CN101135510A - 一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统 - Google Patents

一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统 Download PDF

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Abstract

一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，由导流槽、冷端和热端热交换器，流体泵(1)、储液器通过导流管连接组成一个或冷、热两个回路；导流槽位于磁制冷机永磁磁体系统的两个轴向端面上，每端四个。均布在同一直径的圆弧上的四个导流槽分为两对，一对与两个定子导磁极靴周向位置相同，另一对与两个定子导磁极靴相隔90度空间位置，每一对中的两个导流槽串联或并联。当位于转子上的磁工质区域旋转至某对导流槽位置时，相应的流体泵开始工作，使换热流体从转子一端的导流槽沿轴向流经磁工质进入另一端的导流槽，并在回路中流动；当位于转子上的磁工质离开某对导流槽位置时，相应的流体泵停止工作。

Description

一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统
技术领域
本发明涉及一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，特别涉及用于室温磁制冷的一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统。
背景技术
磁制冷与传统蒸汽压缩制冷技术相比，其优势在于：高效节能、绿色环保和高可靠性。因此，磁制冷技术被视为一种高效的新型制冷技术。
室温磁制冷技术具有广泛的潜在应用领域，例如：工业、商业及家用空调、冰箱等。室温磁制冷机的应用将对能源节约和环境保护起到重大作用。
1976年美国NASA的Brown在室温磁制冷样机方面取得了突破性进展。采用超导磁体(0-7T)，以金属Gd为磁制冷工质，获得了80K制冷温跨、8W制冷功率的结果，首次在实验室实现了室温磁制冷，该装置只循环运行了50次，稳定性较差。1998年，美国宇航公司开发的室温磁制冷样机具有较大的温跨(38K)、制冷量(600W)及能效比(制冷系数COP＝15)，该样机无故障运行了18个月，展示了室温磁制冷技术应用的可能。但由于上述磁制冷样机都采用超导磁体，在超导技术未能达到规模化民用之前，其高昂的成本使室温磁制冷技术实用性受到较大限制。
美国专利US6526759、US6668560公开了一种选用高性能的永磁磁体来取代早先的超导磁体的永磁式室温旋转式磁制冷装置。
US6526759的旋转式磁制冷装置如图1所示，该旋转磁制冷装置的转轮是一个带有磁工质床22示的环状物21，该环绕一个中心轴转动，使得每个床依次进出“C”型磁铁29产生的磁场。利用一个分配阀24使换热流体进出磁工质床22，分配阀24通过管道连接到热端和冷端热交流器。
这种采用“C”型结构的永磁磁体的室温磁制冷样机设计借鉴了Steyert模型，其方案原理示意图如图2所示。运行过程如下：磁工质轮逆时针旋转，换热流体顺时针流动。换热流体从图示右下角进入机构与磁工质进行热交换，此时由于磁工质完成了绝热去磁过程，温度比较低，流体经换热后温度由TH变为TC，所以可以从某低温环境吸热，设吸热量为Qc。当流体吸热后再从图示左上角进入机构时，温度为Tc+△，遇到磁工质进行换热，由于此时的磁工质轮完成了一个绝热磁化过程，温度比较高，流体经换热后温度变为TH+△，可以向另一环境放热，设放热量为QH。然后再以TH的温度进入机构，循环前面的过程。这样，经过一个循环，就可以从低温环境吸热Qc，向高温环境放热QH，达到制冷的目的。
这种采用“C”型结构永磁磁体的旋转式磁制冷装置存在着两个缺点：一是转轮的大部分位于永磁磁体之外，这一旋转部件没有被封闭，它将给磁制冷机的结构设计造成困难；二是转轮的圆周仅有一部分处于永磁磁体的磁场中，这将在转轮上产生非常大的单边磁拉力。当转轮旋转时，这一单边磁拉力会造成转轮的振动，甚至会损坏轴和轴承。
中国专利200610165503.X提出的旋转磁制冷设备用永磁磁体系统克服了现有技术的磁制冷机的转轮没有被封闭在永磁磁体之内和永磁磁体磁场在转轮上产生非常大的单边磁拉力等缺点，并能够产生磁制冷所需的高强度的磁化场。由于该永磁磁体系统的结构与现有的不同，因此现有技术的热交换系统不适用于这种磁体系统。
发明内容
本发明的目的是针对中国专利200610165503.X提出的旋转磁制冷设备用永磁磁体系统的结构特点，提出了一种与其相适应的热交换系统。
中国专利200610165503.X提出的旋转磁制冷设备用永磁磁体系统由定子和转子两部分组成。定子主要包括基于Halbach旋转定理的中空柱形永磁磁体和导磁极靴两部分。为了永磁磁体加工的方便，中空的圆柱形磁体可由偶数数量的永磁块以磁体横截面上的中心轴对称拼装而成，这些永磁块的充磁方向由Halbach旋转定理来确定。导磁极靴由两块导磁性能良好的金属材料组成，它们的一侧面形状与永磁磁体内腔壁一致，另一侧面为圆弧面。这两块导磁极靴分别紧贴在以永磁磁体相对的两径向方向磁化的磁块的中心线为中心的内腔壁上，空间位置相差180°；转子主要包括转轴、导磁铁心和磁工质三部分。转轴为圆柱形，由金属材料制成，导磁铁心由高性能金属导磁材料制成，形状为带有中心孔的圆柱或削去两边的圆柱，套装在转轴上，转轴位于它的中心位置。两块磁工质分别安装在导磁铁心的两外圆弧面上，其空间位置相差180°。磁工质可以是块状、片状、粒状、网筛状等各种形状。磁工质区域具有流体通道，换热流体可在该区域与磁工质充分接触并流动。
本发明提出的热交换系统由位于永磁磁体系统端部的导流槽、热端热交换器、冷端热交换器、流体泵、储液器和导流管等组成。
在磁制冷机永磁磁体系统的两个轴向端面上，每端有四个空间位置固定的导流槽，它们互相相隔90度。这四个导流槽分成两对，其中一对的两个导流槽分别与两个定子导磁极靴周向位置相同，而另一对与它们相隔90度空间位置。导流槽的作用是引导换热流体由磁制冷机一端的导流管道均匀地流经磁工质区域，然后再回到另一端导流管道中去，以保证磁工质与换热流体之间热量交换的充分性。导流槽靠近永磁磁体系统的两个轴向端面部位的形状与磁工质区域的形状相同，并带有密封材料，以防止换热流体在经过导流管流入磁工质区域和由磁工质区域流入导流管时流体的泄漏。导流槽靠近导流管部位的形状与导流管的形状相同，并与导流管直接联接在一起。导流槽中间部位的形状可以是磁工质区域和导流管道形状的过渡。导流槽的径向位置和径向尺寸与磁工质区域一致，周向尺寸也与磁工质区域一致，轴向长度可根据机械结构和流体流动的要求确定。
热交换系统的部件可以有两种不同的连接方式：一种连接方式是热交换系统被分成热、冷两个独立的回路，其中热回路包括一对与两个定子导磁极靴周向位置相同的导流槽、热端热交换器和一个流体泵，冷回路包括另一对导流槽、冷端热交换器和一个流体泵。这些部件由绝热的导流管道联接，两个导流槽可以并联，也可以串联；另一种连接方式是热交换系统只有一个回路，该回路包括冷端热交流器、冷端储液器、冷端流体泵、一对与两个定子导磁极靴周向位置相同的导流槽、热端热交流器、热端储液器、热端流体泵和一对与定子导磁极靴相隔90度的导流槽。这些部件按照上列顺序由绝热的导流管道联接，一对中的两个导流槽可以并联，也可以串联。考虑到回路中的两对导流槽不会同时导通，为了使换热流体能够顺利循环，在热端和冷端热交换器上分别增加了一个储液器。储液器可以和热交换器合成一个整体，也可以是一个独立的部件，通过绝热的导流管道与热交换器联接。热交换系统的回路中充入换热流体。
永磁磁体系统的转子由一台电动机驱动，该电动机可以是连续旋转电机或步进电机。电动机的工作状态可由受控电源来控制。
流体泵的开关与永磁磁体系统的转子驱动电动机的转动相协调，即当位于转子上的磁工质区域旋转至某对导流槽位置时，相应的流体泵开始工作，使换热流体从转子一端的导流槽沿轴向流经磁工质进入另一端的导流槽，并在回路中流动；当位于转子上的磁工质离开某对导流槽位置时，相应的流体泵停止工作。这一过程可由磁制冷机控制系统控制流体泵和驱动电动机电源来实现。该控制系统由微电脑和开关电路构成。
附图说明
图1  US6526759旋转式磁制冷装置示意图；
图2  Steyert磁制冷机原理示意图；
图3  旋转式磁制冷机永磁磁体系统结构；
图4  导流槽位置正视图；
图5  导流槽位置侧视图；
图6  本发明具体实施方案一示意图；
图7  本发明具体实施方案二示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图3所示为本发明旋转式磁制冷机永磁磁体系统结构。如图所示，定子中的Halbach中空圆柱形永磁磁体由8块梯形永磁块组成，它的充磁方向由Halbach旋转定理所确定，如图中箭头所示。导磁极靴形状如拱桥，其一面形状与永磁磁体内腔壁一致，另一面为圆弧形。导磁极靴分别位于上、下两块径向方向磁化的永磁块的下、上方，并与永磁磁体内腔壁结合在一起，其曲面圆弧面所对应的圆心位于定子的几何中心点上。转子的轴位于转子的中心位置，它的中心点与定子的几何中心点相重合。转子导磁铁心的形状为有中心孔的削去两边的圆柱，套装在转轴上，它的横截面是一个长形的区域，尺寸较长的两条边为直线，尺寸较短的两条边为圆弧。磁工质紧贴地固定在这两个圆弧上，磁工质区域为圆弧形，有一定的径向厚度，与定子极靴间留有一定的间隙，间隙的大小可根据转子旋转的机械要求来确定。磁工质区域具有流体通道，换热流体可在该区域与磁工质充分接触并流动。
本发明提出的热交换系统由位于磁制冷机永磁磁体系统端部的导流槽、热端热交换器、冷端热交换器、流体泵、储液器和导流管组成，导流槽、冷端和热端热交换器，流体泵、储液器通过导流管连接组成回路，该回路充入换热流体。
在磁制冷机永磁磁体系统的两个轴向端面上，每端有四个导流槽。图4和图5所示为位于磁制冷机永磁磁体系统端部的导流槽位置。如图4所示，在磁制冷机永磁磁体系统的两个轴向端面上，每端有四个导流槽1、2、3、4，这四个导流槽均布在同一直径的圆弧上，互相相隔90度。这四个导流槽分成两对，其中第一导流槽1和第三导流槽3为一对，与两个定子导磁极靴周向位置相同；第二导流槽2和第四导流槽4为另一对，与两个定子导磁极靴相隔90度空间位置，每一对中的两个导流槽可以串联或相互并联。图5中的驱动电动机与磁制冷机的转子相连接，以驱动它产生旋转运动。
图6所示为本发明具体实施方式之一。磁制冷机的热交换系统分成热、冷两个独立的回路，其中热回路包括一对与定子导磁极靴周向位置相同的第一导流槽1和第三导流槽3、热端热交换器和第一流体泵5，联接顺序是第一导流槽1和第三导流槽3并联后再与热端热交换器以及第一流体泵5相串联；冷回路包括另一对导流槽，第二导流槽2和第四导流槽4、冷端热交换器和第二流体泵6。上述部件由绝热的导流管道联接，联接顺序是第二导流槽2和第四导流槽4并联后再与冷端热交换器以及第二流体泵6相串联。
假设磁制冷机工作的初始位置如图4所示，此时磁工质处于最大磁化场作用下，磁工质的温度达到最高，同时第一流体泵5开始工作，热端热交换器中的换热流体流经第一导流槽1和第三导流槽3，将磁工质的热量带走，使磁工质的温度下降。然后第一流体泵5停止工作，并在保持磁工质对外绝热的条件下电动机驱动转子旋转90°，在这一过程中磁工质区域内的磁化场变得越来越小，磁工质经历了一个绝热退磁过程。当转子完成90°旋转之后，磁工质所受的磁化场为最小，它的温度变得最低，这时第二流体泵6开始工作，冷端热交换器中的换热流体流经第二导流槽2和第四导流槽4，放热给磁工质，磁工质的温度上升。此后第二流体泵6停止工作，并在保持磁工质对外绝热的条件下电动机驱动转子旋转90°，在这一过程中磁工质区域的磁化场变得越来越大，磁工质经历了一个绝热励磁过程。当转子完成90°旋转之后，磁制冷机完成了一个循环周期的工作过程，接着再重复上述过程，进入第二个循环周期。依次类推，制冷机将不断地循环下去，达到制冷的目的。
图7所示为本发明具体实施方式之二。磁制冷机的热交换系统只有一个回路，该回路包括冷端热交换器、第一储液器7、第一流体泵5、一对与定子导磁极靴周向位置相同的第一导流槽1和第三导流槽3、热端热交换器、第二储液器8、第二流体泵6和一对与定子导磁极靴相隔90度的第二导流槽2和第四导流槽4。这些部件由绝热的导流管道联接，联接顺序是：第一导流槽1和第三导流槽3并联后再与热端热交换器、第二储液器8以及第二流体泵6相串联组成部分回路，第二导流槽2和第四导流槽4并联后再与冷端热交换器、第一储液器7以及第一流体泵5相串联组成另一部分回路，这两个部分回路串联构成热交换系统回路。
假设磁制冷机工作的初始位置如图4所示。此时磁工质处于最大磁化场作用下，它的温度达到最高，同时第一流体泵5开始工作，冷端热交换器和第一储液器7中的换热流体流经第一导流槽1和第三导流槽3将磁工质的热量带走后，进入第二储液器8和热端热交换器，磁工质温度下降。然后第一流体泵5停止工作，并在保持磁工质对外绝热的条件下电动机驱动转子旋转90°，在这一过程中磁工质区域内的磁化场变得越来越小，磁工质经历了一个绝热退磁过程。当转子完成90°旋转之后，磁工质所受的磁化场为最小，它的温度变得最低，这时第二流体泵6开始工作，热端热交换器和第二储液器8中对外放热后的换热流体流经第二导流槽2和第四导流槽4放热给磁工质，然后进入第一储液器7和冷端热交换器，磁工质温度上升。此后第二流体泵6停止工作，并在保持磁工质对外绝热的条件下电动机驱动转子旋转90°，在这一过程中磁工质区域的磁化场变得越来越大，磁工质经历了一个绝热励磁过程。当转子完成90°旋转之后，制冷机完成了一个循环周期的工作过程，接着再重复上述过程，进入第二个循环周期。依次类推，制冷机将不断地循环下去，达到制冷的目的。

Claims (5)

1.一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，包括冷端和热端热交换器、流体泵、导流管，其特征在于还包括导流槽和储液器；导流槽、冷端和热端热交换器，流体泵、储液器通过导流管连接组成一个或冷、热两个回路；导流槽位于磁制冷机永磁磁体系统的两个轴向端面上，每端有四个，四个导流槽(1、2、3、4)均布在同一直径的圆弧上，每个相隔90度；四个导流槽分(1、2、3、4)为两对，每两个导流槽为一对；一对导流槽与两个定子导磁极靴周向位置相同；另一对导流槽与两个定子导磁极靴相隔90度空间位置；每一对中的两个导流槽可以串联或相互并联；储液器可以和热交换器合成一个整体，也可以是一个独立的部件，通过绝热的导流管与热交换器联接。
2.按照权利要求1所说的永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，其特征在于热交换系统分成热、冷两个回路时，热回路包括一对与定子导磁极靴周向位置相同的第一导流槽(1)和第三导流槽(3)、热端热交换器和第一流体泵5，第一导流槽(1)和第三导流槽(3)串联或并联后再与热端热交换器以及第一流体泵5串联；冷回路包括一对与定子导磁极靴相隔90度的第二导流槽(2)和第四导流槽(4)、冷端热交换器和第二流体泵6；第二导流槽(2)和第四导流槽(4)串联或并联后再与冷端热交换器以及第二流体泵6串联。
3.按照权利要求2所说的永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，其特征在于磁工质处于最大磁化场作用下时，磁工质的温度达到最高，此时第一流体泵(5)开始工作，热端热交换器中的换热流体流经第一导流槽(1)和第三导流槽(3)，将磁工质的热量带走，使磁工质的温度下降；然后第一流体泵(5)停止工作，并在保持磁工质对外绝热的条件下电动机驱动转子旋转90°，在这一过程中磁工质区域内的磁化场变得越来越小，磁工质经历了一个绝热退磁过程；当转子完成90°旋转之后，磁工质所受的磁化场为最小，它的温度变得最低，这时第二流体泵(6)开始工作，冷端热交换器中的换热流体流经第二导流槽(2)和第四导流槽(4)，放热给磁工质，磁工质的温度上升；此后第二流体泵(6)停止工作，并在保持磁工质对外绝热的条件下电动机驱动转子旋转90°，在这一过程中磁工质区域的磁化场变得越来越大，磁工质经历了一个绝热励磁过程；当转子完成90°旋转之后，磁制冷机完成了一个循环周期的工作过程，接着再重复上述过程，进入第二个循环周期；磁制冷机如此往复循环达到制冷的目的。
4.按照权利要求1所说的永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，其特征在于热交换系统只有一个回路时，回路按照冷端热交换器、第一储液器7、第一流体泵5、第一导流槽(1)、第三导流槽(3)、热端热交换器、第二储液器8、第二流体泵6、第二导流槽(2)、第四导流槽(4)的顺序联接。
5.按照权利要求4所说的永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，其特征在于磁工质处于最大磁化场作用下时，磁工质的温度达到最高，此时第一流体泵(5)开始工作，冷端热交换器和第一储液器(7)中的换热流体流经第一导流槽(1)和第三导流槽(3)将磁工质的热量带走后，进入第二储液器(8)和热端热交换器，磁工质温度下降；然后第一流体泵(5)停止工作，并在保持磁工质对外绝热的条件下电动机驱动转子旋转90°，在这一过程中磁工质区域内的磁化场变得越来越小，磁工质经历了一个绝热退磁过程；当转子完成90°旋转之后，磁工质所受的磁化场为最小，它的温度变得最低，这时第二流体泵(6)开始工作，热端热交换器和第二储液器(8)中对外放热后的换热流体流经第二导流槽(2)和第四导流槽(4)放热给磁工质，然后进入第一储液器7和冷端热交换器，磁工质温度上升；此后第二流体泵(6)停止工作，并在保持磁工质对外绝热的条件下电动机驱动转子旋转90°，在这一过程中磁工质区域的磁化场变得越来越大，磁工质经历了一个绝热励磁过程；当转子完成90°旋转之后，磁制冷机完成了一个循环周期的工作过程，接着再重复上述过程，进入第二个循环周期；磁制冷机如此往复循环达到制冷的目的。
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