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Title:
METHOD AND DEVICE FOR CLIMATICALLY CONTROLLING, IN PARTICULAR COOLING, A MEDIUM BY MEANS OF ELECTROCALORIC OR MAGNETOCALORIC MATERIAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/016691
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and a device for climatically controlling, in particular cooling, a medium by means of electrocaloric or magnetocaloric material, in which at least one electrocaloric or magnetocaloric material element is alternately exposed to the influence of an electrical and/or magnetic field on a warm side, and at the same time heat occurring as a result of heating up of the electrocaloric or magnetocaloric material element is removed, and this or a further electrocaloric or magnetocaloric material element is kept free from the influence of an electrical and/or magnetic field on a cold side, and at the same time heat from the medium to be climatically controlled is absorbed, wherein a plurality of electrocaloric or magnetocaloric material elements that are thermally insulated from one another are exposed to the influence of an electrical and/or magnetic field on the warm side, while a plurality of electrocaloric or magnetocaloric material elements that are thermally insulated from one another are kept free from the influence of an electrical and/or magnetic field on the cold side.

Inventors:
BARTHOLOMÈ, Kilian (Schönbergstr. 1, Ebringen, 79285, DE)
KÖNIG, Jan (Hofmattstr. 2, Freiburg, 79112, DE)
Application Number:
EP2016/059962
Publication Date:
February 02, 2017
Filing Date:
May 04, 2016
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V. (Hansastr. 27C, München, 80686, DE)
International Classes:
F25B21/00
Foreign References:
US20150033762A12015-02-05
US20080303375A12008-12-11
US20090320499A12009-12-31
US20140216057A12014-08-07
US8596077B22013-12-03
US20090320499A12009-12-31
US20100300118A12010-12-02
US20100236258A12010-09-23
DE102012110415A12013-05-02
US20110162388A12011-07-07
US20110163811A12011-07-07
US20110016388A12011-01-20
Attorney, Agent or Firm:
GRUNECKER PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PARTG MBB (Leopoldstr. 4, München, 80802, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Klimatisierung, insbesondere Kühlung, eines Mediums mittels elektro- oder magnetokalorischen Materials, bei dem alternierend zumindest ein elektro- oder magnetokalorisches Materialelement (2a) auf einer Heißseite einem elektrischen und/oder magnetischen Feld (12) ausgesetzt wird und gleichzeitig eine entstehende Wärme aus einer Erwärmung des elektro- oder magnetokalorischen Materialelementes (2a) abgeführt wird, und dieses oder ein weiteres elektro- oder magnetokalorisches Materialelement (2b) auf einer Kaltseite frei von einer elektrischen und/oder magnetischen Feldbeeinflussung gehalten wird, und gleichzeitig Wärme von dem zu klimatisierenden Medium aufnimmt, wobei eine Mehrzahl voneinander thermisch isolierter elektro- oder magnetokalorischer Materialelemente (2a) auf der Heißseite einem elektrischen und/oder magnetischen Feld (12) ausgesetzt werden, während eine Mehrzahl voneinander thermisch isolierter elektro- oder magnetokalorischer Materialelemente (2b) auf der Kaltseite frei von einer elektrischen und/oder magnetischen Feldbeeinflussung gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektro- oder magnetokalorische Materialelement (2a) oder das weitere elektro- oder magnetokalorische Materialelement (2b) bewegt, insbesondere um eine Rotationsachse (3) gedreht, werden, um alternierend in einen Bereich eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes (12) und aus diesem Bereich heraus in einen Bereich frei von elektrischer und/oder magnetischer Feldbeeinflussung zu gelangen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Heißseite die entstehende Wärme über einen ersten Wärmeübertrager (4) abgegeben und auf der Kaltseite Wärme von dem zu klimatisierenden Medium über einen zweiten Wärmeübertrager (6) aufgenommen wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2b, 2c) unter Rotation um eine Drehachse (3) ihre Positionen zwischen einem Bereich eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes (12) und einem Bereich frei von einer elektrischen und/oder magnetischen Feldbeeinflussung alternierend gegeneinander vertauschen.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektro- oder magnetokalorisches Materialelement (2a) eines n- ten Segments auf der Heißseite in wärmeleitender Verbindung mit einem weiteren elektro- oder magnetokalorischen Materialelement (6) eines nächstfolgenden, η+1-ten Segments auf der Kaltseite gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro- oder magnetokalorische Materialelement (2a) des n-ten Segments auf der Warmseite mit dem elektro- oder magnetokalorischen Materialelement (2b) des η+1-ten Segments wärmeübertragend über eine Wärmeübertrageranordnung (4, 6) verbunden wird.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktoberflächen von elektro- oder magnetokalorischen Materialelementen (2a, 2b) und/oder zugehörigen Wärmeübertragern (4, 6) der Wärmeübertrageranordnung oberflächenvergrößernd strukturiert und/oder mit einer wärmeleitenden Beschichtung versehen werden.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeübertragung zwischen den elektro- oder magnetokalorischen Materialelementen (2a, 2b) und zugehörigen Wärmeübertragern (4, 6) der Wärmeübertrageranordnung unter Ausnutzung einer latenten Wärme eines Fluides ausgebildet wird.

9. Einrichtung zur Klimatisierung, insbesondere Kühlung eines Mediums, mittels elektro- oder magnetokalorischen Materials, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, mit zumindest einer Anordnung elektro- oder magnetokalorischen Materialelement (2a, 2b) in einem elektrischen und/oder magnetischen Feld (12) in wärmeübertragender Verbindung mit einer Wärmesenke (5) auf einer Heißseite und außerhalb eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes in wärmeübertragender Verbindung mit dem zu klimatisierenden Medium (7) auf einer Kaltseite, gekennzeichnet durch eine kaskadierte Anordnung elektro- oder magnetokalorischer Materialelemente (2a, 2b) zur Vergrößerung eines Temperaturhubes, wobei die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b), die sich jeweils gemeinsam auf der Kaltseite außerhalb einer elektrischen und/oder magnetischen Feldbeeinflussung oder die sich auf der Heißseite innerhalb eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes befinden, thermisch voneinander isoliert sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a) der Heißseite voneinander beabstandet sind und/oder die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2b) der Kaltseite voneinander beabstandet angeordnet sind.

1 1 . Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung elektro- oder magnetokalorische Materialelemente (2a, 2b) zumindest ein Segment (1 , 2) mit einem elektro- oder magnetokalorischen Materialelement (2a) in dem elektrischen und/oder magnetischen Feld und in wärmeübertragender Verbindung mit der Wärmesenke (5) und mit einem elektro- oder magnetokalorischen Materialelement (2b) außerhalb des elektrischen und/oder magnetischen Feldes und in wärmeübertragender Verbindung zu dem zu klimatisierenden Bereich (7) aufweist.

12. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , gekennzeichnet durch eine alternierende Anordnung der elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b) innerhalb und außerhalb des elektrischen und/oder magnetischen Feldes.

13. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b) eines Segmentes (1 , 2) einstückig ausgeführt sind, im Wesentlichen ohne Wärmeübertragung zwischen den elektro- oder magnetokalorischen Materialelementen (2a, 2b) eines Segmentes (1 , 2) oder die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b) eines Segmentes (1 , 2) durch eine thermische Isolation (13) voneinander getrennt sind.

14. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch eine Bewegungsanordnung, insbesondere Rotoranordnung, mit scheibenförmiger Ausbildung der elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b), die durch die Bewegungsanordnung alternierend in das elektrische und/oder magnetische Feld hinein und/oder aus diesem heraus bewegbar sind.

15. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine Wärmeübertrageranordnung (4) zwischen einem n-ten elektro- oder magnetokalorischen Materialelement (2a) auf der Heißseite und einer Wärmeübertrageranordnung (6) zwischen einem n-ten elektro- oder magnetokalorischen Materialelement auf der Heißseite im Einfluss eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes und einem η+1 -ten elektro- oder magnetokalorischen Materialelement (2b) auf der Kaltseite außerhalb einer elektrischen und/oder magnetischen Feldbeeinflussung.

16. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrageranordnung einen Wärmeübertrager auf der Heißseite im Einfluss eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes in einem n-ten Segment (1 ) in wärmeleitender Verbindung mit einem Wärmeübertrager (6) auf der Kaltseite außerhalb einer elektrischen und/oder magnetischen Feldbeeinflussung in einem η+1-ten Segment (2) aufweist und die Wärmeübertrager (4, 6) in hochwärmeleitender, wärmeübertragender Verbindung sind.

17. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrageranordnung der Heißseite und der Kaltseite zweier abfolgender Segmente Wärmerohre mit gerichteter Wärmeübertragung von der Warmseite des n-ten Segments auf die Kaltseite des abfolgenden, η+1 -ten Segmentes aufweist.

18. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrageranordnung aus von der Warmseite des n-ten Segmentes zur Kaltseite des abfolgenden η+1-ten Segmentes verlaufenden Festkörperelementen aus hochwärmeleitfähigem Material gebildet sind.

19. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrageranordnung stationär und die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente rotatorisch um eine Drehachse zu innigem, wärmeübertragendem Kontakt mit der Wärmeübertrageranordnung bewegbar sind.

20. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2b) der Kaltseite untereinander wie auch die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a) der Heißseite untereinander durch thermische Isolierung mittels Isolationselementen, die insbesondere stationär angeordnet sind, voneinander thermisch isoliert sind.

21 . Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager und/oder Isolationselemente zwischen elektro- oder magnetokalorischen Materialelementen (2a, 2b) auf Kalt- und/oder Heißseite und/oder die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b) um eine Bewegungsachse (3) drehbar sind.

22. Einrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehwinkeldifferenz zwischen den Wärmeübertragern (4, 6) und/oder den Isolationselementen und/oder den elektro- oder magnetokalorischen Materialelementen (2a, 2b) variabel ist.

23. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüchen 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b) und/oder die mit ihnen wärmeübertragend verbundenen Wärmeübertrager (4, 6) oberflächenvergrößernd strukturiert und/oder mit einer gut wärmeleitenden Beschichtung versehen sind.

24. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 23, gekennzeichnet durch einen Permanentmagneten (8), der stationär angeordnet ist, und die Heißseite zumindest teilweise U-förmig umgreift.

25. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b) scheibenförmige Rotorelemente bilden, die einander in einem Segment (1 , 2) jeweils gegenüberliegend und im Bereich einer Rotationsachse (3) der Rotoranordnung voneinander getrennt angeordnet sind, insbesondere eine halbkreisförmige Gestalt aufweisen.

26. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 25, gekennzeichnet durch eine parallel zu einer Rotationsachse (3) der Rotoranordnung wirksame Druckanordnung zur Druckbeaufschlagung zwischen Kontaktflächen der Wärmeübertrager und der elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b).

27. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 26, gekennzeichnet durch ein hochwärmeleitfähiges Fluid an zumindest einer der Kontaktoberflächen von Wärmeübertrager und zugehörigem elektro- oder magnetokalorischen Materialelement, insbesondere Flüssigkeit wie flüssiges Metall, die im Wesentlichen stationär an einer der Kontaktoberflächen, insbesondere einer Kontaktoberfläche des Wärmeübertragers anhaftet.

28. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kontaktoberfläche des Wärmeübertragers aus einem hochwärmeleitfähigen Material, insbesondere aus Metall wie AI, Cu, Si oder Metalllegierungen wie Messing oder aus keramischem Material AIN besteht.

29. Einrichtung aus zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente (2a, 2b) einen Rotor bilden, der um eine, insbesondere vertikale oder horizontale oder eine zur horizontalen oder vertikalen geneigte Drehachse (3) drehbar ist.

30. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die hochwärmeleitfähige Beschichtung einer Kontaktoberfläche von Wärmeübertrager und/oder elektro- oder magnetokalorischen Materialelement korrosionsbeständig und/oder nicht-oxidierend mit niedrigem Gleitreibungskoeffizienten ist, insbesondere Messing aufweist.

31 . Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einer Kontaktoberfläche des Wärmeübertragers und/oder des elektro- oder magnetokalorischen Materialelementes eine verhältnismäßige niedrige Härte aufweist, insbesondere Gold aufweist.

32. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass eine hochwärmeleitende Beschichtung einer Kontaktoberfläche des Wärmeübertragers und/oder des zugehörigen elektro- oder magnetokalorischen Materialelementes eine hohe Härte aufweist, insbesondere Diamant aufweist.

33. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente unterschiedlicher Segmente unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher Curie-Temperatur aufweisen.

34. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeübertragung zwischen elektro- oder magnetokalorischen Materialelement und Wärmeübertrager unter Phasenumwandlung und Nutzung der latenten Wärme eines Übertragerfluids erfolgt.

35. Einrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente auf der Kalt- und/oder Warmseite im Wesentlichen gasdichte Räume mit in diesen angeordneten Wärmeübertragern bilden, in denen das verdampfbare/kondensierbare Übertragerfluid im Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase des Fluids aufgenommen ist, und ein Wärmeübergang zwischen Wärmeübertrager und elektro- oder magnetokalorischen Materialelement auf der Kaltseite durch Kondensation von von dem Wärmeübertrager verdampften Übertragerfluid an dem elektro- oder magnetokalorischen Materialelement und ein Wärmeübergang zwischen dem elektro- oder magnetokalorischen Materialelement und dem Wärmeübertrager auf der Warmseite durch Verdampfen des auf dem elektro- oder magnetokalorischen Materialelement kondensierten Übertragerfluids, und Kondensation an dem zugehörigen Wärmeübertrager auf der Warmseite erfolgt.

36. Wärmekraftmaschine mit einer Rotoranordnung aus elektro- oder magnetokalorischen Materialelementen, die auf einer Warmseite innerhalb und auf einer Kaltseite außerhalb eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes angeordnet sind, wobei das n-te magnetokalorische Materialelement auf der Warmseite mit einem η+1-ten elektro- oder magnetokalorischen Materialelement auf der Kaltseite, insbesondere unter Einsatz jeweils zugeordneter Wärmeübertrager, in wärmeübertragender Verbindung ist, und eine Rotorwelle der Rotoranordnung zur Bereitstellung eines elektro- oder magnetokalorisch induzierten Drehelementes vorgesehen ist.

Description:
Verfahren und Einrichtung zur Klimatisierung, insbesondere Kühlung, eines Mediums mittels elektro- oder magnetokalorischen Materials

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Klimatisierung, insbesondere Kühlung, eines Mediums mittels elektro- oder magnetokalorischen Materials, wie sie z. B. für Klimatisierungseinrichtungen, z. B. Fahrzeugs-Klimatisierungseinrichtungen, verwendbar sind.

Konventionelle Kühl- oder Klimatisierungssysteme, z. B. in Kraftfahrzeugen, arbeiten mit Kältemitteln, die kompressorbetrieben in entsprechenden Kältemittelkreisläufen zirkulieren, und phasengewandelt werden, wobei der Wirkungsgrad derartiger Kompressoranlagen im Allgemeinen 50 % nicht übersteigt und die entsprechenden Kältemittel in der Regel aufgrund ihrer Gefahrgeneigtheit für Umwelt und Handhabung Sonderbestimmungen unterliegen.

Ein Systemwechsel kann unter Ausnutzung des elektrokalorischen oder magnetokalorischen Effektes in Verbindung mit elektro- oder magnetokalorischen Materialien erfolgen, wobei dieser Effekt darin besteht, dass elektro- oder magnetokalorisches Material bei Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes seine Temperatur ändert (erhöht), und zwar bei elektrokalorischen Materialien durch Änderungen in der Polarisation bzw. bei magnetokalorischen Materialien durch Ausrichtung der magnetischen Momente des Materials durch das Magnetfeld, wobei das Material sich auch wieder abkühlt, wenn man das elektrische oder das magnetische Feld entfernt. Durch periodische elektrische/magnetische Feldeinwirkung und gleichzeitiges Abführen der entstehenden Wärme kann mit diesen Materialien also eine Kühlwirkung erreicht werden. Durch Ankopplung an einen Wärmetauscher kann die feldbedingte Erwärmung des elektro- bzw. magnetokalorischen Materials abgeführt und das Material wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Wird nunmehr das elektrische oder magnetische Feld abgeschaltet, kommt es aufgrund der Neuausrichtung der elektrischen/magnetischen Momente in ihre Ausgangsposition zur Abkühlung des Materials, wobei durch Kopplung desselben an ein Medienreservoir dieses bzw. ein Umgebungsmedium auf eine Temperatur niedriger als die ursprüngliche Umgebungstemperatur abgekühlt werden kann.

Es erscheint möglich, auf diese Weise Kälte- bzw. Klimatisierungssysteme zu schaffen, bei denen die Möglichkeit besteht, im Wesentlichen ohne Stofftransport durch Verschiebung der Positionen der Einwirkung der elektrischen/magnetischen Felder auf das elektrokalorische bzw. magnetokalorische Material auszukommen bzw. durch entsprechende Konstruktionen, in denen ein Temperaturausgleich vermieden ist, auch die erreichbaren Erwärmungs-/ Abkühlungseffekte zu verstärken. Ein Problem besteht allerdings u. a. darin, dass die unmittelbar an dem elektro- bzw. magnetokalorischen Materialfeld erreichbaren Temperaturgradienten im Bereich einiger Kelvin verhältnismäßig klein sind, so dass bisher eine industrielle Anwendung des elektrokalorischen bzw. magnetokalorischen Effektes für die Auslegung von Kühl- oder Klimatisierungssystemen oder auch für die Wärmeerzeugung noch keine größere Bedeutung zugekommen ist.

Insbesondere ist daher die Ankopplung der elektro- bzw. magnetokalorischen Systeme und Materialien an Wärmeübertragungs- bzw. Stofftransportsysteme ein entscheidender Aspekt im Hinblick auf eine Nutzbarmachung des elektrokalorischen bzw. magnetokalorischen Effektes für die Auslegung neuartiger Kühl- oder Klimatisierungssysteme oder auch von Wärmeerzeugern.

Ein entsprechender Thermogenerator in modularer und mit einem getrennten Kaltfluid- und Warmfluid-Kreislauf versehener Bauweise ist aus US 8 596 077 B2 bekannt. Allerdings wird auch hier jeweils nur die unmittelbar aus der Temperaturerhöhung/Erniedrigung des magnetokalorischen Materiales resultierender Effekt für die Erwärmung des Wärmeübertragungsfluides genutzt.

Vergleichbare Lösungen sind auch aus US 2009/0320499 A1 , US 2010/03001 18 A1 oder US 2010/0236258 A1 bekannt.

Eine Magnet-Kühlvorrichtung, die mit unterschiedlichen magnetokalorischen Materialien unterschiedlicher Curie-Temperatur arbeitet und von einem Wärmeübertragungsfluid überströmt wird, um die Wärme von einem Tieftemperaturende zu einem Hochtemperaturende eines magnetokalorischen Moduls zu übertragen, ist aus der DE 10 2012 1 10 415 A1 bekannt. Auch hierbei werden allerdings keine zusätzlichen Effizienzsteigerungen erreicht.

Ein auf dem magnetokalorischen Effekt beruhendes Kühlsystem ist auch aus der US 201 1/0162388 A1 bekannt, die ebenfalls mit magnetokalorischen Materialien unterschiedlicher Curie-Temperatur arbeitet, um in Verbindung mit der Rotation der verschiedenen Sätze unterschiedlichen magnetokalorischen Materials dieses einem äußeren angeschlossenem Magnetfeld zur Erwärmung bzw. einer Demagnetisierung zur Abkühlung zu unterwerfen, wobei durch axial die Anordnung durchziehende Fluidkanäle eine entsprechende Wärmeübertragung auf ein erwärmtes bzw. abgekühltes Fluid erfolgt. Im vorliegenden Fall wird durch Verwendung von magnetokalorischen Materialien mit möglichst unterschiedlichen Curie Temperaturen und eine darauf abgestimmte Flussrichtung des Fluids versucht, den Temperaturhub des Systems möglichst zu erhöhen. Dies kann auch durch entsprechende Segmentierung des magnetokalorischen Materials noch unterstützt werden.

Da hierbei das Wärmeübertragungsfluid den kompletten Temperaturbereich von der Kaltseite bis zur Warmseite und die zugehörigen Wärmetauscher durchströmt (vgl. z. B, die Figuren 3 bis 5 der US 201 1/016381 1 ) muss das gesamte, die Magnetfeldblöcke durchströmende Wärmeübertragungsfluid aufgewärmt bzw. abgekühlt werden, so dass dessen thermische Masse sowie die Wärmeübertragung von dem magnetokalorischen Material auf das Übertragungsfluid die maximale Fluid-Flussgeschwindigkeit bestimmt. Durch möglichste Erhöhung der Wärmeübergangs-Kontaktflächen (ein Beispiel ist in Figur 6 der US 201 1/016388 A1 gezeigt) zwischen Fluid und magnetokalorischem Material sowie der Fließgeschwindigkeit des Fluides wird versucht, eine möglichst maximale Wärmeübertragung bei gleichzeitig möglichst großem Temperaturhub zu erreichen. Insgesamt bestimmt allerdings bei jedem System die Wärmeübertragung magnetokalorisches Material-Wärmeübertragungsfluid die maximale Frequenz der Magnetisierung bzw. die Demagnetisierung des magnetokalorischen Materiales damit auch den maximal erreichbaren Wärmetransport. Darüber hinaus sind weitere Einrichtungen wie Steuerventile, Pumpen etc. bei Verwendung von Fluiden als Wärmeübertragungsmedien erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Klimatisierung, insbesondere Kühlung, eines Mediums mittels elektrokalorischem oder magnetokalorischem Material anzugeben, die sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad und damit durch eine bessere, industrielle Nutzungen ermöglichende Anwendung des elektrokalorischen oder magnetokalorischen Effektes bei unkomplizierten Aufbau auszeichnen.

Es soll ferner eine Wärmekraftmaschine unter Nutzung elektro- oder magnetokalorischen Materials angegeben werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Einrichtung nach Anspruch 9, hinsichtlich einer Wärmekraftmaschine nach Anspruch 25 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Lösungsgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gerichteten Wärmetransport zwischen zwei elektro- oder magnetokalorischen Materialien einzurichten, von denen das eine sich im Einflussbereich eines (je nach Art des verwendeten Materials) elektrischen und/oder magnetischen Feldes befindet, während das andere elektrokalorische oder magnetokalorische Material sich außerhalb eines solchen Feldeinflusses befindet, wobei das jeweilige elektrokalorische oder magnetokalorische Material in Abhängigkeit von der Feldbeeinflussung mit verschiedenen Wärmereservoirs (Wärmesenke im Feldbereich, zu kühlender Bereich im Nicht-Feldbereich) in Verbindung gebracht ist. Befindet sich das elektrokalorische oder magnetokalorische Material unter Feldeinfluss, steht es thermischem Kontakt mit der Heißseite (Wärmesenke), ist es außerhalb des Feldes, steht es in thermischem Kontakt mit der Kaltseite (zu kühlender Bereich/Medium/Gegenstand). Das Verfahren wird jedoch mit einer Mehrzahl von elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelementen auf der Heiß- und auf der Kaltseite, die auf jeder Seite untereinander thermisch isoliert sind, ausgeführt.

Die alternierende Feldbeeinflussung bzw. Nicht-Feldbeeinflussung der elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialien und der entsprechende wechselnde thermische Kontakt der Materialien mit der Heißseite (Wärmesenke) oder Kaltseite (zu kühlender Bereich) lässt sich vorteilhaft durch ein rotierendes System, d. h. eine rotierende Anordnung dieser Materialien (alternativ durch ein rotierendes Feldsystem) ausbilden. Gleichzeitig lässt sich dadurch ein möglichst hoher Temperaturhub durch ein sequentielles „kaskadiertes" Anordnen mehrerer solcher aus magnetokalorischem oder elektrokalorischem Material und zugehörigem Wärmeübertrager auf der Heiß- bzw. Kaltseite bestehender „Segmente" realisieren.

Es ist insbesondere bevorzugt, dass zwischen einem magnetokalorischen Materialelement und einem zugeordneten Wärmeübertrager (oder Wärmeleiter) ein guter wärmeleitfähiger bzw. wärmeübertragender Kontakt besteht, so dass insbesondere dieser Wärmeübertrager oder Wärmeleiter verlustarm für die Übertragung der Wärmemenge Q des ersten elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelementes, das sich im elektrischen und/oder magnetischen Feld befindet (n-tes Segment), auf das außerhalb des Feldeinflusses des elektrischen und/oder magnetischen Feldes liegende, weitere elektrokalorische oder magnetokalorische Materialelement (η+1-tes Segment) dient.

Bezogen auf ein einzelnes Segment, gebildet aus einem elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelement auf der Kaltseite (außerhalb einer Feldbeeinflussung) in thermischer Verbindung zu dem zu kühlenden Bereich und einem magneto- oder elektrokalorischen Materialelement (unter Feldeinfluss) auf der Heißseite in thermischem Kontakt mit einer Wärmesenke, wird das oder werden die elektrokalorische oder magnetokalorischen Materialelemente vorzugsweise durch deren Bewegungsanordnung, insbesondere rotierende Anordnung um eine Drehachse, abwechselnd in ein elektrisches und/oder magnetisches Feld hineingeführt oder aus diesem wieder herausgeführt. Auf diese Weise wird die sich aus der Temperaturdifferenz zwischen dem elektro- oder magnetokalorischen Materialelement und dem zu kühlenden Bereich ergebenden Wärmemenge auf die Heißseite durch die Rotation des betreffenden elektro- oder magnetokalorischen Materialelementes in das elektrische und/oder magnetische Feld übertragen, das Materialelement unter Feldeinfluss erwärmt und die Wärmemenge an die Wärmesenke abgegeben. Vorzugsweise erfolgt die thermische Kopplung der elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente mit dem zu kühlenden Bereich auf der Kaltseite bzw. mit der Wärmesenke auf der Warmseite über Wärmeübertrager, die stationär angeordnet mit den bewegten Materialelementen in möglichst guten, hochwärmeleitfähigen Kontakt gebracht werden, um thermische Übertragungsverluste zu vermeiden.

Eine Steigerung des Temperaturhubes, d. h. des thermischen Effektes der Anordnung lässt sich dabei durch eine Kaskadierung, d. h. Mehrfachanordnung solcher elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelemente, vorzugsweise nebst zugehöriger Wärmeübertrager, sowohl auf der Heißseite als auch auf der Kaltseite erreichen, wobei jeweils das Materialelement (insbesondere über dem diesem zugeordneten Wärmeübertager) mit dem Materialelement des nächstfolgenden Segments auf der Kaltseite, insbesondere über den diesem zugeordneten Wärmeübertrager in hochwärmeleitender Verbindung ist.

Auf diese Weise bildet z. B. in Verbindung mit einer Rotoranordnung, eine Mehrzahl von Segmenten mit je einem ersten magnetokalorischen oder elektrokalorischen Materialelementen (unter Feldeinfluss) und einem zweiten elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelement (außerhalb des Feldes) eine Reihenschaltung von Segmenten, die den Temperaturhub einer Einzelanordnung aus zwei elektro- oder magnetokalorischen Materialien durch eine Reihenschaltung von Heiß- und Kaltseite zweier in Richtung Wärmesenke folgender Segmente entsprechend vergrößert (jedes Segment transportiert die im Wesentlichen gleiche Wärmemenge) und es gestattet, ein Klimatisierungssystem auszubilden mit einer Wärmesenke an einem Ende der Anordnung (Warmseite) und eine im zu kühlenden Medium (Kältesenke) am anderen Ende der Anordnung (Kaltseite).

Während des Bewegens einer ersten Gruppe beabstandeter (thermisch isolierter) elektro- oder magnetokalorischer Materialelemente in das elektrische und / oder magnetische Feld wird zugleich eine zweite Gruppe beabstandeter (thermisch isolierter) zweiten elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente aus diesem Feld herausbewegt, und es wird vorzugsweise jeweils mit Hilfe stationärer Wärmeleiter- oder Wärmeübertrageranordnungen gerichtet eine im Wesentlichen zwischen zwei abfolgenden Segmenten gleich großen Wärmemengen von der Warm- auf die Kaltseite übertragen. Die Vergrößerung des Temperaturhubes auf diese Weise korrespondiert zur Anzahl der zu einer Gesamtanordnung gestapelten Segmente.

Anstelle der alternierenden Feldbeeinflussung von in Gruppen angeordneten elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelementen durch Bewegung der Gruppen in das elektrische und/oder magnetische Feld und aus diesem heraus können diese elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente auch stationär angeordnet sein und das elektrische und/oder magnetische Feld wird jeweils bewegt, so dass alternierend unterschiedliche Gruppen von elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelementen, die miteinander wärmeübertragend durch einen gerichteten Wärmetransport, insbesondere durch diesen bewirkende Wärmeübertrager, verbunden sind, in den Einflussbereich des elektrischen und/oder magnetischen Feldes gelangen und sich durch dieses erwärmen. In diesem Fall müssen auch das Wärme- bzw. Kältereservoir (Wärmesenke bzw. zu kühlender Bereich) entsprechend alternierend mit den Materialelementen beider Gruppen in Kontakt gebracht werden.

Zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen dem jeweiligen elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelement und einem diesem zugeordneten Wärmeleiter oder Wärmeübertrager ist es auch möglich, die latente Wärme eines zwischen dem elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelement und dem Wärmeübertrager oder Wärmeleiter befindlichen Fluids zu nutzen, indem Fluid von dem im elektrischen und/oder magnetischen Feld befindlichen (sich erwärmenden) elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelement aufgrund herrschender Temperaturen und Druckverhältnisse in druckdichten Kammern verdampft wird und an dem zugeordnetem Wärmeübertrager oder Wärmeleiter unter Nutzung der latenten Kondensationswärme kondensiert. Im Bereich der„Kaltseite", d. h. der elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materialelemente außerhalb des elektrischen und/oder magnetischen Feldes findet dann der umgekehrte Vorgang unter Verdampfung des an dem Wärmeübertrager oder Wärmeleiter anhaftenden Fluides und Kondensation an dem kälteren elektrokalorischen oder mangnetokalorischen Materialelement unter Freisetzung der Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme des Fluides statt.

Ein guter Wärmeübergang zwischen dem magneto- oder elektrokalorischen Materialelement und dem diesen vorzugsweise zugeordneten Wärmeübertrager ist also vorzugsweise durch innigen Flächenkontakt oder auch unter Ausnutzung der latenten Wärme eines Prozeßfluids möglich, vorzugsweise in druckdichten Kammern, die auf der Heißseite und der Kaltseite die Wärmeübertrager aufnehmen und in die z. B. rotierend die magnetokalorischen (oder elektrokalorischen) Materialelemente hinein- und herausbewegt werden.

Vorzugsweise können auch zwischen magneto- oder elektrokalorischem Element und Wärmeübertrager kontaktoberflächenvergrößernde Oberflächen- bzw. Eingriffsstrukturen in Gleitkontakt vorgesehen sein.

Auch hier kann in korrespondierender Weise, wie bereits geschildert, eine kaskadierte Anordnung, d. h. aus mehreren Segmenten bestehende Anordnung mit jeweils einer Mehrzahl von Kammern auf Heiß- oder Kaltseite unter Verbindung von Wärmeübertrager abfolgender Segmente zur Vergrößerung des Temperaturhubes gebildet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet daher die Möglichkeit der Kaskadierung und damit der Mehrfachnutzung des elektro- oder magnetokalorischen Effektes durch eine wärmetechnische Reihenschaltung von Segmenten mit elektro- oder magnetokalorischen Materialelementen, vorzugsweise Wärmeübertragern bzw. Wärmeleitern, wobei die magneto- oder elektrokalorischen Materialelemente alternierend einem elektrischen und/oder magnetischen Feld, z. B. durch einen stationären Permanentmagneten oder einer Elektromagnetspule ausgesetzt sind, so dass sich ein gerichteter Wärmemengentransport jeweils zwischen zwei Segmenten ergibt und bei kontinuierlicher Wärmeabfuhr (Verbindung mit Wärmesenken auf der Warmseite) ein vergrößerter Temperaturhub und eine entsprechende Herabsenkung des Temperaturniveaus an den zu kühlenden Medium oder Gegenstand erreicht wird. Diesem wird durch die vorgesehene Klimatisiereinrichtung diskret kontinuierlich beidseitig Wärme in Richtung der Wärmesenke entzogen, so dass auf diese Weise eine Kühl- oder Kälteeinrichtung auf der Kaltseite geschaffen bzw. in Betrieb gesetzt wird.

Es erfolgt also bei kaskadierter Anordnung der Wärmetransport innerhalb der Klimatisierungseinrichtung jeweils zwischen zwei Segmenten und von der Heißseite auf die Kaltseite in einer Richtung. Dies kann auch dadurch unterstützt werden, dass eine Verbindung der hochwärmeleitenden Wärmeübertrager von der Heißseite eines Segments auf die Kaltseite (Wärmeübertrager) des nachfolgenden Segments durch eine oder mehrere thermische Dioden erfolgt, die im Wesentlichen einen Wärmeübergang bzw. eine Wärmeleitung nur in einer Richtung gestatten.

Vorzugsweise sind die hochwärmeleitenden Wärmeübertrager der ersten und zweiten Elementanordnung, die miteinander auch wärmeleitend verbunden sind zwischen Warmseite und Kaltseite durch einen integralen Metallblock, wie z. B. einen Kupfer-Block gebildet sein. Sie können aber z. B. auch durch jeweils ein Wärmerohr (Heat-Pipe) gebildet sein. Ein solches Wärmerohr bildet einen isothermen Wärmeleiter von allerdings besonders hoher Wärmeübertragungskapazität, da er zusätzlich die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme eines in seinem Inneren enthaltenen Mediums nutzt, und damit eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Innerhalb eines hermetisch gekapselten Volumens, im allgemeinen unter Unterdruck, befindet sich in dem Wärmerohr ein Arbeitsmedium, z. B. Wasser, das in dem Wärmerohr in seinem flüssigen sowie dampfförmigen Zustand vorliegt, wobei aufgrund der im vorliegenden Anwendungsfall feldinduzierten Erwärmung des mit dem sich erwärmenden Arbeitsende des Wärmerohres verbundenen elektrokalorischen oder magnetokalorischen Materials das Arbeitsmedium verdampft und dieser Dampf, z. B. Wasserdampf, in einem Arbeitsbereich am anderen Ende des Wärmerohres kondensiert und auf diese Weise die besonders effiziente Phasenwandlung des Arbeitsmediums als Wärmequelle genutzt wird. Durch die Ausnutzung der latenten Verdampfungswärme des Arbeitsmediums kann somit ein hohes Wärmeübergangspotential erreicht werden, d. h. eine hohe Kühlleistung einer derartigen, aus einem Materialelement aus einem elektrokalorischen oder magnetokalorischen Material in Verbindung mit einem solchen Wärmerohr gebildeten Anordnungen, die sich in engem thermokonduktiven Kontakt befinden.

Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich einer Einrichtung zur Klimatisierung, insbesondere Kühlung, eines Mediums mittels elektro- oder magnetokalorischen Materials erfindungsgemäß gelöst durch zumindest eine elektro- oder magnetokalorischen Materialelementanordnung in einem elektrischen und/oder magnetischen Feld in wärmeübertragender Verbindung mit einer Wärmesenke auf einer Warmseite und außerhalb eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes in wärmeübertragender Verbindung mit dem zu klimatisierenden Medium auf einer Kaltseite. Dabei ist eine Mehrzahl thermischer voneinander isolierter magnetokalorischer Materialelemente auf einer Heißseite einer Magnetfeldbeeinflussung ausgesetzt, während eine Mehrzahl thermisch isolierter magnetokalorischer Materialelemente auf der Kaltseite sich außerhalb eines Magnetfeldeinflusses befindet. Vorzugsweise stationäre Wärmeübertrager sind in wäremübertragender Verbindung mit zugehörigen magnetokalorischen Materialelementen.

D. h. zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind vorzugsweise Wärmeübertrager mit den magnetokalorischen Materialelementen in Kontakt und sind Wärmeübertrager auf der Heißseite jeweils mit einem Wärmeübertrager des nächstfolgenden Segments auf der Kaltseite zum Transport einer Wärmemenge Q von der Heißseite auf die Kaltseite zur Vergrößerung des Temperaturhubes verbunden.

Die miteinander verbundenen Wärmeübertrager von Warm- und Kaltseite können vorzugsweise auch ein integrales Bauteil, wie z. B. ein hochwärmeleitfähiger Metallkörper, z. B. Kupferkörper sein oder aber auch jeweils aus einem Wärmerohr bestehen, das eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit unter Ausnutzung der latenten Verdampfungswärme, die bei Kondensation des Arbeitsmedium innerhalb des Wärmerohres am anderen Ende desselben abgegeben wird, aufweist.

Innerhalb der Mehrfachanordnung einer Elementanordnung der elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente und der ihnen vorzugsweise zugeordneten Wärmeleiter sind die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente durch thermische Isolierungen voneinander getrennt, so dass innerhalb der Heißseite oder Kaltseite (in vertikaler Richtung) im Wesentlichen kein Wärmeübergang zurück zu den Materialelementen stattfindet.

Vorzugsweise ist die Einrichtung als eine Rotoranordnung ausgebildet, in der die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente als Scheibenelemente einen Rotor bilden, der um eine, insbesondere vertikale oder horizontale oder eine geneigte Achse, drehbar ist und durch den jeweils wenigstens eine Materialelementanordnung sich innerhalb des elektrischen und/oder magnetischen Feldes befindet, während zumindest eine weitere Materialelementanordnung sich außerhalb dieses Feldeinflusses befindet.

Vorzugsweise ist bei Verwendung eines magnetokalorischen Materials die felderzeugende Einrichtung als Permanentmagnet ausgebildet und es wird alternierend eine erste oder zweite magnetokalorische Materialelementanordnung in das Magnetfeld des Permanentmagneten gebracht. Vorzugsweise weist die Einrichtung eine Rotoranordnung mit vertikaler Rotationsachse auf und sind die Wärmeübertrager stationär, wie auch die Isolierkörper innerhalb jeder Materialelementanordnung auf der Heiß- und Kaltseite angeordnet, während die elektro- oder magnetokalorischen Materialelemente als vorzugsweise halbkreisförmige Scheiben ausgebildet sind, die je jeweils ein Rotorelement bilden. In einem Segment angeordnete elektro- oder magnetokalorische Scheibenelemente auf der Heiß- und Kaltseite sind thermisch voneinander isoliert und können jeweils durch die Rotoranordnung zwischen die stationär angeordneten Wärmeübertrager sowie die Isolierelemente gedreht werden, so dass sich eine Elementanordnung innerhalb eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, vorzugsweise eines Permanentmagneten befindet, während die andere Elementanordnung außerhalb desselben ist, und umgekehrt.

In einer Ausführungsform können die Isolierelemente auch durch Luftspalte ersetzt werden. Es muss jedenfalls dafür gesorgt sein, dass innerhalb einer Materialelementanordnung auf Heiß- oder Kaltseite in vertikaler Richtung d. h. innerhalb einer Materialelementanordnung auf der Kalt- oder Heißseite praktisch kein wesentlicher Wärmeübergang oder Wärmefluss stattfindet. Bei der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung, insbesondere Kühleinrichtung, handelt es sich um ein System ohne strömendes Medium zur Übertragung der Wärme von dem magnetokalorischen und/oder elektrokalorischen Material (Scheibenelement) auf die vorzugsweise vorgesehenen Wärmetauscher und somit auch keinerlei Pumpen zum Transport von Fluid.

Insbesondere kann durch die vorzugsweise Ausbildung der Klimatisierungseinrichtung als Rotationskörper eine höhere Frequenz der Rotation der magnetokalorischen bzw. elektrokalorischen Materialien in das oder aus dem elektrischen und/oder magnetischen Feld im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden. Hierdurch können wesentlich höhere Kühlungsraten und eine höhere thermische Effizienz des Systems erreicht werden.

Der Wärmetransport (Kältewirkung auf der Eingangsseite) erfolgt von einem elektro- oder magnetokalorischen Material eines n-ten Segments der einen Materialelementanordnung (im elektrischen und/oder magnetischen Feld auf der Heißseite) zu dem thermisch verbundenen elektro- oder magnetokalorischen Material eines η+1-ten Segments der anderen Materialelementanordnung (nicht im elektrischen und/oder magnetischen Feld auf der Kaltseite). Nach Platzwechsel der Materialelementanordnungen zwischen Heiß- und Kaltseite wiederholt sich der Vorgang.

In einer vereinfachten Anordnung kann auf die Wärmeleiter/Wärmeübertrager, insbesondere Wärmerohre, als (zusätzliche) Wärmetransportelemente und Wärmeleiter zwischen den elektro- oder magnetokalorischen Materialelementen auf der Heiß- und auf der Kaltseite auch verzichtet werden, und es können die elektro- oder magnetokalorischen Materialien beider Materialelementgruppen zwischen zwei Segmenten auch direkt miteinander wärmeleitend gekoppelt sein, insbesondere auch in Verbindung mit unterschiedlichen elektro- oder magnetokalorischen Materialelementen interschiedlicher Curie-Temperatur.

Das gleiche System kann bei umgekehrten Betrieb auch als Wärmekraftmaschine genutzt werden: Das magnetokalorische Material wird im Magnetfeld erwärmt, dabei sinkt die Magnetisierung des Materials. Kühleres magnetokalorisches Material von außerhalb des Magnetfeldes hat höhere Magnetisierung und wird stärker in das Magnetfeld gezogen. Das erwärmte Material wird aus dem Magnetfeld in den feldfreien, zu kühlenden Bereich gedrückt kühlt unter Rückorientierung der magnetischen Momente ab und kann dann wieder vom Magnetfeld angezogen werden. An einer zentralen Rotationsache kann ein entsprechendes Drehmoment abgegriffen werden. Auch hier lässt sich das Drehmoment durch entsprechende kaskadierte Mehrfachanordnung der magnetokalorischen Materialelemente vervielfachen. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung eines einzelnen Segmentes einer

Kühleinrichtung mit magnetokalorischen Materialelementen,

Fig. 2 eine schematische Prinzipdarstellung zweier Segmente einer Kühleinrichtung mit magnetokalorischen Materialelementen,

Fig. 3 eine schematische Prinzipdarstellung einer Kühleinrichtung mit einer kaskadierten Anordnung einer Mehrzahl von Segmenten zur Erhöhung eines Temperaturhubes,

Fig. 4 eine Rotations-Kühleinrichtung in schematischer dreidimensionaler

Prinzipdarstellung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine thermische Kopplung zwischen magnetokalorischem Materialelement und zugehörigen Wärmeübertrager unter Ausnutzung der latenten Wärme eines Übertragerfluids und,

Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung der in Fig. 5 rechten Kammer der Einrichtung nach Fig. 5.

Zunächst soll anhand von Fig. 1 , die in schematischer Darstellung ein Segment einer Kühleinrichtung 100 unter Verwendung des magnetokalorischen Effektes zeigt, das Prinzip einer solchen Kühleinrichtung erläutert werden, die ohne strömende Medien und eine Wärmeübertragung auf diese auskommt. Obgleich sich die nachfolgenden Erläuterungen auf eine Kühleinrichtung 100 beziehen, die als Rotationseinrichtung ausgebildet ist und die unter Verwendung magnetokalorischen Materials ausgebildet ist, ist es doch für den Fachmann deutlich, dass eine korrespondierende Ausführung auch für elektrokalorische Materialien unter entsprechender Anwendung eines elektrischen Feldes oder unter Verwendung eines Elektromagneten als elektromagnetischen Felderzeuger ausgebildet werden kann.

Im vorliegenden Fall weist eine Rotations-Kühleinrichtung 100 magnetokalorische Scheibenelemente als magnetokalorische Materialelemente 2a, 2b auf.

Hinsichtlich mehrerer Segmente 1 , 2 umfassender Anordnungen sei bereits hier auch schon auf die nachfolgend noch genauer erläuterten Figuren 2 bis 4 verwiesen. In der nachfolgenden Beschreibung wird der Begriff „magnetokalorisches Material" oder „magnetokalorisches Materialelement" nachfolgend auch als „MK-Material" oder „MK- Materialelement" bezeichnet. Die Abkürzung MK steht also für den Begriff magnetokalorisch.

Das magnetokalorische Materialelement 2b auf der in Fig. 1 rechten Seite und das magnetokalorische Materialelement 2a auf der in Fig. 1 linken Seite sind Teil der Rotations- Kühleinrichtung 100, die um eine Drehachse 3 drehbar ist. Der schwarze Pfeil im Bereich des oberen Endes der Drehachse 3 bezeichnet die Drehrichtung der Rotations- Kühleinrichtung 100. Die magnetokalorischen Materialelemente 2a, 2b bilden also eine Rotoranordnung, die auf der in Fig. 1 linken Seite (auf der sich das magnetokalorische Materialelement 2a MK-Material V befindet) unter dem Einfluss eines Magnetfeldes 12 eines hier nicht dargestellten, stationären Permanentmagneten 8 befindet. Über einen Heißseiten- Wärmeübertrager 4 ist das im Magnetfeld des Permanentmagneten 8 befindliche magnetokalorische Materialelement 2a mit einer Wärmesenke 5 zur Wärmeabfuhr der Erwärmung des MK-Materialelements 2a aufgrund der Erwärmung desselben im Magnetfeld 12 (s. Fig. 4) aufgrund des magnetokalorischen Effektes, der im MK-Materialelement 2b auftritt, verbunden. Der Heißseiten-Wärmeübertrager 4 dient zur verbesserten Abfuhr und Wärmeübertragung zwischen dem MK-Materialelement 2a und der Wärmesenke 5. Das MK- Materialelement 2a könnte allerdings auch direkt mit der Wärmesenke 5 (d. h. ohne Heißseiten-Wärmeübertrager 4) verbunden sein.

Die Seite der Einrichtung, die sich im Magnetfeld 12 und in Fig. 1 links befindet, wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung hier als„Heißseite" bezeichnet, da sich dort das magnetokalorische Material V (Scheibenelement 2a) erwärmt.

Auf der in Fig. 1 rechten Seite, die sich außerhalb einer magnetischen Feldbeeinflussung befindet, die Rahmen der vorliegenden Beschreibung als „Kaltseite" bezeichnet wird, befindet sich in diesem beispielhaften ersten Segment einer solchen Kühleinrichtung 100 ein Scheibenelement 2b als magnetokalorisches Materialelement 2bbezeichnet, gegenüberliegend zum linksseitigen MK-Materialelement 2a, so dass bei Rotation um die Drehachse 3 periodisch bzw. alternierend die beiden im Bereich der Drehachse 3 vorzugsweise durch eine thermische Isolation 13 thermisch voneinander isolierten MK- Materialelemente 2a, 2b bzw. MK-Material 1 gleichzeitig entweder in das Magnetfeld 12 (siehe Fig. 4) des Permanentmagneten 8 gelangen oder aus diesem herausgeführt werden.

Auf der Kaltseite ist das Scheibenelement aus dem magnetokalorischen Materialelement 2b über einen Kaltseiten-Wärmeübertrager 6 mit dem zu klimatisierenden bzw. zu kühlenden Bereich 7 verbunden und nimmt von diesem die Wärmemenge Q auf. Auch hier dient der Kaltenseiten-Wärmeübertrager 6 der verbesserten thermischen Anbindung bzw. dem verbesserten thermischen Wärmeübergang zwischen dem zu kühlenden Bereich 7 und dem Scheibenelement 2b aus MK-Material 1 auf der Kaltseite. Auch ist der Kaltseiten-Wärmeübertrager 6 kein zwingend erforderliches aber sinnvollerweise vorgesehenes Element. Die als Scheibenelemente ausgebildeten MK- Materialelemente 2a, 2b drehen sich also mit der Drehwelle 3 um die durch diese gebildete Rotationsachse und bilden die Rotationsanordnung im engeren Sinne, während die Heißseiten- bzw. Kaltseiten-Wärmeübertrager 4 bzw. 6 stationäre, ortsfeste Elemente sind. Für die Effizienz dieser Kühleinrichtung 100 ist es wichtig, dass es zwischen dem MK- Materialelement 2b auf der Kaltseite und dem zugehörigen Kaltseiten-Wärmeübertrager 6 zu einem bestmöglichen, wärmeübertragenden Kontakt bzw. einer wärmeübertragenden Verbindung kommt, während die gleichen Erfordernisse auf der Heißseite zwischen dem MK-Materialelement2a aus dem MK-Material V und dem zugehörigen Heißseiten- Wärmeübertrager 4 herrschen. Auch hier ist durch Ausbildung hochwärmeleitender Mikrostrukturen (z. B. zur Vergrößerung der Kontaktoberfläche von Wärmeübertrager 4 und/oder MK-Materialelement 2a, den Einsatz von Schmiermitteln, wie Graphit oder durch spezielle hochwärmeleitende Beschichtungen, wie des Heißseiten-Wärmeübertragers 4 aus Gold oder Diamant oder aber der zusätzlichen Wahl hochwärmeleitender Werkstoffe, wie Silber oder Messing ein inniger Wärmeübergang zwischen dem MK-Materialelement 2a und dem Heißseiten-Wärmeübertrager 4 ausgebildet wird.

Auf diese Weise kann eine Wärmemenge Q von dem zu kühlenden Bereich 7 über den Kaltseitenwärmetauscher 6 auf das im feldfreien Bereich und somit kältere Segment 2b des Scheibenelements übertragen werden. Durch Rotation des Segments 2b aus dem feldfreien Bereich heraus in den feld behafteten Bereich erwärmt sich das Segment 2a und die Wärmemenge Q wird über den Heißseitenwärmeübertrager 4 an die Wärmesenke 5 abgegeben.

Die magnetokalorischen Materialelemente 2a, 2b bestehen aus einem, für einen bestimmten Temperaturbereich optimiertem, magnetokalorischem Material, das in Abhängigkeit von den jeweiligen Kühlungs- bzw. Klimatisierungsaufgaben im Bereich seiner Curie-Temperatur arbeitet, d. h. den MK-Materialelementen 2a, 2b wird ein optimierter Arbeitsbereich zugeordnet, um sicherzustellen, dass das zugehörige magnetokalorische Material möglichst nahe bei seiner Curie-Temperatur, bei der der magnetokalorische Effekt maximal auftritt, arbeitet. Innerhalb der Einrichtung werden in Abhängigkeit vom Temperaturhub der Einrichtung insgesamt daher vorzugsweise magnetokalorische Materialien mit unterschiedlicher Curie-Temperatur verwendet. Die hier schematisch anhand eines Segmentes in Fig. 1 erläuterte Rotations-Kühleinrichtung 100 hat den Vorteil einer „trockenen" Ausführung ohne strömende Medien, wobei die Wärmeübertrager 4, 6 stationäre Elemente bilden, mit denen die periodisch bzw. alternierend in und aus den Wirkungsbereich des Magnetfeldes 12 gebrachten MK-Materialelemente 2a, 2b für einen bestmögliche Wärmeübertragung zwischen dem zu kühlenden Bereich 7 und dem MK-Materialelement 2b auf der Kaltseite und dem MK-Materialelement 2a und dem Heißseiten-Wärmeübertrager 4 auf der Heißseite (in Richtung Wärmesenke 5) in bestmöglichem wärmeübertragenden Kontakt sind.

Durch Rotation der MK-Materialelemente 2a, 2b werden diese periodisch bzw. alternierend in den Einfluss des Magnetfeldes 12 unter Erwärmung des MK-Materialelements 2a bzw. aus dem Einfluss des Magnetfeldes 12 in einen magnetfeldfreien Raum unter Abkühlung des magnetokalorischen Materials des MK-Materialelements 2b auf der „Kaltseite" verbracht. Dem zu kühlenden Bereich 7 wird dabei stets eine im Wesentlichen konstante Wärmemenge Q entzogen und nach Rotation des MK-Materialelements 2a in das Magnetfeld 12 auf der linken Seite der Anordnung unter Erwärmung des MK-Materialelements 2a im Magnetfeld 12 an die Wärmesenke 5 abgeführt.

Es ist übrigens nicht erforderlich, dass innerhalb des in Fig. 1 dargestellten ersten Segmentes der Einrichtung zwei verschiedene Scheibenelemente bzw. MK- Materialelemente 2a, 2b, die voneinander im Bereich der Drehachse 3 thermisch isoliert sind, zu verwenden Vielmehr ist nur sicherzustellen, dass in Fig. 1 in horizontaler Richtung zwischen den MK-Materialelementen 2a, 2b praktisch kein Wärmeübergang oder Wärmefluss stattfindet. Es kann unter Berücksichtigung dieser Voraussetzung daher auch das Scheibenelement (MK-Materialelement) durchgehend als ein einziges Scheibenelement ausgebildet werden, z. B. wenn dessen Dicke nur hinreichend gering ist, so dass ein Wärmeübergang zwischen „Kaltseite und Heißseite" unabhängig von einer Rotationsbewegung der Rotationsanordnung nicht stattfindet bzw. vernachlässigbar ist.

In Fig. 2 sind zur Erhöhung des Effektes der Kühleinrichtung, d. h. zur Erhöhung des Temperaturgradienten bzw. Temperaturhubs und damit zur verstärkten Abkühlung des zu kühlenden Bereiches 7 zwei Segmente 1 , 2 einer solchen Kühleinrichtung 100 dargestellt, wobei das in Fig. 2 als„Segment 1 " bezeichnete Modul der Darstellung in Fig. 1 entspricht, hier nun jedoch ein weiteres Segment 2 und eine wärmeübertragende bzw. wärmeleitende Verbindung zwischen den Segmenten 1 und 2 über den Heißseiten-Wärmeübertrager 4 auf der Warmseite des ersten Segments 1 und dem Kaltseiten-Wärmeübertrager 2 der Kaltseite des nächstfolgenden Segmentes 2 vorgesehen ist, so dass sich praktisch eine Reihenschaltung aus zwei Segmenten 1 , 2 auch hinsichtlich des vergrößerten Temperaturhubes der Kühleinrichtung ergibt, und der zu kühlende Bereich noch stärker gekühlt werden kann. Die„Kaskadierung", d. h. die Ausbildung der Kühleinrichtung 100 aus mehreren einzelnen übereinanderliegenden Segmenten 1 , 2 erfordert einen thermisch exzellenten Kontakt zwischen dem Heißseiten-Wärmeübertrager 4 des Segmentes 1 auf der Warmseite und dem Kaltseiten-Wärmeübertrager 6 des zweiten Segmentes 2 auf der Kaltseite. Die hierdurch übertragene, im Wesentlichen konstante Wärmemenge Q wird nach Rotation und Verbringen des in Fig. 2 rechtsseitigen Scheibenelementes 2 aus magnetokalorischen Material 2 nach links auf die „Heißseite" in den Einflussbereich des Magnetfeldes 12 wiederum über den Heißseiten-Wärmeübertrager 4 an die Wärmesenke 5 abgegeben. Der Temperaturhub vergrößert sich hierdurch entsprechend und es kann hierdurch eine stärkere Kühlung des zu kühlenden Bereiches 7 erreicht werden. Wesentlich für die Effizienz der Anordnung ist sowohl der, wie bereits in Fig. 1 erläuterte Wärmeübergang zwischen den Wärmeübertragern 4, 6 auf der Heißseite und der Kaltseite des Segmentes 1 und den zugehörigen MK-Material-Elementen (Scheibenelementen) und einer hochwärmeleitenden Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Segment V, 2' durch, z. B. durch integrale Ausführungen des stationären Heißseiten-Übertragers 4 des Segmentes 1 auf der„Heißseite" (linke Seite der Fig. 2) mit dem Kaltseiten-Wärmeübertrager 6 in der in Fig.2 rechten Seite der Einrichtung, die von einem Magnetfeld völlig frei ist, und zwar unter vertikaler thermischer Isolation der auf der Kalt- oder Heißseite in Segmenten abfolgend angeordneter Scheibenelemente 2a auf der Heißseite bzw. der Scheibenelemente 2 auf der Kaltseite.

Im Übrigen ist durch die Kaskadierung ein erhöhter Temperaturhub der Kühleinrichtung 100 möglich. Es gelten auch hier die in Verbindung mit Fig. 1 gegebene Erläuterung zur Wirkungsweise.

Als Wärmeübertrager in den Segmenten 1 oder 2 können auch Wärmerohre („Heat-Pipes") verwendet werden, die einen gerichteten Wärmetransport, z. B. von dem Wärmeübertrager 4 auf der Heißseite des Segmentes 1 zu dem Kaltseiten-Wärmeübertrager 6 im Segment 2 auf der Kaltseite der Kühleinrichtung (in Richtung des in Fig. 2 dargestellten Pfeiles Q in der Mitte der Abbildung) bewirken, ggf. unter zusätzlicher Phasenwandlung und der Nutzung der latenten Wärme eines kondensierenden bzw. verdampfenden Übertragungsfluides.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung die Kühleinrichtung 1 in einer kaskadierten Ausführung zur Erhöhung der Kältewirkung derselben. Auf der linken Seite der Darstellung befindet sich der Permanentmagnet 8 zur Erzeugung des Magnetfeldes 12, dem auf der damit gebildeten Heißseite die Scheibenelemente bzw. MK-Materialelemente 2a aus magnetokalorischem Material zugeordnet sind, während sich die Scheibenelemente 2 aus magnetokalorischem Material auf der in Fig. 3 rechten Seite außerhalb der Feldbeeinflussung befinden. In Fig. 3 sind vier Segmente in kaskadierter Anordnung dargestellt, wobei die Wärmekopplung zwischen den stationären Wärmeübertragern 4 auf der Warmseite und den Kaltseitenwärmeübertragern 6 des jeweils nächstfolgenden Segmentes durch die entsprechend stationären angeordneten Wärmeübertrager 4, 6 erfolgt. Die Scheibenelemente aus magnetokalorischem Material 2a werden mittels der Rotationsachse 3 alternierend bzw. periodisch in das Magnetfeld 12 des Permanentmagneten 8 hineingedreht und dabei gleichzeitig die gegenüberliegenden MK-Materialelemente 2b aus dem vorherigem Magnetfeldeinfluss in den in Fig. 3 auf der rechten Seite befindlichen, feldfreien Bereich („Kaltseite") herausbewegt, und umgekehrt.

Als Veranschaulichung kann man die Anwendung als eine Art„Schöpfwerk" ansehen, in dem miteinander kommunizierende Wasserbehälter eine stets wiederkehrende Wassermenge (=Wärmemenge) an die nächstfolgende Stufe abgeben bis zum endgültigen Herausführen der Wassermenge (= Wärmemenge) in ein äußeres Wasserreservoir (Wärmesenke).

In Fig. 4 ist ein thermisches Ersatzschaltbild der Rotations-Kühleinrichtung 100 nach Fig. 3 einschließlich des Wärmeflusses gezeigt.

Es ist deutlich, dass unter Berücksichtigung von Erwärmung und Abkühlung der magnetokalorischen MK-Materialelemente 2a, 2b in Abhängigkeit von ihrer Position innerhalb des Magnetfeldes 12 oder außerhalb desselben stets zwischen einem n-ten und einem nächstfolgenden η+1-ten Wärmeübertrager auf der Heißseite und der Kaltseite die gleiche Wärmemenge Q übertragen wird und der Temperaturhub für die Kühlung des zu kühlenden Bereiches und die Absenkung seiner Temperatur unter die Umgebungstemperatur vergrößert wird.

Es wäre in einer alternativen Ausführung auch möglich, die rotatorische oder andere Bewegung der Scheibenelemente bzw. MK-Materialelemente 2a in das Magnetfeld 12 des Permanentmagneten 8 hinein und dabei gleichzeitig für die anderen MK-Materialelemente 2b aus diesem heraus durch eine Rotation des Magnetfeldes bei dann ruhender stationärer Anordnung der Scheibenelemente (MK-Materialelemente) zu ersetzen. Allerdings müsste dann auch jeweils die Wärmesenke 5 bzw. der zugehörige Bereich in entsprechender Weise in ihrer wärmeübertragenden Bindung mit dem endseitigen Wärmeübertrager 4 auf der „Heißseite" und der wärmeübertragenden Verbindung des zu kühlenden Bereiches 7 mit dem ersten Kaltseiten-Wärmeübertrager 6 auf der Kaltseite entsprechend der Magnetfeldbewegung mit umlaufen.

Da bei den in den Fig. 2 bis 4 dargestellten, kaskadierten Anordnungen der Kühleinrichtung 100 zur Erhöhung des Temperaturhubes die Temperatur der jeweiligen MK- Materialelemente 2a (die sich im Magnetfeld 12 befinden) in vertikaler Richtung zunimmt, d. h. die MK-Materialelemente 2a in unterschiedlichen Segmenten der Kühleinrichtung 100 auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau arbeiten, ist es bevorzugt, zur Sicherung eines optimalen Arbeitsbereiches der MK-Materialelemente 2a, 2b im Bereich ihrer jeweiligen Curie-Temperatur unterschiedliche magnetokalorische Materialien innerhalb der Rotations- Kühleinrichtung 100 (in verschiedener Höhe) zu verwenden.

Die z. B. einen Heißseitenübertrager 4 des zweiten Segmentes mit dem Kaltseiten- Wärmeübertrager 6 des dritten Segmentes verbinden und die stationär angeordnet sind, können z. B. Wärmerohre für einen gerichteten Wärmetransport zwischen diesen Segmenten oder auch z. B. integrale Kupferschienen oder dergleichen hochwärmeleitende Verbindungselemente sein.

Parasitäre Wärmeströme innerhalb der Kühleinrichtung 100 müssen minimiert werden. Daher sind auch die magnetokalorischen MK-Materialelemente 2a, 2b die sich in den Segmenten vertikal übereinander befinden, voneinander thermisch isoliert durch entsprechende Isoliermaterialschichten oder auch einfach durch Luftschichten, wie dies in dem thermischen Ersatzschaltbild gemäß Fig. 4 dargestellt ist.

In den Figuren 5 und 6 ist in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine thermische Kopplung zwischen einem magnetokalorischen Materialelement 2 und einem zugehörigen Wärmeübertrager unter Ausnutzung der latenten Wärme eines Übertragungsfluids gezeigt, wodurch die Effizienz der Anordnung (Vermeidung von Übertragungsverlusten innerhalb derselben) weiter minimiert werden kann.

Das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 5 und 6 kann also als makroskopische Darstellung von Wärmeübertragungsverhältnissen zwischen magnetokalorischem Material und den jeweiligen Kaltseiten- bzw. Heißseitenwärmeübertragern 6; 4, hier auch als K1 und K3 innerhalb einer Anordnung 100 verstanden werden, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.

Der Vermeidung thermischer Verluste beim Wärmeübergang zwischen magnetokalorischem Materialelement und Heißseiten- oder Kaltseiten-Wärmeübertrager in Verbindung mit dem Positionswechsel des magnetokalorischem Materiales zwischen Heißseite und Kaltseite kommt für eine effiziente Kühl- bzw. Kälteanordnung (Klimatisierungsanordnung) essenzielle Bedeutung zu.

Der Kaltseiten-Wärmeübertrager K1 mit einer Temperatur T1 befindet sich in einem gasdichten Raum 10, welcher teilweise mit einem im thermischen Arbeitsbereich der Stufe verdampfbaren Fluid gefüllt ist, das durch den Kaltseiten-Wärmeübertrager K1 teilweise verdampft wird, so dass sich im Raum 10 ein Gleichgewichtszustand zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase des Fluides einstellt. Tritt nun ein Körper K2, z. B. ein magnetokalorisches Materialelement 2 mit einer Temperatur T2 < T1 in den Raum 1 10 ein, kondensiert das in der Gasphase befindliche Fluid an der Oberfläche des insbesondere magnetokalorischen Materialelements K2. Hierdurch kommt es zu einem Wärmeübertrag von K1 (Kaltseiten-Wärmeübertrager 6) auf K2 (z. B. magnetokalorisches Materialelement 2) unter Ausnutzung der latenten Wärme des Fluides und somit zu einer Temperaturerhöhung des vorzugsweise magnetokalorischen Materialelementes 2, hier K2 auf T2' > T2. Tritt nun das insbesondere magnetokalorische Materialelement 2, hier K2 in einen weiteren gasdichten Raum 120 ein, hier auf der Heißseite im Einflussbereich eines Magnetfeldes (wobei der Raum 120 hinreichend gasdicht gegenüber dem Raum 1 10 abgeschlossen ist) und in dem sich ein Heißseiten-Wärmeübertrager 4, hier K3 mit einer Temperatur T3 < T2' befindet, so verdampft das Fluid auf dem insbesondere magnetokalorischem Materialelement K2 im Raum 120 und es kommt zur Kondensation des gasförmigen Fluides auf dem Heißseiten-Wärmeübertrager 4, hier K3 und somit zu einem Wärmeübertrag von dem magnetokalorischen Materialelement 2, hier K2 auf den Heißseiten-Wärmeübertrager 4, hier K3.

Da auf diese Weise das Übertragungsfluid aus dem Raum 1 10 in den Raum 120 verbracht wird, muss für einen Rückfluss von Fluid aus dem Raum 120 in den Raum 1 10 gesorgt werden. Dies in Fig. 5 durch den eine Behälterwand zwischen dem Raum 120 und dem Raum 1 10 in Richtung des Raumes 1 10 durchkreuzenden Teil am Boden der Anordnung dargestellt.

Fig. 6 verdeutlicht die vorgenannten Wärmeübertragungsverhältnisse auf der Kaltseite nochmals und ist praktisch eine vergrößerte Darstellung der rechten Seite von Fig. 5, wobei zugleich auch eine einfache Schleuse„105" dargestellt ist, durch die das magnetokalorische Materialelement K2 den Raum 100 in Richtung des Raumes 105 (z. B. rotatorisch) verlässt.

Auf diese Weise kann die latente Wärme eines Übertragungsfluides zum Wärmetransport innerhalb einer Anordnung, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, verwendet werden. Durch die Erfindung wird in einem sehr kompakten Aufbau eine Klimatisierungseinrichtung unter Verwendung des magnetokalorischen Effektes von magnetokalorischen Materialien geschaffen, mit der Möglichkeit, in einer kaskardierten Anordnung einzelner Segmente den Temperaturhub zwischen einem zu kühlenden Bereich 7 und einer Wärmesenke am gegenüberliegenden Ende der Anordnung durch gestapelte Anordnung mehrerer gleichartiger, jeweils zwei, voneinander isolierter magnetokalorischer Materialelemente, die als Transportmittel einer jeweils im Wesentlichen gleichen Wärmemenge dienen, geschaffen. Hierdurch ist ein Weg aufgezeigt, eine industrielle Anwendung des magnetokalorischen Effektes in Klimatisierungssystemen, z. B. zum Ersatz gefährlicher Kältemittel, wie sie heute z. B. in Klimaanlagen Kraftfahrzeugen oder auch in Haushalt-Klimaanlagen verwendet werden, mit hinreichendem Wirkungsgrad zu fördern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Klimatisierung, insbesondere Kühlung, eines Mediums mittels elektro- oder magnetokalorischen Materials, bei dem alternierend zumindest ein elektro- oder magnetokalorisches Materialelement auf einer Warmseite einer elektrischen und/oder magnetischen Feldbeeinflussung ausgesetzt wird und gleichzeitig eine entstehende Wärme aus einer Erwärmung des elektro- oder magnetokalorischen Materialelementes abgeführt wird, und dieses oder ein weiteres elektro- oder magnetokalorisches Materialelement auf einer Kaltseite frei von einer elektrischen und/oder magnetischen Feldbeeinflussung gehalten wird, und gleichzeitig Wärme von dem zu klimatisierenden Medium aufnimmt, wobei eine Mehrzahl voneinander thermisch isolierter elektro- oder magnetokalorischer Materialelemente auf der Warmseite einer elektrischen und/oder einer magnetischen Feldbeeinflussung ausgesetzt werden, während eine Mehrzahl voneinander thermisch isolierter elektro- oder magnetokalorischer Materialelemente auf der Kaltseite frei von einer elektrischen und/oder magnetischen Feldbeeinflussung gehalten werden.