專利名稱：一種永磁旋轉式磁制冷機的熱交換系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及永磁旋轉式磁制冷機的熱交換系統，特別涉及用于室溫磁制冷的永磁旋轉式 磁制冷機的熱交換系統。
背景技術：
中國專利200610165503.X提出的旋轉磁制冷設備用永磁磁體系統克服了現有技術的磁 制冷機的轉輪沒有被封閉在永磁磁體之內和永磁磁體磁場在轉輪上產生非常大的單邊磁拉 力等缺點，并能夠產生磁制冷所需的高強度的磁化場。這種永磁磁體系統由定子和轉子組成， 定子包括中空柱形永磁磁體和導磁極靴；中空的圓柱形磁體由偶數數量的永磁塊以磁體橫截
面上的中心軸對稱拼裝而成，永磁塊的充磁方向由Halbach旋轉定理確定；導磁極靴由兩塊 導磁性能良好的金屬材料組成，其一側面形狀與永磁磁體內腔壁一致，另一側面為圓弧面； 兩塊導磁極靴分別緊貼在永磁磁體N、 S極中心的內腔壁上，空間位置相差180。。轉子包括 轉軸、導磁鐵心和磁工質；轉軸為圓柱形,導磁鐵心由高性能金屬導磁材料制成，形狀為帶 有中心孔的圓柱或削去兩邊的圓柱,套裝在轉軸上，轉軸位于其中心位置；兩塊磁工質分別 安裝在導磁鐵心的兩外圓弧面上，其空間位置相差180。。
由于該永磁磁體系統的結構與現有的不同，因此現有技術的熱交換系統不適用于這種磁 體系統。中國專利200710176103. 3針對中國專利200610165503.X提出的旋轉磁制冷設備用 永磁磁體系統的結構特點，提出了一種與其相適應的熱交換系統。這種永磁旋轉式磁制冷機 的熱交換系統，由導流槽、冷端和熱端熱交換器，流體泵、儲液器通過導流管連接組成一個 或冷、熱兩個回路；導流槽位于磁制冷機永磁磁體系統的兩個軸向端面上，每端四個。均布 在同一直徑的圓弧上的四個導流槽分為兩對， 一對與兩個定子導磁極靴周向位置相同，另一 對與兩個定子導磁極靴相隔90度空間位置，每一對中的兩個導流槽串聯或并聯。當位于轉 子上的磁工質區域旋轉至某對導流槽位置時，相應的流體泵開始工作，使換熱流體從轉子一 端的導流槽沿軸向流經磁工質進入另一端的導流槽，并在回路中流動；當位于轉子上的磁工 質離開某對導流槽位置時，相應的流體泵停止工作。
中國專利200610165503.X提出的磁體系統包含兩個磁工質區域，并且它們沿徑向的內、 外面都是圓弧形，這將導致了磁制冷機的熱交換系統較為復雜和磁工質加工較為困難；另一個問題是由于磁工質退磁他需要，定子導磁極靴的周佝尺寸不能大于4r度，也就是意昧著
磁工質區域的周向尺寸不能大于45度，這樣一來限制了磁工質區域的范圍。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的缺點，提出一種與新的熱交換系統。 在中國專利200610165503.X的基礎上，中國專利200810223038.X提出了一種用于旋轉 磁制冷機的高場強永磁磁體系統，該發明將現有技術磁體系統轉子中的內、外面為圓弧形的 兩個磁工質區域改進為一個矩形區域，并擴大了磁工質區域的范圍。
中國專利200810223038.X提出的永磁磁體系統由定子和轉子兩部分組成。定子是一個 基于Halbach旋轉定理的中空圓柱形永磁磁體。為了永磁磁體加工的方便，中空的圓柱形磁 體可由偶數數量的永磁塊以磁體橫截面上的中心軸對稱拼裝而成，這些永磁塊的充磁方向由 Halbach旋轉定理來確定，它們在中空圓柱體空腔內產生一個兩極磁場。轉子主要包括導磁 鐵心、磁工質、轉軸和連接支架四部分。導磁鐵心由兩塊橫截面形狀為弓形的柱狀金屬導磁 材料制成，弓形柱狀體的曲邊為圓弧。導磁鐵心通過連接支架與轉軸聯結成為一體，套裝在 轉軸上。磁工質區域為長方體，位于所述的兩塊導磁鐵心之間，并可隨導磁鐵心一起轉動。 磁工質處于磁工質區域內，它可以是塊狀、片狀、粒狀、網篩狀等各種形狀。
本發明提出的熱交換系統由轉子磁工質區域內的流體通道、位于磁工質區域軸向端面的 導流槽、旋轉-靜止管道連接器、以及熱端熱交換器、冷端熱交換器、流體泵和導流管組成。 按照換熱流體與磁工質熱交換的需要，本發明在磁工質區域內有沿軸向的流體通道，流 體通道外有磁工質。磁工質區域的兩個軸向端面設有導流槽,導流槽的一側面與磁工質區域 的流體通道相通,導流槽的另一側面分別與位于轉子軸上的導流管相連接，隨轉子一起旋轉， 位置相對于磁工質區域固定，導流管通過旋轉-靜止管道連接器和靜止的導流管同熱交換器 以及流體泵相連接，構成流體回路,回路中充入換熱流體。換熱流體可從一端的導流管經導 流槽流入磁工質區域的流體通道，與磁工質充分進行熱交換，然后經另一端的導流槽和導流 管，再經該回路的熱交換器及流體泵循環流動。
導流槽的作用是引導換熱流體由磁制冷機一端的導流管道均勻地沿軸向流體通道流經 磁工質區域，然后再回到另一端導流管道中去，以保證磁工質與換熱流體之間熱量交換的充 分性。導流槽靠近磁工質區域的兩個軸向端面部位的形狀與磁工質區域的形狀相同，導流槽 和磁工質區域內的流體通道相連通。導流槽靠近導流管部位的形狀與導流管的形狀相同，并 與導流管直接聯接在一起。導流槽的軸向長度可根據機械結構和流體流動的要求確定。
熱交換系統分成熱、冷兩個獨立的回路，其中熱回路包括導流槽和磁工質區域的熱回路 通道、旋轉-靜止管道連接器、熱端熱交換器和一個流體泵；冷回路包括導流槽和磁工質區域的冷回路通道、旋轉-靜止管道連接器、冷端熱交換器和='個流體泵。這些部件由絕熱的 導流管道聯接，熱交換系統的回路中充入換熱流體。
為了減少在磁工質區域流體通道所占的空間，也可將這一區域的熱回路通道和冷回路通 道合并成為一個。對于這種情況，除了在磁工質區域內人為設置冷、熱回路共用的流體通道 這一技術方案外，還可利用磁工質之間的自然間隙作為流體通道，例如在磁工質為片狀、 粒狀、網篩狀時，將磁工質區域設計為一個長方形腔體，腔體內填充磁工質，這些磁工質之 間的間隙自然形成均勻的流體通道，無需專門的流體通道，換熱流體可由磁工質區域一端的 導流槽通過磁工質間隙自然形成均勻的流體通道流到另一端的導流槽中。
永磁磁體系統的轉子由一臺電動機驅動，該電動機可以是連續旋轉電機或步進電機。電 動機的工作狀態可由受控電源來控制。
流體泵的開關與永磁磁體系統的轉子驅動電動機的轉動相協調，即當轉子上的導磁鐵心 的圓弧中心與定子的中空圓柱形磁體的磁極中心線重合時，永磁磁化場通過導磁鐵心流經磁 工質，磁工質受到的磁化場最大，其溫度最高。這時熱回路中的流體泵開始工作，使換熱流 體從轉子一端的導流槽沿軸向流經磁工質區域進入另一端的導流槽，并在回路中流動。當轉 子離開這一位置時，該流體泵停止工作；隨著轉子的轉動，在磁工質區域內的磁化場變得越 來越小，磁工質開始退磁。當轉子轉過90。空間角度時，永磁磁體所產生的絕大部分磁通流 經導磁鐵心，而不流經磁工質，磁工質所受的磁化場為最小，此時它的溫度變得最低。這時 冷回路中的流體泵開始工作，使換熱流體從轉子一端的導流槽沿軸向流經磁工質區域進入另 一端的導流槽，并在回路中流動。當轉子離開這一位置時，該流體泵停止工作。這一過程可 由磁制冷機控制系統控制流體泵和驅動電動機電源來實現。該控制系統由微電腦和開關電路 構成。
圖1旋轉式磁制冷機永磁磁體系統的橫截面圖； 圖2旋轉式磁制冷機永磁磁體系統轉子的軸向截面圖； 圖3導流槽位置側視圖； 圖4本發明具體實施方案一示意圖； 圖5本發明具體實施方案二示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。如圖1所示，定子為Halbach中空圓柱形永磁磁體，它由8'塊梯形永磁塊組戒，它的充 磁方向由Halbach旋轉定理所確定，如圖l中箭頭所示。沿永磁塊充磁方向的永磁磁勢在中 空圓柱體空腔內產生一個兩極磁場。
本發明提出的熱交換系統由轉子磁工質區域內均勻布置的軸向流體通道、位于磁工質區 域兩側軸向端面的兩個導流槽、旋轉-靜止管道連接器、以及熱端熱交換器、冷端熱交換器、.. 流體泵和導流管組成，磁工質區域內流體通道、導流槽、冷端和熱端熱交換器、流體泵，通 過導流管連接組成回路，該回路充入換熱流體。其連接方式是導流槽一端分別位于轉子磁 工質區域兩側的兩個軸向端面上,與磁工質區域結合成一個整體，并連接磁工質區域內的軸向 流體通道。導流槽的另一端分別與位于轉子上的導流管相連接，導流管通過旋轉-靜止管道 連接器和靜止的導流管同熱交換器以及流體泵相連接，構成流體回路，該回路充入換熱流體。
如圖2所示，轉子由導磁鐵心、磁工質區域、磁工質、轉子軸、連接支架組成。轉子軸 位于轉子的旋轉中心位置，，段轉子軸的中心線與定子的幾何中心線相重合。兩塊導磁鐵心 為橫截面形狀為弓形的柱狀體，弓形柱狀體的曲邊為圓弧，其長方形底面相對平行設置，弓形 柱狀體的端面通過連接支架套裝在轉軸上，與轉子軸聯結成為一體。導磁鐵心由金屬導磁材 料制成。磁工質區域為長方形，緊貼在所述的兩塊導磁鐵心長方形底面之間，并可隨導磁鐵 心一起轉動。磁工質區域內具有軸向的流體通道，流體通道外有磁工質，磁工質可以是塊狀、 片狀、粒狀、網篩狀等各種形狀。
在磁工質區域的兩個軸向端面上，每端有一個隨轉子一起旋轉的導流槽。導流槽同磁工 質區域固定在一起。導流槽靠近磁工質區域的軸向端面部位的形狀與磁工質區域的形狀相 同。導流槽一端與磁工質區域的流體通道相通，另一端與位于轉子上的導流管連接，換熱流 體可從導流管經導流槽流入磁工質區域與磁工質充分進行熱交換。
圖3是導流槽位置側視圖，如圖3所示，導流槽與導流管聯接在一起。
定子與轉子之間留有一定的間隙，間隙的大小可根據轉子旋轉的機械要求來確定。
驅動電動機與磁制冷機的轉子相連接，以驅動它產生旋轉運動。
本發明的熱交換系統分成熱、冷兩個回路，冷熱回路共用的磁工質區域流體通道或冷熱 回路各自獨立的磁工質區域流體通道。
圖4所示為本發明具體實施方式
之一。磁制冷機的熱交換系統分成熱、冷兩個獨立的回
路，其中熱回路包括導流槽中的熱流體通道、磁工質區域熱回路流體通道、旋轉-靜止管道
連接器、熱端熱交換器和第一流體泵l，上述部件由絕熱的導流管道聯接，連接方式是導流
槽與熱端熱交換器以及第一流體泵l相串聯；冷回路包括導流槽中的冷流體通道、磁工質區
域冷回路流體通道、旋轉-靜止管道連接器、冷端熱交換器和第二流體泵2。上述部件由絕熱的導流管道聯接r聯接方式是導流槽與冷端熱交換器以及第二流體泵2相串'聯。
磁制冷機工作時，永磁磁體系統的轉子沿順時針或逆時針旋轉，當導磁鐵心的圓弧中心 與定子的中空圓柱形磁體的磁極中心線重合時，磁工質受到很大的磁化場，如圖1所示，使 磁工質材料磁化，磁工質的溫度達到最高，同時第一流體泵1開始工作，熱端熱交換器中的 換熱流體流經導流槽和磁工質區域熱回路流體通道，將磁工質的熱量帶走，使磁工質的溫度 下降。然后第一流體泵1停止工作，并在保持磁工質對外絕熱的條件下電動機驅動轉子旋轉 90fl，在這一過程中磁工質區域內的磁化場變得越來越小，磁工質經歷了一個絕熱退磁過程。 當轉子完成90°旋轉之后，磁工質所受的磁化場為最小，它的溫度變得最低，這時第二流體 泵2開始工作，冷端熱交換器中的換熱流體流經導流槽和磁工質區域冷回路流體通道，放熱 給磁工質，磁工質的溫度上升。此后第二流體泵2停止工作，并在保持磁工質對外絕熱的條 件下電動機驅動轉子旋轉90°，在這一過程中磁工質區域的磁化場變得越來越大，磁工質經 歷了一個絕熱勵磁過程。當轉子完成180。旋轉之后，磁制冷機完成了一個循環周期的工作過 程，接著再重復上述過程，進入第二個循環周期。依次類推，制冷機將不斷地循環下去，達 到制冷的目的。
圖5所示為本發明具體實施方式
之二。磁制冷機的熱交換系統的熱回路包括導流槽、磁 工質區域冷熱回路共用的流體通道、旋轉-靜止管道連接器、熱端熱交換器、第一流體泵l、 電磁閥門1和電磁閥門2。上述部件由絕熱的導流管道聯接，聯接方式是導流槽與熱端熱交 換器以及第一流體泵1相串 ^;冷回路包括導流槽、磁工質區域冷熱回路共用的流體通道、 旋轉-靜止管道連接器、冷端熱交換器、第二流體泵2、電磁閥門3和電磁閥門4。上述部件 由絕熱的導流管道聯接，聯接方式是導流槽與冷端熱交換器以及第二流體泵2相串聯。
磁制冷機工作時，永磁磁體系統的轉子沿順時針或逆時針旋轉，當導磁鐵心的圓弧中心 與定子的中空圓柱形磁體的磁極中心線重合時，磁工質受到很大的磁化場，如圖1所示，使 磁工質材料磁化，磁工質的溫度達到最高，同時電磁閥門l和電磁閥門2打開，第一流體泵 l開始工作，熱端熱交換器中的換熱流體流經導流槽和磁工質區域冷熱回路共用的流體通道， 將磁工質的熱量帶走，使磁工質的溫度下降。然后第一流體泵1停止工作，電磁閥門l和電 磁閥門2關閉，并在保持磁工質對外絕熱的條件下電動機驅動轉子旋轉90°，在這一過程中 磁工質區域內的磁化場變得越來越小，磁工質經歷了一個絕熱退磁過程。當轉子完成90°旋 轉之后，磁工質所受的磁化場為最小，它的溫度變得最低，這時電磁閥門3和電磁閥門4打 開，第二流體泵2開始工作，冷端熱交換器中的換熱流體流經導流槽和磁工質區域冷熱回路 共用的流體通道，放熱給磁工質，磁工質的溫度上升。此后第二流體泵2停止工作，電磁閥 門3和電磁閥門4關閉，并在保持磁工質對外絕熱的條件下電動機驅動轉子旋轉90"，在這一過程中磁工質區域的磁化場變得越來越大，磁工質經歷了一個絕熱勵磁過程。'當轉子完戒 180°旋轉之后，磁制冷機完成了一個循環周期的工作過程，接著再重復上述過程，進入第二 個循環周期。依次類推，制冷機將不斷地循環下去，達到制冷的目的。
本發明的磁工質區域每端只有一個導流槽，隨轉子一起旋轉，使熱交換系統的結構變得 簡單，而且在構成熱交換流體回路時無需進行導流槽的并聯或串聯。由于本發明:中的導流槽 隨轉子一起旋轉，與磁工質沒有相對運動，使它們之間的密封變得容易。
權利要求
1、一種永磁旋轉式磁制冷機的熱交換系統，包括導流槽、熱端熱交換器、冷端熱交換器、流體泵；導流槽、熱端熱交換器、冷端熱交換器、流體泵通過導流管連接組成回路，該回路充入換熱流體，其特征在于所述熱交換系統還包括磁工質區域內的流體通道，流體通道沿磁工質區域軸向布置，流體通道外有磁工質；導流槽的一側面位于轉子磁工質區域的軸向端面上，導流槽的另一側面與位于轉子上的導流管連接，導流管通過旋轉-靜止管道連接器同熱端熱交換器、冷端熱交換器以及流體泵相連接，構成流體回路；導流槽同磁工質區域固定在一起，隨轉子一起旋轉。
2、 按照權利要求1所述的永磁旋轉式磁制冷機的熱交換系統，其特征在于所述的導流 槽靠近磁工質區域的軸向端面部位的形狀與磁工質區域的形狀相同，并與磁工質區域的流體 通道相連通。
3、 按照權利要求l所述的永磁旋轉式磁制冷機的熱交換系統，其特征在于所述的磁制 冷機的熱交換系統分成熱、冷兩個回路，導流槽與熱端熱交換器以及第一流體泵l通過絕熱 的導流管道相互串聯形成熱回路；導流槽與冷端熱交換器和第二流體泵2由絕熱的導流管道 串聯形成冷回路。
4、 按照權利要求3所述的永磁旋轉式磁制冷機的熱交換系統，其特征在于所述的冷熱 回路共用流體通道或冷熱回路各自獨立。
全文摘要
一種永磁旋轉式磁制冷機的熱交換系統，包括磁工質區域內的流體通道、導流槽、旋轉-靜止管道連接器、以及熱端熱交換器、冷端熱交換器、流體泵和導流管。兩個導流槽的一側面分別位于轉子磁工質區域兩側的兩個軸向端面上，與磁工質區域固定在一起，隨轉子旋轉。兩個導流槽的另一側面分別與位于轉子上的導流管連接，導流管通過旋轉-靜止管道連接器同熱端熱交換器、冷端熱交換器以及流體泵相連接，構成流體回路，該回路充入換熱流體。導流槽靠近磁工質區域的軸向端面部位的形狀與磁工質區域的形狀相同，并與磁工質區域的流體通道相連通。本發明結構簡單，易密封。
文檔編號F25B21/00GK101441009SQ20081024040
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月19日 優先權日2008年12月19日
發明者東 夏 申請人:中國科學院電工研究所