相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)主張?jiān)?014年12月11日提交的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)14/567,835的優(yōu)先權(quán)，所述美國專利申請(qǐng)主張?jiān)?014年9月15日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)62/050,284的權(quán)益，所述兩個(gè)申請(qǐng)的全文通過引用的方式并入本文中。

聯(lián)邦政府資助聲明

本發(fā)明在政府支持下，根據(jù)美國能源部授予的de-ar0000128進(jìn)行。美國政府對(duì)本發(fā)明具有某些權(quán)利。

背景技術(shù)：

磁制冷(mr)大體是指利用某些磁熱材料的磁熱效應(yīng)的制冷系統(tǒng)。磁熱效應(yīng)部分是指由于磁熱材料暴露到變化的磁場所產(chǎn)生的磁熱材料的溫度變化?，F(xiàn)代的室溫磁制冷(mr)系統(tǒng)可采用主動(dòng)式磁回?zé)崞?amr)循環(huán)來執(zhí)行冷卻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

磁制冷系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)磁熱材料床，每個(gè)磁熱材料床具有熱側(cè)和冷側(cè)，以及被配置成向所述一個(gè)或多個(gè)床施加在高狀態(tài)和低狀態(tài)中的時(shí)變磁場的磁體。所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括熱傳遞流體、熱側(cè)熱交換器(hhex)、冷側(cè)熱交換器(chex)和被配置成通過所述一個(gè)或多個(gè)床、所述hhex和所述chex循環(huán)所述熱傳遞流體的泵。所述系統(tǒng)也可以包括閥，其被配置成當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述時(shí)變磁場在所述高狀態(tài)中時(shí)，控制在持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)從所述一個(gè)或多個(gè)床的所述冷側(cè)到所述相應(yīng)床的所述熱側(cè)并通過所述hhex的平均流速為φh的所述熱傳遞流體的流動(dòng)。所述閥可以另外被配置成當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述時(shí)變磁場在所述低狀態(tài)中時(shí)，控制在持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)從所述一個(gè)或多個(gè)床的所述熱側(cè)到所述相應(yīng)床的所述冷側(cè)并通過所述chex的平均流速為φc的所述熱傳遞流體的流動(dòng)。所述流速和所述持續(xù)時(shí)間的關(guān)系可以包括δtc＞δth，φc＜φh，以及δthφh＝δtcφc。

磁制冷設(shè)備可以包括多個(gè)磁熱材料床，每個(gè)磁熱材料床具有熱側(cè)和冷側(cè)，以及被配置成向所述多個(gè)床施加在高狀態(tài)和低狀態(tài)中的時(shí)變磁場的磁體。所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括熱傳遞流體、熱側(cè)熱交換器(hhex)、冷側(cè)熱交換器(chex)和被配置成通過所述多個(gè)床、所述hhex和所述chex循環(huán)所述熱傳遞流體的泵。所述設(shè)備也可以包括第一入口閥、第一出口閥、第二入口閥和第二出口閥，所述第一入口閥包括具有一系列孔的第一部件和具有流體連接至所述chex的槽的第二部件，每個(gè)孔被連接至所述多個(gè)床中的床的所述冷側(cè)，所述第一出口閥包括具有一系列孔的第一部件和具有流體連接至所述hhex的槽的第二部件，每個(gè)孔被連接至所述多個(gè)床中的床的所述熱側(cè)，所述第二入口閥包括具有一系列孔的第一部件和具有流體連接至所述hhex的槽的第二部件，每個(gè)孔被連接至所述多個(gè)床中的床的所述熱側(cè)，所述第二出口閥包括具有一系列孔的第一部件和具有流體連接至所述chex的槽的第二部件，每個(gè)孔被連接至所述多個(gè)床中的床的冷側(cè)。在所述第一入口閥中的所述槽和在所述第一出口閥中的所述槽可以被配置成當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述磁場在所述高狀態(tài)中時(shí)，允許在持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)從所述床中的每者的所述冷側(cè)到所述床中的每者的所述熱側(cè)的平均流速為φh的熱傳遞流體的流動(dòng)。在所述第二入口閥中的所述槽和在所述第二出口閥中的所述槽可以被配置成當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述磁場在所述低狀態(tài)中時(shí)，允許在持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)從所述床中的每者的所述熱側(cè)到所述床中的每者的所述冷側(cè)的平均流速為φc的熱傳遞流體的流動(dòng)。所述流速和所述持續(xù)時(shí)間的關(guān)系可以包括δtc＞δth，φc＜φh，以及δthφh＝δtcφc。

磁制冷設(shè)備可以包括多個(gè)磁熱材料床，每個(gè)磁熱材料床具有熱側(cè)和冷側(cè)以及被配置成向所述多個(gè)床施加時(shí)變磁場的磁體。所述設(shè)備也可以包括熱傳遞流體、熱側(cè)熱交換器(hhex)、冷側(cè)熱交換器(chex)以及被配置成通過所述多個(gè)床、所述hhex和所述chex循環(huán)所述熱傳遞流體的泵。所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括冷側(cè)閥，其具有距所述冷側(cè)閥的中心的第一半徑和距所述冷側(cè)閥的所述中心的第二半徑，所述冷側(cè)閥包括第一部件，其具有沿所述第一半徑的第一系列孔和沿所述第二半徑的第二系列孔，其中，所述第一系列孔中的每者流體連接至所述多個(gè)床中的每者的冷入口管道，并且其中，所述第二系列孔中的每者連接至所述多個(gè)床中的每者的冷出口管道，并且也包括第二部件，其具有沿所述第一半徑流體連接至所述chex的出口的第一槽和沿所述第二半徑流體連接至所述chex的入口的第二槽。所述設(shè)備也可以包括熱側(cè)閥，其具有距所述熱側(cè)閥的中心的第三半徑和距所述熱側(cè)閥的所述中心的第四半徑，所述熱側(cè)閥包括第一部件，其具有沿所述第三半徑的第三系列孔和沿所述第四半徑的第四系列孔，其中，所述第三系列孔中的每者流體連接至所述多個(gè)床中的每者的熱入口管道，并且其中，所述第四系列孔中的每者流體連接至所述多個(gè)床中的每者的熱出口管道，以及第二部件，其具有沿所述第三半徑流體連接至所述hhex的出口的第三槽和沿所述第四半徑流體連接至所述hhex的入口的第四槽。所述第一槽、所述第二槽、所述第三槽和所述第四槽可以被配置成當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述磁場在所述高狀態(tài)中時(shí)，允許在持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)從所述多個(gè)床中的每者的所述冷側(cè)到所述相應(yīng)床的所述熱側(cè)的平均流速為φh的熱傳遞流體的流動(dòng)。所述第一槽、所述第二槽、所述第三槽和所述第四槽可以另外被配置成當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述磁場在所述低狀態(tài)中時(shí)，允許在持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)從所述多個(gè)床中的每者的所述熱側(cè)到所述相應(yīng)床的所述冷側(cè)的平均流速為φc的熱傳遞流體的流動(dòng)。所述流速和所述持續(xù)時(shí)間的關(guān)系可以包括δtc＞δth和φc＜φh，以及δthφh＝δtcφc。

磁制冷和流體冷卻設(shè)備可以包括一個(gè)或多個(gè)磁熱材料床，每個(gè)磁熱材料床具有熱側(cè)和冷側(cè)，以及被配置成向所述一個(gè)或多個(gè)床施加在高狀態(tài)和低狀態(tài)中的時(shí)變磁場的磁體。所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括熱傳遞流體、熱側(cè)熱交換器(hhex)、冷側(cè)熱交換器(chex)、流體冷卻熱交換器(hex)，以及被配置成通過所述一個(gè)或多個(gè)床、所述hhex、所述chex和所述hex循環(huán)所述熱傳遞流體的泵。所述設(shè)備也可以包括閥，其被配置成當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述磁場在所述高狀態(tài)中時(shí)，控制在持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)從所述一個(gè)或多個(gè)床中的每者的所述冷側(cè)到所述一個(gè)或多個(gè)床中的每者的所述熱側(cè)的平均流速為φh的所述熱傳遞流體的流動(dòng)。所述閥可以另外被配置成當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述磁場在所述低狀態(tài)中時(shí)，控制在持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)從所述一個(gè)或多個(gè)床中的每者的所述熱側(cè)到所述一個(gè)或多個(gè)床中的每者的所述冷側(cè)的平均流速為φc的所述熱傳遞流體的流動(dòng)。所述閥可以另外被配置成當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述磁場在所述低狀態(tài)中時(shí)，引導(dǎo)從所述一個(gè)或多個(gè)床中的每者的所述冷例出射到所述hex和出射到所述相應(yīng)床的所述熱側(cè)的所述熱傳遞流體的餾分f。所述流速、所述持續(xù)時(shí)間以及所述熱傳遞流體的所述餾分f的關(guān)系可以包括δtc＞δth，以及δthφh＝(1-f)δtcφc。

方法可以包括將多個(gè)磁熱材料床旋轉(zhuǎn)入和旋轉(zhuǎn)出磁體的磁場以形成具有高狀態(tài)和低狀態(tài)的時(shí)變磁場，其中，所述時(shí)變磁場被施加于所述多個(gè)床中的每者。所述方法也可以包括當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述時(shí)變磁場在所述高狀態(tài)中時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥以控制在持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)從所述多個(gè)床中的每者的冷側(cè)到所述相應(yīng)床的熱側(cè)的平均流速為φh的熱傳遞流體的流動(dòng)。所述閥可以在施加于所述相應(yīng)床的所述時(shí)變磁場在所述低狀態(tài)中時(shí)，控制在持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)從所述多個(gè)床中的每者的所述熱側(cè)到所述相應(yīng)床的所述冷側(cè)的平均流速為φc的所述熱傳遞流體的流動(dòng)。所述流速和所述持續(xù)時(shí)間的關(guān)系可以包括δtc＞δth，φc＜φh，以及δthφh＝δtcφc。

方法可以包括圍繞多個(gè)磁熱材料床旋轉(zhuǎn)磁體的磁場以形成相關(guān)于所述多個(gè)床中的每者的具有高狀態(tài)和低狀態(tài)的時(shí)變磁場。所述方法也可以包括當(dāng)施加于所述相應(yīng)床的所述時(shí)變磁場在所述高狀態(tài)中時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥以控制在持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)從所述多個(gè)床中的每者的冷側(cè)到所述相應(yīng)床的熱側(cè)的平均流速為φh的熱傳遞流體的流動(dòng)。所述閥可以在施加于所述相應(yīng)床的所述時(shí)變磁場在所述低狀態(tài)中時(shí)，控制在持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)從所述多個(gè)床中的每者的所述熱側(cè)到所述相應(yīng)床的所述冷側(cè)的平均流速為φc的所述熱傳遞流體的流動(dòng)。所述流速和所述持續(xù)時(shí)間的關(guān)系可以包括δtc＞δth，φc＜φh，以及δthφh＝δtcφc。

附圖說明

圖1a至圖1d示出使用amr循環(huán)的磁制冷機(jī)系統(tǒng)。

圖2a(平面視圖)和圖2b(以a-a從圖2a截取的橫截面)示出根據(jù)說明性實(shí)施例的可以用來表征呈局部環(huán)形區(qū)的形狀的間隙體積的參數(shù)。

圖3示出根據(jù)說明性實(shí)施例的作為磁體組件的高場區(qū)域的角范圍的函數(shù)的等吹系統(tǒng)和不等吹系統(tǒng)的最小床體積。

圖4示出根據(jù)說明性實(shí)施例的作為所述高場區(qū)域的角范圍的函數(shù)的從不等吹優(yōu)化過程獲得的用于3500w系統(tǒng)的優(yōu)化熱吹和冷吹持續(xù)時(shí)間。

圖5示出根據(jù)說明性實(shí)施例的從所述優(yōu)化過程獲得的熱吹和冷吹流速。

圖6a和圖6b示出根據(jù)說明性實(shí)施例的具有兩個(gè)相同線性置換器的磁制冷系統(tǒng)的示意圖。

圖7a和圖7b示出根據(jù)說明性實(shí)施例的具有四個(gè)受控閥的磁制冷系統(tǒng)的示意圖，其中，兩個(gè)受控閥在所述冷側(cè)上以及兩個(gè)受控閥在所述熱側(cè)上。

圖8示出根據(jù)說明性實(shí)施例的定子和轉(zhuǎn)子，所述定子具有居于距盤的中心的徑向距離的中心的環(huán)形孔，所述轉(zhuǎn)子具有居于距所述盤的所述中心的與所述定子的孔相同的徑向距離的中心的特定角范圍的內(nèi)槽。

圖9示出根據(jù)說明性實(shí)施例的冷入口閥和熱出口閥的轉(zhuǎn)子槽，其角范圍比熱入口閥和冷出口閥的轉(zhuǎn)子槽更小。

圖10示出根據(jù)說明性實(shí)施例的具有改動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤閥以提供不等熱和冷吹持續(xù)時(shí)間和流速的磁制冷系統(tǒng)。

圖11示出根據(jù)說明性實(shí)施例的用在圖10的實(shí)施例的所述閥中的轉(zhuǎn)子盤和定子盤。

圖12示出根據(jù)說明性實(shí)施例的具有數(shù)量等于床的數(shù)量的孔對(duì)的冷側(cè)轉(zhuǎn)子和熱側(cè)轉(zhuǎn)子。

圖13示出根據(jù)說明性實(shí)施例的通過磁制冷系統(tǒng)中的所選擇床的熱吹流體路徑。

圖14示出根據(jù)說明性實(shí)施例的具有進(jìn)行熱吹的第一所選擇床和同時(shí)進(jìn)行冷吹的第二床的磁制冷系統(tǒng)。

圖15示出根據(jù)說明性實(shí)施例的具有帶有特定角范圍的槽的轉(zhuǎn)子和具有8個(gè)孔的環(huán)的定子。

圖16示出根據(jù)說明性實(shí)施例的對(duì)于n＝8，定子中的孔與床的閥的關(guān)聯(lián)。

圖17示出根據(jù)說明性實(shí)施例的具有進(jìn)行熱吹的第一所選擇床和同時(shí)進(jìn)行冷吹的第二床的磁制冷系統(tǒng)。

圖18為根據(jù)說明性實(shí)施例的說明各種不同角范圍的ndfeb質(zhì)量的表格。

圖19a和圖19b示出根據(jù)說明性實(shí)施例的作為流體冷卻器操作的磁制冷系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

磁制冷(mr)為基于磁熱效應(yīng)，即，某些材料當(dāng)被置于磁場中時(shí)變熱和當(dāng)所述場被去除時(shí)冷卻所表現(xiàn)出的特性的出射冷卻技術(shù)。磁制冷相對(duì)于為目前最廣泛使用的冷卻方法的蒸汽壓縮提供許多不同的優(yōu)點(diǎn)。首先，mr不使用氫氟碳(hfc)、氯氟碳化物(cfc)或任何其它氣態(tài)物質(zhì)。而是，mr系統(tǒng)中的制冷劑呈多孔固體的形式。不存在任何氣體大大降低在蒸汽壓縮系統(tǒng)中為普遍問題的泄漏的可能性。因此，mr系統(tǒng)可以具有減少維護(hù)和停工時(shí)間的更大可靠性。消除hfc和cfc對(duì)于環(huán)境是有好處的，因?yàn)檫@些氣體消耗臭氧并造成全球變暖。最后，理論研究表明mr系統(tǒng)比蒸汽壓縮系統(tǒng)可以更高效節(jié)能，特別是在非峰值負(fù)載狀況下。

現(xiàn)代的室溫mr系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行冷卻的所謂的主動(dòng)式磁回?zé)崞?amr)循環(huán)，如在美國專利第4,332,135號(hào)中公開。該循環(huán)具有四個(gè)階段，如圖1示意性所示。在該圖中的mr系統(tǒng)包括多孔磁熱材料(mcm)床190和熱傳遞流體，在所述熱傳遞流體流過所述床時(shí)，其與所述mcm交換熱量。所述床的左側(cè)為冷側(cè)，而所述熱側(cè)在右側(cè)上(另選地，取向可不同)。流體流動(dòng)的計(jì)時(shí)和方向(熱到冷或冷到熱)通過磁場192的施加和去除來進(jìn)行協(xié)調(diào)。在圖1a的所述循環(huán)的第一階段(“磁化”)中，在所述床190中的所述流體停滯時(shí)，磁場192被施加于所述mcm，致使所述mcm發(fā)熱。在圖1b的下一階段(所述“熱吹”)中，在所述床上的所述磁場192被保持時(shí)，溫度為tci(冷入口溫度)的流體經(jīng)由所述冷入口182通過所述床190從所述冷側(cè)被泵送到所述熱側(cè)。該流體從在所述床中的所述mcm提取熱量并在其穿過所述床時(shí)溫度上升。在所述熱吹期間，所述流體以溫度tho(熱出口溫度)經(jīng)由熱出口186退出所述床并通過熱交換器194循環(huán)，其在所述熱交換器向周圍環(huán)境釋放熱量并返回到溫度thi(熱入口溫度)＜tho。在圖1c的下一階段(“退磁”)中，所述流體流動(dòng)被終止并且所述磁場被去除。這致使所述床190進(jìn)一步冷卻。在圖1d的最后一階段(所述“冷吹”)中，流體在持續(xù)不存在所述磁場的情況下，以溫度thi通過所述床經(jīng)由熱入口188從所述熱側(cè)泵送到所述冷側(cè)。所述流體在其穿過所述床190中的所述mcm時(shí)被冷卻，從而達(dá)到溫度tco(冷出口溫度)＜tci。在所述冷吹期間經(jīng)由冷出口184流出所述床的更冷流體通過冷側(cè)熱交換器196循環(huán)，從制冷環(huán)境拾取熱量并允許其保持其更冷的溫度。所述流體以溫度tci流出所述冷側(cè)熱交換器196并完成所述amr循環(huán)。所述mr系統(tǒng)的冷卻功率qc可以由下面的方程式1表示：

方程式1：qc＝(tci-tco)ρcφc

排空到溫?zé)嶂車h(huán)境的熱量qh可以由下面的方程式2表示：

方程式2：qh＝(tho-thi)ρcφh

其中，ρ為所述熱傳遞流體的密度，c為其熱容量，以及φh、φc分別為在所述熱吹和冷吹期間通過所述系統(tǒng)的平均體積流速。符號(hào)δth和δtc在本文中分別用于指代所述熱吹和冷吹的持續(xù)時(shí)間。執(zhí)行所述amr循環(huán)的四個(gè)階段所需的時(shí)間被稱為循環(huán)周期并且其倒數(shù)被稱為循環(huán)頻率。所述mr系統(tǒng)的溫度跨度被定義為所述入口流體的溫差：thi-tci。

圖1示出單床mr系統(tǒng)的操作。在替代實(shí)施例中，多個(gè)床可被組合在單個(gè)系統(tǒng)中以增加冷卻功率、減小所述系統(tǒng)尺寸或以其它方式改善所述循環(huán)的性能，其中，每個(gè)床進(jìn)行相同的amr循環(huán)。

為實(shí)現(xiàn)所述amr循環(huán)，磁制冷機(jī)利用mcm的一個(gè)或多個(gè)多孔床、熱傳遞流體、驅(qū)動(dòng)所述流體通過所述床的泵、用于向所述床施加和去除磁場的過程，以及借助所述磁場在床上的施加和去除來協(xié)調(diào)所述流體流過所述床的計(jì)時(shí)和方向的流量控制系統(tǒng)。在磁制冷機(jī)中的所述amr循環(huán)的一個(gè)實(shí)施方案中，由單獨(dú)的相同床形成的輪盤通過永磁體組件中的間隙旋轉(zhuǎn)。在此布置中，所述磁場在給定床進(jìn)入所述磁體組件中的所述間隙時(shí)被施加于給定床，所述場在所述床旋轉(zhuǎn)通過所述間隙時(shí)得以保持，并且在所述床上的所述場在所述床從所述間隙旋轉(zhuǎn)出時(shí)被去除。所述床在其在所述磁體組件的所述間隙外部時(shí)不經(jīng)受磁場。被稱作“旋轉(zhuǎn)床”磁制冷機(jī)或rbmr的此布置在美國專利第6,526,759號(hào)中描述。

在磁制冷機(jī)中的所述amr循環(huán)的第二實(shí)施方案中，帶有間隙的磁體組件相對(duì)于固定的mcm床旋轉(zhuǎn)。當(dāng)所述磁體組件相對(duì)于給定床旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述磁場被施加于所述給定床。所述場在所述床保持在所述磁體間隙內(nèi)時(shí)保持在所述床上。在所述磁體旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離所述給定床時(shí)，所述磁場被去除。被稱作旋轉(zhuǎn)磁體磁制冷機(jī)或rmmr的此布置在美國專利第6,668,560號(hào)中描述。

通常，1-2特斯拉的磁場被用于有效地利用所述磁熱效應(yīng)以用于商業(yè)相關(guān)的制冷。此場通常由強(qiáng)有力的ndfeb磁體連同帶有高磁導(dǎo)率的以所希望的模式引導(dǎo)磁通量的元件(例如，軟鐵)的組件提供。用在磁制冷系統(tǒng)中的一種磁體組件為在美國專利第6,946,941號(hào)中描述的改動(dòng)halbach陣列。此組件被設(shè)計(jì)成用于在弧形區(qū)域上產(chǎn)生適合于旋轉(zhuǎn)架構(gòu)的大的場。因?yàn)樗鼈兪褂孟⊥猎豱d和dy，所以ndfeb磁體是昂貴的，并且磁制冷系統(tǒng)的成本由其使用的所述ndfeb磁體的成本支配。因此，為了商業(yè)上切實(shí)可行，磁制冷系統(tǒng)應(yīng)使用絕對(duì)最小質(zhì)量的ndfeb。

在采用在床和所述磁體間隙之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)來施加和去除對(duì)所述床的磁場的磁制冷系統(tǒng)，例如rbmr或rmmr中，所述磁體組件被設(shè)計(jì)成用于在所述間隙體積中產(chǎn)生高磁場，所述磁熱材料被放置到床殼體中。在說明性實(shí)施例中，此間隙體積2呈局部環(huán)形區(qū)的形狀并且可以由如圖2a(平面圖)和圖2b(以圖2a中所示的線a-a截取的橫截面)中所示的四個(gè)參數(shù)表征：間隙高度h、內(nèi)部間隙半徑r1、外部間隙半徑r2和間隙角范圍d(以度為單位被測(cè)量)。給定這些參數(shù)，高場區(qū)域2的體積可以由方程式3表示：

方程式3：

在所述高場體積2中保持所希望的場強(qiáng)度所需的ndfeb質(zhì)量隨著此體積增大而增大。因此，為將所述磁體組件所需的所述ndfeb質(zhì)量降至最低，所述高場體積2可以被降至最低。本文所述的主題通過減小其角范圍d來減小所述高場區(qū)域2的體積。然而，此行為本身將降低可以從床獲得的冷卻功率(原因有待于在下面描述)，從而需要增大床的尺寸以滿足所述mr系統(tǒng)的所希望的冷卻功率目標(biāo)。增大床尺寸繼而涉及增大間隙高度h或間隙徑向間隙深度r2-r1以容納更大的床(或多個(gè)床)。本申請(qǐng)的主題將所述高場區(qū)域的角范圍減小與使用不等持續(xù)時(shí)間和不等流速的熱吹和冷吹進(jìn)行組合以將冷卻功率的下降和床尺寸的增大降至最低。通過所述熱吹和冷吹的不等持續(xù)時(shí)間和流速，與d減小相關(guān)聯(lián)的間隙體積2的所述減小多于彌補(bǔ)所述更大床必要的h和徑向間隙深度的所述增大，并由此引起所述磁體組件的所述間隙體積2和所述ndfeb質(zhì)量的凈減小。

在利用所述磁體組件和所述床之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)的磁制冷系統(tǒng)中，床將在持續(xù)時(shí)間δtm＝d/ω內(nèi)被磁化，其中，ω為在所述床和磁體組件之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)速率(以度每秒為單位)。在所述床被磁化時(shí)執(zhí)行所述熱吹，并且如果所述熱吹持續(xù)時(shí)間δth超出δtm，則在所述床為冷(去磁)時(shí)執(zhí)行冷到熱流體流動(dòng)。這將浪費(fèi)僅從熱到冷流體流動(dòng)獲得的所述冷(去磁)床的冷卻功率中的一些。另一方面，如果δth小于δtm，則將不利用可供用于從所述磁熱材料排熱的時(shí)間中的一些。在此情況下，依靠所述磁熱效應(yīng)在所述磁化床中生成的熱量中的一些可能不完全排空，并且所述床將保持比所需的溫度更暖，并因此當(dāng)所述場被去除時(shí)將不提供盡可能多的冷卻功率。因此，在恰當(dāng)設(shè)計(jì)的磁制冷系統(tǒng)中，預(yù)期δth≈δtm＝d/ω。

到目前為止的所有磁制冷系統(tǒng)采用等吹持續(xù)時(shí)間，其中，δth＝δtc。因?yàn)榇胖评錂C(jī)使用閉合流體循環(huán)系統(tǒng)，流體質(zhì)量守恒規(guī)定在所述吹期間的流速也必須相等：φh＝φc。出于本申請(qǐng)的目的，利用等吹持續(xù)時(shí)間和速率的系統(tǒng)被稱作“等吹”系統(tǒng)。對(duì)于此類系統(tǒng)，顯而易見的是，最大冷卻功率將利用約180度的最大可能d值獲得。如果d減小低于此最大值，則所述熱吹持續(xù)時(shí)間將減少，并因?yàn)樗龃稻哂邢嗟瘸掷m(xù)時(shí)間，也將減少所述冷吹持續(xù)時(shí)間。因此，所述系統(tǒng)將具有在吹之間的不發(fā)生流動(dòng)的增加的時(shí)間(被稱作駐留時(shí)間)。在不存在流動(dòng)的情況下，所述mr系統(tǒng)不可排出熱量或采集冷卻功率，因此系統(tǒng)性能在所述駐留時(shí)間增加時(shí)受損害。出于此原因，等吹系統(tǒng)的性能有利于帶有大的角范圍的磁體組件。而且應(yīng)注意，在等吹系統(tǒng)中，特別是僅帶有很少床的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)流量控制和垂直是相對(duì)簡單的。

為了定量說明這些點(diǎn)，可以使用等吹磁制冷系統(tǒng)的理論模型，例如在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的k.engelbrecht的博士畢業(yè)論文《通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的主動(dòng)式磁回?zé)崞髦评錂C(jī)的數(shù)值模型(anumericalmodelofanactivemagneticregeneratorrefrigerator)》(2008)中所述的理論模型。已知此類模型精確預(yù)測(cè)磁制冷系統(tǒng)性能。此模型可以用來獲得滿足作為由所述磁體組件制造的所述高場區(qū)域的所述角范圍d的函數(shù)的所希望的目標(biāo)冷卻功率所需的最小床體積。

為評(píng)估磁制冷系統(tǒng)的性能，應(yīng)指定定義其操作狀態(tài)、床幾何結(jié)構(gòu)、床組成和場形狀連同所述熱傳遞流體的特性的所有參數(shù)。這些參數(shù)包括制冷循環(huán)頻率、所述高場區(qū)域的角范圍、在所述高場區(qū)域中的峰值場、流速、持續(xù)時(shí)間與所述熱吹和冷吹的起始時(shí)間、在開始所述循環(huán)時(shí)床相對(duì)于所述磁體的位置、所述mcm在所述床中的粒度和填充孔隙度與此mcm的特性(熱容量、密度、熱導(dǎo)率、熵)。另外，為改善性能，一般來說，床將包含具有不同特性的許多層的mcm，并且這些層的特性(例如，它們的居里溫度和厚度)應(yīng)被指定。因此，為滿足給定d值的特定冷卻功率目標(biāo)所需的最小床體積的評(píng)估表示優(yōu)化問題，在所述優(yōu)化問題中，定義所述系統(tǒng)的所述參數(shù)可以有系統(tǒng)地改變直到發(fā)現(xiàn)將所述床體積降至最低的值為止。另外，所述優(yōu)化過程也應(yīng)確保所述系統(tǒng)產(chǎn)生所希望的冷卻功率連同所希望的其它性能限制。例如，磁制冷系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)成用于在24.7℃的溫度跨度提供性能系數(shù)(cop)＝4的3500w的冷卻功率。常用作制冷系統(tǒng)的能量效率的量度的所述cop為由所述系統(tǒng)傳遞的所述冷卻功率對(duì)所述系統(tǒng)的總電力消耗的比率。在此示例中使用的性能目標(biāo)對(duì)于高效的家庭空調(diào)系統(tǒng)是典型的。在所述間隙體積上的平均場可以被固定在1.5特斯拉。而且，所述系統(tǒng)可以使用12個(gè)相同的床(每個(gè)床產(chǎn)生總冷卻功率3500w的1/12)，每個(gè)床具有14個(gè)mcm層。

圖3示出作為所述磁體組件的所述高場區(qū)域的角范圍的函數(shù)(上部曲線)的此等吹系統(tǒng)需要的最小床體積(也就是說，在所述系統(tǒng)中的所有12個(gè)相同床的最小組合體積)。此最小床體積可以通過使用自動(dòng)化數(shù)值優(yōu)化過程獲得，所述自動(dòng)化數(shù)值優(yōu)化過程例如由p.gill，w.murray和m.wright在《實(shí)用優(yōu)化(practicaloptimization)》，學(xué)術(shù)出版社(1981)中論述。

本發(fā)明人已確定在所述高場區(qū)域的所述角范圍增大時(shí)，可以從給定床體積獲得更多冷卻功率，因此，在所述高場區(qū)域的所述角范圍增大時(shí)，滿足3500w的冷卻功率目標(biāo)所需的所述最小床體積減小。這種減小是明顯的：對(duì)于在這里所考慮的示例，在所述角范圍從100度改變到170度時(shí)，所需的床體積下降二分之一。

如上所述，在等吹情形中，在所述高場區(qū)域的所述角范圍減小時(shí)，所述熱吹的持續(xù)時(shí)間δth也減小，從而產(chǎn)生較少時(shí)間以用于排出通過施加所述磁場在所述床中生成的所有熱量。然而，假設(shè)上述示例通過減小所述磁體的所述角范圍、減少所述熱吹持續(xù)時(shí)間、去除所述等吹限制和嘗試通過在此減少熱吹持續(xù)時(shí)間期間增大所述流速以補(bǔ)償所述熱吹的減少持續(xù)時(shí)間來進(jìn)行改動(dòng)，而無需(對(duì)于此刻)改變所述冷吹的所述持續(xù)時(shí)間或流速。這些改動(dòng)將具有兩個(gè)效果。首先，在所述熱傳遞流體和在所述床中的所述mcm的固體顆粒之間的表面熱傳遞系數(shù)將在所述熱吹中變得更大，以便所述流體將能夠從所述mcm提取更多熱量，其中，所述表面熱傳遞系數(shù)大體上為流速的增函數(shù)。其次，穿過所述床的增大的流體體積將能夠帶走更多熱量。因此，在所述熱吹期間流速的所述增大應(yīng)允許所述熱吹更有效，從而增大從所述磁化床排出的所述熱量并當(dāng)所述場被去除時(shí)允許所述床更冷。這應(yīng)該將與所述減少熱吹持續(xù)時(shí)間相關(guān)聯(lián)(繼而與所述高場區(qū)域的所述減小角范圍相關(guān)聯(lián))的冷卻性能的所述減小緩解到一定范圍。

因?yàn)榇胖评錂C(jī)采用閉合流體循環(huán)系統(tǒng)，在所述熱吹期間通過床發(fā)送的熱傳遞流體的所述量必須等于在所述冷吹期間通過所述床發(fā)送的流體的所述量，因此，所述吹的所述流速和持續(xù)時(shí)間必須滿足在下面的方程式4中所闡述的關(guān)系：

方程式4：δthφh＝δtcφc。

當(dāng)所述熱吹持續(xù)時(shí)間減少和所述熱吹流速增大時(shí)，所述冷吹持續(xù)時(shí)間和流速可以保留在它們的等吹值。然而，這將保持在所述吹之間的不必要的長駐留時(shí)間，所述長駐留時(shí)間浪費(fèi)所述制冷循環(huán)的一部分。當(dāng)所述高場區(qū)域具有減小的角范圍時(shí)，床將在更長持續(xù)時(shí)間內(nèi)為冷(去磁)。此附加時(shí)間可以通過增加所述冷吹的所述持續(xù)時(shí)間δtc來利用，這將為捕獲所述循環(huán)的所述冷卻功率提供更多時(shí)間。在此情況下，為滿足方程式4，可以減小在所述冷吹期間的所述流速。減小所述流速將具有當(dāng)所述熱傳遞流體的粘度為最大時(shí)在所述冷吹期間減少粘性耗散的另外好處(盡管通常較小)。

通過這些總體考慮，本發(fā)明人提出通過全部以滿足方程式4的方式引入不等吹(其中，所述熱吹持續(xù)時(shí)間減少、所述冷吹持續(xù)時(shí)間增加、所述熱吹流速增大和所述冷吹流速減小)引入，與在所述等吹情況中的所述高場區(qū)域的所述角范圍的減小相關(guān)聯(lián)的冷卻功率的損失中的一些可以被回收。在所述等吹情況中的冷卻功率的此損失通過圖3中的上部曲線來示范，其中，用于產(chǎn)生3500w的冷卻功率的最小床體積在所述高場區(qū)域的所述角范圍減小時(shí)必須變大。

為驗(yàn)證此期望，理論建?？梢员粦?yīng)用于上面考慮的磁制冷系統(tǒng)被限制為在24.7℃的跨度提供cop＝4的3500w冷卻功率的示例。具體地說，滿足這些性能狀況的所述最小床體積可以通過丟棄所述等吹限制并允許所述兩個(gè)吹的所述持續(xù)時(shí)間和流速獨(dú)立地改變，僅受方程式4約束來確定。為滿足在此不等吹情況中的所述系統(tǒng)性能要求所需的所述最小床體積被示為圖3中的底部曲線。在170度，不等吹相對(duì)于等吹僅提供微弱優(yōu)點(diǎn)，但是此優(yōu)點(diǎn)在所述角范圍減小時(shí)快速增大。而且，正如所預(yù)期的，在所述高場區(qū)域的所述角范圍減小時(shí)，使用不等吹相對(duì)于所述等吹情況產(chǎn)生性能的明顯改善。例如，在100度的角范圍的情況下，使用不等吹僅需要500cm3的床體積，而當(dāng)強(qiáng)制受到等吹限制時(shí)，需要800cm³的床體積。

圖4示出從不等吹優(yōu)化過程獲得的所述3500w系統(tǒng)的作為所述高場區(qū)域的角范圍d的函數(shù)的優(yōu)化熱吹和冷吹持續(xù)時(shí)間。所述吹持續(xù)時(shí)間已經(jīng)通過除以所述循環(huán)周期來歸一化。圖5示出作為d的函數(shù)的從所述優(yōu)化過程獲得的所述熱吹和冷吹流速。正如從上面總體考慮所預(yù)期的，在所述角范圍減小時(shí)，所述優(yōu)化熱吹持續(xù)時(shí)間減少和所述流速增大，而所述冷吹持續(xù)時(shí)間增加并且所述流速減小。

為了在商業(yè)上切實(shí)可行，mr系統(tǒng)應(yīng)使用最小可能的ndfeb量，一般來說，這通過最小化方程式3給出的所述間隙體積來獲得。此間隙體積與所述角范圍d成比例，并且其被視為在減小d時(shí)在圖3中發(fā)生什么。在所述角范圍減小時(shí)，滿足在所述等吹情況(上部曲線)或不等吹情況(下部曲線)的任一者中的所述系統(tǒng)性能要求所需的所述床體積增大，并且為了提供更大床體積，可以增大所述間隙高度h、所述徑向間隙深度r2-r1或這兩者。因此，方程式3中的項(xiàng)將增大。如果在此項(xiàng)中的分?jǐn)?shù)增大小于d中的分?jǐn)?shù)減小，則由于減小d將減小所述間隙體積。在此情況下，所述ndfeb質(zhì)量可以通過減小所述高場區(qū)域的所述角范圍來減小，即使這將產(chǎn)生床體積的增大。因此，顯而易見的是，關(guān)于圖3，當(dāng)采用不等吹時(shí)，隨著減小角范圍，所述床體積的增大速率比等吹小得多。例如，在等吹的情況下，所述角范圍從170度減小到140度致使所述床體積增大21％。在不等吹的情況下，所述床體積僅增大4％。這意味著在不等吹的情況下，角范圍的減小應(yīng)通過比在等吹的情況下所需小得多的所述間隙高度或徑向深度的增大來補(bǔ)償。因此，在不等吹的情況下，通過減小所述高場區(qū)域的所述角范圍可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)間隙體積和ndfeb質(zhì)量的甚至更大的減小。實(shí)際上，在等吹的情況下，間隙體積的任何減小將通過所述角范圍的減小來獲得是不明顯的。因此，本文中所公開的主題涉及在磁體組件和一個(gè)或多個(gè)床之間采用相對(duì)旋轉(zhuǎn)的磁制冷系統(tǒng)，其中，所述熱吹的所述持續(xù)時(shí)間與所述高場區(qū)域的所述角范圍成比例，并且其中，通過方程式4限制的不等熱吹和冷吹持續(xù)時(shí)間以及流速與所述高場區(qū)域的所述角范圍的減小進(jìn)行組合以減小所述間隙體積，并因此減小所述磁體組件中的所述ndfeb質(zhì)量。

為證明可以通過與不等吹組合的角范圍的減小來實(shí)現(xiàn)ndfeb質(zhì)量的明顯減小，對(duì)于沿圖3中的所述不等吹曲線的若干角范圍，商業(yè)磁體仿真軟件用來設(shè)計(jì)采用改動(dòng)的halbach陣列的形式的磁體組件。圖18包括說明針對(duì)所述高場區(qū)域的不同角范圍進(jìn)行優(yōu)化的系統(tǒng)的所計(jì)算的ndfeb質(zhì)量的表格。對(duì)于所有這些設(shè)計(jì)，所述間隙高度h保持固定在26.4mm。另選地，可使用不同的間隙高度。

在不等吹的情況下，可以看出，將所述高場區(qū)域的所述角范圍從160度減小到110度將所計(jì)算的ndfeb質(zhì)量從56.7kg減小到42.4kg，質(zhì)量減小25％。在圖18中的ndfeb質(zhì)量減小的數(shù)值僅對(duì)在這里被視為特定mr系統(tǒng)和改動(dòng)的halbach磁體組件施加時(shí)，關(guān)于上述減小角范圍和不等吹的情況下的mr系統(tǒng)的性能的總體原理表明本發(fā)明主題將大體上產(chǎn)生所述磁體組件所需的所述間隙體積和所述ndfeb質(zhì)量的減小。

第一實(shí)施例

在第一實(shí)施例中，在所述rmmr配置中的磁制冷系統(tǒng)使用四個(gè)閥和兩個(gè)相同的線性置換器以提供不等的熱吹和冷吹持續(xù)時(shí)間以及流速。所述閥和線性置換器通過可編程微處理器來控制。假設(shè)所述熱傳遞流體為相對(duì)不可壓縮的液體，例如水。另選地，可使用不同的熱傳遞流體。所述第一實(shí)施例(圖6a和圖6b)采用單個(gè)固定的磁熱材料床30。床30具有四個(gè)流體端口，冷入口端(ci)32、冷出口端(co)34、熱入口端(hi)36和熱出口端(ho)38。

此實(shí)施例采用具有間隙的旋轉(zhuǎn)磁體組件，如圖2所示，此間隙為環(huán)形區(qū)的一部分。在此間隙內(nèi)，所述磁體組件產(chǎn)生高磁場。所述固定床和所述磁體間隙被布置成使得在所述磁體組件相對(duì)于所述床旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述床擬合在所述間隙內(nèi)部。在作為磁制冷機(jī)操作期間，所述床在所述磁體組件相對(duì)于所述床旋轉(zhuǎn)和所述床進(jìn)入所述間隙時(shí)變?yōu)榇呕?。?dāng)所述磁體組件旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離所述床時(shí)，所述床變?yōu)槿ゴ?。在所述系統(tǒng)中的所述流動(dòng)被配置成使得在所述制冷循環(huán)的所述熱吹階段期間，所述熱吹階段在所述床被磁化時(shí)發(fā)生(即，當(dāng)所述床在所述磁體組件的所述間隙內(nèi)時(shí))，流動(dòng)通過所述床從其冷入口端到其熱出口端進(jìn)行，并且在所述制冷循環(huán)的所述冷吹階段期間，當(dāng)所述床被去磁時(shí)(即，當(dāng)所述床完全在所述磁體組件的所述間隙外部時(shí))，流動(dòng)通過所述床從其熱入口端到其冷出口端進(jìn)行。在圖6a和圖6b中提供了此實(shí)施例的示意圖。

通過所述系統(tǒng)的流動(dòng)通過兩個(gè)相同的線性置換器來提供，一個(gè)用于所述冷側(cè)40，以及一個(gè)用于所述熱側(cè)42，如在圖6a和圖6b的頂部所示。每個(gè)置換器具有截面積為a以及位移長度為l的流體體積隔室44和46，使得流體位移體積a×l等于共有的熱吹和冷吹體積，如在下面的方程式5中所述：

方程式5：a×l＝δthφh＝δtcφc。

所述線性置換器通過未在附圖中示出的兩個(gè)單獨(dú)的電機(jī)(例如，步進(jìn)電機(jī))來驅(qū)動(dòng)。每個(gè)線性置換器具有輸出端口48和50，流體在來自所述置換器的壓力下從所述輸出端口48和50出射，以及輸入端口52和54，流體可以通過所述輸入端口52和54填充所述置換器的流體腔室。通過所述輸入端口和輸出端口的單向流動(dòng)可以例如通過止回閥或通過微處理器控制的閥來建立。

首先考慮具有四個(gè)止回閥的系統(tǒng)6，兩個(gè)止回閥在所述冷側(cè)56和58上，以及兩個(gè)止回閥在所述熱側(cè)60和62上，如圖6a和圖6b中所示。在所述冷側(cè)上，所述冷入口止回閥56允許至所述床30的所述冷入口端32的流動(dòng)，而所述冷出口止回閥58允許來自所述床30的所述冷出口端34的流動(dòng)。在所述熱側(cè)上，所述熱入口止回閥60允許至所述床30的所述熱入口端36的流動(dòng)，而所述熱出口止回閥62允許來自所述床30的所述熱出口端38的流動(dòng)。最后，所述系統(tǒng)6具有兩個(gè)熱交換器64和66，一個(gè)熱交換器在所述冷側(cè)上(chex)64，其從有待于制冷的所述環(huán)境吸收熱量，以及一個(gè)熱交換器在所述熱側(cè)上(hhex)66，其向較溫?zé)岬闹車h(huán)境排放熱量。

在所述冷吹期間，當(dāng)所述床30被去磁時(shí)系統(tǒng)6的操作在圖6a中示出。在開始所述冷吹時(shí)，所述熱側(cè)線性置換器42的所述流體腔室46以溫度thi的流體填充，所述熱側(cè)線性置換器42驅(qū)動(dòng)在所述制冷循環(huán)的此階段期間的所述流動(dòng)。用于所述熱側(cè)線性置換器的所述電機(jī)由所述微處理器控制，使得所述置換器在所述冷吹的期望持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)被驅(qū)動(dòng)總位移長度l。也就是說，所述電機(jī)以大致恒定的速度驅(qū)動(dòng)所述熱側(cè)線性置換器，如由下面的方程式6指示：

方程式6：vc＝l/δtc。

在所述冷吹期間，所述熱入口止回閥60將由所述置換器驅(qū)動(dòng)的所述流動(dòng)引導(dǎo)至所述去磁床30的所述熱入口端36。在所述冷吹期間，所述熱出口止回閥62阻塞至所述床30的所述熱出口端38的流動(dòng)。所述冷出口止回閥58允許從所述床30的所述冷出口端34繼續(xù)向所述冷側(cè)熱交換器64流動(dòng)。在所述冷吹期間，所述冷入口止回閥56阻塞來自所述床30的所述冷入口端32的流動(dòng)。

來自所述熱例線性置換器42的所述流體在其從所述熱入口端36穿過所述床30至所述冷出口端34時(shí)被冷卻，并向所述床中的冷去磁mcm釋放熱量。此流體以溫度tco在所述冷出口端34出射并穿過所述冷出口止回閥58至所述冷側(cè)熱交換器64，所述流體在此處從制冷環(huán)境吸收熱量，從而允許此環(huán)境保持其更冷的溫度。所述流體以溫度tci退出所述冷側(cè)熱交換器64并填充所述冷側(cè)線性置換器40的所述流體腔室44。

在完成所述冷吹之后(即，在時(shí)間間隔δtc)之后，所述磁體相對(duì)于所述床旋轉(zhuǎn)，并且在所述床中的所述mcm利用所述磁熱效應(yīng)變熱。此時(shí)，開始在圖6b中示出的所述制冷循環(huán)的所述熱吹階段。以來自所述先前冷吹的溫度tci的流體填充的所述冷側(cè)線性置換器40在所述熱吹期間驅(qū)動(dòng)所述流動(dòng)。用于所述冷側(cè)線性置換器的所述電機(jī)由所述微處理器控制，使得所述置換器在所述熱吹的期望持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)被驅(qū)動(dòng)總位移長度l。也就是說，所述電機(jī)以大致恒定的速度驅(qū)動(dòng)所述冷側(cè)線性置換器，如由下面的方程式7指示：

方程式7：vh＝l/δth。

在所述熱吹期間，所述冷入口止回閥56允許流體從所述置換器40傳送至所述磁化床30的所述冷入口端32。所述冷出口止回閥58阻塞至所述床30的所述冷出口端34的流動(dòng)。所述熱出口止回閥62允許從所述床30的所述熱出口端38繼續(xù)流動(dòng)至所述熱側(cè)熱交換器66。最后，所述熱入口止回閥60阻塞來自所述熱入口端36的流動(dòng)。來自所述冷側(cè)線性置換器40的所述流體從所述熱磁化磁熱材料獲得熱量，并在其從所述冷入口端32穿過所述床30到所述熱出口端38時(shí)溫度上升。此流體以溫度tho在所述熱出口端38出射并穿過所述熱出口止回閥62至所述熱側(cè)熱交換器66。在所述熱交換器66中，所述流體將熱量排放到周圍環(huán)境中。所述流體以溫度thi退出所述熱側(cè)熱交換器66并填充所述熱側(cè)線性置換器42的所述流體腔室46，從而完成所述制冷循環(huán)。此流體現(xiàn)在可供用于下一制冷循環(huán)的所述冷吹階段。

所述系統(tǒng)的替代布置具有四個(gè)受控閥，兩個(gè)受控閥在所述冷側(cè)上，以及兩個(gè)受控閥在所述熱側(cè)上，如圖7a和圖7b所示。在所述冷側(cè)上，所述冷入口閥76控制至所述床30的所述冷入口端32的流動(dòng)，而所述冷出口閥78控制至所述床30的所述冷出口端34的流動(dòng)。在所述熱側(cè)上，所述熱入口閥80控制至所述床30的所述熱入口端36的流動(dòng)，而所述熱出口閥82控制至所述床30的所述熱出口端38的流動(dòng)。最后，所述系統(tǒng)7具有兩個(gè)熱交換器，一個(gè)熱交換器在所述冷側(cè)上64(chex)，其吸收來自有待于制冷的所述環(huán)境的熱量，以及一個(gè)熱交換器在所述熱側(cè)上66(hhex)，其向較溫?zé)岬闹車h(huán)境排放熱量。

在所述冷吹期間，當(dāng)所述床被去磁時(shí)的所述系統(tǒng)操作在圖7a中示出。在開始所述冷吹時(shí)，所述熱側(cè)線性置換器42的所述流體腔室46以溫度thi的流體填充，所述熱側(cè)線性置換器42驅(qū)動(dòng)在所述制冷循環(huán)的此階段期間的所述流動(dòng)。用于所述熱側(cè)線性置換器的所述電機(jī)由所述微處理器控制，使得所述置換器在所述冷吹的期望持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)被驅(qū)動(dòng)總位移長度l。也就是說，所述電機(jī)以方程式6給出的大致恒定的速度驅(qū)動(dòng)所述熱側(cè)線性置換器。

在所述冷吹期間，所述微處理器打開所述熱入口閥80，使得由所述置換器42驅(qū)動(dòng)的所述流動(dòng)被允許繼續(xù)通過所述熱入口閥80至所述去磁床30的所述熱入口端36。所述微處理器在所述冷吹期間同時(shí)閉合所述熱出口閥82，從而阻塞至所述床30的所述熱出口端38或來自所述床30的所述熱出口端38的流動(dòng)。所述微處理器打開所述冷出口閥78以允許從所述床30的所述冷出口端34繼續(xù)流動(dòng)至所述冷側(cè)熱交換器64。所述微處理器在所述冷吹期間閉合所述冷入口閥76，從而阻塞至所述床30的所述冷入口端32或來自所述床30的所述冷入口端32的流動(dòng)。

來自所述熱側(cè)線性置換器42的所述流體在其從所述熱入口端36穿過所述床30至所述冷出口端34時(shí)被冷卻，并向所述床30中的所述冷去磁的mcm釋放熱量。此流體以溫度tco在所述冷出口端34出射并穿過打開的冷出口閥78至所述冷側(cè)熱交換器64，此流體在所述冷側(cè)熱交換器64從所述制冷環(huán)境吸收熱量，從而允許此環(huán)境保持其更冷的溫度。所述流體以溫度tci退出所述冷側(cè)熱交換器64并填充所述冷側(cè)線性置換器40的所述流體腔室44。

在完成所述冷吹之后(即，在時(shí)間間隔δtc)之后，所述磁體相對(duì)于所述床旋轉(zhuǎn)，并且在所述床中的所述mcm利用所述磁熱效應(yīng)變熱。此時(shí)，開始在圖7b中示出的所述制冷循環(huán)的所述熱吹階段。以來自所述先前冷吹的溫度tci的流體填充的所述冷側(cè)線性置換器40在所述熱吹期間驅(qū)動(dòng)所述流動(dòng)。用于所述冷側(cè)線性置換器的所述電機(jī)由所述微處理器控制，使得所述置換器在所述熱吹的期望持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)被驅(qū)動(dòng)總位移長度l。也就是說，所述電機(jī)以方程式7給出的大致恒定的速度驅(qū)動(dòng)所述冷側(cè)線性置換器40。

在所述熱吹期間，所述微處理器打開所述冷入口閥76，從而允許來自所述置換器的流體穿過所述冷入口閥76并前進(jìn)到所述磁化床30的所述冷入口端32。所述微處理器同時(shí)閉合所述冷出口閥78，從而阻塞至所述床的所述冷出口端34或來自所述床的所述冷出口端34的流動(dòng)。所述微處理器打開所述熱出口閥82，從而允許從所述床30的所述熱出口端38前進(jìn)至所述熱側(cè)熱交換器66的流動(dòng)。最后，所述微處理器閉合所述熱入口閥80，從而阻塞至所述熱入口端36或來自所述熱入口端36的流動(dòng)。來自所述冷側(cè)線性置換器40的所述流體從所述熱磁化磁熱材料獲取熱量并在其從所述冷入口端32穿過所述床30至所述熱出口端38時(shí)溫度上升。此流體以溫度tho在所述熱出口端38出射并穿過所述打開的熱出口閥38至所述熱側(cè)熱交換器66。在所述熱交換器66中，所述流體向周圍環(huán)境排放熱量。所述流體以溫度thi退出所述熱側(cè)熱交換器66并填充所述熱側(cè)線性置換器42的所述流體腔室46，從而完成所述制冷循環(huán)。此流體現(xiàn)在可供用于下一制冷循環(huán)的所述冷吹階段。

在這些實(shí)施例中，在止回閥或受控閥中的任一者的情況下，所述平均冷吹流速通過下式給出：

方程式8：φc＝avc＝al/δtc

而所述平均熱吹流速通過下式給出：

方程式9：φh＝avh＝al/δth

從方程式8和9可以看出，對(duì)于所述冷吹和熱吹持續(xù)時(shí)間的任何選擇，將滿足方程式5的流速條件。一旦這些持續(xù)時(shí)間被選擇，可以通過適當(dāng)選擇所述置換器參數(shù)a和l獲得任何期望的熱吹和冷吹流速。

一個(gè)置換器40在所述冷側(cè)上以及另一置換器42在所述熱側(cè)上的所述兩個(gè)置換器40和42可以用具有冷側(cè)和熱側(cè)的一個(gè)起雙重作用的置換器代替。在此情況下，所述置換器活塞當(dāng)在兩個(gè)不同方向中運(yùn)動(dòng)時(shí)可以以不同的速度被驅(qū)動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)不等吹持續(xù)時(shí)間和速率。

在具有受控閥的所述第一實(shí)施例的替代版本中，所述四個(gè)閥可以為旋轉(zhuǎn)陶瓷盤閥。在此替代實(shí)施例中的每個(gè)旋轉(zhuǎn)陶瓷盤閥采用兩個(gè)盤，與所述磁體組件共同旋轉(zhuǎn)并被稱為轉(zhuǎn)子的第一盤，以及被稱為定子的第二固定盤。如圖8(左)所示，定子90具有環(huán)形孔92，所述環(huán)形孔92居于距所述盤90的中心的特定徑向距離的中心。也如圖8(右)所示的所述轉(zhuǎn)子94具有特定角范圍的內(nèi)槽96，所述內(nèi)槽96居于距所述盤94的中心的與所述定子的所述孔92相同的徑向距離的中心。因此，當(dāng)兩個(gè)盤90和94被重疊時(shí)，所述轉(zhuǎn)子94可以被旋轉(zhuǎn)，使得其槽96將露出所述定子90的所述孔92。

為形成供在本實(shí)施例中使用的閥，所述轉(zhuǎn)子盤94和定子盤90被重疊、擠壓在一起(例如，使用彈簧)并被密封在具有兩個(gè)端部的圓柱形外殼中。所述轉(zhuǎn)子94的所述中心被附接到機(jī)械軸，所述機(jī)械軸通過密封件(例如，軸封)從所述閥外殼的一端伸出。所述轉(zhuǎn)子軸被連接至所述旋轉(zhuǎn)磁體組件的所述機(jī)械軸(例如，以傳送帶和滑輪)，使得所述轉(zhuǎn)子軸和轉(zhuǎn)子與所述磁體組件共同旋轉(zhuǎn)。每個(gè)閥具有匯集或傳遞來自與所述轉(zhuǎn)子槽96連通的所述閥中的腔室的承壓流體的流體端口。彼此接觸的所述兩個(gè)閥盤90和94的面被高度拋光，使得當(dāng)它們被擠壓在一起時(shí)，它們形成面密封件。以此方式，用于通過所述閥的流動(dòng)的僅有的路徑為從其流體端口通過轉(zhuǎn)子槽96并通過被所述轉(zhuǎn)子槽96露出的所述定子孔92。如果所述轉(zhuǎn)子槽96處于并未露出所述定子孔92的位置中，則通過所述閥的流動(dòng)被阻塞。流動(dòng)也可以以相反方向通過所述閥前進(jìn)：從所述定子孔92、通過所述轉(zhuǎn)子槽94(如果其露出所述定子孔)并至所述閥的所述流體端口。

在所述冷入口閥的所述定子中的所述孔通過流體導(dǎo)管被連接至所述床的所述冷入口端(ci)。在所述冷出口閥的所述定子中的所述孔通過流體導(dǎo)管被連接至所述床的所述冷出口端(co)。在所述熱入口閥的所述定子中的所述孔通過流體導(dǎo)管被連接至所述床的所述熱入口端(hi)。在所述熱出口閥的所述定子中的所述孔通過流體導(dǎo)管被連接至所述床的所述熱出口端(ho)。

為設(shè)置所述冷入口閥的所述轉(zhuǎn)子的角位置和所述磁體組件的角位置之間的關(guān)系，所述磁體組件被旋轉(zhuǎn)，使得所述床剛開始就進(jìn)入所述組件的所述間隙。在所述磁體組件在此位置的情況下，所述轉(zhuǎn)子的所述角位置被調(diào)節(jié)，使得所述轉(zhuǎn)子槽剛開始就露出所述冷入口定子孔。所述熱出口閥與所述冷入口閥具有相同轉(zhuǎn)子和定子，并且所述熱出口閥的所述轉(zhuǎn)子和定子的所述位置被設(shè)置為精確匹配所述冷入口閥的所述轉(zhuǎn)子和定子的所述位置。

為設(shè)置所述熱入口閥的所述轉(zhuǎn)子的所述角位置和所述磁體組件的所述角位置之間的關(guān)系，所述磁體組件被旋轉(zhuǎn)剛好經(jīng)過所述床，使得所述床不再在所述組件的所述間隙內(nèi)。在所述磁體組件在此位置的情況下，所述熱入口轉(zhuǎn)子的所述角位置被調(diào)節(jié)，使得所述轉(zhuǎn)子槽剛開始就露出所述熱入口定子孔。所述冷出口閥與所述熱入口閥具有相同轉(zhuǎn)子和定子，并且所述冷出口閥的所述轉(zhuǎn)子和定子的所述位置被設(shè)置為精確匹配所述熱入口閥的所述轉(zhuǎn)子和定子的所述位置。

在所述冷入口閥和熱出口閥的所述轉(zhuǎn)子中的所述槽與在所述熱入口閥和冷出口閥的所述轉(zhuǎn)子中的所述槽被安置成，使得當(dāng)所述盤的所述角位置以剛才所述的方式設(shè)置時(shí)，由在所述熱入口閥和冷出口閥的所述轉(zhuǎn)子中的所述槽所對(duì)的角度并不與由在所述冷入口閥和熱出口閥的所述轉(zhuǎn)子中的所述槽所對(duì)的所述角度重疊。此期望構(gòu)形在圖9中示出，該圖示出在與所述磁體組件對(duì)準(zhǔn)之后，來自冷入口/熱出口閥的轉(zhuǎn)子100和來自熱入口/冷出口閥的轉(zhuǎn)子102。在此構(gòu)形的情況下，如果在所述冷入口閥和熱出口閥中的所述轉(zhuǎn)子槽104露出它們的定子孔，則在所述熱入口閥和冷出口閥中的所述轉(zhuǎn)子在阻塞它們的對(duì)應(yīng)定子孔。類似地，如果在所述熱入口和冷出口閥中的所述轉(zhuǎn)子槽106露出它們的定子孔，則在所述冷入口和熱出口閥中的所述轉(zhuǎn)子在阻塞它們的對(duì)應(yīng)定子孔。

為實(shí)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間δth的熱吹，在所述冷入口閥和熱出口閥中的所述轉(zhuǎn)子槽的所述角范圍被選擇為δθh＝ωδth，其中，ω為所述磁體組件和所述轉(zhuǎn)子的共有角速度(以度每秒為單位測(cè)量)。為實(shí)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間δtc＞δth的冷吹，在所述熱入口閥和冷出口閥中的所述轉(zhuǎn)子槽106的所述角范圍被選擇為δθc＝ωδtc。因?yàn)樗鰺岽档某掷m(xù)時(shí)間小于所述冷吹的持續(xù)時(shí)間，所以所述冷入口閥和熱出口閥的所述轉(zhuǎn)子槽104比所述熱入口閥和冷出口閥的所述轉(zhuǎn)子槽106具有更小的角范圍，如圖9所示。

所述冷入口閥的所述流體端口(其被連接至與所述冷入口轉(zhuǎn)子槽連通的所述閥中的所述腔室)被連接至所述冷側(cè)線性置換器44的所述輸出端口48。因此，當(dāng)所述冷入口轉(zhuǎn)子槽露出所述冷入口定子孔時(shí)，建立從所述冷側(cè)線性置換器40的輸出端至所述床30的所述冷入口端32的路徑74(圖7b)。

所述冷出口閥的所述流體端口(其連接至與所述冷出口轉(zhuǎn)子槽連通的所述閥中的所述腔室)被連接至所述冷側(cè)熱交換器64的入口。因此，當(dāng)所述冷出口轉(zhuǎn)子槽露出所述冷出口定子孔時(shí)，建立從所述床30的所述冷出口端34至所述冷側(cè)熱交換器64的所述入口的路徑72(圖7a)。

所述熱入口閥的所述流體端口(其連接至與所述熱入口轉(zhuǎn)子槽連通的所述閥中的所述腔室)被連接至所述熱側(cè)線性置換器46的所述輸出端口50。因此，當(dāng)所述熱入口轉(zhuǎn)子槽露出所述熱入口定子孔時(shí)，建立從所述熱例線性置換器46的輸出端至所述床30的所述熱入口端36的路徑70(圖7a)。

所述熱出口閥的所述流體端口(其連接至與所述熱出口轉(zhuǎn)子槽連通的所述閥中的所述腔室)被連接至所述熱側(cè)熱交換器66的入口。因此，當(dāng)所述熱出口轉(zhuǎn)子槽露出所述熱出口定子孔時(shí)，建立從所述床30的所述熱出口端38至所述熱側(cè)熱交換器66的入口的路徑68(圖7b)。

作為用于在本實(shí)施例中的所述床的所述制冷循環(huán)的實(shí)施方案的示例，假設(shè)所述磁體剛好相對(duì)于所述床旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樯鲜龅乃鲛D(zhuǎn)子對(duì)準(zhǔn)，所述冷入口轉(zhuǎn)子槽剛好露出所述冷入口定子孔，從而提供用于流體的從所述冷側(cè)線性置換器40至所述床30的所述冷入口端32的路徑(圖7b)。同時(shí)，所述熱出口轉(zhuǎn)子槽露出所述熱出口定子孔，從而提供用于流體的從所述床30的所述熱出口端38至所述熱側(cè)熱交換器66的所述入口的路徑。所述冷出口閥78和熱入口閥80防止任何流動(dòng)進(jìn)入或退出所述床30的所述冷出口端34和熱入口端36。為執(zhí)行所述熱吹，由所述微處理器控制的所述冷側(cè)線性置換器40驅(qū)動(dòng)流體以溫度tci通過所述冷入口閥76至所述磁化床30的所述冷入口端32。此流體流過所述床30并以溫度tho通過所述床30的所述熱出口端38退出。此流體穿過所述熱出口閥82并流過所述熱側(cè)熱交換器66，此流體在所述熱側(cè)熱交換器66向周圍環(huán)境排放熱量。所述流體以溫度thi退出所述熱交換器66并填充所述熱側(cè)線性置換器46的所述流體腔室。因?yàn)閷?duì)于所述冷入口和熱出口轉(zhuǎn)子槽的所述角范圍的上述選擇，此熱吹在所期望的持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)繼續(xù)。

在所述磁體組件旋轉(zhuǎn)完全離開所述床時(shí)，所述床變?yōu)槿ゴ挪囟认陆?。此時(shí)，由于上述的所述轉(zhuǎn)子位置的設(shè)置，所述熱入口轉(zhuǎn)子槽露出所述熱入口定子孔，從而提供用于流體的從所述熱側(cè)線性置換器42至所述床30的所述熱入口端36的路徑(圖7a)。同時(shí)，所述冷出口轉(zhuǎn)子槽露出所述冷出口定子孔，從而提供用于流體的從所述床30的所述冷出口端34至所述冷側(cè)熱交換器64的所述入口的路徑。所述冷入口閥76和熱出口閥82防止任何流動(dòng)進(jìn)入或退出所述床30的所述冷入口端32和熱出口端38。為執(zhí)行所述冷吹，由所述微處理器控制的所述熱側(cè)線性置換器42驅(qū)動(dòng)流體以溫度thi(在所述先前熱吹期間在此置換器的所述流體腔室46中累積的)通過所述熱入口閥80至所述床30的所述熱入口端36。此流體流過所述床30并以溫度tco從所述冷出口端34出射。此流體通過所述冷出口閥78前進(jìn)并流過所述冷側(cè)熱交換器64，此流體在所述冷側(cè)熱交換器64吸收來自所述制冷環(huán)境的熱量。所述流體以溫度tci退出所述熱交換器64并返回到所述冷側(cè)線性置換器40的所述流體腔室44，從而完成所述制冷循環(huán)。此流體現(xiàn)在可供用于所述下一制冷循環(huán)的隨后熱吹。因?yàn)閷?duì)于熱入口和冷出口轉(zhuǎn)子槽的所述角范圍的上文所述的選擇，此冷吹在所期望的持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)繼續(xù)。以此方式，此實(shí)施例的所述四個(gè)旋轉(zhuǎn)盤閥76、78、80、82實(shí)現(xiàn)執(zhí)行制冷所需的在圖6a和圖6b中示出的所期望的流動(dòng)路徑和流動(dòng)計(jì)時(shí)。

為減小本實(shí)施例的流體壓力下降，用于所述熱吹的所述流體管道的濕直徑可以相對(duì)于用于所述冷吹的所述流體管道在尺寸上增大，其中，所述熱吹采用比所述冷吹更高的流速。例如，所述冷入口和熱出口定子孔的直徑與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子槽的徑向?qū)挾瓤梢韵鄬?duì)于所述熱入口閥和冷出口閥的所述轉(zhuǎn)子和定子中的對(duì)應(yīng)孔隙在尺寸上增大。本實(shí)施例的所述壓降的此減小將減小驅(qū)動(dòng)所述線性置換器所需的電力和來自粘性耗散的不希望的流體加熱兩者，由此改善所述系統(tǒng)的性能。

第二實(shí)施例

在本發(fā)明主題的第二實(shí)施例中，在所述rbmr構(gòu)形中的磁制冷系統(tǒng)使用改動(dòng)的旋轉(zhuǎn)盤閥來提供不等的熱吹和冷吹持續(xù)時(shí)間以及流速。在此第二實(shí)施例中，被配置成產(chǎn)生接近恒定流速的單個(gè)泵驅(qū)動(dòng)所述流動(dòng)通過所述系統(tǒng)，從而替換用在所述先前實(shí)施例中的兩個(gè)線性置換器。

所述第二實(shí)施例采用n個(gè)相同的床，其中，n可為大于1的任何整數(shù)。例如，n可以為2、3、4、5、8、12、24或更大。這些床被布置成輪盤，使得床中心沿環(huán)形周界并且以角度均勻隔開。也就是說，每個(gè)床的所述中心與其相鄰者的所述中心隔開360°/n的角度。在本實(shí)施例中的所述n個(gè)相同的床中的每者具有四個(gè)流體端口，冷入口端(ci)、冷出口端(co)、熱入口端(hi)和熱出口端(ho)。

所述第二實(shí)施例具有其間隙為環(huán)形區(qū)的一部分的固定磁體組件，如圖2所示。在所述間隙內(nèi)，所述磁體組件產(chǎn)生高磁場。在作為磁制冷機(jī)操作期間，所述床輪盤旋轉(zhuǎn)通過所述固定磁體組件中的所述間隙。當(dāng)給定的床進(jìn)入此間隙時(shí)，其變?yōu)榇呕?；?dāng)所述床從所述間隙旋轉(zhuǎn)出時(shí)，其變?yōu)槿ゴ?。在所述系統(tǒng)中的所述流動(dòng)被配置成使得在給定床的所述制冷循環(huán)的所述熱吹階段期間，流動(dòng)通過所述床從其冷入口端到其熱出口端前進(jìn)，其中，所述熱吹階段發(fā)生在所述床被磁化時(shí)(即，當(dāng)所述床在所述磁體組件的所述間隙內(nèi)時(shí))。在所述制冷循環(huán)的所述冷吹階段期間，當(dāng)所述床被去磁時(shí)(即，當(dāng)其完全在所述磁體組件的所述間隙外部時(shí))，流動(dòng)通過所述床從其熱入口端到其冷出口端前進(jìn)。此實(shí)施例的示意圖在圖10中提供。為清楚起見，僅在此圖中示出兩個(gè)床，一個(gè)床進(jìn)行其熱吹，而另一床同時(shí)進(jìn)行其冷吹。

所述第二實(shí)施例使用兩個(gè)閥，以傳遞所期望的流動(dòng)構(gòu)形通過所述床，所述兩個(gè)閥為所述熱側(cè)閥和所述冷側(cè)閥。這些閥在圖10示意性地示出。這些閥中的每者具有兩個(gè)盤，被稱為所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)盤和被稱為所述定子的固定盤。用在此實(shí)施例的所述閥中的所述轉(zhuǎn)子110具有兩個(gè)孔環(huán)，具有n個(gè)孔的內(nèi)環(huán)112和n個(gè)孔的外環(huán)114，如圖11(左)中示出n＝8。在所述內(nèi)環(huán)112中的每個(gè)孔116與所述外環(huán)114中的孔118配對(duì)，在所述對(duì)中的兩個(gè)孔具有沿來自所述盤的所述中心的射線定位的由給定角位置定義的中心。如附圖所示，在所述外環(huán)114中的所述孔的直徑可不同于所述內(nèi)環(huán)112中的所述孔的直徑。另外，盡管在所述附圖中示出的所述孔為環(huán)形，但此形狀對(duì)于所述閥的操作并非必要的，并且在一些情況下，使用非環(huán)形孔可能是有利的(例如，具有橢圓形等形狀的孔)。在所述內(nèi)環(huán)112和外環(huán)114中的所述孔的所述中心沿所述環(huán)以一定角度均勻隔開，使得它們的中心與它們的相鄰者的所述中心隔開360°/n的角度，這與所述床相同。因此，在所述定子中的所述孔的布置與所述床的所述布置呈鏡像。

所述定子盤120具有兩個(gè)槽，內(nèi)槽122和外槽124，如圖11(右)所示。所述定子的所述內(nèi)槽122具有特定角范圍并位于與在所述轉(zhuǎn)子110上的孔112的所述內(nèi)環(huán)相同的距所述盤中心的徑向距離。一般來說，所述定子120的所述外槽124具有與所述內(nèi)槽122的所述角范圍不同的角范圍。所述外槽124位于與在所述轉(zhuǎn)子110上的孔114的所述外環(huán)相同的距所述盤中心的徑向距離。因此，當(dāng)所述轉(zhuǎn)子110與所述定子120重疊時(shí)，所述定子122的所述內(nèi)槽將露出在所述轉(zhuǎn)子110上的所述內(nèi)環(huán)孔112中的孔中的一些，而所述定子124的所述外槽將露出在所述轉(zhuǎn)子110上的所述外環(huán)孔114中的孔中的一些。此外，在所述定子120上的所述槽122、124被布置使得在它們所對(duì)向的所述角區(qū)域中不存在重疊。因此，對(duì)于在所述轉(zhuǎn)子110的任何角位置的任何給定轉(zhuǎn)子孔對(duì)(一個(gè)(116)在所述內(nèi)環(huán)112上，以及另一個(gè)(118)在所述外環(huán)114上)，這兩個(gè)轉(zhuǎn)子孔中僅有一者可以被定子槽露出：如果所述對(duì)中的一個(gè)孔116被定子槽露出，則另一孔118將被覆蓋。

為形成供在本實(shí)施例中使用的閥，所述轉(zhuǎn)子110和定子120盤被重疊、擠壓在一起(例如，使用彈簧)，并被密封在具有兩個(gè)端部的圓柱形外殼中。所述轉(zhuǎn)子110的所述中心被附接到機(jī)械軸，所述機(jī)械軸通過密封件(例如，軸封)從所述閥外殼的一端伸出。所述轉(zhuǎn)子軸被連接至所述旋轉(zhuǎn)床輪盤，使得所述轉(zhuǎn)子軸和轉(zhuǎn)子與所述床輪盤共同旋轉(zhuǎn)。所述閥具有一個(gè)流體端口，其匯集或傳遞來自與所述外定子槽124連通的腔室的承壓流體。所述閥具有第二流體端口，其匯集或傳遞來自與所述內(nèi)定子槽122連通的第二單獨(dú)腔室的流體。這兩個(gè)腔室之間不存在連通。彼此接觸的所述兩個(gè)閥盤的所述面被高度拋光，使得當(dāng)它們被擠壓在一起時(shí)，它們形成面密封件。以此方式，用于通過所述閥的流動(dòng)的唯一路徑為從其流體端口中的一者通過定子槽和通過被定子槽露出的任何轉(zhuǎn)子孔。流動(dòng)也可以以相反方向通過所述閥前進(jìn)：通過轉(zhuǎn)子孔、通過露出此轉(zhuǎn)子孔的定子槽并前進(jìn)至與此定子槽連通的所述閥的所述流體端口中的一者。

在所述冷側(cè)閥的所述轉(zhuǎn)子的所述內(nèi)環(huán)和外環(huán)中的n個(gè)孔對(duì)中的每者與所述n個(gè)床中的一者相關(guān)聯(lián)。類似地，在所述熱側(cè)閥的所述轉(zhuǎn)子的所述內(nèi)環(huán)和外環(huán)中的所述n個(gè)孔對(duì)中的每者與所述n個(gè)床中的一者相關(guān)聯(lián)。在所述冷側(cè)轉(zhuǎn)子的所述外環(huán)中的每個(gè)孔通過流體導(dǎo)管被連接至其相關(guān)聯(lián)床的所述冷入口端，而在此轉(zhuǎn)子的所述內(nèi)環(huán)中的配對(duì)孔通過流體導(dǎo)管被連接至所述相關(guān)聯(lián)床的所述冷出口端。此構(gòu)形在圖12a中被示為n＝8。在替代實(shí)施例中，n可更大或更小。

在所述熱側(cè)轉(zhuǎn)子的所述外環(huán)中的每個(gè)孔通過流體導(dǎo)管被連接至其相關(guān)聯(lián)床的所述熱出口端，而在此轉(zhuǎn)子的所述內(nèi)環(huán)中的所述配對(duì)孔通過流體導(dǎo)管被連接至所述相關(guān)聯(lián)床的所述熱入口端。此構(gòu)形在圖12b中示出。對(duì)于所述兩個(gè)閥，將所述轉(zhuǎn)子孔連接至所述床端口的所述流體管道應(yīng)與所述轉(zhuǎn)子和所述床輪盤共同旋轉(zhuǎn)。

在所述冷側(cè)閥上，連接至與所述外定子槽連通的所述腔室的所述流體端口應(yīng)被稱為所述閥的所述入口端。在所述磁制冷系統(tǒng)操作期間，在所述冷入口溫度tci的流體將通過此入口端進(jìn)入所述冷側(cè)閥。連接至與所述內(nèi)定子槽連通的所述腔室的所述流體端口將被稱為所述閥的所述出口端。在所述磁制冷系統(tǒng)操作期間，在所述冷出口溫度tco的流體將通過此端口退出所述閥。這些入口端156和出口端142在圖10中示出。如此圖所示，所述冷側(cè)熱交換器148在所述冷側(cè)閥138的出口端142和入口端156之間是垂直的。

在所述熱側(cè)閥上，連接至與所述外定子槽連通的所述腔室的所述流體端口將被稱為所述閥的所述出口端。在所述磁制冷系統(tǒng)操作期間，在所述熱出口溫度tho的流體將通過此端口退出所述熱側(cè)閥。連接至與所述內(nèi)定子槽連通的所述腔室的所述流體端口將被稱為所述閥的所述入口端。在所述磁制冷系統(tǒng)操作期間，在所述熱入口溫度thi的流體將通過此端口進(jìn)入所述閥。這些入口端132和出口端160在圖10中示出。如此圖所示，所述熱側(cè)熱交換器146在所述熱側(cè)閥134的出口端160和入口端132之間是垂直的。

為設(shè)置相對(duì)于所述床輪盤的所述角位置的所述冷側(cè)閥的所述轉(zhuǎn)子的所述角位置，選擇所述輪盤中的一個(gè)床，其具有通過流體導(dǎo)管連接至所述冷側(cè)閥的所述定子的所述外環(huán)中的特定孔的冷入口端。所述床輪盤被旋轉(zhuǎn)到所選擇的床剛好開始進(jìn)入所述磁體組件的所述間隙的位置。在所述床輪盤被保持在此位置中的情況下，所述冷側(cè)轉(zhuǎn)子被旋轉(zhuǎn)成使得連接至所選擇的床的所述冷入口端的所述外轉(zhuǎn)子孔剛好開始被所述外定子槽露出。接下來，所述床輪盤被旋轉(zhuǎn)使得所選擇的床剛好從所述磁體組件中的所述間隙出現(xiàn)。所述定子的所述內(nèi)槽應(yīng)被配置成使得在所述床輪盤在此位置中的情況下，在連接至所選擇的床的所述冷出口端的所述轉(zhuǎn)子的所述內(nèi)環(huán)中的所述孔剛好開始被所述內(nèi)定子槽露出。在說明性實(shí)施例中，所述熱側(cè)閥的所述轉(zhuǎn)子和定子等同于所述冷側(cè)閥的所述轉(zhuǎn)子和定子，并被設(shè)置成具有與所述冷側(cè)閥的所述轉(zhuǎn)子和定子恰好相同的位置。

因?yàn)樵谒鲛D(zhuǎn)子中的所述孔的所述角布置與在所述床輪盤中的所述床的所述角布置呈鏡像，并且因?yàn)樗鲛D(zhuǎn)子與在所述床輪盤中的所述床共同旋轉(zhuǎn)，顯而易見的是，基于一個(gè)所選床設(shè)置所述對(duì)準(zhǔn)也將建立所有所述床的正確對(duì)準(zhǔn)。還顯而易見的是，在此對(duì)準(zhǔn)的情況下，在所述系統(tǒng)中的每個(gè)床將進(jìn)行相同的制冷循環(huán)，但是在相鄰床之間具有由360°/(n×ω)給出的時(shí)間延遲，其中，ω為所述床輪盤和所述轉(zhuǎn)子的共有角速度(以度每秒為單位測(cè)量)。

為實(shí)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間δth的熱吹，所述外定子槽的所述角范圍被選擇為δθh＝ωδth。為實(shí)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間δtc的冷吹，所述內(nèi)定子槽的所述角范圍被選擇為δθc＝ωδtc。因?yàn)樗鰺岽党掷m(xù)時(shí)間短于所述冷吹持續(xù)時(shí)間，所述外定子槽124的所述角范圍小于所述內(nèi)定子槽122的所述角范圍，如圖11所示。

因?yàn)樗霰?44在本實(shí)施例中連續(xù)運(yùn)行，因此，在任何時(shí)刻，必須存在通過所述系統(tǒng)的完整流體回路。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，在所述系統(tǒng)中的床的數(shù)量(并因此，在所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)環(huán)或外環(huán)中的孔的數(shù)量)和所述定子槽的所述角范圍必須被選擇成使得在任何給定時(shí)刻至少一個(gè)床在進(jìn)行其熱吹階段，而至少一個(gè)床在進(jìn)行其冷吹階段。此操作在圖10中示出，其中，通過所述系統(tǒng)的所述完整流體回路由實(shí)黑線指示。n、δtc和δth的任何合乎需要的選擇大體上滿足此要求，因此，此要求通常并不限制這些參數(shù)的選擇。

在本實(shí)施例中的用于所選床的所述制冷循環(huán)的實(shí)施方案在下文描述。當(dāng)此所選床130已旋轉(zhuǎn)完全遠(yuǎn)離所述磁體組件中的所述間隙時(shí)，如關(guān)于圖10的右手側(cè)上的所述床130示意性地示出，所述熱側(cè)閥134的所述內(nèi)定子槽開始露出連接至此床的所述熱入口端的所述內(nèi)環(huán)中的所述轉(zhuǎn)子孔。因此，從所述熱側(cè)閥134的所述入口端132(其連接至與所述內(nèi)定子槽連通的所述閥中的所述腔室)至所選床130的所述熱入口端136的打開流體路徑在所述床130被去磁時(shí)建立。因?yàn)樗隼鋫?cè)閥138具有與所述熱側(cè)閥134相同的盤對(duì)準(zhǔn)，所述冷側(cè)閥138的所述定子的所述內(nèi)槽同時(shí)露出在連接至所選床130的所述冷出口端140的所述內(nèi)環(huán)中的所述轉(zhuǎn)子孔。因此，從所述床的所述冷出口端140至所述冷側(cè)閥138的所述出口端142的打開流體路徑在所選床130被去磁時(shí)建立。由所述泵144提供的承壓流體離開所述熱側(cè)熱交換器146并進(jìn)入所述熱例閥134的所述入口端132，所述泵144在圖10中被示為與所述熱側(cè)熱交換器146串聯(lián)垂直。此流體以溫度thi穿過所述內(nèi)定子槽、穿過所述轉(zhuǎn)子的所述內(nèi)環(huán)中的露出的孔并被傳遞至所選床130的所述熱入口端136。此流體穿過所述床130，從而在其向所述床中的冷的去磁磁熱材料釋放熱量時(shí)變得更冷。此流體以溫度tco從所選床130的所述冷出口端140出射，流過所述冷側(cè)轉(zhuǎn)子的所述內(nèi)環(huán)中的露出的孔、流過所述內(nèi)定子槽并流至所述冷側(cè)閥138的所述出口端142。所述流體從此處流過所述冷側(cè)熱交換器148，所述流體在所述冷側(cè)熱交換器148從所述制冷環(huán)境提取熱量，從而允許此環(huán)境保持其更冷的溫度。所述流體以溫度tci從所述冷側(cè)熱交換器148出射。

在此冷吹期間，因?yàn)樵谒鰺醾?cè)閥134的所述轉(zhuǎn)子110的所述內(nèi)轉(zhuǎn)子環(huán)112中的所述孔116被所述內(nèi)定子槽122露出，其在所述熱側(cè)轉(zhuǎn)子110的所述外環(huán)114中的配對(duì)孔118被所述定子120堵塞(圖11)。此孔118被連接至所選床130的所述熱出口端166(圖10)。因此，在所述熱側(cè)閥134向所選床130的所述熱入口端136傳遞流動(dòng)時(shí)，其同時(shí)防止流動(dòng)進(jìn)入或退出所述床130的所述熱出口端166。類似地，因?yàn)樵谒隼鋫?cè)閥138的所述內(nèi)轉(zhuǎn)子環(huán)112中的所述孔116被所述內(nèi)定子槽122露出，其在所述冷側(cè)轉(zhuǎn)子110的所述外環(huán)114中的配對(duì)孔118被所述定子120堵塞。此孔118被連接至所選床130的所述冷入口端168。因此，在所述冷側(cè)閥138匯集來自所選床130的所述冷出口端140的流動(dòng)時(shí)，其同時(shí)防止流動(dòng)進(jìn)入或退出所述床130的所述冷入口端168。被所述閥堵塞的所述流體路徑在圖10中被示為虛黑線。因此，在此第二實(shí)施例中的所述閥建立在所選床130被去磁時(shí)從所述熱入口端136至所選床130的所述冷出口端140的期望的流動(dòng)，并防止任何其它類型的流動(dòng)通過所述床130。因?yàn)樯衔膶?duì)于兩個(gè)閥134和138的所述內(nèi)定子槽122的所述角范圍所述的選擇，此期望的流動(dòng)模式在所述冷吹階段的期望持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)繼續(xù)。

繼續(xù)所述示例，下文描述在所選床130在進(jìn)行其冷吹階段時(shí)在進(jìn)行其熱吹階段的所述床中的一者。如圖10所示，此另一床150被磁化，并且因?yàn)樗隼鋫?cè)閥盤的所述對(duì)準(zhǔn)和它們相對(duì)于所述床輪盤和磁體組件152的位置的定位，所述冷側(cè)閥138的所述外定子槽必須被在連接至此床150的所述冷入口端的所述外轉(zhuǎn)子環(huán)中的所述孔露出。因?yàn)樗鰺醾?cè)閥盤與所述冷側(cè)閥盤具有相同的對(duì)準(zhǔn)，在連接至所述床150的所述熱出口端154的所述熱側(cè)轉(zhuǎn)子的所述外環(huán)中的所述孔也被所述熱側(cè)定子的所述外槽露出。以溫度tci退出所述冷側(cè)熱交換器148的所述承壓流體進(jìn)入所述冷側(cè)閥138的所述入口端156，所述冷側(cè)閥138被連接至與所述外定子槽連通的所述閥的所述腔室。此流體穿過所述冷側(cè)閥138的所述外定子槽、穿過所述轉(zhuǎn)子的所述外環(huán)中的露出的孔并被傳遞至所述床150的所述冷入口端158。隨后，來自所述床的所述冷入口端158的流動(dòng)可以通過所述床150前進(jìn)，從而在其從所述床150中的所述熱的磁化磁熱材料拾取熱量時(shí)溫度上升。此熱流體以溫度tho在所述熱出口端154退出所述床150，穿過所述熱側(cè)轉(zhuǎn)子的所述外環(huán)中的對(duì)應(yīng)孔、穿過所述熱側(cè)定子的所述外槽并從所述熱側(cè)閥134的所述出口端160退出。如圖10所示，隨后此流體返回到所述泵144，并繼續(xù)通過所述熱側(cè)熱交換器146，從而向周圍環(huán)境釋放熱量并返回到溫度thi。這完成所述流體回路并且此流體現(xiàn)在可供用于執(zhí)行所述去磁床(包括所選床130)的中的任一者的所述冷吹。

隨著時(shí)間推進(jìn)，所選床130的所述冷吹將在連接至所述床的所述熱入口端和冷出口端的所述內(nèi)轉(zhuǎn)子孔經(jīng)過所述定子的所述內(nèi)槽旋轉(zhuǎn)時(shí)結(jié)束。在所述床130旋轉(zhuǎn)到所述磁體組件152的所述間隙中時(shí)，所述冷側(cè)閥138和熱側(cè)閥134的所述外轉(zhuǎn)子孔變?yōu)楸凰鐾舛ㄗ硬勐冻?，從而允許所述熱吹通過所述床前進(jìn)，其中，所述冷側(cè)閥138和熱側(cè)閥134被連接至所選床的所述冷入口端和熱出口端。此熱吹在圖13中示意性地示出。此圖中的實(shí)黑線示出了通過所述系統(tǒng)的所述流體路徑。

所述熱吹通過在所述熱側(cè)閥134和冷側(cè)閥138中的所述轉(zhuǎn)子的被所述外定子槽露出的所述外孔前進(jìn)。因?yàn)樗鐾廪D(zhuǎn)子孔被露出，因此對(duì)應(yīng)內(nèi)孔被所述定子堵塞。因此，所述冷側(cè)閥138阻塞在床進(jìn)行其熱吹時(shí)至所述床的所述冷出口端162或來自所述床的所述冷出口端162的任何流動(dòng)，同時(shí)所述熱側(cè)閥阻塞至此床的所述熱入口端164或來自此床的所述熱入口端164的任何流動(dòng)。視所述熱吹需要，流動(dòng)可以僅通過所選床130從所述冷入口端158至所述熱出口端154前進(jìn)。被所述閥堵塞的所述流體路徑被示為在圖13中的虛黑線。所選床130的所述熱吹持續(xù)，只要所述外定子槽露出連接至所述床的所述冷入口端和熱出口端的所述外轉(zhuǎn)子孔。因?yàn)樯衔乃龅膶?duì)于所述外轉(zhuǎn)子槽的所述角范圍的選擇，此熱吹將持續(xù)所期望的持續(xù)時(shí)間δth。

在所述系統(tǒng)在中具有n個(gè)床的情況下，在定子中的所述外槽將大體上暴露所述轉(zhuǎn)子的所述外環(huán)中的若干孔，使得所述熱吹同時(shí)在若干床上執(zhí)行。類似地，所述定子的所述內(nèi)槽將大體上暴露所述轉(zhuǎn)子的所述內(nèi)環(huán)中的若干孔，使得所述冷吹在若干床上同時(shí)執(zhí)行。在當(dāng)前描述的主題中，所述熱吹的所述持續(xù)時(shí)間小于所述冷吹的所述持續(xù)時(shí)間，因此如圖11所示，所述外定子槽124的所述角范圍將小于所述內(nèi)定子槽122的所述角范圍。因?yàn)榻欠秶脑摬顒e，在被所述外定子槽124露出的所述外環(huán)114中的外轉(zhuǎn)子孔的數(shù)量將小于被所述內(nèi)定子槽122露出的所述內(nèi)環(huán)112中的內(nèi)轉(zhuǎn)子孔的數(shù)量。因此，在任何給定時(shí)刻進(jìn)行熱吹階段的床的數(shù)量將大體上小于進(jìn)行冷吹階段的床的數(shù)量。假設(shè)nh表示進(jìn)行所述熱吹階段的床的數(shù)量，并且假設(shè)nc＞nh表示進(jìn)行所述冷吹階段的床的數(shù)量。因?yàn)樗霰媒⑼ㄟ^所述系統(tǒng)的接近恒定流速φ，并且因?yàn)榇肆鲃?dòng)在對(duì)流動(dòng)開放的床之間被均勻劃分，在所述熱吹期間通過床的所述流速將與nh成反比，而在所述冷吹期間通過床的所述流速將與nc成反比。對(duì)于不等吹，nc＞nh，并因此視需要φc＜φh。

顯而易見的是，nh將與所述外定子槽124的所述角范圍δθh成比例，而nc將與所述內(nèi)定子槽122的所述角范圍δθc成比例。因此，所述熱吹流速將與δθh成反比，并且所述冷吹流速將與δθc成反比。因此，所述熱吹流速對(duì)所述冷吹流速的比率將等于δθc對(duì)δθh的所述比率。通過上面對(duì)于所述定子槽的所述角范圍的選擇，后者比率等于δtc對(duì)δth的比率。因此，其被確定為：

方程式10：

此關(guān)系可以用來滿足方程式4的流速條件。因此，使用所述盤閥的所述定子槽的不等角范圍將實(shí)現(xiàn)不等熱吹和冷吹持續(xù)時(shí)間，并且流速將視需要滿足方程式4的流速條件。通過調(diào)節(jié)由所述泵建立的接近恒定流速φ，可以建立所述熱吹流速φh或所述冷吹流速φc的任何期望值。一旦通過選擇φ建立這些吹流速中的一者，另一吹流速就由方程式10來確定。

為減小本實(shí)施例的所述流體壓降，在所述閥和用于所述熱吹的所述床之間輸送流體的所述流體管道的濕直徑可以相對(duì)于在所述閥和用于所述冷吹的所述床之間輸送流體的所述流體管道在尺寸上增大，其中，所述熱吹采用比所述冷吹更高的床流速。例如，如圖11所示，在所述熱閥和冷閥中的所述外定子槽124的徑向?qū)挾群退鐾廪D(zhuǎn)子孔118的尺寸可以相對(duì)于所述內(nèi)定子槽122的徑向?qū)挾群退鰞?nèi)轉(zhuǎn)子孔116的尺寸在尺寸上增大。本實(shí)施例的所述壓降的所得的減小將減小驅(qū)動(dòng)所述泵和來自粘性耗散的非所需的流體加熱這兩者所需的電力，并由此改善所述系統(tǒng)的性能。

在本實(shí)施例中，所述熱吹通過所述閥的所述外定子槽124和外轉(zhuǎn)子孔118，而所述冷吹通過所述內(nèi)定子槽122和內(nèi)轉(zhuǎn)子孔116。此指定可以被切換而無需更改所述閥的基本性能。然而，用在本實(shí)施例中的選擇為優(yōu)選的，因?yàn)樗鐾廪D(zhuǎn)子孔118以比所述內(nèi)孔更快的速度運(yùn)動(dòng)，其中，所述外轉(zhuǎn)子孔118與所述內(nèi)孔116相比位于距所述轉(zhuǎn)子盤110的所述中心的更大徑向距離上。當(dāng)所述外轉(zhuǎn)子孔首先被所述外定子槽露出時(shí)，此更快孔速度能夠?qū)崿F(xiàn)至所述床的更快斜升的流動(dòng)，并且當(dāng)所述外轉(zhuǎn)子孔的端部超出此定子槽的另一端時(shí)，此更快孔速度能夠?qū)崿F(xiàn)更快斜降的流動(dòng)。這能夠在所述更短熱吹持續(xù)時(shí)間期間實(shí)現(xiàn)所述床流動(dòng)的更精確控制。

第三實(shí)施例

在第三實(shí)施例中，在所述rmmr構(gòu)形中的磁制冷系統(tǒng)使用改動(dòng)的旋轉(zhuǎn)盤閥以提供不等的熱吹和冷吹持續(xù)時(shí)間以及流速。在此第三實(shí)施例中，被配置成產(chǎn)生接近恒定流速的單個(gè)泵驅(qū)動(dòng)流動(dòng)通過所述系統(tǒng)。

所述第三實(shí)施例采用n個(gè)相同固定床，其中，n可為大于1的任何整數(shù)。例如，n可以為2、3、4、5、8、12、25或更大。這些固定床被布置成使得所述床中心沿環(huán)形周界放置并以角度均勻隔開；也就是說，每個(gè)床的所述中心與其相鄰者的所述中心隔開360°/n的角度。在本實(shí)施例中的所述n個(gè)相同的床中的每者具有四個(gè)流體端口，冷入口端(ci)、冷出口端(co)、熱入口端(hi)和熱出口端(ho)。

此實(shí)施例采用具有間隙的旋轉(zhuǎn)磁體組件，如圖2所示，此間隙為環(huán)形區(qū)的一部分。在此間隙內(nèi)，所述磁體組件產(chǎn)生高磁場。所述固定床和所述磁體間隙被布置成使得在所述磁體組件相對(duì)于任何給定床旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述任何給定床將擬合在所述間隙內(nèi)部。在作為磁制冷機(jī)操作期間，所述磁體組件相對(duì)于所述床的所述環(huán)形布置旋轉(zhuǎn)。當(dāng)所述磁體組件相對(duì)于給定床旋轉(zhuǎn)并因此所述給定床進(jìn)入所述磁體組件中的所述間隙時(shí)，其變?yōu)榇呕划?dāng)所述磁體組件旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離所述給定床時(shí)，其變?yōu)槿ゴ?。在所述系統(tǒng)中的所述流動(dòng)被配置成使得在給定床的所述制冷循環(huán)的所述熱吹階段期間，流動(dòng)通過所述床從其冷入口端到其熱出口端前進(jìn)，其中，所述熱吹階段發(fā)生在所述床被磁化時(shí)(即，當(dāng)所述床在所述磁體組件的所述間隙內(nèi)時(shí))。在所述制冷循環(huán)的所述冷吹階段期間，當(dāng)所述床被去磁時(shí)(即，當(dāng)其完全在所述磁體組件的所述間隙外部時(shí))，流動(dòng)通過所述床從其熱入口端到其冷出口端前進(jìn)。此實(shí)施例的示意圖在圖14中提供。為清楚起見，僅在此圖中示出兩個(gè)床，一個(gè)床進(jìn)行其熱吹(左)，而另一床同時(shí)進(jìn)行其冷吹(右)。

所述第三實(shí)施例使用四個(gè)閥，所述熱入口閥204、熱出口閥206、冷入口閥200和冷出口閥202，以傳遞所期望的流動(dòng)構(gòu)形通過所述床。這些閥在圖14中示意性地示出。這些閥中的每者具有兩個(gè)盤，轉(zhuǎn)子240和定子242(圖15)。如圖15(右)所示，與所述磁體組件共同旋轉(zhuǎn)的所述轉(zhuǎn)子240具有帶有特定角范圍的槽244。所述定子242具有n個(gè)孔的環(huán)246，如在圖15中(左)示出n＝8。所述定子孔246的所述中心與它們的相鄰者的所述中心隔開360°/n的角度。因此，所述定子孔的所述布置與所述床的所述布置呈鏡像。從所述定子242的所述中心至其孔環(huán)246的所述徑向距離等于從所述轉(zhuǎn)子240的所述中心至其角槽244的所述徑向距離，使得當(dāng)所述轉(zhuǎn)子240和定子242重疊時(shí)，在所述轉(zhuǎn)子240中的所述槽244露出所述定子242中的孔246中的一些。所述冷入口閥200和熱出口閥206具有相同的轉(zhuǎn)子和定子。所述熱入口閥204和冷出口閥202也具有相同的轉(zhuǎn)子和定子，但一般來說，這些轉(zhuǎn)子和定子將不同于所述冷入口閥和熱出口閥的所述轉(zhuǎn)子和定子。為實(shí)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間δth的熱吹，在所述冷入口閥200和熱出口閥206中的所述轉(zhuǎn)子槽的所述角范圍被選擇為δθh＝ωδth，其中，ω為所述磁體組件208和所述轉(zhuǎn)子的共有角速度(以度每秒為單位測(cè)量)。為實(shí)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間δtc＞δth的冷吹，在所述熱入口閥204和冷出口閥202中的所述轉(zhuǎn)子槽106的所述角范圍被選擇為δθc＝ωδtc。因?yàn)樗鰺岽档乃龀掷m(xù)時(shí)間短于所述冷吹的所述持續(xù)時(shí)間，所述冷入口閥200和熱出口閥206的所述轉(zhuǎn)子槽具有比所述熱入口閥204和冷出口閥202的所述轉(zhuǎn)子槽更小的角范圍。

為形成供在本實(shí)施例中使用的閥，所述轉(zhuǎn)子盤和定子盤被重疊、擠壓在一起(例如，使用彈簧)并被密封在具有兩個(gè)端部的圓柱形外殼中。所述轉(zhuǎn)子的所述中心被附接到機(jī)械軸，所述機(jī)械軸通過密封件(例如，軸封)從所述閥外殼的一端伸出。所述轉(zhuǎn)子軸被連接至所述旋轉(zhuǎn)磁體組件的所述機(jī)械軸(例如，以傳送帶和滑輪)，使得所述轉(zhuǎn)子軸和轉(zhuǎn)子與所述磁體組件共同旋轉(zhuǎn)。每個(gè)閥具有流體端口，其匯集或傳遞來自與所述轉(zhuǎn)子槽連通的所述閥中的腔室的承壓流體。彼此接觸的所述兩個(gè)閥盤的所述面被高度拋光，使得當(dāng)它們被擠壓在一起時(shí)，它們形成面密封件。以此方式，用于通過所述閥的流動(dòng)的僅有的路徑為從其流體端口通過轉(zhuǎn)子槽并通過被所述轉(zhuǎn)子槽露出的任何定子孔。流動(dòng)也可以以相反方向通過所述閥前進(jìn)：從定子孔通過露出此定子孔的轉(zhuǎn)子槽并前進(jìn)至與所述轉(zhuǎn)子槽連通的所述閥的所述流體端口。

在所述閥的所述定子中的所述n個(gè)孔中的每者與所述n個(gè)床中的一者相關(guān)聯(lián)。此相關(guān)聯(lián)在圖16中針對(duì)一個(gè)定子242在n＝8的情況下說明。在所述冷入口閥200的所述定子242中的每個(gè)孔246通過流體導(dǎo)管被連接至其相關(guān)聯(lián)床的所述冷入口端(ci)。在所述冷出口閥202的所述定子242中的每個(gè)孔246通過流體導(dǎo)管被連接至其相關(guān)聯(lián)床的所述冷出口端(co)。在所述熱入口閥204的所述定子242中的每個(gè)孔246通過流體導(dǎo)管被連接至其相關(guān)聯(lián)床的所述熱入口端(hi)。在所述熱出口閥206的所述定子242中的每個(gè)孔246通過流體導(dǎo)管被連接至其相關(guān)聯(lián)床的所述熱出口端(ho)。

為設(shè)置在所述冷入口閥200的所述轉(zhuǎn)子和定子的所述角位置與所述磁體組件208的所述角位置之間的關(guān)系，一個(gè)床210被選擇以及所述磁體組件208被旋轉(zhuǎn)，使得所選床210剛好開始進(jìn)入所述組件208的所述間隙。在所述磁體組件208在此位置的情況下，所述轉(zhuǎn)子240的所述角位置被調(diào)節(jié)，使得所述轉(zhuǎn)子槽244剛好開始露出連接至所選床210的所述冷入口端224的所述定子孔246(圖14和圖15)。所述熱出口閥206的所述相同轉(zhuǎn)子240和定子242的所述位置被設(shè)置成恰好匹配所述冷入口閥200的所述轉(zhuǎn)子240和定子242的所述位置。

為設(shè)置在所述熱入口閥204的所述轉(zhuǎn)子和定子的所述角位置以及所述磁體組件208的所述角位置之間的關(guān)系，一個(gè)床210被選擇以及所述磁體組件208被旋轉(zhuǎn)，使得所選床210剛好從所述組件208的所述間隙出現(xiàn)(圖17)。在所述磁體組件208在此位置的情況下，所述轉(zhuǎn)子240的所述角位置被調(diào)節(jié)成，使得所述轉(zhuǎn)子槽244剛好開始露出連接至所選床210的所述熱入口端230的所述定子孔246(圖15和圖18)。所述冷出口閥202的所述相同轉(zhuǎn)子和定子的所述位置被設(shè)置成恰好匹配所述熱入口閥的所述轉(zhuǎn)子和定子的所述位置。

因?yàn)樗鲛D(zhuǎn)子240與所述磁體組件208共同旋轉(zhuǎn)，并且因?yàn)樵诖藢?shí)施例中的所述床的所述位置與所述定子孔246的所述位置呈鏡像，顯而易見的是，基于一個(gè)所選床210設(shè)置所述轉(zhuǎn)子240的位置也將建立所有所述床的正確對(duì)準(zhǔn)。還顯而易見的是，在所述系統(tǒng)中的每個(gè)床將進(jìn)行相同的制冷循環(huán)，但在相鄰床之間具有由360°/(n×ω)給出的時(shí)間延遲。

在所述冷入口閥和熱出口閥的所述轉(zhuǎn)子中的所述槽與在所述熱入口閥和冷出口閥的所述轉(zhuǎn)子中的所述槽被安置成，使得當(dāng)所述盤的所述角對(duì)準(zhǔn)以剛才所述的方式設(shè)置時(shí)，由在所述熱入口閥和冷出口閥的所述轉(zhuǎn)子中的所述槽所對(duì)的角度并不與由在所述冷入口閥和熱出口閥的所述轉(zhuǎn)子中的所述槽所對(duì)的所述角度重疊。此期望構(gòu)形在圖9中示出，該圖示出在與所述磁體組件對(duì)準(zhǔn)之后，來自所述冷入口/熱出口閥的轉(zhuǎn)子100和來自熱入口/冷出口閥的轉(zhuǎn)子102。在此構(gòu)形的情況下，如果在所述冷入口閥和熱出口閥中的所述轉(zhuǎn)子槽104露出定子孔246(圖15)，則在所述熱入口閥和冷出口閥中的所述轉(zhuǎn)子102在阻塞后者閥的所述定子中的對(duì)應(yīng)孔246。相反，如果在所述熱入口閥和冷出口閥中的所述轉(zhuǎn)子槽106露出定子孔246，則在所述冷入口閥和熱出口閥中的所述轉(zhuǎn)子100在阻塞在所述定子中的對(duì)應(yīng)孔246。

在本實(shí)施例中，所述泵222連續(xù)運(yùn)行，并因此，在任何時(shí)刻，必須存在通過所述系統(tǒng)的完整流體回路。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，在所述系統(tǒng)中的床的數(shù)量(并因此，在所述閥的所述定子中的孔的數(shù)量)和所述轉(zhuǎn)子槽的所述角范圍必須被選擇成使得在任何給定時(shí)刻至少一個(gè)床在進(jìn)行其熱吹階段，而至少一個(gè)床在進(jìn)行其冷吹階段。此操作在圖14中示出，其中，通過所述系統(tǒng)的所述完整流體回路由實(shí)黑線指示。n、δtc和δth的任何合乎需要的選擇大體上滿足此要求，因此，此要求通常并不限制這些參數(shù)的選擇。

連接至與這些閥的轉(zhuǎn)子槽244連通的這些閥的所述腔室的所述冷入口閥和熱入口閥的所述端口將被稱為這些閥的所述入口端。流體將通過這些端口進(jìn)入所述閥并通過所述轉(zhuǎn)子槽244被引導(dǎo)到相關(guān)聯(lián)床的露出的定子孔246和引導(dǎo)到對(duì)應(yīng)入口端。連接至與這些閥的轉(zhuǎn)子槽連通的這些閥的所述腔室的所述冷出口閥和熱出口閥的所述端口將被稱為這些閥的所述出口端。穿過這些閥的所述轉(zhuǎn)子槽的流體將通過這些端口退出所述閥。所述入口端和出口端在圖14中標(biāo)識(shí)。

在本實(shí)施例中的用于所選床210的所述制冷循環(huán)的實(shí)施方案在下文描述。如圖14的左手側(cè)示意性所示，當(dāng)所述磁體組件208剛好相對(duì)于此床210旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述冷入口閥200的所述轉(zhuǎn)子槽開始露出連接至此床210的所述冷入口端224的所述定子孔。因此，建立從所述冷入口閥200(其連接至與所述轉(zhuǎn)子槽連通的所述閥中的所述腔室)的所述入口端214至所選床210的所述冷入口端224的打開流體路徑。因?yàn)樗鰺岢隹陂y206具有與所述冷入口閥200相同的盤對(duì)準(zhǔn)，所述熱出口閥206的所述轉(zhuǎn)子的所述槽同時(shí)露出連接至所選床210的所述熱出口端226的所述定子孔。因此，從所述床210的所述熱出口端226至所述熱出口閥206的所述出口端220的打開流體路徑在所選床210被磁化時(shí)建立。由所述泵222提供的承壓流體以溫度tci離開所述冷側(cè)熱交換器236并進(jìn)入所述冷入口閥200的入口端214，其中，所述泵222在圖14中被示為與所述熱側(cè)熱交換器238串聯(lián)垂直。此流體穿過所述閥的所述轉(zhuǎn)子槽、穿過在所述定子中的所述露出的孔并被傳遞至所選床210的所述冷入口端224。此流體穿過所述床210，從而在其從所述床210中的所述熱的磁化磁熱材料提取熱量時(shí)變得更暖。此流體以溫度tho從所選床210的所述熱出口端226出射、流過所述熱出口閥206的所述定子中的露出的孔、流過所述轉(zhuǎn)子槽并流至所述熱出口閥206的所述出口端220。所述流體從此處返回到所述泵222并通過所述熱側(cè)熱交換器238發(fā)送，所述流體在所述熱側(cè)熱交換器238向周圍環(huán)境排出熱量。所述流體以溫度thi從所述熱側(cè)熱交換器出射并可供用于通過所述去磁床中的任一者執(zhí)行所述冷吹。

在所選床210的所述熱吹(圖14)期間，因?yàn)檫B接至所述床210的所述冷入口端224和熱出口端226的所述冷入口閥200和熱出口閥206的所述定子中的所述孔被對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子槽露出，在連接至所選床210的所述熱入口端230和冷出口端228的所述熱入口閥204和冷出口閥202的所述定子中的所述孔必須被這些閥的所述轉(zhuǎn)子堵塞。因此，在所述冷入口閥200傳遞流動(dòng)至所選床210的所述冷入口端224時(shí)，所述冷出口閥202同時(shí)防止流動(dòng)進(jìn)入或退出所述床210的所述冷出口端228。類似地，在所述熱出口閥206從所選床210的所述熱出口端226傳送流動(dòng)時(shí)，所述熱入口閥204同時(shí)防止流動(dòng)進(jìn)入或退出所述床210的所述熱入口端230。這些阻塞流動(dòng)路徑由圖14中的虛線指示。因此，在此第三實(shí)施例中的所述閥建立在所選床210被磁化時(shí)從所選床210的所述冷入口端224至所述熱出口端226的期望流動(dòng)，并防止通過所述床210的任何其它類型的流動(dòng)。因?yàn)樯衔膶?duì)于所述冷入口閥200和熱出口閥206的所述轉(zhuǎn)子槽的所述角范圍的選擇，此期望的流動(dòng)模式在所述熱吹階段的期望持續(xù)時(shí)間δth內(nèi)繼續(xù)。

繼續(xù)所述示例，下文描述在所選床在進(jìn)行其熱吹階段時(shí)所述床中的一者在進(jìn)行其冷吹階段。此另一床212被去磁，如圖14的右手側(cè)所示。因?yàn)樗鰺崛肟陂y204和冷出口閥202的所述轉(zhuǎn)子相對(duì)于所述磁體組件208的所述位置的共有定位，所述熱入口閥204的所述轉(zhuǎn)子槽必須露出被連接至此另一床的所述熱入口端232的所述熱入口定子中的所述孔，并且所述冷出口閥202的所述轉(zhuǎn)子槽必須露出被連接至此床的所述冷出口端234的所述定子孔。以溫度thi退出所述熱側(cè)熱交換器238的所述承壓流體進(jìn)入所述熱入口閥204的所述入口端218，所述入口端218被連接至與此閥的所述轉(zhuǎn)子槽連通的所述閥的所述腔室。此流體穿過所述熱入口閥204的所述轉(zhuǎn)子槽、穿過所述熱入口定子中的露出的孔并被傳遞至所述床212的所述熱入口端232。來自所述熱入口端232的流動(dòng)隨后可以通過所述床212前進(jìn)，從而在其向所述床212中的所述冷的去磁的磁熱材料釋放熱量時(shí)溫度下降。此流體以溫度tco在所述冷出口端234退出所述床212、穿過所述冷出口閥202的所述定子中的對(duì)應(yīng)孔、穿過所述冷出口閥202的所述轉(zhuǎn)子槽并從所述冷出口閥202的所述出口端216流出。此流體隨后進(jìn)入所述冷側(cè)熱交換器236，從而從所述制冷環(huán)境吸收熱量、允許此環(huán)境保持其更冷的溫度。此流體以溫度tci退出所述冷側(cè)熱交換器236，從而完成所述流體回路。此流體現(xiàn)在可供用于執(zhí)行包括所選床210的所述磁化床中的任一者的所述熱吹。

隨著時(shí)間推進(jìn)，所選床210的所述熱吹將在所述冷入口閥200和熱出口閥206的所述轉(zhuǎn)子槽旋轉(zhuǎn)經(jīng)過與所述床210的所述冷入口端224和熱出口端226連接的所述定子孔時(shí)，并且在所述磁體組件208旋轉(zhuǎn)離開所選床210時(shí)結(jié)束。一旦所述磁體組件208旋轉(zhuǎn)完全離開所選床210，所述熱入口閥204和冷出口閥202的所述定子孔變?yōu)楸粚?duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子槽露出，從而允許所述冷吹通過所述床210前進(jìn)，其中，所述定子孔被連接至所選床210的所述熱入口端230和冷出口端228。此冷吹在圖17中示意性地示出。

所述冷吹通過在所述熱入口閥204和冷出口閥202中的所述定子的所述孔前進(jìn)，其中，所述熱入口閥204和冷出口閥202被連接至所選床210的所述熱入口端230和冷出口端228。這些孔被這些閥的所述轉(zhuǎn)子槽露出。因?yàn)檫@些定子孔被所述熱入口閥204和冷出口閥202的所述轉(zhuǎn)子露出，在所述冷入口閥和熱出口閥中的所述定子中的對(duì)應(yīng)孔被這些閥中的所述轉(zhuǎn)子堵塞。因此，所述冷入口閥200防止流動(dòng)進(jìn)入或退出所選床210的所述冷入口端224，而同時(shí)所述熱出口閥206防止流動(dòng)進(jìn)入或退出所述床210的所述熱出口端226。這些阻塞流動(dòng)路徑在圖17中被示為虛線。視所述冷吹需要，流動(dòng)可以僅通過所選床210從其熱入口端230至其冷出口端228前進(jìn)。用于所選床的所述冷吹持續(xù)，只要所述熱入口和冷出口轉(zhuǎn)子槽露出連接至所述床210的所述熱入口端230和冷出口端228的所述定子孔。因?yàn)閷?duì)于這些轉(zhuǎn)子槽的所述角范圍的上文所述的選擇，此冷吹將在期望的持續(xù)時(shí)間δtc內(nèi)持續(xù)。

顯而易見的是，在提供通過所述系統(tǒng)的接近恒定流速的所述222的情況下，在所述冷入口閥/熱出口閥中的所述轉(zhuǎn)子槽的更短角范圍(相對(duì)于在所述熱入口閥/冷出口閥中的所述槽的所述角范圍)將露出更少數(shù)量的定子孔，并因此以關(guān)于所述先前實(shí)施例描述的相同方式，在所述熱吹期間比在所述冷吹期間產(chǎn)生更大的通過床的流速。還顯而易見的是，如在所述先前實(shí)施例中，在所述熱吹和冷吹期間通過床的所述不等流速將滿足方程式10，并因此視需要滿足方程式4。此外，通過調(diào)節(jié)由所述泵222建立的所述接近恒定流速φ，可以建立所述熱吹流速φh或所述冷吹流速φc的任何期望值。一旦通過選擇φ建立這些吹流速中的一者，另一吹流速就由方程式10來確定。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖19a和圖19b，其示出根據(jù)本公開的至少一些實(shí)施例的用作流體冷卻器的另一磁制冷系統(tǒng)。具體地，在一些冷卻應(yīng)用中(例如，通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)或冷卻水生成)，所期望的并非熱量從在tc的冷蓄池泵送至在th的熱蓄池，但是空氣或流體的冷卻從th串流至tc(例如，“流體冷卻器”)。如果所述流體具有溫度無關(guān)的熱容量c，則有待于從所述流體去除的總熱量qc為qc＝c(th-tc)。此外，經(jīng)由可逆的制冷機(jī)將給定量的熱量qc從冷的絕對(duì)溫度tc移至熱的絕對(duì)溫度th所需的最小理論功w為w＝qc(th-tc)/tc。其中，性能系數(shù)(cop)可被定義為qc/w。使用單級(jí)制冷機(jī)從絕對(duì)溫度tc至th泵送所有熱量以冷卻流體所需的功的理論最小量為

方程式11：w＝c(th-tc)²/tc

并且相關(guān)的cop為

方程式12：cop＝qc/w＝(tc/(th-tc)。

實(shí)際制冷機(jī)可能具有相對(duì)更低效率，發(fā)生的主要損耗是由于制冷劑的壓縮和膨脹所造成的粘性損失。

如果所述流體通過大量單獨(dú)的制冷機(jī)藉由首先將所述流體從th冷卻至th-d并泵送熱量至th，并接下來將所述流體從th-d冷卻至th-2d并泵送熱量至th等來冷卻，則需要更少的功，其中，d＜＜(th-tc)。發(fā)生此現(xiàn)象是因?yàn)樗隽黧w的冷卻中的大部分由通過小溫差起作用，并因此以高效率起作用的制冷機(jī)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于由不限制數(shù)量的每者具有理想效率的連續(xù)制冷機(jī)組成的理想流體冷卻器，所需的功將為

方程式13：

所得cop為：

方程式14：cop＝qc/wc＝(th/(th-tc)ln(th/tc)-1)-1。

所述功輸入低于所述單級(jí)制冷機(jī)，因?yàn)椴辉俅嬖诋?dāng)初始溫?zé)岬牧黧w流接觸所述冷熱交換器時(shí)所發(fā)生的熵生成。當(dāng)tc接近th時(shí)，最好的單級(jí)制冷機(jī)可能需要是多級(jí)理想冷卻器功輸入的兩倍功輸入。在th/tc的比率變得更大時(shí)，效率損失可能稍微增加；例如，對(duì)于th＝100°f和tc＝45°f，最好的單級(jí)制冷機(jī)可能比理想多級(jí)冷卻器多消耗2.07倍的輸入功。

amr式磁制冷機(jī)可被設(shè)置成充當(dāng)流體冷卻器(圖19a和圖19b)，在總共一個(gè)循環(huán)中，其從去磁床250的熱端252到其冷端254比從所述磁化床260的冷端256返回到其熱端258發(fā)送更多的amr熱傳遞流體。在所述冷端254積聚的余熱傳遞流體以幾乎可逆的方式從所述熱入口溫度thi被冷卻至所述冷出口溫度tco。此余熱傳遞流體可在逆向流式熱交換器262中再升溫，所述逆向流式熱交換器262將外部的流體流264從稍微大于thi的溫度tfi冷卻至稍微大于tco的溫度tfo。對(duì)于冷卻水回路，所述外部流體流可為水，或?qū)τ诳諝庹{(diào)節(jié)構(gòu)造，可為通風(fēng)空氣。所述溫?zé)岬挠酂醾鬟f流體可返回到所述去磁amr床250的所述熱端252，再次變?yōu)閺乃鯽mr床250的熱端流到冷端的所述余熱傳遞流體。如果所述比率f并非過高，則所述流體冷卻器也可用于攜帶常規(guī)的制冷負(fù)載，從而經(jīng)由冷熱交換器236從在比所述冷入口溫度tci稍高的溫度的冷空間去除熱量。

減少所述熱吹持續(xù)時(shí)間并增加所述冷吹持續(xù)時(shí)間的減小的磁體質(zhì)量的好處仍然可應(yīng)用于所述流體冷卻器amr情況，但是用于所述熱吹和冷吹中的流速的控制方程式改變。假設(shè)f為從所述去磁床出射，即被分流至所述流體冷卻熱交換器(hex)并返回到所述amr床的所述熱側(cè)的所述流體流的餾分。流體連續(xù)性需要改動(dòng)方程式4以考慮被分流至所述流體冷卻器hex、保留可供用于返回?zé)岽档乃隽鲃?dòng)的餾分1-f的所述冷吹流體的所述餾分f：

方程式15：δthφh＝(1-f)δtcφc，其中，φh為所述熱吹流速，φc為所述冷吹流速，δth和δtc為所述熱吹持續(xù)時(shí)間和冷吹持續(xù)時(shí)間，以及f為被分流至所述流體冷卻器hex的冷吹流體的餾分。

本文所述的磁制冷系統(tǒng)的所述方面中的任一者可至少部分由存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，例如計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上的計(jì)算機(jī)可讀指令控制。在由基于處理器的計(jì)算裝置執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)可讀指令時(shí)，所述操作被執(zhí)行以控制所述mr系統(tǒng)的操作。

一個(gè)或多個(gè)流程圖和/或框圖用于描述說明性實(shí)施例。所使用的任何流程圖并非意味著相關(guān)于執(zhí)行操作的順序進(jìn)行限制。已出于說明和描述的目的呈現(xiàn)了示例性實(shí)施例的前述描述。并非旨在為窮舉的或限制本發(fā)明為所公開的確切形式，且根據(jù)以上教示，修改及變化為可能的或可從所公開的實(shí)施例的實(shí)踐獲得所述修改及變化。希望本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書及其等效物限定。