CN106016819B - 一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁制冷技术领域，公开了一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，包括蓄冷床I、蓄冷床II、换热水箱、换热器，蓄冷床I、蓄冷床II内均填充有多孔的磁工质，蓄冷床I、蓄冷床II的外侧设有用于磁工质磁化和退磁的磁场，蓄冷床I的两端分别设有阀组A、阀组B，蓄冷床II的两端分别设有阀组C、阀组D，阀组A、阀组B、阀组C、阀组D均包含一个单向磁通阀和一个单向磁断阀，换热热水箱的出水口处设有水泵，换热水箱、蓄冷床I、蓄冷床II、换热器内充满换热介质。本发明中低温换热介质、高温换热介质循环时采用独立的路径，低温换热介质与高温换热介质不会相互混合，从而提高制冷效果。

Description

一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统

技术领域

本发明涉及磁制冷技术领域，尤其涉及一种蓄冷床系统。

背景技术

室温磁制冷是一种新型的制冷技术，与传统蒸汽压缩制冷技术相比，室温磁制冷技术不会引起温室效应，不破坏臭氧层，对环境无危害，热力学循环效率高。磁制冷是一种利用磁热效应的制冷方式，固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，固体磁性物质对外放出热量；磁化后的固体磁性物质再将其去磁，固体磁性物质又要从外界吸收热量，这种磁性物质在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。磁制冷机中的核心机构为蓄冷床系统，蓄冷床的主要部件是磁场系统和两个蓄冷床（蓄冷管），蓄冷床内填充有多孔的磁热效应材料，每个蓄冷床外侧设置两个转筒：内筒、外筒，每个转筒对应一个磁场，两个磁场相位相差180度，通过内外筒的相对转动就可以对磁热效应材料进行磁化和退磁，从而完成热力学循环。

蓄冷床的两端各设置一个电磁阀，两个蓄冷床的冷端均与换热器连接，两个蓄冷床的热端均与水箱连接，水箱的出水口处设置水泵，当其中一个蓄冷床处于磁化状态，另一个蓄能床处于退磁状态，通过电磁阀控制，换热介质从进入退磁状态的蓄冷床内，磁热效应材料吸收换热介质的热量，从而使得换热介质温度降低，低温的换热介质从蓄冷床内流出后进入换热器内，低温换热介质通过换热器吸收周围空气的热量实现制冷，从换热器流出的吸热后的换热介质进入另一个处于磁化状态的的蓄冷床内，换热介质吸收磁化状态的的蓄冷床内磁热效应材料放出的热量后进入水箱中，此时完成一个循环，蓄冷床外侧的磁场改变，退磁状态的蓄冷床变成磁化状态，磁化状态的蓄冷床变成退磁状态，通过电磁阀切换路线，换热进入与上述相反的循环，重复循环，从而实现制冷。然而上述蓄冷床系统中，当磁场改变时，低温换热介质与高温换热介质共用同一个循环管道，这样就导致制管道中残留的低温换热介质（高温换热介质）与高温换热介质（低温换热介质）直接热交换，低温换热介质与高温管路（之前被高温换热介质流过而吸热的管理）直接进行热交换，从而导致低温换热介质浪费，严重影响制冷效果和制冷效率，而且通过电磁阀控制介质流动，由于退磁、磁化的周期较短，电磁阀动作非常频繁，电磁阀上的线圈会产生大量的热量，该热量被冷端的换热介质吸收，换热介质进入换热器内后吸热能力会下降，从而影响制冷效果。

发明内容

本发明为了克服现有技术中磁制冷机中的蓄冷床系统在退磁、磁化时，低温换热介质与高温换热介质共用一个循环管路，低温换热介质与高温换热介质会直接发生热交换而影响换热器的制冷效果的不足，提供了一种在蓄冷床在磁化和退磁时，低温换热介质、高温换热介质的循环管路都是独立的，防止两种温度不同的换热介质之间进行热交换，提高磁制冷机制冷效果的蓄冷床系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，包括蓄冷床I、蓄冷床II、换热水箱、换热器，所述的蓄冷床I、蓄冷床II内均填充有多孔的磁工质，所述蓄冷床I、蓄冷床II的外侧设有用于磁工质磁化和退磁的磁场，所述蓄冷床I的两端分别设有阀组A、阀组B，所述蓄冷床II的两端分别设有阀组C、阀组D，所述的阀组A、阀组B、阀组C、阀组D均包含一个单向磁通阀和一个单向磁断阀；阀组A上的单向磁断阀与阀组C上的单向磁断阀同时和换热器的进液端连接，阀组A上的单向磁通阀与阀组C上的单向磁通阀同时和换热器的出液端连通，阀组B上单向磁通阀与阀组D上的单向磁通阀同时和换热水箱连接，阀组B上的单向磁断阀与阀组D上的单向磁断阀同时和换热水箱的出水口连接，所述换热水箱的出水口处设有水泵，换热水箱、蓄冷床I、蓄冷床II、换热器内充满换热介质。

阀组A、阀组B、阀组C、阀组D均位于磁场中；当蓄冷床内的磁工质处于磁化状态时，单向磁通阀受磁场作用而处于单向打开状态，单向磁断阀则处于关闭状态，当蓄冷床内的磁工质处于退磁状态时，单向磁通阀因为磁场作用消失而关闭，单向磁断阀则因为磁场消失而单向打开；当蓄冷床I处于退磁状态、蓄冷床II处于磁化状态，换热水箱中的换热介质在水泵的作用下经过阀组B上的单向磁断阀进入蓄冷床I内，蓄冷床I内的磁工质退磁吸热，换热介质温度降低从阀组A中的单向磁断阀进入换热器内，低温换热介质与换热器热交换对外制冷，从换热器出液端流出的吸热后的换热介质经过阀组C中的单向磁通阀进入蓄冷床II内，蓄冷床II内的磁工质磁化放热，换热介质吸收磁工质的热量后经过阀组D中的单向磁通阀进入换热水箱内，从而完成一个循环；此时蓄冷床I、蓄冷床II外的磁场变化，蓄冷床I处于磁化状态、蓄冷床II处于退磁状态，换热水箱中的换热介质经过阀组D上的单向磁断阀进入蓄冷床II内，低温的换热介质经过阀组C中的单向磁断阀进入换热器内，从换热器出液端流出的高温换热介质经过阀组A上的单向磁通阀进入蓄冷床I内，最后蓄冷床I内的换热介质吸热后从阀组B中的单向磁通阀进入换热水箱内，随着磁场的周期变化、磁工质进行磁化、退磁的循环变化，实现换热器处制冷；上述两个循环过程中，换热介质流经的路径是相互独立的，低温换热介质不会直接与高温换热介质混合，而且低温换热介质也不会经过高温介质流过的管路，从而保持低温换热介质良好的吸热能力，增强制冷效果；同时单向磁通阀、单向磁断阀时根据磁场改变自动控制通断的，无需电路控制，灵敏度高而且不会发热。

作为优选，任意一个阀组内的单向磁断阀与单向磁通阀中的换热介质流向相反，单向磁断阀、单向磁通阀通过连接座连接，单向磁断阀、单向磁通阀的两端均设有伸出连接座外的连接头。

作为优选，所述的单向磁通阀、单向磁断阀均包括阀套、设在阀套内的阀座，阀座的中心设有与阀套同轴的通孔，所述阀座的两端设有锥形密封面，所述阀座的通孔内设有阀芯，所述的阀芯外侧与通孔间隙配合，所述的阀芯内设有流道，所述阀芯的一端设有锥形密封块，锥形密封块的锥面上设有与流道连通的排液孔，所述阀芯的另一端设有锥形密封调节座，锥形密封调节座的端部设有流道同轴连通的喇叭口；所述单向磁通阀的阀套内在其靠近喇叭口处设有通过磁场磁化控制流道打开的第一阀芯驱动机构，所述单向磁断阀的阀套内在其靠近喇叭口处设有通过磁场磁化控制流道关闭的第二阀芯驱动机构。

作为优选，所述的锥形密封面上设有锥形密封圈。

作为优选，所述的第一阀芯驱动机构包括呈圆柱状的导向笼I、设在导向笼I内的柱状滑块I，导向笼I的外侧设有定位套I，所述的导向笼I与定位套I之间通过支撑杆I连接，所述柱状滑块I的轴向与流道同轴，所述柱状滑块I朝向喇叭口的一端呈球形，所述导向笼I的外端固定有环形铁氧体磁瓦，所述的柱状滑块I由铁磁体制成。当磁工质被磁化时，柱状滑块I、环形铁氧体磁瓦也同时被磁化，柱状滑块I与环形铁氧体磁瓦吸引在一起，此时阀芯失去柱状滑块I的压力作用，单向磁通阀处于打开状态，换热介质进入流道内从排液孔处排出；当磁工质退磁时，柱状滑块I、环形铁氧体磁瓦也同时退磁，两者之间失去吸引力，柱状滑块I在换热介质的作用下在导向笼I内移动并推动阀芯移动，锥形密封调节座与锥形密封面接触密封，柱状滑块I上球形的一端与喇叭口接触密封，单向磁通阀处于关闭状态，换热介质无法通过。

作为优选，所述单向磁通阀的阀套内位于导向笼I的外端外侧设有导流罩，所述的导流罩通过连杆I与柱状滑块I连接，所述的导流罩呈锥形，导流罩的中心设有与流道同轴的导流孔。柱状滑块I、环形铁氧体磁瓦退磁时，换热流体对导流罩的压力促使柱状滑块I移动，同时导流罩使得换热介质从导流孔处经过而直接作用在柱状滑块I端部，使得柱状滑块I推动阀芯移动并与喇叭口密封。

作为优选，所述的第二阀芯驱动机构包括呈圆柱状的导向笼II、设在导向笼II内的柱状滑块II，导向笼II的外侧设有定位套II，所述的导向笼II与定位套II之间通过支撑杆II连接，所述柱状滑块II的轴向与流道同轴，所述柱状滑块II朝向喇叭口的一端呈球形，所述定位套II的内端固定有环形铁磁体块，所述导向笼II的外侧设有铁磁体环，所述的铁磁体环通过连杆II与柱状滑块II连接，所述环形铁磁体块、铁磁体环的内圈与导向笼II之间设有环形间隙，环形间隙内位于支撑杆II与连杆II之间设有复位弹簧。单向磁断阀中，当环形铁磁体块、铁磁体环被同步磁化时，两者相互吸引使得柱状滑块II移动压在喇叭口处，换热介质无法经过单向磁断阀；当环形铁磁体块、铁磁体环退磁时，两者之间的吸引力消失，此时复位弹簧复位，使得柱状滑块II与阀芯分离，单向磁断阀处于打开状态，换热介质从环形间隙处进入流道内。

作为优选，所述柱状滑块II与喇叭口的相对端设有锥形导流凸台。锥形导流凸台在退磁时能减小换热介质对柱状滑块II的压力。

作为优选，所述阀套的两端设有过滤网。过滤网能过滤换热介质中的杂质，防止杂质残留在锥形密封面上而降低密封性。

作为优选，所述的换热介质为PH值为7.5-8.5的去离子水。去离子水成本低、比热大，去离子水的PH值为7.5-8.5呈弱碱性，能减小导热介质对管路的腐蚀。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）蓄冷床I磁化、蓄冷床II退磁和蓄冷床I退磁、蓄冷床II磁化的两个循环中，换热介质通过独立的循环管路循环，从而防止低温换热介质与高温换热介质相互热交换，提高制冷效果；（2）阀组A、阀组B、阀组C、阀组D根据磁工质的磁化、退磁状态变化自动调节通断，响应迅速、灵敏度高，而且无需电控、不会发热。

附图说明

图1为蓄冷床I退磁、蓄冷床II磁化时换热介质流循环路径图。

图2为蓄冷床I磁化、蓄冷床II退磁时换热介质流循环路径图。

图3为阀组A（阀组C）与蓄冷床I（蓄冷床II）的连接状态图。

图4为阀组B（阀组D）与蓄冷床I（蓄冷床II）的连接状态图。

图5为单向磁通阀处于磁化时的打开状态图。

图6为单向磁通阀处于退磁时的关闭状态图。

图7为导向笼I（导向笼II）与定位套I（定位套II）的连接示意图。

图8为单向磁断阀处于退磁时的打开状态图。

图9为单向磁断阀处于磁化时的关闭状态图。

图中：蓄冷床I1、蓄冷床II2、换热水箱3、换热器4、磁工质5、阀组A6、阀组B7、阀组C8、阀组D9、单向磁通阀10、单向磁断阀11、水泵12、连接座13、连接头14、过滤网15、阀套100、阀座101、锥形密封面102、阀芯103、流道104、锥形密封块105、排液孔106、锥形密封调节座107、喇叭口108、锥形密封圈109、导向笼I110、柱状滑块I111、定位套I112、支撑杆I113、环形铁氧体磁瓦114、导流罩115、连杆I116、导流孔117、导向笼II118、柱状滑块II119、定位套II120、支撑杆II121、环形铁磁体块122、铁磁体环123、连杆II124、环形间隙125、复位弹簧126、锥形导流凸台127。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

如图1和图2所示的一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，包括蓄冷床I1、蓄冷床II2、换热水箱3、换热器4，蓄冷床I、蓄冷床II内均填充有多孔的磁工质5，蓄冷床I、蓄冷床II的外侧设有用于磁工质磁化和退磁的磁场，蓄冷床I的两端分别设有阀组A6、阀组B7，蓄冷床II的两端分别设有阀组C8、阀组D9，如图2所示，阀组A、阀组B、阀组C、阀组D均包含一个单向磁通阀10和一个单向磁断阀11；阀组A上的单向磁断阀与阀组C上的单向磁断阀同时和换热器4的进液端连接，阀组A上的单向磁通阀与阀组C上的单向磁通阀同时和换热器的出液端连通，阀组B上单向磁通阀与阀组D上的单向磁通阀同时和换热水箱3连接，阀组B上的单向磁断阀与阀组D上的单向磁断阀同时和换热水箱3的出水口连接，换热水箱的出水口处设有水泵12，本实施例中的水泵为隔膜泵，换热水箱、蓄冷床I、蓄冷床II、换热器内充满换热介质，本实施例中的换热介质为PH值为7.5-8.5的去离子水。

如图3和图4所示，任意一个阀组内的单向磁断阀10与单向磁通阀11中的换热介质流向相反，单向磁断阀、单向磁通阀通过连接座13连接，单向磁断阀、单向磁通阀的两端均设有伸出连接座外的连接头14；阀组A、阀组C与蓄冷床的连接方式相同，阀组B、阀组D与蓄冷床的连接方式相同且与阀组A相反。

如图5和图8所示，单向磁通阀10、单向磁断阀11均包括阀套100、设在阀套内的阀座101，阀座的中心设有与阀套同轴的通孔，阀座的两端设有锥形密封面102，锥形密封面上设有锥形密封圈109，阀座的通孔内设有阀芯103，阀芯外侧与通孔间隙配合，阀芯内设有流道104，阀芯的一端设有锥形密封块105，锥形密封块的锥面上设有与流道连通的排液孔106，阀芯的另一端设有锥形密封调节座107，锥形密封调节座的端部设有流道同轴连通的喇叭口108，阀套的两端设有过滤网15。

如图5和图6所示，单向磁通阀10的阀套内在其靠近喇叭口处设有通过磁场磁化控制流道打开的第一阀芯驱动机构，第一阀芯驱动机构包括呈圆柱状的导向笼I110、设在导向笼I内的柱状滑块I111，如图7所示，导向笼I110的外侧设有定位套I112，导向笼I与定位套I之间通过支撑杆I113连接，导向笼I由不锈钢制成，柱状滑块I11的轴向与流道同轴，柱状滑块I朝向喇叭口的一端呈球形，导向笼I110的外端固定有环形铁氧体磁瓦114，柱状滑块I由铁磁体制成；单向磁通阀10的阀套内位于导向笼I的外端外侧设有导流罩115，导流罩通过连杆I116与柱状滑块I连接，导流罩115呈锥形，导流罩的中心设有与流道同轴的导流孔117。

如图8和图9所示，单向磁断阀11的阀套内在其靠近喇叭口处设有通过磁场磁化控制流道关闭的第二阀芯驱动机构，第二阀芯驱动机构包括呈圆柱状的导向笼II118、设在导向笼II内的柱状滑块II119，导向笼II的外侧设有定位套II120，导向笼II与定位套II之间通过支撑杆II121连接，柱状滑块II的轴向与流道同轴，柱状滑块II朝向喇叭口的一端呈球形，定位套II的内端固定有环形铁磁体块122，导向笼II的外侧设有铁磁体环123，铁磁体环123通过连杆II124与柱状滑块II连接，环形铁磁体块、铁磁体环的内圈与导向笼II之间设有环形间隙125，环形间隙内位于支撑杆II与连杆II之间设有复位弹簧126,柱状滑块II与喇叭口的相对端设有锥形导流凸台127。

结合附图，本发明的原理如下：如图1所示，蓄冷床I处于退磁状态、蓄冷床II处于磁化状态，阀组A、阀组B中的单向磁断阀打开、单向磁通阀关闭，阀组C、阀组D中的单向磁通阀打开、单向磁断阀关闭，换热水箱3中的换热介质在水泵的作用下经过阀组B上的单向磁断阀进入蓄冷床I内，蓄冷床I内的磁工质退磁时吸收换热介质的热量，低温换热介质从阀组A中的单向磁断阀进入换热器4内，低温换热介质与换热器热交换对外制冷，从换热器4出液端流出的吸热后的换热介质经过阀组C中的单向磁通阀进入蓄冷床II内，蓄冷床II内的磁工质磁化放热，换热介质吸收磁工质的热量后经过阀组D中的单向磁通阀进入换热水箱内，从而完成一个循环，循环路径如图1中细实线上的箭头所示；如图2所示，蓄冷床I、蓄冷床II外的磁场变化，蓄冷床I处于磁化状态、蓄冷床II处于退磁状态，阀组A、阀组B中的单向磁断阀自动关闭、单向磁通阀自动打开，阀组C、阀组D中的单向磁通阀自动关闭、单向磁断阀自动打开，此时换热介质的循环路径如图2中粗实线上的箭头所示；

通过上述两个循环路径对比可知，两个循环过程中换热介质的循环路径是相互独立的，低温换热介质不会直接与高温换热介质混合，低温换热介质不会经过高温介质流过的管路，高温换热介质不会经过低温介质流过的管路，从而保持低温换热介质良好的吸热能力，增强制冷效果；同时单向磁通阀、单向磁断阀时根据磁场改变并结合换热介质的流向、压力自动控制通断，灵敏度高，控制稳定性好，无需电路控制、不会发热，不会为整个蓄冷床系统供热。

Claims (9)

1.一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，包括蓄冷床I、蓄冷床II、换热水箱、换热器，所述的蓄冷床I、蓄冷床II内均填充有多孔的磁工质，所述蓄冷床I、蓄冷床II的外侧设有用于磁工质磁化和退磁的磁场，其特征是，所述蓄冷床I的两端分别设有阀组A、阀组B，所述蓄冷床II的两端分别设有阀组C、阀组D，所述的阀组A、阀组B、阀组C、阀组D均包含一个单向磁通阀和一个单向磁断阀；阀组A上的单向磁断阀与阀组C上的单向磁断阀同时和换热器的进液端连接，阀组A上的单向磁通阀与阀组C上的单向磁通阀同时和换热器的出液端连通，阀组B上单向磁通阀与阀组D上的单向磁通阀同时和换热水箱连接，阀组B上的单向磁断阀与阀组D上的单向磁断阀同时和换热水箱的出水口连接，所述换热水箱的出水口处设有水泵，换热水箱、蓄冷床I、蓄冷床II、换热器内充满换热介质，所述的单向磁通阀、单向磁断阀均包括阀套、设在阀套内的阀座，阀座的中心设有与阀套同轴的通孔，所述阀座的两端设有锥形密封面，所述阀座的通孔内设有阀芯，所述的阀芯外侧与通孔间隙配合，所述的阀芯内设有流道，所述阀芯的一端设有锥形密封块，锥形密封块的锥面上设有与流道连通的排液孔，所述阀芯的另一端设有锥形密封调节座，锥形密封调节座的端部设有流道同轴连通的喇叭口；所述单向磁通阀的阀套内在其靠近喇叭口处设有通过磁场磁化控制流道打开的第一阀芯驱动机构，所述单向磁断阀的阀套内在其靠近喇叭口处设有通过磁场磁化控制流道关闭的第二阀芯驱动机构。

2.根据权利要求1所述的一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，其特征是，任意一个阀组内的单向磁断阀与单向磁通阀中的换热介质流向相反，单向磁断阀、单向磁通阀通过连接座连接，单向磁断阀、单向磁通阀的两端均设有伸出连接座外的连接头。

3.根据权利要求1所述的一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，其特征是，所述的锥形密封面上设有锥形密封圈。

4.根据权利要求1所述的一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，其特征是，所述的第一阀芯驱动机构包括呈圆柱状的导向笼I、设在导向笼I内的柱状滑块I，导向笼I的外侧设有定位套I，所述的导向笼I与定位套I之间通过支撑杆I连接，所述柱状滑块I的轴向与流道同轴，所述柱状滑块I朝向喇叭口的一端呈球形，所述导向笼I的外端固定有环形铁氧体磁瓦，所述的柱状滑块I由铁磁体制成。

5.根据权利要求4所述的一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，其特征是，所述单向磁通阀的阀套内位于导向笼I的外端外侧设有导流罩，所述的导流罩通过连杆I与柱状滑块I连接，所述的导流罩呈锥形，导流罩的中心设有与流道同轴的导流孔。

6.根据权利要求1所述的一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，其特征是，所述的第二阀芯驱动机构包括呈圆柱状的导向笼II、设在导向笼II内的柱状滑块II，导向笼II的外侧设有定位套II，所述的导向笼II与定位套II之间通过支撑杆II连接，所述柱状滑块II的轴向与流道同轴，所述柱状滑块II朝向喇叭口的一端呈球形，所述定位套II的内端固定有环形铁磁体块，所述导向笼II的外侧设有铁磁体环，所述的铁磁体环通过连杆II与滑动块连接，所述环形铁磁体块、铁磁体环的内圈与导向笼II之间设有环形间隙，环形间隙内位于支撑杆II与连杆II之间设有复位弹簧。

7.根据权利要求6所述的一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，其特征是，所述柱状滑块II与喇叭口的相对端设有锥形导流凸台。

8.根据权利要求1所述的一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，其特征是，所述阀套的两端设有过滤网。

9.根据权利要求1所述的一种磁制冷机用高效换热式蓄冷床系统，其特征是，所述的换热介质为PH值为7.5-8.5的去离子水。