CN202613833U - 一种用于磁制冷机的磁蓄冷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于磁制冷机的热开关磁蓄冷装置，用于设置在一可控磁场源中，该装置包括构成传热回路的磁蓄冷器和传热组件，传热组件包括至少一个热开关单元，磁蓄冷器为装有磁性工质的容器，热开关单元的一部分设置于磁蓄冷器内部与磁性工质接触，在磁场变化过程中有效地使磁性工质与外界进行热输运。热开关是热二极管、超导开关、磁热开关或其它形式的热量传递控制装置，磁性工质是固体、液体或其它形式的磁热材料。在可控磁场的作用下，实现磁性工质在充磁阶段向热源放热与在去磁阶段向冷源吸热，以达到制冷目的。该装置具有极好的热输运方向性和高效的磁热耦合机制，具有效率高、结构紧凑、运行稳定和经济性好等优点。

Description

一种用于磁制冷机的磁蓄冷装置

技术领域

本实用新型属于洁净能源磁制冷技术应用领域，具体涉及一种用于磁制冷机的磁蓄冷装置，它能够提高电磁能与热能能量转换效率、可靠性、经济性与实用性。

背景技术

磁制冷是基于磁性材料的磁热效应（MCE）在制冷领域的应用。磁热效应是磁性材料物质的一种固有特性。磁性材料在受到外磁场的作用被磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外界放热；当外磁场撤去退磁时，磁有序度下降（磁熵增大），则从外界吸热。将励磁、吸热、去磁、放热等过程组成一个封闭的热力循环，通过外磁场变化，控制磁熵，基于磁热效应的能量转换，达到连续不断地从一端放热，从另一端吸热的制冷目的。

磁制冷技术是一种高效绿色环保的制冷技术。与现有一般传统的依靠气体压缩与膨胀的制冷技术相比，具有显著的优点：

1.磁制冷循环效率可以达到卡诺循环的30％～60％，而依靠气体的压缩与膨胀的制冷循环一般只能达到5％～10％。

2.磁制冷采用磁性材料作为制冷工质，对大气和臭氧层无污染破坏。

3.磁性工质材料的熵密度远大于气体的熵密度，因此制冷装置可以做的更紧凑。

4.磁制冷可以用电磁体或超导磁体以及永磁体等提供所需的外加磁场，无需压缩机，没有运动部件的机械磨损问题。因此具有机械振动及噪声小，工作可靠性高，使用寿命长等特点。

磁制冷机技术虽具有显著的技术优点，但在实际设计与制造上存在着若干关键技术和技术难题。

当温度在20K以上，特别是近室温附近，磁性离子系统热运动大大加强，磁性材料的晶格熵增大到不能忽视的程度，磁制冷系统的部分制冷能力将消耗于冷却晶格热负荷，从而系统的制冷能力下降。

在系统中增加磁蓄冷器可以在循环的某一阶段将晶格系统释放的热量储存，而在另一个阶段再返还到晶格系统中，这样磁制冷系统中用于冷却晶格热负荷的那部分制冷能力将得到更有效的利用，有效熵变增加，温跨增大。

磁制冷技术的主要科学问题是电磁能与热能的耦合机理和有效热输运机制。从提高磁制冷机的热效率来看，必须使MCE产生的冷量在制冷循环的周期内尽快尽多地带走，这样除了采用高效的传热机制外，减少热量回流、保证热量传递的方向性就显得尤为重要。

相对于现有的用阀门控制热量传递方向的磁制冷机，采用热开关（如热二极管）的磁制冷机不仅结构简单、运行可靠，而且它能更加快速、直接、有效地控制磁蓄冷装置中的热量传递，因而采用热开关磁蓄冷装置的磁制冷机能够很大程度地减少循环中的不可逆损失，使实际得到的磁制冷循环更加接近逆向卡诺循环，从而使磁制冷机能够获得更高的热效率。

2004年4月7日公开的CN2610281Y的中国专利文献“一种磁热量的传热装置”，该装置采用热管传递磁热效应产生的热量，具有简洁高效的特点。但不足的是该专利文献只单一作为一种传热装置。

2008年1月30日公开的CN101115962A的中国实用新型专利公开说明书公开了一种制造用于活性磁制冷机的磁蓄冷器的方法，活性磁蓄冷器中磁性材料既是磁性工质又是蓄冷材料。但对蓄冷器在逆向热力循环中的一些主要问题没有涉及。总的来说，目前国内外这方面报道甚少。

磁制冷技术是电磁能和热能的转换，研究磁热耦合机制是突破磁制冷技术应用主要的理论基础和关键技术。在晶格系统电磁输运与热输运的耦合，既具有瞬态时序性，又具有严格热流方向性。对解决热流的方向性研究未见报道。

实用新型内容

本实用新型是基于磁热效应能量转换的机制，提供一种用于磁制冷机的磁蓄冷装置，该磁蓄冷装置具有效率高、结构紧凑、运行稳定和经济性好的特点。

本实用新型提供的一种用于磁制冷机的磁蓄冷装置，用于设置在一可控磁场源中，其特征在于，该装置包括构成传热回路的磁蓄冷器和传热组件，该传热组件包括至少一个热开关单元，磁蓄冷器为装有磁性工质的容器，热开关单元的一部分设置于磁蓄冷器内部与磁性工质接触，在磁场变化过程中有效地使磁性工质与外界进行热输运。

作为上述技术方案的改进，所述传热组件中只包括一个热开关单元时，该热开关单元用于磁蓄冷器的放热或吸热过程，磁蓄冷器的吸热或放热过程由磁蓄冷器与阀门、泵、管道及换热器连接构成流通回路来完成。

作为上述技术方案的进一步改进，传热组件包括至少二个热开关单元，用于同一热流方向时，各个热开关单元保持传热方向的一致性。

磁热效应是电磁能和热能的转换，这是一个基于复杂的磁热耦合机制的能量转换，迅速而又高效率地进行自旋系统和热源之间的能量转换，在磁场变化和电磁效应作用下，本实用新型的磁蓄冷装置中的热输运特征，既具有瞬态时序性，又具有严格热流方向性。

在磁热耦合过程中，磁性材料的磁化/去磁时间（即磁制冷循环的周期）越长，所得到的制冷量会越大，但这会损失磁制冷装置的效率。本实用新型采用热开关来控制在磁场变化下磁蓄冷器中的热输运，不仅可以高效稳定地控制热运输的方向，实现在有限的制冷循环时间内尽可能地传输热量，极大的减少热量损失，使整个装置的制冷循环过程更加接近逆向卡诺循环，而且在机构上可以紧凑高效，从而提高整个磁制冷机的转换效率。

采用本实用新型解决了普通蓄冷装置由于流动死容积影响传热，和阀门开关时管路流体回流损失制冷量，与避免管道、阀门等结构复杂、及难以微型化、经济性低等问题。同时它还解决了单一使用热管作为传热装置无法有效利用磁性材料的磁热效应，而建立高效磁制冷机的机制，实现磁制冷机热开关磁蓄冷器利用MCE高效制冷的目的。其实质是，整个磁制冷系统的实际效率主要取决于两个方面，一是科学的电磁输运和热输运的耦合与转换机制，二是蓄冷器和热输运性能的完善与优化及尽量减少传输过程的热损失。该磁蓄冷装置具有效率高、结构紧凑、运行稳定和经济性好等优点。

附图说明

图1为本实用新型的原理的示意图；

图2为使用多个热开关结构的磁蓄冷器装置结构示意图，其中，(a)为整体结构原理图，(b)为俯视剖面图；

图3为本实用新型的实施例1的示意图；

图4为本实用新型的实施例2的示意图；

图5为本实用新型采用的一种热开关的的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1和图2所示，本实用新型提供的磁制冷机热开关磁蓄冷装置，设置在一可控磁场源中，包括磁蓄冷器和至少一个热开关单元，完成在磁场变化过程中磁蓄冷器内的磁性工质与外界进行热输运。磁蓄冷器为装有磁性工质的容器，热开关单元的一部分设置于磁蓄冷器内部与工质接触。

所述磁性工质可以是固体（如金属Gd）、液体（如液态磁性纳米合成物）或其它形式的磁热材料。蓄冷工质可以是磁性工质本身，也可以是组合其它传热工质。当磁性工质为固体时，可以在磁蓄冷器中充填液态或气态的热交换介质。

该磁制冷机热开关磁蓄冷装置结合管道、阀门等流动组件使用时，采用的热交换介质可以是液体、气体或其它形式的流体。热开关单元可以是热二极管、超导开关、磁热开关或其它形式的热量传递控制装置。当在磁蓄冷器腔和管口之间设置网和密封件时，可以防止磁性工质和蓄冷工质的泄漏。在磁蓄冷器外壁、热开关单元外壁、管道外壁及其它组件外设置绝热结构以减少漏热损失。

传热组件中只包括一个热开关单元时，该热开关单元用于磁蓄冷器的放热或吸热过程，磁蓄冷器的吸热或放热过程由磁蓄冷器与阀门、泵、管道及换热器连接构成流通回路来完成。

当传热组件包括多个热开关单元时，位于磁蓄冷器两端的热开关单元的数量可以相等或不等，使用多个热开关单元，用于同一热流方向时需保持传热方向的一致性。

在磁制冷机热开关磁蓄冷装置中热开关单元包括其上增设强化传热组件，强化传热组件可以采用翅片等结构。

实施例1

本实用新型的磁制冷机热开关磁蓄冷装置的实施方式之一为：采用热二极管作为热开关单元，如图3所示。它是由磁蓄冷器3置于可控磁场源5提供的周期性磁场中，磁蓄冷器3的上下两端分别连接一热二极管4a、4b，其中热二极管4a的蒸发段置于磁蓄冷器3内部，冷凝段设在磁蓄冷器3上部与热源7接触；热二极管4b的冷凝段置于磁蓄冷器3内部，蒸发段设在磁蓄冷器3下部与冷源6接触，同时，磁蓄冷器3的外壁以及热二极管4的绝热段外壁均设有绝热结构减少热量损失。

该磁蓄冷器装的磁性工质1为Gd，为颗粒状填充物，热交换介质2采用流体如水溶液。本实用新型也可使用其它具有磁热效应的磁性材料及相应的热交换介质。磁蓄冷器3外壁使用不锈钢或其它材料，磁蓄冷器3与热二极管4采用焊接或其它连接方式。热二极管4的管壁材料用不锈钢，管内工作流体为液氨，也可选用其它管壁材料及相容工作流体。在热二极管两端外壁为强化传热的翅片结构。可控磁场源5可以是电磁体、超导磁体或永磁体，通过磁体静止式的充磁/消磁或磁体与磁蓄冷器4的相对运动为磁蓄冷器4提供周期性的磁场。

其工作原理为，通过可控磁场源5的作用，加磁场过程，磁蓄冷器4中的磁性工质1被磁化时，由于磁热效应，磁性工质1的温度升高将热量传给热交换介质2，使磁蓄冷器3内部温度比热源7温度高，通过热二极管4a将热量传给热源7；在撤去磁场过程，磁蓄冷器4中的磁性工质1由于去磁而温度降低，并向热交换介质2吸热，使磁蓄冷器3内部温度比冷源6温度低，热量通过热二极管4b从冷源6传给磁蓄冷器3，这样冷源6的温度降低，达到了制冷效果。重复上述循环便可完成制冷过程。

本实用新型实现了基于完善由磁化的放热过程和去磁的吸热过程构成的逆向热力循环，高效的利用磁性工质受磁场励磁/退磁过程磁熵发生变化，产生温变进行放热/吸热，严格控制传热方向的热开关，及高传热效率的传热机制，实现高效而结构紧凑地利用磁性工质的磁热效应进行制冷。

实施例2

本实用新型的磁制冷机热开关磁蓄冷器的实施例二如图4所示，磁蓄冷器一端采用热二极管式热开关，另一端接管道、阀门、泵以及换热器等构成流通回路。它由磁蓄冷器3置于可控磁场源5提供的周期性磁场中，磁蓄冷器3下端连接热二极管4，其中热二极管4的冷凝段位于磁蓄冷器3内部，其蒸发段设在磁蓄冷器3下部与冷源6接触；磁蓄冷器3上端连接管道11，与阀门10、泵9以及换热器8构成一流通回路，其中换热器8为蓄冷器向系统外界散热。

上述流通回路可以是全闭式结构如图4中所示，也可采用混合式连接。在混合式连接中，即热交换介质2由管道流入磁蓄冷器3，热交换介质2与磁性工质1直接接触换热后，再由相应管道流出磁蓄冷器。

磁蓄冷器3的外壁、热二极管4的绝热段外壁以及管道11的外壁均设有绝热结构减少漏热损失。

该磁蓄冷器装的磁性工质1为Gd，为颗粒状填充物，热交换介质2采用流体如水溶液。本实用新型也可使用其它具有磁热效应的磁性材料及相应的热交换介质，热交换介质可以是液体、气体以及其它状态的介质。

磁蓄冷器3外壁使用不锈钢或其它材料，磁蓄冷器3与热二极管4采用焊接或其它连接方式。热二极管4使用单向导热的热管，管壁材料用金属材料如不锈钢，管内选用与管壁材料相容的工作流体如液氨。

热二极管两端外壁为强化传热的翅片结构。可控磁场源5可以是电磁体、超导磁体或永磁体，通过磁体静止式的充磁/消磁或磁体与磁蓄冷器4的相对运动为磁蓄冷器4提供周期性的磁场。

工作原理为，通过可控磁场源5的作用，加磁场时，磁蓄冷器4中的磁性工质1被磁化时，由于磁热效应，磁性工质1的温度升高将热量传给热交换介质2，使磁蓄冷器3内部温度比热源7温度高，同时打开阀门10，通过泵9的作用使传热流体由蓄冷器3流向换热器8，将蓄冷器3中的热量传给热源7；然后撤去磁场，同时关闭阀门10，磁蓄冷器4中的磁性工质1由于去磁而温度降低，并向热交换介质2吸热，使磁蓄冷器3内部温度比冷源6温度低，热量通过热二极管4b从冷源6传给磁蓄冷器3，这样冷源6的温度降低。重复上述循环过程则实现制冷目的。

实施例3

下面举例说明本实用新型装置所采用的一种热开关单元的结构，如图5所示。它是一细长中空的封闭式金属管，内部装有工作流体，图5热二极管管内壁为光管结构，同时其上下端外壁为增强传热的翅片结构。在热管管内并可设置毛细芯结构。

该热管管壁用不锈钢或铜等金属材料加工而成，管内的工作介质可选用水、丙酮、氨、液氮等流体。工作流体的选择应根据热管使用的温度范围，在此前提下还要求工作流体与热管的管壁、毛细芯间相容性稳定，具有良好的热稳定性、高的潜热和导热性能，以及较低的粘度。为保证高的毛细管力，工作流体的表面张力应足够高。毛细芯通常有铜、镍、不锈钢、钛等制成，有带筋管，也有粉末、丝网、纤维毡等多孔介质材料。

热二极管的工作原理，是通过工质2在蒸发段1受热蒸发汽化，蒸发后的气体聚集在蒸发部分的中空管内，同时向热管的冷凝段3流动。当汽体到达温度较低的冷凝段时便开始冷凝，同时冷凝段3向外放热。这些冷凝后的液体因毛细作用或重力作用又流回蒸发部分，如此循环流动使热量从蒸发段1传到冷凝段3。

当热二极管的蒸发段1所处的温度高于冷凝段3所处的温度时，热二极管正常工作，相当于热开关闭合；当蒸发段1所处的温度低于冷凝段3所处的温度时，管内蒸发的汽体不能冷凝成液体，此时热二极管无法传递热量，即热开关断开，热流断路。

热管管内壁为光管结构时，当冷凝液从冷凝段返回蒸发段是依靠重力作用实现的，则重力型热二极管的蒸发段必须置于冷凝段下方。

本实用新型可以采用其它结构的热二极管，如水平式热二极管，本实用新型也可以采用其它形式的热开关，如具有热流通断可控超导热开关、电磁热开关、气体热开关、机械热开关等。

当需要的制冷功率大时，可以采用大容量的磁蓄冷器，并增加热开关的数量；也可以在可控磁场源中并排设置多套磁制冷机热开关磁蓄冷装置；还可以提供可控磁场源的强度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种用于磁制冷机的磁蓄冷装置，用于设置在一可控磁场源中，其特征在于，该装置包括构成传热回路的磁蓄冷器和传热组件，该传热组件包括至少一个热开关单元，磁蓄冷器为装有磁性工质的容器，热开关单元的一部分设置于磁蓄冷器内部与磁性工质接触，在磁场变化过程中有效地使磁性工质与外界进行热输运。

2.根据权利要求1所述的用于磁制冷机的磁蓄冷装置，其特征在于，所述传热组件中只包括一个热开关单元时，该热开关单元用于磁蓄冷器的放热或吸热过程，磁蓄冷器的吸热或放热过程由磁蓄冷器与阀门、泵、管道及换热器连接构成流通回路来完成。

3.根据权利要求1所述的用于磁制冷机的磁蓄冷装置，其特征在于，传热组件包括至少二个热开关单元，用于同一热流方向时，各个热开关单元保持传热方向的一致性。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于磁制冷机的磁蓄冷装置，其特征在于，所述磁性工质是固体、液体或其它形式的磁热材料。

5.根据权利要求4所述的用于磁制冷机的磁蓄冷装置，其特征在于，当磁性工质为固体时，在磁蓄冷器中充填液态或气态的热交换介质。

6.根据权利要求1、2或3所述的用于磁制冷机的磁蓄冷装置，其特征在于，热开关单元为热二极管、超导开关、磁热开关或其它形式的热量传递控制装置。

7.根据权利要求1、2或3所述的用于磁制冷机的磁蓄冷装置，其特征在于，热开关一端或两端设置强化传热组件，强化传热组件包括翅片结构。

8.根据权利要求1、2或3所述的用于磁制冷机的磁蓄冷装置，其特征在于，在磁蓄冷器和管口之间设置网和密封件，防止磁性工质和蓄冷工质的泄漏。

9.根据权利要求1、2或3所述的用于磁制冷机的磁蓄冷装置，其特征在于，在磁蓄冷器外壁、热开关外壁、管道外壁及其它组件外设置绝热结构以减少漏热损失。

10.根据权利要求2所述的用于磁制冷机的磁蓄冷装置，其特征在于，所述流通回路是全封闭式结构或混合式结构，在混合式结构中，流通回路中的热交换介质与磁蓄冷器中的磁性工质直接接触。

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