CN103097834A - 具有磁热材料的热发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热发生器（100），其具有至少一个热模块（110），所述热模块具有至少两个磁热元件（111，112）。热发生器（100）的特征在于：其具有至少两个磁装置（131，132），每个磁装置（131，132）使所述热模块（110）的至少一个磁热元件（111，112）经受磁相的交替变化；其具有隔离件，隔离件使磁装置（131，132）彼此隔离，形成隔热室（141，142），该隔热室具有一磁装置（131，132）及其相关联的磁热元件（111，112）。

Description

具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，其具有至少一个热模块，所述热模块具有至少两个磁热元件。

背景技术

在环境温度下的磁冷却技术自二十多年来就是公知的，已知其在生态和可持续发展方面带来的优点。还已知其在有效热功率及效率方面的局限性。由此，在该领域中所进行的研究全都趋向于通过调节不同的参数如磁化功率、磁热材料的性能、载热流体和磁热材料之间的热交换面、热交换器的性能等，提高这种发生器的性能。

磁热材料的选择是决定性的，直接影响磁热式热发生器的性能。磁热效应在磁热材料的居里温度附近达到顶点。为使磁热式热发生器在很大的温度范围内工作，已知结合具有不同居里温度的多种磁热材料。

因此，通过根据磁热材料所经受的磁场增强阶段和磁场减弱阶段，使载热流体朝相反两个方向沿着或穿过所述磁热材料循环，许多磁热式热发生器利用多个磁热元件的磁热效应。在这种热发生器启动时，流体循环可在磁热材料的相对端部之间获得温度梯度。该温度梯度的获得取决于多种因素，如初始温度、载热流体的流量、磁热效应的强度、居里温度和磁热材料的长度。磁热材料的居里温度和初始温度越接近，就会越快速地达到温度梯度，从该温度梯度开始，发生器工作和可产生热能或与外部回路交换热能。然而，磁热材料和载热流体的初始温度不被控制，等于发生器外部的温度。例如，其可处于非常大的温度范围内，例如在-20℃至+60℃之间。这意味着要达到温度梯度、即磁热式热发生器的运行阶段，时间会很长。

此外，在很大的温度范围工作的事实意味着：一般由永久磁铁装置构成的磁系统经受很大的温度变化。实际上，磁热材料一般布置在磁系统的气隙中，因而通过热对流引起磁系统处温度变化。为此，图1A和1B示出热发生器，其具有一磁系统，该磁系统由两个磁铁M1和M2构成，形成气隙G，两种磁热材料MC1和MC2在气隙中移动。气隙的差不多整个空间由磁热材料MC1或MC2交替地充填。当所述磁热材料MC1和MC2之一处于气隙中时，磁铁M1、M2和所述磁热材料MC1、MC2之间具有最小空间，以增大热功率。第一种磁热材料MC1具有为0℃的居里温度和从-10℃至+10℃的工作或过渡区域，第二种磁热材料MC2具有为20℃的居里温度和从+10℃至+30℃的工作或过渡区域。图1A示出循环的第一阶段，在第一阶段中，第一种磁热材料MC1经受逐渐增强的磁场，第二种磁热材料MC2经受逐渐减弱的磁场，图1B示出循环的第二阶段，在第二阶段中，第一种磁热材料MC1经受逐渐减弱的磁场，第二种磁热材料MC2经受逐渐增强的磁场。磁铁经受的热幅度为40℃（从-10℃至+30℃）。磁铁以其热惯性，对磁热材料MC1和MC2中的温度梯度具有有害影响：其与所述磁热材料MC1和MC2进行热交换，从而减小磁热材料的温度梯度。由此导致与该温度梯度相关联的磁热式热发生器的性能降低。

发明内容

本发明旨在通过提出一种具有提高的热效率的热发生器，来弥补前述缺陷。

为此，根据本发明的热发生器的特征在于：

-其包括至少两个磁装置，每个磁装置使所述热模块的至少一个磁热元件经受磁相的交替变化，以及

-其包括隔离件，隔离件使磁装置彼此隔离，形成包括一磁装置及其相关联的磁热元件的隔热室。

优选地，所述至少两个磁热元件可具有不同的居里温度，和根据其不断增大的居里温度在其端部或端部部分彼此间流体连接。所述热模块可具有温度梯度，该温度梯度对应于具有最低居里温度的磁热元件的冷端或冷端部部分、和具有最大居里温度的磁热元件的热端或热端部部分之间的温差。优选地，所述至少两个磁热元件可覆盖热模块的温度梯度，以致相互间流体连接的两个磁热元件具有接近的温度，所述至少两个磁热元件每个还可以交替地经受磁场的增强和减弱，同时与载热流体接触，因此，在每次磁相变化时，流动方向从所述磁热元件的一端部或一端部部分到另一端部或另一端部部分发生变化。

磁热元件用于与载热流体进行热接触，在与磁热材料或磁热元件经受其温度提高的阶段相对应的磁循环第一阶段（对于所述的磁热元件，则为磁场增强阶段）的过程中，所述载热流体从其冷端向其热端循环；在磁热材料或磁热元件经受其温度降低的磁循环第二阶段（对于所述的磁热元件，则为磁场减弱阶段）的过程中，所述载热流体从其热端向其冷端循环。对于具有相反磁热效应的材料来说，磁场的增强引起其温度降低，磁场的减弱引起其温度升高。载热流体和磁热元件之间的热接触可由沿着磁热材料流动或穿过磁热材料的载热流体来实现。为此，磁热元件可由一种或多种磁热材料构成，和是可被载热流体渗透过的。其还可具有在磁热材料的两端之间延伸的流体循环通道。这些通道可由磁热材料的孔隙形成，或由机加工导道形成，或由一组磁热材料板获得。

优选地，载热流体是液体。为此，例如可使用纯水或添加有防冻剂的水、甘醇化剂（produit glycolé）或盐水。

此外，根据本发明，被流体连接起来的磁热元件的端部具有接近的温度，即被连接的两个端部之间的温差小，优选地，这两个端部具有相同的温度。

一磁相对应于磁场的增强或磁场的减弱。因此，磁热元件经受的磁循环对应于所述磁热元件中磁场的增强和减弱，引起所述磁热元件的温度的相应的增强和减弱（或反过来）。

磁装置可以包括电磁铁或如所示出的永久磁铁的组合。在使用永久磁铁时，磁相的变化例如可由磁装置和相应的磁热元件之间的相对运动进行。显然并不从本发明中排除可改变磁场的其它可能性。

根据本发明，对于所述热模块来说，一个磁装置可被分配给一个磁热元件。

该热发生器也可包括至少两个热模块，至少一个公共磁装置可使至少两个热模块的磁热元件经受交替的磁相。

隔离件可以由一层至少一绝热材料实现，其围绕每个磁装置及其相关联的磁热元件布置。

隔离件还可固定于磁装置。

根据本发明，所述隔热室可以是密封围腔。

因此，所述隔热室可以处于真空下。

所述隔热室还可被充填有一低热导率气体或不同的低热导率气体的混合物。例如，该气体可以是氩或氪。

在第一变型中，所述隔热室中容纳的气体的压力可等于大气压。

在另一变型中，所述隔热室中容纳的气体可处于增压下。

此外，一层绝热材料可布置在每个磁装置及其相关联的磁热元件之间。

附图说明

在以下参照附图对作为非限制性示例给出的实施方式的描述中，本发明及其优点将更好地体现出来，附图中：

-图1A和1B是根据现有技术的分别在两个相继的磁相的热发生器的示意图；

-图2A和2B是在两个相继的磁相中的根据本发明第一实施方式的发生器的热模块的示意图，该热模块具有两个磁热元件；

-图3A和3B是在两个相继的磁相中的根据本发明第二实施方式的发生器的热模块的示意图；

-图4A和4B是图3A和3B所示的发生器的正视示意图；以及

-图5A和5B是在两个相继的磁相中的根据本发明第三实施方式的发生器的两个热模块的示意图。

具体实施方式

在所示的实施方式中，相同的部件带有相同的数字标号。

图2A和2B示意地示出根据本发明第一实施方式的热发生器100的热模块110。该热模块110包括两个磁热元件111和112。热模块110的冷端C11相应于第一磁热元件111的位于图2A和2B左侧上的端部，热模块110的热端H11相应于第二磁热元件112的位于图2A和2B右侧上的端部。每个磁热元件111和112经受由对应的磁装置131、132实施的磁循环。在第一交替变化（见图2A）的过程中，载热流体F从经受磁场增强的磁热元件111的冷端C11向该磁热元件111的另一端（其热端）循环，和从经受磁场减弱的磁热元件112的热端H11向该磁热元件112的另一端（其冷端）循环，而在第二交替变化时，循环方向相反。

每个磁装置131、132由彼此相对布置的两个永久磁铁构成。这样可通过形成隔热室141和142，实现带有其相关联的磁热材料111和112的两个磁装置131、132之间的隔热。隔热由一层围绕磁装置131、132布置的隔离能力非常强的材料进行。在该示例中，磁装置的移动引起磁场变化。

磁热元件111和112与结合图1A和1B上所示的现有技术发生器描述的磁热元件MC1和MC2，具有相同的特性。但是，本发明的热发生器100具有增大的效率，因为由于两个隔热室141和142的存在，磁铁131、132的不活动质量的热冲击降低。因此，在室141和142中，磁装置131和132承受的温度梯度达到二十度（分别为-10℃至+10℃之间、+10℃至+30℃之间），而其在现有技术的发生器中达到四十度。因此，磁热材料111和112及其相应的磁装置131、132之间的温差也降低，从而提高了热发生器的效率。

图3A和3B示意地示出根据本发明第二实施方式的热发生器200的热模块210。该示例特别适合于转动式热发生器200，其中，磁装置231、232、233固定于一轴，该轴围绕发生器200的纵轴5转动。图4A和4B表示该热发生器200的简化正视图，其更特别的是示出处于分别与图3A和3B所示位置相对应的位置的磁装置231的一部分。

图4A和4B示出该热发生器200的八个热模块210、1210、2210、3210、4210、5210、6210和7210的磁热元件211、1211、2211、3211、4211、5211、6211和7211与磁装置231之间的相互作用。每个磁装置231、232、233由每组四个永久磁铁的两组永久磁铁构成，这些永久磁铁彼此相对地布置，形成磁气隙6，相应的热模块的磁热材料定位在其中。这些永久磁铁围绕磁热式热发生器200的纵轴5均匀地隔开，使得它们产生由四个径向非磁性区分开的四个径向磁性区（尤其见图4A和4B）。因此，轴杆或轴5的转动驱动所述磁装置231、232、233，磁装置使相应的磁热元件经受磁场的变化，因而使磁热元件根据其磁相（phase magnétique）经受其温度的提高和降低。

热模块210具有三个磁热元件211、212和213，它们由流经过所述磁热元件211、212和213的载热流体相连接。在该示例中，布置在图3A和3B左部的磁热材料211具有最低的居里温度，适于在其冷端和热端之间产生从-10℃至0℃的温度梯度。其与定位在热模块210中央的磁热材料212进行流体接触，适于在其冷端和热端之间产生从0℃至+10℃的温度梯度。最后，具有最大居里温度的第三磁热材料213连接于第二磁热材料212，适于实现从+10℃至+20℃的温度梯度。

该实施方式具有八个热模块210、1210、2210、3210、4210、5210、6210和7210，磁热材料围绕轴径向布置，使得当一磁热材料处于磁装置的气隙中（即两个永久磁铁之间）时，两个相邻磁热材料位于气隙外，反之亦然。这种构型可通过连续地利用由磁装置231、232、233形成的磁场，使热发生器200的容积最佳化。为此，图3A、3B和4A、4B示出磁热材料所经受的两个相继的磁相。

在该第二实施方式中，磁装置231、232、233由具有高隔离性能的泡沫塑料层隔离，所述泡沫塑料层布置在所述磁装置231、232、233上（用于纵向隔离），和围绕热发生器200（用于径向隔离），使得形成二十四个隔热室（仅示出室241、242和243）。在这些情况下，在每个隔离室241、242、243中，磁热材料211、212、213和相应的磁装置231、232、233之间的温差很小和不影响磁热材料的温度梯度。换句话说，相应的磁热材料211、212、213的磁装置231、232、233被分开和形成单独的隔热室241、242、243，这些隔热室可仅与流经所有这些室的流体进行热交换。隔热由一层绝热材料如具有高隔离性能的泡沫塑料实现。该层也可贴靠在热发生器200内部的框架或另一组成件上，以形成这些隔热室。

尽管该第二实施方式描述了带有三个磁装置和八个热模块的构型，但是，本发明并不限于这种数量的磁装置和磁热材料。可以有其它构型，其它构型可取决于与磁热式热发生器相联系的应用、用于磁热式热发生器的可用容积等。

载热流体朝相反两个方向的移动，由与每个热模块210相结合的一活塞2进行，但是，也可使用其它适合的装置。在加热相应的磁热材料的过程中，活塞2使载热流体朝热模块210的热端H21的方向流动（图3A）；在冷却相应的磁热材料的过程中，活塞2朝热模块210的冷端C21的方向流动（图3B）。

因此，在图3A中，热模块210经受升温，因为磁热材料211、212、213布置在相应的磁装置231、232、233的气隙6中，载热流体从热模块210的具有最低居里温度的磁热材料211的冷端C21，移向具有最高居里温度的磁热材料213的热端H21。在图3B中，热模块210经受降温，因为磁热材料211、212、213位于磁装置231、232、233的气隙外，载热流体从热模块210的具有最高居里温度的磁热材料213的热端H21，被移向具有最低居里温度的磁热材料211的冷端C21。该流体循环方向交替变化可获得和保持热模块210中的温度梯度。

根据本发明，将磁装置231、232、233热分开和分配能在有限的温度范围工作的一个或多个磁热材料，具有两个主要优点。一方面，启动热发生器时，磁热材料211、212、213在两个磁相之间保持其温度，在热模块210中的总温度梯度更快速地达到。隔热可利用磁热材料211、212、213的热惯性。另一方面，热发生器200的性能增强，因为每对磁铁231、232、233中经受的温度梯度有限，因此，磁铁对相应的磁热材料211、212、213的温度梯度的热影响减小，无需使用任何能量来重新获得所述磁热材料中的最大温度梯度。隔热也可利用磁装置231、232、233的热惯性。

此外，可以将隔离室241、242、243以密封围腔实现，使其置于真空下或为其充填热导率低的气体例如氩或氪、或者这些气体的混合物。优选地，气体的压力等于大气压。还可将该气体增压。带有填料的密封系统可用于确保这些围腔的密封性，同时允许与围腔外部的连接（电气连接、机械连接等）。

根据本发明的隔离室尤其可以如所述构型的构型实施，因为流体在磁热元件中的循环方向垂直于磁场的变化方向。

与结合第一实施方式的前述优点相同的优点，也适用于该第二实施方式。

图5A和5B示出根据图2A和2B的发生器100的另一实施变型的热发生器300。其提出在磁装置131、132及其相应的磁热元件111、112之间插置绝热材料151、152。在图5A和5B中，该绝热材料151、152是布置在磁热元件111、112上的泡沫塑料层。绝热材料还可以是气凝胶类型的材料。但是，本发明不限于这种构型，泡沫塑料也可例如贴靠在磁装置131、132上。这种优选构型还可降低磁装置对磁热元件111、112的热效应。

工业应用的可能性：

这种热发生器100、200、300应用于需要加热、调温、冷却或进行空气调节的任何技术领域中。

本发明不局限于所述的实施例，而是扩展到对于本领域技术人员来说显而易见的、同时完全保持在所附权利要求书中限定的保护范围内的任何变化和变型。

Claims (11)

1.热发生器（100，200，300），其具有至少一个热模块（110，210），所述热模块包括至少两个磁热元件（111，112，211，212，213），所述热发生器（100，200，300）的特征在于：

-其包括至少两个磁装置（131，132，231，232，233），每个磁装置（131，132，231，232，233）使所述热模块（110，210）的至少一个磁热元件（111，112，211，212，213）经受磁相的交替变化；并且

-其包括隔离件，所述隔离件使所述磁装置（131，132，231，232，233）彼此隔离，形成隔热室（141，142，241，242，243），所述隔热室包括一磁装置（131，132，231，232，233）及其相关联的磁热元件（111，112，211，212，213）。

2.根据权利要求1所述的热发生器，其特征在于，对于所述热模块（110，210），一个磁装置（131，132，231，232，233）被分配给一个磁热元件（111，112，211，212，213）。

3.根据权利要求1或2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（210，1210，2210，3210，4210，5210，6210，7210）；并且，至少一个公共磁装置（231，232，233）使至少两个热模块（210，1210，2210，3210，4210，5210，6210，7210）的磁热元件经受交替的磁相。

4.根据前述权利要求中任一项所述的热发生器，其特征在于，所述隔离件由一层至少一绝热材料实现，其围绕每个磁装置（131，132，231，232，233）及其相关联的磁热元件（111，112，211，212，213）布置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的热发生器，其特征在于，所述隔离件固定于所述磁装置。

6.根据前述权利要求中任一项所述的热发生器，其特征在于，所述隔热室（141，142，241，242，243）是密封围腔。

7.根据权利要求6所述的热发生器，其特征在于，所述隔热室（141，142，241，242，243）处于真空下。

8.根据权利要求6所述的热发生器，其特征在于，所述隔热室（141，142，241，242，243）被充填有一种低热导率的气体或多种低热导率的气体的混合物。

9.根据权利要求8所述的热发生器，其特征在于，所述隔热室（141，142，241，242，243）中容纳的气体的压力等于大气压。

10.根据权利要求8所述的热发生器，其特征在于，所述隔热室（141，142，241，242，243）中容纳的气体处于增压下。

11.根据前述权利要求中任一项所述的热发生器，其特征在于，一层绝热材料（151，152）布置在每个磁装置（131，132）及其相关联的磁热元件（111，112）之间。

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