專利名稱：一種靜止式室溫磁致冷機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁致冷機，尤其涉及一種使用電磁體作為磁場源的室溫磁致冷機。
磁致冷技術則是針對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的原理來實現(xiàn)制冷的一項技術。磁致冷過程是一個物理過程，它是通過對某些磁致冷材料施加外磁場來改變其磁熵，實現(xiàn)熱量從低溫熱源到高溫熱源的傳遞，從而達到對負荷進行制冷的目的。磁致冷具有相當多的優(yōu)點首先由于完全采用固體磁致冷材料作為制冷工質，使得裝置體積大大減?。黄浯?，由于不使用壓縮機，制冷環(huán)節(jié)的效率提高了；第三，磁致冷工質不會像氣體工質如氟利昂等那樣對大氣產(chǎn)生危害，所以它還是一項無污染的技術?；谝陨现T多優(yōu)點，磁致冷技術具有極大的發(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的磁致冷材料，這使得室溫磁致冷技術的實現(xiàn)乃至最終實用化逐漸變?yōu)榭赡?。在室溫磁致冷技術的實現(xiàn)中，除尋找新型具有巨磁熱效應的材料是一難點之外，如何設計結構簡單、性能穩(wěn)定、高效率的磁致冷機也是需要解決的重點。
利用磁致冷技術原理進行制冷的裝置即為磁致冷機。磁致冷機主要應包括磁場源、磁工質、冷熱端熱交換器和傳熱流體管道幾個部分構成，其中磁場源、磁工質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，因而是磁致冷技術設計實現(xiàn)的重點。目前國內(nèi)外已經(jīng)提出多種磁致冷機的設計方案，歸納起來，這些設計方案按照磁場源的設計方式來看，主要有采用超導磁體和永磁體兩種方式。對于前者，利用超導技術可以產(chǎn)生非常高的磁場，但是將其運用到室溫磁致冷中，則會使裝置復雜性大大提高、實現(xiàn)困難，而且價格昂貴、不易維護，因而只適合于理論和試驗研究。隨著超強永磁新材料的不斷問世，利用永磁體作為磁場源則是一個相對容易實現(xiàn)，而且價格便宜的方法，現(xiàn)有技術中這類設計方案層出不窮，例如專利WO 02/12800中提出的一種旋轉磁床式磁致冷機，X.Bohigas等人在IEEE Transactionson Magnetic第36卷第3期上(第538～544頁)發(fā)表的《使用永磁體的室溫磁致冷機》一文中所提到的一種使用永磁體的室溫磁致冷機以及美國依阿華州立大學與美國航空局聯(lián)合制造的世界上第一臺永磁體室溫磁致冷樣機等等。盡管采用永磁體要經(jīng)濟并簡單易行的多，但仍存在有較大缺陷，原因是這種設計會使裝置體積過大或者必須采用非常復雜的機械部件。磁致冷技術中磁工質磁熱效應的發(fā)揮必須通過對其施加磁場和退磁兩個過程來改變其磁熵，而永磁體只能產(chǎn)生固定大小的靜止磁場，這時只有使磁場源和磁工質作相對運動才能達到磁工質外加磁場變化的效果。由于磁工質的外加磁場域總是依賴于永磁體的氣隙磁場來產(chǎn)生，在磁場源或磁工質兩者任一做運動時，都必然會有磁致冷機體積非常大，同時不可避免的要使用機械元件以帶動兩者之一運動，功耗也較大。特別地，在磁場靜止、磁工質運動的磁致冷機設計方案中，必須額外設計使用一分配閥部件來完成運動的磁工質和靜止的冷、熱端熱交換器之間的熱量交換，而分配閥部件不僅在設計和實現(xiàn)上比較困難，還會產(chǎn)生可觀的熱量損耗，大大降低磁致冷機的制冷效果。因而，采用永磁體作為磁場源的磁致冷機仍會有較大缺陷，如體積過大、結構復雜，運行和操作非常不便等。
本發(fā)明的技術方案如下一種靜止式室溫磁致冷機，主要包括磁場源，具有室溫巨磁熱效應的磁工質，傳熱流體管道和熱交換器，其特征在于所述的磁場源采用由通電線圈具有氣隙的導磁鐵心構成的電磁體；所述的磁工質放置于旋管之中，該旋管安裝在導磁鐵心的氣隙中，旋管的引入端和引出端分別通過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采用間隔疊放的多孔薄片結構或采用疏松結構。
本發(fā)明的技術特征還在于所的導磁鐵心呈C字形狀。
本發(fā)明的技術特征還在于所述的磁致冷機還包括一個含有計算機程序的單片機，該單片機通過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具有以下優(yōu)點及突出性效果使用電磁體作為磁場源以獲得可控的磁場變化，克服了超導磁體實現(xiàn)困難、價格昂貴的缺點；同時省去了復雜而難以實現(xiàn)的機械運動單元，優(yōu)于使用永磁體的磁致冷機設計模式。本發(fā)明具有體積小、結構和操作簡單，經(jīng)濟性好，易于實現(xiàn)，運行穩(wěn)定的優(yōu)點。


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實施例的結構示意圖。
圖2為所設計的旋管外部結構原理示意圖。
圖3為旋管內(nèi)部磁工質采用的薄片結構示意圖。
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的結構示意圖。該磁致冷機主要由電磁體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等五個部分組成。電磁體1由通電線圈7和具有氣隙9的導磁鐵心8構成；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上設有水泵12。
圖3是旋管2內(nèi)部磁工質13采用的薄片結構示意圖。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13，磁工質13是在室溫情況下具有巨磁熱效應的磁性材料，如金屬釓等，磁工質13采用間隔疊放的多孔薄片結構或疏松結構，目的是為保證與其中流過的傳熱流體充分接觸以完成熱量交換。
本發(fā)明的實施例中采用電磁體1來產(chǎn)生所需要的磁場源，它由輸入電源6、通電線圈7和導磁鐵心8三個部件組成。導磁鐵心8呈C字形，采用導磁性能優(yōu)良的材料制成，其作用是為減小磁路上的磁動勢降落，增強通電線圈所產(chǎn)生的磁場，從而在其開口處的氣隙9中形成較高磁密的氣隙磁場，該氣隙9中的氣隙磁場是磁工質的工作空間，裝有磁工質13的旋管2固定在氣隙9中，是磁致冷機的核心功能部件。通電線圈7繞制在導磁鐵心8的臂端上，輸入電源6為電流可調的直流電源。
控制單元5用來控制電源輸入6、水泵12和四個閥門11a，11b，11c，11d，通過對這些部件發(fā)信號，來控制各個部件協(xié)調工作，完成整個磁致冷循環(huán)?？刂茊卧?采用一個含有計算機程序的單片機，通過控制線路與通電線圈7、水泵12和閥門11a，11b，11c，11d相連，該單片機通過事先寫入的程序來控制各部件的協(xié)調工作，完成磁致冷機的制冷循環(huán)。圖5為該單片機的控制軟件流程框圖。通過修改寫入程序中的參數(shù)能夠相應地調整磁致冷機的制冷循環(huán)周期和每個循環(huán)中的各個過程時間。
本發(fā)明中的磁致冷機其熱力循環(huán)采用布雷頓(Brayton)循環(huán)方式，穩(wěn)定的工作循環(huán)由四個階段構成，如圖4，分別是絕熱磁化溫度升高14、恒場循環(huán)散熱15、絕熱去磁溫度降低16和恒場循環(huán)吸熱17。其具體工作原理和過程敘述如下在一個循環(huán)的開始，控制單元5發(fā)出下降沿信號，關掉所有閥門11a，11b，11c，11d和水泵12，從而切斷磁工質13與冷熱端熱交換器4a和4b之間的熱量交換，這個過程可以近似為絕熱過程14；同時控制單元5發(fā)斜坡信號給電源輸入端6，通電線圈7中通以電流，而且隨著信號的逐漸增強，通電電流逐漸增大，通電線圈7中產(chǎn)生逐漸增強的磁場，磁路沿導磁鐵心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13由于外加磁場的作用，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；當導磁鐵心8中的磁通接近飽和(或者達到某一事先設定值)之時，磁工質13達到熱源溫度TH。
第二步，控制單元5由逐漸增大的斜坡信號轉入保持階段，即開始向電源輸入6發(fā)保持信號，保持通電線圈7通電電流不變即保持磁場恒定，同時向閥門11b、11d和泵12發(fā)上升沿信號，打開閥門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，建立起磁工質13與熱端熱交換器4b之間的散熱循環(huán)，即進入恒場循環(huán)散熱過程15。傳熱流體的流動使熱量從溫度較高的磁工質13經(jīng)由熱端熱交換器4b散發(fā)到高溫熱源中去。隨著熱量的散發(fā)，磁工質13的溫度逐漸下降，最終降至高溫熱源的溫度Th，建立起熱平衡。
當熱量傳遞循環(huán)建立平衡以后，控制單元5發(fā)出下降沿信號，關掉水泵12和閥門11b和11d，旋管2中傳熱流體又將停止流動，于是切斷了磁工質13與外界的熱聯(lián)系；同時控制單元5對電源輸入端10的信號由保持信號變?yōu)橄蛳聝A斜的斜坡信號，使得通電線圈5中的通電電流逐漸減小，相應的磁場也逐漸減小，磁工質13的溫度迅速降低，這一過程為絕熱去磁溫度降低過程16。當電流減小至零即達到零磁場后，控制單元5將對電源輸入將保持為零信號，即通電線圈7的通電電流為零，導磁鐵心8的氣隙磁場降為零，磁工質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，打開閥門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13進入恒溫吸熱過程17，通過傳熱流體的流動從冷端熱交換器4a中吸收熱量，達到制冷的目的。在這一過程中，磁工質13的溫度逐漸升高，直到與制冷熱負荷溫度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，在每一個制冷循環(huán)中的吸熱和放熱過程，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，不論是通過定量周密的磁場分析計算、還是僅僅簡單定性的考慮鐵心邊緣的漏磁效應，都可以得出氣隙中心處磁通密度較邊緣處大；相應的，對于旋管2內(nèi)的磁工質13，其外加磁場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工作過程中，旋管2內(nèi)部的磁工質13上會形成從邊緣到中心的微小溫度梯度。當流向與溫度梯度的方向一致時，即使傳熱流體自邊緣向中心流動方向，便可以獲得一個較高的傳熱效率。
權利要求
1.一種靜止式室溫磁致冷機，主要包括磁場源，具有室溫巨磁熱效應的磁工質，傳熱流體管道和熱交換器，其特征在于所述的磁場源采用由通電線圈(7)和具有氣隙(9)的導磁鐵心(8)構成的電磁體；所述的磁工質(13)放置于旋管(2)之中，該旋管安裝在導磁鐵心的氣隙中，旋管的引入端(10a)和引出端(10b)分別通過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有水泵(12)。
2.按照權利要求1所述的磁致冷機，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.按照權利要求1或2所述的磁致冷機，其特征在于所述旋管中的磁工質采用間隔疊放的多孔薄片結構或采用疏松結構。
4.按照權利要求1所述的磁致冷機，其特征在于所述的導磁鐵心呈C字形狀。
5.按照權利要求1所述的磁致冷機，其特征在于所述的磁致冷機還包括一個含有計算機程序的單片機，該單片機通過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，涉及一種使用電磁體作為磁場源的室溫磁致冷機的結構設計。本發(fā)明主要包括由通電線圈和具有氣隙的導磁鐵心構成的電磁體，具有室溫巨磁熱效應的磁工質，傳熱流體管道和熱交換器。所述的磁工質放置于旋管中，該旋管安裝在導磁鐵心的氣隙中，旋管的引入端和引出端分別通過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有水泵。本發(fā)明使用電磁體作為磁場源，形成可控的磁場變化，克服了超導磁體難于實現(xiàn)、價格昂貴的缺點，同時省去了復雜的機械運動單元，優(yōu)于使用永磁體的磁致冷機設計模式，具有體積小，結構和操作簡單，運行穩(wěn)定，經(jīng)濟性好的特點。
文檔編號F25B21/00GK1479061SQ03150050
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月31日 優(yōu)先權日2003年7月31日
發(fā)明者丁仁杰, 陳昱, 閔勇 申請人:清華大學