CN101979937B - 一种旋转式磁制冷装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式磁制冷装置包括磁场源，主动式蓄冷器模块及冷热流体换热通道，其特征在于，所述主动式蓄冷器模块包括两个，每个主动式蓄冷器模块由两个填料层径向夹一层磁性工质床构成，两个主动式蓄冷器模块同轴轴向错开并周向相差180度布置，该两个主动式蓄冷器模块同步旋转时交替通过上半部覆盖有磁场源的磁场区和下半部无磁场区，所述蓄冷器模块旋转外周的磁场区空间中静止设有与高温端换热器连通的热流体通道；所述蓄冷器模块旋转外周的无磁场区空间中静止设有与低温端换热器连通的冷流体通道，所述两个主动式蓄冷器模块轴向之间、冷热流体通道外周及左右端面上均设有绝热层。

Description

一种旋转式磁制冷装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种制冷装置，特别涉及一种基于主动式蓄冷器模块的旋转式磁制冷装置及其应用。

背景技术

为了保护环境和提高能源利用效率，各国研究人员在为对传统气体压缩式制冷技术寻找替代制冷剂的同时，也已开始新制冷方法的探索与研究。磁制冷是一种绿色环保的新型制冷技术。该技术的实现是基于磁性材料的磁热效应，磁性材料在磁场的励(退)磁过程中实现温度变化，期间通以换热流体将热量和冷量带出，从而实现制冷。

当磁制冷技术工作在近室温区时，该技术凭借其未来广阔的应用前景及众多优良特点如高效、高稳定性、长寿命、低噪音、环境友好及结构紧凑，已成为世界各国的研究热点。室温磁制冷技术在过去近35年发展中取得了长足的进步，主要集中在巨磁热材料开发、高场强永磁体设计及高性能磁制冷样机开发三个方面。截止2010年9月，世界范围已经发布了41台室温磁制冷样机/系统。

磁制冷工质材料是磁制冷技术的关键之一。目前使用最广的室温磁制冷工质仍是镧系稀土金属钆，其居里温度为293K，具有较大的磁热效应。1997年，Ames实验室的Pecharsky和Gschneidner首次在Gd-Si-Ge合金中发现巨磁热效应，其等温磁熵变与绝热温度改变要比Gd大70～80％。巨磁热效应的发现成为室温磁制冷发展的一个里程碑，加速了室温磁制冷技术的发展。

当前应用于室温磁制冷的磁场有超导磁体、电磁体和永磁体。低温超导磁体是已知的能提供稳定强磁场的最佳形式，它能提供5T以上的磁场强度，但低温超导磁体需要液氦进行低温冷却，结构形式复杂，能量消耗较大。电磁体也是室温磁制冷可以采用的磁场形式，能提供2T以上的磁场强度，技术成熟可靠。但电磁体最大缺点是产生强磁场所需的电流极大，能源消耗惊人，而且体积庞大，限制了其未来在室温磁制冷领域应用的可能。永磁体由于其无能耗、结构简单和电磁干扰少而成为室温磁制冷未来应用方向。目前钕铁硼是综合性能最佳的永磁体，因此在室温磁制冷机上应用最多，提供的的磁场强度低于1.5T。

作为室温磁制冷系统的核心部件，主动式蓄冷器可以减少外部蓄冷器形式中二次换热产生的不可逆损失以及内部蓄冷器形式中的不同温度的蓄冷液体混合产生的不可逆损失。主动式蓄冷器的概念是由Steyert于1978年引入的，并由Barclay和Steyert进一步发展。从九十年代开始美国、日本及欧洲一些国家便开始重视主动式蓄冷器的研究。目前主动式蓄冷器内部主要采用多孔结构的颗粒填充、板式填充、丝束状填充、层状填充及周期性波浪状结构，传热流体直接流过蓄冷器内部进行对流换热。上述填充方式各有优缺点，但我们应该意识到这种流动方案存在一个基本的矛盾，即为了获得尽可能大的制冷量应尽可能多的填充磁热工质进而导致孔隙率降低，而较小的孔隙率会使流体流过填料床时带来极大的压降损失。理想的填充结构要达到的目的是在可接受的压降范围内获得比较高的换热效率及工质填充度。

根据主动式蓄冷器进出磁场的方式，上述世界范围内41台样机及系统主要可分为往复式及旋转式两大类。采用往复式主动蓄冷器的室温磁制冷系统存在运行频率低、制冷量小及不紧凑等问题。中国专利CN1468357A及CN100592008C公布了两种旋转式磁制冷系统，能有效提高系统运行频率。但旋转式室温磁制冷系统内部结构及永磁体结构设计复杂，流体压降大，且大部分情况下需要设计专用的流体分配阀。因此旋转式系统加工精度要求高，密封难度大且总体成本大幅增加。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中两大类磁制冷机存在的问题，提供一种采用连续旋转的主动式蓄冷器及简单有效的换热通道的旋转式磁制冷装置及其应用，以克服往复式磁制冷系统运行频率低及制冷量小等缺点和改进旋转式磁制冷系统内部结构、流体分配系统及外部永磁体设计复杂、系统压损大及密封难度高等不足。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种旋转式磁制冷装置，包括磁场源，主动式蓄冷器模块及冷热流体换热通道，其特征在于，所述主动式蓄冷器模块包括两个，每个主动式蓄冷器模块由两个填料层径向夹一层磁性工质床构成，两个主动式蓄冷器模块同轴轴向错开并周向相差180度布置，该两个主动式蓄冷器模块同步旋转时交替通过上半部覆盖有磁场源的磁场区和下半部无磁场区，所述蓄冷器模块旋转外周的磁场区空间中静止设有与高温端换热器连通的热流体通道；所述蓄冷器模块旋转外周的无磁场区空间中静止设有与低温端换热器连通的冷流体通道，所述两个主动式蓄冷器模块轴向之间、冷热流体通道外周及左右端面上均设有绝热层。

上述方案中，所述两个主动式蓄冷器模块及外周的冷热流体通道均设计为半圆环状。

所述磁场源为永磁体，其结构为半圆环形状，将热流体通道、以及通过磁场区的主动式蓄冷器模块包含在其中，提供径向的磁场。

所述与高温端换热器连通的热流体通道，其入口连接第一循环泵，出口连接高温端换热器构成高温循环回路；所述与低温端换热器连通的冷流体通道，其入口连接第二循环泵，出口连接低温端换热器构成低温循环回路。

以上旋转式磁制冷装置的应用，其特征在于，用于制冷时，高温端换热器与外部热源接触且低温端换热器与被冷却空间接触；用作热泵时，低温端换热器与外部热源接触且高温端换热器与被加热空间保持接触。

本发明提供的旋转式磁制冷装置的优点是：

(1)该装置与传统蒸气压缩式系统相比，前者制冷效率更高，机械振动及相应的噪声更小，可靠性更高，寿命更长且能最大程度上避免全球变暖效应；

(2)该装置与往复式磁制冷系统相比，前者由于连续运转且两个蓄冷器模块交替工作，因此运行频率更高，结构更加紧凑；换热流体保持单向流动，能有效避免换热流体往返流动带来的混合损失；

(3)该装置与以往旋转式磁制冷系统相比，内结构设计更加简单；无需设计专门的流体分配系统，密封更加容易；换热流体并不直接流过磁性工质床，可在尽量提高磁性工质填充度的同时有效降低系统压损。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明磁制冷装置结构示意图；

图2是本发明的一个具体实施例。其中图2a是主动式蓄冷器模块和流体通道半圆环轴测图；图2b是轴面剖视图。

图3是本发明基于图2结构的采用双流通通道的另一个实施例图。

图1至图3中：1为第一填料层，2为第一磁性工质床，3为第二填料层，4、4’为冷流体通道，5、5’为热流体通道，6为外部磁场源，7为驱动轴，8为绝热层，9为第一循环泵，10为电机，11为高温端换热器，12为低温端换热器，13为第二循环泵，14为第四填料层，15为第二磁性工质床，16为第三填料层。

具体实施方式

如图1所示，本发明磁制冷装置包括两个主动式蓄冷器模块，一个主动式蓄冷器模块由第一填料层1、第一磁性工质床2及第二填料层3组成；另一个主动式蓄冷器模块由第三填料层16、第二磁性工质床15及第四填料层14组成。第一磁性工质床与第二磁性工质床呈圆心对称并且两者几何结构及尺寸相同，第一填料层与第三填料层呈圆心对称并且两者几何结构及尺寸相同，导热率均大于空气导热率，第二填料层与第四填料层呈圆心对称并且两者几何结构及尺寸相同。使用中，电机10(变频电机或步进电机)带动驱动轴7旋转，进而驱动两个蓄冷器模块同步旋转，两个主动式蓄冷器模块周向相差180度相位。主动式蓄冷器模块轴向可以是两个以上偶数个数目(4个、6个、8个等)。

外部磁场源6提供覆盖装置上半部空间的磁场。热流体通道5位于磁场区的半部空间，保持静止，循环泵9连接热流体通道5的入口，热流体通道5的出口连接高温端换热器11结合PV管从而构成一个循环回路。冷流体通道4位于无磁场区的半部空间，保持静止，循环泵13连接冷流体通道4的出口，低温端换热器12连接冷流体通道4的入口结合PV管从而构成另一个循环回路。整个磁制冷装置最外层及左右端面均包裹有绝热层8以防止热量的损失，并且相邻两个主动式蓄冷器模块间也铺设有绝热层8降低传热损失。

对四个填料层的物性有特殊要求，即保证第一填料层的导热率至少为第二填料层的导热率的40倍，第三填料层的导热率至少为第四填料层的导热率的40倍，且第一填料层的物性与第三填料层的物性近似；第二填料层与第四填料层用于阻止流体与磁性工质间的换热。

高、低温端换热器采用板式换热器；磁性工质床内部采用分级多孔球形颗粒填充、板式填充、周期性结构填充、丝束状填充或混合材料的层状填充；磁性工质床运行于近室温区时采用金属钆及巨磁热效应材料作磁性工质；换热流体优选采用具备导热率高、粘度低特性及无腐蚀性的流体，如乙二醇水溶液；外部磁场源采用永磁体、电磁体或高性能通电螺旋管磁体提供覆盖装置上半部空间的磁场；

磁制冷装置使用中，第一磁性工质床2位于无磁场区，磁性工质处于退磁状态并且温度降低，第二循环泵13将换热流体从冷流体通道4右侧泵至左侧，由于第二填料层3的导热率要远小于第一填料层1与空气的导热率，且第一磁性工质床2两端面铺设有绝热层8，第一磁性工质床2只能从冷流体通道4吸热热量，即冷流体通道4中换热流体将第一磁性工质床2中产生的冷量带走，通过低温端换热器12换热流体将冷量传给被冷却空间从而实现制冷；同时第二磁性工质床15与第一磁性工质床2相差180度相位处于磁场区，第二磁性工质床15处于励磁状态并且温度上升，第一循环泵9换热流体从热流体通道5左侧泵至右侧，同样由于第四填料层14的导热率要远小于第三填料层16与空气的导热率，第二磁性工质床15产生的热量只能排到热流体通道5，进而通过高温端换热器11将热量传给外部热源。

电机10带动两个蓄冷器模块同步旋转，直至下一个工作期第一磁性工质床2位于磁场区6并且第二磁性工质床15位于无磁场区；第一磁性工质床2处于励磁状态产生热量并且将热量排到热流体通道5；第二磁性工质床15处于退磁状态产生冷量并且由冷流体通道4中换热流体将冷量带走。两个蓄冷器模块交替工作而两个流体循环通道中流体保持单向流动，从而实现装置的连续制冷。

磁制冷装置用于制冷时，高温端换热器11与外部热源接触且低温端换热器12与被冷却空间接触；装置用作热泵时，低温端换热器12与外部热源接触且高温端换热器11与被加热空间保持接触。

图2a表示本发明主动式蓄冷器模块和流体通道的可选实施例，图2b表示该实施例子的轴面剖视图。在这个例子中，第一填料层1、第二填料层3、第三填料层16、第四填料层14、第一磁性工质床2、第二磁性工质床15、冷流体通道4及热流体通道5均设计成半圆环状，能获得流体与磁性工质间较大的换热面积。永磁体结构为半圆环形状，将热流体通道5、第四填料层14、第二磁性工质床15及第三填料层16包含在永磁体的半圆环状空气隙中，提供径向的磁场。各填料层及工质床的径向厚度根据磁性工质填充质量及磁场空气隙厚度确定。

如图3所示，为强化换热流体与磁性工质床之间的换热速率，可为每个磁性工质床设计两个换热流体通道。在这个实施例子中，基于图2的结构，在环形状第二填料层3径向内侧设置内层冷流体通道4’；在环形状第四填料层14径向内侧设置内层热流体通道5’；冷流体通道4与4’采用并联形式，两通道内流体流动方向一致且保持同步；热流体通道5与5’同样采用并联形式，两通道内流体流动方向一致且保持同步。永磁体也可设计成图3所示的几何结构。图3所示实施列中，永磁体结构简单，但要求磁制冷装置的径向尺寸与轴向尺寸之比较小，以满足对高磁场强度的需求。

Claims (5)

1.一种旋转式磁制冷装置，包括磁场源，主动式蓄冷器模块及冷热流体换热通道，其特征在于，所述主动式蓄冷器模块包括两个，每个主动式蓄冷器模块由两个填料层径向夹一层磁性工质床构成，两个主动式蓄冷器模块同轴轴向错开并周向相差180度布置，该两个主动式蓄冷器模块同步旋转时交替通过上半部覆盖有磁场源的磁场区和下半部无磁场区，所述蓄冷器模块旋转外周的磁场区空间中静止设有与高温端换热器连通的热流体换热通道；所述蓄冷器模块旋转外周的无磁场区空间中静止设有与低温端换热器连通的冷流体换热通道，所述两个主动式蓄冷器模块轴向之间、冷热流体换热通道外周及左右端面上均设有绝热层。

2.如权利要求1所述的旋转式磁制冷装置，其特征在于，所述两个主动式蓄冷器模块及外周的冷热流体换热通道均设计为半圆环状。

3.如权利要求2所述的旋转式磁制冷装置，其特征在于，所述磁场源为永磁体，其结构为半圆环形状，将热流体换热通道、以及通过磁场区的主动式蓄冷器模块包含在其中来提供径向磁场。

4.如权利要求1所述的旋转式磁制冷装置，其特征在于，所述与高温端换热器连通的热流体换热通道，其入口连接第一循环泵，出口连接高温端换热器构成高温循环回路；所述与低温端换热器连通的冷流体换热通道，其入口连接第二循环泵，出口连接低温端换热器构成低温循环回路。

5.如权利要求1所述的旋转式磁制冷装置的应用，其特征在于，用于制冷时，所述高温端换热器与外部热源接触且低温端换热器与被冷却空间接触；用作热泵时，低温端换热器与外部热源接触且高温端换热器与被加热空间保持接触。

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