CN101441009B - 一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统 - Google Patents

Abstract

一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，包括磁工质区域内的流体通道、导流槽、旋转-静止管道连接器、以及热端热交换器、冷端热交换器、流体泵和导流管。两个导流槽的一侧面分别位于转子磁工质区域两侧的两个轴向端面上，与磁工质区域固定在一起，随转子旋转。两个导流槽的另一侧面分别与位于转子上的导流管连接，导流管通过旋转-静止管道连接器同热端热交换器、冷端热交换器以及流体泵相连接，构成流体回路，该回路充入换热流体。导流槽靠近磁工质区域的轴向端面部位的形状与磁工质区域的形状相同，并与磁工质区域的流体通道相连通。本发明结构简单，易密封。

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永磁旋转式磁制冷机的热交换系统。

背景技术

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。这种永磁磁体系统由定子和转子组成，定子包括中空柱形永磁磁体和导磁极靴；中空的圆柱形磁体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，永磁块的充磁方向由Halbach旋转定理确定；导磁极靴由两块导磁性能良好的金属材料组成，其一侧面形状与永磁磁体内腔壁一致，另一侧面为圆弧面；两块导磁极靴分别紧贴在永磁磁体N、S极中心的内腔壁上，空间位置相差180°。转子包括转轴、导磁铁心和磁工质；转轴为圆柱形，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，转轴位于其中心位置；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°。

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。中国专利200710176103.3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。这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、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。

中国专利200610165503.X提出的磁体系统包含两个磁工质区域，并且它们沿径向的内、外面都是圆弧形，这将导致了磁制冷机的热交换系统较为复杂和磁工质加工较为困难；另一个问题是由于磁工质退磁的需要，定子导磁极靴的周向尺寸不能大于45度，也就是意味着磁工质区域的周向尺寸不能大于45度，这样一来限制了磁工质区域的范围。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种与新的热交换系统。

在中国专利200610165503.X的基础上，中国专利200810223038.X提出了一种用于旋转磁制冷机的高场强永磁磁体系统，该发明将现有技术磁体系统转子中的内、外面为圆弧形的两个磁工质区域改进为一个矩形区域，并扩大了磁工质区域的范围。

中国专利200810223038.X提出的永磁磁体系统由定子和转子两部分组成。定子是一个基于Halbach旋转定理的中空圆柱形永磁磁体。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，它们在中空圆柱体空腔内产生一个两极磁场。转子主要包括导磁铁心、磁工质、转轴和连接支架四部分。导磁铁心由两块横截面形状为弓形的柱状金属导磁材料制成，弓形柱状体的曲边为圆弧。导磁铁心通过连接支架与转轴联结成为一体，套装在转轴上。磁工质区域为长方体，位于所述的两块导磁铁心之间，并可随导磁铁心一起转动。磁工质处于磁工质区域内，它可以是块状、片状、粒状、网筛状等各种形状。

本发明提出的热交换系统由转子磁工质区域内的流体通道、位于磁工质区域轴向端面的导流槽、旋转-静止管道连接器、以及热端热交换器、冷端热交换器、流体泵和导流管组成。

按照换热流体与磁工质热交换的需要，本发明在磁工质区域内有沿轴向的流体通道，流体通道外有磁工质。磁工质区域的两个轴向端面设有导流槽，导流槽的一侧面与磁工质区域的流体通道相通，导流槽的另一侧面分别与位于转子轴上的导流管相连接，随转子一起旋转，位置相对于磁工质区域固定，导流管通过旋转-静止管道连接器和静止的导流管同热交换器以及流体泵相连接，构成流体回路，回路中充入换热流体。换热流体可从一端的导流管经导流槽流入磁工质区域的流体通道，与磁工质充分进行热交换，然后经另一端的导流槽和导流管，再经该回路的热交换器及流体泵循环流动。

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沿轴向流体通道流经磁工质区域，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。导流槽靠近磁工质区域的两个轴向端面部位的形状与磁工质区域的形状相同，导流槽和磁工质区域内的流体通道相连通。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。导流槽的轴向长度可根据机械结构和流体流动的要求确定。

热交换系统分成热、冷两个独立的回路，其中热回路包括导流槽和磁工质区域的热回路通道、旋转-静止管道连接器、热端热交换器和一个流体泵；冷回路包括导流槽和磁工质区域的冷回路通道、旋转-静止管道连接器、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，热交换系统的回路中充入换热流体。

为了减少在磁工质区域流体通道所占的空间，也可将这一区域的热回路通道和冷回路通道合并成为一个。对于这种情况，除了在磁工质区域内人为设置冷、热回路共用的流体通道这一技术方案外，还可利用磁工质之间的自然间隙作为流体通道，例如：在磁工质为片状、粒状、网筛状时，将磁工质区域设计为一个长方形腔体，腔体内填充磁工质，这些磁工质之间的间隙自然形成均匀的流体通道，无需专门的流体通道，换热流体可由磁工质区域一端的导流槽通过磁工质间隙自然形成均匀的流体通道流到另一端的导流槽中。

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，即当转子上的导磁铁心的圆弧中心与定子的中空圆柱形磁体的磁极中心线重合时，永磁磁化场通过导磁铁心流经磁工质，磁工质受到的磁化场最大，其温度最高。这时热回路中的流体泵开始工作，使换热流体从转子一端的导流槽沿轴向流经磁工质区域进入另一端的导流槽，并在回路中流动。当转子离开这一位置时，该流体泵停止工作；随着转子的转动，在磁工质区域内的磁化场变得越来越小，磁工质开始退磁。当转子转过90°空间角度时，永磁磁体所产生的绝大部分磁通流经导磁铁心，而不流经磁工质，磁工质所受的磁化场为最小，此时它的温度变得最低。这时冷回路中的流体泵开始工作，使换热流体从转子一端的导流槽沿轴向流经磁工质区域进入另一端的导流槽，并在回路中流动。当转子离开这一位置时，该流体泵停止工作。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旋转式磁制冷机永磁磁体系统的横截面图；

图2旋转式磁制冷机永磁磁体系统转子的轴向截面图；

图3导流槽位置侧视图；

图4本发明具体实施方案一示意图；

图5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。

如图1所示，定子为Halbach中空圆柱形永磁磁体，它由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1中箭头所示。沿永磁块充磁方向的永磁磁势在中空圆柱体空腔内产生一个两极磁场。

本发明提出的热交换系统由转子磁工质区域内均匀布置的轴向流体通道、位于磁工质区域两侧轴向端面的两个导流槽、旋转-静止管道连接器、以及热端热交换器、冷端热交换器、流体泵和导流管组成，磁工质区域内流体通道、导流槽、冷端和热端热交换器、流体泵，通过导流管连接组成回路，该回路充入换热流体。其连接方式是：导流槽一端分别位于转子磁工质区域两侧的两个轴向端面上，与磁工质区域结合成一个整体，并连接磁工质区域内的轴向流体通道。导流槽的另一端分别与位于转子上的导流管相连接，导流管通过旋转-静止管道连接器和静止的导流管同热交换器以及流体泵相连接，构成流体回路，该回路充入换热流体。

如图2所示，转子由导磁铁心、磁工质区域、磁工质、转子轴、连接支架组成。转子轴位于转子的旋转中心位置，两段转子轴的中心线与定子的几何中心线相重合。两块导磁铁心为横截面形状为弓形的柱状体，弓形柱状体的曲边为圆弧，其长方形底面相对平行设置，弓形柱状体的端面通过连接支架套装在转轴上，与转子轴联结成为一体。导磁铁心由金属导磁材料制成。磁工质区域为长方形，紧贴在所述的两块导磁铁心长方形底面之间，并可随导磁铁心一起转动。磁工质区域内具有轴向的流体通道，流体通道外有磁工质，磁工质可以是块状、片状、粒状、网筛状等各种形状。

在磁工质区域的两个轴向端面上，每端有一个随转子一起旋转的导流槽。导流槽同磁工质区域固定在一起。导流槽靠近磁工质区域的轴向端面部位的形状与磁工质区域的形状相同。导流槽一端与磁工质区域的流体通道相通，另一端与位于转子上的导流管连接，换热流体可从导流管经导流槽流入磁工质区域与磁工质充分进行热交换。

图3是导流槽位置侧视图，如图3所示，导流槽与导流管联接在一起。

定子与转子之间留有一定的间隙，间隙的大小可根据转子旋转的机械要求来确定。

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。

本发明的热交换系统分成热、冷两个回路，冷热回路共用的磁工质区域流体通道或冷热回路各自独立的磁工质区域流体通道。

图4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，其中热回路包括导流槽中的热流体通道、磁工质区域热回路流体通道、旋转-静止管道连接器、热端热交换器和第一流体泵1，上述部件由绝热的导流管道联接，连接方式是导流槽与热端热交换器以及第一流体泵1相串联；冷回路包括导流槽中的冷流体通道、磁工质区域冷回路流体通道、旋转-静止管道连接器、冷端热交换器和第二流体泵2。上述部件由绝热的导流管道联接，联接方式是导流槽与冷端热交换器以及第二流体泵2相串联。

磁制冷机工作时，永磁磁体系统的转子沿顺时针或逆时针旋转，当导磁铁心的圆弧中心与定子的中空圆柱形磁体的磁极中心线重合时，磁工质受到很大的磁化场，如图1所示，使磁工质材料磁化，磁工质的温度达到最高，同时第一流体泵1开始工作，热端热交换器中的换热流体流经导流槽和磁工质区域热回路流体通道，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1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2开始工作，冷端热交换器中的换热流体流经导流槽和磁工质区域冷回路流体通道，放热给磁工质，磁工质的温度上升。此后第二流体泵2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180°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5所示为本发明具体实施方式之二。磁制冷机的热交换系统的热回路包括导流槽、磁工质区域冷热回路共用的流体通道、旋转-静止管道连接器、热端热交换器、第一流体泵1、电磁阀门1和电磁阀门2。上述部件由绝热的导流管道联接，联接方式是导流槽与热端热交换器以及第一流体泵1相串联；冷回路包括导流槽、磁工质区域冷热回路共用的流体通道、旋转-静止管道连接器、冷端热交换器、第二流体泵2、电磁阀门3和电磁阀门4。上述部件由绝热的导流管道联接，联接方式是导流槽与冷端热交换器以及第二流体泵2相串联。

磁制冷机工作时，永磁磁体系统的转子沿顺时针或逆时针旋转，当导磁铁心的圆弧中心与定子的中空圆柱形磁体的磁极中心线重合时，磁工质受到很大的磁化场，如图1所示，使磁工质材料磁化，磁工质的温度达到最高，同时电磁阀门1和电磁阀门2打开，第一流体泵1开始工作，热端热交换器中的换热流体流经导流槽和磁工质区域冷热回路共用的流体通道，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1停止工作，电磁阀门1和电磁阀门2关闭，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，这时电磁阀门3和电磁阀门4打开，第二流体泵2开始工作，冷端热交换器中的换热流体流经导流槽和磁工质区域冷热回路共用的流体通道，放热给磁工质，磁工质的温度上升。此后第二流体泵2停止工作，电磁阀门3和电磁阀门4关闭，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180°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。

本发明的磁工质区域每端只有一个导流槽，随转子一起旋转，使热交换系统的结构变得简单，而且在构成热交换流体回路时无需进行导流槽的并联或串联。由于本发明中的导流槽随转子一起旋转，与磁工质没有相对运动，使它们之间的密封变得容易。

Claims (2)

1.一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，包括导流槽、热端热交换器、冷端热交换器、流体泵；导流槽、热端热交换器、冷端热交换器、流体泵通过导流管连接组成回路，该回路充入换热流体，其特征在于所述热交换系统还包括磁工质区域内的流体通道，流体通道沿磁工质区域轴向布置，流体通道外有磁工质；导流槽的一侧面位于转子磁工质区域的轴向端面上，导流槽的另一侧面与位于转子上的导流管连接，导流管通过旋转-静止管道连接器同热端热交换器、冷端热交换器以及流体泵相连接，构成流体回路；导流槽同磁工质区域固定在一起，随转子一起旋转；所述的磁制冷机的热交换系统分成热、冷两个回路，导流槽与热端热交换器以及第一流体泵(1)通过绝热的导流管道相互串联形成热回路；导流槽与冷端热交换器和第二流体泵(2)由绝热的导流管道串联形成冷回路；冷、热回路共用流体通道或各自独立。

2.按照权利要求1所述的永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，其特征在于所述的导流槽靠近磁工质区域的轴向端面部位的形状与磁工质区域的形状相同，并与磁工质区域的流体通道相连通。

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