CN110645734B - 一种旋转式磁制冷冷机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式磁制冷冷机及方法，一种旋转式磁制冷冷机，其特征其在于：所述磁制冷冷机包括相互组装的冷机上外壳和冷机下外壳；所述冷机上外壳和冷机下外壳的结合接触面之间对称固定有第一夹板和第二夹板，在第一夹板和第二夹板之间通过轴转动支撑安装有圆形磁工质组件，所述冷机上外壳的顶部外部套装有永磁体槽。解决现阶段磁制冷冷接的流道复杂、体阻力大、热量损失大的缺陷。

Description

一种旋转式磁制冷冷机及方法

技术领域

本发明属于磁制冷技术领域，特别涉及一种无需蓄能的连续制冷的旋转式磁制冷冷机。

背景技术

磁制冷技术是一种新兴的制冷技术，有别于传统蒸汽压缩式制冷技术，磁制冷技术工艺更加简单，且无须使用有机工质。现阶段的高效制冷机组所使用的有机工质都有或大或小的破坏臭氧潜能值（ODP）和全球变暖潜能值（GWP）。根据“蒙特利尔议定书”大量传统有机工质将受到限制，这是磁制冷技术兴起的一方面原因。

磁制冷技术是利用某些材料的磁热效应来实现制冷或制热工艺。通常所用磁热材料在进入磁场时材料内部原子的磁矩从无序变为有序，材料的磁熵变低根据能量守恒磁热材料本身需要放热；磁热材料在离开磁场时材料吸热，材料内部原子的磁矩从有序变为无序。近来发现Gd和它的合金Gd5Si2Ge2的巨磁热效应，为磁制冷技术的发展奠定了基础。

为实现连续、稳定的磁制冷过程，需要施加于磁工质上的磁场发生周期行变化。电磁场可提供周期性变化磁场，但是为形成较大磁场电力***电流较大会形成较高损失，相较而言目前永磁体磁场较为流行。根据磁体与磁工质的相对运动方式，磁制冷冷机分为旋转式和往复式两种主要形式。其中，由于旋转式冷机制冷工艺连续性较好受到广泛关注。

但为实现***的冷热连续切换，冷机内部流道会较为复杂且管路较多，这就导致了热量损，能量失利用率低，并且复杂的流道结构使得冷机可靠性下降以及阻力变得较高。复杂的***构造也是制约磁制冷***放大的重要制约因素，因而磁制冷冷机的连续性和可靠性直接关系到磁制冷冷机商业应用以及推广的可能。

发明内容

本发明为解决现阶段磁制冷冷机的流道复杂、体阻力大、热量损失大的缺陷，提出了一种新型的旋转式磁制冷冷机。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种旋转式磁制冷冷机，所述磁制冷冷机包括相互组装的冷机上外壳和冷机下外壳；所述冷机上外壳和冷机下外壳的结合接触面之间对称固定有第一夹板和第二夹板，在第一夹板和第二夹板之间通过轴支撑安装有圆形磁工质组件并带动其旋转，所述冷机上外壳的顶部外部套装有永磁体槽，所述永磁体槽为圆形磁工质组件提供垂直于圆形磁工质组件平面的励磁磁场。

所述第一夹板和第二夹板的中间部位都分别加工有轴承安装孔，在第一夹板的轴承安装孔内部安装有第一轴承，在第二夹板的轴承安装孔内部安装有第二轴承，所述轴的两端分别支撑安装在第一轴承和第二轴承之间。

所述圆形磁工质组件包括骨架，所述骨架的间隙均布置固定安装有多块磁工质，所述磁工质的外缘通过圆箍固定。

所述骨架由硬质绝热塑料铸成星型结构；所述磁工质采用铸造成型并切割成所需的扇形。

所述第一夹板和第二夹板采用相同的结构，其截面都采用T型截面，其中T型截面的长条形肋夹紧设置在冷机上外壳和冷机下外壳之间，并将其固定；在T型截面的另一光滑面设置有一层用于和圆形磁工质组件相转动密封配合的硅胶层。

所述冷机上外壳、冷机下外壳、圆形磁工质组件、第一夹板和第二夹板组装完成之后将整个腔体分隔成为载冷腔体和载热腔体两个相对封闭的腔体。

所述载热腔体用于流通载热气体，并采用下进上出的布置方式，在其一侧下部设置载热流道进口，另一侧上部设置载热流道出口；在载热流道进口所在一侧的顶角位置安装有倾斜布置的隔板，以避免热流体在角落积累。

所述载冷腔体用于流通载冷液体，并采用上进下出的布置方式，在其一侧上部设置载冷流道进口，另一侧下部设置载冷流道出口；在载冷流道进口所在一侧的底角位置安装有倾斜布置的隔板，以避免冷流体在角落积累。

工作时，所述圆形磁工质组件采用逆时针旋转，并使的载热腔体内部的载热气体和载冷腔体内部的载冷液体分别呈逆向运动。

所述旋转式磁制冷冷机的制冷方法：

Step1：通过永磁体槽产生磁场，同时所述磁场能够透过冷机上外壳，进而给其内部的圆形磁工质组件提供励磁场；

Step2：通过动力装置驱动轴，轴同步的驱动圆形磁工质组件转动，进而使得圆形磁工质组件在磁场中转动；

Step3：此时磁工质在进入所述磁场时，所述磁工质能够被励磁进行放热；且在所述磁工质离开所述场时，所述磁工质去磁并进行吸热；

Step4：通过计算磁工质在冷流体内的吸热时间，来控制圆形磁工质组件的旋转角速度，实现磁工质在载热腔体和载冷腔体内部的循环放热和吸热，进而实现磁制冷冷机的连续制冷过程。

本发明有如下有益效果：

1、本发明所述冷机设计不仅可以实现有效的能量利用实现连续的制冷过程，并实现了各个环节的模块化简易化，解决了旋转式磁制冷冷机共有的***复杂，流程复杂，制造复杂等诸多问题。

2、本发明磁制冷冷机结构简单，可靠性、装备放大可行性高，且载冷、热流道简单，***阻力小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1 为本发明的整体***结构图。

图2为本发明的主剖视图。

图3为本发明第一夹板正反面结构图。

图4为本发明第二夹板正反面结构图。

图5为本发明圆形磁工质组件结构图。

图中：磁制冷冷机1、圆形磁工质组件2、冷机上外壳3a、冷机下外壳3b、轴4、第一轴承5a、第二轴承5b、第一夹板6a、第二夹板6b、骨架7、磁工质8、圆箍9、永磁体槽10、载冷腔体11、载热腔体12、载热流道进口13、载热流道出口14、载冷流道进口15、载冷流道出口16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

请参阅图1-5，一种旋转式磁制冷冷机，其特征其在于：所述磁制冷冷机1包括相互组装的冷机上外壳3a和冷机下外壳3b；所述冷机上外壳3a和冷机下外壳3b的结合接触面之间对称固定有第一夹板6a和第二夹板6b，在第一夹板6a和第二夹板6b之间通过轴4支撑安装有圆形磁工质组件2并带动其旋转，所述冷机上外壳3a的顶部外部套装有永磁体槽10，该槽为圆形磁工质组件2提供垂直于圆形磁工质组件2平面的励磁磁场。通过上述旋转式磁制冷冷机能够实现有效的能量利用实现连续的制冷过程。解决现阶段磁制冷冷接的流道复杂、体阻力大、热量损失大的缺陷。

进一步的，所述第一夹板6a和第二夹板6b的中间部位都分别加工有轴承安装孔，在第一夹板6a的轴承安装孔内部安装有第一轴承5a，在第二夹板6b的轴承安装孔内部安装有第二轴承5b，所述轴4的两端分别支撑安装在第一轴承5a和第二轴承5b之间。通过上述结构保证了轴4能够在轴承的支撑作用下顺利的转动，进而带动所支撑的圆形磁工质组件2转动。

进一步的，所述圆形磁工质组件2包括骨架7，所述骨架7的***均布固定安装有多块磁工质8，所述磁工质8的外缘通过圆箍9固定。所述骨架7由硬质绝热塑料铸成星型结构；所述磁工质8采用铸造成型并切割成所需的扇形。通过上述的磁工质8其能够在磁场作用下产生热量，而在离开磁场区域之后实现吸热，进而交替进入磁场时实现循环制冷。

进一步的，所述第一夹板6a和第二夹板6b采用相同的结构，其截面都采用T型截面，其中T型截面的长条形肋夹紧设置在冷机上外壳3a和冷机下外壳3b之间，并将其固定；在T型截面的另一光滑面设置有一层用于和圆形磁工质组件2相转动密封配合的硅胶层。通过上述结构的夹板能够对轴4进行有效的支撑。

进一步的，所述冷机上外壳3a、冷机下外壳3b、圆形磁工质组件2、第一夹板6a和第二夹板6b组装完成之后将整个腔体分隔成为载冷腔体11和载热腔体12两个相对封闭的腔体。所述载热腔体12用于流通载热气体，并采用下进上出的布置方式，在其一侧下部设置载热流道进口13，另一侧上部设置载热流道出口14；在载热流道进口13所在一侧的顶角位置安装有倾斜布置的隔板，以避免热流体在角落积累。所述载冷腔体11用于流通载冷液体，并采用上进下出的布置方式，在其一侧上部设置载冷流道进口15，另一侧下部设置载冷流道出口16；在载冷流道进口15所在一侧的底角位置安装有倾斜布置的隔板，以避免冷流体在角落积累。通过上述的两个相对密封的流道，能够分别形成制冷和制热。

进一步的，工作时，所述圆形磁工质组件2采用逆时针旋转，并使的载热腔体12内部的载热气体和载冷腔体11内部的载冷液体分别呈逆向运动。通过采用上述的运动和旋转方向，能够充分的实现其内部流体的流动，同时大大的增大了其换热效率，进而提高了工作效率。

进一步的，所述上侧流道外部施加磁场，为磁工质励磁区域；所述下侧流道外部无磁场，为磁工质去磁区域；中部夹板遮盖部分无磁场，为过渡区域。

实施例2：

本发明所述磁制冷冷机1的安装过程为：

将轴4穿入圆形磁工质组件2，固定方式可依据***大小和扭力不同通过摩擦，加肋和螺纹等方式使之固定；之后将第一轴承5a和第二轴承5b固定入第一夹板6a和第二夹板6b，其中将第一夹板6a装在轴承的顶端，将第二夹板6b穿过轴4的另一端，使夹板组件通过轴4将圆形磁工质组件2夹住夹板组件带肋的一面向外；之后将装好轴4、圆形磁工质组件2和第一轴承5a和第二轴承5b的第一夹板6a和第二夹板6b装入冷机下外壳3b，第一夹板6a和第二夹板6b的肋可将轴4和圆形磁工质组件2固定在相应位置，盖上冷机上外壳3a，两个外盒可通过螺纹卡钳等方式固定起来；最后将永磁体槽10放置在冷机上外壳3a一侧完成磁制冷冷机1的组装。

实施例4：

本实施中所述外壳组件由两块相同的冷机上外壳3a、冷机下外壳3b对接形成，壳体为铝合金材料，壁厚2mm内部尺寸为长×宽×高为200mm×100×mm×30mm。冷机上外壳3a、冷机下外壳3b上接有流体进出的接口，接口与壳体同材质，采用焊接方式连接，接口外侧刻螺纹，通过软管与外部循环连接。外壳组件开口处下缘留有可另轴承通过的圆孔外径为10mm。

所述实施例第一夹板6a和第二夹板6b，其截面成T型，第一夹板6a和第二夹板6b主体为硬质绝热塑料材质主体长×宽×高为200mm×30mm×2mm一侧带有长×宽×高为200mm×2mm ×2mm的肋，在与磁工质接触一侧粘有0.5mm厚硅胶材料。两个夹板部件其中一个第二夹板6b在中心打12mm圆孔可令轴承通过并安装轴承，另一个第一夹板6a其开槽但不打通可以安装厚度为2mm的轴承。

所述实施例圆形磁工质组件2，由骨架7、磁工质8和圆箍9组成，骨架7由硬质绝热塑料铸成星型其外径×内径×厚度为198mm×10mm ×25mm，磁工质8铸造成型并切割成所需扇形其直×厚度为168mm×25mm，最后通过碳纤维圆箍9将其固定在骨架7之上圆箍9外径×内径×厚度为200mm×198mm ×25mm。所述圆形磁工质组件2厚25mm。

所述实施例第一轴承5a和第二轴承5b和轴4均使用不锈钢材料，轴4直径为10mm，第一轴承5a和第二轴承5b外径12mm，内径10mm，厚度2mm。

实施例5：

所述旋转式磁制冷冷机的制冷方法：

Step1：通过永磁体槽10产生磁场，同时所述磁场能够透过冷机上外壳3a和冷机下外壳3b，进而给其内部的圆形磁工质组件2提供励磁场；

Step2：通过动力装置驱动轴4，轴4同步的驱动圆形磁工质组件2转动，进而使得圆形磁工质组件2在磁场中转动；

Step3：此时磁工质8在进入所述磁场时，所述磁工质8能够被励磁进行放热；且在所述磁工质8离开所述场时，所述磁工质8去磁并进行吸热；

Step4：通过计算磁工质8在冷流体内的吸热时间，来控制圆形磁工质组件2的旋转角速度，实现磁工质8在载热腔体12和载冷腔体11内部的循环放热和吸热，进而实现磁制冷冷机1的连续制冷过程。

Claims (6)

1.一种旋转式磁制冷冷机，其特征其在于：所述磁制冷冷机（1）包括相互组装的冷机上外壳（3a）和冷机下外壳（3b）；所述冷机上外壳（3a）和冷机下外壳（3b）的结合接触面之间对称固定有第一夹板（6a）和第二夹板（6b），在第一夹板（6a）和第二夹板（6b）之间通过轴（4）支撑安装有圆形磁工质组件（2），并通过轴（4）带动圆形磁工质组件（2）旋转，所述冷机上外壳（3a）的顶部外部套装有永磁体槽（10），所述永磁体槽（10）为圆形磁工质组件（2）提供垂直于圆形磁工质组件（2）平面的励磁磁场；

所述第一夹板（6a）和第二夹板（6b）的中间部位都分别加工有轴承安装孔，在第一夹板（6a）的轴承安装孔内部安装有第一轴承（5a），在第二夹板（6b）的轴承安装孔内部安装有第二轴承（5b），所述轴（4）的两端分别支撑安装在第一轴承（5a）和第二轴承（5b）之间；

所述圆形磁工质组件（2）包括骨架（7），所述骨架（7）的间隙内均布置固定安装有多块磁工质（8），所述磁工质（8）的外缘通过圆箍（9）固定；

所述第一夹板（6a）和第二夹板（6b）采用相同的结构，其截面都采用T型截面，其中T型截面的长条形肋夹紧设置在冷机上外壳（3a）和冷机下外壳（3b）之间，并将其固定；在T型截面的另一光滑面设置有一层用于和圆形磁工质组件（2）相转动密封配合的硅胶层；

所述冷机上外壳（3a）、冷机下外壳（3b）、圆形磁工质组件（2）、第一夹板（6a）和第二夹板（6b）组装完成之后将整个腔体分隔成为载冷腔体（11）和载热腔体（12）两个相对封闭的腔体。

2.根据权利要求1所述的一种旋转式磁制冷冷机，其特征在于：所述骨架（7）由硬质绝热塑料铸成星型结构；所述磁工质（8）采用铸造成型并切割成所需的扇形。

3.根据权利要求1所述的一种旋转式磁制冷冷机，其特征在于：所述载热腔体（12）用于流通载热气体，并采用下进上出的布置方式，在其一侧下部设置载热流道进口（13），另一侧上部设置载热流道出口（14）；在载热流道进口（13）所在一侧的顶角位置安装有倾斜布置的隔板，以避免热流体在角落积累。

4.根据权利要求3所述的一种旋转式磁制冷冷机，其特征在于：所述载冷腔体（11）用于流通载冷液体，并采用上进下出的布置方式，在其一侧上部设置载冷流道进口（15），另一侧下部设置载冷流道出口（16）；在载冷流道进口（15）所在一侧的底角位置安装有倾斜布置的隔板，以避免冷流体在角落积累。

5.根据权利要求1所述的一种旋转式磁制冷冷机，其特征在于：工作时，所述圆形磁工质组件（2）采用逆时针旋转，并使的载热腔体（12）内部的载热气体和载冷腔体（11）内部的载冷液体分别呈逆向运动。

6.权利要求1-5任意一项所述旋转式磁制冷冷机的制冷方法，其特征在于：

Step1：通过永磁体槽（10）产生磁场，同时所述磁场能够透过冷机上外壳（3a），进而给其内部的圆形磁工质组件（2）提供励磁场；

Step2：通过动力装置驱动轴（4），轴（4）同步的驱动圆形磁工质组件（2）转动，进而使得圆形磁工质组件（2）在磁场中转动；

Step3：此时磁工质（8）在进入所述磁场时，所述磁工质（8）能够被励磁进行放热；且在所述磁工质（8）离开所述场时，所述磁工质（8）去磁并进行吸热；

Step4：通过计算磁工质（8）在冷流体内的吸热时间，来控制圆形磁工质组件（2）的旋转角速度，实现磁工质（8）在载热腔体（12）和载冷腔体（11）内部的循环放热和吸热，进而实现磁制冷冷机（1）的连续制冷过程。