CN108413644A - 一种多级磁回热器的磁制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多级磁回热器的磁制冷系统，包括磁体、流路通道(2)、热端换热器(51)、冷端换热器(52)、多级磁回热器(1)，所述多级磁回热器(1)包括n个串联连接的磁回热器(101；102；…1n)，其中n为大于1的整数，所述多级磁回热器(1)第一端与热端换热器(51)的入口和出口分别通过两条流路通道(21；22)连接，所述多级磁回热器(1)第二端与冷端换热器(52)的入口和出口分别通过两条流路通道(25；26)连接。本发明的多级磁回热器的磁制冷系统效率更高，可减少因回热过程的不可逆因素造成的制冷量损失，充分发挥回热器填料的制冷效能，可有效增加回热器内部传热效能的同时，建立大温跨，保证系统有足够的制冷量输出。

Description

一种多级磁回热器的磁制冷系统
技术领域
本发明属于磁制冷技术领域，具体涉及一种磁回热器的制冷系统。
背景技术
磁制冷技术是一种基于材料物性的固态制冷方式，采用水等环保介质作为传热流体，通常具有零全球变暖潜能值、零臭氧消耗潜能值、内禀高效、低噪音与低振动等特点。
磁热效应是磁热材料在进入磁场过程中温度升高，移出磁场过程中温度降低的一种热效应。具有这种热效应的材料称为磁热材料，通常磁热材料在其居里温度附近具有最强的磁热效应。在磁制冷系统中，当对磁热材料施加磁场，磁热材料被磁化温度升高，换热流体从冷端换热器流经回热器至热端换热器并放出热量，将磁热材料移出磁场，磁热材料被去磁温度降低，换热流体从热端换热器流经回热器至冷端换热器吸收热量，在冷端产生冷量。如此多次循环，在冷端换热器和热端换热器之间形成了稳定的温度梯度分布，并在低温端产生恒定制冷量。
根据运转形式的不同将磁制冷系统分成往复型与旋转型两类，进一步考虑磁体或回热器的运动形式，可将室温磁制冷系统分为往复磁体式、往复回热器式、旋转磁体式与旋转回热器式四种。
磁制冷系统是由若干子系统集合而成，包括提供变化磁场的磁路系统、发生磁热效应的回热器系统以及传递能量的流路系统等。
磁路系统结构可分为两类-简单磁路与双层嵌套式同心磁路。简单磁路一般由永磁体、软磁材料与工作间隙组成，将永磁体通过一定的软磁结构将磁场引入工作间隙，在工作间隙初形成较强磁场强度。磁制冷系统中双层嵌套式同心磁路较常见为圆柱型双层嵌套式同心磁体阵列。按照一定角度对每个永磁体块进行充磁，通过各个永磁体块之间的磁力约束，可在圆筒孔内产生较高而且均匀的磁场。
磁回热器通常由回热器壳体和回热器填料构成，回热器壳体采用工程塑料制成，用于填料定位的夹紧块等装置也由工程塑料制成。不同几何填料主要形成了两类回热器，即颗粒式回热器与板叠式回热器。所述回热器填料是由磁热材料构成或者由磁热材料加工而成。
流路系统是磁热材料与外部进行能量传递的重要媒介，其流体种类、流动形式对磁制冷系统的性能有着相当重要的影响。
目前，磁制冷的系统中主要采用单级磁回热器，通过交变磁场作用，回热器中的温度经过多次积累，形成一定的温度梯度，实现向一定温度下提供冷量。但是，磁回热器本身励磁和去磁过程给磁材料带来3-5K温差，但由于流动介质来回震荡，本身温差不够，导致回热器内反复出现温差换热，磁冷效应产生的冷量不能维持该有的品味，大量损耗。此外，震荡介质和磁材料本身轴向传热，极大地不利于温度梯度的建立，导致磁回热器两端温差太小，磁制冷温跨有限。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种多级磁回热器的磁制冷系统，该系统能够充分利用磁冷效应的热能品位，减少轴向导热，实现冷热端温跨增大。
本发明解决技术问题的技术方案是：一种多级磁回热器的磁制冷系统，包括磁体4、流路通道2、热端换热器51、冷端换热器52，多级磁回热器1，所述多级磁回热器1包括n个串联连接的磁回热器101；102；··1n，其中n为大于1的整数，所述多级磁回热器1第一端与热端换热器51的入口和出口分别通过两条流路通道21；22连接，所述多级磁回热器1第二端与冷端换热器52的入口和出口分别通过两条流路通道25；26连接。上述多级磁回热器1中所有相邻的磁回热器101；102；··1n之间通过第一流路通道23和第二流路通道24连接，所述第一流路23通道在所有相邻两个磁回热器之间串联连接热储池6和单向阀31，所述第二流路通道24在所有相邻两个磁回热器之间串联连接冷储池7和单向阀31。
上述在多级磁回热器1第一端与热端换热器51的入口和出口连接的两条流路通道21；22上，分别设有一个单向阀32；33；所述在多级磁回热器1第二端与冷端换热器52的入口和出口连接的两条流路通道25；26上，分别设有一个单向阀34；35。所述流路管道内注有传热流体。
上述多级磁回热器的磁制冷系统，包括第一电机84、线性驱动器83、液压活塞8，所述液压活塞分成第一腔体81和第二腔体82的液体缸，所述液压活塞的第一腔体81与热端换热器51出口端流路通道27连接，所述液压活塞的第二腔体82与冷端换热器52入口端流路通道28连接，所述第一电机84通过线性驱动器83驱动液压活塞8往复运动。
上述多级磁回热器的磁制冷系统，包括第二电机91、传动装置92，所述第二电机91通过传动装置92驱动磁体4运动形成可控变磁场，所述多级磁回热器在可控变磁场区域内。所述磁体4包括外磁体组41和内磁体组42，所述外磁体组41和内磁体组42的内部都具有腔体，所述内磁体组42位于外磁体组41的空腔内，所述第二电机91通过传动装置92带动内磁体4组转动，所述外磁体组41和内磁体组42相互作用形成可控变磁场，所述多级磁回热器设置在内磁体组42空腔内。
上述磁回热器包括壳体53、壳体两端的端盖54、回热器填料；所述回热器填料在壳体与端盖密封形成的区域55内。所述回热器每个端盖54设有两个孔56，所述两个孔56分别与第一流路通道23和第二流路通道24连接。所述回热器填料为为Gd基、LaFeSi基、MnFePAs基、LaCaMnO基化合物。
综上所述，本发明具有如下有益效果：通过在多个磁回热器间增加冷储池和热储池，能够使磁冷效应保持应有的品位，减少回热器填料间传热，减少损耗，有利于大温跨的建立。通过建立多个磁回热器，彼此独立，有利于大温跨的建立。通过在多级磁回热器内设立单向阀，有效防止流动介质来回震荡，减少震荡介质轴线传热，利于温度梯度建立，增加回热器两端温差，有利于大温跨建立。建立双流路通道，有利于传热流体传递热量，有利于大温跨建立。
与普通磁回热器相比，本发明的多级磁回热器的磁制冷系统效率更高，可减少因回热过程的不可逆因素造成的制冷量损失，充分发挥回热器填料的制冷效能，可有效增加回热器内部传热效能的同时，建立大温跨，保证系统有足够的制冷量输出。
附图说明
图1为多级磁回热器磁制冷系统结构示意图
图2多级磁回热器磁制冷系统液压装置结构示意图
图3多级磁回热器磁制冷系统磁路装置结构示意图
图4为单级磁回热器结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，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以下实施例。
所述多级磁回热器的磁制冷系统包括磁体4、流路通道2、热端换热器51、冷端换热器52，多级磁回热器1。
所述磁体4包括外磁体组41和内磁体组42，所述外磁体组41和内磁体组42的内部都具有腔体，所述内磁体组42位于外磁体组的空腔内，所述第二电机91通过传动装置92带动内磁体组42转动，所述外磁体组41和内磁体组42相互作用形成可控变磁场，所述多级磁回热器1设置在内磁体组42空腔内。因此，多级磁回热器在固定不动的情况下，在磁体形成的可控变磁场的作用下，进行励磁和去磁，实现多级磁回热器中磁热器填料温度升高和降低。
所述流路通道2用于连接磁制冷系统中的多级磁回热器1、热端换热器51、冷端换热器52、单向阀31；32；33；34；35和液压活塞8。所述流路管道2内注有传热流体，所述传热流体能够与多级磁回热器1中的回热器填料进行热量或冷量的交换。
所述热端换热器51能够释放传热流体的热量，所述冷端换热器52能够释放传热流体的冷量。
所述多级磁回热器1包括n个串联连接的磁回热器101；102；1n，其中n为大于1的整数，所述多级磁回热器1中所有相邻的磁回热器101；102；1n之间通过第一流路通道23和第二流路通道24连接，所述第一流路通道23在所有相邻两个磁回热器之间串联连接热储池6和单向阀31，所述第二流路通道24在所有相邻两个磁回热器之间串联连接冷储池7和单向阀31。所述磁回热器包括壳体53、壳体两端的端盖54、回热器填料，所述回热器填料在壳体与端盖密封形成的区域55内，所述回热器填料为Gd基、LaFeSi基、MnFePAs基、LaCaMnO基化合物。所述回热器每个端盖设有两个孔56，所述两个孔56分别与第一流路通道23和第二流路通道24连接。所述多级磁回热器1第一端与热端换热器51的入口和出口分别通过两条流路通道21；22连接，所述多级磁回热器1第二端与冷端换热器52的入口和出口分别通过两条流路通道25；26连接。上述每条流路通道21；22；25；26都设有单向阀32；33；34；35，在上述流路通道中一共设置四个单向阀。用于避免传热流体的回流，减少热量或冷量的损耗。
所述多级磁回热器的磁制冷系统还具有传热流体的驱动装置，包括第一电机84、线性驱动器83、液压活塞8，所述液压活塞8分成第一腔体81和第二腔体82的液体缸，所述液压活塞的第一腔体81与热端换热器51出口端流路通道27连接，所述液压活塞的第二腔体82与冷端换热器52入口端流路通道28连接，所述第一电机84通过线性驱动器83驱动液压活塞8往复运动。所述传热流体驱动装置与磁体的驱动装置时序匹配运动。
多级磁回热器的传热过程为第二电机91驱动传动装置92运动，传动装置92将磁场作用于多级磁回热器时，多级磁回热器中的每个磁回热器的回热器填料经历励磁过程，回热器填料温度升高，传热流体保持静止状态。随后每个磁回热器的回热器填料进入放热过程，传热流体吸收磁热热量，通过第一流路通道23、热储池6、单向阀31；传热流体流至热端换热器释放热量，相邻磁回热器间的热储池将未释放的热量存储，待下一次循环释放，磁体保持最强磁场状态。接着磁场强度逐渐减弱，回热器经历去磁过程，回热器填料温度降低，此时流体不做运动。最后回热器填料进入吸热过程，回热器填料将冷量传递给传热流体，通过第二流路通道24、冷储池7、单向阀31，传热流体流至冷端换热器释放冷量。相邻磁回热器间的冷储池将未吸收的冷量存储，待下一次循环释放。液压活塞第一腔体81与热端换热器51出口管道连接，液压活塞的第二腔体82与冷端换热器52入口连接，第一电机84驱动液压活塞8往复运动，控制传热流体的流量和流速。周而往复，完成多个磁制冷循环。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属技术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)

1.一种多级磁回热器的磁制冷系统，包括磁体(4)、流路通道(2)、热端换热器(51)、冷端换热器(52)，其特征在于：包括多级磁回热器(1)，所述多级磁回热器(1)包括n个串联连接的磁回热器(101；102；··1n)，其中n为大于1的整数，所述多级磁回热器(1)第一端与热端换热器(51)的入口和出口分别通过两条流路通道(21；22)连接，所述多级磁回热器(1)第二端与冷端换热器(52)的入口和出口分别通过两条流路通道(25；26)连接.所述多级磁回热器(1)中所有相邻的磁回热器(101；102；··1n)之间通过第一流路通道(23)和第二流路通道(24)连接，所述第一流路(23)通道在所有相邻两个磁回热器之间串联连接热储池(6)和单向阀(31)，所述第二流路通道(24)在所有相邻两个磁回热器之间串联连接冷储池(7)和单向阀(31)。
2.根据权利要求1所述的一种多级磁回热器的磁制冷系统，其特征在于：包括第一电机(84)、线性驱动器(83)、液压活塞(8)，所述液压活塞分成第一腔体(81)和第二腔体(82)的液体缸，所述液压活塞的第一腔体(81)与热端换热器(51)出口端流路通道(27)连接，所述液压活塞的第二腔体(82)与冷端换热器(52)入口端流路通道(28)连接，所述第一电机(84)通过线性驱动器(83)驱动液压活塞(8)往复运动。
3.根据权利要求1所述的一种多级磁回热器的磁制冷系统，其特征在于：包括第二电机(91)、传动装置(92)，所述第二电机(91)通过传动装置(92)驱动磁体(4)运动形成可控变磁场，所述多级磁回热器在可控变磁场区域内。
4.根据权利要求1所述的一种多级磁回热器的磁制冷系统，其特征在于：所述在多级磁回热器(1)第一端与热端换热器(51)的入口和出口连接的两条流路通道(21；22)上，分别设有一个单向阀(32；33)；所述在多级磁回热器(1)第二端与冷端换热器(52)的入口和出口连接的两条流路通道(25；26)上，分别设有一个单向阀(34；35)。
5.根据权利要求1所述的一种多级磁回热器的磁制冷系统，其特征在于：所述磁回热器包括壳体(53)、壳体两端的端盖(54)、回热器填料；所述回热器填料在壳体与端盖密封形成的区域(55)内。
6.根据权利要求5所述的一种多级磁回热器的磁制冷系统，其特征在于：所述回热器每个端盖(54)设有两个孔(56)，所述两个孔(56)分别与第一流路通道(23)和第二流路通道(24)连接。
7.根据权利要求5所述的一种多级磁回热器的磁制冷系统，其特征在于：所述回热器填料为为Gd基、LaFeS i基、MnFePAs基、LaCaMnO基化合物。
8.根据权利要求1所述的一种多级磁回热器的磁制冷系统，其特征在于：所述流路管道内注有传热流体。
9.根据权利要求3所述的一种多级磁回热器的磁制冷系统，其特征在于：所述磁体(4)包括外磁体组(41)和内磁体组(42)，所述外磁体组(41)和内磁体组(42)的内部都具有腔体，所述内磁体组(42)位于外磁体组(41)的空腔内，所述第二电机(91)通过传动装置(92)带动内磁体(4)组转动，所述外磁体组(41)和内磁体组(42)相互作用形成可控变磁场，所述多级磁回热器设置在内磁体组(42)空腔内。
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