磁制冷与回热式气体制冷复合制冷的制冷方法和制冷装置

摘要

一种磁制冷与回热式气体制冷复合的制冷方法及装置，为将回热式气体制冷中的部分回热器或全部回热器替换为磁回热器，磁回热器中的填料部分或全部为磁制冷材料，以形成与回热式气体制冷机中对应回热器工作温区相同的磁回热器，磁回热器分别置于周期变化的可控变场强磁体组中，通过结合回热式气体制冷机工作时序与可控变场强磁体组磁场变化时序的耦合控制，实现磁制冷与回热式气体制冷的复合；其装置由一压力波发生器，m个回热器、m个调相机构组、j个可控变场强磁体组和一回热式气体制冷工作时序与磁场变化时序的耦合控制系统5组成；m为1～5整数，j≤m；具结构简单，可大幅度提高制冷效率，弥补单纯磁制冷机需要复杂传热流体驱动的难题。

说明书

技术领域

本发明属于制冷与低温工程领域的制冷方法和制冷装置，特别涉及一种磁制冷与 回热式气体制冷复合制冷的制冷方法和制冷装置，即为通过采用磁制冷材料全部替 换或部分替换回热式气体制冷机中的常规回热器填料，并将由此形成的磁回热器置 于可控变化场强的磁场中，结合回热式气体制冷工作时序与磁场变化时序的有效耦 合，实现磁制冷与回热式气体制冷的高效复合制冷。

背景技术

从基本原理上讲，磁制冷和回热式气体制冷分别属于两类不同的制冷技术。

磁制冷技术是利用磁性材料磁化时向外界排放热量，退磁时从外界吸取热量的物 理现象实现制冷的。磁制冷的研究可逆溯到120多年前，1881年Warburg首先观察 到金属铁在外加磁场中的热效应，1895年P.Langeviz发现了磁热效应。1926年Debye、 1927年Giaugue两位科学家分别从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷的结论，此 后，由于顺磁盐类磁制冷材料的研究取得重大进展，1933年后，绝热去磁制冷技术 在极低温(～10^-6K)和低温(15K以下)温区得到较快的发展。在室温区得益于Gd磁热 效应的发现和在1976年Brown首次实现了室温磁制冷，激发了人们的兴趣。原理上 讲，磁制冷可以适用于任何温区，但由于磁制冷材料、磁体和磁制冷热工技术等原 因，整体进展相对迟缓。随着主动磁回热器(AMR)概念的提出以及在上世纪90年代 后期美国Ames国家实验室和宇航公司在室温磁制冷材料和室温磁制冷系统方面的进 展，又重新引起了世界范围内的重视。

回热式气体制冷的基本原理是利用工作流体在交变流动中的绝热膨胀或绝热放 气，而由回热器来建立稳定的温差，目前主要用于在低温下获得中、小规模的制冷 量。从1816年斯特林(Stirling)循环提出以来，回热式气体制冷经历了长时间的发 展，已形成了诸如：斯特林(Stirling)、维勒米尔(VM)、吉福特-麦克马洪(G-M)、 索尔文(SV)、脉冲管(ST)和热声等制冷机形式。这些不同的制冷机在具体的结 构形式上徊异，但可以抽象概括为由三大部分组成：压力波发生器、回热器和压力 波动与质量流率之间相位差调节机构(如图1所示)，通常将一个由回热器和压力波动 与质量流率之间相位差调节机构形成的组合称为制冷机的一级。上述不同制冷机的 主要区别在于采用了不同形式的压力波动发生器和压力波动与质量流率之间相位差 调节机构从而形成了不同的热力学循环形式，它们的共同之处就是采用了在热吹过 程中吸热、在逆向冷吹过程中放热的回热器。回热式气体制冷机的回热器与前述磁 制冷机回热器(AMR)的一个差别就是所采用的材料本身并不具有制冷能力而仅仅 作为传热媒介。

磁制冷技术一般包括三大部分：磁制冷材料、磁体和磁制冷热工系统。磁制冷材 料近年已取得较大进展，但由于其磁化时向外界排放的热量和退磁时从外界吸取的 热量都要通过传热流体载取，受限于有限传热系数和磁制冷材料尚相对较小的磁致 温变(尤其是在采用低场强的永磁体时)，传热流体与磁制冷工质之间的传热温差已 占到磁制冷材料磁致温变值的相当大比例，从而虽然磁制冷具有高的本征热力学效 率但磁制冷机的实际热力学效率仍较低。另外，受限于需要强的变化磁场和变化流 向的传热流体，磁制冷机往往需要采用复杂的驱动机构。

S.Jeong等在1994年(Adv.Cryo.Engi.39B)报道了一个采用斯特林循环的磁制 冷实验系统。文中虽然提到将磁制冷与斯特林循环结合，但仔细分析所报道的内容 可以发现其实质上仅仅是采用斯特林热力循环方式的主动磁回热器(AMR)磁制冷 系统，未实现磁制冷与回热式气体制冷的真正复合，更没有提及可以采用方便周期 变化和低能耗的强磁场永磁体。

G.F.Nellis等在1998年(Adv.Cryo.Engi.43)报道了一个采用G-M循环的磁 制冷实验系统。文中虽然提到将磁制冷与G-M循环结合，但仔细分析所报道的内容 可以发现其实质上仅仅是采用G-M热力循环方式的主动磁回热器(AMR)磁制冷系 统，未实现磁制冷与回热式气体制冷的真正复合，更没有提及可以采用方便周期变 化和低能耗的强磁场永磁体。

Robert Schauwecker等提出了一种“带磁冷却级的混合热泵/制冷机”(“Hybrid Heat Pump/Refrigerator with Magnetic Cooling Stage”，US 2007/0186560A1)，其中虽 然提到将“气体制冷机”与“磁制冷”“混合”，但他们在循环中将“气体制冷机” 和“磁制冷”分别作为一个独立的过程而采用在时间上接续的方式，其实际上实现 的仅是“气体制冷机”与“磁制冷”的一种形式的“内部复叠”，并未实现回热式气 体制冷与磁制冷的真正复合。另外，该专利中提到几种“在磁热效应材料区域实现 磁场变化的方法”，虽未给出详细实现方法，但从描述上分析其在实现上具有储多技 术上的困难(不是需要设计复杂的磁体和复杂驱动机构，就是需要增加大的能耗)，实 际上难以满足实用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁制冷与回热式气体制冷复合制冷的制冷方法和制 冷系统，即通过采用合适的磁制冷材料全部或部分替换回热式气体制冷机中的常规 回热器填料，并将由此形成的磁回热器置于可控变化场强的磁场中，结合回热式气 体制冷工作时序与磁场变化时序的有效耦合，实现磁制冷与回热式气体制冷的高效 复合。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的磁制冷与回热式气体制冷复合的制冷方法，其为将回热式气体制 冷中的部分回热器或全部回热器替换为磁回热器，所述磁回热器中的填料部分或全 部为磁制冷材料，以形成与回热式气体制冷机中对应回热器工作温区相同的磁回热 器，并将所述磁回热器分别置于周期变化的可控变场强磁体组中，通过结合回热式 气体制冷机工作时序与可控变场强磁体组磁场变化时序的耦合控制，实现磁制冷与 回热式气体制冷的复合制冷。

本发明提供的磁制冷与回热式气体制冷复合的制冷装置，其由一个压力波发生器 1，m个回热器、m个相位差调相机构组、j个可控变场强磁体组和一个回热式气体 制冷工作时序与磁场变化时序的耦合控制系统5组成；其中，m为1～5整数，j为 ≤m；所述的m个回热器中的全部回热器或部分回热器为磁回热器；所述磁回热器 中的填料部分或全部为磁制冷材料；所述磁回热器中磁制冷材料的磁制冷温区与该 磁回热器在所述回热式气体制冷机中所处位置的相应温区相同；

其连接关系为：压力波发生器1通过流体流通管道与由第一级回热器2₁和第一 级压力波动与质量流率之间相位差调节机构3₁组合形成的第一级回热式气体制冷机 一端连接，第一级回热式气体制冷机另一端由流体流通管道与下一级回热式气体制 冷机一端连接，由此直至最末级；所述磁回热器分别置于对应的周期变化的可控变 场强磁体组中；回热式气体制冷工作时序与磁场变化时序的耦合控制系统5由信号 传输电缆或/和管路或/和机械装置分别与压力波发生器1、相位差调节机构及可控变 场强磁体组连接；

所述耦合控制系统5的输入信号为压力波发生器1的工作时序特征参数和/或各 调相机构的工作时序特征参数；所述耦合控制系统5的输出为可控变场强磁体组的 磁场变化控制信号。

所述的回热式气体制冷机为斯特林制冷机、维勒米尔制冷机、G-M制冷机、SV 制冷机、脉冲管制冷机或热声制冷机。

所述可控变场强磁体组为由二个通过相对运动形成磁场矢量叠加的永磁体组。

所述磁制冷与回热式气体制冷复合的制冷装置为由i台相同的磁制冷与回热式气 体制冷复合制冷装置按一工作时序相位角差θ组合而成的组合式磁制冷与回热式气 体制冷复合制冷系统；所述的工作时序相位角差为均等的工作时序相位角差θ＝360° /i或为不均等的工作时序相位角差。

通过分析，如果能获得一个变化方便和低能耗的强磁场，理论上讲可以通过采用 合适的磁制冷材料替换回热式气体制冷机中的常规回热器填料，将由此形成的磁回 热器置于可控变化场强的磁场中，结合回热式气体制冷工作时序与磁场变化时序的 有效耦合，完全可以实现磁制冷与回热式气体制冷的高效复合。从热力学角度，这 一复合，通过磁回热器可以将磁制冷与回热式气体制冷在整个循环周期内完全融合 在一起，而无法也无需区分磁制冷过程与回热式气体制冷过程。这一复合不仅可以 解决单纯磁制冷机实际效率低的问题(其本征效率比二类单纯的制冷方式都要高)， 而且可以通过与回热式气体制冷共用工作流体弥补单纯磁制冷机需要复杂的传热流 体驱动机构的难题。另外，得益于近年可变磁场永磁体技术的进步，方便周期变化 和低能耗的强磁场也已不再是技术瓶颈，这一复合从技术上也变得更加可行。

单一磁体如需要实现磁场强度的变化，通常需要在增加磁场强度时输入能量，在 减小磁场时放出能量，虽然这一过程是可逆的，但此时的能量的完全贮存和放出存 在技术上的困难。可以通过将多台相同的本发明的磁制冷与回热式气体制冷复合制 冷系统按某一工作时序相位角差组合为一个组合式磁制冷与回热式气体制冷复合制 冷系统，通过不同可控变场强磁体组在充/放能量时序上的差别实现相互之间的能量 的贮/放来较好解决这一问题，从而进一步提高其复合制冷效率。

本发明的磁制冷与回热式气体制冷复合制冷系统及制冷方法的优点如下：

磁制冷和回热式气体制冷是二大类不同的制冷方式，都具有高的本征热力学效 率，但也各自存在相应的技术问题，尤其是磁制冷受限于现有材料特性和需要复杂 的传热流体驱动机构实际效率仍较低且机构复杂。通过本发明：

1.可以从本征上解决单纯磁制冷机实际效率低的问题，从而较大幅度提高制冷 效率；

2.可以通过与回热式制冷共用工作流体弥补单纯磁制冷机需要复杂的传热流体 驱动机构的难题；

3.可以通过磁制冷材料对原回热器填料的替换，形成一种高本征热力学效率的 新的制冷方法，其本征效率比单纯的磁制冷和回热式气体制冷方式都要高， 而且并没有显著增加整个系统的复杂性等。

附图说明

图1为普通回热式气体制冷机结构示意图；

图2为本发明的回热式气体制冷复合制冷系统的结构示意图；

图3为可控变磁场强度永磁体组的结构示意图；

图4一个磁制冷与5级气体斯特林制冷的复合制冷系统的结构示意图；

图5一个磁制冷与5级气体斯特林制冷的复合制冷系统的结构示意图；

图6一个磁制冷与单级气体斯特林制冷的复合制冷系统的结构示意图；

图7一个磁制冷与双级气体GM制冷的复合制冷系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例进一步的阐述本发明。

图1所示为一个m级回热式气体制冷机的结构示意图(这里的回热器均为普通 的回热器)；其由一个压力波发生器1，m个回热器和m个调相机构组组成，m为1～ 5整数；其连接关系为：压力波发生器1通过流体流通管道与由第一级回热器2₁和 第一级压力波动与质量流率之间相位差调节机构3₁组合形成的第一级回热式气体制 冷机一端连接，第一级回热式气体制冷机另一端由流体流通管道与下一级回热式气 体制冷机一端连接，由此直至最末级。

所述回热式气体制冷机为斯特林制冷机(Stirling)、维勒米尔制冷机(VM)、吉 福特-麦克马洪制冷机(G-M)、索尔文制冷机(SV)、脉冲管制冷机(ST)或热声制 冷机等。

参见图2所示，本发明的磁制冷与回热式气体制冷复合制冷装置，其由一个压力 波发生器1，m个回热器、m个调相机构组、j个可控变场强磁体组和一个回热式气 体制冷工作时序与磁场变化时序的耦合控制系统5组成；其中，m为1～5整数，j 为≤m；

所述的m个回热器中的全部回热器或部分回热器为磁回热器；所述磁回热器为 填充磁制冷材料的回热器；所述磁回热器中磁制冷材料的磁制冷温区与该磁回热器 在所述回热式气体制冷机中所处位置的相应温区相同；

所述磁回热器分别置于周期变化的可控变场强磁体组中；所述的可控变场强磁体 组可为由二个通过相对运动形成磁场矢量叠加的永磁体组；

所述耦合控制系统5的输入信号为压力波发生器1的工作时序特征参数和/或部 分或全部调相机构3的工作时序特征参数；所述耦合控制系统5的输出为可控变场 强磁体组的磁场变化控制信号。

实施例1，用于实现环境温度为300K、制冷温度为5K的5级气体斯特林制冷与 磁制冷的复合制冷系统。

选择居里温度或等效居里温度为300K至5K温度间隔为约6K的磁制冷材料(每 个回热器各选10种磁制冷材料)，可控变磁场强度永磁体组4采用如图3所示由二个 相对旋转同轴布置永磁体组成的周期变化场强永磁体组；如图4所示，本实施例的 磁制冷与回热式气体制冷复合制冷系统，由一个压力波发生器(压缩腔)1、5个磁回 热器、5个调相机构(推移活塞)、5个可控变场强永磁体组、一个时序耦合控制器5、 一个热端换热器6和一个冷端换热器7组成；其连接关系：压力波发生器1通过流 体流通管道经由热端换热器6与由第一级回热器2₁和第一级压力波动与质量流率之 间相位差调节机构3₁组合形成的第一级回热式气体制冷机一端连接，第一级回热式 气体制冷机另一端由流体流通管道与下一级回热式气体制冷机一端连接，由此直至 最末级，最末级制冷机的末端设置有一个冷端换热器7用于冷量输出；由磁制冷工 质替代原回热器填料所形成的磁回热器分别置于对应的周期变化的可控变场强磁体 组中；回热式气体制冷工作时序与磁场变化时序的耦合控制系统5由信号传输电缆 与压力波发生器1、调相机构组3及可控变场强磁体组4连接。

每一磁回热器为由10种磁制冷材料按其居里温度/等效居里温度高低顺序填入形 成与回热式气体制冷机中对应回热器工作温区相同的磁回热器；时序耦合控制器5 的输入信号为压力波发生器(压缩腔)1压缩活塞运动规律，时序耦合控制器5的输出 为可控变场强永磁体组产生磁场变化的相对运动规律控制信号；该复合制冷系统内 的工作流体的流动与常规5级气体斯特林制冷基本相同；本实施例通过引入磁回热 器、可控变场强永磁体组和时序耦合控制器5，实现了磁制冷与回热式气体制冷的5 级复合；由此形成的复合制冷系统可在几乎不增能源消耗条件下，使5K下的制冷量 提高至少一倍。

实施例2：用于实现环境温度为300K，制冷温度为5K的5级气体斯特林制冷与 磁制冷的复合制冷系统。

选择居里温度或等效居里温度为约30K至约5K温度间隔为约5K的6种磁制冷 材料，可控变场强磁体组采用如图3所示由二个相对旋转同轴布置永磁体组成的周 期变化场强永磁体组；如图5所示，该磁制冷与5级气体斯特林制冷的复合制冷系 统由一个压力波发生器(压缩腔)1、四个常规回热器和一个(磁)回热器2_m、5个调相机 构(推移活塞)、一个可控变场强永磁体组、一个时序耦合控制器5、一个热端换热器 6和一个冷端换热器7组成；其连接关系：压力波发生器1通过流体流通管道经由热 端换热器6与由第一级常规回热器(2₁)和第一级压力波动与质量流率之间相位差调 节机构(3₁)组合形成的第一级回热式气体制冷机一端连接，第一级回热式气体制冷 机另一端由流体流通管道与下一级回热式气体制冷机一端连接，由此直至最末级， 最末级回热式气体制冷机末端设置有一个冷端换热器用于冷量输出；由磁制冷工质 替代最末级原回热器填料所形成的磁回热器2_m置于周期变化的可控变场强磁体组 中；回热式气体制冷工作时序与磁场变化时序的耦合控制系统5由信号传输电缆与 压力波发生器1、调相机构组及可控变场强磁体组连接。

磁回热器2_m为将6种磁制冷材料按其居里温度/等效居里温度高低顺序填入形成 与回热式气体制冷机中对应回热器工作温区相同的磁回热器；时序耦合控制器5的 输入信号为压缩腔压缩活塞运动规律和推移活塞运动规律，时序耦合控制器5的输 出为磁体的产生磁场变化的相对运动规律控制信号；该复合制冷系统内工作流体的 流动与常规5级气体斯特林制冷基本相同；本实施例通过在末级引入一个磁回热器 2_m、可控变场强永磁体组和时序耦合控制器5，实现了一个一级磁制冷与五级回热式 气体制冷的复合；由此形成的复合制冷系统可在几乎不增能源消耗条件下，使5K下 的制冷量提高至少一倍。

实施例3：将本发明用于实现环境温度为30℃、制冷温度为5℃的单级气体斯特 林制冷与磁制冷的复合制冷系统，

磁制冷材料采用单一的LaFeSiH体系，磁场采用如图3所示由二个相对旋转同 轴布置永磁体组成的周期变化场强永磁体组。如图6所示，该磁制冷与单级气体斯 特林制冷的复合制冷系统由一个压力波发生器(压缩腔)1、一个磁回热器2、一个调 相机构组(膨胀腔)3、一个可控变场强永磁体组4、一个时序耦合控制器5、一个热端 换热器6和一个冷端换热器7组成；其连接关系：压力波发生器1通过流体流通管 道经由热端换热器6与由磁回热器2一端连接，磁回热器2另一端和压力波动与质 量流率之间相位差调节机构3组合形成的制冷机的一端通过流体流通管道经由次端 换热器7与膨胀腔3连接；磁回热器2置于周期变化的可控变场强磁体组4中；回 热式气体制冷工作时序与磁场变化时序的耦合控制系统5由机械装置与压力波发生 器1、调相机构组3及可控变场强磁体组4连接。

通过改变LaFeSiH中的H含量形成20种居里温度由高到低不同的磁制冷材料， 所述的磁回热器2为按其居里温度高低顺序填入这些磁制冷材料而形成的磁回热器， 该磁回热器与回热式气体制冷机中对应回热器工作温区相同；时序耦合控制器5的 输入为压缩腔和膨胀腔活塞的运动规律，时序耦合控制器5的输出为磁体的产生磁 场变化的相对运动规律控制，其间由简单的机械装置耦合。该复合制冷系统内工作 流体的流动与常规单级气体斯特林制冷基本相同。本实施例通过引入磁回热器、可 控变场强永磁体组和时序耦合控制器实现磁制冷与回热式气体制冷的复合。由此形 成的复合制冷系统可在几乎不增能源消耗条件下，使5℃下的制冷效率比原单级气体 斯特林制冷提高至少20％。

实施例4：将本发明用于实现环境温度为300K、制冷温度为4.2K的双级气体 G-M制冷与磁制冷的复合制冷系统。

选用居里温度/等效居里温度从40K至3.0K由高到低温度间隔为约5K的8不同 磁制冷材料，磁场采用如图3所示由二个相对旋转同轴布置永磁体组成的周期变化 场强永磁体组；如图7所示，该磁制冷与双级气体G-M制冷的复合制冷系统由一个 压力波发生器(压缩机组、散热器和配气阀组)1、一个常规回热器2₁和一个磁回热器 2₂、调相机构(推移活塞)、一个可控变场强永磁体组4、一个时序耦合控制器5、一 个一级冷端换热器7₁和一个二级冷端换热器7₂组成；其连接关系为：压力波发生器 1通过流体流通管道与由第一级常规回热器2₁和第一级压力波动与质量流率之间相 位差调节机构3₁组合形成的第一级回热式气体制冷机一端连接，第一级回热式气体 制冷机另一端(其连接管路上设有一级冷端换热器7₁)由流体流通管道与由一磁回热 器2₂和第二级压力波动与质量流率之间相位差调节机构3₂组合形成的第二级制冷机 的一端连接，第二级制冷机的另一端的连接管路上设有二级冷端换热器7₂。由磁制 冷工质替代原回热器填料所形成的磁回热器2₂置于周期变化的可控变场强磁体组4 中。回热式气体制冷工作时序与磁场变化时序的耦合控制系统5由信号传输电缆与 压力波发生器1、调相机构组及可控变场强磁体组4连接。

磁回热器2₂中8种磁制冷材料按其居里温度/等效居里温度高低顺序填入形成与 回热式气体制冷机中对应回热器工作温区相同的磁回热器；时序耦合控制器5的输 入信号为推移活塞运动规律，时序耦合控制器5的输出为可控变场强永磁体组4的 产生磁场变化的相对运动规律控制信号。该复合制冷系统内工作流体的流动与常规 双级气体G-M制冷基本相同；本实施例通过引入磁回热器、可控变场强永磁体组和 时序耦合控制器实现磁制冷与回热式气体制冷的复合；由此形成的复合制冷系统可 在几乎不增能源消耗条件下，使4.2K下的制冷量提高至少一倍。

上述中对回热式气体制冷机是以一个抽象为由3种组件(压力波发生器、回热 器和调相机构组)组成的系统来描述的，实际上：

1、压力波发生器可以有多种形色，如由气缸、活塞和驱动机构组成的无阀压缩 机(斯特林和斯特林型脉冲管等)；2)由压缩机和配气阀(组)组成(G-M、G-M 型脉冲管和沙尔文等)；3)热压缩机(VM和各种型色的热声制冷机等)；

2、回热器可与调相机构组相互独立，或完全或部分结合在一起。上述实验例中 虽列举了部分磁制冷材料种类，但这并不表示本专利对可用的磁制冷材料种类有任 何限定，本发明未对也无需对磁回热器所采用的磁制冷材料的种类和形状等作任何 限制，实际上对一个具体的复合制冷系统可采用的磁制冷材料有很多不同的选择。 本专业领域的技术人员会理解并且承认，上述实际制冷机的不同结构和组件组合形 式以及采用不同磁制冷材料均在本发明基本思想范围内，并不会形影响本发明的精 神和权利要求范围。