室温磁制冷系统及其应用.pdf

本发明涉及一种室温磁制冷系统及其应用，室温磁制冷系统包括冷端换热器、热端换热器、流体分配盘、磁场系统、制冷床、步进电机，其特征是：制冷床为圆环体，它是一个中空的腔体并且在环形上均分为四个腔室，每个腔室上下均有供流体出入的出入口，相对的腔室两两串联，出口和入口在底部相连，每个腔室均装填磁制冷材料；磁场系统包括内磁场装置和外磁场装置，内磁场装置由永磁体制成，设于制冷床的圆环体内，外磁场装置由对称设置的两块弧形面的永磁体组合而成，两块永磁体外设有轭铁，外磁场装置设于制冷床的圆环体外与内磁场装置构成闭合磁路；步进电机的主轴从内磁场装置的中心穿过并与内磁场装置固定，主轴的轴端与流体分配盘固定；冷端换热器与制冷床的冷端出入口相连，而热端换热器通过流体分配盘与制冷床的热端出入口相连。其优点是：可以提高磁制冷机的运转频率，从而改善制冷功率和制冷温差，且结构紧凑，运行平稳。

1、  一种室温磁制冷系统，包括冷端换热器、热端换热器、流体分配盘、磁场系统、制冷床、步进电机，其特征是：制冷床为圆环体，它是一个中空的腔体并且在环形上均分为四个腔室，每个腔室上下均有供流体出入的出入口，相对的腔室两两串联，出口和入口在底部相连，每个腔室均装填磁制冷材料；磁场系统包括内磁场装置和外磁场装置，内磁场装置由永磁体制成，设于制冷床的圆环体内，外磁场装置由对称设置的两块弧形面的永磁体组合而成，两块永磁体外设有轭铁，外磁场装置设于制冷床的圆环体外与内磁场装置构成闭合磁路；步进电机的主轴从内磁场装置的中心穿过并与内磁场装置固定，主轴的轴端与流体分配盘固定；冷端换热器与制冷床的冷端出入口相连，而热端换热器通过流体分配盘与制冷床的热端出入口相连。

2、  根据权利要求1所述的室温磁制冷系统，其特征是：流体分配盘由压紧在一起的五层圆板组成，五层圆板至上而下，在上层圆板上的同一圆周上开有两个通孔，在第二层圆板上的同一圆周上对称地开有四个通孔，其中两个通孔与上层圆板上的两个通孔连通，四个通孔分为两对，在圆板的上表面每对通孔之间设有连通槽，两个连通槽相互平行，中间层为旋转盘，其上开两个对称弧形槽，中心开有轴孔，第四层圆板与第二层圆板结构相同但连通槽开在圆板的下表面上其与第二层圆板的连通槽成90°角，第五层圆板与上层圆板结构相同但通孔的排列方向与上层圆板通孔的排列方向成90°角。

3、  根据权利要求1所述的室温磁制冷系统的应用，其特征是：用于室温磁制冷冰柜。

室温磁制冷系统及其应用
技术领域
本发明涉及一种室温磁制冷系统及其应用。
现有技术
传统的气体压缩式制冷技术由于存在影响环境的问题，诸如破坏臭氧层或产生温室气体等，限制了它的进一步发展。随着禁氟令的临近，寻找替代制冷技术是当今可持续发展要求的必然趋势。磁制冷技术作为可替代技术之一，近几年得到长足的发展，被认为是一种有希望取代传统制冷技术的绿色制冷技术。近十几年磁制冷技术发展很快，尤其在室温磁制冷领域，新材料、新技术、新型制冷机不断涌现，显示出勃勃的生机，不断推进室温磁制冷技术迈向实用化的步伐。目前室温磁制冷机主要分为两类：往复式和旋转式。往复式机由于存在往复式机械运动造成运转频率低，从而影响机器的制冷功率及制冷温差。而旋转式机存在结构复杂、加工精度要求高、密封困难等问题致使制造成本大大提高。
发明内容
本发明的目的是针对磁制冷机的上述问题，根据磁热效应原理，在往复式磁制冷机的基础上进行升级改进，以克服往复式机频率低、噪音大、制冷能力低等缺点，同时对旋转式机存在的问题也进行改进，简化整体结构，解决其密封困难等问题。取两者之长避其之短提供一种室温磁制冷系统及其应用，该系统采用双极型内外永磁转子、中间固定式四厢制冷床结构，具有结构紧凑，运行平稳等特点。
本发明的目的是由以下方式实现的：
本发明的室温磁制冷系统包括冷端换热器、热端换热器、流体分配盘、磁场系统、制冷床、步进电机，其特征是：制冷床为圆环体，它是一个中空的腔体并且在环形上均分为四个腔室，每个腔室上下均有供流体出入的出入口，相对的腔室两两串联，出口和入口在底部相连，每个腔室均装填磁制冷材料；磁场系统包括内磁场装置和外磁场装置，内磁场装置由永磁体制成，设于制冷床的圆环体内，外磁场装置由对称设置的两块弧形面的永磁体组合而成，两块永磁体外设有轭铁，外磁场装置设于制冷床的圆环体外与内磁场装置构成闭合磁路；步进电机的主轴从内磁场装置的中心穿过并与内磁场装置固定，主轴的轴端与流体分配盘固定；冷端换热器与制冷床的冷端出入口相连，而热端换热器通过流体分配盘与制冷床的热端出入口相连。
流体分配盘由压紧在一起的五层圆板组成，五层圆板至上而下，在上层圆板上的同一圆周上开有两个通孔，在第二层圆板上的同一圆周上对称地开有四个通孔，其中两个通孔与上层圆板上的两个通孔连通，四个通孔分为两对，在圆板的上表面每对通孔之间设有连通槽，两个连通槽相互平行，中间层为旋转盘，其上开两个对称弧形槽，中心开有轴孔，第四层圆板与第二层圆板结构相同但连通槽开在圆板的下表面上其与第二层圆板的连通槽成90°角，第五层圆板与上层圆板结构相同但通孔的排列方向与上层圆板通孔的排列方向成90°角。
本发明的优点是：可以提高磁制冷机的运转频率，从而改善制冷功率和制冷温差，且结构紧凑，运行平稳。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；图2-图6分别为流体分配盘第一层到第五层的结构结构示意图；图7为制冷床的结构示意图；图8为磁场处于不同方向时流体流向示意图；图9为本发明的工作原理示意图；图10为本发明用于室温磁制冷冰柜的示意图。
图中：1为轭铁，2为外磁场装置，3为无磁不锈钢筒，4为制冷床，5为主轴，6为内磁场装置，7为导轮，8为流体出入口，9为流体分配盘，10、11为联轴器，12为步进电机，13为水泵，14为热端换热器(散热器)，15为风机，16为冷端换热器(制冷器)，17为保温箱。
具体实施方式
参照附图，本发明包括内磁场装置6、外磁场装置2、中间固定式制冷床4、冷端换热器16、热端换热器14、流体分配盘9，以及步进电机12。冷端换热器16直接与制冷床4的冷端出入口相连，而热端换热器14通过流体分配盘9与制冷床4的热端出入口相连。在热端换热器14的周围设风机15用于加快散热。流体分配盘9起流体换向作用，主轴每旋转90度使流体分配盘9下端口的流体流向换向一次，使制冷床磁化和退磁时流经其中的流体流向相反，即对每个制冷床来说，磁化时流体向一个方向流，退磁时则向相反的方向流。这种换向功能是由分配盘的结构决定的，其结构由五层板组成，中间层为与主轴5联动的旋转盘，其上开两个对称弧形槽，旋转盘两侧为双层开有层间通道的固定式结构。图2-图6分别为流体分配盘9第一层到第五层的结构。为表示清楚，图1中分配盘9分开画出，实际为一体，它是流体换向部件，中间转盘与主轴5联动，而且其相位可调，调整换向步调。中部的内磁场装置6由主轴5驱动，在磁力的作用下外磁场装置2也随之一起联动。每旋转90度，一对制冷床磁化而另一对制冷床退磁。内外磁场装置由NdFeB永磁体组合而成，并形成闭合磁路。内外磁场装置之间的圆环体为制冷床4，且在外磁场装置与制冷床4间设有无磁不锈钢筒3，在外磁场装置的轭铁1与无磁不锈钢筒3之间设有导轮7。制冷床4是一个中空的腔体并且在环形上均分为四个腔室，每个腔室上下均有出入口，供流体出入，相对的腔室两两串联，出口和入口在底部相连。每个腔室均装填磁制冷材料，可以分组装几种具有不同居里温度的磁制冷材料，材料形状可以为球形颗粒、片状、线状、网状等。本发明的下部为步进电机12，它利用主轴5通过联轴器10、11驱动磁场系统及流体分配盘中的旋转盘同步顺时针转动。步进电机可以连续运转也可以间歇运转，转速连续可调。采用间歇运转时，磁场系统每转动90度时停顿一定时间，让交换流体进行热交换。流体采用水和乙醇的混合体，由水泵13驱动。流体分配盘9负责流体换向，内外磁场系统每转动90度，流体换向一次，保证流体在制冷床磁化过程和退磁过程中流向相反，从而保证在制冷床中形成稳定的温度梯度，即产生前文提到的冷端和热端，实现制冷。图8为磁场处于不同方向时流体流向示意图。图9为本发明的工作原理示意图，为简明起见，图中将串联的制冷床合并为一体，同时将两对磁体也合并为一个，流体分配盘简化为导向机构。
该本发明的系统可用于许多领域，如图10所示，用于室温磁制冷冰柜，图中17为保温箱。