单列多级串联式磁制冷机及其热交换方法
阅读说明：本技术 单列多级串联式磁制冷机及其热交换方法 (Single-row multistage series magnetic refrigerator and heat exchange method thereof ) 是由 李兆杰 刘翠兰 郭亚茹 戴默涵 黄焦宏 张英德 程娟 金培育 王强 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种单列多级串联式磁制冷机,包括：制冷仓、循环系统、换热系统；制冷仓包括：磁场系统、工质床、动力装置；磁场系统包括：至少一对磁场单体和磁工质,工质床为密闭结构,磁工质固定在工质床内部；磁场单体设置在工质床外侧,动力装置用于带动磁场单体进出磁场单体的磁场；换热系统包括：换热器、蓄冷器,循环系统包括：隔膜水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀；工质床一端通过管路连接在第一电磁阀、第三电磁阀之间,另一端通过管路连接在第二电磁阀、第四电磁阀之间。本发明还公开了一种单列多级串联式磁制冷机的热交换方法。本发明实现了磁热效应最大化,大大提高了磁制冷工作效率。(The invention discloses a single-row multistage tandem magnetic refrigerator, which comprises: a refrigeration bin, a circulating system and a heat exchange system; the refrigeration bin includes: a magnetic field system, a working medium bed and a power device; the magnetic field system comprises: the magnetic field generator comprises at least one pair of magnetic field monomers and a magnetic working medium, wherein a working medium bed is of a closed structure, and the magnetic working medium is fixed inside the working medium bed; the magnetic field monomer is arranged on the outer side of the working medium bed, and the power device is used for driving the magnetic field monomer to enter and exit the magnetic field of the magnetic field monomer; the heat exchange system comprises: heat exchanger, regenerator, circulation system includes: the device comprises a diaphragm water pump, a first electromagnetic valve, a second electromagnetic valve, a third electromagnetic valve and a fourth electromagnetic valve; one end of the working medium bed is connected between the first electromagnetic valve and the third electromagnetic valve through a pipeline, and the other end of the working medium bed is connected between the second electromagnetic valve and the fourth electromagnetic valve through a pipeline. The invention also discloses a heat exchange method of the single-row multistage series magnetic refrigerator. The invention realizes the maximization of the magnetocaloric effect and greatly improves the working efficiency of magnetic refrigeration.)
技术领域
本发明涉及室温磁制冷领域，具体涉及一种单列多级串联式磁制冷机及其热交换方法。
背景技术
目前，传统压缩制冷对臭氧层会产生危害，会间接导致人类生存环境的变化。根据蒙特利尔协议和京都协议，气体压缩制冷采用无氟的制冷剂，例如R410。虽然新的制冷工质不再对臭氧产生不利影响，但是会导致温室效应，仍然会破坏自然环境。
由于在传统压缩气体制冷中，制冷剂被压缩机等熵压缩，再进入冷凝器冷却，进入节流阀，最后出节流阀，进入蒸发器，按照这样循环工作，整个热力学循环的四部分是在制冷剂经过不同机械部分完成的。而室温磁场制冷的热力学循环是在蓄热器中完成循环，制冷剂即磁工质不动，只是磁场强度变化，就能完成热力学循环，这种磁场制冷热流体循环系统大大提高了制冷工作效率。
但是传统磁制冷方式机械结构复杂，室温磁场制冷中磁工质退磁不完全，磁热效应不完整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单列多级串联式磁制冷机及其热交换方法，实现了磁热效应最大化，大大提高了磁制冷工作效率。
为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：
单列多级串联式磁制冷机，包括：制冷仓、循环系统、换热系统；制冷仓包括：磁场系统、工质床、动力装置；磁场系统包括：至少一对磁场单体和磁工质，工质床为密闭结构，磁工质固定在工质床内部；磁场单体设置在工质床外侧，动力装置用于带动磁场单体进出磁场单体的磁场；换热系统包括：换热器、蓄冷器，循环系统包括：隔膜水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀；第一电磁阀、第三电磁阀、隔膜水泵串联在管路上，第二电磁阀、第四电磁阀、隔膜水泵串联在管路上，分别以并联形式分别连接在换热器、蓄冷器之间；工质床一端通过管路连接在第一电磁阀、第三电磁阀之间，另一端通过管路连接在第二电磁阀、第四电磁阀之间。
进一步，磁场系统包括至少两对磁场单体和磁工质，磁场单体之间留有间隙，磁场单体的磁场大小相同方向一致；磁工质固定在工质床内部，磁工质之间留有间隙。
进一步，磁场单体固定在底座上，底座设有齿轮槽；动力装置包括：电机、减速机和齿轮，齿轮与齿轮槽相啮合，用于带动底座移动；电机给减速机提供动力，减速机带动齿轮转动，齿轮带动齿轮槽往复移动，齿轮槽带动磁场单体的往复移动，使磁工质反复充磁/退磁；电机通过信号线连接可编程控制器，可编程控制器用于控制电机的启停和转动方向。
进一步，工质床两端焊接有法兰，法兰安装有过滤网，法兰的外侧连接有支撑板，支撑板的底部固定在制冷仓上。
进一步，磁工质为稀土金属丝或者稀土金属合金丝，直径为0.1mm-1mm；制冷仓内设置有二极管制冷片。
进一步，制冷仓内部设置有用于控制制冷仓的起始温度的二极管制冷片，二极管制冷片带有温度传感器；换热器、蓄冷器设置有薄膜铂电阻，薄膜铂电阻用于记录温度变化。
进一步，管路上设置有真空压力表，循环系统还包括可编程控制器，真空压力表、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀通过外部电源供电；可编程控制器分别通过信号线连接真空压力表、隔膜水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀；工质床、管路、换热器、蓄冷器充满换热流体，蓄冷器外部设置有制冷箱体。
单列多级串联式磁制冷机的热交换方法，包括：
可编程控制器启动蓄冷器一侧的隔膜水泵，打开第一电磁阀、第二电磁阀，关闭第三电磁阀、第四电磁阀；
可编程控制器启动电机正向转动，电机和减速机带动齿轮转动，齿轮带动底座和工质床移动，工质床带动两个磁工质由磁场单体的磁场位置移动到间隙位置，磁工质退磁，磁工质降温；
磁工质吸收工质床中的换热流体的热量，降温后的换热流体进入蓄冷器，降低蓄冷器的温度，实现制冷；
可编程控制器启动换热器一侧的隔膜水泵，打开第三电磁阀、第四电磁阀，关闭第一电磁阀、第二电磁阀；
可编程控制器启动电机反向转动，底座带动工质床移动，工质床带动两个磁工质由间隙位置移动到磁场单体的磁场位置，磁工质充磁，磁工质升温；
磁工质加热工质床中的换热流体，升温后的换热流体进入换热器，升高换热器的温度，实现制热。
优选的，可编程控制器同时控制动力装置的伸缩频率，以控制磁工质进入或者退出磁场的时机。
优选的，可编程控制器控制工质床反复进出磁场单体的磁场，磁工质反复充磁和退磁，磁工质通过改变换热流体的温度实现持续制冷和制热。
本发明技术效果包括：
1、本发明提出的单列多级串联式磁制冷机，能够使磁工质完全充磁退磁，提高磁工质磁热效应利用率，实现了磁热效应最大化，大大提高了磁制冷工作效率。
2、在传统压缩机制冷中，制冷剂被压缩机等熵压缩，再进入冷凝器冷却，进入节流阀，最后出节流阀，进入蒸发器，按照这样循环工作，整个热力学循环的四部分是在制冷剂经过不同机械部分完成的。本发明中，磁制冷机的热力学循环是在制冷仓、换热系统中完成循环，通过磁场强度变化，就能完成热力学循环，大大提高了制冷工作效率。
附图说明
图1是本发明中单列多级串联式磁制冷机的结构原理图；
图2是本发明中单列多级串联式磁制冷机的循环系统图；
图3是本发明中磁场系统外侧设置有三个磁场单体的示意图。
具体实施方式
以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。
如图1所示，是本发明中单列多级串联式磁制冷机的结构原理图。如图2所示，是本发明中单列多级串联式磁制冷机的循环系统图。
单列多级串联式磁制冷机，包括：制冷仓1、循环系统2、换热系统；制冷仓1利用磁热效应改变磁工质的温度，并将磁工质产生的冷量或者热量传递给换热流体；循环系统通过管路连接换热系统，用于将换热流体输送到换热系统；换热系统用于交换换热流体带出的冷量或者热量。
(1)、制冷仓1包括：磁场系统11、工质床12、动力装置13、二极管制冷片17。
本优选实施例中，磁场系统11包括：两个磁场单体，两个磁场单体之间留有间隙，两个磁场单体的磁场大小相同方向一致，两个磁场单体安装在同一个工质床12的外侧。磁场单体采用钕铁硼永磁体。两个磁场单体固定在底座上，底座设有齿轮槽。
工质床12为密闭结构，通过管路连接循环系统2，两端焊接有法兰14，法兰14安装有过滤网；法兰14的外侧连接有支撑板15，支撑板15的底部固定在制冷仓1上；两个磁场单体设置在工质床12的外侧，两个磁工质16固定在工质床12内部，两个磁工质16之间留有间隙。在动力装置13的带动下，磁工质16与磁场单体的相对位置变化，磁工质16移动到间隙位置时，磁工质(磁性材料)16退磁，磁工质16降温；磁工质16由间隙位置移动到磁场单体的磁场位置时，磁工质16充磁，磁熵减小、晶格熵增大，原子活动加剧，磁性材料升温。磁工质16的材料为稀土金属钆丝，直径为0.1mm-1mm，钆成分占比99％以上，可分段配装钆铽、钆铒合金丝，直径为0.1mm-1mm。
动力装置13包括电机、减速机和齿轮，齿轮与齿轮槽相啮合，用于带动底座移动。电机给减速机提供动力，减速机带动齿轮转动。电机通过信号线连接可编程控制器，电机利用外部电源供电。动力装置13用于磁场单体的往复动作，使磁工质16反复充磁/退磁。
二极管制冷片17用于控制制冷仓1的起始温度，带有温度传感器，制冷仓1内部温度达到20摄氏度开始制冷，保护磁工质16的磁热效应。
(2)、循环系统2包括：可编程控制器、真空压力表21、隔膜水泵22、第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26；真空压力表21、第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26依次设置在管路上，通过外部电源供电。
第一电磁阀23、第三电磁阀25、隔膜水泵22串联在管路上，连接在换热器31、蓄冷器32之间；第二电磁阀24、第四电磁阀26、隔膜水泵22串联在管路上，连接在换热器31、蓄冷器32之间；工质床12一端的管路连接在第一电磁阀23、第三电磁阀25之间，另一度连接在第二电磁阀24、第四电磁阀26之间。
可编程控制器分别通过信号线连接电机、真空压力表21、隔膜水泵22、第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26，用于控制上述结构的启停。可编程控制器同时控制动力装置13上电机的转动方向和动作频率，以控制磁工质16进入或者退出磁场的时机。
工质床12、管路、换热器31、蓄冷器32充满换热流体，换热流体的主要成分为H2O，可添加少量酒精。第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26选用直导式电磁阀，换热流体的循环由四个直导式电磁阀控制。磁工质16制热时，第三电磁阀25、第四电磁阀26开启，第一电磁阀23、第二电磁阀24关闭；磁工质16制冷时，第一电磁阀23、第二电磁阀24开启，第三电磁阀25、第四电磁阀26关闭。
真空压力表21用来测量换热循环系统2的压力。
隔膜水泵22作为换热流体的动力源，提供冷热循环的动力。
(3)、换热系统3包括：换热器31、蓄冷器32，换热器31连接在第三电磁阀25、第四电磁阀26之间的管路上，蓄冷器32连接在第一电磁阀23、第二电磁阀24之间的管路上。
换热器31、蓄冷器32设置有薄膜铂电阻，薄膜铂电阻用于记录温度变化。蓄冷器32外部设置有制冷箱体33。
如图3所示，是本发明中工质床12外侧设置有三个磁场单体的示意图。
工质床12外侧设置至少一个磁场单体，本优选实施例中，工质床12外侧设置有三个磁场单体。
单列多级串联式磁制冷机的热交换方法，步骤包括：
步骤1：可编程控制器启动蓄冷器32一侧的隔膜水泵22，打开第一电磁阀23、第二电磁阀24，关闭第三电磁阀25、第四电磁阀26；
步骤2：可编程控制器启动电机正向转动，电机和减速机带动齿轮转动，齿轮带动底座和工质床12移动，工质床12带动两个磁工质16由磁场单体的磁场位置移动到间隙位置时，磁工质16退磁，磁工质16降温；
步骤3：磁工质16吸收工质床12中的换热流体的热量，降温后的换热流体进入蓄冷器32，降低蓄冷器32的温度，实现制冷；
步骤4：可编程控制器启动换热器31一侧的隔膜水泵22，打开第三电磁阀25、第四电磁阀26，关闭第一电磁阀23、第二电磁阀24；
步骤5：可编程控制器启动电机反向转动，底座带动工质床12移动，工质床12带动两个磁工质16由间隙位置移动到磁场单体的磁场位置，磁工质16充磁，磁工质16升温；
步骤6：磁工质16加热工质床12中的换热流体，升温后的换热流体进入换热器31，升高蓄冷器32的温度，实现制热；
步骤7：可编程控制器通过动力装置13控制工质床12反复进出磁场单体的磁场，磁工质16反复充磁和退磁，磁工质16改变换热流体的温度，实现持续制冷和制热。
通过可编程控制器控制隔膜水泵22的启停及电磁阀(第一电磁阀23、第二电磁阀24、第三电磁阀25、第四电磁阀26)的开闭时间，换热流体经过隔膜泵的驱动，使换热流体流入热端的换热器31、冷端的蓄冷器32，通过薄膜铂电阻测量换热器31及蓄冷器32的温度，实现制冷和制热。
本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
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