一、技术领域

本发明涉及制冷技术领域，特别是涉及磁制冷技术领域

二、背景技术

磁制冷在深低温范围内的应用，已经是七十多年前的事了。早在1933年 (Phys.Rew.43：768，1933)已经利用磁制冷效应，得到1K以下的超低温，最低温度达到 10-8K。然而在高温范围，特别是在室温范围，磁制冷技术的研究、开发进展缓慢。直至1976 年G.V.Brown(J.Appl.Phys.47：3673，1976)才为室温磁制冷作了开创性的工作，首次证明 室温磁制冷的可能性。G.V.Brown的装置是往复型的装置。此后，W.A.Steyert和J.A.Barclay (J.Appl.Phys，47：8，1976)提出了旋转型的室温磁制冷装置。而室温磁制冷能否达到实用 化，则是由Lance.D.Kirol给人们带来了希望(CEC 1987)，他做的“旋转同流换热永磁热泵”， 摆脱了笨重的电磁铁(含超导磁体)，采用永久磁体，在磁化场为0.9T时，得到11K的温跨， 而且在他的装置上较好地解决了固体磁工质间的换热问题。

然而，真正在室温磁制冷方面取得突破性进展的是美国的Ames实验室和宇航公司的工 作(Adv.Cryo.Eng.41：1759，1998；U.S.Patent：5934078；U.S.Patent：6526759 B2； U.S.Patent：2003/0106323A1)。其中一台样机已获得600瓦的制冷功率，温跨达35K，连续 运行18个月以上。近几年日本也相继发表信息(APS2003)，在磁制冷研究、开发方面，取 得了突飞猛进的进展。先是验证了美国用的超导磁体装置，得到温跨29K，80瓦的结果。接 着又用永久磁铁作磁体，钆作工质，得到40瓦制冷量和20K的温跨。这标志着室温磁制冷 机达到实用化，进入千家万户，已经是近在眼前的事了。

尽管有以上诸多可喜的进展，但要真正达到实用化，在一次性投资及运行维护费用等均 优于传统的压缩制冷，还有许多艰巨的任务要我们去完成。在前述提及的几个装置，都有其 突出特点，但也有需要改进之处。譬如说，有的装置(CEC 1987；Adv.Cryo.Eng.41：1759， 1998；U.S.Patent：5934078)，在低温区存在明显的机械摩擦，这就导致制冷效率大大地降低。 有的装置工质结构不尽合理(J.Appl.Phys.47：3673，1976)，工质组钆片之间的距离靠填充 金属丝网来保证，这样运动阻力非常大，造成蓄冷流体混合，影响温跨、功率等。而有的装 置(U.S.Patent：5934078；U.S.Patent：6526759B2；U.S.Patent：2003/0106323A1)结构及 控制系统比较复杂，制造难度加大。

本发明的主要特点是：采用自然对流换热，避免了磁工质与壳体间的机械摩擦，结构非 常简单，运转稳定可靠，利用磁场强化自然对流换热，更突出了该发明的特点，是全新的磁 制冷装置。

三、发明内容

本发明为全新的磁制冷装置，其原理图如图1所示。磁工质浸泡在蓄冷流体中，并与工 质盒固定在一起，静止不动。当磁体系统按箭头所示方向运动，转至磁工质处时，使磁工质 磁化，产生热量，同时磁工质温度升高，与其周围蓄冷流体换热，蓄冷流体受热膨胀，密度 减小，产生向上的浮升力，浮升力迫使该部分热的流体向上运动，离开工质区；同时周围较 冷的流体流来补充，形成流体循环运动。流体这样运动，与工质换热，即所谓的自由运动换 热(自然对流换热)。同理，当磁体系统转动掠过磁工质，磁工质退磁时，磁工质降温，从流 体中吸收热量，使流体降温，密度增加，导致该部分流体向下运动，离开磁工质区。最终， 工质盒上部蓄冷流体温度逐渐升高，下部温度逐渐降低。利用热端换热器和冷端换热器，可 将热(冷)量取出至装置以外。

从上述可知，当磁工质被磁化时，磁热效应产生的热量，使流体向上运动，离开磁工质 区；退磁时，产生的冷量，使流体向下运动，同样离开磁工质区。其循环过程，可用下面四 个过程来描述：①磁工质在T0温度下开始磁化(磁体系统转至磁工质区)，瞬间温度升至T1 (设室温为T0)，磁热效应绝热温变为ΔT，则T1≈(T0+ΔT)。磁工质向流体放热，流体向 上运动。②磁工质在磁场中(等场强)继续向流体放热，温度由T1降至T2。T2≈T0。③磁体 系统继续转动，离开磁工质区，磁工质退磁，温度下降至T3，T3≈(T0-ΔT)，磁工质吸收流 体的热量，使流体温度降低，温度低(密度大)的流体向下运动，离开磁工质区。④磁工质 在低场下(零场下)，继续与流体换热，温度又升至T0，完成一个循环，接着进行下一次循 环。

以上循环过程中，最关键的问题是：磁热效应产生的绝热温度变化ΔT要足够大(相应 受热流体受到的浮升力也大)，能使受热流体在等场过程的时间内，向上运动到磁工质区之上， 离开磁工质区；否则，制冷效果就要差些。这就要求磁体系统扫过工质盒的时间足够长；或 者驱动机构的转速要足够低(当然采用磁场强化换热后，就不存在该问题了，详细叙述见后)。

从上述过程可以看出，本发明的最大特点之一是：整个循环过程中，磁热效应是主导因 素，采用自然对流换热，磁工质与壳体之间没有相对运动及机械摩擦发生，有助于提高效率。

本发明的特点之二是：运行可靠，可靠性基本上取决于驱动机构的可靠性。

本发明的特点之三是：可方便地用并联的方法增大功率。当转速一定时，转动轴上增加 一对磁体，功率就提高一倍；增加磁工质也是同样的道理。

本发明的特点之四是：巧妙地利用磁场强化自然对流换热，使装置的优点更加突出。

发明还有一个特点：结构非常简单，稳态运行，不需要任何控制阀门、控制机构和控制 线路。这样加工、制造也非常容易。

四、附图说明

图1为本发明的原理示意图

图2为磁制冷装置结构示意图

图3为装置相关的磁体、驱动机构、支架示意图

图4为工质组结构示意图

图5为工质盒的外观示意图

图6为磁场强化换热工质组示意图

五、具体实施方式

下面结合附图给出实施例并对本发明作进一步详细说明。值得指出的是给出的实施例不 能理解为对本发明保护范围的限制，本领域专业人员根据上述发明内容所作出的非本质的改 进和调整应属本发明的保护范围。

图2为该装置的结构示意图。工质片3(钆片)组成的工质组为产生磁热效应的磁工质， 它用螺钉固定在工质盒7的中部。工质盒装满蓄冷流体6。蓄冷流体可用水加乙醇或纯水 (当要求制冷温度高于摄氏零度时)，也就是说，磁工质浸泡在蓄冷流体6中。在磁工质的上、 下分别安放上导流管2和下导流管5。导流管的作用主要是使冷热流体分开，加强液体的循 环。在工质盒7的上部有热端换热器1，管内通冷却水，可将热端的热量取出。工质盒7下 端有冷端换热器8，换热器回路有循环泵13，可通过管道将低温流体送至用冷点(空调、冰 箱等)。磁工质磁化退磁产生磁热效应所用的磁体4是用钕-铁-硼做成的。钕-铁-硼磁块与磁 轭12用螺钉10、11固定在转轴9上(详见后)。转轴9可用驱动调速机构15驱动。以上这 些零部件共同组成自然对流换热式室温磁制冷装置。

驱动调速机构15驱动转轴9以箭头所示方向旋转，当磁体4转至磁工质时，磁工质被磁 化、发热，温度升高的磁工质(钆片组)与其周围的蓄冷流体6进行换热，流体受热后，由 于密度减小，产生向上的浮升力而向上运动，离开磁工质区，在上导流管2内部向上运动， 直至上部热端换热器1。热流体在上导流管2内向上运动的同时，在上导流管2外的流体向 下进入工质区，形成自然对流循环。通过这样的循环，可将磁化时产生的热量由磁工质区输 送至热端换热器1，排至环境(冷却水)。

当旋转轴9继续旋转、带动磁体4离开磁工质区，磁工质退磁时降温，吸收周围蓄冷流 体6的热量，使蓄冷流体降温、密度增加，导致蓄冷流体6在下导流管5内向下运动、直至 冷端换热器8处。

随着过程的进行，上部温度逐渐升高，下部温度逐渐降低，上、下部之间的温跨可以达 到磁热效应绝热温变的六倍以上。当下部达到所要求的低温时，可启动循环泵13，使冷端换 热器8内的流体循环，接受冷端的冷负荷。

为了使蓄冷流体6能更好地循环，上、下导流管2、5与工质盒7之间的配合尺寸很关键。 导流管的长度要等于工质盒内空间的长度，而宽度方向要比工质盒内空间小一些，(工质组的 长、宽均比工质盒内空间小一些)，这样才能保证热流体均在上导流管2内上升，而冷流体在 下导流管5内向下，同时导流管外部的流体由侧面向下或向上，补充至磁工质区。

冷热端换热器8可用紫铜管做成。循环泵采用具有小流量、高扬程的螺杆泵或齿轮泵均 可。

所用磁体4是钕-铁-硼永久磁体(见图3)。磁体系统由磁体4和磁轭12两部分构成。磁 轭12材料是软铁DT4，磁体材料是钕-铁-硼，磁体4的尺寸为70mm×70mm×30mm，磁体4 与磁轭12之间靠磁力将两者吸在一起，不需要其它固定措施。磁轭12用固定螺钉10与支臂 20固定在一起，而支臂20借助螺钉11与套筒21固定，套筒21用螺钉22固定在转轴9上。 转轴9通过联轴节23与驱动调速机构15相连。

驱动调速机构15都放在机座24上，驱动调速机构15用螺钉25与机座24固定。与转轴 9相连的两滚动轴承26放在机座上的轴承座27内。

驱动调速机构15(含电机)为无级变速减速机，转速可以在8～40转/分之间任意调节。 也就是说功率调节是非常方便的。

磁工质采用纯度99.5％的钆，详细结构参见图4。数个工质片(钆片)3组成工质组。钆 片厚度为1mm，钆片间距也是1mm。具体有两种结构方式，A型和B型。A型结构是用整块钆 切割出来的。B型结构是将数片钆片固定在两条环氧玻璃钢条上，组成钆片组。具体的做法 是：在环氧玻璃钢条上，刻有1mm宽，间距1mm的小槽，将钆片端部中间涂上环氧树脂，插 入槽中，待环氧树脂固化后，即成为所需的钆片组。环氧树脂胶结工艺及固化剂有很多种， 这里用聚酰胺作固化剂。固化剂与环氧树脂的比例为1∶1，或固化剂的比例稍少些。室温固 化约24小时即可应用。工质钆片组做成后，在工质组两端面的中心，要各打一个中心孔，中 心孔最大直径Ф6，锥角为60°。打中心孔的目的是要用螺钉14(见图2)把工质组固定在 工质盒7上。螺钉14与工质盒7之间，用液体密封胶密封。密封胶型号：GF-12。也可用类 似的密封胶，只要能密封液体就行。

所用的工质盒是压制成型的薄壁塑料盒，其壁厚为0.5mm。但在盒的中部右侧有一小法 兰16，其厚为5mm(如图5)。小法兰中心有M6的螺孔17，以便用螺钉14将工质组与工质 盒7固定在一起。小法兰四个角有四个Ф6的小孔18，通过孔18用螺钉将工质盒与机座24 上的连接件28固定在一起。工质盒7底部有冷端换热器8，其换热器穿过盒壁处，可用环氧 树脂密封。底部测温用铜-康铜热电偶19穿过盒壁处同样用环氧树脂密封。工质盒7上部有 热端换热器1与铜-康铜热电偶，但上部不需要密封，用上盖盖上即可。

为进一步提高制冷效率，突出装置特点，本发明中采用磁场强化换热，其强化所用的磁 场就是利用装置本身用来使工质产生磁热效应的主磁场，而不需要另加磁场。只要在结构设 计时，巧妙地把主磁场用起来就可。具体设计是：在工质组的下平面固定一块不锈钢丝网29， 在原来片状工质组中加入粒状工质30，装入量为片间空隙体积的1/3，然后在片状工质组上 端面再固定一块不锈钢丝网31，具体如图6所示。图6所示的工质组与磁体系统一起就构成 了磁场强化自然对流换热组件。该组件的实施有几大优点：①粒状工质可以随磁体的移动而 移动，与固定不动的片状工质间有慢速的相对运动，从而冲刷、破坏片状工质表面的层流底 层，使热阻最大的热边界层受到破坏，增加换热系数；②加入粒状工质，也使整个工质量加 大，对增加制冷功率和降低制冷温度都有利；③当粒状工质随着磁体运动时，对换热流体进 行搅动使之产生涡流，并带动流体同时运动，因而在原来纯自然对流换热过程中，加入一项 强制对流分量。这一特点更突出了强化措施的优点。一般的强化换热措施(如扩展表面、粗 糙表面、管内插入物等)，往往在传热强化的同时，要引起流动阻力的增加；而本发明的强化 措施实施时，在传热强化的同时流动性更好了。具体实施方法参考图1和图6。

在系统未启动之前，工质组中粒状工质30处在工质组下部，如图6a所示。当系统启动 时，磁体系统转动至工质组处，粒状工质30在磁场力的作用下随着磁体系统的运动而向上运 动，同时带动流体向上(在该过程中工质已被磁化而发热，并将热量传给流体)，此时流体向 上的力由两部分组成，即自然流动和强制流动。当磁体系统运动至工质组顶部时，由于上部 丝网31的阻挡，粒状工质30停在工质组的上部，如图6b所示。磁体继续运动到完全脱离磁 工质区时，粒状工质30在重力作用下自动下落到底部，恢复图6a所示的情形。在粒状工质 30下落之前，部分工质已处于退磁状态，开始降温吸收热量；当粒状工质30下落时，全部 工质都处于退磁状态，其温度降低吸收流体热量。温度降低的流体的密度增加，自然向下流 动，并在下落的粒状工质30带动下，加速向下运动。

从上述过程可看出，当粒状工质30与工质片3之间相对运动时，既可冲刷换热表面，破 坏层流底层及热边界层，又可磨蚀工质表面的氧化层，同时粒状工质30的运动能对流体进行 搅动，产生涡流，这些因素使原来的自然对流换热得到大大强化。另外，粒状工质30随磁体 系统运动时，在自然对流的基础上附加了强迫流动分量，加强了流体的流动。总的说来，该 强化措施对换热与流体的流动起到了双双强化的效果。

在所设计的强化措施中，工质组上、下端面处采用了丝网29、31，在此需做进一步说明。 磁工质所在的区域是自然对流换热区，磁场强化主要是在这个区域强化换热，并把受热(冷) 流体迅速送出工质区；而在工质区以外，是纯粹的流体自然流动区。在流体自然流动区并不 希望流体受更大的搅动，因为大的搅动会引起冷热流体混合，无法在流体上、下端保持大的 温跨(Brown(J.Appl.Phys.47：3673，1976)的装置存在的主要问题之一就是流体搅动使装 置的温跨和功率受到限制)，要解决该问题，就得借助于丝网。因此使用丝网主要有两种作用： 一是阻挡粒状工质30，使其限制在片状工质之内(如果据此来选择丝网，只要丝网孔隙小于 粒状工质的直径即可)。二是减少磁工质区流体的搅动对上、下自然流动区的影响，也就是说 丝网要对流体有一定的阻力，网孔不能太大。实验证明，在本实施例的具体条件下，选用100 目的丝网(丝网孔隙中心距为0.25mm)是合适的。