CN102356286A - 磁热热发生器及其热交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁热热发生器(1)，其特征在于，热发生器包括驱动部件(26)，驱动部件通过至少一热交换部件(7、27)与热模块(2)的两端部(3和4)流体连接，使得载热流体在容积恒定的封闭流体回路中流动。

Description

磁热热发生器及其热交换方法

技术领域

本发明涉及磁热热发生器，该热发生器包括：至少一带有热端部和冷端部的热模块，热模块包括至少一磁热元件；磁装置，磁装置用于使每个磁热元件承受可变的磁场，从而交替地在所述磁热元件中产生加热阶段和冷却阶段；载热流体的驱动部件，其驱动载热流体与所述磁热元件热接触，和以与磁场变化同步的方式驱动载热流体交替地朝端部之一然后朝另一端部的方向以及相反地进行流动；和至少一热交换部件，其使所述热模块产生的热能与在所述热发生器外部的至少一外部装置进行交换。

本发明还涉及交换上面定义的热模块所产生的热能的交换方法。

背景技术

二十多年以来，磁致冷技术已为人所知，并且了解它在生态和可持续发展方面带来的优点。还了解它在其有效热功率和其效率方面的局限性。自此，在该领域中进行的研究全都趋向于通过调整不同参数如磁化功率、磁热元件的性能、载热流体与磁热元件之间的交换面积、热交换器的性能等，来提高这种热发生器的性能。

热交换器的作用是传递或交换热发生器产生的热能，并且该热能通过载热流体被传输给一个或多个外部应用的另一流体(液体或气体)，而不使这些流体混合。这些外部应用可以是热发生器周围的空气，如集成在外部应用中的管形热装置、热围障或任何其它寻求对介质进行制冷、空调、控温或加热的应用。

已知的磁热热发生器包括由载热流体交替地从一侧到另一侧穿过的一些磁热元件。在已知的第一构型中，使该载热流体在与磁热元件的第一端连通的第一小室与同磁热元件的第二端连通的第二小室之间交替流动，一热交换器与每个所述小室流体连接。使用不同的阀，以根据磁热周期把载热流体引到所述热交换器中。在第二构型中，每个小室与集成在一液压环路中的一交换器流体连接。

在上述第一构型中，在加热阶段或冷却阶段的过程中，载热流体交替地在两个小室之间移动，并且在每次载热流体从磁热元件出来和每次载热流体进入磁热元件中时，载热流体穿过外部应用的热交换器。因此，该构型需要提供很大能量，以使载热流体往复移动穿过所有运动构件和连接外部应用的热交换器与磁热元件的所有管子、管道和接头，在每次改变流动方向时，应克服所述流体和运动构件的惯性。另外，当载热流体改变方向以被重新引入穿过磁热元件时，热交换器与载热流体之间的热传递没有完成，特别在持续时间非常短的、因此以高的流体速度或高频率的阶段的情况下尤其如此。因此，载热流体不具有使其能够实现与磁热元件的最佳热交换的入口温度。

在所述第二构型中，在载热流体流出磁热元件的出口与载热流体和热交换器的传递区之间失去载热流体热能的一部分。

发明内容

本发明旨在通过提出对上述问题的解决方案来克服这些缺点。为此，实施根据本发明的磁热热发生器，以使热发生器与所述外部应用之间的热能传递得到优化。

因此，本发明涉及前言中所指出类型的磁热热发生器，其特征在于，所述载热流体的驱动部件在具有恒定容积的封闭流体回路中，通过所述热交换部件与所述热模块的冷端部和热端部流体连接；并且，所述热交换部件包括两个交换区，这两个交换区互相区分开、并联连接并设有载热流体流动方向控制部件，使得载热流体只在单一流动方向上交替地穿过每个所述交换区。

本发明的目标还在于通过至少一热交换部件与至少一外部装置交换由根据本发明的热发生器所产生的热能的交换方法，所述热发生器包括至少一设有两端部的热模块，载热流体穿过热模块，并且热模块包括至少一磁热元件，磁热元件承受可变的磁场，从而使磁热元件承受相继的加热阶段和冷却阶段，所述载热流体通过载热流体的驱动部件，以交替的和与磁场变化同步的方式，朝所述端部中的一端部或另一端部的方向以及相反地，穿过每个磁热元件流动。该方法的特征在于，在容积恒定的封闭流体回路中，通过与热交换部件连接的驱动部件，在每个运行阶段使载热流体在所述磁热元件中逐步地移动；并且，在包括一加热阶段和冷却阶段的每个磁热周期，在每个热交换部件的相继两个交换区中，交换所述热发生器在每个运行周期所产生的并且通过所述载热流体传输的热能。

这样，在每个冷却或加热阶段，从所述端部的其中一端部出来的载热流体穿过所述热交换部件的第一交换区被引向驱动部件，并且在每下一个加热或冷却阶段，所述驱动部件的载热流体穿过所述热交换部件的第二交换区被引向该相同端部，使得从所述端部出来的每个流体部分在每个阶段变化时，朝驱动部件的方向穿过第一交换区或者朝相同端部的方向穿过第二交换区，逐步地移动，而在回路或管路的相同部分中绝不会出现混合也不会按相反方向移动。

有利的是，所述热交换部件的第一交换区的入口和第二交换区的出口可被流体连接于所述热模块的其中一相应端部，并且第一交换区的出口和第二交换区的入口可相互间流体连接并与驱动部件流体连接。

在第一实施方式中，驱动部件可以是双效作动筒的活塞，它的两个小室每一个均通过所述热交换部件与所述热模块的所述端部的其中一端部流体连通。

在第二实施方式中，所述热模块可包括至少两个通过公共小室流体连接的磁热元件，每个磁热元件承受不同的加热或冷却阶段，并且载热流体朝相反方向穿过每个磁热元件，并且所述驱动部件可包括：

-与所述公共小室流体连接的一中心致动器；和

-两个端部致动器，每个端部致动器与所述热模块的其中一端部流体连接。

在该实施方式中，所述中心致动器和端部致动器可包括受同一操作装置控制的活塞。

附图说明

在下面参照附图对两个作为非限定例子给出的实施方式的描述中，可以更好地了解本发明和它的优点，附图如下：

-图1A至1D是根据本发明第一实施方式的热发生器的示意图；和

-图2A至2B是根据本发明第二实施方式的热发生器的类似的图。

具体实施方式

在所示的实施例中，相同的元件或部件带有相同的参考数字。

附图示意性地表示根据本发明的两个实施方式的热发生器1、10，其应用将在下面描述的创新的热传递方法。该热发生器1、10包括具有一磁热元件5的一热模块2、20。当然，本发明也可包括多于一个的热模块2、20，并且每个热模块可包括多于一个的磁热元件5。

每个磁热元件5可由一种或多种适于由载热流体穿过的磁热材料构成。为此，所述磁热材料可以是多孔隙的，以使它们的孔隙形成贯穿的流体通道。磁热材料也可呈实心块体的形式，在实心块体中，加工出小通道或微型通道，或者它们由可能带有沟槽的叠置的板组装而构成，载热流体可在其之间流动。磁热材料也可呈粉或颗粒的形式，从而间隙形成流体通道。其它任何允许载热流体与每个磁热元件5进行热交换的实施方式当然都是适合的。因此，一特殊构型可包括呈板片状的磁热元件，载热流体不穿过该板片，但板片与所述载热流体热接触，载热流体例如在该板片的上表面和下表面上朝两个相反的方向流动，以便载热流体每次通到所述板片的形成包括该板片的热模块的端部的端部之一处。

热模块2、20通过磁装置25承受可变的磁场，磁装置25可由一组相对于每个磁热元件5相对运动的永磁体构成，如在所有附图中所示的，或者由顺序地被供电的电磁铁构成，或者由任何其它能够产生磁场变化的类似部件构成。

磁热元件5包括两端部，即第一端部3例如冷端部，和第二端部4例如热端部，这两端部与热模块2、20的端部重合。载热流体根据所述磁场的变化，朝端部3、4中的一个或另一个的方向流动穿过磁热元件5，以便在该磁热元件5的两端部3、4之间产生然后保持温度梯度。

参照图1A至1D中所示的第一实施方式，载热流体按照形成载热流体的驱动部件26的双效作动筒的活塞6的移动所施加的往复运动，在磁热元件5中流动。当然，可使用任何其它能使载热流体移动的部件，例如薄膜。活塞6或类似部件的移动受未示出的操纵装置控制，该操纵装置可由凸轮、磁性装置、线性马达或任何其它能够使所述活塞按照往复运动移动的等效部件形成。活塞6把套筒的空间分为两个互相隔绝并分别与热模块2的端部3、4流体连接的室17和18。载热流体在其中流动的流体回路是封闭的并且其容积恒定。在图2A和2B所示的第二实施方式中，载热流体的驱动部件16包括下面将要描述的三个活塞21、22和23。

在所示的两个实施方式中，热发生器1、10用于与两个外部装置有效地交换热能，为此该热发生器具有两个热交换部件7、27，这两个热交换部件分别与热模块2、20的端部3、4连接并与驱动部件26串联。载热流体穿过每个热交换部件7、27，并且每个热交换部件7、27与一外部应用或外部装置热连接并使驱动部件26与热模块2、20的两端部3、4流体连接。

尽管在两个所述实施方式中，热发生器1、10包括两个相同的热交换部件7、27，但本发明也可延伸到这样的热交换器：其只包括与一所述端部3或4连接的单一热交换部件7、27，或者必要时包括与热模块2、20的端部3和4连接的不同热交换部件。

有利地，热交换部件7和27分别包括由载热流体交替地穿过的两个交换区8和9、相应地28和29。包括多个交换区8和9、或者28和29的事实，允许增加热发生器1、10与和所述热交换部件7、27热连接的外部装置之间的热交换能力。

另外，使驱动部件26、16通过热交换部件7、27与热模块2、20流体连接的事实，允许无需为保证载热流体同时在热模块2、20中和在热交换部件7、27中移动的功能而使用附加驱动部件。该构型可实现消耗能量的减少、性能的提高(能效比COP)和热发生器1、10的尺寸的减小。

在所示的两个热发生器1、10中，热交换部件7和27的两个交换区8、9和28、29并行地或呈支路(en dérivation)地布置在使驱动部件26、16与热模块2、20的端部3、4相连接的流体回路中，从而使载热流体始终在唯一的流动方向上穿过这些交换区。更特别的是，当载热流体从热模块2、20的端部3、4之一流出时，载热流体朝第一交换区8、28的方向流动，然后，当载热流体进入热模块2、20的端部3、4之一时，载热流体在回程上在下一阶段朝第二交换区9、29的方向流动。为此，控制载热流体流动方向的控制部件11如止回阀，例如被安装在所述流体回路中。热模块2、20的端部3和4每个均与相应热交换部件7、27的第一交换区8、28的入口12和第二交换区9、29的出口15连接。第一交换区8、28的出口13和第二交换区9、29的入口14相互间流体连接，并与驱动部件26、16的室17、18流体连接。

图1A至1D表示在四个相继阶段的过程中，载热流体通过部分P0至P7和P0’至P7’逐步地在热发生器1中穿过流体回路移动。阶段应理解为加热阶段或冷却阶段，一磁周期对应于随后跟随一冷却阶段的一加热阶段。附图中所示的磁热材料5在其承受磁场时加热，而在其从磁场退出或承受非常弱的磁场时冷却。

图1A所示的阶段是加热阶段，磁装置25使磁热材料5承受磁场。在该阶段的过程中，活塞6向左移动，以使载热流体(流体部分P6)在磁热材料5中从位于图1A左边的冷端部3向位于图1A右边的热端部4移动。从活塞6的室17出来的载热流体(流体部分P3)朝热交换部件7的第二交换区9的方向流动，直到热模块2的冷端部3(流体部分P4，然后流体部分P5)。该流动方向由位于封闭的流体回路中的止回阀11确定。载热流体穿过磁热材料5(部分P6)，然后通过止回阀11向热交换部件27的第一交换区28、朝活塞6的室18的方向被引导(流体部分P7、P0、P1，然后P2)。载热流体继续它的行程，并充满驱动部件26的室18。

两个止回阀在流体回路中相对地布置在热模块2、20的每个端部3或4与驱动部件26、16的相应室17或18之间。因此，在第一交换区8、28中，载热流体只能从所述端部3或4向相应的室17或18流动(＝流体去程回路)，而在第二交换区9、29，载热流体只能从所述室17或18向相应端部3或4流动(＝流体回程回路)。

可发现，在图1A所示的加热阶段过程中，载热流体只在位于冷侧的热交换部件7的第二交换区9中和位于热侧的交换部件27的第一交换区28中移动。

在参照图1B为冷却阶段的随后阶段中，流体只在另外两个交换区内流动，另外两个交换区即位于冷侧的交换部件7的第一交换区8和位于热侧的交换部件27的第二交换区29。活塞6向右移动，以使载热流体(流体部分P6’)在磁热材料5中从热端部4向冷端部3移动。从活塞6的室18出来的载热流体(流体部分P3’)朝热交换部件27的第二交换区29的方向流动，直至热模块2的热端部4(流体部分P4’，然后流体部分P5’)。该流动方向由位于封闭的流体回路中的止回阀11施加。载热流体穿过磁热材料5(部分P6’)，然后通过止回阀11向热交换部件7的第一交换区8、朝活塞6的室17的方向被引导(流体部分P7’、P0’、P1’，然后P2’)。载热流体继续它的行程，并充满驱动部件26的室17。

在图1C所示的随后的加热阶段过程中，流体以和参照图1A已描述过的相同方式流动，以使流体部分P7被流体部分P6取代，流体部分P6被流体部分P5取代，并如此类推。

同样，在图1D所示的随后的冷却阶段过程中，流体以与参照图1B描述过的方式相同的方式移动，以使流体部分P7’被流体部分P6’取代，流体部分P6’被流体部分P5’取代，并如此类推。

在每个热阶段，载热流体穿过热交换部件7、27的不同的交换区流动。从热模块2、20的其中一端部3或4出来的流体只在已穿过相应热交换部件7、27的两个交换区8和9、或28和29后，才返回该相同的端部3或4。因此，已能够在热发生器1与外部应用之间交换最大能量。另外，重新再进入热模块2中的载热流体已经通过热交换部件7和17与外部应用实现了很大的热交换，并重新处于适当温度，以便在随后的阶段重新穿过磁热材料5。

另外，载热流体逐步地流动和每个流体部分只在每隔一阶段被移动的事实，有利于所述热交换，使得交换时间增加，这改善了在交换区8、9、28、29处与外部应用的热交换。实际上，被交换的总功率等于在(流体移动)有效时间段中被交换的能量加上在(流体不移动)静态时间段中被交换的能量。

在图1A至1D所示的例子中，第一交换区8、28的出口13和第二交换区9、29的入口14直接与驱动部件26的相应室17、18连接。也可考虑使它们相互间在一联接点进行流体连接，该联接点本身与所述驱动部件26的相应室17或18流体连接。在这种构型中，该联接点与相关的室17、18之间的距离，更特别的是空间应尽可能小，以避免出现死区，载热流体会在死区中交替移动而不流出这些死区。

图2A和2B所示的热发生器10构成第二实施方式，在该第二实施方式中，热模块20包括始终承受不同磁热阶段的两个磁热元件5。因此，当磁热元件5之一承受磁场并加热时，另一个磁热元件处在磁场外或承受非常弱的磁场并冷却，反之亦然。另外，载热流体在两个磁热元件5中朝相反方向流动，即朝热模块20的端部3、4中的一端部或另一端部的方向流动，反之亦然。

与热发生器10的热模块20连接的热交换部件7和27与图1A至1D中所示的热发生器1的热交换部件是相同的。但是，载热流体的驱动部件16的结构不同。实际上，驱动部件16包括中心致动器21，该中心致动器实施成与和两个磁热元件5的公共小室19流体连接的活塞的形式，该活塞使载热流体穿过该公共小室19朝磁热元件5的方向或朝相反方向移动。驱动部件16还包括两个端部致动器22和23，这两个端部致动器也实施成活塞的形式，每个活塞分别与热模块20的端部之一3、相应地4流体连接。所有这些活塞的移动受到未示出的单一操纵装置控制，操纵装置可由凸轮、磁性装置、线性马达或其它任何能够使所述活塞按往复运动移动的等效部件实现。

因此，在该构型中，每个热交换部件7、27与端部致动器22和23之一相连接。涉及每隔一阶段使载热流体在热交换部件7和27的每个交换区8和9或28和29中流动的方面，热发生器10的运行基本相同。

参照表示第一阶段的图2A，位于图左边的磁热元件5承受加热阶段，位于图右边的磁热元件5承受冷却阶段。所有活塞21、22、23向左被移动，并且一方面，载热流体从活塞22的室朝被连接于热模块20的端部3(冷端部)连接的热交换部件7的第二交换区9的方向和朝该端部3的方向流动，以便穿过位于右边、即冷侧的磁热元件5，然后载热流体穿过公共小室19，直到形成中心致动器的活塞21的室，而另一方面，载热流体从活塞23的室朝与热模块20的端部4(热端部)连接的热交换部件27的第二交换区29的方向和朝该端部4的方向流动，以便穿过位于左边、即热侧的磁热元件5，然后穿过公共小室19，直到形成中心致动器的活塞21的室。因此，活塞21的套筒的容积应为其它活塞22和23的套筒的容积的二倍。

和前面的例子中一样，载热流体的流动方向由止回阀11或类似元件确定。

在热发生器10中，热交换部件7、27的第一交换区8、28的入口12和热交换部件7、27的第二交换区9、29的出口15与相应端部3、4直接流体连接。然而，在图1A至1D的热发生器1中，第一交换区8、28的入口12和第二交换区9、29的出口15在一联接点彼此间连接，联接点本身与相应端部3、4连接。在两个热发生器1和10的每一个中可实现两种连接类型的一种或另一种。但是，没有联接点的直接连接是有利的，因为它可以避免出现死区，载热流体在死区中交替移动而不流出这些死区。

在图2A的阶段中，可发现，载热流体只在包括交换部件7和27的第二交换区8和28的回路部分中移动。

在图2B中所示的随后阶段过程中，位于冷侧的磁热元件5不再承受磁场，或承受非常弱的磁场，而另一磁热元件5承受磁场，并且活塞21、22、23向右移动。因此，载热流体从中心活塞21的室向公共室19移动，然后该载热流体的一部分穿过位于冷侧(在左边)的磁热元件5，继而穿过位于同侧的热交换部件7的第一交换区8，以充填活塞22的室，而载热流体的另一部分穿过位于热侧(在右边)的磁热元件5，继而穿过位于同侧的热交换部件27的第一交换区28，以充填活塞23的室。

在该阶段中，同样地，载热流体只穿过两个交换区8和28、即在前一阶段没有被穿过的交换区移动。

在该构型中，流体也是每隔一个阶段，穿过每个交换区8、28、9、29逐步地移动。因此，交换时间增加，而对加热阶段和冷却阶段没有影响。这样可以更好地并且更长时间地与每个外部应用或外部装置交换由热发生器1、10产生的热能。

另外，载热流体的每个部分始终朝相同方向移动，以致没有任何由于流动方向改变而需要克服的惯性，这对于所示的两个热发生器1、10也是适用的。

为此，第一和第二交换区8、28和9、29可布置在外部装置中，或布置成与外部装置直接接触。例如，它们能以导热材料如铝或铜制的管道的形式实现，外部装置可以是液态介质(例如要加热、冷却或调温的浴液)或气态介质(如要加热、冷却、或调温的室或空间)。

在所述的两个实施方式中，控制载热流体流动方向的控制部件为止回阀。但是，所述控制部件可由保证相同功能的任何等效部件如液压阀所取代，液压阀例如电动控制或压差控制。

最后，本发明并不局限于一个热模块2、20中只包括一个或两个磁热元件5，也不局限于一个热发生器1、10只包括单一热模块2、20。

所描述的两个热发生器1、10应用根据本发明的热能交换方法。交换部件7、27允许与外部装置交换热发生器所产生的能量。为此，根据磁热阶段，流体逐步地以交替的方式在两个热交换部件7、27的两个交换区9、28然后8、29中移动。流体在每个交换区9、28、8、29中的移动是单向的，并通过与两个热交换部件7、27连接的驱动装置实现该移动。

工业应用的可能性：

从该描述中清楚地看出，本发明允许达到既定目的，即：提出结构简单并配有至少一热交换部件7、27的热发生器1、10，热交换部件7、27能够给外部应用传递所述热发生器1、10产生的最大热能；以及提出能够使热模块2、20与外部(外部由外部装置或外部应用构成)之间进行热交换更有效的方法。

根据本发明的方法和热发生器1、10能以有竞争性的价格和较小的尺寸，在加热、空调、温控、冷却或其它领域中得到既工业上又民用上的应用。

本发明不限于所述的实施例，而是可扩展到对于本领域技术人员来说任何明显的改进和变型，同时保持在所附权利要求中所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.磁热热发生器(1、10)，所述热发生器包括：至少一配有冷端部(3)和热端部(4)的热模块(2、20)，并且所述热模块包括至少一磁热元件(5)；磁装置，其用于使所述磁热元件(5)承受可变的磁场，从而交替地在所述磁热元件(5)中产生加热阶段和冷却阶段；和载热流体的驱动部件(26、16)，其驱动所述载热流体与所述磁热元件(5)热接触，和以与磁场变化同步的方式驱动载热流体交替地朝所述端部之一(3)继而朝另一端部(4)的方向以及相反地进行流动；和至少一热交换部件(7、27)，用以将所述热模块(2、20)所产生的热能传递给在所述热发生器(1、10)外的至少一外部装置，

所述热发生器(1、10)的特征在于，所述载热流体的驱动部件(26、16)在具有恒定容积的封闭流体回路中，通过所述热交换部件(7、27)与所述热模块(2、20)的冷端部(3)和热端部(4)流体连接；并且，所述热交换部件(7、27)包括两个交换区(8和9、28和29)，这两个交换区彼此区分开、并联地连接并设有控制载热流体流动方向的控制部件(11)，使得载热流体只在单一流动方向上以交替的方式穿过每个所述交换区。

2.如权利要求1所述的热发生器，其特征在于，所述热交换部件(7、27)的第一交换区(8、28)的入口(12)和第二交换区(9、29)的出口(15)流体连接于所述热模块(2、20)的所述端部(3、4)中的相应端部；并且，所述第一交换区(8、28)的出口(13)和所述第二交换区(9、29)的入口(14)相互间流体连接并且与所述驱动部件(26、16)流体连接。

3.如权利要求2所述的热发生器，其特征在于，所述驱动部件是双效作动筒的活塞(6)，它的两个室(17、18)每个均通过所述热交换部件(7、27)与所述热模块(2)的所述端部之一(3或4)流体连通。

4.如权利要求2所述的热发生器，其中，所述热模块(20)包括至少两个通过公共小室(19)流体连接的磁热元件(5)，每个所述磁热元件(5)承受不同的加热或冷却阶段并且所述载热流体在相反方向上穿过每个所述磁热元件(5)，其特征在于，所述驱动部件(16)包括：

-一中心致动器(21)，其与所述公共小室(19)流体连接；

-两个端部致动器(22和23)，每个所述端部致动器与所述热模块(20)的端部之一(3或4)流体连接。

5.如权利要求4所述的热发生器，其特征在于，所述中心致动器(21)和所述端部致动器(22、23)包括由同一操纵装置控制的活塞。

6.热能交换的方法，其通过至少一热交换部件(7、27)与至少一外部装置交换由如上述权利要求中任一项所述的热发生器(1、10)所产生的热能，所述热发生器(1、10)包括至少一配有两端部(3、4)的热模块(2、20)，所述热模块由载热流体穿过并且包括至少一磁热元件(5)，所述磁热元件承受可变的磁场，从而使所述磁热元件承受相继的加热阶段和冷却阶段，所述载热流体通过载热流体的驱动部件(26、16)以交替的和与磁场变化同步的方式，朝所述端部(3、4)中的一个或另一个的方向以及相反地，穿过每个磁热元件(5)流动，

所述方法的特征在于，在具有恒定容积的封闭流体回路中，通过与热交换部件(7、27)连接的驱动部件(26、16)，在每个运行阶段使所述载热流体在所述磁热元件(5)中逐步地移动；并且，在每个包括一加热阶段和一冷却阶段的磁热周期，在每个热交换部件(7、27)的相继两个交换区(8、9和28、29)中，交换在每个运行阶段所述热发生器所产生的并通过所述载热流体传输的热能。

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