磁製冷機的製作方法

2023-06-20 06:49:01

專利名稱：磁製冷機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁製冷機，該磁製冷機包括獨立的熱換熱單元和冷 換熱單元。
背景技術：
在美國專利No. 6， 668， 560中公開了一種傳統的磁製冷機。如圖1和 2所示，根據該傳統的磁製冷機，當通過冷側入口管21進入冷側入口22 的導熱流體17流到熱側出口 34時，該導熱流體17吸收由其上施加有磁 場的磁熱材料12的磁熱效應而產生的熱，並且通過熱側出口 34離開熱 側出口管33以冷卻磁熱材料12。熱側導熱流體順次經過熱側出口管33、 閥71、泵60和熱換熱器62，並且流到磁換熱室13中。在熱側入口管31 中，熱側導熱流體被分到熱側入口管31和冷側出口管23，並且在冷側出 口管24處與冷側導熱流體匯合，並且前進到閥74。當熱側導熱流體從熱 側入口 32運動到冷側出口管24時，熱側導熱流體通過經過已經由熱側 冷卻的磁熱材料12來冷卻。已經經過閥74的冷側導熱流體經過冷換熱 器63，並且流到管83和21以重複循環(省略詳細的描述。省略的附圖 標記參見美國專利No. 6， 668， 560)
發明內容
技術問題
如上所述，由於傳統的磁製冷機包括十二個磁換熱室，四個閥71、 72、 73和74，以及多於24根的管，因此傳統的磁製冷機很難製造。
而且，由於使單一導熱流體循環來同時用作熱側和冷側，也就是說， 由於熱側導熱流體在熱側入口 32處進入以經過冷磁熱材料(參見圖2) 並被冷卻成冷側導熱流體以通過冷側出口管24離開，因此換熱效率降低。
從該事實可知，當溫度低於進入熱側入口 32的熱側的導熱流體進入熱側 入口 32並且經過冷卻的熱材料時，在冷側出口管24處具有較低溫度的 導熱流體可能會流出，從而提高換熱效率。
另外，由於經過熱側的導熱流體的量不可控，因此磁熱材料的熱不 可能被迅速冷卻，由此降低了換熱效率。
另一方面，由於在出口處使用細網來避免粉末類型的磁熱材料由於 導熱流體(冷卻液)而損失的問題，因此冷卻液不可能順暢地循環。
而且，由於冷卻液在相同的位置連續經過磁熱材料，因此很難順暢 地換熱。
另外，具有微小尺寸的釓可能在冷卻液進入或離開磁換熱單元時損失。
技術方案
本發明的目的是提供一種磁製冷機，其中熱側和冷側被分開以簡化 結構，獲得高的熱效率和能夠控制導熱流體的量。
為了實現上述目的，提供了一種磁製冷機，該磁製冷機包括磁換 熱單元，該磁換熱單元包括供導熱流體流經過的磁熱材料；熱換熱流通 部件；冷換熱流通部件；第一電磁閥，該第一電磁閥連接到所述磁換熱 單元的入口、所述熱換熱流通部件的出口和所述冷換熱流通部件的出口 的接合處；以及第二電磁閥，該第二電磁閥連接到所述磁換熱單元的出 口、所述熱換熱流通部件的入口和所述冷換熱流通部件的入口的接合處。
根據所述制冷機，熱側和冷側被分開以簡化結構，實現高的熱效率 和能夠控制導熱流體的量。
根據所述制冷機，當在所述熱換熱流通部件或所述冷換熱流通部件 處安裝一泵時，由於經過閉合循環的該泵的壓力被充分地傳遞到導熱流 體，因此可以縮短換熱時間，並且提高換熱效率。
另一方面，當磁體部件包括永磁體和推拉單元時，可使用單個磁換 熱單元，所述推拉單元用於將所述永磁體推向所述磁換熱單元和將該永 磁體拉離該磁換熱單元。
優選的是，所述推拉單元包括在其兩側布置有永磁體的軛；和用
於使所述軛執行往復運動的往復運動傳遞部件，其中，所述往復運動傳 遞部件包括附接到所述軛的齒條、與所述齒條嚙合的小齒輪以及用於向 所述小齒輪傳送旋轉力的電機。
另一方面，所述磁體部件可以是電磁體。
優選的是，所述磁換熱單元包括包含所述磁熱材料的殼體，所述入 口布置在所述殼體的頂面處，而所述出口布置在所述殼體的底面上。
當所述磁熱材料包括多個布置在所述殼體中以在其間具有間隙的磁 熱材料塊時，則不需要網，由此允許導熱流體順暢流動。
優選的是，所述多個磁熱材料塊的每個磁熱材料塊都包括釓板或沿 長度方向具有恆定圓形橫截面的釓棒。
當所述釓棒包括沿長度方向的凹槽時，增加了與所述導熱流體接觸 的接觸面積，由此提高了換熱效率。
有益效果
如上所述，根據本發明的磁換熱單元提供了以下優點。 由於導熱流體的流通被分到用於兩個換熱循環的所述熱換熱器和所
述冷換熱器中，並且通過使用所述電磁閥的單個磁換熱單元進行換熱，
因此使磁製冷循環的結構得以簡化。
而且，由於所述磁製冷機被分成所述熱換熱器和所述冷換熱器，因
此可以將第一導熱流體和第二導熱流體的量控制成不相同。因此，較大
量的第一導熱流體可流到所述磁換熱單元的熱側，以最大化磁熱材料的冷卻。
另外，可實現其中所述磁熱材料塊不露出的絕熱狀態，以提高換熱 效率。
而且，所述熱換熱流通部件和所述冷換熱流通部件實現與閉合迴路 類似的閉合循環。因此，由於大氣壓力不直接作用在導熱流體上，所以 幾乎沒有阻力施加在所述泵上，由此縮短換熱所需時間，並且提高熱效 率。這允許使用單個泵，因為根據所述磁換熱單元的尺寸和熱效率增加 了壓力調節範圍。
所述磁換熱單元被構造成包括所述殼體和多個布置在該殼體中以形
成間隙的磁熱材料塊，因此導熱流體可流經該間隙，由此通過所述多個 磁熱材料塊和導熱流體之間的均勻接觸而提高換熱效率，並且消除了為 了使導熱流體順暢流動而需要的網。
另外，通過在具有棒狀的所述多個磁熱材料塊上形成沿著長度方向 的凹槽時增加與導熱流體的接觸面積而提高熱換效率。
而且，所述磁熱材料塊實施為具有板狀或棒狀，因此所述磁熱材料 塊不容易損失。
另外，由於所述磁體部件包括所述軛和所述推拉單元，因此可在所 述磁換熱單元固定的情況下施加或消除磁場，並且所述軛使磁場朝向所 述磁換熱單元的方向集中，以將高強度磁場施加到所述磁換熱單元。
而且，通過在具有棒狀的所述多個磁熱材料塊上形成沿著長度方向 的凹槽時增加與導熱流體的接觸面積而提高熱換效率。


圖1是示出在傳統旋轉式磁體磁製冷機中的導熱流體的平面圖。
圖2是舉例說明圖1中的包含粉末類型的磁熱材料的磁換熱單元的 平面圖。
圖3是示出根據本發明優選實施方式的磁製冷機的結構圖。 圖4是示出推拉部件的圖。
圖5是示出根據本發明優選實施方式的磁換熱單元的立體圖。 圖6是沿圖5的線B-B的剖視圖。
圖7到圖9是根據本發明另一個優選實施方式的沿圖5的線B-B的 剖視圖。
圖10是示出具有棒狀的磁熱材料塊的立體圖。
附圖標記說明
60， 160， 161:泵
62， 162:熱換熱器
63， 163:冷換熱器
13:磁換熱單元
17aa， 17ab:第一導熱流體 17bb， 17bc:第二導熱流體
112， 212， 1312， 412a， 412b:磁熱材料塊(Gd) 113， 213， 313， 413:磁換熱單元 114， 214， 314， 414:間隙 115:殼體
115a， 115b:入口，出口 130， 131， 132， 133:管
140:磁體部件 141:永磁體 143:軛 145:齒條 147:小齒輪 149:電機軸
具體實施例方式
現在將參照附圖詳細描述本發明的上述目的和其他目的以及特徵和 優點。
圖3是示出根據本發明優選實施方式的磁製冷機的結構圖，圖4是 示出推拉部件的圖，圖5是示出根據本發明該優選實施方式的第一磁換 熱單元的立體圖。
如圖3至圖5中所示，根據本發明該優選實施方式的磁製冷機包括:
磁換熱單元113，其包括供導熱流體17a和17b經過的磁熱材料；施加或
消除磁場的磁體部件140;熱換熱流通部件；冷換熱流通部件；第一電磁
閥120a和第二電磁閥120b。
導熱流體17a和17b分為在熱換熱流通部件中流通的第一導熱流體 17a和在冷換熱流通部件中流通的第二導熱流體17b，從而形成循環。
熱換熱流通部件包括熱換熱器162;第一管130，其用於將熱換熱 器162冷側出口處的第一導熱流體17aa運動到磁換熱單元113熱側；和
第二管131，其用於將第一導熱流體17ab運動到熱換熱器162的熱側入 口，其中，第一導熱流體17ab通過經過磁換熱單元113的熱側而吸收磁 熱材料112的熱。
類似地，冷換熱流通部件包括冷換熱器163;第三管132，其用於 將冷換熱器163的熱側出口處的第二導熱流體17bb運動到磁換熱單元 113的冷側；和第四管133，其用於將第二導熱流體17bc運動到冷換熱 器163的冷側入口，其中，第二導熱流體17bc通過經過磁換熱單元113 的冷側而將熱散發到磁熱材料112來冷卻。
第一電磁閥120a連接到磁換熱單元113的入口 115a、熱換熱流通 部件的出口 130a和冷換熱流通部件出口 132a的接合處。
艮P，第一電磁閥120a為二位三通電磁閥，其中，其第一入口連接到 第一管130的出口 130a，並且其第二入口連接到第三管132的出口 132a。 第一電磁閥120a的出口連接到磁換熱單元113，即更具體地說是連接到 與磁換熱單元113的入口 115a相連的第五管135a。
類似於第一電磁閥120a，第二電磁閥120b連接到磁換熱單元113 的出口 115b、熱換熱器流通部件的入口 131b和冷換熱流通部件的入口 133b。
艮P，第二電磁閥120b的第一出口連接到第二管131的入口 131b， 並且其第二出口連接到第四管133的入口 133b。第二電磁閥120b的入口 連接到磁換熱單元113，即更具體地說是連接到與磁換熱單元113的出口 115b相連的第六管135b。
如上所述，根據第一電磁閥120a和第二電磁閥120b的結構，可以 使用單個磁換熱單元113進行換熱。
另外，循環被分成熱側循環和冷側循環，以控制導熱流體的量，具 體地說，用於使更多的導熱流體流到熱側，並且提高熱效率和簡化結構。
而且，優選的是所述制冷機在熱換熱流通部件或冷換熱流通部件處 還包括泵。
艮P，如圖3中所示，熱換熱流通部件和冷換熱流通部件實現了與閉 合迴路類似的閉合循環。因此，由於大氣壓不直接作用在導熱流體上，
因此幾乎沒有阻力施加到泵160和161 ，由此通過使導熱流體順暢流通(壓 力調節範圍根據磁換熱單元的尺寸和熱效率而增加)而縮短了換熱所需 時間，並且提高了熱效率。
磁換熱單元113包括供導熱流體流經過的磁熱材料112。磁熱材料 112的特性是，當施加磁場時，其溫度變化。磁熱材料112包括細粉末類 型的釓(Gd)。釓具有對於導熱流體流來說具有高滲透性的孔和優良的吸 熱性和散熱性。
第一實施方式磁換熱單元113
如圖5和6中所示，根據第一實施方式的磁換熱單元113包括垂直 延伸的殼體115和布置在殼體115中以形成間隙114的多個磁熱材料塊 112。
入口 115a布置在殼體115的頂面上以連接到第五管135a的出口， 而出口 H5b布置在殼體115的底面上以連接到第六管135b的出口。
可以通過在殼體115分解為兩部分的同時布置和安裝磁熱材料112， 然後裝配、結合或焊接這兩個部分來製造磁換熱材料113。
根據該實施方式的殼體115可連接到入口 115a和出口 115b來支撐。 該支撐通過建立其中磁換熱單元113的磁熱材料U2不露出的絕熱狀態 來提高換熱效率。
具有由釓粉末製成的板狀的磁熱材料112以間隙114防止與殼體接 觸的方式平行布置。釓板磁熱材料112根據導熱流體的流速和換熱率可 以是薄箔或厚片。
如上所述，具有間隙114的磁熱材料112即使不使用網也能防止材 料損失，由於導熱流體流經間隙114而可獲得與全部磁熱材料112的接 觸和順暢流動，並且由於在釓板的情況下接觸面積較大而與傳統技術相 比較可獲得更高的換熱率。
第二實施方式磁換熱單元213
如圖7所示，根據第二實施方式的磁換熱單元213包括多個具有棒 狀的磁熱材料塊212來代替具有板狀的磁熱材料112。 g卩，多個磁熱材料 塊212的每一個都具有沿長度方向具有恆定圓形橫截面的棒狀。
即使在多個具有棒狀的磁熱材料塊212隨機布置時，由於圓形橫截 面而在接觸或不接觸時都能在多個磁熱材料塊212之間形成間隙214，從 而在導熱流體流經間隙214時獲得第一實施例的效果。
優選的是具有棒狀的多個磁熱材料塊212以垂直布置的組插入。
另一方面，如圖10中所示，優選的是具有棒狀的多個磁熱材料塊 212包括沿長度方向的凹槽212a，以增加與導熱流體的接觸面積，由此 提高換熱效率。
第三實施方式磁換熱單元313
如圖8所示，根據第三實施方式的磁換熱單元313包括具有棒狀的 多個磁熱材料塊312，這些磁熱材料塊312與第一實施方式的具有板狀的 多個磁熱材料塊112類似，布置成在其間具有間隙314，代替第二實施方 式的具有棒狀的多個磁熱材料塊212的隨機布置。
優選的是具有棒狀的多個磁熱材料塊312以垂直布置的組插入。
如圖10所示，優選的是具有棒狀的多個磁熱材料塊312包括沿長度 方向的凹槽212a。
第四實施方式磁換熱單元413
如圖9所示，根據第四實施方式的磁換熱單元413包括其間具有間 隙的具有棒狀的磁熱材料412a和具有板狀的磁熱材料412b。 磁體部件140可附接到磁換熱單元。
磁體部件140可包括布置在殼體115兩側的永磁體114、以及用於 將永磁體114推向磁換熱單元413和將永磁體114從磁換熱單元413拉 離的推拉單元，或可在殼體115兩側包括電磁體(未示出)。
如圖4所示，推拉單元包括具有在其兩側布置有永磁體141的軛143， 和用於使軛143進行往復運動的往復運動傳遞部件。
軛143用於將永磁體141的磁場沿磁換熱單元113的方向集中，從 而使具有較高強度的磁場施加到磁換熱單元。
往復運動傳遞部件可通過附接到軛143的齒條145、與齒條145齧 合的小齒輪147和電機149實現，該電機149的軸將旋轉力傳遞至小齒 輪147。
齒條145可通過在軛143的連接件的杆上形成齒或將單獨的齒條焊 接到該杆來實現。
本領域技術人員應可理解，根據本發明可使用將旋轉運動轉換為線 性運動的各種往復運動傳遞部件。
當使用電磁體時，可將電流間歇地施加以實現磁場的施加和消除。
現在將描述應用根據本發明第一實施例的磁換熱單元113的磁製冷 機的循環，其中，通過將與熱換熱器162進行熱交換的大氣溫度以及與 冷換熱器163進行熱交換的大氣溫度分別設置為26° C來對磁熱材料的 特性進行實驗，所得到的磁熱材料的特性為這樣，其中，當磁熱材料被 磁化時其溫度升高3。 C，而當其被導熱流體冷卻時降低3。 C。
除了磁體部件140，整個系統固定，並且磁體部件140經受磁換熱 單元113之間的往復運動以施加和消除磁場。當磁場施加到磁熱材料時， 熱側的導熱流體17aa在壓力下利用電磁閥120a和120b流到磁換熱單元 113，從而使被磁場加熱的磁熱材料的熱(29。 C)經受第一冷卻(26。 C)。 當第一冷卻完成時，磁體部件140從磁換熱單元113退回，以消除磁場。 當磁場被消除時，冷側(26° C)的導熱流體17bb通過壓力同時流到磁 換熱單元113，以恢復在第一冷卻中損失的熱。當熱恢復時，磁熱材料吸 收材料周圍的熱來將周圍冷卻。當周圍冷卻時，磁熱材料經受第二冷卻 以降低冷側(32。 C)的溫度，從而熱側通過熱換熱器162散發熱(29。 C)， 並且冷側通過入口網16散發冷卻的溫度(23° C)，並且磁材料再次經過 磁換熱單元。重複上述循環。
在第一電磁閥120a和第二電磁閥120b從熱換熱流通部件轉換到冷 換熱流通部件時，溫度從26° C下降到23。 C。另外，由於電磁閥可容易 地進行數字編程，因此電磁閥具有打開第一和第二導熱流體路徑的功能。
如上所述，導熱流體的循環被分到用於兩個換熱循環的熱換熱器和 冷換熱器，由此簡化了磁製冷循環的結構。
另外，根據所述系統，由於將大氣溫度下的導熱流體噴射到磁熱材 料，因此導熱流體根據材料的狀態而被進一步加熱和冷卻，從而提高了 換熱器的效率。
而且，由於磁製冷機被分成熱換熱器和冷換熱器163，因此第一導 熱流體和第二導熱流體17bb的量控制為不同。因此，較大量的第一導熱 流體可流到磁換熱單元的熱側，以最大化磁熱材料的冷卻。
由於使用二位三通電磁閥而可以使用單個磁換熱單元，因此簡化了 結構，並且使循環系統化，由此能夠控制導熱流體的換熱時間、壓力和 流速。
雖然已經參照本發明的優選實施方式對本發明進行了具體顯示和描 述，但是本領域技術人員應理解，在不脫離本發明由所附權利要求書所 限定的精神和範圍的情況下可以對本發明進行形式和細節上的各種改 變。
工業適用性
根據本發明，可以提供這樣一種磁製冷機，其中熱側和冷側被分開 以簡化結構、提高熱效率和能夠控制導熱流體的量。
權利要求
1.一種磁製冷機，該磁製冷機包括磁換熱單元，該磁換熱單元包括供導熱流體流經過的磁熱材料；熱換熱流通部件；冷換熱流通部件；第一電磁閥，該第一電磁閥連接到所述磁換熱單元的入口、所述熱換熱流通部件的出口和所述冷換熱流通部件的出口的接合處；以及第二電磁閥，該第二電磁閥連接到所述磁換熱單元的出口、所述熱換熱流通部件的入口和所述冷換熱流通部件的入口的接合處。
2. 根據權利要求1所述的制冷機，該制冷機還包括位於所述熱換熱 流通部件或所述冷換熱流通部件處的泵。
3. 根據權利要求1所述的制冷機，其中，所述磁體部件包括永磁體 和推拉單元，所述推拉單元用於將所述永磁體推向所述磁換熱單元和從 所述磁換熱單元拉離。
4. 根據權利要求3所述的制冷機，其中，所述推拉單元包括在其 兩側布置有永磁體的軛；和往復運動傳遞部件，其用於使所述軛執行往 復運動。
5. 根據權利要求4所述的制冷機，其中，所述往復運動傳遞部件包 括附接到所述軛的齒條、與所述齒條嚙合的小齒輪和用於將旋轉力傳遞 到所述小齒輪的電機。
6. 根據權利要求1所述的制冷機，其中，所述磁體部件包括電磁體。
7. 根據權利要求1到6中任一所述的制冷機，其中，所述磁換熱單 元包括包含所述磁熱材料的殼體，所述入口布置在所述殼體的頂面處， 而所述出口布置在所述殼體的底面上。
8. 根據權利要求7所述的制冷機，其中，所述磁熱材料包括布置在所述殼體中以在其間具有間隙的多個磁熱材料塊。
9. 根據權利要求8所述的制冷機，其中，所述多個磁熱材料塊的每一個都包括釓板。
10. 根據權利要求8所述的制冷機，其中，所述多個磁熱材料塊的 每一個都包括沿長度方向具有恆定圓形橫截面的釓棒。
11. 根據權利要求io所述的制冷機，其中，所述釓棒包括沿長度方向的凹槽。
全文摘要
本發明涉及一種磁製冷機，該磁製冷機包括獨立的熱換熱單元和冷換熱單元，其中，與磁換熱單元換熱的導熱流體通過電磁閥獨立流通，所述磁換熱單元具有布置成在其間具有間隙的磁熱材料塊。
文檔編號F25B21/00GK101341368SQ200680048171
公開日2009年1月7日 申請日期2006年11月10日 優先權日2005年12月21日
發明者李東棺, 申承勳 申請人:大宇電子株式會社