Generador térmico magnetocalórico.

Procedimiento de diseño de un generador térmico (1, 10, 100, 1000) destinado a ser conectado a por lo menos una aplicación exterior con vistas a un intercambio de energía térmica con esta última,

comprendiendo dicho generador por lo menos un módulo térmico (3), comprendiendo este módulo térmico (3) esencialmente un elemento magnetocalórico (4) susceptible de ser atravesado por un volumen definido de fluido caloportador arrastrado en el módulo térmico (3) según un desplazamiento alternado entre dos cámaras (5, 6) denominadas cámara caliente y cámara fría dispuestas a uno y otro lado de dicho elemento magnetocalórico (4), comprendiendo asimismo dicho generador una disposición magnética (7) dispuesta para someter alternativamente cada elemento magnetocalórico (4) a una variación de campo magnético y crear alternativamente en cada elemento magnetocalórico (4) un ciclo de calentamiento y un ciclo de enfriamiento, provocando la creación y el mantenimiento de un gradiente de temperatura entre los dos extremos opuestos de cada elemento magnetocalórico (4) situados a nivel de las cámaras (5, 6), estando el desplazamiento alternado del fluido caloportador sincronizado con la variación del campo magnético, y comprendiendo dicho generador térmico (1, 10, 100, 1000) un medio (8, 9) de transferencia de energía térmica entre el fluido caloportador de por lo menos cada cámara caliente (5) y/o de por lo menos cada cámara fría (6) y cada aplicación o el entorno exterior, procedimiento caracterizado por que los coeficientes de intercambio térmico entre las diferentes interfaces de intercambio térmico (elemento magnetocalórico 4/fluido caloportador - fluido caloportador/pared de la cámara 5, 6 - pared de dicha cámara 5, 6/medio de transferencia 8, 9 y medio de transferencia 8, 9/medio de intercambio térmico de la aplicación o el entorno exterior) se ajustan entre sí por pares asociados en serie de tal manera que la cantidad de energía térmica susceptible de ser intercambiada con la aplicación o el entorno exterior esté limitada de manera que se conserva el gradiente térmico en cada módulo térmico (3), y por que la demanda de intercambio térmico requerida por la aplicación o el entorno exterior sólo se satisface en la medida en que no influya sobre, ni degrade, el gradiente de temperatura presente en cada módulo térmico (3).

Generador térmico magnetocalórico.

Campo técnico

La presente invención se refiere al campo de la generación de energía térmica y se refiere más particularmente a un generador térmico destinado a ser conectado a por lo menos una aplicación con vistas a un intercambio de energía térmica con esta última, comprendiendo dicho generador por lo menos un módulo térmico, comprendiendo este módulo térmico esencialmente un elemento magnetocalórico susceptible de ser atravesado por un volumen definido de fluido caloportador arrastrado en el módulo térmico según un desplazamiento alternado entre dos cámaras denominadas cámara caliente y cámara fría dispuestas a uno y otro lado de dicho elemento magnetocalórico, comprendiendo también dicho generador una disposición magnética dispuesta para someter alternativamente cada elemento magnetocalórico a una variación de campo magnético y crear alternativamente en cada elemento magnetocalórico un ciclo de calentamiento y un ciclo de enfriamiento, provocando la creación y después el mantenimiento de un gradiente de temperatura entre los dos extremos opuestos de cada elemento magnetocalórico situados a nivel de las cámaras, estando el desplazamiento alternado del fluido caloportador sincronizado con la variación del campo magnético, y comprendiendo dicho generador térmico un medio de transferencia de energía térmica entre el líquido caloportador de por lo menos cada cámara caliente y/o de por lo menos cada cámara fría y cada aplicación o el entorno exterior.

Técnica anterior La tecnología del frío magnético se conoce desde hace unos veinte años y se conocen las ventajas que aporta en cuanto a la ecología y al desarrollo sostenible. También se conocen sus límites en cuanto a su potencia calorífica útil y a su rendimiento. Desde entonces, todas las investigaciones realizadas en este campo tienden a mejorar las prestaciones de un generador de este tipo, actuando sobre los diferentes parámetros tales como la potencia de imantación, las prestaciones del elemento magnetocalórico, la superficie de intercambio entre el fluido caloportador y cada elemento magnetocalórico, las prestaciones de los intercambiadores de calor, etc.

El documento US nº 4.829.770 describe para ello un intercambiador de calor que utiliza materiales magnéticos. Se refiere en particular a la composición de los elementos magnetocalóricos integrados en este generador. Los elementos magnetocalóricos fijos son atravesados por un gas caloportador, en particular nitrógeno, estando el conjunto contenido en un depósito que está animado con un movimiento de traslación alternado, sincronizado a lo largo de la variación del campo magnético. Unos intercambiadores de calor de helio están conectados a los extremos caliente y frío del depósito para transferir las calorías y las frigorías recogidas en unos circuitos exteriores. Para aumentar la transferencia de calor a nivel de los extremos caliente y frío del depósito, estos últimos están provistos de aletas que provocan así un aumento de la cantidad de calorías y frigorías que pueden ser transferidas por medio de estos intercambiadores. Ahora bien, esto puede presentar una influencia negativa sobre el rendimiento del sistema que va a disminuir si se extrae demasiada energía en los depósitos, lo cual va a dar lugar a un gradiente de temperatura bajo y variable entre los dos extremos caliente y frío y que se puede volver incompatible con las necesidades térmicas de la aplicación. Además, teniendo en cuenta las temperaturas de funcionamiento muy bajas, del orden de -200ºC, la utilización de un generador térmico de este tipo está limitada a aplicaciones de laboratorio. En conclusión, la capacidad de restitución térmica de un generador térmico de este tipo es demasiado baja, demasiado variable y el comportamiento térmico inestable del aparato depende demasiado de las condiciones de transferencia de la energía térmica como para dar lugar a una aplicación industrial o doméstica que pueda garantizar unas funciones térmicas estables al tiempo que perpetúe un gradiente de temperatura en el elemento magnetocalórico.

Además, en los generadores térmicos conocidos que utilizan elementos magnetocalóricos, el generador está realizado de manera que esté totalmente aislado térmicamente con respecto al entorno exterior y las calorías o frigorías producidas se recuperan o extraen por medio del fluido caloportador del generador puesto en circulación en uno o varios intercambiadores térmicos a los que está conectado este último. Este modo de transferencia de energía no permite garantizar unas funciones térmicas estables y un mantenimiento del gradiente de temperatura en los elementos magnetocalóricos si las condiciones exteriores varían y la cantidad de energía así extraída (de manera intencionada o no) en el fluido caloportador se vuelve demasiado importante.

Para ello, los documentos JP 2005 090921, XP 025094679 y US 2007/125095 describen unos generadores térmicos que comprenden unos elementos magnetocalóricos y unos medios de intercambio térmico con una aplicación exterior. No obstante, estos medios de intercambio térmico son clásicos y no permiten garantizar un funcionamiento eficaz independientemente de las condiciones de utilización.

Descripción de la invención La presente invención pretende paliar estos inconvenientes proponiendo un procedimiento de diseño de un generador térmico económicamente rentable, fácil de poner en práctica, cuyo rendimiento está garantizado y en el

que se obtiene el gradiente en cada elemento magnetocalórico y se mantiene automáticamente.

Con este objetivo, la invención se refiere a un procedimiento de diseño de un generador térmico según la reivindicación 1, y a un generador térmico diseñado según dicho procedimiento.

Breve descripción de los dibujos La presente invención se comprenderá mejor gracias a la siguiente descripción que se refiere a unos modos de realización preferidos facilitados a modo de ejemplos no limitativos y explicados haciendo referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que:

- la figura 1A es una vista en alzado frontal y en transparencia de un generador térmico según un primer modo de realización de la invención, -la figura 1B es una vista en sección según el plano C-C de la figura 1A, -la figura 2A es una vista en alzado frontal y en transparencia de un generador térmico según un segundo modo de realización de la invención, -la figura 2B es una vista en sección según el plano B-B de la figura 2A, -la figura 3A es una vista en alzado frontal y en transparencia de un generador térmico según un tercer modo de realización de la invención, -la figura 3B es una vista en sección según el plano D-D de la figura 3A, -la figura 4A es una vista en alzado frontal y en transparencia de un generador térmico según un cuarto modo de realización de la invención, -la figura 4B es una vista en sección según el plano C-C de la figura 4A, -la figura 4C es una vista en alzado lateral del generador térmico representado en las figuras 4A y 4B, y -la figura 4D es una vista en sección según el plano E-E de la figura 4C.

Ilustraciones de la invención y diferentes maneras de realizarla Las figuras de los dibujos adjuntos representan un generador térmico 1, 10, 100, 1000 según la invención. Este último está destinado a ser conectado a por lo menos una aplicación con vistas a un intercambio de energía térmica con esta última y comprende por lo menos un módulo térmico 3, comprendiendo este módulo térmico 3 esencialmente un elemento magnetocalórico 4 susceptible de ser atravesado por un volumen definido de fluido caloportador arrastrado en el módulo térmico 3 según un desplazamiento alternado entre dos cámaras 5, 6 denominadas cámara caliente y cámara fría dispuestas a uno y otro lado de dicho elemento magnetocalórico 4, comprendiendo también dicho generador una disposición magnética 7 dispuesta para someter alternativamente cada elemento magnetocalórico 4 a una variación de campo magnético y crear alternativamente en cada elemento magnetocalórico 4 un ciclo de calentamiento y un ciclo de enfriamiento, provocando la creación y el mantenimiento de un gradiente de temperatura entre los dos extremos opuestos de cada elemento magnetocalórico situados a nivel de las cámaras 5 (lado más caliente del elemento magnetocalórico) y 6 (lado más frío del elemento magnetocalórico) , estando el desplazamiento alternado del fluido caloportador sincronizado con la variación del campo magnético, y comprendiendo dicho generador térmico 1, 10, 100, 1000 un medio de transferencia de energía térmica 8, 9 entre el líquido caloportador de por lo menos cada cámara caliente 5 y/o... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de diseño de un generador térmico (1, 10, 100, 1000) destinado a ser conectado a por lo menos una aplicación exterior con vistas a un intercambio de energía térmica con esta última, comprendiendo dicho generador por lo menos un módulo térmico (3) , comprendiendo este módulo térmico (3) esencialmente un elemento magnetocalórico (4) susceptible de ser atravesado por un volumen definido de fluido caloportador arrastrado en el módulo térmico (3) según un desplazamiento alternado entre dos cámaras (5, 6) denominadas cámara caliente y cámara fría dispuestas a uno y otro lado de dicho elemento magnetocalórico (4) , comprendiendo asimismo dicho generador una disposición magnética (7) dispuesta para someter alternativamente cada elemento magnetocalórico (4) a una variación de campo magnético y crear alternativamente en cada elemento magnetocalórico (4) un ciclo de calentamiento y un ciclo de enfriamiento, provocando la creación y el mantenimiento de un gradiente de temperatura entre los dos extremos opuestos de cada elemento magnetocalórico (4) situados a nivel de las cámaras (5, 6) , estando el desplazamiento alternado del fluido caloportador sincronizado con la variación del campo magnético, y comprendiendo dicho generador térmico (1, 10, 100, 1000) un medio (8, 9) de transferencia de energía térmica entre el fluido caloportador de por lo menos cada cámara caliente (5) y/o de por lo menos cada cámara fría (6) y cada aplicación o el entorno exterior, procedimiento caracterizado por que los coeficientes de intercambio térmico entre las diferentes interfaces de intercambio térmico (elemento magnetocalórico 4/fluido caloportador -fluido caloportador/pared de la cámara 5.

6. pared de dicha cámara 5, 6/medio de transferencia 8, 9 y medio de transferencia 8, 9/medio de intercambio térmico de la aplicación o el entorno exterior) se ajustan entre sí por pares asociados en serie de tal manera que la cantidad de energía térmica susceptible de ser intercambiada con la aplicación o el entorno exterior esté limitada de manera que se conserva el gradiente térmico en cada módulo térmico (3) , y por que la demanda de intercambio térmico requerida por la aplicación o el entorno exterior sólo se satisface en la medida en que no influya sobre, ni degrade, el gradiente de temperatura presente en cada módulo térmico (3) .

2. Generador térmico diseñado según el procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado por que el medio de transferencia de energía térmica comprende por lo menos un elemento estructural (8, 9) que presenta una superficie de contacto con la pared de cada cámara caliente (5) o fría (6) .

3. Generador térmico según la reivindicación 2, caracterizado por que el medio (8, 9) de transferencia está destinado a transferir energía térmica a nivel de cada cámara caliente (5) y de cada cámara fría (6) y está constituido por dos elementos estructurales (8 y 9) dispuestos respectivamente a nivel de cada cámara caliente (5) y a nivel de cada cámara fría (6) .

4. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, caracterizado por que por lo menos un elemento estructural (8, 9) que forma el medio de transferencia está en forma de un anillo macizo del que por lo menos una parte de la superficie está en contacto con la pared de la cámara afectada (5, 6) .

5. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado por que por lo menos un elemento estructural (8, 9) que forma el medio de transferencia está realizado en forma de un anillo provisto de aletas.

6. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado por que por lo menos un elemento estructural (8, 9) que forma el medio de transferencia comprende un camino de circulación (11) de un fluido caloportador.

7. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por que comprende varios módulos térmicos (3) dispuestos de manera adyacente en círculo alrededor de un eje central (A) , y por que la disposición magnética (7) es concéntrica a este eje central y arrastrada en rotación alrededor de este último.

8. Generador térmico según las reivindicaciones 5 y 7, caracterizado por que las aletas se extienden radialmente alrededor de las cámaras (5, 6) .

9. Generador térmico según las reivindicaciones 5 y 7, caracterizado por que las aletas se extienden circularmente alrededor de las cámaras (5, 6) .

10. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizado por que comprende varios módulos térmicos (3) alineados y dispuestos de manera adyacente, y por que la disposición magnética (7) es arrastrada en traslación alternativa a lo largo de dichos módulos térmicos (3) .

11. Generador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 10, caracterizado por que cada módulo térmico

(3) integra unos medios de circulación (12) que provocan el desplazamiento alternado del fluido caloportador, de una cámara a otra a través del elemento magnetocalórico (4) .

12. Generador térmico según la reivindicación 11, caracterizado por que los medios de circulación (12) están en forma de un par de pistones situados a uno y otro lado del elemento magnetocalórico (4) y animados con un 8

movimiento de traslación alternado por un mecanismo de arrastre (13) .

13. Generador térmico según la reivindicación 12, caracterizado por que el mecanismo de arrastre (13) comprende por lo menos una leva de mando (14) arrastrada por un accionador, y que comprende un perfil de leva (15) de forma sustancialmente sinusoidal, cuya amplitud determina la carrera de los pistones (12) y cuya fase sinusoidal corresponde globalmente a un ciclo de calentamiento y a un ciclo de enfriamiento de cada elemento magnetocalórico (4) .