一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置及制冷方法

本发明涉及磁制冷，具体涉及一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置及制冷方法。

背景技术：

1、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，它无需使用影响温室效应的氢氟烃类制冷剂，并且其循环效率可达卡诺循环的60％，具有环境友好、结构紧凑、运行安静，节能优势显著等优点。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。

2、近年来，绝大多数的室温磁制冷样机都是基于主动磁回热器(active magneticregenerator，amr)原理构建的。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。换热流体和mcm间有限的对流换热速率是导致样机工作频率低的原因，提高换热流体和mcm间的换热速率对提高样机的工作频率具有重要意义。

3、相变传热作为一种典型的强化换热方法，在换热器领域已得到广泛应用。考虑将磁制冷技术与热管技术相耦合需要的定向传热功能，一种重力热管室温磁制冷装置及制冷方法(cn202110711664.410)，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；再使用带有方向性的重力作为热开关。但重力对蒸气流动过程的影响几乎可以忽略不计，不适用于高工作频率下在mcm之间以蒸气流动为主的相变传热过程。另外，以重力为热开关限制了热管的布置方式，无法满足一般地应用需要。因此，如何设计一种高传热速率，热开关性能可靠、能适应各种应用场景且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。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述关键技术问题，提供一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置及制冷方法，将磁热性材料直接放置在带热开关地热管内，通过流体工质与磁热性材料之间的相变换热，提高磁热性材料与工质的换热速率，从而提高工作频率；同时使用内部热开关控制热管传热的方向性，增强热开关地可靠性；并在此基础上采用多级复叠磁制冷技术，增大装置温跨。

2、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置，包括热管管体、内部热开关、磁热性材料、阻隔网、流体工质和磁体组；所述内部热开关位于热管管体内部，将热管管体内部分隔成多个区域，磁热性材料填充于各热管区的端部；所述的阻隔网位于磁热性材料的一侧，四周与热管管体内壁结合；所述流体工质充注在抽真空后的负荷重力热管区和各磁热重力热管区内；所述的磁体组放置于各磁热性材料区域的外部。

4、进一步地，所述的热管管体水平放置，且互不连通，其内部由n2-n个热管内部热开关分隔成2n个区域，沿顺时针方向依次为第一热管区、第二热管区、…、第2n热管区，n＝2、3；

5、各热管区端部随室温磁制冷装置运行周期性地交替成为系统冷端、蓄热器和热端。

6、进一步地，所述内部热开关截面形状与热管管体内截面形状相同，并且四周与热管管体内壁焊接在一起。

7、进一步地，所述磁热性材料填充于各热管区的端部，并且其居里温度与各热管区的工作温度相匹配。

8、进一步地，所述阻隔网的孔径小于磁热性材料的粒径，为流体工质提供流动通道的同时防止磁热性材料移动。

9、进一步地，所述热管管体为铜、不锈钢的金属管材，截面形状为圆形、矩形。

10、进一步地，所述的内部热开关的材质为塑料或橡胶。

11、进一步地，所述的磁热性材料为颗粒状gd基合金、la-fe-si合金、mn-fe-p合金。

12、进一步地，所述阻隔网为铜材或者不锈钢材质编织丝网；

13、所述流体工质为水、乙醇；

14、所述磁体组为永磁体或者电磁场。

15、所述的一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置的制冷运行方法，包括以下步骤：

16、全部内部热开关关闭，第一热管区的磁热性材料加磁升温，该区端部成为系统热端；第n+1热管区的磁热性材料去磁降温，该区端部成为系统冷端；第一热管区和第n+1热管区停止运行，同时开启第m内部热开关，m＝1、2、3、……、n-1，第一热管区内流体工质吸收该热管区内磁热性材料的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至第三热管区，被该区的磁热材料冷凝成液体，该区的磁热性材料温度上升；之后第n+3热管区的磁热性材料在此温度加磁，获得更高的温度；第n+1热管区内流体工质吸收该热管区内磁热性材料的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至第n+1热管区，被该区的磁热材料冷凝成液体；第n+3热管区的磁热性材料温度降低，之后第n+3热管区的磁热性材料在此温度去磁，获得更低的温度，从而拓宽温跨，全部热开关关闭；

17、第二热管区的磁热性材料加磁升温，该区端部成为系统热端；第n+2热管区的磁热性材料去磁降温，该区端部成为系统冷端；第二热管区和第n+2热管区停止运行；开启第m+n-1内部热开关，第二热管区内流体工质吸收该热管区内磁热性材料的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至第四热管区，被该区的磁热材料冷凝成液体，该区的磁热性材料温度上升，之后第四热管区的磁热性材料在此温度加磁，获得更高的温度；第n+4热管区内流体工质吸收该热管区内磁热性材料的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至第n+2热管区，被该区的磁热材料冷凝成液体，第n+4热管区的磁热性材料温度降低，之后第n+4热管区的磁热性材料在此温度去磁，获得更低的温度；

18、全部热开关关闭，第三热管区的磁热性材料加磁升温，该区端部成为系统热端，第n+3热管区的磁热性材料去磁降温，该区端部成为系统冷端，第三热管区和第n+3热管区停止运行；

19、开启第m+2(n-1)内部热开关，第三热管区内流体工质吸收该热管区内磁热性材料的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至第五热管区，被该区的磁热材料冷凝成液体，该区的磁热性材料温度上升，之后第五热管区的磁热性材料在此温度加磁，获得更高的温度；

20、第n+5热管区内流体工质吸收该热管区内磁热性材料的热量而蒸发，蒸汽迅速扩散至第n+3热管区，被该区的磁热材料冷凝成液体，第n+5热管区的磁热性材料温度降低，之后第n+5热管区的磁热性材料在此温度去磁，获得更低的温度，从而拓宽温跨；

21、以此类推，依次令各个热管区的磁热性材料加磁升温或去磁降温，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、与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

23、将磁热性材料直接放置在带热开关地热管内，通过流体工质与磁热性材料之间的相变换热，提高磁热性材料与工质的换热速率，从而提高工作频率；同时使用内部热开关控制热管传热的方向性，增强热开关地可靠性，使装置可以适应不同场景的摆放要求；并在此基础上采用多级复叠磁制冷技术，增大装置温跨。

技术特征：

1.一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置，其特征在于，包括热管管体、内部热开关、磁热性材料、阻隔网、流体工质和磁体组；所述内部热开关位于热管管体内部，将热管管体内部分隔成多个区域，磁热性材料填充于各热管区的端部；所述的阻隔网位于磁热性材料的一侧，四周与热管管体内壁结合；所述流体工质充注在抽真空后的负荷重力热管区和各磁热重力热管区内；所述的磁体组放置于各磁热性材料区域的外部。

2.根据权利要求1所述的基于带热开关热管的室温磁制冷装置，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置，其特征在于：所述内部热开关截面形状与热管管体内截面形状相同，并且四周与热管管体内壁焊接在一起。

4.根据权利要求1所述的一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置，其特征在于：所述磁热性材料填充于各热管区的端部，并且其居里温度与各热管区的工作温度相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置，其特征在于：所述阻隔网的孔径小于磁热性材料的粒径，为流体工质提供流动通道的同时防止磁热性材料移动。

6.根据权利要求1所述的一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置，其特征在于：所述热管管体为铜、不锈钢的金属管材，截面形状为圆形、矩形。

7.根据权利要求1所述的一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置，其特征在于：所述的内部热开关的材质为塑料或橡胶。

8.根据权利要求1所述的一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置，其特征在于：所述的磁热性材料为颗粒状gd基合金、la-fe-si合金、mn-fe-p合金。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置，其特征在于：所述阻隔网为铜材或者不锈钢材质编织丝网；

10.实现权利要求9所述的一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置的制冷运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种基于带热开关热管的室温磁制冷装置及制冷方法，室温磁制冷装置包括：热管管体、内部热开关、磁热性材料、阻隔网、流体工质和磁体组；所述的热管管体水平放置，且互不连通，其内部由多个热管内部热开关分隔成多个区域，各热管区端部随室温磁制冷装置运行周期性地交替成为系统冷端、蓄热器和热端；本发明通过依次令各个热管区的磁热性材料加磁升温或去磁降温，提高装置温跨，实现制冷。本发明将磁热性材料直接放置在带热开关地热管内，通过流体工质与磁热性材料之间的相变换热，提高磁热性材料与工质的换热速率，从而提高工作频率；同时使用内部热开关控制热管传热的方向性，增强热开关地可靠性。技术研发人员：巫江虹,许戈耀受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29