CN106931687B - 一种用于室温磁制冷的串联微元回热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于室温磁制冷的串联微元回热系统，包括电机、传动装置、磁制冷回热器、连接所述磁制冷回热器吸热区的冷端导热换热器、连接磁制冷回热器放热区的热端导热换热器，所述磁制冷回热器包括设置有高温区导热孔及低温区导热孔的圆形上盖板和下盖板、依次同轴串联设置于上盖板和下盖板之间的高温级主动回热器、级间导热润滑模块、低温级主动回热器，所述高温级主动回热器的吸热区和低温主动回热器的放热区沿轴向重叠，分别包括至少两层相互呈180度分布且旋向相反的旋转式磁制冷回热器模组。本发明通过多级串联连接，增加磁逆向循环间的回热级数和减少磁热性材料冷热源间回热不平衡造成制冷量损失，在大温跨情况下实现高制冷量输出。

Description

一种用于室温磁制冷的串联微元回热系统
技术领域
本发明专利涉新型制冷技术领域，具体涉及一种用于室温磁制冷的串联微元回热系统。
背景技术
能源是人类赖以生存的基础，随着世界一次能源消费量的不断增加，降低能耗、利用自然能源已成为科学研究的重要方向。随着人们生活水平的提高，制冷技术已经走进千家万户。制冷技术主要有蒸汽压缩制冷、热电制冷、热声制冷、涡流管制冷、吸附式制冷、磁制冷等。室温磁制冷技术是以磁热性材料在室温区的巨磁热效应（MagnetocaloricEffect, MCE）为基础的一种新型的制冷技术。与传统的蒸汽压缩式制冷相比，磁制冷凭借其环保、高效的优势，被视为最有潜力替代传统蒸汽压缩制冷循环的技术之一。从机械可靠性和紧凑性来说，磁制冷采用永磁体提供磁场且运转频率低，机械震动少、工作噪音小、机械可靠性高，寿命长。并且由于磁熵密度比气体大，所以制冷装置的结构能变得更加紧凑、安全。从能源利用率方面考虑，传统蒸汽压缩机的热效率仅能达到卡诺循环的5%~10%，而磁制冷循环却能达到30%~60%，节能效果显著。因此，室温磁制冷技术有相当良好的应用前景。各国的科研人员都对磁制冷技术开展了广泛的研究。
受限于现阶段磁热性材料在有限的永磁体场强下的磁热效应不足的情况下，现阶段主要使用的主动式回热器在换热流体通过强制对流的方式带出磁热性材料产生热量和冷量的过程中，让磁热性充当回热材料，储存和释放循环过程中的晶格熵。从而实现在外场一定的情况下，大大增大磁熵的可用量。主动式回热器中温度经过多次累积，形成一定温度梯度，从而扩宽热端和冷端之间的温跨，从而实现向一定温度下的环境提供冷量。但是，在实际使用的过程中，尤其是冷热端温跨增大后，载冷流体和磁热性工质会使冷端和热端之间的热短路，从而造成制冷量或者制热量有所损失；另外，主动式回热器内每一个微元复叠循环回热效率下降，使得现行的室温磁制冷系统在大温跨下系统制冷功率小。因此，设计出更为高效的主动式回热器系统，使得室温磁制冷技术在大温跨下仍然保留有较大的制冷量和制热量的工作具有实质性意义。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是根据磁热效应原理和室温磁制冷回热循环，提供一种在温差自驱动下主动回热的室温磁制冷的串联微元回热系统。
本发明采用如下技术方案实现：
一种用于室温磁制冷的串联微元回热系统，包括电机、传动装置、磁制冷回热器、连接所述磁制冷回热器吸热区的冷端导热换热器、连接所述磁制冷回热器放热区的热端导热换热器，所述磁制冷回热器包括设置有高温区导热孔及低温区导热孔的圆形上盖板和下盖板、依次同轴串联设置于上盖板和下盖板之间的高温级主动回热器、级间导热润滑模块、低温级主动回热器，所述的高温级主动回热器的吸热区和低温主动回热器的放热区沿轴向重叠，分别包括至少两层相互呈180度分布且旋向相反的旋转式磁制冷回热器模组，相邻磁制冷回热器模组之间还设置有层间润滑导热模块，所述电机通过传动装置与所述旋转式磁制冷回热器模组驱动连接。
进一步地，所述的旋转式磁制冷回热器模组包括固定不动的弧形永磁体磁场、旋转并穿过永磁体磁场的回热器动盘、均匀嵌入在所述回热器动盘上的磁热性工质填充床层。
进一步地，所述的永磁体磁场包括外磁体和内磁铁，所述外磁体和内磁体分别为两个同心半圆环，内磁体的外圆弧表面与外磁体的内圆弧表面相对，形成与所述回热器动盘间隙配合的弧形高磁场区域间隙。
进一步地，所述的弧形高磁场区域间隙的宽度为10mm-40mm。
进一步地，所述的回热器动盘为圆环状的磁热性工质盘，由低导热系数材料加工而成，所述的回热器动盘的内孔设置有内齿，所述的回热器动盘的圆周方向上均匀布满若干用于装配所述磁热性工质填充床层的扇形通孔，相邻两个扇形通孔之间设有绝热隔板，防止扇形通孔内的磁热性材料间相互漏热造成磁热性工质盘内部热短路。
进一步地，所述的扇形通孔高度为10mm-80mm。
进一步地，所述的层间润滑导热模块呈圆环状，中间设置有环状导轨。
进一步地，所述的环状导轨上沿周向开有扇形通孔，扇形通孔内填入具有一定耐磨及导热系数的扇形导热润滑块或热管换热器，所述扇形通孔数目与回热器动盘内的磁热性材料填充床层数目相同。
进一步地，所述的级间导热润滑模块呈环形，中间设置有环形导轨，所述环形导轨上相对所述的高温级主动回热器的吸热区和低温主动回热器的放热区的位置设置有扇形通孔，所述的扇形通孔内填入具有一定耐磨及导热系数的扇形导热润滑块或热管换热器。
进一步地，所述的扇形导热润滑块的材料为石墨、陶瓷、石墨泡沫铜或石墨烯。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
与普通磁回热器相比，本发明采用的串联微元回热旋转式室温磁制冷系统回热效率更高而且可控，有效减少回热过程热损失造成系统制冷量损失，可以充分发挥磁热性工质制冷效能。另外，采用单材料复叠串联系统，可有效减少磁热性材料在冷热源间不完全回热量造成的冷量损失，大幅度提高系统在大温跨下制冷量的输出。另一方面，采用复合磁热性材料双级复叠串联系统，可有效增加低温级主动回热器吸热区的磁熵变，保证系统在大温跨下高制冷量输出。回热器内回热过程，采用温差驱动下的固-固回热，避免泵送载冷载热流体回热流动而产生的额外功耗以及避免载冷流体与磁热性工质接触而造成磁热性工质被腐蚀性能衰减等问题，因此，能有效提高系统能效以及室温磁热泵系统的使用寿命。
附图说明
图1为串联微元回热系统结构分解示意图。
图2为单层回热器模组结构示意图。
图3为相邻两层回热器模组结构示意图。
图4为层间润滑导热模块结构示意图。
图5为两级回热器串联系统复叠模型示意图。
图6为串联微元回热系统磁场分布区域、旋转方向及导热回热关系示意图。
图中所示： 101-上盖板；102-高温区导热孔；103-低温区导热孔；2-第一旋转式磁制冷回热器模组；201-外磁体；202-内磁体；2031-磁热性工质填充床层；2032-回热器动盘；3-层间润滑导热模块；301-扇形导热润滑块；302-环状导轨；4-第二旋转式磁制冷回热器模组；5-第三旋转式磁制冷回热器模组；6-第四旋转式磁制冷回热器模组；7-下盖板；8-高温级主动回热器；9-级间导热润滑模块；10-低温级主动回热器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
附图1所示为本发明的结构分解示意图，图中省略了机械传动的部分。
一种用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：包括电机、传动装置、磁制冷回热器、连接所述磁制冷回热器吸热区的冷端导热换热器、连接所述磁制冷回热器放热区的热端导热换热器，所述磁制冷回热器包括设置有高温区导热孔102及低温区导热孔103的圆形上盖板101和下盖板7、依次同轴串联设置于上盖板101和下盖板7之间的高温级主动回热器8、级间导热润滑模块9、低温级主动回热器10，所述的高温级主动回热器8的吸热区和低温级主动回热器10的放热区沿轴向重叠，分别包括至少两层相互呈180度分布且旋向相反的旋转式磁制冷回热器模组：第一旋转式磁制冷回热器模组2、第二旋转式磁制冷回热器模组4、第三旋转式磁制冷回热器模组5、第四旋转式磁制冷回热器模组6。相邻旋转式磁制冷回热器模组之间还设置有层间润滑导热模块3，既起到导轨作用，亦起到导热作用。所述电机通过传动装置与所述旋转式磁制冷回热器模组驱动连接。
具体而言，如图2所示，以第一旋转式磁制冷回热器模组2为例，所述的第一旋转式磁制冷回热器模组2包括固定不动的弧形永磁体磁场、旋转并穿过永磁体磁场的回热器动盘2032、均匀嵌入在所述回热器动盘2032上的磁热性工质填充床层2031。
具体而言，所述的永磁体磁场包括外磁体201和内磁铁202，所述外磁体201和内磁体202分别为两个同心半圆环，内磁体202的外圆弧表面与外磁体201的内圆弧表面相对，形成与所述回热器动盘间隙配合的弧形高磁场区域间隙。所述的弧形高磁场区域间隙的宽度为10mm-40mm。
具体而言，所述的回热器动盘2032为圆环状的磁热性工质盘，由低导热系数材料加工而成，所述的回热器动盘2032的内孔设置有内齿，所述内齿通过传动装置的外齿轮连接电机，传动装置可以通过相应的齿轮组及其配比使的回热器动盘2032的活动一定转速且旋转方向相反，本领域技术人员可以根据需要选择合适的齿轮组及其配比，在此不再赘述。所述的回热器动盘的圆周方向上均匀布满若干用于装配所述磁热性工质填充床层2031的扇形通孔，所述的扇形通孔高度为10mm-80mm。相邻两个扇形通孔之间设有绝热隔板，防止扇形通孔内的磁热性材料间相互漏热造成磁热性工质盘内部热短路。所述的磁热性工质填充床层2031的形状与所述扇形通孔的形状相匹配。
具体而言，如图4所示，所述的层间润滑导热模块3呈圆环状，中间设置有环状导轨302。所述的环状导轨302上沿周向开有扇形通孔，扇形通孔内填入具有一定耐磨及导热系数的扇形导热润滑块301或热管换热器，所述扇形通孔数目与回热器动盘2032内的磁热性材料填充床层2031数目相同。所述的扇形导热润滑块301的材料为石墨、陶瓷、石墨泡沫铜或石墨烯等高导热系数材料。
各层旋转式磁制冷回热器模组内的回热器动盘绕系统的轴向方向进行顺时针旋转或逆时针旋转，而且相邻旋转式磁制冷回热器模组内的回热器动盘的旋转方向相反，使得环状回热器动盘2032中各个磁热性工质填充床层2031周期性进入磁场磁化和退出磁场退磁，形成回热器动盘旋转、磁体固定不动的运动形式。
相邻两层的回热器动盘2032旋转方向相反，各层旋转式磁制冷回热器模组通过串联堆叠的形式进行组合。相邻两层的旋转式磁制冷回热器模组结构如附图3所示，以第一旋转式磁制冷回热器模组2和第二旋转式磁制冷回热器模组4为例，上下两个回热器动盘在反向旋转过程中，上下对应位置的磁热性工质填充床层2031通过层间润滑导热模块3进行温差驱动下的导热回热。上、下两层回热器模组内高磁场区交叠区域为系统的高温放热区。上、下两层转式磁制冷回热器模组内低磁场区交叠区域为系统的低温吸热区。通过对交叠区域的角度控制，可以控制高温放热区和低温吸热区的大小。
如图5所示，本实施例由高温级主动回热器8和低温级主动回热器10两级及级间导热润滑模块9复叠而成，所述的级间导热润滑模块9呈环形，中间设置有环状导轨302，所述环形导轨上仅在相对所述的高温级主动回热器的吸热区和低温主动回热器的放热区的位置设置有扇形通孔，所述的扇形通孔内填入具有一定耐磨及导热系数的扇形导热润滑块301或热管换热器。所述的扇形导热润滑块301的材料为石墨、陶瓷、石墨泡沫铜或石墨烯。级间导热润滑模块9在相邻两级主动回热器之间起到导轨作用，亦起到导热作用，实现高温级主动回热器9与低温级主动回热器10实现热量复叠。
高温级主动回热器8刚进入磁场区域的磁热性工质填充床层2031由于磁化所产生的热量通过热端导热换热器将磁热性材料产生的热量带到热端，刚退出磁场的磁热性工质填充床层2031所产生的冷量通过级间导热润滑模块9与低温级主动回热器10刚进入磁场区域进行复叠回热。低温级主动回热器10刚退出磁场区域的磁热性工质填充床层2031由于退磁所产生的冷量通过冷端导热回热器带到冷端，从而实现制冷。两级主动回热器各自之间其他位置的磁热性工质填充床层2031与对应的磁热性工质填充床层2031通过层间润滑导热模块3进行有限时间回热。所述的级间导热润滑模块9呈环形，中间设置有环状导轨302，所述环形导轨上相对所述的高温级主动回热器的吸热区和低温主动回热器的放热区的位置设置有扇形通孔，所述的扇形通孔内填入具有一定耐磨及导热系数的扇形导热润滑块301或热管换热器。所述的扇形导热润滑块301的材料为石墨、陶瓷、石墨泡沫铜或石墨烯。
可以看出，高温级主动回热器和低温级主动回热器都是由两层旋转式磁制冷回热器模组上下错位堆叠而成，同一级内的两层旋转式磁制冷回热器模组内的回热器动盘上下对应位置的磁热性工质填充床层通过所述的层间导热润滑模块3进行小温差驱动下的导热回热。在同一级主动回热器内，两层旋转式磁制冷回热器模组的高磁场区重叠区域为该级主动回热器的高温放热区，而低磁场区重叠的区域为该级主动回热器的低温吸热区。高温级主动回热器8的低温吸热区与低温级主动回热器的高温放热区通过级间导热润滑模块9进行复叠回热，高温级主动回热器8的高温放热区与所述的热端导热换热器相接，而低温级主动回热器10的低温吸热区与所述的冷端导热换热器相接。
另外，需要指出的是，本实施例的高温级主动回热器8和低温级主动回热器10内可填充同一种居里温度的磁热性材料，亦可以同时填充不同居里温度的磁热性材料，如低居里温度材料填充在低温级主动回热器10内，高居里温度材料填充在高温级主动回热器8内。材料的居里温度及质量配比根据系统的不同用途而不同，居里温度范围在室温区260K-320K之间。而系统内的热端导热换热器及冷端导热换热器，可采用热管换热器，风冷翅片管式换热器等多种形式的换热器，可根据实际情况进行选择。
本实施例提供的串联微元回热旋转式室温磁制冷系统中，各层转式磁制冷回热器模组的磁场分布区域、旋转方向、导热回热关系示意图如图6所示。通过热端导热换热器与系统的高温放热区相接，冷端导热换热器与系统的低温吸热区相接，回热器其他区域、磁热性工质填充床层2031与对应位置的磁热性工质填充床层2031通过层间润滑导热模块3进行有限时间回热，最终实现高效地向热端放热，从冷端吸热的磁逆向循环。
本实施例回热器动盘可以在所述外磁体201与内磁体202所形成的间隙中旋转，回热器动盘扇形通孔内的磁热性工质填充床层2031周期性进入和离开外磁体201与内磁体202所形成的高磁场区域。各层回热器动盘在层间润滑导热模块3内的环状导轨302间滑动。各层回热器动盘内的磁热性工质填充床层2031在温差驱动下，通过层间润滑导热模块3的扇形导热润滑块301进行自发导热热平衡，在多级回热作用下减少回热损失。通过多层旋转式磁制冷回热器模组串联，可以有效增加系统单位时间内的磁热性材料的磁处理质量以及提高磁热性工质填充床层的导热效率，从而使得系统制冷量得到提升。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：包括电机、传动装置、磁制冷回热器、连接所述磁制冷回热器吸热区的冷端导热换热器、连接所述磁制冷回热器放热区的热端导热换热器，所述磁制冷回热器包括设置有高温区导热孔(102)及低温区导热孔(103)的圆形上盖板(101)和下盖板(7)、依次同轴串联设置于上盖板(101)和下盖板(7)之间的高温级主动回热器(8)、级间导热润滑模块(9)、低温级主动回热器(10)，所述的高温级主动回热器的吸热区和低温主动回热器的放热区沿轴向重叠，分别包括至少两层相互呈180度分布且旋向相反的旋转式磁制冷回热器模组，相邻磁制冷回热器模组之间还设置有层间润滑导热模块(3)，所述电机通过传动装置与所述旋转式磁制冷回热器模组驱动连接；
所述的旋转式磁制冷回热器模组包括固定不动的弧形永磁体磁场、旋转并穿过永磁体磁场的回热器动盘(2032)、均匀嵌入在所述回热器动盘(2032)上的磁热性工质填充床层(2031)，回热器动盘(2032)上设置有内齿，内齿通过传动装置的外齿轮连接电机，传动装置通过相应的齿轮及其配比使回热器动盘(2032)活动一定转速且旋转方向相反。
2.根据权利要求1所述的用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：所述的永磁体磁场包括外磁体(201)和内磁体(202)，所述外磁体(201)和内磁体(202)分别为两个同心半圆环，内磁体(202)的外圆弧表面与外磁体(201)的内圆弧表面相对，形成与所述回热器动盘间隙配合的弧形高磁场区域间隙。
3.根据权利要求2所述的用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：所述的弧形高磁场区域间隙的宽度为10mm-40mm。
4.根据权利要求1所述的用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：所述的回热器动盘(2032)为圆环状的磁热性工质盘，由低导热系数材料加工而成，所述的回热器动盘(2032)的内孔设置有内齿，所述的回热器动盘的圆周方向上均匀布满若干用于装配所述磁热性工质填充床层(2031)的扇形通孔，相邻两个通孔之间设有绝热隔板。
5.根据权利要求4所述的用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：所述的扇形通孔高度为10mm-80mm。
6.根据权利要求1所述的用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：所述的层间润滑导热模块(3)呈圆环状，中间设置有环状导轨(302)。
7.根据权利要求6所述的用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：所述的环状导轨(302)上沿周向开有扇形通孔，扇形通孔内填入具有一定耐磨及导热系数的扇形导热润滑块(301)或热管换热器，所述扇形通孔数目与回热器动盘(2032)内的磁热性工质填充床层(2031)数目相同。
8.根据权利要求1所述的用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：所述的级间导热润滑模块(9)呈环形，中间设置有环状导轨(302)，所述环形导轨上相对所述的高温级主动回热器的吸热区和低温主动回热器的放热区的位置设置有扇形通孔，所述的扇形通孔内填入具有一定耐磨及导热系数的扇形导热润滑块(301)或热管换热器。
9.根据权利要求7或8所述的用于室温磁制冷的串联微元回热系统，其特征在于：所述的扇形导热润滑块(301)的材料为石墨、陶瓷、石墨泡沫铜或石墨烯。
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