CN101532752A

CN101532752A - 室温磁流体制冷装置

Info

Publication number: CN101532752A
Application number: CN200910097317A
Authority: CN
Inventors: 王瑞金; 陈冰; 刘淑莲
Original assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2009-09-16

Abstract

本发明涉及室温磁流体制冷装置，其特征在于：由以下系统组成：制冷系统、循环系统、磁制冷装置的控制系统，制冷系统是由一级制冷、二级制冷、辅助级和蒸发器组成；循环系统是由五个循环组成，即一级散热循环、二级散热循环、一级制冷循环、二级制冷循环和辅助循环；制冷系统的一级制冷、二级制冷分别与循环系统一级制冷循环、二级制冷循环连接，一级制冷、二级制冷分别连接辅助级和蒸发器，一级散热循环、二级散热循环分别与蒸发器连接，磁制冷装置的控制系统是控制一级制冷的温度和热流量，控制二级制冷的温度和热流量，控制一级散热循环的热流量和温度，控制二级散热循环的热流量和温度，控制辅助循环的温度和热交换；同时还要控制温度测量系统的采样和温度的反馈信号。

Description

室温磁流体制冷装置

技术领域

本发明涉及是一种磁流体应用于室温制冷的装置。

背景技术

首先，社会经济的可持续发展要求人们对发展和环境的关系进行深入的思考，从而提出了诸如“绿色GDP”等概念，以破坏环境、过分消耗资源等发展经济的模式受到了极大的挑战，进而人们提出了保护好环境的前提下发展经济的可持续发展计划。其次，磁性功能材料、纳米技术、巨磁热效应等的发现和发展为磁制冷技术产生和发展、磁冰箱的设计等提供了技术基础。第三，近年来的“电荒”和世界的“能源大战”让人们意识到节能和节能产品的重要性。

纳米磁流体制冷技术是利用磁性材料在磁场作用下的磁熵变，使磁性材料温度升高或降低，而把热量从一个地方转移到另外一个地方，产生制冷效果的，而不是象传统的压缩机制冷，利用制冷剂的相变进行吸热产生制冷效果，这样制冷的能耗大大降低，同时也避免了传统含氟制冷剂对大气臭氧层的破坏。另外纳米磁性功能材料的巨磁热效应和不同的循环方式(斯特林磁循环代替传统的卡诺循环)提高了室温磁制冷的效率，也降低了能耗。

纳米磁流体制冷原理显示出磁制冷技术的巨大优点：1)不用CFC(氟里昂)，不会对大气环境产生污染；2)噪声小(工作状态时为40db)；3)因为是用可逆的磁热效应，效率达到Carnot极限的60％，(传统制冷方式最高40％)，具有高热力学效率；4)由于采用强化的磁制冷介质，所以制冷机的结构十分紧凑，5)同样的制冷量下的能量消耗小于传统压缩机制冷的30％。

纳米磁流体制冷技术对社会经济将：1)显露新的市场和社会机遇；2)潜在的低运行成本和资金成本；3)降低能源消耗。

很明显，这种节能、环保的磁流体制冷技术对社会、经济和环境都将有十分重要的意义。

2、国内外研究现状和发展趋势

早在1881年Warburg就发现了磁热效应，1926 Debyeand Giauque将磁热效应应用与低温磁制冷，并在实验室低于1K温度的制冷中应用超过了60年；1949年Giauquefor由于磁制冷技术方面的成就而获得Nobel奖，1978年LosAlamos DOE实验室“AMR”磁制冷机获得美国专利，美国航天部1991年研制成功了40K高效“AMR”，1997年又研制了大功率NRT“AMR”，Ames DOE实验室在2000年发现了巨磁热效应合金，2001年美国航天部制造了永磁式旋转式“AMR”。

纳米磁流体制冷是一种利用铁磁性制冷工质进出磁场引起温度变化而在室温范围进行制冷的新方法。纳米磁流体制冷技术是最近一些年才发展起来的，其基础是居里点接近室温的具有巨磁热效应的新材料的发现。

2.1目前国内外的研究主要集中在：

1)寻找合适的磁材料(工质)。它应具有的特点是：离子磁矩大、居里点接近室温、以较小磁场(例如1T)作用与除去作用时能够引起足够大的磁熵变(即磁热效应显著)。现已研制出一系列稀土化合物作磁制冷材料，还有复合型磁制冷物质(居里点不同的几种材料组成)，其中最典型的是Gd₅Si₂Ge₂、MnFeP_0.45As_0.55和LaFe_11.2Co_0.7Si_1.1三种。

2)提高外磁场。需采用高磁通密度的Nd-Fe-B永磁体。

3)研究最合适的磁循环并解决实现循环所涉及的热交换问题。

2.2我国在室温磁制冷领域取得了重大进展：

1)首先在世界上发现了钙钛矿结构的氧化物具有超过金属钆的磁热效应。

2)2001年6月研制出使用永磁体的室温磁制冷实验机，温降达到8度。

3)2001年12月四磁体耦合的室温磁制冷机研制成功，温降达到16度。

4)2002年3月，使用圆柱型磁体的室温磁制冷机研制成功，使用的是平均1.5T的磁场，往复式气驱动，主动式磁蓄冷循环，以钆为磁制冷工质，获得了25度的温差，并在12度温差时实现了的24瓦制冷量的输出。

5)南京大学还率先将钆硅锗合金用到室温磁制冷样机上试验，获得了可以跟钆相比的结果。

6)目前我们正在进行旋转式室温磁制冷市场样机的研究，在强化传热上已经获得了进展，这将大大提高室温磁制冷的制冷功率和制冷效率。

2.3目前研制的磁制冷样机主要存在以下问题：

制冷效率与性能系数和温度跨度有关，随着温度跨度的增加，制冷功率和性能系数都呈直线下降趋势。当磁场变化范围为0～5T时，为了得到23K温度跨度，制冷功率由迅速下降，而性能系数也显著降低。这一方面说明磁致冷材料的S-T曲线MCE峰值不够宽，另一方面也说明其MCE不够大。

1、磁制冷床往复运动的频率或热交换液体的流速显著影响制冷功率。据估计，当运动频率增加到10Hz时，制冷功率连续增加，但往复式运动的磁制冷机不能够把频率提得很高。

2、制冷功率、性能系数、温度跨度都明显依赖于磁场的大小。当磁场的变化范围由超导磁体提供的0～5T降到永磁体能提供的0～1.5T时，制冷功率迅速降，这使其商业化很困难。

3、磁制冷样机不能像气体或液体工作物质那样，使热交换实现管道化。为增加热交换面积，一般磁制冷床中的磁致冷材料多制成多孔块状、片状、网状和粒状，使磁致冷材料制备和热交换系统复杂化。

发明内容

为了克服上述技术上的缺陷，本发明提供了一种磁场强度低且易于管道化的室温磁流体制冷装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、磁流体制冷原理

在管道内的磁流体通过柱塞泵注入到绝热区内，绝热区内安排了永磁场，由于磁流体进入磁场后被磁化，有序度增加而熵减少，但由于是在绝热区总熵不变，为此磁流体的温度上升，这是绝热磁化过程。在磁场中用醇水混合流体作为散热介质，降低磁流体的温度，这是等磁过程，伴有系统放热。当磁流体在绝热区内离开磁场，磁流体退磁，有序度下降而熵增加，但由于是在绝热区总熵不变，为此磁流体的温度下降，低于进入磁场前的温度，这是绝热退磁过程。磁流体被泵送到吸热区，由于其温度是低于室温，所以需要从外界吸取热量，起到制冷效果，这也是个等磁过程。从二个等磁过程、二个绝热过程的这4个过程看类似于Brayton循环，但Brayton循环要求磁场内的散热和吸热区内的吸热量相等，这在我们的过程中很难实现，所以我们的磁流体制冷装置只能说是近Brayton循环。

2、磁流体制冷方案

本发明制冷装置是根据串级可以增加磁制冷温跨的原理进行串级制冷，其原理为如下：磁流体(温度为室温Tr)通过柱塞泵注入到一级制冷区，出来的磁流体的温度低于Tr(为Tc₁)；用于散热的醇水混合物的温度为室温Tr，经过磁场区域后吸热，温度变成Ts，与外界交换后降低为室温Tr。从一级制冷出来的磁流体一半到辅助级，另外一半的进入到二级制冷。到辅助级的磁流体是为了吸收二级制冷所需的醇水混合液热量，使之温度低于室温Tr为Ts₁，从而在二级制冷后磁流体温度为Tc₂)，这样一个循环下来磁流体产生的温差ΔT₁为(Tr-Tc₂)。为了加大这个温差，由四通阀控制让磁流体循环，继续通过二级制冷，其每次离开二级制冷的温度分别可以为Tc₃ Tc₄ Tc₅…，最后得到的温差为ΔT_n为(Tr-Tc_n)。从磁流体的流量角度分析，第1个循环中磁流体泵A将磁流体泵入一级制冷，其流量为Q1，有一半进入到二级制冷，另一半进入辅助级，如果磁流体直接从二级制冷回到吸热区，则只有Q1/2的流量，这样辅助级回流的Q1/2与新泵B入的Q1/2进入一级制冷，如此循环。如果二级制冷的磁流体不直接回流到吸热区，而是继续循环回二级制冷区，则Q1/4回到二级制冷，另外的Q1/4则要从新出一级制冷的流量中分得，同样进入辅助级的磁流体也是Q1/4为循环回流的，Q1/4从新出一级制冷的流量中分得，其温度都比第1个循环时的Tc₁低，而且会越来越低。

室温磁流体制冷装置由以下系统组成：

1)制冷系统

由一级制冷、二级制冷、辅助级和蒸发器组成。一级制冷为预冷作用，一方面预冷磁流体，另一方面为二级制冷提供冷却液体，更要二级制冷补充磁流体；二级制冷作用是提供足够的具有较大温跨的磁流体；辅助级是为了得到低于室温的冷却介质(醇水混合液)；而蒸发器则是将制冷量提供给冰箱。一级散热和二级散热分别为一级制冷和二级制冷服务。

2)循环系统

由五个循环组成，即一级散热循环、二级散热循环、一级制冷循环、二级制冷循环和辅助循环。一级散热循环介质为醇水混合物，由散热器、泵、阀和一些管道等组成，为一级制冷服务；二级散热循环介质也为为醇水混合物，也由散热器、泵阀和一些管道等组成，其醇水混合物的温度低于一级散热循环，为二级制冷服务；一级制冷循环介质为磁流体，也由热交换器、泵、阀和一些管道等组成，为二级制冷提供较低温度的磁流体和醇水混合物。二级制冷循环介质也为磁流体，也由热交换器、泵、阀和一些管道等组成，为二级蒸发器提供低温的磁流体，以供蒸发器使用。辅助循环是以低于室温的磁流体吸收醇水混合物热量，从而为二级制冷提供低温散热介质。

3)控制系统

室温磁流体制冷装置的控制系统是控制一级制冷的温度和热流量，控制二级制冷的温度和热流量，控制一级散热循环的热流量和温度，控制二级散热循环的热流量和温度，控制辅助循环的温度和热交换；同时还要控制温度测量系统的采样和温度的反馈信号等。

4)测量与记录系统

测量系统主要温度测量、流量测量和热流量测量功能。温度测量主要测量二级制冷出口温度，是计算热流量和冰箱设计制冷量的必要数据，也是计算磁卡效应的必须的数据；而一级散热和二级散热循环的温度测量是为了反馈控制，而计算各循环的热流量也需要这些温度和流量。

制冷系统的一级制冷、二级制冷分别与循环系统一级制冷循环、二级制冷循环连接，一级制冷、二级制冷分别连接辅助级和蒸发器，一级散热循环、二级散热循环分别与蒸发器连接。

3.3制冷系统设计

3.3.1制冷系统结构原理

制冷系统的结构原理如下说明，在薄壁铜管内流动着磁流体，管外套有装冷却液的铜管，磁流体的载体由80％的水和20％的乙醇组成，醇水混合物是含有TiO₂纳米粒子，目的是强化传热。当磁流体流入磁场内部后温度升高，通过与薄壁铜管外套冷却管内冷却液(醇水混合物)的热交换，温度降到与进磁场前温度相同，这样磁流体出磁场后的温度就比进入磁场的时候低了。绝热管导磁但不导热，薄壁铜管分段，段与段之间绝热以减少不可逆损失。

一级散热循环是最为基础的循环，由储液箱、柱塞泵、溢流阀、压力表、流量计、调速阀和管道等组成，储液箱、柱塞泵和管道连接成回路，柱塞泵的输出管道上设置溢流阀、压力表、流量计、调速阀，管道连接散热器，而散热器是与室内连通的自然空气对流。

3.4.2二级散热循环和辅助循环

二级散热循环是最为重要的循环，里面包含了冷却液循环和辅助磁流体循环二个循环。冷却液循环由储液箱、柱塞泵、溢流阀、压力表、流量计、调速阀和管道等组成，储液箱与柱塞泵和管道连接成回路，柱塞泵的输出管道上设置溢流阀、压力表、流量计、调速阀，管道连接散热器，散热器是与磁流体的辅助循环相连接。磁流体辅助循环也由储液箱、柱塞泵、溢流阀、压力表、流量计、调速阀和管道等组成，储液箱与柱塞泵和管道连接成回路，柱塞泵的输出管道上设置溢流阀、压力表、流量计、调速阀，管道连接散热器，而磁流体从主要的循环(穿越一级制冷、二级制冷和蒸发器)分流出来，围绕二级制冷有一个单独的磁流体循环，通过四通阀控制其在小循环内循环还是与大循环连接，辅助循环的磁流体可以来自主循环和二级制冷的小循环补充。

另外，辅助循环中的磁流体和冷却液的热交换的结构可以类似与一级用热循环的结构，只是没有磁场，这里不再赘述。

本发明的创新之处：(1)用磁流体作为制冷介质，为室温磁制冷技术解决了三大难题：a)磁场强度过高；b)制冷效率不高；c)热交换难以实现管道化。

(2)设计了制冷装置的控制系统和温度测量系统，可成功控制和测量制冷过程中的温度变化。

附图说明

图1是本发明的流体制冷原理图；

图2是制冷系统的结构原理；

图3是磁流体制冷结构示意图；

图4是一级磁流体制冷散热循环示意图；

图5是二级磁流体制冷散热循环示意图。

具体实施方案

下面参照附图进一步说明。

如图1所示，在管道内的磁流体1通过柱塞泵2注入到绝热区3内，绝热区3内安排了永磁场4的管道内，由于磁流体1进入磁场后被磁化，有序度增加而熵减少，但由于是在绝热区总熵不变，为此磁流体的温度上升，这是绝热磁化过程。在磁场中用醇水混合流体作为散热介质，降低磁流体的温度，这是等磁过程，伴有系统放热。当磁流体在绝热区3内离开磁场，磁流体退磁，有序度下降而熵增加，但由于是在绝热区3总熵不变，为此磁流体的温度下降，低于进入磁场前的温度，这是绝热退磁过程。磁流体被泵送到吸热区4，由于其温度是低于室温，所以需要从外界吸取热量，起到制冷效果，这也是个等磁过程。从二个等磁过程、二个绝热过程的这4个过程看类似于Brayton循环，但Brayton循环要求磁场内的散热区5和吸热区6内的吸热量相等，这在我们的过程中很难实现，所以我们的磁流体制冷装置只能说是近Brayton循环。

如图2所示，制冷系统的结构原理如下说明，在薄壁铜管8内流动着磁流体1，管外套有装冷却液7的铜管，磁流体1的载体由80％的水和20％的乙醇组成，醇水混合物含有TiO₂纳米粒子，以强化传热。当磁流体1流入磁场内部后温度升高，通过与薄壁铜管8外套冷却管内冷却液7的热交换温度降到与进磁场前温度相同，这样磁流体1出磁场后的温度就比进入磁场的时候低了。绝热管9导磁但不导热，薄壁铜管8分段，段与段之间绝热以减少不可逆损失。

如图3所示，室温磁流体制冷装置的制冷系统是由一级制冷10、二级制冷11、辅助级12和蒸发器17组成；循环系统是由五个循环组成，即一级散热循环13、二级散热循环14、一级制冷循环、二级制冷循环和辅助循环；磁制冷装置的控制系统是通过磁流体泵15控制一级制冷10的温度和热流量及控制二级制冷11的温度和热流量，通过冷却泵16控制一级散热循环13的热流量和温度及控制二级散热循环14的热流量和温度，控制辅助循环的温度和热交换；同时还要控制温度测量系统的采样和温度的反馈信号，在循环管路中还设置磁液箱18。

如图4所示，一级散热循环是最为简单的循环，由储液箱19、柱塞泵2、溢流阀20、压力表21、流量计22、调速阀23和管道等组成，储液箱与柱塞泵和管道连接成回路，柱塞泵2的输出管道上设置溢流阀20、压力表21、流量计22、调速阀23，管道连接散热器24，而散热器24是与室内连通的自然空气对流，在储液箱19上设置补液口25。

如图5所示，二级散热循环是最为复杂的循环，里面包含了冷却液循环和辅助磁流体循环二个循环。冷却液循环由储液箱、柱塞泵、溢流阀、压力表、流量计、调速阀和管道等组成，储液箱与柱塞泵和管道连接成回路，柱塞泵的输出管道上设置溢流阀、压力表、流量计、调速阀，管道连接散热器，散热器是与磁流体的辅助循环相结合。磁流体辅助循环也由储液箱、柱塞泵、溢流阀、压力表、流量计、调速阀和管道等组成，储液箱与柱塞泵和管道连接成回路，柱塞泵的输出管道上设置溢流阀、压力表、流量计、调速阀，管道连接散热器，而磁流体从主要的循环(穿越一级制冷、二级制冷和蒸发器)分流出来，围绕二级制冷有一个单独的磁流体循环，通过四通阀控制其在小循环内循环还是与大循环连接，辅助循环的磁流体可以来自主循环和二级制冷的小循环补充。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明的技术方案并不限于上述实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1、室温磁流体制冷装置，其特征在于：由以下系统组成：制冷系统、循环系统、磁制冷装置的控制系统，制冷系统是由一级制冷、二级制冷、辅助级和蒸发器组成；循环系统是由五个循环组成，即一级散热循环、二级散热循环、一级制冷循环、二级制冷循环和辅助循环；制冷系统的一级制冷、二级制冷分别与循环系统一级制冷循环、二级制冷循环连接，一级制冷、二级制冷分别连接辅助级和蒸发器，一级散热循环、二级散热循环分别与蒸发器连接，磁制冷装置的控制系统是控制一级制冷的温度和热流量，控制二级制冷的温度和热流量，控制一级散热循环的热流量和温度，控制二级散热循环的热流量和温度，控制辅助循环的温度和热交换；同时还要控制温度测量系统的采样和温度的反馈信号。

2、根据权利要求1所述的室温磁流体制冷装置，其特征在于：一级散热循环是最为基础的循环，由储液箱、柱塞泵、溢流阀、压力表、流量计、调速阀和管道等组成，储液箱、柱塞泵和管道连接成回路，柱塞泵的输出管道上设置溢流阀、压力表、流量计、调速阀，管道连接散热器，而散热器是与室内连通的自然空气对流。

3、根据权利要求1所述的室温磁流体制冷装置，其特征在于：二级散热循环是比较复杂的循环，里面包含了冷却液循环和辅助磁流体循环二个循环；冷却液循环由储液箱、柱塞泵、溢流阀、压力表、流量计、调速阀和管道等组成，储液箱、柱塞泵和管道连接成回路，柱塞泵的输出管道上设置溢流阀、压力表、流量计、调速阀，管道连接散热器，散热器是与磁流体的辅助循环相结合；磁流体辅助循环也由储液箱、柱塞泵、溢流阀、压力表、流量计、调速阀和管道等组成，储液箱、柱塞泵和管道连接成回路，柱塞泵的输出管道上设置溢流阀、压力表、流量计、调速阀，管道连接散热器，而磁流体从主要的循环分流出来，围绕二级制冷有一个单独的磁流体循环，通过四通阀控制其在小循环内循环还是与大循环连接，辅助循环的磁流体可以来自主循环和二级制冷的小循环补充。