一种冷却设备以及冷却方法与流程

背景技术：

在许多技术领域中，尽可能高效地冷却材料或空间是很重要的。例如，空调机或冰箱消耗大量的能源。因此，我们不断努力改善现有的冷却技术或使用替代冷却概念以实现冷却降温。

这种冷却方法使用所谓的磁热效应(mce)，该效应基于通过应用磁场以实现材料温度的变化。通常有很多合适的材料。然而，已知磁热的制冷机单元需要非常大规模的磁铁来产生必要的磁场，从而使用了永磁体。出于这个原因，现有的这种类型的制冷单元通常比传统的基于压缩机的系统大或重很多倍。另外，相关的材料成本也不容小觑。因此，磁致冷却对比目前传统的冷却技术不具备竞争力。

在另一方面，磁致冷却方法能够保证高效率，因为较其他系统，在这些系统中，不需要压缩机或其他液压气动系统来实现冷却效果。

图5示出了已知的amr设备(amr为主动式磁回热器)的工作原理。磁热材料310(mce材料)，以环状的方式可旋转地设置在两个磁性单元320之间，当施加磁场时其温度发生改变。这种传统amr设备中的磁性单元320通常是永磁体，其设计为使磁热材料310暴露在足够强的磁场中，以实现mce材料310显著的温度变化。

为了有效地运作，将图中5所示的mce材料310进行旋转。然而，磁体单元320也可以旋转。有两个热交换相：(1)在磁场中散热和(2)无磁场时吸热。当mce材料310离开磁性单元320，mce材料310的温度上升并且热量会耗散。为了达到这个目的，例如，可以通过环形mce材料310泵送交换流体。为了不耗散所获取的磁热效应，在整个泵送过程中需要保持磁场的作用。只有当mce材料310的温度已适应周围环境温度时，才可移除磁场(或磁性单元320)，这时发生反磁热效应。由于磁热效应引起了磁化加热，该热量可利用交换流体释放到环境中，而反向磁热效应(当磁场关闭时)实现冷却(可用于冷却)。根据系统所处的循环，可以向不同的方向上泵送交换流体。

在传统的磁热聚集体中，通常使用具有较高可逆性的材料。为了提高可逆性并因此将可能产生的冷却损耗降至最低，在这些制冷单元中使用没有或尽可能不具有热滞后的材料。具有这些特性的材料已被不断地精制，包括例如：钆、la(fe,si,co)13、la(fe,si,mn)13hx或fe2p合金。

如上所述，为了尽可能大规模地让强磁场作用于mce材料310，需要大型永磁体，而必须具备大型永磁体是这些系统的缺点。例如，该磁热材料310的体积的一半暴露于磁场中。因而，相应的冷却机组不仅重，还会相应地耗费巨大的成本。

因此，需要一种不需要大型永磁体并使磁致制冷更经济的替代磁致冷却技术。

技术实现要素：

上述问题通过如权利要求1所述的冷却设备或如权利要求11所述的冷却方法克服。从属权利要求涉及独立权利要求目的的更优的实施例。

本发明涉及一种具有磁热材料的冷却设备，用于形成外部磁场的磁化装置，以及用于施加压力或张力到磁热材料的转换装置。应选择这样的磁热材料：当外部磁场发生变化和施加于其上的压力发生变化时，其温度会发生改变的材料。该冷却设备还包括移动装置，其配置为，使得磁热材料相对于磁化装置和转换装置移动，以使得磁热材料交替地暴露于变化的外部磁场和变化的压力/张力中，以使得磁热材料发生周期性的温度变化。然后温度较低的周期可以用来冷却。

在另一实施例中，磁热材料具有第一相和第二相，经由热滞后效应的第一相和第二相之间的相变由变化的外部磁场和/或变化的张力/压力来触发。特别地，这些相变是一阶的磁结构相变，其中磁热材料的结构变化发生了转变(例如，变化了的晶体结构)。因而，该磁化装置和转换装置设计为触发所述第一相和第二相之间的相变，以及其相关联的结构变化。这意味着，使压力(或张力)和磁场充分地变化，以启动转换过程及与之相关的相变，在有可能的情况下，在所述磁热材料的整个横截面上触发相变。否则，如果压力(或张力)和/或所述磁场不足，可能只会在磁热材料上部分地产生相变(或仅在一个表面上触发)。

由磁场周期性变化对应于通过热滞后效应后引起的并限定的温度的周期性变化。本发明的实施例中特别使用热滞后效应，因为在这种方式中，磁场可以只在短暂时间内或空间局部上施加，而不必立即启动逆过程。

磁热材料能具有普通的磁热效应或反磁热效应。与非磁性情况相比，在普通的磁热效应中，在磁化配置时温度将上升，而在反磁热材料中，当磁热材料暴露在外部磁场时，温度将下降。温度降低的原因是材料中的磁性结构发生变化。虽然在原理上这两种材料都可用，但根据另一实施例，优选使用具有反磁热效应的磁热材料。

在本发明的实施例中，较高的温度(高温相)所对应的稳定的相是磁化相，而相对较低的温度(低温相)所对应的稳定相是不具有或具有更小磁化效应的相。

在另一的实施方案中，磁热材料至少是部分线性形成的(直线)，并且移动装置包括平移装置，所述平移装置配置为使磁热材料交替地来回移动，以提供交替运动，以实现磁热材料中的周期性温度变化。

在其它实施例中，磁热材料是环状的，并且移动装置包括转动设备，该转动设备配置成使所述环状磁热材料转动，以在所述环状磁热材料的各段中实现周期性温度变化。在本实施方式中，移动装置和转换装置可以在一个单元中同时实现。例如，可使用由电机驱动的压力辊，通过施加压力的方式将磁热材料向前移动。这里，可选择具有足够强度的施加压力，以触发磁热材料的相变。在施加压力时，电机可作为移动装置而移动磁热材料。或者，也可以使磁化装置和转换装置在磁热材料保持静止时移动。通常，第一种情况较容易实施。转动只能在一个方向或其相反的方向交替地进行。

因此，在其他实施例中，磁化装置包括至少一个磁性单元，转换装置至少包括一个压力辊，以使得移动装置将该磁热材料移动并交替地经过至少一个压力辊和至少一个磁性单元。因此，磁热材料在移动过程中可能会经历热滞后效应，其中至少一个压力辊施加最小压力到磁热材料上，并且至少一个磁性单元将最小磁场强度施加到磁热材料上，以触发第一相和第二相之间的转换。

使用压力辊所具有的优点是，可以同时向磁热材料提供支撑。例如，两个或多个压力辊(例如对称地)可以沿环状磁热材料设置。磁化器不必与磁热材料直接接触。例如，该磁热材料通过两个相对的极靴之间的间隙，强磁场在其间产生，该磁场也需要足够强以使磁热材料经历热滞后循环。

在另一实施例中，冷却设备还包括至少一种热耦合到所述磁热材料的交换流体，并且其配置加热所述磁热材料温度较低的部分并冷却温度较高的部分。

在另一示例性实施例中，交换流体是泵送到磁热材料中的水。例如，低温区域能够，通过第一交换流体连通到待冷却介质，并吸收热量。在另一方面，高温区域能够通过第二交换流体(例如，冰箱的外部或空调单元的周围区域)释放热量到周围区域中。例如，水可以用作两个回路的交换流体。

在另一示例性实施例中，磁热材料包括以下材料之一：gd-si-ge、la-fe-si-mn-h、fe-p、霍伊斯勒(heusler)或半霍伊斯勒(semi-heusler)合金、fe-rh、mn-ga或其组合。

本发明还涉及具有至少一个先前定义的冷却设备的冷却机组。可选择性地配置两个或多个冷却设备，彼此串联地连接，以便增加温度的下降量。

本发明还涉及一种冷却方法。该方法包括以下步骤：移动磁热材料；产生外部磁场；并将压力或张力施加到磁热材料上。通过外部磁场和施加压力的方式改变磁热材料的温度。通过移动磁热材料交替地暴露于外部磁场和压力下，使得在所述磁热材料中产生周期性的温度变化，其中在温度较低的周期时间段内可用于冷却。

在另一示例性实施例中，外部磁场的形成包括绝热磁化，压力的施加包括压力上的变化(例如，升压和/或降压)。可选地，该方法包含以下步骤中的至少一个：绝热磁化、绝热退磁、从冷却室吸收热量、绝热升压、绝热压降和将热量释放到周围区域。在绝热退磁中，因为滞后性，温度不必改变。

本发明并不限于所述的方法步骤确定的顺序。在另一示例性实施例中，方法步骤可以按另一个顺序执行。

因而所描述的示例性实施例通过有意地利用磁热材料的一阶相变的热滞后效应与机械张力(或压力)的共同作用下实现上述技术效果。这种方法具有可实现显著降低成本和重量的优点。因此，相应的冷却机组较传统的amr设备的生产成本低，并且用在冷却回路中的永磁体能显著减小的同时提高效率。

附图说明

通过下面的详细描述和各种示例性实施例的附图可以更好地理解本发明的示例性实施例，但是，不应将其理解为将本公开限制于具体的实施例，而应理解为仅用于解释和理解。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的冷却设备的示意图。

图2示出了磁热材料的温度与所形成的磁场之间的相关性。

图3示出了基于滞后效应的冷却设备的示意性设计图，其中环状的磁热材料转动地安装在两个磁性和两个压力单元之间。

图4示出了根据示例性实施例的基于滞后效应的冷却回路的示意性工作原理图。

图5示出了传统amr设备的示意性设计图。

具体实施方式

图1示出了冷却设备的示例性实施例，该冷却设备具有磁热材料110，形成磁场h的磁化装置120，以及将压力p(或张力)施加到磁热材料110的转换装置130。此外，该冷却设备包括移动装置，以使磁热材料110相对于磁化装置120和/或转换装置130移动，以使磁热材料110交替地暴露于变化的外部磁场h和变化的压力p中，以使磁热材料110产生周期性的温度变化，从而可以在低温的周期内进行冷却。

例如，该移动可以是，交替向前和向后移动，可沿直线移动，并因而产生所需的磁场h和压力p的交替变化。

磁热材料110设计成在形成外部磁场h且所施加的压力p改变时改变其温度。与传统系统不同，本发明的示例性实施例没有使用任何可能产生不了热滞后的材料；而是使用能够加以利用该滞后效应的材料。此外，示例性实施例使用反磁热材料，尤其是，磁场形成时变冷并且在施加压力或张力时温度增加的材料。因而，可以容易地实现冷却回路。

图2示出了示例性反磁热材料ni-mn-in-co(作为heusler合金的示例)的温度t的变化过程，在该实施例中，磁场h形成了示例性2t的磁场强度，并再次移除。在温度时序下，示出了磁场h的对应时间时序。在图中示出的反磁热材料110，观察到大约6k的冷却。由于该变化通过热滞后效应产生，因此即使磁场被再次移除(在图示的右侧实线表示)，该温度也会保持下降。

为了方便比较，对照样品的温度时序也示于图2中，因其在传统的amr系统中使用而具有完全可逆的变化(虚线)。由于可逆性，这些传统系统在再次完全关闭磁场之后温度上升，并再次返回初始状态。

不同于传统的amr系统，示例性实施例有意地利用滞后效应。因此，不必在泵送过程中保持磁场h。在示例性实施例中磁热效应是不可逆的，即，磁化曲线沿不同的路径前进以在不同相之间进行转换(参见下面的图4)。

应用滞后效应带来的好处是，只需要将磁场h应用在一个非常小的区域或空间范围内。冷却效果就会在该区域内产生。因而，该磁场非常强地集中，并且与图5中必须磁化非常大体积的传统的amr设备相比，能产生相当高的磁场。

因此示例性实施例不需要任何大的永磁体，并且仍然能够产生相当强的磁场。由于应用磁热效应，即温度随磁场变化，因此随着磁场的强度增加而使效率提高成为可能。

图3示出应用滞后效应的冷却设备的示意性设计图，其中，环状的磁热材料110可转动地安装在两个磁性单元121、122(磁化装置120)以及两个压力单元131、132(变换设备130)之间。

第一磁性单元121包括第一磁靴121a和第二极靴121b，第一磁靴121a和第二极靴121b安装在磁热材料110相对的两侧，并形成间隙，磁热材料110位于该间隙中。极靴121a、121b使得磁场在间隙集中，并以高磁场强度h磁化磁热材料110。第二磁性单元122还可以具有第一极靴122a和第二极靴122b，所述第一极靴122a和第二极靴122b也在第二磁性单元122的极靴122a、122b之间形成间隙，其中，所述磁热材料110位于该间隙并且暴露于磁场h中。第一磁性单元121和第二磁单元122之间的间隙可通过永磁体或电磁铁连接，以便在所述极靴122a、122b、121a、121b之间的间隙形成所需的磁场。

转换装置130设计成图3中的辊压系统，其中第一压力单元131包括第一压力辊131a和第二压力辊131b，所述第一压力辊131a和第二压力辊131b可转动地安装在所述磁热材料110的两个相对侧，以施加压力p到磁热材料110。第二压力单元132包括第一压力辊132a和第二压力辊132b，所述第一压力辊132a和第二压力辊132b也可转动地安装在磁热材料110的两个相对的侧，并施加压力p到磁热材料110。

压力辊131a、131b、132a、132b可选择性地通过移动装置(未示出)操作，以当压力p(例如在逆时针方向上，如示于图3)施加到磁热材料110上时，移动该磁热材料。由于相对的移动是足够的，移动装置也可以设计为在磁热材料110保持在适当位置时，移动压力单元131、132以及磁性单元121、122。

应当理解，在另一示例性实施例中，可能存在两个以上的压力单元131、132和/或两个以上的磁性单元121、122，并且不应将本发明限定于一个确定的数字。此外，如在图3中所示的第一压力单元131和第二压力单元132，能够安装在环状的磁热材料110的径向相对的两个位置上。因此，磁热材料110可以同时机械地保持。

与图5中的传统结构相比，使得显著地减小磁铁(或示例性的永磁体材料)成为可能。此外，极靴121、122可设计成使得磁场h聚焦。此外，整个过程可以周期性地发生，由此两个辊系统131、132用于施加压力p，并同时使磁热材料110返回到其初始状态(有限磁化)。形成周期性的整个过程是可能的，因为一阶相变期间的连续的结构变化可通过施加压力或机械张力来触发。

图4例示了循环冷却过程的示意性工作原理，在磁化与温度的关系图中，循环冷却过程可用六个状态图示意性地例示出。例如，可使用ni-mn-in-co作为磁热材料。

在磁化与温度的关系图中示出了两个稳定相，低温相和高温相。低温相是在低温下稳定的相(图中的左滞后曲线)，而高温相是在高温下稳定的相(在图中的滞后曲线的右侧)。不同相之间相变的发生通过不同的滞后曲线表示。应当理解，结合以往的历史记录，高温相也可以存在于低于低温相温度的滞后区中，该温度在低于低温相温度下(仍然)稳定的温度。

例如，该过程从自状态1开始(图4的左上方)。磁热材料110位于具有初始温度t0的低磁化的低温相。

通过向s110施加外部磁场，产生绝热磁化效应并且，滞后曲线移动到左边。与高磁化伴随发生的是到高温相的相变(状态2)。绝热磁化s110保证了(与周围环境没有或几乎没有发生热交换)该相变时温度下降。例如，通过形成的磁场，将温度从初始温度t0降至t1。由于曲线已移动到左边，磁热材料110仍处于高温相，尽管由于反mce效应磁热材料110的温度已经降低。

由于热滞后效应，即使是在外部磁场h切断并且绝热退磁s120发生在s120后，磁热材料也不会自动返回到低温相。这是状态3的情况，在该状态下，温度相应地还保持在t1值。图3中，当磁热材料110离开极靴121、122之间的间隙时，出现绝热退磁s120。应当理解，退磁涉及外部磁场。当然，磁热材料110在关闭外部磁场后同样还能磁化。

不必与周围区域发生热交换，绝热状态也会自己发生变化。例如，在下一步s125前，交换流体不必泵送通过冷的磁热材料110来冷却冷却室(即，用于热吸收)。因此，该磁热材料110的温度再次从状态3上升到状态4，并再次达到初始温度t0，例如，在状态4下的温度(见图4中的右下方)。然而，再次在状态4下回到初始温度t0是没有必要的。

磁热材料110仍然处于高温相的状态4中(滞后曲线的上部分支)。要使磁热材料110返回到低温相，随后在步骤s130中施加压力p(例如大约1千巴)。压力的上升，使得滞后曲线向右移动(见图4下方的两种表示)。状态的返回会导致一定程度的温度上升，使得磁热材料到达状态5，并在该状态下具有大于t0的温度t2(图4左下方)。

多余的热量可以在随后的步骤s135中通过交换流体进行吸收(例如，通过使用相应的泵)，并释放到周围的区域。因而，到达状态6。

在最后一步s137中，压力p减小，并且该材料再次回到具有初始温度t0(状态1)的低温相。

所描述的各个步骤可能会在时间上部分交叠或同时执行，因为其不必在时间上相互独立分开。

这个循环的过程可以连续地进行，例如，在此期间，磁热材料110以圆圈轨迹移动(参照图3)，该交换流体将热量从磁热材料110带走或向磁热材料110输送热量(例如，从待冷却的介质)。交换流体并未示出，例如可以是水。

因而，整个磁热材料110通过一个布雷顿式(brayton)热力循环，并有助于冷却。由于温度梯度是建立在传统的amr周期，并且关断磁场后的可逆转变立即开始，实际上，只有一小部分磁热材料能有助于冷却。在传统的单元中，几乎不可能获得更高的温度差，或仅以冷却能力为代价，因为只有mce材料的一小部分用于内部空间的冷却。与此不同，在本公开的示例性实施例中，所要达到的温度差由磁热材料110的在磁场h中的温度变化量决定。比起传统的amr设备，使用滞后效应的回路能够产生更大的温度变化量。此外，在本发明中，整个mce材料都有助于冷却。因此，示例性实施例在冷却时达到明显更高的效率。

例如，在强度为2t的磁场h强度中，可在heusler合金实现8k的温度变化。具有两个前后串联连接模型的冷却机组，在运作温度改变的条件下工作，能够相应地实现温度降低，如16k。这已经足够来构造一个简单的冷却机组，其能够将食品的温度从室温冷却至远远低于零下10℃。

此外，本公开的示例性实施例具有的优点是：由于在冷却室的在如此双模块设备中，一半的磁热材料有效参与冷却的过程，其效率比传统的amr器件高得多。

只要存在可控的热滞后效应和/或可配置的温度变化，每个磁热材料基本上均适合应用于应用热滞后的磁致冷却。例如，适用于所有具有磁结构的一阶相变的材料，例如，包括下列材料：gd-si-ge、la-fe-si-mn-h、fe-p、heusler或半heusler合金、fe-rh、mn-ga。反磁热材料，例如mn-ga、fe-rh，特别是heusler合金，应当强调的是，因为其在形成磁场时变冷，因而在技术上更容易实现以利用所获得的冷却效果，而它们在传统的磁热材料磁化期间升温。

在说明书、权利要求书及附图中所公开的本公开的特征，对于以单独或通过任意组合方式来实施本公开是至关重要的。

附图标记列表

110磁热材料

120磁化装置

121、222磁性单元(极靴)

130转换装置

131、132压力辊

310传统磁热材料

320传统磁化装置