CN116792960A - 磁回热器模块热端恒温装置、测试系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁回热器模块热端恒温装置、测试系统和控制方法。热端恒温装置中，强制恒温装置包括入口和出口，阀结构包括第一端、第二端、第三端、和第四端；强制恒温装置的入口连通阀结构的第三端，强制恒温装置的出口连通泵的入口，泵的出口连通阀结构的第一端，阀结构的第二端用于连通第一磁回热器模块的热端，阀结构的第四端用于连通第二磁回热器模块的热端；阀结构能够受控在以下状态间切换：状态1、在阀结构内部，第一端与第二端连通，第三端与第四端连通，其余端口组合断开；状态2、在阀结构内部，第一端与第四端连通，第二端与第三端连通，其余端口组合断开；状态3、在阀结构内部，第一端与第三端连通，第二端与第四端断开。

Description

磁回热器模块热端恒温装置、测试系统和控制方法

技术领域

本发明涉及磁制冷技术领域，具体涉及一种磁回热器模块热端恒温装置、测试系统和控制方法。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

磁制冷是一种固态制冷技术，是有望取代传统的气体压缩式制冷技术的新型制冷技术。

传统的磁制冷机主动式磁回热器的热端接热端散热器，实现自然散热或强制对流散热。热端换热流体温度无法恒定，不能满足对主动式磁回热器不同温度下的制冷能力测试要求，也无法满足对磁制冷机制冷功率的测试要求。

发明内容

本发明提供一种磁回热器模块热端恒温装置、测试系统和控制方法。

本发明采用如下技术方案：一种用于磁制冷机中磁回热器模块的热端恒温装置，所述磁制冷机包括成对设置的第一磁回热器模块和第二磁回热器模块，所述热端恒温装置包括：强制恒温装置、泵和阀结构；

所述强制恒温装置包括入口和出口，所述阀结构包括第一端、第二端、第三端、和第四端；

所述强制恒温装置的入口连通所述阀结构的第三端，所述强制恒温装置的出口连通所述泵的入口，所述泵的出口连通所述阀结构的第一端，所述阀结构的第二端用于连通所述第一磁回热器模块的热端，所述阀结构的第四端用于连通所述第二磁回热器模块的热端；

所述阀结构能够受控在以下状态间切换：

状态1、在所述阀结构内部，第一端与第二端连通，第三端与第四端连通，其余端口组合断开；

状态2、在所述阀结构内部，第一端与第四端连通，第二端与第三端连通，其余端口组合断开；

状态3、在所述阀结构内部，第一端与第三端连通，第二端与第四端断开。

在一些实施例中，所述阀结构包括：第一电控阀、第二电控阀、第三电控阀和第四电控阀；

所述第一电控阀和所述第三电控阀各自的第一端连通，并连通所述阀结构的第一端；所述第一电控阀的第二端和所述第二电控阀的第一端连通，并连通所述阀结构的第二端；所述第二电控阀的第二端和所述第四电控阀各自的第二端连通，并连通所述阀结构的第三端；所述第三电控阀的第二端和所述第四电控阀的第一端连通，并连通所述阀结构的第四端。

在一些实施例中，所述强制恒温装置包括恒温槽。

在一些实施例中，所述强制恒温装置的入口高于出口。

本发明采用如下技术方案：一种磁制冷机的测试系统，包括磁制冷机和前述的热端恒温装置，所述磁制冷机包括成对设置的第一磁回热器模块和第二磁回热器模块，所述阀结构的第二端连通所述第一磁回热器模块的热端，所述阀结构的第四端连通所述第二磁回热器模块的热端。

在一些实施例中，所述测试系统还包括负载，其两端分别连通所述第一磁回热器模块和所述第二磁回热器模块的冷端。

在一些实施例中，所述测试系统还包括：

第一温度传感器，用于检测所述第一磁回热器模块的热端处换热流体温度；

第二温度传感器，用于检测所述第二磁回热器模块的热端处换热流体温度；

第三温度传感器，用于检测所述第一磁回热器模块的冷端处换热流体温度；

第四温度传感器，用于检测所述第二磁回热器模块的冷端处换热流体温度。

在一些实施例中，所述测试系统还包括第五温度传感器，用于检测所述负载处换热流体温度。

本发明采用如下技术方案：一种应用于前述的测试系统的控制方法，包括循环执行的第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段：

在所述第一阶段，所述第一磁回热器模块和所述第二磁回热器模块处于过渡状态，控制所述阀结构处于状态3；

在所述第二阶段，所述第一磁回热器模块处于冷吹状态，所述第二磁回热器模块处于热吹状态，控制所述阀结构处于状态1；

在所述第三阶段，所述第一磁回热器模块和所述第二磁回热器模块处于过渡状态，控制所述阀结构处于状态1；

在所述第四阶段，所述第一磁回热器模块处于热吹状态，所述第二磁回热器模块处于冷吹状态，控制所述阀结构处于状态3。

在一些实施例中，在在所述第一阶段，控制所述第一电控阀和所述第二电控阀导通，关闭所示第三电控阀和所述第四电控阀，或者，控制所述第三电控阀和所述第四电控阀导通，关闭所示第一电控阀和所述第二电控阀；在所述第二阶段，控制所述第一电控阀和所述第四电控阀导通，关闭所示第二电控阀和所述第三电控阀；在所述第三阶段，控制所述第一电控阀和所述第二电控阀导通，关闭所示第三电控阀和所述第四电控阀，或者，控制所述第三电控阀和所述第四电控阀导通，关闭所示第一电控阀和所述第二电控阀；在所述第四阶段，控制所述第二电控阀和所述第三电控阀导通，关闭所示第一电控阀和所述第四电控阀。

本发明的热端恒温装置既可以满足磁制冷机中2个磁换热器模块在励磁和退磁阶段的正常的换热流体的循环流动，又能够在磁制冷机工作的过渡阶段将磁换热器模块的热端换热流体温度强制恢复到预期的恒定温度。磁换热器模块的热端温度趋于恒定。这能够有效满足磁制冷机的制冷性能的测试要求。

附图说明

图1是本发明实施例的磁制冷机及其热端恒温装置的结构图。

图2a是本发明实施例的磁制冷机的磁回热器模块内磁场随时间变化曲线图。

图2b是本发明实施例的磁制冷机的2个磁回热器模块的工作模式图。

图3是本发明实施例的磁制冷机的磁回热器模块的热端换热流体温度和冷端换热流体温度随时间的变化曲线图。

图4是本发明实施例的磁制冷机的热端恒温装置的控制方法的流程图。

附图标记为：T1至T5、第一至第五温度传感器；C1、第一磁场系统；C2、第二磁场系统；H1、第一磁回热器模块；H2、第二磁回热器模块；DF1至DF4、第一至第四电控阀；P、泵；HWSC、恒温水槽；F、负载；1、阀结构；11至14、阀结构的第一端至第四端。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明采用诸如恒温水槽的装置作为强制恒温装置，并利用主动式磁回热器的循环流程中的过渡期将主动式磁回热器的热端换热流体温度迅速排出，从而将主动式磁回热器的热端换热流体温度保持基本恒定。

图1是本发明实施例的磁制冷机及其热端恒温装置的结构图。图2a是本发明实施例的磁制冷机的磁回热器模块内磁场随时间变化曲线图。图2b是本发明实施例的磁制冷机的2个磁回热器模块的工作模式图。图3是本发明实施例的磁制冷机的磁回热器模块的热端换热流体温度和冷端换热流体温度随时间的变化曲线图。图4是本发明实施例的磁制冷机的热端恒温装置的控制方法的流程图。

本发明的实施例中的换热流体为水，但本发明对换热流体的选取并不做限定。

图1中展示了磁制冷机中的第一磁回热器模块H1、第二磁回热器模块H2、第一磁场系统C1、第二磁场系统C2、第一至第五温度传感器T1至T5、以及负载F。

第一磁回热器模块H1中例如可以包含1个主动式磁回热器、或者并联的多个主动式磁回热器、或者串联的多个主动式磁回热器。

第二磁回热器模块H2中例如可以包含1个主动式磁回热器、或者并联的多个主动式磁回热器、或者串联的多个主动式磁回热器等。

第一磁场系统C1和第二磁场系统C2分别用于为第一磁回热器模块H1和第二磁回热器模块H2提供磁场。

第一温度传感器T1设置在第一磁回热器模块H1的热端，用于检测第一磁回热器模块H1的热端换热流体温度。

第三温度传感器T3设置在第一磁回热器模块H1的冷端，用于检测第一磁回热器模块H1的冷端换热流体温度。

第二温度传感器T2设置在第二磁回热器模块H2的热端，用于检测第二磁回热器模块H2的热端换热流体温度。

第四温度传感器T4设置在第二磁回热器模块H2的冷端，用于检测第二磁回热器模块H2的冷端换热流体温度。

负载F表示冷端换热器以及冷端换热器所连接的实际冷端负载。

第五温度传感器T5设置在负载F处，用于检测冷端换热器处的换热流体温度。

以下以强制恒温装置为恒温水槽HWSC为例进行说明。由于换热流体不限于是水，恒温水槽HWSC也可称为恒温槽。在另一些实施例中，恒温水槽可以替换为强制恒温换热装置。

参考图1，热端恒温装置包括恒温水槽HWSC、泵P、和阀结构1。

阀结构1包括：第一电控阀DF1、第二电控阀DF2、第三电控阀DF3和第四电控阀DF4。第一电控阀DF1和第三电控阀DF3各自的第一端连通，并连通阀结构1的第一端11。第一电控阀DF1的第二端和第二电控阀DF2的第一端连通，并连通阀结构1的第二端12。阀结构1的第二端12连通第一磁回热器模块H1的热端。第二电控阀DF2的第二端和第四电控阀DF4各自的第二端连通，并连通阀结构1的第三端13。第三电控阀DF3的第二端和第四电控阀DF4的第一端连通，并连通阀结构1的第四端14。阀结构1的第四端14连通第二磁回热器模块H2的热端。

阀结构1的第三端13连通恒温水槽HWSC的入口。恒温水槽HWSC的出口连通泵P的入口。泵P的出口连通阀结构1的第一端11。

请参考图1、图2a和图2b，对主动式磁回热器循环周期的四个阶段进行说明。

第一阶段是过渡期，第一磁回热器模块H1和第二磁回热器模块H2内部流体静止。此时开启第一电控阀DF1和第二电控阀DF2，使前一阶段第一磁回热器模块H1排出的热的换热流体迅速流经恒温水槽HWSC进行换热，保持与第一磁回热器模块H1热端连接的管路恒温，同时由于管路紧靠第一磁回热器模块H1热端出口，使第一磁回热器模块H1的热端保持恒温。

在第一阶段，换热流体的流动方向是从第一电控阀DF1经第二电控阀DF2流入恒温水槽HWSC，再由恒温水槽HWSC的出口经泵P流入第一电控阀DF1。

在第一阶段，第一磁回热器模块H1与阀结构1的第一端11和第三端13也是连通的，这有助于稳定第一磁回热器模块H1的温度。在另一些实施例中，在第一阶段，第一磁回热器模块H1与阀结构1的第一端11和第三端13是断开的。

第二阶段，当第一磁回热器模块H1处于退磁状态(冷吹)时，第一磁回热器模块H1的磁制冷工质吸收热量。第二磁回热器模块H2处于励磁阶段(热吹)。开启第一电控阀DF1和第四电控阀DF4。换热流体从第一电控阀DF1流入第一磁回热器模块H1，经冷端负载F，流过第二磁回热器模块H2，经第四电控阀DF4流入恒温水槽HWSC。再由恒温水槽HWSC经泵P流向第一电控阀DF1。

在第二阶段中，从第二磁回热器模块H2流出的热的换热流体经恒温水槽缓冲后，流回至第一换热器模块H1时温度被适当降低。

第三阶段是过渡期，第一磁回热器模块H1和第二磁回热器模块H2内部换热流体静止。此时开启第三电控阀DF3和第四电控阀DF4，使前一阶段第二磁回热器模块H2排出的热的换热流体迅速流经恒温水槽HWSC换热。按照图1当前视角，换热流体在第四电控阀DF4、恒温水槽HWSC、泵P、第三电控阀DF3之间逆时针流动。管路内的换热流体迅速降温至预期的恒定温度。

需要说明的是，在第一阶段和第三阶段，同时开启第一电控阀DF1、第二电控阀DF2或者同时开启第三电控阀DF3、第四电控阀DF4都是可以的。可以根据实际管路的设计情况灵活选择，以最大化地加速散热。

可以设置阀结构1紧靠第一磁回热器模块H1和第二磁回热器模块H2的热端出口，使第一磁回热器模块H1和第二磁回热器模块H2的热端保持恒温。

例如可以将第一磁回热器模块H1至第一电控阀DF1和第二电控阀DF2的管路长度设置得足够段，该长度例如小于10cm。第一电控阀DF1和第二电控阀DF2与第一磁回热器模块H1的热端出口越近越好，以将热端排出的热量尽量多地带走。第二磁回热器模块H2至第三电控阀DF3和第四电控阀DF4的管路长度设置得足够短，该长度例如小于10cm。第三电控阀DF3和第四电控阀DF4与第二磁回热器模块H2的热端出口越近越好，以将热端排出的热量尽量多地带走。

在第三阶段，第二磁回热器模块H2与阀结构1的第三端13和第一端11是连通的，这有助于稳定第二磁回热器模块H2的温度。在另一些实施例中，在第三阶段，第二磁回热器模块H2与阀结构1的第三端13和第一端11是断开的。

第四阶段，第一磁回热器模块H1处于励磁状态(热吹，产生热量)，第二磁回热器模块H2处于退磁状态(冷吹，吸收热量)。第二电控阀DF2和第三电控阀DF3开启，换热流体从第三电控DF3流入第二磁回热器模块H2，经冷端负载F，流过第一磁回热器模块H1，经第二电控阀DF2流入恒温水槽HWSC，再由恒温水槽HWSC经泵P流入第三电控阀DF3，完成一个周期循环。

阀结构1在以下3中状态间切换：

状态1、在所述阀结构内部，第一端与第二端连通，第三端与第四端连通，其余端口组合断开；

状态2、在所述阀结构内部，第一端与第四端连通，第二端与第三端连通，其余端口组合断开；

状态3、在所述阀结构内部，第一端与第三端连通，第二端与第四端断开。

为达到以上技术效果，阀结构1的内部结构不限于图1所示实施例。例如可以在阀结构1的任意2个端口之间均设置电控阀。

以上实施例中，恒温水槽HWSC的入口高于其出口。

参考图1并结合图4，以下介绍磁制冷机及其热端恒温装置构成的测试系统的完整的控制流程。

进入该控制流程之前，需要通过定位装置及区域计算，感知磁场系统所处的AMR周期阶段。

具体地，定位装置可以是机械定位、光电定位、电磁感应定位等。用于确定最低磁场时刻或称为零磁场时刻。磁制冷机磁场系统的磁场是周期变化的，类似于正弦波。从低磁场逐渐变到高磁场再变到低磁场，这是一个周期。将一个周期划分为4个阶段，分别为低磁场阶段、升磁阶段(对应过渡期)、高磁阶段、降磁阶段(对应过渡期)、低磁阶段。这4个阶段在时间上可称为4个区域。从时间上讲，在周期固定的情况下，若划定低磁和高磁阶段时间变短时，相应的过渡阶段时间就变长，反之，当划定低磁和高磁阶段时间变长后，相应的过渡阶段时间就变短。一旦确定零磁场时刻并且划定了4个区域的位置，控制系统就可以确定当前处于哪个阶段。

需要说明的是，对于如何判断四个阶段的具体起止时刻，本领域技术人员可以按照各种现有的方法实现。本发明对此不作限定。

首先进入过渡阶段，开启第一电控阀DF1和第二电控阀DF2，其他阀处于关闭状态。阀结构1处于状态3。

随后，第一磁回热器模块H1处于退磁状态时，开启第一电控阀DF1和第四电控阀DF4，其他阀处于关闭状态。此阶段第二磁回热器模块H2处于励磁状态。阀结构1处于状态1。

再后，又进入过渡阶段，开启第三电控阀DF3和第四电控阀DF4，其他阀处于关闭状态。阀结构1处于状态3。

最后，第一磁回热器模块H1处于磁化状态，开启第二电控阀DF2和第三电控阀DF3，其他阀处于关闭状态；此阶段第二磁回热器模块H2处于退磁状态。阀结构1处于状态2。

再进行下个周期的循环。

图3是本发明一个采用上述恒温装置的制冷机的测试结果。随工作时间的增加，磁回热器模块热端处换热流体温度基本恒定，可以满足对磁制冷机的各类测试项目的测试要求。

本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

本发明的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种用于磁制冷机中磁回热器模块的热端恒温装置，其特征在于，所述磁制冷机包括成对设置的第一磁回热器模块和第二磁回热器模块，所述热端恒温装置包括：强制恒温装置、泵和阀结构；

所述强制恒温装置包括入口和出口，所述阀结构包括第一端、第二端、第三端、和第四端；

所述强制恒温装置的入口连通所述阀结构的第三端，所述强制恒温装置的出口连通所述泵的入口，所述泵的出口连通所述阀结构的第一端，所述阀结构的第二端用于连通所述第一磁回热器模块的热端，所述阀结构的第四端用于连通所述第二磁回热器模块的热端；

所述阀结构能够受控在以下状态间切换：

状态1、在所述阀结构内部，第一端与第二端连通，第三端与第四端连通，其余端口组合断开；

状态2、在所述阀结构内部，第一端与第四端连通，第二端与第三端连通，其余端口组合断开；

状态3、在所述阀结构内部，第一端与第三端连通，第二端与第四端断开。

2.根据权利要求1所述的热端恒温装置，其特征在于，所述阀结构包括：第一电控阀、第二电控阀、第三电控阀和第四电控阀；

所述第一电控阀和所述第三电控阀各自的第一端连通，并连通所述阀结构的第一端；所述第一电控阀的第二端和所述第二电控阀的第一端连通，并连通所述阀结构的第二端；所述第二电控阀的第二端和所述第四电控阀各自的第二端连通，并连通所述阀结构的第三端；所述第三电控阀的第二端和所述第四电控阀的第一端连通，并连通所述阀结构的第四端。

3.根据权利要求1所述的热端恒温装置，其特征在于，所述强制恒温装置包括恒温槽。

4.根据权利要求1所述的热端恒温装置，其特征在于，所述强制恒温装置的入口高于出口。

5.一种磁制冷机的测试系统，其特征在于，包括磁制冷机和根据权利要求1至4中任一项所述的热端恒温装置，所述磁制冷机包括成对设置的第一磁回热器模块和第二磁回热器模块，所述阀结构的第二端连通所述第一磁回热器模块的热端，所述阀结构的第四端连通所述第二磁回热器模块的热端。

6.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括负载，其两端分别连通所述第一磁回热器模块和所述第二磁回热器模块的冷端。

7.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括：

第一温度传感器，用于检测所述第一磁回热器模块的热端处换热流体温度；

第二温度传感器，用于检测所述第二磁回热器模块的热端处换热流体温度；

第三温度传感器，用于检测所述第一磁回热器模块的冷端处换热流体温度；

第四温度传感器，用于检测所述第二磁回热器模块的冷端处换热流体温度。

8.根据权利要求6所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括第五温度传感器，用于检测所述负载处换热流体温度。

9.一种应用于权利要求5至8中任一项所述的测试系统的控制方法，其特征在于，包括循环执行的第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段：

在所述第一阶段，所述第一磁回热器模块和所述第二磁回热器模块处于过渡状态，控制所述阀结构处于状态3；

在所述第二阶段，所述第一磁回热器模块处于冷吹状态，所述第二磁回热器模块处于热吹状态，控制所述阀结构处于状态1；

在所述第三阶段，所述第一磁回热器模块和所述第二磁回热器模块处于过渡状态，控制所述阀结构处于状态3；

在所述第四阶段，所述第一磁回热器模块处于热吹状态，所述第二磁回热器模块处于冷吹状态，控制所述阀结构处于状态2。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述热端恒温装置为权利要求2所述的热端恒温装置；

在所述第一阶段，控制所述第一电控阀和所述第二电控阀导通，关闭所示第三电控阀和所述第四电控阀，或者，控制所述第三电控阀和所述第四电控阀导通，关闭所示第一电控阀和所述第二电控阀；

在所述第二阶段，控制所述第一电控阀和所述第四电控阀导通，关闭所示第二电控阀和所述第三电控阀；

在所述第三阶段，控制所述第一电控阀和所述第二电控阀导通，关闭所示第三电控阀和所述第四电控阀，或者，控制所述第三电控阀和所述第四电控阀导通，关闭所示第一电控阀和所述第二电控阀；

在所述第四阶段，控制所述第二电控阀和所述第三电控阀导通，关闭所示第一电控阀和所述第四电控阀。