用于磁冷卻裝置的轉動式磁屏蔽系統的制作方法
【專利說明】用于磁冷卻裝置的轉動式磁屏蔽系統
[0001]本發明涉及磁熱再生器裝置，其包含:
[0002](A)至少一個磁熱材料單元，其在操作期間具有較高溫度熱面和較低溫度冷面，其中磁熱材料單元包含至少一種磁熱材料，
[0003](B)至少一個磁單元，其用于在包含在磁熱材料單元中的磁熱材料上產生磁場，
[0004](C)包含至少一個窗口的至少一個磁屏蔽，其中至少一個磁屏蔽靈活地安裝以容許磁屏蔽在至少一個第一位置與至少一個第二位置之間移動，由此當磁屏蔽在第一位置上時，使包含在磁熱材料單元中的磁熱材料與磁場絕緣，并且當磁屏蔽在第二位置上時，使磁場通過至少一個窗口作用于磁熱材料上。
[0005]在顯示出磁熱效應的材料中，通過外部磁場排列隨機排列的磁矩導致材料的加熱。該排列也稱為磁熱相變，其在所謂的居里溫度下進行。在磁熱相變時出現的熱可通過傳熱介質從磁熱材料中排除到周圍大氣中。當磁場然后轉換或除去時，磁矩恢復隨機排列，這導致材料冷卻至環境溫度以下。該效應可用于熱栗中或者用于冷卻；還參見Nature，第415卷，2002年I月10日，第150-152頁。通常，傳熱介質如水用于從磁熱材料中除去熱。磁冷卻構成已知蒸氣循環冷卻方法的替選方案。
[0006]利用磁熱效應冷卻或者用于熱栗的一個主要問題是作用于磁熱材料上的磁場以及它在操作期間的變化。通常，磁場由永久磁體、電磁體或者在罕見情況下由超導磁體產生。操作磁熱裝置所需的磁場的變化通常通過磁場來源，例如永久磁體相對于固定磁熱材料前后移動，或者反之亦然，通過磁熱材料移入和從由固定磁體產生的磁場中移出而實現。因此，磁熱材料施加變化的磁場并經歷磁熱相變。對于磁熱裝置的有效操作，磁場必須不僅一次，而是有規則地，例如以IHz至1Hz的頻率變化。
[0007]其中磁熱材料移入并從磁場中移出的磁致冷機由Zimm，C.等人，Internat1nalJournal of Refrigerat1n 29 (2006)，第 1302-1306 頁或者 US 2004/0093877 Al 描述。使用轉動式磁體的磁致冷機的實例可在Okamura，Τ.等人，Internat1nal Journal ofRefrigerat1n 29 (2006)，第 1337-1331 頁中找到。
[0008]磁場生成器和磁熱材料是相當重的，因此需要大量能以使磁場生成器或磁熱材料移動。磁場生成器和磁熱材料是磁熱裝置的有價值組件，其應在操作期間謹慎地處理以容許裝置的長壽命。在磁熱材料移動的情況下，連接用于熱交換介質的流體管顯示出難以建立的明顯問題。
[0009]US 7，897，898 B2描述了熱生成器，其包含至少一種磁熱材料、用于產生作用于磁熱材料上的磁場的至少一個磁元件和用于改變至少一種磁熱材料接收的磁場的至少一個磁性調制裝置，其中磁性調制裝置可提高磁場或者可降低磁場。磁性調制裝置可置于活動位置與非活動位置之間。在活動位置上，磁性調制裝置接近磁熱材料，在非活動位置上，它們遠離磁熱材料且對磁熱材料不具有影響。所述磁性調制裝置是C型或U型復雜結構。
[0010]US 5，156，003涉及磁致冷機，其包含磁體、磁性工作材料、管型超導磁屏蔽和用于使超導磁屏蔽往復移動的裝置。磁性工作材料置于由磁體產生的磁場內并磁化。將超導管型磁屏蔽引入磁場中，由此將磁性工作材料容納在超導磁屏蔽的中空部分中并使磁性工作材料與磁場絕緣，從而導致磁性工作材料消磁。
[0011]通過改變作用于磁熱材料的磁場而利用磁熱效應的裝置仍是非常復雜的實體。一般而言，整個系統的簡化對容許更便宜且更簡單地構造磁熱裝置而言是理想的。
[0012]這些目的通過本發明磁熱再生器裝置實現，其包含:
[0013](A)至少一個磁熱材料單元，其在操作中具有較高溫度熱面和較低溫度冷面，其中磁熱材料單元包含至少一種磁熱材料，
[0014](B)至少一個磁單元，其用于在包含在磁熱材料單元中的磁熱材料上產生磁場，
[0015](C)包含至少一個窗口的至少一個磁屏蔽，其中至少一個磁屏蔽靈活地安裝以容許磁屏蔽在至少一個第一位置與至少一個第二位置之間移動，由此當磁屏蔽在第一位置上時，使包含在磁熱材料單元中的磁熱材料與磁場絕緣，并且當磁屏蔽在第二位置上時，使磁場通過至少一個窗口作用于磁熱材料上。
[0016]該目的進一步通過操作包含至少一種磁熱材料的磁熱裝置的方法實現，其中用于利用磁熱效應的變化磁場由包含至少一個窗口的至少一個磁屏蔽至少兩個不同位置之間移動而產生，由此當磁屏蔽在第一位置上時使包含在磁熱材料單元中的磁熱材料與磁場絕緣，并且當磁屏蔽在第二位置上時，使磁場作用于磁熱材料上。它們進一步通過包含本發明磁熱再生器裝置的制冷系統、氣候控制裝置和熱栗實現。
[0017]本發明磁熱再生器裝置構成磁熱系統的簡化，同時可建立更便宜且更緊湊的系統。可實現與包含轉動式磁體或磁熱材料或者重且復雜的磁屏蔽的系統相比更高的轉動頻率。包含簡化磁屏蔽的本發明磁熱再生器可導致可能更快冷卻的冷卻系統。需要較少的電能驅動磁冷卻循環，因為根據本發明使用的磁屏蔽比磁體或磁熱材料或者具有磁熱材料的床輕得多。這是特別重要的，因為磁熱裝置通常包含多于一種磁熱材料以覆蓋較寬的溫度跨度，即通常磁熱裝置包含多種不同磁熱材料，從而導致較大且較重的裝置。由于較小且較容易旋轉的機器，可使系統尺寸縮小。整個裝置的壽命提高，因為關鍵且容易損害的組分如磁熱材料或者具有磁熱材料的床或復雜的磁屏蔽不移動。由于磁場的簡化變化，本發明磁再生器打開用包含轉動式磁體或磁熱材料或者磁熱材料床的系統不能得到的大量結構的可能性。
[0018]在下文中詳細解釋本發明。
[0019]本發明磁熱再生器裝置包含至少一個磁熱材料單元(A)，也稱為“磁熱單元”。在操作期間，該單元具有較高溫度熱面(“熱面”)和較低溫度冷面(“冷面”)并且包含至少一種磁熱材料。優選，磁熱材料單元包含至少2至100種具有不同居里溫度的不同磁熱材料。磁熱材料的數目由實際需要和設備特征支配。較大數目的不同磁熱材料可采用較寬的溫度范圍。更優選，用于本發明磁熱再生器裝置中的磁熱材料單元包含至少3至100，甚至更優選至少5至100，特別是至少10至100種具有不同居里溫度的不同磁熱材料。具有不同居里溫度的不同磁熱材料的該配置在下文中也稱為磁熱級聯。
[0020]具有不同居里溫度的不同磁熱材料通過居里溫度減小而連續布置，即具有最高居里溫度的磁熱材料置于磁熱材料單元的一端，具有第二最高居里溫度的磁熱材料相鄰地布置，等等，具有最低居里溫度的磁熱材料置于磁熱材料單元的相對端上。其中具有最高居里溫度的磁熱材料位于的磁熱材料單元端對應于磁熱材料單元的熱面，具有最低居里溫度的磁熱材料位于的磁熱材料單元端對應于磁熱材料單元的冷面。優選具有不同居里溫度的兩種相鄰磁熱材料的居里溫度差為0.5-6K，更優選0.5-4K，特別優選0.5-2.5K。
[0021]具有最高居里溫度的材料與具有最低居里溫度的材料之間的總居里溫度差優選為3-80K，更優選8-80K。例如，與級聯中任何兩種相鄰材料之間具有2K的居里溫度差的5種不同材料組合，可產生8K的溫度范圍。使用具有不同居里溫度的多種材料使得可實現比使用單一磁熱材料可能的明顯更大的溫度范圍。
[0022]磁熱材料可顯示出在磁相變時的熱滯后。根據本發明，優選使用具有低熱滯后，例如小于5K，更優選小于3K，尤其優選小于2K的磁熱材料。
[0023]本發明磁熱再生器裝置可包含可以為相同或不同的一種、兩種或更多種磁熱材料單元(A)。通常，磁熱再生器裝置包含可以為相同或不同的不多于10種磁熱材料單元。
[0024]至少一個磁熱材料單元(A)在磁熱單元的冷面上與換熱器并在磁熱單元的熱面與換熱器連接。為此，傳熱介質可由在磁熱單元的熱面上的換熱器栗送通過磁熱單元至在磁熱單元的冷面上的換熱器中，反之亦然。栗送頻率調整到磁場的變化頻率。當磁場作用于磁熱材料時，傳熱介質由冷面栗送通過磁熱單元至熱面，由此將由磁熱材料的磁化產生的熱傳送到在磁熱單元的熱面上的換熱器。當除去磁場時，傳熱介質由熱面栗送通過磁熱單元至磁熱單元的冷面，由此將熱釋放到由于消磁而具有較低溫度的磁熱材料。合適的傳熱介質描述于下文中。
[0025]本發明磁熱再生器裝置進一步包含至少一個磁單元(B)以在包含在磁熱材料單元中的磁熱材料上產生磁場。用于產生磁場的工具可選自永久磁體、超導磁體和電磁體，優選永久磁體。這類工具是本領域技術人員已知的。優選由磁單元產生的磁場為0.5-2.5T。
[0026]磁單元(B)可包含一種、兩種或更多種用于產生磁場的工具，且本發明磁熱再生器裝置可包含一種、兩種或更多種這類磁單元(B)。布置至少一個磁單元使得當不將磁屏蔽置于磁熱再生器裝置內時，它在包含在磁熱材料單元中的至少一部分磁熱材料上產生磁場。取決于各個實施方案，一個磁單元在一個完整磁熱材料單元上或者在兩個或更多個磁熱材料單元上產生磁場。也可使用幾個磁單元，其中各個磁單元產生用于一部分磁熱材料單元的磁場。此外，可使用幾個磁單元和幾個磁熱材料單元。
[0027]本發明磁熱再生器裝置進一步包含含有至少一個窗口的至少一個磁屏蔽(C)，所述磁屏蔽靈活地安裝以容許磁屏蔽在至少一個第一位置與至少一個第二位置之間移動，由此當磁屏蔽在第一位置上時，使包含在磁熱材料單元中的磁熱材料與磁場絕緣，并且當磁屏蔽在第二位置上時，使磁場通過至少一個窗口作用于磁熱材料。
[0028]如本文所用術語“窗口”意指不含磁屏蔽材料但完全被磁屏蔽材料圍繞的區域。如果磁屏蔽在第二位置上，則由磁單元產生的磁場通過該不含磁屏蔽材料的區域作用于磁熱材料。由于窗口完全被磁屏蔽材料圍繞，磁力線能夠流過周圍的磁屏蔽材料并且不出現磁力線的不連續性，其獨立于屏蔽的位置。從第一位置至第二位置的移動不干擾磁力線或者至少小于從磁場中完全除去磁屏蔽，因此要求較少的能量。此外，該結構導致磁屏蔽的高機械穩定性。窗口可具有任何合適的形狀如矩形、球形或橢圓形。
[0029]術語“第一位置”和“第二位置”意欲指與多個可能位置不同的兩種位置。稱為“第一位置”的位置為磁屏蔽的工作位置，其中磁屏蔽使包含在磁熱材料單元中的磁熱材料或者其至少一部分與磁場絕緣。在該工作位置上，磁熱材料消磁并經歷相變，導致磁熱材料溫度降低。如稍后在對本發明不同實施方案的詳細描述中所見，磁屏蔽可在多于一個工作位置上進行，在那里，它能夠使包含在磁熱材料單元中的磁熱材料或者其至少一部分與磁場絕緣，產生磁熱材料的消磁，這導致磁熱相變和磁熱材