旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统及其传热方法

摘要

本发明公开了旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统及其传热方法，由工质盘和与之相连的冷端换热器和热端换热器、溶液泵组成。工质盘包括工质床、内圈集液槽、外圈集液槽、四对区间绝热隔板和多块区内绝热隔板，工质床包括多根梯形微通道扁平管、上磁工质板和下磁工质板，梯形微通道扁平管、上磁工质板和下磁工质板位于内圈集液槽和外圈集液槽之间，梯形微通道扁平管置于上下两个磁工质板之间。传热方法是使传热流体经过上述微通道强化换热系统的不同区后，经历一个周期的绝热励磁和退磁过程，如此往复循环实现制冷。本发明利用微通道因其尺度效应可以有效强化换热的特性，将其应用于工质床中，提高制冷系统效率和减少换热流体对磁工质的腐蚀。

说明书

技术领域

本发明涉及室温磁制冷和微通道换热技术领域，具体是指旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统。

背景技术

磁制冷的出现起始于120年前磁热效应的发现，并在上世纪三十年代开始应用于低温制冷。自1975年以来，世界各国的研究者都在进行室温磁制冷的实验研究。1976年，美国国家航空航天局的G.V.Brown首次将磁制冷技术应用于室温范围，采用金属钆作为磁制冷工质，在7T的磁场和无热负荷的条件下获得了47K的温度差。1996年12月美国宇航公司的工程师Carl Zimm采用了活性蓄冷(AMR)技术，建立了一台磁制冷机，在5T的磁场下获得了500～600W的制冷量，在室温磁制冷样机领域取得了突破性进展。目前，室温磁制冷循环过程中的有效的热交换问题已成为制约磁制冷的关键技术之一。

磁制冷材料是一种固态物质。为了完成制冷循环过程，必须有一种液体媒质(或气体媒质)同磁制冷材料进行热交换，这是固体-液体或固体-气体的热交换方式。在技术上，比液体-液体或液体——气体热交换方式复杂得多，而且热交换效率也比它们低。现有的旋转式和往复式样机的磁工质床的传热，无论是粉末状工质还是层状的工质，通常采用直接让换热流体(如水、乙二醇溶液等)流过，存在固体工质和换热流体的换热阻力大，换热过程中热交换速度慢，制冷周期长，循环换热效率低，对磁工质的腐蚀等缺陷。因此，如何提高磁工质和换热流体的传热效率是提高磁制冷效率的关键。

二十世纪八十年代以来，微通道换热技术不断发展。微通道换热用于其它制冷系统如普通的蒸汽压缩式制冷系统提高制冷系统效率，因为微通道换热的效果好，微通道换热器在汽车空调、家用空调中用于替代普通换热器已经成为一种趋势。微通道换热器具有如下特点：(1)结构简单。微通道换热器主要采用矩形、三角形、圆形肋片等简单的通道结构；(2)体积小，流量小，可以直接作用于毫米甚至微米级的热源位置；(3)微通道换热器由于通道的尺寸效应，热阻很低，同时又可以直接作用于热源位置，因此换热效率很高；(4)工作稳定可靠。且目前有较为成熟的微通道加工技术，因而完全可以将微通道换热器用于旋转式磁制冷机的工质床，以达到强化换热和提高其制冷效率的目的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺点，提供一种旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统，可降低换热流体在与磁工质换热的过程中的流动阻力，从而提高旋转式室温磁制冷机的效率，磁工质换热系统紧凑，可减少换热流体的使用量。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统，包括工质盘和与之相连的冷端换热器、热端换热器和溶液泵，冷端换热器与工质盘的冷端出入口相连，而热端换热器通过溶液泵与工质盘的热端换热器出入口相连，工质盘包括工质床、内圈集液槽、外圈集液槽、四对区间绝热隔板和多块区内绝热隔板，四对区间绝热隔板将所述工质盘分为一级磁场区、过渡区、二级磁场区、冷区四部分，其特征在于：所述工质床包括多根梯形微通道扁平管、上磁工质板和下磁工质板，梯形微通道扁平管、上磁工质板和下磁工质板位于内圈集液槽和外圈集液槽之间，梯形微通道扁平管置于上下两个磁工质板之间。

上的一种旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统中，所述多根梯形微通道扁平管均匀分布在上下两个磁工质板之间，内圈集液槽和外圈集液槽通过梯形微通道扁平管连通。

上的一种旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统中，所述四对区间绝热隔板分别位于在一级磁场区和过渡区之间，过渡区和二级磁场区之间，二级磁场区和冷区之间，冷区和一级磁场区之间，对工质床各区起隔热作用；所述多块区内绝热隔板位于各区内起引导传热流体流动和隔热的作用。

上的一种旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统中，所述上下两层磁工质板为圆环薄板，中间层的梯形微通道扁平管和上下两层磁工质板通过粘合剂经加压方法形成一体。

上的一种旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统中，所述的一种旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统采用水或乙二醇溶液作为传热流体。

采用上述旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统的传热方法，是指所述工质床进入磁场内时，从冷端换热器出来的换热流体经冷端换热器出口进入二级磁场区，吸收磁工质励磁放出的热量，接着经一级磁场区入口进入一级磁场区继续吸热，再经热端换热器入口随溶液泵流入热端换热器换热降温；工质床离开磁场时，从热端换热器换热降温后的换热流体通过热端换热器出口进入冷区，吸收冷区内磁工质因退磁产生的冷量；冷却后，流入冷端换热器入口，从环境吸收热量；至此，磁工质经历了绝热励磁和退磁过程，完成了一个循环周期的工作过程，接着再重复上述过程，进入第二个循环周期；旋转式磁制冷机如此往复循环实现制冷。

与现有技术相比，本发明的旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统结构简单，有效合理利用工质盘的换热面积，使换热流体均匀流动，减少换热流体对磁工质的腐蚀，保证旋转式制冷机的安全有效运行，提高旋转式室温磁制冷制冷系统效率和制冷量。本发明的旋转式室温磁制冷磁工质盘的有效容积得到合理利用，换热流体与磁工质换热时的阻力减少，换热效果更为明显，提高了磁工质和换热流体的使用效率。本发明的旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统的加工工艺简单，可靠性好，稳定性高，能有效地提高室温磁制冷的竞争力。本发明的旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统解决了由于换热流体在流过工质板表面时由于流动阻力增大而影响换热效率，降低磁制冷系统效率等问题。

附图说明

图1为工质盘的梯形微通道扁平管布置方式的俯视图；

图2为旋转式室温磁制冷机的原理示意图；

图3为工质床局部剖面图；

图4为图3经放大后的工质床的局部结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1和图3所示，旋转式室温磁制冷机的微通道强化换热系统，包括由一层梯形微通道扁平管1、两层磁工质板2(图1中2为下层磁工质板)、内圈集液槽3、外圈集液槽4、四对区间绝热隔板5、多块区内绝热隔板6等构成的工质盘，和与之相连的冷端换热器和热端换热器、溶液泵组成。上层磁工质板201、下层磁工质板2加工成圆环薄板，中间层的梯形微通道扁平管1则采用现有表面微加工技术在硅基底13表面经氧化腐蚀加工而成，然后采用粘合剂14经加压方法将三层加工为工质床(如图4，为经放大后的工质床的局部结构图)。考虑到制冷量的需要，工质床可由多层磁工质板和梯形微通道扁平管交替层叠而成。

作为实施例，如图2所示，工质床按照磁场的位置分为四部分，即一级磁场区(图2中右边70°所示范围内)，过渡区(图中80°所示范围内)，二级磁场区(图中左边70°范围内)，冷区(图中140°所示范围内)。室温磁制冷机的微通道强化换热系统的工作原理是：工质床进入磁场内时，从冷端换热器出来的换热流体经冷端换热器出口8进入二级磁场区，吸收磁工质励磁放出的热量，接着经一级磁场区入口10进入一级磁场区继续吸热，再经热端换热器入口11随溶液泵流入热端换热器换热降温；工质床离开磁场时，从热端换热器换热降温后的换热流体通过热端换热器出口12进入冷区，吸收冷区内磁工质因退磁产生的冷量；冷却后，流入冷端换热器入口7，从环境吸收热量；至此，磁工质经历了绝热励磁和退磁过程，完成了一个循环周期的工作过程，接着再重复上述过程，进入第二个循环周期；旋转式磁制冷机如此往复循环实现制冷。

本发明的室温磁制冷机的微通道强化换热系统能有效合理的利用工质盘的换热面积，并结合了微通道换热的优点，由于采用了梯形微通道扁平管，换热流体与磁工质换热时的阻力减少，换热效果更为明显，提高了磁工质和换热流体的使用效率和换热效率，从而使系统结构紧凑，保证旋转式室温磁制冷系统的安全有效运行，提高制冷系统效率。如上即可较好的实施本发明。