CN108088112B

CN108088112B - 磁工质组件、磁工质床及磁制冷机

Info

Publication number: CN108088112B
Application number: CN201711244358.9A
Authority: CN
Inventors: 陶骙; 卞嘉晨; 贺申淦; 徐嘉
Original assignee: Gree Green Refrigeration Technology Center Co Ltd of Zhuhai
Current assignee: Gree Green Refrigeration Technology Center Co Ltd of Zhuhai
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2023-12-08
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: CN108088112A

Abstract

本发明提供了一种磁工质组件、磁工质床及磁制冷机，其中，磁制冷机的磁工质组件包括：基芯；磁工质层，包覆在基芯的周向外侧，其中，磁工质层能够随所处环境的磁场强度大小变化吸收或者释放热量，基芯的强度大于磁工质层的强度。本发明的技术方案有效地解决了现有技术中磁工质易碎导致流体通道堵塞，进而影响换热效率的问题。

Description

磁工质组件、磁工质床及磁制冷机

技术领域

本发明涉及制冷领域，具体而言，涉及一种磁工质组件、磁工质床及磁制冷机。

背景技术

主动磁回热技术或者称为AMR(active magnetic regenerator)技术，是由Seyter首先提出的，并在1982年申请的专利(US4332135(A))中作了介绍。AMR循环的主要优点是制冷温跨(排出热时温度与吸收热时温差)可以远大于磁热材料在施加磁场是的温度变化的绝对值(绝热温变ΔTad)。例如，钆在1.5T磁场下产生的绝热温变仅为4K。采用主动式回热器磁循环(AMR Cycle)不仅可以克服这一限制，在磁性材料的两端产生高出ΔTad数倍的温跨，同时还使得换热更加高效，磁制冷机的结构更加紧凑。

主动式磁回热AMR循环中的磁性材料既是磁性工质又是回热材料，换热流体既是热力循环的载冷剂又是回热器蓄冷液。传热发生在呈多孔或者间隙等形式固体磁热材料与流动穿过的传热流体之间。为了有效进行传热，磁热材料应具有大的用于与传热流体接触的表面积，同时间隙构成的流体通道必须具有低的对流体流动的阻碍。即工质形貌、几何构型影响换热效率和压降。

磁工质材料性质一般比较脆、强度小(如钆Gd)，在1.5T强磁场中受到磁场力可达8个大气压左右，受该力的作用容易相互挤压导致磁工质破碎。

目前，AMR的磁工质床一般是球状颗粒或者片状叠层等形式组成。这些结构形式，出于以下几方面综合考虑，受制于材料物性及构型特性，无法进一步提高性能。一方面提高换热效率的考虑，增加用于传热流体接触的表面积，需要缩小几何特征值(厚度、直径等)，增加磁工质量(降低孔隙率)；一方面为了避免工质破碎，导致破碎物填塞原有磁工质间空隙，造成制冷床孔隙率下降，流体通道堵塞，需要增加几何特征值；再一方面增加换热流量提高制冷输出量，需要减小流阻，增大孔隙率。

发明内容

本发明旨在提供一种磁工质组件、磁工质床及磁制冷机，以解决现有技术中磁工质易碎导致流体通道堵塞，进而影响换热效率的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种磁制冷机的磁工质组件，包括：基芯；磁工质层，包覆在基芯的周向外侧，其中，磁工质层能够随所处环境的磁场强度大小变化吸收或者释放热量，基芯的强度大于磁工质层的强度。

进一步地，基芯的直径与磁工质组件的直径的比值在0.1至0.5之间。

进一步地，磁工质组件的直径小于或者等于3.5mm。

进一步地，基芯呈丝状或片状。

进一步地，磁工质层通过热浸镀法、包覆法、电镀法、水平连铸法或热轧法包覆在基芯的周向外侧。

进一步地，磁工质层的材质为Gd、La(Fe，Si)₁₃Hy或La((Fe，Co)，Si)₁₃。

进一步地，基芯的横截面为圆形、椭圆形、矩形或菱形。

进一步地，基芯的外表面上还设置有向外凸出的肋片，磁工质层包覆在基芯和肋片上。

进一步地，肋片为针肋、直肋或环肋中的一种或几种。

根据本发明的另一方面，提供了一种磁工质床，包括磁工质组件，磁工质组件为上述的磁工质组件。

进一步的，磁工质床具有相对设置的两个底板，两个底板上设置有通孔，磁工质组件穿设在通孔中。

进一步的，通孔为多个，多个通孔呈顺排、叉排或辐向排列的形式布置。

进一步的，磁工质床还包括设置在两个底板之间的折流板，多个通孔相对于折流板对称设置。

根据本发明的另一方面，提供了一种磁制冷机，包括磁工质床，磁工质床为上述的磁工质床。

应用本发明的技术方案，将磁工质层附着在基芯的周向外侧，磁工质层能够随所处磁场强度的大小变化吸收或者释放热量，以降低或升高磁工质组件附近的换热流体的温度。基芯的强度大于磁工质层的强度，以对磁工质层起到支撑作用。当磁工质组件受力时，所受到的力主要由基芯承受，以减轻磁工质层的受力，降低磁工质层在使用过程中损坏的可能，进而降低碎屑进入磁工质中堵塞磁工质之间空隙，造成流道堵塞影响磁制冷机换热效率的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的磁工质组件的实施例的结构示意图；

图2示出了图1的磁工质组件的剖视结构示意图；

图3a至图3d示出了其他形式的磁工质组件的横截面示意图；

图4示出了另一种结构的磁工质组件的剖视结构示意图；

图5示出了根据本发明的磁工质床的实施例的结构示意图；

图6示出了图5的磁工质床的左视结构示意图；以及

图7示出了图5的磁工质床的正视结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基芯；20、磁工质层；30、底板；50、折流板。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1和图2所示，本实施例的磁工质组件可应用在磁制冷机中，具体地，磁工质组件包括基芯10和磁工质层20，其中，磁工质层20包覆在基芯10的周向外侧，并能够随所处环境的磁场强度大小变化吸收或者释放热量，基芯10的强度大于磁工质层20的强度。

应用本实施例的技术方案，将磁工质层20附着在基芯10的周向外侧，磁工质层20能够随所处磁场强度的大小变化吸收或者释放热量，以降低或升高磁工质组件附近的换热流体的温度。基芯10的强度大于磁工质层20的强度，以对磁工质层20起到支撑作用。当磁工质组件受力时，所受到的力主要由基芯10承受，以减轻磁工质层20的受力，降低磁工质层20在使用过程中损坏的可能，进而降低碎屑进入磁工质中堵塞磁工质之间空隙，造成流道堵塞影响磁制冷机换热效率的问题。

此处强度主要是指材质在外力作用下抵抗破坏的能力，基芯10的强度大于磁工质层20的强度，并优选设置在磁工质组件受力时应力集中的位置，以进一步降低磁工质层损坏的可能。磁工质层损坏的概率降低则磁工质层中流体通道堵塞的概率降低，进而可以减小磁工质层的厚度以使磁工质床获得更大的表面积；同时磁工质层损坏的概率降低能够保证磁工质组件的孔隙率，使流阻保持稳定，有利于提高换热流量以提高制冷输出量。

优选地，作为基础形，本实施例的磁工质组件的横截面呈圆形，基芯10为钢丝，磁工质层20包覆在基芯外使磁工质层20的横截面呈环状，基芯10的直径与磁工质组件的直径的比值在0.1至0.5之间，换言之磁工质层20的厚度应达到磁工质组件的特征半径的50％至90％之间，以使磁工质组件既能具有足够的强度又能具有足够的表面积。具体可以根据回热器的实际输出功率需求通过传热学计算并结合力学计算获得最优厚度。

按照直径d的不同，本实施例的磁工质组件可以划分为d小于0.2mm的微线、d在0.2mm至0.6mm的中线、d在0.6mm至1.6mm的大线以及d在1.6mm以上的粗线，根据换热效果，磁工质组件的直径d优选小于或者等于3.5mm。

进一步地，本实施例的磁工质层20的材质为Gd。

在其他实施方式中，基芯可以采用其他高强度材料以提高或适应性地调整承力范围。磁工质层的材质可替换为La(Fe，Si)₁₃Hy或La((Fe，Co)，Si)₁₃以及其他具有较好磁热效应的材料。如图3a至图3d所示，基芯的横截面也可以为正六边形、三角形、椭圆形、矩形或菱形等其他形状，磁工质层相应地包覆在基芯的外表面上并使磁工质层的厚度达到磁工质组件的特征半径的50％至90％之间。基芯还可以呈片状，相应地磁工质层可以设置在片状基芯的两侧或周向外侧。可替换的，如图4所示，基芯10为钢片，磁工质层20设置在片状基芯10的上下表面上，磁工质组件的厚度在0.2mm至0.6mm之间。进一步地，磁工质层可以通过热浸镀法、包覆法、电镀法、水平连铸法或热轧法包覆在基芯的周向外侧。

进一步地，在图中未示出的其他实施例中，基芯的外表面上还可以设置有向外凸出的肋片，并将磁工质层包覆在基芯和肋片上。肋片一方面可以进一步增大磁工质层的表面积，另一方面能够根据肋片的形状、延伸方向等因素对换热流体起到导向的作用，增加流体的扰动，进一步提高换热效果。具体地，肋片根据形状可以为针肋、直肋或环肋中的一种或几种。

本发明还提供了一种磁工质床，如图5所示，本实施例的磁工质床包括磁工质组件，磁工质组件为上述的磁工质组件。本实施例的磁工质床具有不易损坏、使用寿命长、换热效率高的优点。

具体地，如图5和图6所示，本实施例的磁工质床具有相对设置的两个底板30，两个底板30上设置有通孔，磁工质组件穿设在通孔中。当磁工质床中有换热流体经过时，换热流体流经磁工质组件并与磁工质层换热。具体地，如图1和图2所示，本实施例的磁工质组件中基芯10的长度大于磁工质层20的长度，使基芯10的两端伸出磁工质层20，基芯10伸出磁工质层20的部分能够插入底板30中以固定磁工质组件，调整底板30之间的距离后固定，裁剪多余长度磁工质燃料棒，再用粘合剂进一步让磁工质燃料棒与回热器壁面结合牢固、密封。使磁工质层20仅受流体经过时产生的压力，降低磁工质层20损坏的风险。

优选地，如图7所示，本实施例的通孔为多个，多个通孔呈叉排的形式布置，相邻两列通孔错位布置以增加单位面积中磁工质组件的数量，进而提高磁工质床的换热面积。

孔隙率被定义为材料的孔隙空间的体积V_隙与总体积V_总或本体体积(包括实体积和空隙体积)之比：

本实施例的孔隙率控制在0.2～0.5。如图7所示，图中对应的两个磁工质组件之间中心距D是控制孔隙率直接参数，可以根据AMR回热单元体积与燃料棒体积关系计算获得棒与棒之间中心距D：

V_工质＝nπLd²/4

V_隙＝n(D²-nπd²/4)L

其中，n工质棒数、L工质棒长度、d工质棒直径。联立上述三式可得中心距D：

这样流体在磁工质组件之间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，扰动剧烈、对流传热增强，提高了传热效率。

在其他实施例中，多个通孔也可以呈顺排的形式或辐向排列的形式以提高磁工质组件阵列与磁工质床的适应性。

进一步地，如图7所示，本实施例的磁工质床还包括设置在两个底板30之间的折流板50，多个通孔相对于折流板50对称设置。折流板50使换热流体能够在磁工质床的同侧进出，有利于磁制冷机的结构布置，多个通孔相对于折流板50对称设置使换热流体进入和流出磁工质床时的流速相近。

需要说明的是，在其他图中未示出的实施方式中，可以设置多个折流板以增加制冷剂的壳程，使制冷剂与磁工质组件充分接触，用于固定磁工质组件的通孔可以根据折流板的位置适应性地调整。在其他实施例中，磁工质组件也并不局限于设置在相对的两块平直的底板之间，只要能够将磁工质组件固定使磁工质组件与制冷剂具有足够的接触面积的结构形式均在本申请的保护范围内。例如，将上述磁工质组件穿设在一块底板上，形成类似刷子的结构；将上述磁工质组件设置在相互嵌套设置的两个筒状结构之间，使制冷剂通过两个筒状结构之间的环形腔室实现与磁工质组件换热。

本发明还提供了一种磁制冷机，根据本实施例的磁制冷机(图中未示出)包括主动回热器(AMR)、永磁体、流体泵、冷侧换热器(CHEX)、热侧换热器(HHEX)，磁工质床为上述磁工质床并设置在主动回热器(AMR)中，磁工质床与永磁体之间发生相对转动，流体泵驱使换热流体循环流动，流体流动穿过磁工质床(退磁)，该流体与退磁的低温磁工质床接触时变冷。变冷的流体离开磁工质床，流经冷侧换热器吸收热量而冷却。被加热的换热流体再次流动穿过磁工质床(磁化)，该流体与磁化后的高温磁工质床接触时变热。这个高温磁工质床通过由永磁体产生的磁场磁化发热产生。被流体吸收的磁工质床(磁化)的热量最终通过热侧换热器排放到周围环境中。然后流体返回储液罐和流体泵，再循环。

该实施方案中，热侧和冷侧可以反转。流体流动的时机和方向(热至冷或冷至热)可以与磁场的施加和移除相协调。磁场可以通过永磁体、电磁体或者超导体磁体提供。本实施例的磁制冷机具有寿命长、制冷效率高的优点。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

将磁工质层附着在基芯的周向外侧，磁工质层能够随所处磁场强度的大小变化吸收或者释放热量，以降低或升高磁工质组件附近的换热流体的温度。基芯的强度大于磁工质层的强度，以对磁工质层起到支撑作用。当磁工质组件受力时，所受到的力主要由基芯承受，以减轻磁工质层的受力，降低磁工质层在使用过程中损坏的可能，进而降低碎屑进入磁工质中堵塞磁工质之间空隙，造成流道堵塞影响磁制冷机换热效率的问题。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁制冷机的磁工质组件，其特征在于，包括：

基芯(10)；

磁工质层(20)，包覆在所述基芯(10)的周向外侧；

其中，所述磁工质层(20)能够随所处环境的磁场强度大小变化吸收或者释放热量，所述基芯(10)的强度大于所述磁工质层(20)的强度，所述磁工质层(20)的厚度在所述磁工质组件的特征半径的50％至90％之间，所述基芯(10)的长度大于所述磁工质层(20)的长度，所述基芯(10)的两端伸出所述磁工质层(20)。

2.根据权利要求1所述的磁工质组件，其特征在于，所述基芯(10)的直径与所述磁工质组件的直径的比值在0.1至0.5之间。

3.根据权利要求1或2所述的磁工质组件，其特征在于，所述磁工质组件的直径小于或者等于3.5mm。

4.根据权利要求1所述的磁工质组件，其特征在于，所述基芯(10)呈丝状或片状。

5.根据权利要求1所述的磁工质组件，其特征在于，所述磁工质层(20)通过热浸镀法、包覆法、电镀法、水平连铸法或热轧法包覆在所述基芯(10)的周向外侧。

6.根据权利要求1所述的磁工质组件，其特征在于，所述磁工质层(20)的材质为Gd、La(Fe，Si)₁₃Hy或La((Fe，Co)，Si)₁₃。

7.根据权利要求1所述的磁工质组件，其特征在于，所述基芯(10)的横截面为圆形、椭圆形、矩形或菱形。

8.根据权利要求1所述的磁工质组件，其特征在于，所述基芯(10)的外表面上还设置有向外凸出的肋片，所述磁工质层(20)包覆在所述基芯(10)和所述肋片上。

9.根据权利要求8所述的磁工质组件，其特征在于，所述肋片为针肋、直肋或环肋中的一种或几种。

10.一种磁工质床，包括磁工质组件，其特征在于，所述磁工质组件为权利要求1至9中任一项所述的磁工质组件。

11.根据权利要求10所述的磁工质床，其特征在于，所述磁工质床具有相对设置的两个底板(30)，两个所述底板(30)上设置有通孔，所述磁工质组件穿设在所述通孔中。

12.根据权利要求11所述的磁工质床，其特征在于，所述通孔为多个，多个所述通孔呈顺排、叉排或辐向排列的形式布置。

13.根据权利要求12所述的磁工质床，其特征在于，所述磁工质床还包括设置在两个所述底板(30)之间的折流板(50)，多个所述通孔相对于所述折流板(50)对称设置。

14.一种磁制冷机，包括磁工质床，其特征在于，所述磁工质床为权利要求10至13中任一项所述的磁工质床。