CN103917835A - 磁热式热发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁热式热发生器(1)，其包括至少一磁热单元(21)和至少一磁性单元(41)，所述磁热单元具有与载热流体(F)热接触的至少一磁热材料(3)，所述磁性单元(41)能够使所述磁热材料(3)经受可变磁场。该发生器(1)的特征在于，每个单元(21，41)具有模块化构型并且包括至少一嵌合形部(E1，E2，E3)，用以沿着同一中轴线(M)组装到具有互补的嵌合形部(E1，E2，E3)的另一单元(41，21)。

Description

磁热式热发生器

技术领域

本发明涉及一种磁热式热发生器，其包括具有与载热流体热接触的至少一磁热材料的至少一磁热单元以及能够使所述磁热材料经受可变磁场的至少一磁性单元。

背景技术

二十多年前就知道环境温度磁制冷技术，并且知道该技术在生态和可持续发展方面的优点。还知道其在有用发热功率及其效率方面的限制。从那时起，在该领域内进行的研究总倾向于通过作用于各种不同参数来改进磁热式热发生器的性能，这些参数如磁化功率、磁热材料的性能、在载热流体和磁热材料之间的交换面、热交换器的性能等。

至于磁化功率，重要的是在磁热式热发生器中集成一允许生成尽可能强的磁场的设备。事实上，磁热材料的磁热效果与其所经受的磁场的强度紧密相关。由此，该磁场越强，所述磁热材料的磁热效果越显著，并且由此磁热式热发生器的效率越高。

在磁热式热发生器，尤其是在至少一个构成元件围绕中轴线转动的发生器中，能够被改进的另一方面涉及在不同构成元件之间出现、并且导致在发生器的称为热侧的较热侧与发生器的称为冷侧的较冷侧之间的温度梯度下降的热桥。结果导致还与该温度梯度相关的磁热式热发生器的性能出现降低。

另一能够被改进的点涉及这类热发生器的设计、制造和安装的优化。

此外，除了应该具有可被利用的能量效率之外，磁热式热发生器还应具有较小尺寸或体积，例如允许其被集成在家电、车辆等中。

这样的例子尤其在同一申请人的公开文献US2010/0236258、FR2924489、FR2937182和FR2904098中描述，其中发生器的不同构成元件堆叠在被带动转动的公共臂上。

发明内容

本发明的目的是响应上述期待并提出一种磁热式热发生器：其具有减少的制造成本、提高热效率以及模块化，这种模块化便于其安装并且准许根据追求的热功率以及可能的变化来进行发生器的多种构型。

为此，本发明涉及一种在前言部分中指出的类型的磁热式热发生器，其特征在于，每个单元具有模块化构型并且包括至少一嵌合形部，用以沿着同一中轴线组装到具有互补的嵌合形部的另一单元，而不用公共安装轴。该组装是不使用互补部件的情况下实现的。

根据本发明的发生器还包括封闭与所述磁热材料热接触的载热流体的回路的至少一部分的液压单元，和包括所述载热流体的致动系统，并且所述液压单元可以具有模块化构型并且还包括至少一嵌合形部，用以沿着所述中轴线组装到具有互补的嵌合形部的另一单元。

该发生器还可包括至少一交换单元，该交换单元能够在与所述磁热材料热接触的载热流体和称作外部流体的另一载热流体之间实现热交换，所述交换单元具有模块化构型并且包括至少一嵌合形部，用以沿着所述中轴线组装到具有互补的嵌合形部的另一单元。

为此，所述交换单元可包括至少两个流体回路部分，其中第一流体回路部分用于与所述磁热材料热接触的载热流体，而第二流体回路部分用于所述外部流体，所述两个流体回路部分是热接触的。

优选地，嵌合形部可相互配合，以实现单元之间的沿着中轴线的轴向定位以及在与中轴线垂直的径向平面中的径向定位。

此外，嵌合形部中的一些可相互配合，以实现所述单元之间的沿着中轴线的轴向定位、在与中轴线M垂直的径向平面中的径向定位、以及在转动方面的连接。

在特别实施方式中，该发生器可包括两个磁性单元，这两个磁性单元彼此相面对地安装以形成磁路间隙，磁路间隙中是所述磁热单元的所述磁热材料，所述磁性单元每一个都可包括在中轴线处具有材料连续性的部件，该材料能够传导磁场并且所述部件支承至少一磁性组体。

所述磁性组体可为此包括至少一永磁体以及至少一极化部件。

这样的设置有利地允许减少热发生器的组装所必需的部件的数量，所述设备中的每个设备都包括允许该设备相对于邻近的设备定位的定位部件。结果根据本发明的发生器具有模块化构型，模块化构型便于组装并且还使得适用性增强。

附图说明

在下面参照附图对作为非限定性示例给出的实施方式的描述中，更好地显示本发明及其优点，在附图中：

－图1是根据本发明的具有一个热级的磁热式热发生器的示意图，

－图2是根据本发明的具有两个热级的磁热式热发生器的示意图，以及

－图3是图1所示的磁热式发生器的变型的示意图。

具体实施方式

在示出的实施例中，相同的部件或部分具有相同的附图标记。

附图中的图1至图3是根据本发明的磁热式热发生器1、10、20的实施例。这样的发生器1、10、20利用称为具有巨大磁热效应的材料的磁热效应或具有在磁场的变化作用下瞬时制冷或加热的能力的磁热材料3。

在这样的发生器1、10、20中，磁热材料3经受可变磁场，同时与被布置用于收集由所述材料产生的大卡(calorie)和负大卡(frigorie)的载热流体F热接触。为此，磁热材料3是可被载热流体F渗透的并由包括流通流体通道的一种或多种磁热材料3构成。这些流体通道能够由以下构成：多孔材料的孔，在实心块中加工的或通过例如彼此隔开或开槽、并且重叠的磁热材料板的组装获得的小的或微型的通路。在附图1至3中示出的发生器1、10、20中，磁热材料3通过彼此堆叠并隔开以允许载热流体F通过的磁热材料板的组装构成。当然可以设计允许载热流体F通过所述磁热材料3的任何其它实施方式。

在磁热材料3中，载热流体F根据其所受到的磁场的值而交替地在磁热材料3的相对端部之一的方向上流动。与所述磁场的变化相关的该载热流体F的移动允许在每种磁热材料3的称为热端和冷端的两个相对端部之间建立、然后保持温度梯度。对于相对端部，应该包括载热流体F在所述磁热材料3中、通过磁热材料3或沿着磁热材料3的进入区域和离开区域。

所示出的发生器1、10、20包括多个单元21、22、41、42、51、52、71、72，它们保证发生器1、10、20的具体功能并且实施为模块，这些模块能通过嵌合形部E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10、E11、E12、E13彼此交错，嵌合形部E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10、E11、E12、E13是所述不同单元21、22、41、42、51、52、71、72的组成部分。

这些单元21、22、41、42、51、52、71、72更具体地包括：

－封闭磁热材料3的磁热单元21、22，

－液压单元51、52，其包括驱动载热流体F与磁热材料3热接触的致动装置81、82，并且封闭热发生器1、10、20的液压回路6的至少一部分，

－磁性单元41、42，其用于使所述磁性材料3经受磁场的周期性变化，

－交换单元71，其允许实现在与磁热材料3热接触的载热流体F和连接到要被例如制冷、加热、或变温和的设备或应用的称为外部流体的另一载热流体之间的热交换，

－以及传送单元72，其保证发生器1、10、20中的流体连通，并更具体地允许在磁热材料3和液压单元52之间引导载热流体F。

图1所示的发生器1包括单一热级，即封闭围绕中轴线M同心地设置的磁热材料3的单个磁热单元21。这些磁热材料3被两个磁性单元41磁性地激励，两个磁性单元41是相同的并被对称地设置在磁热单元21两侧。在该实施例中，对中其中轴线M的每个磁性单元41包括与磁热单元21的互补的嵌合形部E1、E2相配合的嵌合形部E3。在图1的发生器1中，磁热单元21的嵌合形部E1、E2是突起部分，也称为公部分，其能够嵌入磁性单元41的由嵌合形部E3构成的对应形状的凹槽，也称为母部分中。这种通过嵌合的组装可以通过轴承或滚动轴承、或准许磁热单元21和磁性单元41之间的相对运动即在该实施例中磁性单元41围绕中轴线M相对于磁热单元21的转动运动的任何等效装置来完成。

为此，磁性单元41中每一个都包括具有材料连续性的部件14。材料连续性，是指该部件14不包括用于安装在轴或轮毂上的通孔。在该例子中由铁制成的该部件14上安装有两个磁性组体15，每个磁性组体15由永磁体16和至少一个能够聚集由永磁体16产生的磁通的极化部件17构成。这两个磁性单元41被安装为使得它们的磁性组体15彼此相面对用以限定磁路间隙13，磁热单元21的磁热材料3位于磁路间隙13中。在所示出的热发生器1中，同一磁性单元41的磁性组体15关于中轴线M对称地安装并且错开180°角度。因此，所述磁性单元41相对于磁热材料3的转动产生所述磁热材料3中的磁场变化，存在于磁路间隙13中的磁热材料3经受磁场而位于磁路间隙13外部的磁热材料3不经受任何磁场。当然可以选择另一等效构型。其中每个磁性单元41包括错开180°角度的两个磁性组体15的构型是作为示例给出的，当然可以在本发明的范围内设置一个或更多个沿着另外的角度值错开的磁性组体15，例如沿着90°角度错开的四个磁性组体。

不同于现有技术记载实施的发生器中的情况，不把不同单元21、41、51、71围绕公共中心轴安装或堆叠的事实，尤其允许在具有材料连续性的单个实心部件14中实现磁性单元41，从而利于磁性设备中的磁场通量的连续性，并且相对于使用具有轴上安装孔的同样部件14，允许在磁路间隙13中获得的更高的磁场。部件14主要由铁磁性材料实现。

磁热材料3与在集成到热发生器1的流体回路6中流通的载热流体F相接触。通过集成到液压单元51中的致动部件81使该流体流通。这样的致动部件可以例如是凸轮81，其轮廓确定活塞9或连接到载热流体F的回路6的等效部件的行程。然而本发明不排除载热流体F的任何其它形式的流通。在该实施例中，发生器1包括两个同样的液压单元51，其中一个设置在发生器1的热侧而另一个设置在冷侧。每个液压单元51的凸轮81通过嵌合形部E4、E5被组装到磁性单元41，嵌合形部E4、E5实现围绕中轴线M的径向定位和轴向驱动。因此，每个液压单元51在转动方面固定地连接到一磁性单元41。换句话说，液压单元51和磁性单元41构成发生器1的转子。可通过驱动电机、或经由传输装置在嵌合形部E6处与液压单元51中的至少一个耦合的任何其它等效驱动系统，使该转子转动，所述传输装置比如与开槽传动带关联的开槽滑轮、与齿轮关联的链、轮系或任何其它适当的传输系统。

允许轴向驱动单元41、51的嵌合形部E4、E5配合，以实现紧密调节和简单的机械连接。在图1的发生器1中，磁性单元41和液压单元51的嵌合形部E4、E5可以具有平行六面体区段。当然，本发明不限于该类构型并且这些嵌合形部可以具有准许在转动方面连接的任何其它区段。

根据本发明的热发生器1的目的是用一个或多个外部应用或回路释放或交换热发生器产生的热能，以便加热、空气调节、变温和等。这些外部应用可以例如是包围热发生器的空气体积、热壳体或设备。为此，发生器1包括安装在磁热单元21的每个端部的两个交换单元71。每个交换单元71包括两个流体回路部分11、12，一个流体回路部分11用于接收与所述磁热材料3热接触的载热流体F，另一个流体回路部分12用于接收热连接到外部回路或应用的称为外部流体的另一载热流体。这两个回路部分11和12在交换单元71中热接触，以便回收由于磁热材料3的磁热效应产生的热能。在图1的示例中，交换单元71由嵌在形状对应磁热单元21的凹槽E7、E8中的环构成。环状的交换单元71构成根据本发明的补充的嵌合形部E9。

因此，发生器由模块化单元21、41、51、71形成，模块化单元21、41、51、71可以容易地组装并尤其如同图2所示那样允许用相同的单元来制造不同功率的其它热发生器。这样的模块化的优点是允许容易的安装、减少根据本发明的发生器的构成部件的数量并因此便于所述部件的引用(référencement)、增加其可靠性、减少存储体积并因此减少根据本发明的热发生器1的成本。

此外，该模块化允许简化维护和各种技术维修，这是因为准许两个单元21、41、51、71之间的容易脱离，而无论其在热发生器中的位置如何。作为对比，在现有技术中的发生器中，需要从公共轴上卸下位于要修理的构件之前的所有功能构件。

此外，不同单元之间通过由形状配合而彼此嵌合的互补的嵌合形部E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9来自承重地组装，无需公共轴或轮毂。通过嵌合进行的这种组装的一部分可以被固定在例如机架上、支架上、或任何其它等效固定部件上，以便实现所述发生器的固定单元的固定连接。

根据本发明的发生器1不包括其上安装不同的功能构件的中心轴：传送转动运动的支承轴被每个模块化单元21、41、51、71的结构部分取代。这简化了根据本发明的发生器1的结构和安装并且允许减少其重量。此外，现有技术的发生器中用到中心轴需要在不同的功能构件之间安装套筒，这导致构成现有技术的发生器的部件的数量增大，更大的存储需求，需要更多操作并表示更高的成本。

此外，现有技术的热发生器中公共轴的集成引起的另一缺陷在于轴具有给定长度并且由此不能用于特别的发生器。换句话说，用于包括一个热级的发生器的轴太短并且不能集成到包括两个热级的发生器中或者不能允许所述发生器的升级。再一次地，这样的缺陷对于存储和引用并且因此对于总成本有影响。相反，因为不同单元21、41、51、71自由嵌入彼此，所以根据本发明的发生器是完全模块化的。这允许减少要制造、管理、存储、运输、和安装的部件的数量，并因此减少所述发生器的总成本。

由于不存在公共轴，尤其是包括多级磁热材料的磁热式热发生器，导致的另一优点是消除由于该轴的存在和因此由于增加磁热式热发生器的效率而导致的热桥。事实上，在现有技术的已知发生器中，轴与发生器的构件是热接触和物理接触的并且在它们之间实现热桥。例如，对于包括两个热级－其中第一级包括发生器的制冷侧，第二级包括发生器的加热侧－的发生器而言，上面安装有两个级的公共轴在这两级之间实现热能的转移或交换，损害在加热端和制冷端之间的温度梯度，并且因此减小发生器的热功率。在根据本发明的发生器1中这样的轴的不存在，允许消除该热桥并增大发生器的效率。为此，有利的是在用一种或多种非导热性材料中实现全部或某些的单元21、22、41、42、51、52、71、72。

为此图2示出根据本发明的具有两个热级的发生器10。根据本发明的发生器10主要由与用于图1所示的具有一级的发生器1的安装的单元相同的单元构成。仅有的新的或可以是不同的单元是具有凸轮82并且安装在两个热单元21之间的新的中央液压单元52，以及流体的两个新的传送单元72，每个传送单元72替换一个交换单元71并且每个保证载热流体F在两个磁热单元21和中央液压单元52之间的流通。作为比较，现有技术的具有两个热级的发生器还集成了新的公共轴以及安装在附加构件之间的新套筒，该公共轴的长度适于发生器的构型。此外，现有技术的这样的发生器的芯部的维修需要所述发生器的完全拆卸。

至于中央液压单元52，其与设置在发生器10的端部的液压单元51的区别主要在于中央液压单元52所集成的液压分布，这是由于中央液压单元52连接到两个磁热单元21。嵌合形部E10和E11本身分别与嵌合形部E5和E6相同，以保持根据本发明的发生器2的模块化。

该热发生器10的优点与参照在图1所示的发生器1描述的优点相同。

因此，本发明提出具有模块化设计的热发生器1、10，该模块化设计准许容易执行并且组成单元数量有限的安装，并且允许根据所追求的热功率实现发生器的多个可能的构型。

图3示出根据本发明的发生器的一个实施变型，其具有与参照图1的发生器1描述的优点相同的优点。在图3的发生器20中，磁性单元41、42彼此面对地安装以形成磁路间隙13并包括彼此配合的互补嵌合形部E3、E12。磁性单元之一42为此包括用于啮合到对应的嵌合形部E3－比如另一磁性单元41的凹槽－中的突起部分E12，以便实现紧密调节。该另一磁性单元41有利地对应于与用于在图1和图2中示出的发生器1和10的部件相同的部件。优选地，突起部分E12表示一区段，突起部分E12使两个磁性单元41、42在转动方面连接。四边形或蛋形区段是一种可考虑的形状的例子。然而，还可以想到以圆形区段实现该突起部分E12并且把角度定位部件，如柱销、螺纹杆、定位销、开槽，集成到两个磁性单元41、42之间。

在该实施变型中，磁热单元22由环状物形成，该环状物限定镗孔、在中轴线M上对中、并且构成通过枢转连接安装在对应的磁性单元41的突起部分E12上的嵌合形部E13。该枢转连接可以通过例如滚动轴承来实现。当然，可以使用准许一个设备相对于另一设备的转动引导的任何其它等效部件，如可使用轴承。

将发生器的功能单元E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9、E10、E11、E12、E13实施为能够通过嵌合形部21、22、41、42、51、52、71、72彼此组装的模块的形式，嵌合形部属于所述单元的组成部分，而不使用穿过所述单元的公共轴或轮毂，这样的实施允许提出设计优化的磁热式热发生器1、10、20，该磁热式热发生器具有较低的制造成本、较高热效率并且能够根据所追求的功率而具有不同的构型。因此，这些单元可以通过所包括的嵌合形部来彼此安装，而无需把这些单元安装且固定到穿过部件比如轴或轮毂上。

工业实用性

该描述清楚地反应出本发明允许达到所确定的目的，即提出一种磁热式热发生器，由于其组成元件的模块化构型，而具有制造和效率的优化以及较小的成本。

本发明不限于所描述的实施例，而是对于本领域技术人员来说在保持所附权利要求限定的保护范围的同时可以扩展到任何明显的变型和修改。

Claims (8)

1.一种磁热式热发生器(1，10，20)，其包括至少一磁热单元(21，22)和至少一磁性单元(41，42)，所述磁热单元具有与载热流体(F)热接触的至少一磁热材料(3)，所述磁性单元(41，42)能够使所述磁热材料(3)经受可变磁场，所述磁热式热发生器的特征在于，每个单元(21，22，41，42)具有模块化构型并且包括至少一嵌合形部(E1，E2，E3，E12，E13)，用以沿着同一中轴线(M)组装到具有互补的嵌合形部(E1，E2，E3，E12，E13)的另一单元(41，42，21，22)，而不用公共安装轴。

2.根据权利要求1所述的磁热式热发生器，其特征在于，其还包括封闭与所述磁热材料(3)热接触的所述载热流体(F)的回路(6)的至少一部分的液压单元(51，52)，和包括所述载热流体(F)的致动系统(81，82)；并且，所述液压单元(51，52)具有模块化构型并且还包括至少一嵌合形部(E5，E6，E10，E11)，用以沿着所述中轴线(M)组装到具有互补的嵌合形部(E4)的另一单元(21，22，41，42)。

3.根据权利要求1至3中任一项所述的磁热式热发生器，其特征在于，其还包括至少一交换单元(71)，所述交换单元能够在与所述磁热材料(3)热接触的所述载热流体(F)和称作外部流体的另一载热流体之间实现热交换；并且，所述交换单元(71)具有模块化构型并且包括至少一嵌合形部(E9)，用以沿着所述中轴线(M)组装到具有互补的嵌合形部(E7，E8)的另一单元(21，22)。

4.根据权利要求3所述的磁热式热发生器，其特征在于，所述交换单元(71)包括至少两个流体回路部分(11，12)，其中第一流体回路部分(11)用于与所述磁热材料(3)热接触的所述载热流体(F)，而第二流体回路部分(12)用于所述外部流体，所述两个流体回路部分(11，12)是热接触的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的磁热式热发生器，其特征在于，互补的嵌合形部(E1，E3；E2，E3；E4，E5；E4，E10；E4，E11；E7，E9；E8，E9；E12，E3)相互配合，以实现单元(21，22，41，42，51，52，71)之间的沿着所述中轴线(M)的轴向定位以及在与所述中轴线(M)垂直的径向平面中的径向定位。

6.根据前述权利要求中任一项所述的磁热式热发生器，其特征在于，嵌合形部(E5，E4；E10，E4；E11，E4；E12，E3)相互配合，以实现单元(41，51；41，52；42，51)之间的沿着所述中轴线(M)的轴向定位、在与所述中轴线(M)垂直的径向平面中的径向定位、以及在转动方面的连接。

7.根据前述权利要求中任一项所述的磁热式热发生器，其特征在于，其包括两个磁性单元(41，42)，这两个磁性单元(41，42)彼此相面对地安装以形成磁路间隙(13)，所述磁路间隙中是所述磁热单元(21，22)的所述磁热材料(3)；并且，所述磁性单元(41，42)每一个都包括在所述中轴线(M)处具有材料连续性的一部件(14)，所述材料能够传导磁场；并且，所述部件(14)支承至少一磁性组体(15)。

8.根据权利要求7所述的磁热式热发生器，其特征在于，所述磁性组体(15)包括至少一永磁体(16)以及至少一极化部件(17)。