[发明专利]一种基于重复脉冲磁场的磁制冷装置

说明书

技术领域

本发明涉及应用磁制冷领域，具体涉及一种基于重复脉冲磁场的磁制冷装置，用于室温或相关工业应用温区的制冷。

背景技术

制冷技术对于现代工业的发展和生活的需要已经不可或缺。传统的气体压缩制冷极大的地推动了现代工业和生活，然而随着工业化而来的环境污染和能源危机大大阻碍了它的步伐。因为对臭氧层的破坏，蒙特利尔协议规定到2000年已经全面停止氟里昂的生产和使用。现在大力发展的无氟工质给制冷行业带来了新的动力，然而很多气体仍然存在泄漏，有毒，易燃，易爆的危险，甚至还会产生温室效应气体。另一方面，使用压缩机的使得制冷设备能耗大，效率低，也有很大的振动和噪声。在这个能源和环境问题日益突出的时代中，如何生产出清洁节能的制冷装置迫在眉睫。

磁制冷作为一种新型的制冷方式，因其不用压缩机，效率高于气体制冷，具有明显的节能优势，而且所用传热工质为液体，清洁没有污染，越来越受到人们的重视。磁热效应是指在外部磁场的作用下，某些特定材料的温度会升高；同时，当外部磁场取消时，材料温度会相应的降低回原始温度。所谓磁制冷，就是根据磁工质在外加磁场变化的时候会有吸热和放热的现象（就是所谓的磁热效应）来进行制冷。磁制冷作为一门高新技术，过去只运用于极低温制冷。近年来随着磁体技术与低温技术的发展，包括中国在内的很多国家开始积极开展室温磁制冷样机的研究。

人们对于磁制冷的研究已经有超过100多年的历史，从最初的利用顺磁材料（又称顺磁盐）实现低于1K的超低温制冷，到从20世纪70年代开始的关于室温温度范围回热式磁制冷的研究。一些有代表性的专利有：US4069028,US4441325,US4507928,US4785636,US5182914,US20010925032,US20050922270,KR20050126984,CN20031050050,CN20041040922,CN20061037836,CN20071064813,CN20071305996,CN20081055800,CN20081223038。

在世界范围内所有有关磁制冷装置的公开论文和专利中，绝大部分是旋转式或往复式的，典型的代表有美国NASA的G.V.Brown在1976年提出的首台往复式7T超导室温磁制冷样机（相应专利US4069028），C.B.Zimm在2001提出的1.5T永磁体励磁旋转式磁制冷机（相应专利US20010925032）以及我国四川大学于2004年开发出永磁体励磁旋转式室温磁制冷样机（相应专利CN20041040922）。它们的升磁和降磁都是通过移动或者转动来产生磁场的磁体或者磁热材料本身来实现的。由于运动部件的存在，使得用以实现磁制冷热力循环的装置变得非常复杂，这不仅增加了系统的不可靠性，摩擦产生的热损耗也降低了系统的整体制冷效率，并且换热工质循环控制系统的复杂性也大大增加了。

除此以外，美国Los Alamos国家实验室的P.E.Blumenfeld在2002年提出了使用缓慢变化的电流通过高温超导磁体，产生1.7T缓慢周期变化的磁场来实现静止式的磁制冷。（相应论文High temperature superconducting magnetic refrigeration,AIP Conference Proceedings）但是超导磁体不仅造价昂贵，它们的运行也需要有严格的低温条件。更重要的是，由于交流损耗的存在，超导磁体电流的变化速率都必须限制在一定范围内，否则就会造成超导磁体的失超。在这种情况下，整个磁制冷循环的频率就大大降低了，从而也直接降低了系统的制冷量及效率。另外，清华大学的丁仁杰等在2004年也曾提出过使用带铁心的通电螺线管产生磁场，通过控制励磁电流实现无运动部件静止式的磁制冷的方案（相应专利CN20031050050）。这种带铁心励磁的磁制冷机虽然便于控制调节，但由于铁心饱和以及励磁电流强度受线圈发热限制，磁场强度不可能高，不能产生实现有效磁制冷循环所必须的强磁场，因此，国内外也少有相应的进一步的研究。

总体来说，目前世界范围内磁制冷装置的缺点在于以下几个方面：1）永磁块磁场强度低，而超导磁体造价又过于昂贵；2）绝大部分磁制冷机升降磁过程需要运动部件。不需运动部件的极少数磁制冷样机中，超导磁体造价昂贵、运行维护要求高，铁心励磁方式磁场过低，无法有效激发磁热效应；3）升降磁系统、换热系统的控制复杂；4）现有磁制冷装置能量损耗大，效率低，制冷功率低。

发明内容