CN107735628B - 改进的填充屏型磁热元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由磁热材料纤维形成的磁热格栅元件，其中纤维排列在各自平行的格栅平面中，各纤维具有相应质量量的磁热材料，给定格栅平面的纤维彼此不接触，然而给定格栅平面的各纤维与下一相邻格栅平面的至少两根纤维连接，并且其中磁热格栅元件具有正好一个纤维纵向延度的主要质量加权方向。当其纤维纵向延度的主要质量加权方向与外部磁场一致设置时，磁热格栅元件实现了磁热材料的有利的，特别高的磁化，并且因此改善了磁热冷却设备的性能。

Description

改进的填充屏型磁热元件
本发明涉及一种磁热格栅元件、一种磁热蓄热器、一种磁热热泵、一种冷却设备、一种磁热发电机以及操作磁热热泵的方法。
磁性材料在施加和移除外部磁场时改变其温度。这种行为是磁致冷却系统发展的基础。此外，磁热效应可用于发电。
磁热效应在施加外部磁场至合适的磁热材料下和在其居里温度附近的环境温度下发生。所施加的外部磁场导致磁热材料的随机排列的磁矩从无序的顺磁相排列成有序的铁磁相，并因此导致磁相变，这也可描述为材料的居里温度诱导升高至高于环境温度。这种磁相变意味着磁熵ΔS磁损失，并且在绝热过程(与环境温度绝热)中导致通过声子产生增加磁热材料的晶格的熵贡献，从而保持绝热条件下的熵。因此，由于施加外部磁场，发生磁热材料的温升(ΔT)。
在工业冷却应用中，这种额外的热量通过热传导至呈传热介质形式的环境散热器而从材料中移除。水是用于从磁热材料移除热量的传热介质的一个实例。
随后的外部磁场的移除可描述为居里温度降回至低于环境温度，因此允许磁矩回复为随机排列。外部磁场在绝热条件(即与环境温度绝热)下移除，这意味着系统内的总熵保持不变。由于磁熵在无外部磁场下增大至其起始水平，因此磁热材料本身晶格的熵贡献减小，因此在绝热工艺条件下导致磁热材料冷却至低于环境温度。因此，磁热材料的温度降至低于环境温度。
所描述的工艺循环包括磁化和退磁，其通常在设备应用中周期性地实施。
磁热效应也可用于功率转换，特别是用于将所述工艺循环期间产生的热量转换成电能。
T.Lei等研究了磁热制冷机中的网状磁热元件的冷却功率和压降(“Modellingand comparison studies of packed screen regenerators for activemagnetocaloric refrigeration”，6th IIF-IIR International Conference on MagneticRefrigeration，07.09.2014-10.09.2014)。因此，Lei等声称网号为75-100线/英寸的填充屏蓄热器提供了足够的热传递和适中的压降，因此具有最佳的性能。与填充球状蓄热器相比，Lei等发现填充屏型蓄热器可获得更大的制冷功率以及更低的压降。
本发明涵盖了不同的方面。在第一方面中，本发明提供了一种填充屏型的网状磁热元件，在本文中称为磁热格栅元件。第二方面由一种磁热蓄热器构成；在第三方面中，本发明提供了一种磁热热泵。本发明的第四方面为一种冷却设备。磁热发电机形成了本发明的第五方面。
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种磁热格栅元件。所述磁热格栅元件由磁热材料的纤维形成，其中：
-纤维排列在彼此平行的格栅平面中，各纤维具有相应质量量的磁热材料，
-任何给定格栅平面的纤维彼此不接触，然而给定格栅平面的纤维与下一相邻格栅平面的至少两根相应的其他纤维接触，并且其中：
-磁热格栅元件具有正好一个纤维纵向延度的主要质量加权方向。
根据本发明第一方面的磁热元件包含排列在平面中的磁热材料纤维。给定平面的纤维彼此不接触。然而，所述纤维与下一相邻平面的至少两根纤维机械接触。这种至少大致规整的结构在本文中称为填充纤维的磁热格栅结构，并且纤维的不同平面称为格栅平面。因此，第一方面的磁热元件也称为磁热格栅元件。因此，磁热格栅元件形成具有高结构稳定性的磁热元件。磁热元件也可描述为填充屏型磁热元件。
由于给定格栅平面的纤维彼此不接触，因此在各格栅平面内形成内部开孔，所述内部开孔在包含磁热格栅元件的应用设备的操作中使得流体能流过所述开孔，从而在纤维和流体之间传热。磁热格栅元件的实施方案以低流体阻力在冷却应用中实现了有效的热传递。换言之，与例如由填充球体制成的多孔磁热元件相比，磁热格栅元件结构的该实施方案实现了低的流体压力损失。
本发明第一方面的磁热格栅元件进一步具有纤维纵向延度的主要质量加权方向。正如下文所阐述的那样，纤维纵向延度的主要质量加权方向形成了磁热格栅元件的最合适的磁化方向。因此，磁热格栅元件和外部磁场相对于纤维纵向延度的主要质量加权方向的合适相对排列导致磁热格栅元件的特别高的磁化。
本发明的磁热格栅元件基于如下认识：鉴于不沿着外部磁场方向取向的其磁热纤维的任何部分的退磁效应，其磁化特性增大。如果所有纤维均无限薄并且沿外部磁场的场方向排列，则退磁效应是可在相同体积的磁热材料中产生的最大磁化的减小。因此，退磁效应是由磁热材料纤维的给定几何形状和排列所导致的磁化的减小。从外部磁场的方向和纤维的给定取向之间的精确排列开始，退磁效应随着外部磁场方向和纤维取向之间的角度的增大而增加。垂直于磁化方向(即外部磁场的方向)取向的纤维或纵向纤维部分具有最大的(质量加权的)退磁效果。
因此，当其纤维纵向延度的主要质量加权方向沿待提供在应用设备中外部磁场排列时，根据本发明第一方面的磁热格栅元件获得了有利的，特别高的磁性材料的磁化，因此改善了应用设备(例如磁热热泵、冷却设备或发电机)的性能。
下文将描述根据本发明第一方面的磁热格栅元件的实施方案。
纤维形状通常可描述为具有比任何纤维横向延度更大的纤维纵向延度，前者是指垂直于纤维纵向延度的方向上的延度。纤维形状的典型实例为圆柱状，作为不同的变型，其包括在垂直于纤维纵向延度的平面中具有圆形、椭圆形、卵形或矩形横截面形状的纤维。然而，纤维并非必须呈圆柱状。例如，纤维的纤维横向延度可沿纤维的纤维纵向延度变化。
在磁热格栅元件的一个实施方案中，纤维在垂直于其纤维纵向延度的方向上，即在横向上的延度为50-800μm。在一些矩形或椭圆形横截面纤维形状中，横向延度在不同的横向上变化。在该类实施方案中，所述的值是指优选的最大横向延度。
在一个变型中，磁热格栅元件的所有纤维具有垂直于其纤维纵向延度的基本相同的横向延度。在其他变型中，不同纤维的纤维横向延度是不同的。
为了获得填充屏、网或格栅形状，整个磁热格栅元件具有沿至少两个方向延伸的纤维。在一些实施方案中，给定纤维的纤维纵向延度的方向在不同部分中是不同的。实例将在下文进一步讨论。
纤维通常由单一的磁热材料制成。然而，在一些实施方案中，纤维在其材料组成方面是不均匀的。不同的纤维部分含有或多或少的磁热材料，或者不同的磁热材料。
磁热格栅元件可包含任何合适数量的纤维。形成磁热格栅元件所需的最小数量的纤维是4根纤维。
在一些实施方案中，磁热格栅元件的格栅平面是平面状的。然而，术语格栅平面不限于意味着严格平面延度的晶体学含义。在其他实施方案中，磁热格栅元件的格栅平面具有曲面的形式。
存在不同的方式来获得具有纤维纵向延度的主要质量加权方向的磁热格栅元件。正如所述的那样，在本发明的磁热格栅元件中，只有一个这样的方向。在磁热格栅元件的优选实施方案中，纤维纵向延度的主要质量加权方向的实现可描述如下：如果将各纤维视为分割成纵向纤维段，各纤维段具有段质量和沿相应的纵向段方向的纵向段延度，则纤维纵向延度的主要质量加权方向由如下要求定义：所有纤维段的相应纵向段延度在纤维纵向延度的该主要方向上的所有标量投影的加权总和大于所有纤维段的相应纵向段延度在纵向段延度的任何其他方向上的所有标量投影的相应加权总和，其中各纤维段在其加权总和中与其各自的段质量成比例地加权。
在该实施方案中，标量投影意味着具有沿相应纵向段方向的纵向段延度的纵向段n可视为长度为1的矢量
Figure GDA0002893590230000041
并且纤维纵向延度的主要质量加权方向
Figure GDA0002893590230000042
上的相应标量投影可写成：
Figure GDA0002893590230000043
其中θn为相应纵向段方向和纤维纵向延度的主要质量加权方向之间的角度。因此，在该优选实施方案中，纤维纵向延度的主要质量加权方向
Figure GDA0002893590230000044
满足以下关系：
Figure GDA0002893590230000045
其中
Figure GDA0002893590230000051
为三维矢量，mn为纵向段n的段质量。因此，公式(1)定义了如下事实：纤维纵向延度的主要质量加权方向正好是所有纤维段的相应纵向段延度在该纤维纵向延度的主要方向上的所有标量投影的加权总和显示出最大值的方向，或长度为1的矢量。
由于纵向纤维段具有有限的尺寸，因此公式(1)中的总和具有有限数量的加数。更一般地说，使用积分的数学公式可用其中于纤维具有例如余弦形状的纵向延度的某些实施方案。
在磁热格栅元件的另一优选实施方案中，纤维纵向延度的主要质量加权方向如下获得：所有纤维均属于第一或第二组纤维，并且第一组纤维的纤维全部沿共同的纤维延度的第一纵向延伸，且第二组纤维的纤维全部沿共同的不同于第一纵向的纤维延度的第二纵向延伸。因此，在该进一步优选实施方案的该变型中，磁热格栅元件的纤维在两个方向上延伸，从而使得仅存在两个不同的纵向段方向可用来根据公式(1)确定纤维纵向延度的主要质量加权方向。平行纤维在生产中需要较少的努力并提供高结构稳定性。在该实施方案的另一变型中，各格栅平面提供了相应的一组纤维的纤维全部沿纤维延度的相应共同纵向延伸的纤维。在该另一变型的一个实例中，相邻平面在第一和第二组纤维的纤维之间交替。这可导致磁热格栅元件的基本上规整的结构，因此提供高结构稳定性。
在根据本发明第一方面的磁热格栅元件的一组该类实施方案中，第一纵向和第二纵向之间的格栅角为5-85°(弧度)的锐角。甚至更小的格栅角，即小于5°的格栅角将导致流经磁热格栅元件的传热介质的高压力损失。在纤维的形状和数量在第一和第二纵向上基本相同的情况下，甚至更大的格栅角，即接近90°的格栅角增大了已描述的磁热格栅元件的退磁效应。该锐角优选为20-70°，甚至更优选为40-60°。
在该实施方案的变型中，纤维具有相同的尺寸，并且由相同的磁热材料制成，并且全部属于第一或第二组纤维。因此，在该变型中，纤维纵向延度的主要质量加权方向基本上是沿着相对于第一组纤维的第一方向和第二组纤维的第二方向的锐角格栅角的等分线。
在磁热格栅元件的另一实施方案中，第一组纤维具有比第二组纤维更小质量量的磁热材料。不同的质量量使得纤维纵向延度的主要质量加权方向受到第二组纤维的纤维延度的纵向的影响比第一组纤维更强烈。在热泵、冷却设备或发电机中使用磁热格栅元件的情况下，为了减小流过磁热格栅元件的传热流体的压力损失，使用该不同质量量的磁热材料可能是有利的。
在该实施方案的变型中，第一组纤维中的纤维总数小于第二组纤维中的纤维总数。在该变型的一个实例中，各纤维属于第一或第二组纤维，并且第一组纤维和第二组纤维彼此垂直取向。因此，在该实例中，纤维纵向延度的主要质量加权方向沿第二组纤维的纤维延度的纵向取向。在另一变型中，就具有平行于相应纤维段的纵向延度的表面矢量的横截面表面积而言，第一组纤维比第二组纤维小至少两倍。在该变型的一个实例中，所有纤维均属于第一和第二组纤维，第一和第二组纤维彼此垂直取向。因此，在该实例中，纤维纵向延度的主要质量加权方向沿第二组纤维的纤维延度的纵向取向。
磁热格栅元件例如通过使用移动喷嘴挤出包含磁热材料的高负载糊而形成，从而使得可逐层制造磁热格栅元件的纤维。包含磁热材料的糊可额外包含溶剂如水，粘合剂和添加剂。在一些变型中，还添加消泡剂以避免糊中的气泡。在其他制造变型中，磁热格栅元件通过三维打印方法形成。
在磁热格栅元件的一个实施方案中，所有纤维由相同的磁热材料组成。在另一实施方案中，磁热格栅元件由至少两种不同的磁热材料组成。在该实施方案的变型中，各后续平面中的磁热材料表现出相应磁热材料的一系列降低的居里温度。随后平面中的该一系列降低的居里温度可允许包括磁热格栅元件的冷却设备能量有效地冷却至远低于该冷却设备的环境温度。
根据第二方面，本发明涉及一种磁热蓄热器，包括：
-蓄热器壳体，
-处于蓄热器壳体中的根据本发明第一方面的至少一个实施方案的磁热格栅元件，
-配置用来引导流体流过磁热格栅元件的流体通道系统。
根据本发明第二方面的磁热蓄热器具有本发明第一方面的磁热格栅元件的优点。
磁热蓄热器进一步提供有流体通道系统，其在蓄热器的操作中根据所需的工艺循环实现传热流体流动通过磁热格栅元件，例如在作为磁热冷却设备、热泵或发电机的应用中。
根据第三方面，本发明涉及一种磁热热泵，其包括：
-根据本发明第一方面的磁热格栅元件或其一个实施方案，或者根据本发明第二方面的磁热蓄热器或其一个实施方案，且进一步包括：
-用于向磁热格栅元件施加外部磁场的磁体组件，其中：
-所述磁热格栅元件和磁体组件配置为相互设置，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向与纤维纵向延度的主要质量加权方向平行。
根据本发明第三方面的磁热热泵具有在根据本发明第一方面的磁热格栅元件上下文中描述的优点。
磁热热泵进一步实现了磁热格栅元件和磁体组件的相互设置，从而使得纤维纵向延度的主要质量加权方向与磁热热泵中产生的外部磁场的方向平行排列的有利取向。
在一个实施方案中，热泵配置成允许不同的相对排列位置，从而相对于不同的操作排列位置中的磁热格栅元件的纤维纵向延度的主要质量加权方向而实现多个可能的场方向中的不同相对排列位置。平行排列实现了最佳的磁热效应及其所需的技术影响。然而，如果仅施加到磁热格栅元件的外部磁场的场分量表现出平行于纤维纵向延度的主要质量加权方向的场方向，则也可实现减小的效应。
在根据本发明第三方面的磁热热泵的一个实施方案中，所述磁热热泵进一步包括磁热格栅元件，
-其中所有纤维均属于第一或第二组纤维，并且第一组纤维的纤维全部沿共同的纤维延度的第一纵向延伸，并且第二组纤维的纤维全部沿共同的不同于第一纵向的纤维延度的第二纵向延伸，
-其中第一纵向与第二纵向之间的格栅角为5-85°，优选为20-70°，优选为40-60°的锐角，
-其中所有纤维具有相同的相应质量量的磁热材料，和
-其中所述磁热格栅元件和磁体组件配置为相互设置，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向沿第一纵向和第二纵向之间的锐角格栅角的平分线取向。
在该实施方案中，纤维纵向延度的主要质量加权方向沿第一纵向和第二纵向之间的锐角格栅角的平分线取向。
在磁热热泵的另一实施方案中，所述磁热热泵包括磁热格栅元件，
-其中所有纤维均属于第一或第二组纤维，并且第一组纤维的纤维全部沿共同的纤维延度的第一纵向延伸，并且第二组纤维的纤维全都沿共同的不同于第一纵向的纤维延度的第二纵向延伸，
-其中第一组纤维包含比第二组纤维更小质量量的磁热材料，和
-其中第一纵向垂直于所述第二纵向，并且其中所述磁热格栅元件和磁体组件配置为相互设置，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向沿形成纤维纵向延度的主要质量加权方向的第二纵向取向。
在磁热热泵的一个实施方案中，所述磁热热泵进一步包括控制单元，其设置和配置成控制所述磁体组件和磁热格栅元件的相互设置，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向与纤维纵向延度的主要质量加权方向平行。在该实施方案中，控制单元自动地和/或手动地提供了磁热格栅元件和磁体组件相对于彼此的有利取向。在该实施方案的变型中，控制单元包括处理器器件，该处理器器件配置为将磁热格栅元件和磁体组件的取向与储存在处理器器件中的参考值比较。在另一变型中，控制单元包括视觉指示器，其配置为向用户显示应手动执行磁热格栅元件和磁体组件的取向的变化。在另一变型中，控制单元根据磁体组件的周期性运动自动实施磁热格栅元件的周期性运动。
根据第四方面，本发明涉及一种冷却设备，其包括根据本发明第一方面的至少一个实施方案的磁热格栅元件。
根据本发明第四方面的冷却设备具有在根据本发明第一方面的磁热格栅元件上下文中描述的优点。
在冷却设备的一个实施方案中，所述冷却设备包括根据本发明第二方面的至少一个实施方案的磁热蓄热器。
在冷却设备的另一实施方案中，所述冷却设备包括根据本发明第三方面的至少一个实施方案的磁热热泵。
在优选实施方案中，冷却设备执行工艺循环，包括磁热格栅元件的磁化和退磁。在该实施方案的一个变型中，冷却设备执行如上所述的工艺循环，从而显示出磁热冷却的第一阶段和第二阶段。
根据第五方面，本发明涉及一种磁热发电机，其包括根据本发明第一方面的至少一个实施方案的磁热格栅元件。
在根据本发明第五方面的磁热发电机的一个实施方案中，磁热发电机包括设置和配置为加热和冷却磁热格栅元件以周期性地改变其磁场的加热储器和冷却储器，以及设置在磁热格栅元件处以提供由磁热格栅元件的磁场变化所感应的电流的线圈。
根据第六方面，本发明涉及一种用于操作磁热热泵的方法。所述方法包括如下步骤：
-提供根据本发明第一方面的至少一个实施方案的磁热格栅元件；
-提供用于向磁热格栅元件施加外部磁场的磁体组件；
-设置磁热格栅元件和磁体组件，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向与纤维纵向延度的主要质量加权方向平行。
根据本发明第五方面的方法具有在根据本发明第一方面的磁热格栅元件的上下文中描述的优点。
应理解的是，也在权利要求1中限定的本发明第一方面的磁热格栅元件，也在权利要求9中限定的第二方面的磁热蓄热器，也在权利要求10中限定的第三方面的磁热热泵，也在权利要求13中限定的第四方面的冷却设备，也在权利要求14中限定的第五方面的磁热发电机以及也在权利要求15中限定的操作磁热格栅元件的方法具有相似或相同的实施方案。
下文将参照附图描述其他实施方案。
在附图中：
图1显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件的一个实施方案，
图2显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件的另一实施方案，
图3显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件的另一实施方案，
图4a，b显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件的其他实施方案，
图5显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件的单纤维的一个实施方案，
图6a-d显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件的其他实施方案，
图7显示了根据本发明第二方面的磁热蓄热器的一个实施方案，
图8显示了根据本发明第三方面的磁热热泵的一个实施方案，
图9显示了根据本发明第四方面的冷却设备的一个实施方案的示意图，
图10显示了根据本发明第五方面的磁热发电机的一个实施方案的示意图，
图11显示了根据本发明第六方面的操作磁热热泵的方法的一个实施方案。
图1显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件100的一个实施方案。正如所示的那样，磁热格栅元件100由磁热材料的纤维105’，105”形成，其中纤维105’，105”设置在两个相应的平行和平面状的格栅平面134，138中，纤维105’，105”各自具有两个纵向114，118中相应的一个和相应的磁热材料质量。所描述的磁热格栅元件100的纤维105’，105”在与其纤维纵向延度垂直的方向上具有50-800μm的延度(直径)。所有纤维均属于第一或第二组纤维105’，105”，并且第一组纤维105’的纤维全部沿共同的纤维延度的第一纵向114延伸，且第二组纤维105的纤维全部沿与不同于第一纵向114的共同的纤维延度的第二纵向118延伸。
此外，由于一方面纤维组105’和另一方面纤维组105”在其相应的格栅平面134，138中彼此平行，因此它们不彼此接触，然而给定格栅平面134的各纤维105’与其他格栅平面138中的纤维105”连接，反之亦然。给定纤维的连接点是给定纤维与其下一相邻格栅平面之一的其他纤维的交叉点。除了最外面的格栅平面(磁热格栅元件的顶部和底部)中的纤维之外，各格栅平面具有两个下一相邻格栅平面，并且给定格栅平面的各纤维与两个下一相邻格栅平面中的其他纤维存在接触点。接触点提供了纤维彼此的连接，由此整体上实现了填充屏结构的机械稳定性。第一纵向114和第二纵向118之间的格栅角110为40-60°的锐角。磁热格栅元件100的所得菱形结构显示出正好一个沿锐角格栅角110的平分线取向的纤维纵向延度的主要质量加权方向140。
尽管菱形结构直观地显示了纤维纵向延度的主要质量加权方向140，然而将在下文图5的上下文中给出理解主要质量加权方向140的取向的定量方式。
图2显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件200的一个实施方案。
所有纤维205’，205”均属于第一或第二组纤维，并且第一组纤维205’的纤维全部沿共同的纤维延度的第一纵向214延伸，且第二组纤维205”的纤维全部沿垂直于第一纵向214的共同的纤维延度的第二纵向218延伸。
第一组纤维205’中的纤维总数小于第二组纤维205”中的纤维总数。因此，第一组纤维205’包含比第二组纤维205”更小质量量的磁热材料。
该设计措施实现了纤维纵向延度的主要质量加权方向240沿第二纵向218取向。如上所述，纤维纵向延度的主要质量加权方向240的确定将在图5的上下文中定量解释。
图3显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件300的另一实施方案。
如在图2的实施方案中那样，所有纤维305’，305”均属于第一或第二组纤维，并且第一组纤维305’的纤维全部沿共同的纤维延度的第一纵向314延伸，且第二组纤维305”的纤维全部沿垂直于第一纵向314的纤维延度的共同第二纵向318延伸。然而，在本实施方案中，第一组纤维305’的纤维的横向延度比第二组纤维305”的纤维横向延度小至少两倍，这例如通过考虑其具有平行于各纤维的纵向延度的表面矢量的横截面面积确定。
由于该设计，纤维纵向延度的主要质量加权方向340沿第二纵向318取向。纤维纵向延度的主要质量加权方向340的取向的确定将在图5的上下文中定量解释。
在未示出的实施方案中，第一组纤维的纤维横向延度比第二组纤维的纤维横向延度小4-8倍。
图4a和图4b显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件400a，400b的两个另外的实施方案。所示实施方案的结构类似于图1和图2中所示的那些。第一组纤维405a’，405b’的纤维彼此平行地延伸，但与前文实施方案不同的是，它们不是直的。它们沿其纵向延度呈现出弯曲的余弦型(图4a)或锯齿型(图4b)或Z字形。在制造中，锯齿形通常以与第二组纤维的纤维405b”连接的点处具有一定的曲率半径的方式制造。
因此，图4a和4b中的这些第一组纤维的纤维不具有共同的第一纵向。相反，第二组纤维405a”，405b”的纤维呈直线形状并且具有共同的纤维延度的第二纵向418a，418b。
纤维纵向延度的主要质量加权方向440a，440b在两个实施方案中均沿第二纵向418a，418b取向。纤维纵向延度的主要质量加权方向440a，440b的取向将在图5的上下文中定量解释。
在未示出的实施方案中，纤维不彼此平行地设置，从而使得不存在共同的第一或第二纵向。
图5显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件的两根单纤维500，510的实施方案。所述纤维不是直的，因此不能说它们是沿固定的纵向延伸的。
图5显示了确定磁热格栅元件的主要质量加权方向的取向的概念。该确定包括将纤维500，510分割成纵向纤维段505，515，其各自具有段质量mn和沿相应纵向段方向的纵向段延度
Figure GDA0002893590230000123
其中n＝1，...，8。通过使用磁热格栅元件的计算机模型的现代计算机辅助设计工具可容易地实现该纤维段分割。分割用于将给定的纤维沿其纵向延度分解成纤维段。沿纵向延度的段尺寸可通过使用以下考虑来选择：对于各纤维段，应确定纵向延度的单个方向。最佳分割为各纤维段提供了精确的纵向延度方向。然而，可能不需要实现最佳分割，并且在确定各方向时特定角度范围的不精确度可能是可接受的。
在知晓磁热纤维的材料性能(单位体积的质量)以及纤维及其纤维段的几何延度以及这些有限的纵向纤维段505，515下，两根纤维500，510的纤维纵向延度的主要质量加权方向540可通过找到满足以下关系的方向
Figure GDA0002893590230000121
而确定：
Figure GDA0002893590230000122
这是公式(1)，相应的变量已在上文加以解释了。
因此，上文给出的关系以数学方式定义了如下事实：纤维纵向延度的主要质量加权方向540正好是所有方向中在数学表达式中是长度为1的矢量的方向，对于该矢量，所有纤维段的相应纵向段延度在该纤维纵向延度的主要方向上的所有标量投影的加权总和具有最大值。根据本发明，正好存在一个这样的方向。为了简化说明，对于纵向纤维段n＝3和相应的标量投影
Figure GDA0002893590230000131
在图5中仅示出了一个标量投影550。
考虑到将纤维分割成纵向纤维段，选择该分割足够精确以至于基本上找到纤维纵向延度的主要质量加权方向。分割成有限数量的纵向纤维段足以确定纤维纵向延度的主要质量加权方向。
图6a，6b，6c和6d显示了根据本发明第一方面的磁热格栅元件600a，600b，600c和600d的其他实施方案。所述图各自显示了磁热格栅元件截面的相应示意图并且未按比例绘制。特别地，纸平面中的各磁热格栅元件的纤维数量通常远大于被所示截面所覆盖的纤维数量。此外，图6a-6d中的视图各自仅覆盖在垂直于各图的纸平面方向上相邻的两个相邻格栅平面。实际的实施方案具有高得多的数量的在该方向上堆叠的格栅平面。所示截面的图示具有圆形的外部形状，以便将说明限制为本发明上下文中的结构的基本特征。因此，圆形并非必须反映各磁热格栅元件的实际外形，其可具有适于给定应用情况的任何外形。各磁热格栅元件形成填充屏型磁热格栅元件，并且具有在垂直于纸平面的方向上堆叠的其他格栅平面。
这些实施方案类似于图1所示的磁热格栅元件100。各磁热格栅元件600a，600b，600c，600d的孔隙率(即磁热材料的纤维体积除以磁热格栅元件的总体积的关系)对图6a-6d的全部四个实施方案均为0.4764的相同值。
图6a显示了磁热格栅元件600a，其中第一纵向614a和第二纵向618a之间的格栅角620a为70°的锐角。得到的磁热格栅元件600a的菱形结构显示出正好一个沿锐角格栅角620a的平分线取向的纤维纵向延度的主要质量加权方向630a。纤维的灰度色调形式化地表示了磁热格栅元件600a的退磁因子N，其比纤维处于垂直设置(未显示)的相同孔隙率的相应参比磁热格栅元件的情况小14％。
图6b显示了磁热格栅元件600b的另一变型，其中第一纵向614b和第二纵向618b之间的格栅角620b为50°的锐角。得到的磁热格栅元件600b的菱形结构显示出正好一个沿锐角格栅角620b的平分线取向的纤维纵向延度的主要质量加权方向630b。纤维的灰度色调形式化地表示了磁热格栅元件600b的退磁因子N，其与图6a的磁热格栅元件相比甚至进一步减小，即比参比磁热格栅元件的情况小27％。
图6c显示了磁热格栅元件600c的另一变型，其中第一纵向614c和第二纵向618c之间的格栅角620c为30°的锐角。得到的磁热格栅元件600c的菱形结构显示出正好一个沿锐角格栅角620c的平分线取向的纤维纵向延度的主要质量加权方向630c。纤维的灰度色调形式化地表示了磁热格栅元件600c的退磁因子N，其与图6b的磁热格栅元件相比甚至进一步减小，即比参比磁热格栅元件的情况小37％。
图6d显示了磁热格栅元件600d，其中第一纵向614d和第二纵向618d之间的格栅角620d为10°的锐角。得到的磁热格栅元件600d的菱形结构显示出正好一个沿锐角格栅角620d的平分线取向的纤维纵向延度的主要质量加权方向630d。灰度色调形式化地表示了磁热格栅元件600c的退磁因子N，其与图6c的磁热格栅元件相比甚至进一步减小，即比参比磁热格栅元件的情况小43％。
图6a，6b，6c和6d显示了小的锐角格栅角实现了磁热格栅元件中的退磁效应的强烈降低。另一方面，就随着减小的格栅角620a，620b，620c，620d变化的退磁而言的正面效果伴随着在冷却设备中引导通过相应磁热格栅元件600a，600b，600c，600d的孔隙的传热介质的压力损失的增大。高压力损失通常是不希望的。在设计最适于给定应用场景的磁热格栅元件时，必须考虑和平衡这两种效果。
图7显示了根据本发明第二方面的磁热蓄热器700的一个实施方案。磁热蓄热器700包括蓄热器壳体710、处于蓄热器壳体710中的磁热格栅元件720以及配置成引导流体740的流动通过磁热格栅元件720的流体通道系统730。在该实施方案中，磁热格栅元件720类似于图6a中所示的磁热格栅元件600a。
图8显示了根据本发明第三方面的磁热热泵800的一个实施方案。磁热热泵800包括图7中所示的具有磁热格栅元件720的磁热蓄热器700以及用于向磁热格栅元件720施加外部磁场的处于环形可旋转支撑结构(未示出)处的磁体组件840，840’。磁热格栅元件720和磁体组件840，840’相互排列，从而以场方向830(平行于磁热格栅元件720的纤维纵向延度的主要质量加权方向850)向磁热格栅元件720提供外部磁场。磁场优选至少在磁热格栅元件720所占的体积中基本上是均匀的。
在该实施方案中，磁热格栅元件720的所有纤维具有相同的相应质量量的磁热材料，并且磁热格栅元件720和磁体组件840，840’配置为相互设置，从而以场方向830向磁热格栅元件720施加外部磁场，其中场方向830沿第一纵向824和第二纵向826之间的锐角格栅角822的平分线取向。平分线沿纤维纵向延度的主要质量加权方向850取向。
在未示出的类似实施方案中，如图1和2所示，磁热格栅元件纤维的第一纵向垂直于第二纵向，并且磁热格栅元件和磁体组件配置为相互设置，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向沿构成纤维纵向延度的主要质量加权方向的第二纵向取向。
图9显示了根据本发明第四方面的冷却设备900的一个实施方案的示意图。冷却设备900包括根据本发明第一方面的磁热格栅元件910，其设置在根据本发明第二方面的一个实施方案的磁热蓄热器920中。根据本发明第三方面的一个实施方案，磁热蓄热器920设置在磁热热泵930中，其在操作中将热量从冷却设备900中泵出至周围环境中，由此有效地冷却冷却设备900。如上所述，从冷却设备900中泵出热量包括工艺循环，其包括磁热格栅元件910的磁化和退磁。
图10显示了根据本发明第五方面的磁热发电机1000的一个实施方案的示意图。磁热发电机1000包括加热储器1010和冷却储器1020，其设置和配置成加热和冷却磁热格栅元件1030，从而周期性地改变其磁场。此外，磁热发电机1000包括永磁体1040，其设置在磁热格栅元件1030处以提供由磁热格栅元件1030的磁场变化所感应的电流。在磁热格栅元件1030中，磁热材料的纤维设置在彼此平行堆叠的格栅平面中。任何给定格栅平面的纤维彼此不接触，然而给定格栅平面的纤维各自与下一相邻格栅平面的至少两根相应的其他纤维接触。磁热格栅元件具有正好一个纤维纵向延度的主要质量加权方向。纤维纵向延度的主要质量加权方向与永磁体1040的场方向平行。
图11显示了根据本发明第六方面的操作磁热热泵的方法的一个实施方案。
作为第一步骤1110，该方法包括提供根据本发明第一方面的至少一个实施方案的磁热格栅元件。
该方法的第二步骤1120是提供用于向磁热格栅元件施加外部磁场的磁体组件。
最后的步骤1130是设置磁热格栅元件和磁体组件，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向与纤维纵向延度的主要质量加权方向平行。
总之，本发明涉及一种由磁热材料纤维形成的磁热格栅元件，其中纤维排列在各自平行的格栅平面中，各纤维具有相应的磁热材料质量，给定格栅平面的纤维彼此不接触，然而给定格栅平面的各纤维与下一相邻格栅平面中的至少两根纤维连接，且其中所述磁热格栅元件具有正好一个纤维纵向延度的主要质量加权方向。
本发明不限于所公开的实施方案。特别地，本发明不限于使用特定形状的纤维，或者限于纤维延度的仅两个纵向，或者磁热格栅元件在冷却设备中的应用。此外，本发明不限于与磁体组件的组合。
权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种由磁热材料纤维形成的磁热格栅元件，其中：
-纤维排列在彼此平行的格栅平面中，各纤维具有相应质量量的磁热材料，
-任何给定格栅平面的纤维彼此不接触，然而给定格栅平面的纤维各自与下一相邻格栅平面的至少两根相应的其他纤维接触，并且其中：
-磁热格栅元件具有正好一个纤维纵向延度的主要质量加权方向；
其中如果将各纤维视为分割成纵向纤维段，各纤维段具有段质量和沿相应的纵向段方向的纵向段延度，则纤维纵向延度的主要质量加权方向由如下要求定义：所有纤维段的相应纵向段延度在纤维纵向延度的该主要质量加权方向上的所有标量投影的加权总和大于所有纤维段的相应纵向段延度在纵向段延度的任何其他方向上的所有标量投影的相应加权总和，其中各纤维段在其加权总和中与其各自的段质量成比例地加权。
2.根据权利要求1所述的磁热格栅元件，其中所有纤维均属于第一或第二组纤维，并且第一组纤维的纤维全部沿共同的纤维延度的第一纵向延伸，第二组纤维的纤维全部沿不同于第一纵向的共同的纤维延度的第二纵向延伸。
3.根据权利要求2所述的磁热格栅元件，其中第一纵向与第二纵向之间的格栅角为5-85°的锐角。
4.根据权利要求2所述的磁热格栅元件，其中第一组纤维包括比第二组纤维更小质量量的磁热材料。
5.根据权利要求4所述的磁热格栅元件，其中第一组纤维中的纤维数量小于第二组纤维中的纤维数量。
6.根据权利要求4所述的磁热格栅元件，其中考虑到具有平行于各纤维段的纵向延度的表面矢量的横截面面积，第一组纤维比第二组纤维小至少两倍。
7.根据权利要求1所述的磁热格栅元件，其中所述纤维在与其纤维纵向延度垂直的方向上的延度为50-800μm。
8.一种磁热蓄热器，包括：
-蓄热器壳体，
-处于蓄热器壳体中的根据权利要求1-7中任一项的磁热格栅元件，和
-配置成引导流体流过磁热格栅元件的流体通道系统。
9.一种磁热热泵，包括：
-根据权利要求1-7中的任一项所述的磁热格栅元件或根据权利要求8所述的磁热蓄热器，并且进一步包括：
-用于向磁热格栅元件施加外部磁场的磁体组件，其中：
-磁热格栅元件和磁体组件配置为相互设置，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向与纤维纵向延度的主要质量加权方向平行。
10.根据权利要求9所述的磁热热泵，包括磁热格栅元件，
其中在所述磁热格栅元件中，所有纤维均属于第一或第二组纤维，并且第一组纤维的纤维全部沿共同的纤维延度的第一纵向延伸，第二组纤维的纤维全部沿不同于第一纵向的共同的纤维延度的第二纵向延伸；
其中第一组纤维包括比第二组纤维更小质量量的磁热材料；
其中所有纤维具有相同的相应质量量的磁热材料，并且其中磁热格栅元件和磁体组件配置为相互设置，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向沿第一纵向和第二纵向之间的锐角格栅角的平分线取向。
11.根据权利要求9所述的磁热热泵，包括磁热格栅元件，
其中在所述磁热格栅元件中，所有纤维均属于第一或第二组纤维，并且第一组纤维的纤维全部沿共同的纤维延度的第一纵向延伸，第二组纤维的纤维全部沿不同于第一纵向的共同的纤维延度的第二纵向延伸；
其中第一组纤维包括比第二组纤维更小质量量的磁热材料；
其中第一组纤维中的纤维数量小于第二组纤维中的纤维数量；
其中第一纵向垂直于第二纵向，且其中磁热格栅元件和磁体组件配置为相互设置，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向沿形成纤维纵向延度的主要质量加权方向的第二纵向取向。
12.一种冷却设备，包括根据权利要求1-7中的任一项所述的磁热格栅元件。
13.一种磁热发电机，包括根据权利要求1-7中的任一项所述的磁热格栅元件。
14.一种操作磁热热泵的方法，包括以下步骤：
-提供根据权利要求1-7中的任一项所述的磁热格栅元件；
-提供磁体组件并向磁热格栅元件施加外部磁场；
-设置磁热格栅元件和磁体组件，从而以场方向向磁热格栅元件施加外部磁场，其中场方向与纤维纵向延度的主要质量加权方向平行。
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