CN202258630U - 一种室温磁制冷机用永磁体系统 - Google Patents

一种室温磁制冷机用永磁体系统 Download PDF

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钟喜春
刘仲武
余红雅
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Abstract

本实用新型公开了一种室温磁制冷机用永磁体系统，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。本实用新型的永磁体系统可以装载更多的磁工质，增大制冷量；气隙场场强均匀性好，减少了磁工质内部的换热，增大换热效率；结构更加紧凑、高效。

Description

一种室温磁制冷机用永磁体系统
技术领域
本实用新型涉及一种室温磁制冷机用永磁体系统。
背景技术
磁制冷技术是利用磁制冷材料(磁工质)所具有的磁热效应(MagnetocaloricEffect)，即磁工质进入磁场(励磁)中向外界放热，退出磁场(退磁)中向外界吸热这一特性实现制冷的。其原理是电子磁矩在磁场中有序的排列，造成磁熵降低，引起磁工质发热；退出磁场后磁矩排列无序，磁熵增大，磁工质要从外界吸热，将这两个过程用热力学循环(卡诺循环、埃里克森循环、斯特林循环和布莱顿循环)连接在一起即可实现制冷。
室温磁制冷机主要应包括励磁源、磁工质、冷热端热交换器和传热流体管道几个部分构成，其中励磁源、磁工质和传热流体管道是磁制冷机中设计的重点也是难点，目前国内外已经提出多种磁制冷机的设计方案，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制冷中，则会使装置复杂性大大提高，而且价格昂贵、不易维护，因而只适合于理论和试验研究。随着超强永磁材料和高效磁热工质材料的不断问世，利用永磁体作为磁场源则是一个相对价格便宜、容易实现的方法。目前制造的稀土永磁体NdFeB的磁能积已经超过400kJ/m3，剩磁Br达到1.4T，矫顽力Hc达到1100kA/m。永磁体磁性能的提高极大地促进了室温磁制冷技术的发展，而且也将使磁制冷机的结构更加紧凑。
为了增加磁制冷机的制冷温跨和制冷功率，需要较高强度的磁化场，人们根据Halbach旋转定理设计了中空圆柱形永磁体结构。虽然这种永磁体结构能够产生较大的磁场，但是也存在一定的缺点，就是磁路结构复杂，制造成本高，而且这种中空圆柱形永磁磁场提供的工作间隙较小，使得磁工质用量较少，从而使得制冷功率很低。人们对这种磁体结构又进行改进，例如申请号为“200810223038.X”的专利提出了一种旋转磁制冷用的永磁磁体系统，但经过改进后的磁体系统，由于工作间隙内加入了两块导磁铁芯，致使磁工质质量大大减小。到目前为止室温磁制冷样机用的永磁体磁场源仍然存在以下问题：
1.气隙场强度均匀性不好，磁工质内部存在热交换，降低了换热效率。
2.气隙场强度较大的永磁系统，磁体结构复杂，加工和组装难度大、成本高。
3.磁工质盒受力不对称，受到交变的不对称载荷的作用扭曲变形，增加了室温磁制冷机的使用维修费用。
4.在工作气隙的大小与磁场强度的关系中，如何做到增加磁工质的质量而不减小工作气隙的磁场强度也是需要解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术的缺点，提出供室温磁制冷机使用的一种结构相对简单、高效的永磁体系统，使室温磁制冷机能在室温下实现大的制冷功率。
一种室温磁制冷机用永磁体系统，其特征在于，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。
优选地，所述的永磁体为具有高磁能积的稀土钕铁硼永磁体；所述的导磁铁芯框架以及导磁材料均为具有高磁导率、低矫顽力的电工纯铁。
优选地，所述导磁材料固定在E型导磁框架上。
优选地，所述突出的平台宽度占磁铁芯宽度的30％～50％。
优选地，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。
优选地，所述导磁材料的宽度与突出的平台宽度相同。
选择E型结构的原因：一是减少非关键部分的磁体使用量，用导磁铁芯材料替代，从而大大节约成本，符合低碳环保的社会发展需求；再者就是通过上下两个对称的磁场对磁工质产生的磁相互作用力能相互抵消，不会产生单边磁吸引力。通过该磁体结构可以得到两个大小相等，磁极方向相反的磁场。当磁工质进行磁化和退磁的时候，由于磁极方向相反使得磁工质受到的轴向磁拉力相互抵消，从而减小扭矩和输入功率，增加制冷效率。另一方面，无论是旋转式还是往复式，一般情况都会采用两套磁体系统和两组磁工质，当一组磁工质进入磁场磁化的时候，另外一组刚好要退出磁场进行退磁。因为两组磁工质的位相差为180°，这样也是为了减小径向方向的磁吸引力。图1所示的磁体系统完全符合这样的要求，可以加工制备成扇形状，用于旋转式磁制冷机的磁体系统，如图3所示，也可以加工成直线型，用于往复式磁制冷机的磁体系统，如图4所示。因此本实用新型所阐述的磁体结构具有更广阔的应用空间。
本实用新型的关键点在于导磁铁芯的设计上，为了使工作间隙中的磁场强度大而均匀，需要尽量减小漏磁，尽量使磁场的两极平整且相互平行。但是永磁体加工制造工艺复杂，因此我们在永磁体的表面增加一层高磁导率的导磁材料，通过控制导磁材料的加工精度来达到磁场强度均匀的目的。采用在磁体结构两侧断面通过螺钉紧固件的方法将这一层导磁材料固定在E型导磁铁芯上，同时使得永磁体块能紧密结合在一起。
本实用新型所提供的室温磁制冷机用永磁体系统具有以下优点和突出效果：气隙场空间较大，可以装载更多的磁工质，增大制冷量；气隙场场强均匀性好，减少了磁工质内部的换热，增大换热效率；双气隙的对称结构，极大的减少了装置所受的轴向力，可达到减小输入功率，提高制冷效率；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。同时也将减少室温磁制冷机的使用和维修费用；由于本实用新型涉及的永磁体系统相对于Halbach中空圆柱形永磁磁体结构而言，磁体用量减少而工作间隙的磁场强度不减小，同时结构相对简单，因此整个磁体加工制造成本将大大减少；另外，可以根据需要，既可做成横截面为距形的永磁体系统用于往复式室温磁制冷机，也可以做成横截面为扇形的永磁体系统用于旋转式室温磁制冷机。
附图说明
图1为本实用新型所提供的室温磁制冷机用永磁体系统的剖面示意图。
图2永磁体结构的磁力线分布图。
图3为本实用新型所提供的旋转式室温磁制冷机用永磁体结构的三维示意图。
图4为本实用新型所提供的往复式室温磁制冷机用永磁体结构的三维示意图。
图5工作间隙中磁场强度的分布曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的结构、原理作进一步的说明。
实施例1
一种室温磁制冷机用永磁体系统，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1是室温磁制冷机用永磁体结构的原理示意图。该励磁源主要由稀土钕铁硼永磁体6、7、8、10、11、12和导磁框架(剖面线)9两部分组成。其中永磁体中的箭头方向为充磁方向，其充磁方向由Halbach旋转定理确定。
图2是磁体系统的磁力线分布图。相对于Halbach中空圆柱形永磁磁体结构来讲，尽管减少了磁体的数量，但在工作间隙中仍然形成了大而均匀的磁场。
本实施例的永磁体系统加工制备成扇形状(即横截面为扇形)，用于旋转式磁制冷机的磁体系统，如图3所示。该磁体系统是采用6块永磁材料和3块导磁材料组装而成，结构简单，制造成本小。由于是基于Halbach旋转磁路原理，所提供的工作间隙中磁场强度比较大，再加上采用导磁材料作为磁极，使得磁场分布更加均匀。
图5是旋转式磁制冷机用的扇形永磁体工作间隙中磁场强度的分布图。按照图3所示的几何尺寸比例，采用NdFeB型号为N48M作为永磁材料，磁体12的内径200mm，外径320mm，高60mm。磁体11的内径320mm，外径400mm，高60mm。磁体10的内径320mm，外径400mm，高30mm。工作间隙的高度为20mm，宽度为50mm。磁体6、7、8的尺寸与磁体12、11、10对应相同。中心磁化场的强度达到了1.2T，而且均匀度非常好。图5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。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，该永磁体系统加工成直线型(即横截面为矩形)，用于往复式磁制冷机的磁体系统，如图4所示。

Claims (7)

1.一种室温磁制冷机用永磁体系统，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的永磁体系统，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。
3.根据权利要求1或2所述的永磁体系统，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所述的永磁体系统，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所述的永磁体系统，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所述的永磁体系统，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所述的永磁体系统，其特征在于，该永磁铁系统的横截面为矩形或扇形。
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CN102360700A (zh) * 2011-08-30 2012-02-22 华南理工大学 一种室温磁制冷机用永磁体系统
CN104409190A (zh) * 2014-11-28 2015-03-11 华南理工大学 一种用于室温磁制冷机的高效磁场结构
CN104662380A (zh) * 2012-08-01 2015-05-27 制冷技术应用股份有限公司 包括不具有包含铁和硅和镧系元素的合金的磁致热材料的整体部件和包括所述部件的热发生器

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