磁冷却系统的单向流模式的用图
【专利说明】磁冷却系统的单向流模式的用途
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年12月17日提交的美国临时申请号61/738，230的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
[0003]背景
[0004]现代室温磁冷藏(MR)系统可采用主动式磁再生器(AMR)循环进行冷却。AMR循环的早期实施可见美国专利号4，332，135，其全部内容通过引用并入本文。AMR循环具有四个阶段，如图1a至Id中示意性显示。图1a至Id中的MR系统包括磁热材料(MCM)的多孔床190和传热流体，随着所述传热流体流过MCM床190其与MCM换热。在图1a至Id中，床的左侧是冷侧，而热侧在右边。在可选的实施方式中，可颠倒热和冷侧。流体流动的定时和方向(热-至-冷或冷-至-热)可与磁场的施加和移除相互配合。可通过永磁体、电磁体或超导磁体提供磁场。
[0005]在AMR循环的示意性例子图1a中，发生循环的第一阶段“磁化”。当MCM床190中的流体停滞时，磁场192施加至MCM床190，使其发热。在图1a中所显示的磁化阶段中，显示的四个阀都是关闭的，防止流体流过MCM床190。四个阀包括冷入口阀182、冷出口阀184、热出口阀186和热入口阀188。在图1b中，发生循环的第二阶段“冷-至-热-流动”。保持MCM床190上方的磁场192，并且温度Tei (冷入口温度)的流体从冷侧至热侧泵送通过MCM床190。在该阶段期间，冷入口阀182和热出口阀186打开，以利于流体移动通过MCM床190。在该阶段期间，冷出口阀184和热入口阀188关闭。流体从MCM床190的每个部分移除热，随着其通过MCM床190的下一部分，冷却MCM床190和温热流体，其中该过程在更高的温度下继续。流体最终达到温度TH。(热出口温度)，其中其通过热出口阀186离开MCM床190。典型地，该流体循环通过热侧热交换器(HHEX) 194，其中其将热排出至周围环境。在图1c中，第三阶段，发生“去磁”。当关闭冷入口阀182和热出口阀186并且去除磁场192时，流体流动停止。在该阶段期间也关闭冷出口阀184和热入口阀188。这使得MCM床190进一步冷却。在图1d中，发生循环的最后阶段，“热-至-冷-流动”。这里，温度THi(热入口温度)下的流体在继续缺少磁场192的情况下从热侧至冷侧泵送通过MCM床190。在该阶段中，打开冷出口阀184和热入口阀188，而关闭冷入口阀182和热出口阀186。随着流体经过MCM床190的下一部分，流体为MCM床190的每个部分加热，温热MCM床190和冷却流体，其中在更低温度下进行该过程。流体最终达到温度Tc。(冷出口温度)，其是在该循环中流体达到的最冷温度。典型地，该更冷的流体循环通过冷侧热交换器(CHEX) 196，其中其从冷藏系统摄取热，使得该系统维持其冷的温度。
[0006]K.L.Engelbrecht, G.F Nellis，S.A Klein,和 C.B.Zimm，室温主动式磁再生冷藏的最新进展(Recent Developments in Room Temperature Active MagneticRegenerative Refrigerat1n)? HVAC&R Research，13 (2007)pp.525-542 (下文“Engelbrecht等”)中叙述了 AMR循环的主要优势，其全部内容通过引用并入本文。优势是跨度(耗热时的温度减吸热时的温度)可远大于当施加磁场时磁热材料的温度改变的绝对值(绝热温度改变，S -Tad)。
[0007]完全执行AMR循环的四个阶段需要的时间称为循环时间，并且其倒数称为循环频率。MR系统的“温度跨度”定义为Tm-Ta，其是入口流体温度的差。AMR循环与蒸汽压缩循环类似，其中气体压缩(其使得气体变热)在磁化中起作用，并且其中气体的自由膨胀(其使气体温度下降)在去磁中起作用。在蒸汽压缩循环中，传热流体改变CHEX和HHEX中的相，有助于传热。在AMR循环的CHEX和HHEX中不需要这样的相变，而是可使用具有高单相传热系数的流体，比如水。尽管图1a至Id阐释了单床MR系统的操作，但是在可选的实施方式中，在单个系统中可结合每个经历相同AMR循环的多个床，以增加冷却能力，减小系统尺寸，或以其他方式改善AMR循环的实施。
【发明内容】
[0008]双模式磁冷藏装置包括一个或多个磁热材料床、施加时变磁场至一个或多个磁热材料床的磁体、传热流体、使传热流体循环的泵、热侧热交换器(HHEX)、冷侧热交换器(CHEX)、引导传热流体流动的一个或多个阀，和配置为控制一个或多个阀的周期切换以使装置在第一模式和第二模式下操作的控制器。在第一模式下，当施加至一个或多个床的时变磁场高时，一个或多个阀引导传热流体至一个或多个床的冷端通过一个或多个床至一个或多个床的热端和通过HHEX，和当施加至一个或多个床的时变磁场低时，至一个或多个床的热端通过一个或多个床至一个或多个床的冷端和通过CHEX，以便将热从CHEX传递至HHEXo在第二操作模式下，暂停一个或多个阀的周期切换，以使得传热流体单向流过HHEX、一个或多个床和CHEX，使得热从HHEX传递至CHEX。
[0009]双模式磁冷藏装置包括一个或多个磁热材料床、施加时变磁场至一个或多个磁热材料床的磁体、传热流体、使传热流体循环的泵、热侧热交换器(HHEX)、冷侧热交换器(CHEX)、引导传热流体流动的一个或多个阀，和配置为控制一个或多个阀的周期切换以使装置在第一模式和第二模式下操作的控制器。在第一模式下，当施加至一个或多个床的时变磁场高时，一个或多个阀引导传热流体至一个或多个床的冷端通过一个或多个床至一个或多个床的热端和通过HHEX，和当施加至一个或多个床的时变磁场低时，至一个或多个床的热端通过一个或多个床至一个或多个床的冷端和通过CHEX，以便当HHEX的环境处在与CHEX的环境类似的温度或更高的温度时，将热从CHEX传递至HHEX。在第二操作模式下，暂停一个或多个阀的周期切换，以使得传热流体单向流过HHEX、一个或多个床和CHEX，使得当HHEX的环境处在比CHEX的环境更低的温度时，将热从CHEX传递至HHEX。
[0010]具有旁路的双模式磁冷藏装置包括一个或多个磁热材料床、施加时变磁场至一个或多个磁热材料床的磁体、传热流体、使传热流体循环的泵、热侧热交换器(HHEX)、冷侧热交换器(CHEX)、引导传热流体流动的一个或多个阀、配置为控制一个或多个阀的周期切换以使装置在第一模式和第二模式下操作的控制器。在第一模式下，当施加至一个或多个床的时变磁场高时，一个或多个阀引导传热流体至一个或多个床的冷端通过一个或多个床至一个或多个床的热端和通过HHEX，和当施加至一个或多个床的时变磁场低时，至一个或多个床的热端通过一个或多个床至一个或多个床的冷端和通过CHEX，以便将热从CHEX传递至HHEX。在第二操作模式下，一个或多个阀保持旁路布置，以使得传热流体单向流过HHEX和CHEX，使得热从HHEX传递至CHEX，和其中当一个或多个阀在旁路布置中时，传热流体绕过一个或多个床。
[0011]具有旁路的双模式磁冷藏装置包括一个或多个磁热材料床、施加时变磁场至一个或多个磁热材料床的磁体；传热流体、使传热流体循环的泵；热侧热交换器(HHEX)、冷侧热交换器(CHEX)、引导传热流体流动的一个或多个阀，和配置为控制一个或多个阀的周期切换以使装置在第一模式和第二模式下操作的控制器。在第一模式下，当施加至一个或多个床的时变磁场高时，一个或多个阀引导传热流体至一个或多个床的冷端通过一个或多个床至一个或多个床的热端和通过HHEX，和当施加至一个或多个床的时变磁场低时，至一个或多个床的热端通过一个或多个床至一个或多个床的冷端和通过CHEX，以便当HHEX的环境处在与CHEX的环境类似的温度或更高的温度时，将热从CHEX传递至HHEX。在第二操作模式下，一个或多个阀保持旁路布置，以使得传热流体单向流过HHEX和CHEX，使得当HHEX的环境处在比CHEX的环境更低的温度时，将热从CHEX传递至HHEX，和其中当一个或多个阀以旁路布置时，传热流体绕过一个或多个床。
[0012]组合磁冷藏-冷冻装置包括保持高于O摄氏度(C)的冷藏隔间、保持低于0°C的冷冻隔间、控制器，和配置为产生一个或多个时变磁场的一个或多个磁体。装置也包括用于冷藏隔间的第一磁冷藏系统，其包括第一组一个或多个磁热材料床、第一传热流体(HTF)、驱动第一传热流体流动的第一泵、热侧热交换器(HHEX)、第一冷侧热交换器(CHEX)，级间热交换器(IHEX)的第一部分，和引导第一传热流体流动的一个或多个第一阀。控制器配置为控制一个或多个阀的周期切换，以当施加至第一组一个或多个床的时变磁场高时，引导第一 HTF至第一组一个或多个床的冷端通过第一组一个或多个床至第一组一个或多个床的热端和通过HHEX，和当施加至第一组一个或多个床的时变磁场低时，至第一组一个或多个床的热端通过第一组一个或多个床至第一组一个或多个床的冷端和通过第一 CHEX和IHEX的第一部分，以便从第一 CHEX和IHEX的第一部分传热至HHEX。装置也包括用于冷冻隔间的第二磁冷藏系统，其包括第二组一个或多个磁热材料床、第二传热流体、驱动第二传热流体流动的第二泵、第二 CHEX、IHEX的第二部分，和引导第二传热流体流动的一个或多个第二阀。控制器配置为控制一个或多个阀的周期切换，以当施加至一个或多个床的时变磁场高时，引导第二 HTF至第二组一个或多个床的冷端通过第二组一个或多个床至第二组一个或多个床的热端和通过IHEX的第二部分，和当施加至第二组一个或多个床的时变磁场低时，至第二组一个或多个床的热端通过第二组一个或多个床至第二组一个或多个床的冷端和通过第二 CHEX，以便将热从第二 CHEX经IHEX的