CN112629060A - 多列多级并联式磁制冷机及其热交换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多列多级并联式磁制冷机，包括：制冷仓、循环系统、换热系统；制冷仓包括：磁场系统、工质床、动力装置，磁场系统包括多个磁场单体，工质床包括：第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床，第一工质床、第二工质床通过管路相并联组成第一工质床分组，第三工质床、第四工质床通过管路相并联组成第二工质床分组；第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床的外侧分别安装有一组磁场单体。本发明还公开了一种多列多级并联式磁制冷机的热交换方法。本发明实现了磁热效应最大化，大大提高了磁制冷工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及室温磁制冷领域，具体涉及一种多列多级并联式磁制冷机及其热交换方法。
背景技术
目前，传统压缩制冷对臭氧层会产生危害，会间接导致人类生存环境的变化。根据蒙特利尔协议和京都协议，气体压缩制冷采用无氟的制冷剂，例如R410。虽然新的制冷工质不再对臭氧产生不利影响，但是会导致温室效应，仍然会破坏自然环境。
由于在传统压缩气体制冷中，制冷剂被压缩机等熵压缩，再进入冷凝器冷却，进入节流阀，最后出节流阀，进入蒸发器，按照这样循环工作，整个热力学循环的四部分是在制冷剂经过不同机械部分完成的。而室温磁场制冷的热力学循环是在蓄热器中完成循环，制冷剂即磁工质不动，只是磁场强度变化，就能完成热力学循环，这种磁场制冷热流体循环系统大大提高了制冷工作效率。
但是传统磁制冷方式机械结构复杂，室温磁场制冷中磁工质退磁不完全，磁热效应不完整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多列多级并联式磁制冷机及其热交换方法，实现了磁热效应最大化，大大提高了磁制冷工作效率。
为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
多列多级并联式磁制冷机，包括：制冷仓、循环系统、换热系统；制冷仓包括：磁场系统、工质床、动力装置，磁场系统包括多个磁场单体，工质床包括：第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床，第一工质床、第二工质床通过管路相并联组成第一工质床分组，第三工质床、第四工质床通过管路相并联组成第二工质床分组；第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床的外侧分别安装有一组磁场单体，磁场单体之间留有间隙；每组磁场单体固定在一个底座上，底座设有齿轮槽，第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床底部分别设置有底座；动力装置包括：电机、减速机和齿轮，齿轮与齿轮槽相啮合；循环系统包括：可编程控制器、真空压力表、隔膜水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀；第一电磁阀、第三电磁阀相串联，两端通过管路分别连接第一工质床分组、第二工质床分组；第二电磁阀、第四电磁阀相串联，两端通过管路分别连接第一工质床分组、第二工质床分组；隔膜水泵、第五电磁阀相串联，两端分别连接在换热器一端，换热器的另一端连接在第一电磁阀、第三电磁阀之间的管路上；第二电磁阀、第四电磁阀之间，隔膜水泵、第五电磁阀之间，通过管路相连接；换热系统包括：换热器、蓄冷器，蓄冷器两端通过管路分别连接第一工质床分组、第二工质床分组。
进一步，工质床为密闭结构，两端螺纹连接有法兰连接，法兰安装有过滤网；法兰的外侧利用螺栓连接有支撑板，支撑板的底部固定在制冷仓上。
进一步，磁工质为稀土金属丝或者稀土金属合金丝，直径为0.1mm-1mm。
进一步，制冷仓内部设置有用于控制制冷仓的起始温度的二极管制冷片，二极管制冷片带有温度传感器；换热器、蓄冷器设置有薄膜铂电阻，薄膜铂电阻用于记录温度变化。
进一步，管路上设置有真空压力表，工质床、管路、换热器、蓄冷器充满换热流体，蓄冷器外部设置有制冷箱体。
进一步，可编程控制器分别通过信号线连接隔膜水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀，用于控制启停；可编程控制器通过导线连接电机，用于控制电机的转动方向和动作频率，以控制磁工质进入或者退出磁场的时机；换热器、蓄冷器设置有薄膜铂电阻，可编程控制器通过导线连接真空压力表、温度传感器、薄膜铂电阻，用于采集数据。
进一步，第一工质床分组上磁场单体的排列位置相同，磁场大小相同方向一致；第二工质床分组上磁场单体的排列位置相同，磁场大小相同方向一致。
进一步，工质床为密闭结构，多个磁工质分别固定在第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床内部，多个磁工质之间留有间隙。
多列多级并联式磁制冷机的热交换方法，其特征在于，包括：
当第二工质床分组制冷，第一工质床分组制热时，可编程控制器控制第一工质床分组、第二工质床分组对应的电机启动，减速机和齿轮配合，减速机和齿轮配合，带动第二工质床分组上的磁场单体移动，第二工质床分组的磁工质的相对位置由磁场位置移动到间隙位置，在退磁作用下磁工质温度降低；第一工质床分组的磁工质16的相对位置由间隙位置移动到磁场位置，在充磁作用下，磁工质16温度升高；
可编程控制器启动隔膜水泵，将第一电磁阀和第四电磁阀打开，第二电磁阀、第三电磁阀和第五电磁阀阀关闭；换热流体经过隔膜泵的驱动，使换热流体从第四电磁阀进入第二工质床分组的第三工质床、第四工质床；降温后的换热流体进入第一工质床分组的第一工质床、第二工质床，加热后的换热流体经第一电磁阀进入换热器，换热流体回流到隔膜泵，完成热交换。
优选的，当第二工质床分组制热，第一工质床分组制冷时，第二工质床分组的磁工质的相对位置由间隙位置移动到磁场位置，在充磁作用下，磁工质温度升高；第一工质床分组的磁工质的相对位置由磁场位置移动到间隙位置，在退磁作用下磁工质温度降低；打开第二电磁阀和第三电磁阀，第一电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀关闭。换热流体经过隔膜泵的驱动，使换热流体从第二电磁阀进入第一工质床分组的第一工质床、第二工质床；降温后的换热流体进入第二工质床分组的第三工质床、第四工质床，加热后的换热流体经第三电磁阀进入换热器，换热流体回流到隔膜泵，完成热交换。
本发明技术效果包括：
1、本发明提出的多列多级并联式磁制冷机及其热交换方法，能够使磁工质完全充磁退磁，提高磁工质磁热效应利用率，实现了磁热效应最大化，大大提高了磁制冷工作效率。
2、在传统压缩机制冷中，制冷剂被压缩机等熵压缩，再进入冷凝器冷却，进入节流阀，最后出节流阀，进入蒸发器，按照这样循环工作，整个热力学循环的四部分是在制冷剂经过不同机械部分完成的。本发明中，磁制冷机的热力学循环是在制冷仓、换热系统中完成循环，通过磁场强度变化，就能完成热力学循环，大大提高了制冷工作效率。
3、磁场与磁工质处于同一位置时充磁，磁场与磁工质处于不同位置时退磁，另一列工作与之相反，这种双列串联式磁制冷方法大大加强了磁制冷运行方式，提高磁制冷效率，使磁制冷效应得到充分利用，有效地缩短制冷时间。
附图说明
图1是本发明中多列多级并联式磁制冷机的结构原理图；
图2是本发明中动力装置的结构示意图；
图3是本发明中工质床与法兰的连接示意图。
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，是本发明中多列多级并联式磁制冷机的结构原理图。如图2所示，是本发明中动力装置13的结构示意图。
多列多级并联式磁制冷机，包括：制冷仓1、循环系统、换热系统；制冷仓1利用磁热效应改变磁工质的温度，并将磁工质产生的冷量或者热量传递给换热流体；循环系统通过管路连接换热系统，用于将换热流体输送到换热系统；换热系统用于交换换热流体带出的冷量或者热量。
(1)、制冷仓1包括：磁场系统11、工质床12、动力装置13、二极管制冷片17。
本优选实施例中，磁场系统11包括：多个磁场单体17，工质床12包括：第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床，第一工质床、第二工质床通过管路相并联组成第一工质床分组，第三工质床、第四工质床通过管路相并联组成第二工质床分组。
第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床的外侧分别安装一组磁场单体17，磁场单体17之间留有间隙，多个磁场单体17的磁场大小相同方向一致。
磁场单体17采用钕铁硼永磁体。每组磁场单体17固定在一个底座15上，底座15设有齿轮槽151，第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床底部分别设置有底座15，每组磁场单体17固定在一个底座15上。第一工质床分组上磁场单体17的排列位置相同，第二工质床分组上磁场单体17的排列位置相同。
如图3所示，是本发明中工质床12与法兰14的连接示意图。
工质床12为密闭结构，通过管路连接循环系统，两端利用螺纹与法兰14连接，法兰14安装有过滤网；法兰14的外侧利用螺栓连接有支撑板，支撑板的底部固定在制冷仓1上；四个磁工质16分别固定在第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床内部，多个磁工质16之间留有间隙。
在动力装置13的带动下，磁工质16与磁场单体17的相对位置变化，磁工质16移动到间隙位置时，磁工质(磁性材料)16退磁，磁工质16降温；磁工质16由间隙位置移动到磁场单体17的磁场位置时，磁工质16充磁，磁熵减小、晶格熵增大，原子活动加剧，磁性材料升温。磁工质16的材料为稀土金属钆丝，直径为0.1mm-1mm，钆成分占比99％以上，可分段配装钆铽、钆铒合金丝，直径为0.1mm-1mm。
动力装置13包括：电机131、减速机132和齿轮133，齿轮133与齿轮槽151相啮合，用于带动底座15移动。电机131给减速机132提供动力，减速机132带动齿轮133转动。电机131通过信号线连接可编程控制器，电机131利用外部电源供电。动力装置13用于带动磁场单体17的往复动作，使磁工质16反复充磁/退磁。
二极管制冷片18用于控制制冷仓1的起始温度，带有温度传感器，制冷仓1内部温度达到20摄氏度开始制冷，保护磁工质16的磁热效应。
(2)、循环系统包括：可编程控制器、真空压力表21、隔膜水泵22、第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26、第五电磁阀27；真空压力表21、第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26依次设置在管路上，通过外部电源供电。
第一电磁阀23、第三电磁阀25串联，两端通过管路分别连接第一工质床分组、第二工质床分组；第二电磁阀24、第四电磁阀26串联，两端通过管路分别连接第一工质床分组、第二工质床分组；隔膜水泵22、第五电磁阀27串联，两端分别连接在换热器31一端，换热器31的另一端连接在第一电磁阀23、第三电磁阀25之间的管路上；第二电磁阀24、第四电磁阀26之间，隔膜水泵22、第五电磁阀27之间，通过管路相连接。
可编程控制器分别通过信号线连接电机、真空压力表21、隔膜水泵22、第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26、第五电磁阀27，用于控制上述结构的启停。可编程控制器同时控制电机的转动方向和动作频率，以控制磁工质16进入或者退出磁场的时机。
工质床12、管路、换热器31、蓄冷器32充满换热流体，换热流体的主要成分为H2O，可添加少量酒精。第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26、第五电磁阀27选用直导式电磁阀，换热流体的循环由五个直导式电磁阀控制。
真空压力表21用来测量换热循环系统2的压力。
隔膜水泵22作为换热流体的动力源，提供冷热循环的动力。
(3)、换热系统包括：换热器31、蓄冷器32，换热器31一端分别连接第五电磁阀27、隔膜水泵22，换热器31另一端连接在第一电磁阀23、第三电磁阀25之间的管路上；蓄冷器32两端通过管路分别连接第一工质床分组、第二工质床分组。
换热器31、蓄冷器32设置有薄膜铂电阻，薄膜铂电阻用于记录温度变化。蓄冷器32外部设置有制冷箱体33。
多列多级并联式磁制冷机的热交换方法，步骤包括：
步骤1：当第二工质床分组制冷，第一工质床分组制热时，可编程控制器控制第一工质床分组、第二工质床分组对应的电机131启动，减速机132和齿轮133配合，减速机132和齿轮133配合，带动第二工质床分组上的磁场单体17移动，第二工质床分组的磁工质16的相对位置由磁场位置移动到间隙位置，在退磁作用下磁工质16温度降低；第一工质床分组的磁工质16的相对位置由间隙位置移动到磁场位置，在充磁作用下，磁工质16温度升高；
当第二工质床分组制热，第一工质床分组制冷时，第二工质床分组的磁工质16的相对位置由间隙位置移动到磁场位置，在充磁作用下，磁工质16温度升高；第一工质床分组的磁工质16的相对位置由磁场位置移动到间隙位置，在退磁作用下磁工质16温度降低。
步骤2：可编程控制器启动隔膜水泵22，将第一电磁阀23和第四电磁阀26打开，第二电磁阀24、第三电磁阀25和第五电磁阀27阀关闭；换热流体经过隔膜泵22的驱动，使换热流体从第四电磁阀26进入第二工质床分组的第三工质床、第四工质床；降温后的换热流体进入第一工质床分组的第一工质床、第二工质床，加热后的换热流体经第一电磁阀23进入换热器31，换热流体回流到隔膜泵22，完成热交换。
打开第二电磁阀24和第三电磁阀25，第一电磁阀23、第四电磁阀26和第五电磁阀27关闭。换热流体经过隔膜泵22的驱动，使换热流体从第二电磁阀24进入第一工质床分组的第一工质床、第二工质床；降温后的换热流体进入第二工质床分组的第三工质床、第四工质床，加热后的换热流体经第三电磁阀25进入换热器31，换热流体回流到隔膜泵22，完成热交换。
通过可编程控制器控制隔膜水泵22的启停及电磁阀(第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26、第五电磁阀27)的开闭时间，换热流体经过隔膜泵22的驱动，使换热流体流入热端的换热器31、冷端的蓄冷器32，通过薄膜铂电阻测量换热器31及蓄冷器32的温度，实现制冷和制热。
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发明的精神或实质，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 (10)
1.一种多列多级并联式磁制冷机，其特征在于，包括：制冷仓、循环系统、换热系统；制冷仓包括：磁场系统、工质床、动力装置，磁场系统包括多个磁场单体，工质床包括：第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床，第一工质床、第二工质床通过管路相并联组成第一工质床分组，第三工质床、第四工质床通过管路相并联组成第二工质床分组；第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床的外侧分别安装有一组磁场单体，磁场单体之间留有间隙；每组磁场单体固定在一个底座上，底座设有齿轮槽，第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床底部分别设置有底座；动力装置包括：电机、减速机和齿轮，齿轮与齿轮槽相啮合；循环系统包括：可编程控制器、真空压力表、隔膜水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀；第一电磁阀、第三电磁阀相串联，两端通过管路分别连接第一工质床分组、第二工质床分组；第二电磁阀、第四电磁阀相串联，两端通过管路分别连接第一工质床分组、第二工质床分组；隔膜水泵、第五电磁阀相串联，两端分别连接在换热器一端，换热器的另一端连接在第一电磁阀、第三电磁阀之间的管路上；第二电磁阀、第四电磁阀之间，隔膜水泵、第五电磁阀之间，通过管路相连接；换热系统包括：换热器、蓄冷器，蓄冷器两端通过管路分别连接第一工质床分组、第二工质床分组。
2.如权利要求1所述的多列多级并联式磁制冷机，其特征在于，工质床为密闭结构，两端螺纹连接有法兰连接，法兰安装有过滤网；法兰的外侧利用螺栓连接有支撑板，支撑板的底部固定在制冷仓上。
3.如权利要求1所述的多列多级并联式磁制冷机，其特征在于，磁工质为稀土金属丝或者稀土金属合金丝，直径为0.1mm-1mm。
4.如权利要求1所述的多列多级并联式磁制冷机，其特征在于，制冷仓内部设置有用于控制制冷仓的起始温度的二极管制冷片，二极管制冷片带有温度传感器；换热器、蓄冷器设置有薄膜铂电阻，薄膜铂电阻用于记录温度变化。
5.如权利要求1所述的多列多级并联式磁制冷机，其特征在于，管路上设置有真空压力表，工质床、管路、换热器、蓄冷器充满换热流体，蓄冷器外部设置有制冷箱体。
6.如权利要求1所述的多列多级并联式磁制冷机，其特征在于，可编程控制器分别通过信号线连接隔膜水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀，用于控制启停；可编程控制器通过导线连接电机，用于控制电机的转动方向和动作频率，以控制磁工质进入或者退出磁场的时机；换热器、蓄冷器设置有薄膜铂电阻，可编程控制器通过导线连接真空压力表、温度传感器、薄膜铂电阻，用于采集数据。
7.如权利要求1所述的多列多级并联式磁制冷机，其特征在于，第一工质床分组上磁场单体的排列位置相同，磁场大小相同方向一致；第二工质床分组上磁场单体的排列位置相同，磁场大小相同方向一致。
8.如权利要求1所述的多列多级并联式磁制冷机，其特征在于，工质床为密闭结构，多个磁工质分别固定在第一工质床、第二工质床、第三工质床、第四工质床内部，多个磁工质之间留有间隙。
9.如权利要求1～8任一项所述的多列多级并联式磁制冷机的热交换方法，其特征在于，包括：
当第二工质床分组制冷，第一工质床分组制热时，可编程控制器控制第一工质床分组、第二工质床分组对应的电机启动，减速机和齿轮配合，减速机和齿轮配合，带动第二工质床分组上的磁场单体移动，第二工质床分组的磁工质的相对位置由磁场位置移动到间隙位置，在退磁作用下磁工质温度降低；第一工质床分组的磁工质16的相对位置由间隙位置移动到磁场位置，在充磁作用下，磁工质16温度升高；
可编程控制器启动隔膜水泵，将第一电磁阀和第四电磁阀打开，第二电磁阀、第三电磁阀和第五电磁阀阀关闭；换热流体经过隔膜泵的驱动，使换热流体从第四电磁阀进入第二工质床分组的第三工质床、第四工质床；降温后的换热流体进入第一工质床分组的第一工质床、第二工质床，加热后的换热流体经第一电磁阀进入换热器，换热流体回流到隔膜泵，完成热交换。
10.如权利要求9所述的多列多级并联式磁制冷机的热交换方法，其特征在于，当第二工质床分组制热，第一工质床分组制冷时，第二工质床分组的磁工质的相对位置由间隙位置移动到磁场位置，在充磁作用下，磁工质温度升高；第一工质床分组的磁工质的相对位置由磁场位置移动到间隙位置，在退磁作用下磁工质温度降低；打开第二电磁阀和第三电磁阀，第一电磁阀、第四电磁阀和第五电磁阀关闭。换热流体经过隔膜泵的驱动，使换热流体从第二电磁阀进入第一工质床分组的第一工质床、第二工质床；降温后的换热流体进入第二工质床分组的第三工质床、第四工质床，加热后的换热流体经第三电磁阀进入换热器，换热流体回流到隔膜泵，完成热交换。
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