CN113412399B - 热泵和级联热量回热器组件 - Google Patents

热泵和级联热量回热器组件 Download PDF

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Abstract

热泵(52)可以包括热侧热交换器(34)、冷侧热交换器(32)、泵(42)和热量热泵(100)。热量热泵(100)可以包括回热器壳体(102)、多个级(152、154、156、158、160、162)和场发生器(126)。回热器壳体(102)可以在回热器壳体(102)的第一端部部分(118)和回热器壳体(102)的第二端部部分(120)之间沿轴向方向延伸。多个级(152、154、156、158、160、162)可以沿轴向方向从第一端部部分(118)到第二端部部分(120)顺序布置。多个级(152、154、156、158、160、162)可以被布置成使得多个级的热量温度峰值根据预定的非线性曲线沿轴向方向增加。场发生器(126)可以邻近多个级(152、154、156、158、160、162)定位，以使多个级(152、154、156、158、160、162)经受由场发生器(126)生成的可变场。

Description

热泵和级联热量回热器组件
技术领域
本主题总体上涉及用于器具的热泵，诸如磁热热泵。
背景技术
常规制冷技术通常利用热泵，该热泵依靠流体制冷剂的压缩和膨胀来以循环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位置。这个循环可以用于从冷藏隔室接收热量，并将这些热量排出到环境中或冷藏隔室外部的位置。其他应用包括住宅或商业建筑的空调。已经开发了可以在这种系统中与热泵一起使用的多种不同的流体制冷剂。
虽然已经对这种依赖于流体制冷剂压缩的热泵系统进行了改进，但这种热泵系统的操作效率最高仅为最大理论卡诺循环效率的大约百分之四十五或更低。而且，由于环境问题，一些流体制冷剂已经停产。某些基于制冷剂的系统能够操作的环境温度范围对于某些位置可能是不切实际的。使用流体制冷剂的热泵也存在其他挑战。
磁热材料(MCM)(即展现出磁热效应的材料)为热泵应用提供了流体制冷剂的潜在替代物。一般而言，在不断增加的外部施加的磁场下，MCM的磁矩变得更加有序，并导致MCM生成热量。相反，减小外部施加的磁场允许MCM的磁矩变得更加无序，并允许MCM吸收热量。一些MCM展现出相反的行为(即，当磁场被移除时生成热量)——这种MCM有时被称为顺磁热(para-magneto-caloric)材料，但是两种类型在本文中被统称为磁热材料或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流体制冷剂的可比制冷循环。由此，能够有效使用MCM的热泵系统将是有用的。
然而，MCM的实际和成本竞争性使用存在挑战。除了开发合适的MCM，仍然需要能够吸引人地利用MCM的装备。目前提出的装备可能需要相对较大且昂贵的磁体，可能不切实际(例如，用于在器具制冷中使用)，并且可能不能以足够的效率运行以证明资本成本是合理的。
因此，能够解决某些挑战(诸如上述那些挑战)的热泵系统将是有用的。也可以用在冰箱器具中的这种热泵系统也是有用的。
发明内容
本发明的各方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。
在本公开的一个示例性方面，提供了一种热泵。该热泵可以包括热侧热交换器、冷侧热交换器、泵和热量热泵。泵可操作以使工作流体在热侧热交换器和冷侧热交换器之间流动。热量热泵可以包括回热器壳体、多个级和场发生器。回热器壳体可以在回热器壳体的第一端部部分和回热器壳体的第二端部部分之间沿轴向方向延伸。回热器壳体可以限定在回热器壳体的第一和第二端部部分之间沿轴向方向纵向地延伸的室。多个级可以被定位在回热器壳体内。多个级可以沿轴向方向从第一端部部分到第二端部部分顺序布置。多个级中的每一级可以包括具有热量温度峰值的热量材料。多个级可以被布置成使得多个级的热量温度峰值根据预定的非线性曲线沿轴向方向增加。场发生器可以被定位为邻近多个级，以使多个级经受由场发生器生成的可变场。
在本公开的另一示例性方面，提供了一种冰箱器具。该冰箱器具可以包括限定冷却室的柜体；和可操作来冷却该冷却室的热泵系统。热泵系统可以包括热侧热交换器、冷侧热交换器、泵和热量热泵。泵可操作以使工作流体在热侧热交换器和冷侧热交换器之间流动。热量热泵可以包括回热器壳体、多个级和场发生器。回热器壳体可以在回热器壳体的第一端部部分和回热器壳体的第二端部部分之间沿轴向方向延伸。回热器壳体可以限定在回热器壳体的第一和第二端部部分之间沿轴向方向纵向地延伸的室。多个级可以被定位在回热器壳体内。多个级可以沿轴向方向从第一端部部分到第二端部部分顺序布置。多个级中的每一级可以包括具有热量温度峰值的热量材料。多个级可以被布置成使得多个级的热量温度峰值根据预定的非线性曲线沿轴向方向增加。场发生器可以被定位为邻近多个级，以使多个级经受由场发生器生成的可变场。
参考以下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。并入本说明书并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并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且可行的公开内容，包括其最佳模式。
图1提供了根据本公开的示例性实施例的冰箱器具的透视图。
图2提供了被定位在图1的示例性冰箱器具中的热泵系统的某些部件的示意图。
图3提供了根据本公开的示例性实施例的热泵的透视图。
图4提供了图3的示例性热泵的分解透视图。
图5提供了图3的示例性热泵的剖视图。
图6提供了图3的示例性热泵的前透视图。
图7提供了图3的示例性热泵的级的使用中的各个步骤的示意性表示。
图8提供了能量随温度变化的图表，其中示出了如下文进一步描述的热量材料的几个示例性级的热量温度范围。
图9提供了热量温度峰值随归一化纵向位置(例如，轴向方向)的图表，其中示出了如下文进一步描述的热量材料的几个示例性级的多个非线性曲线。
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而不是对本发明的限制的方式提供的。事实上，对于本领域的技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明进行各种修改和变化。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实施例一起使用，以产生更进一步的实施例。因此，本发明旨在涵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化。
如本文所用，术语“或”通常旨在是包含性的(也就是说，“A或B”旨在是指“A或B或两者”)。术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个组件与另一组件区分开来，并且不旨在表示各个组件的位置或重要性。
本主题可以用于一种用于加热或冷却诸如冰箱器具的器具的热量热泵系统。虽然下面在磁热热泵系统的背景下进行了更详细的描述，但是使用本文的教导的本领域技术人员将认识到，可以以类似的方式使用其他合适的热量材料来加热或冷却器具(即，施加磁场、移动热量、移除磁场、移动热量)。例如，在增加和减少的电场内电热材料升温和降温。作为另一示例，当暴露于增加和减少的机械应变时，弹性热量材料升温和降温。作为又一示例，当暴露于增加和减少的压力下时，压热材料会升温和降温。这种材料和其他类似的热量材料可以用来代替或补充下文描述的磁热材料，以加热或冷却器具内的液体/水。因此，本文中广泛使用热量材料以涵盖当暴露于来自场发生器的变化的或可变的场时经历加热或冷却的材料，其中场发生器可以是磁体、电场发生器、用于施加机械应力或压力的致动器等。
现在参考图1，冰箱器具10的示例性实施例被描绘为具有柜体或外壳12的立式冰箱，该柜体或外壳限定了多个内部储藏隔室或冷却室。特别地，冰箱器具10包括具有门16的上部新鲜食物隔室14和具有上部抽屉20和下部抽屉22的下部冷冻隔室18。抽屉20、22是“拉出式”抽屉，因为它们可以通过合适的滑动机构被手动移入和移出冷冻隔室18。冰箱10仅作为示例提供。也可以使用冰箱器具的其他配置，包括仅具有冷冻隔室、仅具有冷却隔室或不同于图1中示出的其他组合的器具。此外，本公开的热泵和热泵系统不限于冰箱器具，并且也可以用于其他应用(例如，空调、电子冷却装置等)。因此，应当理解的是，虽然本文中通过示例的方式提供了使用热泵和热泵系统来在冰箱内提供冷却，但是本公开也可以用于提供加热应用。
图2是包括冷藏隔室30和机械隔室40的冰箱器具10的各种部件的示意图。冷藏隔室30和机械隔室40包括热泵系统52，该热泵系统具有被定位在冷藏隔室30中的第一或冷侧热交换器32，用于从其中移除热量。在第一热交换器32内流动的传热流体(诸如例如，水溶液)从冷藏隔室30接收热量，从而冷却冷藏隔室30的内容物。风扇38可以用于提供穿过第一热交换器32的空气流，以提高来自冷藏隔室30的传热速率。
传热流体通过管线44流出第一热交换器32，到达热泵100。如本文将进一步描述的那样，传热流体从热泵100中的热量材料接收附加热量，并通过管线48将这一热量传送到泵42，然后传送到第二或热侧热交换器34。使用第二热交换器34将热量释放到环境、机械隔室40或冷藏隔室30外部的其他位置。风扇36可以用于产生穿过第二热交换器34的空气流，从而提高到环境的传热速率。连接到管线48中的泵42使得传热流体在热泵系统52中再循环。如下所述，马达28可以与热泵100机械连通。
传热流体从第二热交换器34通过管线50返回到热泵100，如下文将进一步描述的那样，在该热泵中，传热流体损失热量，传递给热泵100中的热量材料。现在较冷的传热流体通过管线46流到第一热交换器32，以从冷藏隔室30接收热量，并重复刚刚描述的循环。
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提供热泵系统52的各种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的其他传热流体再循环回路。例如，泵42也可以被定位在系统52中的其他位置处或其他管线上。此外也可以使用热泵系统52的其他配置。
图3至图6描绘了本发明的示例热泵100的各种视图。热泵100包括在第一端部部分118和第二端部部分120之间沿轴向方向纵向地延伸的回热器壳体102。轴向方向由回热器壳体102围绕其旋转的轴线A-A限定。径向方向R由从旋转轴A-A正交延伸的半径限定(图5)。箭头C指示圆周方向。
回热器壳体102限定了一个或多个室104，该一个或多个室沿由轴线A-A限定的轴向方向纵向地延伸。例如，室104可以沿由回热器壳体102的第一和第二端部部分118、120之间的轴线A-A限定的轴向方向延伸。室104也可以围绕轴线A-A沿圆周方向C延伸。替代性地，多个室104可以沿圆周方向C彼此靠近或邻近地定位。室104包括被定位在回热器外壳102的相对端部部分118、120处的一对开口106、108。
热泵100还包括包含热量材料的工作单元112。工作单元112位于室104中，并且沿轴向方向A-A延伸(例如，在回热器壳体102的第一和第二端部部分118、120之间)。
在某些实施例中，工作单元112也围绕轴线A-A沿圆周方向C延伸。因此，工作单元112可以具有与室104互补或填充该室的圆柱形形状。特别地，工作单元112可以具有沿径向方向R间隔开的圆柱形内表面130和圆柱形外表面132。在某些示例实施例中，工作单元112可以是单个整体片式热量材料。因此，回热器壳体102可以不包括将工作单元112分成区段的挡板或壁。
在替代性实施例中，工作单元112被提供为各自包括热量材料的多个分立的流体隔离段。这种工作单元112的每个段可以位于分离的室104中，并且沿轴向方向A-A延伸。因此，工作单元112的两个或更多个段可以沿圆周方向C彼此相邻地定位，并且沿轴向方向A-A纵向延伸。
回热器壳体102限定了空腔128，该空腔被定位在室104的径向内侧，并且沿轴向方向在回热器壳体102的第一和第二端部部分118、120之间延伸。场发生器126(例如，磁体、电场发生器、用于施加机械应力或压力的致动器等)被定位在空腔128内，并且对于本示例性实施例在第一端部部分118和第二端部部分120之间沿轴向方向延伸。场发生器126提供可变场(例如，磁场、电场、机械应变场、压力场等)，该可变场如图5中的箭头M所示指向径向向外。在示例性实施例中，场发生器126可以被配置为电磁体或电磁体和一个或多个磁体的组合，该一个或多个磁体中的每一个可以被配置为生成磁场(例如，沿轴向方向A-A具有恒定或可变的磁通量)。
场发生器126的定位和配置使得在任何一个时间，只有工作单元112的一部分(或多个段的子集)在场M内。例如，如图5所示，工作单元112的大约一半位于场M内，而工作单元112的其余部分被定位为远离由场发生器126产生的场M或被定位在该场之外。然而，在回热器壳体102如箭头W所示沿圆周方向连续旋转时，工作单元112的场M内的部分将连续变化，因为工作单元112中的一些将进入场M，而工作单元112的另一部分将离开场M。
提供一对阀或密封件136、138，使得密封件136、138以相对的方式定位在回热器壳体102的第一和第二端部部分118、120处。更具体地，第一密封件136被定位在第一端部部分118处，第二密封件138被定位在第二端部部分120处。第一密封件136具有第一入口端口140和第一出口端口142。第一密封件136的端口140、142邻近室104的开口106定位。如图所示，端口140、142被定位为围绕第一密封件136的圆周方向C间隔开一百八十(180)度。然而，也可以使用其他配置。例如，端口140、142也可以围绕圆周方向C定位在大约一百七十(170)度至大约一百九十(190)度的范围内。
第二密封件138具有第二入口端口144和第二出口端口146。第二密封件138的端口144、146邻近腔室104的开口108定位。如图所示，端口144、146被定位为围绕第二密封件138的圆周方向间隔开一百八十(180)度。然而，也可以使用其他配置。例如，端口144、146也可以围绕圆周方向C定位在大约一百七十(170)度至大约一百九十(190)度的范围内。端口144、146分别与管线50、48连接(图1)。由此，回热器壳体102围绕轴线A-A的旋转顺序地将管线48、50与工作单元112的热量材料内的通道流体连通，如将进一步描述的那样。值得注意的是，在回热器壳体102旋转期间的任何一个时间，管线46、50可以各自与工作单元112的热量材料内的至少一个通道150流体连通，同时管线44、48也可以与工作单元112的热量材料内的沿圆周方向远离大约一百八十(180)度的至少一个其他通道150流体连通。
传热流体可以通过密封件136、138的入口端口140、144流入腔室104，从而流过工作单元112中的热量材料，然后通过密封件136、138的出口端口142、146离开。反向路径可以用于传热流体在相反方向上流过工作单元112。密封件136、138可以相对于回热器壳体102定位，使得在与密封件136、138的端口对齐时工作流体流过工作单元112内的通道150。密封件136、138和工作单元112之间的紧密间隙可以允许工作流体流仅经过与端口140至146相邻或对齐的通道150。回热器壳体102可以相对于第一和第二密封件136、138旋转。端口140、142分别与管线44、46连接(图1)。由此，回热器壳体102围绕轴线A-A的旋转顺序地将管线44、46与工作单元112的热量材料内的通道流体连通，如将进一步描述的那样。
图7使用当回热器壳体102在如图6所示的位置1至8之间在箭头W的方向上旋转时回热器壳体中的热量材料的工作单元112的一部分的示意性表示示出了本公开的示例性方法。在步骤200期间，工作单元112的该部分完全在场M内，这导致材料的磁矩定向，并且作为热效应的一部分，热量材料加热。当回热器壳体102在箭头W的方向上旋转时，随着工作单元112的该部分顺序地旋转通过位置2、3和4(图6)，场的排序被创建和保持。在位置2、3和4的时间期间，传热流体停留在工作单元112的该部分的热量材料中，并且因此被加热。
在步骤202中，当回热器壳体102继续在箭头W的方向上旋转时，工作单元112的该部分将最终到达位置5(图6)。如图3和图6所示，在位置5处，当第一密封件136的入口端口140与工作单元112的该部分内的通道150对齐，同时第二端部部分120处的第二密封件138的出口端口146也与工作单元112的该部分内的通道150对齐时，传热流体可以流过材料。如箭头QH-OUT所示，工作单元112的该部分中的传热流体现在被热量材料加热，可以行进离开回热器壳体102并沿管线48到第二热交换器34(图2)。同时，并且如箭头QH-IN所示，当工作单元112位于位置5时，来自第一热交换器32(图2)的传热流体从管线44流入工作单元112的该部分中。因为来自第一热交换器32的传热流体比工作单元112中的热量材料相对较冷，所以热量材料损失热量，传递给传热流体。
再次参考图7和步骤204，当回热器壳体102继续在箭头W的方向上旋转时，工作单元112的该部分顺序移动通过位置6、7和8(图6)，在这些位置，工作单元112的该部分完全或基本上在场M外。场M的消失或减弱使得材料的磁矩变得无序，并且作为热效应的一部分，热量材料吸收热量。在位置6、7和8的时间期间，传热流体停留在工作单元112的该部分的热量材料中，并且，因此，当磁矩无序时通过损失热量以传递给热量材料而被冷却。更具体而言，传热流体不流过工作单元112，因为当处于位置6、7和8时对应于工作单元112的开口106、108、122和124不与端口140、142、144或146中的任何一个对齐。
参照图7的步骤206，当回热器壳体102继续在箭头W的方向上旋转时，工作单元112的该部分将最终到达位置1(图6)。如图3和图6所示，在位置1，在第二密封件138的入口端口144与工作单元112的该部分中的通道150对齐，同时第一密封件136的出口端口142也与工作单元112的该部分中的通道150对齐时，工作单元112的该部分中的传热流体可以流过材料。如箭头QC-OUT所示，工作单元112的该部分中的传热流体现在被热量材料冷却，可以行进离开回热器壳体102并沿管线46到第一热交换器32(图2)。同时，并且如箭头QC-IN所示，当工作单元112的该部分处于位置5时，来自第二热交换器34(图2)的传热流体从管线50流入工作单元112的该部分中。因为来自第二热交换器34的传热流体比位置5处的工作单元112的该部分中的热量材料相对更热，所以热量材料会损失其热量的一些，传递给传热流体。传热流体现在沿管线46行进到第一热交换器32，以接收热量并冷却冷藏隔室30(图2)。
当回热器壳体102连续旋转时，重复将工作单元112的每个部分放入和移出场M的上述过程。附加地，场M和回热器壳体102的大小使得工作单元112的一部分可以在旋转期间的任何给定时间在场M内。类似地，在旋转期间的任何给定时间，工作单元112的其余部分可以在场M的外部(或基本上在外部)。此外，在任何给定时间，可能只有工作单元112的一部分有传热流体流过，而工作单元112的其余部分保持处于停留模式。更具体而言，在工作单元112的一部分在位置5处通过传热流体的流动而损失热量时，工作单元112的另一部分在位置1处从流动的传热流体接收热量，同时工作单元112的所有剩余部分处于停留模式。由此，当工作单元112旋转通过位置1至8时，系统可以连续操作以在热泵系统52中提供传热流体的连续再循环。
如本领域技术人员使用本文公开的教导所理解的那样，密封件136、138的端口数量或其他参数可以变化，以提供热泵100的不同配置，同时仍然提供连续操作。例如，每个阀可以设置在两个入口端口和两个出口端口内，使得传热流体在任何特定时间点流过工作单元112的至少四个部分。替代性地，回热器壳体102或密封件136、138可以被配置成使得例如工作单元112的至少两个部分在任何时间与入口端口和出口端口流体连通。也可以使用其他配置。
因此，如图7所示，每个工作单元112可以设置有不同热量材料的级152、154、156、158、160和162，这些级沿预定方向(例如，在本示例性实施例中沿轴向方向A-A)顺序布置。每个这样的级包括在不同的温度或不同的温度范围下展现出与沿轴向方向A-A的相邻级不同的热效应的热量材料。每一级中的热量材料(正常的或相反的)在其中展现出期望的热响应以提供加热或冷却的温度范围在此被称为“热量温度范围”。在磁热材料的情况下，这也可以称为“居里温度范围”。每一级中的热量材料在其下展现出其最大热效应(即能量方面的峰值变化)的温度在本文中被称为“热量温度峰值”。在磁热材料的情况下，这也可以被称为“居里温度峰值”。
级(例如，152、154、156、158、160和162)可以被布置成使得多个级的热量温度范围(例如，居里温度范围)沿预定方向(诸如轴向方向A-A(图3))增加。例如，级152可以在低于级154在其下展现出磁热效应的温度(该温度可以低于级156的这个温度)的温度下展现出磁热效应，依此类推。通过配置适当数量和顺序的热量材料(例如，MCM)级，热泵100可以在相当大的环境温度范围内操作。
马达28(图2)与回热器壳体102(图3)机械连通，并提供壳体102围绕轴线A-A的旋转。作为示例，马达28可以通过轴直接与壳体102连接，或者通过齿轮箱间接连接。也可以使用其他配置。
在示例性实施例中，为便于传热，各个级(例如，152、154、156、158、160和162)的热量温度范围被选择为重叠。
这种重叠在图8中示出，该图提供了热量材料的几个示例性级(例如，C8-1、C8-2、C8-3、C8-4、C8-5、C8-6、C8-7、C8-8、C8-9和C8-10)的能量随温度变化的图表。具体而言，图8提供了不同热量材料的级的温度变化量(ΔT)(例如，以开尔文为单位)作为操作温度T(例如，以开尔文为单位)的函数的图。类似于图7的布置，每个顺序级(例如，C8-1至C8-10)是纵向顺序的(例如，沿轴向方向A-A)。例如，C8-1可以代表初始级，诸如152(图7)；而C8-3代表纵向相邻的级，诸如154(图7)。而且，C8-4可以代表又一级，诸如与C8-3纵向相邻的156(7图)，依此类推。如所示的那样，一个级(例如，C8-1至C8-10)的热量温度范围(例如，居里温度范围)可以与和这个级相邻(例如，沿轴向方向A-A相邻，图3)的级的热量温度范围的至少一部分重叠或重合。
如所陈述的那样，不同类型或合金的热量材料可以具有热量材料在其中将基本上展现出热效应(例如，磁热效应)的不同的热量温度范围。此外，对于不同的热量材料，热量温度峰值也可以不同。在示例性实施例中，诸如图8所示的那些，热量温度峰值可以顺序增加(例如，沿轴向方向A-A-图3)。
特别转到图9，提供了图表，该图表示出了由沿轴向方向A-A(图3)(例如，作为0和1之间的归一化纵向位置的相对标度)的热量材料的相邻级限定的示例性热量温度峰值(例如，以开尔文为单位)，诸如居里温度峰值。具体而言，两个分立实施例分别在C9-1和C9-2处示出。每条曲线C9-1和C9-2代表按顺序布置的热量材料的一组分立级的曲线图(例如，如图7中的级152至162所示)。因此，C9-1代表与C9-2分离的实施例/配置。在示例性绘制的实施例中，水平轴(即，归一化纵向位置)代表沿轴向方向A-A的工作单元112(图3)，其从第一端部部分(即，归一化纵向位置的水平轴中的0)到第二端部部分(即，水平轴归一化纵向位置中的1)均匀分布。C9-1和C9-2上的每个绘制的点指示热量材料的分立级的热量温度峰值。换句话说，每个点可以代表位于归一化纵向位置的热量材料的唯一级。因此，图9上的T0指示第一端部部分118处的热量温度峰值的值(图3)，T1指示第二端部部分120处的热量温度峰值的值(图3)。
如图所示，回热器112的多个级(图3)可以被布置成使得多个级的热量温度峰值沿轴向方向A增加。当组装时，级(即，每个级的绘制的峰值)沿轴向方向形成预定的非线性曲线(例如，C9-1或C9-2)。因此，级的热量温度峰值的总体增加可以是非线性的。
在可选实施例中，非线性曲线(例如，C9-1或C9-2)可以排他地增加。因此，每个后续级可以具有限定等于或大于前一级的热量材料的热量温度峰值的热量材料(例如，沿归一化纵向位置或轴向方向从0到1)。
在某些实施例中，非线性曲线(例如，C9-1或C9-2)主要根据相邻级之间的热量材料的选择来控制或设定。在一些这样的实施例中，多个轴向级中的每一级限定了公共轴向长度。换句话说，热量材料的每一级在长度上可以沿轴向方向A-A相等(图3)(例如，垂直于场发生器126)。比如，使用图7作为参考，每个轴向长度L1、L2、L3、L4、L5和L6可以彼此相等。因此，为了使相邻级152至162形成非线性曲线(例如，C9-1或C9-2，图9)，每个级(例如，152、154、156、158、160、162)的热量材料将相应地变化。
在替代性实施例中，非线性曲线(例如，C9-1或C9-2)根据多个级中的一个或多个级之间的轴向长度的变化被进一步控制或设定。多个级中的一个或多个级可以因此限定分立轴向长度，该轴向长度不同于由多个级中的另一级限定的轴向长度。换句话说，沿轴向方向A-A的热量材料的至少一级的长度可以区别于或不同于热量材料的另一级的长度。比如，使用图7作为参考，轴向长度L1、L2、L3、L4、L5或L6中的一个或多个可以区别于另一轴向长度L1、L2、L3、L4、L5或L6。因此，为了使相邻级152至162形成非线性曲线(例如，C9-1或C9-2，图9)，每个级(例如，152、154、156、158、160、162)的轴向长度(例如，L1、L2、L3、L4、L5或L6)以及热量材料将相应地变化。
如图9所示，非线性曲线(例如，C9-1或C9-2)大体上限定了轴向方向A-A上的曲率比(Cr)。例如，非线性曲线(例如，C9-1或C9-2)可以表示为多项式等式，诸如
等式1：
T＝Ax+Bx2
其中，
T为热量温度峰值；
x是归一化纵向位置值；
A＝B-Tmax-Tmin；以及
B＝Cr/(1-Cr)*Tmax。
在图9的示例性实施例C9-1和C9-2中，Tmax等于T1，而Tmin等于T0。因此，曲率比Cr可以是正(如在C9-1的情况下)或负(如在C9-2的情况下)的非零值。曲率比Cr的绝对值可以大于零且小于一(即，0<│Cr│<1)。在某些实施例中，曲率比Cr是在-0.5和0.5之间的非零值。在附加或替代性实施例中，曲率比Cr是在-0.1和0.1之间的非零值。
这个书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使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所结合的方法。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性元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构性元件，则这些其他示例旨在在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种热泵系统，包括：
热侧热交换器；
冷侧热交换器；
泵，所述泵能够操作以使工作流体在所述热侧热交换器和所述冷侧热交换器之间流动；以及
热量热泵，所述热量热泵包括
回热器壳体，所述回热器壳体在所述回热器壳体的第一端部部分和所述回热器壳体的第二端部部分之间沿轴向方向延伸，所述回热器壳体限定了在所述回热器壳体的所述第一和第二端部部分之间沿所述轴向方向纵向地延伸的室，所述室包括定位在所述回热器壳体的相对的所述第一端部部分和所述第二端部部分处的一对开口，
多个级，所述多个级被定位在所述回热器壳体内，所述多个级沿所述轴向方向从所述第一端部部分到所述第二端部部分顺序布置，所述多个级中的每一级包括具有热量温度峰值的热量材料，所述多个级被布置成使得所述多个级的热量温度峰值根据预定的非线性曲线沿所述轴向方向增加，以及
场发生器，所述场发生器被定位为邻近所述多个级，以使所述多个级经受由所述场发生器生成的可变场；
其中，所述回热器壳体的所述第一端部部分和所述第二端部部分处分别设置有第一密封件和第二密封件，所述第一密封件具有邻近所述第一端部部分处的所述开口的第一入口端口和第一出口端口，所述第二密封件具有邻近所述第二端部部分处的所述开口的第二入口端口和第二出口端口；且
传热流体通过所述第一入口端口和所述第二入口端口流入所述室，从而通过所述多个级内的通道流过所述多个级中的热量材料，然后通过所述第一出口端口和所述第二出口端口离开。
2.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述场发生器包括磁体。
3.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述场发生器包括电磁体。
4.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述场发生器、所述多个级或两者被配置为在所述热泵的操作期间使所述多个级循环入和循环出所述可变场。
5.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述场发生器相对于所述第一端部部分和所述第二端部部分轴向固定在预定位置。
6.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述多个级的每一热量材料包含热量温度范围，并且其中所述多个级的热量温度范围在沿所述轴向方向相邻的级之间重叠。
7.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述预定的非线性曲线限定了在-0.5和0.5之间的曲率比。
8.根据权利要求7所述的热泵系统，其中所述预定的非线性曲线限定了在-0.1和0.1之间的曲率比。
9.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述多个级中的每一级限定公共轴向长度。
10.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述多个级中的一个或多个级限定分立轴向长度，所述分立轴向长度不同于由所述多个级中的另一级限定的轴向长度。
11.一种冰箱器具，包括：
柜体，所述柜体限定冷却室；和
热泵系统，所述热泵系统能够操作来冷却所述冷却室，所述热泵系统包括
冷侧热交换器，所述冷侧热交换器被定位在所述冷却室；
热侧热交换器，所述热侧热交换器被定位在所述冷却室外部；
泵，所述泵能够操作以使工作流体在所述热侧热交换器和所述冷侧热交换器之间流动；以及
热量热泵，所述热量热泵包括：
回热器壳体，所述回热器壳体在所述回热器壳体的第一端部部分和所述回热器壳体的第二端部部分之间沿轴向方向延伸，所述回热器壳体限定了在所述回热器壳体的所述第一和第二端部部分之间沿所述轴向方向纵向地延伸的室，所述室包括定位在所述回热器壳体的相对的所述第一端部部分和所述第二端部部分处的一对开口，
多个级，所述多个级被定位在所述回热器壳体内，所述多个级沿所述轴向方向从所述第一端部部分到所述第二端部部分顺序布置，所述多个级中的每一级包括具有热量温度峰值的热量材料，所述多个级被布置成使得所述多个级的热量温度峰值根据预定的非线性曲线沿所述轴向方向增加，以及
场发生器，所述场发生器被定位为邻近所述多个级，以使所述多个级经受由所述场发生器生成的可变场；
其中，所述回热器壳体的所述第一端部部分和所述第二端部部分处分别设置有第一密封件和第二密封件，所述第一密封件具有邻近所述第一端部部分处的所述开口的第一入口端口和第一出口端口，所述第二密封件具有邻近所述第二端部部分处的所述开口的第二入口端口和第二出口端口；且
传热流体通过所述第一入口端口和所述第二入口端口流入所述室，从而通过所述多个级内的通道流过所述多个级中的热量材料，然后通过所述第一出口端口和所述第二出口端口离开。
12.根据权利要求11所述的冰箱器具，其中所述场发生器包括磁体。
13.根据权利要求11所述的冰箱器具，其中所述场发生器包括电磁体。
14.根据权利要求11所述的冰箱器具，其中所述场发生器、所述多个级或两者被配置为在所述热泵的操作期间使所述多个级循环入和循环出所述可变场。
15.根据权利要求11所述的冰箱器具，其中所述场发生器相对于所述第一端部部分和所述第二端部部分轴向固定在预定位置。
16.根据权利要求11所述的冰箱器具，其中所述多个级的每一热量材料包含热量温度范围，并且其中所述多个级的热量温度范围在沿所述轴向方向相邻的级之间重叠。
17.根据权利要求11所述的冰箱器具，其中所述预定的非线性曲线限定了在-0.5和0.5之间的曲率比。
18.根据权利要求11所述的冰箱器具，其中所述预定的非线性曲线限定了在-0.1和0.1之间的曲率比。
19.根据权利要求11所述的冰箱器具，其中所述多个级中的每一级限定公共轴向长度。
20.根据权利要求11所述的冰箱器具，其中所述多个级中的一个或多个级限定分立轴向长度，所述分立轴向长度不同于由所述多个级中的另一级限定的轴向长度。
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