[发明专利]一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统，特别涉及用于室温磁制冷的一种永磁旋转式磁制冷机的热交换系统。

背景技术

磁制冷与传统蒸汽压缩制冷技术相比，其优势在于：高效节能、绿色环保和高可靠性。因此，磁制冷技术被视为一种高效的新型制冷技术。

室温磁制冷技术具有广泛的潜在应用领域，例如：工业、商业及家用空调、冰箱等。室温磁制冷机的应用将对能源节约和环境保护起到重大作用。

1976年美国NASA的Brown在室温磁制冷样机方面取得了突破性进展。采用超导磁体(0-7T)，以金属Gd为磁制冷工质，获得了80K制冷温跨、8W制冷功率的结果，首次在实验室实现了室温磁制冷，该装置只循环运行了50次，稳定性较差。1998年，美国宇航公司开发的室温磁制冷样机具有较大的温跨(38K)、制冷量(600W)及能效比(制冷系数COP＝15)，该样机无故障运行了18个月，展示了室温磁制冷技术应用的可能。但由于上述磁制冷样机都采用超导磁体，在超导技术未能达到规模化民用之前，其高昂的成本使室温磁制冷技术实用性受到较大限制。

美国专利US6526759、US6668560公开了一种选用高性能的永磁磁体来取代早先的超导磁体的永磁式室温旋转式磁制冷装置。

US6526759的旋转式磁制冷装置如图1所示，该旋转磁制冷装置的转轮是一个带有磁工质床22示的环状物21，该环绕一个中心轴转动，使得每个床依次进出“C”型磁铁29产生的磁场。利用一个分配阀24使换热流体进出磁工质床22，分配阀24通过管道连接到热端和冷端热交流器。

这种采用“C”型结构的永磁磁体的室温磁制冷样机设计借鉴了Steyert模型，其方案原理示意图如图2所示。运行过程如下：磁工质轮逆时针旋转，换热流体顺时针流动。换热流体从图示右下角进入机构与磁工质进行热交换，此时由于磁工质完成了绝热去磁过程，温度比较低，流体经换热后温度由T_H变为T_C，所以可以从某低温环境吸热，设吸热量为Qc。当流体吸热后再从图示左上角进入机构时，温度为T_c+△，遇到磁工质进行换热，由于此时的磁工质轮完成了一个绝热磁化过程，温度比较高，流体经换热后温度变为T_H+△，可以向另一环境放热，设放热量为Q_H。然后再以T_H的温度进入机构，循环前面的过程。这样，经过一个循环，就可以从低温环境吸热Q_c，向高温环境放热Q_H，达到制冷的目的。

这种采用“C”型结构永磁磁体的旋转式磁制冷装置存在着两个缺点：一是转轮的大部分位于永磁磁体之外，这一旋转部件没有被封闭，它将给磁制冷机的结构设计造成困难；二是转轮的圆周仅有一部分处于永磁磁体的磁场中，这将在转轮上产生非常大的单边磁拉力。当转轮旋转时，这一单边磁拉力会造成转轮的振动，甚至会损坏轴和轴承。

中国专利200610165503.X提出的旋转磁制冷设备用永磁磁体系统克服了现有技术的磁制冷机的转轮没有被封闭在永磁磁体之内和永磁磁体磁场在转轮上产生非常大的单边磁拉力等缺点，并能够产生磁制冷所需的高强度的磁化场。由于该永磁磁体系统的结构与现有的不同，因此现有技术的热交换系统不适用于这种磁体系统。

发明内容

本发明的目的是针对中国专利200610165503.X提出的旋转磁制冷设备用永磁磁体系统的结构特点，提出了一种与其相适应的热交换系统。

中国专利200610165503.X提出的旋转磁制冷设备用永磁磁体系统由定子和转子两部分组成。定子主要包括基于Halbach旋转定理的中空柱形永磁磁体和导磁极靴两部分。为了永磁磁体加工的方便，中空的圆柱形磁体可由偶数数量的永磁块以磁体横截面上的中心轴对称拼装而成，这些永磁块的充磁方向由Halbach旋转定理来确定。导磁极靴由两块导磁性能良好的金属材料组成，它们的一侧面形状与永磁磁体内腔壁一致，另一侧面为圆弧面。这两块导磁极靴分别紧贴在以永磁磁体相对的两径向方向磁化的磁块的中心线为中心的内腔壁上，空间位置相差180°；转子主要包括转轴、导磁铁心和磁工质三部分。转轴为圆柱形，由金属材料制成，导磁铁心由高性能金属导磁材料制成，形状为带有中心孔的圆柱或削去两边的圆柱，套装在转轴上，转轴位于它的中心位置。两块磁工质分别安装在导磁铁心的两外圆弧面上，其空间位置相差180°。磁工质可以是块状、片状、粒状、网筛状等各种形状。磁工质区域具有流体通道，换热流体可在该区域与磁工质充分接触并流动。