CN115355630B - 多级大功率磁制冷机及其制冷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多级大功率磁制冷机，包括：旋转磁工质床组合、磁体、蓄冷器、散热器、循环泵、电磁阀组、电机；旋转磁工质床组合通过管路连接在蓄冷器、散热器之间；电磁阀组设置在散热器、旋转磁工质床之间的管路上，或者电磁阀组设置在蓄冷器、旋转磁工质床之间的管路上；旋转磁工质床组合包括多个并联或者串联的旋转磁工质床单体，多个旋转磁工质床单体分别安装在多个磁体的工作空隙内；旋转磁工质床单体侧部设置有转轴，转轴连接电机。本发明还公开了一种多级大功率磁制冷机的制冷方法。本发明能够扩展磁热效应工作区间，并大大提高磁热效应功率。
Description
技术领域
本发明属于磁制冷装置，具体涉及一种多级大功率磁制冷机及其制冷方法。
背景技术
目前，传统压缩制冷对臭氧层会产生危害，会间接导致人类生存环境的变化。根据蒙特利尔协议和京都协议，气体压缩制冷采用无氟的制冷剂，例如R410。虽然新的制冷工质不再对臭氧产生不利影响，但是会导致温室效应，仍然会破坏自然环境。
由于在传统压缩气体制冷中，制冷剂被压缩机等熵压缩，再进入冷凝器冷却，进入节流阀，最后出节流阀，进入蒸发器，按照这样循环工作，整个热力学循环的四部分是在制冷剂经过不同机械部分完成的。而室温磁场制冷的热力学循环是在蓄热器中完成循环，制冷剂即磁工质不动，只是磁场强度变化，就能完成热力学循环；传统磁制冷***热力学循环***简单、制冷效率低、制冷功率低、磁热效应小，限制了室温磁场制冷技术的推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多级大功率磁制冷机及其制冷方法，能够扩展磁热效应工作区间，并大大提高磁热效应功率。
为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
多级大功率磁制冷机，包括：旋转磁工质床组合、磁体、蓄冷器、散热器、循环泵、电磁阀组、电机；旋转磁工质床组合通过管路连接在蓄冷器、散热器之间；电磁阀组设置在散热器、旋转磁工质床之间的管路上，或者电磁阀组设置在蓄冷器、旋转磁工质床之间的管路上；旋转磁工质床组合包括多个并联或者串联的旋转磁工质床单体，多个旋转磁工质床单体分别安装在多个磁体的工作空隙内；旋转磁工质床单体侧部设置有转轴，转轴连接电机。
进一步，多个旋转磁工质床单体分成第一工质床分组和第二工质床分组，第一工质床分组或者第二工质床分组的多个旋转磁工质床单体并联或者串联。
进一步，电磁阀组设置在散热器、旋转磁工质床之间的管路上，电磁阀组包括：第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀；第二电磁阀、第四电磁阀通过管路串接在第一工质床分组、散热器之间的管路上，第一电磁阀、第三电磁阀通过管路串接在第二工质床分组、散热器之间的管路上；循环泵设置在第三电磁阀、散热器之间的管路上；第五电磁阀一端连接在第一电磁阀与第二工质床分组之间的管路上，另一端连接在第四电磁阀与散热器之间的管路上；第六电磁阀设置在第二电磁阀、第三电磁阀之间的管路上。
进一步，旋转磁工质床单体包括：制冷床本体、法兰、滤网；室温磁工质颗粒填充在制冷床本体内，法兰连接在制冷床本体两端，滤网固定在制冷床本体、法兰之间，法兰连接管路；制冷床本体包括两个弧形分体，两个弧形分体利用法兰连接在一起；法兰内部设置有流道，流道的两个流道开口位于法兰的内侧壁，两个流道开口分别连通两个弧形分体；法兰的外侧壁设置有引流管，引流管位于法兰的轴心处，引流管一端连接流道另一端连接管路。
进一步，引流管设置有轴向内孔，轴向内孔设置有多个环形内槽，环形内槽内安装有密封环，管路插接在轴向内孔内，密封环位于管路与轴向内孔之间。
进一步，在管路上套装有压紧密封圈，压紧密封圈位于两个密封环之间。
进一步，管路采用硬质铜管，在引流管外侧的管路上设置有管路支架。
进一步，磁体包括：内层磁体和两个外层半磁环；两个外层半磁环的磁化角度相同；外层半磁环包括：外屏蔽层、外层半磁环磁体，外屏蔽层侧部设置有开口；开口的形状为圆形；外层半磁环磁体固定在外屏蔽层内，外层半磁环磁体的侧部设置有圆形形凹面，圆形凹面位于开口处，两个外层半磁环的圆形凹面位置相对；内层磁***于两个弧形凹面之间，内层磁体包括：内屏蔽层以及两个半磁体，两个半磁体固定在内屏蔽层内；两个半磁体的磁化角度相同，半磁体的形状为半圆形，半磁体的外侧面为弧形凸面；内层磁体、外层半磁环之间的空隙形成工作气隙。
多级大功率磁制冷机的制冷方法，包括：
第一电磁阀、第三电磁阀、第二电磁阀、第四电磁阀导通，第五电磁阀、第六电磁阀闭合；电机带动旋转磁工质床单体旋转，第一工质床分组的弧形分体向进入工作气隙转动，作用在弧形分体内室温磁工质颗粒的磁场强度开始增强，室温磁工质颗粒制热，第一工质床分组的弧形分体制热，第一工质床分组的换热流体经第二电磁阀、第四电磁阀进入散热器，换热后的换热流体经第三电磁阀、第一电磁阀进入第二工质床分组；第二工质床分组的弧形分体向离开工作气隙方向转动，作用在弧形分体内室温磁工质颗粒的磁场强度开始减弱，室温磁工质颗粒制冷，第二工质床分组的弧形分体制冷，第二工质床分组的热流体进入蓄冷器；
第一电磁阀闭合，第三电磁阀导通，第二电磁阀导通，第四电磁阀闭合，第五电磁阀导通，第六电磁阀导通；电机继续带动旋转磁工质床单体旋转，第一工质床分组的弧形分体向离开工作气隙方向转动，弧形分体内室温磁工质颗粒的磁场强度开始减弱，室温磁工质颗粒制冷，第一工质床分组制冷，散热器内换热流体经第三电磁阀、第六电磁阀、第二电磁阀进入第一工质床分组，完成热交换后换热流体从第一工质床分组出来后进入蓄冷器；第二工质床分组的弧形分体向进入工作气隙方向转动，作用在弧形分体内室温磁工质颗粒的磁场强度开始增强，室温磁工质颗粒制热，第二工质床分组制热；蓄冷器内完成热交换的换热流体进入第二工质床分组，加热后的换热流体从第二工质床分组出来后经第五电磁阀进入散热器。
优选的，初始状态下，第一工质床分组的弧形分***于工作气隙外部，第二工质床分组的弧形分***于工作气隙内部。
本发明技术效果包括：
本发明通过两个的固态制冷床，能够扩展磁热效应工作区间，两个的固态制冷床配合使用，制冷、制热互相交替，并利用电磁阀组控制散热流体走向，大大提高磁热效应功率，实现磁制冷功率最大化，大大提高了磁制冷工作效率。
本发明的磁体采用密闭磁场，解决了磁制冷测试***漏磁问题。内层磁体和两个外层半磁环组成密闭磁场，再加上外屏蔽层、内屏蔽层，有效避免漏磁；外层半磁环结构围成的磁场具有多层次，边缘无漏磁。本发明磁场的工作气隙的尺寸可调节，磁场强度可以调节。
附图说明
图1是本发明中多级大功率磁制冷机的结构原理图；
图2是本发明中旋转磁工质床单体的结构原理图；
图3是本发明中引流管的结构示意图；
图4是本发明中磁体的结构示意图；
图5是本发明中弧形分体离开工作气隙的示意图；
图6是本发明中弧形分***于工作气隙内的示意图。
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
如图1所示，是本发明中多级大功率磁制冷机的结构原理图。
多级大功率磁制冷机的结构包括：旋转磁工质床组合1、磁体2、蓄冷器3、散热器4、循环泵5、电磁阀组6、电机7；旋转磁工质床组合1通过管路连接在蓄冷器3、散热器4之间；电磁阀组6设置在散热器4、旋转磁工质床1之间的管路上，或者电磁阀组6设置在蓄冷器3、旋转磁工质床1之间的管路上，用于改变换热流体流向；旋转磁工质床组合1包括多个旋转磁工质床单体11，多个旋转磁工质床单体11分别安装在多个磁体2的工作空隙23内；旋转磁工质床单体11侧部设置有转轴，转轴连接电机7。多个旋转磁工质床单体11分成第一工质床分组和第二工质床分组。
第一工质床分组和第二工质床分组内的多个旋转磁工质床单体11通过管路采用并联或者串联的方式连接。本优选实施例中，两个旋转磁工质床单体11并联，组成旋转磁工质并联单体，两个旋转磁工质并联单体相串联。
本优选实施例中，电磁阀组6设置在散热器4、旋转磁工质床1之间的管路上，电磁阀组6包括：第一电磁阀61、第二电磁阀62、第三电磁阀63、第四电磁阀64、第五电磁阀65、第六电磁阀66；第二电磁阀62、第四电磁阀64通过管路串接在第一工质床分组、散热器4之间的管路上，第一电磁阀61、第三电磁阀63通过管路串接在第二工质床分组、散热器4之间的管路上；循环泵5设置在第三电磁阀63、散热器4之间的管路上；第五电磁阀65一端连接在第一电磁阀61与第二工质床分组之间的管路上，另一端连接在第四电磁阀64与散热器4之间的管路上；第六电磁阀66设置在第二电磁阀62、第三电磁阀63之间的管路上。
如图2所示，是本发明中旋转磁工质床单体11的结构原理图。
旋转磁工质床单体11包括：制冷床本体111、法兰112、滤网113；室温磁工质颗粒填充在制冷床本体111内，法兰112连接在制冷床本体111两端，滤网113固定在制冷床本体111、法兰112之间，法兰112连接管路；制冷床本体111为不导温材料，制冷床本体111、管路、蓄冷器3、散热器4组成密闭流道，流道内部充有换热流体。法兰112底部连接支撑板，通过支撑板连接并固定在底座上。
制冷床本体111包括两个弧形分体114，两个弧形分体114利用法兰112连接在一起。
法兰112内部设置有流道115，流道115的两个流道开口位于法兰112的内侧壁，两个流道开口分别连通两个弧形分体114；法兰112的外侧壁设置有引流管116，引流管116位于法兰112的轴心处，引流管116一端连接流道115另一端连接管路。
本发明中，管路采用硬质铜管，在引流管116外侧的管路上设置有管路支架8，以支撑硬质铜管。
如图3所示，是本发明中引流管116的结构示意图。
引流管116设置有轴向内孔117，轴向内孔117设置有多个环形内槽，环形内槽内安装有密封环118，管路插接在轴向内孔117内，密封环118位于管路与轴向内孔117之间。在管路上套装有压紧密封圈119，压紧密封圈119位于两个密封环118之间；当引流管116、管路支架有换热流体渗入，换热流体将压紧密封圈119紧贴密封环118，起到防止换热流体渗出的作用。
当法兰112法兰随着旋转磁工质床单体11一起旋转时，引流管116旋转，管路静止，利用密封环118、压紧密封圈119实现密封，防止冷床本体111和管路中换热流体外泄。
如图4所示，是本发明中磁体2的结构示意图。
磁体2包括：内层磁体22和两个外层半磁环21；两个外层半磁环21的磁化角度相同(磁场方向相同)。外层半磁环21的整体形状为长方体，包括：外屏蔽层211、外层半磁环磁体212，外屏蔽层211侧部设置有开口；开口的形状为圆形。外层半磁环磁体212固定在外屏蔽层211内，外层半磁环磁体212的侧部设置有圆形形凹面213，圆形凹面213位于开口处。两个外层半磁环21的圆形凹面213位置相对。
内层磁体22位于两个弧形凹面213之间。
内层磁体22包括：内屏蔽层221以及两个半磁体222，两个半磁体222固定在内屏蔽层221内；两个半磁体222的磁化角度相同(磁场方向相同)，半磁体222的形状为半圆形。两个半磁体222的底部相对，底面为平面，外侧面为弧形凸面223。
内层磁体22、外层半磁环21之间的空隙形成工作气隙23，工作气隙23为磁场工作空间。
内屏蔽层221上下两侧分别设置有半圆形卡槽，按照磁化角度0°将两个半磁体222分别固定在半圆形卡槽内。按照磁化角度0°将两个外屏蔽层211分别固定在外层半磁环磁体212内。
旋转磁工质床单体11旋转，位于工作气隙23内时，作用在制冷床本体111内室温磁工质颗粒的磁场强度最大，离开工作气隙23时，作用在制冷床本体111内室温磁工质颗粒的磁场强度为0。室温磁工质颗粒在励磁、退磁过程中产生磁热效应。
外屏蔽层211、内屏蔽层221的材质为合金，厚度大于3mm，外层半磁环磁体212、半磁体222为NdFeB磁体，NdFeB磁体的工作点Ji≥0.9Br，退磁曲线方形度接近于1。
如图5所示，是本发明中制冷床本体111离开工作气隙23的示意图；如图6所示，是本发明中制冷床本体111位于工作气隙23内的示意图。
多级大功率磁制冷机的制冷方法，具体步骤如下：
步骤1：第一电磁阀61、第三电磁阀63、第二电磁阀62、第四电磁阀64导通，第五电磁阀65、第六电磁阀66闭合；
电机7带动旋转磁工质床单体11旋转，第一工质床分组的弧形分体114向进入工作气隙23转动，作用在弧形分体114内室温磁工质颗粒的磁场强度开始增强，室温磁工质颗粒制热，第一工质床分组的弧形分体114制热，第一工质床分组的换热流体经第二电磁阀62、第四电磁阀64进入散热器4，换热后的换热流体经第三电磁阀63、第一电磁阀61进入第二工质床分组；
第二工质床分组的弧形分体114向离开工作气隙23方向转动，作用在弧形分体114内室温磁工质颗粒的磁场强度开始减弱，室温磁工质颗粒制冷，第二工质床分组的弧形分体114制冷；第二工质床分组的热流体进入蓄冷器3；
第一工质床分组的弧形分体114完全进入工作气隙23后，作用在弧形分体114内室温磁工质颗粒的磁场强度达到最大值；第二工质床分组的弧形分体114完全脱离工作气隙23后，作用在弧形分体114内室温磁工质颗粒的磁场强度为0。初始状态下，第一工质床分组的弧形分体114位于工作气隙23外部，第二工质床分组的弧形分体114位于工作气隙23内部。
步骤2：第一电磁阀61闭合，第三电磁阀63导通，第二电磁阀62导通，第四电磁阀64闭合，第五电磁阀65导通，第六电磁阀66导通；
电机7继续带动旋转磁工质床单体11旋转，第一工质床分组的弧形分体114向离开工作气隙23方向转动，弧形分体114内室温磁工质颗粒的磁场强度开始减弱，室温磁工质颗粒制冷，第一工质床分组制冷，散热器4内换热流体经第三电磁阀63、第六电磁阀66、第二电磁阀62进入第一工质床分组，完成热交换后换热流体从第一工质床分组出来后进入蓄冷器3；
第二工质床分组的弧形分体131向进入工作气隙23方向转动，作用在弧形分体114内室温磁工质颗粒的磁场强度开始增强，室温磁工质颗粒制热，第二工质床分组制热；蓄冷器3内完成热交换的换热流体进入第二工质床分组，加热后的换热流体从第二工质床分组出来后经第五电磁阀65进入散热器4。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种多级大功率磁制冷机，其特征在于，包括：旋转磁工质床组合、磁体、蓄冷器、散热器、循环泵、电磁阀组、电机；旋转磁工质床组合通过管路连接在蓄冷器、散热器之间；电磁阀组设置在散热器、旋转磁工质床之间的管路上，或者电磁阀组设置在蓄冷器、旋转磁工质床之间的管路上；旋转磁工质床组合包括多个并联或者串联的旋转磁工质床单体，多个旋转磁工质床单体分别安装在多个磁体的工作空隙内；旋转磁工质床单体侧部设置有转轴，转轴连接电机；电磁阀组设置在散热器、旋转磁工质床之间的管路上，电磁阀组包括：第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀；第二电磁阀、第四电磁阀通过管路串接在第一工质床分组、散热器之间的管路上，第一电磁阀、第三电磁阀通过管路串接在第二工质床分组、散热器之间的管路上；循环泵设置在第三电磁阀、散热器之间的管路上；第五电磁阀一端连接在第一电磁阀与第二工质床分组之间的管路上，另一端连接在第四电磁阀与散热器之间的管路上；第六电磁阀设置在第二电磁阀、第三电磁阀之间的管路上。
2.如权利要求1所述的多级大功率磁制冷机，其特征在于，多个旋转磁工质床单体分成第一工质床分组和第二工质床分组，第一工质床分组或者第二工质床分组的多个旋转磁工质床单体并联或者串联。
3.如权利要求1所述的多级大功率磁制冷机，其特征在于，旋转磁工质床单体包括：制冷床本体、法兰、滤网；室温磁工质颗粒填充在制冷床本体内，法兰连接在制冷床本体两端，滤网固定在制冷床本体、法兰之间，法兰连接管路；制冷床本体包括两个弧形分体，两个弧形分体利用法兰连接在一起；法兰内部设置有流道，流道的两个流道开口位于法兰的内侧壁，两个流道开口分别连通两个弧形分体；法兰的外侧壁设置有引流管，引流管位于法兰的轴心处，引流管一端连接流道另一端连接管路。
4.如权利要求3所述的多级大功率磁制冷机，其特征在于，引流管设置有轴向内孔，轴向内孔设置有多个环形内槽，环形内槽内安装有密封环，管路插接在轴向内孔内，密封环位于管路与轴向内孔之间。
5.如权利要求4所述的多级大功率磁制冷机，其特征在于，在管路上套装有压紧密封圈，压紧密封圈位于两个密封环之间。
6.如权利要求1所述的多级大功率磁制冷机，其特征在于，管路采用硬质铜管，在引流管外侧的管路上设置有管路支架。
7.如权利要求1所述的多级大功率磁制冷机，其特征在于，磁体包括：内层磁体和两个外层半磁环；两个外层半磁环的磁化角度相同；外层半磁环包括：外屏蔽层、外层半磁环磁体，外屏蔽层侧部设置有开口；开口的形状为圆形；外层半磁环磁体固定在外屏蔽层内，外层半磁环磁体的侧部设置有圆形形凹面，圆形凹面位于开口处，两个外层半磁环的圆形凹面位置相对；内层磁***于两个弧形凹面之间，内层磁体包括：内屏蔽层以及两个半磁体，两个半磁体固定在内屏蔽层内；两个半磁体的磁化角度相同，半磁体的形状为半圆形，半磁体的外侧面为弧形凸面；内层磁体、外层半磁环之间的空隙形成工作气隙。
8.如权利要求1-7任一项所述的多级大功率磁制冷机的制冷方法，其特征在于，包括：
第一电磁阀、第三电磁阀、第二电磁阀、第四电磁阀导通，第五电磁阀、第六电磁阀闭合；电机带动旋转磁工质床单体旋转，第一工质床分组的弧形分体向进入工作气隙转动，作用在弧形分体内室温磁工质颗粒的磁场强度开始增强，室温磁工质颗粒制热，第一工质床分组的弧形分体制热，第一工质床分组的换热流体经第二电磁阀、第四电磁阀进入散热器，换热后的换热流体经第三电磁阀、第一电磁阀进入第二工质床分组；第二工质床分组的弧形分体向离开工作气隙方向转动，作用在弧形分体内室温磁工质颗粒的磁场强度开始减弱，室温磁工质颗粒制冷，第二工质床分组的弧形分体制冷，第二工质床分组的热流体进入蓄冷器；
第一电磁阀闭合，第三电磁阀导通，第二电磁阀导通，第四电磁阀闭合，第五电磁阀导通，第六电磁阀导通；电机继续带动旋转磁工质床单体旋转，第一工质床分组的弧形分体向离开工作气隙方向转动，弧形分体内室温磁工质颗粒的磁场强度开始减弱，室温磁工质颗粒制冷，第一工质床分组制冷，散热器内换热流体经第三电磁阀、第六电磁阀、第二电磁阀进入第一工质床分组，完成热交换后换热流体从第一工质床分组出来后进入蓄冷器；第二工质床分组的弧形分体向进入工作气隙方向转动，作用在弧形分体内室温磁工质颗粒的磁场强度开始增强，室温磁工质颗粒制热，第二工质床分组制热；蓄冷器内完成热交换的换热流体进入第二工质床分组，加热后的换热流体从第二工质床分组出来后经第五电磁阀进入散热器。
9.如权利要求8所述的多级大功率磁制冷机的制冷方法，其特征在于，初始状态下，第一工质床分组的弧形分***于工作气隙外部，第二工质床分组的弧形分***于工作气隙内部。
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