CN210951952U - 一种磁制冷换热器和制冷制热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁制冷换热器和制冷制热系统，它包括矩形换热器，所述矩形换热器包括换热器壳体，所述换热器壳体的内部安装有装填了磁工质的毛细管矩阵，在换热器壳体的两端安装有盖板并将毛细管矩阵封装在其内部；两侧盖板或上换热器壳体的上沿根据换热器内不同流程加工有用于进气和排气的第一通孔；两侧盖板或上换热器壳体的下沿加工有用于流通载热、载冷流体的第二通孔和第三通孔。以提高换热器可靠性及通用性强化换热效率为目的。

Description

一种磁制冷换热器和制冷制热系统

技术领域

本实用新型涉及用于磁制冷装置领域，特别涉及一种集封装与强化传热一体的磁制冷换热器和制冷制热系统及方法。

背景技术

制冷技术伴随人类生产生活的方方面面，传统气体压缩式制冷技术是目前最为成熟、应用最为广泛的制冷技术。近年来，世界各国对控制温室气体排放和臭氧层破坏等问题逐渐达成共识。根据蒙特利尔协定，各签约方需逐渐替代和淘汰含氟工质。但现阶段新型工质的环保、安全问题与循环效率依然难以兼顾。磁制冷作为一种新型的制冷技术，是利用某些材料磁热效应明显的特征（在外部磁场的作用下升温放热反之降温吸热），进行制冷的过程。在绝热条件下，磁工质出现高温时利用载热流体将热量进行储运，磁工质出现低温时利用载冷流体将冷量进行储运，如此往复循环，冷量和热量会分别在冷端和热端进行积累，当负荷与制冷量相匹配时就形成了一个相对稳定的制冷过程。

为实现连续、稳定的磁制冷过程，需要施加于磁工质上的励磁磁场发生周期性变化，根据励磁磁场的本身特点，磁制冷循环的建立也随之变化，但磁制冷换热器（磁工质载体）是其中的共性问题。励磁方式可分为超导磁体励磁、电励磁和永磁体励磁，这几种励磁方式各有优劣，就目前来看永磁励磁方式综合性能较优。以永磁励磁制冷为例，根据励磁体与磁工质的相对运动方式分为旋转式和往复式两种主要形式，因而由于相对运动形式和外形的不同，磁工质的装填和流道设计需进行相应的调整，采用简单的薄片或颗粒堆砌的方式普适性不足，容易出现系统阻力过大等问题。

从前磁制冷技术主要应用于液氢的制备等深冷领域，这是由于常规磁工质一般在较低的温度区间才能保证较高的磁熵变（顺磁体在20K以下磁热效应较强，而铁磁体也需要在接近居里点时有较强的磁熵变，且居里点较低）。随着发现了镧系稀土金属钆在室温附近有较大磁热效应，以及随后发现的钆硅锗合金的巨磁热效应，室温磁制冷技术有了发展的基础。在美国专利US5743095中披露的Gd-Si-Ge合金，可同时应用于低温磁制冷和室温磁制冷过程。目前，为保证换热效果，一般采用磁热材料（薄片、或粉末）与载冷（热）流体直接接触方式，不管是预制成型还是安装网状格栅都难免造成磁工质的腐蚀或流失，因此解决强化换热与磁工质封装之间的矛盾是本实用新型要重点解决的技术问题。

授权号为CN1242228C和申请号为CN201780002992的两个专利分别介绍了板式和管式的磁工质封装工艺，并涉及相关换热设备。前者是在0.02mm的紫铜薄膜之间填充磁热材料粉末若不进行锻压处理使工质本身产生足够的强度，薄膜本身难以有足够的强度作为颗粒支撑颗粒物的骨架。后者将钆或合金棒作为内芯包裹铜管，并轧制成为2.6mm的线材。但是钆尤其复合材料的延展性难与铜相匹配，轧制过程中可能出现空心、磁工质芯体外漏列管强度不足等情况，且该专利涉及的换热器未做详细描述，列管布局，流道，排气等问题均不涉及。

现阶段磁制冷换热器磁芯主要为板式、列管式和颗粒几种，一般整体的孔隙度在0.4~0.6这一区间，不论哪种形式都会形成微通道换热情况，尤其是颗粒式在充填过程中最容易出现毛细作用使换热器阻力变大。且换热器换热管道内会出现存液问题，这样造成了磁芯热量或者冷量的损失，随着磁制冷技术逐渐成熟，磁制冷换热器内的热容量将大到不可忽视的程度。因而换热器的合理设计及运行将直接关系到磁制冷效率。

实用新型内容

为解决磁制冷系统中较为普遍的强化换热与磁工质封装之间的矛盾，以提高换热器可靠性及通用性强化换热效率为目的，本实用新型提供了一种新型带有磁制冷工质封装的通用换热器。

为了实现上述的技术特征，本实用新型的目的是这样实现的：一种磁制冷换热器，它包括矩形换热器，所述矩形换热器包括换热器壳体，所述换热器壳体的内部安装有装填了磁工质的毛细管矩阵，在换热器壳体的两端安装有盖板并将毛细管矩阵封装在其内部；两侧盖板或上换热器壳体的上沿根据换热器内不同流程加工有用于进气和排气的第一通孔；两侧盖板或上换热器壳体的下沿加工有用于流通载热、载冷流体的第二通孔和第三通孔。

所述换热器壳体采用矩形盒结构；所述换热器壳体和盖板都采用铝合金材料裁剪焊接拼装而成。

所述换热器壳体与盖板连接的位置焊接固定有凸台，所述凸台上安装有用于对换热器壳体进行密封的硅胶密封胶条。

所述毛细管矩阵包括第一矩形挡板和第二矩形挡板，所述第一矩形挡板和第二矩形挡板之间均布安装有呈矩形布置的多根毛细管，所述毛细管之间呈等间距上下交错布置有方形格栅组，并形成一个迂回的流道。

所述方形格栅组包括第一方形格栅、第二方形格栅和第三方形格栅；所述方形格栅组、第一矩形挡板、第二方形格栅和第三方形格栅都采用铝合金板冲压一体化成型。

所述毛细管包括毛细管本体，所述毛细管本体的两个端头分别安装有用于对其进行封闭的第一圆柱形硅胶帽和第二圆柱形硅胶帽，在毛细管本体的内部填充磁工质。

所述磁工质为Gd-Si-Ge合金或其它巨热材料的10纳米级粉末与体积分数5%的10纳米级纳米碳粉末混合而成；制备过程中首先用第一圆柱形硅胶帽将毛细管本体的一端进行封口，并将磁工质填入毛细管内，之后通过反复离心压实的方式将毛细管本体填实，最后用第二圆柱形硅胶帽将毛细管另一端封堵。

所述毛细管本体采用铜、铝或合金材料制备而成，所述第一圆柱形硅胶帽和第二圆柱形硅胶帽采用导热硅胶材料制成。

所述磁制冷换热器构建的制冷制热系统，包括矩形换热器和数据采集和控制系统；所述矩形换热器与设置在其外围的可移动磁场相配合，所述矩形换热器的第二通孔和第三通孔之间分别并连有蓄热容器和蓄冷容器，所述蓄热容器的出口与储热侧水泵的入口相连，储热侧水泵的出口与第一电动三通阀一个进口相连；所述第一电动三通阀的另一个进口与储冷侧水泵出口相连，储冷侧水泵入口与蓄冷容器出口相连；第二电动三通阀的两出口分别与蓄热容器和蓄冷容器的入口相连；第一电动三通阀入口和第二电动三通阀出口分别对应连接矩形换热器的第二通孔和第三通孔；矩形换热器的进气口通过第三电动三通阀连接有压缩空气储气罐和排气阀；

所述蓄热容器内部安装有蓄热容器电子水位计；

所述蓄冷容器内部安装有蓄冷容器电子水位计。

本实用新型有如下有益效果：

1、通过采用上述结构的磁制冷换热器其采用磁制冷循环的方式实现循环的制冷或者制热，其利用磁工质磁热效应特征即在外部磁场的作用下升温放热反之降温吸热，进行制冷的过程。在绝热条件下，磁工质出现高温时利用载热流体将热量进行储运，磁工质出现低温时利用载冷流体将冷量进行储运，如此往复循环，冷量和热量会分别在冷端和热端进行积累，当负荷与制冷量相匹配时就形成了一个相对稳定的制冷过程。同时其有效的解决磁制冷系统中较为普遍的强化换热与磁工质封装之间的矛盾，提高了换热器可靠性及通用性，提高了换热效率。

2、将磁工质封装于毛细管内，换热器内流道可根据需要进行流程变换，解决了磁工质直接接触的损失，和系统阻力过大的问题。

3、本实用新型的换热器的使用是在载热流体、载冷流体循环之间增加了一个进气排液过程和一个进液排气过程；因而避免载冷液体在换热期内储存所造成的冷、热量的损失。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1 为本实用新型矩形换热器的整体结构图。

图2为本实用新型毛细管矩阵的整体结构图。

图3为本实用新型矩形挡板平面图。

图4为本实用新型方形格栅平面图。

图5为本实用新型矩形挡板内凹槽的剖视图。

图6为本实用新型毛细管整体结构示意图。

图7为本实用新型毛细管爆炸结构图。

图8为本实用新型图6中毛细管A-A剖视图。

图9为本实用新型图6中毛细管B-B剖视图。

图10为本实用新型制冷制热系统图。

图中：矩形换热器1、换热器壳体2、盖板3、毛细管矩阵4、第一通孔5、第二通孔6（a）、第三通孔6（b）、毛细管7、第一矩形挡板8（a）、第二矩形挡板8（b）、第一方形格栅9（a）、第二方形格栅9（b）、第三方形格栅9（c）、第一圆柱形硅胶帽10（a）、第二圆柱形硅胶帽10（b）、毛细管本体11、磁工质12、可移动磁场13、蓄热容器14、蓄冷容器15、压缩空气储气罐16、数据采集和控制系统17、第三电动三通阀18（a）、第二电动三通阀18（b）、第一电动三通阀18（c）、排气阀19、蓄热容器电子水位计20（a）、蓄冷容器电子水位计20（b）、储热侧水泵21（a）、储冷侧水泵21（b）。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

请参阅图1-10，一种磁制冷换热器，它包括矩形换热器1，所述矩形换热器1包括换热器壳体2，所述换热器壳体2的内部安装有装填了磁工质12的毛细管矩阵4，在换热器壳体2的两端安装有盖板3并将毛细管矩阵4封装在其内部；两侧盖板3或上换热器壳体2的上沿根据换热器内不同流程加工有用于进气和排气的第一通孔5；两侧盖板3或上换热器壳体2的下沿加工有用于流通载热、载冷流体的第二通孔6（a）和第三通孔6（b）。通过采用上述结构的磁制冷换热器其采用磁制冷循环的方式实现循环的制冷或者制热，其利用磁工质12磁热效应特征即在外部磁场的作用下升温放热反之降温吸热，进行制冷的过程。在绝热条件下，磁工质出现高温时利用载热流体将热量进行储运，磁工质出现低温时利用载冷流体将冷量进行储运，如此往复循环，冷量和热量会分别在冷端和热端进行积累，当负荷与制冷量相匹配时就形成了一个相对稳定的制冷过程。同时其有效的解决磁制冷系统中较为普遍的强化换热与磁工质封装之间的矛盾，提高了换热器可靠性及通用性，提高了换热效率。

进一步的，所述换热器壳体2采用矩形盒结构；所述换热器壳体2和盖板3都采用铝合金材料裁剪焊接拼装而成。所述换热器壳体2与盖板3连接的位置焊接固定有凸台，所述凸台上安装有用于对换热器壳体2进行密封的硅胶密封胶条。通过上述的结构形成很好的隔热，进而大大的提高了换热效率。

进一步的，所述毛细管矩阵4包括第一矩形挡板8（a）和第二矩形挡板8（b），所述第一矩形挡板8（a）和第二矩形挡板8（b）之间均布安装有呈矩形布置的多根毛细管7，所述毛细管7之间呈等间距上下交错布置有方形格栅组，并形成一个迂回的流道。所述方形格栅组包括第一方形格栅9（a）、第二方形格栅9（b）和第三方形格栅9（c）；所述方形格栅组、第一矩形挡板8（a）、第二方形格栅9（b）和第三方形格栅9（c）都采用铝合金板冲压一体化成型。

其中所述毛细管矩阵4的外形主要由矩形挡板和方形格栅来控制，长度依据换热器要求和毛细管管长来确定；格栅、挡板与换热器为液体形成封闭流道，三个挡板可为流体构成四个流程。

进一步的，所述毛细管7包括毛细管本体11，所述毛细管本体11的两个端头分别安装有用于对其进行封闭的第一圆柱形硅胶帽10（a）和第二圆柱形硅胶帽10（b），在毛细管本体11的内部填充磁工质12。

进一步的，所述磁工质12为Gd-Si-Ge合金或其它巨热材料的10纳米级粉末与体积分数5%的10纳米级纳米碳粉末混合而成；制备过程中首先用第一圆柱形硅胶帽10（a）将毛细管本体11的一端进行封口，并将磁工质12填入毛细管内，之后通过反复离心压实的方式将毛细管本体11填实，最后用第二圆柱形硅胶帽10（b）将毛细管另一端封堵。

进一步的，所述毛细管本体11采用铜、铝或合金材料制备而成，所述第一圆柱形硅胶帽10（a）和第二圆柱形硅胶帽10（b）采用导热硅胶材料制成。

进一步的，所述矩形换热器1外壳采用铝合金材料，可根据励磁磁场特征具体选择圆柱体或者长方体的外形设计矩形换热器1内壁设卡槽用以固定挡板或者格栅。盖板与换热器连接采用螺纹连接使用硅胶条作为密封填充材料。换热器外壁贴真空绝热板，对换热器做绝热处理。

进一步的，所述矩形换热器1在吸热过程结束后会通过矩形换热器1上沿通孔处进气，将换热器内的存液由换热器下沿挤入蓄冷容器，在进入放热过程前蓄热容器先将携热流体打入换热器，换热器进行排气当排气完成后开启换热用水泵，系统进入放热过程；在放热过程结束后会通过换热器上沿通孔处进气，将换热器内的存液由换热器下沿通孔挤入蓄热容器，在进入吸热过程前蓄冷容器先将携热流体打入换热器，换热器进行排气当排气完成后开启换冷用水泵，系统进入吸热过程。

实施例2：

根据图1，矩形换热器1沿磁场移动方向的宽40mm，沿磁场高度方向的高30mm，长80mm，由换热器壳体2、装填有磁工质的毛细管矩阵4、和盖板3三部分组成。其中换热器外壳和盖板由3mm铝合金切割或焊接而成。换热器壳体2与盖板3的连接处焊接5mm凸台用以装载硅胶密封胶条和盖板的固定。根据换热器内不同流程，以四流程为例，在换热器的盖板或壳体上沿开一个5mm第一通孔5通过法兰或焊接管道连接气路；换热器的盖板或壳体下沿开两个5mm第二通孔6（a）和第三通孔6（b）通过法兰或焊接管道连接液路。换热器外壁贴真空绝热板，对换热器做绝热处理。

根据图2、图7、图8和图9，装填磁工质的毛细管矩阵4由若干毛细管7、两个第一矩形挡板8（a）、第二矩形挡板8（b）和三个方形格栅第一方形格栅9（a）、第二方形格栅9（b）、第三方形格栅9（c）拼接组成。其中毛细管矩阵根据格栅和挡板来确定位置并固定，方形格栅与矩形挡板的相对位置通过等长的1mm厚铝合金条焊接固定。方形格栅之间位置错开如图所示形成液体的流道。格栅与挡板均采用2mm厚的铝合金板冲压一体成型，根据换热器性状分别裁剪成为宽×高为40mm×30mm的铝合金挡板和宽×高为30mm×30mm的铝合金格栅。在这一布置中，毛细管圆心的间距为2mm，毛细管壁之间的最短距离为0.7mm。格栅在其角落处留一孔不装填毛细管避免积气。此时磁工质在换热器中的体积占比在44%左右，孔隙度在56%左右。其中格栅孔径刚好允许毛细管穿过，挡板形成凹槽可以刚好卡住毛细管的一端。挡板的一个凹槽剖面如图5所示。

根据图6-9，装填磁工质的毛细管7由毛细管本体11、第一圆柱形硅胶帽10（a）、第二圆柱形硅胶帽10（b）和磁工质12三部分组成。其中毛细管外径为1.6 mm壁厚为0.05 mm，所用材质为铜、铝或其合金。圆柱形硅胶帽厚度0.1mm，采用导热硅胶材料。磁工质12为Gd-Si-Ge合金或其他巨热材料的10纳米级粉末与体积分数5%的10纳米级纳米碳粉末混合而成。制备过程中首先用第一圆柱形硅胶帽10（a）将毛细管的一头进行封口，并将磁工质12填入毛细管内，之后通过反复离心压实等方式将毛细管填实，最后用第二圆柱形硅胶帽10（b）将毛细管另一端封堵。在特殊情况下冲压半圆毛细管，以保证流道和各毛细管与流体均匀换热。

实施例3：

采用上述的磁制冷换热器构建的制冷制热系统，包括矩形换热器1和数据采集和控制系统17；所述矩形换热器1与设置在其外围的可移动磁场13相配合，所述矩形换热器1的第二通孔6（a）和第三通孔6（b）之间分别并连有蓄热容器14和蓄冷容器15，所述蓄热容器14的出口与储热侧水泵21（a）的入口相连，储热侧水泵21（a）的出口与第一电动三通阀18（c）一个进口相连；所述第一电动三通阀18（c）的另一个进口与储冷侧水泵21（b）出口相连，储冷侧水泵21（b）入口与蓄冷容器15出口相连；第二电动三通阀18（b）的两出口分别与蓄热容器14和蓄冷容器15的入口相连；第一电动三通阀18（c）入口和第二电动三通阀18（b）出口分别对应连接矩形换热器1的第二通孔6（a）和第三通孔6（b）；矩形换热器1的进气口通过第三电动三通阀18（a）连接有压缩空气储气罐16和排气阀19；

进一步的，所述蓄热容器14内部安装有蓄热容器电子水位计20（a）；

进一步的，所述蓄冷容器15内部安装有蓄冷容器电子水位计20（b）。

实施例4：

所述制冷系统的制热和制冷方法：

制热储热过程：

Step1.1：通过数据采集和控制系统17分别控制第一电动三通阀18（c）、第二电动三通阀18（b）和第三电动三通阀18（a）使矩形换热器1、蓄热容器14、储热侧水泵21（a）相连形成储热循环；

Step1.2：排气阀19与矩形换热器1的气口相连，利用蓄热容器14高置将液体灌满矩形换热器1；

Step1.3：可移动磁场13开始为矩形换热器1励磁，矩形换热器1放热，储热侧水泵21（a）开启，蓄热容器14开始收集热量，并通过负载换热器将热量排出；

Step1.4：当矩形换热器1不再释放热量时，储热侧水泵21（a）关闭，第三电动三通阀18（a）控制排气阀19关闭，压缩空气储气罐16开启；

Step1.5：第一电动三通阀18（c）关闭，压缩空气将矩形换热器1内液体压入蓄热容器14，通过计算得到矩形换热器1内的储水量，当蓄热容器14内蓄热容器电子水位计20（a）所测量水位升高到相应容积时，第二电动三通阀18（b）关闭，制热过程结束；

制冷储冷过程：

Step2.1：通过数据采集和控制系统17分别控制第一电动三通阀18（c）、第二电动三通阀18（b）和第三电动三通阀18（a）使矩形换热器1、蓄冷容器15、储冷侧水泵21（b）相连形成储冷循环；

Step2.2：排气阀19与矩形换热器1的气口相连，利用蓄冷容器15高置将液体灌满矩形换热器1；

Step2.3：可移动磁场13离开矩形换热器1，矩形换热器1吸热，储冷侧水泵21（b）开启，蓄冷容器15开始收集冷量，并通过负载换热器将冷量排出；

Step2.4：当矩形换热器1不再释放冷量时，储冷侧水泵21（b）关闭，第三电动三通阀18（a）控制排气阀19关闭，压缩空气储气罐16开启；

Step2.5：第一电动三通阀18（c）关闭，压缩空气将换热器内液体压入蓄冷容器15，通过计算得到矩形换热器1内的储水量，当蓄冷容器15内蓄冷容器电子水位计20（b）所测量水位升高到相应容积时，第二电动三通阀18（b）关闭，制冷过程结束；

通过上述的制热储热过程和制冷储冷过程的交替形成相应的制热制冷工作循环。

Claims (9)

1.一种磁制冷换热器，其特征其在于：它包括矩形换热器（1），所述矩形换热器（1）包括换热器壳体（2），所述换热器壳体（2）的内部安装有装填了磁工质（12）的毛细管矩阵（4），在换热器壳体（2）的两端安装有盖板（3）并将毛细管矩阵（4）封装在其内部；两侧盖板（3）或上换热器壳体（2）的上沿根据换热器内不同流程加工有用于进气和排气的第一通孔（5）；两侧盖板（3）或上换热器壳体（2）的下沿加工有用于流通载热、载冷流体的第二通孔（6（a））和第三通孔（6（b））。

2.根据权利要求1所述的一种磁制冷换热器，其特征在于：所述换热器壳体（2）采用矩形盒结构；所述换热器壳体（2）和盖板（3）都采用铝合金材料裁剪焊接拼装而成。

3.根据权利要求1所述的一种磁制冷换热器，其特征在于：所述换热器壳体（2）与盖板（3）连接的位置焊接固定有凸台，所述凸台上安装有用于对换热器壳体（2）进行密封的硅胶密封胶条。

4.根据权利要求1所述的一种磁制冷换热器，其特征在于：所述毛细管矩阵（4）包括第一矩形挡板（8（a））和第二矩形挡板（8（b）），所述第一矩形挡板（8（a））和第二矩形挡板（8（b））之间均布安装有呈矩形布置的多根毛细管（7），所述毛细管（7）之间呈等间距上下交错布置有方形格栅组，并形成一个迂回的流道。

5.根据权利要求4所述的一种磁制冷换热器，其特征在于：所述方形格栅组包括第一方形格栅（9（a））、第二方形格栅（9（b））和第三方形格栅（9（c））；所述方形格栅组、第一矩形挡板（8（a））、第二方形格栅（9（b））和第三方形格栅（9（c））都采用铝合金板冲压一体化成型。

6.根据权利要求4所述的一种磁制冷换热器，其特征在于：所述毛细管（7）包括毛细管本体（11），所述毛细管本体（11）的两个端头分别安装有用于对其进行封闭的第一圆柱形硅胶帽（10（a））和第二圆柱形硅胶帽（10（b）），在毛细管本体（11）的内部填充磁工质（12）。

7.根据权利要求1或6所述的一种磁制冷换热器，其特征在于：所述磁工质（12）为Gd-Si-Ge合金；制备过程中首先用第一圆柱形硅胶帽（10（a））将毛细管本体（11）的一端进行封口，并将磁工质（12）填入毛细管内，之后通过反复离心压实的方式将毛细管本体（11）填实，最后用第二圆柱形硅胶帽（10（b））将毛细管另一端封堵。

8.根据权利要求6所述的一种磁制冷换热器，其特征在于：所述毛细管本体（11）采用铜、铝或合金材料制备而成，所述第一圆柱形硅胶帽（10（a））和第二圆柱形硅胶帽（10（b））采用导热硅胶材料制成。

9.采用权利要求1-8任意一项所述磁制冷换热器构建的制冷制热系统，其特征在于：包括矩形换热器（1）和数据采集和控制系统（17）；所述矩形换热器（1）与设置在其外围的可移动磁场（13）相配合，所述矩形换热器（1）的第二通孔（6（a））和第三通孔（6（b））之间分别并连有蓄热容器（14）和蓄冷容器（15），所述蓄热容器（14）的出口与储热侧水泵（21（a））的入口相连，储热侧水泵（21（a））的出口与第一电动三通阀（18（c））一个进口相连；所述第一电动三通阀（18（c））的另一个进口与储冷侧水泵（21（b））出口相连，储冷侧水泵（21（b））入口与蓄冷容器（15）出口相连；第二电动三通阀（18（b））的两出口分别与蓄热容器（14）和蓄冷容器（15）的入口相连；第一电动三通阀（18（c））入口和第二电动三通阀（18（b））出口分别对应连接矩形换热器（1）的第二通孔（6（a））和第三通孔（6（b））；矩形换热器（1）的进气口通过第三电动三通阀（18（a））连接有压缩空气储气罐（16）和排气阀（19）；

所述蓄热容器（14）内部安装有蓄热容器电子水位计（20（a））；

所述蓄冷容器（15）内部安装有蓄冷容器电子水位计（20（b））。

Images