CN107238229A - 一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置，由单个或多个磁制冷系统构成，其特征在于，所述磁制冷系统包括控制系统、电磁铁、磁制冷介质、与磁制冷介质紧密贴合或插入的上部热管以及与磁制冷介质紧密贴合或插入的下部热管，电磁铁布置在磁制冷介质上下两端，且与控制系统相连。本发明根据磁制冷介质工作间歇性的特性，充分利用重力热管的方向性，合理地将热量进行由下向上的迁移，结合电磁铁的特性，实现无机械组件的制冷，并在此基础上实现多级磁制冷。

Description

一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置
技术领域
本发明涉及磁制冷技术领域，具体是一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置。
背景技术
当前国民经济的发展，对于制冷技术的需求越来越高，在某种场合，特别是无人值守的场合，需要低能耗、长寿命和高可靠的制冷装置。现有采用制冷压缩机的蒸汽压缩制冷，在运行中需要使用专用的制冷剂，多少存在环境污染、臭氧层破坏方面的问题。
磁制冷是一种基于磁性材料(磁制冷介质)为工质的制冷技术，其基本原理是采用磁性物质的磁热效应实现制冷。磁性材料在外界磁场消失后，由磁化状态转变为消磁状态，其内部磁矩由原来的顺应外部磁场的有序化转为消磁后的无序化，工质会从外界吸收热量；在外加磁场后，由消磁状态转变为磁化状态，此时其内部磁矩转变为有序状态，要向外界放出热量。由以上效应，可以通过合理控制的外加磁场的施加和消除，使磁性材料产生制冷效应。
磁制冷介质在工作过程中，本身在工作周期内即会放热又会吸热，温度会周期性升高或降低，无法直接与被制冷物体接触。而在磁制冷介质消磁后，温度降低，又有必要消除环境热量对于磁制冷介质的加热。通常磁制冷介质自身进行绝热，通过介质的不同流向，在工作周期内，将介质分别引入散热器和制冷器进行制冷和散热，通过分配阀或换向阀或移动装置等实现介质流向的选择性，最终实现热量流向的选择性。
重力热管是一种传热元件。在管壳内部充装饱和状态的工作介质，如水、乙醇等。
重力热管在工作时，吸热端(蒸发端)要低于放热端(冷凝端)。重力热管的工作过程如下：热量在吸热端(蒸发端)从外热源经过管壁传给工质液体，液体蒸发后形成蒸汽，在管内进行扩散和上浮。在冷凝段，工质蒸汽凝结成液体放出的热量再经过管壁传给冷源。工质凝结成液体后，在重力的作用下，再顺管壁回流到吸热端(蒸发端)。如此形成持续循环，可不断地将热量从蒸发段传递到冷凝段。因为重力热管主要是利用冷凝后的液体工质的自重在重力条件下实现顺利回流，因此具有明显的方向性，即只能将热量从下部向上部传递。
而本发明主要利用重力热管在重力场条件下的吸热和放热端的方向性分配原理，对于磁制冷介质在磁化和消磁状态下的放热及制冷过程进行选择性传热。
发明内容
本发明提供了一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置，根据磁制冷介质工作间歇性的特性，充分利用重力热管的方向性，合理地将热量进行由下向上的迁移，结合电磁铁的特性，实现无机械组件的制冷，并在此基础上实现多级磁制冷。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置，由单个或多个磁制冷系统构成，其特征在于，所述磁制冷系统包括控制系统、电磁铁、磁制冷介质、与磁制冷介质紧密贴合或插入的上部热管以及与磁制冷介质紧密贴合或插入的下部热管，电磁铁布置在磁制冷介质上下两端，且与控制系统相连。
其中，单级磁制冷是通过以下步骤实现制冷的：
S1、控制系统向电磁铁通电，此时，磁制冷介质受到磁化，对外放热，温度升高；
S2、与磁制冷介质紧密贴合或插入的上部热管其吸热端(蒸发端)吸收了热量，将热量向上传递到外部，通过风机或冷却水进行排散；此时下部热管上部得到加热，由于其工作的方向性，不会将热量传递到下方；
S3、控制系统切断对电磁铁的通电，磁场消失，此时，磁制冷介质消磁，吸收外来热量，温度降低；
S4、与磁制冷介质紧密贴合或插入的下部热管其放热端(冷凝端)放出了热量，其下部将热量向上传递，并使热管下部对应的被制冷区域温度降低；
S5、经过步骤S1到S4的不断循环，实现了对于下部热管的下部的制冷。
其中，多级磁制冷是通过以下步骤实现制冷的：
S1、一级磁制冷介质磁化放热时，二级磁制冷介质退磁吸热，将一级磁制冷介质的热量吸走；
S2、一级磁制冷介质退磁吸热，对应与一级磁制冷介质的下部热管将热量传递给一级磁制冷器介质实现制冷；
S3、二级磁制冷介质磁化放热，由于重力热管的方向性，热量由对应于二级磁制冷介质的热管传递到上方通过环境或者是更高一级的磁制冷介质散热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、最大限度减少了机械组件，实现静音工作；
2、消耗功率小，经济性高；
3、避免了采用制冷剂对于环境产生污染；
4、因为避免机械组件，可实现长寿命，并具有高可靠性；
5、通过多级磁制冷介质组合应用实现更好的制冷效果。
附图说明
图1为本发明实施例的系统示意图；
图2为本发明的一个具体实施例的示意图。
图3为本发明对于热管的一个具体实施例的应用示意图。
图4为本发明对热管的另一个具体实施例的应用示意图。
图5为本发明对下部热管一个实施例的应用示意图，在柜壁布置空腔形成三维热管。
图6为本发明实施例基于重力热管的多级磁制冷装置的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置是通过以下原理步骤实现制冷：
步骤1、控制系统(对应附图1的⑤)向电磁铁通电(对应附图1的④)，此时，磁制冷介质(对应附图1的①)受到磁化，对外放热，温度升高。
步骤2、与磁制冷介质紧密贴合或插入的上部热管，也叫放热热管(对应附图1的③)其吸热端(蒸发端)吸收了热量，将热量向上传递到外部，通过风机或冷却水进行排散。此时下部热管，也叫吸热热管(对应附图1的②)是上部得到加热，由于其工作的方向性，不会将热量传递到下方。
步骤3、控制系统切断对电磁铁的通电，磁场消失，此时，磁制冷介质消磁，吸收外来热量，温度降低。
步骤4、与磁制冷介质紧密贴合或插入的下部热管，也叫吸热热管(对应附图1的②)其放热端(冷凝端)放出了热量，其下部将热量向上传递，并使热管下部对应的被制冷区域温度降低。
步骤5、经过步骤(一)到(四)的不断循环，实现了对于下部热管的下部的制冷。
步骤6、通过布置多级磁制冷介质和热管，通过有序控制其工作模式转换，实现热量更有效迁移，达到更好的制冷效果。
本具体实施利用重力热管传热的方向性进行吸热和放热的自动筛选，避免了常用的磁制冷装置的采用循环介质而发生的复杂管路、机械系统，可以减少所需电能的功率消耗，进一步提高制冷系统的效率；利用重力热管进行吸热和放热的方向筛选，避免了常用的磁制冷装置的采用循环介质而发生的复杂管路、机械系统，可以进一步降低系统噪音；可制成两级或多级的磁制冷，进一步扩大磁制冷的温差，通过控制不同级磁制冷的工作模式匹配，实现温差拉大，达到更好的制冷温度效果。
实施例1
参见附图2。本例为一个基于重力热管的磁制冷装置技术制作的冰柜。
相对附图1所说的原理，系统放置在一个机箱内部。机箱分为设备舱和制冷舱。设备舱容纳制冷系统。而制冷热管则将其蒸发端(吸热端)布置在制冷舱的壁板上，用于对制冷舱内部进行冷却。
为了加强散热，在上部热管(放热热管)的冷凝端(放热端)安装风机。在具体应用中，也可以通过在上部热管(放热热管)的冷凝端(放热端)管外安装肋片以加强与空气的对流换热。
控制系统在冷柜的外壁安装按钮界面等可实现控制。
(一)控制系统(对应附图1的⑤)向电磁铁通电(对应附图1的④)，此时，磁制冷介质(对应附图1的①)受到磁化，对外放热，温度升高。
(二)与磁制冷介质紧密贴合或插入的上部热管，也叫放热热管(对应附图1的③)其吸热端(蒸发端)吸收了热量，将热量向上传递到外部，通过风机加强对环境排热。此时下部热管，也叫吸热热管(对应附图1的②)是上部得到加热，由于其工作的方向性，不会将热量传递到下方的制冷舱。
(三)控制系统切断对电磁铁的通电，磁场消失，此时，磁制冷介质消磁，吸收外来热量，温度降低。
(四)与磁制冷介质紧密贴合或插入的下部热管，也叫吸热热管(对应附图1的②)其放热端(冷凝端)放出了热量，其下部将热量向上传递，并使热管下部对应的制冷舱温度降低。
(五)经过步骤1到步骤4的不断循环，实现了对于制冷舱的制冷。
实施例2
参见附图3。本例对于热管的灵活应用做出说明。
本实施例系统主要由以下部分组成：
①磁制冷介质
②下部热管(制冷热管)
③上部热管(放热热管)
在本例中，省略了其他部分。
磁制冷介质中，布置多根制冷热管和放热热管。并且，在放热热管的冷凝段，增加翅片，以便进一步加强对环境的热量排散，提高制冷效率。
实施例3
参见附图4。本例对于热管的灵活应用做出说明，省略了放热热管，以便使系统尺寸缩小，但效率有所降低。
本实施例系统主要由以下部分组成：
①磁制冷介质
②下部热管(制冷热管)
③上部热管(放热热管)
④散热风扇在本例中，省略了其他部分。
磁制冷介质中，布置一根或多根制冷热管。而在磁制冷介质磁化放热阶段，直接通过风扇等辅助手段进行散热。
实施例4
参见附图5。本例对于下部热管的灵活应用做出说明。
本实施例系统主要由以下部分组成：
①磁制冷介质
②电磁铁
③上部热管(放热热管)
⑨柜壁空腔形成的三维热管磁
本应用案例中，通过吹胀、组合焊接等形式，使下部的制冷舱壁形成三维空腔，内部填充工质，形成三维的重力热管。其中，组合焊接形式，壁面空腔需要具有支撑结构，以便在工质压力小于大气压时不会被大气压压扁产生变形。
其中三维空腔形成的重力热管结构，可以更均匀第将制冷舱的热量传递给磁制冷介质。而当磁制冷介质磁化放热时，又因重力热管的方向性不会将热量向下传递。
具体应用时，可在顶部布置多套磁制冷介质和磁体(①和②)，以及多根上部热管(③)。必要时可加风机对上部热管的放热端(冷凝端)进行强制散热。
实施例5
参见附图6。本例对于基于重力热管的多级磁制冷装置应用做出说明。附图6中，将磁制冷介质与磁铁合为“磁制冷器”表达。
本实施例系统主要由以下部分组成：
①一级磁制冷器(包含磁场及磁介质)
②二级磁制冷器(包含磁场及磁介质)
③下部重力热管
④中部重力热管
⑤上部重力热管
附图6基于重力热管的多级磁制冷系统原理
在通过重力热管实现磁制冷介质热量选择性传递的前提下，可实现多级的基于重力热管的磁制冷。其中，第二级的下部热管(下图的④)与第一级的磁制冷介质连接，作为第一级的上部热管。并以此方式可实现更多级的磁制冷方案。
其中三维空腔形成的重力热管结构，可以更均匀第将制冷舱的热量传递给磁制冷介质。而当磁制冷介质磁化放热时，又因重力热管的方向性不会将热量向下传递。
具体应用时，可在顶部布置多套磁制冷介质和磁体(①和②)，以及多根上部热管(③)。必要时可加风机对上部热管的放热端(冷凝端)进行强制散热。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置，由单个或多个磁制冷系统构成，其特征在于，所述磁制冷系统包括控制系统、电磁铁、磁制冷介质、与磁制冷介质紧密贴合或插入的上部热管以及与磁制冷介质紧密贴合或插入的下部热管，电磁铁布置在磁制冷介质上下两端，且与控制系统相连。
2.如权利要求1所述的一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置，其特征在于，单级磁制冷是通过以下步骤实现制冷的：
S1、控制系统向电磁铁通电，此时，磁制冷介质受到磁化，对外放热，温度升高；
S2、与磁制冷介质紧密贴合或插入的上部热管其吸热端吸收了热量，将热量向上传递到外部，通过风机或冷却水进行排散；此时下部热管上部得到加热，由于其工作的方向性，不会将热量传递到下方；
S3、控制系统切断对电磁铁的通电，磁场消失，此时，磁制冷介质消磁，吸收外来热量，温度降低；
S4、与磁制冷介质紧密贴合或插入的下部热管其放热端放出了热量，其下部将热量向上传递，并使热管下部对应的被制冷区域温度降低；
S5、经过步骤S1到S4的不断循环，实现了对于下部热管的下部的制冷。
3.如权利要求1所述的一种基于重力热管的单极及多级磁制冷装置，其特征在于，多级磁制冷是通过以下步骤实现制冷的：
S1、一级磁制冷介质磁化放热时，二级磁制冷介质退磁吸热，将一级磁制冷介质的热量吸走；
S2、一级磁制冷介质退磁吸热，对应与一级磁制冷介质的下部热管将热量传递给一级磁制冷器介质实现制冷；
S3、二级磁制冷介质磁化放热，由于重力热管的方向性，热量由对应于二级磁制冷介质的热管传递到上方通过环境或者是更高一级的磁制冷介质散热。
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