CN104949410B - 磁制冷机及其载冷剂流量控制方法和控制装置 - Google Patents

磁制冷机及其载冷剂流量控制方法和控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁制冷机及其载冷剂流量控制方法和控制装置。所述方法包括下述步骤：对磁制冷机冷端载冷剂的温度进行实时采样，获得温度采样值；根据所述温度采样值计算温度的变化；将所述温度的变化乘以比例系数，作为载冷剂速度的变化；将所述速度的变化与速度修正值相加，获得实际速度；控制所述载冷剂驱动装置以所述实际速度旋转，驱动载冷剂流动，实现对载冷剂流量的控制；其中，所述比例系数和所述速度修订值为常数。在磁制冷机中采用该方法，可以实现对磁制冷机中载冷剂流量的自动、快速、准确控制。

Description

磁制冷机及其载冷剂流量控制方法和控制装置
技术领域
本发明属于磁制冷技术领域，具体地说，是涉及磁制冷机及其载冷剂流量控制方法和控制装置。
背景技术
磁制冷机是采用磁热效应进行制冷的制冷设备。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吸放热的一种性质，是材料的固有特性，磁制冷就是通过材料的磁热效应来实现制冷目的的。磁制冷机包括有磁场系统、设置在磁场系统内部的磁制冷床、填充在磁制冷床中的磁工质、冷端换热器、热端换热器、在磁制冷机中流动的载冷剂及为载冷剂提供动力的驱动装置。磁制冷床具有与冷端换热器连接的冷端和与热端换热器连接的热端。磁工质在磁场变化时发生热量或冷量的变化，驱动装置驱动载冷剂流过磁工质，带走这些热量或冷量。冷端流出的载冷剂进入到冷端换热器中，实现对冷端换热器周围的降温。热端流出的载冷剂进入到热端换热器，释放热量，从而可以利用冷端换热器实现制冷的目的。
现有磁制冷机中的载冷剂是通过驱动装置提供动力在整个设备中循环，载冷剂的流量对换热效率和换热能力起着决定性的作用。如果流量太小，磁工质放热或吸热周期过大，导致系统制冷量降低，影响制冷能力。若流量过大，未及时放完热量的载冷剂再回到冷端换热器中，则会提高冷端温度，使得制冷效率大大降低。
目前，主要是通过手动改变载冷剂的流量来观察冷端流出的载冷剂的温度，从而确定最佳的流量。但这样做，不仅耗时耗力，且调节精确度和调节效率均较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁制冷机及其载冷剂流量控制方法和控制装置，以实现对磁制冷机中载冷剂流量的自动、快速、准确控制。
为实现上述发明目的，本发明提供的载冷剂流量控制方法采用下述技术方案予以实现：
一种磁制冷机的载冷剂流量控制方法，所述磁制冷机包括有磁场系统、设置在所述磁场系统内部的磁制冷床、填充在所述磁制冷床中的磁工质、冷端换热器、热端换热器、在磁制冷机中流动的载冷剂及为载冷剂提供动力的驱动装置，所述冷端换热器和所述热端换热器分别与所述磁工质的冷端和热端连接，所述方法包括下述步骤：
对磁制冷机冷端载冷剂的温度进行实时采样，获得温度采样值；
根据所述温度采样值计算温度的变化；
将所述温度的变化乘以比例系数，作为载冷剂速度的变化；
将所述速度的变化与速度修正值相加，获得实际速度；
控制所述载冷剂驱动装置以所述实际速度旋转，驱动载冷剂流动，实现对载冷剂流量的控制；
其中，所述比例系数和所述速度修正值为常数。
如上所述的控制方法，所述温度的变化可以为所述温度采样值与室温之间的温差。或者，所述温度的变化为采样时间内的温度变化率，所述速度的变化为所述采样时间内的速度变化率。
如上所述的控制方法，在检测冷端载冷剂温度时，优选在所述冷端换热器上设置温度传感器，将所述温度传感器检测的温度作为所述冷端载冷剂的温度。
优选的，所述温度传感器为红外温度传感器。
更优选的，所述红外温度传感器为多个，分散设置在所述冷端换热器上；而且，所述冷端载冷剂的温度为多个所述红外温度传感器所检测的温度值的加权平均值。
为实现前述发明目的，本发明提供的流量控制装置采用下述技术方案予以实现：
一种磁制冷机的载冷剂流量控制装置，所述磁制冷机包括有磁场系统、设置在所述磁场系统内部的磁制冷床、填充在所述磁制冷床中的磁工质、冷端换热器、热端换热器、在磁制冷机中流动的载冷剂及为载冷剂提供动力的驱动装置，所述冷端换热器和所述热端换热器分别与所述磁工质的冷端和热端连接，所述装置还包括：
温度采集单元，用于对磁制冷机冷端载冷剂的温度进行实时采样，获得温度采样值；
温度变化计算单元，与所述温度采集单元相连接，用于根据所述温度采样值计算温度的变化；
载冷剂实际速度计算单元，与所述温度变化计算单元相连接，用于将所述温度的变化乘以比例系数，作为载冷剂速度的变化，并将所述速度的变化与速度修正值相加，获得实际速度；
速度控制单元，与所述载冷剂实际速度计算单元及所述载冷剂驱动装置相连接，用于控制所述载冷剂驱动装置以所述实际速度旋转，驱动载冷剂流动。
如上所述的控制装置，所述温度的变化为所述温度采样值与室温之间的温差；或者，所述温度的变化为采样时间内的温度变化率，此时，所述速度的变化为所述采样时间内的速度变化率。
优选的，所述温度采集单元为设置在所述冷端换热器上的温度传感器；所述温度传感器包括有多个分散设置在所述冷端换热器上的红外温度传感器。
为实现前述发明目的，本发明提供的磁制冷设备采用下述技术方案予以实现：
一种磁制冷机，包括有磁场系统、设置在所述磁场系统内部的磁制冷床、填充在所述磁制冷床中的磁工质、冷端换热器、热端换热器、在磁制冷机中流动的载冷剂及为载冷剂提供动力的驱动装置，所述冷端换热器和所述热端换热器分别与所述磁工质的冷端和热端连接，其特征在于，所述磁制冷机还包括有上述权利要求7至9中任一项所述的控制装置。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过采集磁制冷机冷端载冷剂的温度、根据温度的变化计算出载冷剂的实际速度，进而根据实际速度对驱动装置进行转速控制，实现对载冷剂流量的控制，能够获得磁制冷机运行过程中的最佳载冷剂流量，保证磁制冷机的制冷量和制冷效率。而且，整个过程可以自动完成，无需人工参与，自动化程度高，提高了流量控制效率。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明磁制冷机一个实施例的原理框图；
图2是图1实施例中载冷剂流量控制装置一个实施例的原理框图；
图3是本发明载冷剂流量控制方法一个实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
请参见图1，该图所示为本发明磁制冷机一个实施例的原理框图。
如图1所示，该实施例的磁制冷机包括有磁场系统和设置在磁场系统内部的磁制冷床。具体来说，磁场系统包括有第一磁场系统11和第二磁场系统13，在第一磁场系统11内设置有第一磁制冷床12，在第二磁场系统13内设置有第二磁制冷床14。在第一磁制冷床12和第二磁制冷床14内均填充有磁工质（图中未示出）。此外，磁制冷机还包括有冷端换热器15、驱动装置16和热端换热器17。具体的，冷端换热器15与磁工质的冷端相连接，热端换热器17与磁工质的热端相连接。驱动装置16与在磁制冷机中流动的载冷剂连通，用于为载冷剂提供流动的动力。
为对磁制冷机中的载冷剂进行流量控制，该实施例的磁制冷机还设置有控制装置18。具体而言，控制装置18通过检测冷端载冷剂的温度（具体来说，是图1中虚线框所示位置的温度），获得驱动装置17的控制参数，具体来说是指驱动装置17中泵的转速，进而通过控制驱动装置17实现对载冷剂流量的控制。控制装置18的具体结构可以参考图2所示。
该实施例的磁制冷机的工作过程简述如下：
当磁制冷机的第二磁场系统13发生变化，使得其内的磁工质处于退磁状态，磁工质吸热。同时，第一磁场系统11发生反向变化，使得其内的磁工质处于磁化状态，磁工质放热。此时，驱动装置17驱动载冷剂从右往左逆时针流动，使得载冷剂从热端换热器16进入到第二磁制冷床14。在第二磁制冷床14中，磁工质吸热，载冷剂被冷却，然后从冷端进入到冷端换热器15中，对冷端换热器15周围进行降温制冷。载冷剂继续流动，从冷端换热器15进入到第一磁制冷床12。此时，第一磁制冷床12中的磁工质处于放热状态，载冷剂吸热。此后，载冷剂在驱动装置17的作用下继续流动，进入到热端换热器16中散热。
此后，在第一磁场系统11和第二磁场系统13发生反向变化时，载冷剂在驱动装置17的驱动下顺时针转动，继续对冷端换热器15周围进行降温。经过多次循环，最终实现冷端换热器15周围温度的逐渐降温制冷。
其中，控制装置18的具体实现结构可参见图2的原理框图所示。
如图2所示，控制装置12包括有依次连接的温度采集单元181、温度变化计算单元182、载冷剂实际速度计算单元183及速度控制单元184。各单元的功能简述如下：
温度采集单元181，用于对磁制冷机冷端载冷剂的温度进行实时采样，获得温度采样值。具体来说，温度采集单元181可以选用能够检测到图1中虚线框所示位置处的载冷剂温度的结构来实现。优选的，温度采集单元181为设置在冷端换热器15上的温度传感器，通过检测冷端换热器温度，来近似其内流动的载冷剂温度。而且，温度传感器优选为红外温度传感器。如此设置，可以避免采用在管壁内部设置与载冷剂直接接触的接触式传感器所引起的温度采集速度慢、增大管壁内载冷剂流动阻力的问题。并且，优选在冷端温度传感器上分散布设多个红外温度传感器，以提高温度检测准确性。
温度变化计算单元182，与温度采集单元181相连接，用于根据温度采集单元181采集的温度采样值来计算温度的变化。
载冷剂实际速度计算单元183，与温度变化计算单元182相连接，用于将温度的变化乘以比例系数，作为载冷剂速度的变化，并将所述速度的变化与速度修正值相加，获得载冷剂实际速度。更具体的计算方法可参考图3方法流程图所示及下述对图3流程的描述。
速度控制单元184，与载冷剂实际速度计算单元183及载冷剂驱动装置17相连接，用于控制驱动装置17以载冷剂实际速度计算单元183计算出的实际速度旋转，驱动载冷剂流动，从而实现对载冷剂流量的控制。
图3所示为本发明载冷剂流量控制方法一个实施例的流程图。该方法运行于图1及图2示出的磁制冷机中，实现对载冷剂流量的自动、准确、高效控制。
如图3所示，该实施例实现磁制冷机中载冷剂流量控制的具体步骤包括：
步骤301：流程开始。
步骤302：对磁制冷机冷端载冷剂的温度进行实时采样，获得温度采样值。
如前所述，在采集冷端载冷剂温度时，可以采用温度传感器来实现。具体来说，可以采用在冷端载冷剂流经的管壁内设置接触式传感器来采集，也可以采用间接方式实现对冷端载冷剂温度的采集。作为优选实施方式，该实施例采用在冷端换热器15上设置温度传感器来检测冷端换热器15的表面温度，将该表面温度作为冷端载冷剂的温度。更优选的，冷端换热器15上分散设置多个红外温度传感器，通过多个红外温度传感器的检测温度来获取冷端载冷剂的温度。采用红外温度传感器，温度感应速度快，测温准确。利用多个测温点获取温度，测温准确性进一步提升。而且，通过在冷端换热器15上设置温度传感器，有效避免了在管壁内设置而增大载冷剂流动阻力、干扰载冷剂流量控制精度问题的发生。
而且，在采用多个温度传感器来获取冷端载冷剂温度时，将多个温度传感器所检测的温度值进行加权平均，求得的加权平均值作为冷端载冷剂的温度采样值。加权时，权值选取原则是：位于冷端换热器15中间位置处的温度传感器检测的温度值具有最大的权值，离中间位置越远，相应温度传感器检测的温度值的权值越小。
步骤303：根据温度采样值计算温度的变化。
对于温度传感器的检测精度低、对载冷剂驱动装置的响应时间要求低的磁制冷机而言，温度的变化为温差。具体来说，该温差是实时采集的温度采样值与室温（也即磁制冷机所处环境的温度）之间的温差。
对于温度传感器的检测精度高、对载冷剂驱动装置的响应时间要求较高的磁制冷机而言，温度的变化是指温度变化率，也即单位时间内温度变化的快慢。温度变化率的具体计算方法，可采用现有技术来实现。
步骤304：将温度的变化乘以比例系数，作为载冷剂速度的变化；将速度的变化与速度修正值相加，获得实际速度。
在获得温度的变化之后，将温度的变化与比例系数相乘，获得与温度的变化成正比的速度的变化。然后，用速度修正值对速度的变化进行修正，从而获得在该温度采样值下所对应的载冷剂的实际速度。具体来说，如果温度的变化为温差，则速度的变化也为速度差。如果温度的变化为采样时间内的温度变化率，则速度的变化为采样时间内的速度变化率。这里，比例系数和速度修正值均为常数。其中，比例系数是与磁制冷机的磁工质大小及形状、载冷剂类型、载冷剂流道状况相关的一个参数，可以采用经验值或实验值。速度修正值是与磁制冷机中载冷剂流道阻力相关的一个参数，也可以采用经验值或实验值。
通过该步骤，使得载冷剂流量的变化与冷端载冷剂温度的变化具有相同的变化趋势。冷端载冷剂温度变化大，换热不饱和，控制载冷剂流量变化也增大，以提高换热效率。如果冷端载冷剂温度变化小，换热基本饱和，控制载冷剂流量变化减小，避免过多的载冷剂反流至冷端而升高冷端换热器温度，降低制冷效率。
步骤306：控制载冷剂驱动装置以实际速度旋转，驱动载冷剂流动，实现对载冷剂流量的控制。
具体来说，如果驱动装置为伺服泵，包括电连接的伺服控制器、伺服电机以及与伺服电机轴连接的液体泵。在对伺服泵进行控制时，先根据冷端载冷剂温度的变化计算出载冷剂的实际速度、也即伺服泵的转速n；然后，根据转速n计算伺服控制器的输出脉宽。最后，伺服控制器输出该脉宽信号，控制伺服电机以转速n转动，进而控制液体泵按照转速n旋转，实现对载冷剂流量的控制。
步骤306：流程结束。
在上述各实施例中，检测冷端载冷剂温度的变化，并根据温度的变化计算载冷剂速度的变化，使得载冷剂流量的变化与冷端载冷剂温度的变化具有相同的变化趋势，能够获得磁制冷机运行过程中的最佳载冷剂流量，保证了磁制冷机的制冷量和制冷效率的最优化。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种磁制冷机的载冷剂流量控制方法，所述磁制冷机包括有磁场系统、设置在所述磁场系统内部的磁制冷床、填充在所述磁制冷床中的磁工质、冷端换热器、热端换热器、在磁制冷机中流动的载冷剂及为载冷剂提供动力的驱动装置，所述冷端换热器和所述热端换热器分别与所述磁工质的冷端和热端连接，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
对磁制冷机冷端载冷剂的温度进行实时采样，获得温度采样值；
根据所述温度采样值计算温度的变化；
将所述温度的变化乘以比例系数，作为载冷剂速度的变化；
将所述速度的变化与速度修正值相加，获得实际速度；
控制所述载冷剂驱动装置以所述实际速度旋转，驱动载冷剂流动，实现对载冷剂流量的控制；
其中，所述比例系数和所述速度修正值为常数。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述温度的变化为所述温度采样值与室温之间的温差。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述温度的变化为采样时间内的温度变化率，所述速度的变化为所述采样时间内的速度变化率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制方法，其特征在于，在所述冷端换热器上设置温度传感器，将所述温度传感器检测的温度作为所述冷端载冷剂的温度。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述温度传感器为红外温度传感器。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述红外温度传感器为多个，分散设置在所述冷端换热器上；所述冷端载冷剂的温度为多个所述红外温度传感器所检测的温度值的加权平均值。
7.一种磁制冷机的载冷剂流量控制装置，所述磁制冷机包括有磁场系统、设置在所述磁场系统内部的磁制冷床、填充在所述磁制冷床中的磁工质、冷端换热器、热端换热器、在磁制冷机中流动的载冷剂及为载冷剂提供动力的驱动装置，所述冷端换热器和所述热端换热器分别与所述磁工质的冷端和热端连接，其特征在于，所述装置还包括：
温度采集单元，用于对磁制冷机冷端载冷剂的温度进行实时采样，获得温度采样值；
温度变化计算单元，与所述温度采集单元相连接，用于根据所述温度采样值计算温度的变化；
载冷剂实际速度计算单元，与所述温度变化计算单元相连接，用于将所述温度的变化乘以比例系数，作为载冷剂速度的变化，并将所述速度的变化与速度修正值相加，获得实际速度；
速度控制单元，与所述载冷剂实际速度计算单元及所述载冷剂驱动装置相连接，用于控制所述载冷剂驱动装置以所述实际速度旋转，驱动载冷剂流动。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述温度的变化为所述温度采样值与室温之间的温差；或者，所述温度的变化为采样时间内的温度变化率，此时，所述速度的变化为所述采样时间内的速度变化率。
9.根据权利要求7或8所述的控制装置，其特征在于，所述温度采集单元为设置在所述冷端换热器上的温度传感器；所述温度传感器包括有多个分散设置在所述冷端换热器上的红外温度传感器。
10.一种磁制冷机，包括有磁场系统、设置在所述磁场系统内部的磁制冷床、填充在所述磁制冷床中的磁工质、冷端换热器、热端换热器、在磁制冷机中流动的载冷剂及为载冷剂提供动力的驱动装置，所述冷端换热器和所述热端换热器分别与所述磁工质的冷端和热端连接，其特征在于，所述磁制冷机还包括有上述权利要求7至9中任一项所述的控制装置。
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