CN108679875B - 一种多制冷温区的室温磁制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多制冷温区的室温磁制冷系统，所述低温换热器与回热器层数量相同，为n个，n为大于1的整数；所述回热器层与磁体层交替设置，所述交替设置的第一级和最末级为回热器层；所述回热器层为中空的圆环状，与室温磁制冷系统固定安装；所述主轴贯穿全部磁体层和回热器层的中空部，并与每个磁体层固定连接，所述主轴能够旋转带动每个磁体层相应旋转，形成可控变磁场；所述流路通道将高温换热器、液压泵、低温换热器、回热器层串联闭合管路连接。所述的多制冷温区的室温磁制冷系统每级回热器层对应设置低温换热器，将制冷量梯级利用，实现“一机多温区”用途，可有效减少系统投入成本。

Description

一种多制冷温区的室温磁制冷系统

技术领域:

本发明涉及制冷与低温工程领域，尤其是一种室温磁制冷系统。

背景技术：

目前，人类社会对传统蒸汽压缩式制冷技术在环保、能效等方面提出了更高要求，发展环境友好、节能高效的新型制冷技术成为有效的解决手段之一。

室温磁制冷技术作为一种新型制冷方式，具有高效能、无污染、无噪音、安全可靠等优点，它不需要使用导致大气臭氧层破坏和加剧全球变暖的气体制冷剂，而只需依靠磁性材料的磁热效应，通过磁化和去磁过程的反复循环达到制冷目的。因此，磁制冷技术被公认为是一种绿色环保的制冷技术，受到了包括美国、日本、欧洲、亚洲在内全世界数十个国家许多研究机构的广泛关注。

磁热效应是一种变化磁场下磁性材料磁矩有序度发生变化而导致的热现象。在磁性材料被磁化时，磁矩有序度增加，磁熵减小，温度上升，向外界放出热量；退磁时，磁性材料磁矩有序度减少，磁熵增加，温度下降，自外界吸收热量。

居里温度是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度，是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。研究表明在居里温度附近的磁热效应最大，有利于发挥材料的制冷潜力。当单层工质填充技术满足不了制冷性能的需求时，通过元素调节和掺杂能够获得了可调节居里温度点的磁性材料，如镧铁硅基化合物等，进而加大磁制冷系统的温跨。

近年来，各国研究机构都投入了较多的人力和物力进行室温磁制冷装置的研究，搭建的装置结构呈多样化。根据运转形式的不同将磁制冷系统分为往复磁体式、往复回热器式、旋转磁体式和旋转回热器式。

目前，室温磁制冷技术的发展，集中在构建多层主动磁回热器和工质热工性能方面以期望提高磁制冷系统的制冷性能，如更大的工作温区与制冷量。其中，多层主动磁回热器原理是采用不同居里温度点的磁热工质依次填充至回热器中，沿回热器轴向形成多种工质接力作用，达到提高系统制冷性能的目的。

虽然现有的磁制冷系统可以在单一温区获得良好的制冷性能，但只能作用于某单一用冷空间，存在无法实现不同温区的多个用冷空间同时使用的问题。

发明内容：

本发明提供一种多制冷温区的室温磁制冷系统，实现不同温区的多个用冷空间同时使用。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种多制冷温区的室温磁制冷系统，包括高温换热器、低温换热器、液压泵、流路通道、磁体层、回热器层、主轴，所述流路通道为闭合回路；所述液压泵设置在流路通道上，驱动流路通道内换热流体流动；所述低温换热器与回热器层数量相同，为n个，n为大于1的整数；所述回热器层与磁体层交替设置，所述交替设置的第一级和最末级为回热器层；所述回热器层为中空的圆环状，与室温磁制冷系统固定安装；所述主轴贯穿全部磁体层和回热器层的中空部，并与每个磁体层固定连接；所述主轴能够旋转带动每个磁体层相应旋转，形成可控变磁场；所述流路通道将高温换热器、液压泵、低温换热器、回热器层串联闭合管路连接。

上述流路通道包括第一流路通道和第二流路通道，所述第一流路通道从高温换热器出口端开始，依次管路连接液压泵、第一级回热器层、第一级低温换热器、第二级回热器层、第二级低温换热器，直至连接到最末级低温换热器入口端结束；所述第二流路通道从最末级低温换热器出口端开始，依次连接有最末级回热器层、第n-1级回热器层，直至通过第一级回热器层，连接到高温换热器入口端结束。

上述回热器层包括回热器基板和m个回热器，m为大于1的偶数；所述m个回热器均匀固定安装在回热器基板上。上述第一端和最末端回热器层的回热器基板为导磁材料制成，其他回热器层的回热器基板为非导磁材料制成。所述回热器由一种或多种不同居里温度的磁制冷工质填充。

上述室温磁制冷系统包括切换阀，所述回热器层中每一个回热器具有双流路通道，分别与第一流路通道和第二流路通道管路连接，并在每条流路通道上设置切换阀，控制通过回热器的换热流体的流动方向。上述室温磁制冷系统包括凸轮，所述凸轮的数量与回热器层数量相同，所述凸轮与主轴连接，位于相应回热器层的中空腔内，所述凸轮的工作面为凸台和凹槽结构，凸台和凹槽的数量都与凸轮对应回热器层中的回热器数量相同；利用凸轮的凸台和凹槽结构控制相应回热器层中每个回热器配置的切换阀的开关，进而控制换热流体的流向。

上述磁体层包括磁体组和非导磁材料；所述非导磁材料为圆盘形，所述主轴穿过圆盘形非导磁材料中点，并与圆盘形非导磁材料固定连接；所述磁体组为2个扇环体形状，所述2个磁体组内弧面对称连接在圆盘形非导磁材料两侧，形成以圆盘形非导磁材料的中心点为中心的对称图形。上述同一磁体层的2个磁体组的磁极相反放置。上述磁体组由钕铁硼材料制成。

本发明的有益效果是：所述的多制冷温区的室温磁制冷系统每级回热器层对应设置低温换热器，将制冷量梯级利用，实现“一机多温区”用途，可有效减少系统投入成本。

附图说明：

图1为三级制冷温区的室温磁制冷系统结构示意图。

图2为三级制冷温区的室温磁制冷系统流路图一。为更加清楚展示换热流体的流路情况，将三级制冷温区实际设置的一个高温换热器和三个低温换热器绘制为二个高温换热器和六个低温换热器。

图3为三级制冷温区的室温磁制冷系统流路图二。

图4为磁体层结构示意图。

图5为三级制冷温区的室温磁制冷系统剖面图。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种多制冷温区的室温磁制冷系统。下面以三级制冷温区的室温磁制冷系统为例，结合附图1-5进行详细说明。

三级制冷温区的室温磁制冷系统中包括一个高温换热器H1、三个低温换热器C1；C2；C3、一个液压泵P1、一条流路通道L1，两个磁体层M1；M2、三个回热器层R1；R2；R3、一个主轴A1。所述高温换热器H1能够释放换热流体中的热量；所述低温换热器C1；C2；C3能够释放换热流体的冷量，三个低温换热器可以提供三种不同温度的低温；所述主轴A1贯穿全部磁体层M1；M2和回热器层R1；R2；R3的中空部，并与每个磁体层M1；M2固定连接，主轴A1能够旋转带动每个磁体层M1；M2相应旋转；所述磁体层M1；M2通过旋转可以产生可控变磁场；所述回热器层R1；R2；R3为中空的圆环状，与室温磁制冷系统固定安装，回热器层在可控变磁场的作用下，回热器层中的每个回热器磁热工质温度升高或降低，与换热流体形成热量或冷量交换；所述流路通道L1将高温换热器H1、液压泵P1、低温换热器C1；C2；C3、回热器层R1；R2；R3串联闭合管路连接，所述液压泵P1设置在流路通道上，驱动流路通道内换热流体定时定量流动。所述回热器层与磁体层交替设置，具体设置顺序为第一级回热器层R1、第一级磁体组层M1、第二级回热器层R2、第二级磁体组层M2、第三级回热器层R3。所述流路通道包括第一流路通道L11和第二流路通道L12，所述第一流路通道L11从高温换热器H1出口端开始，依次管路连接液压泵P1、第一级回热器层R1、第一级低温换热器C1、第二级回热器层R2、第二级低温换热器C2、第三级回热器层R3、直至第三级低温换热器C3入口端结束；所述第二流路通道从第三级低温换热器C3出口端开始，依次连接有第三级回热器层R3、第二级回热器层R2，第一级回热器层R1，直至高温换热器H1入口端结束。

所述三级制冷温区的室温磁制冷系统中每个回热器层R1；R2；R3包括一个回热器基板RB1；RB2；RB3和m个回热器，为保证换热流体在流路通道内平稳流动，优选为流经每个回热器层励磁回热器和去磁回热器的流体流量相同，进一步在回热器大小相同的情况下，在同一时间内，励磁回热器的数量和去磁回热器的数量相同，因此，m为大于1的偶数，每个回热器层有励磁的回热器个数为m/2个，每个回热器层有去磁的回热器个数为m/2个。所述回热器是由一种或多种不同居里温度的磁制冷工质填充，每个回热器层上的m个回热器均匀固定安装在相应回热器基板上。本实施例优选每个回热器层设置4个回热器，因此，三级制冷温区的室温磁制冷系统具有12个回热器R11；R12；R13；R14；R21；R22；R23；R24；R31；R32；R33；R34。每个回热器配备两个切换阀，即每个回热器层设置的4个回热器共配置8个切换阀，三级制冷温区的室温磁制冷系统具有24个切换阀V11；V12；V13；V14；V15；V16；V17；V18；V21；V22；V23；V24；V25；V26；V27；V28；V31；V32；V33；V34；V35；V36；V37；V38，所述三个回热器层R1；R2；R3上的每一个回热器具有双流路通道，分别与上述第一流路通道L11和第二流路通道L12管路连接，并在每个回热器对应的双流路通道上设置切换阀，控制通过回热器的换热流体的流动方向。所述室温磁制冷系统包括凸轮T1；T2；T3，所述凸轮的数量与回热器层数量相同，所述凸轮T1；T2；T3与主轴A1连接，位于相应回热器层R1；R2；R3的中空腔内。所述凸轮为曲线轮廓，根据凸轮对应回热器层的回热器个数，设置数量相同的凸轮的凸台和凹槽，如回热器层设置4个回热器，那么凸轮具有4个凸台和4个凹槽。该装置通过主轴旋转带动凸轮转动，进而驱动凸轮的凸台和凹槽转动，利用凸轮的凸台和凹槽结构控制相应回热器层中每个回热器配置的两个切换阀的开关，进而控制换热流体的流向。

磁制冷系统中采用水、乙二醇等流体作为换热流体，为了避免工质的腐蚀常添加一些防腐试剂。回热器中换热流体的流向由系统凸轮控制的切换阀实现，与回热器的退磁与磁化相匹配。主轴旋转驱动磁体组旋转，形成可控变磁场；在可控变磁场作用下，所述回热器组内的每个回热器经历励磁和去磁过程，上述励磁和去磁是与磁体组旋转产生的可控变磁场相匹配。

多制冷温区的室温磁制冷系统流程如下：回热器层中的部分回热器经历励磁过程，磁热工质温度升高；经历励磁回热器与第二流路通道连接的切换阀在凸轮作用下开启，经历励磁回热器与第一流路通道连接的切换阀在凸轮作用下关闭。同时，回热器组中的其它回热器经历去磁过程，磁热工质温度降低；经历去磁回热器与第一流路通道连接的切换阀在凸轮作用下开启，经历去磁回热器与第二流路通道连接的切换阀在凸轮作用下关闭。上述切换阀开启时，换热流体可以流通，切换阀关闭时，换热流体无法流通。

在液压泵的驱动下，换热流体在流路通道L1内流动，换热流体吸收三个回热器层上的励磁回热器产生的热量，通过第二流路通道L12流入高温换热器H1，高温换热器H1将热量散至外界环境；随后，换热流体流入第一级回热器层R1中退磁后的各个回热器中，换热流体将能量释放至该回热器中的磁热工质中，获得第一级低温，所产生的低温流体流入第一级低温换热器C1中；制冷后换热流体继续流入第二级回热器层R2中；进入第二级回热器层的换热流体与该层退磁后的各个回热器中的磁热工质进行换热，获得第二级低温，产生的低温流体流入第二级低温换热器C2；制冷后换热流体继续流入第三级回热器层R3，与该层退磁后的各个回热器磁热工质进行换热，获得第三级低温C3。最后，换热流体依次通过励磁的回热器回流至高温换热器H1，完成换热循环。

根据工况需求，当无需第一级低温或者第二级低温时，可采用管路直接短路第一级低温换热器和第二级低温换热器，可在第三级换热器获得更多的冷量。所述室温磁制冷系统的磁体层M1；M2包括磁体组M11；M12；M21；M22和非导磁材料M13；M23，单个磁体组呈扇环体结构，也可采用类似变形形式磁体组。磁体组由钕铁硼等磁性材料制备。除磁体组外，磁体层剩余部分均由非导磁材料构成。优选的方案如下：所述非导磁材料M13；M23为圆盘形；所述主轴A1穿过圆盘形非导磁材料中点，并与非导磁材料M13；M23固定连接；所述磁体组为2个扇环体形状，所述2个磁体组内弧面对称连接在圆盘形非导磁材料两侧，形成以圆盘形非导磁材料的中心点为中心的对称形状。所述同一磁体层的2个磁体组的磁极相反放置。

上述多制冷温区的室温制冷系统，第一级和第三级回热器层R1；R3的回热器基板RB1；RB3为导磁材料制成，如硅钢片，所述回热器层R2的回热器基板RB2为非导磁材料制成。整个磁路系统是由第一级回热器层R1、第一级磁体层M1、第二级回热器层R2、第二级磁体层M2、第三级回热器层R3构成了完整的磁路。磁力线从第一级磁体组M11的N极出发，经过第一级回热器R12进入第一级导磁回热器RB1基板，随后汇集至第一级导磁基板RB1另一侧的磁力线通过第一级回热器R14回归至第一级磁体组M12的S极中。通过第一级磁体层后的磁力线，穿过第二级回热器R24与第二级非导磁基板RB2，汇集至第二级磁体组M22的S极，紧接着从第二级磁体组M22的N极出发的磁力线穿过第三级回热器R34进入第三级导磁回热器基板RB3中，汇集到第三级导磁回热器基板RB3另一侧的磁力线通过第三级回热器R32进入第二磁体组M21的S极中。从第二级磁体组M21的N极出发的磁力线，继续穿过第二级非导磁回热器基板RB2和第二级回热器R22，最终回归至第一级磁体组M11的S极。

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)

1.一种多制冷温区的室温磁制冷系统，包括高温换热器、低温换热器、液压泵、流路通道，所述流路通道为闭合回路，所述液压泵设置在流路通道上，驱动流路通道内换热流体流动，其特征在于：包括磁体层、回热器层、主轴，所述低温换热器与回热器层数量相同，为n个，n为大于1的整数；所述回热器层与磁体层交替设置，所述交替设置的第一级和最末级为回热器层；所述回热器层为中空的圆环状，与室温磁制冷系统固定安装；所述主轴贯穿全部磁体层和回热器层的中空部，并与每个磁体层固定连接，所述主轴能够旋转带动每个磁体层相应旋转，形成可控变磁场；所述流路通道将高温换热器、液压泵、低温换热器、回热器层串联闭合管路连接；所述流路通道包括第一流路通道和第二流路通道，所述第一流路通道从高温换热器出口端开始，依次管路连接液压泵、第一级回热器层、第一级低温换热器、第二级回热器层、第二级低温换热器，直至连接到最末级低温换热器入口端结束；所述第二流路通道从最末级低温换热器出口端开始，依次连接有最末级回热器层、第n-1级回热器层，直至通过第一级回热器层，连接到高温换热器入口端结束。

2.根据权利要求1所述的一种多制冷温区的室温磁制冷系统，其特征在于：所述回热器层包括回热器基板和m个回热器，m为大于1的偶数；所述m个回热器均匀固定安装在回热器基板上。

3.根据权利要求2所述的一种多制冷温区的室温磁制冷系统，其特征在于：所述第一级和最末级回热器层的回热器基板为导磁材料制成，所述其他回热器层的回热器基板为非导磁材料制成。

4.根据权利要求2所述的一种多制冷温区的室温磁制冷系统，其特征在于：包括切换阀，所述回热器层中每一个回热器具有双流路通道，分别与第一流路通道和第二流路通道管路连接，并在每条流路通道上设置切换阀，控制通过回热器的换热流体的流动方向。

5.根据权利要求4所述的一种多制冷温区的室温磁制冷系统，其特征在于：包括凸轮，所述凸轮的数量与回热器层数量相同；所述凸轮与主轴连接，位于相应回热器层的中空腔内；所述凸轮的工作面为凸台和凹槽结构，凸台和凹槽的数量都与凸轮对应回热器层中的回热器数量相同；利用凸轮的凸台和凹槽结构控制相应回热器层中每个回热器配置的切换阀的开关，进而控制换热流体的流向。

6.根据权利要求1所述的一种多制冷温区的室温磁制冷系统，其特征在于：所述磁体层包括磁体组和非导磁材料；所述非导磁材料为圆盘形，所述主轴穿过圆盘形非导磁材料中点，并与圆盘形非导磁材料固定连接；所述磁体组为2个扇环体形状，所述2个磁体组内弧面对称连接在圆盘形非导磁材料两侧，形成以圆盘形非导磁材料的中心点为中心的对称图形。

7.根据权利要求6所述的一种多制冷温区的室温磁制冷系统，其特征在于：所述同一磁体层的2个磁体组的磁极相反设置。

8.根据权利要求6所述的一种多制冷温区的室温磁制冷系统，其特征在于：所述磁体组由钕铁硼材料制成。

9.根据权利要求2所述的一种多制冷温区的室温磁制冷系统，其特征在于：所述回热器由一种或多种不同居里温度的磁制冷工质填充。

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