre as duas travessas 305 do quadro 306 correspondente. Assim, os elementos magnéticos 303 definem duas fileiras de U ou C imbricando cada uma parte dos órgãos térmicos 31. As barras 304 são montadas móveis em translação rectilinea alternativa sobre os quadros 306 e acoplados aos meios de transporte alternativos não representados. Para esse efeito, as barras 304 compreendem nas suas extremidades dois dedos de orientação 307 deslizando de maneira alternativa nas orelhas de orientação 308 previstos nos quadros 306.

Como para os modos de realização anteriores, essas unidades de geração de fluxo térmico 30 podendo ser acoplados a outras unidades similares ou não, com os quais elas podem ser ligadas em série e/ou em paralelo e/ou uma combinação série/paralelo. Assim, pode-se assim realizar fases de temperaturas diferenciadas.

De acordo com outras variantes de realização não representadas, o movimento alternativo gerado pelos meios de deslocação alternativos para deslocar os meios magnéticos, pode ser uma rotação combinada a uma translação tal como um movimento helicoidal, uma translação circular, uma translação sinusoidal ou uma translação seguinte, uma outra trajectória adaptada. 19/24 0 funcionamento dos dispositivos 1-3 anteriores é descrito com referência às figuras 6A-B que esquematizam três etapas do ciclo de funcionamento. Com referência a essas figuras, o dispositivo 4 compreende dois órgãos térmicos 41a,41b, um elemento magnético 403 e dois circuitos de fluido portador de calor 410a,410b, cujo "circuito quente" 410a acoplado a um permutador de calorias 413a e um "circuito frio" 410b acoplado a um permutador de frigorias 413b. A circulação do fluido portador de calor é assegurada pelas bombas 411a, 411b, por exemplo uma bomba dupla, com várias câmaras ou várias fases. Os meios de comutação 412, permitem unir cada órgão térmico 41a, 41b, com um ou outro dos circuitos de fluido portador de calor 410a,410b, compreende pelo menos válvulas de corrediças, veios com comando eléctrico, pneumático, hidráulico ou outro meio adaptado.

No exemplo descrito, o funcionamento do dispositivo 4 pode ser dividido em três etapas entre as quais os meios de comutação 412 são usados e o campo magnético modificado. Numa outra variante de realização não representada, a circulação do fluido portador de calor é assegurada por um circulador, por termosifão ou por outro meio adaptado.

No momento da primeira etapa de arranque do ciclo (Cf. Figura 6A parcialmente), o órgão térmico 41a é unido ao "circuito quente" 410a para o intermediário dos meios de comutação 412. É submetido ao campo magnético do elemento magnético 403, aquece e transmita essas calorias ao fluido portador de calor do "circuito quente" 410a atravessando-o. As calorias são transportadas pelo "circuito quente" 410a e evacuadas pelo permutador de calorias 413a.

Para passar da primeira à segunda etapa, os meios de comutação 412 são balançados para que os órgãos térmicos 20/24 41a, 41b sejam respectivamente unidos ao "circuito frio" 410b e ao "circuito quente" 410a. Além disso, o elemento magnético 403 é deslocado para que o órgão térmico 41a não seja mais submetido ao seu campo magnético e que o órgão térmico 41b o seja.

No momento da segunda etapa do ciclo (Cf. Figura 6B) , o órgão térmico 41a que não é mais submetido ao campo magnético do elemento magnético 403, arrefece para atingir uma temperatura inferior à sua temperatura inicial e transmite as suas frigorias ao fluido portador de calor do "circuito frio" 410b que o atravessa. As frigorias são transportadas pelo "circuito frio" 410b e evacuadas pelo permutador de frigorias 413b que pode ser disposto numa cintura fria 414. Por outro lado, o órgão térmico 41b é submetido ao campo magnético do elemento magnético 403, aquece e transmite as suas calorias ao fluido portador de calor do "circuito quente" 410a que o atravessa. As calorias são transportadas pelo "circuito quente" 410a e evacuadas pelo permutador de calorias 413a.

Para passar da segunda à terceira etapa, os meios de comutação 412 são balançados para que os órgãos térmicos 41a, 41b sejam respectivamente unidos ao "circuito quente" 410a e ao "circuito frio" 410b. Além disso, o elemento magnético 403 é deslocado para que o órgão térmico 41b não seja submetido ao seu campo magnético e que o órgão térmico 41a o seja.

No momento da terceira etapa do ciclo (Cf. Figura 6A) , o órgão térmico 41a é por conseguinte unido ao "circuito quente" 410a e o órgão térmico 41b ao "circuito frio" 410b por intermédio dos meios de comutação 412. O órgão térmico 41a é submetido ao campo magnético do elemento magnético 21/24 403, aquece e transmite as suas calorias ao "circuito quente" 410a que o atravessa. As calorias são transportadas pelo "circuito quente" 410a e evacuadas pelo permutador de calorias 413a. O órqão térmico 41b, que não é mais submetido ao campo maqnético do elemento maqnético 403, arrefece para atinqir uma temperatura inferior à sua temperatura de partida e transmite as suas frigorias ao "circuito frio" 410b que o atravessa. As frigorias são transportadas pelo "circuito frio" 410b e evacuadas pelo permutador de frigorias 413b que pode ser disposto numa cintura fria 414.

Os meios de comutação 412 balançam e remetem o dispositivo 4 na configuração da segunda etapa. O ciclo de aquecimento /arrefecimento pode assim ser repetido sem limite. A cada ciclo, o material magnetocalórico do órgão térmico 41a, 41b é sucessivamente submetido aos campos magnéticos sendo subtraídos a esses campos magnéticos. A frequência do ciclo depende dos meios utilizados e dos resultados térmicos a obter. O balanço dos órgãos térmicos 41a,41b dos circuitos "frio" 410b e "quente" 410a pode ser sincronizado com a deslocação alternativa do campo magnético, por exemplo pela rotação de um ângulo constante ou a deslocação linear de um passo constante. O ciclo de funcionamento pode ser sujeito a uma sonda de temperatura instalada no cintura fria 414 ou por exemplo com a proximidade dos produtos a arrefecer.

Numa variante da realização não representada, o dispositivo 4 não compreende meios de comutação e a passagem de uma etapa à outra é acompanhada pela inversão do sentido de circulação do fluído portador de calor no circuito de circulação de fluído portador de calor único. Essa variante 22/24 permite libertar de todo o problema de impermeabilidade suprimindo as válvulas.

Possibilidades de aplicação industrial:

Esse dispositivo 4 permite assim aquecer, arrefecer ou moderar um local, um túnel agro-alimentar, o interior de um refrigerador, pode igualmente servir de bomba de calor ou por outra aplicação similar, na indústria ou em particulares. Esse dispositivo 4 pode por fim servir para regular termicamente cinturas de conservação, secagem ou para climatizar locais.

De maneira geral, de acordo com a invenção, os meios de deslocação alternativos são acoplados aos meios magnéticos 103, 203, 303, 403 para os deslocar alternativamente em relação ao órgão térmico 11, 21, 31, 41a, 41b. Por isso, o conjunto dos circuitos de fluido portador de calor é fixo e a variação de campo magnético é obtido pela deslocação alternativo dos próprios meios magnéticos 103, 203, 303, 403. Essa construção particular permite assim libertar os problemas de impermeabilidade numerosos quando parte dos circuitos 410a, 410b de fluído portador de calor está em movimento em relação ao resto dos seus circuitos 410a,410b.

Essa descrição coloca bem em evidência que o dispositivo 1-4 de acordo com a invenção permite, reduzindo o consumo da energia, gerar, sem poluição, fluxos térmicos importantes que podem ser utilizados para todo o tipo de aplicação. Esse dispositivo simples, pode ser colocado e revisto pelo pessoal sem qualificação específica. Além disso, existe um nível muito fraco de barulho no momento do seu funcionamento. 23/24

Por outro lado, esse dispositivo 1-4 apresenta a vantagem de não necessitar que duas posições de funcionamento o que simplifica a sua concepção, o seu funcionamento e a sua servidão. Por conseguinte é mais barato de realizar e de utilizar que os dispositivos tradicionais.

As deslocações alternativas permitem por outro lado obter arquitecturas do dispositivo 1-4 autorizando um aumento natural e economicamente rentável do número de órgãos térmicos 11, 21, 31, 41a, 41b e/ou meios magnéticos 103, 203, 303, 403 e/ou unidades de geração de fluxo térmico 10,30. Permitem igualmente, ao combinar várias unidades de geração de fluxo térmico com deslocações alternativas, aumentar as capacidades térmicas do dispositivo 1-4, de maneira fiável, para um custo moderado e sem complicar de maneira excessiva o funcionamento ou arquitectura do dispositivo 1-4.

Lisboa, 24/24

Claims (25)

1. Reivindicações 1. Dispositivo de geração de fluxo térmico de material magnetocalórico (1-4) que compreende pelo menos uma unidade de geração de fluxo térmico (10,30) provido de pelo menos dois órgãos térmicos (11,21, 31, 41a, 41b) que contém cada um pelo menos um elemento magnetocalórico (12,22,32), meios magnéticos (103,203,303, 403) ajustados para emitir pelo menos um campo magnético, meios de deslocação acoplados aos ditos meios magnéticos (103, 203, 303, 403) para os deslocar em relação aos ditos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32) afim de os submeter a uma variação de campo magnético de maneira a fazer variar a sua temperatura, meios de recuperação das calorias e/ou frigorias emitidas pelos ditos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32) , caracterizado pelo facto de que os ditos meios de deslocação são alternativos e ajustados para deslocar os ditos meios magnéticos (103, 203, 303, 403) em relação aos ditos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32) de acordo com um movimento alternativo.
2. 2. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que o dito movimento alternativo é escolhido do grupo que compreende pelo menos uma rotação, uma rotação combinada com uma translação, uma translação.
3. 3. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que os ditos meios de recuperação compreendem pelo menos um circuito (410a, 410b) de fluido portador de calor, meios de circulação (411a, 411b) do dito fluido portador de calor no dito circuito (410a, 410b) e dos ditos meios de evacuação (413a, 413b) das ditas calorias e/ou frigorias recuperadas pelo dito 1/7 fluído portador de calor, o dito circuito (410a,410b) compreendendo pelo menos duas zonas de transferência (14) situadas cada uma no ambiente imediato dos ditos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32) e ajustados para que o dito fluído portador de calor recupere pelo menos em parte as ditas calorias e/ou as ditas frigorias emitidas pelo dito elemento magnetocalórico (12, 22, 32) correspondente.
4. 4. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de que os ditos meios de recuperação compreendem meios de inversão do sentido de circulação do dito fluído portador de calor no dito circuito (410a, 410b) do fluido portador de calor.
5. 5. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de que os ditos meios de recuperação compreendem pelo menos dois circuitos (410a, 410b) em que pelo menos um "circuito quente" (410a) para as calorias e pelo menos um "circuito frio" (410b) para as frigorias e meios de comutação (412) ajustados para ajustar alternativamente cada zona de transferência (14) a um ou outro dos ditos circuitos (410a, 410b).
6. 6. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo facto de que compreende meios de sincronização ajustados para sincronizar os ditos meios de deslocação alternativos aos ditos meios de comutação (412) de maneira que, de acordo com o campo magnético ao qual é submetido cada elemento magnetocalórico (12, 22, 32), a dita zona de transferência (14) correspondente está ligada a um ou outro dos ditos circuitos (410a, 410b).
7. 7. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que o dito elemento 2/7 magnetocalórico (12, 22, 32) compreende pelo menos um dos materiais magnetocalóricos escolhidos do grupo que compreende pelo menos o gadolinio (Gd), uma liga de gadolinio que compreende pelo menos um dos materiais escolhidos no grupo que compreende pelo menos o silício (Si), o germânio (Ge), o ferro (Fe), o magnésio (Mg), o fósforo (P), o arsénico (As), o dito material magnetocalórico que se apresenta sob uma das formas escolhidas do grupo que compreende um bloco, uma pastilha, pó, um aglomerado de pedaços.
8. 8. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que cada órgão térmico (11, 21, 31, 41a, 41b) é feito pelo menos em parte num material condutor escolhido pela sua boa condução térmica e escolhido do grupo que compreende pelo menos o cobre, as ligas de cobre, o alumínio e as ligas de alumínio, os aços e as ligas de aços, os inoxidáveis e as ligas dos inoxidáveis.
9. 9. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que o dito órgão térmico (11, 21, 31, 41a, 41b) compreende pelo menos um tubo que atravessa provido de pelo menos um orifício de entrada (16) e de pelo menos um orifício de saída (17) unidos no circuito (410a, 410b), o dito tubo que atravessa definindo a dita zona de transferência (14) correspondente.
10. 10. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que o dito órgão térmico (11, 21, 31, 41a, 41b) compreende um tubo que atravessa única provido de um orifício de entrada (16) única e de um orifício de saída (17) único unidos ao dito circuito (410a, 3/7 410b), o dito tubo que atravessa definindo a dita zona de transferência (14) correspondente.
11. 11. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que os ditos meios magnéticos compreendem pelo menos um elemento magnético (103, 203, 303, 403) provido de pelo menos um iman permanente ou um electroiman ou um supercondutor.
12. 12. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo facto de que o dito elemento magnético (103, 203, 303, 403) compreende pelo menos um material magnetizável ajustado para concentrar e dirigir as linhas de campo do dito iman permanente e escolhido do grupo que compreende pelo menos o ferro (Fe), o cobalto (Co), o vanádio (V), o ferro macio, uma união desses materiais.
13. 13. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo facto de que o dito elemento magnético (103, 203, 303, 403) tem uma forma em U ou em C ajustada para receber entre as suas nervuras e de maneira alternativa o dito elemento magnetocalórico (12, 22, 32).
14. 14. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo facto de que os ditos órgãos térmicos (11, 21, 31, 41a, 41b) são independentes e separados por pelo menos um elemento termicamente isolador escolhido do grupo que compreende pelo menos um espaço, um material isolador.
15. 15. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que compreende vários elementos magnéticos (103,203,303,403) suportados por pelo menos um 4/7 suporte (104,304) acoplado aos meios de deslocação alternativos.
16. 16. Dispositivo (1,2) de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo facto de que o dito suporte é sensivelmente circular e define pelo menos uma anilha (104) montada em rotação alternativamente sobre o seu eixo, a dita anilha suportando radialmente os meios magnéticos (103, 203, 303, 403) e em que os ditos órgãos térmicos (11, 21) definem sectores circulares sensivelmente dispostos em circulo de maneira consecutiva para poderem ser cruzados livremente pelos ditos meios magnéticos (103, 203).
17. 17. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo facto de que os ditos meios magnéticos (103) são orientados de maneira a que as ranhuras das ditas formas em U ou em C sejam sensivelmente paralelas ao eixo de rotação da dita anilha (104) e em que os ditos órgãos térmicos (11) são orientados sensivelmente paralelamente ao eixo de rotação da dita anilha (104) .
18. 18. Dispositivo (2) de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo facto de que os ditos meios magnéticos (203) são orientados de maneira a que as ranhuras das ditas formas em U ou em C sejam sensivelmente perpendiculares ao eixo de rotação da dita anilha (204) e em que os ditos órgãos térmicos (21) são orientados sensivelmente perpendicularmente ao eixo de rotação da dita anilha (204) .
19. 19. Dispositivo (3) de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo facto de que o dito suporte é sensivelmente rectilineo e define pelo menos uma barra (304), móvel em translação rectilinea alternativa, a dita barra (304) suportando os ditos meios magnéticos (303) e em 5/7 que os ditos órgãos térmicos (31) são suportados por pelo menos um quadro (306) envolvendo a dita barra (304) e sensivelmente dispostos em linha para serem cruzados livremente pelos ditos meios magnéticos (303) .
20. 20. Dispositivo (3) de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo facto de que os ditos meios magnéticos (303) são dispostos em quincôncio de um lado e de outro da dita barra (304) para definir duas fileiras e em que o dito quadro (306) compreende duas séries de órgãos térmicos (31) em que cada um corresponde aos meios magnéticos (303) de uma das ditas fileiras.
21. 21. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo facto de que pelo menos uma parte dos ditos órgãos térmicos (11, 21, 31, 41a, 41b) é suportado por pelo menos uma platina (18,28) que compreende pelo menos orifícios de comunicação (100) para a passagem do dito fluido portador de calor para o dito circuito (410a, 410b).
22. 22. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de que os ditos meios de circulação são escolhidos do grupo que compreende pelo menos uma bomba (411a, 411b), um circulador, um termosifão.
23. 23. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de que os ditos meios de evacuação compreendem pelo menos dois permutadores em que pelo menos um permutador de calorias (413a) é ligado ao "circuito quente" (410a) e pelo menos um permutador de frigorias (413b) é ligado ao "circuito frio" (410b). 6/7
24. 24. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que os ditos meios de transporte alternativos são escolhidos do grupo que compreende pelo menos um motor, um cilindro hidráulico, um mecanismo de mola, um aerogerador, um electroiman, um hidrogerador.
25. 25. Dispositivo (1-4) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que compreende várias unidades de geração de fluxo térmico unidos em série, em paralelo ou de acordo com uma combinação série-paralelo. Lisboa, 7/7