CN116242065A - 温控多段式回热器、磁制冷机及其温控制冷方法 - Google Patents

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黄焦宏
刘翠兰
张英德
程娟
李兆杰
戴默涵
王强
郭亚茹
高磊
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Abstract

本发明公开了一种温控多段式回热器、磁制冷机及其温控制冷方法，其中，温控多段式回热器包括：多个磁制冷工质段和多个温度传感器，多个磁制冷工质段依次相连接并连通，最外侧两个磁制冷工质段的两端分别设置有温度传感器，相邻的两个磁制冷工质段之间设置有温度传感器；最外侧两个磁制冷工质段两端分别设置有冷端接口、热端接口，磁制冷工质段内部填充有磁制冷工质。本发明在磁制冷机工作时检测回热器内部工作温度情况，通过温度传感器反馈温度信息来调整换热流体流向、流速，实现磁制冷过程精确控制，有效提高了磁制冷机工作效率和性能。

Description

温控多段式回热器、磁制冷机及其温控制冷方法
技术领域
本发明属于室温磁制冷技术领域，具体涉及一种温控多段式回热器、磁制冷机及其温控制冷方法。
背景技术
室温磁制冷是一种固态制冷技术，是一种新型制冷技术。随着新材料新技术的发展，最近十几年，室温磁制冷技术开发受到普遍重视，并且取得长足进展。室温磁制冷技术符合当今可持续发展的时代要求，被认为是一种有希望取代传统制冷技术的绿色制冷技术。室温磁制冷技术是利用磁制冷材料的磁热效应实现制冷的技术，磁制冷材料在变化的磁场作用下，会产生升温或降温的现象，磁制冷材料的磁热效应在其居里温度附近达到最大值，随着偏离居里温度，其磁热效应值逐渐减小。磁制冷材料在其居里温度附近的一段温度范围内表现出较强的磁热效应，通常称其为半峰宽区域，有些磁制冷材料具有较宽的半峰宽，而有些材料具有较窄的半峰宽，因此不同材料的使用条件不同。目前室温磁制冷机通常采用主动式再生回热(AMR)技术实现制冷，该技术要求换热流体分别在填充磁制冷材料的回热器磁化和退磁时进行正向和反向流经其中，以在回热器内部磁制冷工质中形成一定的温度梯度，这样在回热器两端形成高温端和低温端，两端形成较大的温差，同时使换热流体在两端也形成较大温差，可以实现制冷。
室温磁制冷机通常由磁场系统、回热器、热交换器、换热流体及驱动器等组成，其中回热器是室温磁制冷机的关键部件之一，通过磁场系统对回热器周期性磁化与退磁并配合换热流体往复流动，在回热器内部形成温度梯度，在回热器两端形成高温端和低温端，实现制冷。液体分配器简称分液器，是实现多通路均匀供液的部件，分液器的结构有离心式、节流式和文丘式三种类型。目前，室温磁制冷机通过周期性控制流体分配器实现AMR技术，控制不精确，往往会造成温度偏离居里温度附近较远，磁制冷材料得不到最大发挥，致使室温磁制冷机制冷效率不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温控多段式回热器、磁制冷机及其温控制冷方法，在磁制冷机工作时检测回热器内部工作温度情况，通过温度传感器反馈温度信息来调整换热流体流向、流速，实现磁制冷过程精确控制，有效提高了磁制冷机工作效率和性能。
为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
温控多段式回热器，包括：多个磁制冷工质段和多个温度传感器，多个磁制冷工质段依次相连接并连通，最外侧两个磁制冷工质段的两端分别设置有温度传感器，相邻的两个磁制冷工质段之间设置有温度传感器；最外侧两个磁制冷工质段两端分别设置有冷端接口、热端接口，磁制冷工质段内部填充有磁制冷工质。
进一步，包括至少两个磁制冷工质段，至少三个温度传感器。
进一步，多个磁制冷工质段内磁制冷工质由不同居里温度的磁制冷材料依居里温度升序或降序串联排布。
进一步，多个磁制冷工质段内磁制冷工质的居里温度间隔相等，长度相等。
磁制冷机，包括：温控多段式回热器、磁体、冷端换热器、热端换热器、流体分配器、控制器；磁体用于给温控多段式回热器周期性充磁或者退磁，冷端换热器通过管路连接在温控多段式回热器的冷端接口与流体分配器之间，热端换热器通过管路连接在温控多段式回热器的热端接口与流体分配器之间；控制器通过信号线分别连接多个温度传感器与流体分配器，接收温度传感器发送的温度信号，根据温度信号判断与温度信号对应的磁制冷工质段是否工作在设定温度区间，调整流体分配器上换热流体的流向或者流量。
优选的，控制器采用AMR技术控制流体分配器驱动换热流体周期性流动，在温控多段式回热器形成温度梯度，将冷端换热器的热量逐步传递到热端换热器，通过热端换热器将热量排出，实现制冷。
优选的，流体分配器的内腔分隔为冷流体腔、热流体腔，冷流体腔设置有冷腔接口，热流体腔设置有热腔接口；冷端换热器通过管路连接在冷端接口、冷腔接口之间，热端换热器通过管路连接在热端接口、热腔接口之间。
优选的，冷端换热器、热端换热器设置有温度传感器，分别将冷端换热器、热端换热器的温度信号发送给控制器。
温控制冷方法，包括：
温度传感器检测多段式回热器中磁制冷工质段对应的温度信号，并将温度信号发送给控制器，控制器根据温度信号判断与温度信号对应的磁制冷工质段是否工作在设定温度区间；
当磁制冷工质段的工作温度区偏离设定温度范围时，控制器发送指令给流体分配器，流体分配器根据指令调整流体分配器参数，改变换热流体流向或者流量，使磁制冷工质段中循环流体温度回归到设定温度区间。
优选的，当控制器监测到磁制冷工质段偏离效率最高的工作温度区，即偏离高效工作温区时，调整换热流体的流向和流量，使磁制冷工质段工作在高效温区。
本发明技术效果包括：
本发明在多段磁制冷工质段之间嵌入温度传感器，磁制冷机工作时通过温度传感器反馈温度信息来检测回热器内部工作温度情况，调整换热流体流向、流速，实现磁制冷过程精确控制，有效提高了磁制冷机工作效率和性能。
本发明通过在磁制冷工质段之间嵌入温度传感器，实现温度检测，并将检测信息反馈到控制器，在磁制冷机稳定运行过程中，当检测到磁制冷工质段的工作温度区出现异常偏离时可以逐步调整，通过流体分配器调整换热流体的流向和/或流量，使其逐步回归到正常温度区间，达到磁制冷工质高效利用，充分利用每一段磁制冷工质的最佳性能，实现磁制冷机整机高效运行。
附图说明
图1是本发明中温控多段式回热器的结构原理图；
图2所示，是本发明中磁制冷机的结构原理图；
图3是本发明中温控多段式回热器内部在外磁场作用下产生的温度梯度示意图。
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，是本发明中温控多段式回热器的结构原理图。
温控多段式回热器1，包括：多个磁制冷工质段11(至少两个)和多个温度传感器12(至少三个)，多个磁制冷工质段1依次相连接并连通，最外侧两个磁制冷工质段11的两端分别设置有温度传感器12，相邻的两个磁制冷工质段11之间设置有温度传感器12；最外侧两个磁制冷工质段11两端分别设置有冷端接口13、热端接口14。换热流体依次流经多个磁制冷工质段11。
本优选实施例中，五个磁制冷工质段11依次相连接并连通，最外侧两个磁制冷工质段11两端，以及相邻的两个磁制冷工质段11之间，设置有六个温度传感器12，六个温度传感器12分别检测对应位置的温度(温度T1、温度T2、温度T3、温度T4、温度T5、温度T6)，通过温度信号发送给控制器6，磁制冷工质段11内部填充有磁制冷工质。
为了提高磁制冷机效率，多个磁制冷工质段11内磁制冷工质由不同居里温度的磁制冷材料依居里温度升序或降序串联排布，居里温度间隔相等或近似相等，各段长度相等。当回热器内部形成温度梯度时，可以发挥不同居里温度材料的最大性能，从而提高整个磁制冷机效率和性能。
如图2所示，是本发明中磁制冷机的结构原理图。
磁制冷机包括：温控多段式回热器1、磁体2、冷端换热器3、热端换热器4、流体分配器5、控制器6。
磁体2用于给温控多段式回热器1周期性充磁或者退磁，冷端换热器3通过管路连接在温控多段式回热器1的冷端接口13与流体分配器5之间，热端换热器4通过管路连接在温控多段式回热器1的热端接口14与流体分配器5之间；控制器6通过信号线分别连接多个温度传感器12与流体分配器5，接收温度传感器12发送的温度信号，根据温度信号判断与温度信号对应的磁制冷工质段11是否工作在设定温度区间，调整流体分配器5上换热流体的流向或者流量。
流体分配器5的内腔分隔为冷流体腔51、热流体腔52，冷流体腔51设置有冷腔接口，热流体腔52设置有热腔接口。冷端换热器3通过管路连接在冷端接口13、冷腔接口之间，热端换热器4通过管路连接在热端接口14、热腔接口之间。冷端换热器3、热端换热器4也设置有温度传感器12，分别将温度信号(温度T7、温度T8)发送给控制器6。
控制器6采用AMR技术控制流体分配器5按一定规律驱动换热流体周期性向左和向右流动，在温控多段式回热器1形成左低右高的一定的温度梯度，产生较大温差，同时将冷端换热器3的热量逐步传递到热端换热器4，通过热端换热器4将热量排出，实现制冷。
如图3所示，是本发明中温控多段式回热器1内部在外磁场作用下产生的温度梯度示意图。
三条线从上到下分别为磁化线、中间线和退磁线，横坐标为距离，纵坐标为温度，这是磁制冷机运行到稳定状态时多段式回热器1内部形成的温度梯度曲线。
当多段式回热器1磁化时，内部磁制冷工质与静止的换热流体的温度同时升温到磁化线位置，此时流体分配器5驱动换热流体向右流动进入热端换热器4，温度线逐步接近中间线，换热流体流动停止；多段式回热器1退磁，温度线下移到退磁线，流体分配器5驱动换热流体向左流动进入冷端换热器3，温度线逐步上移到中间线；此后再进行下一周期运行，如此往复，可以将冷端换热器3的热量不断移向热端换热器4，实现制冷。
以左侧第一段磁制冷工质段11为例，温度T11为其居里温度，温度T10到温度T12的温区位于其半峰宽温区范围内。
磁制冷机的温控制冷方法，具体步骤如下：
步骤1：温度传感器12检测多段式回热器1中磁制冷工质段11对应的温度信号，并将温度信号发送给控制器6，根据温度信号判断与温度信号对应的磁制冷工质段11是否工作在设定温度区间；
步骤2：当磁制冷工质段11的工作温度区偏离设定温度范围时，控制器6发送指令给流体分配器5，流体分配器5根据指令调整流体分配器参数，改变换热流体流向或者流量，使磁制冷工质段11中循环流体温度回归到设定温度区间。
当控制器6监测到磁制冷工质段11偏离工作温度区，即偏离其高效工作温区时，调整换热流体的流向和流量，使其工作在高效温区，发挥其最佳性能，使磁制冷机性能和效率达到最佳，达到磁制冷工质高效利用目的。
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)

1.一种温控多段式回热器，其特征在于，包括：多个磁制冷工质段和多个温度传感器，多个磁制冷工质段依次相连接并连通，最外侧两个磁制冷工质段的两端分别设置有温度传感器，相邻的两个磁制冷工质段之间设置有温度传感器；最外侧两个磁制冷工质段两端分别设置有冷端接口、热端接口，磁制冷工质段内部填充有磁制冷工质。
2.如权利要求1所述的温控多段式回热器，其特征在于，包括至少两个磁制冷工质段，至少三个温度传感器。
3.如权利要求1所述的温控多段式回热器，其特征在于，多个磁制冷工质段内磁制冷工质由不同居里温度的磁制冷材料依居里温度升序或降序串联排布。
4.如权利要求3所述的温控多段式回热器，其特征在于，多个磁制冷工质段内磁制冷工质的居里温度间隔相等，长度相等。
5.一种使用权利要求1所述的温控多段式回热器的磁制冷机，其特征在于，还包括：磁体、冷端换热器、热端换热器、流体分配器、控制器；磁体用于给温控多段式回热器周期性充磁或者退磁，冷端换热器通过管路连接在温控多段式回热器的冷端接口与流体分配器之间，热端换热器通过管路连接在温控多段式回热器的热端接口与流体分配器之间；控制器通过信号线分别连接多个温度传感器与流体分配器，接收温度传感器发送的温度信号，根据温度信号判断与温度信号对应的磁制冷工质段是否工作在设定温度区间，调整流体分配器上换热流体的流向或者流量。
6.如权利要求5所述的磁制冷机，其特征在于，控制器采用AMR技术控制流体分配器驱动换热流体周期性流动，在温控多段式回热器形成温度梯度，将冷端换热器的热量逐步传递到热端换热器，通过热端换热器将热量排出，实现制冷。
7.如权利要求5所述的磁制冷机，其特征在于，流体分配器的内腔分隔为冷流体腔、热流体腔，冷流体腔设置有冷腔接口，热流体腔设置有热腔接口；冷端换热器通过管路连接在冷端接口、冷腔接口之间，热端换热器通过管路连接在热端接口、热腔接口之间。
8.如权利要求5所述的磁制冷机，其特征在于，冷端换热器、热端换热器设置有温度传感器，分别将冷端换热器、热端换热器的温度信号发送给控制器。
9.一种使用权利要求5所述的磁制冷机的温控制冷方法，其特征在于，包括：
温度传感器检测多段式回热器中磁制冷工质段对应的温度信号，并将温度信号发送给控制器，控制器根据温度信号判断与温度信号对应的磁制冷工质段是否工作在设定温度区间；
当磁制冷工质段的工作温度区偏离设定温度范围时，控制器发送指令给流体分配器，流体分配器根据指令调整流体分配器参数，改变换热流体流向或者流量，使磁制冷工质段中循环流体温度回归到设定温度区间。
10.如权利要求9所述的温控制冷方法，其特征在于，当控制器监测到磁制冷工质段偏离效率最高的工作温度区，即偏离高效工作温区时，调整换热流体的流向和流量，使磁制冷工质段工作在高效温区。
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