CN115435509B - 一种基于双极性磁卡材料的磁制冷装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双极性磁卡材料的磁制冷装置及方法，涉及磁制冷技术领域，包括外壳、磁工质体和磁场发生器；外壳设有壳体、热风风道、冷风风道、磁场发生器安装槽、密封底板和密封顶板；磁工质体设有磁工质板、安装垫圈和活塞底座；磁场发生器可以使用永磁体或者电磁铁，分为两组分别在装置内产生相反的磁场。通过对磁工质体的驱动使其可以循环或者往复运动，交替受到相反磁场的影响增温和降温。该发明利用极性相反的磁场对磁工质进行增温和降温，无需去磁区域，结构简单，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及磁制冷技术领域，尤其涉及一种基于双极性磁卡材料的磁制冷装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
磁制冷技术是新兴的制冷技术，其核心在于利用磁卡(磁热)材料进行制冷。磁卡材料是一类特定的材料，其特征在于其会在外磁场影响下发生绝热温变。利用这一特性可以实现高效且无污染的制冷装置。但是，现有的这些磁制冷装置采用的都是单极性磁卡材料，需要加磁区域和去磁区域，磁场布置复杂，制冷效率低，还容易出现磁工质体被换热液体腐蚀等问题，严重制约了磁制冷技术的推广应用。
因此，如何实现双极性磁卡材料的磁制冷成为制冷技术领域亟待解决的技术问题之一。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于双极性磁卡材料的磁制冷装置及方法。利用极性相反的磁场对磁工质进行增温和降温，无需去磁区域，结构简单，效率更高。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本公开第一方面提供了一种基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，包括：
磁工质体、磁场发生器、机壳和驱动机构；所述的磁工质体由端板、磁工质板、传动轴端板、拉杆组件组成，拉杆组件配有定距管，磁工质板为双极性磁卡材料，数量大于1，传动轴端板为传动轴和板的组合体；所述的机壳设有壳体、热风风道、冷风风道、磁场体分隔板、盖板和轴孔盖板，轴孔盖板上所设置的孔内装有密封圈和轴承，壳体外壁设有磁场体安装槽，通过中间所设磁场体分隔板将安装槽分隔成正向磁场体安装槽和反向磁场体安装槽；所述的磁场发生器由正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁场体构成，四种磁场体成套使用，同向磁场体成对布置，异向磁场体相对布置。磁场体为永磁铁或者直流电磁铁。
进一步的，所述的驱动机构由连杆、曲柄、连杆销、曲柄销和电机构成。
进一步的，所述的驱动机构由由连杆、曲轴、连杆销构成。
进一步的，所述的磁工质体的端板、磁工质板和传动轴端板为方形板或者圆形板，磁工质板由双极性磁卡材料制成，数量大于1，磁工质板平行于端板和传动轴端板相互平行层叠组装成柱状体，端板与磁工质板、磁工质板与磁工质板、磁工质板与传动轴端板之间安装保证板间距的定距管，然后将拉杆组件的拉杆穿过端板、磁工质板和传动轴端板上的拉紧孔以及定距管，拧上拧紧拉杆组件的螺帽，形成层叠式的磁工质体。
进一步的，所述磁场发生器由一对正向磁场体和反向磁场体沿轴向成筒状布置于机壳的安装槽内，构成用于层叠式的磁工质体直线往复运动的筒状的磁场发生器；磁工质体的传动轴端板上的传动轴穿过机壳轴孔盖板上的孔、密封圈和轴承后通过连杆销与由连杆、曲柄、电机组成的传动机构的连杆相连，磁工质体在磁场发生器内作往复运动。
进一步的，所述筒状的磁场发生器和与之匹配的层叠式的磁工质体成两组及两组以上并联布置，各磁工质体的传动轴端板上的传动轴穿过机壳轴孔盖板上的孔、密封圈和轴承后分别通过连杆销与由连杆、曲轴、电机组成的传动机构的连杆相连，各磁场发生器内所匹配的磁工质体作往复运动。
进一步的，所述的磁工质体的磁工质板为双极性磁卡材料做成的矩形板，数量大于1，与端板和传动轴端板相配合的端面加工有定位榫；端板为圆环板，传动轴端板为圆板，圆板直径与圆环板外直径相同，两个板面上开有与磁工质板数量等同的风道槽和定位磁工质板的榫槽，板圆周边缘加工有拉紧孔；磁工质板与端板和传动轴端板相互垂直，其定位榫嵌入端板和传动轴端板上所开的榫槽内，组装成圆筒状，然后将拉杆组件的拉杆穿过端板、传动轴端板上的拉紧孔，拧上拧紧拉杆组件的螺帽，形成圆筒状辐射式的磁工质体。
进一步的，所述磁场发生器由一套正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁场体构成，其中，正向N极磁场体和反向S极磁场体沿圆周布置于壳体上相对的安装槽内，两个磁场体相对的表面为圆柱面，其直径与圆筒状辐射式磁工质体的外援直径相同；正向S极磁场体和反向N极磁场体合为一体呈圆柱状，布置于圆筒状辐射式磁工质体的内圆柱面内，构成用于圆筒状辐射式的磁工质体旋转运动的带圆柱芯圆筒状磁场发生器，磁工质体的传动轴端板上的传动轴穿过机壳的轴孔盖板上的孔、密封圈和轴承后与电机组成的传动机构相连，磁工质体在磁场发生器内作旋转运动。
进一步的，所述带圆柱芯圆筒状磁场发生器由两套或两套以上正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁场体构成，其中，正向N极磁场体和反向S极磁场体沿圆周对称地相间布置于壳体上的安装槽内，各个磁场体相对的表面为圆柱面，其直径与圆筒状辐射式磁工质体的外援直径相同；正向S极磁场体和反向N极磁场体通过磁场体分隔板对称地相间布置成圆柱状，并布置于圆筒状辐射式磁工质体的内圆柱面内，构成用于圆筒状辐射式的磁工质体旋转运动的带圆柱芯圆筒状磁场发生器，磁工质体的传动轴端板上的传动轴穿过机壳的轴孔盖板上的孔、密封圈和轴承后与电机组成的传动机构相连，磁工质体在磁场发生器内作旋转运动。
本公开第二方面提供了一种基于双极性磁卡材料的磁制冷方法，包括以下步骤：
将热风导风管中的热风风机和冷风导风管中的冷风风机打开，使热风风道中的空气与外部环境连通，使冷风风道中的空气与内部环境连通；
磁工质体位于初始位置，热风风道与冷风风道之间由于磁工质板的阻挡互不连通；磁工质板，热风风道中的空气、冷风风道中的空气处于热均衡状态；
在驱动机构的作用下，使磁工质体进行运动实现制冷。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
(1)本发明的磁制冷装置中固定不动的磁场发生器内的永磁铁或者直流电磁铁通过特定的排布形成正反方向交替的磁场，磁工质体线性往复运动或者旋转运动于正反方向交替的磁场内，对应于正向磁场区域设置有热风风道，而对应于反向磁场区域设置有冷风风道，气流在热风风道内与位于正向磁场区域的磁工质体进行换热，在冷风风道内与位于反向磁场区域的磁工质体进行换冷。
(2)本发明的磁制冷装置的磁工质板充分利用了双极性磁卡材料的特性，即同时使用正向磁场和反向磁场产生升温和降温，在不增大外磁场大小的前提下，提高了磁卡材料的有效熵变，制冷效率高。
(3)本发明的磁制冷装置使得磁工质体直接与气流进行换热，省去了换热液体及其回路，装置结构得到精简，也有效避免了换热液体泄漏问题，提高了装置的可靠性，避免了磁工质体被换热液体腐蚀的问题。
(4)本发明的磁制冷装置通过控制磁工质体作线性往复运动或者旋转运动，通过磁工质体位置的改变，实现制冷和制热的切换，即使得交替变热/变冷的磁工质体始终处于冷热状态相符的风道中，磁场发生器无需运动，也无需切换风道阀，就可实现冷风和热风始终流动在各自的风道中，结构更加简单，加工方便，成本更低。
(5)本发明的磁制冷装置，可以将多个磁制冷单元线性串联起来，冷风风道中的气体经过多次制冷，温度更低，同时热风风道中，气体经过多次吸热，温度更高，因此实现更高效的制冷，或者(同时)实现更广的工作温度范围。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中作直线往复运动的磁工质体结构剖视图；
图2为图1所示结构的A向剖视图；
图3为图1所示结构的B向剖视图；
图4为本发明实施例中作直线往复运动的磁工质体且有四个磁工质体和配套磁场发生器的结构剖视图；
图5为本发明实施例中作旋转运动的磁工质体结构剖视图；
图6为图5所示结构的C向剖视图；
图7为图5所示结构且磁场发生器包含两套正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁场体的C向剖视图。
其中，1、磁工质体，1-1、磁工质板，1-2、端板，1-3、传动轴端板，1-4、定距管，1-5、拉杆组件；2、磁场发生器，2-1、正向N极磁场体，2-2、正向S极磁场体，2-3、反向N极磁场体，2-4、反向S极磁场体；3、机壳，3-1、壳体，3-2、热风风道，3-3、冷风风道，3-4、盖板，3-5、轴孔盖板，3-6、密封圈，3-7、轴承，3-8、紧固件，3-9、磁场体分隔板，3-10、盖板紧固件；4、驱动机构，4-1、连杆，4-2、曲柄，4-3、连杆销，4-4、曲柄销，4-5、曲轴，4-6、轴承，M、电机。
具体实施方式：
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里使用的，除非本发明另外明确指出，指向性用语“左侧”和“右侧”、“下止点”和“上止点”可以互换，磁场发生器磁场体的S极、N极可以根据磁卡材料的性质互换，为了叙述简便，将使磁卡材料升温的磁场体称为“正向磁场体”，使磁卡材料降温的磁场体称为“反向磁场体”，顺时针转动也意图包括逆时针转动；此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合附图详细叙述本发明的具体实施过程。
实施例一：
在本实施例中公开了一种基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，包括磁工质体1、磁场发生器2、机壳3和驱动机构4；所述的磁工质体1由端板1-2、磁工质板1-1、传动轴端板1-3、拉杆组件1-5组成，拉杆组件1-5配有定距管，磁工质板1-1为双极性磁卡材料，数量大于1，传动轴端板1-3为传动轴和板的组合体；所述的机壳3设有壳体3-1、热风风道3-2、冷风风道3-3、磁场体分隔板3-9、盖板3-4和轴孔盖板3-5，轴孔盖板3-5上所设置的孔内装有密封圈3-6和轴承3-7，壳体3-1外壁设有磁场体安装槽，通过中间所设磁场体分隔板3-9将安装槽分隔成正向磁场体安装槽和反向磁场体安装槽；所述的磁场发生器2由正向N极磁场体2-1、正向S极磁场体2-2、反向N极磁场体2-3和反向S极磁场体2-4构成，四种磁场体成套使用，同向磁场体成对布置，异向磁场体相对布置。磁场体为永磁铁或者直流电磁铁。所述的驱动机4构由连杆4-1、曲柄4-2、连杆销4-3、曲柄销4-4和电机M，或者由连杆4-1、曲轴4-2、连杆销4-3构成。
作为进一步的技术方案，热风风道与磁场发生器的正向磁场体相对应，冷风风道与磁场发生器的反向磁场体相对应。
作为进一步的技术方案，热风风道3-2、冷风风道3-3的一端分别设有鼓风装置；所述的热风风道3-2和冷风风道3-3的位置可以互换。
作为进一步的技术方案，磁场发生器2的正向磁场体和反向磁场体采用的直流电磁铁时，通过改变直流电方向，即改变励磁方向，完成制冷与制热的切换。
实施例二：
在本实施例中公开了一种基于双极性磁卡材料的磁制冷方法，包括以下步骤：
热风风道3-2与外部环境(散热环境)通过热风导风管相连，热风导风管设置有热风风机；冷风风道3-3与内部环境(制冷环境)通过冷风导风管相连，冷风导风管设置有冷风风机
将热风导风管中的热风风机和冷风导风管中的冷风风机打开，使热风风道3-2中的空气与外部环境连通，使冷风风道3-3中的空气与内部环境连通；
磁工质体1位于初始位置，热风风道3-2与冷风风道3-3之间由于磁工质板1-1的阻挡互不连通；磁工质板1-1，热风风道3-2中的空气、冷风风道3-3中的空气处于热均衡状态；
在驱动机构4的作用下，使磁工质体1进行运动实现制冷。
实施例三：
在本实施例中公开了一种磁工质体做直线往复运动的磁制冷装置，如图1、图2、图3所示，下面对该装置的具体结构进行说明：
本实例提供了一种磁工质体做直线往复运动的磁制冷装置，包括：磁工质体1、磁场发生器2、机壳3和传动机构4。
所述的磁工质体1由磁工质板1-1、端板1-2、传动轴端板1-3、定距管1-4、拉杆组件1-5组成，磁工质板1-1为双极性磁卡材料，数量大于1，传动轴端板1-3为传动轴和板的组合体，磁工质板1-1、端板1-2和传动轴端板1-3的板为带圆角方形板或者圆形板，板四角或板圆周边缘钻有拉紧孔，端板1-2、磁工质板1-1、传动轴端板1-3依次相互平行层叠组装成圆筒状，其原理为，端板1-2和磁工质板1-1为板状，其截面均为圆角矩形，相互连接之后形成圆筒状。传动轴端板1-3连接有一个传动轴，可以实现跟1-2和1-1平行连接。
端板1-2与磁工质板1-1、磁工质板1-1与磁工质板1-1、磁工质板1-1与传动轴端板1-3的板之间安装定距管1-4，以保证板间距离；然后将拉杆组件1-5的拉杆穿过端板1-2、磁工质板1-1、传动轴端板1-3的板的拉紧孔和定距管1-4，拧上拧紧拉杆组件1-5的螺帽，形成圆筒状辐射式的磁工质体1；其拉杆组件由一根螺柱和用以固定的螺母组成。
所述的磁场发生器2由一对正向N极磁场体2-1、正向S极磁场体2-2、反向N极磁场体2-3和反向S极磁场体2-4构成，各磁场体为永久磁铁或直流电磁铁。
所述的机壳3由壳体3-1、热风风道3-2、冷风风道3-3、盖板3-4、轴孔盖板3-5、密封圈3-6、轴承3-7、紧固件3-8、磁场体分隔板3-9、盖板紧固件3-10构成，壳体3-1与热风风道3-2和冷风风道3-3中心线成90°的两侧壳壁经磁场体分隔板3-9分隔设置4个磁场体安装槽，壳体3-1与磁场发生器2共同构成横截面与磁工质体1的横截面相对应的带圆角方形或圆形的磁工质体1运动腔。
所述的传动机构4由连杆4-1、曲柄4-2、连杆销4-3、曲柄销4-4和电机M构成。
作为进一步的技术方案，磁场发生器2的正向N极磁场体2-1和反向S极磁场体2-4与正向S极磁场体2-2和反向N极磁场体2-3分两侧沿轴向对称布置于机壳3的4个安装槽内，构成筒状的磁场发生器2，并使热风风道3-2与正向N极磁场体2-1和正向S极磁场体2-2成90°呼应，冷风风道3-3与反向N磁场体2-3和反向S磁场体2-4成90°呼应，安装盖板3-4并用紧固件3-8固定；然后将磁工质体1装入机壳3与磁场发生器2所构成的磁工质体1运动腔，将密封圈3-6和轴承3-7安装于轴孔盖板3-5的孔中相应位置，将传动轴端板1-3上的传动轴穿过轴孔盖板3-5的孔、密封圈3-6和轴承3-7后对应安装到壳体3-1上，并将传动轴通过连杆销4-3与由连杆4-1、曲柄4-2、电机M组成的传动机构4的连杆相连，使磁工质体1在磁场发生器2内作往复运动；最后用盖板紧固件3-10将本发明的磁制冷装置固定于基础上。
作为进一步的技术方案，制冷时，热风风道3-2与外部环境即散热环境通过热风导风管相连，热风导风管设置有热风风机；冷风风道3-3与内部环境即制冷环境通过冷风导风管相连，冷风导风管设置有冷风风机；制热时，通过热风导风管和冷风导风管的连接切换，使得热风风道3-2与内部环境和冷风风道3-3与外部环境相连即可。
作为进一步的技术方案，当磁场发生器2的正向N极磁场体2-1、正向S极磁场体2-2、反向N极磁场体2-3、反向S极磁场体2-4采用直流电磁铁时，通过改变直流电方向，即改变励磁方向，即可完成制冷与制热的切换。
本实施例具体的使用方法如下：
初始状态：
将热风导风管中的热风风机和冷风导风管中的冷风风机打开，使热风风道3-2中的空气与外部环境(散热环境)连通，使冷风风道3-3中的空气与内部环境(制冷环境)连通。
磁工质体1位于图1所示初始位置，热风风道3-2与冷风风道3-3之间由于磁工质板1-1的阻挡互不连通。
磁工质板1-1，热风风道3-2中的空气、冷风风道3-3中的空气处于热均衡状态，温度为T0。
工作阶段：
传动轴端板1-3的传动轴在驱动机构4的作用下，将磁工质体1从下止点向上止点拉动；
时间t后，磁工质体1到达上止点，此时磁工质体1中的磁工质板1-1处于正向磁场体2-1产生的正向磁场内，磁工质板1-1由于磁卡效应温度升高ΔT，磁工质板1-1的温度变为T0+ΔT；热风风道3-2中流动的空气与磁工质板1-1进行热交换，导致热风风道3-2中流动的空气温度升高，磁工质板1-1温度降低，磁工质板1-1的温度变为T1，温度T1满足条件：T0<T1<T0+ΔT；
传动轴端板1-3的传动轴在驱动机构4的作用下，将磁工质体1从上止点向下止点推动；
时间2t后，磁工质体1到达下止点，此时磁工质体1中的磁工质板1-1处于反向磁场体2-2产生的反向磁场内，磁工质板1-1由于磁卡效应温度降低ΔT+ΔT′，磁工质板1-1的温度变为T1-ΔT-ΔT′；冷风风道3-3中流动的空气与磁工质板1-1进行热交换，导致冷风风道3-3中流动的空气温度降低，磁工质板1-1温度升高，磁工质板1-1的温度变为T2，温度T2满足条件：T0-ΔT′<T2<T0；
传动轴端板1-3的传动轴在驱动机构4的作用下，将磁工质体1从下止点向上止点拉动；
时间3t后，磁工质体1到达上止点，此时磁工质体1中的磁工质板1-1处于正向磁场体2-1产生的正向磁场内，磁工质板1-1由于磁卡效应温度升高ΔT+ΔT′，磁工质板1-1的温度变为T2+ΔT+ΔT′，磁工质板1-1与热风风道3-2中流动的空气进行热交换，热风风道3-2中流动的空气温度进一步升高，磁工质板1-1温度降低，磁工质板1-1的温度变为T3，温度T3满足条件：T0<T1<T3<T3+ΔT；
传动轴端板1-3的传动轴在驱动机构4的作用下，将磁工质体1从上止点向下止点推动；
时间4t后，磁工质体1到达下止点，此时磁工质体1中的磁工质板1-1处于反向磁场体2-2产生的反向磁场内，磁工质板1-1由于磁卡效应温度降低ΔT+ΔT′，磁工质板1-1的温度变为T3-ΔT-ΔT′，磁工质板1-1与冷风风道3-3中流动的空气进行热交换，冷风风道3-3中流动的空气温度进一步降低，磁工质板1-1温度升高，磁工质板1-1的温度变为T4，温度T4满足条件：T0-ΔT′<T4<T2<T3；
如此循环往复步骤(5)至步骤(8)，每次磁工质体1到达热风风道3-2的位置时都将热风风道3-2中空气的温度进一步升高，每次磁工质体1到达冷风风道3-3的时候都将冷风风道3-3中的空气的温度进一步降低，实现热量从温度更低的冷风风道3-3向温度更高的热风风道3-2传导；
当上述过程进行足够多的次数以后，热风风道3-2中的空气达到温度T0+ΔT，冷风风道3-3中的空气达到T0-ΔT′，实现冷风风道3-3对应的内部环境的制冷。
实施例四：
在本实施例中公开了一种磁工质体做直线往复运动且有四个磁工质体和配套磁场发生器的磁制冷装置，如图1、图2、图3、图4所示，下面对该装置的具体结构进行说明：
本实例提供了一种磁工质体做直线往复运动且有四个磁工质体和配套磁场发生器的磁制冷装置，包括：磁工质体1、磁场发生器2、机壳3、传动机构4。
所述的磁工质体1有与实施例一磁工质体1相同的构成，本实施例共有四件磁工质体1。
所述的磁场发生器2有与实施例一磁场发生器2相类似的构成，本实施例共有的四件磁场发生器2，两个相邻磁场发生器之间的正向S极磁场体2-2与正向N极磁场体2-1合并为同一个磁场体，两个相邻磁场发生器之间的反向N极磁场体2-3与反向S极磁场体2-4也合并为同一个磁场体，各磁场体均为永磁铁或者直流电磁铁。
所述的机壳3有与实施例一机壳3相类似的结构，本实施例的壳体3-1为一设置四对热风风道3-2和四对冷风风道3-3、壳壁与磁场体隔板3-9相配合构成五对磁场体安装槽的一体壳体，盖板3-4为整块盖板，轴孔盖板3-5也为一设有四轴孔的整块盖板。
所述的传动机构4由连杆4-1、连杆销4-3、曲轴4-5、轴承4-6和电机M构成。
作为进一步的技术方案，如图4所示，自左向右，第一个正向N极磁场体2-1和第一个反向S极磁场体2-4沿上下方向对应布置于机壳3的第一个中间设有磁场体隔板3-9的安装槽内；第一个正向S极磁场体2-2和第二个正向N极磁场体2-1合为一体，第一个反向N极磁场体2-3和第二个反向S极磁场体2-4合为一体，然后分别沿上下向对应布置于机壳3的第二个中间设有磁场体隔板3-9的安装槽内；第二个正向S极磁场体2-2与第三个正向N极磁场体2-1合为一体，第二个反向N极磁场体2-3与第三个反向S极磁场体2-4合为一体，然后分别沿上下向对应布置于机壳3的第三个中间设有磁场体隔板3-9的安装槽内；第三个正向S极磁场体2-2与第四个正向N极磁场体2-1合为一体，第三个反向N极磁场体2-3与第四个反向S极磁场体2-4合为一体，然后分别沿上下向对应布置于机壳3的第四个中间设有磁场体隔板3-9的安装槽内；第四个正向S极磁场体2-1和第四个反向N极磁场体2-3沿上下方向对应布置于机壳3的第五个中间设有磁场体隔板3-9的安装槽内，由此构成4个筒状的磁场发生器2；使4条热风风道3-2与4对正向N极磁场体2-1和正向S极磁场体2-2相互对应并成90°呼应，使4条冷风风道3-3与4对反向N极磁场体2-3和反向S极磁场体2-4相互对应并成90°呼应，安装盖板3-4并用紧固件3-8固定；然后将4个磁工质体1分别装入机壳3与磁场发生器2所构成的4个磁工质体1运动腔，将4组密封圈3-6和轴承3-7分别安装于轴孔盖板3-5的4个孔中相应位置，将4个传动轴端板1-3上的传动轴穿过对应的轴孔盖板3-5的孔、密封圈3-6和轴承3-7后对应安装到壳体3-1上，并将传动轴通过连杆销4-3与由连杆4-1、曲轴4-5、轴承4-6、电机M组成的传动机构4的连杆4-1相连，使磁工质体1在磁场发生器2内作往复运动；最后用盖板紧固件3-10将本发明的磁制冷装置固定于基础上。
作为进一步的技术方案，4条热风风道3-2在磁制冷装置外合并成一条热风导风管，热风导风管与外部环境相连，热风导风管设置有热风风机；4条冷风风道3-3在磁制冷装置外合并成一条冷风导风管，冷风导风管与内部环境(制冷环境)相连，冷风导风管设置有冷风风机；通过切换热风导管和冷风倒灌，即可完成制冷与制热的切换。
作为进一步的技术方案，当磁场发生器2的正向磁场体2-1和反向磁场体2-2为直流电磁铁时，通过改变直流电电流方向即可改变正向磁场体2-1和反向磁场体2-2的磁场方向，从而在原冷风风道2-2中形成正向磁场，在原热风风道2-1中形成反向磁场，实现无需增加切换阀进行制冷和制热的切换。
本实施例具体的使用方法如下：
初始状态：
将热风导风管中的热风风机和冷风导风管中的冷风风机打开，使热风风道3-2中的空气与外部环境连通，使冷风风道3-3中的空气与内部环境连通。
磁工质体1位于图4所示初始位置，即第一、第四个磁工质体1位于运动范围的下止点，在第二、第三个磁工质体1位于运动范围的上止点，各个配对的热风风道3-2与冷风风道3-3之间由于各个磁工质板1-1的阻挡互不连通。
各个磁工质体1的磁工质板1-1、热风风道3-2中的空气、冷风风道3-3中的空气处于热均衡状态，温度为T0。
工作阶段：
自左向右，各个传动轴端板1-3的传动轴在驱动机构4的作用下，将第一、第四个磁工质体1从下止点向上止点拉动，将第二、第三个磁工质体1从上止点向下止点推动；
时间t后，第一、第四个磁工质体1到达上止点位置，此时第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1对应处于正向磁场体2-1产生的正向磁场内，第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1由于磁卡效应温度升高ΔT，温度变为T0+ΔT；第二、第三个磁工质体1到达下止点位置，此时第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1对应处于反向磁场体2-2产生的反向磁场内，第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1由于磁卡效应温度降低ΔT′，温度变为T0-ΔT′；自左至右，第一、第四条热风风道3-2中流动的空气与第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1进行热交换，第一、第四条热风风道3-2中流动空气温度升高，第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1温度降低，磁工质板1-1温度降低为T11，温度T11满足条件：T0<T11<T0+ΔT；第二、第三条冷风风道3-3中流动的空气与第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1进行热交换，第二、第三条冷风风道3-3中流动空气温度降低，第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1温度升高，磁工质板1-1温度升高为T21，温度T21满足条件：T0-ΔT′<T21<T0；
各个传动轴端板1-3的传动轴在驱动机构4的作用下，继续将第一、第四个磁工质体1从上止点向下止点推动，将第二、第三个磁工质体1从下止点向上止点拉动；
时间2t后，第一、第四个磁工质体1到达下止点位置，此时第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1对应处于反向磁场体2-2产生的反向磁场内，第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1由于磁卡效应温度降低ΔT+ΔT′，温度变为T11-ΔT-ΔT′；第二、第三个磁工质体1到达上止点位置，此时第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1对应处于正向磁场体2-1产生的正向磁场内，第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1由于磁卡效应温度升高ΔT+ΔT′，温度变为T21+ΔT+ΔT′；第一、第四条冷风风道3-3中流动的空气与第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1进行热交换，第一、第四条冷风风道3-3中流动空气温度降低，第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1温度升高，磁工质板1-1温度升高为T12，温度T12满足条件：T0-ΔT′<T12<T0；第二、第三条热风风道3-2中流动的空气与第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1进行热交换，第二、第三条热风风道3-2中流动空气温度升高，第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1温度降低，磁工质板1-1温度降低为T22，温度T22满足条件：T0<T22<T0+ΔT；
各个传动轴端板1-3的传动轴在驱动机构4的作用下，继续将第一、第四个磁工质体1从下止点向上止点拉动，将第二、第三个磁工质体1从上止点向下止点推动；
时间3t后，第一、第四个磁工质体1到达上止点位置，此时第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1对应处于正向磁场体2-1产生的正向磁场内，第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1由于磁卡效应温度升高ΔT+ΔT′，温度变为T12+ΔT+ΔT′；第二、第三个磁工质体1到达下止点位置，此时第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1对应处于反向磁场体2-2产生的反向磁场内，第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1由于磁卡效应温度降低ΔT+ΔT′，温度变为T22-ΔT-ΔT′；第一、第四条热风风道3-2中流动的空气与第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1进行热交换，第一、第四条热风风道3-2中流动空气温度进一步升高，第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1温度降低，磁工质板1-1温度降低为T13，温度T13满足条件：T0<T11<T13<T0+ΔT；第二、第三条冷风风道3-3中流动的空气与第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1进行热交换，第二、第三条冷风风道3-2中流动空气温度进一步降低，第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1温度升高，磁工质板1-1温度升高为T23，温度T23满足条件：T0-ΔT′<T23<T21<T0；
各个传动轴端板1-3的传动轴在驱动机构4的作用下，继续将第一、第四个磁工质体1从上止点向下止点推动，将第二、第三个磁工质体1从下止点向上止点拉动；
时间4t后，第一、第四个磁工质体1到达下止点位置，此时第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1对应处于反向磁场体2-2产生的反向磁场内，第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1由于磁卡效应温度降低ΔT+ΔT′，温度变为T13-ΔT-ΔT′；第二、第三个磁工质体1到达上止点位置，此时第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1对应处于正向磁场体2-1产生的正向磁场内，第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1由于磁卡效应温度升高ΔT+ΔT′，温度变为T23+ΔT+ΔT′；第一、第四条冷风风道3-3中流动的空气与第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1进行热交换，第一、第四条冷风风道3-3中流动空气温度降低，第一、第四个磁工质体1的磁工质板1-1温度升高，磁工质板1-1温度升高为T14，温度T14满足条件：T0-ΔT′<T14<T12<T0；第二、第三条热风风道3-2中流动的空气与第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1进行热交换，第二、第三条热风风道3-2中流动空气温度升高，第二、第三个磁工质体1的磁工质板1-1温度降低，磁工质板1-1温度降低为T24，温度T24满足条件：T0<T22<T24<T0+ΔT；
如此循环往复步骤(5)至步骤(8)，每次每个磁工质体1到达热风风道3-2的位置时都将热风风道3-2中空气的温度进一步升高，每次每个磁工质体1到达冷风风道3-3的时候都将冷风风道3-3中的空气的温度进一步降低，实现热量从温度更低的冷风风道3-3向温度更高的热风风道3-2传导；
当上述过程进行足够多的次数以后，热风风道3-2中的空气达到温度T0+ΔT，冷风风道3-3中的空气达到T0-ΔT′，实现冷风风道3-3对应的内部环境的制冷。
本实施例与实施例三相比，同一时间参与热交换的空气量更大，制冷效率更高。
实施例五：
在本实施例中公开了一种磁工质体作旋转运动的磁制冷装置，如图5、图6所示，下面对该装置的具体结构进行说明：
本实例提供了一种磁工质体作旋转运动的磁制冷装置，包括：磁工质体1、磁场发生器2、机壳3和驱动机构4。
所述的磁工质体1由磁工质板1-1、端板1-2、传动轴端板1-3、拉杆组件1-5组成；磁工质板1-1为双极性磁卡材料做成的矩形板，数量大于1，与端板1-2和传动轴端板1-3相配合的端面加工有定位榫；传动轴端板1-3为传动轴和板的组合体，端板1-2为圆环板，传动轴端板1-3的板为圆板，圆板直径与圆环板外直径相同，两个板面上开有与磁工质板1-1数量等同的风道槽和定位磁工质板1-1的榫槽，板圆周边缘钻有拉紧孔；磁工质板1-1与端板1-2和传动轴端板1-3的板相互垂直，其定位榫嵌入端板1-2和传动轴端板1-3的板上所开的榫槽内，组装成圆筒状，然后将拉杆组件1-5的拉杆穿过端板1-2和传动轴端板1-3的板的拉紧孔，拧上拧紧拉杆组件1-5的螺帽，形成圆筒状辐射式的磁工质体1。
所述的磁场发生器2由一套正向N极磁场体2-1、正向S极磁场体2-2、反向N极磁场体2-3和反向S极磁场体2-4组成，安装于壳体3-1安装槽内的正向N极磁场体2-1和反向S极磁场体2-4朝向圆筒状磁工质体1外圆柱面的一侧被加工成与磁工质体1外圆柱面直径相同的圆柱面，与圆柱面相邻的面的形状和尺寸与壳体3-1上的安装槽相匹配；安装于圆筒状磁工质体1内圆柱面内的正向S极磁场体2-2和反向N极磁场体2-4合为一体，为与圆筒状磁工质体1内圆柱面直径相同的圆柱体。
所述的机壳3由壳体3-1、热风风道3-2、冷风风道3-3、盖板3-4、轴孔盖板3-5、密封圈3-6、轴承3-7、紧固件3-8构成。所述的壳体3-1为一圆筒体，壳壁设有安装正向N极磁场体2-1和反向S极磁场体2-4的安装槽；所述的盖板3-4为圆形板，其上沿直径对称设有热风风道3-2和冷风风道3-3，两通道为短管状；所述的轴孔盖板3-5也为圆板，其中心设有传动轴轴孔，其上沿直径对称设有热风风道3-2和冷风风道3-3，两通道为短管状。
作为进一步的实施方法，将正向N极磁场体2-1和正向S极磁场体2-2固定装入壳体3-1的磁场体安装槽内，将正向S极磁场体2-2和反向N极磁场体2-4合为一体的圆柱体固定安装于盖板3-4的中心部位后装入壳体3-1，并使正向S极磁场体2-2和反向N极磁场体2-4与正向N极磁场体2-1和正向S极磁场体2-2互相配对，调整盖板3-4上的热风风道3-2和冷风风道3-3与四个磁场体处于同一盖板3-4直径上；用紧固件3-8将盖板3-4固定安装于壳体3-1的圆筒端面上；将密封圈3-6和轴承3-7依次装入轴孔盖板3-5的轴孔内，将组装成一体的圆筒状辐射式的磁工质体1的传动轴穿入轴孔盖板3-5的轴孔后，从壳体3-1另一端装入，并调整其热风风道3-2和冷风风道3-3与盖板3-4上的热风风道3-2和冷风风道3-3处于同一盖板3-4和轴孔盖板3-5直径上，用紧固件3-8将盖板3-4固定安装于壳体3-1的圆筒端面上。
作为进一步的技术方案，将磁工质体1的传动轴与由电机构成的传动机构4的驱动轴相连，只需要通过驱动磁工质体1的旋转运动，改变磁工质体1的位置，使得处于温度升高状态的磁工质板1-1始终处于热风风道3-2中，处于温度降低状态的磁工质板1-1始终处于冷风风道3-3中。
作为进一步的技术方案，热风风道3-2与外部环境(散热环境)通过热风导风管相连，热风导风管设置有热风风机；冷风风道3-3与内部环境(制冷环境)通过冷风导风管相连，冷风导风管设置有冷风风机。
本实施例具体的使用方法如下：
初始状态：
将热风导风管中的热风风机和冷风导风管中的冷风风机打开，使热风风道3-2中的空气与外部环境(散热环境)连通，使冷风风道3-3中的空气与内部环境(制冷环境)连通。
磁工质体1位于图6所示初始位置，热风风道3-2与冷风风道3-3之间由于磁工质板1-1的阻挡互不连通。
工作阶段：
磁工质体1在驱动机构4的作用下作旋转运动；
时间t后，随着磁工质体1的转动，磁工质体1的一个磁工质板进入正向N极磁场体2-1和正向S极磁场体2-2产生的正向磁场内，该磁工质板由于磁卡效应温度升高ΔT，温度变为T0+ΔT；该磁工质板与热风风道3-2中流动的空气进行热交换，热风风道3-2中流动的空气温度升高，磁工质板的温度降低，磁工质板的温度变为T1，温度T1满足条件：T0<T1<T0+ΔT；
时间2t后，第(2)步所述的磁工质板进入反向N极磁场体2-3和反向S极磁场体2-4产生的反向磁场内，该磁工质板1-1由于磁卡效应温度降低ΔT+ΔT′，温度变为T1-ΔT-ΔT′；该磁工质板与冷风风道3-3中流动的空气进行热交换，导致冷风风道3-3中流动的空气温度降低，磁工质板1-1温度升高，磁工质板1-1的温度变为T2，温度T2满足条件：T0-ΔT′<T2<T0；
时间3t后，第(2)步所述的磁工质板进入正向N极磁场体2-1和正向S极磁场体2-2产生的正向磁场内，该磁工质板由于磁卡效应温度升高ΔT+ΔT′，温度变为T2+ΔT+ΔT′；该磁工质板与热风风道3-2中流动的空气进行热交换，热风风道3-2中流动的空气温度进一步升高，磁工质板温度降低，磁工质板的温度变为T3，温度T3满足条件：T0<T1<T3<T0+ΔT；
第(2)步所述的磁工质板如此循环步骤(3)和步骤(4)，每次磁工质板到达热风风道3-2的位置时都将热风风道3-2中空气的温度进一步升高，每次磁工质板到达冷风风道3-3的时候都将冷风风道3-3中的空气的温度进一步降低，实现热量从温度更低的冷风风道3-3向温度更高的热风风道3-2传送；
磁工质体1内的所有磁工质板如此循环往复步骤(1)至步骤(5)，每个磁工质板进入正向磁场的时间不同，每个磁工质板都分别实现热量从温度更低的冷风风道3-3向温度更高的热风风道3-2传送的时间也就不同；
当上述过程进行足够多的次数以后，热风风道3-2中的空气达到温度T0+ΔT，冷风风道3-3中的空气达到T0-ΔT′，实现冷风风道3-3对应的内部环境的制冷。
实施例六：
在本实施例中公开了一种磁工质体作旋转运动且磁场发生器包含两套正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁场体的磁制冷装置，如图5、图7所示。
本实例提供了一种磁工质体作旋转运动且磁场发生器包含两套场正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁体的磁制冷装置，包括：磁工质体1、磁场发生器2、机壳3和驱动机构4。
所述的磁工质体1的构成与实施例三所述的磁工质体1的构成相同。
所述的磁场发生器2有两套正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁体，其构成磁场发生器2的方式与实施例三构成磁场发生器2的方式相同，只是安装于圆筒状磁工质体1内圆柱面内的两套正向S极磁场体2-2和反向N极磁场体2-4中间采用磁场体分隔板3-9分隔成独立的4个磁场体，然后组成与圆筒状磁工质体1内圆柱面直径相同的圆柱体。
所述的机壳3的构成方法与实施例三机壳3的构成方法相同，结构区别在于本实施例壳体3-1的壳壁上互相垂直设有两对正向N极磁场体2-1和反向S极磁场体2-4的安装槽，盖板3-4和轴孔盖板3-5上分别设有两对热风风道3-2和冷风风道3-3。
其余的磁工质体1、磁场发生器2、壳体3、传动机构4的结构以及相互安装连接方式与实施例五的相同，在此，不进行赘述了。
该装置对应的使用方法与实施例五也基本相同，在整个工作过程中，区别点在于，磁工质板选择运动一周，将经历两次升温和两次降温，与热风风道3-2和冷风风道3-3换热的次数更多，换热量大，因此，制冷效率更高。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，其特征在于，包括：
磁工质体、磁场发生器、机壳和驱动机构；所述的磁工质体由端板、磁工质板、传动轴端板、拉杆组件组成，拉杆组件配有定距管，磁工质板为双极性磁卡材料，数量大于1，传动轴端板为传动轴和板的组合体；所述的机壳设有壳体、热风风道、冷风风道、磁场体分隔板、盖板和轴孔盖板，轴孔盖板上所设置的孔内装有密封圈和轴承，壳体外壁设有磁场体安装槽，通过中间所设磁场体分隔板将安装槽分隔成正向磁场体安装槽和反向磁场体安装槽；所述的磁场发生器由正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁场体构成，四种磁场体成套使用，同向磁场体成对布置，异向磁场体相对布置，磁场体为永磁铁或者直流电磁铁；磁制冷装置中固定不动的磁场发生器内的永磁铁或者直流电磁铁通过特定的排布形成正反方向交替的磁场；
磁工质体线性往复运动或者旋转运动于正反方向交替的磁场内，对应于正向磁场区域设置有热风风道，而对应于反向磁场区域设置有冷风风道，气流在热风风道内与位于正向磁场区域的磁工质体进行换热，在冷风风道内与位于反向磁场区域的磁工质体进行换冷，使得交替变热/变冷的磁工质体始终处于冷热状态相符的风道中。
2.如权利要求1所述的基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，其特征在于，所述的驱动机构由连杆、曲柄、连杆销、曲柄销和电机构成。
3.如权利要求1所述的基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，其特征在于，所述的驱动机构由连杆、曲轴和连杆销构成。
4.如权利要求2所述的基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，其特征在于，所述的磁工质体的端板、磁工质板和传动轴端板为方形板或者圆形板，磁工质板由双极性磁卡材料制成，数量大于1，磁工质板平行于端板和传动轴端板相互平行层叠组装成柱状体，端板与磁工质板、磁工质板与磁工质板、磁工质板与传动轴端板之间安装保证板间距的定距管，然后将拉杆组件的拉杆穿过端板、磁工质板和传动轴端板上的拉紧孔以及定距管，拧上拧紧拉杆组件的螺帽，形成层叠式的磁工质体，磁工质体在磁场发生器内作往复运动。
5.如权利要求4所述的基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，其特征在于，所述磁场发生器由一对正向磁场体和反向磁场体沿轴向成筒状布置于机壳的安装槽内，构成用于层叠式的磁工质体直线往复运动的筒状的磁场发生器；磁工质体的传动轴端板上的传动轴穿过机壳轴孔盖板上的孔、密封圈和轴承后通过连杆销与由连杆、曲柄、电机组成的驱动机构的连杆相连，磁工质体在磁场发生器内作往复运动。
6.如权利要求4所述的基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，其特征在于，所述磁场发生器由一对正向磁场体和反向磁场体沿轴向成筒状布置于机壳的安装槽内，构成用于层叠式的磁工质体直线往复运动的筒状的磁场发生器；所述筒状的磁场发生器和与之匹配的层叠式的磁工质体成两组及两组以上并联布置，各磁工质体的传动轴端板上的传动轴穿过机壳轴孔盖板上的孔、密封圈和轴承后分别通过连杆销与由连杆、曲轴、电机组成的驱动机构的连杆相连，各磁场发生器内所匹配的磁工质体作往复运动。
7.如权利要求3所述的基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，其特征在于，所述的磁工质体的磁工质板为双极性磁卡材料做成的矩形板，数量大于1，与端板和传动轴端板相配合的端面加工有定位榫；端板为圆环板，传动轴端板为圆板，圆板直径与圆环板外直径相同，两个板面上开有与磁工质板数量等同的风道槽和定位磁工质板的榫槽，板圆周边缘加工有拉紧孔；磁工质板与端板和传动轴端板相互垂直，其定位榫嵌入端板和传动轴端板上所开的榫槽内，组装成圆筒状，然后将拉杆组件的拉杆穿过端板、传动轴端板上的拉紧孔，拧上拧紧拉杆组件的螺帽，形成圆筒状辐射式的磁工质体，磁工质体在磁场发生器内作旋转运动。
8.如权利要求7所述的基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，其特征在于，所述磁场发生器由一套正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁场体构成，其中，正向N极磁场体和反向S极磁场体沿圆周布置于壳体上相对的安装槽内，两个磁场体相对的表面为圆柱面，其直径与圆筒状辐射式磁工质体的外圆直径相同；正向S极磁场体和反向N极磁场体合为一体呈圆柱状，布置于圆筒状辐射式磁工质体的内圆柱面内，构成用于圆筒状辐射式的磁工质体旋转运动的带圆柱芯圆筒状磁场发生器，磁工质体的传动轴端板上的传动轴穿过机壳的轴孔盖板上的孔、密封圈和轴承后与电机组成的驱动机构相连，磁工质体在磁场发生器内作旋转运动。
9.如权利要求7所述的基于双极性磁卡材料的磁制冷装置，其特征在于，所述磁场发生器由两套或两套以上正向N极磁场体、正向S极磁场体、反向N极磁场体和反向S极磁场体构成，其中，正向N极磁场体和反向S极磁场体沿圆周对称地相间布置于壳体上的安装槽内，各个磁场体相对的表面为圆柱面，其直径与圆筒状辐射式磁工质体的外圆直径相同；正向S极磁场体和反向N极磁场体通过磁场体分隔板对称地相间布置成圆柱状，并布置于圆筒状辐射式磁工质体的内圆柱面内，构成用于圆筒状辐射式的磁工质体旋转运动的带圆柱芯圆筒状磁场发生器，磁工质体的传动轴端板上的传动轴穿过机壳的轴孔盖板上的孔、密封圈和轴承后与电机组成的驱动机构相连，磁工质体在磁场发生器内作旋转运动。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的基于双极性磁卡材料的磁制冷装置的磁制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：
将热风导风管中的热风风机和冷风导风管中的冷风风机打开，使热风风道中的空气与外部环境连通，使冷风风道中的空气与内部环境连通；
磁工质体位于初始位置，热风风道与冷风风道之间由于磁工质板的阻挡互不连通；磁工质板，热风风道中的空气、冷风风道中的空气处于热均衡状态；
在驱动机构的作用下，使磁工质体进行运动实现制冷。
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