一种耦合重力热管的室温磁制冷装置及制冷方法与流程

1.本发明涉及磁制冷技术领域，尤其涉及一种耦合重力热管的室温磁制冷装置及制冷方法。


背景技术：

2.室温磁制冷是利用磁热性材料(magnetocaloric material，mcm)在室温区所具有的磁热效应(magnetocaloric effect，mce)来实现制冷的。与蒸汽压缩制冷技术相比，室温磁制冷无需使用加剧温室效应的氢氟烃(hydrofluorocarbons，hfcs)类制冷剂，并且其循环效率可达卡诺循环的60％，具有绿色环保、节能高效、低噪音、安全可靠等优点。因此，室温磁制冷技术被公认为是最有潜力替代蒸汽压缩制冷的新型制冷技术之一。
3.近年来，随着室温磁制冷技术的发展，诞生了多个室温磁制冷样机。其中，绝大多数的样机都是基于主动磁回热器(active magnetic regenerator，amr)原理构建的。
4.但是，基于amr的样机在实施过程中存在一个关键的技术难点，即工作频率低。造成样机工作频率低的一个重要原因就是换热流体和mcm间有限的对流换热速率。所以，强化换热流体和mcm间的传热对提高样机的工作频率具有重要意义。
5.相变传热作为一种典型的强化换热方法，在热管领域已得到成熟应用。考虑将磁制冷技术与热管技术相耦合，中国专利201710412043.4发明了一种具有磁制冷功能的热管组件的加工方法。但首先，该发明将mcm嵌入到吸液芯中，再将复合芯体组装到热管管体上，结构复杂，加工难度较大；其次，该发明在磁热效应管段两侧设置阀门组件，通过阀门的频繁切换，实现加磁放热、去磁制冷的功能，对控制要求高；最后，该发明所能达到的最大温跨限于mcm的绝热温变，无法满足某些应用需求。因此，如何设计一种传热效率高、结构简单、加工容易、兼具较大温跨和较高制冷量的磁制冷装置是本发明要解决的关键技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种耦合重力热管的室温磁制冷装置及制冷方法。本发明将磁热性材料直接放置在重力热管内，通过热管内流体工质相变，提高磁热性材料与工质的换热效率，进而提高工作频率；同时由于重力热管的单向传热特性，无需阀门组件隔热，从而简化结构；并在此基础上采用多级磁制冷，拓宽运行温跨。
7.本发明通过下述技术方案实现：
8.一种一级耦合重力热管的室温磁制冷装置，包括重力热管管体1、内部换热板2、磁热性材料3、阻隔过滤网4、流体工质和磁体组5，
9.所述重力热管管体1的中心线沿竖直方向放置，其内部由内部换热板2分隔成上下两个区域，即负荷重力热管区6和磁热重力热管区7；
10.所述负荷重力热管区6的底部为冷端9，磁热重力热管区7的顶部为热端10；
11.所述磁热性材料3填充于磁热重力热管区7的内部换热板2的上部，构成磁热性材
料区域8，磁热性材料3的居里温度与磁热重力热管区7的工作温度相匹配；
12.所述阻隔过滤网4位于磁热性材料3的上部，周缘与重力热管管体1内壁结合，并且其目数小于磁热性材料3的粒径；阻隔过滤网4为流体工质提供流动通道的同时防止磁热性材料3随流体工质流动而移动；
13.所述流体工质充注在抽真空后的负荷重力热管区6和磁热重力热管区7内。
14.所述磁体组5位于重力热管管体1外部，并与磁热性材料区域8位置对应。
15.所述重力热管管体1为铜或者不锈钢管材，其截面形状为圆形或者矩形等。
16.所述内部换热板2的材质与重力热管管体1的材质相同，其形状为平板结构或者矩形凸起翅片状拓展表面结构。
17.所述磁热性材料3为颗粒状gd、gd基合金或者la
‑
fe
‑
si合金。
18.所述阻隔过滤网4为铜材或者不锈钢材质编织丝网。
19.所述流体工质为水或者甲醇；所述磁体组5为永磁体或者电磁场。
20.一级耦合重力热管的室温磁制冷装置的运行方法，包括如下步骤：
21.磁热性材料3被磁体组5加磁，温度升高，负荷重力热管区6停止运行，磁热重力热管区7内流体工质吸收磁热性材料3的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至热端10，在热端10被环境冷凝成液体，液体在重力的作用下回流至磁热性材料区域8，流体工质依此反复循环，将磁热性材料3加磁后的热量快速转移至环境，磁热性材料3温度降低至环境温；随后，磁体组5被移除，磁热性材料3去磁，温度降低，磁热重力热管区7停止工作，负荷重力热管区6内流体工质吸收冷端9的负荷热而蒸发，蒸汽迅速扩散至上端的内部换热板2，在内部换热板2被去磁后的低温磁热性材料3冷凝至液体，液体在重力的作用下回流至冷端9，流体工质依次反复循环，不断向冷端输出冷量；上述过程重复运行，实现连续制冷。
22.一种多级(两级)耦合重力热管的室温磁制冷装置，包括重力热管管体1、一级内部换热板201、二级内部换热板202、一级磁热性材料301、二级磁热性材料302、一级阻隔过滤网401、二级阻隔过滤网402、流体工质、一级磁体组501和二级磁体组502；
23.所述重力热管管体1的中心线沿竖直方向放置，其内部由依次间隔排布的一级内部换热板201和二级内部换热板202分隔成上中下三个区域，即负荷重力热管区6、一级磁热重力热管区701和二级磁热重力热管区702；
24.所述负荷重力热管区6底部为冷端9，二级磁热重力热管区702顶部为热端10；
25.所述一级磁热性材料301填充于一级内部换热板201的上部，构成一级磁热性材料区域801；一级磁热性材料301的居里温度与一级磁热重力热管区701的工作温度相匹配；相匹配是指二者温度相同或者温差正负1
‑
2℃。
26.所述二级磁热性材料302填充于二级内部换热板202的上部，构成二级磁热性材料区域802；二级磁热性材料302的居里温度与二级磁热重力热管区702的工作温度相匹配；相匹配是指二者温度相同或者温差正负1
‑
2℃。
27.所述一级阻隔过滤网401和二级阻隔过滤网402，分别位于一级磁热性材料301和二级磁热性材料302的上部，周缘与重力热管管体1内壁结合，并且一级阻隔过滤网401和二级阻隔过滤网402的目数分别小于一级磁热性材料301和二级磁热性材料302的粒径；一级阻隔过滤网401和二级阻隔过滤网402为流体工质，提供流动通道的同时防止磁热性材料随流体工质流动而移动；
28.所述流体工质充注在抽真空后的负荷重力热管区6、一级磁热重力热管区701和二级磁热重力热管区702内；
29.所述一级磁体组501和二级磁体组502，分别位于重力热管管体1外部，并分别与一级磁热性材料区域801和二级磁热性材料区域802位置对应。
30.所述重力热管管体1为铜或者不锈钢管材，截面形状为圆形或者矩形。
31.所述一级内部换热板201和二级内部换热板202的材质与重力热管管体1的材质相同，并且其形状为平板结构或者矩形凸起翅片状拓展表面结构。
32.所述一级磁热性材料301和二级磁热性材料302为颗粒状gd、gd基合金或者la
‑
fe
‑
si合金。
33.所述一级阻隔过滤网401和二级阻隔过滤网402为铜或者不锈钢编织丝网。所述流体工质为水或者甲醇。
34.所述一级磁体组501和二级磁体组502为永磁体或者电磁场。
35.一种多级耦合重力热管的室温磁制冷装置的运行方法，包括如下运行模式：
36.运行模式一：
37.一级磁热性材料301加磁升温，二级磁热性材料302去磁降温，负荷重力热管区6和二级磁热重力热管区702停止运行，一级磁热重力热管区701内流体工质吸收一级磁热性材料301的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至二级内部换热板202，在二级内部换热板202被低温的二级磁热性材料302冷凝成液体，液体在重力的作用下回流至一级磁热性材料区域801，流体工质依此反复循环，将一级磁热性材料301加磁后的热量快速转移至去磁后的低温二级磁热性材料302，一级磁热性材料301温度降低；
38.随后，一级磁热性材料301在此温度去磁，使温度进一步降低，从而拓宽温跨，二级磁热性材料302加磁升温，一级磁热重力热管区701停止工作，负荷重力热管区6和二级磁热重力热管区702内流体工质分别吸收冷端9的负荷热和二级磁热性材料302的热量而蒸发，蒸汽分别迅速扩散至一级内部换热板201和热端10，分别被低温一级磁热性材料301和环境冷凝至液体，液体在重力的作用下分别回流至冷端9和二级磁热性材料区域802，流体工质依次反复循环，不断向冷端输出冷量；上述过程重复运行，实现连续制冷；
39.运行模式二：
40.一级磁热性材料301加磁升温，负荷重力热管区6和二级磁热重力热管区702停止运行，一级磁热重力热管区701内流体工质吸收一级磁热性材料301的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至二级内部换热板202，在二级内部换热板202被二级磁热性材料302冷凝成液体，液体在重力的作用下回流至一级磁热性材料区域801，流体工质依此反复循环，将一级磁热性材料301的热量快速转移至二级磁热性材料302；
41.接着，二级磁热性材料302加磁升温，负荷重力热管区6和一级磁热重力热管区701停止运行，二级磁热重力热管区702内流体工质吸收二级磁热性材料302的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至热端10，在热端10被环境冷凝成液体，液体在重力的作用下回流至二级磁热性材料区域802，流体工质依此反复循环，将二级磁热性材料302的热量快速转移至环境；
42.然后，二级磁热性材料302去磁降温，一级磁热性材料301依旧处于磁场内温度维持不变但高于去磁后二级磁热性材料302的温度，负荷重力热管区6和二级磁热重力热管区702停止运行，一级磁热重力热管区701内流体工质吸收一级磁热性材料301的热量而蒸发，
蒸汽迅速扩散至二级内部换热板202，在二级内部换热板202被去磁后的低温二级磁热性材料302冷凝至液体，液体在重力的作用下回流至一级磁热性材料区域801，流体工质依次反复循环，进一步将一级磁热性材料301的热量快速转移至去磁降温后的二级磁热性材料302，一级磁热性材料301温度进一步降低；
43.随后，一级磁热性材料301在此温度下去磁降温，获得更低的温度，从而拓宽温跨，此时，一级磁热重力热管区701和二级磁热重力热管区702停止运行，负荷重力热管区6内流体工质吸收冷端9的负荷热而蒸发，蒸汽迅速扩散至一级内部换热板201，在一级内部换热板201被去磁后的低温一级磁热性材料301冷凝至液体，液体在重力的作用下回流至冷端9，流体工质依次反复循环，不断向冷端输出冷量；上述过程重复运行，实现连续制冷。
44.本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
45.本发明将磁热性材料直接放置在重力热管内，通过热管内流体工质相变，提高磁热性材料与工质的换热效率，进而提高工作频率，最终提高磁制冷装置的制冷量；同时利用重力热管的单向传热特性，减少阀门组件、流体泵的使用，从而简化管路结构，提高可靠性；
46.本发明在单级重力热管基础上，衍生出多级磁制冷，大大拓宽了运行温跨。当然根据实际应用需求，可以是三级，四级或者更多。
附图说明
47.图1是本发明一级室温磁制冷装置的结构示意图。
48.图2是本发明一级室温磁制冷装置的运行原理图。
49.图3是本发明二级室温磁制冷装置的结构示意图。
50.图4是本发明二级室温磁制冷装置的运行原理图一。
51.图5是本发明二级室温磁制冷装置的运行原理图二。
52.图6是本发明内部换热板的局部结构示意图。
具体实施方式
53.下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
54.实施例1：
55.如图1所示，本发明公开了一种一级耦合重力热管的室温磁制冷装置，包括重力热管管体1、内部换热板2、磁热性材料3、阻隔过滤网4、流体工质和磁体组5。
56.具体而言，所述的重力热管管体1的中心线沿竖直方向放置，其内部由内部换热板2分隔成两个区域，沿竖直方向从下往上依次为负荷重力热管区6和磁热重力热管区7。
57.具体而言，所述的负荷重力热管区6的底部为冷端9，所述的磁热重力热管区7的顶部为热端10。
58.具体而言，所述的内部换热板2四周形状与重力热管管体1内截面形状相同，并且四周与重力热管管体1内壁焊接在一起。
59.具体而言，所述的磁热性材料3填充于磁热重力热管区7的内部换热板2的上部，构成磁热性材料区域8，磁热性材料3的居里温度与磁热重力热管区7的工作温度相匹配。相匹配是指二者温度相同或者温差正负1
‑
2℃。
60.具体而言，所述的阻隔过滤网4位于磁热性材料3的上部，四周与重力热管管体1内
壁结合，并且其目数小于磁热性材料3的粒径，为流体工质提供流动通道的同时防止磁热性材料3随流体工质流动而移动。
61.具体而言，所述的流体工质充注在抽真空后的负荷重力热管区6和磁热重力热管区7内。
62.具体而言，所述磁体组5位于重力热管管体1外部，并与磁热性材料区域8位置对应。
63.优选地，所述的重力热管管体1为铜、不锈钢等金属管材，截面形状为圆形、矩形等；所述的内部换热板2的材质与重力热管管体1的材质相同，并且其形状为平板结构或者为如图6所示的矩形凸起翅片状拓展表面结构；所述的磁热性材料3为颗粒状gd、gd基合金、la
‑
fe
‑
si合金等；所述的阻隔过滤网4为铜材或者不锈钢材质编织丝网；所述的流体工质为水、甲醇等；所述的磁体组5为永磁体或者电磁场。所述磁体组5一般为c型，环型或者同心嵌套型halbach磁体。
64.本发明一级耦合重力热管的室温磁制冷装置的制冷方法，如图2所示，其制冷运行过程如下：
65.磁热性材料3被磁体组5加磁，温度升高(是指相对于环境温度升高5～8℃)，负荷重力热管区6停止运行，磁热重力热管区7内流体工质吸收磁热性材料3的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至热端10，在热端10被环境冷凝成液体，液体在重力的作用下回流至磁热性材料区域8，流体工质依此反复循环，将磁热性材料3加磁后的热量快速转移至环境，磁热性材料3温度降低至环境温度；随后，磁体组5被移除，磁热性材料3去磁，温度降低(是指相对于环境温度降低5～8℃)，磁热重力热管区7停止工作，负荷重力热管区6内流体工质吸收冷端9的负荷热而蒸发，蒸汽迅速扩散至上端的内部换热板2，在内部换热板2被去磁后的低温(是指低于环境温度5～8℃)磁热性材料3冷凝至液体，液体在重力的作用下回流至冷端9，流体工质依次反复循环，不断向冷端输出冷量；上述过程重复运行，实现连续制冷。
66.实施例2：
67.如图3所示，一种多级(本实施例为两级)耦合重力热管的室温磁制冷装置，包括重力热管管体1、一级内部换热板201、二级内部换热板202、一级磁热性材料301、二级磁热性材料302、一级阻隔过滤网401、二级阻隔过滤网402、流体工质、一级磁体组501和二级磁体组502。
68.具体而言，所述的重力热管管体1的中心线沿竖直方向放置，其内部由一级内部换热板201和二级内部换热板202分隔成三个区域，沿竖直方向从下往上依次为负荷重力热管区6、一级磁热重力热管区701、二级磁热重力热管区702。
69.具体而言，所述的负荷重力热管区6底部为冷端9，所述的二级磁热重力热管区702顶部为热端10。
70.具体而言，所述的一级内部换热板201和二级内部换热板202沿竖直方向从下往上依次间隔放置在重力热管管体1内，其四周形状与重力热管管体1内截面形状相同，并且四周与重力热管管体1内壁焊接在一起。
71.具体而言，所述的一级磁热性材料301填充于一级内部换热板201的上部，构成一级磁热性材料区域801，一级磁热性材料301的居里温度与一级磁热重力热管区701的工作温度相匹配。相匹配是指二者温度相同或者温差正负1
‑
2℃。
72.具体而言，所述的二级磁热性材料302填充于二级内部换热板202的上部，构成二级磁热性材料区域802，二级磁热性材料302的居里温度与二级磁热重力热管区702的工作温度相匹配。相匹配是指二者温度相同或者温差正负1
‑
2℃。
73.具体而言，所述的一级阻隔过滤网401和二级阻隔过滤网402分别位于一级磁热性材料301和二级磁热性材料302的上部，四周与重力热管管体1内壁结合，并且一级阻隔过滤网401和二级阻隔过滤网402的目数分别小于一级磁热性材料301和二级磁热性材料302的粒径，为流体工质提供流动通道的同时防止磁热性材料随流体工质流动而移动。
74.具体而言，所述的流体工质充注在抽真空后的负荷重力热管区6、一级磁热重力热管区701和二级磁热重力热管区702内。
75.具体而言，所述的一级磁体组501和二级磁体组502，分别位于重力热管管体1外部，并分别与一级磁热性材料区域801和二级磁热性材料区域802位置对应。
76.优选地，所述的重力热管管体1为铜、不锈钢等金属管材，截面形状为圆形、矩形等；所述的一级内部换热板201和二级内部换热板202的材质与重力热管管体1的材质相同，并且其形状为平板结构或者为如图6所示的矩形凸起翅片状拓展表面结构；所述的一级磁热性材料301和二级磁热性材料302为颗粒状gd、gd基合金、la
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fe
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si合金等；所述的一级阻隔过滤网401和二级阻隔过滤网402为铜材或者不锈钢材质编织丝网；所述的流体工质为水、甲醇等；所述的一级磁体组501和二级磁体组502为永磁体或者电磁场。
77.本发明多级耦合重力热管的室温磁制冷装置的制冷方法，如图4和图5所示，其制冷运行过程，主要有如下两种模式：
78.运行模式1：
79.如图4所示，一级磁热性材料301加磁升温(是指相对于环境温度升高5～8℃)，二级磁热性材料302去磁降温(是指相对于环境温度下降5～8℃)，负荷重力热管区6和二级磁热重力热管区702停止运行，一级磁热重力热管区701内流体工质吸收一级磁热性材料301的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至二级内部换热板202，在二级内部换热板202被低温(是指低于环境温度5～8℃)的二级磁热性材料302冷凝成液体，液体在重力的作用下回流至一级磁热性材料区域801，流体工质依此反复循环，将一级磁热性材料301加磁后的热量快速转移至去磁后的低温二级磁热性材料302，一级磁热性材料301温度降低(是指低于环境温度3～6℃)；
80.随后，一级磁热性材料301在此温度去磁，使温度进一步降低(是指低于环境温度8～12℃)，从而拓宽温跨，二级磁热性材料302加磁升温(是指相对于环境温度升高2～5℃)，一级磁热重力热管区701停止工作，负荷重力热管区6和二级磁热重力热管区702内流体工质分别吸收冷端9的负荷热和二级磁热性材料302的热量而蒸发，蒸汽分别迅速扩散至一级内部换热板201和热端10，分别被低温(是指低于环境温度8～12℃)一级磁热性材料301和环境冷凝至液体，液体在重力的作用下分别回流至冷端9和二级磁热性材料区域802，流体工质依次反复循环，不断向冷端输出冷量；上述过程重复运行，实现连续制冷；
81.运行模式2：
82.如图5所示，一级磁热性材料301加磁升温(是指相对于环境温度升高5～8℃)，负荷重力热管区6和二级磁热重力热管区702停止运行，一级磁热重力热管区701内流体工质吸收一级磁热性材料301的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至二级内部换热板202，在二级内部
换热板202被二级磁热性材料302冷凝成液体，液体在重力的作用下回流至一级磁热性材料区域801，流体工质依此反复循环，将一级磁热性材料301的热量快速转移至二级磁热性材料302；
83.接着，二级磁热性材料302加磁升温(是指相对于环境温度升高8～12℃)，负荷重力热管区6和一级磁热重力热管区701停止运行，二级磁热重力热管区702内流体工质吸收二级磁热性材料302的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至热端10，在热端10被环境冷凝成液体，液体在重力的作用下回流至二级磁热性材料区域802，流体工质依此反复循环，将二级磁热性材料302的热量快速转移至环境；
84.然后，二级磁热性材料302去磁降温(是指相对于环境温度降低5～8℃)，一级磁热性材料301依旧处于磁场内温度维持不变但高于去磁后二级磁热性材料302的温度，负荷重力热管区6和二级磁热重力热管区702停止运行，一级磁热重力热管区701内流体工质吸收一级磁热性材料301的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至二级内部换热板202，在二级内部换热板202被去磁后的低温(是指低于环境温度5～8℃)二级磁热性材料302冷凝至液体，液体在重力的作用下回流至一级磁热性材料区域801，流体工质依次反复循环，进一步将一级磁热性材料301的热量快速转移至去磁降温后的二级磁热性材料302，一级磁热性材料301温度进一步降低(是指低于环境温度3～6℃)；
85.随后，一级磁热性材料301在此温度下去磁降温，获得更低的温度(是指低于环境温度8～12℃)，从而拓宽温跨，此时，一级磁热重力热管区701和二级磁热重力热管区702停止运行，负荷重力热管区6内流体工质吸收冷端9的负荷热而蒸发，蒸汽迅速扩散至一级内部换热板201，在一级内部换热板201被去磁后的低温(是指低于环境温度8～12℃)一级磁热性材料301冷凝至液体，液体在重力的作用下回流至冷端9，流体工质依次反复循环，不断向冷端输出冷量；上述过程重复运行，实现连续制冷。
86.如上所述，本发明重力热管管体内部，被多个内部换热板(实际应用中可以是三块、四块或者更多)分隔成多个区域，底端为向负荷制冷的冷端，顶端为向环境放热的热端；本发明通过一个或者多个磁热性材料之间的交替加去磁或者自热端到冷端磁热性材料的逐级去磁来拓宽温跨，获得低温，实现制冷。
87.本发明将磁热性材料直接放置在重力热管内，通过流体工质相变，提高磁热性材料与流体工质的换热效率，提高工作频率和磁制冷装置的制冷量；利用重力热管的单向传热特性，减少阀门组件、流体泵的使用，简化管路结构，提高可靠性；采用多级磁制冷，拓宽运行温跨。
88.本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。