CN112484335A - 具有磁场定位功能的磁制冷机及定位方法 - Google Patents

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黄焦宏
刘翠兰
程娟
张英德
李兆杰
张�成
戴默涵
闫宏伟
王强
邓沅
郭亚茹
徐卫东
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Abstract

本发明公开了一种具有磁场定位功能的磁制冷机，包括：外磁体环、内磁体环，外磁体环与外板相连接，用于产生恒定磁场；内磁体环的外侧与齿轮相连接，内磁体环随齿轮同步转动，内磁体环通过转动在轴向产生变化的柱形磁场，变化的柱形磁场和恒定磁场叠加形成变化磁场，制冷床位于变化磁场内；齿轮设置有定位孔，外板位于齿轮的外侧，探测器设置在外板上，探测器用于探测定位孔的位置并发出定位信号给磁制冷机的控制系统。本发明还公开了一种磁制冷机的定位方法。本发明实现了非接触式探测最低磁场位置和最高磁场位置，为双筒嵌套型磁制冷机实现制冷提供精确定位，保障磁制冷机高效稳定运行。

Description

具有磁场定位功能的磁制冷机及定位方法
技术领域
本发明属于磁制冷技术领域，具体涉及一种具有磁场定位功能的磁制冷机及定位方法。
背景技术
室温磁制冷是一种开发中的新型制冷技术，由于其高效且环境友好，受到世界各国普遍重视。磁制冷是基于材料的磁热效应(MCE)实现的，它是磁热材料在变化的磁场作用下表现出升温或降温的现象，通常用绝热温变表示。由于至今发现的磁热材料磁热性能不够高，在1T磁场作用下小于4K的温变，因此多数磁制冷机采用主动回热技术(AMR)来拓宽温跨，满足制冷的需求。由于磁热材料是固体材料，需要换热流体与磁热材料进行热交换来实现制冷目的。热交换通常在磁热材料达到最高温或最低温时进行，这样效率最佳。因此热交换时机，是磁制冷机设计的关键问题之一。
对于同心双环嵌套Halbach型磁体磁制冷机，其磁场系统是内外嵌套的环形磁体，利用内磁体环或外磁体环旋转在中空柱形空间产生变化的磁场，引起布置在其中的制冷床内的磁热材料发生温度变化，通过AMR技术可以在制冷床两端逐步形成较大温差，实现制冷。其中热交换的时机是关键，根据AMR技术要求，当磁场最低时换热流体向冷端方向流动，而当磁场最大时换热流体要反向流动，流向热端方向，其它时间流体不动。因此判断磁场最大和最小点是该类型磁制冷机设计的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有磁场定位功能的磁制冷机及定位方法，实现了非接触式探测最低磁场位置和最高磁场位置，为双筒嵌套型磁制冷机实现制冷提供精确定位，保障磁制冷机高效稳定运行。
为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
具有磁场定位功能的磁制冷机，包括：外磁体环、内磁体环，外磁体环与外板相连接，用于产生恒定磁场；内磁体环的外侧与齿轮相连接，内磁体环随齿轮同步转动，内磁体环通过转动在轴向产生变化的柱形磁场，变化的柱形磁场和恒定磁场叠加形成变化磁场，制冷床位于变化磁场内；齿轮设置有定位孔，外板位于齿轮的外侧，探测器设置在外板上，探测器用于探测定位孔的位置并发出定位信号给磁制冷机的控制系统。
进一步，齿轮中部的轴线位置设置有齿轮通孔，外板中部的轴线位置设置有外板通孔，柱形磁场空间、齿轮通孔、外板通孔同轴设置，制冷床穿设在柱形磁场空间、齿轮通孔、外板通孔内。
进一步，制冷床固定有磁热材料。
进一步，控制系统根据最低磁场位置和定位孔的偏转角度确定变化磁场的最高磁场强度位置，根据最高磁场强度位置和最低磁场强度位置生成换热流体分配信号，通过换热流体分配信号调节流经磁热材料换的热流体分配比例。
磁制冷机的定位方法，包括：
外磁体环不动，产生恒定磁场；内磁体环随齿轮同步旋转，内磁体环在圆柱形空间产生变化的柱形磁场；变化的柱形磁场与恒定磁场相叠加，形成磁制冷机的变化磁场；将齿轮上的定位孔定位在变化磁场的最低磁场位置；
制冷床安装在变化磁场所在的空间内，制冷床内固定的磁热材料在变化磁场作用下产生磁热效应，换热流体流过磁热材料进行热交换；
外板上安装的探测器探测到齿轮上的定位孔时，此时磁热材料处于变化磁场的最低磁场位置，探测器到探测定位孔的位置并发出定位信号；
根据最低磁场位置和定位孔的偏转角度确定变化磁场的最高磁场强度位置，控制系统根据最高磁场强度位置和最低磁场强度位置生成换热流体分配信号，通过换热流体分配信号调节流经磁热材料换的热流体分配比例。
优选的，变化磁场为按照正弦波变化的周期磁场，内磁体环每转一圈为一个周期。
优选的，内磁体环从磁场的最低磁场位置开始转动，转动180度达到最大磁场位置。
优选的，根据换热流体流过磁热材料进行热交换的需要，定位信号用于控制内磁体环的旋转方式。
优选的，通过调节换热流体流过磁热材料的分配比例，形成合理的热交换，为双筒嵌套型磁制冷机实现制冷提供精确定位。
本发明技术效果包括：
本发明实现了非接触式探测最低磁场，进而通过计算角度判定最大磁场位置。最低磁场位置、最大磁场位置来调节换热流体流过磁热材料的分配比例，在磁热材料上形成合理的热交换，为双筒嵌套型磁制冷机实现制冷提供精确定位，保障磁制冷机高效稳定运行。
定位信号是该类室温磁制冷机控制的根本和核心，保障磁制冷机高效稳定运行。定位信号确定的最高和最低磁场强度的位置，能够为AMR热交换实现提供保障，定位信号为磁制冷机整机控制程序提供精确定位点，为机器稳定可靠运行提供基本保障。
附图说明
图1是本发明中具有磁场定位功能的磁制冷机的结构示意图。
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
如图1所示，是本发明中具有磁场定位功能的磁制冷机的结构示意图。
本发明具有磁场定位功能的磁制冷机选用在双筒嵌套式室温磁制冷机，其结构包括：外磁体环1、内磁体环2，外磁体环1与外板7相连接，固定不动，形成恒定磁场；内磁体环2的外侧与齿轮4相连接，内磁体环2随齿轮4同步转动，内磁体环2通过转动在轴向产生变化的柱形磁场；变化的柱形磁场和恒定磁场叠加，形成变化磁场；制冷床3位于变化磁场内；齿轮4设置有定位孔6；外板7位于齿轮4的外侧，探测器5设置在外板7上。
齿轮4中部的轴线位置设置有齿轮通孔，外板7中部的轴线位置设置有外板通孔，变化磁场、齿轮通孔、外板通孔同轴设置，制冷床3穿设在柱形磁场空间、齿轮通孔、外板通孔内。
具有磁场定位功能的磁制冷机的磁场为非接触式探测双筒嵌套Halbach磁场，能够确定非接触式探测双筒嵌套Halbach磁场的最小磁场位置，进一步通过计算可以计算出最大磁场位置，为双筒嵌套型磁制冷机实现制冷提供精确定位，使该类磁制冷机高效制冷成为可能，这种定位功能是该类磁制冷机实现的关键。
磁制冷机的定位方法，包括：
步骤1：外磁体环1不动，产生恒定磁场；内磁体环2随齿轮4同步旋转，内磁体环2在圆柱形空间产生变化的柱形磁场；变化的柱形磁场与恒定磁场相叠加，形成磁制冷机的变化磁场；将齿轮4上的定位孔6定位在变化磁场的最低磁场位置；
步骤2：制冷床3安装在变化磁场所在的空间内，制冷床3内固定的磁热材料在变化磁场作用下产生磁热效应，换热流体流过磁热材料进行热交换；
变化磁场为按照正弦波变化的周期磁场，内磁体环2每转一圈为一个周期。内磁体环2从磁场的最低磁场位置开始转动，转半圈(180度)达到最大磁场位置，再转半圈回到最低磁场，如此周期交替。
根据AMR技术要求，换热流体在磁场强度最高和最低时换热，可以在制冷床两端逐步产生较大温差，用于制冷目的。
步骤3：外板7上安装的探测器5探测到齿轮4上的定位孔6时，此时磁热材料处于变化磁场的最低磁场位置，探测器5用于探测定位孔6的位置并发出定位信号给磁制冷机的控制系统；
探测器5和齿轮4上的定位孔6可以精确定位最低磁场位置，通过测定内磁体环2的偏转角度可以确定最大磁场位置，为此类磁制冷机实现奠定了基础。
每当定位孔6旋转到探测器5位置时，探测器5发出定位信号，该位置为磁场强度最低位置。同时，根据换热流体流过磁热材料进行热交换的需要，该定位信号也可以用于控制内磁体环2的旋转方式。
步骤4：根据最低磁场位置和定位孔6的偏转角度确定变化磁场的最高磁场强度位置，控制系统根据最高磁场强度位置和最低磁场强度位置生成换热流体分配信号，通过换热流体分配信号调节流经磁热材料换的热流体分配比例。
通过调节换热流体流过磁热材料的分配比例，在磁热材料上形成合理的热交换，为双筒嵌套型磁制冷机实现制冷提供精确定位。定位信号是该类室温磁制冷机控制的根本和核心，保障磁制冷机高效稳定运行。定位信号确定的最高和最低磁场强度的位置，能够为AMR热交换实现提供保障，为该类型磁制冷机整机控制系统提供硬件支持。定位信号为磁制冷机整机控制程序提供精确定位点，为机器稳定可靠运行提供基本保障。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离技术方案的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种具有磁场定位功能的磁制冷机，其特征在于，包括：外磁体环、内磁体环，外磁体环与外板相连接，用于产生恒定磁场；内磁体环的外侧与齿轮相连接，内磁体环随齿轮同步转动，内磁体环通过转动在轴向产生变化的柱形磁场，变化的柱形磁场和恒定磁场叠加形成变化磁场，制冷床位于变化磁场内；齿轮设置有定位孔，外板位于齿轮的外侧，探测器设置在外板上，探测器用于探测定位孔的位置并发出定位信号给磁制冷机的控制系统。
2.如权利要求1所述的具有磁场定位功能的磁制冷机，其特征在于，齿轮中部的轴线位置设置有齿轮通孔，外板中部的轴线位置设置有外板通孔，柱形磁场空间、齿轮通孔、外板通孔同轴设置，制冷床穿设在柱形磁场空间、齿轮通孔、外板通孔内。
3.如权利要求1所述的具有磁场定位功能的磁制冷机，其特征在于，制冷床固定有磁热材料。
4.如权利要求1所述的具有磁场定位功能的磁制冷机，其特征在于，控制系统根据最低磁场位置和定位孔的偏转角度确定变化磁场的最高磁场强度位置，根据最高磁场强度位置和最低磁场强度位置生成换热流体分配信号，通过换热流体分配信号调节流经磁热材料换的热流体分配比例。
5.如权利要求1～4任一项所述的磁制冷机的定位方法，包括：
外磁体环不动，产生恒定磁场；内磁体环随齿轮同步旋转，内磁体环在圆柱形空间产生变化的柱形磁场；变化的柱形磁场与恒定磁场相叠加，形成磁制冷机的变化磁场；将齿轮上的定位孔定位在变化磁场的最低磁场位置；
制冷床安装在变化磁场所在的空间内，制冷床内固定的磁热材料在变化磁场作用下产生磁热效应，换热流体流过磁热材料进行热交换；
外板上安装的探测器探测到齿轮上的定位孔时，此时磁热材料处于变化磁场的最低磁场位置，探测器到探测定位孔的位置并发出定位信号；
根据最低磁场位置和定位孔的偏转角度确定变化磁场的最高磁场强度位置，控制系统根据最高磁场强度位置和最低磁场强度位置生成换热流体分配信号，通过换热流体分配信号调节流经磁热材料换的热流体分配比例。
6.如权利要求5所述的磁制冷机的定位方法，其特征在于，变化磁场为按照正弦波变化的周期磁场，内磁体环每转一圈为一个周期。
7.如权利要求5所述的磁制冷机的定位方法，其特征在于，内磁体环从磁场的最低磁场位置开始转动，转动180度达到最大磁场位置。
8.如权利要求5所述的磁制冷机的定位方法，其特征在于，根据换热流体流过磁热材料进行热交换的需要，定位信号用于控制内磁体环的旋转方式。
9.如权利要求5所述的磁制冷机的定位方法，其特征在于，通过调节换热流体流过磁热材料的分配比例，形成合理的热交换，为双筒嵌套型磁制冷机实现制冷提供精确定位。
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