CN110431369A - 用于磁热液化的先进的多层主动式磁再生器系统和工艺 - Google Patents

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Abstract

一种设备，包括：主动式磁再生再生器，所述主动式磁再生再生器包括多个连续层，其中每层包括在连续相邻的层之间具有相差18‑22K的居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且这些层以连续的居里温度顺序和磁性制冷剂材料质量顺序布置，其中第一层具有最高居里温度层和最高磁性制冷剂材料质量，并且最后一层具有最低居里温度层和最低磁性制冷剂材料质量。

Description

用于磁热液化的先进的多层主动式磁再生器系统和工艺
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月28日提交的美国临时申请号62/477,924的权益，该申请通过引用以其整体并入本文。
政府支持的致谢
本发明根据由美国能源部(U.S.Department of Energy)授予的合同号DE-AC05-76RL01830在政府支持下进行。政府在本发明中具有某些权利。
背景
氢作为燃料或能源载体的广泛使用将提供更好的能源安全，带来重大的经济、环境和健康效益，并且有助于使由能源使用的温室气体排放物引起的气候变化的影响最小化。氢以综合且关键的方式耦合到任何现实的“可持续碳-氢-电循环”模型中。
对于储存和输送，液态氢(LH2)是优于压缩氢(CH2)、吸附氢或氢的化学化合物的选择，因为与其他氢储存方法相比，LH2的更高的体积能量密度和重量能量密度。对于实际液化器，每单位质量气体的理想最小功输入与每单位质量气体的实际功输入的比率被称为品质因数(FOM)。目前，大多数气态氢(GH2)使用液氮预冷却的克劳德循环设备(Claude-cycleplant)进行液化。这些常规大型液化器被限制在～0.35的FOM。小型常规液化器很少达到0.25的FOM。如此低的FOM增加了氢液化器的运行成本，并且由此增加了分配的LH2或CH2燃料的价格。
目前世界上存在相对少数量的氢液化器。其中大多数是大型工业工厂(industrial plant)，其中容量在从～5公吨/天到～100公吨/天的范围内。大多数商业H2已经被用于非运输应用，诸如炼油厂和氨肥厂。几乎没有建造具有低于～5公吨/天的容量的商业液化设施，因为随着容量的减少，统包(turn-key)安装成本倾向于以每公吨/天为基础急剧地增加。氢液化器的高资本成本的贬值增加了分配的LH2或CH2燃料的价格。例如，1公吨/天的LH2设施具有大致～900万-1100万美元，即～1000万美元/公吨/天的安装成本。在具有这种容量和成本的工厂的20年运行期内，直线折旧提供了对H2燃料成本的～1.45美元/kg的贡献。
部署燃料电池电动交通工具的主要障碍是缺乏本地供应和燃料补给基础设施，其中每个燃料补给站的容量在0.1公吨/天至1公吨/天的范围内，其中在燃料成本/英里驱动的基础上以相同的价格或低于汽油的价格运送LH2或CH2。不存在用于这样的燃料补给供应站和燃料补给站的这种规模的成本有效且高效的氢液化器。这两个更快采用氢燃料的关键障碍可以通过开发高效且低成本的小型液化器来消除。
具有多种磁性制冷剂的高性能磁再生器(magnetic regenerator)的主动式磁再生制冷机(active magnetic regenerative refrigerator)(AMRR)系统可以能够有效地液化氢，但是在开发多层再生器方面已经存在若干问题，该多层再生器理论上能够有效地跨越致冷剂液化器系统所需的大温度范围，诸如对于LH2的～280K至～20K。然而，实际上，不存在跨越超过～80K的可操作的多层低温再生器。
概述
本文在一个实施方案中公开了用于液化工艺气体的工艺，所述工艺包括：
将传热流体引入到主动式磁再生制冷机设备中，所述主动式磁再生制冷机设备包括彼此轴向地相对定位的双再生器，其中所述设备包括(i)第一顶部再生器，所述第一顶部再生器包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中顶部再生器的第一层具有最高居里温度，且顶部再生器的最后一层具有最低居里温度；以及(ii)第二底部再生器，所述第二底部再生器包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中底部再生器的第一层具有最低居里温度，且底部再生器的最后一层具有最高居里温度；
使传热流体流过第一顶部再生器的每层和第二底部再生器的每层；
将流动的传热流体的一部分从第一顶部再生器的每层的出口分流(diverting)到第二底部再生器的相应的居里温度层的入口，除了最低居里温度层外；
在第一冷入口温度，将流动的传热流体的旁路部分从第一顶部再生器的最低居里温度层分流到旁路流热交换器中；
在第一热入口温度和与旁路部分流动逆流下，将工艺气体引入到旁路流热交换器中，并且在第一冷出口温度从旁路流热交换器中排出工艺气体或液体；以及
同时使第二底部再生器的所有层经历更高的磁场，而使第一顶部再生器的所有层退磁或经历更低的磁场。
本文还公开了一种系统，所述系统包括：
第一主动式磁再生再生器(first active magnetic regenerativeregenerator)，所述第一主动式磁再生再生器包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中第一主动式磁再生再生器的第一层具有最高居里温度，且第一主动式磁再生再生器的最后一层具有最低居里温度；
第二主动式磁再生再生器(second active magnetic regenerativeregenerator)，所述第二主动式磁再生再生器包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中第二主动式磁再生再生器的第一层具有最低居里温度，且第二主动式磁再生再生器的最后一层具有最高居里温度；
至少一个导管，所述导管被流体地连接在第一主动式磁再生再生器的最低居里温度层和第二主动式磁再生再生器的最高居里温度层之间；
单个旁路流热交换器，所述单个旁路流热交换器(a)被流体地连接至第一主动式磁再生再生器的最低居里温度层，并且(b)被流体地连接至工艺气体源；以及
独立的流体导管，对于第一主动式磁再生再生器的每层和第二主动式磁再生再生器的每层，所述独立的流体导管在第一主动式磁再生再生器的每层的出口和第二主动式磁再生再生器的相应的居里温度层的入口之间，除了第一模块的最低居里温度层外。
本文还公开了一种设备，所述设备包括：
主动式磁再生再生器，所述主动式磁再生再生器包括多个连续层，其中每层包括在连续相邻的层之间具有相差18-22K的居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且这些层以连续的居里温度顺序和磁性制冷剂材料质量顺序布置，其中第一层具有最高居里温度层和最高磁性制冷剂材料质量，并且最后一层具有最低居里温度层和最低磁性制冷剂材料质量。
从下面参考附图进行的详细描述中，前述将变得更明显。
附图简述
图1是用于主动式磁再生制冷(AMRR)的八层双主动式磁再生器(AMR)的示意图，该八层双主动式磁再生器(AMR)具有在280K和120K之间操作的连续旁路流。
图2是AMRR设备的横截面透视图。
图3是AMRR再生器的横截面透视图。
图4是AMRR设备的透视图。
图5是具有旁路流的单级主动式磁再生制冷机(AMRR)的旋转轮实施方案的横截面的示意图。例如，图5中所示的实施方案是单级AMRR的示意图，该单级AMRR具有分层磁性材料和传热流体的旁路流，以连续地冷却诸如气态H2(GH2)或天然气的工艺流。在该阶段，存在跨度从～280K到～122K的八种磁性材料。这种设计也适用于从122K到53K或从53K到22K；每种都具有更少的制冷剂层和如LH2液化器所需的更少的材料。
详细描述
本文公开了包括用于液化任何工艺流的主动式磁再生制冷机(AMRR)的工艺和系统，所述工艺流在低于～200K液化，所述工艺流包括乙烷、甲烷、氩气、氮气、氖气、氢气或氦气工艺气体。在某些实施方案中，工艺气体包括氢气。在某些实施方案中，工艺气体基本上由氢气组成(例如，95％、96％、97％、98％或99％的氢气，其余为未冷凝的或冻结的杂质，诸如氦气)。在某些实施方案中，工艺气体由氢气组成。
AMRR工艺和系统可以具有若干种配置，诸如往复式双主动式磁再生器或具有多层磁性制冷剂的连续旋转轮主动式磁再生器，当在循环的磁化或退磁步骤中被连接至传热气体或液体的反向流时，所述磁性制冷剂执行主动式磁再生循环。
特别地，本文公开了其中AMRR再生器包括2至16层，更具体地8层组成不同的磁性制冷剂材料的配置和工艺。在某些实施方案中，AMRR设备是包括第一AMRR再生器和第二AMRR再生器的双再生器设备，其中第一AMRR再生器包括2至16层，更具体地8层组成不同的磁性制冷剂材料，并且第二AMRR再生器包括2至16层，更具体地8层组成不同的磁性制冷剂材料。在某些实施方案中，第一AMRR再生器和第二AMRR再生器在结构上彼此相同。当处于顶部位置时(参见，例如图1的“顶部”的实例)，多层AMRR再生器从最高居里温度到最低居里温度顺序地布置。所述设备被配置成使得最高居里温度层首先被退磁场中的传热流体接触，并且最低居里温度层首先被磁化场中的传热流体接触。换句话说，所述层沿着热传热流体到冷传热流体的流动方向以从最高居里温度层到最低居里温度层的顺序次序布置，但是当流动从冷传热流体到热传热流体反转时，所述层沿着流动方向以从最低居里温度层到最高居里温度层的顺序次序。
本文还公开了包括多个独立AMRR级的系统和工艺，每个AMRR级包括至少一个AMRR再生器，该AMRR再生器具有多层组成不同的磁性制冷剂材料。例如，在氢气工艺气体的情况下，具有双相对的相同再生器(每个再生器具有8个磁性制冷剂层)的第一级将氢气工艺气体从280K冷却至120K，并且具有双相对的相同再生器(每个再生器具有五个磁性制冷剂层)的第二级将氢气工艺气体从120K冷却至20K。
在单个AMR循环期间，AMRR双再生器的所有磁性制冷剂材料层在一个步骤中同时经历相等的高磁场，并且所有磁性制冷剂材料层在另一个步骤中同时被退磁为低磁场。换句话说，在磁化步骤期间的每个单独层同时经历相同的磁场强度，并且在退磁步骤期间的每个单独层同时被退磁。这些步骤在往复式AMRR实施方案中的不同时间发生，并且同时在旋转式AMRR实施方案中的转轮的不同区域(即，区段)中发生。在往复式实施方案中，这通过在磁体静止的情况下轴向地移动再生器来周期性地实现；在旋转轮实施方案中，这通过使转轮旋转通过约1/3的转轮边缘上的高场区和通过相对地位于约1/3的转轮边缘上的低场区来连续地实现。
分层的主动式磁再生器能够在新的氢气液化器设计中使用较少级所需的平均温度T热和平均温度T冷之间实现更大的差异。磁再生器由多个纵向地或径向地分层的磁性制冷剂制成，这些磁性制冷剂被定位成使得每种制冷剂的居里温度高于在稳态操作中再生器的该轴向位置处的平均AMR循环热温度T热乘以ΔT热，以使制冷剂热质量差异最大化，并且由此使旁路传热气流的百分比最大化。AMRR中的所有制冷剂都单独地执行小型磁布雷顿循环，因为它们被磁场交替地磁化和退磁，并且通过流动的氦气传热气体从T热到T冷连接在一起。这种连接允许AMRR的总温度跨度是由每种磁性制冷剂的磁热效应引起的绝热温度变化的许多倍。适当地分层的制冷剂的热磁性质必须同时具有满足热力学第二定律的熵流，并允许产生不可逆熵和旁路流的影响。
在某些实施方案中，不同铁磁性制冷剂的多层在连续相邻的层之间具有相差约20K(例如，18-22K)的居里温度，其中最冷层与旁路流出口相邻。在适度的供应压力诸如～300psia的氢气工艺气体的某些实施方案中，最外层的居里温度到最内层的居里温度(即，最内层邻近旁路流出口)的跨度从～293K到～153K。在氢气工艺气体的某些实施方案中，最外层的居里温度到最内层的居里温度(即，最内层邻近旁路流出口)的跨度从～293K到～50K。在～200psia的甲烷工艺气体的某些实施方案中，最外层的居里温度到最内层的居里温度(即，最内层邻近旁路流出口)的跨度从～293K到～150K。在～15psia的氦气工艺气体的某些实施方案中，最外层的居里温度到最内层的居里温度(即，最内层邻近旁路流出口)的跨度从～293K到～18K。
本文公开的系统和工艺的另外的特征是将一部分传热流体流从退磁步骤(或再生器)中AMMR双再生器或AMRR设备的每个居里温度层(除了最低居里温度层或被流体地连接至旁路流出口的层之外)分流到磁化步骤(或再生器)中相应的居里温度层。这种受控的分流的流允许每层具有最佳的制冷剂质量和相应的最佳传热流体流(包括旁路流)。在本文描述的某些实施方案中，所述系统和工艺可以用利用旋转轮、旋转带或具有固定磁体的往复式再生器的设备提供在280K和120K之间的制冷，每个设备携带包括具有在293K和153K之间的居里温度的层状铁磁材料的再生器。所述工艺和系统还利用一部分冷却的传热流体(例如，气体)的旁路流来预冷却待液化的单独的工艺流。
为了制造用于氢气或其他工艺气体的高效液化器，在其设计中应使用若干个特征。这些特征包括：
·使用固有有效的热力循环；
·使用有效的工作输入装置或机构；
·使用有效的工作恢复装置或机构；
·确保在流之间或在流之中或在固体和流之间热传递的小温度接近；
·使用高比表面积和高效的再生式和/或回热式热交换器；
·保持传热气流和工艺气流的压降非常低；
·经由材料和几何形状选择调用低纵向热传导机构；
·使摩擦和寄生热泄漏机构最小化；以及
·特别是对于氢气，在工艺热交换器中冷却期间，在最高可能的温度下进行邻位至对位(ortho-to-para)转化。
在主动式磁再生液化器(AMRL)设计中，热的排放和吸收通过在等熵磁化或退磁时再生器中的磁性制冷剂的温度升高或降低与传热气体的往复流动相结合来实现。主动式磁再生器(AMR)中的磁性制冷剂执行的循环步骤是：i)没有传热气流的磁化；ii)在恒定的高磁场下的冷至热传热气流；iii)没有传热气流的退磁；以及iv)在恒定的低磁场或零磁场下的冷至热传热流。通过AMRR级中的传热流体流(例如，气体)热连接的一种或更多种制冷剂的AMR循环可以被用于设计优异的液化器，该液化器的高性能潜力来自：
·对于某些磁性制冷剂，在高达赫兹频率的AMR循环中的磁化-退磁步骤的几乎可逆性质。相反，由于低密度气体诸如氢气或氦气的基本上差的导热性，因此在气体压缩中可逆地实现高压缩比、高产量和高效率本质上是困难的；
·AMR循环中多孔工作制冷剂固体和流动的传热流体(例如，气体)之间的有效内部传热可以通过在高性能再生器中使用具有高比表面积诸如～10,000m2/m3的几何形状，在循环期间始终保持小的温差；
·氢气或其他工艺气体和AMRR传热气体的有效冷却。这是高效液化器设计的关键要素。为了说明这一点，操作单个AMRR(或在280K和20K之间的任何其他类型的单级制冷机)作为氢气液化器(其中氢气工艺流在280K时进入AMRR到达单个工艺热交换器)所需的实际功将至少比氢气液化的理想最小功大4倍，因为单个工艺热交换器中的大的初始接近温度。这种单一设计特征对FOM的巨大影响说明了降低氢气的液化器中工艺热交换器中的接近温度的重要性。在并入其他实际部件的低效率之前，具有仅两个到四个热交换器级的常规气体循环液化器固有地将它们的FOM限制在约0.50。通过使用小百分比的传热气体的逆流旁路流来降低工艺热交换器中的接近温度是AMRL设计的独特特征，以实现大于0.5的FOM。此外，本文公开的新的工艺和系统显著地减少了在大温度范围内更高的FOM所需的AMRR级的数目，如下文更充分地解释的；
·由在紧凑的再生床中使用固体制冷剂引起的高能量密度可以在赫兹频率下通过AMR循环变成高功率密度；以及
·安全、可靠、耐用、紧凑且成本有效的装置。
上文解释的期望特征可以通过将本文公开的以下发明方面中的至少一个并且优选地组合并入到系统和工艺中来实现：
·连续地预冷却工艺气流的连续旁路流。旁路气流由完全地预冷却工艺气流所需的量来确定，同时在逆流旁路气体和工艺气体之间保持小的1-2K温度接近；
·磁性制冷剂的热容随磁场变化，特别是在从居里温度至～25-30K的温度区域内。因此，热质量或热容乘以制冷剂质量也将变化。为了利用AMR循环中铁磁性制冷剂所特有的这种现象，在AMR循环的热至冷流动区域(低场)中的传热气体的质量流量必须比在相同AMR循环的冷至热流动区域(高场)中的传热气体的质量流量大若干个百分比(例如，2-12％，更具体地2％、3％、4％或5％)，以平衡(即，等效的或接近相同的)在执行有效AMR循环的AMRR的低场区域和高场区域中的能量传递；将传热气流中的差异与在AMRR中热至冷流动后的传热流分离，以产生传热气体的冷旁路流，该冷旁路流在其通过流过AMRR中的工艺流热交换器返回到AMRR的热温度时被加热；
·在第一冷入口温度进入工艺热交换器的旁路热传递和在第一冷出口温度离开工艺热交换器的工艺气体之间的温度差为1K至5K，更具体地为1K至2K；
·磁性制冷剂在整个主动式磁再生循环中在其居里温度或低于其居里温度操作，因为这是其中磁化的磁性制冷剂和退磁的磁性制冷剂之间的热质量的差异被最大化的区域；和/或
·工艺气体的显热完全通过旁路流热交换器去除。
本文描述的新的工艺和系统的实施方案利用每层铁磁性制冷剂在被磁化和退磁时在低于其相应的居里温度的热质量之间的差异，以使得能够在大的温度跨度内使用旁路流。旁路流的量由在AMR循环的热至冷流动步骤中通过再生器改变退磁的制冷剂温度所需的另外的传热气体产生，而不由在AMR循环的冷至热流动步骤中通过其双磁化的再生器改变磁化的制冷剂温度所需的传热气体产生。热质量的差异越大，优化的AMRR中所需的旁路流的量就越大。由于在AMR循环期间，热差异随着磁场的差异而增加，所以最高实际磁场从6-8T的高场区域变化到0至0.3T的低场区域，优选地，诸如例如7T至0.3T的值是期望的。通过在其整个AMR循环中操作低于其居里温度的每种层状铁磁性制冷剂来实现这一特征的最大利用，这需要在其AMR循环期间将每种层状制冷剂的平均T热保持在低于其相应的居里温度至少ΔT热。此外，由于磁场相关的热质量差异也随着每种层状磁性制冷剂的温度降低到低于再生器中其相应的居里温度而单调地减小，所以AMRR级的再生器中的每层磁性材料的平均T热和平均T冷之间的平均温度差异被选择为约20K。在某些实施方案中，AMRR中的每种制冷剂的操作温度跨度(平均T热-平均T冷)被选择为～20K-30K，以使层状铁磁性制冷剂的热质量的差异最大化，从而使可能的旁路流量最大化。此外，在低于居里温度的20K-30K的温度跨度内，针对给定的磁场变化，每种磁性制冷剂的绝热温度变化随着温度而降低，以紧密地匹配高效热力学制冷循环的热力学要求的第二定律，即ΔT冷＝ΔT热*T冷/T热。
每个AMRR级的氦气旁路气体流量是根据特定AMRL液化速率(例如kg/天)的期望的氢气或其他工艺气体流量的焓与流向工艺气体微通道或其他高效热交换器的逆流旁路气体中的氦气旁路气体流量的焓之间的完全焓平衡来计算的。这种新颖的特征使得氢气或其他工艺气体的显热和/或潜热能够通过在液化器的AMRR级的每个工艺热交换器(PHEX)中以非常小的接近温度加热氦气旁路气体被连续地且完全地去除。无论期望什么样的氢气或其他工艺流流量，都可以使用该设计特征，即简单地增加氦气旁路流量，以将氢气或其他工艺流完全地冷却至所考虑的特定AMRR级的最冷温度的1-2K内。例如，氢气工艺流可以通过适当的旁路气体的流量被冷却至对于特定压力的泡点温度(例如，对于LH2在0.1013MPa时为～20K)，该旁路气体在连续的工艺热交换器中升温至～278K之前最初为～18K。氢气AMRL中最冷AMRR级的平均T冷将低于LH2温度1-2K。该设计程序中的变量是氦气旁路流；由于氦气旁路流随着LH2液化的增加而增加，所以通过磁再生器的氦气传热流增加，而通过磁再生器的氦气传热流又随着AMRR级的制冷能力而增加。
利用这种技术，氦气旁路流量由AMRL氢气或其他工艺气体液化速率来确定。反过来，氦气旁路气体流量是AMRR级中再生器的最冷层的氦气传热气体流量的最佳小部分。每层的总传热气体流量与AMRR的详细设计变量直接相关，所述变量包括每层磁性制冷剂的数目和质量、绝热温度变化、磁场变化、制冷剂的热容、循环频率以及在多层再生器的每层内从T热到T冷的温度分布，该温度分布决定了主动式磁再生器在每个循环中冷却到低于平均T冷的分数。在氦气传热气体通过主动式磁再生器的最佳热至冷流量的情况下，退磁再生器的每层的平均冷却功率(使用Gd和若干种Gd-RE合金作为从～280K到～120K的优异的磁性制冷剂的实例)由Gd的以下等式给出：
其中是以W计的冷却功率，v是以Hz计的AMR循环频率，Fr冷是再生器的吹气平均无量纲分数，该吹气平均无量纲分数比氦气传热气体的热至冷吹气之前的退磁再生器的平均T冷更低，MGd是以kg计的旋转轮式再生器的流动扇区中Gd的质量，CGd是以J/kg K计的在T冷时和在退磁后低磁场的Gd的总热容，ΔTCD是以K计的在从高场到低场退磁时的绝热温度变化。除Fr冷之外，等式中的所有变量都是已知的。该参数取决于多层AMR的每层的轴向温度分布，该温度分布取决于每层的冷热负荷、每层的传热气体流量和每层的旁路流的百分比；典型值为～0.3。该等式适用于分层再生器中的每种磁性制冷剂。包括一层或多层制冷剂的主动式磁再生器的轴向温度分布作为总氦气传热气流和传热气体的旁路流的百分比的函数的数值模拟可以通过求解描述AMR性能的偏微分方程来预测。在主题发明的每层磁性制冷剂中的线性轴向或径向温度分布是最佳氦气传热气体和旁路流百分比以及Fr冷的预测的良好近似。实验证实了数值预测，即取决于磁性制冷剂和磁场变化，3％-12％旁路是每层的典型范围。每层的氦气传热气体流量是通过将再生器的冷却功率除以氦气在恒定压力的热容乘以ΔTCD/2给出的，以kg/s计。在本文描述的多层再生器中，传热气体流量在最外面的较热层中最大，而在最里面的较冷层中最小，并且为了实现每层的最佳传热气体流量，通过将退磁的分层再生器中顺序层的传热气流的一部分分流到相应的磁化分层再生器来调节传热气体的流动，以为热至冷流动区域中的多层再生器中的下一个较冷层中提供减少的流动，并在冷至热流动区域中的多层再生器中的下一个较热层中提供增加的流动。这在图2中图示出。
新的工艺和系统的某些实施方案具有几个百分比的冷氦气(例如，通过退磁再生器的热至冷流动中的总传热气体的3％至12％，更具体地为6％)的旁路流，以连续地预冷却氢气或其他工艺气流，从而将高效H2液化器中的AMRR级的数目从没有旁路流的6-8级减少到有旁路流的2-3级。明显的是，使用旁路流来连续地预冷却氢气工艺流的较少的AMRR级也将需要基本上更少的磁性制冷剂用于相等的液化速率。在液化器中连续冷却氢气工艺流基本上消除了由工艺流热交换器中较大的接近温度引起的非常大的不可逆熵产生源，并且由此显著地增加液化器的FOM。从该描述中明显的是，旁路传热气体的流量是通过从工艺流中完全去除显热和潜热来确定的，鉴于磁再生器中热质量差异所允许的旁路流的百分比，这反过来又确定了AMRR级的总氦气传热流量，鉴于来自磁热效应的ΔT冷，这反过来又确定了磁再生器的质量。这种新的设计工艺使用于氢气和其他气体的液化器中AMRR级的数目和磁性制冷剂的质量最小化。例如，在某些实施方案中，所述工艺和系统只有两个阶段；用于将工艺气体从280K冷却至120K的第一阶段和用于将工艺气体从120K冷却至20K或4K的第二阶段。
AMR床中的磁性制冷剂具有热质量差异，该热质量是每单位质量的热容乘以磁性制冷剂的质量的乘积(或者在这种情况下仅仅是热容，因为磁再生器中的磁性材料的质量不取决于温度或磁场)。低于居里温度(有序温度)的铁磁材料的热容在较高磁场下比在较低磁场或零磁场下小。然而，这种差异在居里温度转变，因为较高磁场中的热容随着温度的升高而缓慢地降低，而在居里温度，在低磁场或零磁场中的热容急剧地下降，使得在较高磁场中的热容变得大于在低磁场或零磁场中的热容。这意味着在磁化的AMR床和退磁的AMR床之间的热质量差异在居里温度改变符号，并且跨越居里温度的AMR循环的热质量的净差异随着温度的升高而迅速地降低。因此，对于延伸到高于居里温度的AMR循环，最佳旁路流的量将迅速地减少到零。同时，由于在这样的AMR循环中增加的固有熵产生并且由于旁路流不足以预冷却相同量的氢气工艺气体，以这种方式操作的AMR循环将变得更低效。在所公开的新的工艺和系统的设计中，认识到选择和控制散热器温度和温度跨度以使热质量的差异最大化(并且由此使旁路流的量最大化)的重要性。首先，在AMR循环的磁化步骤期间，动态T热始终是小于在再生器的热端处的磁性制冷剂(即，图1中转轮的分层边缘中的最外侧制冷剂)在其最大值时的居里温度的ΔT热。T热是其中热量被释放的环境温度。动态T热是通过将再生器插入到磁场中引起的温度的增加。最大动态T热取决于它在循环中的位置，但通常最大值是T热+ΔT热。这可以通过设置固定的散热器温度以锚定TH来实现，这反过来在高磁场和低磁场之间产生最大的热质量差异。高磁场和低磁场中的热质量差异的第二个方面是，当再生器中的冷温度降低到低于磁性制冷剂的居里温度时，热质量会稳步地降低。因此，AMR床中的磁性材料必须在当磁化时TH+ΔT热≤T居里和TC+ΔT冷等于～20K<T居里，以及当退磁时在相差～20K的TH-ΔT热和TC-ΔT冷之间的温度跨度内操作。TC表示在磁再生器执行其微小磁布雷顿循环时，在AMR中任意点的磁再生器片的低温。ΔT冷表示当再生器从磁场中移除时由磁热效应引起的温度下降。如果期望具有最佳热质量差异的较大温度跨度(如非常高的FOM所需的)，则必须在AMR床中使用具有下降的居里温度的磁性材料层。
在图1中示出了AMRR设备的说明性实施方案。AMRR设备包括8-磁性制冷剂材料层双AMR再生器布置—第一AMR多层再生器1和第二AMR多层再生器2。这种AMRR设备适用于带有固定磁体的往复式再生器配置。类似的布置存在于如图5所示的旋转轮中，下面更详细地描述，其中在转轮的高场区域中的分层转轮边缘的区段是第一AMR再生器段，并且转轮的低场区域中的相同转轮边缘的区段是一组第二AMR再生器段。第一AMR再生器1中的各个层被标记为1t、2t、3t、4t、5t、6t、7t和8t。第二AMR再生器2中的相应的各个层被标记为1b、2b、3b、4b、5b、6b、7b和8b。第一分流流体导管(diversion fluid conduit)3将层1t的传热流体出口与传热流体入口层1b流体地连接。类似地，第二分流流体导管4将层2t的传热流体出口与传热流体入口层2b流体地连接，第三分流流体导管5将层3t的传热流体出口与传热流体入口层3b流体地连接，第四分流流体导管6将层4t的传热流体出口与传热流体入口层4b流体地连接，第五分流流体导管7将层5t的传热流体出口与传热流体入口层5b流体地连接，第六分流流体导管8将层6t的传热流体出口与传热流体入口层6b流体地连接，并且第七分流流体导管9将层7t的传热流体出口与传热流体入口层7b流体地连接。通过分流流体导管分流的传热流体的量可以变化，但是在某些实施方案中，从第1层到第7层，每层分流流体的总流量的体积百分比从18％增加到59％，或者从15％增加到60％，其中在流入相应层的入口中的传热流体流量体积的第八层中具有零分流的流。在某些实施方案中，各个分流的流在退磁区域中的相邻层之间的位置处被分流，并且在磁化区域中的相应的相邻层之间的位置处重新注入。用于往复式双再生器配置的分流的流在图1中示出。
在旋转轮配置中，双再生器位于转轮的相对区段上，并且分流的流通道(尽管在图5中未示出)围绕转轮边缘周向地放置，使得流从具有热至冷传热气流的退磁的再生器段组的层之间的薄间隔物分流到具有冷至热传热气流的磁化的再生器组的相应层中的相同薄间隔物。对于每个相应的层，分流的流的量由每个分流通道(diversion flow channel)的受控分流阀控制。可控的分流阀可以存在于相邻磁化层之间，这减少传热流体流入到下一个较小层中，并且将分流的流转移到磁化双再生器中的相应层中。在双再生器从所有层中的～280K的初始温度冷却期间，每个分流阀的独立控制允许当层在低于它们相应的居里温度几度被冷却时的顺序冷却。在所有层都处于它们相应的操作温度范围内之后，可以调节分流的流以优化双再生器的冷却性能。多层AMRR可以通过控制分流阀以最初仅流过低于其280K的居里温度的最顶层来冷却，直到下一个相邻层被冷却到低于它们相应的居里温度，以能够实现正常的稳态操作。
在AMRR设备的操作期间，多层再生器中的每层磁性制冷剂相对于每个相邻层具有不同的传热气体流量。一层和下一个相邻层之间的传热气体流量的差异可以成比例地变化，以在每个顺序较小的层中提供最佳的传热流体流量，如图3所示。例如，一层和下一个相邻层之间的传热气体流量的差异可以在从第一层和第二层之间的27％到第七层和第八层之间的1.5％的范围内。
传热流体的未分流的流或主要流16从每一层流向相邻层。相邻层之间的每个单独的气流(gas stream)16的温度与预期的温度相差约20K，除了最冷层外，该最冷层提供单个旁路流以连续地冷却工艺流，并且然后从最冷层8b开始，将剩余部分或不平衡部分作为磁化层的冷至热流动17提供。旁路流部分占离开低磁场或退磁磁场区段的最冷层的传热流体的总量的1重量百分比至15重量百分比，更具体地4重量百分比至6重量百分比。
最冷居里温度制冷剂层(层8t)的出口被流体地连接至旁路流导管10(在图1所示的实施方案中，仅存在单个旁路流导管)。旁路传热流体流从在低场或退磁区域中流出冷管道的冷传热流体被送到旁路热交换器11，以保持稳态流动，并且因此维持非常小的1K至5K，更具体地0.5K至2K，在旁路热交换器11中的所有时间和位置处的旁路流和逆流工艺气体之间的接近温度。在旋转轮配置中，旁路传热流体流被连续地送到旁路热交换器。在往复式双再生器配置中，连续旁路流可以通过两个相同的双再生器系统彼此异相90度来实现，因此在该实施方案中的四个再生器中的一个再生器利用若干个三通阀提供冷却，以在往复式配置中的AMR循环的适当热至冷流动周期期间提供进入工艺热交换器中的连续旁路流。
旁路传热流体被引入到旁路热交换器11中。旁路传热流体冷却工艺气体，该工艺气体也被引入到旁路热交换器11中。工艺气体经由工艺气体导管12被输送至旁路热交换器11，该工艺气体导管12被流体地连接至工艺气体源。如果工艺气体是氢气，则所述源可以是电解器、自动重整器(autoreformer)、蒸汽-甲烷重整器或其他源。在某些实施方案中，对于氢气液化，旁路热交换器的工艺气体通道包括至少一种邻位H2至对位H2催化剂(ortho H2to para H2 catalyst)。氢气流中的放热催化热和显热仅经由工艺热交换器中的旁路流被去除。
在某些实施方案中，来自图1中双层配置的第一层的AMRL的废热通过冷至热流动中的传热气体被排放到热散热器式交换器中。热散热器式交换器通过来自可控的热散热器式冷却器的流体流诸如水-乙二醇混合物来冷却。该冷却器还在工艺流气体进入工艺流热交换器之前将其冷却至～280K。
离开旁路热交换器的旁路传热流体与离开高磁场区段(即，层1b)的热传热流体流结合。在某些实施方案中，离开旁路热交换器的旁路传热流体在循环传热气体的泵的吸入侧与热传热流体流结合。结合的旁路热交换器出口流体流和热传热流经由引入导管13被引入到最高居里温度层(即，层1t)。热传热流经由导管15被流体地连接至旁路热交换器出口流体流。在某些实施方案中，混合的旁路热交换器出口流体流和热传热流可以穿过任选的冷却器热散热器式交换器14。来自热力循环诸如AMRR的废热必须被去除以完成该循环，并且温控冷却器是完成该循环的手段。它还允许将AMRR的稳态T热设定在～280K。
图1示出了双再生器AMRR，该双再生器AMRR包括第一再生器1和第二再生器2。图1所示的往复式实施方案描绘了处于退磁状态的上部或顶部再生器1和处于磁化状态的下部或底部再生器2。当然，由于该设备往复进出磁场，因此相应的再生器1和再生器2的退磁状态/磁化状态将连续地彼此反转。
在旋转轮配置中，当其他相同的分层再生器段进入转轮的低场区域时，转轮旋转连续地导致转轮的边缘中的分层再生器段同时进入高场区域。在图5中示出了说明性的旋转轮实施方案。
图5的旋转式AMRR设备包括至少一种多孔磁性制冷剂材料的环形床51。如图5所示，旋转式AMRR设备被分为四个区段(按照转轮旋转的顺序列出)：(i)高磁场区段，其中传热气体通过磁化床从冷侧流向热侧，(ii)第一无传热气体流动区段，其中所述床被退磁，(iii)低磁场或退磁场区段，其中传热气体通过退磁床从热侧流向冷侧，以及(iv)第二无传热气体流动区段，其中所述床被磁化。周向密封件设置在无周向传热气体流动区段中，以防止传热气体流动。径向密封件设置在径向传热气体流动区段中，以防止传热气体在再生器上方或下方流动，因此仅发生径向流动。多层磁再生器可以被分为隔室56，其中隔室消除了传热气体通过多孔再生器的周向流动，同时允许传热气体的径向流动。
旋转式AMRR设备包括旋转轮，该旋转轮包括内部中空环形边缘52(内部壳体和流动管道壁)和外部中空环形边缘53(外部壳体和流动管道壁)。热传热流体(HTF)(例如，氦气)经由设置在低磁场或退磁场区段(ⅲ)中的HTF入口管道被引入到旋转式AMRR设备的外侧边缘53中。外侧边缘53中的热HTF具有稳态周向平均温度，例如，该稳态周向平均温度可以是280K-285K。然而，在AMR循环中给定时间和位置处的局部温度可以不同于稳态周向平均温度。热HTF沿径向方向流过低磁床或退磁床，冷却HTF。冷却的传热流体经由HTF出口管道离开低磁场或退磁场区段(iii)并进入内侧边缘52。HTF径向流由低磁场或退磁场区段(ⅲ)中的箭头54示出。内侧边缘52中的冷HTF具有稳态周向平均温度，例如，该稳态周向平均温度可以是125K-130K或118K-123K。然而，在AMR循环中给定时间和位置处的局部温度可以不同于稳态周向平均温度。内侧边缘52经由HTF出口管道和导管被流体地连接至任选的冷式热交换器(CHEX)的入口。如果需要，CHEX用于来自较冷的AMRR级的废热和非常小的寄生热泄漏。如可以看到的，CHEX的接近温差为1K。
传热流体离开CHEX并进入T型接头中，在该T型接头中，一部分传热流体绕过高磁场区段(i)，而是被引导至旁路气体热交换器的入口。T型接头处的流量可以由旁路流动控制阀控制。在某些实施方案中，将3-12％，具体地小于12％，更具体地小于8％，并且最具体地6％的传热流体被分流至旁路气体热交换器。剩余的传热流体作为冷流经由HTF入口管道在高磁场区段(i)处被引入到内侧边缘52中。
冷HTF沿径向方向流过高磁化床，加热HTF。热HTF经由HTF出口管道离开高磁场区段(i)并进入外侧边缘53中。HTF径向流由高磁场区段(i)中的箭头55示出。热HTF离开高磁场区段(i)，并经由导管被引入到热式热交换器(HHEX)中。HHEX将传热流体冷却至合适的温度，用于在热流进入低磁场或退磁场区段(iii)时引入。
如上所述，旁路HTF被引入到旁路HEX中。旁路HTF冷却工艺气体，该工艺气体也被引入到旁路HEX中。在某些实施方案中，旁路HEX包括至少一种邻位H2至对位H2催化剂。来自放热催化的热量和冷却工艺气体流中的显热仅经由旁路HEX被去除。换句话说，不需要其他热交换器来去除催化热和显热(如上所述，CHEX仅去除来自较冷的AMRR级的废热和非常小的寄生热泄漏)。如可以看到的，旁路HEX中的接近温差为1K。
离开旁路HEX的旁路HTF与离开高磁场区段(i)的热HTF流混合。混合的旁路HEX和热HTT流被引入到HHEX中。
为了最佳的传热，在这两个阶段(即，磁化相对于退磁)中需要不同的传热气体的质量流量，并且这是通过在循环的冷至热流动步骤之前绕过一些来自热至冷流动步骤的冷传热气体来实现的。例如，当旁路流在逆流热交换器中返回到更高的温度以连续地冷却工艺气体流时，最大限度地利用旁路流中的冷显热的连续流动可以将主动式磁再生液化器(AMRL)的FOM从常规气体循环液化器中的～0.35增加到AMRL中的～0.60或更大。除了增加FOM，使用旁路流以连续地且完全地冷却工艺气体显著地降低了每个AMRR级的制冷冷却能力，并且由此降低了AMRL中所需的磁性制冷剂的质量。旋转式AMRL本质上具有连续的旁路气流，用于工艺气流的连续预冷却，而往复式AMRL需要至少两组双再生器，该至少两组双再生器使用三通阀适当的定相进/出磁场，以提供连续的旁路气流进入工艺热交换器中。
在某些实施方案中，组装的双再生器子系统的直径必须安装在超导磁体内部的高场容积内，使得双再生器中的任一个顺序地处于高场区域诸如6-7T。双分层再生器的中心之间的间隔应当足以确保驱动器诸如线性致动器将能够轴向地移动足够多，以确保在AMR循环期间任一再生器处于低场诸如退磁步骤中的～0.3T。在图1中，该轴向距离是从上部再生器的第4-5层之间的间隔区到相应的底部再生器的第4-5层之间的距离。在旋转轮配置中，该距离通过选择转轮直径和超导磁体的设计来确定，使得转轮的高场区域在6-7T，而转轮的低场区域在～0.3T。传热流体质量流量与工艺气体流量、旁路流量百分比和每层磁性制冷剂的量成正比，因此为了充分地利用每层磁性制冷剂，调节每层之间的传热气体质量流量是重要的。
例如，给定2.89x10-5kg/s的GH2质量流量或等效流量提供～10加仑/天的LH2/天。包括邻位至对位转化的以将该平衡/正常GH2的流量从280K冷却至120K时的平衡GH2的总显热热负荷为62.4W。假设在200psia的冷氦气旁路流在118K时进入工艺热交换器并升温至278K，同时提供GH2的连续冷却，旁路氦气的质量为7.50x10-5kg/s。
热至冷氦气质量流在140K进入退磁的第8层，并在118K和在6％旁路的情况下离开该层，在退磁的第8层中的所得的热至冷氦气质量流量为0.72x10-3kg/s至高达1.25x10- 3kg/s。进入退磁再生器的层1t和层8t中的氦气质量流量的差异可以通过在退磁再生器中分流受控量的氦气流(在层1t之后且在层2t之前)并在磁化再生器中的相应位置处(在层2b和层1b之间)重新引入分流的流来实现，并且类似地用于双再生器中的其他层。
我们对通过8层双再生器的说明性流动的设计计算的结果总结在下面的表1中。
将该300psia GH2流的流量从280K冷却至120K所需的理想制冷功率为28.7W。利用现有的8层双再生器以及每层的工作率和适度的再生器效率，初始计算的相对效率为53.5％。
对于设计AMRR系统，可以考虑许多因素。再生器需要安装在磁体孔内，再生器之间的间距可能受到致动器冲程长度的限制，并且为了限制寄生热泄漏的量，期望的是使再生器的外部处于真空中。高场超导磁体也处于真空中，并且通过低温冷却器(未示出)分别传导地冷却至～4K。
说明性的设计包括两个再生器，该两个再生器被从其中拉出旁路的中心区段分开，并且所有这三个区段用压缩螺栓载荷保持在一起。例如，图2示出了第一再生器20和第二再生器21的横截面。中心区段22设置在第一再生器20和第二再生器21之间。外部真空管23包围再生器20和再生器21以及中心区段22，使得能够在再生器的外部周围建立真空，以减少寄生热泄漏。
图3示出了双再生器之一的横截面。磁性制冷剂层在图3中是彩色部分，并且从最高居里温度层30到最低居里温度层37按降序表示八个层30、31、32、33、34、35、36和37中的每个层。八个层30-37中的每个层的质量从最高居里温度层30到最低居里温度层37按降序彼此不同。在某些实施方案中，相邻层之间的质量差异为1％至50％，更具体地为4％至43％。蓝色层37是具有最小直径(例如，1.25”)和最低质量的最冷层。这些层随着它们向上移动而直径变大0.25”(例如，每层增加0.25”)，并且质量增加直到红色层37，该红色层37是具有最大直径和质量的最热层。在表2中列出了每层的直径、质量和厚度。层30-37各自通过网格层38(被描绘为绿色层)彼此分开，该网格层38允许主传热流体39沿再生器的纵向轴线40的方向流动，并且允许传热流体的一部分径向地流出到各层的分流通道41。在一个实施方案中，层的组合高度为4.77英寸，但是由于网格层，再生器实际上更高。每个再生器的最终总高度为5.2”，其接近可以用于8”高磁体的再生器的最大高度。再生器可以由一系列机械加工零件制成并且粘合在一起。分流通道41被并入到每个机械加工零件中并且在零件密封在一起时形成。这消除了大部分外部管道并简化了组装，并且还应使热量泄漏最小化。最热的分流通道被设置在最靠近再生器的外部，并且每个随后的分流通道向内朝向再生器的中心移动。这有效地允许一层的分流的流以在其下面的层周围提供冷却环。分流的流被收集到再生器底部的单个管道中，在此处它流入到中心区段中，并且通过压缩特氟隆密封件被密封至中间区段。图2示出了用于主要传热流体流的中心对准的导管42，以及用于单独分流的流的外围定位的导管43。压降的量以及因此分流的流的量可以通过改变中心区段的管道中流动阻抗珠的量或尺寸来改变。每层的分流的流将在中心区段中具有其自己的管道，在该中心区段中可以调节压降。
在图4中，每层都存在四个分流通道，除了只有旁路流而没有分流的流的第8层外。每层之间的四个分流通道开口被机械加工到用于分层再生器的容器中。四个薄壁不锈钢管道被环氧树脂密封到每层之间的开口，以连接至相同双再生器中的相同位置的相应开口。分流的流量通过管道的受控流动阻抗来调节。
表2.再生器中每层的物理性质和流量。
表2示出了在该特定实例中，每层所需的流量以及该流量的预期压降。表2还示出了在分流通道中获得期望的流量所需的分流的流量和压降。每层所需的分流的流量是该层与其下面较冷层之间的主要He流量的差异。分流的流量所需的压降是其中分流的流与主要流分离到其与之连接的位置之间的各层所有压降的总和。因此，例如，层6的分流通道必须匹配两个再生器的层7和层8的组合压降的流动阻抗。
在图2和图3所示的实施方案中，与下部再生器的主要流体流动连接通过构建在每个再生器的外部边缘中的通道进行。然后，这些通道连接至穿过中心区段行进的四个管道中的一个。由于较高的气体流量，需要四个管道。然后，中心区段的四个管道连接至另一个再生器上的通道，并且最终在下部再生器的末端处结合回一个流。
图4示出了围绕再生器布置的主要流的流动通道的CAD模型。在图2-图4所示的设计中，围绕每层磁性制冷剂的圆周设置分流通道。
良好的磁性制冷剂具有大的磁矩，以提供由于磁场的变化引起的最大熵变化。良好材料的伴随磁热效应被限制在其磁有序温度附近的有限温度范围，其中磁熵是强烈地温度和场依赖性的。为了最大限度地利用旁路流，重要的是使磁性制冷剂的高场热质量和低场热质量之间的差异最大化。制冷剂的热磁性质必须同时满足许多其他标准，例如：i)满足绝热温度变化作为温度的函数，以满足热力学第二定律；以及ii)即使在最优化的再生器设计中，也允许不可避免地产生一些不可逆熵。
钆是优良的磁性制冷剂，并且通常已经被接受为与其他制冷剂相比的参考材料。钆具有～293K的简单铁磁有序温度，并且在实际磁场强度(高达～8T)下表现出～2K/特斯拉的绝热温度变化。它在仅低于其居里温度的场相关的热质量上也具有大的差异。引入另一种镧系金属的合金添加剂降低了Gd的磁有序温度，而对每单位体积的总磁矩和在接近急剧有序温度的温度下磁化强度的变化没有太大影响。
Gd与其他稀土金属(Tb、Er、Dy、Ho)或Y的同质合金也制成优异的磁性制冷剂。其他潜在的稀土元素制冷剂诸如Ho和Er具有更复杂的磁有序现象，但是当与Gd形成合金时，这些效应在高磁场趋于降低。向Gd中添加非磁性Y逐渐降低了Gd的绝热温度变化，但同时降低了磁有序温度，因此Gd的简单铁磁性保持在约200K。
关键特征或合适的制冷剂材料包括：
·在其整个AMR循环中，使用在低于其居里温度操作的铁磁材料；
·将平均T热至少保持低于再生器中磁性材料的最上层的居里温度的ΔT热；这适用于具有相应较低的循环温度的再生器中的每层磁性材料；
·T热和T冷之间的平均温差应为每层磁性制冷剂～20K；
·在一个AMRR级中从280K跨越到120K需要将8种制冷剂组合到最佳分层的再生器中。
·分层必须在沿着再生器的纵向轴线的分层制冷剂之间的过渡处具有平稳的能量流和熵流。
示例性的磁性制冷剂包括以下表3中所示的磁性制冷剂。
材料 操作温度跨度 有序温度
K K
Gd 280-260 293
Gd<sub>0.90</sub>Y<sub>0.10</sub> 260-240 274
Gd<sub>0.30</sub>Tb<sub>0.70</sub> 240-220 253
Gd<sub>0.69</sub>Er<sub>0.31</sub> 220-200 232
Gd<sub>0.02</sub>Tb<sub>0.98</sub> 220-200 233
Gd<sub>0.32</sub>Dy<sub>0.68</sub> 200-180 213
Gd<sub>0.66</sub>Y<sub>0.34</sub> 200-180 213
Gd<sub>0.39</sub>Ho<sub>0.61</sub> 180-160 193
Gd<sub>0.59</sub>Y<sub>0.41</sub> 180-160 193
Gd<sub>0.15</sub>Dy<sub>0.85</sub> 180-160 193
Gd<sub>0.42</sub>Er<sub>0.58</sub> 160-140 173
Gd<sub>0.27</sub>Ho<sub>0.73</sub> 160-140 173
Gd<sub>0.16</sub>Ho<sub>0.84</sub> 140-120 153
Gd<sub>0.34</sub>Er<sub>0.66</sub> 140-120 152
Gd<sub>0.23</sub>Er<sub>0.77</sub> 120-100 132
(Ho<sub>0.80</sub>Gd<sub>0.20)</sub>Co<sub>2</sub> 120-100 130
Ho<sub>0.90</sub>Gd<sub>0.10</sub>Co<sub>2</sub> 100-80 110
Ho<sub>0.95</sub>Gd<sub>0.05</sub>Co<sub>2</sub> 80-60 90
Gd<sub>0.5</sub>Dy<sub>0.5</sub>Ni<sub>2</sub> 60-40 70
Dy<sub>0.75</sub>Er<sub>0.25</sub>Al<sub>2</sub> 40-20 50
另一种说明性的制冷剂材料是GdxEr1-xAl2；居里温度在168K(如果x＝1)到15K(如果x＝0)的范围内，用于在～150K至～20K之间操作。
用于在旁路流工艺热交换器中使用的说明性的邻位H2至对位H2催化剂包括但不限于活性炭；氧化铁(Fe2O3)；氧化铬(Cr2O3或CrO3)；Ni金属和Ni化合物(Ni2+)；稀土金属和氧化物，例如Gd2O3、Nd2O3和CCe2O3；Pt；以及Ru。活性炭和氧化铁是特别优选的。催化剂可以在氧化铝或类似基底上以低浓度使用，并且被直接放置在工艺热交换器中或工艺热交换器附近的氢气工艺流中。
在某些实施方案中，催化剂可以与来自AMRR级的冷氦气旁路流逆流地结合到微通道或管中管式(tube-in-tube)GH2工艺热交换器中，以在氢气冷却时连续地保持“平衡”氢气。这连续地移除了在保持整个液化器中非常高的FOM所需的最高可能的温度的放热转化热。因此，新的工艺和系统的某些实施方案可以提供至少0.6，更具体地至少0.7，并且最具体地至少0.75的FOM。
如上所述，旁路HTF被引入到旁路HEX中。旁路HTF冷却也被引入到旁路HEX中的工艺气体。在某些实施方案中，旁路HEX包括至少一种邻位H2至对位H2催化剂。工艺气流中的显热仅经由旁路HEX去除。换句话说，不需要其他热交换器来去除显热(如上所述，CHEX仅去除来自较冷的AMRR级的废热和非常小的寄生热泄漏)。如可以看到的，旁路HEX中的接近温差为3K(例如，117K相对于120K)。
下面在以下编号的项目中描述了某些实施方案：
1.一种用于液化工艺气体的工艺，包括：
将传热流体引入到主动式磁再生制冷机设备中，所述设备包括(i)第一模块，所述第一模块包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中第一层具有最高居里温度，且最后一层具有最低居里温度；以及(ii)第二模块，所述第二模块包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中第一层具有最低居里温度，且最后一层具有最高居里温度；
使所述传热流体流过所述第一模块的每层和所述第二模块的每层；
将流动的传热流体的一部分从所述第一模块的每层的出口分流到所述第二模块的相应的居里温度层的入口，除了最低居里温度层外；
在第一冷入口温度，将所述流动的传热流体的旁路部分从所述第一模块的最低居里温度层分流到旁路流热交换器中；
在第一热入口温度，将所述工艺气体引入到所述旁路流热交换器中，并在第一冷出口温度从所述旁路流热交换器中排出所述工艺气体或液体；以及
同时使所述第二模块的所有层经历更高的磁场，而使第一模块的所有层退磁或经历更低的磁场。
2.如项目1所述的工艺，其中所述第一模块由八层组成，并且所述第二模块由八层组成。
3.如项目1或2所述的工艺，其中所述工艺气体包括氢气或甲烷，并且所述传热流体包括氦气。
4.如项目1至3中任一项所述的工艺，其中将1.5体积百分比至26体积百分比的传热流体从所述第一模块的每层分流到所述第二模块的每个相应的居里温度层。
5.如项目1至4中任一项所述的工艺，其中所述旁路部分占离开所述最低居里温度层的总传热流体的1重量％至15重量％。
6.如项目1至5中任一项所述的工艺，其中所述旁路流热交换器包括至少一种邻位H2至对位H2催化剂。
7.一种系统，包括：
第一主动式磁再生模块，所述第一主动式磁再生模块包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中第一层具有最高居里温度，且最后一层具有最低居里温度；
第二主动式磁再生模块，所述第二主动式磁再生模块包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中第一层具有最低居里温度，且最后一层具有最高居里温度；
至少一个导管，所述至少一个导管被流体地连接在所述第一模块的最低居里温度层和所述第二模块的最高居里温度层之间；
单个旁路流热交换器，所述单个旁路流热交换器(a)被流体地连接至所述第一模块的最低居里温度层，并且(b)被流体地连接至工艺气体源；以及
独立流体导管，对于所述第一模块的每层和所述第二模块的每层，所述独立流体导管在所述第一模块的每层的出口和所述第二模块的相应的居里温度层的入口之间，除了第一模块的最低居里温度层外。
8.如项目7所述的系统，其中每个模块由八层独立地组成上不同的磁性制冷剂材料组成。
9.如项目7或8所述的系统，其中所述第一模块和所述第二模块的层在连续相邻的层之间具有相差18-22K的居里温度。
10.如项目7至9中任一项所述的系统，其中所述第一模块中的所述连续层被布置成从第一层到最后一层的每层的磁性制冷剂材料质量下降，并且所述第二模块中的所述连续层被布置成从第一层到最后一层的每层的磁性制冷剂材料质量上升。
11.一种设备，包括：
主动式磁再生模块，所述主动式磁再生模块包括多个连续层，其中每层包括在连续相邻的层之间具有相差18-22K的居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且这些层以连续的居里温度顺序和磁性制冷剂材料质量顺序布置，其中第一层具有最高居里温度层和最高磁性制冷剂材料质量，并且最后一层具有最低居里温度层和最低磁性制冷剂材料质量。
12.如项目11所述的设备，由八层独立地组成上不同的磁性制冷剂材料组成。
鉴于可以向其应用所公开的发明的原理的许多可能的实施方案，应该认识到，所示的实施方案仅仅是本发明的优选实例，并且不应被视为限制本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于液化工艺气体的工艺，包括：
将传热流体引入到主动式磁再生制冷机设备中，所述设备包括彼此轴向地相对定位的双再生器，其中所述设备包括(i)第一顶部再生器，所述第一顶部再生器包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中所述顶部再生器的第一层具有最高居里温度，且所述顶部再生器的最后一层具有最低居里温度；以及(ii)第二底部再生器，所述第二底部再生器包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中所述底部再生器的第一层具有最低居里温度，且所述底部再生器的最后一层具有最高居里温度；
使所述传热流体流过所述第一顶部再生器的每层和所述第二底部再生器的每层；
将流动的传热流体的一部分从所述第一顶部再生器的每层的出口分流到所述第二底部再生器的相应的居里温度层的入口，除了最低居里温度层外；
在第一冷入口温度，将所述流动的传热流体的旁路部分从所述第一顶部再生器的最低居里温度层分流到旁路流热交换器中；
在第一热入口温度和在与旁路部分流动的逆流下，将所述工艺气体引入到所述旁路流热交换器中，并且在第一冷出口温度从所述旁路流热交换器中排出所述工艺气体或液体；以及
同时使所述第二底部再生器的所有层经历更高的磁场，而使第一顶部再生器的所有层退磁或经历更低的磁场。
2.如权利要求1所述的工艺，其中所述第一顶部再生器由八层组成，并且所述第二底部再生器器由八层组成。
3.如权利要求1或2所述的工艺，其中所述工艺气体包括氢气或甲烷，并且所述传热流体包括氦气。
4.如权利要求1至3中任一项所述的工艺，其中将1.5体积百分比至26体积百分比的传热流体从所述第一顶部再生器的每层分流到所述第二底部再生器的每个相应的居里温度层。
5.如权利要求1至4中任一项所述的工艺，其中所述旁路部分占离开所述最低居里温度层的总传热流体的1重量％至15重量％。
6.如权利要求1至5中任一项所述的工艺，其中所述旁路流热交换器包括至少一种邻位H2至对位H2催化剂。
7.如权利要求1至6中任一项所述的工艺，其中存在单个旁路流热交换器，并且所述流动的传热流体的所述旁路部分连续地冷却所述工艺气体。
8.如权利要求7所述的工艺，其中所述工艺气体是氢气，并且所述连续冷却将所述氢气从280K冷却至20K。
9.一种系统，包括：
第一主动式磁再生再生器，所述第一主动式磁再生再生器包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中所述第一主动式磁再生再生器的第一层具有最高居里温度，且所述第一主动式磁再生再生器的最后一层具有最低居里温度；
第二主动式磁再生再生器，所述第二主动式磁再生再生器包括2至16个连续层，其中每层包括具有独立居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且其中所述第二主动式磁再生再生器的第一层具有最低居里温度，且所述第二主动式磁再生再生器的最后一层具有最高居里温度；
至少一个导管，所述至少一个导管被流体地连接在所述第一主动式磁再生再生器的最低居里温度层和所述第二主动式磁再生再生器的最高居里温度层之间；
单个旁路流热交换器，所述单个旁路流热交换器(a)被流体地连接至所述第一主动式磁再生再生器的所述最低居里温度层，并且(b)被流体地连接至工艺气体源；以及
独立的流体导管，对于所述第一主动式磁再生再生器的每层和所述第二主动式磁再生再生器的每层，所述独立的流体导管在所述第一主动式磁再生再生器的每层的出口和所述第二主动式磁再生再生器的相应的居里温度层的入口之间，除了第一模块的最低居里温度层外。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述第一主动式磁再生再生器由八层独立地组成上不同的磁性制冷剂材料组成，并且所述第二主动式磁再生再生器由八层独立地组成上不同的磁性制冷剂材料组成。
11.如权利要求9或10所述的系统，其中所述第一主动式磁再生再生器和所述第二主动式磁再生再生器的层在连续相邻的层之间具有相差18-22K的居里温度。
12.如权利要求9至11中任一项所述的系统，其中所述第一主动式磁再生再生器中的所述连续层被布置成从所述第一层到所述最后一层的每层的磁性制冷剂材料质量下降，并且所述第二主动式磁再生再生器中的所述连续层被布置成从所述第一层到所述最后一层的每层的磁性制冷剂材料质量上升。
13.一种设备，包括：
主动式磁再生再生器，所述主动式磁再生再生器包括多个连续层，其中每层包括在连续相邻的层之间具有相差18-22K的居里温度的独立地组成上不同的磁性制冷剂材料，并且这些层以连续的居里温度顺序和磁性制冷剂材料质量顺序布置，其中第一层具有最高居里温度层和最高磁性制冷剂材料质量，并且最后一层具有最低居里温度层和最低磁性制冷剂材料质量。
14.如权利要求13所述的设备，由八层独立地组成上不同的磁性制冷剂材料组成。
15.如权利要求13所述的设备，还包括至少一个在每个相邻层之间的可控分流阀。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112629056A (zh) * 2020-12-31 2021-04-09 包头稀土研究院 双列多级串联式磁制冷机的制冷仓及其制冷制热方法
CN114353432A (zh) * 2021-04-16 2022-04-15 上海司氢科技有限公司 采用磁制冷的氢液化装置

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10443928B2 (en) 2016-02-22 2019-10-15 Battelle Memorial Institute Active magnetic regenerative liquefier using process gas pre-cooling from bypass flow of heat transfer fluid
US11233254B2 (en) 2016-02-22 2022-01-25 Battelle Memorial Institute Process for delivering liquid H2 from an active magnetic regenerative refrigerator H2 liquefier to a liquid H2 vehicle dispenser
US10541070B2 (en) 2016-04-25 2020-01-21 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Method for forming a bed of stabilized magneto-caloric material
US10274231B2 (en) 2016-07-19 2019-04-30 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Caloric heat pump system
WO2018183398A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-04 Barclay, John Advanced multi-layer active magnetic regenerator systems and processes for magnetocaloric liquefaction
US11009282B2 (en) 2017-03-28 2021-05-18 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Refrigerator appliance with a caloric heat pump
US10527325B2 (en) 2017-03-28 2020-01-07 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Refrigerator appliance
WO2018183397A1 (en) 2017-03-28 2018-10-04 Battelle Memorial Institute Active magnetic regenerative processes and systems employing hydrogen heat transfer fluid
US10451320B2 (en) 2017-05-25 2019-10-22 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Refrigerator appliance with water condensing features
US10520229B2 (en) 2017-11-14 2019-12-31 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Caloric heat pump for an appliance
US11022348B2 (en) 2017-12-12 2021-06-01 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Caloric heat pump for an appliance
US10551095B2 (en) 2018-04-18 2020-02-04 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10830506B2 (en) 2018-04-18 2020-11-10 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Variable speed magneto-caloric thermal diode assembly
US10648704B2 (en) 2018-04-18 2020-05-12 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10557649B2 (en) 2018-04-18 2020-02-11 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Variable temperature magneto-caloric thermal diode assembly
US10782051B2 (en) 2018-04-18 2020-09-22 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10648706B2 (en) 2018-04-18 2020-05-12 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with an axially pinned magneto-caloric cylinder
US10876770B2 (en) 2018-04-18 2020-12-29 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Method for operating an elasto-caloric heat pump with variable pre-strain
US10648705B2 (en) 2018-04-18 2020-05-12 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10989449B2 (en) 2018-05-10 2021-04-27 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with radial supports
US11015842B2 (en) 2018-05-10 2021-05-25 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with radial polarity alignment
US11054176B2 (en) 2018-05-10 2021-07-06 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with a modular magnet system
US11092364B2 (en) 2018-07-17 2021-08-17 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with a heat transfer fluid circuit
US10684044B2 (en) 2018-07-17 2020-06-16 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with a rotating heat exchanger
US11168926B2 (en) 2019-01-08 2021-11-09 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Leveraged mechano-caloric heat pump
US11193697B2 (en) 2019-01-08 2021-12-07 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Fan speed control method for caloric heat pump systems
US11149994B2 (en) 2019-01-08 2021-10-19 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Uneven flow valve for a caloric regenerator
US11274860B2 (en) 2019-01-08 2022-03-15 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Mechano-caloric stage with inner and outer sleeves
US11112146B2 (en) 2019-02-12 2021-09-07 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Heat pump and cascaded caloric regenerator assembly
US11015843B2 (en) 2019-05-29 2021-05-25 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Caloric heat pump hydraulic system
US20200406356A1 (en) * 2019-06-26 2020-12-31 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Method for additively forming a caloric regenerator
CN115398161A (zh) * 2020-03-30 2022-11-25 大金工业株式会社 固态制冷装置
KR102358716B1 (ko) 2021-01-08 2022-02-09 최재웅 자기냉각 시스템을 갖는 선박
CN113984827B (zh) * 2021-10-25 2023-11-21 重庆科技学院 一种超音速喷管对天然气液化性能模拟实验装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4829770A (en) * 1984-03-30 1989-05-16 Tokyo Institute Of Technology Magnetic materials for magnetic refrigeration
US5249424A (en) * 1992-06-05 1993-10-05 Astronautics Corporation Of America Active magnetic regenerator method and apparatus
US20090217674A1 (en) * 2008-02-28 2009-09-03 Shiori Kaji Magnetic material for magnetic refrigeration apparatus, amr bed, and magnetic refrigeration apparatus
CN103148634A (zh) * 2011-12-07 2013-06-12 南京大学 基于amr的旋转式室温磁制冷机

Family Cites Families (79)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3108444A (en) 1962-07-19 1963-10-29 Martin Marietta Corp Magneto-caloric cryogenic refrigerator
US3841107A (en) 1973-06-20 1974-10-15 Us Navy Magnetic refrigeration
US4107935A (en) 1977-03-10 1978-08-22 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy High temperature refrigerator
US4332135A (en) * 1981-01-27 1982-06-01 The United States Of America As Respresented By The United States Department Of Energy Active magnetic regenerator
FR2517415A1 (fr) 1981-11-27 1983-06-03 Commissariat Energie Atomique Procede de refrigeration ou de pompage de chaleur et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede
US4408463A (en) * 1982-01-20 1983-10-11 Barclay John A Wheel-type magnetic refrigerator
US4507927A (en) 1983-05-26 1985-04-02 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Low-temperature magnetic refrigerator
US5213630A (en) * 1984-03-30 1993-05-25 Tokyo Institute Of Technology Magnetic materials for magnetic refrigeration
US4704871A (en) * 1986-04-03 1987-11-10 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Magnetic refrigeration apparatus with belt of ferro or paramagnetic material
US4702090A (en) * 1986-10-24 1987-10-27 Astronautics Corporation Of America Magnetic refrigeration apparatus with conductive heat transfer
US6758046B1 (en) 1988-08-22 2004-07-06 Astronautics Corporation Of America Slush hydrogen production method and apparatus
US5182914A (en) 1990-03-14 1993-02-02 Astronautics Corporation Of America Rotary dipole active magnetic regenerative refrigerator
JP2933731B2 (ja) 1991-01-22 1999-08-16 高圧ガス工業株式会社 静止型磁気冷凍機
US5462610A (en) * 1993-07-08 1995-10-31 Iowa State University Research Foundation, Inc. Lanthanide Al-Ni base Ericsson cycle magnetic refrigerants
US5435137A (en) * 1993-07-08 1995-07-25 Iowa State University Research Foundation, Inc. Ternary Dy-Er-Al magnetic refrigerants
US5444983A (en) * 1994-02-28 1995-08-29 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Magnetic heat pump flow director
US5641424A (en) 1995-07-10 1997-06-24 Xerox Corporation Magnetic refrigerant compositions and processes for making and using
US5887449A (en) * 1996-07-03 1999-03-30 Iowa State University Research Foundation, Inc. Dual stage active magnetic regenerator and method
US5743095A (en) * 1996-11-19 1998-04-28 Iowa State University Research Foundation, Inc. Active magnetic refrigerants based on Gd-Si-Ge material and refrigeration apparatus and process
US6245250B1 (en) 1999-03-05 2001-06-12 Scp Global Technologies Inc. Process vessel
US6332323B1 (en) * 2000-02-25 2001-12-25 586925 B.C. Inc. Heat transfer apparatus and method employing active regenerative cycle
US6589366B1 (en) * 2000-03-08 2003-07-08 Iowa State University Research Foundation, Inc. Method of making active magnetic refrigerant, colossal magnetostriction and giant magnetoresistive materials based on Gd-Si-Ge alloys
CA2408168C (en) * 2000-05-05 2009-10-20 University Of Victoria Innovation And Development Corporation Apparatus and methods for cooling and liquefying a fluid using magnetic refrigeration
ATE362084T1 (de) * 2000-08-09 2007-06-15 Astronautics Corp Magnetisches kältegerät mit drehbett
US6676772B2 (en) * 2001-03-27 2004-01-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic material
CH695837A5 (fr) 2002-12-24 2006-09-15 Ecole D Ingenieurs Du Canton D Procéde et dispositif de génération de froid et de chaleur par effet magnétique.
CH695836A5 (fr) * 2002-12-24 2006-09-15 Ecole D Ingenieurs Du Canton D Procédé et dispositif pour générer en continu du froid et de la chaleur par effet magnetique.
US20040261420A1 (en) * 2003-06-30 2004-12-30 Lewis Laura J. Henderson Enhanced magnetocaloric effect material
JP2008527301A (ja) 2005-01-12 2008-07-24 ザ テクニカル ユニヴァーシティー オブ デンマーク 磁気蓄熱器、磁気蓄熱器を製造する方法、能動磁気冷凍機を製造する方法、および能動磁気冷凍機
FR2890158A1 (fr) * 2005-09-01 2007-03-02 Cooltech Applic Soc Par Action Generateur thermique a materiau magnetocalorique
EP1979690A4 (en) * 2006-01-27 2009-11-18 Daewoo Electronics Corp ACTIVE MAGNETIC COOLING DEVICE
US20080016907A1 (en) * 2006-07-18 2008-01-24 John Arthur Barclay Active gas regenerative liquefier system and method
JP4649389B2 (ja) 2006-09-28 2011-03-09 株式会社東芝 磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍方法
US9175885B2 (en) 2007-02-12 2015-11-03 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg Article made of a granular magnetocalorically active material for heat exchange
JP2010525291A (ja) 2007-12-27 2010-07-22 ヴァキュームシュメルツェ ゲーエムベーハー ウント コンパニー カーゲー 磁気熱量活性物質を有する複合構造体及びその製造方法
US20120043066A9 (en) * 2008-05-16 2012-02-23 Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg Article for Magnetic Heat Exchange and Method for Manufacturing an Article for Magnetic Heat Exchange
JP4703699B2 (ja) 2008-09-04 2011-06-15 株式会社東芝 磁気冷凍用磁性材料、磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システム
FR2936364B1 (fr) * 2008-09-25 2010-10-15 Cooltech Applications Element magnetocalorique
US20100175392A1 (en) * 2009-01-15 2010-07-15 Malloy Kevin J Electrocaloric refrigerator and multilayer pyroelectric energy generator
GB0903974D0 (en) 2009-03-09 2009-04-22 Univ Denmark Tech Dtu A parallel magnetic refrigeration assembly and a method of refrigeration
US20100212327A1 (en) * 2009-02-25 2010-08-26 General Electric Company Magnetic assembly system and method
US8453466B2 (en) 2009-08-31 2013-06-04 Delta Electronics, Inc. Heat-power conversion magnetism device and system for converting energy thereby
US8646280B2 (en) 2009-09-17 2014-02-11 Delta Electronics, Inc. Heat-power conversion magnetism devices
WO2011034594A1 (en) * 2009-09-17 2011-03-24 Materials And Electrochemical Research (Mer) Corporation Flow-synchronous field motion refrigeration
FR2959602B1 (fr) 2010-04-28 2013-11-15 Cooltech Applications Procede de generation d'un flux thermique et generateur thermique magnetocalorique
JP5060602B2 (ja) * 2010-08-05 2012-10-31 株式会社東芝 磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システム
US20120152116A1 (en) 2010-12-16 2012-06-21 Prometheus Technologies, Llc Rotary fluid processing systems and associated methods
KR20140089508A (ko) * 2011-07-19 2014-07-15 애스트로노틱스 코포레이션 오브 아메리카 자기열량 재료의 성능저하를 반전시키기 위한 시스템 및 방법
FR2983281B1 (fr) 2011-11-24 2015-01-16 Cooltech Applications Generateur thermique magnetocalorique
JP5890748B2 (ja) 2012-05-22 2016-03-22 川崎重工業株式会社 液体水素製造装置
US9746214B2 (en) 2012-12-17 2017-08-29 Astronautics Corporation Of America Use of unidirectional flow modes of magnetic cooling systems
US9245673B2 (en) * 2013-01-24 2016-01-26 Basf Se Performance improvement of magnetocaloric cascades through optimized material arrangement
US20150068219A1 (en) * 2013-09-11 2015-03-12 Astronautics Corporation Of America High Porosity Particulate Beds Structurally Stabilized by Epoxy
US9995511B2 (en) 2013-12-17 2018-06-12 Astronautics Corporation Of America Magnetic refrigeration system with improved flow efficiency
KR102149733B1 (ko) * 2013-12-27 2020-08-31 삼성전자주식회사 자기냉각장치 및 이를 갖춘 자기냉각시스템
KR102147433B1 (ko) * 2014-01-28 2020-08-24 삼성전자주식회사 자기 냉각기 및 이를 포함하는 장치
KR20160119173A (ko) * 2014-02-05 2016-10-12 덴마크스 텍니스케 유니버시테트 활성 자기 재생기 장치
US9797630B2 (en) 2014-06-17 2017-10-24 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Heat pump with restorative operation for magneto caloric material
EP3175186A1 (en) 2014-07-28 2017-06-07 Astronautics Corporation Of America Magnetic refrigeration system with separated inlet and outlet flow
WO2016099972A1 (en) * 2014-12-18 2016-06-23 Rohm And Haas Electronic Materials Llc Polymeric materials with negative photoelastic constants
JP2018507536A (ja) * 2014-12-18 2018-03-15 ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアＢａｓｆ Ｓｅ 磁気熱量カスケード及び磁気熱量カスケードの製造方法
US10138139B2 (en) 2016-02-12 2018-11-27 Babcock Power Environmental Inc. Wastewater treatment systems and methods
US10443928B2 (en) * 2016-02-22 2019-10-15 Battelle Memorial Institute Active magnetic regenerative liquefier using process gas pre-cooling from bypass flow of heat transfer fluid
US11233254B2 (en) * 2016-02-22 2022-01-25 Battelle Memorial Institute Process for delivering liquid H2 from an active magnetic regenerative refrigerator H2 liquefier to a liquid H2 vehicle dispenser
CH712192A1 (fr) * 2016-03-04 2017-09-15 Clean Cooling Systems Sa Procédé pour générer un champ magnétique et générateur de champ magnétique rotatif.
CN110226207B (zh) * 2017-01-09 2020-12-22 通用工程与研究有限责任公司 用于磁制冷应用的磁致热合金
WO2018183397A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-04 Battelle Memorial Institute Active magnetic regenerative processes and systems employing hydrogen heat transfer fluid
WO2018183398A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-04 Barclay, John Advanced multi-layer active magnetic regenerator systems and processes for magnetocaloric liquefaction
US10527325B2 (en) 2017-03-28 2020-01-07 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Refrigerator appliance
US10612668B1 (en) * 2017-07-03 2020-04-07 Emerald Energy NW, LLC Rotary seal facilitating fluid flows through a rotating toroidal mass within a pressurized housing vessel
US20190137171A1 (en) * 2017-07-11 2019-05-09 Emerald Energy NW, LLC Production of liquid natural gas and other cryogens using a multi-stage active magnetic regenerative liquefier
US10520229B2 (en) 2017-11-14 2019-12-31 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Caloric heat pump for an appliance
US10551095B2 (en) 2018-04-18 2020-02-04 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10557649B2 (en) * 2018-04-18 2020-02-11 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Variable temperature magneto-caloric thermal diode assembly
US10641539B2 (en) * 2018-04-18 2020-05-05 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10648706B2 (en) * 2018-04-18 2020-05-12 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with an axially pinned magneto-caloric cylinder
US10648704B2 (en) * 2018-04-18 2020-05-12 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10648705B2 (en) * 2018-04-18 2020-05-12 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly
US10684044B2 (en) * 2018-07-17 2020-06-16 Haier Us Appliance Solutions, Inc. Magneto-caloric thermal diode assembly with a rotating heat exchanger

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4829770A (en) * 1984-03-30 1989-05-16 Tokyo Institute Of Technology Magnetic materials for magnetic refrigeration
US5249424A (en) * 1992-06-05 1993-10-05 Astronautics Corporation Of America Active magnetic regenerator method and apparatus
US20090217674A1 (en) * 2008-02-28 2009-09-03 Shiori Kaji Magnetic material for magnetic refrigeration apparatus, amr bed, and magnetic refrigeration apparatus
CN103148634A (zh) * 2011-12-07 2013-06-12 南京大学 基于amr的旋转式室温磁制冷机

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JOHN A. BARCLAY: "Active Magnetic Regenerative Liquefier-Final Report", 《HTTPS://DOI.ORG/10.2172/1328437》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112629056A (zh) * 2020-12-31 2021-04-09 包头稀土研究院 双列多级串联式磁制冷机的制冷仓及其制冷制热方法
CN112629056B (zh) * 2020-12-31 2024-03-29 包头稀土研究院 双列多级串联式磁制冷机的制冷仓及其制冷制热方法
CN114353432A (zh) * 2021-04-16 2022-04-15 上海司氢科技有限公司 采用磁制冷的氢液化装置
CN114353432B (zh) * 2021-04-16 2024-03-22 河南中科清能科技有限公司 采用磁制冷的氢液化装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20220057119A1 (en) 2022-02-24
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US11649992B2 (en) 2023-05-16
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