CN118009566A - 一种耦合旋转热管的室温磁热泵装置及制冷制热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁制冷技术领域，公开了一种耦合旋转热管的室温磁热泵装置及制冷制热方法，包括永磁体和磁旋转热管，磁旋转热管包括磁旋转热管管体、锥形换热片、磁工质、网筛和流体工质，通过旋转热管内流体工质相变，提高磁工质与流体工质间的换热效率，进而提高工作频率；采用多级结构，拓宽运行温跨；并在此基础上，利用旋转热管转动所产生的离心力分力提供回流加速度，使装置免受重力方向的束缚，为多场合应用提供可能，又可通过调节热管转速改变回流加速度，以实时匹配冷/热负荷；并且与嵌套型Halbach永磁体的旋转模式相契合，无需额外增加动力部件。
Description
技术领域
本发明涉及磁制冷技术领域，特别是涉及一种耦合旋转热管的室温磁热泵装置及制冷制热方法。
背景技术
室温磁制冷技术凭借其绿色环保、节能高效等优点被视为是最有潜力替代蒸汽压缩制冷的新型制冷技术之一。随着室温磁制冷技术的发展，诞生了多个室温磁制冷样机。其中，绝大多数的样机都是基于主动磁回热器(Active Magnetic Regenerator，AMR)原理构建的。但是，受限于磁工质和换热流体间的对流换热速率，基于AMR的样机在实用化进程中存在一个关键的技术瓶颈，即工作频率低。
现有技术公开了一种耦合重力热管的室温磁制冷装置及制冷方法，所述装置包括重力热管管体、内部换热板、磁热性材料、阻隔过滤网、流体工质和磁体组；重力热管管体内部被多个内部换热板分隔成多个区域，底端为向负荷制冷的冷端，顶端为向环境放热的热端；本发明通过奇数级、偶数级磁热性材料之间的交替加去磁或者自热端到冷端磁热性材料的逐级去磁来拓宽温跨，获得低温，实现制冷。本发明将磁热性材料直接置于重力热管内，通过流体工质相变，提高磁热性材料与流体工质换热效率，提高工作频率和磁制冷装置的制冷量；利用重力热管的单向传热特性，减少阀门组件、流体泵的使用，简化管路结构，提高可靠性；采用多级磁制冷，拓宽运行温跨。该现有技术以强化磁工质和换热流体间的传热，进而提高样机工作频率，但鉴于重力热管中的回流作用力由重力提供，一方面，室温磁制冷装置仅能沿竖直方向放置，应用场合受到限制，另一方面，回流加速度受重力加速度制约，不具备可调节性，使得冷凝液的回流速率无法与蒸发速率相匹配，进而使输出的制冷/制热量无法与冷/热负荷实时匹配。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种耦合旋转热管的室温磁热泵装置，以实现有效提高样机工作频率且能摆脱重力方向束缚、及连续调节回流加速度以实时匹配冷/热负荷，本发明的目的之二是提供一种耦合旋转热管的室温磁热泵装置的制冷制热方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种一级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，包括永磁体和磁旋转热管，所述磁旋转热管包括磁旋转热管管体、锥形换热片、磁工质、网筛和流体工质，所述磁旋转热管管体的内部为锥台状的腔体，所述磁旋转热管管体的旋转轴沿水平方向放置且其腔体内沿轴向依次设置磁旋转热管制热区和磁旋转热管制冷区，所述磁旋转热管制热区和磁旋转热管制冷区被所述锥形换热片分隔开，所述磁旋转热管制热区位于靠近锥台状的腔体的顶部一侧，所述磁工质填充在磁旋转热管制热区里锥形换热片的一侧形成磁工质区，所述永磁体套装在所述磁旋转热管的磁工质区上，所述网筛垂直于所述磁旋转热管管体的旋转轴且所述网筛的一侧与磁工质相接触，所述网筛的四周与所述磁旋转热管制热区的内壁面连接，所述流体工质注入抽真空后的磁旋转热管制热区和磁旋转热管制冷区内。
优选的，所述磁旋转热管制热区的内表面为锥台形，其锥台顶部至底部的朝向与锥形换热片锥台朝向相同。
优选的，所述磁旋转热管制热区与外界接触的端面为磁旋转热管的热端，磁旋转热管制冷区与外界接触的端面为磁旋转热管的冷端。
本发明还提供了一种二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，所述永磁体包括一级永磁体和二级永磁体，所述锥形换热片包括一级锥形换热片和二级锥形换热片，所述磁工质包括一级磁工质和二级磁工质，所述网筛包括一级网筛和二级网筛，所述磁旋转热管管体的腔体内沿轴向被所述二级锥形换热片和一级锥形换热片分隔成三个区域，沿锥台顶部至底部的方向依次为磁旋转热管制热区、磁旋转热管复叠区和磁旋转热管制冷区，所述一级磁工质填充在所述磁旋转热管复叠区内靠近所述一级锥形换热片的一侧上形成一级磁工质区，所述二级磁工质填充在所述磁旋转热管制热区内靠近所述二级锥形换热片的一侧上形成二级磁工质区，所述一级永磁体套装在所述磁旋转热管的一级磁工质区上，所述一级磁工质与所述一级磁工质区固定连接，所述二级磁工质与所述二级磁工质区固定连接，所述二级永磁体套装在所述磁旋转热管的二级磁工质区上，所述一级网筛和二级网筛垂直于所述磁旋转热管管体的旋转轴，所述一级网筛的一侧与所述一级磁工质相接触，且所述一级网筛的四周与所述磁旋转热管复叠区的内壁面连接，所述二级网筛的一侧与所述二级磁工质相接触，且所述二级网筛的四周与所述磁旋转热管制热区的内壁面连接，所述一级网筛和二级网筛上的小孔阵列的孔径分别小于所述一级磁工质和二级磁工质的粒径，所述流体工质注入抽真空后的磁旋转热管制热区、磁旋转热管复叠区和磁旋转热管制冷区内。
优选的，所述磁旋转热管管体的材质为低导热系数材质，所述磁旋转热管管体的热端和冷端材质为高导热系数材质，所述锥形换热片的材质为高导热系数材质。
优选的，所述磁工质为颗粒状的Gd、Gd基合金或者La-Fe-Si基合金，所述网筛为不锈钢等编制丝网，所述流体工质为低沸点工质。
优选的，所述永磁体为嵌套型Halbach永磁体。
优选的，所述二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置可拓展至N级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其中2<N<15。
本发明还提供了一种一级室温磁热泵装置的制冷制热方法，制冷方法如下：
所述磁旋转热管的热端与环境接触，所述冷端与负荷接触，所述磁旋转热管绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，实现热开关作用，所述永磁体给磁工质加磁，所述磁工质温度升高，所述磁旋转热管制冷区停止工作，所述磁旋转热管制热区内的液态流体工质吸收磁工质产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至磁旋转所述热管的热端，在所述热端往环境放热后凝结成液体，液体在离心力的分力作用下沿锥台下坡回流至磁工质区，流体工质依次循环，将所述磁工质所产生的热量快速输运至环境，使所述磁工质回到初始温度，所述磁工质被去磁，磁工质温度降低，所述磁旋转热管制热区停止工作，所述磁旋转热管制冷区的冷端的液态流体工质吸收冷端负荷的热量变成蒸汽，蒸汽扩散至所述锥形换热片，通过所述锥形换热片被温度较低的磁工质冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至所述冷端，流体工质依次循环，不断向冷端输出冷量，一级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往冷端不断输送冷量，从而实现连续制冷；
制热方法如下：
所述磁旋转热管的热端与负荷接触，所述冷端与环境接触；所述磁旋转热管绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，实现热开关作用，所述永磁体给所述磁工质加磁，磁工质温度升高，所述磁旋转热管制冷区停止工作，所述磁旋转热管制热区内的液态流体工质吸收磁工质所产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至所述磁旋转热管的热端，在热端往负荷放热后凝结成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至磁工质区，流体工质依次循环，不断地向热端输出热量，所述磁工质去磁，磁工质温度降低，所述磁旋转热管制热区停止工作，所述磁旋转热管制冷区的冷端的液态流体工质吸收冷端环境的热量变成蒸汽，蒸汽扩散至所述锥形换热片，通过锥形换热片被温度较低的磁工质冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至冷端，流体工质依次循环，不断从所述冷端环境吸收热量，进而使磁工质回到初始温度，一级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往热端不断输送热量，从而实现连续制热。
本发明还提供了一种二级室温磁热泵装置的制冷制热方法，制冷方法如下：
所述磁旋转热管的热端与环境接触，所述冷端与负荷接触，所述磁旋转热管绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，起热开关作用，所述一级永磁体给一级磁工质加磁，所述一级磁工质温度升高，同时所述二级磁工质被去磁，所述二级磁工质温度降低，所述磁旋转热管制冷区和磁旋转热管制热区停止工作，所述磁旋转热管复叠区内的液态流体工质吸收一级磁工质所产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至所述二级锥形换热片，在所述二级锥形换热片上被二级磁工质冷凝成液体，液体在离心力的分力作用下沿锥台下坡回流至一级磁工质区，流体工质依次循环，将所述一级磁工质所产生的热量快速输运至低温的二级磁工质，降低所述一级磁工质的温度，所述一级磁工质被去磁，所述一级磁工质温度进一步降低，从而拓宽温跨，所述二级永磁体向二级磁工质加磁，所述二级磁工质温度升高，所述磁旋转热管复叠区停止工作，所述磁旋转热管制冷区和磁旋转热管制热区的液态流体工质分别吸收所述冷端负荷和二级磁工质的热量变成蒸汽，蒸汽分别扩散至所述一级锥形换热片和热端，通过所述一级锥形换热片和热端，分别被温度较低的所述一级磁工质和环境冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下分别沿锥台下坡回流至冷端和二级磁工质区，流体工质依次循环，分别不断向所述冷端输出冷量和使二级磁工质回到初始温度，二级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往冷端不断输送冷量，从而连续实现制冷；
制热方法如下：
所述磁旋转热管的热端与负荷接触，所述冷端与环境接触，所述磁旋转热管绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，起热开关作用，所述一级永磁体给一级磁工质加磁，所述一级磁工质温度升高，所述二级磁工质被去磁，二级磁工质温度降低，所述磁旋转热管制冷区和磁旋转热管制热区停止工作，所述磁旋转热管复叠区内的液态流体工质吸收一级磁工质所产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至二级锥形换热片，在所述二级锥形换热片上被二级磁工质冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至一级磁工质区，流体工质依次循环，将所述一级磁工质所产生的热量快速输运至低温的二级磁工质，升高所述二级磁工质的温度，所述一级磁工质被去磁，所述一级磁工质温度降低，所述二级永磁体向二级磁工质加磁，二级磁工质温度进一步升高，从而拓宽温跨，所述磁旋转热管复叠区停止工作，所述磁旋转热管制冷区和磁旋转热管制热区的液态流体工质分别吸收所述冷端环境和二级磁工质的热量变成蒸汽，蒸汽分别扩散至一所述级锥形换热片和热端，通过所述一级锥形换热片和热端，分别被温度较低的所述一级磁工质和负荷冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下分别沿锥台下坡回流至冷端和二级磁工质区，流体工质依次循环，不断向所述热端输出热量，二级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往热端不断输送热量，从而连续实现制热。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
通过旋转热管内流体工质相变，提高磁工质与流体工质间的换热效率，进而提高工作频率；采用多级结构，拓宽运行温跨；并在此基础上，利用旋转热管转动所产生的离心力分力提供回流加速度，使装置免受重力方向的束缚，为多场合应用提供可能，又可通过调节热管转速改变回流加速度，以实时匹配冷/热负荷；并且与嵌套型Halbach永磁体的旋转模式相契合，无需额外增加动力部件。
附图说明
图1是本发明实施例的一级室温磁热泵装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的一级室温磁热泵装置的运行原理图；
图3是本发明实施例的二级室温磁热泵装置的结构示意图；
图4是本发明实施例的二级室温磁热泵装置的运行原理图。
图中，1、永磁体；101、一级永磁体；102、二级永磁体；2、磁旋转热管；3、磁旋转热管管体；4、锥形换热片；401、一级锥形换热片；402、二级锥形换热片；5、磁工质；501、一级磁工质；502、二级磁工质；6、网筛；601、一级网筛；602、二级网筛；7、磁旋转热管制热区；8、磁旋转热管制冷区；9、热端；10、冷端；11、磁旋转热管复叠区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例一
如图1所示，本发明优选实施例的一种一级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，包括永磁体1和磁旋转热管2，磁旋转热管2包括磁旋转热管管体3、锥形换热片4、磁工质5、网筛6和流体工质，磁旋转热管管体3的内部为锥台状的腔体，磁旋转热管管体3的旋转轴沿水平方向放置且其腔体内沿轴向依次设置磁旋转热管制热区7和磁旋转热管制冷区8，磁旋转热管制热区7和磁旋转热管制冷区8被锥形换热片4分隔开，磁旋转热管制热区7位于靠近锥台状的腔体的顶部一侧，磁工质5填充在磁旋转热管制热区7里锥形换热片4的一侧形成磁工质区，永磁体1套装在磁旋转热管2的磁工质区上，网筛6垂直于磁旋转热管管体3的旋转轴且网筛的一侧与磁工质5相接触，网筛的四周与磁旋转热管制热区7的内壁面连接，网筛6上小孔阵列的孔径小于磁工质5的粒径，使得流体工质能顺利通过网筛6与磁工质5进行热交换，流体工质注入抽真空后的磁旋转热管制热区7和磁旋转热管制冷区8内，磁工质5的居里温度与磁旋转热管制热区7的工作温度相匹配。
磁旋转热管制热区7的内表面为锥台形，其锥台顶部至底部的朝向与锥形换热片4锥台朝向相同。
磁旋转热管制热区7与外界接触的端面为磁旋转热管2的热端9，磁旋转热管制冷区8与外界接触的端面为磁旋转热管2的冷端10。
实施例二
如图3所示，本发明还提供了一种二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，永磁体1包括一级永磁体101和二级永磁体102，锥形换热片4包括一级锥形换热片401和二级锥形换热片402，磁工质5包括一级磁工质501和二级磁工质502，网筛6包括一级网筛601和二级网筛602，磁旋转热管管体3的腔体内沿轴向被二级锥形换热片402和一级锥形换热片401分隔成三个区域，沿锥台顶部至底部的方向依次为磁旋转热管制热区7、磁旋转热管复叠区11和磁旋转热管制冷区8，一级磁工质501填充在磁旋转热管复叠区11内靠近一级锥形换热片401的一侧上形成一级磁工质区，一级磁工质501的居里温度与磁旋转热管复叠区11的工作温度相匹配，二级磁工质502填充在磁旋转热管制热区7内靠近二级锥形换热片402的一侧上形成二级磁工质区，二级磁工质502的居里温度与磁旋转热管制热区7的工作温度相匹配，一级永磁体101套装在磁旋转热管2的一级磁工质区上，一级磁工质501与一级磁工质区固定连接，二级磁工质502与二级磁工质区固定连接，二级永磁体102套装在磁旋转热管2的二级磁工质区上，一级网筛601和二级网筛602垂直于磁旋转热管管体3的旋转轴，一级网筛601的一侧与一级磁工质501相接触，且一级网筛601的四周与磁旋转热管复叠区11的内壁面连接，二级网筛602的一侧与二级磁工质502相接触，且二级网筛602的四周与磁旋转热管制热区7的内壁面连接，一级网筛601和二级网筛602上的小孔阵列的孔径分别小于一级磁工质501和二级磁工质502的粒径，流体工质注入抽真空后的磁旋转热管制热区7、磁旋转热管复叠区11和磁旋转热管制冷区8内。
磁旋转热管管体3的材质为低导热系数材质，如工程塑料等，磁旋转热管管体3的热端9和冷端10材质为高导热系数材质，如紫铜等；锥形换热片4的材质为高导热系数材质，如紫铜等。
磁工质5为颗粒状的Gd、Gd基合金或者La-Fe-Si基合金，网筛6为不锈钢等编制丝网，流体工质为低沸点工质，如甲醇、乙醇、丙酮、电子氟化液、制冷剂等。
永磁体1为嵌套型Halbach永磁体。
二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置可拓展至N级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其中2<N<15。
实施例三
如图2所示，本发明还提供了一种一级室温磁热泵装置的制冷制热方法，制冷方法如下：
磁旋转热管2的热端9与环境接触，冷端10与负荷接触，磁旋转热管2绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，实现热开关作用，永磁体1给磁工质5加磁，磁工质5温度升高，磁旋转热管制冷区8停止工作，磁旋转热管制热区7内的液态流体工质吸收磁工质5产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至磁旋转热管2的热端9，在热端9往环境放热后凝结成液体，液体在离心力的分力作用下沿锥台下坡回流至磁工质区，流体工质依次循环，将磁工质5所产生的热量快速输运至环境，使磁工质5回到初始温度，磁工质5被去磁，磁工质5温度降低，磁旋转热管制热区7停止工作，磁旋转热管制冷区8的冷端10的液态流体工质吸收冷端10负荷的热量变成蒸汽，蒸汽扩散至锥形换热片4，通过锥形换热片4被温度较低的磁工质5冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至冷端10，流体工质依次循环，不断向冷端10输出冷量，一级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往冷端10不断输送冷量，从而实现连续制冷；
制热方法如下：
磁旋转热管2的热端9与负荷接触，冷端10与环境接触；磁旋转热管2绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，实现热开关作用，永磁体1给磁工质5加磁，磁工质5温度升高，磁旋转热管制冷区8停止工作，磁旋转热管制热区7内的液态流体工质吸收磁工质5所产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至磁旋转热管2的热端9，在热端9往负荷放热后凝结成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至磁工质区，流体工质依次循环，不断地向热端9输出热量，磁工质5去磁，磁工质5温度降低，磁旋转热管制热区7停止工作，磁旋转热管制冷区8的冷端10的液态流体工质吸收冷端10环境的热量变成蒸汽，蒸汽扩散至锥形换热片4，通过锥形换热片4被温度较低的磁工质5冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至冷端，流体工质依次循环，不断从冷端10环境吸收热量，进而使磁工质5回到初始温度，一级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往热端9不断输送热量，从而实现连续制热。
实施例四
如图4所示，本发明还提供了一种二级室温磁热泵装置的制冷制热方法，制冷方法如下：
磁旋转热管2的热端9与环境接触，冷端10与负荷接触，磁旋转热管2绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，起热开关作用，一级永磁体101给一级磁工质501加磁，一级磁工质501温度升高，同时二级磁工质502被去磁，二级磁工质502温度降低，磁旋转热管制冷区8和磁旋转热管制热区7停止工作，磁旋转热管复叠区11内的液态流体工质吸收一级磁工质501所产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至二级锥形换热片402，在二级锥形换热片402上被二级磁工质502冷凝成液体，液体在离心力的分力作用下沿锥台下坡回流至一级磁工质区，流体工质依次循环，将一级磁工质501所产生的热量快速输运至低温的二级磁工质502，降低一级磁工质501的温度，一级磁工质501被去磁，一级磁工质501温度进一步降低，从而拓宽温跨，二级永磁体102向二级磁工质502加磁，二级磁工质502温度升高，磁旋转热管复叠区11停止工作，磁旋转热管制冷区8和磁旋转热管制热区7的液态流体工质分别吸收冷端10负荷和二级磁工质502的热量变成蒸汽，蒸汽分别扩散至一级锥形换热片401和热端9，通过一级锥形换热片401和热端9，分别被温度较低的一级磁工质501和环境冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下分别沿锥台下坡回流至冷端10和二级磁工质区，流体工质依次循环，分别不断向冷端10输出冷量和使二级磁工质502回到初始温度，二级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往冷端10不断输送冷量，从而连续实现制冷；
制热方法如下：
磁旋转热管2的热端9与负荷接触，冷端10与环境接触，磁旋转热管2绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，起热开关作用，一级永磁体101给一级磁工质501加磁，一级磁工质501温度升高，二级磁工质502被去磁，二级磁工质502温度降低，磁旋转热管制冷区8和磁旋转热管制热区7停止工作，磁旋转热管复叠区11内的液态流体工质吸收一级磁工质501所产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至二级锥形换热片402，在二级锥形换热片402上被二级磁工质502冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至一级磁工质区，流体工质依次循环，将一级磁工质501所产生的热量快速输运至低温的二级磁工质502，升高二级磁工质502的温度，一级磁工质501被去磁，一级磁工质501温度降低，二级永磁体102向二级磁工质502加磁，二级磁工质502温度进一步升高，从而拓宽温跨，磁旋转热管复叠区11停止工作，磁旋转热管制冷区8和磁旋转热管制热区7的液态流体工质分别吸收冷端10环境和二级磁工质502的热量变成蒸汽，蒸汽分别扩散至一级锥形换热片401和热端9，通过一级锥形换热片401和热端9，分别被温度较低的一级磁工质501和负荷冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下分别沿锥台下坡回流至冷端10和二级磁工质区，流体工质依次循环，不断向热端9输出热量，二级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往热端9不断输送热量，从而连续实现制热。
综上，本发明实施例提供一种耦合旋转热管的室温磁热泵装置及制冷制热方法，其通过旋转热管内流体工质相变，提高磁工质与流体工质间的换热效率，进而提高工作频率；采用多级结构，拓宽运行温跨；并在此基础上，利用旋转热管转动所产生的离心力分力提供回流加速度，使装置免受重力方向的束缚，为多场合应用提供可能，又可通过调节热管转速改变回流加速度，以实时匹配冷/热负荷；并且与嵌套型Halbach永磁体的旋转模式相契合，无需额外增加动力部件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种一级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其特征在于，包括永磁体(1)和磁旋转热管(2)，所述磁旋转热管(2)包括磁旋转热管管体(3)、锥形换热片(4)、磁工质(5)、网筛(6)和流体工质，所述磁旋转热管管体(3)的内部为锥台状的腔体，所述磁旋转热管管体(3)的旋转轴沿水平方向放置且其腔体内沿轴向依次设置磁旋转热管制热区(7)和磁旋转热管制冷区(8)，所述磁旋转热管制热区(7)和磁旋转热管制冷区(8)被所述锥形换热片(4)分隔开，所述磁旋转热管制热区(7)位于靠近锥台状的腔体的顶部一侧，所述磁工质(5)填充在磁旋转热管制热区(7)里锥形换热片(4)的一侧形成磁工质区，所述永磁体(1)套装在所述磁旋转热管(2)的磁工质区上，所述网筛(6)垂直于所述磁旋转热管管体(3)的旋转轴且所述网筛的一侧与磁工质(5)相接触，所述网筛的四周与所述磁旋转热管制热区(7)的内壁面连接，所述流体工质注入抽真空后的磁旋转热管制热区(7)和磁旋转热管制冷区(8)内。
2.根据权利要求1所述的一种一级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其特征在于，所述磁旋转热管制热区(7)的内表面为锥台形，其锥台顶部至底部的朝向与锥形换热片(4)锥台朝向相同。
3.根据权利要求2所述的一种一级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其特征在于，所述磁旋转热管制热区(7)与外界接触的端面为磁旋转热管(2)的热端(9)，磁旋转热管制冷区(8)与外界接触的端面为磁旋转热管(2)的冷端(10)。
4.基于权利要求3所述的一种一级耦合旋转热管的室温磁热泵装置的二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其特征在于，所述永磁体(1)包括一级永磁体(101)和二级永磁体(102)，所述锥形换热片(4)包括一级锥形换热片(401)和二级锥形换热片(402)，所述磁工质(5)包括一级磁工质(501)和二级磁工质(502)，所述网筛(6)包括一级网筛(601)和二级网筛(602)，所述磁旋转热管管体(3)的腔体内沿轴向被所述二级锥形换热片(402)和一级锥形换热片(401)分隔成三个区域，沿锥台顶部至底部的方向依次为磁旋转热管制热区(7)、磁旋转热管复叠区(11)和磁旋转热管制冷区(8)，所述一级磁工质(501)填充在所述磁旋转热管复叠区(11)内靠近所述一级锥形换热片(401)的一侧上形成一级磁工质区，所述二级磁工质(502)填充在所述磁旋转热管制热区(7)内靠近所述二级锥形换热片(402)的一侧上形成二级磁工质区，所述一级永磁体(101)套装在所述磁旋转热管(2)的一级磁工质区上，所述一级磁工质(501)与所述一级磁工质区固定连接，所述二级磁工质(502)与所述二级磁工质区固定连接，所述二级永磁体(102)套装在所述磁旋转热管(2)的二级磁工质区上，所述一级网筛(601)和二级网筛(602)垂直于所述磁旋转热管管体(3)的旋转轴，所述一级网筛(601)的一侧与所述一级磁工质(501)相接触，且所述一级网筛(601)的四周与所述磁旋转热管复叠区(11)的内壁面连接，所述二级网筛(602)的一侧与所述二级磁工质(502)相接触，且所述二级网筛(602)的四周与所述磁旋转热管制热区(7)的内壁面连接，所述一级网筛(601)和二级网筛(602)上的小孔阵列的孔径分别小于所述一级磁工质(501)和二级磁工质(502)的粒径，所述流体工质注入抽真空后的磁旋转热管制热区(7)、磁旋转热管复叠区(11)和磁旋转热管制冷区(8)内。
5.根据权利要求1或4所述的二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其特征在于，所述磁旋转热管管体(3)的材质为低导热系数材质，所述磁旋转热管管体(3)的热端(9)和冷端(10)材质为高导热系数材质，所述锥形换热片(4)的材质为高导热系数材质。
6.根据权利要求1或4所述的二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其特征在于，所述磁工质(5)为颗粒状的Gd、Gd基合金或者La-Fe-Si基合金，所述网筛(6)为不锈钢等编制丝网，所述流体工质为低沸点工质。
7.根据权利要求1或4所述的二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其特征在于，所述永磁体(1)为嵌套型Halbach永磁体。
8.根据权利要求4所述的二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其特征在于，所述二级耦合旋转热管的室温磁热泵装置可拓展至N级耦合旋转热管的室温磁热泵装置，其中2<N<15。
9.一种一级室温磁热泵装置的制冷制热方法，其特征在于，制冷方法如下：
所述磁旋转热管(2)的热端(9)与环境接触，所述冷端(10)与负荷接触，所述磁旋转热管(2)绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，实现热开关作用，所述永磁体(1)给磁工质(5)加磁，所述磁工质(5)温度升高，所述磁旋转热管制冷区(8)停止工作，所述磁旋转热管制热区(7)内的液态流体工质吸收磁工质(5)产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至磁旋转所述热管(2)的热端(9)，在所述热端(9)往环境放热后凝结成液体，液体在离心力的分力作用下沿锥台下坡回流至磁工质区，流体工质依次循环，将所述磁工质(5)所产生的热量快速输运至环境，使所述磁工质(5)回到初始温度，所述磁工质(5)被去磁，磁工质(5)温度降低，所述磁旋转热管制热区(7)停止工作，所述磁旋转热管制冷区(8)的冷端(10)的液态流体工质吸收冷端(10)负荷的热量变成蒸汽，蒸汽扩散至所述锥形换热片(4)，通过所述锥形换热片(4)被温度较低的磁工质(5)冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至所述冷端(10)，流体工质依次循环，不断向冷端(10)输出冷量，一级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往冷端(10)不断输送冷量，从而实现连续制冷；
制热方法如下：
所述磁旋转热管(2)的热端(9)与负荷接触，所述冷端(10)与环境接触；所述磁旋转热管(2)绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，实现热开关作用，所述永磁体(1)给所述磁工质(5)加磁，磁工质(5)温度升高，所述磁旋转热管制冷区(8)停止工作，所述磁旋转热管制热区(7)内的液态流体工质吸收磁工质(5)所产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至所述磁旋转热管(2)的热端(9)，在热端(9)往负荷放热后凝结成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至磁工质区，流体工质依次循环，不断地向热端(9)输出热量，所述磁工质(5)去磁，磁工质(5)温度降低，所述磁旋转热管制热区(7)停止工作，所述磁旋转热管制冷区(8)的冷端(10)的液态流体工质吸收冷端(10)环境的热量变成蒸汽，蒸汽扩散至所述锥形换热片(4)，通过锥形换热片(4)被温度较低的磁工质(5)冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至冷端，流体工质依次循环，不断从所述冷端(10)环境吸收热量，进而使磁工质(5)回到初始温度，一级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往热端(9)不断输送热量，从而实现连续制热。
10.一种二级室温磁热泵装置的制冷制热方法，其特征在于，制冷方法如下：
所述磁旋转热管(2)的热端(9)与环境接触，所述冷端(10)与负荷接触，所述磁旋转热管(2)绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，起热开关作用，所述一级永磁体(101)给一级磁工质(501)加磁，所述一级磁工质(501)温度升高，同时所述二级磁工质(502)被去磁，所述二级磁工质(502)温度降低，所述磁旋转热管制冷区(8)和磁旋转热管制热区(7)停止工作，所述磁旋转热管复叠区(11)内的液态流体工质吸收一级磁工质(501)所产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至所述二级锥形换热片(402)，在所述二级锥形换热片(402)上被二级磁工质(502)冷凝成液体，液体在离心力的分力作用下沿锥台下坡回流至一级磁工质区，流体工质依次循环，将所述一级磁工质(501)所产生的热量快速输运至低温的二级磁工质(502)，降低所述一级磁工质(501)的温度，所述一级磁工质(501)被去磁，所述一级磁工质(501)温度进一步降低，从而拓宽温跨，所述二级永磁体(102)向二级磁工质(502)加磁，所述二级磁工质(502)温度升高，所述磁旋转热管复叠区(11)停止工作，所述磁旋转热管制冷区(8)和磁旋转热管制热区(7)的液态流体工质分别吸收所述冷端(10)负荷和二级磁工质(502)的热量变成蒸汽，蒸汽分别扩散至所述一级锥形换热片(401)和热端(9)，通过所述一级锥形换热片(401)和热端(9)，分别被温度较低的所述一级磁工质(501)和环境冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下分别沿锥台下坡回流至冷端(10)和二级磁工质区，流体工质依次循环，分别不断向所述冷端(10)输出冷量和使二级磁工质(502)回到初始温度，二级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往冷端(10)不断输送冷量，从而连续实现制冷；
制热方法如下：
所述磁旋转热管(2)的热端(9)与负荷接触，所述冷端(10)与环境接触，所述磁旋转热管(2)绕旋转轴以角速度ω旋转，产生的离心力分力沿锥台顶部至底部的方向，使得液态流体工质只能沿锥台下坡单向流动，起热开关作用，所述一级永磁体(101)给一级磁工质(501)加磁，所述一级磁工质(501)温度升高，所述二级磁工质(502)被去磁，二级磁工质(502)温度降低，所述磁旋转热管制冷区(8)和磁旋转热管制热区(7)停止工作，所述磁旋转热管复叠区(11)内的液态流体工质吸收一级磁工质(501)所产生的热量后变成蒸汽，蒸汽扩散至二级锥形换热片(402)，在所述二级锥形换热片(402)上被二级磁工质(502)冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下沿锥台下坡回流至一级磁工质区，流体工质依次循环，将所述一级磁工质(501)所产生的热量快速输运至低温的二级磁工质(502)，升高所述二级磁工质(502)的温度，所述一级磁工质(501)被去磁，所述一级磁工质(501)温度降低，所述二级永磁体(102)向二级磁工质(502)加磁，二级磁工质(502)温度进一步升高，从而拓宽温跨，所述磁旋转热管复叠区(11)停止工作，所述磁旋转热管制冷区(8)和磁旋转热管制热区(7)的液态流体工质分别吸收所述冷端(10)环境和二级磁工质(502)的热量变成蒸汽，蒸汽分别扩散至一所述级锥形换热片(401)和热端(9)，通过所述一级锥形换热片(401)和热端(9)，分别被温度较低的所述一级磁工质(501)和负荷冷凝成液体，液体在离心力分力的作用下分别沿锥台下坡回流至冷端(10)和二级磁工质区，流体工质依次循环，不断向所述热端(9)输出热量，二级室温磁热泵装置依照上述过程重复运行，往热端(9)不断输送热量，从而连续实现制热。
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| CN202410222658.0A CN118009566A (zh) | 2024-02-28 | 2024-02-28 | 一种耦合旋转热管的室温磁热泵装置及制冷制热方法 |
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2024
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