CN101221001A - 一种往复式室温磁制冷机及制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复式室温磁制冷机及制冷方法，该磁制冷机主要包括：磁场源、磁工质、传热流体循环管道、热交换器及控制单元，其中磁场源主要采用永磁体构成，所述磁工质放置于磁致冷盒中，并根据磁工质的吸热与放热情况对传热流体循环管道内的传热流体进行循环，且由热交换器传热流体进行切换，所述部件间的协调通过控制单元进行协调控制。一种磁制冷机的制冷方法包括：将放置有磁工质的制冷盒安装在磁场源的气隙中，并通过控制单元控制制冷盒两端的传热流体的流向。本发明结构简单、无需使用压缩机和复杂的机械运动单元，实现了室温下的制冷效果。

Description

一种往复式室温磁制冷机及制冷方法

技术领域

本发明涉及一种磁制冷机及制冷方法，尤其涉及一种往复式室温磁制冷机及制冷方法。

背景技术

制冷技术在许多行业都得到了广泛的应用，涉及到低温工程、气体液化、石油化工、航空航天、空调冰箱等各个行业。在工业生产和科学研究中，通常把制冷分成低温制冷(低于20K)、中温制冷(介于20K到80K)和高温制冷(高于80K)。在低温制冷领域，磁致冷技术占有绝对的优势，主要用来生产液氦、液氮等冷却液体，高温区或者说室温区磁致冷是当前人类努力的目标，若能实现则会产生巨大的社会效益和经济效益，也不会产生有害气体造成对环境的破坏。

磁致冷技术是利用磁致冷材料(磁工质)所具有的磁热效应(MagnetocaloricEffect)，即磁工质进入磁场中发热，退出磁场后降温这一特性实现制冷的。其原理是原子磁矩在磁场中有序的排列，造成磁熵降低，引起磁工质发热；退出磁场后磁矩排列无序，磁熵增大，磁工质要从外界吸热，将这两个过程连接在一起可实现制冷。

磁致冷技术的研究已经有100多年的历史了，以前的研究主要集中在了低温区(小于20K)，而且得到了成功的应用。从20世纪70年代开始，随着人们对环保和节能意识的加强，许多国家投入了大量的人力和物力来研究室温磁致冷技术。

室温磁致冷机主要应包括磁场源、磁工质、冷热端热交换器和传热流体管道几个部分构成，其中磁场源、磁工质和传热流体管道是磁致冷机中设计的重点也是难点，目前国内外已经提出多种磁致冷机的设计方案，归纳起来，这些设计方案按照磁场源的设计方式来看，主要有采用超导磁体和永磁体两种方式。对于前者，利用超导技术可以产生非常高的磁场，但是将其应用到室温磁致冷中，则会使装置复杂性大大提高、实现困难，而且价格昂贵、不易维护，因而只适合于理论和试验研究。随着超强永磁新材料的不断问世，利用永磁体作为磁场源则是一个相对容易实现，而且价格便宜的方法。目前制造的稀土永磁体NdFeB的磁能积已经达到400kJ/m，剩磁B_r达到1.4T，矫顽力H_c达到900kA/m。永磁体磁性能的提高极大地促进了室温磁致冷技术的发展，而且制冷机的体积也大大减小。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种往复式室温磁制冷机及制冷方法。所述技术方案如下：

一种往复式室温磁制冷机，包括：

磁场源，主要采用永磁体构成，且将该磁体安装在一伺服滚珠丝杠滑台上；

磁工质，放置于磁致冷盒中，并将该制冷盒安装在所述磁场源的气隙中，且制冷盒的两端分别通过阀门来控制传热流体的流向；

传热流体循环管道，所述传热流体管道上设置有流体泵，且传热流体根据所述磁工质的吸热与放热情况而流向不同的热交换器；热交换器，对传热流体进行热交换；控制单元，通过事先写入计算机编程控制器的程序来控制所述部件间的协调运行。

本发明还提供了一种往复式室温磁制冷机制冷的方法，包括：

放置磁工质于磁制冷盒中，并将该制冷盒安装在磁场源的气隙中；

通过控制单元控制制冷盒两端的传热流体的流向。

上述制冷机的传热流体的流向循环过程还包括以下步骤：

判断伺服滑台的位置；

根据伺服滑台的位置，控制单元向步进电机发送保持信号，且向阀门发送打开或关闭命令；

保持步进电机的信号，直到该步进电机接受到控制单元发出的反转信号；

判断控制单元是否要继续发送信号，如果是，根据伺服滑台的位置，继续发送信号，否则，结束磁制冷机制冷的循环过程。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

通过控制单元控制制冷盒两端的传热流体的流向，完成磁制冷机的循环过程，实现了室温下的制冷效果，结构简单，无需使用压缩机和复杂的机械运动单元。

附图说明

图1是磁制冷机的结构示意图；

图2是磁制冷机中制冷盒的结构示意图；

图3是磁制冷机中磁场源磁力线的分布示意图；

图4是磁制冷机中控制单元的软件流程框图；

图5是室温磁制冷机的制冷方法流程图；

图6是室温磁制冷机的传热流体的流向循环流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例中的控制单元控制热传流的流向，完成磁制冷机的循环过程。

实施例1

本实施例提供了一种往复式室温磁制冷机，包括磁场源、磁工质、传热流体循环管道、热交换器及控制单元，其中磁场源主要采用永磁体构成，且将该磁体安装在一伺服滚珠丝杠滑台上；所述磁工质放置于磁致冷盒中，并将该制冷盒安装在所述磁场源的气隙中，且制冷盒的两端分别通过阀门来控制传热流体的流向；传热流体循环管道，所述传热流体管道上设置有流体泵，且传热流体根据所述磁工质的吸热与放热情况而流向不同的热交换器；热交换器，对传热流体进行热交换；控制单元，通过事先写入计算机编程控制器的程序来控制所述部件间的协调运行。

参见图1，为磁制冷机的结构示意图，其磁制冷机主要由永磁体1，传热流管道5，流体泵9a与9b，热端热交换器8a与冷端热交换器8b，电磁阀6a、6b、6c、6d、7a、7b、7c、7d、行程开关10a和10b及控制单元4共七个部分组成，其中热端热交换器8a与冷端热交换器8b分别与热冷源相连。所述磁致冷工质被密封在制冷盒当中，磁致冷盒往复运动于磁场的工作间隙当中，其运动机构是由伺服滚珠丝杠滑台3a和步进电机3b带动，控制信号统一由控制单元4分配，通过控制不同电磁阀的开关，使得传热流体沿着不同的路径流动。如果伺服滑台行至行程开关10a时，此时磁工质2a已完全进入磁场，控制单元4给步进电机3b发送保持信号，且该控制单元4向电磁阀6a、6b、6c、6d和流体泵9a、9b发出打开信号，并向电磁阀7a、7b、7c、7d发出关闭信号，其中步进电机3b保持一段时间之后，控制单元4向步进电机3b发出反转信号。如果伺服滑台行至行程开关10b时，此时磁工质2a已完全退出磁场，控制单元4给步进电机3b发送保持信号，控制单元4给步进电机3b发送保持信号，且该控制单元4向电磁阀7a、7b、7c、7d和流体泵9a、9b发出打开信号，并向电磁阀6a、6b、6c、6d发出关闭信号，其中步进电机3b保持一段时间之后，控制单元4向步进电机3b发出反转信号。

参见图2，为磁制冷盒结构示意图，其制冷盒是由绝热性能良好的材料制成的，内部装有磁工质，磁工质是在室温情况下具有巨磁热效应的磁性材料，形状制备成球形，球形磁工质采用堆放排列，中间必然留有许多孔洞，目的是为保证与其中流过的传热流体充分接触以完成热量交换。制冷盒内部两端的网状结构是防止制冷工质因碰撞而产生的碎屑随传热流体流走。

参见图3，为永磁体磁场源磁力线的分布示意图，中间部分是永磁体NdFeB，上下两部分采用的是导磁材料，目的是将磁力线导入到工作间隙当中，使工作间隙当中的场强最大。该磁体安装在伺服滚珠丝杠滑台上，并随滑台一起往复移动。

上述实施例采用永磁体来产生所需要的磁场源，它由永磁体和导磁铁心两个部件组成。导磁材料采用导磁性能强的材料制成，从而在其开口处的工作气隙中形成较高磁密的气隙磁场，该气隙中的气隙磁场是磁工质的工作空间，是磁致冷机的核心功能部件。控制单元4用来控制流体泵9a和9b、八个电磁阀6a、6b、6c、6d、7a、7b、7c、7d和一个步进电机3b，通过对这些部件发信号来控制各个部件协调工作，完成整个磁致冷循环。控制单元4采用一个含有计算机程序的可编程控制器PLC，通过控制线路与流体泵、电磁阀和步进电机相连。可编程控制器PLC通过事先写入的程序来控制各部件的协调工作，完成磁致冷机的制冷循环，且在制冷循环运行过程中可通过修改写入程序中的参数就能够相应的调整磁制冷机的制冷循环周期和每个循环中的各个过程时间，而不必去改变硬件的排列方式，即可完成整个的运行过程。

参见图4，为磁制冷机中控制单元的软件流程框图，通过修改控制单元可编程控制器PLC中的计算机程序中的参数能够相应地调整磁制冷机的制冷循环周期和每个循环过程中的各个过程，所述PLC是通过控制线路分别与所述的电磁阀门、流体泵和伺服滑台相连，来协调它们之间的动作，此实现过程只需修改程序中的参数即可完成，且运行稳定可靠。

本实施例提供的磁制冷机通过磁工质、磁场源及控制单元实现了该制冷机能够在室温下的制冷效果，且结构简单，无需使用压缩机和复杂的机械运动单元。

实施例2

本实施例提供了一种往复式室温磁制冷机的制冷方法，该方法是通过控制单元控制传热流体的流向，完成磁制冷机的循环过程。

参见图5，一种往复式室温磁制冷机的制冷方法包括以下步骤：

将放置有磁工质的制冷盒安装在磁场源的气隙中；

通过控制单元控制制冷盒两端的传热流体的流向。

参见图6，该上述制冷机的传热流体的流向循环过程还包括以下步骤：

判断伺服滑台的位置；

根据伺服滑台的位置，控制单元向步进电机发送保持信号，且向阀门发送打开或关闭信号；

保持步进电机的信号，直到该步进电机接受到控制单元发出的反转信号；

判断控制单元是否要继续发送信号，如果是，根据伺服滑台的位置，继续发送信号，否则，结束磁制冷机制冷的循环过程。

如上所述，当在一个循环开始时，控制单元首先判断伺服滑台的位置，根据其位置的不同发出不同的信号。

如果滑台行至如图1所示行程开关10a处时，磁制冷盒2a已经完全进入了磁场的工作气隙中，此时控制单元发出下降沿信号，关闭步进电机3b，由于这个过程的时间较短，如图4所示磁场突然有H＝0T变为H＝H₁T，则可以近似为等温磁化过程a。此时，磁制冷盒2b正好处于相反的状态---磁场完全消失，因这个过程时间较短，磁场突然有H＝H₁T变为H＝0T，可以近似为等温退磁过程c。同时控制单元4发出步进电机3b保持信号，向电磁阀6a、6b、6c、6d和流体泵9a与9b发出打开命令，向7a、7b、7c与7d发出关闭命令。此时磁致冷盒2a中的磁工质由于磁热效应而升温，当传热流体流过时便将其产生的热量通过电磁阀6a和6b带到热端换热器8a。此时该阶段相当于等磁场过程b。与此同时，磁致冷盒2b中的磁工质由于退磁而降温，当传热流体流过时便将其产生的制冷量通过电磁阀6c和6d带到冷端换热器8b，此时磁致冷盒2b此时的阶段相当于等磁场过程d。

在步进电机3b保持几秒之后，控制单元4向步进电机3b发出反转信号，向电磁阀6a、6b、6c、6d、7a、7b、7c、7d和流体泵9a与9b发出关闭命令。步进电机3b一直进行反转，直到滑台行至行程开关10b处时，即磁致冷盒2a已完全脱离了磁场，此时控制单元4发出下降沿信号，并关闭步进电机3b，因这个过程时间较短，磁场突然有H＝H₁T变为H＝0T，可以近似为等温退磁过程c。与此相反，磁致冷盒2b正好处于相反的状态等温磁化过程a。同时控制单元4发出步进电机3b保持信号，向电磁阀7a、7b、7c、7d和流体泵9a与9b发出打开命令，向6a、6b、6c与6d发出关闭命令。此时磁致冷盒2a中的磁工质由于退磁而降温，当传热流体流过时便将其产生的冷量通过电磁阀7c和7d带到冷端换热器8b，此时这个阶段相当于等磁场过程d。与此同时，磁致冷盒2b中的磁工质正好处于磁场的工作间隙中，由于磁热效应而升温，当传热流体流过时便将其产生的制热量通过电磁阀7a和7b带到热端换热器8a，此时磁致冷盒2b的阶段相当于等磁场过程b。

如上所述制冷方法根据控制单元发送的不同的控制信号，使热量进行往复循环，即从冷端换热器流向热端换热器，从而实现了磁制冷机的制冷。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种往复式室温磁制冷机，包括：磁场源、磁工质、传热流体循环管道、热交换器及控制单元，其特征在于，

磁场源：主要采用永磁体构成，且将该磁体安装在一伺服滚珠丝杠滑台上；

磁工质：放置于磁致冷盒中，并将该制冷盒安装在所述磁场源的气隙中，且制冷盒的两端分别通过阀门来控制传热流体的流向；

传热流体循环管道：所述传热流体管道上设置有流体泵，且所述传热流体管道内的传热流体根据所述磁工质的吸热与放热情况而流向不同的热交换器；

热交换器：对传热流体进行热交换；

控制单元：通过事先写入计算机编程控制器的程序来控制所述部件间的协调运行。

2.根据权利要求1所述的磁制冷机，其特征在于，所述制冷盒中磁工质的形状为颗粒状或经表面处理后的颗粒状Gd及其合金，其大小为1mm。

3.根据权利要求1所述的磁制冷机，其特征在于，所述磁场与磁工质通过所述伺服滚珠丝杠的控制进行相对的运动。

4.根据权利要求1所述的磁制冷机，其特征在于，所述磁场源的形状为“U”形，且由一块永磁体与两块导磁体构成。

5.根据权利要求1所述的磁制冷机，其特征在于，所述磁工质吸热时，传热流体流向冷端交换器；磁工质放热时，传热流体流向热端交换器；所述传热流体管道分别采用独立的系统，其中当一个系统为放热状态时，另一个系统则为吸热状态。

6.根据权利要求1所述的磁制冷机，其特征在于，所述磁制冷机中含有计算机程序可编程控制器，通过控制线路分别与电磁阀、步进电机、流体泵相连。

7.一种往复式室温磁制冷机的制冷方法，其特征在于，包括：

放置磁工质于磁制冷盒中，并将该制冷盒安装在磁场源的气隙中；

通过控制单元控制制冷盒两端的传热流体流向。

8.根据权利要求7所述的磁制冷机制冷方法，其特征在于，所述控制传热流体的流向是通过修改编程控制器中的计算机程序参数来调整磁制冷机制冷的循环过程。

9.根据权利要求7所述的磁制冷机的制冷方法，其特征在于，所述制冷机制冷的循环过程还包括以下步骤：

判断伺服滑台的位置；

根据伺服滑台的位置，控制单元向步进电机发送保持信号，且向阀门发送打开与关闭命令；

保持步进电机的信号，直到该步进电机接受到控制单元发出的反转信号；

判断控制单元是否要继续发送信号，如果是，根据伺服滑台的位置，继续发送信号；否则，结束制冷机制冷的循环过程。

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