專利名稱：一種室溫磁制冷機(jī)用永磁體系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種室溫磁制冷機(jī)用永磁體系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁制冷技術(shù)是利用磁制冷材料(磁工質(zhì))所具有的磁熱效應(yīng)(Magnetocaloric Effect)，即磁工質(zhì)進(jìn)入磁場(chǎng)(勵(lì)磁)中向外界放熱，退出磁場(chǎng)(退磁)中向外界吸熱這一特性實(shí)現(xiàn)制冷的。其原理是電子磁矩在磁場(chǎng)中有序的排列，造成磁熵降低，引起磁工質(zhì)發(fā)熱；退出磁場(chǎng)后磁矩排列無(wú)序，磁熵增大，磁工質(zhì)要從外界吸熱，將這兩個(gè)過(guò)程用熱力學(xué)循環(huán)(卡諾循環(huán)、埃里克森循環(huán)、斯特林循環(huán)和布萊頓循環(huán))連接在一起即可實(shí)現(xiàn)制冷。室溫磁制冷機(jī)主要應(yīng)包括勵(lì)磁源、磁工質(zhì)、冷熱端熱交換器和傳熱流體管道幾個(gè)部分構(gòu)成，其中勵(lì)磁源、磁工質(zhì)和傳熱流體管道是磁制冷機(jī)中設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出多種磁制冷機(jī)的設(shè)計(jì)方案，歸納起來(lái)，這些設(shè)計(jì)方案按照磁場(chǎng)源的設(shè)計(jì)方式來(lái)看，主要有采用超導(dǎo)磁體和永磁體兩種方式。對(duì)于前者，利用超導(dǎo)技術(shù)可以產(chǎn)生非常高的磁場(chǎng)，但是將其運(yùn)用到室溫磁制冷中，則會(huì)使裝置復(fù)雜性大大提高，而且價(jià)格昂貴、不易維護(hù)，因而只適合于理論和試驗(yàn)研究。隨著超強(qiáng)永磁材料和高效磁熱工質(zhì)材料的不斷問(wèn)世， 利用永磁體作為磁場(chǎng)源則是一個(gè)相對(duì)價(jià)格便宜、容易實(shí)現(xiàn)的方法。目前制造的稀土永磁體 NdFeB的磁能積已經(jīng)超過(guò)400kJ/m3，剩磁民達(dá)到1. 4T，矯頑力H。達(dá)到1100kA/m。永磁體磁性能的提高極大地促進(jìn)了室溫磁制冷技術(shù)的發(fā)展，而且也將使磁制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。為了增加磁制冷機(jī)的制冷溫跨和制冷功率，需要較高強(qiáng)度的磁化場(chǎng)，人們根據(jù) Halbach旋轉(zhuǎn)定理設(shè)計(jì)了中空?qǐng)A柱形永磁體結(jié)構(gòu)。雖然這種永磁體結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)，但是也存在一定的缺點(diǎn)，就是磁路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，而且這種中空?qǐng)A柱形永磁磁場(chǎng)提供的工作間隙較小，使得磁工質(zhì)用量較少，從而使得制冷功率很低。人們對(duì)這種磁體結(jié)構(gòu)又進(jìn)行改進(jìn)，例如申請(qǐng)?zhí)枮椤?00810223038. X”的專利提出了一種旋轉(zhuǎn)磁制冷用的永磁磁體系統(tǒng)，但經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的磁體系統(tǒng)，由于工作間隙內(nèi)加入了兩塊導(dǎo)磁鐵芯，致使磁工質(zhì)質(zhì)量大大減小。到目前為止室溫磁制冷樣機(jī)用的永磁體磁場(chǎng)源仍然存在以下問(wèn)題1.氣隙場(chǎng)強(qiáng)度均勻性不好，磁工質(zhì)內(nèi)部存在熱交換，降低了換熱效率。2.氣隙場(chǎng)強(qiáng)度較大的永磁系統(tǒng)，磁體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和組裝難度大、成本高。3.磁工質(zhì)盒受力不對(duì)稱，受到交變的不對(duì)稱載荷的作用扭曲變形，增加了室溫磁制冷機(jī)的使用維修費(fèi)用。4.在工作氣隙的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系中，如何做到增加磁工質(zhì)的質(zhì)量而不減小工作氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度也是需要解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出供室溫磁制冷機(jī)使用的一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、高效的永磁體系統(tǒng)，使室溫磁制冷機(jī)能在室溫下實(shí)現(xiàn)大的制冷功率。一種室溫磁制冷機(jī)用永磁體系統(tǒng)，其特征在于，包括提供勵(lì)磁源的永磁體和起導(dǎo)磁作用的E型導(dǎo)磁框架，所述導(dǎo)磁框架中部的磁鐵芯將整個(gè)框架分為上下兩個(gè)區(qū)間，所述磁鐵芯的外端為上下突出的平臺(tái)結(jié)構(gòu)；在上下兩區(qū)間內(nèi)分別設(shè)有兩層導(dǎo)磁材料，所述導(dǎo)磁材料的外端與磁鐵芯的外端平齊，內(nèi)端與框架內(nèi)壁留有間隙，導(dǎo)磁材料與磁鐵芯的平臺(tái)之間形成工作間隙，在工作間隙外的導(dǎo)磁框架區(qū)間內(nèi)按Halbach旋轉(zhuǎn)定理確定的方向填入不同充磁方向的永磁體。優(yōu)選地，所述的永磁體為具有高磁能積的稀土釹鐵硼永磁體；所述的導(dǎo)磁鐵芯框架以及導(dǎo)磁材料均為具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力的電工純鐵。優(yōu)選地，所述導(dǎo)磁材料固定在E型導(dǎo)磁框架上。優(yōu)選地，所述突出的平臺(tái)寬度占磁鐵芯寬度的30% 50%。優(yōu)選地，所述導(dǎo)磁材料內(nèi)端面與其一側(cè)填充的永磁體之間留有間隙。優(yōu)選地，所述導(dǎo)磁材料的寬度與突出的平臺(tái)寬度相同。選擇E型結(jié)構(gòu)的原因一是減少非關(guān)鍵部分的磁體使用量，用導(dǎo)磁鐵芯材料替代， 從而大大節(jié)約成本，符合低碳環(huán)保的社會(huì)發(fā)展需求；再者就是通過(guò)上下兩個(gè)對(duì)稱的磁場(chǎng)對(duì)磁工質(zhì)產(chǎn)生的磁相互作用力能相互抵消，不會(huì)產(chǎn)生單邊磁吸引力。通過(guò)該磁體結(jié)構(gòu)可以得到兩個(gè)大小相等，磁極方向相反的磁場(chǎng)。當(dāng)磁工質(zhì)進(jìn)行磁化和退磁的時(shí)候，由于磁極方向相反使得磁工質(zhì)受到的軸向磁拉力相互抵消，從而減小扭矩和輸入功率，增加制冷效率。另一方面，無(wú)論是旋轉(zhuǎn)式還是往復(fù)式，一般情況都會(huì)采用兩套磁體系統(tǒng)和兩組磁工質(zhì)，當(dāng)一組磁工質(zhì)進(jìn)入磁場(chǎng)磁化的時(shí)候，另外一組剛好要退出磁場(chǎng)進(jìn)行退磁。因?yàn)閮山M磁工質(zhì)的位相差為180°，這樣也是為了減小徑向方向的磁吸引力。圖1所示的磁體系統(tǒng)完全符合這樣的要求，可以加工制備成扇形狀，用于旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)的磁體系統(tǒng)，如圖3所示，也可以加工成直線型，用于往復(fù)式磁制冷機(jī)的磁體系統(tǒng)，如圖4所示。因此本發(fā)明所闡述的磁體結(jié)構(gòu)具有更廣闊的應(yīng)用空間。本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)在于導(dǎo)磁鐵芯的設(shè)計(jì)上，為了使工作間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度大而均勻，需要盡量減小漏磁，盡量使磁場(chǎng)的兩極平整且相互平行。但是永磁體加工制造工藝復(fù)雜，因此我們?cè)谟来朋w的表面增加一層高磁導(dǎo)率的導(dǎo)磁材料，通過(guò)控制導(dǎo)磁材料的加工精度來(lái)達(dá)到磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻的目的。采用在磁體結(jié)構(gòu)兩側(cè)斷面通過(guò)螺釘緊固件的方法將這一層導(dǎo)磁材料固定在E型導(dǎo)磁鐵芯上，同時(shí)使得永磁體塊能緊密結(jié)合在一起。本發(fā)明所提供的室溫磁制冷機(jī)用永磁體系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出效果氣隙場(chǎng)空間較大，可以裝載更多的磁工質(zhì)，增大制冷量；氣隙場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)均勻性好，減少了磁工質(zhì)內(nèi)部的換熱，增大換熱效率；雙氣隙的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，極大的減少了裝置所受的軸向力，可達(dá)到減小輸入功率，提高制冷效率；具有雙空氣隙的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)對(duì)兩部分磁工質(zhì)進(jìn)行勵(lì)磁(退磁)，從而可以使室溫磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊、高效。同時(shí)也將減少室溫磁制冷機(jī)的使用和維修費(fèi)用；由于本發(fā)明涉及的永磁體系統(tǒng)相對(duì)于Halbach中空?qǐng)A柱形永磁磁體結(jié)構(gòu)而言， 磁體用量減少而工作間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度不減小，同時(shí)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此整個(gè)磁體加工制造成本將大大減少；另外，可以根據(jù)需要，既可做成橫截面為距形的永磁體系統(tǒng)用于往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)，也可以做成橫截面為扇形的永磁體系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)。


圖1為本發(fā)明所提供的室溫磁制冷機(jī)用永磁體系統(tǒng)的剖面示意圖。
圖2永磁體結(jié)構(gòu)的磁力線分布圖。圖3為本發(fā)明所提供的旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)用永磁體結(jié)構(gòu)的三維示意圖。圖4為本發(fā)明所提供的往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)用永磁體結(jié)構(gòu)的三維示意圖。圖5工作間隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1一種室溫磁制冷機(jī)用永磁體系統(tǒng)，包括提供勵(lì)磁源的永磁體和起導(dǎo)磁作用的E型導(dǎo)磁框架9，所述導(dǎo)磁框架9中部的磁鐵芯3將整個(gè)框架分為上下兩個(gè)區(qū)間，所述磁鐵芯3 的外端為上下突出的平臺(tái)結(jié)構(gòu)；所述突出的平臺(tái)寬度占磁鐵芯寬度的40%。在上下兩區(qū)間內(nèi)分別設(shè)有兩層導(dǎo)磁材料1、5，所述導(dǎo)磁材料1、5固定在E型導(dǎo)磁框架9上。所述導(dǎo)磁材料1、5的外端與磁鐵芯3的外端平齊，內(nèi)端與框架9內(nèi)壁留有間隙，導(dǎo)磁材料1、5與磁鐵芯上下突出的平臺(tái)4、2之間形成工作間隙，在工作間隙外的導(dǎo)磁材料1、 5與框架9之間按Halbach旋轉(zhuǎn)定理確定的方向填入不同充磁方向的永磁體6、7、8、10、11、 12。所述導(dǎo)磁材料1、5內(nèi)端面與填充的永磁體8、10之間留有間隙，且導(dǎo)磁材料的寬度與上下突出的平臺(tái)4、2寬度相同，以此來(lái)增加磁場(chǎng)的大小和均勻度。所述的永磁體為稀土釹鐵硼永磁體；所述的導(dǎo)磁鐵芯框架以及導(dǎo)磁材料均為電工純鐵。圖1是室溫磁制冷機(jī)用永磁體結(jié)構(gòu)的原理示意圖。該勵(lì)磁源主要由稀土釹鐵硼永磁體6、7、8、10、11、12和導(dǎo)磁框架(剖面線)9兩部分組成。其中永磁體中的箭頭方向?yàn)槌浯欧较颍涑浯欧较蛴蒆albach旋轉(zhuǎn)定理確定。圖2是磁體系統(tǒng)的磁力線分布圖。相對(duì)于Halbach中空?qǐng)A柱形永磁磁體結(jié)構(gòu)來(lái)講， 盡管減少了磁體的數(shù)量，但在工作間隙中仍然形成了大而均勻的磁場(chǎng)。本實(shí)施例的永磁體系統(tǒng)加工制備成扇形狀(即橫截面為扇形)，用于旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)的磁體系統(tǒng)，如圖3所示。該磁體系統(tǒng)是采用6塊永磁材料和3塊導(dǎo)磁材料組裝而成， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本小。由于是基于Halbach旋轉(zhuǎn)磁路原理，所提供的工作間隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度比較大，再加上采用導(dǎo)磁材料作為磁極，使得磁場(chǎng)分布更加均勻。圖5是旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)用的扇形永磁體工作間隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布圖。按照?qǐng)D3 所示的幾何尺寸比例，采用NdFeB型號(hào)為N48M作為永磁材料，磁體12的內(nèi)徑200mm，外徑 320mm，高60mm。磁體11的內(nèi)徑320mm，外徑400mm，高60mm。磁體10的內(nèi)徑320mm，外徑 400mm，高30mm。工作間隙的高度為20mm，寬度為50mm。磁體6、7、8的尺寸與磁體12、11、 10對(duì)應(yīng)相同。中心磁化場(chǎng)的強(qiáng)度達(dá)到了 1.2T，而且均勻度非常好。圖5上部的曲線代表上面的工作間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，下部的曲線代表下面的工作間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布?？梢?jiàn)旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)用的扇形永磁體工作間隙非常大，將此空間全部填充磁制冷工質(zhì)金屬Gd，其質(zhì)量達(dá)到3100g。縮小工作間隙的尺寸或者增大磁體相對(duì)尺寸，工作間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)進(jìn)一步增加。在磁制冷機(jī)中采用兩套磁體系統(tǒng)和兩組磁工質(zhì)，對(duì)于此結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)的軸向磁拉力和徑向磁拉力基本為零。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處在于，該永磁體系統(tǒng)加工成直線型(即橫截面為矩形)，用于往復(fù)式磁制冷機(jī)的磁體系統(tǒng)，如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種室溫磁制冷機(jī)用永磁體系統(tǒng)，其特征在于，包括提供勵(lì)磁源的永磁體和起導(dǎo)磁作用的E型導(dǎo)磁框架，所述導(dǎo)磁框架中部的磁鐵芯將整個(gè)框架分為上下兩個(gè)區(qū)間，所述磁鐵芯的外端為上下突出的平臺(tái)結(jié)構(gòu)；在上下兩區(qū)間內(nèi)分別設(shè)有兩層導(dǎo)磁材料，所述導(dǎo)磁材料的外端與磁鐵芯的外端平齊，內(nèi)端與框架內(nèi)壁留有間隙，導(dǎo)磁材料與磁鐵芯的平臺(tái)之間形成工作間隙，在工作間隙外的導(dǎo)磁框架區(qū)間內(nèi)按Halbach旋轉(zhuǎn)定理確定的方向填入不同充磁方向的永磁體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述的永磁體為稀土釹鐵硼永磁體；所述的導(dǎo)磁鐵芯框架以及導(dǎo)磁材料均為電工純鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的永磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)磁材料固定在E型導(dǎo)磁框架上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的永磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述突出的平臺(tái)寬度占磁鐵芯寬度的30% 50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的永磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)磁材料內(nèi)端面與其一側(cè)填充的永磁體之間留有間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的永磁體系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)磁材料的寬度與突出的平臺(tái)寬度相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的永磁體系統(tǒng)，其特征在于，該永磁鐵系統(tǒng)的橫截面為矩形或扇形。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種室溫磁制冷機(jī)用永磁體系統(tǒng)，包括提供勵(lì)磁源的永磁體和起導(dǎo)磁作用的E型導(dǎo)磁框架，所述導(dǎo)磁框架中部的磁鐵芯將整個(gè)框架分為上下兩個(gè)區(qū)間，所述磁鐵芯的外端為上下突出的平臺(tái)結(jié)構(gòu)；在上下兩區(qū)間內(nèi)分別設(shè)有兩層導(dǎo)磁材料，所述導(dǎo)磁材料的外端與磁鐵芯的外端平齊，內(nèi)端與框架內(nèi)壁留有間隙，導(dǎo)磁材料與磁鐵芯的平臺(tái)之間形成工作間隙，在工作間隙外的導(dǎo)磁框架區(qū)間內(nèi)按Halbach旋轉(zhuǎn)定理確定的方向填入不同充磁方向的永磁體。本發(fā)明的永磁體系統(tǒng)可以裝載更多的磁工質(zhì)，增大制冷量；氣隙場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)均勻性好，減少了磁工質(zhì)內(nèi)部的換熱，增大換熱效率；結(jié)構(gòu)更加緊湊、高效。
文檔編號(hào)F25B21/00GK102360700SQ201110253060
公開(kāi)日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者余紅雅, 劉仲武, 曾德長(zhǎng), 柏占, 邱萬(wàn)奇, 鄭志剛, 鐘喜春 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)