ES2289597T3 - Dispositivo de generacion de flujo termico con material magnetocalorico. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de generación de flujo térmico con material magnetocalórico (1-4) que comprende por lo menos una unidad de generación de flujo térmico (10, 30) provista de por lo menos dos órganos térmicos (11, 21, 31, 41a, 41b) que comprende cada uno por lo menos un elemento magnetocalórico (12, 22, 32), unos medios magnéticos (103, 203, 303, 403) dispuestos para emitir por lo menos un campo magnético, unos medios de desplazamiento acoplados a dichos medios magnéticos (103, 203, 303, 403) para desplazarlos con respecto a dichos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32) a fin de someterlos a una variación de campo magnético de manera que hagan variar su temperatura, unos medios de recuperación de las calorías y/o frigorías emitidas por dichos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32), caracterizado porque dichos medios de desplazamiento son alternativos y están dispuestos para desplazar dichos medios magnéticos (103, 203, 303, 403) con respecto a dichos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32) segúnun movimiento alternativo.

Description

Dispositivo de generación de flujo térmico con material magnetocalórico.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un dispositivo de generación de flujo térmico con material magnetocalórico que comprende por lo menos una unidad de generación de flujo térmico provista de por lo menos dos órganos térmicos que contienen cada uno por lo menos un elemento magnetocalórico, unos medios magnéticos dispuestos para emitir por lo menos un campo magnético, unos medios de desplazamiento acoplados a los medios magnéticos para desplazarlos con respecto a los elementos magnetocalóricos a fin de someterlos a una variación o a una anulación de campo magnético de manera que se haga variar su temperatura y unos medios de recuperación de las calorías y/o frigorías emitidas por estos elementos magnetocalóricos.

Técnica anterior

Los dispositivos convencionales de generación del frío comprenden habitualmente un compresor para comprimir un fluido refrigerante a fin de elevar su temperatura y unos medios de expansión para descomprimir este fluido refrigerante a fin de enfriarlo de forma adiabática. Estos dispositivos convencionales adolecen de múltiples inconvenientes. En efecto, los gases tales como el CFC (clorofluorocarbonos) utilizados como fluido refrigerante son extremadamente polucionantes y su utilización presenta riesgos importantes de contaminación atmosférica y de destrucción de la capa de ozono. Por ello, estos gases no responden ya a las exigencias actuales ni a las normas de numerosos países en materia medioambiental. Además, estos aparatos convencionales que funcionan a presión imponen que su instalación y mantenimiento sean efectuados por un personal cualificado y certificado, que debe seguir unos procedimientos obligatorios cuyo desarrollo necesita unos tiempos de intervención largos y repetidos. Por último, estos aparatos convencionales son ruidosos, generan numerosas vibraciones, son voluminosos, complejos y grandes consumidores de energía eléctrica. Estos dispositivos convencionales no resultan por tanto satisfactorios.

Los esfuerzos de búsqueda han permitido identificar unos materiales magnetocalóricos que pueden ser utilizados en unas instalaciones de temperado y/o de enfriado. El efecto magnetocalórico es la propiedad que poseen ciertos materiales de calentarse bajo el efecto de un campo magnético y de enfriarse a una temperatura inferior a su temperatura inicial después de la desaparición del campo magnético o a consecuencia de una variación de este campo magnético.

Una primera tecnología, basada en la utilización de ensamblajes magnéticos supraconductores de gran tamaño, es utilizada en unos laboratorios y en el campo de la investigación nuclear para llegar a unas temperaturas próximas al cero absoluto.

Se conoce en particular la patente US-A-4.674.288 que describe un dispositivo de licuefacción del helio que comprende una sustancia magnetizable móvil en un campo magnético generado por una bobina supraconductora y un depósito que contiene helio y en conducción térmica con dicha bobina supraconductora. El movimiento de traslación de la sustancia magnetizable genera frío que es transmitido al helio por medio de elementos conductores. La utilización de material supraconductor necesita unas instalaciones de enfriado con nitrógeno líquido, voluminosas, costosas y que requieren unas operaciones de mantenimiento delicadas. Estos dispositivos son complejos y sólo pueden ser utilizados para unas aplicaciones limitadas. Esta solución no resulta por tanto satisfactoria.

La publicación FR-A-2 525 748 tiene por objeto un dispositivo de refrigeración magnética que comprende un material magnetizable, un sistema de generación de un campo magnético variable y unos medios de transferencia del calor y del frío que comprenden una cámara llena de un refrigerante líquido saturado. En una primera posición, el material magnetizable genera frío y los medios de transferencia de frío extraen el frío del material magnetizable por condensación de un refrigerante. En una segunda posición, el material magnetizable genera calor y los medios de transferencia de calor extraen el calor del material magnetizable por ebullición o por calentamiento de otro refrigerante. La eficacia global de dichos sistemas es extremadamente baja y no puede rivalizar con los sistemas de refrigeración actuales en términos de rendimiento. Esta solución no resulta por tanto económicamente satisfactoria.

Unos estudios realizados en los Estados Unidos de América han permitido poner a punto un nuevo procedimiento de generación de flujo térmico utilizando un material magnetocalórico. Pasando por delante del campo magnético, los momentos magnéticos del material magnetocalórico se alinean, lo que provoca una reorganización de los átomos que generan el calentamiento del material magnetocalórico. Fuera del campo magnético, el proceso se invierte y el material magnetocalórico se enfría hasta alcanzar una temperatura inferior a su temperatura inicial. Se ha desarrollado un primer material a base de gadolinio. Este material, eficaz a temperatura ambiente, adolece del inconveniente de ser costoso y difícil de obtener para esta aplicación. Unas aleaciones menos onerosas y más fáciles de obtener están actualmente en curso de estudio.

Un equipo de investigadores americanos ha
desarrollado y puesto a punto un prototipo que permite validar los resultados teóricos de las investigaciones sobre el gadolinio. Este prototipo comprende un disco formado por sectores que contienen una aleación de gadolinio. El disco está guiado en rotación continua alrededor de su eje de manera que haga pasar sus sectores por un campo magnético creado por un imán permanente fijo. Este imán permanente cabalga los sectores del disco. Frente al imán permanente, el disco pasa por un bloque de transferencia térmica que comprende un circuito de fluido portador de calor destinado a transportar las calorías y/o las frigorías generadas por el gadolinio sometido alternativamente a la presencia y a la ausencia del campo
magnético.

El bloque de transferencia térmica puede ser ideado de dos maneras. Según una primera forma de realización, el bloque de transferencia térmica es llamado "ciego" y el circuito lo atraviesa sin que el fluido portador de calor esté en contacto directo con el disco. En este primer caso, el rendimiento de los intercambios térmicos es muy bajo y el dispositivo energéticamente no rentable. Según una segunda forma de realización, el bloque de transferencia térmica presenta unos orificios de entrada y de salida que desembocan sobre el disco en rotación y permiten que el fluido portador de calor esté en contacto con el disco. En este segundo caso, es muy difícil, incluso utilizando unas juntas giratorias, asegurar la estanqueidad entre el disco y el bloque de transferencia térmica sin penalizar el rendimiento global del dispositivo. Esta solución no es por tanto satisfactoria.

La publicación WO-A-03/050456 describe asimismo un dispositivo de refrigeración magnética con material magnetocalórico similar que utiliza dos imanes permanentes. Este dispositivo comprende un recinto anular monobloque que delimita doce compartimentos magnetocalóricos separados por unas juntas y que reciben cada uno gadolinio en forma porosa. Cada compartimento está provisto como mínimo de cuatro orificios de los que un orificio de entrada y uno orificio de salida están conectados a un circuito caliente y un orificio de entrada y un orificio de salida están conectados a un circuito frío. Los dos imanes permanentes están animados con un movimiento de rotación continua de manera que barren sucesivamente los diferentes compartimentos magnetocalóricos fijos sometiéndolos sucesivamente a un campo magnético diferente. Las calorías y/o frigorías emitidas por el gadolinio de los diferentes compartimentos son guiadas hacia unos intercambiadores de calor mediante unos circuitos caliente y frío de fluido portador de calor a los cuales están sucesivamente conectados por medio de juntas giratorias cuya rotación está acoplada por una o varias correas al eje de arrastre en rotación continua de los dos imanes. Así, el conducto de fluido portador de calor que atraviesa los compartimentos magnetocalóricos fijos es sucesivamente conectado a los circuitos caliente y frío por unas juntas rotativas. Este dispositivo, que simula así el funcionamiento de un aro líquido, necesita una rotación en continuo y síncrona precisa de las diferentes juntas rotativas y de los imanes permanentes, haciéndolo técnicamente difícil y costoso de realizar. Su principio de funcionamiento en continuo hace sus perspectivas de evolución técnica muy limitadas. Además, la construcción de este dispositivo no permite la utilización de un número superior de compartimentos magnetocalóricos sin hacerlo económicamente no rentable y técnicamente no fiable. Por último, la utilización de juntas rotativas no permite garantizar una buena estanqueidad y reduce la duración de vida de este dispositivo.

La publicación FR-A-2 601 440 describe un aparato y un procedimiento de refrigeración magnéticos que utilizan una sustancia magnetocalórica que se presenta en forma de un disco magnetocalórico, móvil en rotación con respecto a un aro magnético fijo que genera el campo magnético. Siendo el disco magnetocalórico móvil en rotación, es difícil garantizar la estanqueidad entre los conductos que transportan el fluido portador de calor y los circuitos térmicos caliente y frío externos que son fijos.

La publicación XP 002047554 titulada "Rotary recuperative magnetic heat pump" describe una bomba de calor que comprende un rotor magnético fijo y unos discos magnetocalóricos móviles de pequeño espesor que comprenden un material magnetocalórico tal como el gadolinio. La variación de campo magnético se obtiene por rotación continua o alterna de los discos magnetocalóricos. En este caso, el funcionamiento es similar al anterior y adolece de los mismos inconvenientes.

Exposición de la invención

La presente invención se propone evitar estos inconvenientes ofreciendo un dispositivo de generación de flujo térmico no contaminante, eficaz, fiable, de concepción simple pudiendo aceptar al mismo tiempo un número importante de órganos térmicos, evolutivo, flexible, modular, poco oneroso, cuyas operaciones de instalación y de mantenimiento pueden ser realizadas por un personal sin cualificación específica, bajo consumidor de energía eléctrica, cuyo volumen está optimizado, que tiene un buen rendimiento, que sólo necesita una cantidad limitada de material magnetocalórico y que puede ser utilizado en unas instalaciones industriales a gran escala así como para aplicaciones domésticas.

A este fin, la invención se refiere a un dispositivo de generación de flujo térmico con material magnetocalórico del tipo indicado en el preámbulo, caracterizado porque los medios de desplazamiento son alternativos y están dispuestos para desplazar los medios magnéticos con respecto a los elementos magnetocalóricos según un movimiento alternativo que puede ser seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos un pivotamiento, un pivotamiento combinado con una traslación tal como un movimiento helicoidal, una traslación rectilínea, circular, sinusoidal o según cualquier otra trayectoria adaptada.

Según una forma de realización preferida, los medios de recuperación comprenden por lo menos un circuito de fluido portador de calor, unos medios de circulación de este fluido portador de calor en el o los circuitos y unos medios de evacuación de las calorías y/o frigorías recuperadas por el o los fluidos portadores de calor, comprendiendo el circuito por lo menos dos zonas de transferencia situadas cada una en el entorno inmediato de uno de los elementos magnetocalóricos y dispuestas para que el fluido portador de calor recupere por lo menos en parte las calorías y/o frigorías emitidas por el elemento magnetocalórico correspondiente.

Los medios de recuperación pueden comprender unos medios de inversión del sentido de circulación del fluido portador de calor en el circuito de fluido portador de calor.

Los medios de recuperación comprenden preferentemente por lo menos dos circuitos de fluido portador de calor de los que por lo menos un "circuito caliente" para las calorías y por lo menos un "circuito frío" para las frigorías y unos medios de conmutación dispuestos para conectar alternativamente cada zona de transferencia a uno u otro de los circuitos de fluido portador de calor.

De manera ventajosa, el dispositivo comprende unos medios de sincronización dispuestos para sincronizar los medios de desplazamiento alternativos a los medios de conmutación de manera que, según el campo magnético al cual está sometido cada elemento magnetocalórico, la zona de transferencia correspondiente está conectada a uno u otro de los circuitos de fluido portador de calor.

El elemento magnetocalórico comprende ventajosamente por lo menos uno de los materiales magnetocalóricos seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos el gadolinio (Gd), una aleación de gadolinio que comprende por lo menos uno de los materiales seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos el silicio (Si), el germanio (Ge), el hierro (Fe), el magnesio (Mg), el fósforo (P), el arsénico (As), presentándose el material magnetocalórico en una de las formas seleccionada de entre el grupo que comprende un bloque, una pastilla, polvo, un aglomerado de pedazos. La utilización de materiales magnetocalóricos que tienen unas zonas de temperaturas diferentes permite obtener una amplia gama de potencias y de temperaturas.

Cada órgano térmico esta ventajosamente por lo menos en parte realizado en un material conductor seleccionado por su buena conducción térmica y seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos el cobre, las aleaciones de cobre, el aluminio, las aleaciones de aluminio, los aceros, las aleaciones de
acero, los inoxidables y las aleaciones de inoxidable.

De forma preferida, uno por lo menos de los órganos térmicos comprende por lo menos un conducto pasante provisto de por lo menos un orificio de entrada y de por lo menos un orificio de salida conectados al circuito de fluido portador de calor, definiendo el conducto pasante la zona de transferencia correspondiente.

De forma particularmente ventajosa, uno por lo menos de los órganos térmicos comprende un conducto pasante único provisto de un orificio de entrada único y de un orificio de salida único conectados al circuito, definiendo el conducto pasante la zona de transferencia correspondiente.

Los medios magnéticos comprenden preferentemente por lo menos un elemento magnético provisto de por lo menos un imán permanente.

Este elemento magnético presenta comprender por lo menos un material magnetizable dispuesto para concentrar y dirigir las líneas de campo del imán permanente, siendo este material magnetizable seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos el hierro (Fe), el cobalto (Co), el hierro dulce, el vanadio (V), un ensamblaje de estos materiales.

El elemento magnético tiene preferentemente una forma en U o en C dispuesta para recibir entre sus ramas y de forma alternativa el elemento magnetocalórico. En función del campo magnético a generar, la forma del elemento magnético podrá ser diferente y optimizada.

Los órganos térmicos son ventajosamente independientes y están separados por lo menos por un elemento térmicamente aislante seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos un espacio, un material aislante. También puede comprender varios elementos magnéticos soportados por un soporte acoplado a los medios de desplazamiento alternativos.

Según una primera forma de realización, el soporte es sustancialmente circular y define por lo menos un aro montado pivotante alternativamente sobre su eje, soportando este aro radialmente los medios magnéticos y, definiendo los órganos térmicos unos sectores circulares dispuestos sustancialmente en círculo de forma consecutiva para poder ser cabalgados libremente por los medios magnéticos.

En esta configuración, los medios magnéticos pueden estar orientados de manera que las ranuras de las formas en U o en C sean sustancialmente paralelas o perpendiculares al eje de pivotamiento del aro y, los órganos térmicos pueden estar orientados respectivamente sustancialmente paralelamente o perpendicularmente al eje de pivotamiento del soporte.

Según una segunda forma de realización, el soporte es sustancialmente rectilíneo y define por lo menos una barra, móvil en traslación rectilínea alternativa, soportando la barra los medios magnéticos, y estando los órganos térmicos soportados por lo menos por un marco que rodea la barra y dispuestos sustancialmente en línea para ser cabalgados libremente por los medios magnéticos.

En esta configuración, los medios magnéticos pueden estar dispuestos al tresbolillo a ambos lados de la barra para definir dos filas y el marco puede comprender dos series de órganos térmicos de los que cada uno corresponde a los medios magnéticos de una de las filas.

Una parte de los órganos térmicos está ventajosamente soportada por lo menos por una platina que presenta por lo menos unos orificios de comunicación para el paso del fluido portador de calor hacia el circuito de fluido portador de calor.

Los medios de circulación se seleccionan ventajosamente de entre el grupo que comprende por lo menos una bomba, un circulador, una circulación por termosifón.

Los medios de evacuación comprenden preferentemente por lo menos dos intercambiadores de los que por lo menos un intercambiador de calorías está conectado al "circuito caliente" y por lo menos un intercambiador de frigorías está conectado al "circuito frío".

Los medios de arrastre alternativos pueden ser seleccionados de entre el grupo que comprende por lo menos un motor, un gato, un mecanismo de resorte, un aerogenerador, un electroimán, un hidrogenerador.

El dispositivo comprende ventajosamente varias unidades de generación de flujo térmico conectadas en serie, en paralelo o según una combinación serie-paralelo.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención y sus ventajas se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción siguiente de varios modos de realización, dados a título de ejemplos no limitativos con referencia a los planos anexos, en los cuales:

- la figura 1 es una vista en perspectiva explosionada de un dispositivo de la invención según un primer modo de realización,

- la figura 2 es una vista en sección lateral de un órgano térmico del fluido portador de calor del dispositivo de la figura 1,

- las figuras 3A-B son vistas en perspectiva respectivamente por debajo y por encima del dispositivo de la figura 1,

- las figuras 4A-C son respectivamente unas vistas en perspectiva explosionada, por encima y por debajo de un dispositivo de la invención según un segundo modo de realización,

- las figuras 5A-C son unas vistas en perspectiva respectivamente explosionada y no explosionada de un dispositivo de la invención según dos etapas de funcionamiento de un tercer modo de realización, y

- las figuras 6A-B son unos esquemas que ilustran de forma simplificada el modo de funcionamiento de un dispositivo según la invención.

Mejor forma de realizar la invención

Con referencia a las figuras 1, 2, 3A-B, y según un primer modo de realización de la invención, el dispositivo 1 de generación de flujo térmico con material magnetocalórico, denominado en lo sucesivo en la descripción "el dispositivo", comprende una unidad de generación de flujo térmico 10 provista de doce órganos térmicos 11 que definen cada uno un sector circular. Cada órgano térmico 11 forma un elemento mecánico independiente adaptable según las necesidades. Estos órganos térmicos 11 están dispuestos de forma consecutiva para formar sustancialmente un círculo y están separados de dos en dos por uno o varios elementos térmicamente aislantes tal como por ejemplo un espacio J, un material aislante o cualquier otro medio equivalente.

Los órganos térmicos 11 contienen un elemento magnetocalórico 12 realizado en material magnetocalórico tal como por ejemplo gadolinio (Gd), una aleación de gadolinio que contiene por ejemplo silicio (Si), germanio (Ge), hierro (Fe), magnesio (Mg), fósforo (P), arsénico (As) o cualquier otro material o aleación magnetizable equivalente. La elección entre los materiales magnetocalóricos se realiza en función de las potencias calóricas y frigoríficas buscadas y de las gamas de temperaturas necesarias. Asimismo, la cantidad de material magnetocalórico utilizado en el órgano térmico 11 depende de las potencias calórica y frigorífica instaladas, de la gama de temperaturas de funcionamiento, de la potencia instalada del campo magnético y de la propia naturaleza del material magnetocalórico. A título de información, es posible obtener por ejemplo 160 vatios frigoríficos con 1 kg de gadolinio, un campo magnético de 1,5 Tesla, una gama de temperatura de 33ºC y un ciclo de 4 segundos, comprendiendo este ciclo las fases sucesivas de exposición al campo magnético y de no-exposición.

En este ejemplo, el elemento magnetocalórico 12 se presenta en forma de un sector circular y cada órgano térmico 11 comprende un elemento térmicamente conductor 13 que prolonga lateralmente el elemento magnetocalórico 12. El elemento térmicamente conductor 13 está realizado en un material conductor seleccionado por su buena conducción térmica tal como por ejemplo el cobre, las aleaciones de cobre, el aluminio, las aleaciones de aluminio, los aceros, las aleaciones de acero, los inoxidables, las aleaciones de inoxidables, o cualquier otro material equivalente. Así, cuando el elemento magnetocalórico 12 se calienta o se enfría bajo el efecto de la variación de campo magnético, transmite una parte de sus calorías o frigorías al elemento térmicamente conductor 13 que se calienta o se enfría rápidamente, aumentando por tanto la capacidad de absorción térmica del órgano térmico 11. La geometría de los órganos térmicos 11 favorece así una gran superficie de contacto con los elementos magnéticos 103 descritos más adelante. De manera general, el material magnetocalórico puede presentarse en forma de un bloque, de una pastilla, de polvo, de un aglomerado de pedazos o de cualquier otra forma adecuada. El elemento magnetocalórico 12 puede comprender varios materiales magnetocalóricos, por ejemplo varias placas dispuestas una al lado de la otra.

Cada órgano térmico 11 comprende una zona de transferencia 14 atravesada por el fluido portador de calor a calentar o enfriar. Esta zona de transferencia 14, ilustrada en la figura 2A, está formada por un conducto pasante que desemboca por el mismo lado, en este ejemplo, sobre una pared 15 sustancialmente plana del órgano térmico 11 por un orificio de entrada 16 y por un orificio de salida 17. Evidentemente es posible prever que para la totalidad o parte de los órganos térmicos 11, los orificios de entrada 16 y de salida 17 estén repartidos sobre dos, incluso sobre un número superior de paredes 15, siendo estas paredes 15 todas planas o no.

Los órganos térmicos 11 están fijados, apoyados sobre su pared 15 que presenta los orificios de entrada 16 y de salida 17, sobre una platina 18 realizada en un material mecánicamente rígido. Frente a la platina 18, los órganos térmicos 11 están provistos de escalonados 11' que aumentan su sección para facilitar su montaje sobre la platina 18 y mejorar los intercambios térmicos con el fluido portador de calor. La platina 18 y los órganos térmicos 11 están separados por una junta térmica 19. Esta junta térmica 19 y la platina 18 presentan unos orificios de comunicación 100 que permiten el paso del fluido portador de calor. Los orificios de comunicación 100 están provistos de racores (no representados) para conectar los orificios de entrada 16 y de salida 17 de las zonas de transferencia 14 de los diferentes órganos térmicos 11 a uno o varios circuitos externos provistos de intercambiadores térmicos, no representados en estas figuras. Estos circuitos externos están por ejemplo formados por conductos rígidos o flexibles, cada uno lleno de un fluido portador de calor idéntico o diferente. El o los circuitos externos y las zonas de transferencia 14 definen el o los circuitos de fluido portador de calor.

Cada circuito de fluido portador de calor comprende unos medios de circulación forzada o libre de fluido portador de calor, no representados en estas figuras, tales como por ejemplo una bomba, o cualquier otro medio equivalente. La composición química del fluido portador de calor está adaptada a la gama de temperaturas deseada y seleccionada para obtener un intercambio térmico máximo. Se utilizará por ejemplo agua pura para unas temperaturas positivas y agua con anticongelante, por ejemplo un producto glicolado, para temperaturas negativas. Este dispositivo 1 permite así liberarse de la utilización de cualquier fluido corrosivo o nocivo para el hombre y/o su entorno. Cada circuito de fluido portador de calor está además provisto de medios de evacuación, no representados en estas figuras, tales como por ejemplo unos intercambiadores o cualquier otro medio equivalente que permita la difusión de las calorías y de las frigorías.

Los medios magnéticos 102 del dispositivo 1 comprenden unos elementos magnéticos 103 provistos cada uno de uno o varios imanes permanentes macizos, sinterizados o laminados, asociados a uno o varios materiales magnetizables que concentran y dirigen las líneas de campo magnético del imán permanente. Los materiales magnetizables pueden contener hierro (Fe), cobalto (Co), vanadio (V), hierro dulce, un ensamblaje de estos materiales o cualquier material equivalente. Por otra parte, resulta evidente que se puede utilizar cualquier otro tipo de imán equivalente tal como un electroimán, un supraconductor. Sin embargo, el imán permanente presenta unas ventajas reales en términos de dimensionado, de simplicidad de utilización, de bajo consumo de energía eléctrica, y de bajo coste.

Los elementos magnéticos 103 están soportados por un soporte 104 móvil. En este ejemplo, el dispositivo 1 comprende seis elementos magnéticos 103 dispuestos sustancialmente en círculo, de manera consecutiva, y distantes de dos en dos en un intervalo I. Estos elementos magnéticos 103 presentan una forma en U o en C cuya separación de las ramas permite el paso libre de los órganos térmicos 11. Los elementos magnéticos 103 están fijados radialmente a un soporte sustancialmente circular que define un aro 104. Este aro 104 está montado pivotante sobre su eje entre dos posiciones y acoplado a unos medios de arrastre alternativos no representados que hacen pasar alternativamente el aro 104 de una posición a otra. Los medios de arrastre alternativos son por ejemplo un motor, un gato, un mecanismo de resorte, un aerogenerador, un electroimán, un hidrogenerador o cualquier otro medio equivalente. Con respecto a los movimientos continuos o paso a paso, el movimiento de pivotamiento alternativo presenta la ventaja de poder ser obtenido por unos medios de arrastre alternativos simples y poco costosos. Además, este movimiento alternativo sólo necesita dos posiciones de lo que resulta un funcionamiento simplificado, una carrera de desplazamiento limitada y fácilmente controlable.

Los elementos magnéticos 103 están acoplados encima de una parte de los órganos térmicos 11 de manera que éstos últimos son cabalgados y encuadrados a ambos lados por las ramas de los elementos magnéticos 103. Siendo el número de órganos térmicos 11 igual al doble del de los elementos magnéticos 103, cuando tiene lugar el pivotamiento alternativo de los elementos magnéticos 103 con respecto a los órganos térmicos 11, los órganos térmicos 11 están sucesivamente frente o no a un elemento magnético 103.

En este ejemplo, los órganos térmicos 11 están orientados sustancialmente paralelamente al eje de pivotamiento del aro 104 y los elementos magnéticos 103 están orientados para que su ranura sea sustancialmente paralela a este mismo eje de pivotamiento.

Como se describe ulteriormente con referencia a las figuras 6A-B, el dispositivo 1 comprende unos medios de conmutación y unos medios de sincronización. Así, en una primera etapa, el fluido portador de calor calentado por un órgano térmico 11 sometido a un campo magnético circula por un "circuito caliente" hacia un intercambiador de calorías. En una segunda etapa, el fluido portador de calor enfriado por el órgano térmico 11 sometido a la ausencia de campo magnético o por la presencia de un campo magnético diferente circula por un "circuito frío" hacia un intercambiador de frigorías.

Esta unidad de generación de flujo térmico 10 puede ser acoplada a otras similares o no con las cuales puede estar conectada en serie y/o en paralelo y/o una combinación serie/paralelo.

El dispositivo 2, según un segundo modo de realización y representado en las figuras 4A-C, es sustancialmente similar al anterior. Se diferencia del mismo por el hecho de que los órganos térmicos 21 están orientados sustancialmente perpendicularmente al eje de pivotamiento del aro 204 y por la orientación de los medios magnéticos 203 cuya ranura es sustancialmente perpendicular a este mismo eje de pivotamiento.

Según un tercer modo de realización representado en las figuras 5A-C, el dispositivo 3 comprende dos unidades de generación de flujo térmico 30 dispuestas una al lado de la otra y provistas cada una de doce órganos térmicos 31 y de seis elementos magnéticos 303. Este dispositivo está representado en las figuras 5B y C en dos posiciones diferentes que corresponden a dos etapas de funcionamiento distintas.

Los órganos térmicos 31 son rectilíneos y están dispuestos sustancialmente en línea según dos filas superpuestas. Su constitución es sustancialmente similar a la de las anteriores. Están separados de dos en dos por un espacio J. Cada par de filas de órganos térmicos 31 está soportada por un marco 306 sustancialmente rectilíneo, estando las filas repartidas a ambos lados de este marco sobre una traviesa 305. El marco 306 está realizado en un material térmicamente aislante y mecánicamente rígido. Los marcos 306 están fijados uno al otro por ejemplo por atornillado, remachado, pinzado, soldadura o cualquier otro medio equivalente. Pueden estar separados, entre sí y/o con respecto a los órganos térmicos, por una junta térmica no representada. Las líneas de órganos térmicos 31 están respectivamente recubiertas por arriba y por abajo por unas platinas de conexión sustancialmente similares a las anteriores y no representadas.

Los elementos magnéticos 303 son sustancialmente similares a los anteriores y presentan asimismo una forma de U o de C. Están dispuestos al tresbolillo a ambos lados de dos barras 304 sustancialmente rectilíneas, previstas cada una entre las dos traviesas 305 del marco 306 correspondiente. Así, los elementos magnéticos 303 definen dos filas de U o de C que cabalgan cada una una parte de los órganos térmicos 31. Las barras 304 están montadas móviles en traslación rectilínea alternativa sobre los marcos 306 y acopladas a los medios de arrastre alternativos no representados. A este fin, las barras 304 presentan en sus extremos unos dedos de guiado 307 que deslizan de forma alternativa en unas orejas de guiado 308 previstas en los marcos 306.

Como para los modos de realización anteriores, estas unidades de generación de flujo térmico 30 pueden ser acopladas a otras unidades similares o no, con las cuales pueden estar conectadas en serie y/o en paralelo y/o una combinación serie/paralelo. Se pueden así realizar unas etapas de temperaturas diferentes.

Según otras variantes de realización no representadas, el movimiento alternativo generado por los medios de desplazamiento alternativos para desplazar los medios magnéticos puede ser un pivotamiento combinado con una traslación tal como un movimiento helicoidal, una traslación circular, una traslación sinusoidal o una traslación según cualquier otra trayectoria adaptada.

El funcionamiento de los dispositivos 1 a 3 anteriores se describe con referencia a las figuras 6A-B que esquematizan tres etapas del ciclo de funcionamiento. Con referencia a estas figuras, el dispositivo 4 comprende dos órganos térmicos 41a, 41b, un elemento magnético 403 y dos circuitos de fluido portador de calor 410a, 410b de los que uno es un "circuito caliente" 410a acoplado a un intercambiador de calorías 413a y "un circuito frío" 410b acoplado a un intercambiador de frigorías 413b. La circulación del fluido portador de calor está asegurada por las bombas 411a, 411b, por ejemplo una bomba doble, con varias cámaras o con varias etapas. Los medios de conmutación 412 que permiten conectar cada órgano térmico 41a, 41b, a uno o a otro de los circuitos de fluido portador de calor 410a, 410b, comprenden por ejemplo unas válvulas, unas correderas de mando eléctrico, neumático, hidráulico o cualquier otro medio adaptado.

En el ejemplo descrito, el funcionamiento del dispositivo 4 puede ser descompuesto en tres etapas entre las cuales los medios de conmutación 412 son utilizados y el campo magnético modificado. En otra variante de realización no representada, la circulación del fluido portador de calor está asegurada por un circulador, por termosifón o por cualquier otro medio adaptado.

Cuando tiene lugar la primera etapa de puesta en marcha del ciclo (véase la figura 6A parcialmente), el órgano térmico 41a está conectado al "circuito caliente" 410a por medio de los medios de conmutación 412. Es sometido al campo magnético del elemento magnético 403, se calienta y transmite sus calorías al fluido portador de calor del "circuito caliente" 410a que lo atraviesa. Las calorías son transportadas por el "circuito caliente" 410a y evacuadas por el intercambiador de calorías 413a.

Para pasar de la primera a la segunda etapa, los medios de conmutación 412 son basculados para que los órganos térmicos 41a, 41b sean respectivamente conectados al "circuito frío" 410b y al "circuito caliente" 410a. Además, el elemento magnético 403 es desplazado para que el órgano térmico 41a no esté ya sometido a su campo magnético y que el órgano térmico 41b lo esté.

Cuando tiene lugar la segunda etapa del ciclo (véase la figura 6B), el órgano térmico 41a que no está ya sometido al campo magnético del elemento magnético 403, se enfría para alcanzar una temperatura inferior a su temperatura inicial y transmitir sus frigorías al fluido portador de calor del "circuito frío" 410b que lo atraviesa. Las frigorías son transportadas por el "circuito frío" 410b y evacuadas por el intercambiador de frigorías 413b que puede estar dispuesto en un recinto frío 414. Por otra parte, el órgano térmico 41b está sometido al campo magnético del elemento magnético 403; se calienta y transmite sus calorías al fluido portador de calor del "circuito caliente" 410a que lo atraviesa. Las calorías son transportadas por el "circuito caliente" 410a y evacuadas por el intercambiador de calorías 413a.

Para pasar de la segunda a la tercera etapa, los medios de conmutación 412 son basculados para que los órganos térmicos 41a, 41b sean respectivamente conectados al "circuito caliente" 410a y al "circuito frío" 410b. Además, el elemento magnético 403 es desplazado para que el órgano térmico 41b no esté ya sometido a su campo magnético y que el órgano térmico 41a lo esté.

Cuando tiene lugar la tercera etapa del ciclo (véase la figura 6A), el órgano térmico 41a está por tanto conectado al "circuito caliente" 410a y el órgano térmico 41b al "circuito frío" 410b por medio de unos medios de conmutación 412. El órgano térmico 41a está sometido al campo magnético del elemento magnético 403, se calienta y transmite sus calorías al "circuito caliente" 410a que lo atraviesa. Las calorías son transportadas por el "circuito caliente" 410a y evacuadas por el intercambiador de calorías 413a. El órgano térmico 41b, que no está ya sometido al campo magnético del elemento magnético 403, se enfría para alcanzar una temperatura inferior a su temperatura de partida y transmite sus frigorías al "circuito frío" 410b que lo atraviesa. Las frigorías son transportadas por el "circuito frío" 410b y evacuadas por el intercambiador de frigorías 413b que puede estar dispuesto en un recinto frío 414.

Los medios de conmutación 412 basculan y ponen de nuevo el dispositivo 4 en la configuración de la segunda etapa. El ciclo de calentamiento/enfriado puede así ser repetido sin límite. En cada ciclo, el material magnetocalórico del órgano térmico 41a, 41b es sucesivamente sometido a unos campos magnéticos y después sustraído de estos campos magnéticos. La frecuencia del ciclo depende de los medios utilizados y de los resultados térmicos a obtener.

La basculación de los órganos térmicos 41a, 41b y de los circuitos "frío" 410b y "caliente" 410a puede estar sincronizada con el desplazamiento alternativo del campo magnético, por ejemplo por el pivotamiento en un ángulo constante o el desplazamiento lineal en un paso constante. El ciclo de funcionamiento puede estar condicionado a una sonda de temperatura instalada en el recinto frío 414 o por ejemplo en la proximidad de los productos a enfriar.

En una variante de realización no representada, el dispositivo 4 no presenta medios de conmutación y el paso de una etapa a la otra es acompañado por la inversión del sentido de circulación del fluido portador de calor en un circuito de circulación de fluido portador de calor único. Esta variante permite liberarse de cualquier problema de estanqueidad suprimiendo las válvulas.

Posibilidades de aplicación industrial

Este dispositivo 4 permite así calentar, enfriar o templar un local, un túnel agroalimentario, el interior de un refrigerador, puede servir asimismo de bomba de calor o para cualquier otra aplicación similar, industrial o particular. Este dispositivo 4 puede servir por último para regular térmicamente unos recintos de conservación, de secado o para climatizar unos locales.

De manera general, según la invención, los medios de desplazamiento alternativos están acoplados a los medios magnéticos 103, 203, 303, 403 para desplazarlos alternativamente con respecto al órgano térmico 11, 21, 31, 41a, 41b. Por ello, el conjunto de los circuitos de fluido portador de calor es fijo y la variación de campo magnético se obtiene por el desplazamiento alternativo de los propios medios magnéticos 103, 203, 303, 403. Esta construcción particular permite así, liberarse de los numerosos problemas de estanqueidad cuando una parte de los circuitos 410a, 410b de fluido portador de calor está en movimiento con respecto al resto de los circuitos 410a, 410b.

Esta descripción pone en evidencia que el dispositivo 1-4 según la invención permite, reduciendo al mismo tiempo el consumo de energía, generar, sin contaminación, unos flujos térmicos importantes que pueden ser utilizados para cualquier tipo de aplicación. Este dispositivo, simple, puede ser colocado y revisado por personal sin cualificación específica. Además, tiene un nivel de ruido muy bajo durante su funcionamiento.

Por otra parte, este dispositivo 1-4 presenta la ventaja de necesitar únicamente dos posiciones de funcionamiento, lo que simplifica su concepción, su funcionamiento y su condicionado. Resulta por tanto menos caro de realizar y de utilizar que los dispositivos tradicionales.

Los desplazamientos alternativos permiten además obtener unas arquitecturas de dispositivo 1-4 que permiten un aumento fácil y económicamente rentable del número de órganos térmicos 11, 21, 31, 41a, 41b y/o de medios magnéticos 103, 203, 303, 403, y/o de unidades de generación de flujo térmico 10, 30. Permiten asimismo, combinando varias unidades de generación de flujo térmico con desplazamientos alternativos, aumentar las capacidades térmicas del dispositivo 1-4, de forma fiable, para un coste moderado y sin complicar de forma excesiva el funcionamiento o la arquitectura del dispositivo 1-4.

Claims (25)

1. Dispositivo de generación de flujo térmico con material magnetocalórico (1-4) que comprende por lo menos una unidad de generación de flujo térmico (10, 30) provista de por lo menos dos órganos térmicos (11, 21, 31, 41a, 41b) que comprende cada uno por lo menos un elemento magnetocalórico (12, 22, 32), unos medios magnéticos (103, 203, 303, 403) dispuestos para emitir por lo menos un campo magnético, unos medios de desplazamiento acoplados a dichos medios magnéticos (103, 203, 303, 403) para desplazarlos con respecto a dichos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32) a fin de someterlos a una variación de campo magnético de manera que hagan variar su temperatura, unos medios de recuperación de las calorías y/o frigorías emitidas por dichos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32), caracterizado porque dichos medios de desplazamiento son alternativos y están dispuestos para desplazar dichos medios magnéticos (103, 203, 303, 403) con respecto a dichos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32) según un movimiento alternativo.

2. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho movimiento alternativo se selecciona de entre el grupo que comprende por lo menos un pivotamiento, un pivotamiento combinado con una traslación, una traslación.

3. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos medios de recuperación comprenden por lo menos un circuito (410a, 410b) de fluido portador de calor, unos medios de circulación (411a, 411b) de dicho fluido portador de calor en dicho circuito (410a, 410b) y unos medios de evacuación (413a, 413b) de dichas calorías y/o frigorías recuperadas por dicho fluido portador de calor, comprendiendo dicho circuito (410a, 410b) por lo menos dos zonas de transferencia (14) situadas cada una en el entorno inmediato de uno de dichos elementos magnetocalóricos (12, 22, 32) y dispuestas para que dicho fluido portador de calor recupere por lo menos en parte dichas calorías y/o dichas frigorías emitidas por dicho elemento magnetocalórico (12, 22, 32) correspondiente.

4. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 3, caracterizado porque dichos medios de recuperación comprenden unos medios de inversión del sentido de circulación de dicho fluido portador de calor en dicho circuito (410a, 410b) de fluido portador de calor.

5. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 3, caracterizado porque dichos medios de recuperación comprenden por lo menos dos circuitos (410a, 410b) de los que por lo menos uno es un "circuito caliente" (410a) para las calorías y por lo menos un "circuito frío" (410b) para las frigorías y unos medios de conmutación (412) dispuestos para conectar alternativamente cada zona de transferencia (14) a uno o a otro de dichos circuitos (410a, 410b).

6. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 5, caracterizado porque comprende unos medios de sincronización dispuestos para sincronizar dichos medios de desplazamiento alternativos a dichos medios de conmutación (412) de manera que, según el campo magnético al cual es sometido cada elemento magnetocalórico (12, 22, 32), dicha zona de transferencia (14) correspondiente es conectada a uno o a otro de dichos circuitos (410a, 410b).

7. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho elemento magnetocalórico (12, 22, 32) comprende por lo menos uno de los materiales magnetocalórico seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos el gadolinio (Gd), una aleación de gadolinio que comprende por lo menos uno de los materiales seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos el silicio (Si), el germanio (Ge), el hierro (Fe), el magnesio (Mg), el fósforo (P), el arsénico (As), presentándose dicho material magnetocalórico en una de las formas seleccionada en el grupo que comprende un bloque, una pastilla, polvo, un aglomerado de pedazos.

8. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque cada órgano térmico (11, 21, 31, 41a, 41b) está por lo menos en parte realizado en un material conductor seleccionado por su buena conducción térmica y seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos el cobre, las aleaciones de cobre, el aluminio y las aleaciones de aluminio, los aceros y las aleaciones de acero, los inoxidables y las aleaciones de inoxidables.

9. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho órgano térmico (11, 21, 31, 41a, 41b) comprende por lo menos un conducto pasante provisto de por lo menos un orificio de entrada (16) y de por lo menos un orificio de salida (17) conectados a dicho circuito (410a, 410b), definiendo el conducto pasante la zona de transferencia (14) correspondiente.

10. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho órgano térmico (11, 21, 31, 41a, 41b) comprende un conducto pasante único provisto de un orificio de entrada (16) único y de un orificio de salida (17) único conectados a dicho circuito (410a, 410b), definiendo dicho conducto pasante dicha zona de transferencia (14) correspondiente.

11. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos medios magnéticos comprenden por lo menos un elemento magnético (103, 203, 303, 403) provisto de por lo menos un imán permanente o un electroimán o un supraconductor.

12. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho elemento magnético (103, 203, 303, 403) comprende por lo menos un material magnetizable dispuesto para concentrar y dirigir las líneas de campo de dicho imán permanente y seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos el hierro (Fe), el cobalto (Co), el vanadio (V), el hierro dulce, un ensamblaje de estos materiales.

13. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho elemento magnético (103, 203, 303, 403) presenta una forma en U o en C dispuesta para recibir entre sus ramas y de forma alternativa dicho elemento magnetocalórico (12, 22, 32).

14. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 11, caracterizado porque dichos órganos térmicos (11, 21, 31, 41a, 41b) son independientes y están separados por lo menos por un elemento térmicamente aislante seleccionado de entre el grupo que comprende por lo menos un espacio, un material aislante.

15. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende varios elementos magnéticos (103, 203, 303, 403) soportados por lo menos por un soporte (104, 304) acoplado a dichos medios de desplazamiento alternativos.

16. Dispositivo (1, 2) según la reivindicación 15, caracterizado porque dicho soporte es sustancialmente circular y define por lo menos un aro (104) montado pivotante alternativamente sobre su eje, soportando dicho aro radialmente los medios magnéticos (103, 203) y porque dichos órganos térmicos (11, 21) definen unos sectores circulares dispuestos sustancialmente en círculo de forma consecutiva para poder ser cabalgados libremente por dichos medios magnéticos (103, 203).

17. Dispositivo (1) según la reivindicación 16, caracterizado porque dichos medios magnéticos (103) están orientados de manera que las ranuras de las formas en U o en C sean sustancialmente paralelas al eje de pivotamiento de dicho aro (104), y porque dichos térmicos (11) están orientados sustancialmente paralelamente al eje de pivotamiento de dicho aro (104).

18. Dispositivo (2) según la reivindicación 16, caracterizado porque dichos medios magnéticos (203) están orientados de manera que las ranuras de dichas formas en U o en C sean sustancialmente perpendiculares al eje de pivotamiento de dicho aro (204), y porque dichos órganos térmicos (21) están orientados sustancialmente perpendicularmente al eje de pivotamiento de dicho aro (204).

19. Dispositivo (3) según la reivindicación 15, caracterizado porque dicho soporte es sustancialmente rectilíneo y define por lo menos una barra (304) móvil en traslación rectilínea alternativa, soportando dicha barra (304) dichos medios magnéticos (303), y porque dichos órganos térmicos (31) están soportados por lo menos por un marco (306) que rodea dicha barra (304) y dispuestos sustancialmente en línea para ser cabalgados libremente por dichos medios magnéticos (303).

20. Dispositivo (3) según la reivindicación 19, caracterizado porque dichos medios magnéticos (303) están dispuestos al tresbolillo a ambos lados de dicha barra (304) para definir dos filas, y porque dicho marco (306) comprende dos series de órganos térmicos (31) de los que cada uno corresponde a unos medios magnéticos (303) de una de dichas filas.

21. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque por lo menos una parte de dichos órganos térmicos (11, 21, 31, 41a, 41b) está soportado por lo menos por una platina (18, 28) que presenta unos orificios de comunicación (100) para el paso de dicho fluido portador de calor hacia dicho circuito (410a, 410b).

22. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 3, caracterizado porque dichos medios de circulación se seleccionan de entre el grupo que comprende por lo menos una bomba (411a, 411b), un circulador, un termosifón.

23. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 4, caracterizado porque dichos medios de evacuación comprenden por lo menos dos intercambiadores de los que uno por lo menos es un intercambiador de calorías (413a) conectado al "circuito caliente" (410a) y por lo menos un intercambiador de frigorías (413b) conectado al "circuito frío" (410b).

24. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos medios de arrastre alternativos se seleccionan de entre el grupo que comprende por lo menos un motor, un gato, un mecanismo de resorte, un aerogenerador, un electroimán, un hidrogenerador.

25. Dispositivo (1-4) según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende varias unidades de generación de flujo térmico conectadas en serie, en paralelo o según una combinación serie-paralelo.