[发明专利]一种旋转磁制冷用永磁磁体系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁磁体系统，特别涉及用于旋转磁制冷设备的永磁磁体系统。

背景技术

磁制冷是一种绿色环保的新型制冷技术。与传统蒸汽压缩式制冷相比，磁制冷采用磁性材料作为制冷工质，对臭氧层无破坏作用，无温室效应。最新开发的磁制冷机采用基于水的传热流体，能最大程度上避免全球温室效应。

磁制冷技术是基于磁热效应原理的一种制冷技术。磁热效应是指磁工质(磁制冷材料)在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强，对外放出热量，而再将其去磁，则磁有序度下降，又要从外界吸收热量，即在变化的外磁场中表现出的磁性材料本身的熵变和温变的一种物理现象。利用磁工质的磁热效应现象，可以实现制冷的目的。

相对低温磁制冷而言，室温磁制冷具有更广泛的应用领域，例如：工业、商业及家用空调、冰箱等，它的广泛应用将对能源节约和环境保护起到重大作用。因此，室温磁制冷技术被视为一种应用前景十分看好的新型制冷技术。在室温磁制冷的研究中，由于在室温附近，磁性材料的晶格熵比磁熵大得多，晶格系统的热容量显著增加，磁自旋系统的热骚动能量也增加，因此，要得到一定的磁熵变化，除了开发出居里点在室温附近而且具有巨磁热效应的磁工质外，还必须采用很强的外磁场。对大多数磁制冷样机来说，磁工质与外磁场做相对运动，以便磁工质进出外磁场进行磁化、退磁。根据热力学方程式，外磁场越高，磁场强度的变化越大，磁热效应越显著，制冷效果越明显。

在以往的室温磁制冷样机中，其磁场由液氦浸泡的超导磁体提供，最后分别实现大的制冷温跨，但很显然在家用的磁制冷机上使用超导磁体是不现实的。目前，提供磁化场方式除了超导磁体外，还有电磁铁和永磁体，但为了使室温磁制冷实用化、商业化，采用体积庞大、结构复杂的电磁体(通常需要增加一套冷却系统)也是不可取的，因而永磁体成了室温磁制冷提供磁化场的最佳选择。而简单的永磁磁路设计不能满足室温磁制冷机所需的磁场，如Bohigas在一旋转式室温磁制冷样机中，利用NdFeB永磁体互相平行放置，在磁体间隙间产生0.3T的场强，只得到了1.6K的制冷温跨。因而，设计出高场强的永磁体对于室温磁制冷技术应用是非常重要的。

为了获得较高强度的磁化场，增加磁制冷机的制冷温跨和制冷功率，人们在基于Halbach旋转定理的中空圆柱形磁场源的基础上，已经制作出了“C”型结构的高场强NdFeB永磁磁体，例如：美国Ames实验室的S.J.Lee等设计出了适合于旋转样机的场强为1.9T的磁体(Permanent magnet array for the magnetic refrigerator，Journal of Applied Physics，Volume91，Number10，pp.8894-8896，2002)。虽然这种结构的永磁磁体可以产生较高强度的磁场，但是它存在着两个缺点：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。

为了克服基于Halbach旋转定理的中空圆柱形磁场源为基础的“C”型结构永磁磁体系统，其旋转部分未被封闭在磁体之内和磁化场在转轮上产生单边磁拉力等缺点，申请号为200610165503.X的“旋转磁制冷设备用永磁磁体系统”提出了一种用于旋转磁制冷机的高场强永磁磁体系统。这种永磁磁体系统由定子和转子组成，定子包括中空柱形永磁磁体和导磁极靴；中空的圆柱形磁体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，永磁块的充磁方向由Halbach旋转定理确定；导磁极靴由两块导磁性能良好的金属材料组成，其一侧面形状与永磁磁体内腔壁一致，另一侧面为圆弧面；两块导磁极靴分别紧贴在永磁磁体N、S极中心的内腔壁上，空间位置相差180°。转子包括转轴、导磁铁心和磁工质；转轴为圆柱形，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，转轴位于其中心位置；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°。

这种磁体系统包含两个磁工质区域，并且它们沿径向的内、外面都是圆弧形，这将导致了磁制冷机的热交换系统较为复杂和磁工质加工较为困难；另一个问题是由于磁工质退磁的需要，定子导磁极靴的周向尺寸不能大于45度，也就是意味着磁工质区域的周向尺寸不能大于45度，这样一来限制了磁工质区域的范围。

发明内容