CN100412467C - 旋转床磁制冷装置 - Google Patents
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Abstract
一种旋转磁制冷装置，该装置有一些布置成一个环(21)的磁再生器床(22)，该环绕一个中心轴转动，当环(21)转动时，使每一个床进出由磁铁(29)产生的磁场。利用一个分配阀(24)使传热流体进出再生器床(22)，分配阀通过管道连接到床的热端和冷端，并随床(22)的环(21)一起转动。该分配阀(24)有一个经管道与热端热交换器(34)和冷端热交换器(38)相连的固定阀件。床中有多孔磁热材料，传热流体流过磁热材料。分配阀(24)将传热流体引向磁场外的床的热端，使传热流体流过床，到达其冷端，传热流体在该冷端处返回分配阀(24)。当床处在磁场中时，分配阀(24)将流体引向床的冷端，使传热流体流过床，到达其热端，传热流体在该热端处返回分配阀，这样就完成现行磁再生器的一个循环。流过各个管道的流体只沿一个方向流动，或是保持不动，这样就使管道中的死体积达到最小。
Description
发明领域
总的来说，本发明涉及磁制冷领域以及现行磁发生制冷装置。
发明背景
现行的磁发生将一个再生器和一个根据磁热效应运行的装置结合在一起。专利权人为Barclay等的美国专利US4332135中介绍了现行磁再生器的运行。现行磁再生器的试验模型已经建造，并作了实验，而且在Advances in Cryogenic Engineering，Vol.37B，1991中，由A.J.DeGregoria等人的文章“Test Results of An active MagneticRegenerative Refrigerator”作了介绍。1991年出版的Advances inCryogenic Engineering，Vol.37B中，由A.J.DeGregoria等人的文章给出了现行磁再生器的详细模型。现行磁再生器是采用磁热效应的冷却器式磁再生或热泵式磁再生器。具有磁热效应的材料在磁化时发热，在退磁时冷却。在现行的一个基本磁再生器装置(AMR)中，将一个能渗透传热流体的磁热材料床与两个热交换器相连，并有一个使流体来回从一个热交换器经磁热材料床流到另一个热交换器的机构。而且还有一个使床进行磁化和退磁的机构。AMR循环有四部分：床的磁化，由于磁化效应而使磁热材料和床中的流体发热；流体从冷侧到热侧地流过床，此时由热侧热交换器放热；床的退磁，这使床中的磁热材料和流体冷却；以及流体从热侧到冷侧地流过床，此时冷却流体在冷侧热交换器处吸热。
在流体从冷侧流到热侧以前，AMR装置磁化和加热床，而在流体从热侧流到冷侧以前，AMR装置对床进行退磁化和冷却。磁场加到磁化的床上时在床中产生一对温度和相对位置的图形，一个是床被磁化时的图形，另一个是床被退磁时的图形。不论在什么位置，床的两个图形之间的差是磁热材料受到磁场变化时的等温变化。如果等温变化足够大，则出自床的冷侧的流体温度可以低于冷罐的温度，这样对冷罐进行净冷却，而不是热量从热罐泄漏到冷罐，这是具有普通再生器的情况。当然，根据热力学定律，由于热要从冷罐流到热罐，所以在过程中必须做功。在AMR的情况下，用一个传动机构来做功，该机构使磁铁和/或床彼此相对运动，也可以用一个电转换磁铁来做功。通过在冷热两侧采用热交换器，就可以通过AMR将冷侧热交换器的热量除去，并经热侧热交换器放热。实现这种传热的结构在上述美国专利US4332135中作了介绍。
在DeGregoria等人的美国专利US5249424中介绍了进一步发展的现行磁发生器，其中让流过床的传热流体不平衡，使得从床的热侧流到冷侧而流过该床的流体多于从冷侧到热侧的流体。多余的传热流体返回到床的热侧，并可以采用多级现行磁发生器。根据该专利所述，再生器的床可以以往复方式进入磁场和移出磁场，也可以将床装在一个转轮中。
这些现行磁再生器的缺陷之一在于效率低，其原因是现行往复式磁再生器中的传热流体在再生器床和各个冷热交换器之间不停地来回移动。因为流体在床和热交换器之间不是沿单一方向流动，所以有些传热流体总是处在床和热交换器之间的连接管线中，而且不会既经床又经热交换器进行循环。这种受阻的传热流体通常称作“死体积”，这意味着在以前的现行磁再生器中存在大量低效率源。专利权人为Lawton，Jr等的美国专利US5934078描述了一种往复式现行磁再生器制冷装置，该装置极大地减少了传热流体的死体积。
发明概述
根据本发明，旋转床磁制冷装置有一些布置成一个环的磁再生器床，该环绕一个中心轴转动，当环转动时，使每一个床进出由磁铁产生的磁场。每一个床都有一个热端和一个冷端。利用一个分配阀使传热流体进出再生器床，分配阀通过管道连接到床的热端和冷端，并随床的环一起转动。该分配阀有一个经管道与热端热交换器和冷端热交换器相连的固定阀件。一个连接在管道中的泵驱动传热流体，使流体经管道流过热端热交换器和冷端热交换器、分配阀和磁发生器床进行循环。每一个床均有多孔磁热材料，传热流体可流过磁热材料。分配阀将传热流体引向磁场外的床的热端，使传热流体沿周向流过床，到达其冷端，传热流体在该冷端处返回分配阀。当床处在磁场中时，分配阀将流体引向床的冷端，使传热流体沿周向流过床，到达其热端，传热流体在该热端处返回分配阀，这样就完成一个现行磁再生器循环。在完成再生器床的环的每一个循环时，流过各个管道的流体只沿一个方向流动，或是在部分循环中保持不动，这样就使管道中的死体积为最小，从而提高了效率。
可以使用的分配阀包括一个内固定阀件和一个外转动阀件，该转动阀件绕一个与固定阀件接合的中心轴转动。在一个较好的旋转分配阀中，固定阀件有两个冷流体室和两个热流体室，转动阀件内有第一冷流体开口和第二冷流体开口，当转动阀件转动时，这些第一冷流体开口先后与第一冷流体室连通，当转动阀件转动时，这些第二冷流体开口先后与第二冷流体室连通。转动阀件内还有第一热流体开口和第二热流体开口，当转动阀件转动时，这些第一热流体开口先后与第一热流体室连通，当转动阀件转动时，这些第二热流体开口先后与第二热流体室连通。在固定阀件中形成一些通道，这些通道从两个热流体开口延伸到第一和第二热流体室，并从两个冷流体开口延伸到第一和第二冷流体室。此后各管道从床的冷端入口延伸到转动阀件的先后与冷流体室的第一流体室连通的开口。各管道还从床的冷端出口延伸到转动阀件的先后与冷流体室第二流体室连通的开口。各管道还从床的热端的热端出口延伸到转动阀件的先后与热流体室的第一流体室连通的开口，各管道还从床的热端入口延伸到转动阀件的先后与热流体室第二流体室连通的开口。用管道将转动阀件与床环中的床相连，转动阀件与环一起转动。所以，流体流动的所有转换都出现在中心旋转分配阀处，而不是与环接合的阀处。中心旋转分配阀所要求的密封件是有效的，这种密封件比与床的出口接合所要求的密封件简单得多，这样，密封件的设计既简单，又减少了密封件的磨损，而且还使分配阀的机械损失最小。
分配阀还可以由两个具有平面的盘形成，盘的平面彼此间牢固接合。其中一个盘为固定阀件，另一个盘是转动地安装转动阀件。两个盘内有先后连通和断开的开口，从而引导流体流到合适的管道，管道从转盘延伸到磁制冷机各个床的热端和冷端。分配阀的固定盘通过管道连接到热端热交换器和冷端热交换器，用与上面对具有一个内固定阀件和一个外转动阀件的分配阀所述相同的方式由分配阀盘分配流体流。
由于环可以按恒速转动，所以机械效率要比往复式系统的高。此外，通过减少旋转部件的质量，可以将无用效率降到最小。最好使形成环的多个床中相邻床的热端彼此相邻，相邻床的冷端彼此相邻，从而减少相邻床之间的温差，从而使相邻床之间的漏热最小。相邻床的各个热端最好用一个防漏分离器分开。分离器也可以用在相邻床的冷端，但这不是必需的，在一个优选设计中，相邻床的各冷端彼此开放和相通。
下面结合附图进行详细描述将会更加清楚地理解本发明的其它目的、特征和优点。
附图简要说明
图1是本发明磁制冷装置的简单示意图；
图2是本发明磁再生器床的环的简单顶视图，它以简单形式表示从分配阀延伸到磁再生器床的热端开口和冷端开口的各管道的布置情况；
图3的示意图表示流过磁再生器床的环的第一位置的装置各部件的传热流体的流动图；
图4是类似于图3的示意图，表示在第二运行位置流体相对于床环的流动；
图5是类似于图3的示意图，表示在另一运行位置流体相对于床环的流动；
图6是本发明旋转床磁制冷装置的优选方案的局部剖视图；
图7是通过图6的分配阀的剖面图；
图8是大致沿图7的8-8线所作的通过分配阀的剖视图；
图9是大致沿图7的9-9线所作的通过分配阀的剖视图；
图10是大致沿图7的10-10线所作的通过分配阀的剖视图；
图11是大致沿图7的11-11线所作的通过分配阀的剖视图；
图12是可以用在另一种分配阀装置中的盘的示意图；
图13和14是用在一种分配阀中的盘的示意图；
图15是使用图12的盘的分配阀的装配组件的正视图；
图16是通过图15的装配组件的剖视图；
图17是优选C形磁铁的剖视图。
本发明的详细描述
本发明的旋转床磁制冷装置使连续循环运行装置的各运动构件进行机械运动，而且机械效率很高，作用在装置各构件上的力达到平衡，净驱动力主要是驱动制冷过程所必需的力。通过使传热流体来回流过磁热材料床中来完成再生运行。使传热流体单向流过热交换器和管道，由此使热交换器中的或活性材料和热交换器之间的管道中的死体积影响为最小。阀可以是设计简单的阀，其受到的磨损很小，对机器产生的摩擦负荷极小。另外，通过减少再生器床中的旋转部件的量，就可以将无效作用降到最低程度，通过将温度几乎相同的各床组合在一起以及将温度明显不同的各床之间提供分隔空间就可以减少漏热。本发明还使传热流体同时流过多个再生器床。
为了描述本发明的原理，在图1中以简单示意图示出本发明的旋转床磁制冷装置20。装置20包括一个由若干发生器床22形成的圆环21，每个床中包括具有磁热效应的材料，这种材料为可以使传热流体流过材料的多孔材料。环21绕一个中心轴23转动。在中心轴23上设置一个中心分配阀24，中心分配阀包括一个内固定阀件25和一个外转动阀件26。有一组用于传热流体的管道27从外转动阀件延伸，连接到再生器床22的环21上。为了描述方便，所示的该组管道27直接从旋转分配阀24延伸到环21，虽然应当理解的是这些管道可以按其他方式引导(下面也要描述)，它们可为环21提供物理支撑，也可不为环21提供物理支撑，利用管道使环绕轴23转动。
使形成的磁铁29在各端板30之间有一个部分，磁场在该部分延伸通过环21圆周的一部分而不是全部圆周，所以就使得环21的一些单个的床处在磁铁29的磁场中，而其它床22在磁场外。当环21绕轴23转动时，在环21内的单个床22逐步进入、通过磁铁29产生的磁场，然后离开磁场。当床22处在磁铁29的磁场中时，床内的磁热材料的温度升高，较冷的传热流体就可以通过磁热材料，吸取磁热材料的热量。当床22离开磁场时，它们的温度降低，较热的传热流体就可以通过床，将传热流体的热量传送给床的磁热材料。最好将床22布置成使在床的整个圆周方向上床的所有多孔磁热材料保持一个从“热”端到“冷”端的热梯度，当床处在磁铁29的磁场中时，通过使较冷的传热流体从每个床的冷端流到热端，当床离开磁铁29的磁场时，通过使较热的传热流体从每个床的热端流到冷端来保持该梯度。管道27从旋转分配阀24连接到每个床的热端和冷端，以便使这种流动发生。
阀24的作用在于通过管道组27的一个或多个管道接收磁场中的一个或多个床排出的热传热流体，并通过泵333将管道31上的固定阀件25中的流体引向热端热交换器34，该热交换器将流体中的热量传给大气或其它热链。出自热端热交换器34的较冷流体通过管道35返回到固定阀件25中的开口。然后该流体通过一个或多个管道27引向处于磁场外的一个或多个床22的热端，当流体通过被冷却的床时，所以流体在此处温度下降。被冷却的流体然后在管道27中被引回到阀24的转动阀件26，被冷却的流体然后在管道37中从固定阀件25流出，到达冷端热交换器38，该热交换器将要冷却容积(例如制冷器壳体内)的热量传给传热流体。此后，被加热的传热流体在管道39中从冷端热交换器38出来，返回到阀24，该阀使流体经一个或多个管道27引到处于磁铁29的磁场内的一个或多个床22的冷端。被加热的流体经其中一个管道27离开床的热端，该管道将流体引回到分配阀24，由此经管道31到达泵33，从而完成一个循环。当环21转动时，随着各床进出磁体29的磁场，旋转分配阀24接通管道27的流动，以保持合适方向使流体朝再生器床22流动。
虽然为进行描述简化了图1，但应当注意的是，可以将管道27组中的管道固定到再生器床22上与再生器床的环21一起转动。所以发现，在环21的位置，管道27和再生器床之间没有所需要的滑动接触。另外，还可以将管道组27牢固地连接到随环21转动的转动阀件26上。此外，在管道27中的流动是单向的，也就是说，当连接的管道将传热流体传送通过再生器床时，流体在管道组27的各管道中按单一方向流动，或是在与连接的床到达一个不同位置以前，管道27中没有流动，使传热流体停止在管道中。另外，流过外管道31和35、泵33以及热端热交换器34的传热流体沿单一方向流动，流过外管道37和39以及冷端热交换器38的传热流体也沿单一方向流动，所以流体连续流过这些元件。因此，传热流体的死体积达到最小。
在图2所示的方案中，可以将传热管道27与床22的热端和冷端相连。在该例子中，图2的环21包括六个床22，用标记表示为1-6。其它数量的床也可以用类似的管道。每一个床都有用字母“h”表示的热端和用字母“c”表示的冷端。如图2所示，每一个床22有两个热端开口，即床1的开口h1，床2的开口h2，床3开口的h 3，床4的开口h4，床5的开口h5和床6的开口h6。其中一个开口用作热端入口，它与管道组27中的一个管道27hi相连。在热端的另一个开口用作出口，在图2中它与其中一个管道27ho相连。最好，床的数量为偶数，每一个床22有一个与相邻床的热端相邻的热端。最好将床环21的结构支承件和阀的热部分设置在床的热端。每一个床的热端用分离器40分隔开，以便相邻床之间的热端处没有热的传热流体流动。所以床的冷端也彼此相邻，它们的开口设置类似于所述床侧的开口设置。但是，正如图2所示，管道的连接可以简化，在邻接床22的冷端相遇处只有一个入口以及只有一个出口。图2中，在邻接床的冷端处只有一个管道27ci与入口相连，在邻接床22的冷端之间的位置处有一个与冷端出口相连的管道27co。为了平均分配流过冷端处的床的传热流体，可以在相邻床之间形成一个由虚线41(图2)限定的分配部分。最好将用于阀的冷区的结构支承件装到床的冷端。
可以在流体回路外部部分添加传统流体处理装置，以便提高其稳定性。例如，可以在泵33的后面为流体回路添加一个流体罐和一个过滤器，以便使阀和磁热床不会过压和不受污染。
出自阀的管道27的各对入口和出口可以连接到单一的通道中，该通道终结于床环21。可以用一个Y形连接器进行汇合。例如参见图2，管道27ho、27hi的各对入口和出口可以通过一个Y形连接器连接，并终止于各个床的单一入口/出口，对于管道27co、27ci来讲也类似。在Y形连接器和床之间的通道中的流动为单向流动，因此就具有成为流动死体积的缺陷。然而，将入口/出口组合在床上就具有占据少量空间的优点，这种组合不易堵塞，并使漏热降低。
图3-5表示床环21转动时流体经旋转管道和静止管道、旋转分配阀24以及再生器床22的流动图。为了进行说明，在这些图中用虚线所示的磁铁29的位置相对于环21来讲处在不同的位置，当然，应当理解的是，是环相对于磁铁进行逆时针运动，而不是磁铁相对于环作顺时针运动。在每一幅图中，正在有流体流过的管道用粗线表示，没有流体流过的管道用细线表示。同样，在可以使流体流过的阀24内各管道之间的连接周深色区表示，而阀的浅色区表示流到与那些部分相连的管道中或从管道中出来的流体的流动被阀堵塞。阀24有四个区，它们在图3-5中用标号24ho、24hi、24co和24ci表示。
在图3所示的情况下，整个床1和床6的大部分处在磁铁29的磁场中。来自热交换器38热端的传热流体流过管道39，到达阀区24ci的冷流体室，然后流过两个管道27ci，这两个管道与床1和6的冷端入口ci相连。传热流体从床的冷端沿周边流过床1，到达床的热端，从热端出来后进入管道27ho，该管道使流体在开口H1处返回到阀24的热端出口阀区24ho。流体流入阀区24ho的热的输出室，该热输出室也接收经管道27ho从床6的热端出口ho出来的传热流体，所述床正移出磁铁29的磁场。来自管道27ho的传热流体被热的出口阀区24ho接收，然后被传送到(固定)输出管道31，再经泵33到达热端热交换器34，在此处流体放热，受到冷却。然后被冷却的流体在管道35中流到阀24的热的输出阀区24hi，流体在该阀区被分配到图3粗线区所示的热流体室中。被冷却的流体流出阀24进入两个管道27hi中，这两个管道通向床3的热端入口hi和床4的热端入口hi。床3和4都在磁场外，所以均为冷的。来自这两个床的热端入口hi的传热流体通过床中的磁热材料进入床的冷端，流体在此通过出口出来后到达管道27co。然后流体流过冷的出口阀区24co到达固定管道37，再进入冷端热交换器38。
图4所示的流动图中，磁铁29相对于环21的位置发生了变化，使得磁铁29的磁场完全遍布在床1和2上，而床6离开了磁场。阀区24ho运动，从而堵塞来自床6出口ho的管道27ho中的流动，而阀区24ci的运动堵塞通向床6冷端出口的管道27ci中的流动。此外，阀区24hi运动，使通向床3入口hi的管道27hi中进行回流，使得流体不流过床3。因此，流体不通过没有完全在磁场中或没有完全离开磁场的床3和6，但流体正通过处于磁场中的床1和2，流体到达热端热交换器34，有流体流过完全离开磁场的床4和5(处于低温)，流体到达冷端热交换器38。
图5所示的是环21相对于磁铁29的另一个相对运动位置，其中整个床2和大部分床3处于磁场中。此时在阀区24ci运动到通向床2和3的冷端入口的管道27ci将流体供应到这些床的位置，阀区24ho移动，使来自床2和3的出口ho的流体流过管道27ho。流过床2和3的流体然后流过阀区24ho到达输出管道31、泵33、此后到达热端热交换器34。此时阀区24hi的运动使流体在管道27hi中流到床5和6(此时完全离开磁场，因而是冷的)的热端入口hi，阀区24co移动到一个位置，在该位置处，可以先在管道27co中将床5和6的冷端出口co的流体经该阀区24co流到管道37，然后流到冷端热交换器38。
当床环21与磁铁29的磁场之间的相对位置完成了环21的一个完整运转时，传热流体就重复上面的流动方式。已经发现，当床处在磁铁29的磁场中时，流过每一个床的流体从床的冷端到热端，而当床处在磁场外时，流过每一个床的流体从床的热端到冷端。因此，当床转动进出磁场时，就会保持床内的磁热材料的温度梯度。在每一个管道27中的流体流动方向保持单向，因而在任何时间都不会使传热流体回流。在阀24的某些位置，在未到达阀24的下一个位置以前，有些管道中(图3-5中的浅线所示)的传热流体就会保持稳定(但不会使流动方向相反)。
图6表示实现制冷装置20的机械结构的实例。例如，可以将磁铁29做成能让环21延伸通过该磁铁29的磁通量集中的中部开口50。磁铁29上的一个通向开口50的槽51可以让一个支承件53通过，该支承件也可以形成中空式，以便用作管道27的一部分。支撑件53延伸到一个安装平台55上，用一个转动轴承56将该平台安装到一个芯件57上。管道27延伸到分配阀24的外旋转部分26上。将阀24的固定部分25安装到芯件57上，而用轴承59将旋转部分25可旋转地安装到芯件57上。如图6所示，将固定管道31A、35A、37A和39A与固定阀件25相连。用一个齿轮61将一个马达60连接到泵33上，以便带动泵，还将该马达联接成可以驱动安装平台55以及与其旋转相连的转动阀件26。如图6所示，热端热交换器34可以包括一个能将风吹过热交换元件的风扇62，从而提高热交换效率。
图7详细地示出了阀24的轴向横截面，图8-11表示的是在阀的各个区24ho、24hi、24ci、24co的位置时垂直于轴的剖视图。如图7所示，阀的固定部分25最好为锥形，将其装在同样也是锥形的旋转阀区26的内部芯件中，这样就可以与固定件的锥形匹配，使旋转件26合适地装在固定件25上。一个弹簧65通过具有套管67的轴承66在外阀件26和固定件25之间施加压力。阀件25和26可以用合适的材料制成，例如各种塑料，这些塑料包括市购的Nylatron GS和Teflon，这些材料可以使内外阀件之间密切接合，当外阀件26相对于固定阀件25转动时，阻力较小，摩擦损失减少。
热输出阀区24ho(图8)内形成一个热流体室71，该室与固定阀件中形成的流路31A连通，该流路通过热流体开口与管道31相连。热输入阀区24hi内形成一个热流体室70，该室与阀件25中的流路35A连通，该流路通过固定阀区中的热流体开口与管道35相连(图9)。冷输入阀区24ci内形成一个冷流体室75，该室与固定阀件25中形成的流路39A连通，该流路有一个可以与管道39相连的冷流体开口(图10)，冷输出阀区24co内形成一个冷流体室74，该室与固定阀件25中的流路37A连通，该流路有一个可以与管道37相连的冷流体开口(图11)。如图6所示，冷流体开口沿轴向朝向阀的一端(所示的顶端)，热流体开口沿轴向朝阀的另一端(所示的底端)。
当外阀件26相对于固定内阀件25转动时，分别与管道27hi和27ho相连的各个阀区24ho和24hi的每一个中的六个开口(H1-H6)与热流体室70和71连通和断开。同样，当阀转动时，分别与管道27ci和27co相连的各个阀区24ci和24co的每一个中的冷流体开口C1-C2、C3-C4和C5-C5分别与冷流体室75和74连通。
可以将阀24分成多个区，让它们实现与上述组合阀相同的作用。例如，通过将阀分成具有区24ho和24hi的功能的热区以及具有区24co和24ci的功能的冷区就可以减少热端向冷端的漏热。
阀24的另一个结构是圆盘阀。圆盘阀还可以有两个作用。在装置的固定部分和转动部分之间它传送四股分开流动的单向流体。它还起到转换作用，按精确时间使流体流入或流出合适的床。
图12示出的是圆盘阀的例子，该阀有两个光滑的平的盘80和81。第一个盘80具有处于半径不同的弧形槽82、83、84和85的开口，将该盘固定到装置的固定部分上，固定部分的中心轴与装置的旋转轴23同心。每一个槽对应于一个独立的流路，从而将流体从装置的固定部分传送到转动部分或从转动部分传送到固定部分，将每一个槽口与管道31、35、37和39中的一个相连。在具有单个磁铁和六个床的优选结构中，槽82和83相互对着，并延伸180°的弧度，它们将流体送到冷端热交换器或排出该热交换器，槽84和85相互对着，并延伸120°的弧度，它们将流体送到热端热交换器或排出该热交换器。第二个盘81具有多组作为半径不同的圆形孔87、88的开口，当两个盘彼此相对地转动时，这些开口与固定盘80上的开口槽82、83、84、85接通和断开。开口87、88与旋转管道27连接。在具有单个磁铁和六个床的优选结构中，这些开口沿圆等距离分布，开口87与开口88偏离30°。将第二个盘81装到装置的转动部分上，转动部分的中心轴也与装置的旋转轴23同心。盘80的平坦表面90和盘81的平坦表面91配合，牢固接合，以形成动态密封。正如下面描述的那样，可以用一个弹簧将这两个盘80和81压在一起，从而确保合适的接触压力，并校正任何偏差。
图15和16表示固定阀盘80的安装组件105。该安装组件105施加一个密封力，以使盘80和81彼此保持压紧，防止固定盘80转动，调节固定盘80和旋转盘81之间的偏差。有一个与伸缩管108及109组合在一起的盘簧107迫使固定盘80压向旋转盘81，从而可以承受会使这两个盘分开的内部流体压力。一个固定到内管109中并在外管108内的轴向槽113中滑动的销111防止旋转板施加的摩擦扭力，并防止固定盘80转动。用一个衬板115，一个弹性元件116(例如橡胶或塑料环)以及一个阀座117来安装盘80，其中弹性元件116用来调节两个盘之间微小偏差或“摆动”，使这两个配合面保持完全接触。也可以用其它U形接头装置来实现上述目的。通过管道31、35、37和39进入四股流体流，这些管道穿过内管和弹簧。将组件105装到安装板119上，用一个螺纹调节器120将弹簧107维持在一个带有螺纹的管121中。将旋转阀盘81牢固地装到装置的旋转部分(未示出)上。
在图13和14所示的变型中，所用的两个独立圆盘阀包括一对盘93和94以及一对盘95和96。盘有开口槽101和102以及开口103，其以与上面对盘80和81所述相同的方式运行。第一对圆盘阀93和94位于装置的一个轴向端部，并处在转动部分和固定部分之间，而第二对平板阀95和96位于装置的另一个端部，也处在转动部分和固定部分之间。所有四个独立盘的安装成使得旋转轴垂直于它们的表面，并通过它们的中心，从而盘与装置的旋转轴23同心转动。阀对93、94和阀对95、96均在装置的固定部分和转动部分之间传送两组独立流体流。采用两个独立板阀的优点在于可以使装置热的部分和冷的部分之间进行隔热，对于较小的平的盘表面来讲，还可以降低生产成本。
盘80，81，93，94，95，96可以用各种材料制成，它包括陶瓷或碳-石墨复合材料。配合对不需要用相同的材料制成。
选择用于充填床22的具体磁热材料要根据装置运行时的温度范围以及磁铁29的磁场而定。可以将材料做成留有间隙地堆积在一起的小颗粒，传热流体可以通过这些间隙。对于在室温下或接近室温下的运行，一种合适的磁热材料是钆，一种合适的传热流体是水或水与防冻剂的混合物。可以使用上述美国专利US5934078介绍过的床的结构以及各个构件的材料，此处将该专利引入作为参考。在床的壁上可以增加绝热材料，在一个优选实施例中，使硬泡沫绝热材料形成床的内壁。磁铁29可以是永久磁铁，例如磁铁中开有槽的环形两极磁铁。可以使用图17所示的截面为C形的磁铁29，它有一个永久磁铁件125和两个磁通量集中的磁极件131和132。在一个优选的具有单个磁铁和六个床的结构中，磁铁延伸的弧度超过120°。此外，也可以使用其他形式的磁铁，它包括电磁铁，经低温冷却的超导磁铁。这些例子在上述专利5934078和5249424中作过介绍，此处将该专利引入作为参考。
应当理解的是，本发明并不限于此处举例说明的具体实施例，而是等同于所有这类形式，这些均在下面的权利要求书限定的范围内。
Claims (23)
1. 一种对传热流体进行再生冷却的方法，该方法包括如下步骤：
(a)提供具有偶数磁再生器床的环，每个床含有呈磁热效应的多孔材料，使传热流体能够流过这种材料，每一个床有一个热端和一个冷端，将床布置成圆环形，每个床的冷端与相邻床的冷端相邻，每个床的热端与相邻床的热端相邻；
(b)使再生器床的环转动通过一个磁场，从而当床环转动时交替地将磁场施加到每一个再生器床和从每一个再生器床去除磁场；
(c)当床不在磁场中，使传热流体相对于床围绕其转动的中心轴沿周向流动时，让传热流体从床的热端到冷端地通过该再生器床，并且当床环转动，使床处于磁场中时，让传热流体从床的冷端到热端地沿周向流动通过再生器床。
2. 根据权利要求1所述的方法，它包括在床处于磁场中时将从床的冷端到热端通过该再生器床的传热流体的热排出。
3. 根据权利要求2所述的方法，它还包括步骤：在床处于磁场中时，将热量传给传热流体，该传热流体然后从床的冷端到热端地通过该再生器床。
4. 旋转磁制冷-热泵装置，包括：
(a)一个磁再生器床环和一个驱动器，该环绕一个中心轴转动，驱动器带动磁再生器床环绕中心轴转动，每个床含有显示磁热效应的多孔材料，使传热流体能够以沿周边流动的方式流过这种磁热材料，每一个床有一个热端和一个冷端；
(b)提供磁场的磁铁，它通过环形再生器床中的至少一个床而不是全部床，从而使至少一个床处于磁场中，至少一个床处于磁场外；
(c)热端热交换器；
(d)冷端热交换器；
(e)通过管道与热端热交换器及冷端热交换器相连并通过管道与每个磁再生器床的热端及冷端相连的分配阀，当再生器床环转动时该分配阀进行转换，从而将回路中的传热流体从磁场外的床经该分配阀引向冷端热交换器，然后经分配阀引回到磁场中的床，之后经分配阀引回到热端热交换器，再经分配阀引回到磁场外的床中，分配阀从其本身引导流动，使得管道中的流动保持在相同的方向，并且当床处在磁场外时经过每个床的流动方向与床处在磁场内时的流动方向相反；
(f)一个连接在管道中的泵，该泵驱动传热流体通过热端热交换器和冷端热交换器、管道以及分配阀。
5. 根据权利要求4所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中将分配阀和床之间的相应入口管道及出口管道通过一个Y形连接器合并到床的单一入口/出口。
6. 根据权利要求4所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中有偶数个磁再生器床，将这些床布置成圆环，使每个床的冷端与相邻床的冷端相邻，每个床的热端与相邻床的热端相邻，各床的相邻冷端彼此相通，以使流体流过，而且有一个公共冷端入口和一个公共冷端出口，相邻床的各热端用一个防漏分离器分开，并有用于各床热端的一个入口和一个出口。
7. 根据权利要求4所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中分配阀包括一个固定阀件和一个转动阀件，该转动阀件被装配成以与固定阀件接合的方式绕中心轴转动，其中管道从转动阀件延伸到各个床的热端和冷端，从而在分配阀和床之间分配流体，分配阀随发生器床的环一起转动。
8. 根据权利要求7所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中分配阀包括一个内固定阀件和一个外转动阀件，该转动阀件被装配成以与固定阀件接合的方式绕中心轴转动，固定阀件有两个冷流体室和两个热流体室，转动阀件内有第一冷流体开口和第二冷流体开口，当转动阀件转动时，这些第一冷流体开口先后与第一冷流体室连通，当转动阀件转动时，这些第二冷流体开口先后与第二冷流体室连通，转动阀件内还有第一热流体开口和第二热流体开口，当转动阀件转动时，这些第一热流体开口先后与第一热流体室连通，当转动阀件转动时，这些第二热流体开口先后与第二热流体室连通，在固定阀件中有一些通道，这些通道从两热流体开口延伸到第一和第二热流体室，以及从两冷流体开口延伸到第一和第二冷流体室，其中多个管道从床的冷端入口延伸到转动阀件的先后与冷流体室的第一流体室连通的出口，多个管道从床的冷端出口延伸到转动阀件的先后与冷流体室的第二流体室连通的开口，多个管道还从床的热端出口延伸到转动阀件的先后与热流体室的第一流体室连通的开口，多个管道从床的热端入口延伸到转动阀件的先后与热流体室的第二流体室连通的开口，而且，多个管道还从冷端热交换器的出口延伸到固定阀件的与第一冷流体室连通的冷流体开口，多个管道从冷端热交换器的入口延伸到固定阀件的与第二冷流体室连通的冷流体开口，多个管道从固定阀件的与第一热流体室连通的热流体开口经一个泵延伸到热端热交换器的入口，多个管道从热端热交换器的出口延伸到固定阀件的与固定阀件中的第二热流体室连通的热流体开口。
9. 根据权利要求8所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中固定阀件有一个顶端和一个底端，其中固定阀件中的冷流体开口沿轴向朝阀的一端，固定阀件中的热流体开口沿轴向朝阀的另一端。
10. 根据权利要求7所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中磁铁包括永久磁铁。
11. 根据权利要求10所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中磁铁为C形。
12. 根据权利要求7所述的旋转磁制冷-热泵装置，还包括一个安装平台，该平台绕中心轴转动，从转动阀件延伸到各床的管道具有从安装平台延伸到床环的部分，用安装平台支撑床环，以便使床环绕中心轴转动。
13. 根据权利要求12所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中管道部分从安装平台延伸到床，为床环提供物理支撑。
14. 根据权利要求12所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中将转动阀件和安装平台连接在一起，使它们一起绕中心轴转动。
15. 根据权利要求7所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中将固定阀件和转动阀件做成盘型，它们的平面相互接合，转动阀件被装配成绕中心轴转动，其面与该中心轴垂直，固定阀件和转动阀件中均有开口，当转动阀件转动时，这些开口连通和失去连通。
16. 根据权利要求15所述的旋转磁制冷-热泵装置，该装置包括一个弹簧安装组件，该组件将盘形固定阀件安装成与盘形转动阀件接合。
17. 旋转磁制冷-热泵装置，它包括：
(a)偶数个磁再生器床，每个床含有呈磁热效应的多孔材料，使传热流体能够流过这种磁热材料，每一个床有一个热端和一个冷端，在每一个床的热端的热端入口和出口，在每一个床的冷端的冷端入口和出口，将床布置成圆环形，使每个床的冷端与相邻床的冷端相邻，每个床的热端与相邻床的热端相邻，各床的相邻冷端彼此相通，以用于流体流动，而且有一个公共冷端入口和一个公共冷端出口，床的各相邻热端用一个防止流动分离器分开，并有用于各床热端的一个入口和一个出口，磁再生器床环绕一个中心轴转动，该环包括一个驱动器，驱动器驱动床环绕中心轴转动，其中传热流体相对于中心轴沿周向流动从床的入口流到出口；
(b)至少一个提供磁场的磁铁，磁场通过再生器床中的至少一个床而不是全部床，从而使至少一个床处于磁场中，至少一个床处于磁场外；
(c)一个旋转分配阀，该分配阀包括一个内固定阀件和一个外转动阀件，该转动阀件被配置成以与固定阀件接合的方式绕中心轴转动，固定阀件有两个冷流体室和两个热流体室，转动阀件内有第一冷流体开口和第二冷流体开口，当转动阀件转动时，这些第一冷流体开口先后与第一冷流体室连通，当转动阀件转动时，这些第二冷流体开口先后与第二冷流体室连通，转动阀件还有第一热流体开口和第二热流体开口，当转动阀件转动时，这些第一热流体开口先后与第一热流体室连通，当转动阀件转动时，这些第二热流体开口先后与第二热流体室连通，在固定阀件中有一些通道，这些通道从两个热流体开口延伸到第一和第二热流体室，以及从两个冷流体开口延伸到第一和第二冷流体室；
(d)从床的冷端入口延伸到转动阀件的先后与冷流体室的第一流体室连通的开口的多个管道，从床的冷端出口延伸到转动阀件的先后与冷流体室的第二流体室连通的开口的多个管道，从床的热端出口延伸到转动阀件的先后与热流体室的第一流体室连通的开口的多个管道，从床的热端入口延伸到转动阀件的先后与热流体室的第二流体室连通的开口的多个管道；
(e)具有一个入口和一个出口的热端热交换器；
(f)具有一个入口和一个出口的冷端热交换器；
(g)从冷端热交换器的出口延伸到固定阀件的与第一冷流体室连通的冷流体开口的多个管道，从冷端热交换器的入口延伸到固定阀件的与第二冷流体室连通的冷流体开口的多个管道，从固定阀件的与第一热流体室连通的热流体开口经一个泵延伸到热端热交换器的入口的多个管道，从热端热交换器的出口延伸到固定阀件中的与固定阀件中的第二热流体室连通的热流体开口的多个管道；以及
(h)一个连接在管道中的泵，该泵驱动回路中的传热流体通过热端热交换器和冷端热交换器、管道、床以及分配阀。
18. 根据权利要求17所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中固定阀件有一个顶端和一个底端，其中固定阀件中的冷流体开口沿轴向朝向阀的一端，固定阀件中的热流体开口沿轴向朝向阀的另一端。
19. 根据权利要求17所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中磁铁是永久磁铁。
20. 根据权利要求19所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中磁铁为C形。
21. 根据权利要求17所述的旋转磁制冷-热泵装置，还包括一个安装平台，用于绕中心轴转动，从转动阀件延伸到各床的管道具有从安装平台延伸到床环的部分，用安装平台支撑的床环，用于使床环绕中心轴转动。
22. 根据权利要求21所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中管道部分从安装平台延伸到床，为床环提供物理支撑。
23. 根据权利要求21所述的旋转磁制冷-热泵装置，其中将外转动阀件和安装平台连接在一起，使它们一起绕中心轴转动。
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