磁热级联和制造磁热级联的方法与流程

本发明涉及一种磁热级联和一种制造磁热级联的方法。其进一步涉及一种磁热交流换热器、热泵和包括使用磁热级联的热泵送方法。由于材料研究的进步，磁热效应(mce)已经成为即使在室温下用于工业和商业应用的已知流体循环冷却方法(例如致冷器，用于在加工工业中冷冻生产的冷却体系，以及空调系统)的经济上可行的替代方案。磁热效应的另一应用领域是在热磁发电机中，即将热量转换成电能。磁热效应在将外部磁场施加到合适的磁热材料下并在其居里温度附近的环境温度下发生。所施加的外部磁场引起磁热材料的随机取向的磁矩取向，并因此导致磁相变，这也可描述为高于环境温度的材料居里温度的诱导升高。这种磁相变意味着磁熵的损失，并且在绝热过程(与环境温度热隔离)中通过产生声子而导致磁热材料晶格的熵贡献增加。因此，施加外部磁场的结果是发生磁热材料的加热。在工业冷却应用中，这种额外的热量通过热传递至呈传热介质形式的环境受热器而从材料中移除。水是用于将热量从磁热材料移除的传热介质的实例。随后的外部磁场的移除可描述为居里温度降回至低于环境温度，因此允许磁矩回复至随机排列。这导致磁熵增加和磁热材料本身的晶格的熵贡献降低，并且因此在绝热工艺条件下导致磁热材料冷却至低于环境温度。通常在设备应用中周期性地实施所述的包括磁化和去磁在内的过程循环。所述的冷却效果可通过将磁热材料设计成一系列具有降低的居里温度的层而提高，或者换言之，包含两个或更多个居里温度降低的连续磁热材料层的磁热级联。在该磁热级联中，第一磁热材料将第二磁热材料冷却至第二磁热材料的居里温度附近的温度，对包含在级联中的任何其他磁热材料也是如此。这样，与使用单一磁热材料相比，可大大提高所获得的冷却效果。us2004/0093877a1公开了一种在室温或室温附近表现出磁热效应的磁热材料和使用该磁热材料的磁致冷器。磁热材料的不同组成得到了具有不同居里温度(即不同磁相变温度)的不同磁热材料。磁热材料设置在暴露于变化的磁场中的第一和第二交流换热器床中。交流换热器构成了磁致冷器的核心。类似地，wo2004/068512a1和wo2003/012801描述了通过改变各成分或各成分的相对量而从具有特定组成的材料体系中获得的具有不同居里温度的磁热材料。us2011/0094243描述了由具有不同居里温度的至少三种不同磁热材料的级联组成的换热器床，这些材料以居里温度增大或降低的方式连续排列，并且通过中间热和/或电绝缘体彼此隔绝，相邻磁热材料的居里温度之差为0.5-6k。us8,104,293b2公开了一种磁热冷却设备，其包括多个热耦合的磁热元件、一个或多个容纳流体介质的储存器和两个换热器。换热器与磁热元件和至少一个储存器热耦合，从而通过流体介质在磁热元件和环境之间传递热量。us2011/0173993a1公开了一种磁热元件，其包括按照居里温度增大的方式排列的至少两个相邻的磁热材料组。同一组中的磁热材料具有相同的居里温度。磁热元件进一步包括用于引发磁热元件的两个相对的热端和冷端之间的温度梯度的引发装置。wo2014/115057a1描述了一种包含具有不同居里温度的至少三种不同磁热材料的磁热级联，所述磁热材料以居里温度降低的方式连续排列，其中具有不同居里温度的不同磁热材料均不具有比居里温度最高的磁热材料更高的层性能lp。具有不同居里温度的不同磁热材料中的至少一种具有比居里温度最高的磁热材料低的层性能lp。特定磁热材料层的层性能lp根据下式计算：lp＝m*dtad,最大，其中dtad,最大：特定磁热材料在磁热循环期间从低磁场到高磁场磁化时经历的最高绝热温度变化，m：磁热级联中所含的特定磁热材料的质量。根据本发明的第一方面，提供了一种包含至少三个磁热材料层序列的磁热级联。所述磁热级联包含具有不同居里温度tc的磁热材料层序列，其中：-磁热材料层包括冷侧外层、热侧外层以及介于冷侧外层与热侧外层之间的至少三个内层，-对于磁热级联的每个下一相邻磁热材料层对，存在相应的交叉温度，在该交叉温度下，两个相邻磁热材料层各自的熵参数mδs具有相同的交叉点值，其中熵参数mδs定义为相应磁热材料层的质量m与其在相应磁热材料层的磁相变中的等温磁熵变δs的量的乘积，-至少两个内层具有彼此不同的质量m，和-所有下一相邻内层对的熵参数mδs的所有交叉点值与磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值相等—精确相等或处于±15％的幅度内。出于简洁，下文有时将磁热级联简称为级联。参数δs是在相应磁热材料层的磁相变中可获得的等温磁熵变量的量度。等温磁熵变的量可通过本领域已知的技术确定，例如通过由等温磁化数据推导或者由等场(isofield)热容数据推导。其是温度的函数。其可以以例如j/cm3/k或更通常的j/kg/k的单位量化。简单起见，尽管在本文中意指一定的量，然而该参数在本文中不用||δs||表示，而是用δs表示。参数δs量化了给定磁热材料层的特性，因此通过适当设计磁热级联而形成每层可单独控制的参数。典型地，在给定磁热材料的居里温度tc处可获得等温磁熵变的最大量δs最大。在本说明书中，仅仅为了易于指代，此处将给定层的δs和质量的乘积称为“熵参数”。然而，这并不意味着定义熵。熵参数可描述为磁相变中的质量加权等温磁熵变。对于甚至更短的指代，熵参数也称为mδs。本发明认识到内层的熵参数mδs对于改善磁热级联在热侧和冷侧之间泵送热量中的性能的意义。本发明进一步认识到，实际的磁热材料各自具有熵参数的相应单独温度依赖性，通常各层在相应的居里温度下具有单独的全局最大量mδs最大。本发明确定，通过适当地调节横跨磁热级联内层的熵参数mδs，可提高磁热级联的热泵送功率。在至少两个内层具有彼此不同的质量m，从而使得所有下一相邻内层对的熵参数mδs的所有交叉点值与磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值相等—精确相等或处于±15％的幅度内的情况下，本发明提供了与已知层设计相比显示出改进的热泵送功率的磁热级联的层设计。下文将描述本发明第一方面的磁热级联的实施方案。在一些实施方案中，所有下一相邻内层对的熵参数mδs的交叉点值相对于磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值的偏差幅度甚至小于±15％。在一些实施方案中，该幅度为±10％，在其他实施方案中甚至仅为±5％。偏差幅度越小，则磁热级联在热侧和冷侧之间的热量泵送中的获得的性能改进就倾向于越高。磁热级联可用任何合适的磁热材料层组合实现。为了在级联操作中获得高热泵送功率，有利的是，级联的不同磁热材料层具有相应的材料和相应的质量，它们组合地提供了横跨磁热级联的熵参数mδs的交叉点值，除了相等或仅在所述幅度内不同之外，该值为能实现的尽可能高的值。由于不同的材料性质，熵参数的温度依赖性具有线形状，所述形状在其各自的最大量mδs最大及其宽度(例如确定为相对于最大量mδs最大的半峰全宽(fwhm))方面可能会显著不同。就此而言，磁热级联材料的合适选择考虑了级联相邻层之间的居里温度差的量δtc(也称为居里温度间隔)。级联两个相邻磁热层之间的居里温度间隔越小，则这两个层的熵参数的交叉点值通常就越高。此外，表征描述熵参数mδs的温度依赖性的函数的宽度衡量指标构成了影响级联设计中相邻磁热材料的熵参数的交叉点值量的合适参数。例如，对于给定的居里温度间隔，通过合适的材料选择来提高两个相邻层中至少一个的熵参数mδs的温度依赖性的半高全宽(fwhm)，这通常会提高级联中的两种相邻磁热材料的熵参数的交叉点值(简言之，假设最大量mδs最大不变)。居里温度间隔和fwhm可不仅仅通过由给定的离散材料组选择材料而确定。在一些材料体系中，通过选择相应磁热层的磁热材料的合适组成，可以准连续地适配这些参数。已知若干种涵盖化学计量范围内的不同组成元素的材料体系。示例性的材料体系为mnfepas，mnassb和mnfepsige。该类材料体系基本上连续地覆盖了一系列居里温度。适用于级联设计中的特定磁热层的居里温度可以通过设定材料体系中的材料组成元素的合适化学计量比来实现。另一方面，熵参数的温度依赖性的fwhm的变宽例如可通过将具有稍微不同化学计量比的材料混入单层中或者通过提供具有子层结构的磁热材料层来实现，其中子层具有稍微不同的化学计量比，而不是具有相同厚度和均一组成的磁热层。在本发明级联的一些实施方案中，在级联中使用来自不同材料体系的磁热层。这些实施方案为实现本发明的级联设计提供了特别高的设计自由度。应当注意的是，在本公开内容的上下文中，化学成分或化学计量组成不同的磁热材料被认为是相同的材料，条件是它们的用于实现本发明给定实施方案的磁热级联的相关材料参数具有相同的值。在下文将进一步更详细讨论的一些实施方案中，热侧外层和冷侧外层都不满足根据本发明适用于内层的交叉点值要求。为了清楚指代，这些实施方案在下一段中将称为第一组。然而，应当注意的是，在级联的其他实施方案中，并非仅仅内层在熵参数mδs的交叉点值方面具有该特定的设计。此外，(在第二组实施方案中)由冷侧外层及其下一相邻冷侧内层形成的冷侧外层对，或者(在第三组实施方案中)由热侧外层及其下一相邻热侧内层形成的热侧外层对，或者(在第四组实施方案中)热侧和冷侧外层对也具有与磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值相等—精确相等或处于±15％的幅度内—的熵参数mδs的交叉点值。现在转到上一段提及的第一至第三组实施方案，通过额外的层设计措施可以实现进一步的操作改进。在这种情况下，本身公知的是，每个下一相邻磁热层对在其相应的居里温度之间具有相应的居里温度差量δtc。根据该额外的设计措施，与任何内层相比，热侧外层或冷侧外层具有更大的熵参数mδs的最大值与居里温度差量δtc之比mδs最大/δtc。该类实施方案的磁热级联通过提供具有比任何内层更大的mδs最大/δtc比值的其热侧外层或其冷侧外层(或二者)而与已知的磁热级联相比进一步改善了热泵的磁热交流换热器中的磁热级联的性能。参数mδs最大形成了熵参数mδs的最大值。换言之，其是在具有给定质量m的相应磁热材料层的磁相变中可获得的等温磁熵变量的绝对最大值的量度。对于许多磁热材料，可在给定磁热材料的居里温度tc下获得最大量的等温磁熵变。由于δs的温度依赖性的特征线形状，参数mδs最大明确地定义了给定质量和给定材料组成的给定层。因此，磁热材料仅具有单一的δs最大。通常，不同的磁热材料具有不同的δs最大值。改变给定层的质量不仅可用于使得熵参数mδs的交叉点值适应相邻层，而且可适应最大值mδs最大。参数δtc表示给定层和下一相邻磁热材料层的居里温度之间的差量。此处，这意指在没有任何施加的磁场下可测量的相应居里温度。居里温度tc是量化给定磁热层特性的参数，而参数δtc描述了两个层(即给定层及其级联中的下一相邻磁热层)的给定层序列的性质。因此，参数δtc超越了给定的单个层。其涉及磁热级联中的层序列的设计。关于δtc的定义，应注意以下内容：简单起见，尽管这意指一个量，然而该参数不用||δtc||表示，而是用δtc表示。此外，乍一看上述δtc定义可能存在模糊性。对于级联的内层，原则上可确定参数δtc的两个不同值，因为内层具有两个下一相邻层，每侧一个。然而，当比较级联中的参数值δtc时，不存在这样的模糊性，因为在级联的两个可能方向之一中存在δtc的确定顺序。适当地，该确定顺序遵循通过级联的热流方向，这取决于给定的应用情况(冷却或加热)。在任何情况下，横跨给定级联的δtc的值的集合是相同的，而与确定的顺序无关。当然，对于热侧层和冷侧层，仅存在一个下一相邻层，因为热侧层和冷侧层形成级联的外层。在各实施方案中，与级联的内层相比，在级联的热侧层或冷侧层处参数mδs最大/δtc的最大化进一步提高了级联的整体性能，这将在下文通过实例进一步说明。所获得的效果还可描述为级联在其面向热泵的热侧或冷侧的相应外端处的加强。当与内层相比，在热侧外层或冷侧外层之一中的mδs最大/δtc的差异相对较小的情况下，已实现了改进。与已知的级联设计相比，本实施方案关于磁热级联的热泵送能力的有利效果对于级联的热侧和冷侧之间的较高温度跨度而言特别强。该温度跨度通常至少近似对应于热侧外层和冷侧外层之间的居里温度之差。与给定温度跨度的现有技术设计相比，该实施方案在温度差显著大于标称温度跨度的情况下也实现了具有改进性能的热泵送。优选地，热侧外层或冷侧外层具有比任何内层高至少1％的mδs最大/δtc比值的量。在其他实施方案中，热侧外层或冷侧外层处的mδs最大/δtc比至少一个内层中的任一个高至少5％。在另一实施方案中，热侧外层或冷侧外层处的参数mδs最大/δtc比至少一个内层中的任一个高至少10％。在一个实施方案中，热侧外层或冷侧外层具有比任何内层高至少20％的mδs最大/δtc比值的量。在又一个实施方案中，热侧外层或冷侧外层具有比任何内层高不超过150％的δs最大/δtc比值的量，在其他实施方案中高不超过100％。热泵送功率的改善几乎与热侧外层或冷侧外层的mδs最大/δtc比值比内层高的百分比的增大成比例地增大。然而，当通过选择具有较高熵参数最大值δs最大的磁热材料来提高该比值时，需要注意所选材料的δs的温度依赖性的线宽(fwhm)，以便在与给定相邻层组合下获得高的交叉点值。在磁热级联的三个替代实施方案中，上述关于级联外层的强化措施涉及：a)仅仅热侧外层，或b)仅仅冷侧外层，或c)热外侧外层和冷侧外层二者。因此，当声称热侧外层或冷侧外层具有比任何内层更大的mδs最大/δtc比值时，术语“或”应理解为包括所述的所有三个替代方案。因此，在代表所述的第三种替代方案的磁热级联的一些实施方案中，热侧外层和冷侧外层具有相同的mδs最大/δtc比值。这对磁热级联的性能实现了特别强的改进。在类似的实施方案中，热侧外层和冷侧外层之一具有比另一个更高的mδs最大/δtc比值的量。在这些其他实施方案的一些中，热侧外层和冷侧外层中的另一个具有比至少一个内层中的任一个更高的mδs最大/δtc比值的量。可单独使用或彼此组合地使用不同措施来适应熵参数mδsδtc的最大量，从而实现级联的合适实施方案的设计。在一些实施方案中实施的一种该类措施是提高与任何内层相比δs最大的量。例如，δs最大的变化可通过适当的材料选择实现，当然应考虑给定应用情况对居里温度的要求。该类实施方案的一些变型的热侧外层或冷侧外层具有比任何内层高至少2％的δs最大量。在热侧外层或冷侧外层中的δs最大的量比任何内层高至少10％的其他变型中，获得了甚至更大的效果。与任何内层相比，热侧外层或冷侧外层相对于内层的δs最大增大的上限为约50％。根据可替代地或与所述措施组合使用的另一措施，热侧外层或冷侧外层具有比任何内层更小量的δtc。正如本身所已知的那样，在磁热材料的材料体系中，δtc的变化可例如通过改变化学计量比来实现，即给定材料体系的材料组成中的组成元素的不同比例，从而设计级联的给定层。在磁热级联的另一实施方案中，热侧层或冷侧层具有比至少一个内层中任一个小至少0.2％的δtc量。在磁热级联的另一实施方案中，热侧层或冷侧层具有比至少一个内层中的任一个小至少5％的δtc量。然而，就δtc的优选量的下限而言，热侧层或冷侧层优选具有不小于0.25k，优选不小于0.5k的δtc量。在一些实施方案中用来影响熵参数δs的交叉点值的另一设计参数是其温度依赖性的线宽，例如最大量(δs最大)的一半处的全宽，以单位k测定。为了增加给定相邻磁热层对的大线宽并因此增大交叉点值，可在至少一个层中使用不同磁热层的混合物。在一些该类实施方案中，可使用子层序列，优选与单层相比不降低混合物或子层序列的最大量δs最大的那些。在一个这样的实施方案中，适于进一步提高至少一个外层的强度的措施是热侧外层或冷侧外层或二者分别包括至少两个热侧子层或冷侧子层的子层序列。这样可以实现相应外层中的居里温度分级，这进一步提高了相应外层的热泵送效率。如上所述，各参数—质量、δs最大和δtc可在任何层中单独地或组合地变化以适应交叉点值，和/或适应热侧或冷侧外层和/或其下一相邻级联内层的最大量mδs最大/δtc。可根据本文所述实施方案的相应要求由其选择用于任何磁热级联实施方案中的材料的磁热材料体系例如公开在wo2014/115057a1第11页第26行至第14页第31行。此处，公开文献wo2014/115057a1作为整体通过引用并入本说明书中。根据本发明的第二方面，提供了一种磁热交流换热器，其包括本发明第一方面或其实施方案之一的磁热级联。所述磁热交流换热器具有本发明第一方面的磁热级联的优点。所述磁热交流换热器可以以许多不同的实施方案中实施。这些不同实施方案中的一些包括各自不同形状的第一方面的磁热级联。在一些实施方案中，使用板状。在其他实施方案中，磁热级联包括延伸通过磁热级联以用于容纳传热流体的一个或多个通道或多个微通道。磁热交流换热器可包括各自不同材料形状的磁热材料层。在一些实施方案中，磁热材料层由固体材料层或多孔磁热材料层形成。在其他实施方案中，其由磁热颗粒形成，其在不同的实施方案中是球形的，非球形的，例如盘形或不规则形状的复合物。不同实施方案的球形颗粒具有50-500微米的直径，在一些实施方案中，直径为约100微米。颗粒层通常在压力且使用结合物质下形成。在目前优选的实施方案中，交流换热器包括颗粒层的填充床。根据本发明的第三方面，提供了一种热泵，其包括根据本发明的第二方面或其实施方案之一的磁热交流换热器。热泵具有本发明第二方面的磁热交流换热器的优点。下文将描述热泵的实施方案。热泵的实施方案适当地设置成循环实施包括热泵工作体的温度升高和温度降低的泵送序列。其他合适的实施方案的热泵进一步包括与热侧外层热连通的热侧界面，与冷侧外层热连通的冷侧界面，和设置在热侧界面和冷侧界面之间提供通过磁热级联的传热流体流动的传热体系，其中将热侧外层的居里温度选择为高于热泵运行时的热侧界面的温度，或将冷侧外层的居里温度选择为低于热泵运行时的冷侧界面的温度。在冷却应用中，例如冷侧界面设置为与待冷却的物体热接触，并且热侧界面设置为与受热器热接触。根据本发明的第四方面，提供了一种制造磁热级联的方法。所述方法包括：-制造具有不同居里温度tc的不同磁热材料层的序列，其中磁热材料层包括冷侧外层、热侧外层以及介于冷侧外层与热侧外层之间的至少三个内层；-制造至少两个具有彼此不同的质量m的内层，其中：-对于磁热级联的每个下一相邻磁热材料层对，存在相应的交叉温度，在该交叉温度下，两个相邻磁热材料层的泵送功率熵参数mδs具有相同的交叉点值，其中熵参数mδs定义为相应磁热材料层的质量m与相应磁热材料层的磁相变中的其等温磁熵变δs的量的乘积；并且其中：-所有下一相邻内层对的熵参数mδs的所有交叉点值与横跨磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值相等—精确相等或处于±15％的幅度内。本发明第四方面的方法实现了上文在本发明第一方面的磁热级联的上下文中所述的优点。所述方法的实施方案包括制造级联，以便进一步包括在本发明第一方面的上下文中描述的其实施方案的额外特征。在所述方法的一个实施方案中，每个下一相邻磁热层对在它们各自的居里温度之间具有相应的居里温度差量δtc，并且制造热侧外层或冷侧外层以具有比任何内层更大的熵参数mδs最大值与居里温度差量δtc的比值mδs最大/δtc。根据本发明的第五方面，一种热泵送方法包括：-使用包括本发明第一方面或其实施方案之一的磁热级联的磁热交流换热器来实施热泵送序列。下文将描述热泵送方法的实施方案。在一个实施方案中，泵送序列包括在与受热器热连通时实施的磁热级联的温度升高。泵送序列使用磁热级联进行，其中热侧外层是居里温度比受热器温度高0.5-5k的磁热层。其他实施方案公开在所附的权利要求中。下文将参照附图描述其他实施方案。在图中：图1显示了示意图，该示意图显示了在磁热材料在其居里温度附近暴露或未暴露于磁场的情况下磁熵对温度的依赖性的差异；图2显示了磁热级联的实施方案；图3显示了现有技术的级联的相应磁热材料层的磁相变中的等温磁熵变δs的温度依赖性；图4显示了图2的级联的相应磁热材料层的磁相变中的质量加权等温磁熵变(即熵参数)的温度依赖性；图5和图6显示了在磁热级联的两个不同实施方案中的两个下一相邻磁热材料层的磁相变中的质量加权等温磁熵变(即熵参数)的温度依赖性；图7显示了用作非本发明级联的说明性示例的参比级联的相应磁热材料层的磁相变中的质量加权等温磁熵变(即熵参数)的温度依赖性的图示；图8显示了用于对比的本发明实施方案的相应磁热材料层的磁相变中的质量加权等温磁熵变(即熵参数)的温度依赖性的图示；图9是显示作为热侧外层和冷侧外层之间的温度跨度(ts)函数(单位为开尔文)的图7和8级联的冷却功率(cp，单位为瓦特)的图；图10显示了与图7的参比级联相比，在热侧温度和冷侧温度之间的不同温度跨度下，图8的磁热级联实施方案的冷却功率改善(简称为icp)的图；图11显示了用作非本发明级联的说明性示例的参比级联的相应磁热材料层的磁相变中的质量加权等温磁熵变(即熵参数)的温度依赖性的图示；图12显示了与图11相比，本发明实施方案的相应磁热材料层的磁相变中的质量加权等温磁熵变(即熵参数)的温度依赖性的图示；图13是显示作为热侧外层和冷侧外层之间的温度跨度(ts)(单位为开尔文)的函数的图11和图12级联的冷却功率(cp，单位为瓦特)的图；图14显示了与图11的参比级联相比，在热侧温度和冷侧温度之间的不同温度跨度下，图12的磁热级联实施方案的冷却功率改善(简称为icp)的图。图1显示了磁热材料层的熵s以线性单位(焦耳/开尔文)作为温度t(也为线性单位开尔文)的函数绘制的图。图中所示的曲线也称为st曲线。该图纯粹是示意性的，仅用于说明以下内容。磁热材料层在施加不同量的磁场下显示出不同的st曲线。两个示例性曲线a和b显示了h＝0(不施加磁场)和h≠0(施加一定量的磁场)的情况。发现情况h＝0的情况下的st曲线具有较高的熵水平，这是因为磁熵对磁热材料层的所示总熵的贡献较高。对熵s的进一步贡献由晶格和层的磁热材料的电子提供。在施加强度足以导致磁热材料层发生相变，从而导致所有磁矩沿磁场矢量的方向取向的磁场的情况下，在给定温度下的磁熵下降量为δs最大。这导致温度升高。绝热过程中温度升高的最大值等于tad，最大，并且在不同于可观察到δs最大时的温度下发生，如图1所示。在下文中，平行参考图2-4。图2显示了用作磁热交流换热器的磁热级联10的实施方案，并且因此显示了用于沿箭头11所示的方向泵送热量的冷却装置的工作体。图3显示了图2级联的相应磁热材料层的磁相变中的等温磁熵变δs的温度依赖性的图示。图4显示了图2级联的相应磁热材料层的磁相变中的质量加权等温磁熵变(即熵参数)的温度依赖性的图示。级联10由磁热材料层12至20的层序列形成。特别地，级联具有冷侧外层12，随后是多个磁热内层，其中在本实例中提供内层14、16和18。此外，级联具有热侧外层20。此处，由冷侧外层12和下一相邻内层14形成的层对(12,14)也称为冷侧外层对。此处，由热侧外层20和下一相邻内层18形成的层对(18,20)也称为热侧外层对。磁热级联10的层序列具有如图3和图4所示的以下具体特征：首先，图3显示了现有技术级联的相应磁热材料层的磁相变中的质量加权等温磁熵变δs的温度依赖性的示意图。图3示意的磁热级联具有类似于图2结构的五个磁热材料层。磁热层称为12’至20’。然而，图3所示的磁热级联是根据现有技术的结构，这可从下文解释知悉。不同的磁热材料层12至20具有相同的质量和不同的居里温度tc，其在图3中以冷侧外层12’和热侧外层20’之间逐渐增大的值的顺序标记为相应层的各参考标记tc(12)、tc(14)、tc(16)、tc(18)和tc(20)。对于磁热级联的每个下一相邻磁热材料层对，即对于层对(12,14)、(14,16)、(16,18)和(18,20)而言，存在相应的交叉温度t1’、t2’、t3’和t4’，对各自两个相邻磁热材料层而言，层质量与相应磁热材料层的磁相变中的等温磁熵变δs的乘积mδs是相同的。相应的交叉点标记为c1’、c2’、c3’和c4’。可以计算所有下一相邻内层对，即层对(14,16)和(16,18)的平均交叉点值mδs’平均，并且在图3的图中示出。如图3所示，交叉点c1’、c2’、c3’和c4’处的mδs值不同。特别地，内层对(14,16)和(16,18)的c2’和c3’处的mδs交叉点值超出了磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值mδs’平均的±15％的幅度。平均交叉点值mδs’平均的幅度的上限和下限在图3中标记为mδs’平均+15％和mδs’平均-15％，这意指mδs’平均+0.15*mδs’平均和mδs’平均-0.15*mδs’平均。应注意的是，该图是示意图，因此可能未按比例地显示值。与此相反，图4显示了图2级联的相应磁热材料层的磁相变中的质量加权等温磁熵变(即熵参数)的温度依赖性的图示。假设各层的居里温度tc(12)、tc(14)、tc(16)、tc(18)和tc(20)与图3所示的现有技术级联的居里温度相同。然而，这仅仅是出于简化说明的目的。如图4中对图2实施方案所示的那样，级联10的不同层12-20的材料和质量分别适于形成本发明的实施方案。换言之，在级联10中，至少两个磁热材料层具有彼此不同的质量m。通过合适的材料选择和层质量设计，获得了质量加权熵变，即上文定义的熵参数mδs的相同交叉点值c1、c2、c3和c4。更具体地，定义为相应磁热材料层的质量m与相应磁热材料层的磁相变中的等温磁熵变δs量的乘积的熵参数mδs在交叉温度t1、t2和t3和t4处相同，并且与交叉温度t1’、t2’、t3’和t4’不同。因此，在本实施方案中，横跨磁热级联的熵参数mδs的所有交叉点值c1、c2、c3和c4是精确相等的。在其他实施方案中，它们在±15％的幅度内等于磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值mδs平均。本实施方案的特定特征在于，就下一相邻磁热层而言，熵参数mδs的所有交叉点值c1、c2、c3和c4实际上是相同的。这并非本发明的必要要求，本发明仅要求所有内层与下一相邻内层的熵参数mδs的交叉点值与磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值mδs平均相等—精确相等或处于±15％的幅度内。正如下文将进一步显示的那样，本发明的其他实施方案具有热侧和冷侧外层，其被设计为具有超出mδs平均的所述幅度的交叉点值。作为本实施方案的另一特定特征，所有层的mδs最大量是相等的。但是，这并非必要的要求。基于所解释的设计，级联10在热泵应用中实现了特别高的性能。图5和图6是本发明磁热级联的两个不同实施方案的两个下一相邻磁热材料层52，54和62，64的磁相变中的质量加权等温磁熵变(即熵参数)的温度依赖性的图示。图5和图6中所示的磁热级联包括多个磁热层。特别地，提供至少三个内层，其满足关于交叉点相对于内层对的所有交叉点值的平均值mδs平均的相等性或幅度的所述要求。然而，出于简化，图5和6省略了级联的其他层的任何该类信息。所示的两个下一相邻磁热材料层52，54和62，64形成了相应的外层对。换言之，层52和62是热侧或冷侧外层，并且在下文中简称为外层。相应的下一相邻层54和64形成权利要求措辞中的内层。在本发明的这两个实施方案中，两个实施方案的外层52和62被加强，这将在下文说明。在图5的实施方案中，与下一相邻内层54相比，外层52具有较高的熵参数mδs的最大量mδs最大。外层52的这种性质可通过适当地选择材料或通过适当地设定外层52的质量实现。在适当的实际量mδs最大和熵参数mδs的温度依赖性的半高全宽下，与下一相邻内层54相比，选择外层52的材料和/或质量导致熵参数mδs的较高最大量mδs最大，这倾向于提高图5所示的两条曲线的mδs的交叉点值c5。在实现图5情况的一些实施方案中，交叉点值c5超出了磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值mδs平均的±15％的幅度。然而，在其他实施方案中，其落入该幅度内，从而实现精确的相等。在图6的实施方案中，与下一相邻内层64相比，外层62具有相同的熵参数mδs的最大量mδs最大。然而，选择所述层的材料，从而使得它们的居里温度间隔δtc与图5的实施方案相比更小。这也导致熵参数mδs的交叉点值c6相比于横跨级联的其相应的最高最大值增大。在熵参数mδs的温度依赖性的合适半高全宽下，选择外层62和下一相邻内层之间的居里温度差倾向于提高图5所示的两条曲线的mδs的交叉点值c6。在实现图6情况的一些实施方案中，交叉点值c6超出了磁热级联的所有下一相邻内层对的所有交叉点值的平均值mδs平均的±15％的幅度。然而，在其他实施方案中，其落入该幅度内，从而实现精确的相等。所描述的两种措施都能改善热泵送性能。下文将参照图7-14讨论级联的其他实施方案。图7-14显示了使用类似于engelbrecht：“anumericalmodelofanactivemagneticregeneratorrefrigerationsystem”(http://digital.library.wisc.edu/1793/7596)所述的物理模型进行虚拟实验的结果。采用一维模型。级联的磁热材料的总质量为0.025kg。每次抽吸的泵送体积为4×10-6m3。在虚拟实验中使用参比级联来证明使用实施方案获得的对泵送功率的有利影响。特别地，在图7和11所示的参比级联中，所有磁热材料层具有相同的质量。实施例1：确定图7的参比级联的冷却功率，该级联不符合本发明，仅用于比较。参比级联具有如下性质。其包括六个磁热层1’-6’的序列，具有对应于图7所示曲线的极大值的居里温度。所述层具有相同的参比质量，并且所有磁热层的总质量为0.025kg。每次抽吸的泵送体积为4×10-6m3。仅仅是出于简化图形表示的目的，设定质量为每层1kg，从而确定图7和8中的曲线。对于图9和10所示的实际功率计算，使用实际质量。作为温度函数的熵参数曲线的交叉点如表1所示：表1—图7的参比级联的交叉点c1’c2’c3’c4’c5’m*δs[j/k]10,4410,689,278,177,1与平均值的偏差14,3％17,0％1,5％-10,5％-22,3％相对于交叉点c1’至c5’的平均值(其为9.17j/k)计算表1所给出的与平均值的偏差。相比之下，图8所示的级联基于在不同层1-6中相同的磁热材料。然而，图8的级联的一些层具有与图7的参比级联的相应层不同的质量。相对质量在表2中给出，其中质量1对应于0.0025kg除以层数，即6。将所述层编号为层1至层6，这意味着图7的参比级联的层1’(冷侧外层)至层6’(热侧外层)，图8实施方案的层1(冷侧外层)至层6(热侧外层)。表2—参比级联和实施方案的层的相对质量层1层2层3层4层5层6和参比，图71111116实施方案，图80,90,810,91,11,36如表2所示，随着图8实施方案中的层1、2、4、5和6的质量相比于图7的参比级联变化，对图8实施方案获得了以下交叉点值：表3—图8的级联实施方案的交叉点相对于交叉点c1至c5的平均值(其为8.62j/k)计算表1所给出的与平均值的偏差。确定图7的参比级联和图8的本发明级联的实施方案的冷却功率。图9是作为热侧外层和冷侧外层之间的温度跨度(ts，单位为开尔文)的函数显示图7和图8的级联的冷却功率(cp，单位为瓦特)的图。使用的不同符号表示不同的级联：对图8的实施方案获得的cp值以全方块表示，对参比级联(图7)获得的cp值由全菱形表示。对所有温度跨度而言，图8实施方案的冷却功率明显高于图7参比级联的冷却功率。图10显示了在0-20k的温度跨度ts内，在对不同温度跨度ts(单位为k)而言，级联的23.9℃热侧界面下的操作温度，即级联的冷侧界面处的不同操作温度下，图8实施方案的冷却功率相对于上述参比级联(图7)的冷却功率的提高百分比(icp)。用于确定相应温度跨度的温度值在进入级联的热侧和冷侧入口处获得。图9和图10的图清楚地显示了在0-20k的全温度跨度ts范围内，图8实施方案的磁热级联的冷却功率相比于图7参比级联显著改善。在所有温度跨度内的改善几乎相同。实施例2：确定图11的参比级联的冷却功率，该参比级联不符合本发明，仅用于比较。参比级联具有以下性质。其包括五个磁热层1’至5’的序列，其具有对应于图11所示曲线的极大值的居里温度。所述层具有相同的参比质量，并且所有五个磁热层的总质量为0.025kg。每次抽吸的泵送体积为4×10-6m3。如前所述，仅仅是出于简化图形表示的目的，设定质量为每层1kg，从而确定图11和12中的曲线。对于图13和14所示的冷却功率计算，使用除以层数，即5的实际质量0.025kg。作为温度函数的参比级联的熵参数曲线的交叉点如表4所示：表4—图11的参比级联的交叉点c1’c2’c3’c4’m*δs[j/k]13,49,899,8211,71与平均值的偏差19,6％-11,7％-12,4％4,5％相对于交叉点c1’至c4’的平均值(其为11.21j/k)计算表1所给出的与平均值的偏差。相比之下，图12所示的级联基于在不同层1-5中相同的材料。然而，图12的级联的一些层具有与图11的参比级联的相应层不同的质量。相对质量在表2中给出，其中质量1对应于0.0025kg。将所述层编号为层1至5，这意味着图11的参比级联的层1’(冷侧外层)至层5’(热侧外层)，图12实施方案的层1(冷侧外层)至层6(热侧外层)。表5—参比级联和实施方案的层的相对质量层1层2层3层4层5和参比，图11111115实施方案，图120,850,91,25115如表2所示，随着层1、2和3的质量变化，对图12实施方案获得了以下交叉点值：表6—图12的级联实施方案的交叉点c1c2c3c4c5m*δs[j/k]11,7311,4811,7511,7211,73与平均值的偏差0,5％-1,7％0,7％0,4％0,5％相对于交叉点c1至c4的平均值(其为11.67j/k)计算表1所给出的与平均值的偏差。确定图11的参比级联和图12的本发明级联的实施方案的冷却功率。图13是作为热侧外层和冷侧外层之间的温度跨度(ts，单位为开尔文)的函数显示图11和图12的级联的冷却功率(cp，单位为瓦特)的图。使用的不同符号表示不同的级联：对图12的实施方案获得的cp值以全方块表示，对参比级联(图11)获得的cp值由全菱形表示。对直至6k的所有温度跨度而言，图12实施方案的冷却功率明显高于图11参比级联的冷却功率。图14显示了在0-8k的温度跨度ts内，在对不同温度跨度ts(单位为k)而言，级联的9.8℃热侧界面下的操作温度，即级联的冷侧界面处的不同操作温度下，图12实施方案的冷却功率相对于上述参比级联(图11)的冷却功率的提高百分比(icp)。用于确定相应温度跨度的温度值在进入级联的热侧和冷侧入口处获得。图13和图14的图清楚地显示了在0-6k的温度跨度ts范围内，图8实施方案的磁热级联的冷却功率相比于图11参比级联显著改善。在该范围内的所有温度跨度下的改善是相同的。其中使用每层更高的质量或更小的居里温度间隔对一侧或两侧的两个外层(或者甚至更多)进行改进的级联的结果是相似的。当前第1页12