CN106373701A - 一种复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁磁场系统，特别涉及一种适合于复合式室温磁制冷机用的永磁磁场系统。一种复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统，包括外磁体阵列、内磁体阵列、外磁体阵列和内磁体阵列之间的装配间隙，其特征在于，所述内磁体阵列由两个对称但极性相反的磁体阵列构成，并且两个磁工质床分别对称地安装在所述内磁体阵列的对称但极性相反的磁场的两个矩形区域内。由于本发明的永磁磁场系统的矩形区域的磁场有两个相反的极性，在运行的过程中总有一个与外磁场一致，另一个相反，因此总有一侧磁工质退磁另一侧磁工质磁化，实现了一套磁场系统中的制冷和制热，制冷频率提高为现有磁场系统的2倍。同时由于一套磁场系统就可以实现制冷和制热，因此避免了使用两套磁场系统来平衡力矩，减小了磁场系统的体积和质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁磁场系统，特别涉及一种适合于复合式室温磁制冷机用的永磁磁场系统。
背景技术
磁制冷技术是新型的制冷技术，与传统的气体制冷相比，具有高效、环保、节能及不产生破坏臭氧层和温室效应气体等特点。为了保护人类的生存环境，根据蒙特利尔协议，从2000年开始将逐步禁止含氟制冷剂的生产和使用。作为一种新兴的高效节能的绿色制冷技术，磁制冷采用固体制冷工质和液体循环，对大气和其它环境资源没有污染。磁制冷的制冷效率可达卡诺循环效率的40%～50%，而传统的气体压缩制冷一般为15%～25%，节能效率明显。磁制冷还有稳定可靠的优点，由于无需气体压缩机，运动部件少，运动缓慢，可大幅降低振动与噪声，寿命长，可靠性高，便于维修。由于磁制冷具备上述明显优点，随着磁制冷技术的发展，它已成为很有潜力的能替代传统气体制冷的一种制冷方式。磁制冷机目前在极低温范围内（1K左右）被广泛的应用，在低温领域，磁制冷可以用在氨气、氮气、氢气和天然气等气体的液化，具有较好的应用前景。在室温范围内，磁制冷有更广阔的应用前景，比如家用冰箱、空调、医疗卫生事业等领域的应用。因此近十几年室温磁制冷技术研发受到世界各国的普遍重视，并取得一些举世瞩目的成就。
早期的室温磁制冷样机中，其磁场由超导磁体提供，能够实现很大温跨。但是超导磁体体积庞大，结构复杂，难以应用在民用领域。为了使室温磁制冷机实用化、商业化，室温磁制冷机开始采用永磁磁场系统。简单的永磁磁路设计不能满足室温磁制冷机所需的磁场，因此设计出高磁场强度的磁场系统对室温磁制冷的发展非常重要。
室温磁制冷机的制冷温跨与磁制冷材料外加的磁场强度有关系，磁场强度越大，温跨越大。为了获得较高的磁场强度，现有室温磁制冷机的磁场系统均采用嵌套形式的Halbach磁体阵列系统。每个磁体的充磁方向由Halbach旋转理论确定，然后按照特殊安装工艺将所需磁块安装在圆柱形钢筒中，最后将两个圆柱形磁体阵列嵌套在一起形成复合式室温磁制冷机的磁体系统。现有复合式室温磁制冷机的磁场系统为空心圆柱状的，内磁体或外磁体在电机带动下旋转，对置于磁场中的磁工质进行退磁和磁化，产生制冷。
现有复合式室温磁制冷机的磁场系统如图1A所示，该磁场是由外铁轭 1，外磁体阵列NdFeB 2，气隙3 ，内磁场铁轭4及内磁场NdFeB 5构成。外铁轭为普通钢或纯铁，壁厚5mm，外磁体阵列每一段NdFeB充磁方向如图1所示，整个外磁场系统由例如四段如图排列的磁体组成，形成空心圆柱状。内磁体阵列铁轭为不锈钢或黄铜，壁厚1.5mm。每块内磁体的充磁方向也如图1所示，其仍然由四段磁体装配而成，形成空心圆柱状。整个磁场系统由内外两个同心Halbach圆柱形磁体阵列嵌套而成，内外磁体阵列间隙1.5mm。内磁体上安装传动系统，工质床为圆柱形PVC管，磁工质分段填装于床内，该工质床安装于内磁体阵列的空心区域。 两磁体阵列装配后的初始状态如图1A所示，此时内外磁体阵列的方向相反，内磁体阵列中心部分磁场强度最小约为0T。系统上电运行后，内磁体旋转,外磁体静止不动。当内磁体旋转180度时，内外磁体的相对位置如图1B所示，此时内外磁体的磁场方向一致，内磁体中心部分磁场强度达到最大，约为1.2T—1.7T(与所选用NdFeB牌号有关)。由图1A到图1B的过程磁场强度逐渐增大，对置于内磁体中心位置的磁工质进行磁化，磁工质对外放热。当内磁体再旋转180度时，磁场变化到图1A状态，该过程中心磁场强度由最大值逐渐减小到0T，对磁工质进行退磁，磁工质吸热。磁场强度变化曲线图如图1C所示。现有磁场系统旋转180度时磁工质磁化或退磁一次（系统制冷或制热一次），制冷频率较低，难以提高，影响制冷机制冷能力。
发明内容
本发明的目的在于解决现有复合室温磁制冷机的磁场系统对置于其中的磁工质磁化和退磁频率低、且需要使用两套磁体系统来平衡的问题。
为达到上述发明目的，本发明的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统，包括外磁体阵列、内磁体阵列、外磁体阵列和内磁体阵列之间的装配间隙，其特征在于，所述内磁体阵列由两个对称但极性相反的磁体阵列构成，并且两个磁工质床分别对称地安装在所述内磁体阵列的对称但极性相反的磁场的两个矩形区域内。
在一个实施方式中，所述外磁体阵列的磁块安装于外铁轭内壁上形成空心圆柱形的外磁体的磁场，所述外铁轭为普通钢或纯铁；所述内磁体阵列的磁块安装在内铁轭内壁上，所述内铁轭为不锈钢或黄铜。
在一个优选的实施方式中，所述外铁轭的壁厚为3-6mm，所述内铁轭的壁厚为1-2mm,所述外磁场和内磁场之间的装配间隙为1-2mm。
进一步优选地，所述外铁轭的壁厚为5mm, 内铁轭的壁厚为1.5mm,所述外磁体和内磁体之间的装配间隙为1.5mm。
外铁轭的材料采用碳钢可以有效地减少磁场外泄，而内铁轭的材料采用不锈钢或黄铜是为了支撑目的且可保证磁场不发生变化。
在一个优选的实施方式中，所述内磁体阵列的磁块采用N45和SH45（也称为45SH）磁块,N45和SH45磁块的排列方式使得能够获得两个对称但极性相反的磁场。
进一步优选地，所述N45和SH45磁块皆为相互配合的不规则形状。
进一步优选地，所述内磁体内还包括与SH45磁块配合的铝合金支撑块。采用铝合金支撑块不会对磁场造成影响。
由于本发明的永磁磁场系统的内磁体有两个相反的极性，在运行的过程中总有一个与外磁体的磁场一致，另一个相反，因此总有一侧磁工质退磁另一侧磁工质磁化，实现了一套磁场系统中的制冷和制热，制冷频率提高为现有磁场系统的2倍。同时由于一套磁场系统就可以实现制冷和制热，因此减小了磁场系统的体积和质量。
附图说明
图1A为现有复合式室温磁制冷机的磁场系统的初始状态图；
图1B 为图1A中的现有复合式室温磁制冷机的内磁体阵列旋转180度后的状态图；
图1C 为现有复合式室温磁制冷机的磁场系统的磁场强度变化曲线；
图2A为本发明的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统的初始状态图；
图2B为图2A中的本发明的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统外磁体阵列旋转180度后的状态图；
图3 为根据本发明一个实施例的内磁体阵列磁块排列示意图。
具体实施方式
为更清楚地理解本发明，现结合附图对本发明作进一步说明。应该理解，附图中所描述的本发明的具体实施例仅为说明本发明用，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。
应当理解，本发明的附图仅为说明本发明用，并非按比例严格绘制。
本发明的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统仍然是由两个同心的halbach磁体阵列嵌套而成，如图2A、2B所示。该磁场系统是由外铁轭 11、外磁体阵列NdFeB 12、气隙13、内磁场铁轭14及内磁体阵列NdFeB 15构成。
外铁轭为普通钢或纯铁，壁厚3-6mm，如5mm。外磁体阵列的磁块按如图2A所示顺序安装于外铁轭内壁，如根据需要的长度共安装三段，形成如图所示的空心圆柱形外磁场。
内磁场铁轭，即内铁轭为不锈钢或黄铜，壁厚为1-2mm,如1.5mm。内磁场的磁块安装在内铁轭内壁上，如也为三段，以形成内磁场。
内外磁场的装配间隙为1-2mm， 如1.5mm。
与现有磁场系统不同的是，本发明的内磁体阵列如图2A所示，由两个相反极性的磁体阵列构成，并且磁工质床的截面为矩形而非圆形。磁工质床共有两个16A、16B，装配在内磁体阵列中的两个矩形区域。内外磁场装配后的初始状态如图2A所示。此时内磁体阵列左侧矩形区磁场方向与外磁体阵列的磁场相反，相互抵消，左侧区域磁场约为0T；而右侧矩形区磁场方向与外磁体阵列的磁场相同，相互叠加，使得右侧区域磁场强度达到最大。外磁体阵列在电机的带动下旋转，内磁体阵列静止。外磁体阵列旋转180度后，如图2B所示。此时左侧矩形区的内磁体阵列的磁场方向与外磁体阵列的磁场相同，相互叠加，左侧区域磁场强度达到最大值，而右侧矩形区的内磁体阵列的磁场方向与外磁体阵列的磁场相反，右侧矩形区域磁场强度达到最小值0T。在这个过程中，左侧区域磁场由最小值变化到最大值，磁场强度增强，对置于内部的磁工质进行磁化，使其升温，而右侧磁场区域磁场强度由最大值变化到最小值，磁场强度减小，对置于其中的磁工质退磁，使其降温。在此过程中配合流体的定向流动换热即可实现制冷。因为旋转180度时左右侧磁场各增大或减小一次，即两个磁工质各被磁化或退磁一次，频率是现有磁场磁场系统的2倍。
现有复合式室温磁制冷机的磁场系统是由两个空心的halbach磁体阵列嵌套而成的，永磁磁块的安装有固定的顺序，充磁方向由Halbach旋转理论决定。磁场初始嵌套后，内磁体磁场与外磁体磁场方向相反，圆柱中心磁场强度最小。内磁体阵列在电机的带动下相对外磁体阵列旋转（外磁体阵列静止），当内磁体阵列旋转180度时，内外磁体的磁场方向相同，磁场强度达到最大。因此，内磁体旋转一周（360度），中心磁场强度达到最大值及最小值各一次，即对置于中心附近的磁工质磁化和退磁各一次，完成一次制冷。现有这种磁场形式使得磁工质磁化和退磁频率较低，并且难以通过优化提高，制约磁制冷机制冷功率的增大，制冷速率也较慢。
本发明与现有技术不同的是内磁体磁场有两个相反的极性，无论初始状态还是旋转180度后，内磁体磁场总有一个极性与外磁体磁场相同，另一个与外磁体磁场相反，即任何时刻总有一个磁场增大磁化磁工质，另一个磁场减小，对磁工质退磁。因此本发明的关键点是内磁体磁场的双极性，这是提高制冷频率的关键。
本发明的内磁体磁场有两个相反的极性，在运行的过程中总有一个与外磁体磁场一致，另一个相反，因此总有一侧磁工质退磁另一侧磁工质磁化，实现了一套磁场系统中的制冷和制热，制冷频率提高为现有磁场系统的2倍。同时由于一套磁场系统就可以实现制冷和制热，因此减小了磁场系统的体积和质量。
图3为根据本发明一个实施例的内磁体磁场磁块排列示意图。为了保证获得所需的两个相反极性的内磁体磁场，本实施例采用两种不同的磁块，即以深灰色表示的N45磁体和以浅灰色表示的SH45磁体，且其磁矩方向如图所示。为了使N45磁块和SH45磁块易于安装固定，N45磁块和SH45磁块可采用彼此相对应的不规则形状。此外,为了实现磁块的良好固定，还可以采用铝合金支撑块17A、17B。
本发明的重点在于在内磁体内集成了两个工作空间，在这两个空间内磁场大小相当方向相反，且磁场相当均匀。调节尺寸可改变空腔的体积和磁场大小。匹配的外磁体在空腔中产生的磁场和内磁体的磁场大小相当。
本领域的技术人员应该知道，上述实施例中所采用的外铁轭、内铁轭、磁块材料和支撑块材料仅为举例说明用，并不意图限制本发明的范围。任何可实现本发明目的的材料都可以用于实施本发明。例如，铝合金支撑材料也可替换为其它的非强磁性材料。当对磁场均匀性要求不高时，SH45也可以换成N45，或者将两者都替换为N42、N50等。
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 (7)
1.一种复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统，包括外磁体阵列、内磁体阵列、外磁体阵列和内磁体阵列之间的装配间隙，其特征在于，所述内磁体阵列由两个对称但极性相反的磁体阵列构成，并且两个磁工质床分别对称地安装在所述内磁体阵列的对称但极性相反的磁场的两个矩形区域内。
2.根据权利要求1所述的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统，其特征在于，所述外磁体阵列的磁块安装于外铁轭内壁上形成空心圆柱形外磁场，所述外铁轭为普通钢或纯铁；所述内磁体阵列的磁块安装在内铁轭内壁上，所述内铁轭为不锈钢或黄铜。
3.根据权利要求2所述的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统，其特征在于，所述外铁轭的壁厚为3-6mm，所述内铁轭的壁厚为1-2mm,所述外磁场和内磁场之间的装配间隙为1-2mm。
4.根据权利要求3所述的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统，其特征在于，所述外铁轭的壁厚为5mm, 内铁轭的壁厚为1.5mm,所述外磁体阵列和内磁体阵列之间的装配间隙为1.5mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统，其特征在于，所述内磁体阵列的磁块采用N45和SH45磁块,且N45和SH45磁块的排列方式使得能够获得两个对称但极性相反的磁场。
6.根据权利要求5所述的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统，其特征在于，所述N45和SH45磁块皆为相互配合的不规则形状。
7.根据权利要求6所述的复合式室温磁制冷机用双腔永磁磁场系统，其特征在于，所述内磁体阵列内还包括与SH45磁块配合的铝合金支撑块。
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