CN101889179A - 磁热发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发生器(1)，其包括：配设有活性元件(2)的至少一个热台(10)，所述活性元件(2)由磁热材料制成并围绕中心轴线(A)布置；由与中心轴线(A)重合的驱动轴(30)支撑的磁性装置(3)，该磁性装置由致动器驱动旋转以使活性元件(2)经受磁场变化。该发生器(1)在热台(10)两侧包括与流体箱体(74)相连的一组活塞(70)，以推动载热流体流过活性元件(2)，所述活塞由与驱动轴(30)旋转连接的至少一个凸轮(71)驱动在腔(73)内进行往复平移。该发生器(1)的特征在于：它包括强制循环装置(8a)，该强制循环装置(8a)配设有小行星齿轮(80)，该小行星齿轮围绕中心轴线(A)布置，由发生器(1)的主体(72)支撑并与和凸轮(71)连在一起的内部齿冠(81)相啮合，每个小行星齿轮(80)都形成一小型齿轮泵，该齿轮泵混合载热流体并使载热流体在所述箱体(74)和所述腔(73)内进行强制循环。

Description

磁热发生器
技术领域
本发明涉及一种磁热发生器，其包括：配设有活性元件的至少一个热台，所述活性元件由磁热材料制成，围绕中心轴线布置；由驱动轴支撑的磁性装置，由致动器驱动围绕所述中心轴线旋转并被设置用于使所述活性元件经受磁场变化；至少一种包含在所述发生器内的载热流体，该载热流体被推动装置推动流过所述活性元件；至少一个所谓的冷交换腔和至少一个所谓的热交换腔被用于分别连接至外部使用回路，所述发生器还包括用于强制循环载热流体的装置，该装置被连接至所述驱动轴以通过与所述磁性装置的致动器为同一个的致动器驱动。
背景技术
磁制冷技术已经为人所知超过二十年，并且它在生态学和可持续发展方面提供的优点被广泛认可。这种技术在其有效热功率及热生产率方面的局限性也是众所周知的。因此，在该领域内进行的所有研究都倾向于通过调节各种参数例如磁化强度、由磁热材料制成的活性元件的性能、载热流体和这些活性元件之间的热交换面积、热交换器的性能等来提高这种发生器的性能。
在同一申请人提交的以文献号FR 07/07612公布的在先的专利申请中描述的磁热发生器包括一个或多个层叠的热模块以构成一个或多个热台，每个热台都包括N个相邻的活性元件，活性元件由磁热材料制成，围绕中心轴线布置成圆形，并经受磁场变化以改变它们的温度。这些活性元件与N个活塞相连，所述活塞通过控制凸轮经受往复平移运动，以便沿两个相反的方向同时推动包含在热模块内的载热流体，以使第一部分载热流体被推动流过经受加热循环的活性元件再流向所谓的热交换腔，并使第二部分载热流体被推动流过经受冷却循环的活性元件再流向冷交换腔，或者相反。由此获得数量为N个的同时和并行操作的小型或微型热发生器，允许将活性元件和载热流体之间的热交换面积以N倍的系数增加，由此增加这种发生器的热值(pouvoir calorique)。而且，每个磁化循环都被最优地使用，因为载热流体沿两个循环方向的流动允许同时收集由经受磁场增加(加热循环)的活性元件产生的卡路里(calorique)以及由经受磁场减小(冷却循环)的活性元件产生的负大卡(firgorie)，既没有停机时间也没有循环损失。
另外，还已知其它的磁热发生器，在磁热发生器中通过被插入在发生器和特别包括热交换器的外部回路之间的外部双联泵或两个外部泵强制载热流体循环。在由同一申请人提交的专利公开文本WO2005/0430052中描述了其中的一个实例。在这种类型的发生器中，泵自身为已知类型并且必须被供以动力特别是电流以使它们能够运行，这就不利于发生器的总体生产率。为了避免这个缺点，专利公开文本FR 2875895提出将载热流体的循环泵连接至发生器的驱动装置。
发明内容
本发明的目的是为了增加磁热发生器的热值及其经济上的盈利性而提高磁热发生器的生产率，同时保留其模块的外观以使得可容易地根据在工业应用和家庭应用的范围内给定的负载要求而配置。
为此，本发明涉及一种前序部分中提及的类型的磁热发生器，其特征在于所述强制循环装置被集成到所述发生器的内部体积中。
由于这种结构，发生器被装有确保流体在发生器内混合的强制循环装置，其允许系统地更新被推动流过活性元件的载热流体。而且，这些强制循环装置均由单个致动器激活。这因此增加发生器的热值而不会对其能量生产率造成损失。
在推动装置包括至少一个活塞——其被设置用于推动载热流体流过活性元件并被与所述驱动轴旋转连接的至少一个凸轮驱动进行往复平移——的情况下，强制循环装置可以包括至少一个活塞泵，该活塞泵配设有至少一个中心活塞，该中心活塞由所述驱动轴自由支撑并被所述凸轮驱动进行往复平移。在此情况下，凸轮可以配设有内部齿冠，所述内部齿冠通过行星齿轮系与驱动轴旋转连接。
强制循环装置还可以包括小行星齿轮和流体通道，该小行星齿轮围绕所述中心轴线布置，由发生器的主体支撑并与和凸轮连在一起的内部齿冠相啮合，每个小行星齿轮都形成一小型齿轮泵。这些强制循环装置另外还可以包括连接至所述驱动轴的至少一个涡轮。
在一个实施变型中，强制循环装置可以包括至少一个行星齿轮，该行星齿轮与和所述驱动轴连在一起的驱动齿轮相啮合并与配设有用于载热流体循环的通道的泵主体相连，所述行星齿轮与所述泵主体相连形成齿轮泵。
在另一个实施变型中，所述强制循环装置可以同时形成所述推动装置。
在此情况下，所述强制循环装置可以包括布置在所述热台两侧并有角度地错开的两个组件，每个组件都包括小行星齿轮，所述小行星齿轮围绕所述中心轴线布置，与和发生器主体连在一起的内部齿冠相啮合，并且每个小行星齿轮都旋转连接至形成小型齿轮泵的齿轮机构(engrenage)的两个有齿的轮中的一个，所述齿轮机构被集成在由所述驱动轴驱动旋转的环内；并且所述组件包括能够让流体在有关的热交换腔或冷交换腔和活性元件之间循环的通道。
附图说明
在以下对参照附图作为非限制性实例给出的两个实施方式的说明中将更加清楚地显示本发明和其优点，在附图中：
-图1是根据本发明的具有一热台的磁热发生器的透视图，
-图2是图1中的发生器的轴向剖面图，
-图3是图1中的发生器的载热流体的强制循环装置的第一实施方式的局部透视图，
-图4是图3的放大的细部视图，
-图5是载热流体的强制循环装置的第二实施方式的局部透视图，
-图6是构成图5中的强制循环装置的一部分的泵主体的透视图，
-图7是载热流体的强制循环装置的第三实施方式的局部剖切透视图，
-图8是图7的俯视图，
-图9是图8沿IX-IX剖切线的轴向剖面图，
-图10是图1中的发生器与载热流体的强制循环装置的第四实施方式相关的轴向截面图，
-图11是图10中发生器的简化的局部剖切的透视图，
-图12是图10中发生器的局部分解图。
具体实施方式
参照图1和图2，根据本发明的磁热发生器1，下文中称作发生器1，包括至少一个热台10，该热台10包括活性元件2，该活性元件由磁热材料制成，围绕中心轴线A布置为冠状，并经受磁场变化以根据卡诺循环改变其温度并在这些活性元件2内交替地产生加热循环和冷却循环。热台10的数量根据发生器1的负载要求确定，并且特别根据所需的温度梯度确定，其中每个热台10都能够构成可嵌套的和可层叠的模块。磁场变化例如通过磁性装置3产生，该磁性装置3布置在活性元件2内部、由致动器驱动围绕中心轴线A旋转并且与布置在活性元件2的冠部外侧的场封闭设备4相连。该磁性装置3可以包括永磁体等部件，所述永磁体等部件由在其它附图中由中心轴线A表示的驱动轴30(参照图3以及图7至9)支撑，并由任意已知类型的致动器(未示出)驱动连续地或非连续地、交替地或非交替地旋转。
活性元件2可以具有不同形式，即由单个部件或者相邻部件的组装形成的冠部，具有几何截面或非几何截面，由穿孔或微穿孔的实心材料、多孔材料、粉末或块状颗粒、轴向或径向层压材料等制成，通过单种磁热材料或不同的磁热材料的组合制成，与其它的导热材料相结合或者不相结合。
该发生器1包含至少一种载热流体，该载热流体设置用于收集由活性元件2在连续的加热和冷却循环过程中产生的卡路里和负大卡，并将它们分别存储在布置于所述发生器的由封盖50，60封闭的热端和冷端的所谓热交换腔5和所谓冷交换腔6中。这些交换腔5，6用于通过例如与接头(embout)51，61连接的热交换器(未示出)与外部使用回路交换收集到的卡路里和负大卡。
更具体地，参照图2，该发生器1在热台10两侧包括用于推动载热流体流过活性元件2的装置7，该推动装置呈活塞70的形式，该活塞布置成与活性元件2相对并且由至少一个凸轮71驱动进行往复平移的活塞，凸轮71与驱动轴连在一起，凸轮自身由控制磁性装置3旋转的致动器驱动围绕中心轴线A旋转。在发生器1包括多个热台10的情况下，推动装置7可以被两个连续的热台10共用。这些推动装置7被设置在中空的主体72内，该中空的主体可以被设置为一方面组装至场封闭设备4而另一方面组装至封盖50，60，特别是通过互补的阳/阴形式的接合，如图1至3中的实例所示。明显地，任意其它的组装方式、具有或不具有外壳体均可考虑。在图示的实例中，环形圈或类似部件(未示出)被插入在每个部件之间以使得该组件密封，通过连接杆11或类似的均匀分布在发生器1的外周上的部件使该组件保持紧密。在图2示出的同一实例中，主体72由两个径向组装的半壳体组成，限定出用于活塞70的腔73以及包含载热流体的箱体74。该主体72还包括用于引导凸轮71旋转的支座75。凸轮71包括在每个活塞70内的凹槽70a内移动的例如为正弦曲线的凸轮廓型71a。
根据本发明前三个实施方式的发生器1与现有技术中的发生器的不同之处在于它包括集成的强制循环装置8a，8b，8c，该强制循环装置设置用于根据发生器1包括一个或多个热台而至少在一个或多个流体箱体74内以及活塞70的一个或多个腔73内产生载热流体的强制循环，其中述流体箱体74连通或未连通。
在所有的实施方式中，强制循环装置8a，8b，8c，180均设计集成到如图2至12中所示的实施方式的发生器的内部体积中。在此情况下，所述强制循环装置嵌接在磁性装置3的驱动轴上并由同一致动器驱动，这样就使得结构紧凑和使用单个电源。
这些强制循环装置8a，8b，8c，180允许在每个箱体74内混合载热流体，随后根据所使用装置的类型进行回路循环或交替循环，以在载热流体流过活性元件2之前和之后将该载热流体混合，即混合带有卡路里的流体部分和带有负大卡的流体部分，以平衡每个箱体74内的该流体的温度，并由活塞70推动流体流过活性元件2而持续地更新腔73内的流体，这有助于在所述活性元件2的入口和出口之间建立并保持温度梯度，并因此同时增大两个连续的热台10之间的温度梯度以及发生器1的总热功率。
在图2至图4所示的第一实施方式中，强制循环装置8a包括一组小行星齿轮80，该小行星齿轮围绕中心轴线A呈圆形布置，由主体72支撑并围绕与所述主体2连在一起的轴B自由旋转。为了清楚起见，图2中的右部被简化并且没有示出小齿轮80，在图3中只示出了一个小齿轮80并且在图4的细部中没有示出凸轮71。这些齿轮80与齿冠81相啮合，该齿冠和凸轮71连在一起并被驱动围绕中心轴线A旋转。凸轮71的旋转使得齿冠81转动，齿冠的转动驱动如小型齿轮泵一样运行的小齿轮80旋转，即由小齿轮的齿驱动包含在箱体74内的载热流体流向活塞70和活性元件2，以驱动流体进行回路循环。为此，主体72限定出用于每个小齿轮80的泵主体84，并且呈管道、凹槽、开口或类似结构的流体通道82(未示出)被设置在主体72和凸轮71内，以一旦打开其中一个腔73内的通道，就一方面使箱体74与对应的交换腔5，6连通或者如果发生器1包括几个热台10的话就与相邻的箱体74连通，而另一方面使箱体74与活塞70的腔73连通。小齿轮80优选地布置在活塞70附近。由此，被推动流过活性元件2的载热流体部分就得以持续地更新。这些强制循环装置8a还包括中心涡轮83，该中心涡轮与凸轮71连在一起并围绕中心轴线A旋转以进一步促使载热流体在箱体74内混合。为此，凸轮71在涡轮83的叶片附近包括流体通道82，该流体通道允许载热流体循环流过涡轮83和凸轮71。在该实施方式中，构成凸轮71的部件结合了几种功能：驱动活塞70往复平移以推动载热流体流过活性元件2；驱动小齿轮80以形成强制载热流体循环流向活塞70和活性元件2的小型齿轮泵；以及在箱体74内强制混合载热流体。明显地并且根据实施变型，凸轮71可以设有或不设有涡轮83，以及可以设有或不设有小齿轮80。
在图5和图6所示的第二实施方式中，强制循环装置8b包括至少一个行星齿轮84，并且在该所示的实例中包括三个行星齿轮84，该数量并非限制性的，所述行星齿轮围绕中心轴线A以相等或不等的距离呈圆形布置，所述行星齿轮由主体72支撑并围绕与所述主体72连在一起的轴C自由旋转。这些齿轮84与驱动齿轮85(在图5中用参考线表示)相啮合，该驱动齿轮85和凸轮71连在一起并被驱动围绕中心轴线A旋转。凸轮71的旋转使驱动齿轮85转动，该驱动齿轮的转动驱动如小型齿轮泵一样运行的行星齿轮84旋转，即通过行星齿轮的齿驱动包含在箱体74内的载热流体流向活塞70和活性元件2，以驱动流体进行回路循环。为此，这些齿轮84与安装在主体72内的固定的泵主体86相关联，该泵主体86配设有用于使流体围绕每个齿轮84循环的通道87，参照先前的实例所述通道87与设置在凸轮71和主体72内的流体通道82连通。该泵主体86还包括流体通道88，使得载热流体能够循环流过泵主体86和凸轮71.在该实施方式中，驱动齿轮85还扮演了先前的实例中的涡轮83的角色，即驱动齿轮促进载热流体在箱体74内混合。
在图7至图9所示的第三实施方式中，强制循环装置8c包括中心活塞90，该中心活塞经受往复平移运动以如活塞泵一样运行并生成流体的交替循环。该中心活塞90被安装为在磁性装置3的驱动轴30上自由平移和旋转。该驱动轴30支撑与一个或多个齿轮92相啮合的有齿的轮91，所述齿轮围绕中心轴线A以相等或不等的距离布置为圆，由主体72支撑并围绕与所述主体72连在一起的轴D自由旋转。这些齿轮92与内部齿冠93相啮合，该内部齿冠93驱动凸轮94围绕中心轴线A旋转。凸轮94具有与先前实例中的凸轮71相同的功能并包括相同类型的凸轮廓型71a，该相同类型的凸轮廓型在活塞70的凹槽70a内移动以驱使所述活塞往复平移并在活性元件2内推动载热流体。该凸轮94同时通过沿设置在中心活塞90的外周中的凸轮路径96移动的从动指95来确保中心活塞90往复平移移动，该凸轮路径96具有大致正弦曲线的形状(参见图9)。中心活塞90的轴向行程在一侧被主体72限制而在另一侧则被有齿的轮91限制。如在先前实例中一样，流体通道82被设置在主体72内以允许载热流体在一个或多个箱体74和活塞70的腔73之间循环。
在图10至图12所示的第四实施方式中，强制循环装置180同时形成推动装置。在该实施方式中，强制循环装置由布置在热台10两侧的两个组件181构成。图11和图12均表示单个组件181。另一个组件181是相同的并且相对于中心轴线A以45°的角度错开(décaler)。示出的组件181包括四个齿轮机构185，所述齿轮机构围绕所述中心轴线A布置并集成在由驱动轴30驱动旋转的支撑件186内。每个齿轮机构185都包括两个有齿的轮184和184′，并且所述有齿的轮中的一个184按在旋转方面固定的方式连接至与内部齿冠183(其齿在图中未示出)相啮合的行星齿轮182。该内部齿冠183与发生器1的主体72连在一起以使支撑件186的旋转驱动与固定的齿冠183的齿相啮合的行星齿轮182旋转，并同时使有齿的轮184旋转并由此使与每个齿轮机构185相连的有齿的轮184′旋转。因此，每个齿轮机构都形成驱动流体流向热台10的泵。
为此，载热流体通道被设置在组件181内。这些载热流体通道特别包括：用于每个齿轮机构185的混合腔187，所述混合腔187在支撑件186的厚度内制成并与对应的齿轮机构185和有关的热腔5或冷腔6流体连通；以及缺口188，该缺口188在齿轮机构185之间在支撑件186的径向表面处制成(参见图11)。支撑件186被布置为以45°的角度错开以使得在支撑件围绕中心轴线A旋转时，每个活性元件2都与一单个的齿轮机构185相对。由此，由位于热交换腔5处的齿轮机构185推动的载热流体流过活性元件2通向至位于冷交换腔6一侧的缺口188内并到达冷交换腔6，在冷交换腔载热流体与已经存在于该冷交换腔6内的流体混合。该载热流体的一部分随后被齿轮机构185吸入其混合腔187内并向后推动流向活性元件2，流向热交换腔5。在该第四实施变型中，组件181的角度错开允许避免使用活塞，通过支撑件186旋转时在活性元件2前方移动的齿轮机构185，同时地推动和混合载热流体。
在发生器1包括活塞70时，发生器1的运行包括：用同一致动器(未示出)驱动磁性装置3旋转以在活性元件2内生成加热循环和冷却循环，凸轮71的旋转用于移动活塞70往复平移以推动载热流体流过所述活性元件2，装置8a-8c的旋转用于将载热流体在箱体74内混合并使载热流体强制循环，以将其在每个热台10之间的温度均匀化。在发生器1不包括活塞时，发生器1的操作包括：用同一致动器(未示出)驱动磁性装置3旋转以在活性元件2内生成加热循环和冷却循环，并且角度错开的支撑件186的旋转用于驱动齿轮机构185旋转以推动载热流体流过所述活性元件2，以将载热流体在混合腔187内混合，并使得载热流体强制循环，以将载热流体在每个热台10之间的温度均匀化。
由此，多个热台10的层叠就允许接连地增加热交换腔5和冷交换腔6之间的温度梯度，所述热交换腔和冷交换腔布置在端部并且设计用以通过传导或者通过热交换器(未示出)使收集的卡路里和负大卡能够被传输至外部使用回路(加热、空气调节、温度调节等)。
使用的载热流体优选是液体。选择载热流体的适用于所需温度范围的化学组分以获得最大程度的热交换。因此该流体可以是液体、气体或双相的。如果是液体，那么使用例如纯水用于零上温度，以及添加有防冻剂的水例如乙二醇基产品或盐水用于零下温度。
工业应用可能性
组成根据本发明的发生器1的所有部件都可以根据可重复生产的工业过程大量地生产。除活性元件2和磁性装置3，4以外的所有部件都可以由绝热材料经铸造、注塑等制成。热台10可以通过任意合适的密封装置以及任何已知的适当固定装置例如连接杆11(参见图1)进行组装。可以被标准化的由紧凑和可层叠的热台10制造发生器1，使得能够满足以下要求：很宽的应用范围，既包括工业应用也包括家庭应用，有竞争力的成本，小的体积，提供目前对于该类型发生器来说在最高的热值性能。
对于本领域技术人员来说，本发明并不局限于所描述的实施例而是可以扩展至各种显而易见的修改和变型，同时不会超出由所附权利要求限定的保护范围。

Claims (8)

1.磁热发生器(1)，其包括：配设有活性元件(2)的至少一个热台(10)，所述活性元件由磁热材料制成，围绕中心轴线(A)布置；由驱动轴(30)支撑的磁性装置(3)，该磁性装置由致动器驱动围绕所述中心轴线(A)旋转，并且被设置用于使所述活性元件(2)经受磁场变化；包含在所述发生器(1)内的至少一种载热流体，该载热流体被推动装置(7，180)推动流过所述活性元件(2)；至少一个所谓的冷交换腔(6)和一个所谓的热交换腔(5)，用于分别连接至外部使用回路，所述发生器包括用于强制循环载热流体的装置(8a，8b，8c，180)，该强制循环装置被连接至所述驱动轴(30)以被与所述磁性装置(3)的致动器相同的致动器驱动，
其特征在于，所述强制循环装置(8a，8b，8c，180)被集成到所述发生器(1)的内部体积中。
2.如权利要求1所述的发生器，其中，所述推动装置(7)包括至少一个活塞(70)，所述活塞设置用于推动所述载热流体流过所述活性元件(2)，并且由与所述驱动轴(30)旋转连接的至少一个凸轮(94)驱动往复平移，其特征在于，所述强制循环装置(8c)包括至少一个活塞泵，所述活塞泵配设有至少一个中心活塞(94)，所述中心活塞由所述驱动轴(30)自由支撑并被所述凸轮(94)驱动往复平移。
3.如权利要求2所述的发生器，其特征在于，所述凸轮(94)包括通过行星齿轮系(91，92)与所述驱动轴(30)旋转连接的内部齿冠(93)。
4.如权利要求1所述的发生器，其特征在于，所述强制循环装置(8b)包括至少一个行星齿轮(84)，所述行星齿轮与和所述驱动轴(30)连在一起的驱动齿轮(85)相啮合并与配设有用于流体循环的通道(87)的泵主体(86)相连，所述行星齿轮(84)与所述泵主体(86)相连形成齿轮泵。
5.如权利要求1所述的发生器，其中，所述推动装置(7)包括至少一个活塞(70)，所述活塞设置用于推动所述载热流体流过所述活性元件(2)并且由与所述驱动轴(30)旋转连接的至少一个凸轮(71)驱动往复平移，其特征在于，所述强制循环装置(8a)包括小行星齿轮(80)和流体通道(82)，所述小行星齿轮围绕所述中心轴线(A)布置、由所述发生器(1)的主体(72)支撑并与和所述凸轮(71)连在一起的内部齿冠(81)相啮合，每个小行星齿轮(80)都形成一小型齿轮泵。
6.如权利要求5所述的发生器，其特征在于，所述强制循环装置(8a)还包括连接至所述驱动轴(30)的至少一个涡轮(83)。
7.如权利要求1所述的发生器，其特征在于，所述强制循环装置(180)同时形成所述推动装置。
8.如权利要求7所述的发生器，其特征在于，所述强制循环装置(180)包括布置在所述热台(10)两侧并有角度地错开的两个组件(181)，每个组件(181)都包括围绕所述中心轴线(A)布置的行星齿轮(182)，所述行星齿轮与和所述发生器(1)的主体(72)连在一起的内部齿冠(183)相啮合，并且每个行星齿轮都旋转连接至形成小型齿轮泵的齿轮机构(185)的两个有齿的轮(184，184′)中的一个，所述齿轮机构(185)被集成在由所述驱动轴(20)旋转驱动的支撑件(186)内；并且，所述组件(181)包括使所述载热流体在有关的热交换腔(5)或冷交换腔(6)和所述活性元件(2)之间循环的通道。
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