CN111503936B - 一种活塞式连续磁换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体换热技术领域，具体而言，涉及一种活塞式连续磁换热装置，其包括电源和密封的缸筒，缸筒环绕其内侧壁固定设有磁工质，磁工质将缸筒内部分为冷流体腔和热流体腔，缸筒内设有换热流体；磁工质设有连通冷流体腔和热流体腔的活塞腔，活塞腔内设有可沿活塞腔滑动的磁体，磁体与电源电连接，磁工质设有连通冷流体腔和热流体腔的连接孔；还包括用于驱动磁体沿活塞腔往复运动的驱动装置。采用本发明，能够实现连续制冷和制热，增加换热效率，便于推广。

Description

一种活塞式连续磁换热装置

技术领域

本发明涉及固体换热技术领域，具体而言，涉及一种活塞式连续磁换热装置。

背景技术

固体制冷具有环保、高效等优点，是一种具有广泛应用前景的制冷方式。磁制冷是固体制冷的方法之一，该方法利用磁性材料在加磁时温度会升高，而去磁时温度下降这一特性实现热量的转移，是一种高效环保的制冷方式。通常一个完整的磁制冷循环包括两个过程：加磁-冷端换热器内冷流体进入多孔磁工质带走多孔磁工质内热量后去热端换热器散热；去磁-热端换热器内经过散热后热流体进入多孔磁工质被降温后进入冷端换热器进行制冷。

已有的磁工质制冷装置主要有直线往复式和回旋式两种，尽管已经有少量制冷装置样机产生，但往往存在制冷不连续，磁性介质内残存反向流体等问题，限制了该制冷方式的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活塞式连续磁换热装置，其能够实现连续制冷和制热，增加换热效率，便于推广。

本发明的实施例是这样实现的：

一种活塞式连续磁换热装置，包括电源和密封的缸筒，缸筒环绕其内侧壁固定设有磁工质，磁工质将缸筒内部分为冷流体腔和热流体腔，缸筒内设有换热流体；磁工质设有连通冷流体腔和热流体腔的活塞腔，活塞腔内设有可沿活塞腔滑动的磁体，磁体与电源电连接，磁工质设有连通冷流体腔和热流体腔的连接孔；还包括用于驱动磁体沿活塞腔往复运动的驱动装置。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述冷流体腔内设有冷端换热器，冷端换热器设有第一入口端和第一出口端，第一入口端和第一出口端设于缸筒外部；热流体腔内设有热端换热器，热端换热器设有第二入口端和第二出口端，第二入口端和第二出口端设于缸筒外部。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述磁体包括依次连接的上磁体、中磁体和下磁体，上磁体、中磁体和下磁体分别与电源电连接。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述驱动装置包括连接杆、曲轴和用于驱动曲轴转动的原动机，曲轴上设有曲柄，连接杆一端与磁体连接，连接杆另一端与曲柄活动连接。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述原动机采用的是电动机。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述磁工质与磁体之间设有间隙。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述的磁工质外表面设有隔热层。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述第一入口端设有冷端输送泵，第二入口端设有热端输送泵。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述冷端换热器与热端换热器均为S形。

进一步的，在本发明的一些实施例中，上述活塞腔形状为圆柱形。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

本发明实施例提供一种活塞式连续磁换热装置，包括电源和密封的缸筒，缸筒环绕其内侧壁固定设有磁工质，磁工质将缸筒内部分为冷流体腔和热流体腔，缸筒内设有换热流体；磁工质设有连通冷流体腔和热流体腔的活塞腔，活塞腔内设有可沿活塞腔滑动的磁体，磁体与电源电连接，磁工质设有连通冷流体腔和热流体腔的连接孔；还包括用于驱动磁体沿活塞腔往复运动的驱动装置。

工作原理：电源给磁体通电，磁体通电后产生磁性，同时磁工质开始加磁，磁工质温度升高；驱动装置驱动磁体沿活塞腔向上运动，磁体将冷流体腔内的换热流体挤压，换热流体从连接孔进入热流体腔；由于磁工质温度已经升高了，经过磁工质的换热流体带走磁工质产生的热量，因此进入热流体腔的换热流体温度变高，热流体腔温度升高，实现制热过程，此过程中产生的热量被外部需要制热的制热空间带走，使热流体腔变成常温，直至磁体运动到最高处，完成一个制热过程，然后断掉电源。

在断掉电源后，磁体的磁性消失，同时磁工质去磁，磁工质温度降低；驱动装置驱动磁体沿活塞腔向下运动，磁体将热流体腔内的换热流体挤压，换热流体从连接孔进入冷流体腔；由于磁工质温度已经降低了，经过磁工质然后进入冷流体腔的换热流体温度降低，冷流体腔温度降低，实现制冷过程，此过程中产生的冷量被外部需要制冷的制冷空间带走，使冷流体腔变成常温，直至磁体运动到最低处，完成一个制冷过程，然后接通电源，重复上述的制热过程，如此往复循环实现制冷和制热，增加换热效率，便于推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的换热装置局部剖视图；

图2为本发明实施例提供的换热装置制冷和制热过程的循环示意图；

图3为本发明实施例提供的换热装置俯视图；

图4为本发明实施例提供的换热装置仰视图。

图标：1-缸筒、2-活塞腔、3-磁体、4-磁工质、5-冷流体腔、6-热流体腔、7-冷端换热器、8-热端换热器、9-连接孔、10-连接杆、11-冷端输送泵、12-热端输送泵、13-曲柄、14-第一入口端、15-第一出口端、16-第二入口端、17-第二出口端、18-曲轴、19-上磁体、20-中磁体、21-下磁体、22-原动机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1和图2，图1所示为本发明实施例提供的换热装置局部剖视图；图2所示为本发明实施例提供的换热装置制冷和制热过程的循环示意图。

固体制冷具有环保、高效等优点，是一种具有广泛应用前景的制冷方式。磁制冷是固体制冷的方法之一，该方法利用磁性材料在加磁时温度会升高，而去磁时温度下降这一特性实现热量的转移，是一种高效环保的制冷方式。而且磁制冷常用到磁工质4，磁工质4即为磁制冷工质，磁制冷工质为固体材料，其熵密度远远大于气体，因此更易于做到小型化，结构可以更加紧凑。

本实施例提供一种活塞式连续磁换热装置，包括电源和密封的缸筒1，缸筒1环绕其内侧壁固定设有磁工质4，磁工质4将缸筒1内部分为冷流体腔5和热流体腔6，缸筒1内设有换热流体；磁工质4设有连通冷流体腔5和热流体腔6的活塞腔2，活塞腔2内设有可沿活塞腔2滑动的磁体3，磁体3与电源电连接，磁工质4设有连通冷流体腔5和热流体腔6的连接孔9；还包括用于驱动磁体3沿活塞腔2往复运动的驱动装置。

工作原理：电源给磁体3通电，磁体3通电后产生磁性，同时磁工质4开始加磁，磁工质4温度升高；驱动装置驱动磁体3沿活塞腔2向上运动，磁体3将冷流体腔5内的换热流体挤压，换热流体从连接孔9进入热流体腔6；由于磁工质4温度已经升高了，经过磁工质4的换热流体带走磁工质4产生的热量，因此进入热流体腔6的换热流体温度变高，热流体腔6温度升高，实现制热过程，此过程中产生的热量被外部需要制热的制热空间带走，使热流体腔6变成常温，直至磁体3运动到最高处，完成一个制热过程，然后断掉电源。

在断掉电源后，磁体3的磁性消失，同时磁工质4去磁，磁工质4温度降低；驱动装置驱动磁体3沿活塞腔2向下运动，磁体3将热流体腔6内的换热流体挤压，换热流体从连接孔9进入冷流体腔5；由于磁工质4温度已经降低了，经过磁工质4然后进入冷流体腔5的换热流体温度降低，冷流体腔5温度降低，实现制冷过程，此过程中产生的冷量被外部需要制冷的制冷空间带走，使冷流体腔5变成常温，直至磁体3运动到最低处，完成一个制冷过程，然后接通电源，重复上述的制热过程，如此往复循环实现连续制冷和制热，增加制冷和制热效率，便于推广。

请参照图3和图4，图3所示为本发明实施例提供的换热装置俯视图；图4所示为本发明实施例提供的换热装置仰视图。

如图1至图4所示，作为一种较优的实施方式，本实施例的冷流体腔5内设有冷端换热器7，冷端换热器7设有第一入口端14和第一出口端15，第一入口端14和第一出口端15设于缸筒1外部；热流体腔6内设有热端换热器8，热端换热器8设有第二入口端16和第二出口端17，第二入口端16和第二出口端17设于缸筒1外部。

本发明通过设置冷端换热器7，冷端换热器7的第一入口端14和第一出口端15可分别与外部需要制冷的制冷空间连接；在换热装置制冷过程中，制冷空间的气体或液体从第一入口端14进入冷端换热器7，将冷流体腔5内的冷量带走，然后从第一出口端15进入制冷空间中，给制冷空间降温；冷端换热器7能够快速将换热流体产生的冷量带走，增加换热装置的制冷效率。

本发明通过设置热端换热器8，热端换热器8的第二入口端16和第二出口端17可分别与外部需要制热的制热空间连接；在换热装置制热过程中，制热空间的气体或液体从第二入口端16进入热端换热器8，将热流体腔6内的热量带走，然后从第二出口端17进入制热空间中，给制热空间升温；热端换热器8能够快速将换热流体产生的热量带走，增加换热装置的制热效率。

如图1至图4所示，作为一种较优的实施方式，本实施例的磁体3包括依次连接的上磁体19、中磁体20和下磁体21，上磁体19、中磁体20和下磁体21分别与电源电连接。

工作原理：下磁体21位于最低点，此时上磁体19位于磁工质4处的活塞腔2内，给上磁体19和中磁体20通电，下磁体21不通电，磁工质4开始加磁，磁体3向上移动，冷流体腔5内的换热流体被挤压从连接孔9流入热流体腔6。

随着磁体3不断上移，磁工质4内磁场强度升高，当下磁体21开始进入位于磁工质4处的活塞腔2内时通电，此时磁工质4磁场最强，磁体3不断上移，冷流体腔5内的换热流体不断被挤压进入热流体腔6；当上磁体19脱离位于磁工质4处的活塞腔2时，整个磁体3断电，磁场消失，但此时磁工质4内仍然残存有较高温度的换热流体，所以磁体3继续上移，直至中磁体20刚好脱离位于磁工质4处的活塞腔2时，残存在磁工质4内的较高温度的换热流体全部进入热流体腔6内，同时热流体腔6内的换热流体温度也得到冷却，此时上磁体19位于最高点。

然后磁体3下移，热流体腔6内的换热流体在挤压下从连接孔9进入冷流体腔5，完成制冷过程，如此循环实现连续制冷和制热。本发明通过磁体3包括依次连接的上磁体19、中磁体20和下磁体21，将磁体3分为三个部分，然后根据每个部分在不同的位置时选择提供电源的时机，不用一直给磁体3供电，节约电能。

如图1至图4所示，作为一种较优的实施方式，本实施例的驱动装置包括连接杆10、曲轴18和用于驱动曲轴18转动的原动机22，曲轴18上设有曲柄13，连接杆10一端与磁体3连接，连接杆10另一端与曲柄13活动连接。

本发明通过设置曲轴18，原动机22可带动曲轴18转动进而带动连接杆10往复运动，使磁体3沿活塞腔2往复运动。可选地，本实施例的连接杆10数量为两个，一个连接杆10一端固定于磁体3底部，其另一端设于缸筒1外并与另一个连接杆10铰接，另一个连接杆10与曲柄13活动连接，连接杆10与缸筒1连接处做密封处理。可选地，本实施例的曲柄13可设置多个，每个曲柄13的位置设置一个换热装置，多个换热装置同时工作，制热和制冷总量高，给外部空间换热快。

如图1至图4所示，作为一种较优的实施方式，本实施例的原动机22采用的是电动机。

本发明通过原动机22采用的电动机，电动机来源广，对工作环境要求低，便于实施。

如图1至图4所示，作为一种较优的实施方式，本实施例的磁工质4与磁体3之间设有间隙。

本发明通过磁工质4与磁体3之间设置间隙，换热流体可充满在磁工质4与磁体3之间的间隙里，如此降低磁体3往复运动时与磁工质4之间产生的摩擦力，增加换热装置的使用寿命。可选地，本实施例的磁工质4与磁体3之间可设有活塞环，活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，活塞环是一种具有较大向外扩张变形的金属弹性环，它被装配到剖面与其相应的环形槽内。往复和旋转运动的活塞环，依靠气体或液体的压力差，在环外圆面和气缸以及环和环槽的一个侧面之间形成密封，如此将冷流体腔5和热流体腔6隔绝。

如图1至图4所示，作为一种较优的实施方式，本实施例的磁工质4外表面设有隔热层。

本发明通过磁工质4外表面设置隔热层，防止磁工质4产生的热量或冷量溢出磁工质4，增加换热效率。

如图1至图4所示，作为一种较优的实施方式，本实施例的第一入口端14设有冷端输送泵11，第二入口端16设有热端输送泵12。

本发明通过设置冷端输送泵11和热端输送泵12，在换热装置制热过程中，热端输送泵12加快制热空间的气体或液体从热端换热器8流通的速度，增加换热装置的制热效率；在换热装置制冷过程中，冷端输送泵11加快制冷空间的气体或液体从冷端换热器7流通的速度，增加换热装置的制冷效率。

如图1至图4所示，作为一种较优的实施方式，本实施例的冷端换热器7与热端换热器8均为S形。

本发明通过设置冷端换热器7为S形，增加冷端换热器7与冷流体腔5中的换热流体接触面积，进而增加换热效率；通过设置热端换热器8为S形，增加热端换热器8与热流体腔6中的换热流体接触面积，进而增加换热效率。

如图1至图4所示，作为一种较优的实施方式，本实施例的活塞腔2形状为圆柱形。

本发明通过设置活塞腔2形状为圆柱形，便于磁体3外侧壁与磁工质4内侧壁的接触，便于磁体3沿着活塞腔2往复运动。

综上，本发明的实施例提供一种活塞式连续磁换热装置，包括电源和密封的缸筒1，缸筒1环绕其内侧壁固定设有磁工质4，磁工质4将缸筒1内部分为冷流体腔5和热流体腔6，缸筒1内设有换热流体；磁工质4设有连通冷流体腔5和热流体腔6的活塞腔2，活塞腔2内设有可沿活塞腔2滑动的磁体3，磁体3与电源电连接，磁工质4设有连通冷流体腔5和热流体腔6的连接孔9；还包括用于驱动磁体3沿活塞腔2往复运动的驱动装置。

工作原理：电源给磁体3通电，磁体3通电后产生磁性，同时磁工质4开始加磁，磁工质4温度升高；驱动装置驱动磁体3沿活塞腔2向上运动，磁体3将冷流体腔5内的换热流体挤压，换热流体从连接孔9进入热流体腔6；由于磁工质4温度已经升高了，经过磁工质4的换热流体带走磁工质4产生的热量，因此进入热流体腔6的换热流体温度变高，热流体腔6温度升高，实现制热过程，此过程中产生的热量被外部需要制热的制热空间带走，使热流体腔6变成常温，直至磁体3运动到最高处，完成一个制热过程，然后断掉电源。

在断掉电源后，磁体3的磁性消失，同时磁工质4去磁，磁工质4温度降低；驱动装置驱动磁体3沿活塞腔2向下运动，磁体3将热流体腔6内的换热流体挤压，换热流体从连接孔9进入冷流体腔5；由于磁工质4温度已经降低了，经过磁工质4然后进入冷流体腔5的换热流体温度降低，冷流体腔5温度降低，实现制冷过程，此过程中产生的冷量被外部需要制冷的制冷空间带走，使冷流体腔5变成常温，直至磁体3运动到最低处，完成一个制冷过程，然后接通电源，重复上述的制热过程，如此往复循环实现制冷和制热，增加换热效率，便于推广。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种活塞式连续磁换热装置，其特征在于：包括电源和密封的缸筒，所述缸筒环绕其内侧壁固定设有磁工质，所述磁工质将缸筒内部分为冷流体腔和热流体腔，所述缸筒内设有换热流体；所述磁工质设有连通冷流体腔和热流体腔的活塞腔，所述活塞腔内设有可沿活塞腔滑动的磁体，所述磁体与电源电连接，所述磁工质设有连通冷流体腔和热流体腔的连接孔；还包括用于驱动磁体沿活塞腔往复运动的驱动装置；

所述驱动装置用于在所述磁体通电产生磁性，所述磁工质开始加磁后，所述驱动装置驱动所述磁体沿所述活塞腔向上运动，直至所述磁体运动到最高处，完成一个制热过程，然后所述磁体断电；

在所述磁工质断电去磁后；所述驱动装置用于驱动所述磁体沿所述活塞腔向下运动，直至所述磁体运动到最低处，完成一个制冷过程，然后所述磁体通电。

2.根据权利要求1所述的活塞式连续磁换热装置，其特征在于：所述冷流体腔内设有冷端换热器，所述冷端换热器设有第一入口端和第一出口端，所述第一入口端和第一出口端设于缸筒外部；所述热流体腔内设有热端换热器，所述热端换热器设有第二入口端和第二出口端，所述第二入口端和第二出口端设于缸筒外部。

3.根据权利要求2所述的活塞式连续磁换热装置，其特征在于：所述磁体包括依次连接的上磁体、中磁体和下磁体，所述上磁体、中磁体和下磁体分别与电源电连接。

4.根据权利要求1所述的活塞式连续磁换热装置，其特征在于：所述驱动装置包括连接杆、曲轴和用于驱动曲轴转动的原动机，所述曲轴上设有曲柄，所述连接杆一端与磁体连接，所述连接杆另一端与曲柄活动连接。

5.根据权利要求4所述的活塞式连续磁换热装置，其特征在于：所述原动机采用的是电动机。

6.根据权利要求1所述的活塞式连续磁换热装置，其特征在于：所述磁工质与磁体之间设有间隙。

7.根据权利要求1所述的活塞式连续磁换热装置，其特征在于：所述磁工质外表面设有隔热层。

8.根据权利要求2所述的活塞式连续磁换热装置，其特征在于：所述第一入口端设有冷端输送泵，所述第二入口端设有热端输送泵。

9.根据权利要求2所述的活塞式连续磁换热装置，其特征在于：所述冷端换热器与热端换热器均为S形。

10.根据权利要求1所述的活塞式连续磁换热装置，其特征在于：所述活塞腔形状为圆柱形。

Images