專利名稱：一種旋轉式磁制冷裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制冷裝置，特別涉及一種基于主動式蓄冷器模塊的旋轉式磁制冷 裝置及其應用。
背景技術：
為了保護環(huán)境和提高能源利用效率，各國研究人員在為對傳統(tǒng)氣體壓縮式制冷技 術尋找替代制冷劑的同時，也已開始新制冷方法的探索與研究。磁制冷是一種綠色環(huán)保的 新型制冷技術。該技術的實現(xiàn)是基于磁性材料的磁熱效應，磁性材料在磁場的勵(退)磁 過程中實現(xiàn)溫度變化，期間通以換熱流體將熱量和冷量帶出，從而實現(xiàn)制冷。當磁制冷技術工作在近室溫區(qū)時，該技術憑借其未來廣闊的應用前景及眾多優(yōu)良 特點如高效、高穩(wěn)定性、長壽命、低噪音、環(huán)境友好及結構緊湊，已成為世界各國的研究熱 點。室溫磁制冷技術在過去近35年發(fā)展中取得了長足的進步，主要集中在巨磁熱材料開 發(fā)、高場強永磁體設計及高性能磁制冷樣機開發(fā)三個方面。截止2010年9月，世界范圍已 經(jīng)發(fā)布了 41臺室溫磁制冷樣機/系統(tǒng)。磁制冷工質(zhì)材料是磁制冷技術的關鍵之一。目前使用最廣的室溫磁制冷工質(zhì)仍 是鑭系稀土金屬釓，其居里溫度為293K，具有較大的磁熱效應。1997年，Ames實驗室的 Pecharsky和Gschneidner首次在Gd-Si-Ge合金中發(fā)現(xiàn)巨磁熱效應，其等溫磁熵變與絕熱 溫度改變要比Gd大70 80%。巨磁熱效應的發(fā)現(xiàn)成為室溫磁制冷發(fā)展的一個里程碑，加 速了室溫磁制冷技術的發(fā)展。當前應用于室溫磁制冷的磁場有超導磁體、電磁體和永磁體。低溫超導磁體是已 知的能提供穩(wěn)定強磁場的最佳形式，它能提供5T以上的磁場強度，但低溫超導磁體需要液 氦進行低溫冷卻，結構形式復雜，能量消耗較大。電磁體也是室溫磁制冷可以采用的磁場形 式，能提供2T以上的磁場強度，技術成熟可靠。但電磁體最大缺點是產(chǎn)生強磁場所需的電 流極大，能源消耗驚人，而且體積龐大，限制了其未來在室溫磁制冷領域應用的可能。永磁 體由于其無能耗、結構簡單和電磁干擾少而成為室溫磁制冷未來應用方向。目前釹鐵硼是 綜合性能最佳的永磁體，因此在室溫磁制冷機上應用最多，提供的的磁場強度低于1. 5T。作為室溫磁制冷系統(tǒng)的核心部件，主動式蓄冷器可以減少外部蓄冷器形式中二次 換熱產(chǎn)生的不可逆損失以及內(nèi)部蓄冷器形式中的不同溫度的蓄冷液體混合產(chǎn)生的不可逆 損失。主動式蓄冷器的概念是由Steyert于1978年引入的，并由Barclay和Steyert進一 步發(fā)展。從九十年代開始美國、日本及歐洲一些國家便開始重視主動式蓄冷器的研究。目 前主動式蓄冷器內(nèi)部主要采用多孔結構的顆粒填充、板式填充、絲束狀填充、層狀填充及周 期性波浪狀結構，傳熱流體直接流過蓄冷器內(nèi)部進行對流換熱。上述填充方式各有優(yōu)缺點， 但我們應該意識到這種流動方案存在一個基本的矛盾，即為了獲得盡可能大的制冷量應盡 可能多的填充磁熱工質(zhì)進而導致孔隙率降低，而較小的孔隙率會使流體流過填料床時帶來 極大的壓降損失。理想的填充結構要達到的目的是在可接受的壓降范圍內(nèi)獲得比較高的換 熱效率及工質(zhì)填充度。
根據(jù)主動式蓄冷器進出磁場的方式，上述世界范圍內(nèi)41臺樣機及系統(tǒng)主要可分 為往復式及旋轉式兩大類。采用往復式主動蓄冷器的室溫磁制冷系統(tǒng)存在運行頻率低、制 冷量小及不緊湊等問題。中國專利CN1468357A及CN100592008C公布了兩種旋轉式磁制冷 系統(tǒng)，能有效提高系統(tǒng)運行頻率。但旋轉式室溫磁制冷系統(tǒng)內(nèi)部結構及永磁體結構設計復 雜，流體壓降大，且大部分情況下需要設計專用的流體分配閥。因此旋轉式系統(tǒng)加工精度要 求高，密封難度大且總體成本大幅增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對背景技術中兩大類磁制冷機存在的問題，提供一種采用連續(xù) 旋轉的主動式蓄冷器及簡單有效的換熱通道的旋轉式磁制冷裝置及其應用，以克服往復式 磁制冷系統(tǒng)運行頻率低及制冷量小等缺點和改進旋轉式磁制冷系統(tǒng)內(nèi)部結構、流體分配系 統(tǒng)及外部永磁體設計復雜、系統(tǒng)壓損大及密封難度高等不足。為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的一種旋轉式磁制冷裝置，包括磁場源，主動式蓄冷器模塊及冷熱流體換熱通道，其 特征在于，所述主動式蓄冷器模塊包括兩個，每個主動式蓄冷器模塊由兩個填料層徑向夾 一層磁性工質(zhì)床構成，兩個主動式蓄冷器模塊同軸軸向錯開并周向相差180度布置，該兩 個主動式蓄冷器模塊同步旋轉時交替通過上半部覆蓋有磁場源的磁場區(qū)和下半部無磁場 區(qū)，所述蓄冷器模塊旋轉外周的磁場區(qū)空間中靜止設有與高溫端換熱器連通的熱流體通 道；所述蓄冷器模塊旋轉外周的無磁場區(qū)空間中靜止設有與低溫端換熱器連通的冷流體通 道，所述兩個主動式蓄冷器模塊軸向之間、冷熱流體通道外周及左右端面上均設有絕熱層。上述方案中，所述兩個主動式蓄冷器模塊及外周的冷熱流體通道均設計為半圓環(huán) 狀。所述磁場源為永磁體，其結構為半圓環(huán)形狀，將熱流體通道、以及通過磁場區(qū)的主 動式蓄冷器模塊包含在其中，提供徑向的磁場。所述與高溫端換熱器連通的熱流體通道，其入口連接第一循環(huán)泵，出口連接高溫 端換熱器構成高溫循環(huán)回路；所述與低溫端換熱器連通的冷流體通道，其入口連接第二循 環(huán)泵，出口連接低溫端換熱器構成低溫循環(huán)回路。以上旋轉式磁制冷裝置的應用，其特征在于，用于制冷時，高溫端換熱器與外部熱 源接觸且低溫端換熱器與被冷卻空間接觸；用作熱泵時，低溫端換熱器與外部熱源接觸且 高溫端換熱器與被加熱空間保持接觸。本發(fā)明提供的旋轉式磁制冷裝置的優(yōu)點是(1)該裝置與傳統(tǒng)蒸氣壓縮式系統(tǒng)相比，前者制冷效率更高，機械振動及相應的噪 聲更小，可靠性更高，壽命更長且能最大程度上避免全球變暖效應；(2)該裝置與往復式磁制冷系統(tǒng)相比，前者由于連續(xù)運轉且兩個蓄冷器模塊交替 工作，因此運行頻率更高，結構更加緊湊；換熱流體保持單向流動，能有效避免換熱流體往 返流動帶來的混合損失；(3)該裝置與以往旋轉式磁制冷系統(tǒng)相比，內(nèi)結構設計更加簡單；無需設計專門 的流體分配系統(tǒng)，密封更加容易；換熱流體并不直接流過磁性工質(zhì)床，可在盡量提高磁性工 質(zhì)填充度的同時有效降低系統(tǒng)壓損。
以下結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。

圖1是本發(fā)明磁制冷裝置結構示意圖；圖2是本發(fā)明的一個具體實施例。其中圖2a是主動式蓄冷器模塊和流體通道半 圓環(huán)軸測圖；圖2b是軸面剖視圖。圖3是本發(fā)明基于圖2結構的采用雙流通通道的另一個實施例圖。圖1至圖3中1為第一填料層，2為第一磁性工質(zhì)床，3為第二填料層，4、4’為冷 流體通道，5、5’為熱流體通道，6為外部磁場源，7為驅(qū)動軸，8為絕熱層，9為第一循環(huán)泵，10 為電機，11為高溫端換熱器，12為低溫端換熱器，13為第二循環(huán)泵，14為第四填料層，15為 第二磁性工質(zhì)床，16為第三填料層。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明磁制冷裝置包括兩個主動式蓄冷器模塊，一個主動式蓄冷器 模塊由第一填料層1、第一磁性工質(zhì)床2及第二填料層3組成；另一個主動式蓄冷器模塊由 第三填料層16、第二磁性工質(zhì)床15及第四填料層14組成。第一磁性工質(zhì)床與第二磁性工 質(zhì)床呈圓心對稱并且兩者幾何結構及尺寸相同，第一填料層與第三填料層呈圓心對稱并且 兩者幾何結構及尺寸相同，導熱率均大于空氣導熱率，第二填料層與第四填料層呈圓心對 稱并且兩者幾何結構及尺寸相同。使用中，電機10(變頻電機或步進電機)帶動驅(qū)動軸7 旋轉，進而驅(qū)動兩個蓄冷器模塊同步旋轉，兩個主動式蓄冷器模塊周向相差180度相位。主 動式蓄冷器模塊軸向可以是兩個以上偶數(shù)個數(shù)目(4個、6個、8個等)。外部磁場源6提供覆蓋裝置上半部空間的磁場。熱流體通道5位于磁場區(qū)的半部 空間，保持靜止，循環(huán)泵9連接熱流體通道5的入口，熱流體通道5的出口連接高溫端換熱 器11結合PV管從而構成一個循環(huán)回路。冷流體通道4位于無磁場區(qū)的半部空間，保持靜 止，循環(huán)泵13連接冷流體通道4的出口，低溫端換熱器12連接冷流體通道4的入口結合PV 管從而構成另一個循環(huán)回路。整個磁制冷裝置最外層及左右端面均包裹有絕熱層8以防止 熱量的損失，并且相鄰兩個主動式蓄冷器模塊間也鋪設有絕熱層8降低傳熱損失。對四個填料層的物性有特殊要求，即保證第一填料層的導熱率至少為第二填料層 的導熱率的40倍，第三填料層的導熱率至少為第四填料層的導熱率的40倍，且第一填料層 的物性與第三填料層的物性近似；第二填料層與第四填料層用于阻止流體與磁性工質(zhì)間的 換熱。高、低溫端換熱器采用板式換熱器；磁性工質(zhì)床內(nèi)部采用分級多孔球形顆粒填充、 板式填充、周期性結構填充、絲束狀填充或混合材料的層狀填充；磁性工質(zhì)床運行于近室溫 區(qū)時采用金屬釓及巨磁熱效應材料作磁性工質(zhì)；換熱流體優(yōu)選采用具備導熱率高、粘度低 特性及無腐蝕性的流體，如乙二醇水溶液；外部磁場源采用永磁體、電磁體或高性能通電螺 旋管磁體提供覆蓋裝置上半部空間的磁場；磁制冷裝置使用中，第一磁性工質(zhì)床2位于無磁場區(qū)，磁性工質(zhì)處于退磁狀態(tài)并 且溫度降低，第二循環(huán)泵13將換熱流體從冷流體通道4右側泵至左側，由于第二填料層3 的導熱率要遠小于第一填料層1與空氣的導熱率，且第一磁性工質(zhì)床2兩端面鋪設有絕熱層8，第一磁性工質(zhì)床2只能從冷流體通道4吸熱熱量，即冷流體通道4中換熱流體將第一 磁性工質(zhì)床2中產(chǎn)生的冷量帶走，通過低溫端換熱器12換熱流體將冷量傳給被冷卻空間從 而實現(xiàn)制冷；同時第二磁性工質(zhì)床15與第一磁性工質(zhì)床2相差180度相位處于磁場區(qū)，第 二磁性工質(zhì)床15處于勵磁狀態(tài)并且溫度上升，第一循環(huán)泵9換熱流體從熱流體通道5左側 泵至右側，同樣由于第四填料層14的導熱率要遠小于第三填料層16與空氣的導熱率，第二 磁性工質(zhì)床15產(chǎn)生的熱量只能排到熱流體通道5，進而通過高溫端換熱器11將熱量傳給外 部熱源。電機10帶動兩個蓄冷器模塊同步旋轉，直至下一個工作期第一磁性工質(zhì)床2位于 磁場區(qū)6并且第二磁性工質(zhì)床15位于無磁場區(qū)；第一磁性工質(zhì)床2處于勵磁狀態(tài)產(chǎn)生熱量 并且將熱量排到熱流體通道5 ；第二磁性工質(zhì)床15處于退磁狀態(tài)產(chǎn)生冷量并且由冷流體通 道4中換熱流體將冷量帶走。兩個蓄冷器模塊交替工作而兩個流體循環(huán)通道中流體保持單 向流動，從而實現(xiàn)裝置的連續(xù)制冷。磁制冷裝置用于制冷時，高溫端換熱器11與外部熱源接觸且低溫端換熱器12與 被冷卻空間接觸；裝置用作熱泵時，低溫端換熱器12與外部熱源接觸且高溫端換熱器11與 被加熱空間保持接觸。圖2a表示本發(fā)明主動式蓄冷器模塊和流體通道的可選實施例，圖2b表示該實施 例子的軸面剖視圖。在這個例子中，第一填料層1、第二填料層3、第三填料層16、第四填料 層14、第一磁性工質(zhì)床2、第二磁性工質(zhì)床15、冷流體通道4及熱流體通道5均設計成半圓 環(huán)狀，能獲得流體與磁性工質(zhì)間較大的換熱面積。永磁體結構為半圓環(huán)形狀，將熱流體通道 5、第四填料層14、第二磁性工質(zhì)床15及第三填料層16包含在永磁體的半圓環(huán)狀空氣隙中， 提供徑向的磁場。各填料層及工質(zhì)床的徑向厚度根據(jù)磁性工質(zhì)填充質(zhì)量及磁場空氣隙厚度 確定。如圖3所示，為強化換熱流體與磁性工質(zhì)床之間的換熱速率，可為每個磁性工質(zhì) 床設計兩個換熱流體通道。在這個實施例子中，基于圖2的結構，在環(huán)形狀第二填料層3徑 向內(nèi)側設置內(nèi)層冷流體通道4’ ；在環(huán)形狀第四填料層14徑向內(nèi)側設置內(nèi)層熱流體通道5’ ； 冷流體通道4與4’采用并聯(lián)形式，兩通道內(nèi)流體流動方向一致且保持同步；熱流體通道5 與5’同樣采用并聯(lián)形式，兩通道內(nèi)流體流動方向一致且保持同步。永磁體也可設計成圖3 所示的幾何結構。圖3所示實施列中，永磁體結構簡單，但要求磁制冷裝置的徑向尺寸與軸 向尺寸之比較小，以滿足對高磁場強度的需求。
權利要求
一種旋轉式磁制冷裝置，包括磁場源，主動式蓄冷器模塊及冷熱流體換熱通道，其特征在于，所述主動式蓄冷器模塊包括兩個，每個主動式蓄冷器模塊由兩個填料層徑向夾一層磁性工質(zhì)床構成，兩個主動式蓄冷器模塊同軸軸向錯開并周向相差180度布置，該兩個主動式蓄冷器模塊同步旋轉時交替通過上半部覆蓋有磁場源的磁場區(qū)和下半部無磁場區(qū)，所述蓄冷器模塊旋轉外周的磁場區(qū)空間中靜止設有與高溫端換熱器連通的熱流體通道；所述蓄冷器模塊旋轉外周的無磁場區(qū)空間中靜止設有與低溫端換熱器連通的冷流體通道，所述兩個主動式蓄冷器模塊軸向之間、冷熱流體通道外周及左右端面上均設有絕熱層。
2.如權利要求1所述的旋轉式磁制冷裝置，其特征在于，所述兩個主動式蓄冷器模塊 及外周的冷熱流體通道均設計為半圓環(huán)狀。
3.如權利要求2所述的旋轉式磁制冷裝置，其特征在于，所述磁場源為永磁體，其結構 為半圓環(huán)形狀，將熱流體通道、以及通過磁場區(qū)的主動式蓄冷器模塊包含在其中來提供徑 向磁場。
4.如權利要求1所述的旋轉式磁制冷裝置，其特征在于，所述與高溫端換熱器連通的 熱流體通道，其入口連接第一循環(huán)泵，出口連接高溫端換熱器構成高溫循環(huán)回路；所述與低 溫端換熱器連通的冷流體通道，其入口連接第二循環(huán)泵，出口連接低溫端換熱器構成低溫 循環(huán)回路。
5.如權利要求1所述的旋轉式磁制冷裝置的應用，其特征在于，用于制冷時，所述高溫 端換熱器與外部熱源接觸且低溫端換熱器與被冷卻空間接觸；用作熱泵時，低溫端換熱器 與外部熱源接觸且高溫端換熱器與被加熱空間保持接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種旋轉式磁制冷裝置包括磁場源，主動式蓄冷器模塊及冷熱流體換熱通道，其特征在于，所述主動式蓄冷器模塊包括兩個，每個主動式蓄冷器模塊由兩個填料層徑向夾一層磁性工質(zhì)床構成，兩個主動式蓄冷器模塊同軸軸向錯開并周向相差180度布置，該兩個主動式蓄冷器模塊同步旋轉時交替通過上半部覆蓋有磁場源的磁場區(qū)和下半部無磁場區(qū)，所述蓄冷器模塊旋轉外周的磁場區(qū)空間中靜止設有與高溫端換熱器連通的熱流體通道；所述蓄冷器模塊旋轉外周的無磁場區(qū)空間中靜止設有與低溫端換熱器連通的冷流體通道，所述兩個主動式蓄冷器模塊軸向之間、冷熱流體通道外周及左右端面上均設有絕熱層。
文檔編號F25B21/00GK101979937SQ20101050981
公開日2011年2月23日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2010年10月15日
發(fā)明者P·W·愛高爾夫, 俞炳豐, 劉敏, 朱小許 申請人:西安交通大學