CN202216447U

CN202216447U - 摆动式室温磁制冷机

Info

Publication number: CN202216447U
Application number: CN2011203216476U
Authority: CN
Inventors: 曾德长; 柏占; 郑志刚; 钟喜春; 刘仲武; 余红雅; 邱万奇
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2021-08-30

Abstract

本实用新型公开了一种摆动式室温磁制冷机，包括永磁体磁场源系统、磁工质转盘系统、流体热交换系统、运动控制系统；永磁体磁场源系统：由两个相同的永磁体系统对称设置，所述永磁体系统，包括提供励磁源的永磁体和起导磁作用的E型导磁框架，所述导磁框架中部的磁铁芯将整个框架分为上下两个区间，所述磁铁芯的外端为上下突出的平台结构，磁工质转盘系统：包括转轴及固定于转轴上的八个转盘盒，转盘盒分上下两层，每层四个，且对称设置，所述流体热交换系统包括热端热交换器、低温密闭空间以及封在其中的冷端热交换器，本实用新型简化了磁制冷机结构；既具有往复式室温磁制冷机的结构简单的优点，又具有旋转式室温磁制冷机的效率高的优点。

Description

摆动式室温磁制冷机

技术领域

本实用新型涉及一种磁制冷机，尤其涉及一种摆动式室温磁制冷机。

背景技术

目前，室温磁制冷研究在世界范围内积极开展，主要集中在磁制冷材料的制备以及磁制冷样机的研究方面。

(1)Gd及其化合物。目前最典型的可作磁性制冷循环工质的材料是镧系稀土金属钆Gd。Gd的居里温度为293K，接近室温，且具有较大的磁热效应。

(2)钙钛矿及类钙钛矿类化合物。近几年来，在具有超大磁热效应的钙钛矿锰氧化物中同时发现了大的磁熵变化，由此而引起对该类材料的广泛关注。该系列化合物的最大优点在于与Gd和GdSiGe成本大大降低，化学性能稳定(不用考虑防氧化的问题)，矫顽力小以及电阻率大。该系列化合物可以通过样品的掺杂很方便地调节其居里温度到所需范围，但是同时会导致磁熵变下降太多，另外，钙钛矿锰氧化物导热率太低，不利于传热，实用性降低。

(3)稀土-过渡金属间化合物。除前面提到的GdSiGe系列化合物以外，其它稀土-过渡金属间化合物也具有较大的磁熵变，且通过离子掺杂可以很方便地进行居里温度的调节。例如MnFePAs、MnAsSb、NiMnGa、La(Fe，Si)13等。

目前出现的室温磁制冷样机主要有两种形式，往复式室温磁制冷机和旋转式室温磁制冷机。往复式存在效率低的缺点，而旋转式则有结构复杂、工质盘受到单边力作用等缺点。

实用新型内容

为了解决往复式室温磁制冷机效率低和旋转式室温磁制冷机结构复杂、工质盘受到单边力作用等缺点，本实用新型提供了一种摆动式室温磁制冷机。所述技术方案如下：

一种摆动式室温磁制冷机，包括永磁体磁场源系统、磁工质转盘系统、流体热交换系统、运动控制系统；

永磁体磁场源系统：由两个相同的永磁体系统对称设置，所述永磁体系统，包括提供励磁源的永磁体和起导磁作用的E型导磁框架，所述导磁框架中部的磁铁芯将整个框架分为上下两个区间，所述磁铁芯的外端为上下突出的平台结构；在上下两区间内分别设有两层导磁材料，所述导磁材料的外端与磁铁芯的外端平齐，内端与框架内壁留有间隙，导磁材料与磁铁芯的平台之间形成工作间隙，在工作间隙外的导磁框架区间内按Halbach旋转定理确定的方向填入不同充磁方向的永磁体；

磁工质转盘系统：包括转轴及固定于转轴上的八个转盘盒，转盘盒分上下两层，每层四个，且对称设置，其中上层中相对称的两个转盘盒及下层中相对称的两个转盘盒分别位于两个永磁体系统的四个工作间隙中；在八个转盘盒中分别放置磁工质，磁工质随转轴的转动而进出磁场；所述位于工作间隙中的四个磁工质盒通过流体管道依次连接构成发热组，其余四个磁工质盒通过流体管道依次连接构成吸热组；

所述流体热交换系统包括热端热交换器、低温密闭空间以及封在其中的冷端热交换器；通过运动控制系统控制实现制冷，所述制冷过程为：流体在水泵的驱动下沿管道流过吸热组的四个磁工质，再流经冷端热交换器，流出冷端热交换器的流体流过放热组的四个磁工质，再流经热端热交换器，热端将热量散失到空气中。

所述运动控制系统：包括可编程序控制器(PLC)、步进电机和电磁阀，所述电磁阀共4个，分为两组；所述运动控制系统的控制过程为：当可编程序控制器发出命令使得一组磁工质盒在步进电机的带动下进入磁场区，此时可编程序控制器发出命令使得一组电磁阀和水泵打开，完成一个制冷过程；然后可编程序控制器控制步进电机转动轴转动90度，使另一组磁工质盒进入磁场；可编程序控制器发出命令切换为另一组电磁阀打开，完成第二个制冷过程；然后可编程序控制器控制步进电机转动轴反向转90度，重复第一个制冷过程，依次循环进行制冷。

所述导磁材料固定在E型导磁框架上。

所述突出的平台宽度占磁铁芯宽度的30％～50％。

所述导磁材料内端面与其一侧填充的永磁体之间留有间隙。

所述导磁材料的宽度与突出的平台宽度相同。

所述永磁铁系统的横截面为扇形。

所述的永磁体为稀土钕铁硼永磁体；所述的导磁铁芯框架以及导磁材料均为电工纯铁。

本实用新型的原理为：转轴摆动带动磁工质进出磁场空间，处于磁场空间的磁工质磁化放热，传热流体流向热端热交换器，将磁工质产生的将热量传给热端热交换器，热端热交换器再将热量传给高温空间；不在磁场空间的磁工质退磁吸热，传热流体流向冷端热交换器，磁工质通过流体、冷端热交换器从低温密闭空间吸收热量。

本实用新型提供的技术方案的效果和优点是：

(1)通过运动控制单元控制磁工质转盘盒的运动，利用控制电磁换向阀实现对传热流体流向的控制，将原本两个独立的流体循环整合为一个流体循环，从而完成磁制冷机的循环过程，达到室温下的制冷效果，简化了磁制冷机结构；既具有往复式室温磁制冷机的结构简单的优点，又具有旋转式室温磁制冷机的效率高的优点。

(2)由于采用了双气隙永磁体结构，180度对称固定布置有效地减少了磁工质转盘所受的磁单边拉力、轴向力，增加了转盘的使用寿命。

(3)转动轴以90度的幅度左右摆动的方式运动，连接磁工质转盘盒的流体管道几乎不动，避免了管道的纠缠，使流体管道系统大大简化，减少了成本。

(4)磁工质转盘盒内部流体管路采用多级式串联，这样进一步简化了管路结构并且能够实现级进式制冷。

(5)本实用新型的永磁体系统具有如下优点：具有双空气隙的对称结构，可以同时对两部分磁工质进行励磁(退磁)，从而可以使室温磁制冷机结构更加紧凑、高效；空气隙磁场强度均匀性好，减少了磁工质在励磁(退磁)过程中工质之间的热交换，从而提高制冷效率；具有双空气隙的对称结构，安装得当可以极大地减小轴向力，减小输入功率，提高制冷效率；具有较大的气隙场空间，有利于装载较多的磁工质，提高室温磁制冷机的制冷量。

附图说明

图1为本实用新型永磁体系统的剖面示意图。

图2是摆动式室温磁制冷机所用永磁体系统结构示意图。

图3是摆动式室温磁制冷机励磁源永磁体布置示意图。

图4是摆动式室温磁制冷机中工质转盘盒流体管路接线示意图。

图5是摆动式室温磁制冷机的摆动式运动示意图。

图6是摆动式室温磁制冷机原理示意图。

图7是永磁体结构的磁力线分布图。

图8是工作间隙中磁场强度的分布曲线图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点能清楚地凸显说明，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。

本实施例提供了一种摆动式室温磁制冷机，包括永磁体磁场源系统、磁工质转盘系统、流体热交换系统、运动控制系统。

永磁体磁场源系统：由两个相同的永磁体系统对称设置，该永磁体系统，剖面结构如图1所示，三维结构示意图如图2所示，包括提供励磁源的永磁体和起导磁作用的E型导磁框架9，所述导磁框架9中部的磁铁芯3将整个框架分为上下两个区间，所述磁铁芯3的外端为上下突出的平台结构；所述突出的平台宽度占磁铁芯宽度的40％。在上下两区间内分别设有两层导磁材料1、5，所述导磁材料1、5固定在E型导磁框架9上。所述导磁材料1、5的外端与磁铁芯3的外端平齐，内端与框架9内壁留有间隙，导磁材料1、5与磁铁芯上下突出的平台4、2之间形成工作间隙，在工作间隙外的导磁材料1、5与框架9之间按Halbach旋转定理确定的方向填入不同充磁方向的永磁体6、7、8、10、11、12。所述导磁材料1、5内端面与填充的永磁体8、10之间留有间隙，且导磁材料的宽度与上下突出的平台4、2宽度相同，以此来增加磁场的大小和均匀度。所述的永磁体为稀土钕铁硼永磁体；所述的导磁铁芯框架以及导磁材料均为电工纯铁。图8上部的曲线代表上面的工作间隙的磁场强度分布，下部的曲线代表下面的工作间隙的磁场强度分布。可见旋转式磁制冷机用的扇形永磁体工作间隙非常大，将此空间全部填充磁制冷工质金属Gd，其质量达到3100g。缩小工作间隙的尺寸或者增大磁体相对尺寸，工作间隙的磁场强度将会进一步增加。在磁制冷机中采用两套磁体系统和两组磁工质，对于此结构，整个系统所产的轴向磁拉力和径向磁拉力基本为零。

如图3所示，将两个相同的图1所示的永磁体系统180度对称固定布置，这样布置可以更好的发挥双气隙磁场的优点，减少磁工质转盘盒轴向力和磁单边力。在两层磁场气隙的平面内安装磁工质转盘盒，转动轴位于中心轴线上用于驱动磁工质进出磁场。

磁工质转盘系统：包括转轴及固定于转轴上的八个转盘盒，根据励磁源的特点，设计磁工质转盘盒为双层结构，每一层又分为4个，且对称设置，转盘盒内装载磁工质(金属Gd)，其中上层中相对称的两个转盘盒及下层中相对称的两个转盘盒分别位于两个永磁体系统的四个工作间隙中；所述磁工质为磁制冷材料，磁工质随转轴的转动而进出磁场；这样在制冷机运行时，总有一半的磁工质处于励磁放热，一半处于退磁吸热状态，与传统的旋转式相比提高了制冷效率。

为了清晰说明磁工质转盘盒流体管路接线情况，如图4所示，将上下两层的盒体放在同一平面内图示，虚线部分为磁体所在位置，可简易代表磁场区间，1、2、3、4、5、6、7、8为装载有磁工质的小盒。图4中的磁工质1、3、5和7正在磁场中励磁，进行让热，实线表示将1、3、7和5依次连接的换热流体管道，最后通往热端进行热交换。其余的磁工质2、4、6和8也采用类似的方法进行连接，如点画线表示。采用级进式串联连接的方法，将上下两层的励磁(退磁)状态的磁工质小盒用管道连接在一起，该方法大大简化了流体管路布置，同时可以实现分级制冷。

本实用新型所提供的室温磁制冷机之所以称为摆动式，其最大的特点就是其运动方式既不是传统的往复直线式也不是传统的旋转式，而是采用类似钟摆的摆动式。运行时，转动轴先逆时针旋转90度，转动轴暂4S，通流体，再顺时针旋转90度，转动轴再次暂停4S，通流体，如此循环运行。摆动式的特点就是不会存在管路纠结缠绕的问题，不必配备复杂的流体配流阀，因此流体管路可以做到像往复式一样简单；同时由于是角运动可以实现磁工质盒的快速定位，提高制冷机的运行频率。

所述流体热交换系统包括热端热交换器、低温密闭空间以及封在其中的冷端热交换器；通过运动控制系统控制实现制冷，所述运动控制系统：包括可编程序控制器、步进电机和电磁阀，所述电磁阀共4个，分为两组。下面结合附图对制冷过程作进一步的说明：

如图5所示的是磁工质转盘盒上层部分，开始状态下，1、3励磁放热，2、4退磁吸热，逆时针旋转90度后，1、3退磁吸热，2、4励磁放热，转动轴暂停，通流体传热，再顺时针旋转90度回到起始位置，循环上述步骤运行，从而实现制冷。

如图6所示，从图示开始状态下开始：

①磁工质小盒1、3、5、7处于励磁状态，磁工质小盒2、4、6、8处于退磁状态。

②通过可编程序控制器控制打开水泵、电磁阀K2和K3，关闭电磁阀K1、K4，流体在泵的驱动下(箭头方向为流体运动方向)流过2、4、6、8将低温传给冷端，流出冷端的流体流过1、3、5、7将其放出的热量带到热端，热端将热量散失到空气中，流体流出热端完成一个循环。当流体将磁工质产生的热量传走后关闭水泵。

③可编程序控制器控制步进电机驱动转动轴逆时针旋转90度，磁工质小盒1、3、5、7处于退磁状态，磁工质小盒2、4、6、8处于励磁状态。

④可编程序控制器控制打开水泵、电磁阀K1和K4，关闭电磁阀K2和K3，流体在泵的驱动下流过1、3、5、7将低温传给冷端热交换器，流出冷端热交换器的流体流过2、4、6、8将其放出的热量带到热端热交换器，热端将热量散失到空气中，流体流出热端完成一个循环。当流体将磁工质产生的热量传走后关闭水泵。

⑤运动控制系统控制步进电机驱动转动轴顺时针旋转90度，回到步骤①。循环运行以上步骤实现制冷效果。

Claims

1.一种摆动式室温磁制冷机，其特征在于，包括永磁体磁场源系统、磁工质转盘系统、流体热交换系统、运动控制系统；

所述流体热交换系统包括热端热交换器、低温密闭空间以及封在其中的冷端热交换器；通过运动控制系统控制实现制冷，所述制冷过程为：流体在水泵的驱动下沿管道流过吸热组的四个磁工质，再流经冷端热交换器，流出冷端热交换器的流体流过放热组的四个磁工质，再流经热端热交换器。

2.根据权利要求1所述的磁制冷机，其特征在于，所述运动控制系统：包括可编程序控制器、步进电机和电磁阀，所述电磁阀共4个，分为两组；所述运动控制系统的控制过程为：当可编程序控制器发出命令使得一组磁工质盒在步进电机的带动下进入磁场区，此时可编程序控制器发出命令使得一组电磁阀和水泵打开，完成一个制冷过程；然后可编程序控制器控制步进电机转动轴转动90度，使另一组磁工质盒进入磁场；可编程序控制器发出命令切换为另一组电磁阀打开，完成第二个制冷过程；然后可编程序控制器控制步进电机转动轴反向转90度，重复第一个制冷过程，依次循环进行制冷。

3.根据权利要求1或2所述的磁制冷机，其特征在于，所述导磁材料固定在E型导磁框架上。

4.根据权利要求3所述的磁制冷机，其特征在于，所述突出的平台宽度占磁铁芯宽度的30％～50％。

5.根据权利要求4所述的磁制冷机，其特征在于，所述导磁材料内端面与其一侧填充的永磁体之间留有间隙。

6.根据权利要求5所述的磁制冷机，其特征在于，所述导磁材料的宽度与突出的平台宽度相同。

7.根据权利要求6所述的磁制冷机，其特征在于，所述永磁铁系统的横截面为扇形。

8.根据权利要求7所述的磁制冷机，其特征在于，所述的永磁体为稀土钕铁硼永磁体；所述的导磁铁芯框架以及导磁材料均为电工纯铁。