專利名稱：一種靜止式室溫磁致冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁致冷機(jī)，尤其涉及一種使用電磁體作為磁場(chǎng)源的室溫磁致冷機(jī)。
磁致冷技術(shù)則是針對(duì)氣體壓縮制冷的種種局限，利用固體磁性材料具有磁熱效應(yīng)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷的一項(xiàng)技術(shù)。磁致冷過(guò)程是一個(gè)物理過(guò)程，它是通過(guò)對(duì)某些磁致冷材料施加外磁場(chǎng)來(lái)改變其磁熵，實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩吹礁邷責(zé)嵩吹膫鬟f，從而達(dá)到對(duì)負(fù)荷進(jìn)行制冷的目的。磁致冷具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)首先由于完全采用固體磁致冷材料作為制冷工質(zhì)，使得裝置體積大大減??；其次，由于不使用壓縮機(jī)，制冷環(huán)節(jié)的效率提高了；第三，磁致冷工質(zhì)不會(huì)像氣體工質(zhì)如氟利昂等那樣對(duì)大氣產(chǎn)生危害，所以它還是一項(xiàng)無(wú)污染的技術(shù)?；谝陨现T多優(yōu)點(diǎn)，磁致冷技術(shù)具有極大的發(fā)展前景。隨著高溫特別是室溫附近磁熱材料的發(fā)現(xiàn)，室溫磁致冷技術(shù)集中了更大的研究興趣。目前，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研制出了多種室溫下具有巨磁熱效應(yīng)的磁致冷材料，這使得室溫磁致冷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)乃至最終實(shí)用化逐漸變?yōu)榭赡?。在室溫磁致冷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)中，除尋找新型具有巨磁熱效應(yīng)的材料是一難點(diǎn)之外，如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、高效率的磁致冷機(jī)也是需要解決的重點(diǎn)。
利用磁致冷技術(shù)原理進(jìn)行制冷的裝置即為磁致冷機(jī)。磁致冷機(jī)主要應(yīng)包括磁場(chǎng)源、磁工質(zhì)、冷熱端熱交換器和傳熱流體管道幾個(gè)部分構(gòu)成，其中磁場(chǎng)源、磁工質(zhì)和傳熱流體管道是與傳統(tǒng)氣體壓縮制冷區(qū)別較大的單元，因而是磁致冷技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出多種磁致冷機(jī)的設(shè)計(jì)方案，歸納起來(lái)，這些設(shè)計(jì)方案按照磁場(chǎng)源的設(shè)計(jì)方式來(lái)看，主要有采用超導(dǎo)磁體和永磁體兩種方式。對(duì)于前者，利用超導(dǎo)技術(shù)可以產(chǎn)生非常高的磁場(chǎng)，但是將其運(yùn)用到室溫磁致冷中，則會(huì)使裝置復(fù)雜性大大提高、實(shí)現(xiàn)困難，而且價(jià)格昂貴、不易維護(hù)，因而只適合于理論和試驗(yàn)研究。隨著超強(qiáng)永磁新材料的不斷問(wèn)世，利用永磁體作為磁場(chǎng)源則是一個(gè)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，而且價(jià)格便宜的方法，現(xiàn)有技術(shù)中這類設(shè)計(jì)方案層出不窮，例如專利WO 02/12800中提出的一種旋轉(zhuǎn)磁床式磁致冷機(jī)，X.Bohigas等人在IEEE Transactionson Magnetic第36卷第3期上(第538～544頁(yè))發(fā)表的《使用永磁體的室溫磁致冷機(jī)》一文中所提到的一種使用永磁體的室溫磁致冷機(jī)以及美國(guó)依阿華州立大學(xué)與美國(guó)航空局聯(lián)合制造的世界上第一臺(tái)永磁體室溫磁致冷樣機(jī)等等。盡管采用永磁體要經(jīng)濟(jì)并簡(jiǎn)單易行的多，但仍存在有較大缺陷，原因是這種設(shè)計(jì)會(huì)使裝置體積過(guò)大或者必須采用非常復(fù)雜的機(jī)械部件。磁致冷技術(shù)中磁工質(zhì)磁熱效應(yīng)的發(fā)揮必須通過(guò)對(duì)其施加磁場(chǎng)和退磁兩個(gè)過(guò)程來(lái)改變其磁熵，而永磁體只能產(chǎn)生固定大小的靜止磁場(chǎng)，這時(shí)只有使磁場(chǎng)源和磁工質(zhì)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)才能達(dá)到磁工質(zhì)外加磁場(chǎng)變化的效果。由于磁工質(zhì)的外加磁場(chǎng)域總是依賴于永磁體的氣隙磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生，在磁場(chǎng)源或磁工質(zhì)兩者任一做運(yùn)動(dòng)時(shí)，都必然會(huì)有磁致冷機(jī)體積非常大，同時(shí)不可避免的要使用機(jī)械元件以帶動(dòng)兩者之一運(yùn)動(dòng)，功耗也較大。特別地，在磁場(chǎng)靜止、磁工質(zhì)運(yùn)動(dòng)的磁致冷機(jī)設(shè)計(jì)方案中，必須額外設(shè)計(jì)使用一分配閥部件來(lái)完成運(yùn)動(dòng)的磁工質(zhì)和靜止的冷、熱端熱交換器之間的熱量交換，而分配閥部件不僅在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上比較困難，還會(huì)產(chǎn)生可觀的熱量損耗，大大降低磁致冷機(jī)的制冷效果。因而，采用永磁體作為磁場(chǎng)源的磁致冷機(jī)仍會(huì)有較大缺陷，如體積過(guò)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行和操作非常不便等。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種靜止式室溫磁致冷機(jī)，主要包括磁場(chǎng)源，具有室溫巨磁熱效應(yīng)的磁工質(zhì)，傳熱流體管道和熱交換器，其特征在于所述的磁場(chǎng)源采用由通電線圈具有氣隙的導(dǎo)磁鐵心構(gòu)成的電磁體；所述的磁工質(zhì)放置于旋管之中，該旋管安裝在導(dǎo)磁鐵心的氣隙中，旋管的引入端和引出端分別通過(guò)裝有閥門的傳熱流體管道與冷、熱端熱交換器相連，在引入端的傳熱流體管道上設(shè)有水泵。
本發(fā)明所述的旋管為圓盤管狀，旋管的引入端位于盤管的外邊緣，其引出端位于盤管的中心。
本發(fā)明所述的旋管中的磁工質(zhì)采用間隔疊放的多孔薄片結(jié)構(gòu)或采用疏松結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所的導(dǎo)磁鐵心呈C字形狀。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的磁致冷機(jī)還包括一個(gè)含有計(jì)算機(jī)程序的單片機(jī)，該單片機(jī)通過(guò)控制線路分別與所述的通電線圈、水泵和閥門相連。
本發(fā)明所提供的靜止式室溫磁致冷機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果使用電磁體作為磁場(chǎng)源以獲得可控的磁場(chǎng)變化，克服了超導(dǎo)磁體實(shí)現(xiàn)困難、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)；同時(shí)省去了復(fù)雜而難以實(shí)現(xiàn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元，優(yōu)于使用永磁體的磁致冷機(jī)設(shè)計(jì)模式。本發(fā)明具有體積小、結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，易于實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明提供的使用電磁體的靜止式室溫磁致冷機(jī)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為所設(shè)計(jì)的旋管外部結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖3為旋管內(nèi)部磁工質(zhì)采用的薄片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明所采用的Brayton熱力循環(huán)的溫熵圖。
圖5為單片機(jī)控制軟件流程框圖。
圖1是使用電磁體的靜止式室溫磁致冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。該磁致冷機(jī)主要由電磁體1、旋管2、傳熱流體管道3、冷端熱交換器4a和熱端熱交換器4b(與冷熱源相連)以及控制單元5等五個(gè)部分組成。電磁體1由通電線圈7和具有氣隙9的導(dǎo)磁鐵心8構(gòu)成；所述的旋管2為圓盤管狀(如圖2所示)，其引入端10a位于盤管的外邊緣，其引出端10b位于盤管的中心。旋管的引入端10a和引出端10b分別通過(guò)裝有閥門(11a、11b、11c、11d)的傳熱流體管道3與冷、熱端熱交換器4a、4b相連，在引入端10a的傳熱流體管道3上設(shè)有水泵12。
圖3是旋管2內(nèi)部磁工質(zhì)13采用的薄片結(jié)構(gòu)示意圖。旋管2是由絕熱性能良好的材料制成的管道，內(nèi)部裝有磁工質(zhì)13，磁工質(zhì)13是在室溫情況下具有巨磁熱效應(yīng)的磁性材料，如金屬釓等，磁工質(zhì)13采用間隔疊放的多孔薄片結(jié)構(gòu)或疏松結(jié)構(gòu)，目的是為保證與其中流過(guò)的傳熱流體充分接觸以完成熱量交換。
本發(fā)明的實(shí)施例中采用電磁體1來(lái)產(chǎn)生所需要的磁場(chǎng)源，它由輸入電源6、通電線圈7和導(dǎo)磁鐵心8三個(gè)部件組成。導(dǎo)磁鐵心8呈C字形，采用導(dǎo)磁性能優(yōu)良的材料制成，其作用是為減小磁路上的磁動(dòng)勢(shì)降落，增強(qiáng)通電線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而在其開(kāi)口處的氣隙9中形成較高磁密的氣隙磁場(chǎng)，該氣隙9中的氣隙磁場(chǎng)是磁工質(zhì)的工作空間，裝有磁工質(zhì)13的旋管2固定在氣隙9中，是磁致冷機(jī)的核心功能部件。通電線圈7繞制在導(dǎo)磁鐵心8的臂端上，輸入電源6為電流可調(diào)的直流電源。
控制單元5用來(lái)控制電源輸入6、水泵12和四個(gè)閥門11a，11b，11c，11d，通過(guò)對(duì)這些部件發(fā)信號(hào)，來(lái)控制各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作，完成整個(gè)磁致冷循環(huán)。控制單元5采用一個(gè)含有計(jì)算機(jī)程序的單片機(jī)，通過(guò)控制線路與通電線圈7、水泵12和閥門11a，11b，11c，11d相連，該單片機(jī)通過(guò)事先寫入的程序來(lái)控制各部件的協(xié)調(diào)工作，完成磁致冷機(jī)的制冷循環(huán)。圖5為該單片機(jī)的控制軟件流程框圖。通過(guò)修改寫入程序中的參數(shù)能夠相應(yīng)地調(diào)整磁致冷機(jī)的制冷循環(huán)周期和每個(gè)循環(huán)中的各個(gè)過(guò)程時(shí)間。
本發(fā)明中的磁致冷機(jī)其熱力循環(huán)采用布雷頓(Brayton)循環(huán)方式，穩(wěn)定的工作循環(huán)由四個(gè)階段構(gòu)成，如圖4，分別是絕熱磁化溫度升高14、恒場(chǎng)循環(huán)散熱15、絕熱去磁溫度降低16和恒場(chǎng)循環(huán)吸熱17。其具體工作原理和過(guò)程敘述如下在一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始，控制單元5發(fā)出下降沿信號(hào)，關(guān)掉所有閥門11a，11b，11c，11d和水泵12，從而切斷磁工質(zhì)13與冷熱端熱交換器4a和4b之間的熱量交換，這個(gè)過(guò)程可以近似為絕熱過(guò)程14；同時(shí)控制單元5發(fā)斜坡信號(hào)給電源輸入端6，通電線圈7中通以電流，而且隨著信號(hào)的逐漸增強(qiáng)，通電電流逐漸增大，通電線圈7中產(chǎn)生逐漸增強(qiáng)的磁場(chǎng)，磁路沿導(dǎo)磁鐵心8、氣隙9和旋管2建立起閉合磁路。在絕熱的情況下，旋管2中的磁工質(zhì)13由于外加磁場(chǎng)的作用，其熵值降低，并與滯留在旋管2中的傳熱流體溫度一起升高；當(dāng)導(dǎo)磁鐵心8中的磁通接近飽和(或者達(dá)到某一事先設(shè)定值)之時(shí)，磁工質(zhì)13達(dá)到熱源溫度TH。
第二步，控制單元5由逐漸增大的斜坡信號(hào)轉(zhuǎn)入保持階段，即開(kāi)始向電源輸入6發(fā)保持信號(hào)，保持通電線圈7通電電流不變即保持磁場(chǎng)恒定，同時(shí)向閥門11b、11d和泵12發(fā)上升沿信號(hào)，打開(kāi)閥門11b、11d和泵12。傳熱流體即在水泵12的壓力下，沿著11b-12-2-11d-4b-11b的方向流動(dòng)，建立起磁工質(zhì)13與熱端熱交換器4b之間的散熱循環(huán)，即進(jìn)入恒場(chǎng)循環(huán)散熱過(guò)程15。傳熱流體的流動(dòng)使熱量從溫度較高的磁工質(zhì)13經(jīng)由熱端熱交換器4b散發(fā)到高溫?zé)嵩粗腥?。隨著熱量的散發(fā)，磁工質(zhì)13的溫度逐漸下降，最終降至高溫?zé)嵩吹臏囟萒h，建立起熱平衡。
當(dāng)熱量傳遞循環(huán)建立平衡以后，控制單元5發(fā)出下降沿信號(hào)，關(guān)掉水泵12和閥門11b和11d，旋管2中傳熱流體又將停止流動(dòng)，于是切斷了磁工質(zhì)13與外界的熱聯(lián)系；同時(shí)控制單元5對(duì)電源輸入端10的信號(hào)由保持信號(hào)變?yōu)橄蛳聝A斜的斜坡信號(hào)，使得通電線圈5中的通電電流逐漸減小，相應(yīng)的磁場(chǎng)也逐漸減小，磁工質(zhì)13的溫度迅速降低，這一過(guò)程為絕熱去磁溫度降低過(guò)程16。當(dāng)電流減小至零即達(dá)到零磁場(chǎng)后，控制單元5將對(duì)電源輸入將保持為零信號(hào)，即通電線圈7的通電電流為零，導(dǎo)磁鐵心8的氣隙磁場(chǎng)降為零，磁工質(zhì)13的溫度則降低到最低溫度Tc。
繼續(xù)由控制單元5發(fā)上升沿信號(hào)，打開(kāi)閥門11a和11c以及水泵12，水泵12作用方向不變，于是建立起11c-12-2-11a-4a-11c的吸熱循環(huán)，磁工質(zhì)13進(jìn)入恒溫吸熱過(guò)程17，通過(guò)傳熱流體的流動(dòng)從冷端熱交換器4a中吸收熱量，達(dá)到制冷的目的。在這一過(guò)程中，磁工質(zhì)13的溫度逐漸升高，直到與制冷熱負(fù)荷溫度Tc相同，建立熱平衡為止。
旋管2中傳熱流體的流向由水泵12控制，在每一個(gè)制冷循環(huán)中的吸熱和放熱過(guò)程，均保持單一的流向，即由傳熱流體由旋管引入端10a流入，而從旋管中心引出端10b流出。其原因很明顯，不論是通過(guò)定量周密的磁場(chǎng)分析計(jì)算、還是僅僅簡(jiǎn)單定性的考慮鐵心邊緣的漏磁效應(yīng)，都可以得出氣隙中心處磁通密度較邊緣處大；相應(yīng)的，對(duì)于旋管2內(nèi)的磁工質(zhì)13，其外加磁場(chǎng)變化引起的磁熵變大小也是中心處稍高于邊緣，在吸熱和放熱的兩個(gè)工作過(guò)程中，旋管2內(nèi)部的磁工質(zhì)13上會(huì)形成從邊緣到中心的微小溫度梯度。當(dāng)流向與溫度梯度的方向一致時(shí)，即使傳熱流體自邊緣向中心流動(dòng)方向，便可以獲得一個(gè)較高的傳熱效率。
權(quán)利要求
1.一種靜止式室溫磁致冷機(jī)，主要包括磁場(chǎng)源，具有室溫巨磁熱效應(yīng)的磁工質(zhì)，傳熱流體管道和熱交換器，其特征在于所述的磁場(chǎng)源采用由通電線圈(7)和具有氣隙(9)的導(dǎo)磁鐵心(8)構(gòu)成的電磁體；所述的磁工質(zhì)(13)放置于旋管(2)之中，該旋管安裝在導(dǎo)磁鐵心的氣隙中，旋管的引入端(10a)和引出端(10b)分別通過(guò)裝有閥門的傳熱流體管道(3)與冷、熱端熱交換器(4a、4b)相連，在引入端的傳熱流體管道上設(shè)有水泵(12)。
2.按照權(quán)利要求1所述的磁致冷機(jī)，其特征在于所述的旋管為圓盤管狀，旋管的引入端位于盤管的外邊緣，其引出端位于盤管的中心。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的磁致冷機(jī)，其特征在于所述旋管中的磁工質(zhì)采用間隔疊放的多孔薄片結(jié)構(gòu)或采用疏松結(jié)構(gòu)。
4.按照權(quán)利要求1所述的磁致冷機(jī)，其特征在于所述的導(dǎo)磁鐵心呈C字形狀。
5.按照權(quán)利要求1所述的磁致冷機(jī)，其特征在于所述的磁致冷機(jī)還包括一個(gè)含有計(jì)算機(jī)程序的單片機(jī)，該單片機(jī)通過(guò)控制線路分別與所述的通電線圈、水泵和閥門相連。
全文摘要
一種靜止式室溫磁致冷機(jī)，涉及一種使用電磁體作為磁場(chǎng)源的室溫磁致冷機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本發(fā)明主要包括由通電線圈和具有氣隙的導(dǎo)磁鐵心構(gòu)成的電磁體，具有室溫巨磁熱效應(yīng)的磁工質(zhì)，傳熱流體管道和熱交換器。所述的磁工質(zhì)放置于旋管中，該旋管安裝在導(dǎo)磁鐵心的氣隙中，旋管的引入端和引出端分別通過(guò)裝有閥門的傳熱流體管道與冷、熱端熱交換器相連，在引入端的傳熱流體管道上設(shè)有水泵。本發(fā)明使用電磁體作為磁場(chǎng)源，形成可控的磁場(chǎng)變化，克服了超導(dǎo)磁體難于實(shí)現(xiàn)、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，同時(shí)省去了復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元，優(yōu)于使用永磁體的磁致冷機(jī)設(shè)計(jì)模式，具有體積小，結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)F25B21/00GK1479061SQ03150050
公開(kāi)日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2003年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者丁仁杰, 陳昱, 閔勇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)