CN102197502B - 磁热热发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热发生器(1)，包括：至少一个热模块(1’)，其包括布置至少两个相邻的磁热元件(2)、与载热流体的流通部件(4)相关联并使所述相邻的磁热元件(2)彼此间流体连通的分配公共室(3)、和两个还与流通部件(7)相关联并且每个与位于所述热模块的(1’)的热端(9)和冷端的两个磁热元件(2)流体连通的端部室(5、6)；和磁装置，其用于使每个磁热元件(2)经受可变磁场，所述热发生器(1)的特征在于，与所述分配公共室(3)相关联的所述流通部件(4)使载热流体同时穿过所述两个相邻的磁热元件(2)朝不同的流动方向移动。

Description

磁热热发生器
技术领域
本发明涉及包括至少一个热模块的热发生器，所述热模块包括布置用于被载热流体穿过的至少两个相邻的磁热元件、与载热流体的流通部件相关联并使所述相邻的磁热元件彼此间流体连通的分配公共室、和两个还与流通部件相关联并分别与位于所述热模块的称为热端和冷端的端部的磁热元件流体连通的端部室；和磁装置，其用于使每个磁热元件经受可变磁场，从而在每个磁热元件中交替地产生加热周期和冷却周期，通过所述流通部件与磁场变化同步地实现载热流体穿过所述磁热元件的流动。
背景技术
超过二十来年来已知道磁致冷技术，并且了解这种技术带来的在生态和可持续发展方面的优点。对它的有效热功率和其效率方面的局限性也有所了解。自此，在该领域中进行的研究全都趋向于通过调整不同参数如磁化功率、磁热元件的性能、载热流体与磁热元件之间的热交换面积、热交换器的性能等，来提高这种发生器的性能。
磁热材料的选择是决定性的，直接影响磁热热发生器的性能。为了提高这些性能，一种解决办案是结合具有不同的居里温度的多种磁热材料，以增加在组合件的端部之间的温度梯度。
因此已知这样的热发生器：其包括至少一个热模块M和载热流体的流通部件，热模块如在图1A和图1B中所示的并具有并排布置并排成直线的磁热材料MC，而流通部件如活塞P，用于驱动载热流体与磁场变化同步地、按往复运动在磁热材料MC的组合件的冷端F和热端C之间、于磁热材料的两侧穿过所有磁热材料MC。如在图1A和图1B中所示，这些活塞P位于磁热材料MC的组合件的两侧，并在一个方向上、随后在另一个方向上交替地移动，图1A和图1B表示在其两个极端位置的活塞。
从图1A和图1B可以看出，或者，当磁热材料承受加热周期时，流体在一方向上朝热端C的方向(参见图1A，用虚线箭头表示载热流体的移动方向)移动，或者，当磁热材料承受冷却周期时，流体则在另一方向上朝冷端F的方向(参见图1B，用实线箭头表示载热流体的移动方向)移动。
该热模块M具有由以下事实造成的缺点：为达到温度梯度，需要使载热流体流经过所有材料。使用多个磁热元件MC导致载热流体需通过的材料长度增加。因此，为了不减少周期数(磁热元件的一次加热和一次冷却就确定一个周期)，就必须提高载热流体的速度。而加大速度会导致压力增大，这就加重了压头损失并减弱了载热流体与磁热元件之间的热交换的效率，这导致降低了磁热热发生器的热效率。
还知道的是，为增大磁热热发生器的热功率，一种可能性在于增加循环周期数。但这因此就引起速度增大，并导致上述的缺点。
包括如图1A和图1B中所示的热模块M的热发生器，由于使用的多个磁热材料而需要较长的预先运行时间以在两个端部之间达到可用的温度梯度。
发明内容
本发明旨在提供一种容易实施的磁热热发生器以克服这些缺点，与已知的热发生器相比，其热效率得到改善，而这利用了同样的磁热材料数量或长度。
为此，本发明涉及在前言中所指类型的一种热发生器，其特征在于，与所述分配公共室相关联的所述流通部件使载热流体同时通过相邻两个磁热元件在不同的流动方向上移动。
磁装置优选能够使所述相邻磁热元件恒定地处于两个不同的周期中，而且与所述公共室相关联的所述流通部件能够使载热流体同时地在向着热端的方向穿过经受加热周期的磁热元件移动、和向着所述热模块冷端的方向穿过处于冷却周期的磁热元件移动。
所述热模块另外可包括至少三个磁热元件，与所述公共室相关联的所述流通部件可使载热流体交替地朝相邻两个磁热元件的方向、然后在相反方向上移动到所述相邻热模块的出口，并且反之亦然，相继的两个分配公共室的两个流通部件可以恒定地使载热流体向着两个相反的方向移动，而且与所述端部室相关联的流通部件可使载热流体向着与端部室相邻的公共室的方向相反的方向移动。
该热发生器优选可包括偶数个磁热元件。按照这样的方式，在任何时刻，每个热模块具有的在加热周期的磁热元件与在冷却周期的磁热元件同样多。
为了增大热发生器的运行温度范围(比如在-25℃和+65℃之间)，每个磁热元件均可具有不同的居里温度，向着所述热模块的热端方向按其递增的居里温度以相邻方式布置这些磁热元件。
在该构型中，每个磁热元件还可以包括多种磁热材料，所述多种磁热材料在所述热模块热端的方向上按其递增的居里温度的方式设置。
按照一种特征性的方式，由与端部室相关联的流通部件移动的载热流体量，可以相当于由与公共室相关联的流通部件移动的载热流体量的一半。
所述流通部件优选可以是安置于公共室和端部室中的活塞，活塞的仅一个端部作用于载热流体。所谓端部，应该理解为与载热流体相接触的活塞工作表面或工作头部。当然，各种其它形式的流通部件也是可以设想的。
在第一实施方式中，所述热模块可具有线状结构，其中所述磁热元件排列成直线，并且可通过安装在自转轴上的相应控制凸轮来实现所述活塞的操控。
在该构型中，所述热发生器可由四个热模块构成，所述控制凸轮可包括彼此呈90°错移布置的轮瓣，而且所述热模块可以径向地位于所述轴的周围，使得每个轮瓣致动所述四个热模块中的每一个的活塞。
在第二实施方式中，所述热模块可具有线状结构，其中所述磁热元件排列成直线，活塞的操控可以通过操控台架来进行，操控台架沿着所述热模块按照往复平移运动移动，并且操控台架包括导槽，每个活塞的相应连接件在导槽中被引导。
导槽可呈锯齿形状，活塞可以基本与操控台架相对地布置。
另外，所述热发生器可包括按照阶梯结构一个在另一个之上布置的多个热模块。
本发明还可以设想，所述热发生器可包括至少两个热模块，并且一方面，热的端部室可以相互间流体连通，另一方面，冷的端部室可以相互间流体连通。
再有，按照本发明的热发生器可包括至少两个具有同样数量磁热元件的热模块，所述热模块的公共室可以两个两个地相互间流体连通。
附图说明
参照附图，在下面对作为非限定例子给出的实施方式的叙述中，本发明及其优点将更加清楚地体现出来，附图中：
-图1A和图1B是现有技术的热模块的示意性视图；
-图2A和图2B是分别在两种不同状态中的四个磁热元件所构成的热模块的示意性视图，示出载热流体通过这些磁热元件的移动；
-图3是按照本发明的热发生器的第一实施方式的透视图；
-图4是图3的细部A的透明立视图；和
-图5是按照本发明的热发生器的第二实施方式的透视图。
具体实施方式
在所示的实施例中，相同零件或相同部分带有相同的参考数字。
在图3和图4中表示的热发生器1是按照本发明的第一实施方式实现的。它包括两个热模块1’，这两个热模块每个均包括排成直线的一些磁热元件2。公共室3包括活塞4，所述活塞形成载热流体的强制流通部件，所述公共室每次均位于两个相邻的磁热元件2之间。另外，所述热模块1’还包括两个端部室5和6，这两个端部室位于所述热模块1’的热端9和冷端11，并且每个均还包括形成流通部件的活塞7。
每个磁热元件2都适于由活塞4、7驱动的载热流体流经过，并且借助于产生交替的加热周期和冷却周期的磁装置(图中未显示)而承受磁场变化。活塞4、7的移动与磁场变化同步，使得载热流体穿过每个承受加热周期的磁热元件2朝热端9的方向移动(虚线箭头)，和使得载热流体穿过每个经受冷却周期的磁热元件2朝冷端11的方向移动(实线箭头)。由于活塞4、7在公共室3和端部室5、6中的布置以及由此产生的载热流体的特殊分布，使得该移动是可能的。因此，在公共室3中的活塞4每个均将载热流体分配到两个相邻的磁热元件2中。在图3和图4中，活塞4、7垂直于磁热元件2的排列直线，使得所述活塞4、7的仅一个端部保证载热流体的移动。当然，可考虑另一种构型，条件是在公共室3中的活塞4的只一个端部与载热流体接触并保证载热流体移动到两个磁热元件2中。
如上所述的载热流体的移动允许在热模块的热端9和冷端11之间产生温度梯度，并且在与外部回路或外部应用进行热能交换或热能提取时保持该温度梯度。实际上，按照本发明的热发生器用于与一个或多个外部使用回路(加热、空调、温度调节等)进行热能交换，该热发生器借助至少一个端部室5、6、必要时借助换热器与所述外部使用回路相连接。
另外，这可应用于两个图示的实施方式，驱动载热流体自公共室3穿过两个相邻的磁热元件2、并且同时在这两个磁热元件2中的每一个内在不同的流动方向上流动，这与已知热发生器相比具有许多优点，在已知热发生器中，流体在第一方向上从第一个磁热元件到最后的磁热元件同时穿过所有的磁热元件MC，然后在与第一方向相反的方向上穿过同样的磁热元件MC(参见图1A和图1B)。
从图2A和图2B体现出的第一个优点在于这样的事实：压头损失被分散并减小，被活塞7驱动的载热流体同时只通过一个磁热元件2而被活塞4驱动的载热流体同时只穿过两个磁热元件，而不是穿过构成热模块1’、10’的所有磁热元件2。为此，参照图2A和图2B，描划在磁热元件2下的箭头示出载热流体的移动方向，虚线箭头对应于向热端9的移动，而实线箭头表示向冷端11的移动。
当把在图1A和图1B中所示的已知系统与按照本发明的系统进行比较时就显示出第二个优点，在已知系统和按照本发明的系统中，磁热材料具有相同的长度。可发现，对于穿过磁热元件MC、2的载热流体的相同速度，在本发明的热发生器1、10中，周期频率要乘以四。由此，这种热发生器1、10的热功率也以同样的比例增大。
作为示意性例子，对于为100mm/s(毫米/秒)的载热流体速度和每个磁热元件为100mm的长度：
-为通过在图1A和图1B中所示的已知系统的所有磁热元件MC，所需的时间为(4×100)÷100＝4s，这相当于为0.25Hz的频率。
-而为通过按照本发明的热发生器1、10的所有磁热元件2，所需时间为(1×100)÷100＝1s，这相当于为1Hz的频率。
再有，仍通过将按照本发明的热发生器1、10与已知系统相比较，可看出对于同样的周期频率(去磁和磁化)，在按照本发明的热发生器1、10中，载热流体的移动速度要除以4。这就导致在按照本发明的热发生器中压头损失得以减小，这相当于延长换热时间，因此就提高该换热的热功率。
作为示意性例子，对于对应为1秒的加热(或磁化)周期和为1秒的冷却(或去磁)周期的0.5Hz的频率、以及每个磁热元件为100mm的长度：
-为在1秒内穿过在图1A和图1B中所示的已知系统的所有磁热元件MC，需要载热流体速度为(4×0.100)÷1＝0.4m/s，
-而为穿过按照本发明的热发生器1、10的所有磁热元件2，在每个公共室3处被驱动的载热流体的速度为(1×0.100)÷1＝0.1m/s。
在图3中没有显示出磁热元件2，而这为的是简化的缘故。这些磁热元件包括贯通的流体通道，这些通道可以由多孔材料的孔隙、在实心块中机加工出的或通过例如一些叠置的带有沟槽的板组装得到的微型管道或细微管道构成。
优选地，为加大热端9和冷端11之间的温度梯度，所述磁热元件2按照它们递增的居里温度一个相对于另一个布置，具有最高居里温度的磁热元件2布置在所涉及的热模块1’的热端9处。
另外，可通过多种不同磁热材料的组装来实施每个磁热元件2，这些磁热材料同样按照它们的递增的居里温度布置。
如从图3中所看到的，集成在公共室3中的活塞4由安装在旋转轴14上的控制凸轮13操控，所述凸轮包括一个相对于另一个呈90°偏移布置的轮瓣15。根据轴14的转角，轮瓣15推动或不推动相应活塞4、7的杆，这就决定了每个活塞4、7的移动方向。
图4示出活塞4、7能够处于的极端位置。分别位于元件1’的冷端11处的端部室5中与位于公共室3(在图4的右面)中的活塞7和4都在其缩进位置，从而允许载热流体充满集成有这些活塞的室中。至于中央活塞4，它则位于流体推动位置，在该推动位置，容纳在相应公共室3中的流体朝与该公共室3相邻的两个磁热元件2的方向、但在两个相反的方向上被推动。载热流体按图4上所画的曲线箭头移动。
从该图清楚地看出，与端部室5相关联的活塞7所移动的载热流体量，相当于被相邻公共室3中的活塞4移动的载热流体量的一半。
另外，特别是当在一个热模块中集成有偶数个磁热元件2时，公共室3就形成能够使载热流体温度平均、并因此缩短在每个热模块1、10’的热端9和冷端11之间达到温度梯度的时间的中间槽。
图3和图4的热发生器1包括两个热模块1’。但是，该数目并非是限制性的，根据可用空间和所需热功率，该数目可以更小或者更大。事实上，该热发生器2还能够包括四个热模块1’，这四个热模块呈星形分布在轴14的周围且其活塞4、7被凸轮13致动。
在图5中显示的热发生器10与前面的不同之处在于活塞4、7的操控。其是通过操控台架16实现的，操控台架沿着所涉及的热模块10’沿箭头F按往复运动移动。操控台架16包括呈锯齿状的导槽17，与活塞4、7相连的连接件18就在所述导槽中移动。
尽管在图5中所示的热发生器10包括两个叠置的热模块10’，但是按照本发明的热发生器10并不局限于该热模块10’的数目，也不局限于它们以叠置方式的布置。
另外，虽然在附图上没有表示出，但在包括多个热模块的按照本发明的热发生器中，还是可以设想的是：一方面，热的端部室5相互间流体连通；另一方面，冷的端部室6相互间同样流体连通。特别可以设想的是，这些热的端部室5重合，只形成唯一的同一个室。对于冷的端部室6同样如此。
这样的构型允许不同的热模块彼此间热连接，并且特别地能够方便与外界应用进行热交换。其还能够使不同热模块的热功率加合或累积。
在一个补充的变型中，可以设想按照本发明的热发生器的不同热模块的公共室3两个两个地相互间流体连通。为此，这些热模块应包括同样数量的磁热元件2。
这种构型的优点在于这样的事实：公共室3的温度被平滑化或平均化，以达到热模块运行的规律性。
工业应用的可能性：
由本叙述中能够清楚地看出，本发明允许达到既定目的，即提供结构简单且效率得到改善的热发生器1、10。
这样的热发生器1、10在工业上和在家用中同样都能在加热、空调、温控、冷却或其它领域找到应用，且这以颇具竞争性的成本且空间需求较小。
另外，组成热发生器1、10的所有零件都能够按照可重现的工业工艺制造。
本发明并不局限于所述的实施例，而是在保持在所附权利要求所定义的保护范围内，扩展到对于本领域技术人员来说显而易见的任何改变和变型。

Claims (15)

1.热发生器（1、10），其包括：至少一个热模块（1’、10’），所述热模块包括布置用于被载热流体穿过的至少两个相邻的磁热元件（2）、与载热流体的流通部件相关联并使所述相邻的磁热元件（2）彼此间流体连通的分配公共室（3）、和两个也与流通部件相关联并分别与位于所述热模块（1’、10’）的称为热端（9）和冷端（11）的端部的磁热元件（2）流体连通的端部室（5、6）；和磁装置，其用于使每个磁热元件（2）经受可变磁场，从而在每个磁热元件（2）中交替地产生加热周期和冷却周期，通过所述的与分配公共室相关联的流通部件和与端部室相关联的流通部件与磁场变化同步地实现载热流体穿过所述磁热元件（2）的流动， 
所述热发生器（1、10）的特征在于，与所述分配公共室（3）相关联的所述流通部件使载热流体同时穿过所述两个相邻的磁热元件（2）朝不同的流动方向移动。 
2.按照权利要求1所述的热发生器，其特征在于，所述磁装置使所述相邻的磁热元件（2）恒定地经历两个不同的周期；并且，与所述分配公共室（3）相关联的所述流通部件使载热流体同时地穿过经受加热周期的磁热元件（2）朝所述热模块的热端（9）的方向移动和穿过经受冷却周期的磁热元件（2）朝所述热模块（1’、10’）的冷端（11）的方向移动。 
3.按照权利要求1所述的热发生器，其特征在于，所述热模块（1’、10’）包括至少三个磁热元件（2）；与所述分配公共室（3）相关联的所述流通部件使载热流体交替地朝所述两个相邻的磁热元件（2）的方向、继而在相反的方向上移动到相邻的热模块（2）的出口，并且反之亦然；两个相继的分配公共室（3）的两个流通部件恒定地使载热流体在两个相反的方向上移动；并且，与所述端部室（5、6）相关联的所述流通部件使载热流体朝与相邻于所述端部室的所述分配公共室（3）的方向相反的方向移动。 
4.按照权利要求3所述的热发生器，其特征在于，所述热发生器包括偶数个磁热元件（2）。 
5.按照上述权利要求中任一项所述的热发生器，其特征在于，所述磁热元件（2）每个都具有不同的居里温度，并且这些磁热元件朝所述热模块的热端（9）的方向按照其递增的居里温度以相邻的方式布置。 
6.按照权利要求3或4所述的热发生器，其特征在于，所述磁热元件（2）每个都包括朝所述热模块的热端（9）的方向按照递增的居里温度设置的多种磁热材料。 
7.按照权利要求1所述的热发生器，其特征在于，由与端部室（5、6）相关联的流通部件移动的载热流体量相当于由与分配公共室（3）相关联的流通部件移动的载热流体量的一半。 
8.按照权利要求1所述的热发生器，其特征在于，所述的与分配公共室相关联的流通部件和与端部室相关联的流通部件是集成在所述分配公共室（3）和所述端部室（5、6）中的活塞（4、7），所述活塞的仅一个端部（12）作用于载热流体。 
9.按照权利要求8所述的热发生器，其特征在于，所述热模块具有线状结构，在该线状结构中，所述磁热元件（2）排成直线；并且，所述活塞（4、7）的操控由安装在旋转轴（14）上的相应的控制凸轮（13）进行。 
10.按照权利要求9所述的热发生器，其特征在于，所述热发生器由四个热模块构成；所述控制凸轮（13）包括彼此呈90°错置的轮瓣（15）；并且，所述热模块径向地位于所述旋转轴（14）的周围，使得每个轮瓣（15）致动所述四个热模块中的每一个的活塞（4、7）。 
11.按照权利要求8所述的热发生器，其特征在于，所述热模块具有线状结构，在该线状结构中，所述磁热元件（2）排成直线；并且，所述活塞（4、7）的操控通过操控台架（16）进行，所述操控台架沿着所述热模块按照往复平移运动移动并具有导槽（17），每个活塞（4、7）的相应的连接件（18）在所述导槽中被引导。 
12.按照权利要求11所述的热发生器，其特征在于，所述导槽（17）呈锯齿形状；并且，所述活塞（4、7）基本相对着所述操控台架（16）布置。 
13.按照权利要求11或12所述的热发生器，其特征在于，所述热发生器包括按阶梯结构一个在另一个上方地布置的多个热模块。 
14.按照权利要求1所述的热发生器，其特征在于，所述热发生器包 括至少两个热模块（1’、10’）；并且，一方面，热的端部室相互间流体连通，并且另一方面，冷的端部室相互间流体连通。 
15.按照权利要求1所述的热发生器，其特征在于，所述热发生器包括至少两个具有同样数量的磁热元件（2）的热模块（1’、10’）；并且，所述热模块（1’、10’）的分配公共室（3）两个两个地相互间流体连通。 
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