CN101341368B - 磁制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁制冷机，该磁制冷机包括独立的热换热单元和冷换热单元，其中，与磁换热单元换热的导热流体通过电磁阀独立流通，所述磁换热单元具有布置成在其间具有间隙的磁热材料块。

Description

磁制冷机

技术领域

本发明涉及一种磁制冷机，该磁制冷机包括独立的热换热单元和冷换热单元。

背景技术

在美国专利No.6,668,560中公开了一种传统的磁制冷机。如图1和2所示，根据该传统的磁制冷机，当通过冷侧入口管21进入冷侧入口22的导热流体17流到热侧出口34时，该导热流体17吸收由其上施加有磁场的磁热材料12的磁热效应而产生的热，并且通过热侧出口34离开热侧出口管33以冷却磁热材料12。热侧导热流体顺次经过热侧出口管33、阀71、泵60和热换热器62，并且流到磁换热室13中。在热侧入口管31中，热侧导热流体被分到热侧入口管31和冷侧出口管23，并且在冷侧出口管24处与冷侧导热流体汇合，并且前进到阀74。当热侧导热流体从热侧入口32运动到冷侧出口管24时，热侧导热流体通过经过已经由热侧冷却的磁热材料12来冷却。已经经过阀74的冷侧导热流体经过冷换热器63，并且流到管83和21以重复循环(省略详细的描述。省略的附图标记参见美国专利No.6,668,560)。

发明内容

技术问题

如上所述，由于传统的磁制冷机包括十二个磁换热室，四个阀71、72、73和74，以及多于24根的管，因此传统的磁制冷机很难制造。

而且，由于使单一导热流体循环来同时用作热侧和冷侧，也就是说，由于热侧导热流体在热侧入口32处进入以经过冷磁热材料(参见图2)并被冷却成冷侧导热流体以通过冷侧出口管24离开，因此换热效率降低。从该事实可知，当温度低于进入热侧入口32的热侧的导热流体进入热侧入口32并且经过冷却的热材料时，在冷侧出口管24处具有较低温度的导热流体可能会流出，从而提高换热效率。

另外，由于经过热侧的导热流体的量不可控，因此磁热材料的热不可能被迅速冷却，由此降低了换热效率。

另一方面，由于在出口处使用细网来避免粉末类型的磁热材料由于导热流体(冷却液)而损失的问题，因此冷却液不可能顺畅地循环。

而且，由于冷却液在相同的位置连续经过磁热材料，因此很难顺畅地换热。

另外，具有微小尺寸的钆可能在冷却液进入或离开磁换热单元时损失。

技术方案

本发明的目的是提供一种磁制冷机，其中热侧和冷侧被分开以简化结构，获得高的热效率和能够控制导热流体的量。

为了实现上述目的，提供了一种磁制冷机，该磁制冷机包括：磁换热单元，该磁换热单元包括供导热流体流经过的磁热材料；磁体部件，该磁体部件用于向所述磁换热单元施加磁场或从所述磁换热单元消除磁场；热换热流通部件；冷换热流通部件；第一电磁阀，该第一电磁阀连接到所述磁换热单元的入口、所述热换热流通部件的出口和所述冷换热流通部件的出口的接合处；以及第二电磁阀，该第二电磁阀连接到所述磁换热单元的出口、所述热换热流通部件的入口和所述冷换热流通部件的入口的接合处。

根据所述制冷机，热侧和冷侧被分开以简化结构，实现高的热效率和能够控制导热流体的量。

根据所述制冷机，当在所述热换热流通部件或所述冷换热流通部件处安装一泵时，由于经过闭合循环的该泵的压力被充分地传递到导热流体，因此可以缩短换热时间，并且提高换热效率。

另一方面，当磁体部件包括永磁体和推拉单元时，可使用单个磁换热单元，所述推拉单元用于将所述永磁体推向所述磁换热单元和将该永磁体拉离该磁换热单元。

优选的是，所述推拉单元包括：在其两侧布置有永磁体的轭；和用于使所述轭执行往复运动的往复运动传递部件，其中，所述往复运动传递部件包括附接到所述轭的齿条、与所述齿条啮合的小齿轮以及用于向所述小齿轮传送旋转力的电机。

另一方面，所述磁体部件可以是电磁体。

优选的是，所述磁换热单元包括包含所述磁热材料的壳体，所述入口布置在所述壳体的顶面处，而所述出口布置在所述壳体的底面上。

当所述磁热材料包括多个布置在所述壳体中以在其间具有间隙的磁热材料块时，则不需要网，由此允许导热流体顺畅流动。

优选的是，所述多个磁热材料块的每个磁热材料块都包括钆板或沿长度方向具有恒定圆形横截面的钆棒。

当所述钆棒包括沿长度方向的凹槽时，增加了与所述导热流体接触的接触面积，由此提高了换热效率。

有益效果

如上所述，根据本发明的磁换热单元提供了以下优点。

由于导热流体的流通被分到用于两个换热循环的所述热换热器和所述冷换热器中，并且通过使用所述电磁阀的单个磁换热单元进行换热，因此使磁制冷循环的结构得以简化。

而且，由于所述磁制冷机被分成所述热换热器和所述冷换热器，因此可以将第一导热流体和第二导热流体的量控制成不相同。因此，较大量的第一导热流体可流到所述磁换热单元的热侧，以最大化磁热材料的冷却。

另外，可实现其中所述磁热材料块不露出的绝热状态，以提高换热效率。

而且，所述热换热流通部件和所述冷换热流通部件实现与闭合回路类似的闭合循环。因此，由于大气压力不直接作用在导热流体上，所以几乎没有阻力施加在所述泵上，由此缩短换热所需时间，并且提高热效率。这允许使用单个泵，因为根据所述磁换热单元的尺寸和热效率增加了压力调节范围。

所述磁换热单元被构造成包括所述壳体和多个布置在该壳体中以形成间隙的磁热材料块，因此导热流体可流经该间隙，由此通过所述多个磁热材料块和导热流体之间的均匀接触而提高换热效率，并且消除了为了使导热流体顺畅流动而需要的网。

另外，通过在具有棒状的所述多个磁热材料块上形成沿着长度方向的凹槽时增加与导热流体的接触面积而提高热换效率。

而且，所述磁热材料块实施为具有板状或棒状，因此所述磁热材料块不容易损失。

另外，由于所述磁体部件包括所述轭和所述推拉单元，因此可在所述磁换热单元固定的情况下施加或消除磁场，并且所述轭使磁场朝向所述磁换热单元的方向集中，以将高强度磁场施加到所述磁换热单元。

而且，通过在具有棒状的所述多个磁热材料块上形成沿着长度方向的凹槽时增加与导热流体的接触面积而提高热换效率。

附图说明

图1是示出在传统旋转式磁体磁制冷机中的导热流体的平面图。

图2是举例说明图1中的包含粉末类型的磁热材料的磁换热单元的平面图。

图3是示出根据本发明优选实施方式的磁制冷机的结构图。

图4是示出推拉部件的图。

图5是示出根据本发明优选实施方式的磁换热单元的立体图。

图6是沿图5的线B-B的剖视图。

图7到图9是根据本发明另一个优选实施方式的沿图5的线B-B的剖视图。

图10是示出具有棒状的磁热材料块的立体图。

附图标记说明

60，160，161：泵

62，162：热换热器

63，163：冷换热器

13：磁换热单元

17aa，17ab：第一导热流体

17bb，17bc：第二导热流体

112，212，1312，412a，412b：磁热材料块(Gd)

113，213，313，413：磁换热单元

114，214，314，414：间隙

115：壳体

115a，115b：入口，出口

130，131，132，133：管

140：磁体部件

141：永磁体

143：轭

145：齿条

147：小齿轮

149：电机轴

具体实施方式

现在将参照附图详细描述本发明的上述目的和其他目的以及特征和优点。

图3是示出根据本发明优选实施方式的磁制冷机的结构图，图4是示出推拉部件的图，图5是示出根据本发明该优选实施方式的第一磁换热单元的立体图。

如图3至图5中所示，根据本发明该优选实施方式的磁制冷机包括：磁换热单元113，其包括供导热流体17a和17b经过的磁热材料；施加或消除磁场的磁体部件140；热换热流通部件；冷换热流通部件；第一电磁阀120a和第二电磁阀120b。

导热流体17a和17b分为在热换热流通部件中流通的第一导热流体17a和在冷换热流通部件中流通的第二导热流体17b，从而形成循环。

热换热流通部件包括：热换热器162；第一管130，其用于将热换热器162冷侧出口处的第一导热流体17aa运动到磁换热单元113热侧；和第二管131，其用于将第一导热流体17ab运动到热换热器162的热侧入口，其中，第一导热流体17ab通过经过磁换热单元113的热侧而吸收磁热材料112的热。

类似地，冷换热流通部件包括：冷换热器163；第三管132，其用于将冷换热器163的热侧出口处的第二导热流体17bb运动到磁换热单元113的冷侧；和第四管133，其用于将第二导热流体17bc运动到冷换热器163的冷侧入口，其中，第二导热流体17bc通过经过磁换热单元113的冷侧而将热散发到磁热材料112来冷却。

第一电磁阀120a连接到磁换热单元113的入口115a、热换热流通部件的出口130a和冷换热流通部件出口132a的接合处。

即，第一电磁阀120a为二位三通电磁阀，其中，其第一入口连接到第一管130的出口130a，并且其第二入口连接到第三管132的出口132a。第一电磁阀120a的出口连接到磁换热单元113，即更具体地说是连接到与磁换热单元113的入口115a相连的第五管135a。

类似于第一电磁阀120a，第二电磁阀120b连接到磁换热单元113的出口115b、热换热器流通部件的入口131b和冷换热流通部件的入口133b。

即，第二电磁阀120b的第一出口连接到第二管131的入口131b，并且其第二出口连接到第四管133的入口133b。第二电磁阀120b的入口连接到磁换热单元113，即更具体地说是连接到与磁换热单元113的出口115b相连的第六管135b。

如上所述，根据第一电磁阀120a和第二电磁阀120b的结构，可以使用单个磁换热单元113进行换热。

另外，循环被分成热侧循环和冷侧循环，以控制导热流体的量，具体地说，用于使更多的导热流体流到热侧，并且提高热效率和简化结构。

而且，优选的是所述制冷机在热换热流通部件或冷换热流通部件处还包括泵。

即，如图3中所示，热换热流通部件和冷换热流通部件实现了与闭合回路类似的闭合循环。因此，由于大气压不直接作用在导热流体上，因此几乎没有阻力施加到泵160和161，由此通过使导热流体顺畅流通(压力调节范围根据磁换热单元的尺寸和热效率而增加)而缩短了换热所需时间，并且提高了热效率。

磁换热单元113包括供导热流体流经过的磁热材料112。磁热材料112的特性是，当施加磁场时，其温度变化。磁热材料112包括细粉末类型的钆(Gd)。钆具有对于导热流体流来说具有高渗透性的孔和优良的吸热性和散热性。

第一实施方式：磁换热单元113

如图5和6中所示，根据第一实施方式的磁换热单元113包括垂直延伸的壳体115和布置在壳体115中以形成间隙114的多个磁热材料块112。

入口115a布置在壳体115的顶面上以连接到第五管135a的出口，而出口115b布置在壳体115的底面上以连接到第六管135b的出口。

可以通过在壳体115分解为两部分的同时布置和安装磁热材料112，然后装配、结合或焊接这两个部分来制造磁换热材料113。

根据该实施方式的壳体115可连接到入口115a和出口115b来支撑。该支撑通过建立其中磁换热单元113的磁热材料112不露出的绝热状态来提高换热效率。

具有由钆粉末制成的板状的磁热材料112以间隙114防止与壳体接触的方式平行布置。钆板磁热材料112根据导热流体的流速和换热率可以是薄箔或厚片。

如上所述，具有间隙114的磁热材料112即使不使用网也能防止材料损失，由于导热流体流经间隙114而可获得与全部磁热材料112的接触和顺畅流动，并且由于在钆板的情况下接触面积较大而与传统技术相比较可获得更高的换热率。

第二实施方式：磁换热单元213

如图7所示，根据第二实施方式的磁换热单元213包括多个具有棒状的磁热材料块212来代替具有板状的磁热材料112。即，多个磁热材料块212的每一个都具有沿长度方向具有恒定圆形横截面的棒状。

即使在多个具有棒状的磁热材料块212随机布置时，由于圆形横截面而在接触或不接触时都能在多个磁热材料块212之间形成间隙214，从而在导热流体流经间隙214时获得第一实施例的效果。

优选的是具有棒状的多个磁热材料块212以垂直布置的组插入。

另一方面，如图10中所示，优选的是具有棒状的多个磁热材料块212包括沿长度方向的凹槽212a，以增加与导热流体的接触面积，由此提高换热效率。

第三实施方式：磁换热单元313

如图8所示，根据第三实施方式的磁换热单元313包括具有棒状的多个磁热材料块312，这些磁热材料块312与第一实施方式的具有板状的多个磁热材料块112类似，布置成在其间具有间隙314，代替第二实施方式的具有棒状的多个磁热材料块212的随机布置。

优选的是具有棒状的多个磁热材料块312以垂直布置的组插入。

如图10所示，优选的是具有棒状的多个磁热材料块312包括沿长度方向的凹槽212a。

第四实施方式：磁换热单元413

如图9所示，根据第四实施方式的磁换热单元413包括其间具有间隙的具有棒状的磁热材料412a和具有板状的磁热材料412b。

磁体部件140可附接到磁换热单元。

磁体部件140可包括布置在壳体115两侧的永磁体114、以及用于将永磁体114推向磁换热单元413和将永磁体114从磁换热单元413拉离的推拉单元，或可在壳体115两侧包括电磁体(未示出)。

如图4所示，推拉单元包括具有在其两侧布置有永磁体141的轭143，和用于使轭143进行往复运动的往复运动传递部件。

轭143用于将永磁体141的磁场沿磁换热单元113的方向集中，从而使具有较高强度的磁场施加到磁换热单元。

往复运动传递部件可通过附接到轭143的齿条145、与齿条145啮合的小齿轮147和电机149实现，该电机149的轴将旋转力传递至小齿轮147。

齿条145可通过在轭143的连接件的杆上形成齿或将单独的齿条焊接到该杆来实现。

本领域技术人员应可理解，根据本发明可使用将旋转运动转换为线性运动的各种往复运动传递部件。

当使用电磁体时，可将电流间歇地施加以实现磁场的施加和消除。

现在将描述应用根据本发明第一实施例的磁换热单元113的磁制冷机的循环，其中，通过将与热换热器162进行热交换的大气温度以及与冷换热器163进行热交换的大气温度分别设置为26℃来对磁热材料的特性进行实验，所得到的磁热材料的特性为这样，其中，当磁热材料被磁化时其温度升高3℃，而当其被导热流体冷却时降低3℃。

除了磁体部件140，整个系统固定，并且磁体部件140经受磁换热单元113之间的往复运动以施加和消除磁场。当磁场施加到磁热材料时，热侧的导热流体17aa在压力下利用电磁阀120a和120b流到磁换热单元113，从而使被磁场加热的磁热材料的热(29℃)经受第一冷却(26℃)。当第一冷却完成时，磁体部件140从磁换热单元113退回，以消除磁场。当磁场被消除时，冷侧(26℃)的导热流体17bb通过压力同时流到磁换热单元113，以恢复在第一冷却中损失的热。当热恢复时，磁热材料吸收材料周围的热来将周围冷却。当周围冷却时，磁热材料经受第二冷却以降低冷侧(32℃)的温度，从而热侧通过热换热器162散发热(29℃)，并且冷侧通过入口网16散发冷却的温度(23℃)，并且磁材料再次经过磁换热单元。重复上述循环。

在第一电磁阀120a和第二电磁阀120b从热换热流通部件转换到冷换热流通部件时，温度从26℃下降到23℃。另外，由于电磁阀可容易地进行数字编程，因此电磁阀具有打开第一和第二导热流体路径的功能。

如上所述，导热流体的循环被分到用于两个换热循环的热换热器和冷换热器，由此简化了磁制冷循环的结构。

另外，根据所述系统，由于将大气温度下的导热流体喷射到磁热材料，因此导热流体根据材料的状态而被进一步加热和冷却，从而提高了换热器的效率。

而且，由于磁制冷机被分成热换热器和冷换热器163，因此第一导热流体和第二导热流体17bb的量控制为不同。因此，较大量的第一导热流体可流到磁换热单元的热侧，以最大化磁热材料的冷却。

由于使用二位三通电磁阀而可以使用单个磁换热单元，因此简化了结构，并且使循环系统化，由此能够控制导热流体的换热时间、压力和流速。

虽然已经参照本发明的优选实施方式对本发明进行了具体显示和描述，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本发明由所附权利要求书所限定的精神和范围的情况下可以对本发明进行形式和细节上的各种改变。

工业适用性

根据本发明，可以提供这样一种磁制冷机，其中热侧和冷侧被分开以简化结构、提高热效率和能够控制导热流体的量。

Claims (11)

1.一种磁制冷机，该磁制冷机包括：

磁换热单元，该磁换热单元包括供导热流体流经过的磁热材料；

磁体部件，该磁体部件用于向所述磁换热单元施加磁场或从所述磁换热单元消除磁场；

热换热流通部件；

冷换热流通部件；

第一电磁阀，该第一电磁阀连接到所述磁换热单元的入口、所述热换热流通部件的出口和所述冷换热流通部件的出口的接合处；以及

第二电磁阀，该第二电磁阀连接到所述磁换热单元的出口、所述热换热流通部件的入口和所述冷换热流通部件的入口的接合处。

2.根据权利要求1所述的制冷机，该制冷机还包括位于所述热换热流通部件或所述冷换热流通部件处的泵。

3.根据权利要求1所述的制冷机，其中，所述磁体部件包括永磁体和推拉单元，所述推拉单元用于将所述永磁体推向所述磁换热单元和从所述磁换热单元拉离。

4.根据权利要求3所述的制冷机，其中，所述推拉单元包括：在其两侧布置有永磁体的轭；和往复运动传递部件，其用于使所述轭执行往复运动。

5.根据权利要求4所述的制冷机，其中，所述往复运动传递部件包括附接到所述轭的齿条、与所述齿条啮合的小齿轮和用于将旋转力传递到所述小齿轮的电机。

6.根据权利要求1所述的制冷机，其中，所述磁体部件包括电磁体。

7.根据权利要求1到6中任一所述的制冷机，其中，所述磁换热单元包括包含所述磁热材料的壳体，所述入口布置在所述壳体的顶面处，而所述出口布置在所述壳体的底面上。

8.根据权利要求7所述的制冷机，其中，所述磁热材料包括布置在所述壳体中以在其间具有间隙的多个磁热材料块。

9.根据权利要求8所述的制冷机，其中，所述多个磁热材料块的每一个都包括钆板。

10.根据权利要求8所述的制冷机，其中，所述多个磁热材料块的每一个都包括沿长度方向具有恒定圆形横截面的钆棒。

11.根据权利要求10所述的制冷机，其中，所述钆棒包括沿长度方向的凹槽。

Images