CN111503932A - 一种基于高温超导材料及脉冲励磁的制冷系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高温超导材料及脉冲励磁的制冷系统及方法，系统包括两个对称设置的磁场源单元和励磁线圈单元，脉冲电源单元、导磁单元、磁制冷工质单元、热端换热器单元、冷端换热器单元、运动单元。本发明磁场源单元采用了高温超导材料，其剩余磁场远高于传统的永磁材料，使得磁制冷工质单元得失磁后的磁熵变更大，单次热力学循环磁制冷功率更高。励磁线圈单元则由脉冲电源单元提供能量，能重复对磁场源单元充退磁，一方面多次充磁，能使磁场源单元俘获磁场大小达到最优状态；另一方面弥补了高温超导材料因磁通蠕变导致的磁场衰减。此方法具备便携、控制方便、维护成本较低等优点。

Description

一种基于高温超导材料及脉冲励磁的制冷系统及方法

技术领域

本发明属于洁净能源磁制冷技术应用领域，更具体地，涉及一种基于高温超导材料及脉冲励磁的制冷系统及方法。

背景技术

磁制冷作为一种新型的制冷方式，因其不用压缩机，效率高于气体制冷，具有明显的节能优势，而且所用换热介质为液体或气体，清洁没有污染，越来越受到人们的重视。磁制冷是基于磁制冷工质的磁热效应(MagnetocaloricEffect，MCE)在制冷领域的应用。磁制冷工质在受到外磁场的作用被磁化时，其磁有序度在外加磁场下得到加强(磁熵减小)，对外界放出热量；当外加磁场撤去失磁时，磁有序度下降，回到无序的状态(磁熵增大)，则从外界吸热。将励磁、放热、去磁、吸热等过程组成一个封闭的热力循环，通过外磁场变化，控制基于磁热效应的能量转换，达到连续不断地从一端放热，从另一端吸热的制冷目的。

目前磁制冷机按磁场源的不同主要分为三种：永磁体、电磁体和低温超导。但上述磁制冷机均存在一定的自身缺陷。永磁体磁场强度相对较低，目前最优性能的钕铁硼永磁体磁感应强度在1.4T(特斯拉)左右，导致磁制冷工质单次循环的磁熵变较低，制冷功率较低。电磁体相应的磁感应强度与铁芯的饱和状态有关，产生的磁感应强度为2T(特斯拉)左右，因需持续通入电流维持磁场，自身的功耗较大，导致能量利用率较低。低温超导产生的磁感应强度可达10T(特斯拉)以上，一方面其采用如Nb₃Sn，NbTi等低温超导材料单独或混合的超导带材绕制成螺旋管磁体结构，材料成本较高，如若工作过程中带材出现损坏，无法维修，只能整体更换磁体，不能满足稳定长时间的运行；另一方面其工作温度为液氦温度以下，通常采用液氦的方式进行冷却磁体，液氦成本较高，且整体结构工艺较为复杂。

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高温超导材料及脉冲励磁的制冷系统及方法，旨在解决现有磁制冷方法结构复杂、可靠性低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于高温超导材料及脉冲励磁的制冷系统，包括：

两个对称设置的磁场源单元和励磁线圈单元，脉冲电源单元、导磁单元、磁制冷工质单元、热端换热器单元、冷端换热器单元和运动单元：

磁场源单元，包含高温超导材料及低温杜瓦结构，高温超导材料用于充磁过程俘获磁场，作为产生磁场的磁场源，其放置于低温杜瓦结构内，防止辐射散热、对流和传导散热，保持磁场源单元在液氮温度下；脉冲电源单元，用于为励磁线圈单元提供能量；导磁单元，用于闭合导磁单元、磁场源单元以及两个磁场源单元中间的空气间隙形成的磁路，提高磁场源单元在空气间隙产生的磁场强度；运动单元，用于控制磁制冷工质单元与磁场源单元发生相对位移，不断使其得磁及失磁；

励磁线圈单元，环绕在磁场源单元外侧，用于为高温超导材料的充磁，两个励磁线圈单元相互串接，与脉冲电源单元相连；两个磁场源单元中间形成中空区域，以放置磁制冷工质单元；磁制冷工质单元，基于磁热效应，在得磁后产生热量，失磁后吸收热量的特点，与热端换热器单元及冷端换热器单元相连，用于实现制冷。

其中，磁场源单元为由稀土、钡、铜或氧元素组成的高温超导材料，统写为ReBCO。优选为钇钡铜氧(YBCO)和钆钡铜氧(GdBCO)。

优选地，励磁线圈单元环绕在磁场源单元外侧，匝数及分布可以根据磁场源单元的形状进行调整。励磁线圈单元由导线构成，根据右手定则，每个励磁线圈单元中的导线数量及分布可以根据实际的高温超导材料及低温杜瓦的大小形状进行调整。

优选地，脉冲电源单元输出的是脉冲非振荡电流，可以为方波电流、三角波电流等。

优选地，冷端换热器单元及热端换热器单元，所用的换热介质为液体或气体。

优选地，导磁单元的形状为c字型或者回字型。

优选地，低温杜瓦结构内持续通入液氮，液氮完全浸没高温超导材料。

优选地，运动单元采用旋转式或往复式结构。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于高温超导材料及脉冲励磁的制冷方法，包括以下步骤：

S1、脉冲电源单元多次放电，励磁线圈单元对磁场源单元多次励磁，直至达到充磁饱和；

S2、运动单元使磁制冷工质单元与磁场源单元产生的磁场区域不断靠近，磁制冷工质单元被磁化，因磁热效应，这一过程中其温度大小不断升高；

S3、开启热端换热器单元，利用换热介质将磁制冷工质单元产生的热量带走；

S4、关闭热端换热器单元，运动单元使磁制冷工质单元与磁场源单元产生的磁场区域不断远离，磁制冷工质单元失磁，因磁热效应，这一过程中其温度进一步的下降；

S5、开启冷端换热器单元，利用换热介质将磁制冷工质单元产生的冷量传出，以实现单个循环制冷；

S6、重复步骤S2-S5，不断将磁制冷工质单元产生的冷量传出，直至冷端和热端温度变化为零；

S7、每隔预设时间进行步骤S1，保持磁场源单元的最佳磁性能。

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，具有如下有益效果：

(1)本发明提供了一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷方法，基于高温超导材料俘获磁场的特性，在多次充磁后，可较长时间维持很强的磁场，不需要额外的消耗电能，并且在高温超导材料磁性下降后，可通过再充磁使其恢复至原先性能水平，相比于低温超导，整体装置结构简单、控制方便、易于维护，并且采用液氮进行冷却，进一步的降低了运行成本；

(2)本发明采用了脉冲电源作为磁化方式，其产生脉冲非振荡电流的脉宽为毫秒级，能够在耗能较低及励磁线圈温升较低的情况下实现对高温超导材料的多次充磁，降低了整体装置对电源模块的要求，可以简化装置结构，提高了装置运行的可靠性。

附图说明

图1本发明实例1所提供的一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷装置结构图；

图2(a)-(c)是本发明实例1所提供的一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷方法原理流程图；

图3是本发明实例2所提供的一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷装置三维结构图；

图4是本发明实例2所提供的一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷装置横截面图。

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。

本发明提供了一种基于高温超导材料及脉冲励磁的制冷系统，包括：

两个对称设置的磁场源单元和励磁线圈单元，脉冲电源单元、导磁单元、磁制冷工质单元、热端换热器单元、冷端换热器单元和运动单元：

磁场源单元，包含高温超导材料及低温杜瓦结构，高温超导材料用于充磁过程俘获磁场，作为产生磁场的磁场源，其放置于低温杜瓦结构内，防止辐射散热、对流和传导散热，保持磁场源单元在液氮温度下；脉冲电源单元，用于为励磁线圈单元提供能量；导磁单元，用于闭合导磁单元、磁场源单元以及两个磁场源单元中间的空气间隙形成的磁路，提高磁场源单元在空气间隙中产生的磁场强度；运动单元，用于控制磁制冷工质单元与磁场源单元发生相对位移，不断使其得磁及失磁；

励磁线圈单元，环绕在磁场源单元外侧，用于为高温超导材料的充磁，两个励磁线圈单元相互串接，与脉冲电源单元相连；两个磁场源单元中间形成中空区域，以放置磁制冷工质单元；磁制冷工质单元，基于磁热效应，在得磁后产生热量，失磁后吸收热量的特点，与热端换热器单元及冷端换热器单元相连，用于实现制冷。

实施例1

如图1所示为本发明实施例1所提供的一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷装置的结构图。本发明实例所提供的一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷装置包括导磁单元1、两个励磁线圈单元2a和2b、两个磁场源单元3a和3b、磁制冷工质单元4、脉冲电源单元5、热端换热器单元6、冷端换热器7；

其中，磁场源单元3a和3b采用圆柱体形状，且关于x轴对称，中间形成中空区域作为磁制冷工质单元4的磁床；励磁线圈单元2a和2b关于y轴对称并环绕在磁场源单元3a和3b的外壁，并且两个励磁线圈单元2a和2b串联接入脉冲电源5所构成的电路回路中；磁制冷工质4与热端换热器单元6和冷端换热器7相连，构成换热通道。装置运行过程中，磁场源单元3a和3b中高温超导材料均放置于持续通入液氮的低温杜瓦内。

具体的，脉冲电源单元5产生脉冲电流信号并输出，励磁线圈单元2a和2b接收到脉冲电流信号后，根据电生磁原理，在磁场源单元3a和3b中产生磁场后，因钉扎效应，磁场源单元中高温超导材料会俘获一部分磁场，在多次充磁后，能使其俘获磁场达到最大状态，在中空区域、即磁制冷工质4被磁化的区域的磁场强度达到最大。

具体的，由毕奥-萨伐尔定律，某一导线电流产生磁场的大小反比于其离电流导线距离的平方，励磁线圈单元2a和2b中导线均匀分布，并且每个励磁线圈单元中的导线个数相同并均关于x轴(空气间隙的中心线)对称，每个磁场源单元均关于y轴(磁场源单元的轴线)对称时，能使磁场源单元3a和3b中高温超导材料充磁时所需的能量最低。

具体的，磁场源单元可采用多种形状结构，来进行对中空区域部分的磁场分布进行优化，使磁制冷工质单元4能被均匀磁化，即得磁时温度上升更为均匀，更加利于换热方式的设计。

具体的，为了维持装置的正常工作，磁场源单元3a和3b中高温超导材料均放置于持续通入液氮的低温杜瓦内，一方面是维持磁场源单元处于超导态，保持其俘获磁场的大小；另一方面，解决了励磁线圈单元多次放电实施充磁过程中散热的问题。

根据所需的磁场的强度、方向、区域面积以及分布情况确定高温超导材料及低温杜瓦的形状以及励磁线圈中导线的个数及位置分布，搭建好整体装置后，一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷方法流程主要按以下次序进行：励磁线圈单元多次通入脉冲非振荡电流—高温超导材料俘获一定磁场—磁制冷工质单元进入中空区域得磁后产生热量—热端换热器通过换热介质带走热量—磁制冷工质单元离开中空区域失磁后吸收热量—冷端换热器通过换热介质将负载的热量带走实现制冷，不断重复以上步骤，可以实现负载的热量不断被带走，达到制冷的目的。

一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷方法包括以下步骤：

S1、脉冲电源单元5多次放电，励磁线圈单元2a及2b对磁场源单元多次励磁，使高温超导材料俘获磁场达到最佳状态。

具体的，如图2(a)所示，两个励磁线圈单元在高温材料单元上产生的外加磁场的方向相同。并且脉冲电源单元放电电压由低到高进行多次放电，使磁场源单元通过磁通跳跃俘获的磁场持续提高，提高单次循环下磁制冷工质的磁熵变。

S2、运动单元使磁制冷工质单元4与磁场源单元3a及3b产生的磁场区域不断靠近，磁制冷工质单元4被磁化，因磁热效应，磁熵减小，这一过程中其温度大小不断升高。

具体的，如图2(b)所示，磁制冷工质单元4通过运动单元以某一种运动方式不断接近中空区域，因被磁化的程度不断增强，磁制冷工质单元4的温度不断上升。

S3、开启热端换热器单元6，利用换热介质将磁制冷工质单元4产生的热量带走。

具体的，热端换热器单元6通过换热介质吸收了磁制冷工质单元4对外界放出的热量，使磁制冷工质单元4的温度得到下降。

S4、关闭热端换热器单元6，运动单元使磁制冷工质单元4与磁场源单元3a及3b产生的磁场区域不断远离，磁制冷工质单元4失磁，因磁热效应，磁熵增大，这一过程中其温度进一步的下降。

具体的，如图2(c)所示，磁制冷工质单元4通过运动单元以某一种运动方式不断远离中空区域，因被磁化的程度不断减小，会使其温度减小至充磁前更低的温度。

S5、开启冷端换热器单元7，利用换热介质将磁制冷工质单元产生的冷量传出后，关闭冷端换热器单元7，以实现单个循环制冷。

具体的，热端换热器单元6通过换热介质，利用磁制冷工质失磁后吸收外界热量的特点，用换热介质传递负载的热量被磁制冷工质4吸收，使负载的热量减小，实现制冷。

S6、重复步骤S2-S5，不断将磁制冷工质单元4产生的冷量传出，就能实现较好的制冷效果。

S7、每隔一段时间进行步骤S1，保持磁场源单元的最佳磁性能。

具体的，磁场源单元3a及3b会发生磁通蠕变，随时间其俘获磁场会逐渐衰减，间隔一定时间进行S1步骤多次充磁，可以使磁场源单元始终工作在最佳磁性能状态。

实施例2

实施例2与实施例1中装置部件的功能及磁制冷的方法相同，其不同之处在于磁制冷工质单元的形状与磁源单元的结构关系为内套式，励磁线圈单元与磁源单元只需要一个，并去除了导磁单元。如图3所示为本发明实施例2所提供的一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷装置三维结构图，其横截面结构图如图4所示，本发明实施例所提供的一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷装置包括励磁线圈单元2a、磁源单元3a、磁源单元4、脉冲电源单元5、热端换热器单元6、冷端换热器单元7。脉冲电源单元5与励磁线圈单元相连提供励磁能量；其中励磁线圈单元2a环绕紧贴在磁源单元4外侧，两者之间存在一层绝缘层；磁源单元3a作为磁场源；如图4所示，此时磁制冷工质单元4处于最大的磁场区域，磁制冷工质单元4通过运动单元进行轴向的位移，即可得失磁来实现制冷；

本发明提供了一种基于高温超导材料及脉冲励磁的磁制冷方法，基于高温超导材料俘获磁场的特性，在多次充磁后，可较长时间维持很强的磁场，不需要额外的消耗电能，并且在高温超导材料磁性下降后，可通过再充磁使其恢复至原先性能水平，相比于低温超导，整体装置结构简单、控制方便、易于维护，并且采用液氮进行冷却，进一步的降低了运行成本。并且采用了脉冲电源作为磁化方式，其产生脉冲非振荡电流的脉宽为毫秒级，能够在耗能较低及励磁线圈温升较低的情况下实现对高温超导材料的多次充磁，降低了整体装置对电源模块的要求，可以简化装置结构，提高了装置运行的可靠性。

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 (9)

1.一种基于高温超导材料及脉冲励磁的制冷系统，其特征在于，包括两个对称设置的磁场源单元和励磁线圈单元，脉冲电源单元、导磁单元、磁制冷工质单元、热端换热器单元、冷端换热器单元和运动单元：

磁场源单元，包含高温超导材料及低温杜瓦结构，高温超导材料用于充磁过程俘获磁场，作为产生磁场的磁场源，其放置于低温杜瓦结构内，防止辐射散热、对流和传导散热，保持磁场源单元在液氮温度下；脉冲电源单元，用于为励磁线圈单元提供能量；导磁单元，用于闭合导磁单元、磁场源单元以及两个磁场源单元中间的空气间隙形成的磁路，提高磁场源单元在空气间隙中产生的磁场强度；运动单元，用于控制磁制冷工质单元与磁场源单元发生相对位移，不断使其得磁及失磁；

励磁线圈单元，环绕在所述磁场源单元外侧，用于为高温超导材料的充磁，两个励磁线圈单元相互串接，与脉冲电源单元相连；两个磁场源单元中间形成中空区域，以放置磁制冷工质单元；磁制冷工质单元，基于磁热效应，具有得磁后产生热量，失磁后吸收热量的特点，与热端换热器单元及冷端换热器单元相连，用于实现制冷。

2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述磁场源单元为由稀土、钡、铜或氧元素组成的高温超导材料。

3.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述脉冲电源单元输出的是脉冲非振荡电流。

4.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述冷端换热器单元及热端换热器单元，所用的换热介质为液体或气体。

5.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述导磁单元的形状为c字型或者回字型。

6.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述低温杜瓦结构内持续通入液氮，液氮完全浸没高温超导材料。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的高温超导材料及脉冲励磁的制冷系统的制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、脉冲电源单元多次放电，励磁线圈单元对磁场源单元多次励磁，直至达到充磁饱和；

S2、运动单元使磁制冷工质单元与磁场源单元产生的磁场区域不断靠近，磁制冷工质单元被磁化，因磁热效应，这一过程中其温度大小不断升高；

S3、开启热端换热器单元，利用换热介质将磁制冷工质单元产生的热量带走；

S4、关闭热端换热器单元，运动单元使磁制冷工质单元与磁场源单元产生的磁场区域不断远离，磁制冷工质单元失磁，因磁热效应，这一过程中其温度进一步的下降；

S5、开启冷端换热器单元，利用换热介质将磁制冷工质单元产生的冷量传出，以实现单个循环制冷；

S6、重复步骤S2-S5，不断将磁制冷工质单元产生的冷量传出，直至冷端和热端温度变化波动范围在1K以内；

S7、每隔预设时间进行步骤S1，保持磁场源单元的最佳磁性能。

8.如权利要求7所述的制冷方法，其特征在于，所述磁场源单元为由稀土、钡、铜、氧元素组成的高温超导材料。

9.如权利要求7所述的制冷方法，其特征在于，所述冷端换热器单元及热端换热器单元，所用的换热介质为液体或气体。

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