CN102317710B - 磁热热发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁热热发生器(10)，包括：至少一具有第一端部(3)和第二端部(4)的磁热元件(2)；磁装置，用于使磁热元件(2)承受一可变磁场，从而交替地在磁热元件(2)中产生一加热周期和一冷却周期；载热流体驱动部件，其以和磁场变化同步的方式，交替地朝所述第一端部(3)和第二端部(4)的方向和反之亦然，驱动载热流体穿过磁热元件(2)；和至少一交换部件(15)，用于使磁热元件(2)所产生的热能与磁热元件(2)外部的装置进行交换。热交换器(1)的特征在于，交换部件(15)被集成在磁热热发生器(10)中，以便在一加热周期或冷却周期期间在一端部(3、4)处进入磁热元件(2)中的载热流体朝一方向穿过交换部件，而在另一冷却周期或加热周期期间在相同端部(3、4)处从磁热元件(2)流出的载热流体则朝相反方向穿过所述交换部件。

Description

磁热热发生器

技术领域

本发明涉及一种磁热热发生器，其包括：至少一磁热元件，所述磁热元件具有第一端部和第二端部；磁装置，所述磁装置用于使每个磁热元件承受一可变磁场，从而交替地在每个磁热元件中产生一加热周期和一冷却周期；载热流体驱动部件，所述载热流体驱动部件以和磁场变化同步的方式，交替地朝所述第一端部及第二端部的方向和反之亦然，驱动载热流体穿过所述磁热元件；和至少一交换部件，所述交换部件使所述磁热元件所产生的热能与所述磁热元件外部的装置进行交换，所述交换部件被集成在所述磁热热发生器中，以便在一加热周期或冷却周期期间在所述端部之一处进入所述磁热元件中的所述载热流体在一方向上穿过所述交换部件，而在另一冷却周期或加热周期期间在相同端部处从所述磁热元件流出的载热流体则在相反方向上穿过所述交换部件，所述交换部件并置于所述磁热元件的所述端部中的至少一端部并至少位于载热流体驱动部件与所述磁热元件的所述端部之一之间。

背景技术

二十多年以来，磁致冷技术已为人所知，并且了解它在生态和可持续发展方面带来的优点。还知道它在有效热功率和效率方面的局限性。从那时起，在该领域中进行的研究就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交换面积、热交换器的性能等，来改善这种发生器的性能。

热交换器的目标是释出或与一个或多个在所述热发生器外部的应用交换所述热发生器形成的热能。例如，这些外部应用可以是热发生器周围的空气、热装置或热障。

已知的磁热热发生器由一些磁热元件构成，载热流体交替地从一侧到另一侧穿过磁热元件。

在已知的第一构型中，使载热流体交替地在与磁热元件的第一端部连通的第一小室与和磁热元件的第二端部连通的第二小室之间流通，并且一个热交换器与每个所述小室热连接。

在第二构型中，每个小室流体连接至一集成在一液压环路中的热交换器。

但是这些现有构型不能完全令人满意。实际上，在这两种情况中，尤其由于交换器中的热阻和热泄漏，在热交换期间，在热模块的出口与热交换器之间损失了热能的一部分。

公开文献EP 1 818 628描述了一种磁热发生器，其中热交换器看来与磁热材料式热元件的冷端部和热端部直接连接，并且载热流体在每个磁化和去磁周期穿过热交换器。技术文献《Fridge of the future》(Mechanical Engineering，Asme.New York，US，vol.116，no.12，1^erdécembre 1994(1994年12月1日)，page(页)76-80，XP000486088-ISSN：0025-6501-page(页)3)也描述过一种制冷系统，其中热交换器看来直接连接于热元件的冷端部和热端部。但是，这些公开文献没有谈及与一个或多个外部回路进行热交换的部件。

发明内容

本发明旨在克服这些缺点，而提出对上述问题的工业解决方案。为此，实现符合本发明的磁热热发生器，使得热发生器与外部应用之间的热能传递得到优化，以最大程度地减少热损失。

为此，本发明涉及在前言中所指类型的磁热热发生器，其特征在于，所述交换部件包括至少一热传递区和至少一由至少一管道形成的回路，属于所述外部的装置的外部流体在所述回路中流通。

传递区有利地配有用于载热流体的贯穿通道或孔隙。

所述管道可以是柱形状，必要时呈矩形，或者也可由在所述交换部件中形成的孔隙构成。管道也可以由沟槽构成。

尤其是，所述热发生器可包括至少两个回路，所述外部的装置的外部流体交替地以逆流方式在所述至少两个回路中通过。

作为变型，所述交换部件可以在其周边上具有叶片，用以与外部环境进行热交换。

最后，所述磁热元件可包括至少两种磁热材料，所述至少两种磁热材料相继布置并且形成通过公共的载热流体驱动部件流体连接的至少两个相继的热级。

在这种构型中，两种相邻的材料能两两地或承受相同的加热或冷却周期，或承受不同的加热和冷却周期。在第一种情况下，载热流体在每个周期朝相同方向穿过两种相邻材料，在第二种情况下，载热流体在相反的流动方向上穿过这两种相邻材料。

另外，为减小热损失，可用一绝热材料层覆盖所述交换部件。

附图说明

在下面参照附图对作为非限定例子给出的多个实施方式的描述中，可以更好地了解本发明和它的优点，附图如下：

-图1A和1B是符合本发明的热发生器的示意图；

-图1C是图1A的细部A的放大图；

-图2是图1A和1B中所示的热发生器的分解透视图；

-图3A是图2热发生器的符合另一实施方式的交换部件的正视图；

-图3B是图3A的细部B的放大图；和

-图4A和4B是与图1A和1B类似的图，表示符合一实施变型的热发生器。

具体实施方式

在所示实施例中，相同的构件或部件带有相同的参考数字。

热发生器10、20、30包括一个或多个磁热元件2。尽管所示磁热元件2包括唯一一种磁热材料，但本发明并不局限于该数量。实际上，磁热元件2可包括具有不同居里温度和产生很大磁热效应的多种磁热材料，使得这些磁热材料的并置允许在磁热元件2的端部3和端部4之间形成高的温度梯度，并因此在热发生器10、20、30中得到甚至更高的效率。这种构型还允许覆盖与运行或使用范围相对应的大温度范围。

每个磁热元件2包括两个相对的端部，即：第一端部3，例如其为冷端部；和第二端部4，例如其为热端部。使载热流体与磁场变化相关地朝端部3和4中的一个或另一个的方向穿过磁热元件2流通，以便实现并保持在该磁热元件2的两个相对端部3和4之间的温度梯度。

每个端部3、4与一容纳载热流体的小室13、14流体连接，并且载热流体驱动部件在其如所示实施例中呈活塞7的形式时可被集成于小室13、14中。当然，本发明不限于此类载热流体驱动部件，可以设置任何其它类似部件，如泵或类似装置。

在所示热发生器10和20中，特别是在图1A和1B的热发生器中，在加热周期时(参见图1A)，载热流体穿过所述磁热元件2朝可被视为热端部的第二端部4的方向流动，而在冷却周期时(参见图1B)，载热流体穿过所述磁热元件2朝可被视为冷端部的第一端部3的方向流动。因此，在磁热元件的两个端部3和4之间在该磁热元件2中产生温度梯度。

为便于与载热流体进行热交换，构成磁热元件2的磁热材料可以是多孔隙的，以使它们的孔隙形成贯穿的流体通道。磁热材料也可呈实心块体的形式，在实心块体中，加工出小通道或微型通道，或者它们可由可能带有沟槽的叠置的板组装构成，载热流体可在其间流动。磁热材料也可以呈粉或颗粒的形式，从而间隙形成流体通道。当然，允许载热流体穿过所述磁热材料的任何其它实施方式都可以是适合的。

磁装置(未示出)可由一组永磁体构成，永磁体通过顺序地被供电的电磁铁或者通过任何其他能产生磁场变化的相似部件，相对于每个磁热元件2相对运动。

图1A和1B表示磁热热发生器10，该发生器包括两个相同的热交换器或交换部件15，每个热交换器或交换部件安装在磁热元件2的一端部3、4与活塞7室之间。活塞7形成载热流体的操纵或驱动部件。每个交换部件15包括导热材料或非导热材料实施的热传递区8，该热传递区配有载热流体用的贯穿通道9(参见1C)。每个传递区8邻近磁热元件2的一端部3、4，因此，载热流体在其进入磁热元件2和从磁热元件流出时都穿过传递区8。有利的是，当载热流体相继往返穿过相应的磁热元件2时，这种构型允许实现与载热流体的两次热交换，即双重热交换。当励磁和去磁周期持续时间短并且载热流体高速流动时，这是特别有利的。该构型可以保证在载热流体重新进入磁热元件2之前交换最大热能。因此，热发生器1产生的热能的回收得到优化，并且该回收在整个周期时间上都进行。

特别参照图1A，可以看出，一方面，载热流体在穿过磁热元件2之前穿过位于第一端部3侧的交换部件5的传递区8，另一方面，当载热流体通过其穿过承受磁场的磁热元件2而已被加热，在其从磁热元件2流出时，穿过位于第二端部4侧的交换部件5的传递区8，其中在图1A中，磁热元件2承受一磁场并且载热流体从第一端部3(冷端部)向第二端部4(热端部)、沿箭头方向从左向右流动。

现参照图1B，可以看到，一方面，载热流体在穿过磁热元件2之前重新穿过位于第二端部4侧的交换部件5的传递区8，另一方面，当载热流体已经通过其穿过位于磁场外的磁热元件2被冷却，在该载热流体从磁热元件2流出时，载热流体穿过位于第一端部3侧的交换部件5的传递区8，其中在图1B中，磁热元件2位于磁场外和冷却，载热流体从第二端部4向第一端部3流通(沿箭头方向从右向左)。

因此，可以在根据本发明的热发生器10的磁热元件2的每个端部3和4处回收或交换最大热能。这当然对于所示的所有热发生器10、20、30都是有用的。当然，传递区8，更确切的说是传递区8的贯穿通道9被实施和设计成使得：它们在相关小室13、14中的集成不会导致载热流体的压头损失显著增加。为此，所述传递区8的贯穿通道9必要时可以具有与磁热元件2中的流体通道或流体导道相同的构型，并且与这些流体通道或流体导道排齐。

交换部件15被设计成朝外部装置或外部应用的方向传递在传递区8中交换的热能。为此，交换部件15包括用于使外部装置或外部应用专用的外部流体流通的回路11。除用于载热流体的贯穿通道9以外，交换部件15一方面还包括形成用于外部流体通过的回路11的管道16。所示回路11包括五个管道16。流体在这些管道16中的流动方向可以是相同的，但优选该流动方向从一个管道到另一个管道是不同的，以便在整个涉及的交换部件15中实现均匀交换(逆流式流动)。

当然，本发明并不局限于带有用于外部应用或外部装置的回路11的此类构型。例如，交换部件15可以在它的外周边上包括具有任何形状或任何尺寸的叶片。另外，如同在所示的热发生器10中，在外部流体回路11被集成在所述交换部件15中的情况下，作为变型，所述回路11可以包括位于传递区8两侧的附加管道16。

图2表示根据在图1A和1B中描述的热发生器10的原理实现的热发生器20。该热发生器20具有圆形结构，该圆形结构包括相邻的并呈圆环状布置的磁热元件2。两个交换部件25中的每一个均呈圆环的形式，圆环由导热材料或非导热材料制成，并且一方面包括允许载热流体在活塞7的作用下穿过磁热元件2移动的贯穿通道9，另一方面包括用于外部流体流通的回路。该回路在图2上是看不见的。同样，该回路的连接部件如套接管或类似部件也未在该图中示出。该热发生器20的优点在于它的紧凑性。

图3A表示可用于图2的热发生器20结构的圆环形式的交换部件45的工业实施例。该交换部件包括设有用于载热流体的贯穿通道9的环40，这些贯穿通道9例如由轴向取向的穿孔形成，并且布置成在一侧与每个磁热元件2、在另一侧与每个活塞7相对应，而没有压头损失。该环40的外壁41和内壁42包括一些径向地取向并分别被外环43和内环44封闭的沟槽46，以便形成内部回路11’和外部回路11的管道，通过流体/流体交换传递由发生器20产生的热能的外部流体在这些内部和外部回路中流通。环43和44通过任何合适的允许得到密封组装的方法如紧固、压接、浇铸、焊接等，被组装至环40。该构造方式具有的优点在于：容易以较低成本工业化，产生用于外部流体流通的回路11、11’，从而提供非常大的热交换面积并允许更恒定的层流。另外，形成两个平行的、位于带有磁热元件2的交换部件45两侧的回路11、11’，允许在多个磁热元件2并置时以均匀的方式进行热传递。通过使流体在内回路11’中朝与在外回路11中流动的流体相反的方向流通，而获得和改善该温度的均匀性。还可以通过将回路11和11’分为多个并联区部来进一步提高热交换效率。

图4A和4B表示热发生器30的实施变型，该热发生器包括由两种磁热材料21和22构成的磁热元件2。磁热材料21和22始终处于相反的磁状态，即当所述磁热材料之一21承受一磁场时，另一磁热材料22则在磁场外，反之亦然，即磁热材料22承受一磁场时，磁热材料21则在磁场外。在该实施变型中，第一端部3和第二端部4中的每一个由磁热材料21、22中每一个的一端部体现。与安装在图1A和1B的发生器10中的交换部件15相同的交换部件35、35’，以与每个所述端部3和4相邻的方式安装。载热流体通过三个驱动部件7、7’穿过所述磁热材料21、22流动，三个驱动部件即：两个活塞7，每个所述活塞位于所述磁热元件2的一端部；和活塞7’，活塞7’的活塞室与小室17连接，小室17是两磁热材料21和22所共有的并在这两磁热材料之间使它们流体连接。

参照表示热发生器30的两个运行周期中的一个的图4A，位于图左边的磁热材料21被励磁，位于图右边的磁热材料22被去磁。载热流体在位于左边的磁热材料21中从左向右、在右边的磁热材料22中从右向左，都朝公共的小室17的方向流动。因此，同时地，一方面载热流体穿过位于第一端部3侧的交换部件35的传递区8，这允许在载热流体进入位于左边的磁热材料21之前与载热流体交换热能，另一方面载热流体穿过位于第二端部4侧的交换部件35’的传递区8，这允许在载热流体进入位于右边的磁热材料22之前与载热流体交换热能。

在第二周期中，位于图左边的磁热材料21被去磁，并且位于图右边的磁热材料22被激磁。载热流体从公共小室17流出，在位于左边的磁热材料21中从右向左流动，在右边的磁热材料22中从左向右流动。因此，同时地，载热流体重新一方面穿过位于左边的磁热材料21同时冷却，并且还穿过位于第一端部3侧的交换部件35的传递区8，另一方面，载热流体穿过位于右边的磁热材料22并被加热，并且还穿过位于第二端部4侧的交换部件35’的传递区8。

还是在该构型中，每个磁周期或每个加热和冷却周期都被利用，以致可以在热发生器30的磁热元件2的每个端部3、4处回收或交换最大的热能。

尽管没有示出，但是也可考虑使用如本说明书中描述的交换部件，用于或者使两个热发生器、或者两个相邻的磁热元件相互间热连接，从而形成同一热发生器的两个相继的热级。

在所示的所有热发生器10、20、30中，交换部件15、25、35、35’、45都集成在所述发生器内，并与磁热元件2的每个端部3、4相邻地布置。但是，本发明不局限于该类构型，本发明也可考虑不是所有端部3、4都与这样的交换部件15、25、35、35’、45相关连，端部3和4中的只有一个端部与交换部件连接。

工业应用的可能性：

从本说明书中清楚地看到，本发明允许达到既定目标，即提出结构简单的热发生器10、20、30，其中磁热元件2产生的热能的传递被简化，并以最小损失有效地实现热能传递。

根据本发明将交换部件15、25、35、35’、45集成在热发生器中以使其同时与进入相关磁热元件和从相关磁热元件中流出的流体相接触的事实，允许以有效的方式直接从载热流体提取在所述磁热元件中产生的热能。要明确的是，相同载热流体进入和流出同一磁热元件，但随着所述载热流体与热交换部件15、25、35、35’、45之间的热交换而温度不同。

在热发生器启动时不使用导道11、11’所形成的交换回路，允许更快地建立磁热元件2的热端部4与冷端部3之间的温度梯度。该特性可以缩短热发生器的运行时间，因此减少它的能耗。由此提高所述发生器的热效率。

这种热发生器10、20、30能以有竞争性的成本和较小尺寸在加热、空调、温控、冷却或其它领域中同时得到工业和民用应用。

本发明不限于所描述的实施例，而是延伸到对于本领域技术人员来说任何明显的改变和变型，同时保持在所附权利要求中确定的保护范围内。

Claims (9)

1.磁热热发生器，其包括：多个磁热元件（2），每个所述磁热元件具有第一端部（3）和第二端部（4）；磁装置，所述磁装置用于使每个磁热元件（2）承受一可变磁场，从而交替地在每个磁热元件（2）中产生一加热周期和一冷却周期；载热流体驱动部件，所述载热流体驱动部件以和磁场变化同步的方式，交替地朝所述第一端部（3）及所述第二端部（4）的方向和反之亦然，驱动载热流体穿过所述磁热元件（2）；和至少一交换部件（15、25、35、35’、45），所述交换部件使所述磁热元件（2）所产生的热能与外部的装置进行交换，所述交换部件被集成在所述磁热热发生器中，以便在一加热周期或冷却周期期间在所述第一端部（3）和第二端部（4）之一处进入所述磁热元件（2）中的所述载热流体在一方向上穿过所述交换部件，而在另一冷却周期或加热周期期间在相同端部处从所述磁热元件（2）流出的载热流体则在相反方向上穿过所述交换部件，所述交换部件并置于所述磁热元件（2）的所述第一端部（3）和第二端部（4）中的至少一端部并且至少位于该端部与所述载热流体驱动部件之间，

其特征在于，所述交换部件（15、25、35、35’、45）包括：多个热传递区（8），每个所述热传递区位于所述磁热元件（2）之一前面，每个所述热传递区配有载热流体用的贯穿通道（9）；和属于所述外部的装置的外部流体用的至少一由至少一管道形成的回路。

2.如权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述管道为柱形。

3.如权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述管道由在所述交换部件中形成的孔隙构成。

4.如权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述管道由沟槽限定。

5.如权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述磁热热发生器包括至少两个回路，所述外部的装置的外部流体交替地以逆流方式在所述至少两个回路中通过。

6.如权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述交换部件在其周边上具有叶片。

7.如权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述磁热元件（2）包括至少两种磁热材料（21、22），所述至少两种磁热材料相继布置并且形成通过公共的载热流体驱动部件流体连接的至少两个相继的热级。

8.如权利要求1所述的磁热热发生器，其特征在于，所述交换部件（15、25、35、35’、45）由绝热材料层覆盖。

9.如权利要求1所述的磁热热发生器，所述磁热热发生器具有圆形结构，所述磁热元件呈圆环状布置在该圆形结构中，其特征在于，所述交换部件（15、25、35、35’、45）呈圆环的形式。

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