CN105202799A - 一种静止式室温磁制冷机及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止式永磁室温磁制冷机及其使用方法，属于磁制冷领域；现有技术中磁制冷机结构复杂，制冷效率低；本发明提供的静止式永磁室温磁制冷机采用脉冲电源、充退磁线圈、续流回路及配套控制系统，通过控制续流回路的开断在充退磁线圈中产生脉冲式非振荡和振荡电流，可对励磁用永磁体进行连续的充磁和退磁，实现静止式磁制冷，其具备结构简单、控制方便、经济性高等优点。

Description

一种静止式室温磁制冷机及其制冷方法

技术领域

本发明属于洁净能源磁制冷技术应用领域，具体涉及一种静止式永磁室温磁制冷机及其制冷方法。

背景技术

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。磁制冷是基于磁性材料的磁热效应(MCE)在制冷领域的应用。磁性材料在受到外磁场的作用被磁化时，系统的磁有序度加强(磁熵减小)，对外界放热；当外磁场撤去退磁时，磁有序度下降(磁熵增大)，则从外界吸热。将励磁、吸热、去磁、放热等过程组成一个封闭的热力循环，通过外磁场变化，控制基于磁热效应的能量转换，达到连续不断地从一端放热，从另一端吸热的制冷目的。磁制冷技术的核心在于如何高效地对磁性材料进行励磁与退磁。

在世界范围内所有有关磁制冷装置的公开论文和专利中，绝大部分是基于旋转式或往复式的运动磁体来实现，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LosAlamos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Hightemperaturesuperconductingmagneticrefrigeration,AIPConferenceProceedings)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，但由于励磁电流强度受线圈发热限制，磁场强度和作用时间有限，因此，国内外也少有相应的进一步的研究。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种静止式永磁室温磁制冷机及其使用方法，其中通过对其关键组件如磁制冷工质等的具体结构及其设置方式进行研究和设计，相应能够在更为紧凑的结构上实现静止式磁制冷，同时具备结构简单、控制方便、经济性高等优点，因而尤其适用于空间较小的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁室温磁制冷机，其特征在于：所述制冷机包括导磁架3、永磁组体组件、激励线圈组件、磁制冷工质5、冷端换热器9及热端换热器10，其中：

所述永磁体组件包括第一永磁体和第二永磁体，它们整体相互上下对置地设置在所述导磁架上，并用于在两者之间提供；

所述激励线圈组件包括第一线圈2a和第二线圈2b，其中所述第一线圈4a环绕所述第一永磁体，所述第二线圈4b环绕所述第二永磁体，用于产生充磁或退磁所需要的脉冲式非振荡或振荡磁场

所述制冷工质5在脉冲式非振荡充磁磁场的作用下，由于磁热效应产生热量；在脉冲式振荡退磁磁场的作用下，由于磁热效应降低热量；并通过管路与所述冷端换热器9及所述热端换热器10相连，由此实现冷却过程。

作为进一步优选地，所述第一永磁体和所述第二永磁体呈T型；

作为进一步优选地，所述导磁架优选为C型；

作为进一步优选地，所述制冷工质5固定于所述第一线圈2a、所述第二线圈2b之间。

按照本发明的另一方面，提供了一种静止式永磁室温磁制冷机的制冷方法，所述制冷机包括：脉冲电源系统1、充退磁线圈2a和2b、永磁体4a和4b、磁制冷工质5、控制系统6、冷端换热器9及热端换热器10，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)关闭所述冷端换热器9及所诉热端换热器10，打开所述电源系统充电，充电完成后控制所述线圈2a、2b所述给永磁体4a、4b进行充磁；

(2)充磁完毕后所述永磁体4a、4b产生磁场，所述磁制冷工质5由于磁热效应温度升高；所述控制系统控制所述热端换热器10将所述磁制冷工质5产生的热量带走；

(3)关闭所述冷端换热器9及所诉热端换热器10，打开电源系统充电，充电完成后控制所述线圈2a、2b给所述永磁体4a、4b进行退磁；

(4)退磁完毕后，所述永磁体4a、4b失去磁场，所述磁制冷工质5退磁降温；所述控制系统6，控制所述冷端换热器9将所述磁制冷工质5产生的冷量传出，以实现制冷。

总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明采用脉冲电源、充退磁线圈、续流回路及配套控制系统，通过控制续流回路的开断在充退磁线圈中产生脉冲式振荡和非振荡电流，可对励磁用永磁体进行连续的充磁和退磁，实现静止式磁制冷；

2、本发明继承了基于永磁体的磁制冷技术的优点，包括结构简单、控制方便、经济性高。同时，永磁体与磁性材料之间不需要通过相对运动来实现磁性材料的励磁与退磁，大大提高了磁制冷装置运行的可靠性及维护的简便性，提高装置的使用寿命；

附图说明

图1是本发明所述静止式室温磁制冷机的原理示意图；

图2是本发明所述脉冲电源系统的电路示意图；

图3是本发明所述充退磁场的波形示意图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1给出了本发明的一种实施方式，包括脉冲电源系统1、充退磁线圈2a和2b、C型导磁架3、永磁体4a和4b、磁制冷工质5、控制单元6、控制阀7a和7b、泵8a和8b、冷端换热器9及热端换热器10。控制单元6、控制阀7a、泵8a和热端换热器10构成热端换热单元，控制单元6、控制阀7b、泵8b和冷端换热器9构成热端换热单元。其中，线圈2a和2b的充放电，控制阀7a和7b、泵8a和8b的开断的配合由控制单元6控制实现。

为了保证线圈2a和2b可对永磁体进行充磁和退磁，本发明在电源系统1的续流回路中采用晶闸管代替传统的二极管，通过控制晶闸管触发信号来实现续流回路的开通和关断，从而可产生充退磁分别所需的非振荡和振荡式磁场。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11、充电机开关元件12、电容器组13、晶闸管14a、14b、续流电阻15以及冲退磁用线圈2a、2b。其中晶闸管14b和续流电阻15构成可开断续流回路(如虚线框所示)，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。所产生的充磁和退磁磁场波形如图3中的16、17所示。

磁制冷循环的具体工作方式分为四个步骤：

步骤一充磁：换热单元关闭，充电机开关元件12导通，充电机11对电容器13充电。充电后开关元件12关闭，晶闸管14b触发导通确保续流回路可用，此时线圈2a、2b给永磁体4a、4b进行充磁，所产生的非振荡充磁磁场波形如图3中的曲线16所示。

步骤二热端换热：充磁完毕后永磁体4a、4b可在其中心区域产生磁场。磁制冷工质5由于磁热效应温度而升高。此时，控制阀7a、泵8a开启，通过热端换热器10将磁制冷工质5产生的热量带走。

步骤三退磁：换热单元关闭，充电机开关元件12导通，充电机11对电容器13充电。充电后开关元件12关闭，晶闸管14b不导通确保续流回路在放电过程中保持断开状态，此时线圈2a、2b对永磁体4a、4b进行退磁，所产生的振荡退磁磁场波形如图3中的曲线17所示。

步骤四冷端换热：退磁完毕后永磁体4a、4b失去磁场，磁制冷工质5退磁降温。磁制冷工质5的温度会降到比升磁前温度更低(由于热端换热器10将工质产生热量带走了一部分)。此时，冷端换热单元工作。控制阀7b、泵8b开启，通过冷端换热器9将磁制冷工质5产生的冷量传出，以实现制冷。待磁制冷工质5的温度回升到励磁前的温度附近，关闭冷端换热单元，完成一个制冷循环。

重复上述四个步骤，便可实现持续制冷。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种一种永磁室温磁制冷机，其特征在于：所述制冷机包括导磁架(3)、永磁组体组件、激励线圈组件、磁制冷工质(5)、冷端换热器(9)及热端换热器(10)，其中：

所述永磁体组件包括第一永磁体(4a)和第二永磁体(4b)，所述第一永磁体和所述第二永磁体整体相互上下对置地设置在所述导磁架(3)上，并用于在两者之间提供；

所述激励线圈组件包括第一线圈(2a)和第二线圈(2b)，其中所述第一线圈(2a)环绕所述第一永磁体(4a)，所述第二线圈(2b)环绕所述第二永磁体(4b)，用于产生充磁或退磁所需要的脉冲式非振荡或振荡磁场。

所述制冷工质(5)在脉冲式非振荡充磁磁场的作用下，由于磁热效应产生热量；在脉冲式振荡退磁磁场的作用下，由于磁热效应降低热量；并通过管路与所述冷端换热器(9)及所述热端换热器(10)相连，由此实现冷却过程。

2.如权利要求1所述的制冷机，其特征在于，所述第一永磁体(4a)和所述第二永磁体(4b)呈T型。

3.如权利要求1或2所述的制冷机，其特征在于，所述导磁架(3)为C型。

4.如权利要求1-3之一所述的制冷机，其特征在于，所述制冷工质(5)固定于所述第一线圈(2a)、所述第二线圈(2b)之间。

5.一种静止式永磁室温磁制冷机的制冷方法，其特征在于，所述制冷机包括：脉冲电源系统(1)、充退磁线圈(2a、2b)、永磁体(4a、4b)、磁制冷工质(5)、控制系统(6)、冷端换热器(9)及热端换热器(10)；该方法包括以下步骤：

(1)关闭所述冷端换热器(9)及所述热端换热器(10)，打开所述电源系统充电，充电完成后控制所述线圈(2a、2b)所述给永磁体(4a、4b)进行充磁；

(2)充磁完毕后所述永磁体(4a、4b)产生磁场，所述磁制冷工质(5)由于磁热效应温度升高；所述控制系统控制所述热端换热器(10)将所述磁制冷工质(5)产生的热量带走；

(3)关闭所述冷端换热器(9)及所述热端换热器(10)，打开所述电源系统充电，充电完成后控制所述线圈(2a、2b)给所述永磁体(4a、4b)进行退磁；

(4)退磁完毕后，所述永磁体(4a、4b)失去磁场，所述磁制冷工质(5)退磁降温；所述控制系统(6)，控制所述冷端换热器(9)将所述磁制冷工质(5)产生的冷量传出，以实现制冷。