[0002] 本申请根据美国法典第35编119(e)款要求通过引用而在这里充分并入的、于2007年10月4日提交的共同未决美国临时申请No.60/997,687的利益。
技术领域
[0003] 本
发明涉及一种磁体组件，并且更加具体地涉及一种用于在
磁场中产生周期性变化的永磁体组件。可以例如在
磁性制冷装置中使用所述永磁体组件。
背景技术
[0004] 磁性制冷装置通常包括磁体和磁致热材料。典型地使磁体相对于磁致热材料以交替方式移动，使得当磁体移动得更近时，磁致热材料经历增加的磁场，从而加热磁致热材料，并且当磁体移动得更远时，磁致热材料经历降低的磁场，从而冷却磁致热材料。典型地，当磁场增加时使热传递
流体经过磁致热材料以从磁致热材料吸收热量，并且热传递流体然后被引导到将热量释放到大气的
热交换器。然后，当磁场降低时使热传递流体经过磁致热材料以将热量给予磁致热材料，并且热传递流体被引导到另一热交换器以从正被循环到冷却空间中的空气移除热量。
发明内容
[0005] 在一个方面，本发明提供一种用于产生磁场的磁体设备。所述磁体设备包括：第一磁体，所述第一磁体具有限定第一磁极的第一表面和限定与第一磁极相反的第二磁极的第二表面；和第二磁体，所述第二磁体具有限定第三磁极的第三表面和限定与第三磁极相反的第四磁极的第四表面。第二表面具有比第一表面更高的磁通
密度。第三表面具有比第四表面更高的磁通密度。第二磁体与第一磁体间隔开以在第二表面和第三表面之间限定第一间隙。磁场的
磁力线从第一表面到第二表面、通过第一间隙从第二表面到第三表面并且从第三表面到第四表面延伸。
[0006] 在另一个方面，本发明提供一种磁体设备。所述磁体设备包括第一磁体和第二磁体，所述第二磁体与所述第一磁体间隔开以在第一磁体和第二磁体之间限定第一间隙。第一磁体和第二磁体产生包括以下磁力线的磁场，所述磁力线在第一磁体中会聚、通过在第一磁体和第二磁体之间的间隙延伸并且在第二磁体中发散。
[0007] 在另一个方面，本发明提供一种磁体。所述磁体包括限定第一磁极的第一表面和限定第二磁极的第二表面，第二表面与第一表面间隔开。磁通密度从第一表面到第二表面增加，并且所述磁体在沿着第一平面截取的第一截面中包括基本弓形的形状，并且在沿着基本垂直于第一平面的第二平面截取的第二截面中包括基本梯形的形状。
[0008] 通过考虑详细说明和
附图，本发明的其它方面将变得明显。
附图说明
[0009] 图1是根据本发明一个
实施例的磁性制冷装置的透视图。
[0010] 图2是磁性制冷装置的外部磁轭已被移除的、图1所示磁性制冷装置的透视图。
[0011] 图3是图1的磁性制冷装置的内部磁轭的透视图。
[0012] 图4是图3的内部磁轭的顶视图。
[0013] 图5是沿着图4中的线5-5截取的截面视图。
[0014] 图6是图1的外部磁轭的透视图。
[0015] 图7是图6的外部磁轭的顶视图。
[0016] 图8是沿着图7中的线8-8截取的截面视图。
[0017] 图9是图1的磁性制冷装置的端板的透视图。
[0018] 图10是图9的端板的顶视图。
[0019] 图11是沿着图10中的线11-11截取的截面视图。
[0020] 图12是图1的磁性制冷装置的外部永磁体的透视图。
[0021] 图13是图12的外部永磁体的顶视图。
[0022] 图14是图12的外部永磁体的前视图。
[0023] 图15是图12的外部永磁体的侧视图。
[0024] 图16是图1的磁性制冷装置的内部永磁体的透视图。
[0025] 图17是图16的内部永磁体的前视图。
[0026] 图18是图16的内部永磁体的侧视图。
[0027] 图19是图16的内部永磁体的顶视图。
[0028] 图20是示出磁场矢量的、图2的磁性制冷装置的透视图。
[0029] 图21是包括示出磁场矢量的箭头的、通过中间截取的图1所示磁性制冷装置的截面顶视图。
[0030] 图22是包括磁场矢量的、图1所示磁性制冷装置的截面侧视图。
[0031] 图23是在距装置中心固定的径向距离处当磁场强度在360度改变时所述磁场强度的曲线图。
[0032] 图24是包括两个永磁体的磁性制冷装置的另一构造。
[0033] 图25是包括六个永磁体的磁性制冷装置的另一构造。
[0034] 图26是磁性制冷装置的外部磁轭已被移除的、图25所示磁性制冷装置的透视图。
[0035] 图27包括十二个永磁体的磁性制冷装置的另一构造。
[0036] 图28是构成内部永磁体和外部永磁体的各个磁体的顶视图。
[0037] 图29是构成内部永磁体和外部永磁体的各个磁体的透视图。
[0038] 图30是外部永磁体(图20所示)的透视图，示出通过所述外部永磁体的磁场矢量的方向。
具体实施方式
[0039] 在详细地解释本发明的任何实施例之前，应该理解本发明在其应用中不限于在下面的说明中阐述或者在下面的附图中示出的构件的构造和布置的细节。本发明能够具有其它实施例并且被以各种方式实践或者执行。而且，应该理解，在这里使用的措词和术语是用于说明的目的，而不应该被视为限制。“包括”、“包含”或者“具有”及其变化的使用在这里旨在涵盖此后列出的条目及其等价形式以及另外的条目。除非另外规定或者限制，术语“安装”、“连接”、“
支撑”和“耦接”及其变化被一般性地使用并且涵盖直接和间接安装、连接、支撑、和耦接。此外，“连接”和“耦接”不限于物理或者机械连接或者耦接。
[0040] 图1和2示出根据本发明的一个实施例的磁性制冷装置10。该磁性制冷装置10包括磁体组件12，磁体组件12具有内部磁轭14、在内部磁轭14外侧同心地布置的外部磁轭16、耦接内部和外部磁轭14、16的端板18、耦接到内部磁轭14的两个内部永磁体20，和耦接到外部磁轭16的两个外部永磁体22。可以使用两个端板18，但是任何一个都不是必须的。磁性制冷装置10还包括磁致热元件组件，磁致热元件组件包括在内部永磁体20和外部永磁体22之间的间隙内设置的四个磁致热元件24。
[0041] 如图3-5最好地示出地，内部磁轭14是具有与内径C同心的外径B和高度D的柱形管子。内部磁轭14限定轴线A。在一种构造中，外径B为大致60mm，内径C为大致40mm，并且高度D为大致270mm。
[0042] 如图6-8最好地示出地，外部磁轭16是具有与内径G同心(围绕轴线A)的外径F和高度H的柱形管子。在所示出的构造中，外径F为大致280mm，内径G为大致250mm，并且高度H为大致250mm。
[0043] 如图9-11最好地示出地，端板18是具有与内径K同心(围绕轴线A)的外径J和厚度L的板状盘。在所示出的构造中，外径J为大致280mm，内径K为大致60mm，并且厚度L为大致20mm。
[0044] 如图12-15最好地示出地，外部永磁体22包括内表面26、外表面32和侧表面34。内表面26具有中央表面28和在中央表面28的相对端部处的两个渐缩表面30。外部永磁体22的高度N、中央表面28的高度P、侧表面34的高度R和S、
角度V和宽度Q全部基本上限定梯形。在所示出的实施例中，梯形是等腰梯形。在其它实施例中，外部永磁体22能够采取(当从沿着平行于轴线A的平面截取的径向截面观察时)基本上从外表面32到内表面26会聚的其它形状。内表面26位于距弧U的中
心轴线A径向距离T处。在所示出的构造中，高度N为大致250mm，高度P为大致81.56mm，高度R为大致125mm，高度S为大致
40.78mm，角度V为大致24.6度，并且宽度Q为大致38.5mm。利用这些尺寸形成的梯形对于沿着平行于轴线A的平面截取的、外部永磁体22的任何径向截面都是相同的。内表面26位于距轴线A大致87.33mm的距离T处，展开大致90度的角度。
[0045] 如图28和29最好地示出地，外部永磁体可以由多个的单独磁体48构成，磁体48利用环
氧树脂、胶
水或者其他结合装置结合到一起使得每一个的单独磁体的北极是相邻的。虽然在所示出的构造中利用一百零八个的单独磁体48构成一个整个磁体，但是可以在可替代构造中使用更多或更少的单独磁体以实现相同的效果。在另一种构造中，可以利用六十个的单独磁体48来构成一个整个磁体。在一种构造中，每一个的单独磁体48有效地包括外部永磁体的内表面26和外表面32的一个部分；然而，使得各个的和每个的单独磁体48包括这些表面不是必要的。在另一种构造中，外部永磁体可以被构造成具有从一个磁极到另一个磁极会聚或者发散的非平行磁力线的单一件。具有会聚或者发散的非平行磁力线的磁体被称为相合(congruent)磁体并且能够以实现这个效果的任何方式构造——包括但是不限于上述方式。
[0046] 如图16-19最好地示出地，内部永磁体20包括内表面42、外表面36和侧表面44。外表面36具有中央表面38和在中央表面38的相对端部处的两个渐缩表面40。外部永磁体20的高度W、中央表面38的高度X、侧表面44的高度Z和AA、角度AD和宽度Y全部基本上限定梯形。在所示出的实施例中，梯形是等腰梯形。在其它实施例中，内部永磁体20能够采取基本上当从沿着平行于轴线A的平面截取的径向截面观察到时从外表面38到内表面42发散(图22)、并且当从沿着垂直于轴线A的平面截取的截面观察时从外表面38到内表面42会聚(图21)的其它形状。内表面42位于距弧AC的中心径向距离AB处。在所示出的构造中，高度W为大致250mm，高度X为大致81.56mm，高度Z为大致125mm，高度AA为大致40.78mm，角度AC为大致24.6度，并且宽度Y为大致38.5mm。利用这些尺寸形成的梯形对于沿着平行于轴线A的平面截取的、内部永磁体20的任何径向截面都是相同的。内表面42位于距中心轴线A大致30mm的距离AB处。内表面42展开大致90度的角度。
[0047] 如图28和29最好地示出地，内部永磁体由多个的单独磁体48构成，磁体48利用
环氧树脂、胶水或者其他结合装置而被结合到一起使得每一个的单独磁体的北极是相邻的并且因此被称为迭合磁体。虽然在所示出的构造中利用一百零八个的单独磁体48构成一个整个磁体，但是可以在可替代构造中使用更多或更少的单独磁体以实现相同的效果。在另一种构造中，可以利用六十个的单独磁体48来构成一个整个磁体。在一种构造中，每一个的单独磁体48有效地包括内部永磁体的内表面42和外表面36的一个部分；然而，使得各个的和每个的单独磁体48包括这些表面不是必要的。在另一种构造中，内部永磁体可以被构造成具有从一个磁极到另一个磁极会聚或者发散的非平行磁力线的单一件。具有会聚或者发散的非平行磁力线的磁体被称为迭合磁体并且能够被以实现这个效果的任何方式构造——包括但是不限于上述方式。
[0048] 返回参考图1和2，内部磁轭14和外部磁轭16由透磁(软磁)材料比如1010
钢或者等价材料制成并且围绕轴线A同心地耦接到端板18。端板也是由透磁(软磁)材料比如1010钢或者等价材料制成的。内部磁轭14的外径B大致等于端板18的内径K并且配合在端板18的内径K内侧使得一个的端部与另一个的端部齐平。内部磁轭14的高度D大致等于外部磁轭16的高度H加上端板18的厚度L。
[0049] 两个内部永磁体20和两个外部永磁体22是高残余通量密度Br磁体比如NdFeB(钕
铁硼)N52或者任何其它等价高残余通量密度Br磁体。内部永磁体20的内表面
42耦接到内部磁轭14的外径B并且围绕轴线A彼此等距离地间隔开。两个外部永磁体22的外表面32耦接到外部磁轭16的内径G并且围绕轴线A彼此等距离地间隔开。另外地，每一个内部永磁体20与外部永磁体22
配对使得每一对内部永磁体20和永磁体外部22共享相同中央轴线A并且相对于该中央轴线A占据相同角度空间。
[0050] 图1和2示出在内部永磁体20和外部永磁体22之间同心设置并且围绕轴线A彼此等距离地间隔开的四个磁致热元件24。磁致热元件24的高度大致等于内部永磁体20的中央表面38的高度X和外部永磁体22的中央表面28的高度P。磁致热元件24具有大致18mm的厚度。每一个磁致热元件24被成形为与永磁体20、22的弧同心并且限定稍微小于永磁体20、22的角度U、AC的角度的弧。在所示出的构造中也为大约18mm深的空气间隙位于每一个磁致热元件24之间。可以利用由塑料或者其他材料(未示出)制成的、具有与图中所示磁致热元件24基本相同的形状的薄壳封装每一个磁致热元件24，其中磁致热元件
24被以粉末或者珠子的形式设置在薄壳内侧。
[0051] 虽然未被示出，但是本领域普通技术人员可以理解每一个磁致热元件24可以包括至少一个进口、至少一个出口、至少一个
泵和至少一个
阀门和
管道系统(未示出)，其被配置为允许流体通过其流动并且在磁致热元件24和热和冷热交换器之间提供热传递。热的热交换器能够被用于将热量释放到大气中并且冷的热交换器能够被用于冷却空间，比如制冷机。本磁体组件12设计是有利的，这是因为它提供能够在其中设置这种特征元件的充足的空间。
[0052] 内部磁轭14耦接到旋转装置、比如
马达(未示出)，使得整个磁体组件12作为一体、以在大致0.1圈/秒和10圈/秒之间的速度、围绕磁致热元件24一起地旋转。当马达旋转时，内部磁轭14和外部磁轭16共享公共角度速率。在围绕轴线A旋转期间，在内部永磁体20和外部永磁体22之间不存在任何相对运动。可替代地，磁致热元件24可以被配置为旋转并且磁体组件12可以被配置为保持静止。
[0053] 图20示出迭合磁体的概念，在类似于图2的视图中示出磁场矢量46通过内部永磁体20和外部永磁体22的流动方向。每一个的单独磁体48产生彼此平行延伸的磁场矢量。然而，永磁体20、22整体上是具有整体上遵循磁体的会聚和发散形状的会聚或者发散磁场的迭合磁体。图20示出本发明的磁场矢量46既不平行并且它们也不沿着仅仅一个方向延伸；而是，磁场矢量46在三个维度中被示为从磁体的一侧到另一侧连续地改变方向。结果，当矢量46在空间内会聚并且变得越来越集中时，磁场的强度增加。
[0054] 具有邻近于磁致热元件24的会聚部分的本发明的磁体20、22的形状和构造通过设置在磁体20、22之间的磁致热元件24集中(并且因此加强)磁场46。图21是在距端板18的内表面大约125mm的高度处通过磁性制冷装置10的中间截取的截面顶视图，在图21中还与以特斯拉为单位测量的磁场强度一起示出这些矢量46。
[0055] 如在图21和22中所示，内部永磁体20和外部永磁体22以及内部磁轭14和外部磁轭16的布置和构造产生显著的磁场，在外部磁轭16的一些部分、内部永磁体20的一些部分和磁致热元件24的一些部分或者邻近于内部永磁体20的间隙中，该磁场高达大致2特斯拉。
[0056] 外部永磁体22利用径向侧表面34和渐缩表面30从外表面32到它的内表面26会聚。外表面32的表面面积大于内表面26的表面面积。相应地，当磁力线从外表面32到内表面26延伸时，在外部永磁体22中的磁场密度也从较大的外表面32到较小的内表面26会聚，或者密度增加。相反，当磁力线从内表面26到外表面32延伸时，在外部永磁体22中的磁场密度从内表面26到外表面32发散，或者密度降低。磁力线的方向依赖于内表面26和外表面32中的哪一个是北极哪一个是南极。
[0057] 如在图21中观察到地，内部永磁体20的形状利用径向侧表面44从外表面36到内表面42会聚。然而，在图22中当从侧截面观察时，内部永磁体20的形状利用渐缩表面40从外表面36到内表面42发散。内表面42的表面面积大于外表面36的表面面积。相应地，当磁力线从外表面36到内表面42延伸时，从较小的外表面36到较大的内表面42，在内部永磁体20中的磁场密度发散，或者密度降低。相反，当磁力线从内表面42到外表面
36延伸时，从内表面42到外表面36，在内部永磁体20中的磁场密度会聚，或者密度增加。
磁力线的方向依赖于内表面36和外表面42中的哪一个是北极哪一个是南极。
[0058] 内部永磁体20的侧表面34和外部永磁体22的侧表面44是基本对准的。内部磁体20和外部磁体22的内表面和外表面42、26全部围绕轴线A同心设置。通过这种布置，磁场基本沿着朝向轴线A的第一方向经过第一对内部永磁体20和外部永磁体22，经过内部磁轭14和轴线A，并且基本沿着第一方向但是远离轴线A地经过第二对相对的内部永磁体20和外部永磁体22。磁场的这个基本第一方向相对于整个磁性组件12限定北极和南极。
[0059] 图22示出经过磁性制冷装置10的磁场矢量46的侧截面视图。在这个截面视图中，每一对永磁体中的内部永磁体和外部永磁体围绕竖直地延伸通过磁致热元件24的中心的轴线基本上彼此镜像。然而，每一个永磁体20、22的南极和北极在磁场矢量46的方向交替，并且因此不是对称的。
[0060] 图23示出在距装置10的中心轴线A固定的径向距离处当磁场强度在360度上改变时所述磁场强度的曲线图，其中，在设置在内部永磁体20和外部永磁体22之间的磁致热元件24的一端处开始，并且首先沿着通过磁致热元件24的方向移动，这个径向距离终止于磁致热元件24的中间(或者空气间隙)。该曲线图的x轴是以mm为单位的这个径向距离的周向长度，但是还能够被解释成在0度开始(对应于0mm)并且在360度结束(对应于487mm)。该曲线图示出每一个都是基本平坦的两个峰部和两个谷部。大致1.46特斯拉的峰部对应于在设置在永磁体20和22之间的磁致热元件24的中心中的磁场强度。大致零特斯拉的谷部对应于在未设置在内部永磁体20和外部永磁体22之间的磁致热元件24中的磁场强度。峰部和谷部的平坦度是重要的，这是因为它示出这种磁性制冷装置配置允许在设置在永磁体20、22之间的磁致热元件24的整个周向长度上保持高的磁场强度，并且在未设置在永磁体20、22之间的磁致热元件4的整个周向长度上保持低的磁场强度。本发明的这个特征在磁性制冷装置中是特别地令人期望的，这是因为磁致热材料随着磁场改变而改变
温度，从而在整个磁致热元件中磁场的分布越均匀，则磁性制冷装置将是越有效率的。
[0061] 本发明的改进磁性制冷装置10的效率的另一特征是外部磁轭16的配置和为其选择的材料。透磁材料提供一种路径，通过该路径，磁力线容易遵循。通过示出当磁力线离开外部永磁体22的北极时，磁力线然后朝向另一外部永磁体22的南极几乎全部地通过外部磁轭16延伸(以大致2特斯拉的强度)，图21确认了这一点。被示为泄露到外部磁轭16中的磁力线具有大致0.2特斯拉或者更低的、非常低的强度。因此，利用这种设计，存在非常小的磁性
泄漏，这使其更有效率。
[0062] 迭合磁体构造的优点包括以下事实：需要较少的磁性材料产生较强的磁场，即，总体磁体的体积与磁场
工作空间容积的比率(例如，设置在磁体20、22之间的两个磁致热元件24的体积)低于以前的设计——优选地为小于25的比率。它还低于具有相同总体形状的非迭合磁体构造，即，如果内部磁体和外部磁体具有平行磁力线和与迭合磁体20、22相同的形状和尺寸，则迭合磁体布置将具有较低的比率。这是另一种方式，用以说明如本发明描述地，当磁体是迭合磁体时，需要较少的磁体材料在工作空间中产生特定的磁场强度。
[0063] 另外地，可以使用以类似的配置具有任何偶数的数目的永磁体的磁性制冷装置。例如，图24示出具有两个永磁体(一个内部永磁体和一个外部永磁体)的磁性制冷装置的第二构造。这个第二构造可以与两个磁致热元件一起使用。图25示出具有六个永磁体(三个内部永磁体和三个外部永磁体)和6个磁致热元件的磁性制冷装置的第三构造。图26示出外部磁轭已被从视图隐藏的、第三构造的第二视图。图27示出具有12个永磁体(六个内部永磁体和六个外部永磁体)和12个磁致热元件的磁性制冷装置的第四构造。
[0064] 进而，本发明的永磁体配置不需要限于在磁性制冷中的应用。这种磁体配置还可以与例如数据存储装置比如
软盘、扫描磁盘和闪驱一起使用以从这些装置擦除数据或者以其它方式操纵数据。
