專利名稱：具有磁熱材料的熱發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱發(fā)生器，其具有至少一個熱模塊，所述熱模塊具有至少兩個磁熱元件。
背景技術：
在環(huán)境溫度下的磁冷卻技術自二十多年來就是公知的，已知其在生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展方面帶來的優(yōu)點。還已知其在有效熱功率及效率方面的局限性。由此，在該領域中所進行的研究全都趨向于通過調節(jié)不同的參數(shù)如磁化功率、磁熱材料的性能、載熱流體和磁熱材料之間的熱交換面、熱交換器的性能等，提高這種發(fā)生器的性能。磁熱材料的選擇是決定性的，直接影響磁熱式熱發(fā)生器的性能。磁熱效應在磁熱材料的居里溫度附近達到頂點。為使磁熱式熱發(fā)生器在很大的溫度范圍內工作，已知結合具有不同居里溫度的多種磁熱材料。因此，通過根據(jù)磁熱材料所經受的磁場增強階段和磁場減弱階段，使載熱流體朝相反兩個方向沿著或穿過所述磁熱材料循環(huán)，許多磁熱式熱發(fā)生器利用多個磁熱元件的磁熱效應。在這種熱發(fā)生器啟動時，流體循環(huán)可在磁熱材料的相對端部之間獲得溫度梯度。該溫度梯度的獲得取決于多種因素，如初始溫度、載熱流體的流量、磁熱效應的強度、居里溫度和磁熱材料的長度。磁熱材料的居里溫度和初始溫度越接近，就會越快速地達到溫度梯度，從該溫度梯度開始，發(fā)生器工作和可產生熱能或與外部回路交換熱能。然而，磁熱材料和載熱流體的初始溫度不被控制，等于發(fā)生器外部的溫度。例如，其可處于非常大的溫度范圍內，例如在-20°C至+60°C之間。這意味著要達到溫度梯度、即磁熱式熱發(fā)生器的運行階段，時間會很長。此外，在很大的溫度范圍工作的事實意味著:一般由永久磁鐵裝置構成的磁系統(tǒng)經受很大的溫度變化。實際上，磁熱材料一般布置在磁系統(tǒng)的氣隙中，因而通過熱對流引起磁系統(tǒng)處溫度變化。為此，圖1A和IB示出熱發(fā)生器，其具有一磁系統(tǒng)，該磁系統(tǒng)由兩個磁鐵Ml和M2構成，形成氣隙G，兩種磁熱材料MCl和MC2在氣隙中移動。氣隙的差不多整個空間由磁熱材料MCl或MC2交替地充填。當所述磁熱材料MCl和MC2之一處于氣隙中時，磁鐵Ml、M2和所述磁熱材料MC1、MC2之間具有最小空間，以增大熱功率。第一種磁熱材料MCl具有為0°C的居里溫度和從-10°C至+10°C的工作或過渡區(qū)域，第二種磁熱材料MC2具有為20°C的居里溫度和從+10°C至+30°C的工作或過渡區(qū)域。圖1A示出循環(huán)的第一階段，在第一階段中，第一種磁熱材料MCl經受逐漸增強的磁場，第二種磁熱材料MC2經受逐漸減弱的磁場，圖1B示出循環(huán)的第二階段，在第二階段中，第一種磁熱材料MCl經受逐漸減弱的磁場，第二種磁熱材料MC2經受逐漸增強的磁場。磁鐵經受的熱幅度為40°C (從-10°C至+30°C)ο磁鐵以其熱慣性，對磁熱材料MCl和MC2中的溫度梯度具有有害影響:其與所述磁熱材料MCl和MC2進行熱交換，從而減小磁熱材料的溫度梯度。由此導致與該溫度梯度相關聯(lián)的磁熱式熱發(fā)生器的性能降低。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在通過提出一種具有提高的熱效率的熱發(fā)生器，來彌補前述缺陷。為此，根據(jù)本發(fā)明的熱發(fā)生器的特征在于:-其包括至少兩個磁裝置，每個磁裝置使所述熱模塊的至少一個磁熱元件經受磁相的交替變化，以及-其包括隔離件，隔離件使磁裝置彼此隔離，形成包括一磁裝置及其相關聯(lián)的磁熱元件的隔熱室。優(yōu)選地，所述至少兩個磁熱元件可具有不同的居里溫度，和根據(jù)其不斷增大的居里溫度在其端部或端部部分彼此間流體連接。所述熱模塊可具有溫度梯度，該溫度梯度對應于具有最低居里溫度的磁熱元件的冷端或冷端部部分、和具有最大居里溫度的磁熱元件的熱端或熱端部部分之間的溫差。優(yōu)選地，所述至少兩個磁熱元件可覆蓋熱模塊的溫度梯度，以致相互間流體連接的兩個磁熱元件具有接近的溫度，所述至少兩個磁熱元件每個還可以交替地經受磁場的增強和減弱，同時與載熱流體接觸，因此，在每次磁相變化時，流動方向從所述磁熱元件的一端部或一端部部分到另一端部或另一端部部分發(fā)生變化。 磁熱元件用于與載熱流體進行熱接觸，在與磁熱材料或磁熱元件經受其溫度提高的階段相對應的磁循環(huán)第一階段(對于所述的磁熱元件，則為磁場增強階段)的過程中，所述載熱流體從其冷端向其熱端循環(huán)；在磁熱材料或磁熱元件經受其溫度降低的磁循環(huán)第二階段(對于所述的磁熱元件，則為磁場減弱階段)的過程中，所述載熱流體從其熱端向其冷端循環(huán)。對于具有相反磁熱效應的材料來說，磁場的增強引起其溫度降低，磁場的減弱引起其溫度升高。載熱流體和磁熱元件之間的熱接觸可由沿著磁熱材料流動或穿過磁熱材料的載熱流體來實現(xiàn)。為此，磁熱元件可由一種或多種磁熱材料構成，和是可被載熱流體滲透過的。其還可具有在磁熱材料的兩端之間延伸的流體循環(huán)通道。這些通道可由磁熱材料的孔隙形成，或由機加工導道形成，或由一組磁熱材料板獲得。優(yōu)選地，載熱流體是液體。為此，例如可使用純水或添加有防凍劑的水、甘醇化劑(produit glycole)或鹽水。此外，根據(jù)本發(fā)明，被流體連接起來的磁熱元件的端部具有接近的溫度，即被連接的兩個端部之間的溫差小，優(yōu)選地，這兩個端部具有相同的溫度。一磁相對應于磁場的增強或磁場的減弱。因此，磁熱元件經受的磁循環(huán)對應于所述磁熱元件中磁場的增強和減弱，引起所述磁熱元件的溫度的相應的增強和減弱(或反過來)。磁裝置可以包括電磁鐵或如所示出的永久磁鐵的組合。在使用永久磁鐵時，磁相的變化例如可由磁裝置和相應的磁熱元件之間的相對運動進行。顯然并不從本發(fā)明中排除可改變磁場的其它可能性。根據(jù)本發(fā)明，對于所述熱模塊來說，一個磁裝置可被分配給一個磁熱元件。該熱發(fā)生器也可包括至少兩個熱模塊，至少一個公共磁裝置可使至少兩個熱模塊的磁熱元件經受交替的磁相。隔離件可以由一層至少一絕熱材料實現(xiàn)，其圍繞每個磁裝置及其相關聯(lián)的磁熱元件布置。隔離件還可固定于磁裝置。
根據(jù)本發(fā)明，所述隔熱室可以是密封圍腔。因此，所述隔熱室可以處于真空下。所述隔熱室還可被充填有一低熱導率氣體或不同的低熱導率氣體的混合物。例如，該氣體可以是氬或氪。在第一變型中，所述隔熱室中容納的氣體的壓力可等于大氣壓。在另一變型中，所述隔熱室中容納的氣體可處于增壓下。此外，一層絕熱材料可布置在每個磁裝置及其相關聯(lián)的磁熱元件之間。


在以下參照附圖對作為非限制性示例給出的實施方式的描述中，本發(fā)明及其優(yōu)點將更好地體現(xiàn)出來，附圖中:-圖1A和IB是根據(jù)現(xiàn)有技術的分別在兩個相繼的磁相的熱發(fā)生器的示意圖；-圖2A和2B是在兩個相繼的磁相中的根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的發(fā)生器的熱模塊的示意圖，該熱模塊具有兩個磁熱元件；-圖3A和3B是在兩個相繼的磁相中的根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的發(fā)生器的熱模塊的不意圖；-圖4A和4B是圖3A和3B所不的發(fā)生器的正視不意圖；以及-圖5A和5B是在兩個相繼的磁相中的根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的發(fā)生器的兩個熱模塊的示意圖。
具體實施例方式在所示的實施方式中，相同的部件帶有相同的數(shù)字標號。圖2A和2B示意地示出根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的熱發(fā)生器100的熱模塊110。該熱模塊110包括兩個磁熱元件111和112。熱模塊110的冷端Cll相應于第一磁熱元件111的位于圖2A和2B左側上的端部，熱模塊110的熱端Hll相應于第二磁熱元件112的位于圖2A和2B右側上的端部。每個磁熱元件111和112經受由對應的磁裝置131、132實施的磁循環(huán)。在第一交替變化(見圖2A)的過程中，載熱流體F從經受磁場增強的磁熱元件111的冷端Cll向該磁熱元件111的另一端(其熱端)循環(huán)，和從經受磁場減弱的磁熱元件112的熱端Hll向該磁熱元件112的另一端(其冷端)循環(huán)，而在第二交替變化時，循環(huán)方向相反。每個磁裝置131、132由彼此相對布置的兩個永久磁鐵構成。這樣可通過形成隔熱室141和142，實現(xiàn)帶有其相關聯(lián)的磁熱材料111和112的兩個磁裝置131、132之間的隔熱。隔熱由一層圍繞磁裝置131、132布置的隔離能力非常強的材料進行。在該示例中，磁裝置的移動引起磁場變化。磁熱元件111和112與結合圖1A和IB上所示的現(xiàn)有技術發(fā)生器描述的磁熱元件MCl和MC2，具有相同的特性。但是，本發(fā)明的熱發(fā)生器100具有增大的效率，因為由于兩個隔熱室141和142的存在，磁鐵131、132的不活動質量的熱沖擊降低。因此，在室141和142中，磁裝置131和132承受的溫度梯度達到二十度(分別為-10°C至+10°C之間、+10°C至+30°C之間)，而其在現(xiàn)有技術的發(fā)生器中達到四十度。因此，磁熱材料111和112及其相應的磁裝置131、132之間的溫差也降低，從而提高了熱發(fā)生器的效率。圖3A和3B示意地示出根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的熱發(fā)生器200的熱模塊210。該示例特別適合于轉動式熱發(fā)生器200，其中，磁裝置231、232、233固定于一軸，該軸圍繞發(fā)生器200的縱軸5轉動。圖4A和4B表示該熱發(fā)生器200的簡化正視圖，其更特別的是示出處于分別與圖3A和3B所示位置相對應的位置的磁裝置231的一部分。圖4A和4B示出該熱發(fā)生器200的八個熱模塊210、1210、2210、3210、4210、5210、6210 和 7210 的磁熱元件 211、1211、2211、3211、4211、5211、6211 和 7211 與磁裝置 231 之間的相互作用。每個磁裝置231、232、233由每組四個永久磁鐵的兩組永久磁鐵構成，這些永久磁鐵彼此相對地布置，形成磁氣隙6，相應的熱模塊的磁熱材料定位在其中。這些永久磁鐵圍繞磁熱式熱發(fā)生器200的縱軸5均勻地隔開，使得它們產生由四個徑向非磁性區(qū)分開的四個徑向磁性區(qū)(尤其見圖4A和4B)。因此，軸桿或軸5的轉動驅動所述磁裝置231、232、233，磁裝置使相應的磁熱元件經受磁場的變化，因而使磁熱元件根據(jù)其磁相(phasemagnetique)經受其溫度的提高和降低。熱模塊210具有三個磁熱元件211、212和213，它們由流經過所述磁熱元件211、212和213的載熱流體相連接。在該示例中，布置在圖3A和3B左部的磁熱材料211具有最低的居里溫度，適于在其冷端和熱端之間產生從-10°C至(TC的溫度梯度。其與定位在熱模塊210中央的磁熱材料212進行流體接觸，適于在其冷端和熱端之間產生從(TC至+10°C的溫度梯度。最后，具有最大居里溫度的第三磁熱材料213連接于第二磁熱材料212，適于實現(xiàn)從+10°C至+20°C的溫度梯度。該實施方式具有八個熱模塊210、1210、2210、3210、4210、5210、6210和7210，磁熱
材料圍繞軸徑向布置，使得當一磁熱材料處于磁裝置的氣隙中(即兩個永久磁鐵之間)時，兩個相鄰磁熱材料位于氣隙外，反之亦然。這種構型可通過連續(xù)地利用由磁裝置231、232、233形成的磁場，使熱發(fā)生器200的容積最佳化。為此，圖3A、3B和4A、4B示出磁熱材料所經受的兩個相繼的磁相。在該第二實施方式中，磁裝置231、232、233由具有高隔離性能的泡沫塑料層隔離，所述泡沫塑料層布置在所述磁裝置231、232、233上(用于縱向隔離)，和圍繞熱發(fā)生器200 (用于徑向隔離)，使得形成二十四個隔熱室(僅示出室241、242和243)。在這些情況下，在每個隔離室241、242、243中，磁熱材料211、212、213和相應的磁裝置231、232、233之間的溫差很小和不影響磁熱材料的溫度梯度。換句話說，相應的磁熱材料211、212、213的磁裝置231、232、233被分開和形成單獨的隔熱室241、242、243，這些隔熱室可僅與流經所有這些室的流體進行熱交換。隔熱由一層絕熱材料如具有高隔離性能的泡沫塑料實現(xiàn)。該層也可貼靠在熱發(fā)生器200內部的框架或另一組成件上，以形成這些隔熱室。盡管該第二實施方式描述了帶有三個磁裝置和八個熱模塊的構型，但是，本發(fā)明并不限于這種數(shù)量的磁裝置和磁熱材料。可以有其它構型，其它構型可取決于與磁熱式熱發(fā)生器相聯(lián)系的應用、用于磁熱式熱發(fā)生器的可用容積等。載熱流體朝相反兩個方向的移動，由與每個熱模塊210相結合的一活塞2進行，但是，也可使用其它適合的裝置。在加熱相應的磁熱材料的過程中，活塞2使載熱流體朝熱模塊210的熱端H21的方向流動(圖3A);在冷卻相應的磁熱材料的過程中，活塞2朝熱模塊210的冷端C21的方向流動(圖3B)。
因此，在圖3A中，熱模塊210經受升溫，因為磁熱材料211、212、213布置在相應的磁裝置231、232、233的氣隙6中，載熱流體從熱模塊210的具有最低居里溫度的磁熱材料211的冷端C21，移向具有最高居里溫度的磁熱材料213的熱端H21。在圖3B中，熱模塊210經受降溫，因為磁熱材料211、212、213位于磁裝置231、232、233的氣隙外，載熱流體從熱模塊210的具有最高居里溫度的磁熱材料213的熱端H21，被移向具有最低居里溫度的磁熱材料211的冷端C21。該流體循環(huán)方向交替變化可獲得和保持熱模塊210中的溫度梯度。根據(jù)本發(fā)明，將磁裝置231、232、233熱分開和分配能在有限的溫度范圍工作的一個或多個磁熱材料，具有兩個主要優(yōu)點。一方面，啟動熱發(fā)生器時，磁熱材料211、212、213在兩個磁相之間保持其溫度，在熱模塊210中的總溫度梯度更快速地達到。隔熱可利用磁熱材料211、212、213的熱慣性。另一方面，熱發(fā)生器200的性能增強，因為每對磁鐵231、232、233中經受的溫度梯度有限，因此，磁鐵對相應的磁熱材料211、212、213的溫度梯度的熱影響減小，無需使用任何能量來重新獲得所述磁熱材料中的最大溫度梯度。隔熱也可利用磁裝置231、232、233的熱慣性。此外，可以將隔離室241、242、243以密封圍腔實現(xiàn)，使其置于真空下或為其充填熱導率低的氣體例如氬或氪、或者這些氣體的混合物。優(yōu)選地，氣體的壓力等于大氣壓。還可將該氣體增壓。帶有填料的密封系統(tǒng)可用于確保這些圍腔的密封性，同時允許與圍腔外部的連接(電氣連接、機械連接等)。根據(jù)本發(fā)明的隔離室尤其可以如所述構型的構型實施，因為流體在磁熱元件中的循環(huán)方向垂直于磁場的變化方向。與結合第一實施方式的前述優(yōu)點相同的優(yōu)點，也適用于該第二實施方式。圖5A和5B示出根據(jù)圖2A和2B的發(fā)生器100的另一實施變型的熱發(fā)生器300。其提出在磁裝置131、132及其相應的磁熱元件111、112之間插置絕熱材料151、152。在圖5A和5B中，該絕熱材料151、152是布置在磁熱元件111、112上的泡沫塑料層。絕熱材料還可以是氣凝膠類型的材料。但是，本發(fā)明不限于這種構型，泡沫塑料也可例如貼靠在磁裝置131、132上。這種優(yōu)選構型還可降低磁裝置對磁熱元件111、112的熱效應。工業(yè)應用的可能性:這種熱發(fā)生器100、200、300應用于需要加熱、調溫、冷卻或進行空氣調節(jié)的任何技術領域中。本發(fā)明不局限于所述的實施例，而是擴展到對于本領域技術人員來說顯而易見的、同時完全保持在所附權利要求書中限定的保護范圍內的任何變化和變型。
權利要求
1.本發(fā)生器(100，200，300)，其具有至少一個熱模塊(110，210)，所述熱模塊包括至少兩個磁熱元件(111，112，211，212，213)，所述熱發(fā)生器(100，200，300)的特征在于: -其包括至少兩個磁裝置(131，132，231，232，233)，每個磁裝置(131，132，231，232，233)使所述熱模塊(110，210)的至少一個磁熱元件(111，112，211，212，213)經受磁相的交替變化；并且 -其包括隔離件，所述隔離件使所述磁裝置(131，132，231，232，233)彼此隔離，形成隔熱室(141，142，241，242，243)，所述隔熱室包括一磁裝置(131，132，231，232，233)及其相關聯(lián)的磁熱元件(111，112，211，212，213)。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱發(fā)生器，其特征在于，對于所述熱模塊(110，210)，一個磁裝置(131，132，231，232，233)被分配給一個磁熱元件(111，112，211，212，213)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的熱發(fā)生器，其特征在于，所述熱發(fā)生器包括至少兩個熱模塊(210，1210，2210，3210，4210，5210，6210，7210);并且，至少一個公共磁裝置(231，232，233)使至少兩個熱模塊(210，1210，2210，3210，4210，5210，6210，7210)的磁熱元件經受交替的磁相。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的熱發(fā)生器，其特征在于，所述隔離件由一層至少一絕熱材料實現(xiàn)，其圍繞每個磁裝置(131，132，231，232，233)及其相關聯(lián)的磁熱元件(111，112，211，212，213)布置。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的熱發(fā)生器，其特征在于，所述隔離件固定于所述磁裝置。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的熱發(fā)生器，其特征在于，所述隔熱室(141，142，241，242，243)是密封圍腔。
7.根據(jù)權利要求6所述的熱發(fā)生器，其特征在于，所述隔熱室(141，142，241，242，243)處于真空下。
8.根據(jù)權利要求6所述的熱發(fā)生器，其特征在于，所述隔熱室(141，142，241，242，243)被充填有一種低熱導率的氣體或多種低熱導率的氣體的混合物。
9.根據(jù)權利要求8所述的熱發(fā)生器，其特征在于，所述隔熱室(141，142，241，242，243)中容納的氣體的壓力等于大氣壓。
10.根據(jù)權利要求8所述的熱發(fā)生器，其特征在于，所述隔熱室(141，142，241，242，243)中容納的氣體處于增壓下。
11.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的熱發(fā)生器，其特征在于，一層絕熱材料(151，152)布置在每個磁裝置(131，132)及其相關聯(lián)的磁熱元件(111，112)之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱發(fā)生器(100)，其具有至少一個熱模塊(110)，所述熱模塊具有至少兩個磁熱元件(111，112)。熱發(fā)生器(100)的特征在于其具有至少兩個磁裝置(131，132)，每個磁裝置(131，132)使所述熱模塊(110)的至少一個磁熱元件(111，112)經受磁相的交替變化；其具有隔離件，隔離件使磁裝置(131，132)彼此隔離，形成隔熱室(141，142)，該隔熱室具有一磁裝置(131，132)及其相關聯(lián)的磁熱元件(111，112)。
文檔編號F25B21/00GK103097834SQ201180038956
公開日2013年5月8日 申請日期2011年8月3日 優(yōu)先權日2010年8月9日
發(fā)明者J-C·埃茨勒, C·米勒 申請人:制冷技術應用股份有限公司