流动效率提高的磁制冷系统技术方案

一种磁制冷系统，其在流体控制阀与磁致热床之间提供流量平衡的通道，以消除由因流量变化引起的对磁性床的不均等的利用而导致的低效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】关于联邦政府资助的研究或研发的声明相关申请的交叉引用本申请要求于2013年12月17日提交的美国临时申请序列号61/917,025的优先权，该美国临时申请的全部内容通过参引并入本文。
技术介绍
磁制冷(MR)是基于磁热效应的新兴冷却技术，磁热效应是特定材料所表现出的性质，所述特定材料在被放置于磁场中时升温、而在该磁场被去除时降温。磁制冷相比作为当前用于冷却的被最广泛使用的方法的蒸汽压缩提供了许多显著的优点。首先，MR不使用氢氟烃(HFC)、氯氟烃(CFC)，也不使用任何其他气态材料；MR系统中的制冷剂呈多孔固体的形式。不存在任何气体大大地降低了泄漏的可能性，而泄漏是蒸汽压缩系统中的常见问题。因此，MR系统由于减少的维护和停机时间而可以具有更高的可靠性。HFC和CFC的消除对环境有益处，这是因为这些气体消耗臭氧并且导致全球变暖。最后，理论研究表明，特别是在非高峰负载条件下，MR系统可以比蒸汽压缩系统更节能。关于磁制冷的总体背景可见于发表在Int.J.ofRefrig.(制冷杂志)31:945–961,2008中的由K.Gschneidner和V.Pecharsky著的“Thirtyyearsofnearroomtemperaturemagneticcooling:Wherewearetodayandfutureprospects(近室温磁冷却的三十年：我们的现状及未来展望)”、以及发表在HVAC&RResearch(HVAC&R研究)，13(4):525–542,2007中的由K.Engelbrecht、G.Nellis、S.Klein和C.Zimm著的“RecentDevelopmentsinRoomTemperatureActiveMagneticRegenerativeRefrigeration(室温主动磁蓄冷式制冷的最新发展)”。现代室温MR系统实施所谓的主动磁蓄冷器(AMR)循环以进行冷却，如在美国专利No.4,332,135中所公开的，特此将该美国专利通过参引而并入本文。该循环具有四个阶段，如图1A、图1B、图1C和图1D中示意性地示出的。这些附图中的MR系统包括由磁致热材料(MCM)制成的多孔床190和传热流体，该传热流体在其流动穿过床190时与MCM交换热量。床190的左侧部为冷侧部，而热侧部在右侧。流体流动的正时和方向(由热至冷或由冷至热)与磁场192的施加及去除相协调。在循环的第一阶段(“磁化”)——图1A中，在床190中的流体停滞的同时，向MCM施加磁场192以导致MCM变热。在下一个阶段(“热吹”)——图1B中，在保持施加于床190上的磁场192的同时，处于温度TCi(冷入口温度)下的流体通过冷入口182而被从冷侧部泵送穿过床至热侧部。该流体从床中的MCM吸收热量并且该流体的温度在该流体穿过床190时上升。在热吹期间，流体在温度THo(热出口温度)下通过热出口186离开床190并且循环通过热侧热交换器194，在热侧热交换器194处流体向周围环境放热并且恢复至温度THi(热入口温度)，THi<THo。在下一个阶段(“去磁”)——图1C中，流体流动终止并且磁场被去除。这导致床190进一步冷却。在最后阶段(“冷吹”)——图1D中，处于温度THi下的流体在持续不存在磁场的情况下被从热侧部经由热入口188泵送穿过床190至冷侧部。流体在其穿过床190中的MCM时被冷却，达到温度TCo(冷出口温度)，TCo<TCi。在冷吹期间经由冷出口184离开床190的较冷的流体循环通过冷侧热交换器196，从经制冷的环境获取热量。流体在温度TCi下离开冷侧热交换器196并且完成AMR循环。在冷吹期间由冷侧热交换器196中的冷流体所吸收的热量允许经制冷的环境保持其较冷的温度。虽然图1A、图1B、图1C和图1D示出了单床MR系统的操作，但是本领域的普通技术人员将理解：可以在单个系统中结合多个床——每个床均经历相同的AMR循环——以提高冷却能力、降低系统尺寸、或者以其他方式改善循环性能。为了实施AMR循环，磁制冷机需要由磁致热材料制成的一个或更多个多孔床、传热流体、用以驱动流体穿过床的泵、用于向床施加磁场及去除磁场的装置、以及流动控制系统，该流动控制系统使穿过床的流体流动的正时和方向与床上的磁场的施加及去除相协调。在磁制冷机中的AMR循环的一个实施方式中，带间隙的磁体组件——例如，在美国专利No.7,148,777中所公开的磁体组件，特此将该美国专利通过参引而并入本文——旋转经过由磁致热材料制成的固定床。固定床配装到磁体组件的间隙中，并且在磁体组件的间隙旋转经过给定的固定床时，磁场被施加至给给定床。磁场在床保持位于磁体间隙内时在床的各处被保持。当磁体旋转离开给定床时，磁场被去除。这种被称为“旋转磁体”磁制冷机或RMMR的实施方式在美国专利No.6,668,560中进行了描述，特此将该美国专利通过参引而并入本文。RMMR中的每张床均具有四个流体端口，如图1A、图1B、图1C和图1D中所示。这些端口中的两个端口——热入口端口188和热出口端口186——位于床190的热侧部上，而其他两个端口——冷入口端口182和冷出口端口184——位于床190的冷侧部上。入口端口188和182向床190中的磁致热材料输送流体，而出口端口186和184汇集从磁致热材料出来的流体。通过使用分开设置的入口端口和出口端口，通常处于不同温度的入口流体流和出口流体流的混合被最小化。这通过防止与混合相关联的热损失而改善了MR系统性能。通常，为了控制流体流动，RMMR使用四个阀，所述四个阀被称为热入口(Hi)阀、热出口(Ho)阀、冷入口(Ci)阀以及冷出口(Co)阀。当床位于旋转磁体组件的间隙内时，冷入口阀向床的冷入口端口输送流体流；同时，热出口阀汇集来自床的热出口端口的流体。热入口阀阻止流体流动至床的热入口端口，而冷出口阀阻止来自冷出口端口的流体流。以这种方式，流体流仅能从冷入口端口穿过床行进至热出口端口，这是用于经历AMR循环的热吹阶段的经磁化的床的期望的流动路径。当磁体旋转离开床以使得该床此刻被去磁时，冷入口阀此刻阻止流体流进入冷入口端口，而热出口阀阻止流体流通过热出口端口流出。热入口阀打开并且将热入口流体引导至床的热入口端口，同时冷出口阀打开，从而允许流体通过冷出口端口离开床。以这种方式，流体流仅能从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁制冷系统，包括：由磁致热材料制成的至少第一床和第二床，每个床均具有第一侧部和相反的第二侧部，流体能够在所述第一侧部与所述第二侧部之间流动；至少一个歧管，所述至少一个歧管将热入口导管和热出口导管连通至每个床的所述第一侧部并且将冷入口导管和冷出口导管连通至每个床的所述第二侧部；磁体组件，所述磁体组件能够移动以在第一状态下向所述第一床施加比向所述第二床施加的磁场更大的磁场、以及在第二状态下向所述第二床施加比向所述第一床施加的磁场更大的磁场；以及阀系统，所述阀系统与所述导管连通并且与所述磁体组件同步以允许流体循环通过所述第一床和所述第二床，以便通过经由至少一个第一导管对提供流体流来从所述第一床去除热量以及通过经由至少一个第二导管对提供流体流来在第一状态下向所述第二床添加热量，每个第一导管对均是连续地连接的冷入口导管和热出口导管，每个第二导管对均是连续地连接的热入口导管和冷出口导管；其中，所述第一导管对中的每个第一导管对均适于在由所述阀系统连接成用于流体流时提供穿过每个第一导管对的基本相等的流体流，以及其中，所述第二导管对中的每个第二导管对均适于在由所述阀系统连接成用于流体流时提供基本相等的流体流。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.17 US 61/917,0251.一种磁制冷系统，包括：
由磁致热材料制成的至少第一床和第二床，每个床均具有第一侧部
和相反的第二侧部，流体能够在所述第一侧部与所述第二侧部之间流
动；
至少一个歧管，所述至少一个歧管将热入口导管和热出口导管连通
至每个床的所述第一侧部并且将冷入口导管和冷出口导管连通至每个
床的所述第二侧部；
磁体组件，所述磁体组件能够移动以在第一状态下向所述第一床施
加比向所述第二床施加的磁场更大的磁场、以及在第二状态下向所述第
二床施加比向所述第一床施加的磁场更大的磁场；以及
阀系统，所述阀系统与所述导管连通并且与所述磁体组件同步以允
许流体循环通过所述第一床和所述第二床，以便通过经由至少一个第一
导管对提供流体流来从所述第一床去除热量以及通过经由至少一个第
二导管对提供流体流来在第一状态下向所述第二床添加热量，每个第一
导管对均是连续地连接的冷入口导管和热出口导管，每个第二导管对均
是连续地连接的热入口导管和冷出口导管；
其中，所述第一导管对中的每个第一导管对均适于在由所述阀系统
连接成用于流体流时提供穿过每个第一导管对的基本相等的流体流，以
及其中，所述第二导管对中的每个第二导管对均适于在由所述阀系统连
接成用于流体流时提供基本相等的流体流。
2.根据权利要求1所述的磁制冷系统，其中，每个第一导管对均具
有基本相等的流动阻力，以及，每个第二导管对均具有基本相等的流动
阻力。
3.根据权利要求1所述的磁制冷系统，其中，每个第一导管对均具
有基本相同的长度，以及其中，每个第二导管对均具有基本相同的长度。
4.根据权利要求3所述的磁制冷系统，其中，输送较大流体流的导
管对被制成为比输送较小流体流的导管对短。
5.根据权利要求4所述的磁制冷系统，其中，所述第一导管对的长
度等于所述第二导管对的长度。
6.根据权利要求2所述的磁制冷系统，其中，每个第一导管对均具
有基本相等的内部容积，以及，每个第二导管对均具有基本相等的内部
容积。
7.根据权利要求2所述的磁制冷系统，其中，每个第一导管对均具
有基本相等的随压力变化的内部容积的变化，以及，每个第二导管对均
具有基本相等的随压力变化的内部容积的变化。
8.根据权利要求6所述的磁制冷系统，其中，每个导管对的至由磁
致热材料制成的床的内部容积于在所述磁制冷系统的操作期间经历从
最小流体压力至最大流体压力的增大时的变化小于在所述导管对向单
个床输送流体流的时间间隔期间输送至所述床的总流体体积的5％。
9.根据权利要求2所述的磁制冷系统，其中，所述热入口导管中的
每个热入口导管均适于提供基本相等的对流体流的阻力；所述热出口导
管中的每个热出口导管均适于提供基本相等的对流体流的阻力；所述冷
入口导管中的每个冷入口导管均适于提供基本相等的对流体流的阻力；
以及，所述冷出口导管中的每个冷出口导管均适于提供基本相等的对流
体流的阻力。
10.根据权利要求1所述的磁制冷系统，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·保罗·莱昂纳德，约恩·杰伊·奥林格，安德烈·迈克尔·伯德尔，杰里米·乔纳森·谢尔，卡尔·布鲁诺·齐姆，
申请(专利权)人：美国宇航公司，
类型：发明
国别省市：美国;US