本發(fā)明專利涉新型制冷技術領域，具體涉及一種用于室溫磁制冷的串聯(lián)微元回熱系統(tǒng)。

背景技術：

能源是人類賴以生存的基礎，隨著世界一次能源消費量的不斷增加，降低能耗、利用自然能源已成為科學研究的重要方向。隨著人們生活水平的提高，制冷技術已經走進千家萬戶。制冷技術主要有蒸汽壓縮制冷、熱電制冷、熱聲制冷、渦流管制冷、吸附式制冷、磁制冷等。室溫磁制冷技術是以磁熱性材料在室溫區(qū)的巨磁熱效應（magnetocaloriceffect,mce）為基礎的一種新型的制冷技術。與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷相比，磁制冷憑借其環(huán)保、高效的優(yōu)勢，被視為最有潛力替代傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷循環(huán)的技術之一。從機械可靠性和緊湊性來說，磁制冷采用永磁體提供磁場且運轉頻率低，機械震動少、工作噪音小、機械可靠性高，壽命長。并且由于磁熵密度比氣體大，所以制冷裝置的結構能變得更加緊湊、安全。從能源利用率方面考慮，傳統(tǒng)蒸汽壓縮機的熱效率僅能達到卡諾循環(huán)的5%~10%，而磁制冷循環(huán)卻能達到30%~60%，節(jié)能效果顯著。因此，室溫磁制冷技術有相當良好的應用前景。各國的科研人員都對磁制冷技術開展了廣泛的研究。

受限于現階段磁熱性材料在有限的永磁體場強下的磁熱效應不足的情況下，現階段主要使用的主動式回熱器在換熱流體通過強制對流的方式帶出磁熱性材料產生熱量和冷量的過程中，讓磁熱性充當回熱材料，儲存和釋放循環(huán)過程中的晶格熵。從而實現在外場一定的情況下，大大增大磁熵的可用量。主動式回熱器中溫度經過多次累積，形成一定溫度梯度，從而擴寬熱端和冷端之間的溫跨，從而實現向一定溫度下的環(huán)境提供冷量。但是，在實際使用的過程中，尤其是冷熱端溫跨增大后，載冷流體和磁熱性工質會使冷端和熱端之間的熱短路，從而造成制冷量或者制熱量有所損失；另外，主動式回熱器內每一個微元復疊循環(huán)回熱效率下降，使得現行的室溫磁制冷系統(tǒng)在大溫跨下系統(tǒng)制冷功率小。因此，設計出更為高效的主動式回熱器系統(tǒng)，使得室溫磁制冷技術在大溫跨下仍然保留有較大的制冷量和制熱量的工作具有實質性意義。

技術實現要素：

針對上述技術問題，本發(fā)明的目的是根據磁熱效應原理和室溫磁制冷回熱循環(huán)，提供一種在溫差自驅動下主動回熱的室溫磁制冷的串聯(lián)微元回熱系統(tǒng)。

本發(fā)明采用如下技術方案實現：

一種用于室溫磁制冷的串聯(lián)微元回熱系統(tǒng)，包括電機、傳動裝置、磁制冷回熱器、連接所述磁制冷回熱器吸熱區(qū)的冷端導熱換熱器、連接所述磁制冷回熱器放熱區(qū)的熱端導熱換熱器，所述磁制冷回熱器包括設置有高溫區(qū)導熱孔及低溫區(qū)導熱孔的圓形上蓋板和下蓋板、依次同軸串聯(lián)設置于上蓋板和下蓋板之間的高溫級主動回熱器、級間導熱潤滑模塊、低溫級主動回熱器，所述的高溫級主動回熱器的吸熱區(qū)和低溫主動回熱器的放熱區(qū)沿軸向重疊，分別包括至少兩層相互呈180度分布且旋向相反的旋轉式磁制冷回熱器模組，相鄰磁制冷回熱器模組之間還設置有層間潤滑導熱模塊，所述電機通過傳動裝置與所述旋轉式磁制冷回熱器模組驅動連接。

進一步地，所述的旋轉式磁制冷回熱器模組包括固定不動的弧形永磁體磁場、旋轉并穿過永磁體磁場的回熱器動盤、均勻嵌入在所述回熱器動盤上的磁熱性工質填充床層。

進一步地，所述的永磁體磁場包括外磁體和內磁鐵，所述外磁體和內磁體分別為兩個同心半圓環(huán)，內磁體的外圓弧表面與外磁體的內圓弧表面相對，形成與所述回熱器動盤間隙配合的弧形高磁場區(qū)域間隙。

進一步地，所述的弧形高磁場區(qū)域間隙的寬度為10mm-40mm。

進一步地，所述的回熱器動盤為圓環(huán)狀的磁熱性工質盤，由低導熱系數材料加工而成，所述的回熱器動盤的內孔設置有內齒，所述的回熱器動盤的圓周方向上均勻布滿若干用于裝配所述磁熱性工質填充床層的扇形通孔，相鄰兩個扇形通孔之間設有絕熱隔板，防止扇形通孔內的磁熱性材料間相互漏熱造成磁熱性工質盤內部熱短路。

進一步地，所述的扇形通孔高度為10mm-80mm。

進一步地，所述的層間潤滑導熱模塊呈圓環(huán)狀，中間設置有環(huán)狀導軌。

進一步地，所述的環(huán)狀導軌上沿周向開有扇形通孔，扇形通孔內填入具有一定耐磨及導熱系數的扇形導熱潤滑塊或熱管換熱器，所述扇形通孔數目與回熱器動盤內的磁熱性材料填充床層數目相同。

進一步地，所述的級間導熱潤滑模塊呈環(huán)形，中間設置有環(huán)形導軌，所述環(huán)形導軌上相對所述的高溫級主動回熱器的吸熱區(qū)和低溫主動回熱器的放熱區(qū)的位置設置有扇形通孔，所述的扇形通孔內填入具有一定耐磨及導熱系數的扇形導熱潤滑塊或熱管換熱器。

進一步地，所述的扇形導熱潤滑塊的材料為石墨、陶瓷、石墨泡沫銅或石墨烯。

相比現有技術，本發(fā)明具有如下有益效果：

與普通磁回熱器相比，本發(fā)明采用的串聯(lián)微元回熱旋轉式室溫磁制冷系統(tǒng)回熱效率更高而且可控，有效減少回熱過程熱損失造成系統(tǒng)制冷量損失，可以充分發(fā)揮磁熱性工質制冷效能。另外，采用單材料復疊串聯(lián)系統(tǒng)，可有效減少磁熱性材料在冷熱源間不完全回熱量造成的冷量損失，大幅度提高系統(tǒng)在大溫跨下制冷量的輸出。另一方面，采用復合磁熱性材料雙級復疊串聯(lián)系統(tǒng)，可有效增加低溫級主動回熱器吸熱區(qū)的磁熵變，保證系統(tǒng)在大溫跨下高制冷量輸出?；責崞鲀然責徇^程，采用溫差驅動下的固-固回熱，避免泵送載冷載熱流體回熱流動而產生的額外功耗以及避免載冷流體與磁熱性工質接觸而造成磁熱性工質被腐蝕性能衰減等問題，因此，能有效提高系統(tǒng)能效以及室溫磁熱泵系統(tǒng)的使用壽命。

附圖說明

圖1為串聯(lián)微元回熱系統(tǒng)結構分解示意圖。

圖2為單層回熱器模組結構示意圖。

圖3為相鄰兩層回熱器模組結構示意圖。

圖4為層間潤滑導熱模塊結構示意圖。

圖5為兩級回熱器串聯(lián)系統(tǒng)復疊模型示意圖。

圖6為串聯(lián)微元回熱系統(tǒng)磁場分布區(qū)域、旋轉方向及導熱回熱關系示意圖。

圖中所示：101-上蓋板；102-高溫區(qū)導熱孔；103-低溫區(qū)導熱孔；2-第一旋轉式磁制冷回熱器模組；201-外磁體；202-內磁體；2031-磁熱性工質填充床層；2032-回熱器動盤；3-層間潤滑導熱模塊；301-扇形導熱潤滑塊；302-環(huán)狀導軌；4-第二旋轉式磁制冷回熱器模組；5-第三旋轉式磁制冷回熱器模組；6-第四旋轉式磁制冷回熱器模組；7-下蓋板；8-高溫級主動回熱器；9-級間導熱潤滑模塊；10-低溫級主動回熱器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明的發(fā)明目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實施方式并不因此限定于以下實施例。

附圖1所示為本發(fā)明的結構分解示意圖，圖中省略了機械傳動的部分。

一種用于室溫磁制冷的串聯(lián)微元回熱系統(tǒng)，其特征在于：包括電機、傳動裝置、磁制冷回熱器、連接所述磁制冷回熱器吸熱區(qū)的冷端導熱換熱器、連接所述磁制冷回熱器放熱區(qū)的熱端導熱換熱器，所述磁制冷回熱器包括設置有高溫區(qū)導熱孔102及低溫區(qū)導熱孔103的圓形上蓋板101和下蓋板7、依次同軸串聯(lián)設置于上蓋板101和下蓋板7之間的高溫級主動回熱器8、級間導熱潤滑模塊9、低溫級主動回熱器10，所述的高溫級主動回熱器8的吸熱區(qū)和低溫級主動回熱器10的放熱區(qū)沿軸向重疊，分別包括至少兩層相互呈180度分布且旋向相反的旋轉式磁制冷回熱器模組：第一旋轉式磁制冷回熱器模組2、第二旋轉式磁制冷回熱器模組4、第三旋轉式磁制冷回熱器模組5、第四旋轉式磁制冷回熱器模組6。相鄰旋轉式磁制冷回熱器模組之間還設置有層間潤滑導熱模塊3，既起到導軌作用，亦起到導熱作用。所述電機通過傳動裝置與所述旋轉式磁制冷回熱器模組驅動連接。

具體而言，如圖2所示，以第一旋轉式磁制冷回熱器模組2為例，所述的第一旋轉式磁制冷回熱器模組2包括固定不動的弧形永磁體磁場、旋轉并穿過永磁體磁場的回熱器動盤2032、均勻嵌入在所述回熱器動盤2032上的磁熱性工質填充床層2031。

具體而言，所述的永磁體磁場包括外磁體201和內磁鐵202，所述外磁體201和內磁體202分別為兩個同心半圓環(huán)，內磁體202的外圓弧表面與外磁體201的內圓弧表面相對，形成與所述回熱器動盤間隙配合的弧形高磁場區(qū)域間隙。所述的弧形高磁場區(qū)域間隙的寬度為10mm-40mm。

具體而言，所述的回熱器動盤2032為圓環(huán)狀的磁熱性工質盤，由低導熱系數材料加工而成，所述的回熱器動盤2032的內孔設置有內齒，所述內齒通過傳動裝置的外齒輪連接電機，傳動裝置可以通過相應的齒輪組及其配比使的回熱器動盤2032的活動一定轉速且旋轉方向相反，本領域技術人員可以根據需要選擇合適的齒輪組及其配比，在此不再贅述。所述的回熱器動盤的圓周方向上均勻布滿若干用于裝配所述磁熱性工質填充床層2031的扇形通孔，所述的扇形通孔高度為10mm-80mm。相鄰兩個扇形通孔之間設有絕熱隔板，防止扇形通孔內的磁熱性材料間相互漏熱造成磁熱性工質盤內部熱短路。所述的磁熱性工質填充床層2031的形狀與所述扇形通孔的形狀相匹配。

具體而言，如圖4所示，所述的層間潤滑導熱模塊3呈圓環(huán)狀，中間設置有環(huán)狀導軌302。所述的環(huán)狀導軌302上沿周向開有扇形通孔，扇形通孔內填入具有一定耐磨及導熱系數的扇形導熱潤滑塊301或熱管換熱器，所述扇形通孔數目與回熱器動盤2032內的磁熱性材料填充床層2031數目相同。所述的扇形導熱潤滑塊301的材料為石墨、陶瓷、石墨泡沫銅或石墨烯等高導熱系數材料。

各層旋轉式磁制冷回熱器模組內的回熱器動盤繞系統(tǒng)的軸向方向進行順時針旋轉或逆時針旋轉，而且相鄰旋轉式磁制冷回熱器模組內的回熱器動盤的旋轉方向相反，使得環(huán)狀回熱器動盤2032中各個磁熱性工質填充床層2031周期性進入磁場磁化和退出磁場退磁，形成回熱器動盤旋轉、磁體固定不動的運動形式。

相鄰兩層的回熱器動盤2032旋轉方向相反，各層旋轉式磁制冷回熱器模組通過串聯(lián)堆疊的形式進行組合。相鄰兩層的旋轉式磁制冷回熱器模組結構如附圖3所示，以第一旋轉式磁制冷回熱器模組2和第二旋轉式磁制冷回熱器模組4為例，上下兩個回熱器動盤在反向旋轉過程中，上下對應位置的磁熱性工質填充床層2031通過層間潤滑導熱模塊3進行溫差驅動下的導熱回熱。上、下兩層回熱器模組內高磁場區(qū)交疊區(qū)域為系統(tǒng)的高溫放熱區(qū)。上、下兩層轉式磁制冷回熱器模組內低磁場區(qū)交疊區(qū)域為系統(tǒng)的低溫吸熱區(qū)。通過對交疊區(qū)域的角度控制，可以控制高溫放熱區(qū)和低溫吸熱區(qū)的大小。

如圖5所示，本實施例由高溫級主動回熱器8和低溫級主動回熱器10兩級及級間導熱潤滑模塊9復疊而成，所述的級間導熱潤滑模塊9呈環(huán)形，中間設置有環(huán)狀導軌302，所述環(huán)形導軌上僅在相對所述的高溫級主動回熱器的吸熱區(qū)和低溫主動回熱器的放熱區(qū)的位置設置有扇形通孔，所述的扇形通孔內填入具有一定耐磨及導熱系數的扇形導熱潤滑塊301或熱管換熱器。所述的扇形導熱潤滑塊301的材料為石墨、陶瓷、石墨泡沫銅或石墨烯。級間導熱潤滑模塊9在相鄰兩級主動回熱器之間起到導軌作用，亦起到導熱作用，實現高溫級主動回熱器9與低溫級主動回熱器10實現熱量復疊。

高溫級主動回熱器8剛進入磁場區(qū)域的磁熱性工質填充床層2031由于磁化所產生的熱量通過熱端導熱換熱器將磁熱性材料產生的熱量帶到熱端，剛退出磁場的磁熱性工質填充床層2031所產生的冷量通過級間導熱潤滑模塊9與低溫級主動回熱器10剛進入磁場區(qū)域進行復疊回熱。低溫級主動回熱器10剛退出磁場區(qū)域的磁熱性工質填充床層2031由于退磁所產生的冷量通過冷端導熱回熱器帶到冷端，從而實現制冷。兩級主動回熱器各自之間其他位置的磁熱性工質填充床層2031與對應的磁熱性工質填充床層2031通過層間潤滑導熱模塊3進行有限時間回熱。所述的級間導熱潤滑模塊9呈環(huán)形，中間設置有環(huán)狀導軌302，所述環(huán)形導軌上相對所述的高溫級主動回熱器的吸熱區(qū)和低溫主動回熱器的放熱區(qū)的位置設置有扇形通孔，所述的扇形通孔內填入具有一定耐磨及導熱系數的扇形導熱潤滑塊301或熱管換熱器。所述的扇形導熱潤滑塊301的材料為石墨、陶瓷、石墨泡沫銅或石墨烯。

可以看出，高溫級主動回熱器和低溫級主動回熱器都是由兩層旋轉式磁制冷回熱器模組上下錯位堆疊而成，同一級內的兩層旋轉式磁制冷回熱器模組內的回熱器動盤上下對應位置的磁熱性工質填充床層通過所述的層間導熱潤滑模塊3進行小溫差驅動下的導熱回熱。在同一級主動回熱器內，兩層旋轉式磁制冷回熱器模組的高磁場區(qū)重疊區(qū)域為該級主動回熱器的高溫放熱區(qū)，而低磁場區(qū)重疊的區(qū)域為該級主動回熱器的低溫吸熱區(qū)。高溫級主動回熱器8的低溫吸熱區(qū)與低溫級主動回熱器的高溫放熱區(qū)通過級間導熱潤滑模塊9進行復疊回熱，高溫級主動回熱器8的高溫放熱區(qū)與所述的熱端導熱換熱器相接，而低溫級主動回熱器10的低溫吸熱區(qū)與所述的冷端導熱換熱器相接。

另外，需要指出的是，本實施例的高溫級主動回熱器8和低溫級主動回熱器10內可填充同一種居里溫度的磁熱性材料，亦可以同時填充不同居里溫度的磁熱性材料，如低居里溫度材料填充在低溫級主動回熱器10內，高居里溫度材料填充在高溫級主動回熱器8內。材料的居里溫度及質量配比根據系統(tǒng)的不同用途而不同，居里溫度范圍在室溫區(qū)260k-320k之間。而系統(tǒng)內的熱端導熱換熱器及冷端導熱換熱器，可采用熱管換熱器，風冷翅片管式換熱器等多種形式的換熱器，可根據實際情況進行選擇。

本實施例提供的串聯(lián)微元回熱旋轉式室溫磁制冷系統(tǒng)中，各層轉式磁制冷回熱器模組的磁場分布區(qū)域、旋轉方向、導熱回熱關系示意圖如圖6所示。通過熱端導熱換熱器與系統(tǒng)的高溫放熱區(qū)相接，冷端導熱換熱器與系統(tǒng)的低溫吸熱區(qū)相接，回熱器其他區(qū)域、磁熱性工質填充床層2031與對應位置的磁熱性工質填充床層2031通過層間潤滑導熱模塊3進行有限時間回熱，最終實現高效地向熱端放熱，從冷端吸熱的磁逆向循環(huán)。

本實施例回熱器動盤可以在所述外磁體201與內磁體202所形成的間隙中旋轉，回熱器動盤扇形通孔內的磁熱性工質填充床層2031周期性進入和離開外磁體201與內磁體202所形成的高磁場區(qū)域。各層回熱器動盤在層間潤滑導熱模塊3內的環(huán)狀導軌302間滑動。各層回熱器動盤內的磁熱性工質填充床層2031在溫差驅動下，通過層間潤滑導熱模塊3的扇形導熱潤滑塊301進行自發(fā)導熱熱平衡，在多級回熱作用下減少回熱損失。通過多層旋轉式磁制冷回熱器模組串聯(lián)，可以有效增加系統(tǒng)單位時間內的磁熱性材料的磁處理質量以及提高磁熱性工質填充床層的導熱效率，從而使得系統(tǒng)制冷量得到提升。

本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內。