CN101512250B - 往复式磁制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种往复式磁制冷机，其中，冷端热交换器160热耦合连接在第一AMR床的远端入口/出口和第二AMR床的远端入口/出口之间。

Description

往复式磁制冷机

技术领域

本发明涉及一种往复式磁制冷机。

背景技术

6,826,915号美国专利公开了一种常规的活性磁蓄冷器。如附图1和2所示，根据包括上述循环的常规的活性磁蓄冷器，在第一AMR床10A中在磁场中被加热的传热流体的温度通过热端热交换器70降低至大气温度(atmospheric temperature)，然后传热流体通过第二AMR床10B。同时，因为第二AMR床10B位于磁场外部，磁制冷材料层16具有低温，传热流体的温度在通过磁制冷材料层16时降低。具有低温的传热流体通过冷端热交换器60，然后进入第一AMR床10A被加热。传热流体然后依次进入热端热交换器70，第二AMR床10B和冷端热交换器60以完成一个循环。反之，当第二AMR床10B通过移动装置24被移动至磁回路22中时，流路开关30逆转传热流体的流向以产生逆循环。

另一方面，如附图2所示，AMR床10包括一个圆筒式容器12，在容器12内部储存有许多磁制冷材料层16，和网14。容器12包括传热流体入口/出口18a和18b，其可以与换热管32或34连接。

然而，关于附图1中箭头所示的方向，每个往复的AMR床10的入口18a是与所述磁回路22靠近的近端入口18a，出口18b是远离磁回路22的远端入口18b。因此，在近端入口18a的磁制冷材料16a的温度高于远端入口18b的磁制冷材料16b的温度。近端入口18a首先进入磁回路22，远端入口18b最后进入磁回路22。

如附图3所示的传热流体，当AMR床10在磁回路22中时，因为第一AMR床10A的近端入口18a和第二AMR床10B的远端入口18b具有这样温度分布，其与冷端热交换器60热耦合连接。

也就是说，温度梯度从虚线(在传热流体流动之前)变化到实线(传热流体流动之后)，因为经过冷端热交换器60具有大气温度的传热流体，从热端流到冷端。因此，所述常规的活性磁蓄冷器不能解决其原始目的，如用在一种空调器中，由于从热端到冷端流动的传热流体的初温被消除，引起其性能下降。

发明内容

技术问题

然而，入口/出口18a和18b被安装在容器12的中心部分。因此，传热流体不流通容器12的整个截面，其致使传热流体在相同点通过磁制冷材料16，因此很难得到平稳的热交换。

技术方案

本发明的一个目的是，提供一种往复式磁制冷机，其中保持AMR床的温度梯度。

为实现上述目的，提供一种往复式磁制冷机，包括：AMR，包括具有用于传热流体流动通过的磁性材料的第一AMR床和第二AMR床；磁体；AMR移动部件，用于使所述第一AMR床和所述第二AMR床往复运动到磁体，以相互施加或消除磁场；以及与所述第一AMR床和所述第二AMR床热连接的冷端和热端热交换器，其中每个所述第一AMR床和所述第二AMR床包括近端入口/出口和远端入口/出口，所述近端入口/出口设置在其靠近磁体的近端，远端入口/出口设置在与近端入口/出口相比远离所述磁体的远端，以及其中所述冷端热交换器设置在所述第一AMR床的所述远端入口/出口和所述第二AMR床的所述近端入口/出口。

根据所述往复式磁制冷机，所述第一AMR床和所述第二AMR床都具有设置为沿其纵向填充磁性材料的第一和第二通孔，其中连接到第一和第二通孔的第一冷端AMR管口和第二冷端AMR管口与所述第一AMR床和所述第二AMR的远端入口/出口连接，其中连接到第一和第二通孔的第一热端AMR管口和第二热端AMR管口与所述第一AMR床和所述第二AMR的近端入口/出口连接，以及其中，至少一个AMR管口包括分配室，以均匀地分配传热流体至所述通孔的全部截面，以均匀地分配传热流体贯穿通过所述通孔的流动通道的截面。

有益效果

根据所述的往复式磁制冷机，当所述AMR包括塑料时，通过绝热的状态可以获得宽的温度梯度。

此外，当在所述第一AMR床的近端入口/出口和远端入口/出口，以及所述第二AMR床的近端入口/出口和远端入口/出口分别设置网和衬垫，可以防止磁性材料和传热流体的泄漏。

此外，当每个第一通孔和第二通孔具有通过肋间隔分隔的上部通孔和下部通孔时，可以防止由于传热流体压力产生的AMR床变形。

附图说明

图1是示意图，示出了常规的活性磁制冷机的结构。

图2是截面图，示出了图1所示的AMR床。

图3是图表，示出了图1所示的第一AMR的温度梯度。

图4和5分别为透视图和平面图，示出了本发明往复式蓄冷器的一个优选实施例。

图6是分解透视图，示出了图4所示的AMR的主要部分。

图7至16，示出了磁制冷机的循环，其中图10示出了图9所示的第一AMR的温度梯度。

图17为示意图，示出了本发明另一最优实施例的多级磁制冷系统。

图中标记说明

40，140：泵

60，160：冷端热交换器

70，170：热端热交换器

100：蓄冷器

110：AMR

110A，110B：AMR床

110AL，110BL：远端入口/出口(冷端磁性材料)

110AH，110BH：近端入口/出口(热端磁性材料)

114A，114B：通孔

115：安装凹槽

120：ARM连接器

120A，120B：AMR管口

120AL，120BL：传热流体的冷端入口/出口

120AH，120BH：传热流体的热端入口/出口

210：磁体部件

211：磁体

213：主体

230：AMR移动部件

M：网

R：肋间隔

S：衬垫

SOL1，SOL2：电磁阀

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的上述目的及其他目的以及本发明的特征和优点。

附图4和5分别为透视图和平面图，示出了本发明往复式蓄冷器的一个优选实施例。附图6示出了附图4所示的AMR的主要部分的分解透视图，附图7-14示出了磁制冷机的循环。

如附图4-16所示，根据本发明较佳方案的一个磁制冷机，包括蓄冷器100，与蓄冷器100热连接的冷端热交换器160和热端热交换器170。冷端热交换器160用于冷却，热端热交换器170用于散热。

如附图4-6所示，蓄冷器100包括AMR 110，磁体部件210以及用于对AMR110施加或消除磁场的磁体旋转组件。

AMR 110包括第一AMR床110A和第二AMR床110B。沿第一AMR床110A和第二AMR床110B的纵向上分别形成有被磁性材料填充的第一通孔114A和第二通孔114B。

设置在较远离磁体210位置的第一远端入口/出口110AL和第二远端入口/出口110BL形成在第一AMR床110A和第二AMR床110B外侧。当往复运动时，因为远端入口/出口110AL和110BL比第一近端入口/出口110AH和第二近端入口/出口110BH较晚进入磁体210，因此其温度低。此外，优选的，连接到第一通孔114A和第二通孔114B的第一冷端AMR管口120A和第二冷端AMR管口120B与第一远端入口/出口110AL和第二远端入口/出口110BL连接。

而且，由于第一近端入口/出口110AH和第二近端入口/出口110BH相对第一远端入口/出口110AL和第二远端入口/出口110BL较早进入磁体210，因此热端的第一近端入口/出口110AH和第二近端入口/出口110BH设置在第一AMR床110A和第二AMR床110B的内侧(一个正面侧)。此外，包括连接到第一通孔114A和第二通孔114B的第一热端AMR管口和第二热端AMR管口的AMR连接器120与第一近端入口/出口110AH和第二近端入口/出口110BH的内侧连接。

根据所述AMR的结构，其中所述冷端热交换器160连接到所述第一AMR床的所述第一远端入口/出口110AL和所述第二AMR床的所述第二远端入口/出口110BL。如附图10所示，因为具有大气温度的传热流体由于其结构流经冷端热交换器160，由冷端至热端通过磁性材料，所以保持初温和最终温度的斜率，不会被影响，得到一个宽温度范围的AMR床。

此外，由于AMR连接器120设置在第一AMR床110A和第二AMR床110B之间，所以当一个AMR床在磁体211中时，另一个AMR床在磁体211之外。也就是说，重复一个AMR床被加热而另一个AMR床被冷却的循环。AMR连接器120设置在AMR床110A和110B之间的理由是，当AMR床110A和110B离开磁场时传热流体不应流动。AMR连接器120的长度与单个的AMR床基本上相同。

此外，AMR连接器120具有在热端和冷端AMR管口120A和120B的AMR管口，用于传热流体的流动通道。也就是说，第一冷端入口/出口120AL和分配室D1位于第一冷端AMR管口120A的两端，第二冷端入口/出口120BL和分配室D2设置在第二冷端AMR管口120B的两端。分配室D1和D2作为分配室，以均匀地分配传热流体贯穿通孔114A和114B流动通道的截面。因此，由于传热流体在经过冷端入口/出口120AL和120BL处具有足够的速度以在分配室D1和D2中扩散，由此流过整个通孔114A和114B，所以与磁性材料部分接触和波动形状被最小化，以提高热交换效率。

在AMR连接器120的两端设置第一热端管口和第二热端管口。连接第一通孔114A和热端入口/出口120AH的分配室D3，设置在第一热端管口，分配室D4和第二热端入口/出口120BH位于第二热端管口。第一冷端入口/出口120AL、第二冷端入口/出口120BL、第一热端入口/出口120AH和第二热端入口/出口120BH与换热管132和134连接。

由于上述的AMR 110结构，传热流体始终通过磁性材料，从而提高了热交换效率。此外，通过防止磁性材料暴露在外面，实现了绝热状态，改善了热交换效率。

此外，优选的是，AMR床110A和110B或整个AMR床110包括塑料。塑料具有大的绝热的效果和宽的温度梯度。

另一方面，每个通孔114A和114B包括由肋间隔R分隔的上部通孔UP和下部通孔LP。该肋间隔R提供肋的功能，因此肋间隔R防止由于压力引起的AMR床111的变形。

优选的，网M和塑料衬垫S安装在通孔114A和114B的安装凹槽115中，以防止磁性材料和传热流体的泄漏。

冷端热交换器160和热端热交换器170通过换热管132，133，134，135和136与AMR 110热耦合连接。传热流体的流动由泵140驱动。此外，传热流体方向的改变由电磁阀SOL1和SOL2实现。

AMR移动部件230是用于AMR 110往复运动的装置，其中AMR移动部件230包括连接在AMR 110上的齿条231，与齿条231啮合的小齿轮233，和将旋转动力传递给小齿轮233的马达(没有示出)。

虽然齿条231可以连接AMR1和AMR2，但是这种结构由于结构复杂需要大的空间。因此，优选的，当单个齿条231用于支撑AMR 110时，由多个滚轮250支撑AMR 110。这个结构防止往复运动的AMR床110A和110B和磁体部件213之间摩擦力而产生的热传递到AMR床110A和110B，从而提高了热交换效率，并且也由于摩擦力小采用较小的能量就能进行往复运动。优选的，AMR110在由AMR支承板270支撑后，再由由滚轮250支撑。此时，AMR移动构件230可连接到AMR支承板270。

下面参考附图7-16，介绍根据本发明的优选方案的磁制冷机的循环操作。需要注意，附图7-16所示的电磁阀的开关方式为，当关闭时电磁阀以弯头型运行，当打开时以直线型运行。

附图7示出了一种状态，其中AMR连接器120正处于磁体211中。因为此刻传热流体不会流入AMR1和AMR2，电磁阀SOL1和SOL2处于关闭状态。

如附图8所示，此时AMR1进入磁体211，AMR2移出磁体211。因此，通过热端热交换器170的具有大气温度的传热流体，通过AMR2时被换热管134冷却，通过所述冷端热交换器160，传热流体回到大气温度(实际上，达到稍低于大气温度的温度)。传热流体通过换热管134被注入AMR2中。上述过程形成一个循环。如附图9所示，当AMR1完全位于磁体211中且在QMR1移出磁体211之前，传热流体流动方向与附图8中一致。这时，电磁阀SOL1关闭，电磁阀SOL2打开，其中第一冷端入口/出口120AL和第一热端入口出口120AH分别作为冷端入口和热端出口，其中第二热端入口/出口120BH和第二冷端入口/出口120BL分别作为热端入口和冷端出口。

如上所述，由于从冷端热交换器160流出的具有大气温度的传热流体，从在AMR1的第一远端入口/出口110AL的冷端磁性材料，流至AMR2的第一近端入口/出口110AH的热端磁性材料，所以，如附图10所示，温度从初温斜线(虚线所示)至终温的斜线(实线所示)降低，没有相交。

如附图11和12所示，从AMR1开始运动以移动出磁体211(所有电磁阀都关闭)的时刻开始，传热流体不流向AMR 110。

如附图13和14所示，与上述循环相反，AMR2在磁体211中时，AMR1离开磁体211。因此，通过热端热交换器170的具有大气温度的传热流体，通过AMR1时被换热管132冷却，通过所述冷端热交换器160，传热流体返回到大气温度(实际上，至稍低于大气温度的温度)。传热流体然后通过AMR2被加热，然后通过换热管134，换热管135和泵140。传热流体然后通过热端热交换器170变回大气温度(事实上，到达比大气温度稍高的温度)，然后进入AMR1。上述过程形成一个循环。此时，电磁阀SOL2关闭，且电磁阀SOL1打开，其中第一热端入口/出口120AH和第一冷端入口/出口120AL分别用作热端入口和冷端出口，第二冷端入口/出口120BL和第二热端入口/出口120BH用作冷端入口和热端出口。

如上所述，因为从冷端热交换器160流出的具有大气温度的传热流体，流过位于AMR2的第一远端入口/出口110BL的冷端磁性材料，至位于AMR1的第一近端入口/出口110BH的热端磁性材料，所以，如附图10所示，温度从初温斜线(虚线所示)至终温斜线(实线所示)下降，不相交。

如附图15和16所示，当从AMR2开始运动以移动出磁体211时开始，传热流体不流向AMR 110。

此外，如附图17所示，通过连接多个AMR和磁体，可以得到多级磁制冷效果。

根据所述磁制冷机的循环特性，冷端热交换器160连接在第一AMR床的冷端磁性材料和第二AMR床的冷端磁性材料之间，因此传热流体从热端磁性材料流动到冷端磁性材料。因此，由于在保持相同的温度梯度的同时，整个ARM床的温度降低，所以根据其最初目的例如用于空调，性能下降得到抑制。

此外，本发明的优选方案的磁制冷机的循环的一个优点是，通过传热流体直接地通过磁性材料的结构使得热交换效率得到提高，两个AMR 110连接更多的磁性材料从而产生加倍冷却效应。此外，AMR包括肋间隔间114A和114B，防止了由于传热流体压力引起的AMR的变形。即使发生变形，由于分配室的结构，传热流体也不能绕过磁性材料，从而得到高的换热效率。此外，AMR 110具有一种简单的平板形状，并且AMR 110具有高效率且可以在塑料中简单模制形成。

此外，因为根据本发明优选方案的磁制冷机，使用往复式AMR循环操作，所以由于低温和高温的温度梯度形成高的冷却效应。如上所述，当AMR移出磁体时，传热流体从冷端流到热端，且传热流体不流入AMR。在AMR通过移出磁体被冷却之后，传热流体从热端流入冷端。例如，当冷却的传热流体通过冷端热交换器后，传热流体被注入AMR2，因此传热流体既通过AMR1又通过AMR2。

此外，因为热端热交换器设置在泵的出口，在进入AMR之前，热端热交换器将通过泵加热的传热流体冷却至大气温度。

此外，磁性材料具有一个特征，当施加磁场时，其温度改变。磁热材料112包括细粉末状的钆(Gd)。钆具有孔隙，对传热流体的流动具有高渗透性，以及优良吸热和散热性能。

虽然已经根据本发明的优选实施方式特别介绍和描述了本发明，但是可以理解的是，在不脱离所附的权利要求限定的本发明的精神和范围内，本领域技术人员可进行不同改变。例如，所述AMR管口可以形成在AMR的两端，不具有AMR管口的连接器可连接到AMR。

工业实用性

如上所述，本发明的蓄冷器和使用该蓄冷器的磁制冷机具有下面优点。

第一个优点，因为传热流体从冷端磁性材料流到热端磁性材料，所以在保持相同的温度梯度的同时，整个ARM床的温度降低。因此，可以增加AMR的最初目的的最初和最终温度斜线之间的宽度。

第二个优点，因为该磁制冷机包括与AMR床的磁性材料截面尺寸近似的分配室，所以传热流体均匀流过磁性材料，抑制了其分流形成的波动，从而提高了热交换效率。

第三个优点，通过使用往复式双AMR循环操作提高热交换效率。

第四个优点，通过使用传热流体始终通过磁性材料的结构提高热交换效率。

第五个优点，通过使用网和塑料衬垫防止了传热流体和磁性材料的渗漏。

第六个优点，通过使用两个AMR，使得热交换效率加倍。

第七个优点，通过使用塑料AMR和防止磁性材料暴露在外面，实现了绝热状态，从而改善了热交换效率。

第八个优点，因为AMR床的通孔具有通过肋间隔分隔的上部和下部通孔，防止了由于传热流体压力产生的AMR形状变形。即使该变形发生，由于该分配室的结构，传热流体也不能绕过磁性材料，从而得到高的换热效率。

Claims (3)

1.一种往复式磁制冷机，包括：

AMR，其包括具有传热流体流动通过的磁性材料的第一AMR床和第二AMR床，其中，AMR连接器设置在所述第一AMR床和所述第二AMR床之间，在所述AMR连接器两端上设置第一热端管口和第二热端管口；

磁体；

AMR移动部件，用于使所述第一AMR床和所述第二AMR床往复运动到磁体，以互相施加或消除磁场；以及

与所述第一AMR床和所述第二AMR床热连接的冷端热交换器和热端热交换器，

其中，每个所述第一AMR床和所述第二AMR床包括近端入口/出口和远端入口/出口，所述近端入口/出口设置在靠近磁体的近端，所述远端入口/出口设置在与所述近端入口/出口相比距离磁体较远的远端，

所述冷端热交换器设置在所述第一AMR床的所述远端入口/出口和所述第二AMR床的所述远端入口/出口之间，

所述第一AMR床具有设置为沿其纵向填充磁性材料的第一通孔，和所述第二AMR床具有设置为沿其纵向填充磁性材料的第二通孔，

连接到所述第一通孔的第一冷端AMR管口与所述第一AMR床的所述远端入口/出口连接，和连接到所述第二通孔的第二冷端AMR管口与所述第二AMR床的所述远端入口/出口连接，

连接到所述第一通孔的第一热端AMR管口与所述第一AMR床的所述近端入口/出口连接，并且连接到所述第二通孔的第二热端AMR管口与所述第二AMR床的所述近端入口/出口连接，以及，

至少一个AMR管口包括分配室，用于均匀地分配传热流体至所述通孔的全部横截面。

2.根据权利要求1所述的磁制冷机，其中所述AMR的材料包括塑料，以及其中，在所述第一AMR床的近端入口/出口和远端入口/出口以及在所述第二AMR床的近端入口/出口和远端入口/出口分别设置网和衬垫。

3.根据权利要求2所述的磁制冷机，其中每个第一通孔和第二通孔包括被肋间隔分隔的上部通孔和下部通孔。

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