專利名稱：一種基于重復(fù)脈沖磁場的磁制冷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用磁制冷領(lǐng)域，具體涉及一種基于重復(fù)脈沖磁場的磁制冷裝置，用于室溫或相關(guān)工業(yè)應(yīng)用溫區(qū)的制冷。
背景技術(shù)：
制冷技術(shù)對于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和生活的需要已經(jīng)不可或缺。傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷極大的地推動了現(xiàn)代工業(yè)和生活，然而隨著工業(yè)化而來的環(huán)境污染和能源危機大大阻礙了它的步伐。因為對臭氧層的破壞，蒙特利爾協(xié)議規(guī)定到2000年已經(jīng)全面停止氟里昂的生產(chǎn)和使用?，F(xiàn)在大力發(fā)展的無氟工質(zhì)給制冷行業(yè)帶來了新的動力，然而很多氣體仍然存在泄漏，有毒，易燃，易爆的危險，甚至還會產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體。另一方面，使用壓縮機的使得制冷設(shè)備能耗大，效率低，也有很大的振動和噪聲。在這個能源和環(huán)境問題日益突出的時代中，如何生產(chǎn)出清潔節(jié)能的制冷裝置迫在眉睫。磁制冷作為一種新型的制冷方式，因其不用壓縮機，效率高于氣體制冷，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，而且所用傳熱工質(zhì)為液體，清潔沒有污染，越來越受到人們的重視。磁熱效應(yīng)是指在外部磁場的作用下，某些特定材料的溫度會升高；同時，當外部磁場取消時，材料溫度會相應(yīng)的降低回原始溫度。所謂磁制冷，就是根據(jù)磁工質(zhì)在外加磁場變化的時候會有吸熱和放熱的現(xiàn)象(就是所謂的磁熱效應(yīng))來進行制冷。磁制冷作為一門高新技術(shù)，過去只運用于極低溫制冷。近年來隨著磁體技術(shù)與低溫技術(shù)的發(fā)展，包括中國在內(nèi)的很多國家開始積極開展室溫磁制冷樣機的研究。人們對于磁制冷的研究已經(jīng)有超過100多年的歷史,從最初的利用順磁材料(又稱順磁鹽)實現(xiàn)低于IK的超低溫制冷，到從20世紀70年代開始的關(guān)于室溫溫度范圍回?zé)崾酱胖评涞难芯?。一些有代表性的專利有US4069028，US4441325, US4507928, US4785636,US5182914, US20010925032, US20050922270, KR20050126984, CN20031050050, CN20041040922, CN20061037836, CN20071064813, CN20071305996, CN20081055800, CN20081223038。在世界范圍內(nèi)所有有關(guān)磁制冷裝置的公開論文和專利中，絕大部分是旋轉(zhuǎn)式或往復(fù)式的，典型的代表有美國NASA的G. V. Brown在1976年提出的首臺往復(fù)式7T超導(dǎo)室溫磁制冷樣機(相應(yīng)專利US4069028)，C. B. Zimm在2001提出的I. 5T永磁體勵磁旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(相應(yīng)專利US20010925032)以及我國四川大學(xué)于2004年開發(fā)出永磁體勵磁旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷樣機(相應(yīng)專利CN20041040922)。它們的升磁和降磁都是通過移動或者轉(zhuǎn)動來產(chǎn)生磁場的磁體或者磁熱材料本身來實現(xiàn)的。由于運動部件的存在，使得用以實現(xiàn)磁制冷熱力循環(huán)的裝置變得非常復(fù)雜，這不僅增加了系統(tǒng)的不可靠性，摩擦產(chǎn)生的熱損耗也降低了系統(tǒng)的整體制冷效率，并且換熱工質(zhì)循環(huán)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性也大大增加了。除此以外，美國Los Alamos國家實驗室的P. E. Blumenfeld在2002年提出了使用緩慢變化的電流通過高溫超導(dǎo)磁體，產(chǎn)生I. 7T緩慢周期變化的磁場來實現(xiàn)靜止式的磁制冷° (相應(yīng)論文 High temperature superconducting magnetic refrigeration, AIPConference Proceedings)但是超導(dǎo)磁體不僅造價昂貴,它們的運行也需要有嚴格的低溫、條件。更重要的是，由于交流損耗的存在，超導(dǎo)磁體電流的變化速率都必須限制在一定范圍內(nèi)，否則就會造成超導(dǎo)磁體的失超。在這種情況下，整個磁制冷循環(huán)的頻率就大大降低了，從而也直接降低了系統(tǒng)的制冷量及效率。另外，清華大學(xué)的丁仁杰等在2004年也曾提出過使用帶鐵心的通電螺線管產(chǎn)生磁場，通過控制勵磁電流實現(xiàn)無運動部件靜止式的磁制冷的方案(相應(yīng)專利CN20031050050)。這種帶鐵心勵磁的磁制冷機雖然便于控制調(diào)節(jié)，但由于鐵心飽和以及勵磁電流強度受線圈發(fā)熱限制，磁場強度不可能高，不能產(chǎn)生實現(xiàn)有效磁制冷循環(huán)所必須的強磁場，因此，國內(nèi)外也少有相應(yīng)的進一步的研究?？傮w來說，目前世界范圍內(nèi)磁制冷裝置的缺點在于以下幾個方面1)永磁塊磁場強度低，而超導(dǎo)磁體造價又過于昂貴；2)絕大部分磁制冷機升降磁過程需要運動部件。不需運動部件的極少數(shù)磁制冷樣機中，超導(dǎo)磁體造價昂貴、運行維護要求高，鐵心勵磁方式磁場過低，無法有效激發(fā)磁熱效應(yīng)；3)升降磁系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)的控制復(fù)雜；4)現(xiàn)有磁制冷裝置能量損耗大，效率低，制冷功率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于重復(fù)頻率脈沖磁場的磁制冷裝置，相比現(xiàn)有的磁制冷裝置，具有磁場強度高(5T以上)、無運動部件、控制便捷、效率高和制冷功率大的特點。一種基于重復(fù)脈沖磁場的磁制冷裝置，包括無續(xù)流回路的重復(fù)脈沖電源、脈沖磁體、磁制冷工質(zhì)、熱端換熱單元及冷端換熱單元；重復(fù)脈沖電源連接脈沖磁體，脈沖磁體的孔徑內(nèi)填充有磁制冷工質(zhì)，磁制冷工質(zhì)的兩端分別連接熱端換熱單元及所述冷端換熱單元;重復(fù)脈沖電源向脈沖磁體放電，由于無續(xù)流回路,放出的電能部分流回重復(fù)脈沖電源實現(xiàn)能量回收；放電過程中脈沖磁體產(chǎn)生脈沖磁場促使磁制冷工質(zhì)磁化放熱，通過熱端換熱單元將磁工質(zhì)產(chǎn)生的熱量傳給高溫?zé)嵩?；放電結(jié)束后關(guān)閉重復(fù)脈沖電源，脈沖磁體停止產(chǎn)生脈沖磁場，磁制冷工質(zhì)退磁吸熱，通過冷端換熱單元向低溫?zé)嵩次鼰?，使低溫?zé)嵩礈囟冉档?，至此完成一個放電制冷周期；如此循環(huán)執(zhí)行放電制冷周期，實現(xiàn)持續(xù)制冷。所述脈沖磁體的相鄰線圈層間設(shè)有換熱通道。所述重復(fù)脈沖電源模塊包括由充電機、充電機開關(guān)元件和交流電容器組構(gòu)成的充電回路，以及由所述交流電容器組、雙向并聯(lián)晶閘管和所述脈沖磁體構(gòu)成的震蕩放電回路。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明采用高磁場脈沖磁體，產(chǎn)生了高磁場加強了磁制冷材料的磁熱效應(yīng)；本發(fā)明采用重復(fù)脈沖電源及其配套脈沖磁體，產(chǎn)生了重復(fù)脈沖磁場，實現(xiàn)了靜止式磁制冷，即無運動部件磁制冷。本發(fā)明通過控制系統(tǒng)，對重復(fù)脈沖電源(主要是晶閘管和充電機)、脈沖磁體和換熱系統(tǒng)(冷、熱端控制閥)統(tǒng)一控制，相比有運動部件或有超導(dǎo)磁體的系統(tǒng)，實現(xiàn)周期、功率可控的制冷，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的簡單化。本發(fā)明采用的無續(xù)流回路的重復(fù)脈沖電源，以交流電容器作為電源主體，通過回饋的脈沖電流負向?qū)﹄娙萜鹘M充電，實現(xiàn)能量回饋，提高了制冷系統(tǒng)的制冷功率和效率。本發(fā)明采用的脈沖磁體線圈匝數(shù)大，以增加脈沖寬度，便于為換熱提供充足的時間。同時，通過在脈沖磁體線圈層間設(shè)計換熱通道，使磁體換熱能力大大加強，從而使磁體在重復(fù)脈沖激勵的條件下滿足穩(wěn)態(tài)工作的溫升要求。本發(fā)明采用無續(xù)流回路的重復(fù)脈沖電源，通過控制反向并聯(lián)晶閘管的開斷，在脈沖磁體內(nèi)孔產(chǎn)生峰值及周期可控的欠阻尼震蕩電流及磁場。本發(fā)明在每個回饋周期中晶閘管關(guān)斷的時候，通過充電機對電容器快速充電以補充電容器放電過程中的電壓虧損，以實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定重復(fù)運行。


圖I為磁制冷裝置整體結(jié)構(gòu)圖；圖2為重復(fù)脈沖電源電路示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施對本發(fā)明做進一步說明。 圖I給出了本發(fā)明的一種實施方式，包括無續(xù)流回路的重復(fù)脈沖電源I、脈沖磁體
2、磁制冷工質(zhì)3、控制單元4、控制閥5a和5b、泵6a和6b、冷端換熱器7及熱端換熱器8?？刂茊卧?、控制閥5a、泵6a和熱端換熱器8構(gòu)成熱端換熱單元，控制單元4、控制閥5b、泵6b和冷端換熱器7構(gòu)成冷端換熱單元。其中，重復(fù)脈沖電源I,控制閥5a和5b、泵6a和6b的開斷時間配合由控制單元4控制實現(xiàn)。現(xiàn)有脈沖磁體技術(shù)中的重復(fù)脈沖電源一般都包含續(xù)流回路，這樣磁場脈寬會增力口，但是，如此電能會大量消耗在續(xù)流電阻上，不能實現(xiàn)電能回收，嚴重影響裝置的制冷效率。本發(fā)明為了實現(xiàn)能量回收，去除重復(fù)脈沖電源的續(xù)流回路。本發(fā)明無續(xù)流回路的重復(fù)脈沖電源能夠提供幅值可變、周期可控、效率高、能穩(wěn)態(tài)運行的重復(fù)脈沖電流，其具體實現(xiàn)電路可參見圖2，其分為左邊充電回路與右邊放電回路，包括充電機9、充電機開關(guān)元件10、交流電容器組11、雙向并聯(lián)晶閘管12以及脈沖磁體2。其中晶閘管為優(yōu)選方案，其他功率開關(guān)元件比如IGBT、GTO等也可替換晶閘管實現(xiàn)電路功能。除了圖2所示電路外，在交流電容器組11兩端并聯(lián)續(xù)流回路(續(xù)流電阻串聯(lián)反向二極管)，將雙向并聯(lián)晶閘管12改為單向晶閘管，也能實現(xiàn)重復(fù)脈沖電流輸出的功能。但由于續(xù)流回路會造成電流損失，影響了磁制冷裝置的效率。為了使磁體在重復(fù)脈沖電流激勵的條件下能滿足穩(wěn)態(tài)工作的溫升要求，在脈沖磁體2的線圈相鄰層間設(shè)計了換熱通道。磁制冷裝置具體工作方式如下步驟一準備階段充電機開關(guān)元件10導(dǎo)通，充電機9對交流電容器組11充電，脈沖磁體2腔中填入磁制冷工質(zhì)3。步驟二正向放電制冷周期如圖2所示，當交流電容器組11正向充電滿后，充電機開關(guān)元件10關(guān)斷，雙向并聯(lián)晶閘管12正向開啟，交流電容器組對脈沖磁體2放電，在磁體孔徑內(nèi)產(chǎn)生正半波脈沖磁場，放電后電流反充到交流電容器組11，電容電壓成負向，正向開啟的雙向并聯(lián)晶閘管12將過零關(guān)斷(脈沖電流過零，晶閘管會自動關(guān)斷)。同時，換熱方面，如圖I所示，在脈沖上升沿時，磁制冷工質(zhì)3由于磁熱特性溫度會升高，此時，控制閥5a、泵6a開通，通過熱端換熱器8將磁制冷工質(zhì)產(chǎn)生熱量盡可能多的帶走。隨后在脈沖下降沿退磁時，磁制冷工質(zhì)的溫度會降到比升磁前溫度更低(由于熱端換熱器8將工質(zhì)產(chǎn)生熱量帶走了一部分)，這樣，就產(chǎn)生了制冷效應(yīng)。此時，關(guān)斷控制閥5a、泵6a，開通控制閥5b、泵6b，通過冷端換熱器7與磁制冷工質(zhì)換熱,使磁制冷工質(zhì)的溫度回升，同時將磁制冷工質(zhì)產(chǎn)生的冷量傳出，以實現(xiàn)制冷。待磁制冷工質(zhì)溫度回升到實驗前的溫度附近，關(guān)斷控制閥5b、泵6b,完成一個制冷循環(huán)。步驟三負向放電制冷周期如圖2所示，放電電流反充后，使交流電容器組11電壓成負向，由于經(jīng)過步驟二，正向放電存在損耗，因此交流電容器組電壓大小較步驟一充電后的正向電壓略低。隨后，雙向并聯(lián)晶閘管12負向開啟，交流電容器組反向?qū)Υ朋w2放電,在磁體孔徑內(nèi)產(chǎn)生負半波脈沖磁場，放電后電流回到電容器組，交流電容器組電壓又變回正向。同時，換熱方面，與步驟二進行完全相同的制冷循環(huán)過程(磁制冷工質(zhì)3的磁熱特性與 磁場方向無關(guān))。在放電、換熱都結(jié)束后，雙向并聯(lián)晶閘管負向已過零關(guān)斷，開啟充電回路中充電機開關(guān)元件10，由充電機9對交流電容器組正向充電，使交流電容器組電壓又回到起始充滿的狀態(tài)。重復(fù)2、3步驟，便可實現(xiàn)持續(xù)制冷。
權(quán)利要求
1.一種基于重復(fù)脈沖磁場的磁制冷裝置,包括無續(xù)流回路的重復(fù)脈沖電源、脈沖磁體、磁制冷工質(zhì)、熱端換熱單元及冷端換熱單元；重復(fù)脈沖電源連接脈沖磁體，脈沖磁體的孔徑內(nèi)填充有磁制冷工質(zhì)，磁制冷工質(zhì)的兩端分別連接熱端換熱單元及冷端換熱單元； 重復(fù)脈沖電源向脈沖磁體放電，由于無續(xù)流回路，放出的電能部分流回重復(fù)脈沖電源實現(xiàn)能量回收；放電過程中脈沖磁體產(chǎn)生脈沖磁場促使磁制冷工質(zhì)磁化放熱，通過熱端換熱單元將磁工質(zhì)產(chǎn)生的熱量傳給高溫?zé)嵩矗环烹娊Y(jié)束后關(guān)閉重復(fù)脈沖電源，脈沖磁體停止產(chǎn)生脈沖磁場，磁制冷工質(zhì)退磁吸熱，通過冷端換熱單元向低溫?zé)嵩次鼰幔沟蜏責(zé)嵩礈囟冉档?，至此完成一個放電制冷周期；如此循環(huán)執(zhí)行放電制冷周期，實現(xiàn)持續(xù)制冷。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于重復(fù)脈沖磁場的磁制冷裝置，其特征在于，所述脈沖磁體的相鄰線圈層間設(shè)有換熱通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于重復(fù)脈沖磁場的磁制冷裝置，其特征在于，所述重復(fù)脈沖電源模塊包括由充電機、充電機開關(guān)元件和交流電容器組構(gòu)成的充電回路，以及由所述交流電容器組、雙向并聯(lián)晶閘管和所述脈沖磁體構(gòu)成的震蕩放電回路。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于脈沖磁場的磁制冷裝置，包括無續(xù)流回路的重復(fù)脈沖電源、脈沖磁體、磁制冷工質(zhì)、熱端換熱單元及冷端換熱單元；重復(fù)脈沖電源向脈沖磁體放電，電能部分流回重復(fù)脈沖電源實現(xiàn)能量回收；放電過程中脈沖磁體產(chǎn)生脈沖磁場促使磁制冷工質(zhì)磁化放熱，通過熱端換熱單元將磁工質(zhì)產(chǎn)生的熱量傳給高溫?zé)嵩?；放電結(jié)束后關(guān)閉重復(fù)脈沖電源，脈沖磁體停止產(chǎn)生脈沖磁場，磁制冷工質(zhì)退磁吸熱，通過冷端換熱單元向低溫?zé)嵩次鼰?，使低溫?zé)嵩礈囟冉档停链送瓿梢环烹娭评渲芷?；如此循環(huán)執(zhí)行放電制冷周期實現(xiàn)持續(xù)制冷。本發(fā)明通過可控脈沖磁體產(chǎn)生間斷重復(fù)的脈沖磁場實現(xiàn)磁制冷，具有磁場強度高、無運動部件、控制便捷、效率高和制冷功率大的特點。
文檔編號F25B21/00GK102734977SQ20121017635
公開日2012年10月17日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者劉夢宇, 呂以亮, 張勃, 彭濤, 曹全梁, 李亮, 王惠齡, 王錢軍 申請人:華中科技大學(xué)