CN102317709B - 磁热热发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁热热发生器(1)，其包括：至少两个磁热元件(2、12)，所述磁热元件相继地设置并且形成至少两个相继的热级，所述磁热元件被分开的载热流体穿过，并且每个所述磁热元件包括两个相对的端部(3和4、13和14)；一个磁装置，所述磁装置用于使每个所述磁热元件(2、12)经受变化磁场，在每个所述磁热元件(2、12)中交替产生加热周期和冷却周期；一个载热流体的驱动部件(8)，所述载热流体的驱动部件驱动所述载热流体按与所述磁场的变化同步的方式、交替地向一端的方向和向相对的端部的方向并且相反地向所述相对的端部的方向和向所述端部的方向穿过所述磁热元件。所述磁热热发生器(1)的特征在于，所述磁热元件(2、12)在它们的相继端部(4、13)处通过热交换部件(5)两两地热连接，所述热交换部件分别与所述第一磁热元件(2)中流动的载热流体和与在所述第二磁热元件(12)中流动的载热流体接触。

Description

磁热热发生器

技术领域

本发明涉及磁热热发生器，该磁热热发生器包括：至少两个磁热元件，所述磁热元件相继地设置并且形成至少两个相继的热级，所述磁热元件被分开的载热流体穿过，并且每个所述磁热元件包括两个相对的端部；一个磁装置，所述磁装置用于使每个所述磁热元件经受变化磁场，在每个所述磁热元件中交替地产生加热周期和冷却周期；一个载热流体的驱动部件，所述载热流体的驱动部件驱动所述载热流体按与所述磁场的变化同步的方式、交替地向一端部的方向和向相对的端部的方向并相反地向所述相对的端部的方向和向所述端部的方向穿过所述磁热元件。

背景技术

二十多年来，冷磁技术已为人所知，并且知道它在生态和可持续发展方面带来的优点。也知道其有效热功率和其效率方面的有限性。从那时起，在该领域的研究都在于通过在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交换面积、热交换器的性能等上下功夫来改善这种发生器的性能。

为了提高磁热热发生器的功率，已经知道将几个分级结构形式的磁热元件加入到发生器中，以使得从磁热元件出来的流体与进入下一磁热的流体混合，以实现热交换，并增加温度梯度。在这种构型中，互相之间流体连接的磁热元件一直处于相同的磁状态，即两者都经受一磁场，或者两者都在该磁场外，并且交替如此。

已知具有几个热模块的分级结构的热发生器，每个模块包括一个或几个磁热元件，并且其第一热模块的输出热能传递到第二热模块的入口，并如此进行。此类发生器具有一定数量的缺点。

缺点之一在于相继热模块的入口和出口之间的热能传递。例如，该热能传递通过包含在位于所述模块的相应端部的室的载热流体的混合得到。然而，这种混合需要流体的移动，并必定增加发生器的复杂性以及它的成本。

克服该缺点的方法在于使用同一驱动部件，该驱动部件用于使载热流体在涉及的室内移动。但是，这种构型导致与载热流体在热模块之间的传递有关的固有的缺点：必须制成可以使该流体交换的通道，这就增加了热发生器的复杂性，不利于载热流体的适当混合，不能实现一磁热元件的输出流体与下一热模块的输入流体之间的最佳热交换，并且有助于增加负荷损失。

另外，使用已知的分级发生器导致附加的困难，尤其是在使用的热模块用于在不同温度范围运行的情况下。实际上，在包括两级的分级结构的情况下，例如，一级的磁热元件可以在负的温度范围运行，第二级的磁热元件可以在正的温度范围运行。因此必须使用适当的载热流体，它的交换系数和粘度在两个温度范围内都是最佳的。然而，现在市场上可自由使用的载热流体不具有在大的温度范围内的最佳特征，这需要进行折中选择，并且不能最大程度地利用发生器的热容量。

发明内容

本发明的目的是通过提出对上述问题的解决办法来克服这些缺点。为此，实现根据本发明的磁热热发生器，以使得优化分级结构产生热功率的能力和分级结构的两个相继的热模块或两个相继的磁热元件之间的热传递。

为此，本发明涉及前面指出的磁热热发生器，其特征在于，所述磁热元件在它们的相继端部处通过热交换部件两两地热连接，所述热交换部件分别地与所述第一磁热元件中流动的载热流体和与在所述第二磁热元件中流动的载热流体接触。

有利的是，所述热交换部件可以包括两个传递区，所述两个传递区互相热连接，形成一热桥。因此这些传递区可以被每个所述磁热元件的载热流体分别地穿过。

优选地，所述传递区可以按与两个相继的磁热元件的相应端部相邻的方式被设置。

在该构型中，传递区可以由导热材料制成，例如铝或铜或它们的合金，并且可以配设有用于载热流体的穿过通道。作为变型，所述传递区也可以是多孔隙的，以使得载热流体可以穿过它的孔隙。

在第一变型中，所述热交换部件的两个传递区可以由导热材料制成的主体互相连接。

在第二变型中，所述热交换部件的两个传递区可以通过至少一热管（caloduc）互相连接。

载热流体的驱动部件可以包括：一个中心致动器，所述中心致动器与所述磁热元件的相继端部流体连接；和两个端部致动器，每个端部致动器与所述磁热元件的自由端部之一相对地安装。

另外，为了改善两个载热流体之间的热交换，中心致动器可以由导热材料制成，并且与所述热交换部件接触。

作为变型，所述中心致动器可以是由导热材料制成的双作用活塞，并且所述中心致动器的衬套由热绝缘材料制成。在这种情况下，所述中心致动器可以构成所述热交换部件。

载热流体的驱动部件也可包括：两个中心致动器，每个中心致动器与所述磁热元件的相继端部之一流体连接；和两个端部致动器，每个端部致动器与所述磁热元件的自由端部之一流体连接。

有利的是，所述移动部件可以是在包括单作用活塞和双作用活塞的组中选择的活塞。

另外，所述磁热热发生器可以包括一个磁装置，所述磁装置能够使相继的磁热元件或者一直位于两个不同周期中或者一直位于相同周期中。当然，周期包括加热周期或冷却周期。

最后，为了有效利用每个磁热元件的热容量，穿过所述磁热元件的载热流体可以具有不同的化学组分和/或热特性。当然，该组分适应与每个磁热元件，尤其是集中在它的居里温度上的最佳运行温度。

附图说明

在参考附图、作为非限制实例给出的几个实施例的以下描述中，本发明和其优点将更好地显示出来，在附图中：

－图1A和1B是根据本发明的热发生器第一实施方式的示意图；

－图2A和2B是与图1A和1B类似的图，示出根据本发明的热发生器的第二实施方式；

－图3A和3B是与图1A和1B类似的图，示出根据本发明的热发生器的第三实施方式；

－图4A和4B示出图1A和1B热发生器的一实施变型；

－图5A和5B示出另一实施方式。

具体实施方式

在所示的实施例中，等同的零件或部分写有相同的参考数字。

每个热发生器1、10、20、30、40包括两个磁热元件2、12，每个磁热元件包括一种磁热材料。本发明不限于此类构型，并且延伸到两个以上的磁热元件2、12，每个磁热元件包括一种或几种磁热材料。实际上，每个磁热元件2、12可以由包括不同居里温度并产生很大的磁热效应的几种磁热材料构成，以使得几种磁热材料并列可以在热发生器1、10、20、30、40的热端部与冷端部之间制成高温度梯度，并因此得到甚至更高的效率。这种构型还可以覆盖与所述发生器的运行和使用范围相对应的很大的温度范围。

每个磁热元件2和12包括两个相对端部，分别为3和4，以及13和14。载热流体根据磁场变化向每个磁热元件2、12的所述相对端3、4和13、14的一个或另一个的方向流动。一种专门的载热流体穿过每个磁热元件2、12。磁热元件2、12的流体线路被分开，以使得载热流体永远不混合。

使用的载热流体的组分可以不同或相同。它们的组分将根据用于制成磁热元件2、12的磁热材料和它们的运行温度范围确定。使载热流体穿过所述磁热材料2、12向它们的一端部或另一端部3、4和13、14的方向流动，以便实施并保持热发生器1、10、20、30、40的相对端部3和14之间的温度梯度，载热流体的上述流动与所述磁场的变化有关。

为了便于与载热流体的热交换，构成磁热元件2、12的磁热材料可以是多孔隙的，以使得它们的孔隙形成流体通过的通道。它们也可以呈实心块的形式，在实心块中加工出小通道的或微型通道，或者由具有重叠沟槽的板子组装而成，并且载热流体可以在这些沟槽之间流动。它们还可以呈粉末或颗粒的形式，以使得缝隙形成流体通道。当然，可以使载热流体穿过所述磁热材料的任何其它实施形式都是可以适用的。

磁装置（未出示）可以由一组永磁体构成，永磁体通过顺序供电或通过能够产生磁场变化的任何其它相似方式相对每个磁热元件2、12相对地运动。

在图1A和1B所示的热发生器1中，磁热元件2、12排列成行，并形成两个相继的热级。它们两者始终都经受相同的磁场变化，并且或者处于加热周期，或者处于冷却周期。如此，在图1A中，磁热元件2和12被磁激活，以使得它们加热。使载热流体沿着所示箭头的方向向图1A右边流动。在图1B中，磁热元件2和12磁性失活，以使得它们冷却。载热流体沿着箭头所示的方向向图1B左边流动。

磁热元件2和12通过热交换部件5热连接，热交换部件5由导热材料制成的U形零件构成，并且其分支端部设有两个传递区22和23。每个传递区22、23包括可以使载热流体流动的横向通道6。这两个传递区22和23按与两个磁热元件2、12的相继端部4和13相邻的方式被设置在热发生器1中。因此，这些传递区22和23与所述磁热元件2和12直接接触。

载热流体的驱动部件包括：一方面，排列成行并且形成端部致动器的两个活塞7，每个活塞7与所述磁热元件2、12的自由端部3、14相对地安装，这些活塞7沿着相同方向同时移动，以便传递往复运动至两个载热流体；和另一方面，形成中心致动器并位于交换部件5中的双作用活塞8，所述活塞与其它两个活塞7排列成行，并与所述磁热元件2、12的相继端部3、14流体连接，并且沿着与其它两个活塞7相同的方向移动。这些活塞7、8被任何已知的部件控制，如被控制凸轮、可变磁场、流体系统或任何其它的类似部件控制。

双作用活塞8加入在两个磁热元件2和12之间，并因此可以把载热流体移动所需的推力分布在不同致动器或活塞之间，从而更好地补偿负荷损失。

另外，该双作用活塞8将磁热元件2和12布置于其中的体积分开。该构型可以使用不同载热流体，所述载热流体与每个类型的磁热元件相适应并因此适应它的运行温度。使用不同流体的事实使得能够选择流体，以使得它们的热传递系数和它们的粘度与它们在温度左右变化的温度相适应，并因此使得能够最大程度地利用每个磁热元件2、12的热容量。

因此，在磁热元件2和12被磁激发的周期过程中（参见图1A），与第一磁热元件2有关的载热流体被活塞7带动在第一磁热元件2中流动，加热，然后穿过与热交换部件5的对应的传递区22，以到达双作用活塞8的衬套中。同时，与第二磁热元件12相关的载热流体从双作用活塞8的室流出，穿过热能传递部件5的另一传递区23，在第二磁热元件12中向活塞7方向流动，并且被加热。因此，与第一磁热元件2相关的载热流体——下面称为第一载热流体——的热能穿过传递区22被热交换部件5吸收，并穿过传递区23释放给与第二磁热元件12相关的载热流体——下面称为第二载热流体。热能的传递通过一方面第一载热流体与热交换部件5之间的热传导和另一方面所述热交换部件5与第二载热流体之间的热传导几乎同时地实现。

在图1B所示的磁热元件2、12磁失活的周期中，载热流体从右向左流动，而两个磁热元件2、12冷却。第二载热流体与热交换部件5的相应传递区23进行热交换，而相应地热交换部件5在其相应传递区22处与第一载热流体进行热交换。

在该热发生器1中，两个磁热元件2、12包括不同的磁热材料，第一磁热元件2的居里温度低于第二磁热元件12的居里温度，以使得第一磁热元件2例如可以在负的温度范围中有效（actif），并且第二磁热元件12在正的温度范围有效。这种构型可以扩大热发生器1的运行范围。

当然，本发明也考虑使用包括相同磁热材料的磁热元件2、12的可能性。

如此，连接分级结构中的两个相继磁热元件2、12的热交换部件5可以将热能从一级传递给另一极，而没有流体传递，并有助于增加从一级到另一级的温度梯度，结果是有助于增加热发生器1的冷端部3与热端部14之间的温度梯度。

另外，热发生器1在其由磁热元件2和12的自由端部构成的相对端部3和14处包括交换部件16，所述交换部件可以实现与外部装置或应用（application）进行热能交换。例如，这些外部应用可以是热发生器周围的空气、装置或热障。

该交换部件16还包括导热材料制成的传递区17，该传递区配设有用于载热流体的穿过通道18，并且与磁热元件2、12的自由端部3、14相邻，以使得载热流体每次出入磁热元件时都穿过所述传递区17。因此，该传递区17可以在每个周期与载热流体交换热能，并因此构成非常有效的热交换器。另外，该传递区17通过一闭合线路与外部应用热连接，该闭合线路配设有加入在所述交换部件16中的通道19，与外部应用有关的载热流体在通道19中流动。

当然，本发明不限于此类热交换器，可以使用任何其它适用的热交换器。

在图2A和2B所示的热发生器10中，磁热元件2、12相继排列成行，并始终在不同的加热或冷却周期中。如此，在图2A中，位于左边的磁热元件2或第一磁热元件2磁失活，并且位于右边的磁热元件12或第二磁热元件12被磁激活。沿着所示的箭头方向，载热流体在第一磁热元件2中被带动向左流动，而在第二磁热元件12中被带动向右流动。在图2B中，磁热元件2和12处于相反的磁状态，载热流体在第一磁热元件2中被带动向右流动，而在第二磁热元件12中被带动向左流动。

热交换部件5与图1A和1B所示的热交换部件相同。它也可以实现在相继的磁热元件2和12中流动的载热流体之间的热交换。在该实施方式中，载热流体一方面在磁热元件2和12的自由端部3和14处被两个排列成行并与插入在图1A和1B的热发生器1中的活塞相同的活塞7带动流动，但是同时沿着两个相反方向移动。同样，通过两个分开的单作用活塞9在两个磁热元件2和12的相继端部4和13处实现载热流体的操作，两个单作用活塞形成中心致动器，并且每个活塞推动磁热元件2和12之一中的载热流体。

热交换部件5的传递区22和23设置在一磁热元件2、12的端部4、13与它的单作用活塞9之间的载热流体通道中，并且所述传递区因此在磁热元件2、12的每个入口和每个出口处被载热流体同时穿过。

在图3A和3B所示的热发生器20中，流体流动按和图1A和1B的热发生器1中相同的方式流动。但是它的操作是不同的。双作用活塞8被两个单作用活塞11、15替代，每个活塞与磁热元件2、12之一流体连接。因此，当形成中心致动器的活塞11或15吸入与其对应的磁热元件2或12的载热流体时，另一活塞15或11推动与其对应的磁热元件12或2中的载热流体，反之亦然。

在该构型中，热交换部件5的传递区22和23也与所述端部4、13相邻地设置在载热流体的通道中，在磁热元件2、12的端部4、13与单作用活塞11、15之间。因此，所述传递区在每个磁周期被载热流体同时穿过：一方面，在磁热元件2的第一载热流体的出口和磁热元件12中的第二载热流体的入口（见图3A），和另一方面，在磁热元件2中的第一载热流体的每个入口和磁热元件12的第二载热流体的出口（见图3B）。

图4A和4B中所示的热发生器30构成图1A和1B的实施变型，其中中心活塞8’由导热材料制成，并且它的衬套在热交换部件35中形成。这样，在两个相邻磁热元件2、12中流动的载热流体的热能同时在热交换部件35的传递区22和23处和中心活塞8’处进行交换。该中心活塞8’一方面可以实现直接在它接触的两个载热流体之间的热交换，另一方面与热交换部件35实现热交换，热交换部件35本身与所述载热流体进行热交换。这种构型可以进一步改善两载热流体之间的热交换。

在一未出示的并且能够在图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A和4B所示的任一实施方式的组合的变型中，交换部件5、35的两个传递区22和23可以通过至少一热管互相连接，以保证它们之间的热能交换。

图5A和5B表示热发生器40的一实施方式，其结构与图4A和4B的热发生器30基本相同，并且其中热交换部件25由位于相继的两磁热元件2、12之间的中心致动器制成。该中心致动器25是导热材料制成的双作用活塞，并且其衬套27由热绝缘材料制成。该衬套27的形状与图4A和4B的热发生器30的热交换部件35的衬套的形状相同，但区别在于它的构成材料为热绝缘材料，并且没有传递区，传递区被用于载热流体的两个通道区26取代。在该构型中，通过所述中心活塞或与这两个载热流体接触的双作用活塞25实现两个载热流体之间的热能交换。

为了进一步改善交换能力，图4A、4B、5A、5B的中心活塞8’、25可以包括在与载热流体接触的其工作表面上的叶片。

在所示的所有热发生器1、10、20、30、40中，交换部件16每次都加入在所述发生器的冷端部3和热端部14上。但是，本发明不限于此类构型，并且还扩展到以下实施方式，其中只有所述冷端部3或热端部14之一与这种交换部件16有关，并且/或者所述热交换部件5、35与外部装置或应用热连接。

另外，本发明也不限于只包括两级的相继磁热元件2、12的热发生器。实际上可以扩展到两级以上的相继磁热元件。每级可以包括几个相邻磁热元件。

最后，本发明不限于使用制成用于使载热流体移动的致动器的活塞。可以考虑其它类型的致动器，例如膜片。

工业应用的可能性

从该描述可以清楚看到，本发明可以达到既定的目标，即提出结构简单的热发生器1、10、20、30、40，其中不同级的组成磁热元件2、12之间的热能传递被简化，并有效地实现。

这种热能发生器1、10、20、30、40可以以有竞争性的价格和小的空间需求应用在工业用和民用的加热、空调、加温、冷却或其它领域。

本发明不限于描述的实施例，而是扩展到对于本领域专业人员而言显然的修改和变型，同时保持在所附权利要求确定的保护范围内。

Claims (14)

1.磁热热发生器，其包括：至少两个磁热元件（2、12），所述磁热元件相继地设置并且形成至少两个相继的热级，所述磁热元件被分开的载热流体穿过，并且每个所述磁热元件包括两个相对的端部（3和4、13和14）；一个磁装置，所述磁装置用于使每个所述磁热元件（2、12）经受变化磁场，在每个所述磁热元件（2、12）中交替地产生加热周期和冷却周期；一个载热流体的驱动部件，所述载热流体的驱动部件驱动所述载热流体按与所述磁场的变化同步的方式、交替地向一端部的方向和向相对的端部的方向以及相反地穿过所述磁热元件，

所述磁热热发生器（1、10、20、30、40）的特征在于，所述磁热元件（2、12）在它们的相继端部（4、13）处通过热交换部件（5、35）两两地热连接，所述热交换部件分别与在所述磁热元件的第一磁热元件（2）中流动的载热流体和在所述磁热元件的第二磁热元件（12）中流动的载热流体热接触。

2.根据权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述热交换部件（5、35）包括两个传递区（22、23），所述两个传递区互相热连接并且分别地被每个所述磁热元件（2、12）的载热流体穿过。

3.根据权利要求2所述的磁热热发生器，其特征在于，所述两个传递区（22、23）按与两个相继的磁热元件（2、12）的相继端部（4，13）相邻的方式被设置。

4.根据权利要求2所述的磁热热发生器，其特征在于，所述两个传递区（22、23）由导热材料制成，并且配设有用于载热流体的穿过通道（6）。

5.根据权利要求2所述的磁热热发生器，其特征在于，所述热交换部件（5、35）的两个传递区（22、23）通过由导热材料制成的主体互相连接。

6.根据权利要求5所述的磁热热发生器，其特征在于，所述热交换部件（5、35）的两个传递区（22、23）通过至少一热管互相连接。

7.根据权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述载热流体的驱动部件包括：一个中心致动器（8、8’、25），所述中心致动器与所述磁热元件（2、12）的相继端部（4、13）流体连接；和两个端部致动器（7），每个所述端部致动器与所述磁热元件（2、12）的自由端部（3、14）之一相对地安装。

8.根据权利要求7所述的磁热热发生器，其特征在于，所述中心致动器（25）由导热材料制成，并且与所述热交换部件（5）接触。

9.根据权利要求7所述的磁热热发生器，其特征在于，所述中心致动器（8’）是由导热材料制成的双作用活塞，并且所述中心致动器的衬套由热绝缘材料制成；并且，所述中心致动器构成所述热交换部件。

10.根据权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述载热流体的驱动部件包括：两个中心致动器（9；11和15），每个所述中心致动器与所述磁热元件（2、12）的相继端部（4、13）之一流体连接；和两个端部致动器（7），每个所述端部致动器与所述磁热元件（2、12）的自由端部（3、14）之一流体连接。

11.根据权利要求7所述的磁热热发生器，其特征在于，所述载热流体的驱动部件包括在包括单作用活塞和双作用活塞的组中选择的活塞。

12.根据权利要求10所述的磁热热发生器，其特征在于，所述磁热热发生器包括一个磁装置，所述磁装置能够使相继的所述磁热元件（2、12）一直位于两个不同周期中。

13.根据权利要求7所述的磁热热发生器，其特征在于，所述磁热热发生器包括一个磁装置，所述磁装置能够使相继的所述磁热元件（2、12）一直位于相同周期中。

14.根据上述权利要求中任一项所述的磁热热发生器，其特征在于，穿过所述磁热元件（2、12）的载热流体具有不同的化学组分和/或热特性。

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