热流的产生方法以及磁热式热发生器

摘要

本发明涉及从至少一个热力组件（1）产生热流的方法，所述热力组件包括至少两个磁热元件（21，22，23，24），所述磁热元件两两地流体连接、被载热流体穿过且经受可变磁场，所述载热流体与磁场变化同步地同时流经所述磁热元件（21，22，23，24），所述方法的特征在于，其还包括：使所述磁热元件（21，22，23，24）交替地经受相反变化的磁场；使所述载热流体在所述磁热元件（21，22，23，24）中沿两个相反方向同时流通，以便一方面，在加热阶段结束后，从所述磁热元件（21，23；22）中的一个磁热元件流出的载热流体在下一个磁化阶段期间，在经受加热的下一个磁热元件（22，24；23）中流通，另一方面，在冷却阶段结束后，从所述磁热元件（22，24；23）中的一个磁热元件流出的载热流体在下一个磁化阶段期间，在经受冷却的下一个磁热元件（21，23；22）中流通，反之亦然；以及，在两个相反的磁化阶段之间，使载热流体贮存在一个中间接纳区域（81，82，83，91，92，93）中。本发明还涉及一种用于实施所述方法的热发生器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种从至少一个热力组件产生热流的方法，所述热力 组件包括至少两个磁热元件，所述磁热元件两两地流体连接、被载热 流体穿过且经受可变磁场，所述可变磁场在每个磁热元件中交替地产 生一个不同的磁化阶段，所述不同的磁化阶段相应于相继的一个加热 阶段和一个冷却阶段，载热流体与磁场变化同步地同时流经所述磁热 元件。

本发明的目的还在于一种用于实施所述方法的热发生器，所述热 发生器包括：至少一个热力组件，所述热力组件包括至少两个相关联 的磁热元件，所述磁热元件彼此流体连接、设置成被载热流体穿过； 用于使每个磁热元件经受可变磁场的磁化装置，所述可变磁场在每个 磁热元件中交替地产生两个相继的磁化阶段，所述两个相继的磁化阶 段相应于一个加热阶段和一个冷却阶段，载热流体流经所述磁热元件 通过与磁场变化同步的循环部件实施。

背景技术

环境温度下的磁冷却技术二十多年来是公知的，已知其在生态学 和可持续发展方面具有优点。也已知，在其有效热功率及其效率方面 也有其局限性。因此，在该领域所进行的研究完全趋向于利用不同的 参数，例如磁化功率、磁热元件的性能、载热流体和磁热元件之间的 热交换面积、热交换器的性能等等，来提高这种发生器的性能。

磁热材料的选择决定和直接影响磁热式热发生器的性能。为了改 进这些性能，一个技术方案在于连接多种具有不同居里温度的磁热材 料，以增大该组合件的端部之间的温度梯度。

因此，公知的热发生器包括至少一个例如图1A和1B所示的热力 组件M，并且包括并列布置的对齐的磁热材料、载热流体循环部件例 如活塞P，用于在磁热材料MC的两侧，在磁热材料MC的组合件 （assemblage）的冷端F和热端C之间，与磁场变化（未示出）同步 地，驱动载热流体按照往复运动流经磁热材料组MC。如图1A和1B 所示，这些活塞P布置在磁热材料MC的组合件的两侧，交替地先沿 一个方向然后沿另一个方向移动，图1A和1B示出活塞处于其两个极 限位置。

如图1A和1B所示，流体或者当磁热材料经受一个加热周期时， 沿一个方向朝热端C的方向移动（载热流体的移动方向用虚线箭头示 出，见图1A），或者当磁热材料经受一个冷却周期时，沿另一个方向 朝冷端F的方向移动（载热流体的移动方向用实线箭头示出，见图 1B）。

该热力组件M具有缺陷，因为为了到达一个温度梯度，必须使载 热流体流经所有材料。使用多个磁热元件MC会增加由所述载热流体 经过的材料的长度。因此，为了不减少周期数量（一个周期由磁热元 件的加热和冷却限定），必须提高载热流体的速度。不过，速度提高 的结果是压力增大，从而增大压力损失，降低载热流体和磁热元件之 间的热交换效能，引起磁热式发生器的热效率降低。

也公知地，为了提高磁热式发生器的热功率，一种可能性在于增 加每秒的周期数量。不过，其结果是速度增大，也会导致前述缺陷。

由于所用材料的多样性，包括例如图1A和1B所示的热力组件M 的发生器需要不可忽视的准备工作时间，以便在两个端部之间达到可 利用的温度梯度。

本申请人在尚未公开的专利申请FR08/05901中提出一种磁热式 热发生器，其可以相同量或相同长度的材料提高公知的发生器的热效 率。

本申请人在专利申请WO2007/026062和WO2008/012411中也提 出具有组块结构的磁热式热发生器，其具有与磁热材料接触的两个不 同的热回路和冷回路。

发明目的

本发明旨在弥补现有技术中的前述缺陷，或者作为专利申请 FR08/05901的主题的变型，提出一种产生热流的方法，其易于由磁热 式热发生器实施，具有提高的热效率，也可在所述发生器的热端和冷 端之间快速达到较大的温度梯度，以便对于相同数量或相同长度的磁 热材料来说提高其效能。

为此，本发明涉及一种前序部分所述类型的方法，其特征在于， 其还包括：

-通过两个不同的流体回路使磁热元件两两地连接，

-使所述磁热元件交替地经受相反变化的磁场，以便在每个磁热 元件中同时产生相反的磁化阶段，

-使载热流体同时在两两的所述磁热元件中沿两个相反方向同时 流通，以便一方面，在磁化加热阶段结束后，从所述磁热元件中的一 个磁热元件流出的流经所述流体回路中的一个流体回路的一定量的载 热流体在下一个磁化阶段期间，在然后经受磁化加热阶段的下一个磁 热元件中流通；另一方面，在磁化冷却阶段结束后，从所述磁热元件 中的一个磁热元件流出的流经所述流体回路的另一个流体回路的一定 量的载热流体在下一个磁化阶段期间，在经受磁化冷却阶段的下一个 磁热元件中流通，反之亦然，以及

-在两个相反的磁化阶段之间，使从所述磁热元件中的一个磁热 元件流出的载热流体贮存在一个中间接纳区域中。

本发明的目的还在于例如前面部分所述的热发生器，其特征在于， 所述磁热元件通过不同的两个流体回路两两地流体连接，每个流体回 路包括至少一个隔间，所述至少一个隔间能够在磁化阶段期间接纳从 所述磁热元件的一个磁热元件流出的一限定量的载热流体，且能够在 下一个磁化阶段期间向下一个磁热元件输送所述限定量的载热流体。

本发明的方法尤其在于，使载热流体同时朝所述热力组件的称为 冷端的第一端部的方向流经每个经受冷却阶段的磁热元件，和朝所述 热力组件的称为热端的第二端部的方向流经每个经受加热阶段的磁热 元件。

本发明的方法还在于使磁热元件通过不同的两个回路两两地流体 连接，所述两个回路分别为：一个称为冷回路的冷却流体回路和一个 称为热回路的加热流体回路，所述两个回路每个都包括形成一个中间 接纳区域的一个隔间，所述隔间布置在两个相邻的磁热元件之间，设 置用于接纳从磁热元件流出的载热流体，所述载热流体再注入到下一 个磁热元件中。

为了增大其使用的温度范围（例如-25℃至+65℃），本发明的 方法可在于，按照朝磁热元件朝热力组件的热端的方向逐渐增大的居 里温度，在所述热力组件中布置磁热元件，每个磁热元件都具有不同 的居里温度。

在这种布置中，所述方法也在于，由多种磁热材料实施所述磁热 元件，所述磁热材料按照朝所述热力组件的热端的方向逐渐增大的居 里温度被设置。

在用于实施本发明的方法的热发生器中，所述循环部件可在每个 隔间中包括一个活塞，所述活塞用于抽吸和压送所述限定量的载热流 体。

此外，所述磁热元件可通过不同的并联的两个回路彼此流体连接， 所述两个回路分别为：一个称为冷回路的冷却流体回路，和一个称为 热回路的加热流体回路，这两个回路配有控制载热流体的流通方向的 控制部件，以使得所述载热流体在所述回路中的流通在相反方向上进 行。

附图说明

在以下参照附图对作为非限制性实施例给出的一个实施方式的说 明中，本发明及其优点将得到更好的理解，在附图中：

图1A和1B是现有技术中的热力组件的示意图；

图2A至2C是由四个磁热元件构成的一个热力组件分别处于本发 明的方法的三个相继阶段的示意图，示出载热流体流经所述四个磁热 元件；

图3是本发明的热力组件的一个实施方式的透视图；

图4是图3所示的热力组件的一部分的正视图；

图5A和5B是图3所示的热力组件分别沿图4中的平面C-C和 D-D的剖面图，示出热力组件处于第一磁化阶段；

图6是图3所示的与图4相同的热力组件的一部分的正视图；以 及

图7A和7B是图3所示的热力组件分别沿图6中的平面A-A和 B-B的剖面图，示出热力组件处于第二磁化阶段。

具体实施方式

在所示的实施例中，相同的构件或部件具有相同的附图标记。

图2至7所示的热力组件1包括四个磁热元件21、22、23、24， 其限定位于附图左侧的一个冷端3和位于附图右侧的一个热端4，这 些元件两两地彼此连接，即在相邻的磁热元件21和22、22和23、以 及23和24之间进行连接。这些磁热元件21、22、23、24每次由两个 不同的流体回路8和9，即一个冷回路8和一个热回路9彼此连接。 磁热元件21、22、23、24在两个并联的不同的流体回路8和9中串联。 每个流体回路8、9包括一个活塞61、62、63；71、72、73，其形成 载热流体循环部件，每个活塞的腔室形成一个隔间81、82、83或91、 92、93，其与相应的磁热元件21、22、23、24流体连接。所述隔间 81、82、83、91、92、93形成载热流体的中间接纳区域，所述载热流 体在两个磁化阶段之间被抽吸和压送。此外，回路8、9也包括控制载 热流体的流通方向的控制部件（见图5A和5B），例如止回阀。这些 载热流体的控制部件旨在强制载热流体在回路8、9中的流通方向，例 如，参照附图，对于回路8，是自右至左，即从热端4向冷端3，对于 回路9，是自左至右，即从冷端3向热端4。

磁热元件21、22、23和24具有从冷端3向热端4逐渐增大的居 里温度，具有最高居里温度的磁热元件24布置在热力组件1的热端4 处。在变型中，每个磁热元件2可通过组装也按照其逐渐增大的居里 温度布置的多种磁热材料而实施。这些磁热元件包括连通的流体通道 （未示出），所述流体通道可由多孔材料的微孔、在一个实心体上机 加工的微型孔道构成，或者通过例如叠置开槽板的组装获得。

热力组件1的冷端3和热端4与布置于所述热力组件1的端部的 两个磁热元件21和24的冷端和热端重合。当然，其也连接于一个或 多个载热流体循环部件例如活塞，或图2A至2C上未示出的任何其它 等同装置。其也可连接于允许向一个或多个外部应用装置发散热量和/ 或负大卡的热交换器或任何等同部件。

图3、5A、5B、7A和7B所示的热力组件1包括一线性结构，在 该线性结构中，四个磁热元件21、22、23和24排列成行。当然，可 采用任何其它适当的形式。

图3、5A、5B、7A和7B未示出可使磁热元件21至24经受可变 磁场的磁化装置5。但是，所述磁化装置5示意地示于图2A至2C。 其可由相对于磁热元件21至24相对移动的永久磁体或由任何其它类 似的部件构成。

每个磁热元件21、22、23、24能够由被活塞61、62、63；71、 72、73驱动的载热流体穿过，且通过磁化装置5经受变化的磁场，所 述磁化装置产生交替的加热阶段和冷却阶段，一个磁化周期由两个磁 化阶段构成，所述两个磁化阶段与相应的磁热元件21、22、23、24 的一个冷却阶段和一个加热阶段一致。活塞61、62、63；71、72、73 的移动与磁场变化同步，以使得载热流体朝热端4的方向流经经受加 热周期的每个磁热元件21和23或22和24，且朝冷端3的方向流经 经受冷却周期的每个磁热元件22和24或21和23。由于每个都使磁 热元件21、22、23、24串联连接的两个不同的流体回路8和9，这种 移动是可行的。实际上，称为冷回路的第一流体回路8专用于仅在磁 热元件21、22、23、24经受冷却周期时，载热流体如图所示自右至左 流经所述磁热元件，称为热回路的第二流体回路9专用于仅在磁热元 件21、22、23、24经受加热周期时，载热流体如图所示自左至右流经 所述磁热元件。对腔室81、82、83；91、92、93来说是一样的，其中， 第一部分81、82、83相当于第一流体回路8，仅仅在磁热元件21、22、 23、24经受冷却周期时，接纳穿过所述磁热元件进行冷却的载热流体， 第二部分91、92、93相当于第二流体回路9，仅仅在磁热元件21、22、 23、24经受加热周期时，接纳穿过所述磁热元件进行再加热的载热流 体。

正如已经描述的，载热流体的控制部件集成在每个回路8、9中， 以强制载热流体的流通方向。换句话说，在两个磁热元件之间，一个 称为热回路的回路8用于使载热流体沿一个方向流通，另一个称为冷 回路的回路9用于使载热流体沿相反的方向流通。所述回路8、9中的 流通方向没有改变，每个所述回路用于使载热流体沿单一的方向流通， 即从一个磁热元件流向由所述回路8、9与之连接的磁热元件。因此， 如果考虑热回路9和冷回路8使磁热元件21和22连接，那么，热回 路9用于使在加热阶段结束后从磁热元件21流出的载热流体以暂时贮 存在或通过一个接纳区域91的方式向磁热元件22输送，冷回路8用 于使在冷却阶段结束后从磁热元件22流出的载热流体以暂时贮存在 或通过一个接纳区域81的方式向磁热元件21输送。热回路9使载热 流体向热端4流通，冷回路8使载热流体向冷端3流通。中间接纳区 域81、91可在两个磁化阶段之间贮存载热流体。

图2A至2C示出热力组件1处于所述方法的三个相继磁化阶段。 图2A、2C、5A和5B示出热力组件1，其中，磁热元件21、22、23、 24处于相同的磁化状态，即：在这些图上从左侧开始的第一和第三磁 热元件21和23经受由磁化装置5产生的磁场或增大的磁场且处于加 热阶段，热力组件1的其它两个磁热元件22和24经受零磁场或减小 的磁场且处于冷却阶段。

在反效应磁热材料的情况下，其经受磁场或逐渐增大的磁场，引 起其冷却和脱离该磁场，或者其经受弱磁场或逐渐减小的磁场，引起 其加热。因此，本发明的方法保持不变，唯有相对于磁场变化来说， 周期的阶段相反。

图2B、7A和7B示出热力组件1，其中，第一和第三磁热元件21 和23处于冷却阶段，因为其不再经受磁场，其它两个磁热元件22和 24经受由磁化装置5产生的磁场并处于加热阶段。载热流体的流通由 活塞61、62、63；71、72、73控制。

图2A、5A和5B示出第一磁化阶段，其中，分别位于工作的第 一磁热元件21（经受磁场或逐渐增大的磁场）和不工作的第二磁热元 件22（不经受磁场或经受逐渐减小的磁场）之间以及工作的第三磁热 元件23和不工作的第四磁热元件24之间的的活塞61、71和63、73 以吸入方式向下移动，以使得其腔室或隔间81、91和83、93抽吸载 热流体，其它两个活塞62和72以压送方式向上移动，以使得其腔室 或隔间82、92排出其内装的载热流体。

图2B、7A和7B示出第二磁化阶段，其中，分别位于现在不工作 的第一磁热元件21和工作的第二磁热元件22之间以及不工作的第三 磁热元件23和工作的第四磁热元件24之间的的活塞61、71和63、 73以压送方式向上移动，以使得其腔室或隔间81、91和83、93排出 其内装的载热流体，其它两个活塞62和72以吸入方式向下移动，以 使得其腔室或隔间82、92抽吸载热流体。

图2C示出第三磁化阶段，其相当于图2A所示的第一磁化阶段。

参照图2A、2B、2C、5A、5B、7A和7B，可以注意到在图2A 所示的第一磁化阶段流经经受加热的第一磁热元件21且引向腔室91 的载热流体，在图2B所示的第二磁化阶段，流经也经受加热的第二 磁热元件22且引向腔室92，然后，在图2C所示的第三磁化阶段，流 经经受加热的第三磁热元件23且引向腔室93。类似地，在图2A所示 的第一磁化阶段流经经受冷却的第四磁热元件24且引向腔室83的载 热流体，在图2B所示的第二磁化阶段，流经也经受冷却的第三磁热 元件23且引向腔室82，然后，在图2C所示的第三磁化阶段，流经经 受冷却的第二磁热元件22且引向腔室81。

因此，如图所示自左至右从冷端3流向热端4的载热流体随着其 靠近所述热端4而加热，因为其穿过磁热元件时利用每个所述磁热元 件的再加热，由每个所述磁热元件21至24相继加热。同时，如图所 示自右至左从热端4流向冷端3的载热流体随着其靠近所述冷端3而 冷却，因为其穿过磁热元件时利用所述磁热元件的冷却，由每个所述 磁热元件24至21相继冷却。此外，冷流体回路8和热流体回路9分 离，以使得在其加热时流经磁热元件的一定量的载热流体从不与在其 冷却时流经相同的磁热元件21至24的一定量的载热流体混和。尤其 是按照其逐渐增大的居里温度布置的磁热元件21至24的这种构型以 及这种方法可增大热力组件1的热端和冷端之间的温度梯度，且快速 达到所述温度梯度。换句话说，本发明可快速获得很大的温度梯度， 从而可快速获得取自这种热力组件1的很大的有效热功率。

本发明的方法可在热力组件1的热端4和冷端3之间产生温度梯 度，且在用应用系统或外部回路提取或交换热能时保持这种温度梯度。 本发明的热发生器实际上用于与一个或多个外部使用回路（取暖、空 调、温度调节等等）交换热能，可选地通过一个热交换器连接于每个 热力组件1的冷端3或热端4中至少一个端部处。热腔室或冷腔室也 可与热力组件1的热端4或冷端3相关联或流体连接。

此外，分段驱动载热流体，即通过两个相邻的磁热元件之间循环 部件驱动载热流体，相对于公知的发生器具有许多优点，在公知的发 生器中，流体同时沿第一方向从第一个磁热元件向最后一个磁热元件 流经所有磁热元件MC，然后，沿着与第一方向相反的方向流经相同 的磁热元件MC（见图1A和1B）。

第一个优点在于，压力损失分散和降低，由活塞61、62、63；71、 72、73驱动的载热流体在每个磁化阶段仅穿过一个磁热元件2，而不 是穿过构成热力组件1的所有磁热元件2。

为此，参照图2A至2C，箭头示出载热流体的移动方向，虚线箭 头相应于向热端4的移动，实线箭头示出向冷端3的移动。

用具有相同长度的磁热材料的本发明的系统与图1A和1B所示的 现有技术中公知的系统相比较，即得出第二个优点。可以看出，对于 载热流体穿过磁热元件MC的相同速度来说，周期的频率在包括热力 组件1的本发明的发生器中乘以四。因此，这种热发生器的热功率也 按相同的比例增大。

作为示例性实例，对于100mm/s的载热流体速度和100毫米长度 的每个磁热元件来说：

-为了穿过图1A和1B所示的现有技术中公知的系统的所有磁热 元件MC，所需的时间是（4×100）÷100=4秒，这相当于0.25赫兹 的频率，

-而为了穿过本发明的热发生器1的所有磁热元件21至24，所 需的时间是（1×100）÷100=1秒，这相当于1赫兹的频率，即快三 倍。

同样，用现有技术中公知的系统与本发明的热力组件1比较，可 以看出，对于相同的周期（去磁和磁化）的频率来说，载热流体的移 动速度在本发明的热发生器中除以四。在本发明中其作用是压力损失 降低，这相当于减少使载热流体移动所需要的能量，增加热交换时间， 从而提高热交换功率。

作为示例性实例，对于相应于一秒钟的加热（或磁化）阶段的0.5 赫兹频率以及一秒钟的冷却（或去磁）阶段和100毫米长度的每个磁 热元件来说：

-为了在一秒钟期间穿过图1A和1B所示的现有技术中公知的系 统的所有磁热元件MC，载热流体的速度必须为（4×0.100）÷ 1=0.4m/s，

-而为了穿过本发明的热发生器1的所有磁热元件21、22、23、 24，在每个公共腔室处被驱动的载热流体的速度是（1×0.100）÷ 1=0.1m/s。

附图未示出活塞81、82、83；71、72、73的操纵部件。这些操纵 部件可以通过安装在例如自身旋转的转轴上的相应的控制凸轮或任何 等同部件来实施。

在这种布置中，也可以使多个热力组件1布置成星形，例如彼此 错开90°的角度，形成一个控制凸轮，该控制凸轮包括相应的也彼此 错开90°的角度的叶片（lobe），因此，所述热力组件围绕一个轴径 向布置成，每个叶片操纵所述热力组件1的每个热力组件的一个活塞。

在未示出的第二实施方式中，活塞81、82、83；71、72、73的操 纵可由一个操纵滑架实施，所述操纵滑架沿所述热力组件1按照往复 平移运动进行移动且包括导槽，每个活塞的相应的连接件在所述导槽 中导向。导槽可具有锯齿形形状，活塞可布置成基本上与操纵滑架相 对。

有利地，所述方法在于使载热流体流经所有磁热元件21至24， 以便在磁热元件1的冷端3和热端4两个端部之间快速建立很大的温 度梯度。在该方法中，第一部分载热流体朝冷端3的方向流通，仅在 磁热元件24至21处于冷却阶段时穿过这些磁热元件，第二部分载热 流体同时朝热端4的方向流通，仅在磁热元件21至24处于加热阶段 时穿过这些磁热元件。因此，在冷回路8中流通的流体随着其接近冷 端3而冷却，穿过按照其逐渐降低的居里温度排列的磁热元件24至 21，与之进行热交换，而在热回路9中流通的流体随着其接近热端4 而加热，穿过按照其逐渐增大的居里温度排列的磁热元件21至24， 与之进行热交换。

当然，本发明不局限于所述的这些实施例，可适合于操纵活塞81、 82、83；71、72、73的任何类型的装置。

本发明的发生器可包括一个或多个热力组件1。这些热力组件的 数量和空间布置取决于可用的空间和所需的热功率。

工业应用的可能性

本说明书清楚地示出本发明可达到既定目标，即提出一种包括一 个或多个热力组件1、结构简单、效率提高的热发生器。

这种热发生器可在有竞争力的成本和减小的空间需求方面在取 暖、空调、温度调节、制冷或其它领域得到工业和家庭应用。

另外，组成该热发生器的所有构件可按照能再现的工业过程加以 实施。

本发明不局限于所述的实施例，而包括对于现有技术人员来说显 而易见的任何改进和变型，同时保持在所附权利要求书中限定的保护 范围中。