CN114183948A - 一种多场耦合固态制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固体制冷技术领域，公开了一种多场耦合固态制冷装置，包括回热器本体、旋转阀以及磁体，回热器本体的转动中心沿轴向设置有通孔，回热器本体包括若干扇环形的回热器单元，若干回热器单元沿周向依次设置形成回热器本体，回热器单元的内腔设置有磁感伸缩制冷结构，回热器单元开设有流路接口，流路接口连通通孔与内腔，旋转阀设置在通孔内，旋转阀与高温换热器和低温换热器连接，旋转阀被配置为切换回热器单元与高温换热器连接或者与低温换热器连接，回热器本体转动时，若干回热器单元依次经过磁体。该多场耦合固态制冷装置，在应力场与磁场的耦合下采用旋转运动，可以实现更高的工作频率，而且旋转运动需要的空间更小，系统更加紧凑。

Description

一种多场耦合固态制冷装置
技术领域
本发明涉及固体制冷技术领域，尤其涉及一种多场耦合固态制冷装置。
背景技术
由于目前主流的气体压缩制冷所使用的氢氟烃类工质不可避免地具有强温室效应,但是人类已知的化合物数据库中几乎找不到同时满足高效、安全、温室效应低的气态制冷工质。因此，寻找绿色环保、高效节能的新型制冷技术以替代传统气体压缩式制冷技术变得尤为迫切。随着社会不断发展，固态制冷技术应运而生，被认为是极具潜力的一类制冷技术。
固态制冷因其具有更高的制冷效率和更环保的优点而受到越来越多的关注。因此，它被认为是最有希望取代传统气体压缩制冷技术的候选技术之一。虽然单一场固体制冷技术已经展现巨大的发展前景，但是提供固体制冷的单一场装置往往庞大且复杂，严重阻碍了固态制冷器件小型化、商业化的发展。
因此，亟需一种多场耦合固态制冷装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多场耦合固态制冷装置，在应力场与磁场的耦合下采用旋转运动，回热器本体惯性力影响较小，可以实现更高的工作频率，而且旋转运动需要的空间更小，系统更加紧凑，驱动磁场和回热器本体相对运动的功耗更小，效率更高。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种多场耦合固态制冷装置，包括：
回热器本体，所述回热器本体的转动中心沿轴向设置有通孔，所述回热器本体包括若干扇环形的回热器单元，若干所述回热器单元沿周向依次设置形成所述回热器本体，所述回热器单元的内腔设置有磁感伸缩制冷结构，所述回热器单元开设有流路接口，所述流路接口连通所述通孔与所述内腔；
旋转阀，所述旋转阀设置在所述通孔内，所述旋转阀与高温换热器和低温换热器连接，所述旋转阀被配置为切换所述回热器单元与所述高温换热器连接或者与所述低温换热器连接；
磁体，所述回热器本体转动时，若干所述回热器单元依次经过所述磁体。
作为优选，所述磁感伸缩制冷结构包括固态制冷工质、滑动隔板以及磁致伸缩结构，所述固态制冷工质、所述滑动隔板以及所述磁致伸缩结构沿所述回热器本体的转动方向依次设置在所述内腔内。
作为优选，所述回热器单元包括壳体、上盖板以及下盖板，所述上盖板盖设在所述壳体的一端，所述下盖板盖设在所述壳体的另一端，所述壳体、所述上盖板以及所述下盖板形成所述内腔。
作为优选，所述壳体包括内壁、外壁、第一隔板以及第二隔板，所述第一隔板的一端与所述内壁的一端连接，所述第一隔板的另一端与所述外壁的一端连接，所述第二隔板的一端与所述内壁的另一端连接，所述第二隔板的另一端与所述外壁的另一端连接，若干所述回热器单元的所述内壁形成所述通孔，所述磁致伸缩结构与所述第一隔板抵接，所述固态制冷工质与所述第二隔板抵接，所述流路接口开设在所述内壁上。
作为优选，所述内壁靠近所述内腔的一侧沿周向设置有第一滑道，所述滑动隔板的一端开设有与所述第一滑道配合的第一滑槽，所述第一滑道伸入所述第一滑槽。
作为优选，所述外壁靠近所述内腔的一侧沿周向设置有第二滑道，所述滑动隔板的另一端开设有与所述第二滑道配合的第二滑槽，所述第二滑道伸入所述第二滑槽。
作为优选，所述磁体的磁场强度大于所述磁致伸缩结构与所述固态制冷工质响应的最低磁场强度。
作为优选，所述内腔内设置有换热流体。
作为优选，所述换热流体内混合有防腐试剂。
作为优选，所述回热器本体的数量为多个，多个所述回热器本体依次层叠设置。
本发明的有益效果：
本发明提供的多场耦合固态制冷装置，在使用时，回热器本体转动，若干回热器单元依次经过磁体，在磁体的磁场作用下，磁感伸缩制冷结构产生应力场并进行制冷，使得应力场与磁场的耦合，回热器单元进入磁场时，旋转阀切换回热器单元与高温换热器之间连接，回热器单元内腔的热量输送至高温换热器，该回热器单元离开磁场时，旋转阀切换回热器单元与低温换热器之间连接，回热器单元内腔的热量输送至低温换热器，当下个回热器单元进入磁场时，重复上述步骤。该多场耦合固态制冷装置，在应力场与磁场的耦合下采用旋转运动，回热器本体惯性力影响较小，可以实现更高的工作频率，而且旋转运动需要的空间更小，系统更加紧凑，驱动磁场和回热器本体相对运动的功耗更小，效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其它的附图。
图1是本发明提供的多场耦合固态制冷装置的结构示意图；
图2是本发明中回热器本体的结构示意图；
图3是2的局部结构示意图；
图4是本发明提供的多场耦合固态制冷装置的换热流程图。
图中：
100、回热器本体；101、通孔；102、回热器单元；1021、内腔；1022、流路接口；1023、上盖板；1024、下盖板；1025、内壁；10251、第一滑道；1026、外壁；10261、第二滑道；1027、第一隔板；1028、第二隔板；103、磁感伸缩制冷结构；1031、固态制冷工质；1032、滑动隔板；1033、磁致伸缩结构；200、旋转阀；300、磁体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1至图4所示，本实施例提供了一种多场耦合固态制冷装置，包括回热器本体100、旋转阀200以及磁体300，其中，回热器本体100的转动中心沿轴向设置有通孔101，回热器本体100包括若干扇环形的回热器单元102，若干回热器单元102沿周向依次设置形成回热器本体100，回热器单元102的内腔1021设置有磁感伸缩制冷结构103，回热器单元102开设有流路接口1022，流路接口1022连通通孔101与内腔1021，旋转阀200设置在通孔101内，旋转阀200与高温换热器和低温换热器连接，旋转阀200用于切换回热器单元102与高温换热器连接或者与低温换热器连接，当回热器本体100转动时，若干回热器单元102依次经过磁体300。
本实施例提供的多场耦合固态制冷装置，在使用时，回热器本体100转动，若干回热器单元102依次经过磁体300，在磁体300的磁场作用下，磁感伸缩制冷结构103产生应力场并进行制冷，使得应力场与磁场的耦合，回热器单元102进入磁场时，旋转阀200切换回热器单元102与高温换热器之间连接，回热器单元102内腔1021的热量输送至高温换热器，该回热器单元102离开磁场时，旋转阀200切换回热器单元102与低温换热器之间连接，回热器单元102内腔1021的热量输送至低温换热器，当下个回热器单元102进入磁场时，重复上述步骤。该多场耦合固态制冷装置，在应力场与磁场的耦合下采用旋转运动，回热器本体100惯性力影响较小，可以实现更高的工作频率，而且旋转运动需要的空间更小，系统更加紧凑，驱动磁场和回热器本体100相对运动的功耗更小，效率更高。
本实施例中的磁感伸缩制冷结构103包括固态制冷工质1031、滑动隔板1032以及磁致伸缩结构1033，固态制冷工质1031、滑动隔板1032以及磁致伸缩结构1033沿回热器本体100的转动方向依次设置在内腔1021。回热器本体100转动至磁场内部时，回热器单元102内腔1021中的磁致伸缩结构1033、滑动隔板1032以及固态制冷工质1031依次先后进入磁体300的磁场，磁致伸缩结构1033在磁场的作用下体积增大，磁致伸缩结构1033的形变量传导至滑动隔板1032并驱动滑动隔板1032抵压固态制冷工质1031，作用于滑动隔板1032的形变量转换为对固态制冷工质1031的压力，压力与磁场同时作用于固态制冷工质1031，实现了应力场与磁场的耦合，固态制冷工质1031放出热量。回热器本体100转动至磁场外部时，回热器单元102中的磁致伸缩结构1033、滑动隔板1032以及固态制冷工质1031依次先后离开磁场，磁致伸缩结构1033在磁场的消失后体积恢复，磁致伸缩结构1033作用于滑动隔板1032的形变量消失，滑动隔板1032对固态制冷工质1031的压力也随之消失，作用于固态制冷工质1031的压力与磁场同时消失，固态制冷工质1031吸收热量。回热器单元102进出磁场时，旋转阀200切换回热器单元102与高温换热器或者低温换热器之间连接，而且旋转阀200可以在相邻回热器单元102间进行切换。通过磁致伸缩结构1033提供应力场的方案能极大减小装置体积。固态制冷工质1031、滑动隔板1032以及磁致伸缩结构1033沿回热器本体100的转动方向依次设置的设计极大地减小了回热器单元102的厚度，进而减小了回热器本体100的厚度。
作为优选的技术方案，滑动隔板1032由高强度、高模量材料制成。固态制冷工质1031的形状可根据实际情况选择板状、球状或块状等。
本实施例中的回热器单元102包括壳体、上盖板1023以及下盖板1024，上盖板1023盖设在壳体的一端，下盖板1024盖设在壳体的另一端，壳体、上盖板1023以及下盖板1024形成内腔1021。通过上述结构，便于对回热器单元102进行组装，上盖板1023以及下盖板1024固定在回热器单元102上下两端，便于磁致伸缩结构1033的伸缩量作用在固态制冷工质1031上。回热器单元102的壳体、上盖板1023以及下盖板1024由高强度、低热导率材料制成，保证对回热器单元102热量的密封效果。
可选地，壳体包括内壁1025、外壁1026、第一隔板1027以及第二隔板1028，第一隔板1027的一端与内壁1025的一端连接，第一隔板1027的另一端与外壁1026的一端连接，第二隔板1028的一端与内壁1025的另一端连接，第二隔板1028的另一端与外壁1026的另一端连接，若干回热器单元102的内壁1025形成通孔101，磁致伸缩结构1033与第一隔板1027抵接，固态制冷工质1031与第二隔板1028抵接，流路接口1022开设在内壁1025上。在相邻的两个回热器单元102之间，一个回热器单元102的第一隔板1027与另一个回热器本体100的第二隔板1028将两个回热器单元102隔开。
进一步地，内壁1025靠近内腔1021的一侧沿周向设置有第一滑道10251，滑动隔板1032的一端开设有与第一滑道10251配合的第一滑槽，第一滑道10251伸入第一滑槽。通过设置第一滑道10251以及第一滑槽，第一滑道10251与第一滑槽配合，能够保证在圆周方向均匀传导磁致伸缩结构1033形变量的效果。
作为优选的技术方案，外壁1026靠近内腔1021的一侧沿周向设置有第二滑道10261，滑动隔板1032的另一端开设有与第二滑道10261配合的第二滑槽，第二滑道10261伸入第二滑槽。通过设置第二滑道10261以及第二滑槽，第二滑道10261与第二滑槽配合，在第一滑道10251、第一滑槽、第二滑道10261以及第二滑槽的共同作用下，提高了在圆周方向均匀传导磁致伸缩结构1033形变量的效果。
本实施例中的回热器本体100的数量可以为多个，多个所述回热器本体100依次层叠设置。通过将回热器本体100多层堆叠，各层回热器本体100内部固态制冷工质1031相变温度不同，可实现大温跨的制冷效果。
本实施例中的磁体300的磁场强度大于磁致伸缩结构1033与固态制冷工质1031响应的最低磁场强度。磁体300内部磁场均匀且稳定，磁体300有效区域完全覆盖单一回热器单元102。在具体的实施例中，磁体300的形状可以是马蹄状，既节省空间，又便于回热器本体100顺利转动，当然，在其它实施例中，磁体300的形状可以根据使用环境进行选择，例如圆环形、工字型或者其它形状。
回热器单元102的内腔1021内设置有换热流体，当回热器单元102进入磁场时，旋转阀200切换回热器单元102与高温换热器之间连接，换热流体将回热器单元102内腔1021的热量输送至高温换热器，该回热器单元102离开磁场时，旋转阀200切换回热器单元102与低温换热器之间连接，换热流体将回热器单元102内腔1021的热量输送至低温换热器。示例性地，换热流体可以是水、乙二醇等流体。作为优选，为了避免回热器单元102内固态制冷工质1031腐蚀，在换热流体内混合有防腐试剂。
如图4所示，本实施例提供的多场耦合固态制冷装置换热流程如下：
回热器单元102进入磁体300的磁场时，固态制冷工质1031放热，此时旋转阀200的a口、b口导通，换热流体将回热器单元102内部热量输送至HHEX(高温换热器)；
回热器单元102离开磁场时，固态制冷工质1031吸热，此时旋转阀200的a口、c口导通，换热流体将回热器单元102内部热量输送至CHEX(低温换热器)；
当下一个回热器单元102进入磁场时，a口关闭，d口导通，并重复上述步骤，直至n个回热器单元102完成转动循环。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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 (10)

1.一种多场耦合固态制冷装置，其特征在于，包括：
回热器本体(100)，所述回热器本体(100)的转动中心沿轴向设置有通孔(101)，所述回热器本体(100)包括若干扇环形的回热器单元(102)，若干所述回热器单元(102)沿周向依次设置形成所述回热器本体(100)，所述回热器单元(102)的内腔(1021)设置有磁感伸缩制冷结构(103)，所述回热器单元(102)开设有流路接口(1022)，所述流路接口(1022)连通所述通孔(101)与所述内腔(1021)；
旋转阀(200)，所述旋转阀(200)设置在所述通孔(101)内，所述旋转阀(200)与高温换热器和低温换热器连接，所述旋转阀(200)被配置为切换所述回热器单元(102)与所述高温换热器连接或者与所述低温换热器连接；
磁体(300)，所述回热器本体(100)转动时，若干所述回热器单元(102)依次经过所述磁体(300)。
2.根据权利要求1所述的多场耦合固态制冷装置，其特征在于，所述磁感伸缩制冷结构(103)包括固态制冷工质(1031)、滑动隔板(1032)以及磁致伸缩结构(1033)，所述固态制冷工质(1031)、所述滑动隔板(1032)以及所述磁致伸缩结构(1033)沿所述回热器本体(100)的转动方向依次设置在所述内腔(1021)内。
3.根据权利要求2所述的多场耦合固态制冷装置，其特征在于，所述回热器单元(102)包括壳体、上盖板(1023)以及下盖板(1024)，所述上盖板(1023)盖设在所述壳体的一端，所述下盖板(1024)盖设在所述壳体的另一端，所述壳体、所述上盖板(1023)以及所述下盖板(1024)形成所述内腔(1021)。
4.根据权利要求3所述的多场耦合固态制冷装置，其特征在于，所述壳体包括内壁(1025)、外壁(1026)、第一隔板(1027)以及第二隔板(1028)，所述第一隔板(1027)的一端与所述内壁(1025)的一端连接，所述第一隔板(1027)的另一端与所述外壁(1026)的一端连接，所述第二隔板(1028)的一端与所述内壁(1025)的另一端连接，所述第二隔板(1028)的另一端与所述外壁(1026)的另一端连接，若干所述回热器单元(102)的所述内壁(1025)形成所述通孔(101)，所述磁致伸缩结构(1033)与所述第一隔板(1027)抵接，所述固态制冷工质(1031)与所述第二隔板(1028)抵接，所述流路接口(1022)开设在所述内壁(1025)上。
5.根据权利要求4所述的多场耦合固态制冷装置，其特征在于，所述内壁(1025)靠近所述内腔(1021)的一侧沿周向设置有第一滑道(10251)，所述滑动隔板(1032)的一端开设有与所述第一滑道(10251)配合的第一滑槽，所述第一滑道(10251)伸入所述第一滑槽。
6.根据权利要求5所述的多场耦合固态制冷装置，其特征在于，所述外壁(1026)靠近所述内腔(1021)的一侧沿周向设置有第二滑道(10261)，所述滑动隔板(1032)的另一端开设有与所述第二滑道(10261)配合的第二滑槽，所述第二滑道(10261)伸入所述第二滑槽。
7.根据权利要求2所述的多场耦合固态制冷装置，其特征在于，所述磁体(300)的磁场强度大于所述磁致伸缩结构(1033)与所述固态制冷工质(1031)响应的最低磁场强度。
8.根据权利要求1所述的多场耦合固态制冷装置，其特征在于，所述内腔(1021)内设置有换热流体。
9.根据权利要求8所述的多场耦合固态制冷装置，其特征在于，所述换热流体内混合有防腐试剂。
10.根据权利要求1-9任一项所述的多场耦合固态制冷装置，其特征在于，所述回热器本体(100)的数量为多个，多个所述回热器本体(100)依次层叠设置。
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