[发明专利]并行磁制冷机组件及制冷方法

说明书

本申本发明涉及一种并行磁制冷机组件(parallel magnetic refrigerator assembly)及制冷方法。

在利用典型的主动式磁回热器(active magnetic regenerator)(AMR)冷却循环的磁制冷机中，主动部件(active component)被认为是磁回热器并且由磁热材料形成，也就是当被放置到施加的磁场中时材料会升温。这样的材料很久之前就是已知的，并且人们认识到它们可以被应用于制冷或制热的目的。特别地，主动磁制冷机典型地包括布置在热侧热交换器和冷侧热交换器之间的磁回热器。同时提供磁场源，例如永磁体或者螺线管磁体。

热传递流体就像运载工具一样用于传递热量，并且设置热传递流体，，使其在循环中在冷侧热交换器和热侧热交换器之间穿过主动式磁回热器来回流动。磁场被重复施加并移出主动式磁回热器，由此使得主动式磁回热器升温并且冷却。

主动式磁回热器循环具有四个阶段。首先，施加磁场以通过磁热效应加热磁回热器，使得位于回热器内的热传递流体升温。第二，热传递流体沿着从冷侧热交换器到热侧热交换器的方向流动。热量由此从热传递流体释放给热侧热交换器。第三，磁回热器被消磁，冷却磁热材料以及位于基底上的热传递流体。最后，热传递流体沿着从热侧热交换器到冷侧热交换器的方向流过被冷却的基底。流体从冷侧热交换器吸收热量。冷侧热交换器然后可以被用于向另一个主体或系统提供冷却。

AMR制冷机的有效性取决于几个参数：

1.温度范围，也就是磁热材料的冷端(cold end)和热端(hot end)之间的温差。

2.冷却能力，也就是每单位时间内从冷端泵送(使用热传递流体作为运载工具用于传递)到热端的热量的大小。

3.由于磁热效应产生的温度提升，也就是热传递流体在循环的一级和三级分别被提升或者降低的总(平均)温度的多少。该温度提升部分地决定了在冷端和热端之间进行热交换的可用的热量的多少。

4.冷端和热端的热交换器效率。这取决于在温度提升中的其他一些因素，也就是离开AMR的流体温度低于期待的冷端温度的多少。

单个AMR级的冷却能力Q可逆地与AMR的温度范围ΔTspan相关。为了得到好的近似值，保持公式Q＝β-α·ΔTspan的关系，其中α和β是正常数，在其他因素中，取决于主动(active)AMR材料的数量以及磁场的大小。对于给定的冷却能力和给定的回热器的大小，这意味着如果需要更大的ΔTspan则需要更大的磁场。

对于典型的永磁体配置，例如用于磁冷却的Halbach阵列以及对其进行的改进，能达到的最大的磁场与使用的磁性材料的数量最好仅能成对数关系增长。当需要更大的磁场时，磁体的尺寸相应地成指数增长。这里存在着由于磁体的花费是AMR制冷系统主要部分，经常也是最重要花费部分而产生的成本的问题。

磁制冷机被设置以利用多个AMR级，从而努力提高或优化各种参数例如冷却能力或者效率等等。在US-A-5,249,424中公开了一个系统，其典型地包括多个串联的AMR级，每一级具有两个磁热材料的基底。每一级在逐渐降低的温度下运行。热传递流体被布置成串行地从热侧经过每一级的一组消磁的基底而流向冷侧，然后又连续地从冷侧经过每一级的其它组磁化的基底而流向热侧。

US-A-6,595,004公开了一种AMR系统，其中多个级被并行布置，然后使用微机电开关系统提供由热吸收阶段向热释放阶段的切换。其它的在磁制冷机中使用多个AMR级的例子包括US-A-2007/0144181，US-A-5,887,449以及US-A-2007/0199332，它们都公开了串联布置的AMR级。

US-A-6,467,274公开了一种具有热侧及冷侧热交换器的并行布置的磁热级。参考该文献的，例如图6，公开了一种“串-并联配置”，其中三个AMR级602到604被并行连接，然后三个进一步的级605到607被串联连接。获得的最终的温度是20K，足以低用于液化氢气。

根据本发明的第一个目的，提供一种磁制冷机组件，包括：具有第一温度范围且被布置用于接收在其中流动的第一热传递流体的第一磁热级；与第一磁热级并行布置的，具有第二温度范围且被布置用于接收在其中流动的第二热传递流体的第二磁热级；其中第一和第二温度范围基本上相同但是第一和第二磁热级的冷端的绝对温度不同，并且/或者第一和第二磁热级的热端的绝对温度也不同。

在一个实施例中，在使用时，每个第一和第二磁热级均具有各自的冷侧和热侧；并且每个第一和第二磁热级均包含有热侧热交换回路。