CN103925732A - 一种旋转式串极磁制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式串极磁制冷系统，包括活动磁体和至少一个竖直设置的磁串，磁串包括依次串联导通设置的绝热腔体，绝热腔体内部设置有磁工质；活动磁体反复交错的对磁串中的磁工质进行磁化和退磁，对于同一磁串中的任意一个正处于退磁状态的磁工质，与其相邻的上下两个磁工质必然处于磁化状态；还包括辅助磁串内部热能单向流动的热流动结构，热流动结构分别连通磁串的两端；磁串中由于磁工质被磁化而产生的热量在热传递作用和热流动结构辅助下单向流动，使磁串两端形成冷端和热端；冷端连接制冷腔，制冷腔设置在隔热箱内部。本发明的磁制冷结构使用寿命长，制冷效果好，效率高，无污染，是一种具备实用价值的磁制冷技术方案。

Description

一种旋转式串极磁制冷系统

技术领域

本发明涉及一种磁制冷装置，尤其涉及的是一种旋转式串极磁制冷系统。

背景技术

磁热效应是磁性材料在磁化和退磁过程中由于内部磁熵变化而引起材料放热和吸热的现象，是材料的一种固有特性，磁制冷就是利用材料的磁热效应来实现制冷目的。

传统的磁制冷装置包括固定设置的磁工质和反复对磁工质进行磁化和退磁的活动磁体，该技术的核心的思想是：对于单个的磁工质，利用活动用磁体对其进行反复磁化和退磁，根据磁热效应，磁工质在磁化过程放热，在退磁过程吸热。在磁化致热过程，传统的磁制冷装置通过散热结构尽可能地将单个磁工质磁化时所产生的热量排出，在磁工质退磁致冷过程，使磁工质尽可能吸收更多的外界热量，营造出低温的空间，实现制冷的效果。具体参见申请号为200710305996.7的发明专利公开的室温磁制冷系统和申请号为201320101369.2的实用新型专利公开的磁制冷部件和磁制冷机，这两个专利文献所公开的磁制冷装置均根据上述核心思想制作。

由于单个磁工质在磁化和退磁两个过程中所产生的温度差很小（一般为1-3℃），同时又由于在低温差条件下采用热传导方式速度慢，效率较低（导热物质自身的热容量存在，导致制冷效率降低），因此系统无法及时的完全排出磁工质磁化时所产生的微小热量，而这些热量对制冷效应产生了负面影响，最终导致传统的这种磁制冷装置的制冷效果极差，完全不能达到传统的家用冰箱的实用要求。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转式串极磁制冷系统，旨在解决传统的制冷装置制冷效果差的技术问题。

本发明的技术方案如下：一种旋转式串极磁制冷系统，其中，包括活动磁体和至少一个竖直设置的磁串，所述磁串包括依次串联导通设置的绝热腔体，所述绝热腔体内部设置有磁工质；所述活动磁体反复交错的对磁串中的磁工质进行磁化和退磁，对于同一磁串中的任意一个正处于退磁状态的磁工质，与其相邻的上下两个磁工质必然处于磁化状态；

还包括辅助磁串内部热能单向流动的热流动结构，所述热流动结构分别连通磁串的两端；所述磁串中由于磁工质被磁化而产生的热量在热传递作用和热流动结构辅助下单向流动，使磁串两端形成冷端和热端；所述冷端连接制冷腔，所述制冷腔设置在隔热箱内部。

所述的旋转式串极磁制冷系统，其中，还包括固定安装活动磁体的磁体安装架，所述磁体安装架轴向转动设置，磁体安装架两侧错位固定多个对磁串中的磁工质进行磁化和退磁的磁腔体；所述磁腔体包括上下固定设置的两块活动磁体，两块活动磁体之间形成对磁串中的磁工质进行磁化和退磁的腔体； 

所述各绝热腔体之间设置有空隙，所述磁体安装架转动，活动磁体周期经过绝热腔体之间的空隙，磁腔体周期的交错对磁串中的磁工质进行磁化和退磁，使各磁串两端形成冷端和热端。

所述的旋转式串极磁制冷系统，其中，所述热流动结构包括连通磁串两端的管道，所述管道与磁串连通，管道与制冷腔内部均设置有传递热能的制冷剂；所述管道靠近热端处设置有散热结构。

所述的旋转式串极磁制冷系统，其中，所述管道靠近冷端处设置有加快管道内部制冷剂循环运动的辅佐循环泵。

所述的旋转式串极磁制冷系统，其中，所述磁串中的各绝热腔体之间设置有防止制冷剂倒流的止回结构。

所述的旋转式串极磁制冷系统，其中，所述散热结构通过一根竖直设置的竖直长管连接制冷腔。

所述的旋转式串极磁制冷系统，其中，所述磁工质设置成外表面皱褶的多孔状结构。

本发明的有益效果：本发明跳出了传统的磁制冷结构的实际思路（传统的磁制冷机的设计思路一直专注于如何让磁工质在致热（磁化）环节散发掉更多热量，如何在制冷（退磁）环节让工质吸收更多热量），没有直接通过辅佐设备放大一个磁工质通过磁热效应所产生的制冷效果，而是从宏观角度去解决问题—将数十个工质串接在一起，让其中一部分被磁化致热，另外一部分被撤磁制冷，两者相互协助，将磁制冷机的概念转变成“热能提升机”（热能搬运）的概念，使磁串两端产生较大的温差，形成热端和冷端，其冷端温度完全符合家用冰箱制冷的要求。

本发明通过创造性的简单结构，运用具备磁热效应的磁工质，实现了具有高实用价值的磁制冷，解决了传统磁制冷机的技术难题。在传统磁制冷技术中，磁化致热效应是负面效应，会抵消退磁致冷的效果，在本方案中，磁化致热和退磁致冷都参与到制冷循环中来，都为制冷的有益效应，实现了制冷效率的大幅度提升，同时极大的强化了制冷效果。运用本发明的技术，相对于传统的压缩机制冷技术，在同等制冷量的情况下可以减少电能的消耗，同时消除传统压缩机制冷方式导致的环境污染问题。本发明的磁制冷结构使用寿命长，制冷效果好，效率高，无污染，是一种具备实用价值的磁制冷技术方案。

附图说明

图1是本发明中旋转式串极磁制冷系统的结构简图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

人们对磁制冷技术的研究已经超过半个世纪，但一直没有成功进入实用阶段，其技术难点在于几点：1、退磁致冷的制冷效果的表现微弱，需要进行积累才可产生明显效果；2、退磁致冷效应与磁化致热效应是伴生关系，有退磁致冷必然会有磁化致热，两种效应交替产生，相互抵消。传统的磁制冷的设计思路一直专注于如何让磁工质在磁化致热环节散发掉更多热量，如何在退磁致冷环节让磁工质吸收更多热量。基于这个设计思路，传统的磁制冷机结构复杂，耗能，制冷效果极差，无法满足一般的冰箱制冷要求。

本发明提出的磁制冷结构并没有考虑如何强化单个磁工质的制冷效果，而是从宏观角度去解决问题，将数十个磁工质串接在一起，让其中一部分被磁化致热，另外一部分被退磁制冷，两者相互协助，将制冷机的概念转变成“热能提升机”的概念，使磁串的两端形成冷端和热端，冷端温度完全可以达到制冷的效果。

为了使本发明的技术方案更加容易被理解，首先对“热能提升机”的概念进行简单阐述。对于一个物体，如果直接“拿走”其热能，使其某一部位的原子周围电子振动（能级）减弱，最终导致该物体整体的电子振动（能级）减弱，这是传统制冷的原理。假如对该物体，不直接“拿走”其热能，只是通过一种“热能提升装置”（热能搬运移动）使该物体的热能分布不均匀，比如通过热量搬运，将物体底部的热量不断往上搬运，令其下端温度降低20℃，上端温度升高20℃，这就产生所谓的冷端和热端，此时并没有对该物体“给予或拿走”热量（物体的总热能不变），但冷端完全达到了制冷的要求。以下，对本发明的技术方案进行详细的说明。

基于上述原理，本发明公开了一种旋转式串极磁制冷系统，如图1所示，包括磁串200，该磁串200由多个连通设置的绝热腔体210组成，各绝热腔体210上下设置，每一个绝热腔体内部设置有磁工质220。在磁串200的顶部设置有散热结构300，底部设置有制冷腔400，磁串200通过管道500分别连接散热结构300和制冷腔400，同时散热结构300通过一根竖直设置的竖直长管510连通制冷腔400，形成循环回路。在该循环回路内部（管道、制冷腔、磁串和竖直长管内部）充斥着制冷剂，制冷剂在循环回路中循环流动，主要是用于带动热量循环运动。实际应用中，为了防止外部热量进入制冷腔，将制冷腔放入隔热箱410中设置。

如图1所示，在磁串200的一侧设置有固定安装活动磁体110的磁体安装架100，磁体安装架100，轴向转动设置（图中箭头为转动方向）。两个活动磁体110为一组，分别上下设置，形成多个对磁串200中的磁工质220进行磁化和退磁的磁腔体120，这些磁腔体120错位设置在磁体安装架100两侧（参见图1）。各绝热腔体210之间设置有空隙，磁体安装架100转动，活动磁体110周期经过绝热腔体210之间的空隙，磁腔体120周期的交错对磁串中的磁工质进行磁化和退磁，使各磁串两端形成冷端和热端。

本发明的磁制冷系统的工作过程如下：磁体安装架100轴向转动，磁腔体120周期的交错对绝热腔体210内部的磁工质220进行磁化和退磁，具体参见图1，将磁工质从下到上进行编号，分别为第1号磁工质、第2号磁工质、第3号磁工质、第4号磁工质、第5号磁工质、第6号磁工质。初始状态下，磁腔体120对第1、3、5号磁工质进行磁化，磁工质放热，其对应的绝热腔体的温度上升，而第2、4、6号磁工质为退磁状态，磁工质吸热，其对应的绝热腔体的温度下降，第1号磁工质对应的绝热腔体的温度略高于第2号磁工质对应的绝热腔体的温度（依次类推第3、4、5、6号磁工质对应的绝热腔体之间的温度规律）。此时由于热传递（或者其他辅佐结构、方法）的帮助下，第1号磁工质对应的绝热腔体中的热量向上运动，进入第2号磁工质对应的绝热腔体中（其表现为制冷剂蒸汽的向上运动），同理，第3号磁工质对应的绝热腔体中的热量向上运动，进入第4号磁工质对应的绝热腔体中，第5号磁工质对应的绝热腔体中的热量向上运动，进入第6号磁工质对应的绝热腔体中。当磁体固定架转动半周，磁腔体对第2、4、6号磁工质进行磁化，其对应的绝热腔体温度上升，而第1、3、5号磁工质进入退磁状态，其对应的绝热腔体温度下降，制冷器中的热量进入第1号磁工质对应的绝热腔体，第2号磁工质对应的绝热腔体的热量进入第3号磁工质对应的绝热腔体，第4号磁工质对应的绝热腔体的热量进入第5号磁工质对应的绝热腔体，第6号磁工质对应的绝热腔体的热量进入散热结构300，这些热量经过散热结构的作用，有一部分散发到外界，剩下的小部分热量再经过竖直长管510进入制冷腔，再进行上述的步骤，形成热量的循环（热量的流动的表现形式为制冷剂气液状态的转换以及流动）。通过这种结构，实现了热量的搬运效果，在磁腔体周期的反复交错对磁工质进行磁化和退磁后，达到一种动态平衡状态，此时靠近磁串底部的绝热腔体温度较低（第1号磁工质对应的绝热腔体和制冷腔的温度最低），靠近磁串顶部的绝热腔体的温度较高，形成冷端和热端，在理想状态下，冷端的温度可以达到-25℃，热端的温度可以达到80摄氏度，经过实验验证，在实际状态下，冷端的温度可以达到-5℃，热端的温度达到55℃。

为了优化磁制冷的效率，满足本发明的磁制冷结构对磁工质的要求，各磁工质的居里温度点要求各不相同，自下而上呈现逐步递增的规律。这是由于磁工质需要工作在其居里温度点附近，才会发挥出本发明磁制冷系统的最佳性能。同时为了加快磁工质与其对应的绝热腔体的热量交换效率，磁工质设置成表面皱褶的多孔状结构。

在理想状态下，根据“热能提升装置”的概念（实现热量流动，使其形成冷端和热端，其对外表现的总热量不变），并不需要设置散热结构。但是考虑到实际生产应用于理想状态存在差异，同时为了提高本发明的磁制冷系统的制冷效率，在磁串的顶端（热端）连接散热结构，其作用是加快热端的热能想外界散发的效率（即不断的减少系统的总热能）。散热结构的设置并不对热量的流动产生影响。实际应用中，散热结构多种多样，可以采用增大与空气接触面积的方法（例如图1中采用弯曲的通道），或者安装散热风扇等，本发明并不对散热结构的具体结构进行限定。

上述对本发明的磁制冷系统的工作过程描述中提及“辅助磁串热传递的结构和方法”，在此，本发明列举两种，但是本发明并不对具体的辅佐结构和方法进行限定。为了使本发明的磁制冷系统工作更加稳定，其磁串中的热传递更加稳定和快速，在各绝热腔体的连接处设置止回结构（图中没画出），该止回结构的作用是防止制冷剂倒流（制冷剂制冷自下向上运动，即热量自下向上传递）。具体的，止回结构可以采用单向阀门。进一步的，在竖直长管的下端设置一个辅佐循环泵600，以提高制冷剂（热量）的循环效率。

实际应用中，磁串可以设置多个，磁体安装架的结构也可以根据实际生产设置，只要磁体安装架的结构以及工作方式满足使活动磁体周期的反复交错对磁串中的磁工质进行磁化和退磁即可，但优选的是旋转式的磁体安装架结构。同样的，磁串上的磁工质可以根据需要设置多个，磁串的具体设置方向也不进行限定，但优选的是竖直设置。制作磁工质的材料可以选择多种，例如铁氧体材料、锡土合金、金属钆等。

另外，实际应用中，竖直长管的作用是帮助系统形成热能循环结构，其内部的制冷剂在重力的作用下，形成并保持向下的压力。

实际应用中，假如将本发明用在大型的工业制冷系统中，其热端所产生的温度较高，这时，可以对采用常规的方法对热端的热能进行利用。

本发明通过创造性的简单结构，运用具备磁热效应的磁工质，实现了具有高实用价值的磁制冷，解决了传统磁制冷机的技术难题。在本方案中，磁化致热和退磁致冷都参与到制冷循环中来，都为制冷的有益效应，实现了制冷效率的大幅度提升，同时极大的强化了制冷效果。运用本发明的技术，相对于传统的压缩机制冷技术，在同等制冷量的情况下可以减少电能的消耗，同时消除传统压缩机制冷方式导致的环境污染问题。本发明的磁制冷结构使用寿命长，制冷效果好，效率高，无污染，是一种具备实用价值的磁制冷技术方案。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种旋转式串极磁制冷系统，其特征在于，包括活动磁体和至少一个竖直设置的磁串，所述磁串包括依次串联导通设置的绝热腔体，所述绝热腔体内部设置有磁工质；所述活动磁体反复交错的对磁串中的磁工质进行磁化和退磁，对于同一磁串中的任意一个正处于退磁状态的磁工质，与其相邻的上下两个磁工质必然处于磁化状态；

还包括辅助磁串内部热能单向流动的热流动结构，所述热流动结构分别连通磁串的两端；所述磁串中由于磁工质被磁化而产生的热量在热传递作用和热流动结构辅助下单向流动，使磁串两端形成冷端和热端；所述冷端连接制冷腔，所述制冷腔设置在隔热箱内部。

2.根据权利要求1所述的旋转式串极磁制冷系统，其特征在于，还包括固定安装活动磁体的磁体安装架，所述磁体安装架轴向转动设置，磁体安装架两侧错位固定多个对磁串中的磁工质进行磁化和退磁的磁腔体；所述磁腔体包括上下固定设置的两块活动磁体，两块活动磁体之间形成对磁串中的磁工质进行磁化和退磁的腔体； 

所述各绝热腔体之间设置有空隙，所述磁体安装架转动，活动磁体周期经过绝热腔体之间的空隙，磁腔体周期的交错对磁串中的磁工质进行磁化和退磁，使各磁串两端形成冷端和热端。

3.根据权利要求1所述的旋转式串极磁制冷系统，其特征在于，所述热流动结构包括连通磁串两端的管道，所述管道与磁串连通，管道与制冷腔内部均设置有传递热能的制冷剂；所述管道靠近热端处设置有散热结构。

4.根据权利要求3所述的旋转式串极磁制冷系统，其特征在于，所述管道靠近冷端处设置有加快管道内部制冷剂循环运动的辅佐循环泵。

5.根据权利要求3所述的旋转式串极磁制冷系统，其特征在于，所述磁串中的各绝热腔体之间设置有防止制冷剂倒流的止回结构。

6.根据权利要求3所述的旋转式串极磁制冷系统，其特征在于，所述散热结构通过一根竖直设置的竖直长管连接制冷腔。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的旋转式串极磁制冷系统，其特征在于，所述磁工质设置成外表面皱褶的多孔状结构。