磁冷卻系統的單向流模式的用圖
【專利說明】磁冷卻系統的單向流模式的用途
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年12月17日提交的美國臨時申請號61/738，230的優先權，其全部內容通過引用并入本文。
[0003]背景
[0004]現代室溫磁冷藏(MR)系統可采用主動式磁再生器(AMR)循環進行冷卻。AMR循環的早期實施可見美國專利號4，332，135，其全部內容通過引用并入本文。AMR循環具有四個階段，如圖1a至Id中示意性顯示。圖1a至Id中的MR系統包括磁熱材料(MCM)的多孔床190和傳熱流體，隨著所述傳熱流體流過MCM床190其與MCM換熱。在圖1a至Id中，床的左側是冷側，而熱側在右邊。在可選的實施方式中，可顛倒熱和冷側。流體流動的定時和方向(熱-至-冷或冷-至-熱)可與磁場的施加和移除相互配合。可通過永磁體、電磁體或超導磁體提供磁場。
[0005]在AMR循環的示意性例子圖1a中，發生循環的第一階段“磁化”。當MCM床190中的流體停滯時，磁場192施加至MCM床190，使其發熱。在圖1a中所顯示的磁化階段中，顯示的四個閥都是關閉的，防止流體流過MCM床190。四個閥包括冷入口閥182、冷出口閥184、熱出口閥186和熱入口閥188。在圖1b中，發生循環的第二階段“冷-至-熱-流動”。保持MCM床190上方的磁場192，并且溫度Tei (冷入口溫度)的流體從冷側至熱側泵送通過MCM床190。在該階段期間，冷入口閥182和熱出口閥186打開，以利于流體移動通過MCM床190。在該階段期間，冷出口閥184和熱入口閥188關閉。流體從MCM床190的每個部分移除熱，隨著其通過MCM床190的下一部分，冷卻MCM床190和溫熱流體，其中該過程在更高的溫度下繼續。流體最終達到溫度TH。(熱出口溫度)，其中其通過熱出口閥186離開MCM床190。典型地，該流體循環通過熱側熱交換器(HHEX) 194，其中其將熱排出至周圍環境。在圖1c中，第三階段，發生“去磁”。當關閉冷入口閥182和熱出口閥186并且去除磁場192時，流體流動停止。在該階段期間也關閉冷出口閥184和熱入口閥188。這使得MCM床190進一步冷卻。在圖1d中，發生循環的最后階段，“熱-至-冷-流動”。這里，溫度THi(熱入口溫度)下的流體在繼續缺少磁場192的情況下從熱側至冷側泵送通過MCM床190。在該階段中，打開冷出口閥184和熱入口閥188，而關閉冷入口閥182和熱出口閥186。隨著流體經過MCM床190的下一部分，流體為MCM床190的每個部分加熱，溫熱MCM床190和冷卻流體，其中在更低溫度下進行該過程。流體最終達到溫度Tc。(冷出口溫度)，其是在該循環中流體達到的最冷溫度。典型地，該更冷的流體循環通過冷側熱交換器(CHEX) 196，其中其從冷藏系統攝取熱，使得該系統維持其冷的溫度。
[0006]K.L.Engelbrecht, G.F Nellis，S.A Klein,和 C.B.Zimm，室溫主動式磁再生冷藏的最新進展(Recent Developments in Room Temperature Active MagneticRegenerative Refrigerat1n)? HVAC&R Research，13 (2007)pp.525-542 (下文“Engelbrecht等”)中敘述了 AMR循環的主要優勢，其全部內容通過引用并入本文。優勢是跨度(耗熱時的溫度減吸熱時的溫度)可遠大于當施加磁場時磁熱材料的溫度改變的絕對值(絕熱溫度改變，S -Tad)。
[0007]完全執行AMR循環的四個階段需要的時間稱為循環時間，并且其倒數稱為循環頻率。MR系統的“溫度跨度”定義為Tm-Ta，其是入口流體溫度的差。AMR循環與蒸汽壓縮循環類似，其中氣體壓縮(其使得氣體變熱)在磁化中起作用，并且其中氣體的自由膨脹(其使氣體溫度下降)在去磁中起作用。在蒸汽壓縮循環中，傳熱流體改變CHEX和HHEX中的相，有助于傳熱。在AMR循環的CHEX和HHEX中不需要這樣的相變，而是可使用具有高單相傳熱系數的流體，比如水。盡管圖1a至Id闡釋了單床MR系統的操作，但是在可選的實施方式中，在單個系統中可結合每個經歷相同AMR循環的多個床，以增加冷卻能力，減小系統尺寸，或以其他方式改善AMR循環的實施。

【發明內容】

[0008]雙模式磁冷藏裝置包括一個或多個磁熱材料床、施加時變磁場至一個或多個磁熱材料床的磁體、傳熱流體、使傳熱流體循環的泵、熱側熱交換器(HHEX)、冷側熱交換器(CHEX)、引導傳熱流體流動的一個或多個閥，和配置為控制一個或多個閥的周期切換以使裝置在第一模式和第二模式下操作的控制器。在第一模式下，當施加至一個或多個床的時變磁場高時，一個或多個閥引導傳熱流體至一個或多個床的冷端通過一個或多個床至一個或多個床的熱端和通過HHEX，和當施加至一個或多個床的時變磁場低時，至一個或多個床的熱端通過一個或多個床至一個或多個床的冷端和通過CHEX，以便將熱從CHEX傳遞至HHEXo在第二操作模式下，暫停一個或多個閥的周期切換，以使得傳熱流體單向流過HHEX、一個或多個床和CHEX，使得熱從HHEX傳遞至CHEX。
[0009]雙模式磁冷藏裝置包括一個或多個磁熱材料床、施加時變磁場至一個或多個磁熱材料床的磁體、傳熱流體、使傳熱流體循環的泵、熱側熱交換器(HHEX)、冷側熱交換器(CHEX)、引導傳熱流體流動的一個或多個閥，和配置為控制一個或多個閥的周期切換以使裝置在第一模式和第二模式下操作的控制器。在第一模式下，當施加至一個或多個床的時變磁場高時，一個或多個閥引導傳熱流體至一個或多個床的冷端通過一個或多個床至一個或多個床的熱端和通過HHEX，和當施加至一個或多個床的時變磁場低時，至一個或多個床的熱端通過一個或多個床至一個或多個床的冷端和通過CHEX，以便當HHEX的環境處在與CHEX的環境類似的溫度或更高的溫度時，將熱從CHEX傳遞至HHEX。在第二操作模式下，暫停一個或多個閥的周期切換，以使得傳熱流體單向流過HHEX、一個或多個床和CHEX，使得當HHEX的環境處在比CHEX的環境更低的溫度時，將熱從CHEX傳遞至HHEX。
[0010]具有旁路的雙模式磁冷藏裝置包括一個或多個磁熱材料床、施加時變磁場至一個或多個磁熱材料床的磁體、傳熱流體、使傳熱流體循環的泵、熱側熱交換器(HHEX)、冷側熱交換器(CHEX)、引導傳熱流體流動的一個或多個閥、配置為控制一個或多個閥的周期切換以使裝置在第一模式和第二模式下操作的控制器。在第一模式下，當施加至一個或多個床的時變磁場高時，一個或多個閥引導傳熱流體至一個或多個床的冷端通過一個或多個床至一個或多個床的熱端和通過HHEX，和當施加至一個或多個床的時變磁場低時，至一個或多個床的熱端通過一個或多個床至一個或多個床的冷端和通過CHEX，以便將熱從CHEX傳遞至HHEX。在第二操作模式下，一個或多個閥保持旁路布置，以使得傳熱流體單向流過HHEX和CHEX，使得熱從HHEX傳遞至CHEX，和其中當一個或多個閥在旁路布置中時，傳熱流體繞過一個或多個床。
[0011]具有旁路的雙模式磁冷藏裝置包括一個或多個磁熱材料床、施加時變磁場至一個或多個磁熱材料床的磁體；傳熱流體、使傳熱流體循環的泵；熱側熱交換器(HHEX)、冷側熱交換器(CHEX)、引導傳熱流體流動的一個或多個閥，和配置為控制一個或多個閥的周期切換以使裝置在第一模式和第二模式下操作的控制器。在第一模式下，當施加至一個或多個床的時變磁場高時，一個或多個閥引導傳熱流體至一個或多個床的冷端通過一個或多個床至一個或多個床的熱端和通過HHEX，和當施加至一個或多個床的時變磁場低時，至一個或多個床的熱端通過一個或多個床至一個或多個床的冷端和通過CHEX，以便當HHEX的環境處在與CHEX的環境類似的溫度或更高的溫度時，將熱從CHEX傳遞至HHEX。在第二操作模式下，一個或多個閥保持旁路布置，以使得傳熱流體單向流過HHEX和CHEX，使得當HHEX的環境處在比CHEX的環境更低的溫度時，將熱從CHEX傳遞至HHEX，和其中當一個或多個閥以旁路布置時，傳熱流體繞過一個或多個床。
[0012]組合磁冷藏-冷凍裝置包括保持高于O攝氏度(C)的冷藏隔間、保持低于0°C的冷凍隔間、控制器，和配置為產生一個或多個時變磁場的一個或多個磁體。裝置也包括用于冷藏隔間的第一磁冷藏系統，其包括第一組一個或多個磁熱材料床、第一傳熱流體(HTF)、驅動第一傳熱流體流動的第一泵、熱側熱交換器(HHEX)、第一冷側熱交換器(CHEX)，級間熱交換器(IHEX)的第一部分，和引導第一傳熱流體流動的一個或多個第一閥。控制器配置為控制一個或多個閥的周期切換，以當施加至第一組一個或多個床的時變磁場高時，引導第一 HTF至第一組一個或多個床的冷端通過第一組一個或多個床至第一組一個或多個床的熱端和通過HHEX，和當施加至第一組一個或多個床的時變磁場低時，至第一組一個或多個床的熱端通過第一組一個或多個床至第一組一個或多個床的冷端和通過第一 CHEX和IHEX的第一部分，以便從第一 CHEX和IHEX的第一部分傳熱至HHEX。裝置也包括用于冷凍隔間的第二磁冷藏系統，其包括第二組一個或多個磁熱材料床、第二傳熱流體、驅動第二傳熱流體流動的第二泵、第二 CHEX、IHEX的第二部分，和引導第二傳熱流體流動的一個或多個第二閥。控制器配置為控制一個或多個閥的周期切換，以當施加至一個或多個床的時變磁場高時，引導第二 HTF至第二組一個或多個床的冷端通過第二組一個或多個床至第二組一個或多個床的熱端和通過IHEX的第二部分，和當施加至第二組一個或多個床的時變磁場低時，至第二組一個或多個床的熱端通過第二組一個或多個床至第二組一個或多個床的冷端和通過第二 CHEX，以便將熱從第二 CHEX經IHEX的