BOMBA DE CALOR/REFRIGERADOR MAGNETOCALÓRICO ALTERNATIVO DE ACCIONAMIENTO COMPENSADO POR RESTITUCIÓN AJUSTABLE DE FUERZAS.

Bomba de calor/refrigerador magnetocalórico alternativo de accionamiento compensado por restitución ajustable de fuerzas,

para la producción de calor/frío por medio del principio magnetocalórico, el cual se basa en el efecto provocado por un campo magnético sobre ciertos materiales que ostentan la propiedad de experimentar una variación de la entropía magnética, así como su temperatura asociada, al variar el campo magnético. Se caracteriza por la compensación del trabajo necesario para el desplazamiento del regenerador activo móvil, mediante campos magnéticos pasivos, permitiendo la reducción de trabajo aportado a la máquina térmica para desplazar el regenerador activo y el consiguiente incremento del rendimiento, así como la atenuación de la disminución del rendimiento con el aumento de la fuerza del campo magnético para un determinado rango de temperaturas.

Bomba de calor/refrigerador magnetocalórico alternativo de accionamiento compensado por restitución ajustable de fuerzas

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es la producción de calor/frío por medio del principio magnetocalórico, el cual se basa en el efecto provocado por un campo magnético sobre los materiales que ostentan la propiedad de variar la entropía magnética, así como su temperatura, al variar el campo magnético. El invento se caracteriza por la compensación del trabajo de desplazamiento alternativo del regenerador activo móvil de doble efecto por restitución mediante campos magnéticos pasivos ajustables. Con esta innovación se contribuye a la reducción de trabajo aportado al refrigerador y el consiguiente incremento del rendimiento (COP, “Coefficient Of Performance”) , así como a atenuar la disminución del rendimiento con el aumento de la fuerza del campo magnético para un determinado rango de temperaturas.

SECTOR DE LA TÉCNICA

Este invento se halla relacionado con la tecnología de la refrigeración incluyendo climatización, aire acondicionado, refrigeración industrial, refrigeración comercial y la criogenia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Desde que Brown GV. en la patente US4069028 presentó el primer refrigerador magnético a temperatura ambiente, los investigadores de todo el mundo comenzaron a desarrollar sus propios prototipos. Entre los más representativos y excepcionales se presenta en la patente US4107935, introduciendo el principio del regenerador magnético activo en un ciclo Stirling magnético rotativo, y en el documento de patente WO9940378-A1.

En la patente US4069028 el refrigerador magnético a temperatura ambiente opera mediante campos magnéticos generados por electroimanes refrigerados por helio líquido alcanzando 7 Teslas. El principio de funcionamiento está basado en el ciclo Stirling magnético mediante un movimiento alternativo lineal del material magnetocalórico.

La patente US6668560 introdujo la viabilidad del uso de imanes permanentes para generar el campo magnetocalórico a temperatura ambiente. El material magnetocalórico es introducido en una rueda giratoria y los imanes permanecen estáticos.

Se puede resumir que en el estado actual de la técnica aplicada a la producción de calor/frío por efecto magnetocalórico se pueden encontrar dos familias de máquinas:

a) Máquinas cuyo campo magnético es generado mediante electroimanes.

b) Máquinas cuyo campo magnético es generado mediante imanes permanentes.

Entre las máquinas de efecto magnetocalórico de imanes permanentes se conocen varios modelos en los que el regenerador se halla fijo a la estructura de la máquina mientras que los imanes generadores del campo magnético se mueven accionados por un mecanismo motriz con movimiento de rotación o alternativo.

En el estado actual de la técnica relacionada con la producción de calor/frío, no son conocidas las máquinas de calor/frío de efecto magnetocalórico de imanes permanentes con regenerador móvil de doble efecto e imanes fijos, ni de movimiento alternativo del regenerador con accionamiento compensado por restitución ajustable en función de la fuerza del campo magnético aplicado. La restitución de fuerzas de accionamiento permite incrementar el rendimiento (COP) de la maquina térmica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una bomba de calor/refrigerador magnetocalórico alternativo de accionamiento compensado por restitución ajustable de fuerzas, que comprende:

-un regenerador activo móvil, con una primera fase y una segunda fase, cada una de las cuales contiene material magnetocalórico;

- imanes permanentes del campo magnético magnetocalórico;

- un mecanismo de desplazamiento alternativo encargado de desplazar el regenerador en dos posiciones:

• en un primer semiciclo a una primera posición en la que los imanes permanentes generan un campo magnético en la primera fase del regenerador;

• en un segundo semiciclo a una segunda posición en la que los imanes permanentes generan un campo magnético en la segunda fase del regenerador;

- un circuito de transferencia de calor con un intercambiador de calor del foco caliente, un intercambiador de calor del foco frío, una bomba de circulación y válvulas, estando dicho circuito encargado, mediante la activación conveniente de las válvulas, para:

• en un primer semiciclo, dirigir un fluido de transferencia de calor hacia la primera fase del regenerador para absorber el calor generando por el material magnetocalórico, ceder al ambiente el calor absorbido en el intercambiador de calor del foco caliente, retornar el fluido a través de la segunda fase del regenerador para enfriarlo y dirigir el fluido enfriado hacia el intercambiador de calor del foco frío;

• en un segundo semiciclo, dirigir el fluido de transferencia de calor hacia la segunda fase del regenerador para absorber el calor generando por el material magnetocalórico, ceder al ambiente el calor absorbido en el intercambiador de calor del foco caliente, retornar el fluido a través de la primera fase del regenerador para enfriarlo y dirigir el fluido enfriado hacia el intercambiador de calor del foco frío;

-un mecanismo de compensación de las fuerzas de desplazamiento encargado de restituir las fuerzas ejercidas por el mecanismo de desplazamiento alternativo.

El mecanismo de compensación de las fuerzas de desplazamiento puede ser implementado por distintos medios: resortes, cilindros neumáticos de doble efecto o imanes permanentes.

En una realización preferente el mecanismo de compensación de las fuerzas de desplazamiento por restitución mediante campos magnéticos permanentes comprende:

- soporte móvil unido al regenerador y accionado por el mecanismo de desplazamiento alternativo;

- imanes permanentes fijos a un bastidor;

- imanes permanentes fijos al soporte;

-barra guía unida al soporte;

-núcleo conductor del campo magnético magnetocalórico.

El material magnetocalórico contenido en el regenerador es seleccionado preferentemente de forma que la temperatura a la cual el efecto magnetocalórico se manifiesta con la máxima intensidad es diferente en cada fase y distribuida uniformemente dentro del rango de operación del regenerador para conseguir un rango de funcionamiento térmico elevado y equivalente al efecto de la adición de las etapas regenerativas parciales. El regenerador activo tiene una disposición del material magnetocalórico constituido por varias etapas regenerativas aguas abajo, cada una de las cuales conteniendo un material magnetocalórico cuya temperatura de Curie, o temperatura a la cual el efecto magnetocalórico se manifiesta con su máxima intensidad es diferente en cada etapa regenerativa y distribuida uniformemente dentro del rango de operación del regenerador activo. De esta manera se consigue un rango de funcionamiento térmico elevado y equivalente al efecto de la adición de las etapas parciales.

El mecanismo de desplazamiento alternativo puede implementarse mediante un actuador electromagnético.

Las válvulas del circuito de transferencia de calor son preferentemente servo-válvulas de dos posiciones y tres vías.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la presente invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integral de la misma, un conjunto de figuras en el que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se representa lo siguiente:

Figura 1. Ciclo esquema básico de bomba de calor/refrigerador magnetocalórico mostrando los componentes fundamentales.

Figura 2. Esquema básico de funcionamiento de la bomba de calor/refrigerador magnetocalórico durante el primer semiciclo.

Figura 3. Esquema básico de funcionamiento de la bomba de calor/refrigerador magnetocalórico durante el segundo semiciclo.

Figura 4. Mecanismo de accionamiento del regenerador activo de doble efecto y compensación de fuerzas magnéticas por restitución ajustable.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La máquina térmica objeto de la presente invención está constituida por los siguientes componentes según se muestra en la Figura 1 y 4, que representan respectivamente un ciclo esquema básico de bomba de calor/refrigerador magnetocalórico y un mecanismo de accionamiento del regenerador activo de doble efecto y compensación de fuerzas magnéticas por restitución ajustable:

- Intercambiador de calor foco caliente (1) .

- Regenerador activo móvil de doble...

1. Bomba de calor/refrigerador magnetocalórico alternativo de accionamiento compensado por restitución ajustable de fuerzas, caracterizada por que comprende:

- un regenerador (2) activo móvil, con una primera fase (2a) y una segunda fase (2b) , cada una de las cuales contiene material magnetocalórico;

- imanes permanentes (6) del campo magnético magnetocalórico;

- un mecanismo de desplazamiento alternativo (7) encargado de desplazar el regenerador (2) a las dos posiciones:

• en un primer semiciclo, a una primera posición en la que los imanes permanentes (6) generan un campo magnético en la primera fase (2a) del regenerador;

• en un segundo semiciclo, a una segunda posición en la que los imanes permanentes (6) generan un campo magnético en la segunda fase (2b) del regenerador;

- un circuito de transferencia de calor con un intercambiador de calor del foco caliente (1) , un intercambiador de calor del foco frío (3) , una bomba de circulación (4) y válvulas (5a, 5b) , estando dicho circuito encargado, mediante la activación conveniente de las válvulas, para:

• en un primer semiciclo, dirigir un fluido de transferencia de calor hacia la primera fase (2a) del regenerador para absorber el calor generando por el material magnetocalórico, ceder al ambiente el calor absorbido en el intercambiador de calor del foco caliente (1) , retornar el fluido a través de la segunda fase (2b) del regenerador para enfriarlo y dirigir el fluido enfriado hacia el intercambiador de calor del foco frío (3) ;

• en un segundo semiciclo, dirigir el fluido de transferencia de calor hacia la segunda fase (2b) del regenerador para absorber el calor generando por el material magnetocalórico, ceder al ambiente el calor absorbido en el intercambiador de calor del foco caliente (1) , retornar el fluido a través de la primera fase (2a) del regenerador para enfriarlo y dirigir el fluido enfriado hacia el intercambiador de calor del foco frío (3) ;

-un mecanismo de compensación de las fuerzas de desplazamiento encargado de restituir las fuerzas ejercidas por el mecanismo de desplazamiento alternativo (7) .

2. Bomba según la reivindicación 1, caracterizada por que el mecanismo de compensación de las fuerzas de desplazamiento es implementado por medio de resortes.

3. Bomba según la reivindicación 1, caracterizada por que el mecanismo de compensación de las fuerzas de desplazamiento es implementado por medio de cilindros neumáticos de doble efecto.

4. Bomba según la reivindicación 1, caracterizada por que el mecanismo de compensación de las fuerzas de desplazamiento es implementado por medio de imanes permanentes (8, 9) .

5. Bomba según la reivindicación 4, caracterizada por que el mecanismo de compensación de las fuerzas de desplazamiento por restitución mediante campos magnéticos permanentes comprende:

- soporte móvil (11) unido al regenerador (2) y accionado por el mecanismo de desplazamiento alternativo (7) ;

- imanes permanentes (8) fijos a un bastidor (13) ;

- imanes permanentes (9) fijos al soporte (11) ;

- barra guía (10) unida al soporte (11) ;

- núcleo conductor del campo magnético magnetocalórico (12) .

6. Bomba según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el regenerador activo (2) tiene una disposición del material magnetocalórico constituido por varias etapas regenerativas aguas abajo, cada una de las cuales conteniendo un material magnetocalórico cuya temperatura de Curie o temperatura a la cual el efecto magnetocalórico se manifiesta con su máxima intensidad es diferente en cada etapa regenerativa y distribuida uniformemente dentro del rango de operación del regenerador activo.

7. Bomba según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el mecanismo de desplazamiento alternativo (7) comprende un actuador electromagnético.

8. Bomba según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que las válvulas del circuito de transferencia de calor son servo-válvulas de dos posiciones y tres vías.