用于磁冷却装置的转动式磁屏蔽系统的制作方法
【专利说明】用于磁冷却装置的转动式磁屏蔽系统
[0001]本发明涉及磁热再生器装置，其包含:
[0002](A)至少一个磁热材料单元，其在操作期间具有较高温度热面和较低温度冷面，其中磁热材料单元包含至少一种磁热材料，
[0003](B)至少一个磁单元，其用于在包含在磁热材料单元中的磁热材料上产生磁场，
[0004](C)包含至少一个窗口的至少一个磁屏蔽，其中至少一个磁屏蔽灵活地安装以容许磁屏蔽在至少一个第一位置与至少一个第二位置之间移动，由此当磁屏蔽在第一位置上时，使包含在磁热材料单元中的磁热材料与磁场绝缘，并且当磁屏蔽在第二位置上时，使磁场通过至少一个窗口作用于磁热材料上。
[0005]在显示出磁热效应的材料中，通过外部磁场排列随机排列的磁矩导致材料的加热。该排列也称为磁热相变，其在所谓的居里温度下进行。在磁热相变时出现的热可通过传热介质从磁热材料中排除到周围大气中。当磁场然后转换或除去时，磁矩恢复随机排列，这导致材料冷却至环境温度以下。该效应可用于热栗中或者用于冷却；还参见Nature，第415卷，2002年I月10日，第150-152页。通常，传热介质如水用于从磁热材料中除去热。磁冷却构成已知蒸气循环冷却方法的替选方案。
[0006]利用磁热效应冷却或者用于热栗的一个主要问题是作用于磁热材料上的磁场以及它在操作期间的变化。通常，磁场由永久磁体、电磁体或者在罕见情况下由超导磁体产生。操作磁热装置所需的磁场的变化通常通过磁场来源，例如永久磁体相对于固定磁热材料前后移动，或者反之亦然，通过磁热材料移入和从由固定磁体产生的磁场中移出而实现。因此，磁热材料施加变化的磁场并经历磁热相变。对于磁热装置的有效操作，磁场必须不仅一次，而是有规则地，例如以IHz至1Hz的频率变化。
[0007]其中磁热材料移入并从磁场中移出的磁致冷机由Zimm，C.等人，Internat1nalJournal of Refrigerat1n 29 (2006)，第 1302-1306 页或者 US 2004/0093877 Al 描述。使用转动式磁体的磁致冷机的实例可在Okamura，Τ.等人，Internat1nal Journal ofRefrigerat1n 29 (2006)，第 1337-1331 页中找到。
[0008]磁场生成器和磁热材料是相当重的，因此需要大量能以使磁场生成器或磁热材料移动。磁场生成器和磁热材料是磁热装置的有价值组件，其应在操作期间谨慎地处理以容许装置的长寿命。在磁热材料移动的情况下，连接用于热交换介质的流体管显示出难以建立的明显问题。
[0009]US 7，897，898 B2描述了热生成器，其包含至少一种磁热材料、用于产生作用于磁热材料上的磁场的至少一个磁元件和用于改变至少一种磁热材料接收的磁场的至少一个磁性调制装置，其中磁性调制装置可提高磁场或者可降低磁场。磁性调制装置可置于活动位置与非活动位置之间。在活动位置上，磁性调制装置接近磁热材料，在非活动位置上，它们远离磁热材料且对磁热材料不具有影响。所述磁性调制装置是C型或U型复杂结构。
[0010]US 5，156，003涉及磁致冷机，其包含磁体、磁性工作材料、管型超导磁屏蔽和用于使超导磁屏蔽往复移动的装置。磁性工作材料置于由磁体产生的磁场内并磁化。将超导管型磁屏蔽引入磁场中，由此将磁性工作材料容纳在超导磁屏蔽的中空部分中并使磁性工作材料与磁场绝缘，从而导致磁性工作材料消磁。
[0011]通过改变作用于磁热材料的磁场而利用磁热效应的装置仍是非常复杂的实体。一般而言，整个系统的简化对容许更便宜且更简单地构造磁热装置而言是理想的。
[0012]这些目的通过本发明磁热再生器装置实现，其包含:
[0013](A)至少一个磁热材料单元，其在操作中具有较高温度热面和较低温度冷面，其中磁热材料单元包含至少一种磁热材料，
[0014](B)至少一个磁单元，其用于在包含在磁热材料单元中的磁热材料上产生磁场，
[0015](C)包含至少一个窗口的至少一个磁屏蔽，其中至少一个磁屏蔽灵活地安装以容许磁屏蔽在至少一个第一位置与至少一个第二位置之间移动，由此当磁屏蔽在第一位置上时，使包含在磁热材料单元中的磁热材料与磁场绝缘，并且当磁屏蔽在第二位置上时，使磁场通过至少一个窗口作用于磁热材料上。
[0016]该目的进一步通过操作包含至少一种磁热材料的磁热装置的方法实现，其中用于利用磁热效应的变化磁场由包含至少一个窗口的至少一个磁屏蔽至少两个不同位置之间移动而产生，由此当磁屏蔽在第一位置上时使包含在磁热材料单元中的磁热材料与磁场绝缘，并且当磁屏蔽在第二位置上时，使磁场作用于磁热材料上。它们进一步通过包含本发明磁热再生器装置的制冷系统、气候控制装置和热栗实现。
[0017]本发明磁热再生器装置构成磁热系统的简化，同时可建立更便宜且更紧凑的系统。可实现与包含转动式磁体或磁热材料或者重且复杂的磁屏蔽的系统相比更高的转动频率。包含简化磁屏蔽的本发明磁热再生器可导致可能更快冷却的冷却系统。需要较少的电能驱动磁冷却循环，因为根据本发明使用的磁屏蔽比磁体或磁热材料或者具有磁热材料的床轻得多。这是特别重要的，因为磁热装置通常包含多于一种磁热材料以覆盖较宽的温度跨度，即通常磁热装置包含多种不同磁热材料，从而导致较大且较重的装置。由于较小且较容易旋转的机器，可使系统尺寸缩小。整个装置的寿命提高，因为关键且容易损害的组分如磁热材料或者具有磁热材料的床或复杂的磁屏蔽不移动。由于磁场的简化变化，本发明磁再生器打开用包含转动式磁体或磁热材料或者磁热材料床的系统不能得到的大量结构的可能性。
[0018]在下文中详细解释本发明。
[0019]本发明磁热再生器装置包含至少一个磁热材料单元(A)，也称为“磁热单元”。在操作期间，该单元具有较高温度热面(“热面”)和较低温度冷面(“冷面”)并且包含至少一种磁热材料。优选，磁热材料单元包含至少2至100种具有不同居里温度的不同磁热材料。磁热材料的数目由实际需要和设备特征支配。较大数目的不同磁热材料可采用较宽的温度范围。更优选，用于本发明磁热再生器装置中的磁热材料单元包含至少3至100，甚至更优选至少5至100，特别是至少10至100种具有不同居里温度的不同磁热材料。具有不同居里温度的不同磁热材料的该配置在下文中也称为磁热级联。
[0020]具有不同居里温度的不同磁热材料通过居里温度减小而连续布置，即具有最高居里温度的磁热材料置于磁热材料单元的一端，具有第二最高居里温度的磁热材料相邻地布置，等等，具有最低居里温度的磁热材料置于磁热材料单元的相对端上。其中具有最高居里温度的磁热材料位于的磁热材料单元端对应于磁热材料单元的热面，具有最低居里温度的磁热材料位于的磁热材料单元端对应于磁热材料单元的冷面。优选具有不同居里温度的两种相邻磁热材料的居里温度差为0.5-6K，更优选0.5-4K，特别优选0.5-2.5K。
[0021]具有最高居里温度的材料与具有最低居里温度的材料之间的总居里温度差优选为3-80K，更优选8-80K。例如，与级联中任何两种相邻材料之间具有2K的居里温度差的5种不同材料组合，可产生8K的温度范围。使用具有不同居里温度的多种材料使得可实现比使用单一磁热材料可能的明显更大的温度范围。
[0022]磁热材料可显示出在磁相变时的热滞后。根据本发明，优选使用具有低热滞后，例如小于5K，更优选小于3K，尤其优选小于2K的磁热材料。
[0023]本发明磁热再生器装置可包含可以为相同或不同的一种、两种或更多种磁热材料单元(A)。通常，磁热再生器装置包含可以为相同或不同的不多于10种磁热材料单元。
[0024]至少一个磁热材料单元(A)在磁热单元的冷面上与换热器并在磁热单元的热面与换热器连接。为此，传热介质可由在磁热单元的热面上的换热器栗送通过磁热单元至在磁热单元的冷面上的换热器中，反之亦然。栗送频率调整到磁场的变化频率。当磁场作用于磁热材料时，传热介质由冷面栗送通过磁热单元至热面，由此将由磁热材料的磁化产生的热传送到在磁热单元的热面上的换热器。当除去磁场时，传热介质由热面栗送通过磁热单元至磁热单元的冷面，由此将热释放到由于消磁而具有较低温度的磁热材料。合适的传热介质描述于下文中。
[0025]本发明磁热再生器装置进一步包含至少一个磁单元(B)以在包含在磁热材料单元中的磁热材料上产生磁场。用于产生磁场的工具可选自永久磁体、超导磁体和电磁体，优选永久磁体。这类工具是本领域技术人员已知的。优选由磁单元产生的磁场为0.5-2.5T。
[0026]磁单元(B)可包含一种、两种或更多种用于产生磁场的工具，且本发明磁热再生器装置可包含一种、两种或更多种这类磁单元(B)。布置至少一个磁单元使得当不将磁屏蔽置于磁热再生器装置内时，它在包含在磁热材料单元中的至少一部分磁热材料上产生磁场。取决于各个实施方案，一个磁单元在一个完整磁热材料单元上或者在两个或更多个磁热材料单元上产生磁场。也可使用几个磁单元，其中各个磁单元产生用于一部分磁热材料单元的磁场。此外，可使用几个磁单元和几个磁热材料单元。
[0027]本发明磁热再生器装置进一步包含含有至少一个窗口的至少一个磁屏蔽(C)，所述磁屏蔽灵活地安装以容许磁屏蔽在至少一个第一位置与至少一个第二位置之间移动，由此当磁屏蔽在第一位置上时，使包含在磁热材料单元中的磁热材料与磁场绝缘，并且当磁屏蔽在第二位置上时，使磁场通过至少一个窗口作用于磁热材料。
[0028]如本文所用术语“窗口”意指不含磁屏蔽材料但完全被磁屏蔽材料围绕的区域。如果磁屏蔽在第二位置上，则由磁单元产生的磁场通过该不含磁屏蔽材料的区域作用于磁热材料。由于窗口完全被磁屏蔽材料围绕，磁力线能够流过周围的磁屏蔽材料并且不出现磁力线的不连续性，其独立于屏蔽的位置。从第一位置至第二位置的移动不干扰磁力线或者至少小于从磁场中完全除去磁屏蔽，因此要求较少的能量。此外，该结构导致磁屏蔽的高机械稳定性。窗口可具有任何合适的形状如矩形、球形或椭圆形。
[0029]术语“第一位置”和“第二位置”意欲指与多个可能位置不同的两种位置。称为“第一位置”的位置为磁屏蔽的工作位置，其中磁屏蔽使包含在磁热材料单元中的磁热材料或者其至少一部分与磁场绝缘。在该工作位置上，磁热材料消磁并经历相变，导致磁热材料温度降低。如稍后在对本发明不同实施方案的详细描述中所见，磁屏蔽可在多于一个工作位置上进行，在那里，它能够使包含在磁热材料单元中的磁热材料或者其至少一部分与磁场绝缘，产生磁热材料的消磁，这导致磁热相变和磁热材