CN112437859B - 具有旋转热交换器的磁热热二极管组件 - Google Patents

具有旋转热交换器的磁热热二极管组件 Download PDF

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Abstract

一种磁热热二极管组件包括磁热圆柱体。多个热级沿轴向方向堆叠在冷侧和热侧之间。热交换器包括圆柱形定子，该圆柱形定子定位在多个热级的冷侧或热侧处并与之热连通。圆柱形转子与圆柱形定子间隔一圆柱形间隙。圆柱形转子被配置为相对于圆柱形定子围绕旋转轴线旋转。当圆柱形间隙填充有液体时，在圆柱形定子的面对圆柱形间隙的表面和圆柱形转子的面对圆柱形间隙的表面之间限定有剪切液区域。

Description

具有旋转热交换器的磁热热二极管组件
技术领域
本主题总体上涉及热泵(诸如磁热热泵)以及用于热泵的热交换器。
背景技术
传统的制冷技术通常利用热泵，该热泵依赖于液体制冷剂的压缩和膨胀以循环的方式接收和排出热量，以便实现期望的温度变化或将热能从一个位置传递到另一个位置。这种循环可用于从冷藏室接收热量并将这些热量排到环境或在该隔室外部的位置。其他应用包括住宅或商业建筑的空气调节。已经开发出可以在这种系统中与热泵一起使用的各种不同的液体制冷剂。
尽管已经对依赖于液体制冷剂的压缩的这种热泵系统进行了改进，但充其量仍只能以最大理论卡诺循环效率的约百分之四十五或更少来进行操作。而且，由于对环境的关注，一些液体制冷剂已经停止使用。对于某些位置，某些基于制冷剂的系统可以进行操作的环境温度范围可能不切实际。使用液体制冷剂的热泵也面临其他挑战。
磁热材料(MCM)，即表现出磁热效应的材料，为热泵应用的液体制冷剂提供了潜在的替代选择。通常，在外部施加的磁场增大的情况下，MCM的磁矩变得更有序，并导致MCM生成热量。相反，减小外部施加的磁场会使MCM的磁矩变得更加无序，并使MCM吸收热量。一些MCM表现出相反的行为，即，当移除磁场时生成热量(有时被称为顺磁热材料，但是在本文中将这两种类型统称为磁热材料或MCM)。基于MCM的制冷循环的理论卡诺循环效率可以显著高于基于液体制冷剂的可比制冷循环的理论卡诺循环效率。这样，可以有效地使用MCM的热泵系统将是有用的。
然而，对于MCM的实际且有成本竞争力的使用存在挑战。除了开发合适的MCM外，仍然需要可以吸引人利用MCM的设备。当前提出的设备可能需要相对较大且昂贵的磁体，在例如设备制冷中使用可能不切实际，并且在其他方面可能无法以足够的效率进行操作以证明资金成本合理。
因此，可以解决诸如上述确定的某些挑战的热泵系统将是有用的。也可以在冰箱设备中使用的这种热泵系统将同样是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践获知。
在示例实施例中，一种磁热热二极管组件包括磁热圆柱体。多个热级沿轴向方向堆叠在冷侧和热侧之间。所述多个热级中的每个包括多个磁体和非磁性环。在所述多个热级中的每个中，所述多个磁体在所述非磁性环内沿周向方向分布。所述多个热级和所述磁热圆柱体被配置为在所述多个热级和所述磁热圆柱体之间相对旋转。热交换器包括圆柱形定子，所述圆柱形定子定位在所述多个热级的所述冷侧或所述热侧处并与之热连通。圆柱形转子与所述圆柱形定子间隔一圆柱形间隙。所述圆柱形转子被配置为相对于所述圆柱形定子围绕旋转轴线旋转。当所述圆柱形间隙填充有液体时，在所述圆柱形定子的面对所述圆柱形间隙的表面和所述圆柱形转子的面对所述圆柱形间隙的表面之间限定有剪切液区域。
参考下面的描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
参考附图，在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整并且能够实现的公开，包括其最佳模式。
图1是根据本公开的示例实施例的冰箱设备。
图2是定位在图1的示例冰箱设备中的热泵系统的某些部件的示意图。
图3是根据本主题的示例实施例的磁热热二极管的透视图。
图4是图3的示例磁热热二极管的剖视图。
图5是图3的示例磁热热二极管的透视图，其中从示例磁热热二极管移除了某些热级。
图6是图5的示例磁热热二极管的剖视图。
图7是图5的示例磁热热二极管的透视图，其中从示例磁热热二极管移除了绝缘层。
图8是图3的示例磁热热二极管的某些部件的示意图。
图9是根据本主题的另一个示例实施例的热泵系统的某些部件的示意图，该热泵系统定位在图1的示例冰箱设备中。
图10是图3的示例磁热热二极管的某些部件的示意图，其中热交换器定位在示例磁热热二极管的热侧和冷侧处。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明的方式提供的，并不是对本发明的限制。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变型。
现在参考图1，冰箱设备10的示例性实施例被描绘为具有机柜或壳体12的立式冰箱，该机柜或壳体限定多个内部储藏室或冷却室。具体地，冰箱设备10包括具有门16的上部新鲜食品室14和具有上部抽屉20和下部抽屉22的下部冷冻室18。抽屉20、22是“拉出”型抽屉，因为它们可以在合适的滑动机构上手动地移入和移出冷冻室18。冰箱10仅作为示例提供。也可以使用冰箱设备的其他配置，包括具有仅冷冻室、仅冷却室或与图1所示不同的它们的其他组合的设备。另外，本公开的磁热热二极管和热泵系统不限于冰箱设备，并且也可以用在其他应用(诸如例如空调、电子器件冷却装置等)中。因此，应当理解，尽管本文作为示例提供了使用磁热热二极管和热泵系统来提供冰箱内的冷却，但是本公开也可以用于提供加热应用。
图2是冰箱设备10的各种部件的示意图，包括冷藏室30(例如，新鲜食品室14和冷冻室18)和机械室40。冷藏室30和机械室40包括热泵系统52，该热泵系统具有定位在冷藏室30中的第一或冷侧热交换器32以用于从中移除热量。在冷侧热交换器32内流动的诸如例如水溶液的传热流体从冷藏室30接收热量，从而冷却冷藏室30的内容物。
传热流体通过管线44从冷侧热交换器32流出，到达磁热热二极管200。如本文将进一步描述的，传热流体将热量排到磁热热二极管200中的磁热材料(MCM)。现在较冷的传热流体通过管线46流到冷侧热交换器32，以从冷藏室30接收热量。
另一种传热流体通过管线48将热量从磁热热二极管200中的MCM传输到第二或热侧热交换器34。通过使用第二热交换器34将热量释放到环境、机械室40和/或冷藏室30外部的其他位置。传热流体通过管线50从第二热交换器34返回到磁热热二极管200。可以对合适的冷却冷藏室30重复上述循环。风扇36可用于形成穿过第二热交换器34的空气流，从而提高热传递到环境的速率。
一个或多个泵(未示出)导致传热流体在热泵系统52中再循环。马达28与磁热热二极管200机械连通，并且可操作以提供磁体和磁热热二极管200的磁热材料之间的相对运动，如下面更详细地讨论的。
热泵系统52仅作为示例提供。也可以使用热泵系统52的其他配置。例如，管线44、46、48和50提供了热泵系统52的各个部件之间的流体连通，但是也可以采用具有不同管线和连接件的其他传热流体再循环回路。也可以使用热泵系统52的另外其他配置。
在某些示例性实施例中，冷侧热交换器32是热泵系统52内被配置为冷却冷藏室30的唯一热交换器。因此，冷侧热交换器32可以是机柜12内唯一的用于冷却新鲜食品室14和冷冻室18的热交换器。冰箱设备10还包括用于调节穿过冷侧热交换器32并到达新鲜食品室14和冷冻室18的空气流的特征部。
如图2中可见，冷侧热交换器32定位在限定在机柜12内的热交换器室60内，例如在新鲜食品室14和冷冻室18之间。新鲜食品室14通过新鲜食品管62与热交换器室60邻接。因此，空气可以经由新鲜食品管62在新鲜食品室14和热交换器室60之间流动。冷冻室18通过冷冻管64与热交换器室60邻接。因此，空气可经由冷冻管64在冷冻室18和热交换器室60之间流动。
冰箱设备10还包括新鲜食品风扇66和冷冻风扇68。新鲜食品风扇66可以定位在新鲜食品管62处或内。新鲜食品风扇66可操作以迫使空气通过新鲜食品管62在新鲜食品室14和热交换器室60之间流动。因此，新鲜食品风扇66可用于形成穿过冷侧热交换器32的空气流，从而提高新鲜食品管62内向空气的热传递速率。冷冻风扇68可以定位在冷冻管64处或内。冷冻风扇68可操作以迫使空气在冷冻室18和热交换器室60之间通过冷冻管64流动。因此，冷冻风扇68可用于形成穿过冷侧热交换器32的空气流，从而提高在冷冻管64内热传递到空气的速率。
冰箱设备10还可以包括新鲜食品风门70和冷冻风门72。新鲜食品风门70定位在新鲜食品管62处或内，并且可操作以限制空气流过新鲜食品管62。例如，当新鲜食品风门70关闭时，新鲜食品风门70阻止空气流过新鲜食品管62，例如并由此阻止在新鲜食品室14和热交换器室60之间流动。冷冻风门72定位在冷冻管64处或内，并且可操作以限制空气流过冷冻管64。例如，当冷冻风门72关闭时，冷冻风门72阻止空气流过冷冻管64，例如并由此阻止在冷冻室18和热交换器室60之间流动。应当理解，在另选的示例性实施例中，风扇66、68和风门70、72的位置可以被切换。
当新鲜食品风门70打开时，热泵系统52和新鲜食品风扇66的操作允许来自冷侧热交换器32的冷空气将新鲜食品室14冷却至例如约四十华氏度(40℉)。类似地，当冷冻风门72打开时，热泵系统52和冷冻风扇68的操作允许来自冷侧热交换器32的冷空气将冷冻室18冷却至例如约零下十华氏度(-10℉)。因此，在热泵系统52的操作期间，冷侧热交换器32可冷却新鲜食品室14或冷冻室18。以这种方式，新鲜食品室14和冷冻室18两者都可以用冷侧热交换器32进行空气冷却。
如图2中可见，冰箱设备10可以包括计算装置或控制器80。控制器80与冰箱设备10的各个部件可操作地耦合或连通。这些部件包括例如马达28、新鲜食品风扇66、冷冻风扇68、新鲜食品风门70、冷冻风门72等。控制器80可以响应于来自温度传感器82的温度测量而选择性地操作这些部件。温度传感器82可以例如测量新鲜食品室14或冷冻室18的温度。
控制器80可以定位在整个冰箱设备10中的各种位置。例如，控制器80可以设置在机柜12中。输入/输出(“I/O”)信号可以在控制器80和冰箱设备10的各种操作部件之间按路线发送。冰箱设备10的部件可以经由一条或多条信号线或共享的通信总线与控制器80连通。
控制器80可以是包括一个或多个处理器和存储器的任何装置。作为示例，在一些实施例中，控制器80可以是单板计算机(SBC)。例如，控制器80可以是单个片上系统(SOC)。然而，也可以使用任何形式的控制器80来执行本主题。处理器可以是任何合适的处理装置，诸如微处理器、微控制器、集成电路或其他合适的处理装置或它们的组合。存储器可以包括任何合适的存储介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存驱动器、可访问的数据库或其他存储器装置。存储器可以存储可由处理器访问的信息，包括可以由处理器执行以执行本公开的各方面的指令。
图3至图8是根据本主题的示例实施例的磁热热二极管200的各种视图。磁热热二极管200可以用在任何合适的热泵系统中。例如，磁热热二极管200可以用在热泵系统52(图2)中。如下面更详细地讨论的，磁热热二极管200包括用于将热能从磁热热二极管200的冷侧202传递到磁热热二极管200的热侧204的特征部。磁热热二极管200限定轴向方向A、径向方向R和周向方向C。
磁热热二极管200包括多个热级210。热级210沿轴向方向A堆叠在磁热热二极管200的冷侧202和热侧204之间。热级210的冷侧热级212定位在磁热热二极管200的冷侧202处，并且热级210的热侧热级214定位在磁热热二极管200的热侧204处。
磁热热二极管200还包括磁热圆柱体220(图8)。在某些示例实施例中，热级210限定圆柱形槽211，并且磁热圆柱体220定位在圆柱形槽211内。因此，例如，每个热级210可以包括沿径向方向R通过圆柱形槽211彼此间隔开的内部部分206和外部部分208，使得磁热圆柱体220沿径向方向R定位在热级210的内部部分206和外部部分208之间。热级210和磁热圆柱体220被配置为在热级210和磁热圆柱体220之间相对旋转。热级210和磁热圆柱体220可以被配置为围绕平行于轴向方向A的轴线X相对旋转。作为示例，磁热圆柱体220可以耦合到马达26，使得磁热圆柱体220可利用马达26在圆柱形槽211内相对于热级210围绕轴线X旋转。在另选的示例性实施例中，热级210可以耦合到马达26，使得热级210可利用马达26相对于磁热圆柱体220围绕轴线X旋转。
在热级210和磁热圆柱体220之间的相对旋转期间，磁热热二极管200将热量从磁热热二极管200的冷侧202传递到热侧204。具体地，在热级210和磁热圆柱体220之间的相对旋转期间，冷侧热级212可以从新鲜食品室14和/或冷冻室18吸收热量，而热侧热级214可以将热量排到冰箱设备10周围的环境大气。
热级210中的每个包括多个磁体230和非磁性环240。磁体230在每个热级210中在非磁性环240内沿周向方向C分布。具体地，磁体230可在每个热级210内沿径向方向R和周向方向C与非磁性环240间隔开。例如，热级210中的每个可以包括绝缘件232，并且绝缘件232可以在每个热级210内沿径向方向R和周向方向C定位在磁体230和非磁性环240之间。绝缘件232可以限制每个热级210内的磁体230和非磁性环240之间的传导热传递。作为另一个示例，磁体230可以在每个热级210内沿径向方向R和周向方向C与非磁性环240间隔一间隙。每个热级210内的磁体230和非磁性环240之间的间隙可以限制或防止每个热级210内的磁体230和非磁性环240之间的传导热传递。
应当理解，在另选的示例实施例中，布置磁体230和非磁性环240可以被翻转。因此，例如，钢和磁体环可以在每个热级210内与非磁性块(例如，铝块)热分离。在这种配置中，操作磁热热二极管200是相同的。
如从以上内容可见，热级210可以包括用于限制在每个热级210内沿径向方向R和周向方向C的热传递的特征部。相反，热级210可以被布置成提供热能沿轴向方向A从磁热热二极管200的冷侧202到热侧204的流动路径。下文将更详细地讨论热级210的这种布置。
如上所述，热级210包括在磁热热二极管200的冷侧202处的冷侧热级212和在磁热热二极管200的热侧204处的热侧热级214。因此，冷侧热级212和热侧热级214可以对应于热级210的堆叠的终端。具体地，冷侧热级212和热侧热级214可以在热级210的堆叠上沿轴向方向A彼此相对地定位。其他热级210沿轴向方向A定位在冷侧热级212和热侧热级214之间。因此，例如，内部热级216(即，除了冷侧热级212和热侧热级214之外的热级210)沿轴向方向A定位在冷侧热级212和热侧热级214之间。
内部热级216中的每个沿轴向方向A定位在相应的一对热级210之间。相应的一对热级210中的一个沿轴向方向A定位成更靠近冷侧202，而相应的一对热级210中的另一个沿轴向方向A定位成更靠近热侧204。例如，内部热级216中的第一个热级217沿轴向方向A定位在热侧热级214和内部热级216中的第二个热级218之间。类似地，内部热级216中的第二个热级218沿轴向方向A定位在内部热级216中的第一个热级217和内部热级216中的第三个热级219之间。
内部热级216中的每个被布置成提供热能沿轴向方向A从冷侧热级212到热侧热级214的流动路径。具体地，内部热级216中的每个的磁体230可以沿轴向方向A与相应的一对热级210中的一个的非磁性环240间隔开。因此，例如，内部热级216中的第一个热级217的磁体230可以沿轴向方向A与内部热级216中的第二个热级218的非磁性环240间隔开。类似地，内部热级216中的第二个热级218的磁体230可以沿轴向方向A与内部热级216中的第三个热级219的非磁性环240间隔开。热侧热级214也可以这种方式布置。
通过沿轴向方向A使内部热级216中的每个的磁体230与相应的一对热级210中的一个的非磁性环240间隔开，可以限制或防止沿轴向方向A从内部热级216中的每个的磁体230沿轴向方向A朝向冷侧202到热级210中的相邻热级的非磁性环240的传导热传递。在某些示例实施例中，磁热热二极管200可以包括绝缘件250。内部热级216中的每个的磁体230可以通过绝缘件250沿轴向方向A与相应的一对热级210中的一个的非磁性环240间隔开。绝缘件250可限制沿轴向方向A从内部热级216中的每个的磁体230沿轴向方向A朝向冷侧202到热级210中的相邻热级的非磁性环240的传导热传递。
内部热级216中的每个的磁体230也可以与相应的一对热级210中的另一个的非磁性环240传导热接触。因此，例如，内部热级216中的第一个热级217的磁体230可以与热侧热级214的非磁性环240传导热接触。类似地，内部热级216中的第二个热级218的磁体230可以与内部热级216中的第一个热级217的非磁性环240传导热接触。冷侧热级212也可以这种方式布置。
通过将内部热级216中的每个的磁体230放置成与相应的一对热级210中的另一个的非磁性环240传导热接触，可以例如相对于朝向冷侧202促进热能沿轴向方向A流向热侧204。在某些示例实施例中，内部热级216中的每个的磁体230可以定位成直接接触相应的一对热级210中的另一个的非磁性环240。例如，相应的一对热级210中的另一个的非磁性环240可以包括沿轴向方向A延伸到内部热级216中的每个的磁体230的突出部242。
上面描述的热级210的布置可以在热级210和磁热圆柱体220之间的相对旋转期间提供热能沿轴向方向A从磁热热二极管200的冷侧202到热侧204的流动路径。现在将在下面更详细地描述磁热热二极管200沿轴向方向A将热能从磁热热二极管200的冷侧202传递到热侧204的操作。
热级210的磁体230产生磁场。相反，相对于磁体230，非磁性环240并不产生磁场或产生可忽略不计的磁场。因此，磁体230中的每个可以对应于高磁场区域，并且在每个热级210内沿周向方向C在磁体230之间的非磁性环240的部分可以对应于低磁场区域。在热级210和磁热圆柱体220之间的相对旋转期间，磁热圆柱体220可以顺序地暴露于磁体230处的高磁场区域和非磁性环240处的低磁场区域。
磁热圆柱体220包括磁热材料，例如当暴露于来自热级210的磁体230的磁场时，该磁热材料表现出磁热效应。热材料可以由单一的磁热材料构造，或者可以包括多种不同的磁热材料。作为示例，冰箱设备10可用于环境温度在相当大的范围内变化的应用中。然而，特定的磁热材料可能仅在非常狭窄的温度范围内表现出磁热效应。这样，可能期望在磁热圆柱体220内使用多种磁热材料以适应可以使用冰箱设备10和/或磁热热二极管200的宽范围的环境温度。
因此，磁热圆柱体220可以设置有具有不同磁热材料的区域。每个这样的区域可以包括磁热材料，该磁热材料在与沿磁热圆柱体220的轴向方向A的相邻区域不同的温度或不同的温度范围内表现出磁热效应。通过配置磁热材料区域的适当数量的序列，磁热热二极管200可以在相当大的环境温度范围内进行操作。
如上所述，磁热圆柱体220包括表现出磁热效应的磁热材料。在热级210和磁热圆柱体220之间的相对旋转期间，磁热圆柱体220中的磁热材料顺序地暴露于磁体230处的高磁场区域和非磁性环240处的低磁场区域。当磁热圆柱体220中的磁热材料暴露于磁体230处的高磁场区域时，该磁场导致磁热圆柱体220中的磁热材料的磁矩定向并升高(或另选地降低)温度，使得磁热圆柱体220中的磁热材料将热量排到磁体230。相反，当磁热圆柱体220中的磁热材料暴露于非磁性环240处的低磁场区域时，该减小的磁场导致磁热圆柱体220中的磁热材料的磁矩失去定向并降低(或另选地升高)温度，使得磁热圆柱体220中的磁热材料从非磁性环240吸收热量。通过旋转穿过高磁场区域和低磁场区域，磁热圆柱体220可以通过利用磁热圆柱体220中的磁热材料的磁热效应沿轴向方向A将热能从磁热热二极管200的冷侧202传递到热侧204。
如上所述，热级210(例如，除了热侧热级214之外)中的每个中的磁体230处的高磁场区域沿轴向方向A在热侧204的方向上与相邻的热级210的非磁性环240处的低磁场区域传导热接触。因此，相邻热级210在热侧204方向上的非磁性环240可以从热级210中的每个中的磁体230处的高磁场区域吸收热量。因此，热级210被布置成在热级210和磁热圆柱体220之间的相对旋转期间，促进热能沿轴向方向A从冷侧202朝向热侧204流过热级210。
相反，热级210(例如，除了冷侧热级212之外)中的每个中的磁体230处的高磁场区域沿轴向方向A在冷侧202的方向上与相邻的热级210的非磁性环240处的低磁场区域间隔开。因此，相邻热级210在冷侧202方向上的非磁性环240与热级210中的每个中的磁体230处的高磁场区域热隔离。因此，热级210被布置成在热级210和磁热圆柱体220之间的相对旋转期间，阻止热能沿轴向方向A从热侧204朝向冷侧202流过热级210。
磁热热二极管200可以包括合适数量的热级210。例如，热级210可以包括九个热级，如图3和图4所示。在另选的示例实施例中，热级210可以包括不少于七个热级。这样数量的热级210可以有利地允许磁热圆柱体220包括具有不同磁热材料的对应数量的区域，从而如上所述允许磁热热二极管200在宽范围的环境温度下进行操作。磁热热二极管200可以具有奇数个热级210。
热级210中的磁体230中的每个可以形成为磁体对236。磁体对236中的一个可以安装到每个热级210的内部部分206或定位在该内部部分处，而磁体对236中的另一个可以安装到每个热级210的外部部分208或定位在该外部部分处。因此，磁热圆柱体220可以在圆柱形槽211处沿径向方向R定位在磁体对236中的磁体之间。磁体对236中的一个的正极和磁体对236中的另一个的负极可在圆柱形槽211处沿径向方向R面对磁热圆柱体220。
圆柱形槽211可以相对于磁热圆柱体220适当地确定尺寸，以促进在热级210和磁热圆柱体220之间有效的热传递。例如，圆柱形槽211可以具有沿径向方向R的宽度W，并且磁热圆柱体220可在圆柱形槽211内具有沿径向方向R的厚度T。在某些示例实施例中，圆柱形槽211的宽度W可以比磁热圆柱体220的厚度T大不超过百分之五英寸(0.05”)(1英寸＝2.54厘米)。例如，在某些示例实施例中，圆柱形槽211的宽度W可以比磁热圆柱体220的厚度T大约百分之一英寸(0.01”)。如本文所用，术语“约”是指在径向厚度和宽度的背景下使用时，在千分之五英寸(0.005”)之内。圆柱形槽211相对于磁热圆柱体220这种尺寸设定可以促进在热级210和磁热圆柱体220之间有效的热传递。
每个热级210可以包括合适数量的磁体230。例如，在某些示例实施例中，每个热级210可以包括不少于十(10)个磁体230。相对于较少数量的磁体230，利用这样数量的磁体230，可以例如通过驱动冷侧202和热侧204之间的较大温差有利地改进磁热热二极管200的性能。
磁体230还可以在热级210中的每个中的非磁性环240内沿周向方向C均匀地间隔开。进一步，热级210中的每个可以与热级210的堆叠内的其他每个热级210以共同的定向定位。因此，例如，内部热级216中的第一个热级217可以与内部热级216中的第三个热级219以共同的定向定位，并且热侧热级214可以与内部热级216中的第二个热级218以共同的定向定位。如从以上内容可见，在热级210的堆叠的情况下，共同定向可以顺序地跳过一个热级214。在热级210的堆叠内的相邻热级210之间，热级210的每个磁体230可以沿周向方向C与相邻热级210中的相应一对的磁体230等距定位。
热级210的非磁性环240可以由合适的非磁性材料构造或具有合适的非磁性材料。例如，在某些示例实施例中，热级210的非磁性环240可以由铝构造或具有铝。在另选的示例实施例中，热级210的非磁性环240可以由黄铜、青铜等构造或具有黄铜、青铜等。
磁热热二极管200还可以包括一个或多个热交换器260。在图3中，热交换器260显示为定位在冷侧202处，使得热交换器260从冷侧热级212吸收热量。如上所述，传热流体可以经由管线44、46在热交换器260和冷侧热交换器32之间流动。另一个热交换器可以定位在热侧204，使得传热流体可以如上所述经由管线48、50在热交换器和热侧热交换器34之间流动。热交换器(包括热交换器260)可以是具有用于传热流体的端口的固体-液体热交换器。另选地，热交换器可以直接通往固体-气体热交换器。
如上所述，马达28与磁热热二极管200机械连通，并且可操作以在热级210和磁热圆柱体220之间提供相对旋转。具体地，马达28可以耦合到热级210和磁热圆柱体220中的一个，并且马达28可以可操作以使热级210和磁热圆柱体220中的一个相对于热级210和磁热圆柱体220中的另一个旋转。
马达28可以是变速马达。因此，可以通过改变马达28的速度来调节热级210和磁热圆柱体220之间的相对旋转的速度。具体地，可以改变马达28的速度，以便调节热级210和磁热圆柱体220中的一个相对于热级210和磁热圆柱体220中的另一个的旋转速度。改变马达28的速度可以允许根据磁热热二极管200的平均热负荷确定磁热热二极管200的尺寸，而不是根据磁热热二极管200的最大热负荷，从而提供更有效的整体功能。
控制器80可以被配置为响应于各种条件而改变马达28的速度。例如，控制器80可以响应于来自温度传感器82的温度测量来改变马达28的速度。具体地，控制器80可以以比例、比例积分、比例微分或比例积分微分的方式是改变马达28的速度，以利用磁热热二极管200维持新鲜食品室14和/或冷冻室18中的设定温度。作为另一个示例，控制器80可以基于温度极限、单元启动或某些其他诱因将马达28的速度从正常速度增大。作为又一个示例，控制器80可以基于来自具有磁热热二极管200的设备的任何特定于应用的信号(诸如烘干机设备、洗碗机设备、除湿器或空调中的湿度水平，或冰箱设备10中的门打开时)来改变马达28的速度。
图9是具有磁热热二极管200的根据本主题的另一个示例实施例的热泵系统52的某些部件的示意图。图10是磁热热二极管200的某些部件的示意图。在图9和图10中，冷侧热交换器32和热侧热交换器34耦合到磁热热二极管200。具体地，冷侧热交换器32耦合到磁热热二极管200的冷侧202和/或定位在其上，而热侧热交换器34耦合到磁热热二极管200的热侧204和/或定位在其上。冷侧热交换器32(例如冷侧热交换器32的风扇170)定位在冷藏室30内。相反，热侧热交换器34(例如热侧热交换器34的风扇170)定位在机械室40中。磁热热二极管200定位在冷藏室30和机械室40之间的机柜12内。这样的布置可以提供紧凑的热泵系统52。
尽管以下在冰箱设备10的背景下进行更详细地描述，但是应当理解，在另选的示例实施例中，与磁热热二极管200结合的冷侧热交换器32和/或热侧热交换器34可以在任何合适的设备中使用或与之一起使用。例如，与磁热热二极管200结合的冷侧热交换器32和/或热侧热交换器34可以用于热泵热水器、热泵烘干机、HVAC单元等中。另外，尽管如图所示冷侧热交换器32和热侧热交换器34均定位在磁热热二极管200上，冷侧热交换器32和热侧热交换器34中仅一个可以定位在磁热热二极管200上，并且冷侧热交换器32和热侧热交换器34中的另一个可以远离磁热热二极管200定位。在这样的示例实施例中，传热流体可以例如针对图2所描述的方式在磁热热二极管200和远程热交换器之间流动。与磁热热二极管200结合的冷侧热交换器32和/或热侧热交换器34可限定彼此垂直的轴向方向A和径向方向R。
冷侧热交换器32和热侧热交换器34两者均可以相同或类似的方式构造。因此，为了简洁起见，下面仅更详细地描述冷侧热交换器32。然而，应当理解，热侧热交换器34可以包括以下针对冷侧热交换器32描述的任何或所有部件。
参考图10，冷侧热交换器32包括圆柱形定子110和圆柱形转子120。圆柱形转子120与圆柱形定子110间隔一圆柱形间隙130。因此，例如，圆柱形转子120可以在圆柱形间隙130处不接触圆柱形定子110。圆柱形转子120被配置为相对于圆柱形定子110围绕旋转轴线X旋转。旋转轴线X可以平行于轴向方向A并且垂直于径向方向R。为了旋转圆柱形转子120，冷侧热交换器32可以包括马达140。马达140耦合到圆柱形转子120，使得马达140可操作以使圆柱形转子120围绕旋转轴线X旋转。马达140还可以与磁热热二极管200机械连通，使得马达140可操作以在热级210和磁热圆柱体220之间提供相对旋转。因此，例如，马达140可以对应于马达28。
马达140可以是变速马达。因此，例如，可以通过改变马达140的速度来调节圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度。控制器80可以与马达140操作地连通，并且控制器80可以可操作以调节马达140的速度。马达140的速度可以被控制或设置在例如百分之零(0％)和百分之一百(100％)之间的任何地方并且包括它们。作为特定示例，马达140可以可操作以将圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度调节至不小于每分钟二百五十转(250RPM)且不大于每分钟两千五百转(2500RPM)的任何合适的速度。
在图10中，圆柱形定子110定位在圆柱形转子120内。具体地，圆柱形定子110定位在圆柱形转子120的内部，并且与圆柱形转子120同轴定位。应当理解，在另选的示例实施例中，圆柱形定子110和圆柱形转子120的相对位置可以反过来。因此，在另选的示例实施例中，例如，圆柱形转子120可定位在圆柱形定子110内。
圆柱形定子110的表面112例如沿径向方向R在圆柱形间隙130上与圆柱形转子120的表面122间隔开。因此，圆柱形定子110的表面112和圆柱形转子120的表面122面对圆柱形间隙130。在图10中，圆柱形定子110的表面112是圆柱形定子110的外表面，并且圆柱形转子120的表面122是圆柱形转子120的内表面。
圆柱形间隙130可以填充有诸如水、丙二醇等之类的液体，并且该液体可以促进沿径向方向R在圆柱形定子110和圆柱形转子120之间的圆柱形间隙130内的热传递。例如，圆柱形间隙130中的液体可以例如相对于填充有诸如空气之类的气体的圆柱形间隙130促进圆柱形定子110和圆柱形转子120之间的传导热传递。因此，圆柱形间隙130中的液体可以在圆柱形间隙130内接触圆柱形定子110和圆柱形转子120两者，并且液体可以对应于圆柱形间隙130内的圆柱形定子110和圆柱形转子120之间的传热流体。
另外，在圆柱形定子110和圆柱形转子120之间限定有剪切液区域160。因此，剪切液区域160可以对应于例如沿径向方向R定位在圆柱形定子110的表面112和圆柱形转子120的表面122之间的圆柱形间隙130的部分。剪切液区域160内的液体可在圆柱形转子120相对于圆柱形定子110的旋转期间剪切，并且液体的剪切可以促进圆柱形定子110和圆柱形转子120之间经由液体的对流热传递。
通过将冷侧热交换器32定位在磁热热二极管200上，例如，使得圆柱形定子110与磁热热二极管200的冷侧202传导热连通，相对于需要复杂流动回路的已知热交换器而言，冷侧热交换器32可以更成本有效的方式来生产。另外，相对于已知的热交换器，可以减小冷侧热交换器32的尺寸。例如，冷侧热交换器32的尺寸可以约是具有类似的热传递特性并且需要例如风扇、护罩、脊翅片等的已知热交换器的一半。
圆柱形间隙130内的对流热传递随着剪切速率而增加。因此，改变圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度(例如，通过以上述方式改变马达140的速度)可以同样改变沿径向方向R在圆柱形定子110和圆柱形转子120之间的圆柱形间隙130内的对流热传递。具体地，增大圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度可以增加沿径向方向R在圆柱形定子110和圆柱形转子120之间的圆柱形间隙130内的对流热传递。相反，减小圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度可以减少沿径向方向R在圆柱形定子110和圆柱形转子120之间的圆柱形间隙130内的对流热传递。
剪切液区域160的厚度T可以沿径向方向R限定。在某些示例实施例中，剪切液区域160的厚度T可以不小于约百分之一英寸(0.01英寸)并且不大于约十分之一英寸(0.1英寸)。如本文所用，术语“约”是指在厚度的背景下使用时在所述厚度的百分之十以内。
冷侧热交换器32可以包括风扇170。风扇170可以包括多个间隔开的平面翅片172。间隔开的平面翅片172例如沿径向方向R从圆柱形转子120向外延伸。圆柱形转子120可以由合适的导热材料形成或具有合适的导热材料。例如，圆柱形转子120可以由一种或多种传导性材料(诸如铝、铜或锡以及它们的合金)形成。每个平面翅片172与圆柱形转子120传导热连通。例如，平面翅片172可以直接接触圆柱形转子120。在某些示例实施例中，间隔开的平面翅片172可分离地(例如，与之直接或间接接触)附接到圆柱形转子120(例如，作为离散的可移除盘)。间隔开的平面翅片172也可以由与圆柱形转子120的材料相同或不同的传导性材料形成。例如，间隔开的平面翅片172可以由不锈钢、铝、铜或锡以及它们的合金形成。
间隔开的平面翅片172限定一个或多个轴向进气通道174。轴向进气通道174可延伸穿过间隔开的平面翅片172中的一个或多个平面翅片，例如，平行于旋转轴线X和/或沿轴向方向A。轴向进气通道174中的每个均可定位在距离旋转轴线X共同的径向距离处。
间隔开的平面翅片172被安装到圆柱形转子120，例如，使得间隔开的平面翅片172与圆柱形转子120一起围绕旋转轴线X旋转。当间隔开的平面翅片172旋转时，风扇170以类似于所谓的“特斯拉风扇”的方式操作。当间隔开的平面翅片172围绕旋转轴线X旋转时，可以沿轴向方向A将气流(由于空间限制而在热侧热交换器34上用箭头AF示出)吸入轴向进气通道174。气流AF可以从相对的轴向端部间隔开的平面翅片172流入轴向进气通道174。在间隔开的平面翅片172内，气流AF从轴向进气通道174传递到在相邻间隔开的平面翅片172之间限定的一个或多个排气通道。排气通道可以对应于相邻间隔开的平面翅片172之间的轴向间隙。
气流AF在从冷侧热交换器32排出之前，沿径向方向R在间隔开的平面翅片172之间从排气通道向外引导。有利地，冷侧热交换器32可促进间隔开的平面翅片172和气流AF之间的热交换，而不会生成与例如轴向鼓风机风扇相关联的噪声。因此，例如，气流AF可以在冷侧热交换器32的操作期间将热量排到间隔开的平面翅片172。
当间隔开的平面翅片172旋转时，粘性力将能量添加到间隔开的平面翅片172之间的气流AF。间隔开的平面翅片172上的边界层可以沿径向方向R向外驱动气流AF。相邻的间隔开的平面翅片172之间沿轴向方向A的间隔G可以被选择成促进在间隔开的平面翅片172之间沿径向方向R向外驱动气流AF。例如，每个间隔开的平面翅片172可以沿轴向方向A与相邻的间隔开的平面翅片172间隔不超过约二十五微米(25μm)。在某些示例实施例中，这种间隔可以允许风扇170以上述方式操作。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元素，则它们旨在处于权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种磁热热二极管组件，包含：
磁热圆柱体；
多个热级，所述多个热级沿轴向方向堆叠在冷侧和热侧之间，所述多个热级中的每个包含多个磁体和非磁性环，在所述多个热级中的每个中，所述多个磁体在所述非磁性环内沿周向方向分布，所述多个磁体在所述多个热级中的每个内沿径向方向和所述周向方向与所述非磁性环间隔开，所述多个热级中的每个的所述多个磁体和所述非磁性环共同限定圆柱形槽，所述磁热圆柱体定位在所述圆柱形槽内，所述多个热级和所述磁热圆柱体被配置为在所述多个热级和所述磁热圆柱体之间相对旋转；以及
热交换器，所述热交换器包含
圆柱形定子，所述圆柱形定子定位在所述多个热级的所述冷侧或所述热侧处并与之热连通；
圆柱形转子，所述圆柱形转子与所述圆柱形定子间隔一圆柱形间隙，所述圆柱形转子被配置为相对于所述圆柱形定子围绕旋转轴线旋转；
其中当所述圆柱形间隙填充有液体时，在所述圆柱形定子的面对所述圆柱形间隙的表面和所述圆柱形转子的面对所述圆柱形间隙的表面之间限定有剪切液区域；其中
所述多个热级中的冷侧热级定位在所述冷侧处；
所述多个热级中的热侧热级定位在所述热侧处；
在所述冷侧热级和所述热侧热级之间的所述多个热级中的每个沿所述轴向方向定位在所述多个热级中的相应对之间；
所述多个热级中的所述相应对中的一个沿所述轴向方向定位成更靠近所述冷侧；
所述多个热级中的所述相应对中的另一个沿所述轴向方向定位成更靠近所述热侧；
在所述冷侧热级和所述热侧热级之间的所述多个热级中的每个的所述多个磁体沿所述轴向方向与所述多个热级中的所述相应对中的所述一个的所述非磁性环间隔开；并且
在所述冷侧热级和所述热侧热级之间的所述多个热级中的每个的所述多个磁体与所述多个热级中的所述相应对中的所述另一个的所述非磁性环传导热接触。
2.根据权利要求1所述的磁热热二极管组件，其中所述圆柱形定子定位在所述圆柱形转子内。
3.根据权利要求2所述的磁热热二极管组件，其中所述圆柱形定子与所述圆柱形转子同轴定位。
4.根据权利要求1所述的磁热热二极管组件，其中所述热交换器进一步包含多个间隔开的平面翅片，所述多个间隔开的平面翅片沿径向方向从所述圆柱形转子延伸，所述多个间隔开的平面翅片限定轴向进气通道，所述轴向进气通道平行于所述旋转轴线延伸穿过所述多个间隔开的平面翅片中的一个或多个平面翅片。
5.根据权利要求4所述的磁热热二极管组件，其中所述轴向进气通道是多个轴向进气通道中的一个，并且所述多个轴向进气通道中的每个均平行于所述旋转轴线延伸穿过所述多个间隔开的平面翅片中的一个或多个平面翅片。
6.根据权利要求5所述的磁热热二极管组件，其中所述多个轴向进气通道中的每个均定位在距离所述旋转轴线共同的径向距离处。
7.根据权利要求4所述的磁热热二极管组件，其中所述多个间隔开的平面翅片中的每个与所述多个间隔开的平面翅片中的相邻平面翅片间隔一轴向间隙，所述轴向间隙不大于二十五微米。
8.根据权利要求1所述的磁热热二极管组件，其中所述剪切液区域具有沿径向方向的厚度，所述剪切液区域的所述厚度不小于百分之一英寸并且不大于十分之一英寸。
9.根据权利要求1所述的磁热热二极管组件，其中在所述冷侧热级和所述热侧热级之间的所述多个热级中的每个的所述多个磁体通过绝缘件沿所述轴向方向与所述多个热级中的所述相应对中的所述一个的所述非磁性环间隔开。
10.根据权利要求1所述的磁热热二极管组件，其中所述多个热级中的每个进一步包含沿所述径向方向和所述周向方向定位在所述多个磁体和所述非磁性环之间的绝缘件。
11.根据权利要求1所述的磁热热二极管组件，其中所述圆柱形槽具有沿所述径向方向的宽度，所述磁热圆柱体在所述圆柱形槽内具有沿所述径向方向的厚度，所述圆柱形槽的所述宽度比所述磁热圆柱体的所述厚度大百分之一英寸。
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