CN101842647A - 带有磁热材料的热发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热发生器(1)，其特征在于，具有至少一个热模块(10)，热模块具有N个相邻的磁热元件(2)，这些元件围绕中心轴(A)呈圆形布置并经受磁装置(3)产生的磁场变化，以改变它们的温度。磁热元件(2)与N个活塞(40)相连，活塞由控制凸轮(70)带动进行交替的往复运动，以使热模块(10)中的载热流体同时在两个相反方向上移动，使得载热流体的第一部分穿过经受加热循环的磁热元件(2)朝向热交换室(5)循环，载热流体的第二部分穿过经受冷却循环的磁热元件(2)朝向冷交换室(6)循环，反之亦然。交换室(5、6)与外部的耗热和耗冷回路连接，如加热回路、空调回路等。

Description

带有磁热材料的热发生器
技术领域
本发明涉及一种热发生器，其具有：一些磁热元件；磁装置，用于交替地使所述磁热元件经受磁场变化，并交替地在每个磁热元件中产生加热循环和冷却循环；至少一种载热流体，用于收集所述磁热元件在加热循环和冷却循环过程中产生的热量和/或冷量；至少一个热交换室和冷交换室，分别设在所述发生器的热端和冷端；以及在所述磁热元件与所述交换室之间的载热流体的循环装置。所述发生器具有至少一个热模块，该模块具有至少一组N个磁热元件。
背景技术
二十多年来，磁制冷技术已为人所知，并且人们知道它在生态和可持续发展方面带来的优点。人们也了解它在有效热功率和效率方面的局限性。从此，在该领域进行的研究在于改进发生器的性能，调整不同的参数，如磁化功率、磁热元件的性能、载热流体与磁热元件之间的交换面积、热交换器的性能等。
文件US4829770尤其涉及磁热元件的成分，并且描述了使用这种元件并基于Stirling马达原理运行的热发生器。载热气体、特别是氮穿过固定的磁热元件，其整体装在一个容箱中，容箱进行与磁场变化同步的交替平移运动。含氦的热交换器与容箱的热端和冷端连接，以便把载热气体收集的热量和冷量传递给外部回路。磁热元件呈叠放在容箱中的带孔盘的形状，并根据选择的实施例互相分开，以限定多个室，或者互相连接，以只限定两个室。容箱的每次运动对应于一个冷循环或一个热循环，并导致载热气体只在一个方向循环。因此产热和产冷的循环交替，而不是同时。另外，气体的载热能力显然低于液体。载热气体与磁热元件之间的交换面积也是非常有限的。鉴于非常低的运行温度，约为-200℃，这种热发生器的使用限于实验室应用。总之，该热发生器的发热量太低，不足以用于工业应用或民用。
文件WO 2005/093343描述了磁热热发生器的原理，该发生器使用汽车的加热或冷却空气作为载热流体。该方法设置为，在启动阶段，制冷系统以闭合回路运行，空气由带有活塞和平衡器的系统带动、在热容箱与冷容箱之间穿过磁热元件往复运动，直至达到希望的温度梯度。和前面的例子一样，活塞的每次运动对应于一个冷循环或一个热循环，并且使空气流只在一个方向循环。因此，产热循环和产冷循环交替，而不是同时。另外，空气与磁热元件之间的交换面积非常小，同样由于载热流体不是液体而是气体，因此不能达到足以用于工业应用或民用的发热量。
属于申请人的文件WO 2007/026062描述了具有两个不同收集回路、即热收集回路和冷收集回路的磁热发生器，两个回路互相液密封，并且每个回路与作为排热或排冷装置的热交换器连接。载热流体在收集回路中以闭环的形式循环，收集回路具有位于发生器外的部分，并且需要至少一个泵、与磁场变化同步的转换装置、管道和接头。
发明内容
本发明的目的是解决该问题，提出经济上有效益的磁热材料的热发生器的工业方案，并且发生器模块化，以便很容易根据在工业和民用应用范围内给出的招标细则进行配置。本发明的目的还在于，通过取消一个或多个水力系统，简化载热流体的循环，并使其合理化。
为此，本发明涉及前言中指出的热发生器，其特征在于，所述循环装置与磁场的变化同步，并且用于使所述载热流体在所述热模块内、同时在两个相反方向上穿过所述磁热元件在热交换室与冷交换室之间以往复运动进行交替移动，使得载热流体的第一部分穿过经受加热循环的所述磁热元件朝向热交换室循环，载热流体的第二部分穿过经受冷却循环的所述磁热元件朝向冷交换室循环，反之亦然，并且循环装置具有至少一组N个与磁热元件相对的活塞，活塞由驱动机构带动进行交替的平移运动，驱动机构具有至少一个由启动器带动的控制凸轮。
这样，得到N个同时平行运行的微型热发生器，可以使与载热流体的交换面积增加N倍，并因此增加该发生器的发热量。而且，每个磁循环得到最佳利用，因为载热流体在两个循环方向的移动可以同时收集由经受磁场增加(加热循环)的磁热元件产生的热量和由经受磁场减少(冷却循环)的磁热元件产生的冷量。
热交换室和冷交换室形成发生器产生的热能的回收室，并且可以实现来自一方面是对于热室的加热循环、另一方面是对于冷室的冷却循环的载热流体的混合。
最好，磁热元件具有穿透的流体通道，这些流体通道由孔隙、管道、沟槽或这些的组合形成。
在一优选实施例中，循环装置具有两组N个活塞，位于磁热元件的每一侧，用于使载热流体在两个循环方向上移动。
控制凸轮可以具有基本为正弦曲线形的凸轮轮廓，其幅度决定所述活塞的行程，其正弦曲线相位大体对应所述磁热元件的一个加热循环和一个冷却循环。
磁装置可以在所述磁热元件附近具有至少一个磁布置，由交替的磁化区和非磁化区形成，所述磁布置与一个启动器联接，以便可以相对所述磁热元件活动。
这些磁装置最好具有与所述磁布置相对的磁场封闭装置，以封闭由所述磁化区穿过所述磁热元件产生的磁通。
所述磁布置的由一个磁化区和一个非磁化区形成的每一对有利地在总体对应于所述凸轮轮廓的正弦曲线的一个距离上延伸。
在优选实施例中，每个磁化区具有至少两个极性相反的永久磁铁，组装在具有高导磁性的铁心上，以便使所述磁铁的磁通朝向磁热元件集中。
热模块可以有利地具有圆形结构，磁热元件在其中围绕中心轴呈圆形布置，控制凸轮以及磁布置与该中心轴同心，并且围绕所述中心轴被旋转驱动。
作为实施变型，热模块也可具有线性结构，磁热元件排列其中，控制凸轮以及磁布置沿所述磁热元件交替地被平移驱动。
热发生器可有利地具有数量为X的叠置的热模块，以便形成X级的热发生器，所述热模块可以通过中间室两两组装在一起。在这种情况下，相邻的两个热模块的活塞有利地是共用的。
这样，通过叠置多个热模块，载热流体的加热和冷却分级进行，这样可以根据需要增加所述发生器的冷端与热端之间的温度梯度。
中间室可以与所述活塞连通，并形成在相邻的两个热模块之间的载热流体混合室。
中间室也可以不与所述活塞连通，载热流体通过磁热元件从一个热模块到另一个热模块。
每个热交换室和冷交换室可以与一个外部回路连接，该外部回路配有只在相关的所述交换室内达到预定的温度后才允许进行热交换的装置。
附图说明
通过下面参照附图对作为非限定例子的两个实施例的描述，本发明及其优点将更加清楚，图中：
-图1是本发明热发生器的第一实施例的局部分解立体图；
-图2是图1发生器的一部分的立体图；
-图3是图1发生器的平面图；
-图4是图3发生器的轴向剖视图；
-图5-8分别是图3发生器的沿V-V、VI-VI、VII-VII和VIII-VIII剖面的径向剖视图；
-图9是本发明热发生器的第二实施例的局部分解立体图；
-图10是图9的细节X的放大图；
-图11是图9发生器的轴向剖视图。
具体实施方式
参照图1-8，特别是图4，本发明的热发生器1具有一个热模块10，该模块包括N个以邻接方式、围绕中心轴A成圆形的磁热元件2，形成环形的柱形结构。该实施例只是一个例子，热发生器1也可以具有线性结构。
该热发生器1具有能够使磁热元件2交替地经受磁场变化的磁装置3，以便使元件的温度根据卡诺循环进行变化，并在每个磁热元件2中交替地产生一个加热循环和一个冷却循环。该发生器含有载热流体，载热流体由循环装置4带动在所述热模块10内运动，以便收集磁热元件在相继的加热和冷却循环过程中产生的热量和冷量，并且分别将热量和冷量储存在位于发生器的热端和冷端的热交换室5和冷交换室6中。每个交换室5、6用于通过热交换器(未示出)与外部回路进行热交换，以便利用所述发生器产生的热量和冷量。循环装置4与磁场的变化同步，以便使载热流体同时在两个相反方向上移动，使得载热流体的第一部分穿过经受加热循环的磁热元件2朝向热交换室5循环，而载热流体的第二部分穿过经受冷却循环的磁热元件2朝向冷交换室6循环，反之亦然。
在所示的例子中，磁热元件2由切割、机加工和/或模制的磁热材料的局部柱形的段构成，并置于设有形状互补的槽21的固定支座20中。磁热元件2的形状不是限定的，并且可以是任何三维形状。磁热材料是指部分或全部由磁热物质形成的材料，例如钆(Gd)，含有例如硅(Si)、锗(Ge)的钆合金，含有例如铁(Fe)、镁(Mg)、磷(P)的锰合金，镧合金，镍(Ni)合金，任何其它等效的可磁化材料或合金，或不同磁热材料的组合，其形状为粉末、颗粒、实心块、烧结块或孔隙块。这些磁热材料的选择根据寻求的加热和制冷功率及需要的温度范围进行。这些磁热元件2可以使载热流体渗透，并且为此具有一些穿透的流体通道，这些通道可以由孔隙材料的孔隙、在实心块中加工的小型或微型管道构成，或通过重叠的沟槽板及类似物的组装而形成。
载热流体的循环装置4具有至少一组、并最好两组的N个活塞40，活塞由驱动机构7带动进行与中心轴A平行的往复运动，每个活塞40与一个磁热元件2相对，并在该元件的轴线上，以便推动包含在所述模块中的载热流体沿一个循环方向穿过所述元件，该方向取决于所述元件是经受加热循环还是冷却循环。因此每个磁热元件2与两个活塞40相连，这两个活塞在轴线上对齐，与每个端部相对，并沿相反方向控制。为了使载热流体从一个交换室5、6向另一交换室5、6循环，通道42具有开口43，使热模块10的内容积与活塞40的槽41连通。参照如图所示的热发生器的圆形结构，活塞40以邻接方式围绕中心轴A排列成圆形，形成环形结构。在线性热发生器的情况下，活塞将排成直线。这些活塞40由柱形零件构成，在设在通道42中的形状互补的槽41中引导。任何其它形状的活塞也是可以的，并且可以确定活塞的形状，以使水力负荷损失最小。通道42是一个固定零件，通过任何适当组装方式组装在磁热元件2的支座20上。支座20和通道42也可由一个零件形成。这些零件最好由绝热材料制成，如合成材料或类似材料。
在所示例子中，驱动机构7具有至少一个、最好两个控制凸轮70，与活塞40联接并由一启动器(未示出)带动。每个控制凸轮70可以具有基本为正弦曲线或类似形状的凸轮轮廓71(见图2、3)，其幅度决定活塞40的行程，其正弦曲线的相位总体上对应磁热元件2的加热循环和冷却循环。凸轮轮廓71形成一个突起肋条，位于每个活塞40的一个槽中，因此保证这些零件之间的机械联接。参照热发生器1的圆形结构，控制凸轮70为环形，并且由电机或任何等效启动器围绕中心轴连续或不连续地旋转驱动。在线性热发生器的情况下，控制凸轮为直线，并被带动进行交替的平移运动。
参照图8，磁装置3在磁热元件2附近具有由交替的磁化区ZA和非磁化区ZN形成的磁布置。每对磁化区ZA和非磁化区ZN在大体与凸轮轮廓71的正弦曲线对应的一个距离上延伸，磁化区ZA产生加热循环，非磁化区ZN产生冷却循环。在所示的例子中，磁化区ZA具有至少两个极性相反的永久磁铁32，它们组装在导磁性强的铁心33上，以便使磁通朝向磁热元件2集中。当然，也可以是任何其它的结构或设置。在所示的例子中，并参照发生器的圆形结构，磁布置30为柱形，位于发生器1内，并且由电机或任何等效启动器围绕中心轴A连续或不连续地旋转驱动。该例中，磁布置30具有四对磁化区ZA和非磁化区ZN，每对在一个90°的角扇形上延伸。与此对应，控制凸轮70的凸轮轮廓71具有四个正弦曲线，每个在相同的角扇形上延伸。为了简化图示，图中所示的凸轮轮廓71只示出了两个正弦曲线。磁装置3还具有与磁布置30相对并在该例中位于发生器1外的磁场封闭装置31，以便封闭由磁化区ZA通过磁热元件2产生的磁通。在线性热发生器的情况下，磁装置3为直线形，并被带动进行交替的平移运动。
在该例中，热发生器1的活动构件与中心轴A同心，并且可以由同一内部和中心启动器带动，或由任何等效方式带动。在直径较小的热发生器的情况下，可以使该构形反转，从外部带动活动构件，控制凸轮和磁布置30位于磁热元件2外部。也可以使活塞40的移动相对于磁布置30的移动角度错开，目的是考虑热和水力惯性。
热发生器1的运行在于控制磁布置30与控制凸轮70的同时和同步移动，以便根据所述元件是否经受磁场，使载热流体在热模块10内、在热交换室5和冷交换室6之间穿过磁热元件2同时在两个相反方向上交替移动。载热流体在同一热模块10内的交替移动使得可以增加位于所述发生器端部的热交换室5和冷交换室6之间的温度梯度。这些交换室5、6用于使发生器产生的热量和冷量可以或者通过传导，或者通过热交换器(未示出)输送到外部的使用线路(加热、空调等)。在一个未示出的变型中，每个热交换室和冷交换室与一个外部回路连接，该回路可以配有只当涉及的交换室内达到预定的温度后才允许进行热交换的装置。该装置的形式可以是热敏或受控的堵塞器。这种装置可以使发生器的运行更迅速，只有从发生器达到预定工况的时刻起，才能进行热交换。
使用的载热流体最好为液体。选择与需要的温度范围相适应的载热流体的化学成分，以便获得最佳的热交换。因此，该流体可以是液体、气体或双相。如果是液体，对于正的温度，例如使用纯水，对于负的温度，使用添加防冻剂的水，例如乙二醇产品或盐水。
实现本发明的最好方式
图9-11示出具有多个与前面描述的类似的热模块10、11、12、13的热发生器100，这些模块被叠置，以形成多个热级，这些模块可以相同或不同。热模块10、11、12、13通过中间室8两两组装在一起。在该分级构形中，两个相邻的热模块10-13的活塞可以是共用的，如图中所示，这样可以简化发生器，并降低成本，同样还可减小总体积。因此，控制凸轮70也是共用的，并位于中间室8中。这些中间室8可以如图所示是连通的，或者是密封的。当它们连通时，这些中间室8可以使两个相继的热级之间的载热流体混合，流体通过设在活塞40的通道42中的开口43从一个热模块到另一个热模块。该热混合有助于增加从一级到另一级的温度梯度，因此增加了设在所述发生器端部的热交换室5与冷交换室6之间的温度梯度。
在另一个未示出的变型中，这些中间室8可以是密封的。在这种情况下，载热流体只通过磁热元件2从一个热级到另一个热级。
所示的分级构形当然可以扩展到具有线性结构的热模块10-13。热模块10-13的数量不受限制，并且根据给定的应用来确定。
工业应用的可能性
组成本发明的热发生器1、100的所有零件可以根据可重复的工业过程系列形成。除了磁热元件2和磁装置3，所有这些零件可以由模制、注入或类似的绝热材料制成。热模块10-13和交换室5、6可以通过任何适当密封的方式和任何已知的适当固定方式进行组装。热发生器1、100通过紧凑且可以叠置、并可以标准化的热模块10-13实现，这样可以具有竞争力的成本和较小的体积满足很大的工业和民用的应用范围，并且提供了此类发生器目前不能比拟的发热量方面的性能。
本发明不局限于所描述的实施例，而是延伸到对本领域技术人员而言很明显的修改和变型，且不超出所附权利要求限定的保护范围。

Claims (15)

1.热发生器(1、100)，具有：磁热元件(2)；磁装置(3)，用于使所述磁热元件(2)交替地经受磁场变化并交替地在每个磁热元件(2)中产生一个加热循环和一个冷却循环；至少一载热流体，用于收集所述磁热元件(2)在加热和冷却循环过程中产生的热量和/或冷量；至少一个热交换室(5)和冷交换室(6)，分别设在所述发生器(1、100)的热端和冷端；及在所述磁热元件(2)与所述交换室(5、6)之间的载热流体的循环装置(4)；所述发生器具有至少一个热模块(10-13)，热模块具有至少一组N个邻接的磁热元件(2)；发生器的特征在于，所述循环装置(4)与磁场的变化同步，并且用于使所述载热流体在所述热模块(10-13)内、同时在两个相反方向上穿过所述磁热元件(2)在热交换室(5)和冷交换室(6)之间按照往复运动进行交替移动，使得载热流体的第一部分穿过经受加热循环的所述磁热元件(2)朝向热交换室(5)循环，载热流体的第二部分穿过经受冷却循环的所述磁热元件(2)朝向冷交换室(6)循环，反之亦然，并且所述循环装置(4)具有至少一组N个与所述磁热元件(2)相对的活塞(40)，并且活塞由驱动机构(7)带动进行交替的平移运动，驱动机构具有至少一个由启动器带动的控制凸轮(70)。
2.如权利要求1所述的发生器，其特征在于，所述控制凸轮(70)具有基本正弦曲线形的凸轮轮廓(71)，其幅度决定所述活塞(40)的行程，其正弦曲线相位总体上对应所述磁热元件(2)的加热循环和冷却循环。
3.如上述权利要求之一所述的发生器，其特征在于，所述循环装置(4)具有两组N个活塞(40)，位于所述磁热元件(2)的每一侧。
4.如上述权利要求之一所述的发生器，其特征在于，磁热元件(2)具有穿透的流体通道，这些流体通道由孔隙、管道或它们的组合形成。
5.如权利要求1所述的发生器，其特征在于，所述磁装置(3)在所述磁热元件(2)附近具有至少一个磁布置(30)，由交替的磁化区(ZA)和非磁化区(ZN)形成，所述磁布置(30)与一个启动器联接，以便可以相对所述磁热元件(2)活动。
6.如权利要求5所述的发生器，其特征在于，所述磁装置(3)具有与所述磁布置(30)相对的磁场封闭装置(31)，以便封闭由所述磁化区(ZA)穿过所述磁热元件(2)产生的磁通。
7.如权利要求2和5所述的发生器，其特征在于，由一个磁化区(ZA)和一个非磁化区(ZN)形成的每一对在总体对应所述凸轮轮廓(71)的一个正弦曲线的距离上延伸。
8.如权利要求5所述的发生器，其特征在于，每个磁化区(ZA)具有至少两个极性相反的永久磁铁(32)，组装在具有高导磁性的铁心(33)上，以便使所述磁铁的磁通朝向磁热元件(2)集中。
9.如权利要求5所述的发生器，其特征在于，所述热模块(10-13)具有圆形结构，所述磁热元件(2)在其中围绕中心轴(A)呈圆形布置，并且控制凸轮(70)和磁布置(30)与该中心轴(A)同心，并围绕所述轴(A)旋转驱动。
10.如权利要求5所述的发生器，其特征在于，所述热模块具有线性结构，所述磁热元件排列其中，并且控制凸轮和磁布置沿所述元件交替地被平移驱动。
11.如上述权利要求之一所述的发生器，其特征在于，它具有数量为X的叠置的热模块(10-13)，以便形成X级的热发生器，并且所述热模块(10-13)通过中间室(8)两两组装在一起。
12.如权利要求11所述的发生器，其特征在于，所述中间室(8)与所述活塞(40)连通，并形成两个相邻热模块(10-13)之间的载热流体混合室。
13.如权利要求11所述的发生器，其特征在于，所述中间室(8)不与所述活塞(40)连通，载热流体通过所述磁热元件(2)从一个热模块(10-13)到另一个热模块。
14.如权利要求11所述的发生器，其特征在于，两个相邻热模块(10-13)的活塞(40)是共用的。
15.如上述权利要求之一所述的发生器，其特征在于，每个热交换室和冷交换室与一个外部回路连接，该回路配有只在相关交换室内达到预定的温度后才允许热交换的装置。
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