[發明專利]一種基于重力熱管的單極及多級磁制冷裝置

在審

• 申請號: 201710331513.4
• 申請日: 2017-05-11
• 公開（公告）號: CN107238229A
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 季琨;孫敬文;王曉占;祝朋;齊曉軍;武玉陽
• 申請（專利權）人: 上海衛星裝備研究所
• 主分類號: F25B21/00
• 分類號: F25B21/00;F28D15/02
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及磁制冷技術領域，具體是一種基于重力熱管的單極及多級磁制冷裝置。

背景技術

當前國民經濟的發展，對于制冷技術的需求越來越高，在某種場合，特別是無人值守的場合，需要低能耗、長壽命和高可靠的制冷裝置。現有采用制冷壓縮機的蒸汽壓縮制冷，在運行中需要使用專用的制冷劑，多少存在環境污染、臭氧層破壞方面的問題。

磁制冷是一種基于磁性材料(磁制冷介質)為工質的制冷技術，其基本原理是采用磁性物質的磁熱效應實現制冷。磁性材料在外界磁場消失后，由磁化狀態轉變為消磁狀態，其內部磁矩由原來的順應外部磁場的有序化轉為消磁后的無序化，工質會從外界吸收熱量；在外加磁場后，由消磁狀態轉變為磁化狀態，此時其內部磁矩轉變為有序狀態，要向外界放出熱量。由以上效應，可以通過合理控制的外加磁場的施加和消除，使磁性材料產生制冷效應。

磁制冷介質在工作過程中，本身在工作周期內即會放熱又會吸熱，溫度會周期性升高或降低，無法直接與被制冷物體接觸。而在磁制冷介質消磁后，溫度降低，又有必要消除環境熱量對于磁制冷介質的加熱。通常磁制冷介質自身進行絕熱，通過介質的不同流向，在工作周期內，將介質分別引入散熱器和制冷器進行制冷和散熱，通過分配閥或換向閥或移動裝置等實現介質流向的選擇性，最終實現熱量流向的選擇性。

重力熱管是一種傳熱元件。在管殼內部充裝飽和狀態的工作介質，如水、乙醇等。

重力熱管在工作時，吸熱端(蒸發端)要低于放熱端(冷凝端)。重力熱管的工作過程如下：熱量在吸熱端(蒸發端)從外熱源經過管壁傳給工質液體，液體蒸發后形成蒸汽，在管內進行擴散和上浮。在冷凝段，工質蒸汽凝結成液體放出的熱量再經過管壁傳給冷源。工質凝結成液體后，在重力的作用下，再順管壁回流到吸熱端(蒸發端)。如此形成持續循環，可不斷地將熱量從蒸發段傳遞到冷凝段。因為重力熱管主要是利用冷凝后的液體工質的自重在重力條件下實現順利回流，因此具有明顯的方向性，即只能將熱量從下部向上部傳遞。

而本發明主要利用重力熱管在重力場條件下的吸熱和放熱端的方向性分配原理，對于磁制冷介質在磁化和消磁狀態下的放熱及制冷過程進行選擇性傳熱。

發明內容

本發明提供了一種基于重力熱管的單極及多級磁制冷裝置，根據磁制冷介質工作間歇性的特性，充分利用重力熱管的方向性，合理地將熱量進行由下向上的遷移，結合電磁鐵的特性，實現無機械組件的制冷，并在此基礎上實現多級磁制冷。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種基于重力熱管的單極及多級磁制冷裝置，由單個或多個磁制冷系統構成，其特征在于，所述磁制冷系統包括控制系統、電磁鐵、磁制冷介質、與磁制冷介質緊密貼合或插入的上部熱管以及與磁制冷介質緊密貼合或插入的下部熱管，電磁鐵布置在磁制冷介質上下兩端，且與控制系統相連。

其中，單級磁制冷是通過以下步驟實現制冷的：

S1、控制系統向電磁鐵通電，此時，磁制冷介質受到磁化，對外放熱，溫度升高；

S2、與磁制冷介質緊密貼合或插入的上部熱管其吸熱端(蒸發端)吸收了熱量，將熱量向上傳遞到外部，通過風機或冷卻水進行排散；此時下部熱管上部得到加熱，由于其工作的方向性，不會將熱量傳遞到下方；

S3、控制系統切斷對電磁鐵的通電，磁場消失，此時，磁制冷介質消磁，吸收外來熱量，溫度降低；

S4、與磁制冷介質緊密貼合或插入的下部熱管其放熱端(冷凝端)放出了熱量，其下部將熱量向上傳遞，并使熱管下部對應的被制冷區域溫度降低；

S5、經過步驟S1到S4的不斷循環，實現了對于下部熱管的下部的制冷。

其中，多級磁制冷是通過以下步驟實現制冷的：

S1、一級磁制冷介質磁化放熱時，二級磁制冷介質退磁吸熱，將一級磁制冷介質的熱量吸走；

S2、一級磁制冷介質退磁吸熱，對應與一級磁制冷介質的下部熱管將熱量傳遞給一級磁制冷器介質實現制冷；

S3、二級磁制冷介質磁化放熱，由于重力熱管的方向性，熱量由對應于二級磁制冷介質的熱管傳遞到上方通過環境或者是更高一級的磁制冷介質散熱。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、最大限度減少了機械組件，實現靜音工作；

2、消耗功率小，經濟性高；

3、避免了采用制冷劑對于環境產生污染；

4、因為避免機械組件，可實現長壽命，并具有高可靠性；

5、通過多級磁制冷介質組合應用實現更好的制冷效果。

附圖說明

圖1為本發明實施例的系統示意圖；