CN106949673B - 一种主动式磁回热器及磁制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种主动式磁回热器和磁制冷系统，主动式磁回热器包括壳体、转动机构和磁热单元，转动机构和磁热单元均设于壳体内，转动机构包括旋转部件和固定支架，固定支架通过旋转部件设于壳体的内壁上，磁热单元包括多块平行设置的板状磁热材料，磁热单元设于固定支架上。上述主动式磁回热器，磁热单元通过转动机构设于壳体内，当外部磁场方向发生变化时，磁热单元在磁力扭矩的作用下与外部磁场同步旋转，使外部磁场方向始终能够沿磁热材料退磁因子最小的方向，保证磁热材料内部的磁场最大化，充分发挥磁热材料的磁热效应，获得最佳的制冷性能。同时，在磁力扭矩作用下，磁热单元通过旋转，避免了磁热材料内部产生较大的交变应力，提高整机使用寿命。

Description

一种主动式磁回热器及磁制冷系统

技术领域

本发明属于磁制冷技术领域，尤其涉及一种主动式磁回热器及磁制冷系统。

背景技术

目前主流的制冷技术——蒸汽压缩式制冷，采用CFCs、HCFCs等作为制冷工质，面临着两方面的环境问题：破坏臭氧层以及温室效应。磁制冷技术利用磁热材料的磁热效应来进行制冷，即，当外加磁场增大，磁热材料被励磁时，磁熵减少，温度升高，通过换热流体向外界放热；当外加磁场降低，磁热材料退磁磁时，磁熵增加，温度降低，再通过传热流体从外界吸热。上述过程反复循环即可达到制冷或泵热目的。由于磁制冷技术采用固体磁热材料作为制冷工质，以空气或水作为传热流体，是一项完全绿色环保的制冷技术。

磁制冷机通常包括磁场系统、热交换系统以及含有磁热材料的主动式磁回热器(Active Magnetic Regenerator，简称AMR)。主动式磁回热器是磁制冷机的核心，是实现磁热转换的机构；磁场系统用来提供变化的磁场，驱动主动式磁回热器产生磁热效应；热交换系统则负责将主动式磁回热器的热量传递给外界环境和被制冷物体。

主动式磁回热器一般由两部分组成，外部壳体和内部磁热材料。磁热材料通常被加工成孔隙结构，以便与传热流体进行热量交换。常见形式有板叠式、颗粒物填料式、蜂窝式等等。众所周知，当磁性材料被外部磁场励磁时，其自身会产生一个反向的退磁场，导致材料内部实际磁场小于外部施加磁场。因此，磁制冷机中，总是希望尽量降低磁热材料的退磁场。退磁场大小主要取决退磁因子。退磁因子具有明显的为各向异性。例如，对于由若干平板状磁热材料堆叠而成板叠式主动式磁回热器，当外部磁场沿平板长度方向时，退磁场最小，几乎可以忽略，而当外部磁场沿平板厚度方向时，退磁场可达外部磁场的60～90％。在旋转式磁制冷机中，外部磁场不仅会有大小变化，其方向往往也随之变化，无法保证始终沿退磁因子最小方向。另外，当磁场方向变化时，磁热材料本身还会受到磁力扭矩的作用产生一定应力。由于目前室温磁制冷机中的磁热材料以稀土基化合物为主，而这类材料普遍特点是强度低、脆性大。因此，在上述磁力扭矩反复作用下，材料容易发生疲劳破坏，大大降低使用寿命。本发明的目的是为解决上述退磁场和应力两方面的问题。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种新型的主动式磁回热器及磁制冷系统。该主动式磁回热器能够有效的减少退磁场影响，提高整机制冷能力；同时又能够减小磁力扭矩作用下对材料内部产生的交变应力，提高整机使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种主动式磁回热器，包括壳体、转动机构和磁热单元，所述转动机构和所述磁热单元均设于所述壳体内，所述转动机构包括旋转部件和固定支架，所述固定支架通过所述旋转部件设于所述壳体的内壁上，所述磁热单元包括多块平行设置的板状磁热材料，所述磁热单元设于所述固定支架上，当外部磁场方向发生变化时，磁热单元受到磁力扭矩作用，与外部磁场同步旋转。

在其中一个实施例中，所述壳体包括套筒和设于所述套筒两端的连接端盖。

在其中一个实施例中，所述套筒的两端设有用于限定转动机构的轴向和径向位移的限位机构。

在其中一个实施例中，所述限位机构为朝所述套筒外侧凸起的凸台。

在其中一个实施例中，所述连接端盖与所述套筒之间采用螺纹密封连接。

在其中一个实施例中，所述转动机构的数量为两个，两个转动机构分别设于所述壳体的两端。

在其中一个实施例中，所述旋转部件为轴承。

在其中一个实施例中，所述轴承的外圈和所述壳体固定连接，所述轴承的内圈与固定支架通过过盈配合连接。

在其中一个实施例中，所述固定支架包括环体和设于所述环体内侧的相对两侧的多个齿状突起，且所述多个齿状突起两两相对且间隔设置。

一种磁制冷系统，包括所述主动式磁回热器。

上述主动式磁回热器，磁热单元通过转动机构设于壳体内，当外部磁场方向发生变化时，磁热单元在磁力扭矩的作用下与外部磁场同步旋转，使外部磁场方向始终能够沿磁热材料退磁因子最小的方向，保证磁热材料内部的磁场最大化，充分发挥磁热材料的磁热效应，获得最佳的制冷性能。同时，在磁力扭矩作用下，磁热单元通过旋转，避免了磁热材料内部产生较大的交变应力，提高整机使用寿命。

附图说明

图1为一实施方式的主动式磁回热器剖面结构示意图；

图2为图1所示的主动式磁回热器的壳体的剖面结构示意图；

图3为图1所示的主动式磁回热器的转动机构的立体结构示意图；

图4为图1所示的磁热单元的立体结构示意图；

图5为图1所示的主动式磁回热器和外部磁场源结合的立体结构示意图；

图6为磁热单元与磁场方向的示意图；

图7为采用图1所示主动式磁回热器的一种磁制冷系统。

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晰，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。

请参阅图1至图4，一实施方式的主动式磁回热器100，包括壳体10、转动机构20和磁热单元30。转动机构20和磁热单元30均设于壳体10内。转动机构20包括旋转部件和固定支架22，固定支架22通过旋转部件设于壳体10的内壁上。磁热单元30包括多块平行设置的板状磁热材料32，磁热单元30设于固定支架22上。当外部磁场方向发生变化时，磁热材料受到磁力扭矩作用，与磁场同步旋转，且二者方向的夹角始终沿着磁热材料退磁因子最小的方向。

在本实施方式中，请参考图2，壳体10包括套筒12和设于套筒12两端的连接端盖14。套筒12为筒状结构。连接端盖14为漏斗状结构。连接端盖14的锥尖处用于流体的流进和流出。套筒12两端的连接端盖14分别与传热流体管道连接，传热流体从套筒12一端的连接端盖14进入，从套筒12另一端的连接端盖14流出，传热流体在壳体10内部流动，与磁热材料进行换热。在本实施方式中，连接端盖14与套筒12之间采用螺纹密封连接，方便拆卸安装。可以理解，连接端盖14与套筒12之间也可以采用其他方式连接。

套筒12的两端设有用于限定转动机构20的轴向和径向位移的限位机构，用于限定转动机构的轴向和径向位移。在本实施例中，请参考图2，限位机构为朝套筒外侧凸起的凸台122。

转动机构20转动设于壳体10内。转动机构20与壳体10之间可以通过沟槽、凸台、螺栓或其他方式连接固定。转动机构20轴向或径向的位移被约束，但可在受外力作用时，沿周向自由转动。在本实施例中，转动机构20设于凸台122内。在本实施例中，转动机构20的数量为两个，两个转动机构20分别设于壳体10的两端。

在本实施方式中，请参考图3，旋转部件为轴承。轴承的外圈242和壳体10固定连接，轴承的内圈244与固定支架22通过过盈配合连接。旋转部件通过采用轴承，很小的磁力扭矩就能使磁热单元30产生转动，使得磁热单元30产生的应力也很小，从而提高了其使用寿命。

在本实施方式中，请参考图3，固定支架22包括环体222和设于环体222内侧的相对两侧的多个齿状突起224，且多个齿状突起224两两相对且间隔设置。板状磁热材料32设于相对设置的两个齿状突起224上，且被两个相邻的齿状突起224夹紧。磁热单元30形成带有狭缝流道的板叠，传热流体进入主动式磁回热器100后，将从上述狭缝流道内穿过，与磁热材料进行换热。磁热单元30固定在固定支架22上，可以使磁热单元30的径向轴向位移被限制，但可沿周向自由转动。具体的，请参考图4，在本实施方式中，磁热单元30包括若干块长度相等、宽度不等的板状磁热材料32。各板状磁热材料32根据其宽度依次对应嵌入固定支架22中，并借助固定支架22上的齿状突起224固定，形成带有狭缝流道的板叠。板状磁热材料具有各向异性的退磁因子。

请参考图5和图6，磁场的磁场源200是一种磁制冷机中常用的环形永磁结构，其根据Halbach磁路理论设计，分内外两层，每层磁体都是由若干块扇形磁体构成，每块磁体的磁极方向不同。磁场源200的充磁方向见图6。当内层或外层磁体旋转时，会在中心形成大小和方向变化的磁场。

上述主动式磁回热器100，请同时参考图1和图6，磁热单元30通过转动机构20设于壳体10内，当外部磁场发生变化(大小和方向均产生变化)时，受磁力影响，磁热单元30在磁力扭矩的作用下与外部磁场同步旋转，磁热单元30会转动至与磁场平行的位置，而该位置恰好也是退磁因子最小方向，从而使外部磁场方向始终能够沿磁热材料退磁因子最小的方向，最大程度的降低了磁热材料内部的退磁场，保证磁热材料内部的磁场最大化，充分发挥磁热材料的磁热效应，获得最佳的制冷性能。同时，在磁力扭矩作用下，磁热单元30通过旋转，避免了磁热材料内部产生较大的交变应力，提高整机使用寿命。

此外，上述主动式磁回热器100还可以应用于磁制冷系统。本申请提供的一实施方式的磁制冷系统，包括上述主动式磁回热器100。

具体的，如图7所示，磁制冷系统包括主动式磁回热器100、磁场源200、低温换热器300、室温换热器400、推移活塞500、电动缸600、同步带轮700、电机800以及连接管道。主动式磁回热器100、低温换热器300、推移活塞500和室温换热器400依次通过连接管道连接形成一个循环。

磁制冷系统中一般采用水作为传热流体。电动缸600可以推动推移活塞500往复运动，使磁制冷系统中的水形成往复流动。电机800通过同步带轮700驱动磁场源200的内层磁体旋转，对回热器100进行励磁和退磁。电机800与电动缸600通过控制系统按照一定的时序相位匹配运行，驱动整个系统运转实现制冷，具体过程如下：

1)电机800驱动内层磁体从磁场最强位置旋转180°至磁场最弱位置，回热器100退磁，温度降低，此过程中板叠也随磁场旋转，与磁场方向保持平行；

2)电动缸600推动活塞500向左运动，管路中的流体逆时针流动，流体经过回热器100后，温度降低，随后进入低温换热器300从外界吸热，实现制冷；

3)电机800驱动内层磁体从磁场最弱位置旋转180°至磁场最强位置，回热器100励磁，温度升高，此过程中板叠也随磁场旋转，与磁场方向保持平行；

4)电动缸600推动活塞500向右运动，管路中的流体顺时针流动，流体经过回热器100后，温度升高，随后进入高温换热器400，将低温端吸收的热量排放至环境。

上述4个过程循环往复，实现连续制冷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种主动式磁回热器，其特征在于，包括壳体、转动机构和磁热单元，所述转动机构和所述磁热单元均设于所述壳体内，所述转动机构包括旋转部件和固定支架，所述固定支架通过所述旋转部件设于所述壳体的内壁上，所述磁热单元包括多块平行设置的板状磁热材料，所述磁热单元设于所述固定支架上，当外部磁场方向发生变化时，磁热单元受到磁力扭矩作用，与外部磁场同步旋转。

2.如权利要求1所述的主动式磁回热器，其特征在于，所述壳体包括套筒和设于所述套筒两端的连接端盖。

3.如权利要求2所述的主动式磁回热器，其特征在于，所述套筒的两端设有用于限定转动机构的轴向和径向位移的限位机构。

4.如权利要求3所述的主动式磁回热器，其特征在于，所述限位机构为朝所述套筒外侧凸起的凸台。

5.如权利要求2所述的主动式磁回热器，其特征在于，所述连接端盖与所述套筒之间采用螺纹密封连接。

6.如权利要求1所述的主动式磁回热器，其特征在于，所述转动机构的数量为两个，两个转动机构分别设于所述壳体的两端。

7.如权利要求1所述的主动式磁回热器，其特征在于，所述旋转部件为轴承。

8.如权利要求7所述的主动式磁回热器，其特征在于，所述轴承的外圈和所述壳体固定连接，所述轴承的内圈与固定支架通过过盈配合连接。

9.如权利要求1所述的主动式磁回热器，其特征在于，所述固定支架包括环体和设于所述环体内侧的相对两侧的多个齿状突起，且所述多个齿状突起两两相对且间隔设置。

10.一种磁制冷系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述主动式磁回热器。