CN105829812B - 流动效率提高的磁制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种磁制冷系统，其在流体控制阀与磁致热床之间提供流量平衡的通道，以消除由因流量变化引起的对磁性床的不均等的利用而导致的低效率。

Description

流动效率提高的磁制冷系统

关于联邦政府资助的研究或研发的声明

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年12月17日提交的美国临时申请序列号61/917,025的优先权，该美国临时申请的全部内容通过参引并入本文。

背景技术

磁制冷(MR)是基于磁热效应的新兴冷却技术，磁热效应是特定材料所表现出的性质，所述特定材料在被放置于磁场中时升温、而在该磁场被去除时降温。磁制冷相比作为当前用于冷却的被最广泛使用的方法的蒸汽压缩提供了许多显著的优点。首先，MR不使用氢氟烃(HFC)、氯氟烃(CFC)，也不使用任何其他气态材料；MR系统中的制冷剂呈多孔固体的形式。不存在任何气体大大地降低了泄漏的可能性，而泄漏是蒸汽压缩系统中的常见问题。因此，MR系统由于减少的维护和停机时间而可以具有更高的可靠性。HFC和CFC的消除对环境有益处，这是因为这些气体消耗臭氧并且导致全球变暖。最后，理论研究表明，特别是在非高峰负载条件下，MR系统可以比蒸汽压缩系统更节能。

关于磁制冷的总体背景可见于发表在Int.J.of Refrig.(制冷杂志)31:945–961,2008中的由K.Gschneidner和V.Pecharsky著的“Thirty years of near roomtemperature magnetic cooling:Where we are today and future prospects(近室温磁冷却的三十年：我们的现状及未来展望)”、以及发表在HVAC&R Research(HVAC&R研究)，13(4):525–542,2007中的由K.Engelbrecht、G.Nellis、S.Klein和C.Zimm著的“RecentDevelopments in Room Temperature Active Magnetic Regenerative Refrigeration(室温主动磁蓄冷式制冷的最新发展)”。现代室温MR系统实施所谓的主动磁蓄冷器(AMR)循环以进行冷却，如在美国专利No.4,332,135中所公开的，特此将该美国专利通过参引而并入本文。该循环具有四个阶段，如图1A、图1B、图1C和图1D中示意性地示出的。这些附图中的MR系统包括由磁致热材料(MCM)制成的多孔床190和传热流体，该传热流体在其流动穿过床190时与MCM交换热量。床190的左侧部为冷侧部，而热侧部在右侧。流体流动的正时和方向(由热至冷或由冷至热)与磁场192的施加及去除相协调。在循环的第一阶段(“磁化”)——图1A中，在床190中的流体停滞的同时，向MCM施加磁场192以导致MCM变热。在下一个阶段(“热吹”)——图1B中，在保持施加于床190上的磁场192的同时，处于温度T_Ci(冷入口温度)下的流体通过冷入口182而被从冷侧部泵送穿过床至热侧部。该流体从床中的MCM吸收热量并且该流体的温度在该流体穿过床190时上升。在热吹期间，流体在温度T_Ho(热出口温度)下通过热出口186离开床190并且循环通过热侧热交换器194，在热侧热交换器194处流体向周围环境放热并且恢复至温度T_Hi(热入口温度)，T_Hi<T_Ho。在下一个阶段(“去磁”)——图1C中，流体流动终止并且磁场被去除。这导致床190进一步冷却。在最后阶段(“冷吹”)——图1D中，处于温度T_Hi下的流体在持续不存在磁场的情况下被从热侧部经由热入口188泵送穿过床190至冷侧部。流体在其穿过床190中的MCM时被冷却，达到温度T_Co(冷出口温度)，T_Co<T_Ci。在冷吹期间经由冷出口184离开床190的较冷的流体循环通过冷侧热交换器196，从经制冷的环境获取热量。流体在温度T_Ci下离开冷侧热交换器196并且完成AMR循环。在冷吹期间由冷侧热交换器196中的冷流体所吸收的热量允许经制冷的环境保持其较冷的温度。

虽然图1A、图1B、图1C和图1D示出了单床MR系统的操作，但是本领域的普通技术人员将理解：可以在单个系统中结合多个床——每个床均经历相同的AMR循环——以提高冷却能力、降低系统尺寸、或者以其他方式改善循环性能。

为了实施AMR循环，磁制冷机需要由磁致热材料制成的一个或更多个多孔床、传热流体、用以驱动流体穿过床的泵、用于向床施加磁场及去除磁场的装置、以及流动控制系统，该流动控制系统使穿过床的流体流动的正时和方向与床上的磁场的施加及去除相协调。在磁制冷机中的AMR循环的一个实施方式中，带间隙的磁体组件——例如，在美国专利No.7,148,777中所公开的磁体组件，特此将该美国专利通过参引而并入本文——旋转经过由磁致热材料制成的固定床。固定床配装到磁体组件的间隙中，并且在磁体组件的间隙旋转经过给定的固定床时，磁场被施加至给给定床。磁场在床保持位于磁体间隙内时在床的各处被保持。当磁体旋转离开给定床时，磁场被去除。这种被称为“旋转磁体”磁制冷机或RMMR的实施方式在美国专利No.6,668,560中进行了描述，特此将该美国专利通过参引而并入本文。

RMMR中的每张床均具有四个流体端口，如图1A、图1B、图1C和图1D中所示。这些端口中的两个端口——热入口端口188和热出口端口186——位于床190的热侧部上，而其他两个端口——冷入口端口182和冷出口端口184——位于床190的冷侧部上。入口端口188和182向床190中的磁致热材料输送流体，而出口端口186和184汇集从磁致热材料出来的流体。通过使用分开设置的入口端口和出口端口，通常处于不同温度的入口流体流和出口流体流的混合被最小化。这通过防止与混合相关联的热损失而改善了MR系统性能。

通常，为了控制流体流动，RMMR使用四个阀，所述四个阀被称为热入口(Hi)阀、热出口(Ho)阀、冷入口(Ci)阀以及冷出口(Co)阀。当床位于旋转磁体组件的间隙内时，冷入口阀向床的冷入口端口输送流体流；同时，热出口阀汇集来自床的热出口端口的流体。热入口阀阻止流体流动至床的热入口端口，而冷出口阀阻止来自冷出口端口的流体流。以这种方式，流体流仅能从冷入口端口穿过床行进至热出口端口，这是用于经历AMR循环的热吹阶段的经磁化的床的期望的流动路径。当磁体旋转离开床以使得该床此刻被去磁时，冷入口阀此刻阻止流体流进入冷入口端口，而热出口阀阻止流体流通过热出口端口流出。热入口阀打开并且将热入口流体引导至床的热入口端口，同时冷出口阀打开，从而允许流体通过冷出口端口离开床。以这种方式，流体流仅能从热入口端口穿过床行进至冷出口端口，这是用于经历AMR循环的吹冷阶段的经去磁的床的期望的流动路径。明显的是，为了MR系统的正常运行，阀的打开及关闭必须与磁体组件相对于床的角度位置相协调。

旋转阀——例如在美国专利No.6,668,560中所公开的旋转阀，特此将该美国专利通过参引而并入本文——可以用于实现上述流动控制。通常，旋转阀采用两个元件——定子和转子，所述定子包括孔的成角度设置，所述转子包括延伸越过一定角度距离的槽。转子槽在与定子中的孔相同的路径上定中心，使得转子槽与定子中的孔中的一个或更多个孔重叠。当转子槽与定子孔重叠时，通过阀形成连续的流体路径；当转子槽不与定子孔重叠时，流体流不能行进通过阀并且流动被阻止。转子和定子的接触面通常是经高度抛光的，使得流体不能在转子与定子之间泄漏。在阀中，定子具有多个端口。这些阀端口中的每一个阀端口均连接至流体导管(例如，管)，该流体导管的另一端连接至床的端口。定子中的每个孔均连接至这些阀端口中的一个阀端口。室的另一端部包括单个轴向端口，该单个轴向端口连接至流体导管(例如，管)。此导管的另一端连接至热交换器。转子附接至使该转子相对于定子旋转的旋转轴。当转子定位成使得该转子的槽与定子孔重叠时，在位于阀的一侧的床端口与位于该阀的另一侧的热交换器之间提供连续的流体路径；否则，向床端口的流动或来自该床端口的流动被阻止。当转子旋转时，槽交替地允许及阻止向床端口的流动或来自该床端口的流动。转子的在冷入口阀中的位置设定成使得：在床位于磁体组件的间隙内时，转子槽与(通过相关联的冷入口阀端口)和床的冷入口端口连接的孔重叠。转子的在热出口阀中的位置设定成使得：在床位于磁体组件的间隙内时，该热出口阀的转子槽与(通过相关联的热出口阀端口)和床的热出口端口连接的孔重叠。以这种方式，形成了从冷侧热交换器至热侧热交换器的从床的冷入口端口穿过该床至该床的热出口端口的连续流体路径。转子槽的角度范围被选择成使得冷入口阀和热出口阀中的孔在床保持位于磁体组件的间隙内的情况下保持不被遮蔽。转子的在热入口阀和冷出口阀中的位置设定成使得与经磁化的床的热入口端口和冷出口端口相连接的孔被挡住。

通过由同一马达驱动的阀和磁体组件，转子将以与磁体组件精确协调的方式旋转。特别地，在磁体组件旋转离开给定床以使得该给定床被去磁时，冷入口阀和热出口阀中的转子现在将挡住与床的冷入口端口和热出口端口相连接的孔。热入口阀和冷出口阀中的转子旋转成使得转子槽使与此刻被去磁的床的热入口端口和冷出口端口相连接的孔露出。因此，形成从热侧热交换器至冷侧热交换器的从被去磁的床的热入口穿过所述被去磁的床至所述被去磁的床的冷出口的流动。

在现有的RMMR中，并且如在美国专利No.6,668,560——特此将该美国专利通过参引而并入本文——中所描述的，四个阀设置在磁体组件的扫掠范围之外的四个位置处，并且阀轴是通过带和带轮而由磁体组件轴驱动的，所述带和所述带轮将阀轴连接至磁体组件轴，所述磁体组件轴又由马达驱动。相反地，在本发明中，这些阀与磁体组件轴同轴地定位于磁体组件的每一侧，使得这些阀能够由磁体组件轴直接地驱动。

发明内容

本发明人已确定，在常规的磁制冷系统中由于用于在装置的复杂回路内传导流体的相互连通的导管的长度、构型和结构的变化而可能出现实质性地低效率。这些变化可显著地对磁致热床利用不足而降低效率。因此，本发明提供了一种磁制冷系统，在该磁制冷系统中，位于阀系统与磁致热床之间的导管在多个导管启用时或在导管启用的连续间隔内就流量而言是平衡的。阀同心地定位的旋转式设计有助于这种平衡，该设计不仅考虑到对流动的稳态阻力，而且还考虑到了由导管容积和/或弹性的变化所引起的动态效应。

在一个实施方式中，本发明提供了一种磁制冷系统，该磁制冷系统具有由磁致热材料制成的至少第一床和第二床，每个床均具有第一侧部和相反的第二侧部，流体可以在第一侧部与第二侧部之间流动。至少一个歧管将热入口导管和热出口导管连通至每个床的第一侧部并且将冷入口导管和冷出口导管连通至每个床的第二侧部。磁体组件能够移动以在第一状态下向第一床施加比向第二床施加的磁场更大的磁场并且在第二状态下向第二床施加比向第一床施加的磁场更大的磁场，并且阀系统与导管连通并且与磁体组件同步以允许流体循环通过第一床和第二床，以便通过经由至少一个第一导管对(每个第一导管对均为连续地连接的冷入口导管和热出口导管)提供流体流来从第一床去除热量以及通过经由至少一个第二导管对(每个第二导管对均为连续地连接的热入口导管和冷出口导管)提供流体流来在第一状态下向第二床添加热量。第一导管对和第二导管对中的每一者均适于在由阀系统连接成用于流体流时提供穿过每个第一导管对的基本相等的流体流。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是解决可能由相对较小的流量不平衡而造成的冷却效率低的问题。

每个第一导管对均可以具有基本相等的流动阻力并且每个第二导管对均具有基本相等的流动阻力。在这方面，每个第一导管对和每个第二导管对均可以具有基本相同的长度。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是使导管中的例如影响稳态流动之类的流动阻力平衡。

输送较大流体流的导管对可以被制成为比输送较小流体流的导管对短。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是提供一种可以更好地调整成允许冷循环部分和热循环部分中的相等的流体流的系统。

替代性地或者另外地，每个第一导管对和每个第二导管对均可以具有基本相等的内部容积。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是解决由与导管对中的流动材料的惯性质量有关的动态“感应”效应引起的流量不平衡的问题。

替代性地或者另外地，每个导管对均具有基本相等的随压力变化的内部容积的变化。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是补偿由与导管的弹性有关的动态“容量”效应引起的流量不平衡。

每个导管对的至由磁致热材料制成的床的内部容积于在磁制冷系统的操作期间经历最小流体压力至最大流体压力的增大时的变化可以小于在导管对向单个床输送流体流的时间间隔期间输送至该床的总流体体积的5％。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是限制由可能是弹性的导管中储存的压力所引起的潜在回流和效率低。

热入口导管、热出口导管、冷入口导管以及冷出口导管中的每一者均可适于提供基本相等的对流体流的阻力。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是根据导管的功能来提供平衡的阻力。

阀系统可以设置四个阀，所述四个阀包括热出口阀、热入口阀、冷出口阀以及冷入口阀，其中，在第一状态下，热出口阀将第一床的热出口导管连接至热的热交换器的入口，并且冷入口阀将第一床的冷入口导管连接至冷的热交换器的出口，并且热入口阀将第二床的热入口导管连接至热的热交换器的出口，并且冷出口阀将第二床的冷出口导管连接至冷的热交换器的入口。此外，其中，在第二状态下，热出口阀将第二床的热出口导管连接至热的热交换器的入口，并且冷入口阀将第二床的冷入口导管连接至冷的热交换器的出口，并且热入口阀将第一床的热入口导管连接至热的热交换器的出口，并且冷出口阀将第一床的冷出口导管连接至冷的热交换器的入口。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是在保持穿过每个导管的单向流动的系统中提供平衡的流量以消除由回流产生的损失。

热出口阀和热入口阀可以包括可动元件，所述可动元件打开及关闭热出口阀和热入口阀并且与磁体组件机械相连，并且其中，冷入口阀和冷出口阀为由流体流致动的单向阀。替代性地，冷出口阀和冷入口阀可以包括可动元件，所述可动元件打开及关闭冷出口阀和冷入口阀并且与磁体组件机械相连，并且其中，热入口阀和热出口阀可以是由流体流致动的单向阀。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是通过使用某些单向型阀来简化阀结构。

第一床和第二床可以围绕中心轴线设置，并且磁体组件可以附接至能够相对于第一床和第二床沿着该中心轴线旋转的轴，并且热出口阀和热入口阀可以是圆盘阀，该圆盘阀具有围绕该轴同轴地附接成相对于围绕该轴同轴地定位的静止的定子部分移动的转子部分。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是采用轴向平衡的旋转结构以利于导管结构的平衡。

热出口阀和热入口阀可以具有相对于床固定的定子部分和相对于磁体固定的转子部分，其中，定子部分安装在转子部分之间。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是采用阀转子与阀定子之间的固有密封和阀取向来平衡将转子密封至定子所必要的力。

磁制冷系统可以包括围绕中心轴线设置的多个磁性床，每个磁性床都具有歧管，该歧管将热入口导管和热出口导管连通至每个床的第一侧部并且将冷入口导管和冷出口导管连通至每个床的第二侧部，其中，阀系统设置有附接至轴并与入口导管或出口导管连通的阀。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是在由不平衡的流量而引起的效率低可能加重的多床系统中提供平衡的流量。

阀可以在轴的一个或更多个位置处提供与多个入口导管或多个出口导管的基本不受阻的连通。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是在多个导管并行地操作时确保导管之间的相等的流量分配。

磁制冷系统还可以包括使流体循环通过阀系统以及入口导管和出口导管的容积式泵。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征是提供一种可以对在多个床之间进行切换所必要的流量的快速变化进行处理的泵、以及提供一种与这种快速切换相容的导管系统。

这些特定的目的和优点可以仅适用于落入权利要求的范围内的一些实施方式并且因此不对本发明的范围进行限定。

附图说明

图1a至图1d为示出了用以执行冷却的主动式磁蓄冷器(AMR)循环的示意图；

图2示出了本发明的具有四个圆盘阀的第一实施方式；

图3示出了本发明的具有安装至共同组件的热入口阀的定子和热出口阀的定子的第二实施方式；

图4示出了本发明的具有较大半径的磁体的第三实施方式；

图5示出了本发明的具有安装至共同组件的热入口阀的定子和冷入口阀的定子的第四实施方式；

图6示出了本发明的具有位于冷侧部上的止回阀的第五实施方式；

图7示出了位于床的一个侧部处的流动连接的放大图；

图8示出了图3中所示的第二实施方式的八床构型的端部视图；

图9为与图8类似的图，但是示出了提供不均等吹动的系统；

图10为与图5类似的图，但是示出了提供不均等吹动的系统；以及

图11为与图5类似，示出了流量不平衡的系统。

具体实施方式

本发明包括“旋转磁体”磁制冷机(RMMR)，该“旋转磁体”磁制冷机使用旋转圆盘阀来对流向床的流动和来自所述床的流动进行控制，其中，这些阀与使磁体组件旋转的轴同轴地定位。在图2中示出了本发明的第一实施方式。图2示出了两床系统1的横截面，在所述两床系统1中，第一床2(经磁化的)位于磁体组件6的间隙8内，而第二床4(经去磁的)位于该组件的间隙8外。马达10(其可以是电马达)使中心轴12旋转，中心轴12安装至轴承102、104、106和108，并且穿过旋转密封件122、124、126和128。该中心轴12还驱动位于同轴的阀22、24、26、28中的每一者中的转子14、16、18、20。泵30驱动流体流穿过系统1。

在图2中所示的构型中，热入口(Hi)阀22中的转子14使与经去磁(下部)的床4的热入口端口42相连接的孔32露出。同时，冷出口(Co)阀24中的转子16使与床4的冷出口端口44相连接的孔34露出。因此，从热侧热交换器(HHEX)40流出的处于温度T_Hi下的增压流体由管62输送到位于热入口阀22的一端处的室52中、穿过热入口阀22的定子88中的露出的孔32并被驱动到热入口管64b中、并且从床4的热入口端口42穿过床4至床4的冷出口端口44。在穿过冷的经去磁的床4之后，此刻处于温度T_Co下的该流体由冷出口管66b输送并且由打开的冷出口阀24汇集穿过定子90中的孔34，并且经由位于阀24的一端处的室54而被引导穿过管92到达冷侧热交换器(CHEX)60，在冷侧热交换器(CHEX)60中，流体从经制冷的环境吸收热量并且该流体的温度升高至T_Ci。经去磁的床4的冷入口端口68和冷入口管72b被位于冷入口(Ci)阀26中的挡住孔38b的转子16阻挡，并且经去磁的床4的热出口端口70和热出口管82b也被位于热出口(Ho)阀28中的挡住孔94b的转子20阻挡。从冷侧热交换器60的另一端流出的处于温度T_Ci下的流体进入位于冷入口阀26的一端处的室56中的单个端口36。该流体被引导穿过冷入口转子18且穿过定子86中的孔38a而进入到冷入口管72a中并且被引导至经磁化(上部)的床2的冷入口端口74。流体从冷入口端口74穿过经磁化的床2至热出口端口78并且该流体的温度升高至T_Ho。通过床2的冷出口端口76和冷出口管66a的流动由冷出口阀24阻止。通过床2的热入口端口80和热入口管64a的流动由热入口阀22阻止。来自床2的端口78的处于温度T_Ho下的热出口流体由热出口管82a输送穿过定子96中的孔94a而进入到热出口阀28中、经由室58而离开阀28并且经由管84而返回至泵30，在泵30处，流体被引导通过HHEX40的另一端部，从而完成流动回路。

虽然附图示出了在本发明的部件之间输送流体流的管，但是还可以使用在部件之间输送流体的任何合适的导管。例如，导管可以是注射模制组件中的流体通路，或者所述导管可以是通过增材制造(additive manufacturing)制成的组件中的流体通路，或者所述导管可以是如附图中所示的管。

在图3中示出了本发明的第二实施方式。第二实施方式具有与第一实施方式的部件相同的部件，并且这些部件以与第一实施方式相同的方式执行相同的功能。区别在于，冷入口阀26的定子86和转子18左右颠倒，并且热入口阀22的定子88和转子14左右颠倒，从而允许热入口阀22的定子88和热出口阀28的定子96安装至共同的组件98；冷入口阀26的定子86和冷出口阀24的定子90也可以安装至共同的组件100。磁体组件6、床2、床4以及泵30在第一实施方式和第二实施方式中处于相似的位置。

通过将定子88和96安装在相对的壁上，将转子14压向其定子88所需的力和将转子20压向其定子96所需的力抵消，并且将转子16压向其定子90所需的力和将转子18压向其定子86所需的力抵消，从而减小了轴12上的载荷并且简化了设计。

在图4中示出了本发明的第三实施方式。第三实施方式具有与第二实施方式的部件相同的部件，并且这些部件例如马达10以与第二实施方式相同的方式执行相同的功能。区别在于，第一实施方式和第二实施方式中的磁体组件6和床2、床4在相似的半径处定位于热入口阀22与冷入口阀26之间，而第三实施方式的磁体组件6和床2、床4在更大的半径处定位于阀22、阀26外侧，从而允许组件1的长度减小。应当指出的是，在图4中，热出口管82a和82b都具有相同的长度和形状，并且冷入口管72a和72b也都具有相同的长度和形状，但是热出口管82a与冷入口管72a的长度和形状不同。

在图2、图3和图4中，所有诸如热出口之类的具有相同功能的管的长度都相同，不过诸如热出口和冷入口之类的具有不同功能的管可以具有不同的长度。更一般地，诸如与热出口管82a连续地连接的冷入口管72a和与热出口管82b连续地连接的冷入口管72b(第一导管对)、或者与冷出口管66a连续地连接的热入口管64a和与冷出口管66b连续地连接的热入口管64b(第二导管对)之类的导管对构造成用于所有相似导管对之间的相等或平衡的流动。这是通过确保导管对提供相等的稳态流动阻力、而且还通过解决如下动态因素来提供的——例如，通过将导管对的总内部容积设定成相等的来解决流动感应、以及通过确保随着压力变化的内部容积的变化对于导管对来说是相等来解决流动容量。这些值还可以是相等的，但是在第一导管对与第二导管对相比较时不需要相等。

在图5中示出了本发明的第四实施方式。第四实施方式具有与第三实施方式的部件相同的部件，并且这些组件例如马达10以与第三实施方式相同的方式执行相同的功能。区别在于，热入口阀22的定子88和冷入口阀26的定子86安装至共同的组件101，从而允许可以比前三个实施方式更短的至床2的热入口管64a和冷入口管72a以及更短的至床4的热入口管64b和冷入口管72b。

可以通过用单向阀代替冷侧入口阀和冷侧出口阀而产生上述四个实施方式的其他变体。可以用在本发明中的单向阀的示例为止回阀和簧片阀。单向阀——也被称为止回阀——允许仅一个方向上的流体流动而阻止相反方向上的流体流动。例如，球形止回阀使用球面球体来阻挡流体的在一个方向上的流动。成圆锥形渐缩的座将球置于阀开口内以防止一个方向上的流动，但是在球从其座中移位时允许相反方向上的流动。可以通过弹簧来帮助将球置于座内。其他类型的单向阀包括隔膜止回阀、摆动式止回阀、倾斜盘止回阀、截止止回阀、升降式止回阀、直通止回阀、鸭嘴阀、气动止逆阀等。单向阀可以比旋转圆盘阀小且便宜。

在图6中示出了使用单向阀的第五实施方式的示例，在该示例中，图3中的实施方式2的冷侧部的阀24、26已由图6中的止回阀120、121、125和127代替。可以通过用单向阀代替热侧部的入口阀和热侧部的出口阀并且将泵移动至冷侧部来产生前四个实施方式的其他变体。例如，在实施方式2的泵30移动至冷侧部的情况下，实施方式2的热侧部的入口阀22和热侧部的出口阀28可以由单向阀代替，而同时保留冷侧部的圆盘阀24和26。

图7示出了如何才可以在床的一个端部与来自阀的入口管和出口管之间进行连接的细节。冷入口管72b和冷出口管66b来自图7的顶部并且进入床增压室组件110。冷入口管72b终止于冷入口端口68处，并且冷出口管66b终止于冷出口端口44中，冷入口端口68和冷出口端口44在矩形开口112处连接，矩形开口112可以附接至诸如图2中的床4之类的床的一个侧部。在图7中未示出床。

虽然在图2至图6中示出了两床实施方式，但是通常有利的是将附加的床配装在由磁体间隙扫过的路径中。附加的床使冷却能力增大，并且能够更有效的利用磁体组件。阀可以设计成同时允许在给定方向上的至多个床的流动。例如，第一实施方式的八床变体在图8中被示出为从冷端部观察到的端部视图。未示出的是冷入口管、热入口管和热出口管、阀壳体和密封件、HEX(热交换器)、泵、马达以及轴承。磁体组件6和冷出口阀转子16连接至轴12并且与轴12一起旋转。磁体组件被示出为覆盖在两个经磁化的床2a、2b上，所述两个经磁化的床2a、2b两者都经历从其冷端向其热端的流动。两个经去磁的床4a、4b处于最低场效应区域中并且这两者都经历从其热端向其冷端的流动，位于中间场效应区的其余四个床3a、3b、3c和3d不经历流动。每个床均附接至冷侧增压室组件110和热侧增压室组件111。这些增压室一起形成围绕床的歧管。冷出口阀转子16被示出为使冷出口阀定子90中的两个孔34a、34b露出，从而允许流体流通过冷出口端口44a、44b和冷出口管66a、66b而离开经去磁的床4a、4b，冷出口端口44a和冷出口管66a附接至冷侧增压室组件110a并且冷出口端口44b和冷出口管66b附接至冷侧增压室组件110b。同时，冷出口阀转子16挡住孔34c、34d、34e、34f、34g和34h，由此阻挡来自床2a、2b、3a、3b、3c和3d的冷出口端口的流动。

应当指出的是，图8的流动情况可以利用冷入口阀转子、冷出口阀转子、热入口阀转子以及热出口阀转子来实现，所述冷入口阀转子、冷出口阀转子、热入口阀转子以及热出口阀转子中的每一者均每次使与其相匹配的定子中的两个孔露出。

虽然图8示出了两个床同时经历从冷至热的流体流动以及两个床经历从热至冷的流体流动的情形，存在不经历流体流动并且因此未对装置的冷却作出贡献的四个床。如果冷出口阀转子和热入口阀转子相比冷入口阀和热出口阀使与其相匹配的定子中的更多的孔露出，则更多个床将经历从热至冷流动、而非将经历从冷至热流动。图9示出了这种设置，在该设置中，冷出口阀转子16使其定子90中的四个孔露出，由此，倘若热入口阀也使其对应的定子中的四个孔露出以允许热入口流进入床3a、4b、4a和3d，则允许四个床3a、4b、4a和3d的同时的从热至冷流动。同时，如果冷入口阀转子和热出口阀转子仍然使其对应的定子中的仅两个孔露出，则仅两个床将同时经历从冷至热流动。经历从热至冷流动的另外的床3a和3b共享原先仅由床4a和4b输送的流体流中的某些流体流，从而使系统压降和系统传热损失减小。

上述实施方式中所示出的磁体组件为具有一个高场效应区域和相对的低场效应区域的单叶式设计。然而，采用具有多个高场效应区域和多个低场效应区域的磁体组件可能是有利的。对于这样的情况，同轴的圆盘阀可以被实施为具有附加槽口，所述附加槽口将从冷至热流动同时引导至处于多个高场效应区域中的多个床，并且将从热至冷流动同时引导至处于多个低场效应区域中的多个床。

通过与主驱动轴同轴地设置这些阀，消除了在该轴与阀轴之间连接带和带轮的需要。这些带和带轮浪费由马达提供的能量，因此这些带和带轮的去除提高了MR系统的能量效率。带和带轮占用空间，因此带和带轮的去除还获得更小、更紧凑的系统。

此外，同轴的阀设置减小了对阀和固定的床进行连接的流体导管(通常被称为管)的长度。应当指出的是，本发明允许在每个床的冷侧部和热侧部两者上使用单独的入口管和出口管。通过使用单独的入口管和出口管并且在每个管中都为单向流动，所有进入管的流体最终将到达目标床或目标热交换器。因此，容纳在管中的流体将有助于AMR循环的操作而不表现为“死体积(dead volume)”。然而，即使使用单独的入口管和出口管，通过同轴阀而可能获得的较短的管长度仍然提供了两个优点。首先，较短的长度使流体在其流动穿过管、穿过导管时所经历的压降减小，即，管对稳定流动的流体阻力减小。由此减少了泵上的载荷并且进一步提高了系统的能量效率。其次，较短的管长度使旁通流——流体绕过床并且直接从热入口阀向热出口阀行进的现象——的量减少。旁通流对制冷没有贡献并且因此浪费由泵提供的能量；因此，旁通流的减少提高了MR系统的能量效率。

旁通流部分地是由可变形的管道元件的作为所述可变形的管道元件的流体容量的形式的在增压状态下的周期性扩张、接着在减压状态下的流体排出所引起的。为了解释这种旁通流机制，参照图2。热入口流体在流体回路中处于最高压力。在这种压力下，将热入口阀22连接至经去磁的床4的热入口端口42的管64b将稍微扩张，从而储存一些原本将会穿过床4的流体。在冷吹完成之后，Hi阀22和Co阀24封闭该床2的热入口管64b，防止所储存的流体离开热入口管64b。当阀旋转以用于热吹时，连接至床4的热出口管82b此刻可以输送流体流，因此，储存在热入口管64b中的增压流体可以被排出通过热出口管82b并且进入热出口阀28，从而允许热入口管64b恢复至其原始形状。在冷吹期间的增压、扩张和流体储存、紧接着在随后的热吹期间的流体排出和减压的这种周期性过程产生了旁通流。可能在冷吹期间被储存的流体的量随着将热入口阀连接至床的热入口端口的管的长度增大而增大。同轴阀设置使这种导管长度最小化，从而使增压期间的流体体积的增大最小化，由此使旁通流最小化并且改善系统性能。对于AMR系统的最佳操作而言，导管至床的内部流体体积的于在AMR循环期间经历从最小流体压力至最大流体压力的增大时的变化应当小于在导管对向单个床输送流体流的一个AMR循环中的时间间隔期间输送至该床的总的流体体积的5％。

同轴阀设置的另外的优点在于，同轴阀设置允许将床连接至阀的具有相似流动功能的导管关于轴的轴线对称地设置并且具有相同的形状和长度。对于将床连接至阀的导管而言存在四种流动功能：热入口、热出口、冷入口和冷出口。都引导热入口流动的两个管二者具有相似的功能，不过它们可以连接至不同的床。作为对称设置和相同形状的示例，在图2中，如果图中所示的两个床2和4定位成关于轴12的轴线彼此间成180度的旋转角度，并且冷入口阀中的端口38a和38b也定位成关于同一轴线彼此间成180度的角度，则两个冷入口管72a和72b可以是具有相同的形状和长度、但是安装成关于轴12的轴线彼此间成180度的角度的相同部件。除了节省制造成本以外，具有相似流动功能的导管的相同的形状和长度确保了导管对稳定流动的阻力将是相等的。此外，如果具有相似流动功能的导管具有相同的形状、长度和壁厚，则这些功能相似的导管将在AMR循环期间在经历从最小流体压力至最大流体压力的增大时具有相等的内部流体体积的变化。最后，如果具有相似流动功能的导管具有相同的内部横截面以及相同的形状和长度，则这些导管将具有相等的内部流体体积，储存在这些导管中的流体的质量将是相等的，并且因此在流体流动开始时使流体流动加速所需的动态压降将是相等的。具有类似流动功能的导管的等效特性因而确保由于流动摩擦而产生的压降、以及由于导管扩张和流体惯性而产生的流动瞬态效应对于所有床来说都将是相同的。这有助于确保所有床在AMR循环期间得到相似的流量相对于时间的分布图，这能够提高效率并且增大温度跨度。

前五个实施方式(图2、图3、图4、图5以及图6)中的从热出口阀至泵的流动仅沿一个方向——从阀向泵——发生，并且因此该流动是单向流动。

虽然本发明使具有类似流动功能的导管能够具有相等的长度，但是具有不同流动功能——如，热出口和热入口——的导管还可以具有不同的长度。在具有不同流动功能的导管中的流体流的大小不相同的情况下，可能有利的是采用这样的设计：将具有输送最高流量的功能的导管制成为最短。例如，在结合图9所描述的情况下，其中，每次四个床经历从冷至热流动，而每次仅两个床经历从热至冷流动，可能有利的是使输送从热至冷流动的导管比输送从冷至热流动的管短。应当指出的是，由所有床输送的总的从热至冷流量与由所有的床输送的总的从冷至热流量相同，但是由于输送从冷至热流动的床比输送从热至冷流动的床少，因此在输送从冷至热流动的每个导管中的流量将大于输送从热至冷流动的每个导管中的流量。在图10中所示的第六实施方式中，热出口阀28和冷入口阀26被安装成彼此相邻。热出口定子96和冷入口定子86安装至共同的组件101并且定位在热出口转子20与冷入口转子18之间。热入口阀22和冷出口阀24安装成位于热出口阀和冷入口阀的外侧、更靠近轴12的外端。这种阀设置允许将流体流输送至经磁化的床2的热出口导管82a和冷入口导管72a比将流体流输送至经去磁的床4的热入口管64b和冷出口管66b短很多。因此，当两个经磁化的床正在经历从冷至热流动并且因此仅两组冷入口导管和热出口导管必须输送该流体流时，这些导管是短的，从而使本来可能是大压降的压降减小。同时，四个经去磁的床经历从热至冷流动，并且因此四组热入口导管和冷出口导管共享所述从热至冷流动，因此这些导管的较长的长度将不会引起压降的大的增加。应当指出的是，虽然具有不同功能的流动导管具有不同的长度，但是具有相同功能的导管仍然可以具有相同的长度，因此所有床可以在AMR循环期间得到类似的流量相对于时间的分布图。

现在转至图11，示出了根据本公开的至少一些实施方式的用作流体冷却器的另一磁制冷系统。具体地，在一些冷却应用(例如，通风空气调节或冷却水的产生)中，所期望的不是将热量从处于温度T_c下的冷储存器向处于温度T_h下的热储存器泵送，而是将空气流或流体流从T_h冷却至T_c(例如，“流体冷却器”)。如果流体具有不受温度影响的热容C，则待从流体去除的总热量Q_C为Q_C＝C(T_H-T_C)。此外，用以经由可逆制冷机从冷绝对温度Tc向热绝对温度T_h转移给定的热量Q_c所需的最小理论功W为W＝Q_C(T_H-T_C)/T_C，其中，性能系数(COP)可以限定为Q_c/W。利用从绝对温度T_c向绝对温度T_h泵送所有热量的单级制冷机来冷却流体所需的功的理论最小量是：

等式1：W＝C(T_H-T_C)²/T_C

以及相关的COP是：

等式2：COP＝Q_C/W＝T_C/(T_H-T_C)。

实际的制冷机可能相对较低效，并且主要损失是由于制冷剂的压缩和膨胀过程中的粘滞损失而产生的。

如果流体是由大量的单独的制冷机通过如下方式来冷却的——首先将流体从T_H冷却至T_H-d并且向T_H泵送热量、以及接下来将流体从T_H-d冷却至T_H-2d并且向T_H泵送热量等，其中，d<<(T_H-T_C)，则可以需要较少的功。这是由于对流体的冷却的大部分是由通过小温度差作用并因此以高效率作用的所述多个制冷机来完成而出现的。对于由无限数目的都具有理想效率的连续制冷机构成的理想的流体冷却器来说，所需的功是：

等式3：

并且，所得到的COP为：

等式4：COP＝Q_C/W_C＝(T_H/(T_H-T_C)ln(T_H/T_C)-1)^-1。

功的输入低于单级制冷机，这是因为不再存在当最初暖流体流接触冷的热交换器时出现的熵的产生。当T_C接近T_H时，最佳的单级制冷机可能需要的功的输入是多级理想冷却器需要的功输入的两倍。当T_H/T_C的比值变得较大时，效率损失可能会略微增大；例如，对于T_H＝100°F和T_C＝45°F而言，最佳的单级制冷机可能消耗的输入功是理想的多级冷却器所消耗的输入功的2.07倍。

AMR型磁制冷机可以通过放松对相等的总的从热至冷流动和从冷至热流动的要求而设置成用作流体冷却器，并且代替地将比从经磁化的床的冷端返回至该经磁化的床的热端的AMR传热流体多的AMR传热流体从经去磁的床的热端传送至该经去磁的床的冷端，这就是床中的流量不平衡的情况。积聚在冷端处的过量的传热流体可以以几乎可逆的方式从T_H被冷却至T_C。此过量的传热流体可以在对诸如用于冷却水回路的水或者用于对建筑物进行空气调节的通风空气之类的外部流体流进行冷却的逆流热交换器中被重新加热。温热的过量的传热流体可以被返回至经去磁的AMR床的热端，从而再一次变成从AMR床的热端向该AMR床的冷端流动的过量的传热流体。

在床中的流体流不平衡的情况下，通过每个床的从热至冷流动的流量可以高于从冷至热流动的流量，因此可以有利的是使热入口导管和冷出口导管比冷入口导管和热出口导管短，如图11中所示。在图11中，来自泵30的流体穿过热的热交换器40、进入热入口阀22并且穿过短导管64b而进入到经去磁的床4中。流体离开床4并且穿过短导管66b而进入到冷出口阀24中。离开冷出口阀24的流体穿过导管134并且该流体被分成进入第一冷的热交换器60的流体部分和进入第二冷的热交换器129的流体部分。离开第一冷的热交换器60的流体进入冷入口阀26并且穿过长导管72a而进入到经磁化的床2中，并且随后穿过长导管82a而进入到热出口阀28中并且返回至泵30的入口。离开第二冷的热交换器129的流体进入流量比例阀132并且返回至泵130的入口。第一冷的热交换器可以用于以与离开冷出口阀的流体的温度相接近的冷温度对外部制冷载荷进行冷却，而具有用流量比例阀132调节的流量的第二热交换器可以用于在从与离开热出口阀的流体的温度相接近的温度至与离开冷出口阀的流体的温度相接近的温度的大的温度范围内对外部流体流进行冷却。由于离开泵的所有流体必须穿过热入口导管64b和冷入口导管66b，但是离开泵的流体中仅一些流体必须穿过冷入口导管72a和热出口导管82a，因此使导管64b和66b比导管72a和82a短可以降低系统中的总压降。应当指出的是，虽然具有不同功能的流体导管具有不同的长度，但是具有相同功能的导管仍然可以具有相同的长度，因此所有的床都可以在AMR循环期间得到相似的流量相对于时间的分布图。

上述实施方式中的从出口阀向泵的流动仅沿一个方向——从阀向泵——发生，并且因此该流动是单向流动。这意味着，例如图2中的被容纳在位于热出口阀28与泵30之间的管84中的流体不会促进死体积损失，因此泵30可以位于同轴的阀和床组件的外侧。这允许使用任何便利类型的泵。特别地，可以使用容积式泵，如齿轮泵、螺旋泵、活塞泵、隔膜泵、旋转叶片泵以及涡旋泵。容积式泵在宽的操作压力范围内产生几乎恒定的流动。容积式泵的使用允许流量在流体流于不同的AMR床之间切换时快速地达到预期水平。此外，高效的容积式泵可以被制成覆盖较宽的过流能力和耐压能力范围，而作为常见形式的非容积式泵的离心泵仅在相对较大的过流能力或相对较低的耐压能力下有效。AMR床中的高效的热传递需要大的内部传热面积，这往往会导致高的操作压力，高的操作压力不适合用于小规模到中等规模的系统的离心泵的高效操作。

如果每次仅一个床发生从热至冷流动或从冷至热流动，则容积式泵的使用可能需要准确的阀正时以确保流动不被阻挡达一段时间、或者替代性地可能需要在泵出口处使用流体蓄积器。

虽然本发明的上面的描述是基于旋转圆盘阀的使用，但是明显的是，还可以使用也依靠旋转运动来打开及关闭期望的流体路径并落入本发明的范围内的其他类型的阀。

本文中使用某些术语仅出于参照的目的，因此这些术语不意在是限制性的。例如，诸如“上部”、“下部”、“之上”和“之下”之类的术语指的是所参照的附图中的方向。诸如“前面”、“后面”、“后部”、“底部”和“侧部”之类的术语描述了部件的部分在一致但任意的参照框架内的取向，这通过参照对所讨论部件进行描述的文本和相关联的附图而变得清楚。这样的术语可以包括以上特别提及的词、这些词的派生词和具有类似含义的词。类似地，除非上下文明确地指出，否则术语“第一”、“第二”和涉及结构的其他这种数字术语不意味次序或顺序。

当介绍本公开和示例性实施方式的元件或特征时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”意在表示存在这样的元件或特征中的一者或更多者。术语“包含”、“包括”和“具有”意在为包容性的并且意味着除了特别指出的元件和特征以外可以存在另外的元件或特征。还应当理解的是，除非特别指出执行顺序，否则本文中所描述的方法步骤、过程和操作不应被理解为必须要求按照所讨论或所说明的特定次序来执行。还应当理解的是，可以采用另外的或替代性的步骤。

特别预期的是，本发明不限于本文中所包括的实施方式和说明并且权利要求应当被理解成包括这些实施方式的修改形式，这些修改形式包括所述实施方式的部分以及在所附权利要求的范围内的不同的实施方式的元件的组合。本文中所描述的所有出版物——包括专利出版物和非专利出版物——的全部内容通过参引并入本文。

Claims (20)

1.一种磁制冷系统，包括：

由磁致热材料制成的至少第一床和第二床，每个床均具有第一侧部和相反的第二侧部，流体能够在所述第一侧部与所述第二侧部之间流动；

至少一个歧管，所述至少一个歧管将热入口导管和热出口导管连通至每个床的所述第一侧部并且将冷入口导管和冷出口导管连通至每个床的所述第二侧部；

磁体组件，所述磁体组件能够移动以在第一状态下向所述第一床施加比向所述第二床施加的磁场更大的磁场、以及在第二状态下向所述第二床施加比向所述第一床施加的磁场更大的磁场；以及

阀系统，所述阀系统与所述导管连通并且与所述磁体组件同步以允许流体循环通过所述第一床和所述第二床，以便通过经由至少一个第一导管对提供流体流来从所述第一床去除热量以及通过经由至少一个第二导管对提供流体流来在第一状态下向所述第二床添加热量，每个第一导管对均是连续地连接的冷入口导管和热出口导管，每个第二导管对均是连续地连接的热入口导管和冷出口导管；

其中，所述第一导管对中的每个第一导管对均适于在由所述阀系统连接成用于流体流时提供穿过每个第一导管对的基本相等的流体流，以及其中，所述第二导管对中的每个第二导管对均适于在由所述阀系统连接成用于流体流时提供基本相等的流体流。

2.根据权利要求1所述的磁制冷系统，其中，每个第一导管对均具有基本相等的流动阻力，以及，每个第二导管对均具有基本相等的流动阻力。

3.根据权利要求1所述的磁制冷系统，其中，每个第一导管对均具有基本相同的长度，以及其中，每个第二导管对均具有基本相同的长度。

4.根据权利要求3所述的磁制冷系统，其中，输送较大流体流的导管对被制成为比输送较小流体流的导管对短。

5.根据权利要求4所述的磁制冷系统，其中，所述第一导管对的长度等于所述第二导管对的长度。

6.根据权利要求2所述的磁制冷系统，其中，每个第一导管对均具有基本相等的内部容积，以及，每个第二导管对均具有基本相等的内部容积。

7.根据权利要求2所述的磁制冷系统，其中，每个第一导管对均具有基本相等的随压力变化的内部容积的变化，以及，每个第二导管对均具有基本相等的随压力变化的内部容积的变化。

8.根据权利要求6所述的磁制冷系统，其中，每个导管对的至由磁致热材料制成的床的内部容积于在所述磁制冷系统的操作期间经历从最小流体压力至最大流体压力的增大时的变化小于在所述导管对向单个床输送流体流的时间间隔期间输送至所述床的总流体体积的5％。

9.根据权利要求2所述的磁制冷系统，其中，所述热入口导管中的每个热入口导管均适于提供基本相等的对流体流的阻力；所述热出口导管中的每个热出口导管均适于提供基本相等的对流体流的阻力；所述冷入口导管中的每个冷入口导管均适于提供基本相等的对流体流的阻力；以及，所述冷出口导管中的每个冷出口导管均适于提供基本相等的对流体流的阻力。

10.根据权利要求1所述的磁制冷系统，其中，所述阀系统设置有四个阀，所述四个阀包括：热出口阀、热入口阀、冷出口阀和冷入口阀，以及

其中，在所述第一状态下，所述热出口阀将所述第一床的所述热出口导管连接至热的热交换器的入口，并且所述冷入口阀将所述第一床的所述冷入口导管连接至冷的热交换器的出口，并且所述热入口阀将所述第二床的所述热入口导管连接至所述热的热交换器的出口，并且所述冷出口阀将所述第二床的所述冷出口导管连接至所述冷的热交换器的入口；

以及其中，在所述第二状态下，所述热出口阀将所述第二床的所述热出口导管连接至所述热的热交换器的所述入口，并且所述冷入口阀将所述第二床的所述冷入口导管连接至所述冷的热交换器的所述出口，并且所述热入口阀将所述第一床的所述热入口导管连接至所述热的热交换器的所述出口，并且所述冷出口阀将所述第一床的所述冷出口导管连接至所述冷的热交换器的所述入口。

11.根据权利要求10所述的磁制冷系统，其中，所述热出口阀和所述热入口阀包括可动元件，所述可动元件打开及关闭所述热出口阀和所述热入口阀并且与所述磁体组件机械相连，以及其中，所述冷入口阀和所述冷出口阀为由流体流致动的单向阀。

12.根据权利要求10所述的磁制冷系统，其中，所述冷出口阀和所述冷入口阀包括可动元件，所述可动元件打开及关闭所述冷出口阀和所述冷入口阀并且与所述磁体组件机械相连，以及其中，所述热入口阀和所述热出口阀为由流体流致动的单向阀。

13.根据权利要求10所述的磁制冷系统，其中，所述第一床和所述第二床围绕中心轴线设置，并且所述磁体组件附接至能够相对于所述第一床和所述第二床沿着所述中心轴线旋转的轴，以及其中，所述热出口阀和所述热入口阀是圆盘阀，所述圆盘阀具有围绕所述轴同轴地附接成相对于围绕所述轴同轴地定位的静止的定子部分移动的转子部分。

14.根据权利要求13所述的磁制冷系统，其中，所述热出口阀和所述热入口阀具有相对于所述床固定的定子部分和相对于磁体固定的转子部分，其中，所述定子部分安装在所述转子部分之间。

15.根据权利要求13所述的磁制冷系统，还包括用于使所述轴相对于所述床旋转的马达。

16.根据权利要求13所述的磁制冷系统，包括多个磁性床，所述多个磁性床围绕所述中心轴线设置并且每个磁性床均具有歧管，所述歧管将热入口导管和热出口导管连通至每个床的所述第一侧部、并且将冷入口导管和冷出口导管连通至每个床的所述第二侧部；以及

其中，所述阀系统设置有附接至所述轴并与入口导管或出口导管连通的阀。

17.根据权利要求16所述的磁制冷系统，其中，所述阀在所述轴的一个或更多个位置处提供与多个入口导管或多个出口导管的基本不受阻的连通。

18.根据权利要求1所述的磁制冷系统，还包括使流体循环通过所述阀系统以及所述入口导管和所述出口导管的泵；其中，所述泵是容积式泵。

19.根据权利要求1所述的磁制冷系统，还包括冷侧热交换器和热侧热交换器。

20.根据权利要求1所述的磁制冷系统，还包括使所述磁体组件相对于所述床移动的电马达。