CN100464134C - 采用外回路蓄冷的磁制冷方法及其磁制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用外回路蓄冷的磁制冷方法及其磁制冷装置，其方法是将磁制冷工质置于有磁场和没有磁场区域内，在有磁场和没有磁场的区域之间交替地分布有回路即热回路和冷回路，在回路中通有流体，这些流体的流动使两区域的磁制冷工质形成一个从高到低的温度梯度。其制冷装置是包括环形工质床、磁场区域和非磁场区域，在环形工质床上沿圆周方向设置有磁制冷工质，在磁场区域和非磁场区域之间交替地分布有热回路管道和冷回路管道，在回路管道内设有蓄冷流体。本发明是一种效率更高、制冷功率更大和对换热流体的流动更容易的室温磁制冷方法，更易于实用，且大幅度提高磁制冷的制冷量。采用多级串联则工作温度可以达到很宽的范围。

Description

采用外回路蓄冷的磁制冷方法及其磁制冷装置

一、技术领域

本发明涉及一种磁制冷方法和磁制冷装置，特别是在磁制冷中采用外回路被动蓄冷来实现磁制冷的方法和装置。

二、背景技术

现代社会的发展和生活质量的提高要求有舒适的环境，作为现代科学的血液的制冷技术在近200年逐步发展和成熟，给人类的生活带来了舒适和享受、也给科学和技术提供了研究和使用平台。因为人类能源有三分之一消耗在制冷上，因此制冷技术的状况对人类的生存极为重要。制冷技术主要有液体汽化制冷、气体膨胀制冷、吸附制冷、热电制冷、涡流管制冷、热声制冷、脉冲管制冷以及磁制冷等多种形式，但最流行的是液体汽化制冷。液体汽化制冷需要使用氟里昂，它不但破坏大气层上空的臭氧环境，而且还具有温室效应，因此制冷直接影响了能源的使用和环境的质量，研究和发展节能环保的新型制冷方式就非常迫切和意义重大。

磁制冷作为一种制冷方式在1926年就在科学上得以确认，它理论上具有最高的循环效率，而且没有压缩机，所以就成了物理学家梦寐以求的制冷方式。但后来的研究仅仅在极低温领域(绝对零度附近)获得成功，并且早已生产出了氦的磁制冷液化设备。在室温磁制冷部分则经历了太多的失败后长期停滞不前，一直没有什么进展。和低温下的磁制冷不同，室温磁制冷在循环方式、磁制冷工质以及磁场上都有特殊的要求，因此实现起来十分艰难。

1976年，美国宇航局(NASA)的Brown使用钆板加混有水的酒精作蓄冷剂在超导磁场环境下首先实现了38度的温差，向人类显示了室温磁制冷的可能性。

1982年，美国的Barclay和Clayart提出了主动式磁蓄冷器(AMR)的新概念，为实用化的室温磁制冷找到了另外一种实现的方式。

1990年，美国能源部资助NASA和衣阿华大学Ames实验室开展基于AMR的室温磁制冷样机研究。在室温磁制冷材料研究上，他们于1997年发现钆硅锗合金具有超过钆的所谓巨磁热效应，给主动式磁蓄冷器找到了用武之地。在室温磁制冷机的研究上，经过近8年的艰苦摸索，1997年人类第一台能长期高效运转的往复式室温磁制冷机宣告问世。其使用的制冷工质是金属钆球，直径在0.1mm-0.3mm之间，重量为3公斤，使用的超导磁场为1.5-5特斯拉，循环周期为6秒，运转了1500小时。在5特斯拉磁场下工作时热力学完善度达到60％，在1.5特斯拉磁场下工作时则大约为20％。这项工作预示着室温磁制冷技术走向实用时代的来临。

室温磁制冷是制冷的必然发展之路，它必将在不远的将来取代现行的制冷方式。一切与传统制冷方式相联系的空调、冰箱和其他制冷机将完成革命性的转变。但是，室温磁制冷要走向市场首先需要解决效率问题、可靠性问题和经济性问题。随着室温磁制冷技术的逐步成熟，全世界的制冷产业将彻底改变现有的产品结构，其市场不可估量。自1997年以来，室温磁制冷就开始了实用化研究。最初的成功是使用往复的方式来获得的。该方法是让磁工质靠机械运动进入有磁场的工作空间，这个时候工质被磁化而有发热效应。再通过冷却流体带走因磁热效应而产生的热量后再用机械的方法使磁工质离开磁场区域，这样磁工质就因为磁热效应而降温。

但是，采用主动式磁蓄冷的磁制冷方式从提出来起就注定了其使用的条件的苛刻和实现上的困难，其主要表现在对磁制冷材料的磁热效应有很高的要求，而在产生一定的温差以后则大部分磁制冷材料主要起蓄冷作用而没有太多的制冷作用，尤其是随着温差的增加，载冷流体不能高效与AMR换热而有部分流体直接在热端和冷端之间短路，这使得使用AMR的现行磁制冷机的制冷功率低下。也因为如此，现在的室温磁制冷在大温差下的实际制冷功率很小、而小温差下的磁制冷也没有什么实际用途。而传统的被动蓄冷又因为蓄冷流体的搅混而导致室温磁制冷运行过程中蓄冷效率的降低。众所周知，室温磁制冷材料的磁热效应不大，必须采用蓄冷的方式来放大制冷温差。因此，必须找到一种更好的蓄冷工作方式来实现室温磁制冷。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种采用外回路蓄冷的磁制冷方法及其磁制冷装置。

2、技术方案：本发明所述的一种采用外回路蓄冷的磁制冷方法，其特征是将磁制冷工质环形设置，并使之置于有磁场和没有磁场区域内，环形磁制冷工质转动，使其环节上的制冷工质周期性地进入有磁场和没有磁场的区域，在有磁场和没有磁场的区域之间交替地分布有回路即热回路和冷回路，在回路中通有流体，这些流体的流动将位于磁场区域内的磁制冷工质的热量转移给位于无磁场区域的磁制冷工质，无磁场区的磁制冷工质的冷量转移给磁场区的磁制冷工质，使两区域的磁制冷工质形成一个从高到低的温度梯度，磁制冷工质在刚进入磁场时因为磁热效应产生的热量被环境带走，然后这些工质在磁场中运行时被回路流出的蓄冷流体冷却，至刚离开磁场区时因为磁热效应而降低温度；这时这些处于最低温度的磁制冷工质在吸收需要制冷物体的热量后在无磁场区运动，再被回路流出的蓄冷流体加热，直至进入磁场区前的室温温度，这些磁制冷工质再进入磁场区开始下一个循环。

在磁制冷工质刚进入磁场区即高温端通过换热器对环境输送热量，在磁制冷工质刚离开磁场区即冷端通过换热器对目的物输送冷量。

本发明所述的采用外回路蓄冷的磁制冷装置，其特征是该磁制冷装置包括环形工质床、磁场区域和非磁场区域，环形工质床置于磁场区域和非磁场区域之间并由驱动器驱动旋转，在环形工质床上沿圆周方向设置有磁制冷工质，在磁场区域和非磁场区域之间交替地分布有热回路管道和冷回路管道，回路管道的两端分别对应位于磁场区域内的磁制冷工质和位于非磁场区域内的磁制冷工质，在回路管道内设有蓄冷流体。

所述回路管道内的蓄冷流体由驱动泵驱动。

工质床也可以直接由磁制冷工质材料制成。

磁制冷工质环形设置时分段均匀设置，相邻工质的工质床之间绝热。

环形工质床的环形是圆或矩形围绕一轴旋转而形成的环形空间立体形状。

为实现对外输出热量或冷量，在磁制冷工质刚进入磁场区即高温端设有热端换热器，在磁制冷工质刚离开磁场区即冷端设有冷端换热器。

本发明的工作原理是：使用磁场来使磁制冷工质床中的磁制冷工质磁化，该磁制冷工质在无磁场区去磁；在磁场区的磁制冷工质床和无磁场区的磁制冷工质床之间分段连接有许多蓄冷回路，这些回路中的一半是让流体从磁场区的磁制冷工质床流向无磁场区的磁制冷工质床即热回路，另外一半则反过来流动即冷回路。在磁场区的室温磁制冷工质材料的热量通过蓄冷回路转移到无磁场区的室温磁制冷工质材料内，而无磁场区的磁制冷材料的冷量则通过蓄冷回路转移到有磁场区的磁制冷材料内。当磁制冷工质材料在磁场区运动时，其温度因为蓄冷流体的冷却而不断降低，直至到达无磁场区时温度突然降低而对外输出冷量。该磁制冷工质材料在吸收外界的热量后沿着无磁场区继续运动，该材料在无磁场区运动过程中和来自蓄冷回路的流体换热而将冷量传给蓄冷流体；同时该磁制冷工质材料的温度因为被来自另外一半蓄冷回路的流体加热而升高；该磁制冷材料在运行至无磁场区的边界时温度达到室温再进入磁场区，因为磁热效应，该磁制冷材料发热。通过流体换热，该磁制冷工质材料将热量传给环境，然后再开始下一个循环。

3、有益效果：本发明是一种效率更高、制冷功率更大和对换热流体的流动更容易的室温磁制冷方法，更易于实用，且大幅度提高磁制冷的制冷量。如果采用多级串联则工作温度的范围可以达到很宽的范围：20K-330K。本发明具有以下特点：(1)采用外回路被动方式蓄冷来转移和积累磁制冷材料的磁热效应。(2)磁制冷工质的工作空间被全部利用，从而避免主动式磁蓄冷器磁制冷中磁制冷工作空间在温度稍许拉开后磁化和去磁空间载冷流体因为换热不完全而导致的热短路和普通被动式蓄冷中流体的搅混导致的蓄冷效果降低的缺点。(3)因为蓄冷功能转移到了外回路的蓄冷器上，磁制冷工质床在流体回路中的阻力区域将大大缩短，从而减小了流体流动的阻力。(4)磁制冷材料的形状加工因流动阻力减少而变得容易。(5)可以大幅度提高磁制冷材料的填充率，减少换热流体对蓄冷效果的破坏，提高单位容积工作空间的制冷功率。(6)可以拉大降温的幅度和大幅度提高制冷功率。(7)该制冷机同时可作热泵运行来制暖。(8)将多套这样的结构相互串联(上一级的热端接下一级的冷端)可以扩大温差。

四、附图说明

图1是本发明的原理结构示意图。

五、具体实施方式

如图所示，图中大圆圈是装有磁制冷材料的磁制冷工质床1，该圆圈可以是圆环形或者是中空的圆柱形。在工质床1外是密封的外套。工质床1置于磁场区域2和非磁场区域3之间并由驱动器4驱动旋转。在圆圈中的左右画出的一对对箭头表示外蓄冷回路，包括交替分布的热回路管道5和冷回路管道6，这样的回路从上到下密密分布。每个蓄冷回路上如果需要都装有驱动流体流动的驱动泵7。在热端换热器8和冷端换热器9上也有流体驱动泵。如果蓄冷流体和换热器流体的冲击驱动力不够驱动磁制冷工质床按要求运动，可以外加驱动器。磁制冷工质床1内的结构设计应该在沿运动方向上隔断流体的流动，并且能够让流体大致沿径向流动而能充分与磁制冷工质有良好的换热，同时在沿工质运动方向上分段设置，相互工质床之间有良好的绝热。

附图的结构和运行可以按照下面的方式实现。显然，实现的方式可以有很大不同，但其核心结构是不可更改的。

1、磁制冷工质在上部进入磁场区2，由于磁热效应而温度升高，这时与来自热端换热器8的流体交换热量而温度降低到室温。

2、磁制冷工质在离开热端换热器8的接口区域后继续在有磁场的区域运动，在运动过程中与来自冷回路管道6的流体换热而温度降低。

3、随着磁制冷工质的运动和蓄冷流体的换热，磁制冷材料在磁场区的温度不断降低，这时从上往下的蓄冷器即回路管道组上形成了逐渐降低的温度梯度。

4、磁制冷工质离开磁场区后因为磁热效应而温度进一步降低，将该冷端与冷端热交换器9换热而对外输出冷量。

5、磁制冷工质离开冷端接口区域后在无场磁区3运行，同时与热回路管道5换热而温度升高。

6、随着磁制冷工质的继续运动以及和蓄冷流体的不断换热，在磁制冷工质将要进入磁场区域时温度达到室温。在此过程中，磁制冷工质的冷量被蓄冷流体带去冷却磁场区的磁制冷工质。

7、磁制冷工质再进入磁场区而重复步骤1至步骤6的过程，外回路被动式蓄冷器组的温度梯度越来越大，冷端温度也越来越低。

8、如果再将热端的热量散发到外部空间，而将冷端的冷量导入需要制冷的空间，则该设备就具有了完整的制冷功能。

9、如果再将冷端的冷量散发到外部空间，而将热端的热量导入需要升温的空间，则该设备就具有了完整的热泵功能。

10、蓄冷器回路组可以做成一个整体，但相互之间要做好绝热，以形成温度梯度。

11、蓄冷器组中的流体驱动泵7可以采用多进多出的方式整合在一起用同一个电机驱动。

12、磁制冷工质床的结构可以取类似螺杆的形状，其沟槽要深，密度要高。

13、在磁制冷工质床1和外套之间可以设置滚珠以减少摩擦，滚珠被装在外套的槽中，一根沿圆周的可以容易滑动的薄金属压条压在滚珠上，其顶部稍稍露出外套内表面。环形工质床通常需要沿磁制冷工质床运动方向装3路，每路之间等距离分布。中空圆柱形至少需要装四路压条，压条应当位于工质床径向截面四边形的角部。

14、为了安装方便，外套应该分为两部分，待装好磁制冷工质和滚珠、压条后再整体封装。

Claims (5)

1.一种采用外回路蓄冷的磁制冷方法，其特征是将磁制冷工质环形设置，并使之置于有磁场和没有磁场区域内，环形磁制冷工质转动，使其环节上的制冷工质周期性地进入有磁场和没有磁场的区域，在有磁场和没有磁场的区域之间交替地分布有往来回路，在回路中通有流体，这些流体的流动将位于磁场区域内的磁制冷工质的热量转移给位于无磁场区域的磁制冷工质，无磁场区的磁制冷工质的冷量转移给磁场区的磁制冷工质，使两区域的磁制冷工质分别都形成一个从高到低的温度梯度，磁制冷工质在刚进入磁场时因为磁热效应产生的热量被环境带走，然后这些工质在磁场中运行时被回路流出的蓄冷流体冷却，至刚离开磁场区时因为磁热效应而降低温度；然后这些磁制冷工质被回路流出的蓄冷流体加热，直至进入磁场区时的室温温度，这些磁制冷工质再进入磁场区开始下一个循环；磁制冷工质环形设置时分段均匀设置，相邻工质的工质床之间绝热；在磁制冷工质刚进入磁场区即高温端通过换热器对外输送热量，在磁制冷工质刚离开磁场区即冷端通过换热器对外输送冷量。

2.实施如权利要求1所述的采用外回路蓄冷的磁制冷方法的磁制冷装置，其特征是该磁制冷装置包括环形工质床(1)、磁场区域(2)和非磁场区域(3)，环形工质床(1)置于磁场区域(2)和非磁场区域(3)之间并由驱动器(4)驱动旋转，在环形工质床(1)上沿圆周方向设置有磁制冷工质，在磁场区域(2)和非磁场区域(3)之间交替地分布有热回路管道(5)和冷回路管道(6)，回路管道的两端分别对应位于磁场区域(2)内的磁制冷工质和位于非磁场区域(3)内的磁制冷工质，在回路管道内设有蓄冷流体；工质床(1)由磁制冷工质材料制成；在磁制冷工质刚进入磁场区即高温端设有热端换热器(8)，在磁制冷工质刚离开磁场区即冷端设有冷端换热器(9)。

3.根据权利要求2所述的采用外回路蓄冷的磁制冷方法的磁制冷装置，其特征是所述回路管道内的蓄冷流体由驱动泵(7)驱动。

4.根据权利要求2所述的采用外回路蓄冷的磁制冷方法的磁制冷装置，其特征是在工质床(1)的外侧设有外套，外套与工质床之间设有滚珠。

5.根据权利要求2所述的采用外回路蓄冷的磁制冷方法的磁制冷装置，其特征是环形工质床(1)的环形是圆或矩形围绕一轴旋转而形成的环形空间立体形状。

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