CN1479061A - 一种静止式室温磁致冷机 - Google Patents

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Abstract

一种静止式室温磁致冷机，涉及一种使用电磁体作为磁场源的室温磁致冷机的结构设计。本发明主要包括由通电线圈和具有气隙的导磁铁心构成的电磁体，具有室温巨磁热效应的磁工质，传热流体管道和热交换器。所述的磁工质放置于旋管中，该旋管安装在导磁铁心的气隙中，旋管的引入端和引出端分别通过装有阀门的传热流体管道与冷、热端热交换器相连，在引入端的传热流体管道上设有水泵。本发明使用电磁体作为磁场源，形成可控的磁场变化，克服了超导磁体难于实现、价格昂贵的缺点，同时省去了复杂的机械运动单元，优于使用永磁体的磁致冷机设计模式，具有体积小，结构和操作简单，运行稳定，经济性好的特点。

Description

一种静止式室温磁致冷机
技术领域
本发明涉及一种磁致冷机，尤其涉及一种使用电磁体作为磁场源的室温磁致冷机。
背景技术
制冷技术广泛应用于科研、生产和生活之中，它是指用人工方法使某一物体或者某一空间达到并保持所需要的低温。传统的制冷技术借助于对气体工质压缩和膨胀时所伴随的做功和熵的变化原理来实现热量的转移。气体压缩制冷的缺点在于其所采用的气体工质通常会对大气产生危害作用，而且由于压缩机的使用使制冷效率比较低。
磁致冷技术则是针对气体压缩制冷的种种局限，利用固体磁性材料具有磁热效应的原理来实现制冷的一项技术。磁致冷过程是一个物理过程，它是通过对某些磁致冷材料施加外磁场来改变其磁熵，实现热量从低温热源到高温热源的传递，从而达到对负荷进行制冷的目的。磁致冷具有相当多的优点：首先由于完全采用固体磁致冷材料作为制冷工质，使得装置体积大大减小；其次，由于不使用压缩机，制冷环节的效率提高了；第三，磁致冷工质不会像气体工质如氟利昂等那样对大气产生危害，所以它还是一项无污染的技术。基于以上诸多优点，磁致冷技术具有极大的发展前景。随着高温特别是室温附近磁热材料的发现，室温磁致冷技术集中了更大的研究兴趣。目前，人们已经发现并研制出了多种室温下具有巨磁热效应的磁致冷材料，这使得室温磁致冷技术的实现乃至最终实用化逐渐变为可能。在室温磁致冷技术的实现中，除寻找新型具有巨磁热效应的材料是一难点之外，如何设计结构简单、性能稳定、高效率的磁致冷机也是需要解决的重点。
利用磁致冷技术原理进行制冷的装置即为磁致冷机。磁致冷机主要应包括磁场源、磁工质、冷热端热交换器和传热流体管道几个部分构成，其中磁场源、磁工质和传热流体管道是与传统气体压缩制冷区别较大的单元，因而是磁致冷技术设计实现的重点。目前国内外已经提出多种磁致冷机的设计方案，归纳起来，这些设计方案按照磁场源的设计方式来看，主要有采用超导磁体和永磁体两种方式。对于前者，利用超导技术可以产生非常高的磁场，但是将其运用到室温磁致冷中，则会使装置复杂性大大提高、实现困难，而且价格昂贵、不易维护，因而只适合于理论和试验研究。随着超强永磁新材料的不断问世，利用永磁体作为磁场源则是一个相对容易实现，而且价格便宜的方法，现有技术中这类设计方案层出不穷，例如专利WO 02/12800中提出的一种旋转磁床式磁致冷机，X.Bohigas等人在IEEE Transactionson Magnetic第36卷第3期上(第538～544页)发表的《使用永磁体的室温磁致冷机》一文中所提到的一种使用永磁体的室温磁致冷机以及美国依阿华州立大学与美国航空局联合制造的世界上第一台永磁体室温磁致冷样机等等。尽管采用永磁体要经济并简单易行的多，但仍存在有较大缺陷，原因是这种设计会使装置体积过大或者必须采用非常复杂的机械部件。磁致冷技术中磁工质磁热效应的发挥必须通过对其施加磁场和退磁两个过程来改变其磁熵，而永磁体只能产生固定大小的静止磁场，这时只有使磁场源和磁工质作相对运动才能达到磁工质外加磁场变化的效果。由于磁工质的外加磁场域总是依赖于永磁体的气隙磁场来产生，在磁场源或磁工质两者任一做运动时，都必然会有磁致冷机体积非常大，同时不可避免的要使用机械元件以带动两者之一运动，功耗也较大。特别地，在磁场静止、磁工质运动的磁致冷机设计方案中，必须额外设计使用一分配阀部件来完成运动的磁工质和静止的冷、热端热交换器之间的热量交换，而分配阀部件不仅在设计和实现上比较困难，还会产生可观的热量损耗，大大降低磁致冷机的制冷效果。因而，采用永磁体作为磁场源的磁致冷机仍会有较大缺陷，如体积过大、结构复杂，运行和操作非常不便等。
发明内容
本发明的目的是提供一种对环境无污染的静止式室温磁致冷机，该装置能够实现室温下的制冷效果，结构简单，无需使用压缩机和复杂的机械运动单元，其制冷效率高于传统的气体压缩制冷。
本发明的技术方案如下：一种静止式室温磁致冷机，主要包括磁场源，具有室温巨磁热效应的磁工质，传热流体管道和热交换器，其特征在于：所述的磁场源采用由通电线圈具有气隙的导磁铁心构成的电磁体；所述的磁工质放置于旋管之中，该旋管安装在导磁铁心的气隙中，旋管的引入端和引出端分别通过装有阀门的传热流体管道与冷、热端热交换器相连，在引入端的传热流体管道上设有水泵。
本发明所述的旋管为圆盘管状，旋管的引入端位于盘管的外边缘，其引出端位于盘管的中心。
本发明所述的旋管中的磁工质采用间隔叠放的多孔薄片结构或采用疏松结构。
本发明的技术特征还在于所的导磁铁心呈C字形状。
本发明的技术特征还在于所述的磁致冷机还包括一个含有计算机程序的单片机，该单片机通过控制线路分别与所述的通电线圈、水泵和阀门相连。
本发明所提供的静止式室温磁致冷机具有以下优点及突出性效果：使用电磁体作为磁场源以获得可控的磁场变化，克服了超导磁体实现困难、价格昂贵的缺点；同时省去了复杂而难以实现的机械运动单元，优于使用永磁体的磁致冷机设计模式。本发明具有体积小、结构和操作简单，经济性好，易于实现，运行稳定的优点。
附图说明
图1为本发明提供的使用电磁体的静止式室温磁致冷机实施例的结构示意图。
图2为所设计的旋管外部结构原理示意图。
图3为旋管内部磁工质采用的薄片结构示意图。
图4为本发明所采用的Brayton热力循环的温熵图。
图5为单片机控制软件流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理作进一步的说明。
图1是使用电磁体的静止式室温磁致冷机的结构示意图。该磁致冷机主要由电磁体1、旋管2、传热流体管道3、冷端热交换器4a和热端热交换器4b(与冷热源相连)以及控制单元5等五个部分组成。电磁体1由通电线圈7和具有气隙9的导磁铁心8构成；所述的旋管2为圆盘管状(如图2所示)，其引入端10a位于盘管的外边缘，其引出端10b位于盘管的中心。旋管的引入端10a和引出端10b分别通过装有阀门(11a、11b、11c、11d)的传热流体管道3与冷、热端热交换器4a、4b相连，在引入端10a的传热流体管道3上设有水泵12。
图3是旋管2内部磁工质13采用的薄片结构示意图。旋管2是由绝热性能良好的材料制成的管道，内部装有磁工质13，磁工质13是在室温情况下具有巨磁热效应的磁性材料，如金属钆等，磁工质13采用间隔叠放的多孔薄片结构或疏松结构，目的是为保证与其中流过的传热流体充分接触以完成热量交换。
本发明的实施例中采用电磁体1来产生所需要的磁场源，它由输入电源6、通电线圈7和导磁铁心8三个部件组成。导磁铁心8呈C字形，采用导磁性能优良的材料制成，其作用是为减小磁路上的磁动势降落，增强通电线圈所产生的磁场，从而在其开口处的气隙9中形成较高磁密的气隙磁场，该气隙9中的气隙磁场是磁工质的工作空间，装有磁工质13的旋管2固定在气隙9中，是磁致冷机的核心功能部件。通电线圈7绕制在导磁铁心8的臂端上，输入电源6为电流可调的直流电源。
控制单元5用来控制电源输入6、水泵12和四个阀门11a，11b，11c，11d，通过对这些部件发信号，来控制各个部件协调工作，完成整个磁致冷循环。控制单元5采用一个含有计算机程序的单片机，通过控制线路与通电线圈7、水泵12和阀门11a，11b，11c，11d相连，该单片机通过事先写入的程序来控制各部件的协调工作，完成磁致冷机的制冷循环。图5为该单片机的控制软件流程框图。通过修改写入程序中的参数能够相应地调整磁致冷机的制冷循环周期和每个循环中的各个过程时间。
本发明中的磁致冷机其热力循环采用布雷顿(Brayton)循环方式，稳定的工作循环由四个阶段构成，如图4，分别是绝热磁化温度升高14、恒场循环散热15、绝热去磁温度降低16和恒场循环吸热17。其具体工作原理和过程叙述如下：
在一个循环的开始，控制单元5发出下降沿信号，关掉所有阀门11a，11b，11c，11d和水泵12，从而切断磁工质13与冷热端热交换器4a和4b之间的热量交换，这个过程可以近似为绝热过程14；同时控制单元5发斜坡信号给电源输入端6，通电线圈7中通以电流，而且随着信号的逐渐增强，通电电流逐渐增大，通电线圈7中产生逐渐增强的磁场，磁路沿导磁铁心8、气隙9和旋管2建立起闭合磁路。在绝热的情况下，旋管2中的磁工质13由于外加磁场的作用，其熵值降低，并与滞留在旋管2中的传热流体温度一起升高；当导磁铁心8中的磁通接近饱和(或者达到某一事先设定值)之时，磁工质13达到热源温度TH。
第二步，控制单元5由逐渐增大的斜坡信号转入保持阶段，即开始向电源输入6发保持信号，保持通电线圈7通电电流不变即保持磁场恒定，同时向阀门11b、11d和泵12发上升沿信号，打开阀门11b、11d和泵12。传热流体即在水泵12的压力下，沿着11b-12-2-11d-4b-11b的方向流动，建立起磁工质13与热端热交换器4b之间的散热循环，即进入恒场循环散热过程15。传热流体的流动使热量从温度较高的磁工质13经由热端热交换器4b散发到高温热源中去。随着热量的散发，磁工质13的温度逐渐下降，最终降至高温热源的温度Th，建立起热平衡。
当热量传递循环建立平衡以后，控制单元5发出下降沿信号，关掉水泵12和阀门11b和11d，旋管2中传热流体又将停止流动，于是切断了磁工质13与外界的热联系；同时控制单元5对电源输入端10的信号由保持信号变为向下倾斜的斜坡信号，使得通电线圈5中的通电电流逐渐减小，相应的磁场也逐渐减小，磁工质13的温度迅速降低，这一过程为绝热去磁温度降低过程16。当电流减小至零即达到零磁场后，控制单元5将对电源输入将保持为零信号，即通电线圈7的通电电流为零，导磁铁心8的气隙磁场降为零，磁工质13的温度则降低到最低温度Tc。
继续由控制单元5发上升沿信号，打开阀门11a和11c以及水泵12，水泵12作用方向不变，于是建立起11c-12-2-11a-4a-11c的吸热循环，磁工质13进入恒温吸热过程17，通过传热流体的流动从冷端热交换器4a中吸收热量，达到制冷的目的。在这一过程中，磁工质13的温度逐渐升高，直到与制冷热负荷温度Tc相同，建立热平衡为止。
旋管2中传热流体的流向由水泵12控制，在每一个制冷循环中的吸热和放热过程，均保持单一的流向，即由传热流体由旋管引入端10a流入，而从旋管中心引出端10b流出。其原因很明显，不论是通过定量周密的磁场分析计算、还是仅仅简单定性的考虑铁心边缘的漏磁效应，都可以得出气隙中心处磁通密度较边缘处大；相应的，对于旋管2内的磁工质13，其外加磁场变化引起的磁熵变大小也是中心处稍高于边缘，在吸热和放热的两个工作过程中，旋管2内部的磁工质13上会形成从边缘到中心的微小温度梯度。当流向与温度梯度的方向一致时，即使传热流体自边缘向中心流动方向，便可以获得一个较高的传热效率。

Claims (5)

1.一种静止式室温磁致冷机，主要包括磁场源，具有室温巨磁热效应的磁工质，传热流体管道和热交换器，其特征在于：所述的磁场源采用由通电线圈(7)和具有气隙(9)的导磁铁心(8)构成的电磁体；所述的磁工质(13)放置于旋管(2)之中，该旋管安装在导磁铁心的气隙中，旋管的引入端(10a)和引出端(10b)分别通过装有阀门的传热流体管道(3)与冷、热端热交换器(4a、4b)相连，在引入端的传热流体管道上设有水泵(12)。
2.按照权利要求1所述的磁致冷机，其特征在于：所述的旋管为圆盘管状，旋管的引入端位于盘管的外边缘，其引出端位于盘管的中心。
3.按照权利要求1或2所述的磁致冷机，其特征在于：所述旋管中的磁工质采用间隔叠放的多孔薄片结构或采用疏松结构。
4.按照权利要求1所述的磁致冷机，其特征在于：所述的导磁铁心呈C字形状。
5.按照权利要求1所述的磁致冷机，其特征在于：所述的磁致冷机还包括一个含有计算机程序的单片机，该单片机通过控制线路分别与所述的通电线圈、水泵和阀门相连。
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