Generador térmico magnetocalórico.

Generador térmico (1, 10), que comprende por lo menos un módulo térmico (1',

10') que comprende por lomenos dos elementos magnetocalóricos (2) adyacentes dispuestos para ser atravesados por un fluido caloportador,una cámara común (3) de distribución asociada a un medio de circulación (4) del fluido caloportador que conectafluídicamente entre ellos dichos elementos magnetocalóricos (2) adyacentes y dos cámaras extremas (5, 6)asociadas asimismo a un medio de circulación (7) que están unidas de manera fluídica respectivamente con elelemento magnetocalórico (2) situado en los extremos de dicho módulo térmico (1', 10'), denominados extremocaliente (9) y extremo frío (11), y una disposición magnética destinada a someter cada elemento magnetocalórico (2)a un campo magnético variable, creando alternativamente, en cada elemento magnetocalórico (2) un ciclo decalentamiento y un ciclo de enfriamiento, estando la circulación del fluido caloportador a través de dichos elementosmagnetocalóricos (2) realizada por los medios de circulación (4, 7) en sincronización con la variación del campomagnético, estando dicho generador térmico (1, 10) caracterizado porque dicho medio de circulación (4) asociado adicha cámara común (3) de distribución desplaza el fluido caloportador simultáneamente a través de los doselementos magnetocalóricos (2) adyacentes, en sentidos de circulación diferentes.

Generador térmico magnetocalórico.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un generador térmico que comprende por lo menos un módulo térmico que comprende por lo menos dos elementos magnetocalóricos adyacentes dispuestos para ser atravesados por un fluido caloportador, una cámara común de distribución asociada a un medio de circulación del fluido caloportador que conecta fluídicamente entre sí dichos elementos magnetocalóricos adyacentes y dos cámaras extremas asociadas asimismo a un medio de circulación y conectadas fluídicamente respectivamente con el elemento magnetocalórico situado en los extremos de dicho módulo térmico, denominados extremo caliente y extremo frío, y una disposición magnética destinada a someter cada elemento magnetocalórico a un campo magnético variable, creando alternativamente, en cada elemento magnetocalórico, un ciclo de calentamiento y un ciclo de enfriamiento, estando la circulación del fluido caloportador a través de dichos elementos magnetocalóricos realizada por los medios de circulación en sincronización con la variación del campo magnético.

Técnica anterior

La tecnología del frío magnético es conocida desde hace más de una veintena de años y se conocen las ventajas que aporta en términos de ecología y de desarrollo sostenible. Se conocen asimismo sus límites en cuanto a su potencia térmica útil y a su rendimiento. Desde entonces, las investigaciones realizadas en este campo tienden todas ellas a mejorar las prestaciones de dicho generador, actuando sobre los diferentes parámetros, tales como la potencia de magnetización, las prestaciones del elemento magnetocalórico, la superficie de intercambio entre el fluido caloportador y los elementos magnetocalóricos, las prestaciones de los intercambiadores de calor, etc.

La elección de los materiales magnetocalóricos es determinante e influye directamente en las prestaciones de un generador térmico magnetocalórico. Para aumentar estas prestaciones, una solución consiste en asociar varios materiales magnetocalóricos que presentan temperaturas de Curie diferentes con vistas a aumentar el gradiente de temperatura entre los extremos de este ensamblaje.

Se conocen así unos generadores térmicos que comprenden por lo menos un módulo térmico M tal como el representado en las figuras 1A y 1B y que comprenden unos materiales magnetocalóricos MC dispuestos lado con lado y alineados, y unos medios de circulación del fluido caloportador, tales como unos pistones P, destinados a arrastrar el fluido caloportador según un movimiento de vaivén a través del conjunto de los materiales magnetocalóricos MC a uno y otro lado de estos últimos, entre el lado frío F y el lado caliente C del ensamblaje de materiales magnetocalóricos MC, y en sincronización con la variación de un campo magnético. Como está representado en las figuras 1A y 1B, estos pistones P están dispuestos a uno y otro lado del ensamblaje de materiales magnetocalóricos MC y se desplazan alternativamente en un sentido y después en el otro, representando las figuras 1A y 1B los pistones en sus dos posiciones extremas.

Se desprende de las figuras 1A y 1B que el fluido se desplaza o bien en un sentido, en dirección al extremo caliente C (el sentido de desplazamiento del fluido caloportador está representado por las flechas en trazos de puntos, véase la figura 1A) cuando los materiales magnetocalóricos experimentan un ciclo de calentamiento, o bien en el otro sentido, en dirección al extremo frío F (el sentido de desplazamiento del fluido caloportador está representado por las flechas en trazos continuos, véase la figura 1B) cuando los materiales magnetocalóricos experimentan un ciclo de enfriamiento.

Este módulo térmico M adolece de un inconveniente debido al hecho de que para alcanzar un gradiente de temperatura, es necesario hacer circular un fluido caloportador a través del conjunto de los materiales. La utilización de varios elementos magnetocalóricos MC provoca un aumento de la longitud de material a atravesar por dicho fluido caloportador. Así, para no disminuir el número de ciclos (estando un ciclo definido por un calentamiento y un enfriamiento del elemento magnetocalórico) , es necesario aumentar la velocidad del fluido caloportador. Ahora bien, el aumento de velocidad tiene por efecto un aumento de la presión, lo cual agrava las pérdidas de carga y disminuye la eficacia del intercambio térmico entre el fluido caloportador y los elementos magnetocalóricos, lo cual provoca una reducción del rendimiento térmico del generador magnetocalórico.

Se conoce asimismo que para aumentar la potencia térmica de un generador magnetocalórico, una posibilidad consiste en aumentar el número de ciclos. Ahora bien, esto tiene por efecto un aumento de la velocidad, y provoca los inconvenientes citados anteriormente.

Un generador que comprende un módulo térmico M tal como se ilustra en las figuras 1A y 1B necesita una duración de funcionamiento previo no despreciable para alcanzar un gradiente de temperatura explotable entre los dos extremos debido a la multiplicidad de los materiales utilizados.

Exposición de la invención La presente invención pretende evitar estos inconvenientes proponiendo un generador térmico magnetocalórico fácil de utilizar y cuyo rendimiento térmico está mejorado con respecto a los generadores conocidos, y esto con una misma cantidad o longitud de material magnetocalórico.

Con este objetivo, la invención se refiere a un generador térmico del género indicado en el preámbulo, caracterizado porque dicho medio de circulación asociado a dicha cámara común de distribución desplaza el fluido caloportador simultáneamente a través de los dos elementos magnetocalóricos adyacentes, en sentidos de circulación diferentes.

Preferentemente, la disposición magnética puede mantener sometidos constantemente dichos elementos magnetocalóricos adyacentes en dos ciclos diferentes y dicho medio de circulación asociado a dicha cámara común puede desplazar el fluido caloportador de manera simultánea, a través del elemento magnetocalórico que experimenta un ciclo de calentamiento, en dirección al extremo caliente y a través del elemento magnetocalórico que experimenta un ciclo de enfriamiento, en dirección al extremo frío de dicho módulo térmico.

Dicho módulo térmico puede comprender además por lo menos tres elementos magnetocalóricos, dicho medio de circulación asociado a dicha cámara común puede desplazar el fluido caloportador alternativamente en dirección a los dos elementos magnetocalóricos adyacentes y después en la dirección opuesta, a la salida de dichos módulos térmicos adyacentes, y a la inversa, dos medios de circulación de dos cámaras comunes consecutivas pueden desplazar constantemente el fluido caloportador en dos direcciones opuestas, y los medios de circulación asociados a dichas cámaras extremas pueden desplazar el fluido caloportador en la dirección opuesta a la de la cámara común que le es adyacente.

Preferentemente, el generador térmico puede comprender un número par de elementos magnetocalóricos. De esta manera, en cualquier momento, cada módulo térmico comprende tantos elementos magnetocalóricos en ciclo de calentamiento como elementos magnetocalóricos en ciclo de enfriamiento.

Para aumentar el intervalo de temperatura de funcionamiento del generador (por ejemplo, entre -25ºC y +65ºC) , dichos elementos magnetocalóricos pueden comprender cada uno una temperatura de Curie diferente y estar dispuestos de manera adyacente según su temperatura de Curie creciente en dirección al extremo caliente de dicho módulo térmico.

En esta configuración, dichos elementos magnetocalóricos pueden comprender asimismo cada uno varios materiales magnetocalóricos dispuestos según una temperatura de Curie creciente en dirección al extremo caliente de dicho módulo térmico.

De manera característica, el volumen de fluido caloportador desplazado por un medio de circulación asociado a una cámara extrema puede corresponder a la mitad del volumen de fluido caloportador desplazado por un medio de circulación asociado a una cámara común.

Preferentemente, los medios de circulación pueden ser unos pistones integrados en las cámaras comunes y las cámaras extremas y cuyo único extremo actúa sobre el fluido caloportador. Por extremo, se debe comprender la cara o cabeza de trabajo del pistón que está en contacto con el fluido caloportador. Evidentemente, se puede prever cualquier otra forma de medio de circulación.

En una primera forma de realización, dicho módulo térmico puede presentar una estructura lineal en la que están alineados los elementos magnetocalóricos... [Seguir leyendo]

1. Generador térmico (1, 10) , que comprende por lo menos un módulo térmico (1’, 10’) que comprende por lo menos dos elementos magnetocalóricos (2) adyacentes dispuestos para ser atravesados por un fluido caloportador, una cámara común (3) de distribución asociada a un medio de circulación (4) del fluido caloportador que conecta fluídicamente entre ellos dichos elementos magnetocalóricos (2) adyacentes y dos cámaras extremas (5, 6) asociadas asimismo a un medio de circulación (7) que están unidas de manera fluídica respectivamente con el elemento magnetocalórico (2) situado en los extremos de dicho módulo térmico (1’, 10’) , denominados extremo caliente (9) y extremo frío (11) , y una disposición magnética destinada a someter cada elemento magnetocalórico (2) a un campo magnético variable, creando alternativamente, en cada elemento magnetocalórico (2) un ciclo de calentamiento y un ciclo de enfriamiento, estando la circulación del fluido caloportador a través de dichos elementos magnetocalóricos (2) realizada por los medios de circulación (4, 7) en sincronización con la variación del campo magnético, estando dicho generador térmico (1, 10) caracterizado porque dicho medio de circulación (4) asociado a dicha cámara común (3) de distribución desplaza el fluido caloportador simultáneamente a través de los dos elementos magnetocalóricos (2) adyacentes, en sentidos de circulación diferentes.

2. Generador térmico según la reivindicación 1, caracterizado porque la disposición magnética mantiene sometidos constantemente dichos elementos magnetocalóricos (2) adyacentes a dos ciclos diferentes, y porque dicho medio de circulación (4) asociado a dicha cámara común (3) desplaza el fluido caloportador de manera simultánea, a través del elemento magnetocalórico (2) que experimenta un ciclo de calentamiento, en dirección al extremo caliente (9) y, a través del elemento magnetocalórico (2) que experimenta un ciclo de enfriamiento, en dirección al extremo frío (11) de dicho módulo térmico (1’, 10’) .

3. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho módulo térmico (1’, 10’) comprende por lo menos tres elementos magnetocalóricos (2) , porque dicho medio de circulación (4) asociado a dicha cámara común (3) desplaza el fluido caloportador alternativamente en dirección a los dos elementos magnetocalóricos (2) adyacentes y después en la dirección opuesta, a la salida de dichos módulos térmicos (2) adyacentes, y a la inversa, porque dos medios de circulación (4) de dos cámaras comunes (3) consecutivas desplazan constantemente el fluido caloportador en dos direcciones opuestas, y porque los medios de circulación (7) asociados a dichas cámaras extremas (5, 6) desplazan el fluido caloportador en la dirección opuesta a la de la cámara común (3) que les es adyacente.

4. Generador térmico según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende un número par de elementos magnetocalóricos (2) .

5. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos elementos magnetocalóricos (2) comprenden cada uno una temperatura de Curie diferente y están dispuestos de manera adyacente según su temperatura de Curie creciente en dirección al extremo caliente (9) de dicho módulo térmico.

6. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque dichos elementos magnetocalóricos (2) comprenden cada uno varios materiales magnetocalóricos dispuestos según una temperatura de Curie creciente en dirección al extremo caliente (9) de dicho módulo térmico.

7. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el volumen de fluido caloportador desplazado por un medio de circulación (7) asociado a una cámara extrema (5, 6) corresponde a la mitad del volumen de fluido caloportador desplazado por un medio de circulación (4) asociado a una cámara común (3) .

8. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de circulación (4, 7) son unos pistones integrados en las cámaras comunes (3) y las cámaras extremas (5, 6) , y de los cuales un solo extremo (12) actúa sobre el fluido caloportador.

9. Generador térmico según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho módulo térmico (1’) presenta una estructura lineal en la que los elementos magnetocalóricos (2) están alineados, y porque la maniobra de dichos pistones (4, 7) se realiza mediante una leva de mando (13) correspondiente montada sobre un árbol (14) en rotación sobre sí mismo.

10. Generador térmico según la reivindicación 9, caracterizado porque está constituido por cuatro módulos térmicos (1’) , porque dicha leva de mando (13) comprende unos lóbulos (15) desplazados unos de otros en un ángulo de 90º, y porque dichos módulos térmicos (1’) están dispuestos radialmente alrededor de dicho árbol (14) de tal manera que cada lóbulo (15) acciona un pistón (4, 7) de cada uno de dichos cuatro módulos térmicos (1’) .

11. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicho módulo térmico (10’) presenta una estructura lineal en la que los elementos magnetocalóricos (2) están alineados, y porque la maniobra de los pistones (4, 7) se realiza mediante un carro de maniobra (16) que se desplaza según un movimiento de traslación de vaivén a lo largo de dicho módulo térmico (10’) y que comprende una ranura de guiado (17) en la

que están guiados unos elementos de conexión (18) correspondientes de cada pistón (4, 7) .

12. Generador térmico según la reivindicación 11, caracterizado porque la ranura de guiado (15) tiene una forma en

dientes de sierra y porque los pistones (4, 7) están dispuestos sustancialmente a nivel del carro de maniobra (16) . 5

13. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado porque comprende varios módulos térmicos (10’) dispuestos unos por encima de otros según una estructura escalonada.

14. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende por lo

menos dos módulos térmicos (1’, 10’) , y porque, por una parte, las cámaras de extremo caliente (5) comunican fluídicamente entre ellas y porque, por otra parte, las cámaras de extremo frío (6) comunican fluídicamente entre ellas.

15. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende por lo menos dos módulos térmicos (1’, 10’) que presentan el mismo número de elementos magnetocalóricos (2) , y porque las cámaras comunes (3) de dichos módulos térmicos (1’, 10’) comunican fluídicamente entre ellas de dos en dos.