CN103148634A - 基于amr的旋转式室温磁制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁制冷机，具体涉及一种旋转式主动回热（或称蓄冷）室温磁制冷机。本发明中的旋转式室温磁制冷机包括传动装置、磁场源、由转轴带动的被分为多个工质床格的磁制冷工质床，换热流体、换热流体流向控制阀门。因为磁制冷工质在永磁体系统周期性加场和减场时会励磁升温和去磁降温，所述的换热流体在磁制冷工质间往复流动而运载出热量和冷量。本发明中的旋转式室温磁制冷机采用内外永磁体提供磁场源，磁场强度高；独特设计的分割成多个工质格的磁制冷工质床很好地解决了工质的连续旋转和换热过程的方向切换之间的矛盾，减少了内部流体的短路，提升了换热效果，配合换热流体流向转换阀门使得本发明中的旋转式室温磁制冷机结构紧凑、效率高、功率大、制造成本低。

Description

基于AMR的旋转式室温磁制冷机

 

技术领域

本发明涉及一种室温磁制冷机，具体涉及一种基于主动式回热（或称蓄冷）的旋转式室温磁制冷机。本发明中的旋转式室温磁制冷机包括永磁磁体系统，由转轴带动的磁制冷工质床，换热流体；伴随永磁磁体系统对磁制冷工质周期性的进行励磁升温和去磁降温，所述的换热流体在冷热换热器之间经过磁制冷工质周期性往复流动。降温后的流体与需冷空间进行热交换，从而实现制冷目的。该制冷机的逆循环运行也可以做热泵使用。

 

背景技术

传统广泛应用的制冷方式是机械式蒸汽压缩循环制冷。这种制冷技术使用的制冷工质会破坏大气层上空的臭氧环境，而现在的替代工质有很大的温室效应指数和燃爆性，不但制冷效率不高，而且严重地影响到能源的利用和人类的生存环境。

研究和发展节能、安全、环保的新型制冷方式非常重要。室温磁制冷技术作为一种新型制冷方式，具有高能效、无污染、无噪音、安全可靠等优点，它不需要使用导致大气臭氧层破坏和加剧全球变暖的气体制冷剂，而只需依靠磁性材料的磁热效应，通过磁化和去磁过程的反复循环达到制冷目的。因此，磁制冷技术被公认为是一种绿色环保的制冷技术，受到了包括美国、日本、欧洲、亚洲和南美洲在内全世界数十个国家许多研究机构的广泛关注。

1996年美国宇航公司的C. Zimm采用了主动式磁回热器（AMR）技术，建立了一台室温磁制冷演示机。在超导磁体提供的5特斯拉的磁场下获得了500-600W的制冷量。随后，AMR普遍为磁制冷机所采用，并成为磁制冷机的核心部件。目前国内外提出多种磁制冷机的设计方案，从提供磁场源来看，主要有采用超导磁铁和永磁体两种方式。对于前者，利用超导技术可以产生非常高的磁场，但是将其应用到室温磁制冷中，则会使装置复杂性大大提高、实现起来比较困难，且价格昂贵，维护成本高，因此只适用于实验室进行理论和实验研究。利用永磁体则能够大幅度降低磁制冷机的生产和运行成本。因此，目前人们大多选用高性能的永磁体作为磁场源来进行磁路设计，配以合适的循环方式和机构设计就能够实现基于永磁体的室温磁制冷机。

从磁工质工作方式来看，主要有往复式和旋转式两种方式。前者的运动是间断不连续的，每次都要经历停——开——停——开——停这样一个周而复始的过程，不仅在效率上有所欠缺，而且体积较大。旋转式磁制冷机采用连续运转的旋转方式，体积较小、功率大而效率高，所以，怎样设计和完善旋转方式的室温磁制冷机也是磁制冷的关键。

授予Zimm等的美国专利号6,526,759公开了一种旋转磁制冷机。所述的磁制冷机包括设置在一绕中心轴旋转的圆环内的相互分隔的多个磁制冷床，使得当所述圆环旋转时，每一磁制冷床移入或移出由磁铁提供的磁场。换热流体通过一由软管连接到磁制冷床的热端和冷端并随圆环旋转的分配阀被导入或导出所述的磁制冷床。所述的分配阀带有一静止的阀门部件，该阀门部件通过软管连接到冷端热交换器和热端热交换器。所述的磁制冷床包括有孔洞的磁热效应材料以使换热流体流经该孔洞。所述的分配阀将换热流体导向位于磁场外面的热端，流经热端进入冷端并由此导回分配阀；并且，当磁制冷床位于磁场中时，分配阀将换热流体导入磁制冷床的冷端，流经冷端进入热端并由此导回到分配阀，从而完成一个制冷循环。流经每一软管的流体仅作单向流动或不流动，以使软管内的死体积最小。该专利中磁制冷床励磁空间小，设计相当复杂。

中国专利ZL 200610165503.X 公开了一种旋转磁制冷设备用永磁磁体系统，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°。本发明还可作为其它旋转的高场强永磁机构。从本专利公开的内容来看，所述的旋转磁制冷设备结构复杂，磁场低、效率较低且制造成本高。

 

发明内容

本发明的目的是针对旋转式磁制冷机的上述问题，根据磁热效应原理，设计出一款新型旋转式室温磁制冷机。该系统采用内外永磁定子，在其间装有可以转动的磁制冷工质床，结构紧凑，效率高，噪音低。

本发明中的旋转式室温磁制冷机，包括：

包括电机和转轴的传动装置； 

 由永磁体形成的磁场源，所述的永磁体由长方体挖去中间两同心圆桶间隔剩余的两块空间平行的永磁块组成，永磁块的两个圆弧面相对；

设置于所述两块永磁块之间的磁制冷工质床，所述的磁制冷工质床为中空圆筒形，在圆筒的内壁和外壁之间形成的截面为圆环的空间中将空间分成数目为偶数的多个工质床格，工质床格中放置磁工质；所述的磁制冷工质床靠近但不接触所述的永磁块的两个圆弧面，并固定在转轴上随着转轴一起运动；

设置在磁制冷工质床两端至少一端的换热流体流向控制阀门，所述换热流体流向控制阀门包括引流部分、分流部分、顺流部分和法兰，所述的引流部分带有引流通道，分流部分带有与引流部分引流通道相配合的分流槽，分流槽将换热流体分流至带有与所述工质床格相对应的顺流孔的顺流部分；所述的法兰和顺流部分通过法兰与磁制冷工质床上的法兰固定连接并随转轴一起运动；所述的引流部分和分流部分与所述的法兰和顺流部分活动连接，并不随转轴一起运动。

在本发明的一个具体实施方式中，所述的磁场源还包括一内部永磁块， 所述的内部永磁块为削去两边的圆柱，套装在所述的转轴上并不随转轴一起运动。

位于磁块内部的转轴优选采用导磁材料。

在本发明的一个具体实施方式中，所述的磁制冷工质床的空间被等分为24个工质格。

在本发明的又一个具体实施方式中，所述的磁制冷工质床与换热流体流向控制阀门之间带有密封过滤装置。

本发明中的旋转式室温磁制冷机系统采用内外永磁块提供磁场源，磁场强度高；独特设计的平行的多个工质床格的磁制冷工质床使得系统整体的断续运行方式改成为准连续的磁化和去磁、流体过冷流和过热流的方式，最大限度地减少了死体积的影响，提升了换热效果，配合换热流体流向转换阀门使得本发明中的旋转式磁制冷机结构紧凑，效率高，制造成本低。

 

附图说明

图1  为本发明一种旋转式室温磁制冷机的结构分解示意图；

图2  为图1中已装配好的旋转式室温磁制冷机的示意图； 

图3  为本发明外部永磁块示意图；

图4  为本发明内部永磁块示意图；

图5  为本发明一种磁制冷工质床结构示意图；

图6  为本发明一种换热流体流向控制阀门的结构分解示意图；

图7  为本发明一种密封过滤圈的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。应该清楚，附图中所描述的本发明的具体实施方式仅为说明本发明用，并不构成对本发明的限制。本发明的保护范围由所附的权利要求书进行限定。

图1示出了本发明一种旋转式室温磁制冷机的结构分解示意图。如图1所示，外部永磁块61、62用来形成本发明中的磁场源，所述的外部永磁块61、62采用永磁材料制成，外部永磁块61、62的形状如图3所示。外部永磁块61、62横截面上的两条边为直线，而另两条边为圆弧，永磁块的轴向断面为平面，即其为挖去内部腔体的中空长方体。两永磁块61、62的充磁方向可分为如图3所示的四个部分1、2、3、4，隔空的两磁块1、3或2、4充磁方向相一致，相邻的两磁块1、2或3、4充磁方向相反，且充磁方向最好都与转轴的径向方向一致。如图3中箭头所示。两个永磁块61、62优选固定在两块软铁63、64上。如果相邻的两组磁块1、2和3、4同方向充磁，则其外部的屏蔽软铁要相连形成磁场回路，譬如马蹄形磁体的弯道部分。

为提高磁场源的磁场强度，还可以采用内部永磁体。如图4所示，所述的内部永磁体50为一削去两边的圆柱，并带有中心孔，以套装在转轴51上，且不随转轴51转动（关于转轴将在下文描述）。安装时，使得所述的内部永磁块50的两个圆弧面和外部永磁块的两个圆弧面相对并同心。

本发明中的旋转式室温磁制冷机还包括一磁制冷工质床40，如图5所示，磁制冷工质床40为中空圆筒形，在圆筒的内壁41和外壁43之间形成的圆环截面中由绝热性能好的材料将圆环截面分成数目为偶数的多个工质床格42，工质床格42中放置磁工质。所述的磁制冷工质床靠近但不接触所述的外部永磁块61、62及内部永磁块50的圆弧面，并固定在转轴51上随着转轴一起运动。

所述的磁制冷工质床采用绝热性能好的材料制成，优选采用不锈钢材料制成，也可以是绝热性能良好的增强塑料。所述的磁工质为具有磁热效应的材料，包括但不限于钆金属、钆镝合金、钆硅锗合金、锰铁磷砷合金和镧铁硅合金，锰砷合金，镍锰镓合金，陶瓷类室温磁热效应材料，如钙钛矿结构的镧钙锰氧材料，或者这些材料添加少量的其它元素以改善其物理性能或者工程的材料及其它们的组合，或具有高热导的复合室温磁热效应材料，即将高热导材料与室温磁热效应材料复合所得到的材料。

所述的磁工质可以为球形、片状或丝状。可以将同样形状的磁工质堆放在磁制冷工质床格内，也可以将不同形状的磁工质混合堆放在磁制冷工质床格内。将不同形状的磁工质混合堆放在磁制冷工质床格内可以获得更通畅的换热流体通道，从而获得更好的换热效果。这些材料要求按居里点分高低在工质床内依次排布，高居里点材料靠近高温热交换器。在使用片状或丝状制冷工质时，为了减少制冷床内工质的热漏，沿工质床方向的制冷工质需要分成不少于10段，段与段之间可以加垫薄的绝热丝网或者多孔垫。

所述的旋转式磁制冷机还带有驱动所述转轴51旋转的装置，如电机8。电机的输出轴可以和转轴51固定连接，也可以通过其他传动装置，如皮带和转轴51连接。

如前文所述，转轴51和所述的内部永磁块50 套装连接，内部永磁块50并不随所述的转轴51一起转动。转轴51和所述的磁制冷工质床40固定连接，即磁制冷工质床40和转轴51一起运动。

所述的转轴51和内部永磁块50可用无磁轴承套装，位于磁块内部的转轴部分优选采用高导磁材料，如但不限于钢或铁。

所述的旋转式室温磁制冷机还带有换热流体流向控制阀门20。所述的换热流体流向控制阀门的结构分解图如图6所示。作为本发明的一种情况，换热流体流向控制阀门20 包括一具有四个通道的引流部分201、一带有四个分流槽的分流部分202及与磁制冷工质床格对准的顺流部分203；顺流部分203做成扁平的圆柱体并带有与磁制冷工质床格数目相同的通孔2031，通孔2031与所述的磁制冷工质床格对准以方便换热流体顺利进入磁制冷工质床40。

所述的顺流部分203和换热流体流向控制阀门的法兰204固定连接并通过法兰204和所述的磁制冷工质床40固定连接，随转轴51一同旋转。引流部分201和分流部分202套装在转轴上，不随转轴51一起做旋转运动。

所述的引流部分201的四个通道2011、2012、2013和2014分别作为换热流体的流进或流出通道，其中相对的一对通道具有相同的流向，而相邻的两个通道具有相反的流向。在所述的顺流部分203和磁制冷工质床40之间优选设置密封过滤圈31（32）（如图7所示）进行密封，以防止换热流体泄露。同时，所述的密封过滤网31（32）还可以起到阻挡磁制冷工质因碰撞而产生的碎屑被换热流体带走。

所述的密封过滤网31（32）优选采用高弹性、高韧性的材料制成，如采用橡胶材料制成。在磁制冷工质床40的法兰和换热流体流向控制阀门的法兰204上优选带有与所述密封过滤网31（32）外形尺寸相应的槽，当密封过滤网31（32）安装到位时，密封过滤网31（32）上的孔311 （321） 与磁制冷工质床40的工质床格42分别对准。

所述的引流部分201、分流部分202及顺流部分203采用绝热性能和耐磨性能良好的材料制成，优选聚四氟乙烯或其它超高分子材料如超高分子聚乙烯制成。

在所述的引流部分201和分流部分202之间、分流部分202和顺流部分203之间优选设置密封圈进行密封，以防止换热流体泄露。所述的密封圈优选采用高弹性、高韧性的材料制成，如采用橡胶材料或低摩擦系数的塑料(如聚四氟乙烯)制成。优选地，分别在引流部分201和分流部分202（或分流部分202和顺流部分203）相对面上加工相应的槽，安装时，将所述的密封圈压紧在相应的槽中。

由于图1中的旋转式磁制冷机的磁制冷工质床40中装有颗粒状的磁制冷工质，颗粒之间存在一定的空隙率，因此对磁制冷工质床施加周期性的磁场，并由泵驱动换热流体周期性往返流动时，换热流体就能与磁制冷工质换热从而达到制冷效果。

图2为图1中已装配好的旋转式室温磁制冷机的示意图。图2中的旋转式磁制冷机运行时，前半周期为：水泵90驱动冷端换热器11中的换热流体流向换热流体流向控制阀门21 入口，冷端换热流体进入励磁换热流体升温引流通道，再经分流部分的分流槽将相当集中的水柱分流为12个通道，经过过滤密封31进入磁制冷工质床。由此，12股均匀的换热流体能够顺利进入磁制冷工质床。磁制冷工质励磁，过冷流，换热流体升温，经过滤密封32过滤，再通过与冷端相对应的换热流体流向控制阀门22，使得换热流体顺利进入热端换热器12，进行换热。流体流向控制阀门21和流体流向控制阀门22与前述的流体流向控制阀门20具有相同的结构。

后半周期为：水泵驱动热端换热器12中的换热流体流向换热流体流向控制阀门22入口，热端换热流体进入去磁换热流体降温引流通道，再将分流部分的分流槽将相当集中的换热流体分流为12个通道。由此，12股均匀的水柱能够经过过滤密封32进入磁制冷工质床。由此，12股均匀的换热流体顺利进入磁制冷工质床。磁制冷工质去磁，过热流，换热流体降温，经过滤密封31过滤，再通过与热端相对应的换热流体流向控制阀门21，使得换热流体顺利进入冷端换热器11，进行换热。

此处描述的前半周期、后半周期实际上是在同一时刻内的描述。即：励磁升温过冷流和去磁降温过热流是同时发生的，也就是说磁制冷工质床有偶数（例如24）个工质床格，通过电动机驱动，磁制冷工质床各有一半工质床格（即各有12个工质床格）分别承担励磁升温过冷流和去磁降温过热流的功能。

此处描述的换热流体为水。当然也可采用其它导热性能良好的流体，如盐水、酒精、乙二醇、丙三醇、掺有微尺度石墨粉的溶液，或它们的混合物。。

由于前述的旋转式磁制冷机采用内外永磁块提供磁场源，磁场强度得到提高；而分割成多个工质格的磁制冷工质床分流换热流体，显著提高了换热效果；配合换热流体流向转换阀门使得本发明中的旋转式磁制冷机结构紧凑，效率高，制造成本低。

只在一端设置换热流体流向转换阀门时，另外一端可以采用射流原理来实现进出流体的分离：即在工质床格的各个接口分别设置进出回路，离开接口的是一个个喷嘴，喷嘴壁上有若干小孔，小孔的指向朝着流体离开工质床格的方向（从喷嘴的外部看）。这些喷嘴周围的空间是流体返回接口的回路。喷嘴的下一级接入一个汇总管道接入外部换热器，外部换热器通过另一条汇总管道与喷嘴周围的空间相连，从而可以将外部换热器内的流体回流进入工质床格。

基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。

Claims (10)

1. 一种旋转式室温磁制冷机，包括：

       包括电机和转轴的传动装置； 

      由永磁体形成的磁场源，所述的永磁体由长方体挖去两同心圆桶间隔剩余的两块空间平行的永磁块组成，永磁块的两个圆弧面相对； 

磁制冷工质床，所述的磁制冷工质床为中空圆筒形，在圆筒的内壁和外壁之间形成的截面为圆环的空间中由绝热性能好的材料将空间分成数目为偶数的多个工质床格，工质床格中放置磁工质；所述的磁制冷工质床靠近但基本不接触所述的永磁块的两个圆弧面，并固定在转轴上随着转轴一起运动；

在磁制冷工质床两端至少一端设有换热流体流向控制阀门，所述控制换热流体流向控制阀门包括引流部分、分流部分、顺流部分和法兰，所述的引流部分带有引流通道，分流部分带有与引流部分引流通道相配合的分流槽，分流槽将换热流体分流至带有与所述工质格相对应的顺流孔的顺流部分；所述的法兰和顺流部分通过法兰与磁制冷工质床上的法兰固定连接并随转轴一起运动；所述的引流部分和分流部分与所述的法兰和顺流部分活动连接，并不随转轴一起运动。

2.根据权利要求1所述的旋转式室温磁制冷机，其特征在于，所述的外部永磁块分别固定在一软铁上。

3.根据权利要求1或2所述的旋转式室温磁制冷机，其特征在于，还包括一内部永磁块，所述的内永磁块为削去两边的圆柱，并用无磁轴承套装在所述的转轴上。

4.根据权利要求3所述的旋转式室温磁制冷机，其特征在于，所述的内外永磁块采用稀土永磁材料制成。

5.根据权利要求4所述的旋转式室温磁制冷机，其特征在于，所述的磁工质为钆金属、钆镝合金、钆硅锗合金、锰铁磷砷合金、镧铁硅合金，镍锰镓合金，锰砷合金，陶瓷类室温磁热效应材料，或具有高热导的复合室温磁热效应材料。

6.根据权利要求5所述的旋转式室温磁制冷机，其特征在于，所述的磁制冷工质床被平分为偶数个工质床格；所述的换热流体流向控制阀门的引流部分带有4个引流通道，所述的分流部分带有与所述4个引流通道相配合的4个分流槽，所述的顺流部分带有与所述偶数个工质床格配合的偶数个顺流孔。

7.根据权利要求6所述的旋转式室温磁制冷机，其特征在于，所述的磁制冷工质床与换热流体流向控制阀门之间设置过滤密封装置。

8.根据权利要求7所述的旋转式室温磁制冷机，其特征在于，所述的换热流体流向控制阀门的引流部分和分流部分之间、分流部分和顺流部分之间分别设置密封装置。

9.根据权利要求8所述的旋转式室温磁制冷机，其特征在于，所述的密封装置包括在引流部分（或顺流部分）和分流部分相应的位置上设置的凹槽及设置于所述凹槽内的弹性橡胶或低摩擦系数的塑料。

10.根据权利要求9所述的旋转式室温磁制冷机，其特征在于，所述的换热流体为水、盐水、酒精、乙二醇、丙三醇、掺有微尺度石墨粉的溶液，或它们的混合物。

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