CN110345660B - 一种基于泡沫金属的主动式磁回热器、制冷方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磁制冷领域，并具体公开了一种基于泡沫金属的主动式磁回热器、制冷方法及应用，该回热器包括磁工质床和绝热外壳，磁工质床安装在绝热外壳内部，其横截面形状与绝热外壳横截面形状相同，且磁工质床与绝热外壳紧密接触，磁工质床由开孔泡沫金属材料制成，回热器工作时，换热流体进入回热器后，直接流经开孔泡沫金属并与其换热。本发明利用开孔泡沫金属材料良好的流体流通性能、换热性能以及轻质性，提高了主动式磁回热器的换热效率，并降低其制造成本。

Description

一种基于泡沫金属的主动式磁回热器、制冷方法及应用
技术领域
本发明属于磁制冷领域，更具体地，涉及一种基于泡沫金属的主动式磁回热器、制冷方法及应用。
背景技术
随着人们生活水平的提高，制冷技术对生产生活的影响越来越大。磁制冷技术是以磁热效应(Magnetocaloric Effect,MCE)为基础的一种新型的制冷技术，与传统的蒸汽压缩式制冷相比，其具有环保、高效、节能等优势，被视为最有潜力替代传统蒸汽压缩制冷循环的技术之一，而室温磁制冷机的研制更是近年来的研究热点。室温磁制冷机一般包含磁场、含有磁热材料的主动式磁回热器以及相应热交换系统，其中含有磁热材料的回热器是磁制冷系统的核心。
主动式磁回热器由外壳以及内部工质床组成，工质床一般为颗粒状工质床、片状工质床以及条状工质床。颗粒状工质床一般采用堆栈形式将磁热材料颗粒填充在回热器外壳内部，颗粒间缝隙作为流动通道，当换热流体(如水、氦气等)通过工质床时，容易出现流动阻力变大、流速降低、温度分布不均匀等现象，这极大地削弱了换热流体与磁热工质间的换热效率；对于片状与条状工质床，换热流体直接流经片状或条状工质的进行换热，存在换热不充分、换热效率低等问题。因而，研制出一种制造方便而且高效换热的主动式磁回热器成为了室温磁制冷机研制的重要内容。
泡沫金属具有质量轻，密度小，孔隙率高，比表面积大等的特点，在工程应用上有较高适用性。泡沫金属按孔结构可分为开孔与闭孔，对于开孔泡沫金属，由于金属骨架具有较高的导热性能，泡沫金属内部又是互相连通的，使得开孔泡沫金属具有较大的比表面积和较好的流通性能，是一种优良的新型热交换材料。
专利CN103245134B公开了一种用于制冷空调系统的回热器，其在回热器回气管中的圆管间填充有泡沫金属，但在传统制冷空调系统中，在回热器内节流前的制冷剂与来自蒸发器的制冷剂蒸气进行热交换，其本质是两种热力状态不同的制冷剂之间的热量交换，泡沫金属仅起到增强内部气体液体换热效果的作用；而在磁制冷领域的主动式磁回热器中，磁热材料励磁后温度会升高，退磁后温度会降低，换热流体与升温或降温后的磁热材料进行热交换，其本质是换热流体与磁热材料间的热量交换。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于泡沫金属的主动式磁回热器、制冷方法及应用，其采用开孔泡沫金属材料制成回热器中的磁工质床，利用开孔泡沫金属材料良好的流体流通性能、换热性能以及轻质性，提高换热效率，降低制造成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，本发明提出了一种基于泡沫金属的主动式磁回热器，其包括磁工质床和绝热外壳，其中，所述磁工质床安装在所述绝热外壳内部，所述磁工质床由开孔泡沫金属材料制成。
作为进一步优选的，所述磁工质床横截面形状与所述绝热外壳横截面形状相同，所述磁工质床与所述绝热外壳紧密接触。
作为进一步优选的，所述开孔泡沫金属材料为具有磁热效应的纯金属或合金。
作为进一步优选的，所述绝热外壳的厚度优选为0.5mm-2mm。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于泡沫金属的主动式磁回热器制冷方法，其采用所述回热器实现，包括如下步骤：
S1回热器中的磁工质床在磁场励磁作用下升温，换热流体经外部冷端从回热器的一端流入回热器中，使磁工质床降温，换热流体升温从回热器的另一端流出至外部热端，并向外部热端释放热量；
S2回热器中的磁工质床在磁场退磁作用下降温，释放热量后的换热流体从外部热端反向流回至回热器中，使磁工质床升温，换热流体降温从回热器流出至外部冷端，并从外部冷端吸收热量；
S3重复S1和S2，外部冷端的热量在回热器的作用下不断释放到外部热端，外部冷端温度降低，达到制冷目的。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于泡沫金属的主动式磁回热器在磁制冷机中的应用，工作时，磁制冷机中的换热流体进入回热器中，直接流经开孔泡沫金属并与其换热，以此实现制冷。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明回热器采用开孔泡沫金属材料制成磁工质床，回热器工作时，换热流体从开孔泡沫金属中流过并与其进行换热，开孔泡沫金属的换热面积大、流动阻力小，且其良好的导热性能使温度分布更均匀，从而提高磁工质床的换热效率。
2.本发明回热器采用的开孔泡沫金属材料具有轻质性，可减轻回热器重量，且所用材料少。
3.本发明回热器应用于磁制冷机，可提高磁制冷机换热效率、简化磁制冷机系统，同时降低其制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的圆形截面回热器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的矩形截面回热器结构示意图；
图3为本发明实施例回热器应用于磁制冷机时制冷过程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-冷端换热器，2-回热器，3-磁场，4-热端换热器，5-磁工质床，6-绝热外壳，7-往复泵。
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楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种基于泡沫金属的主动式磁回热器，该回热器包括磁工质床5和绝热外壳6，其中，磁工质床5安装在绝热外壳6内部，磁工质床5由开孔泡沫金属材料制成。
进一步的，磁工质床5横截面形状与绝热外壳6横截面形状相同，且磁工质床5与绝热外壳6紧密接触，具体的，磁工质床5和绝热外壳6的横截面可为各种形状，如图1所示，磁工质床5和绝热外壳6的横截面为圆形；如图2所示，磁工质床5和绝热外壳6的横截面为矩形。
优选的，绝热外壳6的厚度为0.5mm-2mm。
具体的，开孔泡沫金属为具有磁热效应的纯金属或合金，如纯钆(Gd)、钆基合金(如Gd-Y合金、Gd-Dy合金、Gd-Er合金和Gd-Tb合金等)以及LaFeSiH合金等。
将上述回热器应用于磁制冷机，如图3所示，该磁制冷机包括回热器2、磁场3、冷端换热器1、热端换热器4、往复泵7和换热流体，其中，冷端换热器1与冷端换热(冷端为需制冷的小空间，如房屋内部、冰箱等)，热端换热器4与热端换热(热端为温度不变的大空间，如室外)；初始状态时，回热器2中的磁工质床、冷端换热器1、热端换热器4与换热流体的初始温度相同，工作时，具体包括如下步骤：
S1磁场3发生励磁，使回热器2中的磁工质床升温；往复泵7驱动换热流体从往复泵7流经冷端换热器1进入回热器2，此时换热流体温度比磁工质床温度低，换热流体和磁工质床发生热量交换，使换热流体温度升高，磁工质床温度降低；然后该换热流体流出回热器2进入热端换热器4，此时换热流体温度比热端换热器4温度高，换热流体通过热端换热器4释放热量到热端，换热流体温度降低至初始温度，并回到往复泵7；
S2磁场3发生退磁，使回热器2中的磁工质床降温，此时磁工质床的温度低于初始温度；往复泵7驱动回到初始温度的换热流体从往复泵7流经热端换热器4进入回热器2，此时换热流体温度比磁工质床温度高，换热流体和磁工质床发生热量交换，使换热流体温度降低，磁工质床温度升高；然后该换热流体流出回热器2进入冷端换热器1，此时换热流体温度比冷端换热器1温度低，换热流体通过冷端换热器1从冷端吸收热量，换热流体温度升高，并回到往复泵7；
S3重复S1和S2，冷端热量不断释放到热端，冷端温度降低，达到制冷目的。
具体的，换热流体流入回热器2时，换热流体直接流过回热器2中的开孔泡沫金属并与其换热。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于泡沫金属的主动式磁回热器，其特征在于，包括磁工质床(5)和绝热外壳(6)，其中，所述磁工质床(5)安装在所述绝热外壳(6)内部，所述磁工质床(5)由开孔泡沫金属材料制成；所述磁工质床(5)横截面形状与所述绝热外壳(6)横截面形状相同，所述磁工质床(5)与所述绝热外壳(6)紧密接触。
2.如权利要求1所述的基于泡沫金属的主动式磁回热器，其特征在于，所述开孔泡沫金属材料为具有磁热效应的纯金属或合金。
3.如权利要求1所述的基于泡沫金属的主动式磁回热器，其特征在于，所述绝热外壳(6)的厚度优选为0.5mm-2mm。
4.一种基于泡沫金属的主动式磁回热器制冷方法，其采用如权利要求1-3任一项所述的回热器实现，其特征在于，包括如下步骤：
S1回热器中的磁工质床在磁场励磁作用下升温，换热流体经外部冷端从回热器的一端流入回热器中，使磁工质床降温，换热流体升温从回热器的另一端流出至外部热端，并向外部热端释放热量；
S2回热器中的磁工质床在磁场退磁作用下降温，释放热量后的换热流体从外部热端反向流回至回热器中，使磁工质床升温，换热流体降温从回热器流出至外部冷端，并从外部冷端吸收热量；
S3重复S1和S2，外部冷端的热量在回热器的作用下不断释放到外部热端，外部冷端温度降低，达到制冷目的。
5.一种如权利要求1-3任一项所述的基于泡沫金属的主动式磁回热器在磁制冷机中的应用，其特征在于，工作时，磁制冷机中的换热流体进入回热器中，直接流经开孔泡沫金属并与其换热，以此实现制冷。
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