制冷设备和制冷方法 【技术领域】
本发明涉及一种制冷设备和制冷方法。
背景技术
在制冷机中使用磁热材料是公知的。实际上，在我们的未决专利申请No.PCT/EP2005/013654中详细描述了制造在制冷机中使用的磁热元件的适宜方法。在磁制冷机中，使用了所谓的活性磁再生(active magnetic regeneration，AMR)周期，在该周期内通过磁热材料制成的活性再生器对工作液或制冷剂进行重复加热和冷却。
活性再生器被暴露以改变磁场，该磁场使得活性再生器与任意时刻施加的场强相关联地加热和冷却。该工作液热连接至活性再生器并且通过使用热侧和冷侧热交换器，可以进行制冷。
为了充分利用磁热效应，需要使用高磁场，例如高于0.5特斯拉。此外，AMR周期的频率必须足够高以具有显著的制冷功率，例如频率约为1Hz。磁场源通常是AMR设备中最贵的元件，并且为了确保磁场源的最优使用，优选地，在设备操作过程中应该持续使用磁场存在的容积(volume)。
对于磁制冷机提出了各种设计和配置。在WO‑A‑2005/095872中描述了一个这样的例子。这个申请描述了包括磁热材料的加热器。该系统包括以圆形结构布置并且通过包含流动冷冻剂的管道交叉的磁热元件。该申请陈述了该设备可以用于回火、冷却、加热、保存、烘干以及空气调节。在EP‑A‑1736717、WO‑A‑02/12800和US‑A‑2005/120720中描述了磁制冷机的其他例子。
然而，期望对这样的设备进行改进以允许通过充分利用磁场容积和活性再生器来进行高频、连续的操作。在液体流中的压力损耗也应该尽可能地小。此外，期望简化原来设备的液体流控制系统。
【发明内容】
根据本发明的第一方面，提供了一种制冷设备，包括：磁场源；磁热床，磁场源和磁热床中的一个被布置以围绕另一个，磁热床被布置用于关于磁场源相对旋转，使得在所述相对旋转过程中，由磁热床的部件经历的磁场变化；在磁热床内形成的多个路径，用于在所述相对旋转过程中工作流在磁热床和永磁铁之间的流动。优选地，流分配器放置在磁热床的每一端，用于控制在操作周期中能够接收工作流的磁热床的部件。
由于磁场源和磁热床中的一个被设置为实质上围绕另一个，即，它们具有实质上相同的纵向轴，或者它们是实质上同轴或同心的，两个的元件的相对旋转以及磁场源的配置一起使得将连续变化的磁场在相对旋转的周期上施加到磁热床的每一部分或部件。优选地磁场源是静止的并且磁热床围绕磁场源旋转。换句话说，磁场源可以形成杆，圆柱形的磁热床可以围绕该杆旋转。当然也可以相反地布置。
应该理解到制冷设备也可以被用作热泵。在使用中，设备在一端变热以及在另一个变冷。当用作制冷机时，热端与周围环境保持接触，并且冷端被用于制冷。可替换地，设备可以用作热泵，其中冷端与周围环境保持接触并且热端用于加热。
优选地，磁热床和磁场源的每一个实质上是圆柱形的，使得一个圆柱形可以被布置在另一个圆柱形内部，用于关于实质上共享的纵向轴在二者之间进行相对旋转。
在实施例中，制冷设备包括：具有纵向轴的磁场源；圆柱形形式的磁热元件，具有实质上平行于磁场源的纵向轴的纵向轴，磁热元件被布置为围绕它的纵向轴关于磁场源相对旋转，使得在所述相对旋转过程中，由磁热元件的部件经历的磁场变化；在磁热元件内形成的多个路径，用于在相对旋转过程中工作流在磁热元件和磁场源之间的流动；以及一个或多个流分配器，允许工作流的均匀流动。
在优选实施例中，磁场源是永磁铁或永磁铁组件或与一个或多个电磁铁或螺线管组合的永磁铁组件。磁场源被设计为实质上具有沿着圆柱形磁热床的等距圆弧部分限定的所有磁场强度。根据需要的AMR频率和床的旋转频率的比率，源可以是双极或具有更多数目的极(四极、八极等)。
制冷设备提供了旋转磁制冷装置，该装置通过旋转运动对磁热床进行磁化和消磁，并且可以在磁场源相对于磁热床的旋转周期上连续操作。由此，在一个特定实施例中，该设备是连续可变频率磁冷却装置，该装置可以通过围绕永磁铁组件同心放置的圆柱形磁热床的旋转运动来对热磁床进行磁化和消磁。
优选地，永磁铁组件保持静止并且磁热床围绕永磁铁组件旋转。这提供了以下优点：可以将相对于永磁铁组件固定的流分配器设计使得进出磁热床的每个流开口或流通道仅经历单向流(给定开口总是经历从热到冷的流或从冷到热的流)，由此避免旋转阀的需要。此外，这确保了设备的连续操作，而不用必须在周期中在进出设备的通道中反转工作液的流动方向。此外，由于永磁铁组件相对于优选地围绕磁热床设置的磁轭是静止的，在磁轭内不会感应电流。
在实质上圆柱形的磁热床的两端放置具有等于磁场源的极数的两倍的多个流开口或通道的流分配器。优选地，流分配器相对于磁场源固定，使得在磁场源和磁热床的相对旋转过程中，磁热床的不同部分扫过流开口。可以调整流开口的角范围以改变AMR周期特性。优选地，将热和冷侧热交换器集成到流分配器中，以允许紧凑有效的设计。
磁热床和磁场源的相对旋转运动可以具有固定频率或者时变的、可能是步阶的频率。可以结合具有径向改变的组成的床来使用时变频率，例如沿着径向方向被隔开。这可以用于优化AMR周期特性。
根据本发明的第二方面，提供了一种制冷方法，所述方法包括：设置磁场源和磁热床，磁场源和磁热床中的一个围绕另一个并且被布置用于相对旋转；在磁热床的每一端设置流分配器，用于控制磁热床的部件能够在操作周期中接收工作流；当磁场源和磁热床相对于彼此旋转时，迫使流体制冷剂，例如液体制冷剂，流动通过流分配器，由此使得流体被加热或冷却。
根据本发明的第三方面，提供了一种制冷设备，包括：磁场源；磁热床，磁场源和磁热床中的一个被布置为实质上围绕另一个，将磁热床布置为关于磁场源相对旋转，使得在所述相对旋转过程中，由磁热床的部件经历的磁场变化；在磁热床内形成的多个路径，用于在磁热床和永磁铁之间的相对旋转过程中工作流从床的一端流向另一端。
根据本发明的另一个方面，提供了一种热泵，该热泵包括根据本发明的第一或第三方面的制冷设备，布置以从热泵的热端提供热量。
【附图说明】
现在将参考附图详细描述本发明的实施例，其中
图1A是磁制冷机的示意性表示；
图1B是磁制冷机的示意性表示；
图2是具有与图1的例子相比具有额外的元件的磁制冷机的示意性表示；
图3表示由制冷机内的单个板经历的活性磁制冷机周期的例子；
图4是通过图1的制冷机的横截面的示意性表示；
图5‑7表示用于图1和2的制冷机的流分配器和磁铁结构的例子；
图8表示分段磁轭的两个实施例的示意性表示；
图9表示分段磁轭的示意性表示；
图10表示包含热交换器的制冷机的示意性表示；
图11表示磁热元件的示意性表示；以及
图12表示磁热元件的两个例子的示意性表示。
【具体实施方式】
图1A是磁制冷机的示意性表示。磁制冷机2包括圆柱形磁热床(bed)4，该圆柱形磁热床4在这个例子中以围绕以具有特定配置的永磁铁6的形式的磁场源，下文中将更详细地描述。磁热床4实质上围绕磁场源同心布置。布置磁热床4和磁场源被布置使得一个元件可以在另一个元件中旋转，即，优选地实质上同轴。换句话说，磁热床4和磁场源的每一个的纵向轴是相同的或至少实质上是平行的，使得一个元件可以在另一个元件中旋转。
制冷机2包括直接邻近于磁热床4的每一端放置的流导沟8。如下所述，该流导沟8的功能是确保在磁热床4中稳定的、分层(laminated)的流体，使得沿着磁热床4的温度变化程度不会由于混合而损失。优选地，选择流导沟外形来匹配磁热床4。流导沟8刚性地附接于床，即，以固定结构附接于床。
此外，提供了流分配器10。流分配器10包括开口12，在使用中工作液可以通过开口12流过。开口的数目等于沿着径向的区域数目的两倍，在径向上存在实质上大于零的磁场强度。每个第二个开口经历从热到冷侧的液体流，而其他开口经历从冷到热侧的液体流。
在使用中，流分配器10和流导沟8(并且由此也是床4)相对于彼此旋转。由此，通过开口12暴露的磁热床4的部分(sector)在设备的操作周期中改变。
在使用中，磁热床4和固定地连接至磁热床4的流导沟8一起关于纵向轴14旋转。永磁铁6与流分配器10一样地固定。流分配器10和旋转磁热床4以及永磁铁6的配置的组合意味着床4的每个弧形部分将经历活性磁再生(AMR)周期。在磁热床4的完全旋转过程中，磁热床4的每个弧形部分明显地经历与磁场区域的数目相等数目的AMR周期。由此，AMR周期频率可以实质上高于床的旋转频率。
在这个例子中示出的永磁铁6由多个长的永磁铁段组成，每个永磁铁段覆盖磁热床4的圆柱内部上的某个圆弧。在永磁铁段之间的空间或者是空的，或者是填充有非磁性材料。
在磁热床4的外部周围优选地放置软的、高渗透性铁磁材料的磁轭16。磁轭用作永磁铁6的磁通量的返回通路。此外，磁轭屏蔽了任何漏磁场，使得内部磁场没有穿透到装置2之外。
永磁铁阵列的另一个实施例可以包括从圆柱形磁热床4内同心放置的非磁性圆柱突出的永磁铁块。这些永磁铁块能够与固定到中心非磁性圆柱的软的、高渗透性铁磁材料的弧形块成对连接。可以理解到永磁铁或永磁铁组件是磁场源的优选例子。可以使用任何其他适合的源，例如，可以布置适当连接的螺线管以提供磁场。
在另一个实施例中，磁轭包括分段的磁轭，这将在下面结合图8描述。
磁场源的布置能够实现连续的、可变频率旋转磁制冷机装置，该磁场源是例如以有效地嵌在磁场源的圆柱的形式的永磁铁和磁热元件。该装置在相对旋转运动过程中对磁热材料进行磁化和消磁。由此，这具有周期地升高或降低磁热床内的温度的效果。随着磁热床的任何部分或部件中温度的升高，该部分或部件中的工作液被加热。相应地，当床的温度降低时，工作液被冷却。
通过迫使冷却的工作液在从热侧到冷侧的方向上流过床4，并且迫使加热的工作液在从冷侧到热侧的方向上流过床4，可以从冷侧热交换器吸收热量并将热量排出到热侧热交换器。由此，通过使用在装置2的端侧的热交换器，可以实现制冷周期。
图1B示出了磁制冷机的另一个例子。在该例子中，类似于图1A的例子，围绕磁场源设置圆柱形磁热床。提供流分配器10，但是在这种情况下，在流分配器的圆柱形侧壁(在这个例子中)中设置开口。同样，在使用中，流分配器和流导沟8相对于彼此旋转，使得圆柱形磁热床4的邻近于开口的部分在旋转周期中变化，使得床4的每个弧形部分将经历AMR周期。
可以使用制冷设备来提供加热或制冷。在正常使用中，该设备在一端变热并且在另一端变冷。如果热端与周围环境接触，冷端可以被用于制冷。可替换地，冷端可以与周围环境接触，热端可以用于加热。
图2表示制冷设备的示意性表示。在图示的例子中，热侧热交换器18通过管子20连接至端板10的开口12。泵22用于将工作液或制冷剂泵得通过磁热床4。类似地，尽管在图2中没有示出，通常在设备2的相对端设置冷侧热交换器。
在另一个实施例中，可以使磁热床4关于轴14保持稳定并且使永磁铁6旋转。重要的是在磁铁6和磁热床4之间存在相对旋转，使得施加至磁热床4中的元件的磁场在相对旋转的周期中随时间改变。在磁场源6旋转的情况下，磁轭和磁铁将优选地通过标准程序被分段或叠层，以使得在磁铁和磁轭中的感应电流最小化。
图3表示由磁热床4中单个弧形部分(在这个特定例子中为板)经历的AMR周期的示意性表示。应该理解到当磁热床4相对于永磁铁旋转时，在本例子中永磁铁布置在磁热床4的中心，由于磁铁6的形状和结构，磁热床4的任意特定部分所经历的磁场将在旋转周期过程中变化。
流导沟和旋转磁热元件的组合确保元件4的每个弧形区域经历AMR周期。由此，即使液体流是连续和均匀的，每个弧形部分将经历工作液的交替流，该交替流由工作液相对于特定弧形部分不动的周期分离。通过改变磁场的角范围与流分配器10内的开口12的角范围的比率，可以精确地调谐AMR周期特性。通过以系统的特定磁铁和材料属性来建模周期来发现需要的特性。
参考图3，在第一阶段，将处于位置A的磁热元件4的弧形部分暴露至永磁铁6的磁场。由此，这引起了温度的增加和向径向部分A中的点上的工作液的热转移。然后，随着磁热元件4开启轴14，处于位置A的磁热元件4的部件现在处于位置B，位置B邻近于端板10中的开口12。然后迫使水或使用的任何工作液通过开口12，该开口12转移来自磁热元件4的部分的加热后的液体。这是AMR周期的冷到热的流动。
然后，磁热元件4继续旋转，使得关注的部分现在占据位置C。由于位置C不再位于永磁铁6的磁场内，发生消磁并且床4的部分内的元件的温度降低。在周期的该阶段过程中，由于端板10，液体在磁热床4内被有效地阻隔，并且由此通过冷却板被冷却。然后，当处于位置D时，冷却后的工作液能够通过端板10中的开口12离开磁热床。周期的这个部分是AMR周期的热到冷的流动。
由此，可以看到通过使用图1和2所述的设备的结构，实现了具有均匀液体流的连续可变频率旋转磁制冷装置。此外，工作液通过流分配器10中的开口12的流动方向没有改变，所以不需要任何复杂的阀系统。通过每个开口12的流有效地为单向的。
如上所述，可以通过改变磁场区域的角范围和流分配器10内的流开口的角范围的比率来精确地调谐AMR周期特性。图4到6表示磁场区域的角范围改变并且用于工作液的流动的开口的大小也改变的例子。在图4中，如关闭的部分E的相对窄的宽度指示，提供了短的磁化时间。相反地，开口具有由标签F指示的相对大的宽度。在图5中，比例被有效地反转，并且存在长的磁化时间以及短的流动时间。在图6中，示出了通过调整磁场区域的角范围和非磁场区域(或低磁场区域)的角范围的比率，可以改变步骤A和B的组合与步骤C和D的组合的比率。通过调整分别用于冷和热流的流开口的角范围之间的比率，可以改变步骤B和D的比率。如果该比率不等于1，一部分液体必须被转向围绕床4以确保流动的连续性。
图7表示通过特定实施例的磁制冷机的横截面的例子。在图示的例子中，永磁铁6具有四个极，每个极覆盖某个角范围的弧形，该四个极处于由磁热床4限定的圆柱的内部。在永磁铁段之间的空间24或者是空的，或者是填充有非磁性材料。在图示的例子中，软的、高渗透性的铁磁材料的磁轭被放置在磁热元件4之外。磁轭16用作来自永磁铁6的磁通量的返回通路，并且可以使用任何适合的材料来形成磁轭。此外，磁轭用作屏蔽任何漏磁场，使得内部磁场不能穿透设备外边界。对于该特定实施例的磁铁，将需要具有8个开口的流分配器。在一个实施例中，磁轭16完全由永久磁材料形成。
在图4中永磁铁的布置是一个特定例子。在另一个实施例中，永磁铁阵列可以包括从圆柱形磁热床内同心放置的非磁性圆柱突出的永磁铁块。这些永磁铁块优选地与固定到中心非磁性圆柱的软的、高渗透性铁磁材料的弧形块成对连接。与在其他设计中经常使用的Halbach类型的阵列相比，该特定实施例具有由简单形状构成使得制造更便宜以及由简单组件构成的优点。然而，应该理解到可以使用磁场源的任何适合的结构。
图8表示通过磁制冷机的部件的部分的示意性表示。在这些例子中，取代例如图1和2所示的类型的固体永磁铁，使用从非磁性中心圆柱体32突出的永磁铁30的布置。提供分段的磁轭26或28。在这些例子中没有示出磁热床，但是磁热床通常为磁轭26或28和永磁铁块30之间的圆柱形形式。永磁铁块30被固定到中心非磁性圆柱形32。
可以理解到，类似于参考图1到7中任一个所述的例子中，由于磁热床(本例子中没有示出)相对于中心圆柱32和其上布置的永磁铁30旋转，磁热床4的任意特定部分暴露在其中的磁场将在旋转周期中改变，由此引起AMR周期。
图9表示与图8的结构相类似的结构的另一个例子。在这种情况下，磁轭34是分段的并且包括集成在磁轭34中的永磁铁块36。在一个实施例中，整个磁轭可以由永久磁性材料制成。换句话说，如图9所示，磁轭不需要具有任何软的、高渗透性的铁磁材料，而是例如可以整个由永久磁性材料的段组成，并且由此提供额外的或可选的磁场源。
图10表示制冷系统的示意性表示。该系统包括制冷设备2，该制冷设备2可以类似于图1到9的任一个所示。此外，在制冷设备2的一侧上设置热侧热交换器18，并且在制冷机2的相对端设置冷侧热交换器19。热交换器18和19用于吸收周围环境的热或排出热至周围环境。热侧热交换器18与泵22组合，该泵22通过管道20泵出工作液。
如上所述，使用这里描述的配置，在管道20内的液体的流动能够是单向的。在冷侧热交换器19中，连接流分配器的管道被集成到冷侧热交换器19。例如，这可以通过使得一块铜具有其上切削的凹槽以最小化再生器材料和热交换器之间的流动距离来实现。这些凹槽通常具有分支以最小化热交换。
图11表示磁热床部分的示意性表示。在这个例子中，该床由多个元件组成，每个元件为径向布置的板44的形式。优选地，该板形成为沿着它们的长度具有不同的化学成分，使得磁序(ordering)温度(例如如果关注的材料是铁磁则为居里(Curie)温度)沿着磁热床4的长度改变，由此最大化设备的效率和冷却范围。该变化可以是步阶的、连续的或二者的组合。可选地，每一个板44可以由多个较小的元件板组成。在图11的例子中，磁热元件由以固定距离堆叠在一起并且在圆柱形外壳中布置的大量长的薄的磁热活性板组成。该长的板可以沿着它们的长度而在成分上分级，或者被划分为具有不同磁热属性的若干较短的板。在再生器板和在再生器板之间流动的液体冷却剂之间转移热量。
可以调整再生器平面之间的空间以最大化热转移的速度并同时保持低的压力损耗。实际上，磁热床的结构优选地能够确保高速率的热转移同时使得压力损耗最小化。这可以通过确保对于液体流通过磁热床存在限定的实质上线性的通路来实现。
选择再生器床的尺寸，例如板的高度和板的长度之间的比率，使得优化制冷功率、热损耗以及制造费用。
如果板垂直于磁场，以最小化显著的消磁因子的方式来定向板。如果板被布置为垂直于场，即，沿着径向方向，由于板之间的距离在外圆周上较大，可以通过使得板具有变化的或不均匀的厚度，例如稍微增加朝向外圆周的厚度，从而补偿液体至再生器材料的比率上的对应差值。在磁热元件的其他实施例中，可以沿着元件的径向方向上类似地改变流通道宽度。此外，可以使得流通道的表面呈波纹形(corrugated)或有节的(knobbed)以增加表面面积，并且由此在再生器和工作流之间进行热转移。
图12表示用于磁热元件4的多个可选实施例。实际上，在另一个实施例中，在圆柱形外壳周围规律地放置隔热元件，产生磁热板的分离隔间。在另一个实施例中，磁热元件4是通过挤出或冲压绿色(未燃烧)浆料或通过按压干粉的磁热材料然后可能烧结而产生的单片元件。
在我们的未决专利申请No.PCT/EP2005/013654中详细描述了适合的制造方法。图12所示的实施例的优点是易于组装以及流行进设计中的灵活性。在图12的一个例子中，用于工作液流动的通道有效地为磁热床内形成的长管道。在另一个例子中，用于工作液流动的通道有效地为床4内的拉长的开口，该开口具有长方形或梯形的横截面。应该理解到可以使用磁热元件4的任何适合的配置。
尽管对于特定实施例和特定实施例的应用已经描述了本发明，但是通过读取前述说明书，对于本领域普通技术人员来说本发明的多个替代、修改、应用以及变型是显而易见的。本发明旨在包括落入所附的权利要求的宽的保护范围内的这些替代、修改以及变型。由此，本发明的范围仅由所附权利要求限定。