CN1766463A - 一种自然对流换热式室温磁制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述一台自然对流换热式室温磁制冷装置。装置采用钆片组作工质，用钕－铁－硼永久磁体提供磁化场。片状工质组放在蓄冷液中固定不动，磁体旋转，使工质钆反复磁化、退磁，利用工质的磁热效应制冷。装置的最大特点是：采用自然对流换热，工质与壳体无相对运动、无机械摩擦，有助于提高制冷效率。另外，借助于磁场来强化自然对流换热，使装置优点更加突出。

Description

一种自然对流换热式室温磁制冷装置

一、技术领域

本发明涉及制冷技术领域，特别是涉及磁制冷技术领域

二、背景技术

磁制冷在深低温范围内的应用，已经是七十多年前的事了。早在1933年^[1]已经利用磁制冷效应，得到1K以下的超低温，最低温度达到10^-8K。然而在高温范围，特别是在室温范围，磁制冷技术的研究、开发进展缓慢。直至1976年GV.Brown^[2]才为室温磁制冷作了开创性的工作，首次证明室温磁制冷的可能性。G.V.Brown的装置是往复型的装置。此后，W.A.Steyert和J.A.Barclay^[3]提出了旋转型的室温磁制冷装置。而室温磁制冷能否达到实用化，则是由Lance.D.Kirol给人们带来了希望^[4]，他做的“旋转同流换热永磁热泵”，摆脱了笨重的电磁铁(含超导磁体)，采用永久磁铁，在磁化场为0.9T时，得到11K的温跨，而且在他的装置上较好地解决了固体磁工质间的换热问题。

然而，真正在室温磁制冷方面取得突破性进展的是美国的Ames实验室和宇航公司的工作^{[5，6，7，8]}。其中一台样机已获得600瓦的制冷功率，温跨达35K，连续运行18个月以上。近几年日本也相继发表信息^[9]，在磁制冷研究、开发方面，取得了突飞猛进的进展。先是验证了美国用的超导磁体装置，得到温跨29K，80瓦的结果。接着又用永久磁铁作磁体，钆作工质，得到40瓦制冷量和20K的温跨。这标志着室温磁制冷机达到实用化，进入千家万户，已经是近在眼前的事了。

尽管有以上诸多可喜的进展，但要真正达到实用化，在一次性投资及运行维护费用等均优于传统的压缩制冷，还有许多艰巨的任务要我们去完成。在前述提及的几个装置，都有其突出特点，但也有需要改进之处。譬如说，有的装置^[4，5，6]，在低温区存在明显的机械摩擦，这就导致制冷效率大大地降低。有的装置工质结构不尽合理^[2]，工质组钆片之间的距离靠填充金属丝网来保证，这样运动阻力非常大，造成蓄冷流体混合，影响温跨、功率等。而有的装置^[6，7，8]结构及控制***比较复杂，制造难度加大。

本发明的主要特点是：采用自然对流换热，避免了工质与壳体间的机械摩擦，结构非常简单，运转稳定可靠，利用磁场强化自然对流换热，更突出了该发明的特点，是全新的磁制冷装置。下面给出工作原理、详细的工作过程和结构细则。

三、发明内容

本发明为全新的磁制冷装置，其原理图如图1所示。工质浸泡在蓄冷液中，并与工质盒固定在一起，静止不动。当磁体***按箭头所示方向运动，转至工质处时，使工质磁化，产生热量，同时工质温度升高，与其周围蓄冷液换热，蓄冷液(流体)受热膨胀，密度减小，产生向上的浮升力，浮升力迫使该部分热的流体向上运动，离开工质区；同时周围较冷的流体流来补充，形成流体循环运动。流体这样运动，与工质换热，即所谓的***换热(自然对流换热)。同理，当磁体***转动掠过工质，工质退磁时，工质降温，从流体中吸收热量，使流体降温，密度增加，导致该部分流体向下运动，离开工质区。最终，工质盒上部蓄冷液温度逐渐升高，下部温度逐渐降低。利用高温端换热器和低温端换热器，可将热(冷)量取出至装置以外。

从上述可知，当工质被磁化时，磁热效应产生的热量，使流体向上运动，离开工质区；退磁时，产生的冷量，使流体向下运动，同样离开工质区。其循环过程，可用下面四个过程来描述：①工质在T₀温度下开始磁化(磁体***转至工质区)，瞬间温度升至T₁(设室温为T₀)，磁热效应绝热温变为ΔT，则T₁≈(T₀+ΔT)。工质向流体放热。流体向上运动。②工质在磁场中(等场强)继续向流体放热，温度由T₁降至T₂。T₂≈T₀。③磁体***继续转动，离开工质区，工质退磁，温度下降至T₃，T₃≈(T₀-ΔT)，工质吸收流体的热量，使流体温度降低，温度低(密度大)的流体向下运动，离开工质区。④工质在低场下(零场下)，继续与流体换热，温度又升至T₀，完成一个循环。接着进行下一次循环。

以上循环过程中，最关键的问题是：磁热效应产生的绝热温度变化ΔT要足够大(相应受热流体受到的浮升力也大)，能使受热流体在等场过程的时间内，向上运动到工质区之上，离开工质区。(否则，制冷效果就要差些)。这就要求磁体***扫过工质盒的时间足够长；或者驱动机构的转速要足够低(当然采用磁场强化传热后，就不存在该问题了，详细叙述见后)。

从上述过程可以看出，本发明的最大特点之一是：整个循环过程中，磁热效应是主导因素，采用自然对流换热，工质与壳体之间没有相对运动及机械摩擦发生，有助于提高效率。

本发明的特点之二是：运行可靠，可靠性基本上取决于驱动电机的可靠性。

本发明的特点之三是：可方便地用并联的方法增大功率。当转速一定时，转动轴上增加一对磁体，功率就提高一倍；增加工质也是同样的道理。

本发明的特点之四是：巧妙地利用磁场强化自然对流换热，是装置的优点更加突出。

发明还有一个特点：结构非常简单，稳态运行，不需要任何控制阀门、控制机构和控制线路。这样加工、制造也非常容易。发明的详细结构及工作过程参见下一部分。

四、附图说明

图1为本发明的原理示意图

图2为磁制冷装置结构示意图

图3为装置相关的磁体、驱动机构、支架示意图

图4为工质组结构示意图

图5为工质组的外观示意图

图6为磁场强化换热工质组示意图

五、结构细则及工作过程

下面结合附图给出实施例并对本发明作进一步详细说明。图2为该装置的结构示意图。钆片组成的工质组3为产生磁热效应的工质，它用螺钉固定在工质盒7的中部。工质盒装满蓄冷液6。蓄冷液可用水加乙醇或纯水(当要求制冷温度高于摄氏零度时)，也就是说，工质3浸泡在蓄冷液6中。在工质3的上、下分别安放上导流管2和下导流管5。导流管的作用主要是使冷热流体分开，加强液体的循环。在工质盒7的上部有热端换热器1，管内通冷却水，可将热端的热量取出。工质盒7下端有冷端换热器8，换热器回路有循环泵13，可通过管道将低温流体送至用冷点(空调、冰箱等)。工质磁化退磁产生磁热效应所用的磁体4是用钕-铁-硼做成的。钕-铁硼磁块与磁轭12用螺钉10、11固定在轴9上(详见后)。磁轭轴可用驱动调速机构15驱动。以上这些零部件共同组成自然对流换热式室温磁制冷装置。

驱动调速机构15驱动转轴9以箭头所示方向旋转，当磁体4转至工质3时，工质被磁化、发热，温度升高的工质(钆片组)与其周围的蓄冷液6进行换热，流体受热后，由于密度减小，产生向上的浮升力而向上运动，离开工质区，在导流管2内部向上运动，直至上部热端换热器1。热流体在导流管2内向上运动的同时，在导流管2外的流体向下进入工质区，形成自然对流循环。通过这样的循环，可将磁化时产生的热量由工质区输送至热端换热器1，排至环境(冷却水)。

当旋转轴9继续旋转、带动磁体4离开工质区，工质3退磁时，降温、吸收周围蓄冷液流体6的热量，使蓄冷流体降温、密度增加，导致流体6在导流管5内向下运动、直至冷端换热器8处。

随着过程的进行，上部温度逐渐升高，下部温度逐渐降低，上、下部之间的温跨可以达到磁热效应绝热温变的六倍以上。当下部达到所要求的低温时，可启动循环泵13，使冷端换热器8内的流体循环，接受冷端的冷负荷Q_c。

为了使蓄冷液流体能更好地循环，导流管2、5与工质盒7之间的配合尺寸很关键。导流管的长度要等于工质盒内空间的长度，而宽度方向要比工质盒内空间小一些，(工质组的长、宽均比工质盒内空间小一些)，这样才能保证热流体均在上导流管2内上升，而冷流体在下导流管5内向下，同时导流管外部的流体由侧面向下或向上，补充至工质区。

冷热端换热器8可用紫铜管做成。循环泵采用具有小流量、高扬程的螺杆泵或齿轮泵均可。

本发明所用磁体是钕-铁-硼永久磁铁见图3。磁体***由磁体4和磁轭12两部分构成。磁轭12材料是软铁DT4，磁体材料是钕-铁-硼，磁体4的尺寸为70×70×30，磁体4与磁轭12之间靠磁力将两者吸在一起，不需要其它固定措施。磁轭12用固定螺钉10与支臂20固定在一起，而支臂20借助螺钉11与套筒21固定，套筒21用螺钉22固定在轴9上。轴9通过联轴节23与驱动调速机构15相连。

驱动调速机构及驱动轴都放在机座24上。驱动调速机构用螺钉25与机座24固定。与轴9相连的两滚动轴承26放在机座上的轴承座27内。

驱动调速机构15(含电机)为无级变速减速机，转速可以在8～40转/分之间任意调节。也就是说，本发明的功率调节是非常方便的。

本发明采用的工质是纯度99.5％的钆片。详细结构参见图4。数个钆片组成工质组3。钆片厚度为1mm，钆片间距也是1mm。具体有两种结构方式，A型和B型。A型结构是用整块钆切割出来的。B型结构是将数片钆片固定在两条环氧玻璃钢条上，组成钆片组。具体的做法是：在环氧玻璃钢条上，刻有1mm宽，间距1mm的小槽，将钆片端部中间涂上环氧树脂，***槽中，待环氧树脂固化后，即成为所需的钆片组。环氧树脂胶结工艺及固化剂有很多种，这里用聚酰胺作固化剂。固化剂与环氧树脂的比例为1∶1，或固化剂的比例稍少些。室温固化约24小时即可应用。工质钆片组做成后，在工质组两端面的中心，要各打一个中心孔，中心孔最大直径Φ6，锥角为60°。打中心孔的目的是要用螺钉14(图2)把工质组固定在工质盒7上。螺钉14与工质盒7之间，用液体密封胶密封。密封胶型号：GF-12。也可用类似的密封胶，只要能密封液体就行。

本发明所用的工质盒是压制成型的薄壁塑料盒，其壁厚为0.5mm。但在盒的中部右侧有一小法兰16，其厚为5mm，如图5。小法兰中心有M6的螺孔17，以便用螺钉14(图2)将工质组3与工质盒7固定在一起。小法兰四个角有四个Φ6的小孔18，通过孔18用螺钉将工质盒与机架24上的连接件28固定在一起。工质盒7底部有冷端换热器8，其换热器穿过盒壁处，可用环氧树脂密封。底部测温用铜-康铜热电偶19穿过盒壁处同样用环氧树脂密封。工质盒7上部有热端换热器1与铜-康铜热电偶(细节同前)，但上部不需要密封，用上盖盖上即可。

为进一步提高制冷效率，突出装置特点，本发明中采用磁场强化换热，其强化所用的磁场就是利用装置本身用来使工质产生磁热效应的主磁场，而不需要另加磁场。只要在结构设计时，巧妙地把主磁场用起来就可。具体设计是：先参考图4的工质结构图，在工质的下平面固定一块不锈钢丝网29，在原来片状工质组中加入粒状工质30，装入量为片间空隙体积的1/3，然后在片状工质组上端面再固定一块不锈钢丝网31，具体如图6所示。图6所示的工质组与磁体***一起就构成了磁场强化自然对流换热组件。该组件的实施有几大优点：①粒状工质可以随磁体的移动而移动，与固定不动的片状工质间有慢速的相对运动，从而冲刷、破坏片状工质表面的层流底层，使热阻最大的热边界层受到破坏，增加换热系数；②加入粒状工质，也使整个工质量加大，对增加制冷功率和降低制冷温度都有利；③当粒状工质随着磁体运动时，对换热流体进行搅动使之产生涡流，并带动流体同时运动，因而在原来纯自然对流换热过程中，加入一项强制对流分量。这一特点更突出了强化措施的优点。一般的强化传热措施(如扩展表面、粗糙表面、管内***物等)，往往在传热强化的同时，要引起流动阻力的增加；而本发明的强化措施实施时，在传热强化的同时流动性更好了。具体实施方法参考图1和图6。

在***未启动之前，工质组中粒状工质处在工质组下部，如图6a所示。当***启动时，磁体转动至工质组处，粒状工质随着磁体的运动而向上运动，同时带动流体向上(在该过程中工质已被磁化而发热，并将热量传给流体)，此时流体向上的力由两部分组成，即自然流动和强制流动。当磁体运动至工质顶部时，由于上部丝网31的阻挡，粒状工质停在工质组的上部，如图6b所示。磁体继续运动到完全脱离工质区时，粒状工质在重力作用下自动下落到底部，恢复图6a所示的情形。在粒状工质下落之前，部分工质已处于退磁状态，开始降温吸收热量；当粒状工质下落时，全部工质都处于退磁状态，其温度降低吸收流体热量。温度降低的流体的密度增加，自然向下流动，并在下落的粒状工质带动下，加速向下运动。

从上述过程可看出，当两种工质相对运动时，既可冲刷换热表面，破坏层流底层及热边界层，又可磨蚀工质表面的氧化层，同时粒状工质的运动能对流体进行搅动，产生涡流，这些因素使原来的自然对流换热得到大大强化。另外，粒状工质随磁体运动时，在自然对流的基础上附加了强迫流动分量，加强了流体的流动。总的说来，本发明的强化措施对换热与流体的流动起到了双双强化的效果。

在本发明所设计的强化措施中，工质上、下端面处采用了丝网29、31，在此需做进一步说明。工质所在的区域是自然对流换热区，磁场强化主要是在这个区域强化换热，并把受热(冷)流体迅速送出工质区；而在工质区以外，是纯粹的流体自然流动区。在流体自然流动区并不希望流体受更大的搅动，因为大的搅动会引起冷热流体混合，无法在流体上、下端保持大的温跨(Brown^[23]的装置存在的主要问题之一就是流体搅动使装置的温跨和功率受到限制)，要解决该问题，就得借助于丝网。因此使用丝网主要有两种作用：一是阻挡粒状工质，使其限制在片状工质之内(如果据此来选择丝网，只要丝网孔隙小于粒状工质的直径即可)。二是减少工质区流体的搅动对上、下自然流动区的影响，也就是说丝网要对流体有一定的阻力，网孔不能太大。实验证明，在本实施例的具体条件下，选用100目的丝网(丝网孔隙中心距为0.25mm)是合适的。

上述对发明的介绍，只是作为例子，介绍了一种结构或材料。在具体实施时，并不限于上述介绍的结构和材料。

首先，如前述所用的磁体***为“C”型永磁体***，磁轭材料用DT4，磁块材料为钕-铁-硼。在实施时，磁轭材料可选用铁钴钒(FeCoV)等其它导磁材料；磁块材料可选用钐钴、铁氧体等其它永磁材料。另外，除了采用永磁***外，也可采用脉冲式的电磁铁或超导磁体来提供磁场，这时候磁工质与磁体***都处于静止状态，当给电磁铁或超导磁体施加一脉冲电流时，就会产生磁场对工质进行磁化，而脉冲电流消失后，工质就会退磁，这样反复磁化、退磁，也可利用工质的磁热效应制冷。

其次，除前述所介绍的磁工质是钆外，一切其它适用于室温范围的磁工质也包含在本发明的范围内，如GdSiGe系三元合金、GdSiGeSn四元合金、LaFeSi系合金、MnFePAs合金等。工质片的尺寸及片间距不是固定不变的，只要能满足工质与流体之间传热的需要，再根据具体的结构情况选定工质片的尺寸及片间距。另外，工质组的结构形式也不只是上述的片状工质组，采用颗粒状的工质填装在工质盒中也是可行的。这都包含在本发明的范围之内。

最后，在工质片及工质盒的胶结及固化工艺中，除采用环氧树脂和聚酰胺固化剂外，其它一切胶结工艺及胶结固化材料包含在本发明的范围内。

Claims (9)

1、本发明涉及自然对流式和磁场强化自然对流式制冷装置，装置包含磁工质、工质盒、上下导流管、磁体***及磁场强化传热措施在内的整个制冷***。

2、根据权利要求1所述的磁制冷装置，其特征在于当磁体***转动至工质区，工质被磁化发热时，工质与流体自然对流换热。热流体在上导流管内向上运动，上导流管外流体向下运动，实现换热与循环的过程。

3、根据权利要求1所述的磁制冷装置，其特征在于当磁体***继续向上转动，离开工质区，工质退磁时，温度降低，吸收流体热量，与流体自然对流换热。冷流体在下导流管内向下运动，导流管外流体向上运动，实现换热与循环的过程。

4、根据权利要求1、2、3所述的磁制冷装置，其特征在于所用的工质组采用A型结构，工质片的厚度0.1mm≤δ≤2mm，片间距0.5mm≤t≤2mm。

5、根据权利要求1、2、3所述的磁制冷装置，其特征在于所用的工质组采用B型结构，工质片的厚度0.1mm≤δ≤2mm，片间距0.5mm≤t≤2mm。

6、根据权利要求1、2、3、4、5所述的磁制冷装置，其特征在于采用了实现自然对流流体循环不可缺少的导流管。导流管的形状为平截四角锥体。底面长度等于工质盒内腔长度，宽度要比工质盒内腔宽度小一些，以保证工质磁化时，热流体均在上导流管内向上运动；工质退磁时，冷流体均在下导流管内向下运动。

7、根据权利要求1、2、3所述的磁制冷装置，其特征在于由粒状工质、片状工质组成的工质组与磁体***共同构成“磁场强化自然对流换热”的原理及组件。

8、根据权利要求1、7所述的磁制冷装置，片状工质与粒状工质组成的结构和形状。

9、根据权利要求1、7、8所述的磁制冷装置，其特征在于粒状工质为球形(也可为其它形状)，球形颗粒的直径在d在0.3t到0.8t之间(其中t为片间间隙)。

Images