CN102734977A

CN102734977A - 一种基于重复脉冲磁场的磁制冷装置

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Publication number: CN102734977A
Application number: CN2012101763557A
Authority: CN
Inventors: 李亮; 张勃; 王惠龄; 王钱军; 刘梦宇; 吕以亮; 曹全梁; 彭涛
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明公开一种基于脉冲磁场的磁制冷装置，包括无续流回路的重复脉冲电源、脉冲磁体、磁制冷工质、热端换热单元及冷端换热单元；重复脉冲电源向脉冲磁体放电，电能部分流回重复脉冲电源实现能量回收；放电过程中脉冲磁体产生脉冲磁场促使磁制冷工质磁化放热，通过热端换热单元将磁工质产生的热量传给高温热源；放电结束后关闭重复脉冲电源，脉冲磁体停止产生脉冲磁场，磁制冷工质退磁吸热，通过冷端换热单元向低温热源吸热，使低温热源温度降低，至此完成一放电制冷周期；如此循环执行放电制冷周期实现持续制冷。本发明通过可控脉冲磁体产生间断重复的脉冲磁场实现磁制冷，具有磁场强度高、无运动部件、控制便捷、效率高和制冷功率大的特点。

Description

一种基于重复脉冲磁场的磁制冷装置

技术领域

本发明涉及应用磁制冷领域，具体涉及一种基于重复脉冲磁场的磁制冷装置，用于室温或相关工业应用温区的制冷。

背景技术

制冷技术对于现代工业的发展和生活的需要已经不可或缺。传统的气体压缩制冷极大的地推动了现代工业和生活，然而随着工业化而来的环境污染和能源危机大大阻碍了它的步伐。因为对臭氧层的破坏，蒙特利尔协议规定到2000年已经全面停止氟里昂的生产和使用。现在大力发展的无氟工质给制冷行业带来了新的动力，然而很多气体仍然存在泄漏，有毒，易燃，易爆的危险，甚至还会产生温室效应气体。另一方面，使用压缩机的使得制冷设备能耗大，效率低，也有很大的振动和噪声。在这个能源和环境问题日益突出的时代中，如何生产出清洁节能的制冷装置迫在眉睫。

磁制冷作为一种新型的制冷方式，因其不用压缩机，效率高于气体制冷，具有明显的节能优势，而且所用传热工质为液体，清洁没有污染，越来越受到人们的重视。磁热效应是指在外部磁场的作用下，某些特定材料的温度会升高；同时，当外部磁场取消时，材料温度会相应的降低回原始温度。所谓磁制冷，就是根据磁工质在外加磁场变化的时候会有吸热和放热的现象（就是所谓的磁热效应）来进行制冷。磁制冷作为一门高新技术，过去只运用于极低温制冷。近年来随着磁体技术与低温技术的发展，包括中国在内的很多国家开始积极开展室温磁制冷样机的研究。

人们对于磁制冷的研究已经有超过100多年的历史，从最初的利用顺磁材料（又称顺磁盐）实现低于1K的超低温制冷，到从20世纪70年代开始的关于室温温度范围回热式磁制冷的研究。一些有代表性的专利有：US4069028,US4441325,US4507928,US4785636,US5182914,US20010925032,US20050922270,KR20050126984,CN20031050050,CN20041040922,CN20061037836,CN20071064813,CN20071305996,CN20081055800,CN20081223038。

在世界范围内所有有关磁制冷装置的公开论文和专利中，绝大部分是旋转式或往复式的，典型的代表有美国NASA的G.V.Brown在1976年提出的首台往复式7T超导室温磁制冷样机（相应专利US4069028），C.B.Zimm在2001提出的1.5T永磁体励磁旋转式磁制冷机（相应专利US20010925032）以及我国四川大学于2004年开发出永磁体励磁旋转式室温磁制冷样机（相应专利CN20041040922）。它们的升磁和降磁都是通过移动或者转动来产生磁场的磁体或者磁热材料本身来实现的。由于运动部件的存在，使得用以实现磁制冷热力循环的装置变得非常复杂，这不仅增加了系统的不可靠性，摩擦产生的热损耗也降低了系统的整体制冷效率，并且换热工质循环控制系统的复杂性也大大增加了。

除此以外，美国Los Alamos国家实验室的P.E.Blumenfeld在2002年提出了使用缓慢变化的电流通过高温超导磁体，产生1.7T缓慢周期变化的磁场来实现静止式的磁制冷。（相应论文High temperature superconductingmagnetic refrigeration,AIP Conference Proceedings）但是超导磁体不仅造价昂贵，它们的运行也需要有严格的低温条件。更重要的是，由于交流损耗的存在，超导磁体电流的变化速率都必须限制在一定范围内，否则就会造成超导磁体的失超。在这种情况下，整个磁制冷循环的频率就大大降低了，从而也直接降低了系统的制冷量及效率。另外，清华大学的丁仁杰等在2004年也曾提出过使用带铁心的通电螺线管产生磁场，通过控制励磁电流实现无运动部件静止式的磁制冷的方案（相应专利CN20031050050）。这种带铁心励磁的磁制冷机虽然便于控制调节，但由于铁心饱和以及励磁电流强度受线圈发热限制，磁场强度不可能高，不能产生实现有效磁制冷循环所必须的强磁场，因此，国内外也少有相应的进一步的研究。

总体来说，目前世界范围内磁制冷装置的缺点在于以下几个方面：1）永磁块磁场强度低，而超导磁体造价又过于昂贵；2）绝大部分磁制冷机升降磁过程需要运动部件。不需运动部件的极少数磁制冷样机中，超导磁体造价昂贵、运行维护要求高，铁心励磁方式磁场过低，无法有效激发磁热效应；3）升降磁系统、换热系统的控制复杂；4）现有磁制冷装置能量损耗大，效率低，制冷功率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于重复频率脉冲磁场的磁制冷装置，相比现有的磁制冷装置，具有磁场强度高（5T以上）、无运动部件、控制便捷、效率高和制冷功率大的特点。

一种基于重复脉冲磁场的磁制冷装置，包括无续流回路的重复脉冲电源、脉冲磁体、磁制冷工质、热端换热单元及冷端换热单元；重复脉冲电源连接脉冲磁体，脉冲磁体的孔径内填充有磁制冷工质，磁制冷工质的两端分别连接热端换热单元及所述冷端换热单元；

重复脉冲电源向脉冲磁体放电，由于无续流回路，放出的电能部分流回重复脉冲电源实现能量回收；放电过程中脉冲磁体产生脉冲磁场促使磁制冷工质磁化放热，通过热端换热单元将磁工质产生的热量传给高温热源；放电结束后关闭重复脉冲电源，脉冲磁体停止产生脉冲磁场，磁制冷工质退磁吸热，通过冷端换热单元向低温热源吸热，使低温热源温度降低，至此完成一个放电制冷周期；如此循环执行放电制冷周期，实现持续制冷。

所述脉冲磁体的相邻线圈层间设有换热通道。

所述重复脉冲电源模块包括由充电机、充电机开关元件和交流电容器组构成的充电回路，以及由所述交流电容器组、双向并联晶闸管和所述脉冲磁体构成的震荡放电回路。

本发明的技术效果体现在：

本发明采用高磁场脉冲磁体，产生了高磁场加强了磁制冷材料的磁热效应；

本发明采用重复脉冲电源及其配套脉冲磁体，产生了重复脉冲磁场，实现了静止式磁制冷，即无运动部件磁制冷。

本发明通过控制系统，对重复脉冲电源（主要是晶闸管和充电机）、脉冲磁体和换热系统（冷、热端控制阀）统一控制，相比有运动部件或有超导磁体的系统，实现周期、功率可控的制冷，实现了控制系统的简单化。

本发明采用的无续流回路的重复脉冲电源，以交流电容器作为电源主体，通过回馈的脉冲电流负向对电容器组充电，实现能量回馈，提高了制冷系统的制冷功率和效率。

本发明采用的脉冲磁体线圈匝数大，以增加脉冲宽度，便于为换热提供充足的时间。同时，通过在脉冲磁体线圈层间设计换热通道，使磁体换热能力大大加强，从而使磁体在重复脉冲激励的条件下满足稳态工作的温升要求。

本发明采用无续流回路的重复脉冲电源，通过控制反向并联晶闸管的开断，在脉冲磁体内孔产生峰值及周期可控的欠阻尼震荡电流及磁场。

本发明在每个回馈周期中晶闸管关断的时候，通过充电机对电容器快速充电以补充电容器放电过程中的电压亏损，以实现系统稳定重复运行。

附图说明

图1为磁制冷装置整体结构图；

图2为重复脉冲电源电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施对本发明做进一步说明。

图1给出了本发明的一种实施方式，包括无续流回路的重复脉冲电源1、脉冲磁体2、磁制冷工质3、控制单元4、控制阀5a和5b、泵6a和6b、冷端换热器7及热端换热器8。控制单元4、控制阀5a、泵6a和热端换热器8构成热端换热单元，控制单元4、控制阀5b、泵6b和冷端换热器7构成冷端换热单元。其中，重复脉冲电源1，控制阀5a和5b、泵6a和6b的开断时间配合由控制单元4控制实现。

现有脉冲磁体技术中的重复脉冲电源一般都包含续流回路，这样磁场脉宽会增加，但是，如此电能会大量消耗在续流电阻上，不能实现电能回收，严重影响装置的制冷效率。本发明为了实现能量回收，去除重复脉冲电源的续流回路。本发明无续流回路的重复脉冲电源能够提供幅值可变、周期可控、效率高、能稳态运行的重复脉冲电流，其具体实现电路可参见图2，其分为左边充电回路与右边放电回路，包括充电机9、充电机开关元件10、交流电容器组11、双向并联晶闸管12以及脉冲磁体2。其中晶闸管为优选方案，其他功率开关元件比如：IGBT、GTO等也可替换晶闸管实现电路功能。除了图2所示电路外，在交流电容器组11两端并联续流回路（续流电阻串联反向二极管），将双向并联晶闸管12改为单向晶闸管，也能实现重复脉冲电流输出的功能。但由于续流回路会造成电流损失，影响了磁制冷装置的效率。

为了使磁体在重复脉冲电流激励的条件下能满足稳态工作的温升要求，在脉冲磁体2的线圈相邻层间设计了换热通道。

磁制冷装置具体工作方式如下：

步骤一准备阶段：充电机开关元件10导通，充电机9对交流电容器组11充电，脉冲磁体2腔中填入磁制冷工质3。

步骤二正向放电制冷周期：如图2所示，当交流电容器组11正向充电满后，充电机开关元件10关断，双向并联晶闸管12正向开启，交流电容器组对脉冲磁体2放电，在磁体孔径内产生正半波脉冲磁场，放电后电流反充到交流电容器组11，电容电压成负向，正向开启的双向并联晶闸管12将过零关断（脉冲电流过零，晶闸管会自动关断）。同时，换热方面，如图1所示，在脉冲上升沿时，磁制冷工质3由于磁热特性温度会升高，此时，控制阀5a、泵6a开通，通过热端换热器8将磁制冷工质产生热量尽可能多的带走。随后在脉冲下降沿退磁时，磁制冷工质的温度会降到比升磁前温度更低（由于热端换热器8将工质产生热量带走了一部分），这样，就产生了制冷效应。此时，关断控制阀5a、泵6a，开通控制阀5b、泵6b，通过冷端换热器7与磁制冷工质换热，使磁制冷工质的温度回升，同时将磁制冷工质产生的冷量传出，以实现制冷。待磁制冷工质温度回升到实验前的温度附近，关断控制阀5b、泵6b，完成一个制冷循环。

步骤三负向放电制冷周期：如图2所示，放电电流反充后，使交流电容器组11电压成负向，由于经过步骤二，正向放电存在损耗，因此交流电容器组电压大小较步骤一充电后的正向电压略低。随后，双向并联晶闸管12负向开启，交流电容器组反向对磁体2放电，在磁体孔径内产生负半波脉冲磁场，放电后电流回到电容器组，交流电容器组电压又变回正向。同时，换热方面，与步骤二进行完全相同的制冷循环过程（磁制冷工质3的磁热特性与磁场方向无关）。在放电、换热都结束后，双向并联晶闸管负向已过零关断，开启充电回路中充电机开关元件10，由充电机9对交流电容器组正向充电，使交流电容器组电压又回到起始充满的状态。

重复2、3步骤，便可实现持续制冷。

Claims

1.一种基于重复脉冲磁场的磁制冷装置，包括无续流回路的重复脉冲电源、脉冲磁体、磁制冷工质、热端换热单元及冷端换热单元；重复脉冲电源连接脉冲磁体，脉冲磁体的孔径内填充有磁制冷工质，磁制冷工质的两端分别连接热端换热单元及冷端换热单元；

2.根据权利要求1所述的基于重复脉冲磁场的磁制冷装置，其特征在于，所述脉冲磁体的相邻线圈层间设有换热通道。

3.根据权利要求1所述的基于重复脉冲磁场的磁制冷装置，其特征在于，所述重复脉冲电源模块包括由充电机、充电机开关元件和交流电容器组构成的充电回路，以及由所述交流电容器组、双向并联晶闸管和所述脉冲磁体构成的震荡放电回路。