磁制冷装置

技术领域

本申请涉及磁制冷技术领域，具体涉及一种磁制冷装置。

背景技术

磁制冷装置是一种利用磁热材料的物理特性进行制冷的设备，该装置的技术基础是磁热材料的磁热效应，即：在对磁热材料施加变化磁场时，会导致磁热材料温度的升高或者降低，磁场强度增加时材料磁熵减小、放热、温度升高，磁场强度降低时材料磁熵增加、吸热、温度降低。所以一种磁制冷装置一般需要具有：变化的磁场、磁回热器(用于放置磁热材料)、传热流体、冷端换热器、热端散热器以及配套的动力部件。

蓄冷器中的磁热材料在其居里温度处绝热温变最大，磁热效应最强，磁热材料偏离居里温度处，磁热效应减小，蓄冷器只填充一种磁热材料时，蓄冷床的温跨较小，因此为提高蓄冷器的温跨，在蓄冷器中应填充多种磁热材料，从蓄冷器的热端到冷端，磁热材料的居里温度逐渐降低。

蓄冷器中磁热材料加磁与去磁区填充了磁热材料，蓄冷器中流体流过磁热材料区的质量并不是越大越好，其质量值与磁制冷系统设定的温跨及运行条件相关，而且流体流过磁热材料压损大，活塞耗功大，当流体流过磁热材料区的长度越长时，压损越大，活塞耗功越大，流体的能效越低。因此在运行磁制冷系统时，要根据磁制冷系统的温跨及运行条件确定合适的磁热材料质量。

已知技术中，磁制冷机中的磁热材料在装配后便固定了，无法根据磁制冷系统所处的实际工作环境温度和目标温度进行磁热材料的调整，使得磁制冷系统在任何工作状态下均使用所有预先设置的磁热材料进行换热，这会导致部分磁热材料工作在较差的环境温度下，系统的磁热效应较差，使得磁制冷系统整体的制冷性能较差。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种磁制冷装置，能够根据需要进行磁热材料的切换，使得接入系统中的磁热材料处于较佳的工作状态，保证磁制冷装置的工作性能。

为了解决上述问题，本申请提供一种磁制冷装置，包括磁场发生器、第一磁热单元、第二磁热单元和驱动机构，第一磁热单元包括第一磁热材料，第二磁热单元包括第二磁热材料，第一磁热材料的居里温度与第二磁热材料的居里温度不同，驱动机构被配置为调整第一磁热单元和第二磁热单元与磁场发生器之间的相对位置，以使第一磁热单元位于磁场发生器的工作区域内，第二磁热单元位于磁场发生器的工作区域外，或者使第一磁热单元位于磁场发生器的工作区域外，第二磁热单元位于磁场发生器的工作区域内。

优选地，磁场发生器的工作区域为环形区域，第一磁热单元和第二磁热单元均为环形结构，并沿环形区域的轴向排布，第一磁热单元和第二磁热单元能够沿环形区域的轴向相对于磁场发生器运动。

优选地，第一磁热单元内填充单一磁热材料，第二磁热单元内填充至少两种不同居里温度的磁热材料，第二磁热单元内的不同磁热材料沿周向排布。

优选地，驱动机构包括第一支架和致动器，致动器安装在第一支架上，第一磁热单元与第二磁热单元固定连接，致动器与第一磁热单元驱动连接，或者致动器与第二磁热单元驱动连接。

优选地，致动器包括伸缩机构，伸缩机构的末端通过连接件与第一磁热单元固定连接；或，致动器包括驱动螺杆，驱动螺杆上套设有螺母套，螺母套通过连接件与第一磁热单元固定连接，驱动螺杆通过螺母套驱动第一磁热单元沿第一磁热单元的轴向运动。

优选地，第一磁热单元沿周向分成多个磁蓄冷器，各磁蓄冷器的两端分别设置有流体接口，各磁蓄冷器内的磁热材料相同。

优选地，磁蓄冷器的数量与磁场发生器的加磁区域和去磁区域的数量总和相同，每一个磁蓄冷器对应一个加磁区域或去磁区域。

优选地，第二磁热单元沿周向分成多个磁蓄冷器，各磁蓄冷器的两端分别设置有流体接口，同时位于加磁区域的磁蓄冷器内的磁热材料的居里温度不同；和/或同时位于去磁区域的磁蓄冷器内的磁热材料的居里温度不同。

优选地，第二磁热单元沿周向分成多个磁蓄冷器，各磁蓄冷器的两端分别设置有流体接口，各磁蓄冷器的结构相同，单个磁蓄冷器内沿着周向方向依次设置有至少两种不同居里温度的磁热材料。

优选地，至少两种不同居里温度的磁热材料沿着第二磁热单元的周向居里温度递增，或至少两种不同居里温度的磁热材料沿着第二磁热单元的周向居里温度递减。

优选地，磁蓄冷器为扇环形，磁蓄冷器沿周向方向的两端分别设置有布液腔，流体接口与布液腔连通，磁热材料填充于磁蓄冷器周向两端的布液腔之间。

优选地，布液腔与磁热材料之间设置有滤网板。

优选地，第一磁热单元和第二磁热单元之间通过隔板间隔开。

优选地，第一磁热单元和第二磁热单元内填充的磁热材料的形貌不同。

优选地，第一磁热单元填充的磁热材料为颗粒状，第二磁热单元填充的磁热材料为板状。

优选地，磁场发生器包括定子组件和转子组件，转子组件能够相对于第一磁热单元和第二磁热单元转动，转子组件相对于定子组件转动，以产生变化的磁场。

优选地，驱动机构安装在定子组件上，定子组件上还安装有第二支架，第二支架上设置有转动驱动器，转动驱动器与转子组件驱动连接，并驱动转子组件相对于第一磁热单元和第二磁热单元转动。

优选地，磁场发生器为电磁铁磁场发生器，电磁铁磁场发生器通过变化电流产生变化磁场。

本申请提供的磁制冷装置，包括磁场发生器、第一磁热单元、第二磁热单元和驱动机构，第一磁热单元包括第一磁热材料，第二磁热单元包括第二磁热材料，第一磁热材料的居里温度与第二磁热材料的居里温度不同，驱动机构被配置为调整第一磁热单元和第二磁热单元与磁场发生器之间的相对位置，以使第一磁热单元位于磁场发生器的工作区域内，第二磁热单元位于磁场发生器的工作区域外，或者使第一磁热单元位于磁场发生器的工作区域外，第二磁热单元位于磁场发生器的工作区域内。该磁制冷装置可以根据工作条件对第一磁热单元和第二磁热单元的工作位置进行调节，使得位于磁场发生器的工作区域内的磁热材料发生变化，通过对位于磁场发生器的工作区域内的磁热材料进行切换，使得不同工作条件下位于磁场发生器的工作区域内的磁热材料不同，从而使得处于工作状态的磁热材料能够处于最佳的工作状态，可以保证磁制冷装置的工作性能。

附图说明

图1为本申请一个实施例的磁制冷装置的立体结构图；

图2为本申请一个实施例的磁制冷装置的分解结构图；

图3为本申请一个实施例的磁制冷装置在磁场发生器与磁热单元配合位置处的剖视结构图；

图4为本申请一个实施例的磁制冷装置的剖视结构图；

图5为本申请一个实施例的磁制冷装置的磁蓄冷器的分解结构图；

图6为本申请一个实施例的磁制冷装置的第二磁热单元的局部剖视图。

附图标记表示为：

1、磁场发生器；2、第一磁热单元；3、第二磁热单元；4、第一支架；5、致动器；6、驱动螺杆；7、螺母套；8、连接件；9、磁蓄冷器；10、流体接口；11、布液腔；12、滤网板；13、磁热材料；14、定子组件；15、转子组件；16、第二支架；17、转动驱动器；18、隔板。

具体实施方式

结合参见图1至图6所示，根据本申请的实施例，磁制冷装置包括磁场发生器1、第一磁热单元2、第二磁热单元3和驱动机构，第一磁热单元2包括第一磁热材料，第二磁热单元3包括第二磁热材料，第一磁热材料的居里温度与第二磁热材料的居里温度不同，驱动机构被配置为调整第一磁热单元2和第二磁热单元3与磁场发生器1之间的相对位置，以使第一磁热单元2位于磁场发生器1的工作区域内，第二磁热单元3位于磁场发生器1的工作区域外，或者使第一磁热单元2位于磁场发生器1的工作区域外，第二磁热单元3位于磁场发生器1的工作区域内。

该磁制冷装置可以根据工作条件对第一磁热单元2和第二磁热单元3的工作位置进行调节，使得位于磁场发生器1的工作区域内的磁热材料13发生变化，通过对位于磁场发生器1的工作区域内的磁热材料13进行切换，使得不同工作条件下位于磁场发生器1的工作区域内的磁热材料13不同，从而使得位于工作区域内的磁热材料13的居里温度与工作条件下的环境温度能够匹配，处于工作状态的磁热材料13能够处于最佳的工作状态，可以保证磁制冷装置的工作性能。

在一个实施例中，磁场发生器1的工作区域为环形区域，第一磁热单元2和第二磁热单元3均为环形结构，并沿环形区域的轴向排布，第一磁热单元2和第二磁热单元3能够沿环形区域的轴向相对于磁场发生器1运动。磁场发生器1的工作区域设置为环形区域，从而能够通过控制周向方向的磁场区域实现第一磁热单元2或者第二磁热单元3的加磁或者去磁操作。同时，由于工作区域为环形区域，因此在进行第一磁热单元2和第二磁热单元3的位置切换时，只需要使得第一磁热单元2和第二磁热单元3相对于磁场发生器1沿轴向移动一个磁热单元的厚度的距离，就能够完成第一磁热单元2和第二磁热单元3的位置切换，使得筒状磁制冷装置能够具有较小的轴向尺寸，操作更加简单方便。

在一个实施例中，第一磁热单元2内填充单一磁热材料13，第二磁热单元3内填充至少两种不同居里温度的磁热材料13，第二磁热单元3内的不同磁热材料13沿周向排布。在本实施例中，第二磁热单元3内的不同磁热材料13沿周向排布，从而使得第二磁热单元3能够根据磁场发生器1的工作区域为环形区域的结构特点，充分利用周向方向上空间较大的优点，实现多种居里温度的磁热材料的设置，在增加磁制冷装置的温跨的同时，能够使得磁制冷装置具有较小的轴向尺寸，减少磁制冷装置的磁体用量，降低磁制冷装置的成本。

驱动机构包括第一支架4和致动器5，致动器5安装在第一支架4上，第一磁热单元2与第二磁热单元3固定连接，致动器5与第一磁热单元2驱动连接，或者致动器5与第二磁热单元3驱动连接。对于第一磁热单元2和第二磁热单元3之间分开设置的结构而言，对于不同的磁热单元需要配置单独的致动器5，从而实现对各个磁热单元的独立控制。对于第一磁热单元2和第二磁热单元3固定连接的结构而言，只需要一个致动器5，就能够同时实现对于第一磁热单元2和第二磁热单元3的位置调节，实现对位于磁场发生器1的工作区域内的磁热材料13的切换。致动器5为旋转致动器，例如为电机。

在一个实施例中，致动器5包括伸缩机构，伸缩机构的末端通过连接件8与第一磁热单元2固定连接。在本实施例中，致动器5为线性致动器，能够利用自身的轴向方向的线性运动带动第一磁热单元2和第二磁热单元3进行线性运动，进而实现对第一磁热单元2和第二磁热单元3的位置切换。伸缩机构可以采用电动推杆、伸缩缸或者直线电机等。

在一个实施例中，致动器5包括驱动螺杆6，驱动螺杆6上套设有螺母套7，螺母套7通过连接件8与第一磁热单元2固定连接，驱动螺杆6通过螺母套7驱动第一磁热单元2沿第一磁热单元2的轴向运动。在本实施例中，第一磁热单元2是相对于致动器5不发生转动的，因此当致动器5工作时，能够使得驱动螺杆6转动，而螺母套7与第一磁热单元2固定连接，也是相对于致动器5不发生转动，因此能够将驱动螺杆6的转动转换为螺母套7的直线运动，进而通过螺母套7驱动第一磁热单元2和第二磁热单元3沿着轴向方向运动，实现对第一磁热单元2和第二磁热单元3的位置调节。

第一磁热单元2沿周向分成多个磁蓄冷器9，各磁蓄冷器9的两端分别设置有流体接口10，各磁蓄冷器9内的磁热材料13相同。流体在通过流体接口10进入到磁蓄冷器9内后，在磁蓄冷器9内沿着周向流动，相对于已知技术中的磁制冷装置在布置多种居里温度的磁热材料时，只能沿轴线方向布置的方案而言，轴向尺寸更小，用于与磁热材料相配合的磁体用量也更小。多个磁蓄冷器9形成独立的流体流动结构，在将磁蓄冷器9与流体管道连接时，可以将所有的同时位于加磁区域内的磁蓄冷器9并联之后，与流体管道串联，从而缩短流体在第一磁热单元2内的流程，降低磁制冷装置内的流体流动阻力，提高磁制冷装置内流体的流动效率，提高磁制冷装置的工作性能。

磁蓄冷器9的数量与磁场发生器1的加磁区域和去磁区域的数量总和相同，每一个磁蓄冷器9对应一个加磁区域或去磁区域。具体而言，假如磁场发生器1共有两个加磁区域和两个去磁区域，两个加磁区域和两个去磁区域交替排布，那么磁蓄冷器9的数量应该为四个，其中两个磁蓄冷器9同时对应于加磁区域，而另外连个磁蓄冷器9则同时对应于去磁区域。当然，磁蓄冷器9与加磁区域或者去磁区域的对应关系并非是一成不变的，而是根据磁制冷装置的工作状态呈周期性变化的，这样便可以使装置中的磁蓄冷器9一半处在加磁状态、一半处在去磁状态。本实施例中的各个磁蓄冷器9内的磁热材料均为单一磁热材料，也即均为第一磁热材料。

处在加磁状态的磁蓄冷器9并联，处在去磁状态的磁蓄冷器9并联；然后再通过流体泵驱动换热流体将处于加磁状态的磁蓄冷器9内的热量带到热端换热器，将处于去磁状态的磁蓄冷器9内的冷量带到冷端换热器，先将同状态的磁蓄冷器9(间隔的磁蓄冷器9)并联，然后再与冷端换热器、热端换热器串联形成循环换热流路。

在一个实施例中，第二磁热单元3沿周向分成多个磁蓄冷器9，各磁蓄冷器9的两端分别设置有流体接口10，同时位于加磁区域的磁蓄冷器9内的磁热材料13的居里温度不同；和/或同时位于去磁区域的磁蓄冷器9内的磁热材料13的居里温度不同。第二磁热单元3所包括的磁热材料中，第二磁热材料为其中的一种。

在本实施例中，单个磁蓄冷器9内的磁热材料为单一磁热材料，同时位于去磁区域的不同磁蓄冷器9内的磁热材料不同，从而也能够实现第二磁热单元3沿周向包括至少两种不同居里温度的磁热材料的方案。

在一个实施例中，第二磁热单元3沿周向分成多个磁蓄冷器9，各磁蓄冷器9的两端分别设置有流体接口10，各磁蓄冷器9的结构相同，单个磁蓄冷器9内沿着周向方向依次设置有至少两种不同居里温度的磁热材料13。

至少两种不同居里温度的磁热材料13沿着第二磁热单元3的周向居里温度递增，或至少两种不同居里温度的磁热材料13沿着第二磁热单元3的周向居里温度递减。本实施例中，各个磁蓄冷器9的结构是相同的，单个磁蓄冷器9内填充的磁热材料为至少两种，不同的磁热材料的居里温度是不同的。

上述的各磁蓄冷器9，流体接口10均是沿轴向延伸，换热流体在磁蓄冷器9内的流动方向为沿着磁蓄冷器9的周向方向。

磁蓄冷器9为扇环形，磁蓄冷器9沿周向方向的两端分别设置有布液腔11，流体接口10与布液腔11连通，磁热材料13填充于磁蓄冷器9周向两端的布液腔11之间。

本申请中的布液腔11能够起到集流和分流的作用，当布液腔11位于换热流体的进口位置时，主要起到分流作用，流体从流体接口10进入到布液腔11之后，从布液腔11内进行分散，并均匀分布到磁热材料内的各个流道中，使得换热流体与磁热材料进行均匀而充分的换热，提高换热效率。当换热流体与磁热材料完成换热之后，会流入位于换热流体的出口位置的布液腔11内，此时的布液腔主要起集流作用，将流入布液腔11内的换热流体收集起来之后，集中从出口端的流体接口10处流出。

布液腔11与磁热材料13之间设置有滤网板12，滤网板12具有多孔结构，可以使得位于磁蓄冷器9的容纳腔内的磁热材料无法通过，而换热流体可以通过，从而避免磁热材料散失，而不会影响换热流体与磁热材料之间的换热。

磁蓄冷器9两端的两个流体接口10用于与外部的流体管路相连接，起到导入或者导出流体的作用。

第一磁热单元2和第二磁热单元3之间通过隔板18间隔开。本实施例中，第一磁热单元2位于隔板18的第一侧，第二磁热单元3位于隔板18的第二侧，第一磁热单元2和第二磁热单元3具有相同或者近似的壳体结构，可以用于填充磁热材料，以及为磁热材料和换热流体进行换热提供场所，隔板18的作用是分隔不同磁热单元内的磁热材料，使得不同磁热单元内的磁热材料不会相互混合和热交换。

第一磁热单元2和第二磁热单元3内填充的磁热材料13的形貌不同。

在一个实施例中，第一磁热单元2填充的磁热材料13为颗粒状，第二磁热单元3填充的磁热材料13为板状。由于不同形貌的磁热材料具有不同的换热效果、不同的压力损失，所以磁制冷装置可以根据实际工作条件选择不同形貌的磁热材料接入工作流路，以保证系统具有更优的制冷性能。

磁场发生器1包括定子组件14和转子组件15，转子组件15能够相对于第一磁热单元2和第二磁热单元3转动，转子组件15相对于定子组件14转动，以产生变化的磁场。

当系统需要进行大温跨降温/升温时，控制器可以控制致动器5进行旋转运动，进而通过旋转运动副带动第一支架4进行线性运动，将填充有多种居里温度的磁热材料的第二磁热单元3驱动到由定子组件14和转子组件15形成的工作区域内，通过多居里温度的磁热材料的大温跨特性进行降温/升温；同理，当系统需要进行大制冷量降温时，控制器可以控制致动器5驱动第一支架4带动磁蓄冷器9运动，进而使具有单种磁热材料的第一磁热单元2处于磁场工作区域，利用单种磁热材料的大制冷量进行快速降温。

驱动机构安装在定子组件14上，定子组件14上还安装有第二支架16，第二支架16上设置有转动驱动器17，转动驱动器17与转子组件15驱动连接，并驱动转子组件15相对于第一磁热单元2和第二磁热单元3转动。此处的转动驱动器17例如为电机。

本实施例中的定子组件14为永磁体定子组件，转子组件15为永磁体转子组件，永磁体定子组件与永磁体转子组件组成该磁制冷装置的磁场发生器1，二者之间的环形空间成为磁热材料的工作区域。永磁体定子组件与第一支架4相对固定，永磁体转子组件与电机相连接，可以在电机的驱动作用下使永磁体转子组件相对于第一支架4运动，进而相对于与第一支架4固定连接的磁热单元运动，通过永磁体转子组件相对于永磁体定子组件的运动来产生变化的磁场，进而对处于工作区域的磁热材料进行加磁或去磁，使磁热材料发生磁热效应而产生冷量和热量，再通过管路系统中的换热流体将冷量运输到冷端换热器，热量运输到热端换热器进行换热，从而实现制冷或制热。

磁场发生器1为电磁铁磁场发生器，电磁铁磁场发生器通过变化电流产生变化磁场。电磁铁磁场发生器是通过变化电流来进行加磁或者去磁操作，因此无需设置电机进行磁体的转动驱动，结构更加简单。电磁铁磁场发生器主要包括铁芯以及与铁芯相配合以产生磁场的线圈绕组。多个线圈绕组缠绕在铁芯上，并且分成两组，两组线圈绕组沿着周向交替排布，当一组线圈绕组的电流加大进行加磁时，另一组线圈绕组的电流减小进行去磁，从而实现磁场的加磁和去磁操作。

本申请所提供的磁制冷装置与现有的磁制冷装置具有以下优势：

1、现有的筒状磁制冷装置采用的是换热流体沿筒轴线方向流动，而本申请的磁制冷装置则通过沿着筒的周向排布延伸的磁蓄冷器实现了换热流体沿磁体旋转方向流动，使得磁蓄冷器内的多种居里温度的磁热材料可以沿磁体旋转方向布置，进而使得装置的轴向尺寸大大减小，同时也降低了磁体的使用量。

2、现有的筒状磁制冷装置内的磁热材料均无法进行切换，所以其磁热材料的环境适应性和调控灵活性均比较低，在实际应用时会存在较大的适应性问题；而本申请所提供的磁制冷装置具有可沿着筒的轴向切换磁热材料的功能，可以根据具体的制冷需求进行切换调节，因此可以根据不同的环境选择不同的磁热材料，环境适应性和调控灵活性均得到大幅度提高。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。