本发明属于制冷与低温工程领域，特别是涉及一种室温磁制冷系统。
背景技术：
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近年来，压缩机制冷技术发展日趋完善，复叠式压缩机制冷通常由两个单独的制冷系统组成，分别称为高温级及低温级部分。高温部分使用中温制冷剂，低温部分使用低温制冷剂。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝，用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器。低温部分的制冷剂在蒸发器内向被冷却对象吸取热量，并将此热量传给高温部分制冷剂，然后再由高温部分制冷剂将热量传给冷却介质。复叠式压缩机制冷的优点是冷热介质的平均温度较大，热换器的面积小，且制冷循环各自独立，相互影响小，操作稳定，适应性强，技术成熟，但是，复叠式压缩机制冷存在着污染环境和高耗能问题。
目前，人类社会对传统蒸汽压缩式制冷技术在环保、能效等方面提出了更高要求，发展环境友好、节能高效的新型制冷技术成为有效的解决手段之一。
室温磁制冷技术作为一种新型制冷方式，具有高效能、无污染、无噪音、安全可靠等优点，它不需要使用导致大气臭氧层破坏和加剧全球变暖的气体制冷剂，而只需依靠磁性材料的磁热效应，通过磁化和去磁过程的反复循环达到制冷目的。因此，磁制冷技术被公认为是一种绿色环保的制冷技术，受到了包括美国、日本、欧洲、亚洲在内全世界数十个国家许多研究机构的广泛关注。
磁热效应是一种变化磁场下磁性材料磁矩有序度发生变化而导致的热现象。在磁性材料被磁化时，磁矩有序度增加，磁熵减小，温度上升，向外界放出热量；退磁时，磁性材料磁矩有序度减少，磁熵增加，温度下降，自外界吸收热量。
但是，目前的室温磁制冷技术的发展，集中在构建多层主动磁回热器和工质热工性能方面，受到回热器和工质性能的限制，常规的室温制冷系统无法满足宽温区、大制冷量的需求。
技术实现要素：
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本发明提供一种复叠式室温磁制冷系统，通过对磁制冷系统的流程优化设计，解决了制冷系统中的污染、高耗能、温跨窄的问题，能够实现节能、环保、宽温区、大制冷量的制冷目的。
被发明解决技术问题采取的技术方案是：一种复叠式室温磁制冷系统，包括高温级磁制冷系统、低温级磁制冷系统、中间换热器、主轴、磁体组层，所述高温级磁制冷系统包括高温换热器、流体泵、磁回热器层、流路通道；所述低温级磁制冷系统包括低温换热器、流体泵、磁回热器层、流路通道；所述高温级磁制冷系统和低温级磁制冷系统通过中间换热器连接；所述高温级磁制冷系统中的流路通道将高温换热器、流体泵、磁回热器层、中间换热器闭合管路连接；所述低温级磁制冷系统中的流路通道将低温换热器、流体泵、磁回热器层、中间换热器闭合管路连接；所述磁回热器层为中空圆环状，与复叠式室温磁制冷系统固定安装；所述磁体组层位于高温级和低温级的磁回热器层之间；所述主轴贯穿磁回热器层中空部和磁体组层中心位置，主轴与磁体组层固定连接；所述主轴能够旋转带动磁体组层相应旋转，为磁回热器层中的回热器励磁和去磁提供可控变磁场。
上述低温级磁制冷系统至少为一级，所述每级低温磁制冷系统对应的中间换热器为上一级的低温换热器，所述每级低温磁制冷系统与对应的中间换热器通过流路通道闭合管路连接；所述相邻两级的磁回热器层之间设置一个磁体组层。
上述高温级磁制冷系统的流路通道将流体泵出口端与磁回热器层第一入口管路连接，所述磁回热器层第一出口与中间换热器入口端管路连接，所述中间换热器出口端与磁回热器层的第二入口管路连接，所述磁回热器层的第二出口与高温换热器管路连接，所述高温换热器出口端与流体泵入口端管路连接。
上述低温级磁制冷系统的流路通道将流体泵出口端与磁回热器层第一入口管路连接，所述磁回热器层第一出口与低温换热器入口端管路连接，所述低温换热器出口端与磁回热器层的第二入口管路连接，所述磁回热器层的第二出口与中间换热器管路连接，所述中间换热器出口端与流体泵入口端管路连接。
上述磁回热器层包括磁回热器基板和m个磁回热器，m为大于1的偶数，所述m个磁回热器均匀固定安装在磁回热器基板上；所述磁回热器由一种或多种不同居里温度的磁制冷工质填充；所述高温级磁制冷系统和最末级低温级磁制冷系统中的磁回热器基板由软磁材料制成，在高温级磁制冷系统和最末级低温级磁制冷系统之间的其他级低温级磁制冷系统的磁回热器基板由非导磁材料制成。
上述磁回热器层中每一个回热器具有双流路通道，每条流路通道上设有一个切换阀,利用切换阀的开关，控制通过回热器的换热流体的流动方向；所述通过每个磁回热器的一条流路通道一端并入本级磁回热器层的第一入口，另一端并入本级磁回热器层的第一出口；所述通过每个磁回热器的第二条流路通道一端并入本级磁回热器层的第二入口，另一端并入本级磁回热器层的第二出口。
上述的复叠式室温磁制冷系统，包括凸轮，所述凸轮的数量与磁回热器层的数量相同；所述凸轮与主轴连接，位于相应磁回热器层的中空腔内；所述凸轮的工作面为凸台和凹槽结构，凸台和凹槽的数量都与凸轮对应磁回热器层中的磁回热器数量相同，利用凸轮的凸轮和凹槽结构控制相应磁回热器层中每个磁回热器配置的两个切换阀的开关，进而控制换热流体的流动方向。所述固定于主轴的凸轮，有效地利用了回热器层中空部空间，同时通过旋转的凸轮曲线以启闭流路切换阀，有利于流路和磁路的耦合。
上述磁体组层包括两个磁体组和非导磁材料；所述非导磁材料为圆盘形，所述主轴穿过圆盘形非导磁材料中点，并与圆盘形非导磁材料固定连接；所述磁体组为两个扇环体形状，所述两个磁体组内弧面对称连接在圆盘形非导磁材料两侧，形成以圆盘形非导磁材料的中心点为中心的对称形状。所述磁体组由钕铁硼材料粘接制成；所述同一磁体组层的两个磁体组的磁极相反设置。
本发明的有益效果是：所述的复叠式磁制冷系统，采用高温级磁制冷系统和至少一级低温级磁制冷系统复叠，利用中间换热器完成冷量传递，克服常规磁制冷系统运行温跨窄、结构复杂的特点，实现宽温区工况运行，获得更低的制冷温度。实现高温级磁制冷系统和每一级低温级磁制冷系统都单独运行，磁路结构紧凑，磁性材料少、结构设计简单，便于加工制作。
附图说明：
图1复叠双层回热器层室温磁制冷系统结构示意图
图2磁体层结构示意图
图3单个磁体组粘接结构图
图4复叠双层回热器层室温磁制冷系统剖面图
图5复叠双层回热器层室温磁制冷系统换热流体流路图
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种复叠式室温磁制冷系统，包括高温级磁制冷系统1和低温级磁制冷系统2，所述高温级磁制冷系统1和低温级磁制冷系统2通过中间换热器i1连接。所述高温级磁制冷系统的各个装置和中间换热器i1通过流路通道闭合管路连接。所述低温级磁制冷系统至少为一级，每级低温磁制冷系统对应的中间换热器为上一级的低温换热器，所述每级低温磁制冷系统的各个装置与对应的中间换热器通过流路通道闭合管路连接。
下面以一种复叠式室温磁制冷系统中的一级低温级磁制冷系统为例，结合附图1-5进行详细说明。
复叠式室温磁制冷系统中的高温级磁制冷系统1包括高温换热器h1、流体泵p1、磁回热器层r1、流路通道；低温级磁制冷系统2包括低温换热器c1、流体泵p2、磁回热器层r2、流路通道。所述高温换热器h1能够释放换热流体中的热量；低温换热器c1能够释放换热流体的冷量。所述流体泵p1；p2能够驱动流路通道内换热流体流动。所述磁回热器层r1；r2为中空圆环状，与复叠式室温磁制冷系统固定安装，通过励磁和去磁，为制冷系统提供热量和冷量。所述流路通道内有换热流体。
复叠式室温磁制冷系统包括中间换热器i1，所述高温级磁制冷系统1和低温级磁制冷系统2通过中间换热器i1连接，中间换热器能够将高温级磁制冷系统1产生的冷量传递至低温级磁制冷系统2中。
所述高温级磁制冷系统1中的流路通道将高温换热器h1、流体泵p1、磁回热器层r1、中间换热器i1闭合管路连接；所述低温级磁制冷系统2中的流路通道将低温换热器c1、流体泵p2、磁回热器层r2、中间换热器i1闭合管路连接。具体连接关系如下：所述高温级磁制冷系统1中的流路通道通过流体泵p1出口端与磁回热器层r1第一入口管路连接，所述磁回热器层r1第一出口与中间换热器i1入口端管路连接，所述中间换热器i1出口端与磁回热器层的r1第二入口管路连接，所述磁回热器层r1的第二出口与高温换热器h1管路连接，所述高温换热器h1出口端与流体泵p1入口端管路连接。所述低温级磁制冷系统2中的流路通道通过流体泵p2出口端与磁回热器层r2第一入口管路连接，所述磁回热器层r2第一出口与低温换热器c1入口端管路连接，所述低温换热器c1出口端与磁回热器层r2的第二入口管路连接，所述磁回热器层r2的第二出口与中间换热器i2管路连接，所述中间换热器i2出口端与流体泵p2入口端管路连接。
复叠式室温磁制冷系统中每一级磁制冷系统中都设置一个磁回热器层r1；r2，包括一个磁回热器基板rb1；rb2和m个磁回热器r11；r12；r13；r14；r21；r22；r23；r24﹒﹒﹒，例如12个回热器。所述磁回热器层基板rb1；rb2由软磁材料制成，例如硅钢片，软磁材料易于磁化和退磁；若复叠式室温磁制冷系统具有多级低温磁制冷系统时，所述高温级磁制冷系统和最末级低温级磁制冷系统中的磁回热器基板由软磁材料制成，在高温级磁制冷系统和最末级低温级磁制冷系统之间的其他级低温级磁制冷系统的磁回热器基板由非导磁材料制成。所述磁回热器是由一种或多种不同居里温度的磁制冷工质填充，每级磁回热器层中的回热器填充工质种类一致，m个磁回热器均匀固定安装在磁回热器基板上。为保证换热流体在流路通道内平稳流动，优选为流经每个回热器层励磁回热器和去磁回热器的流体流量相同，进一步在回热器大小相同的情况下，在同一时间内，励磁回热器的数量和去磁回热器的数量相同，因此，m为大于1的偶数，每个回热器层有励磁的回热器个数为m/2个，每个回热器层有去磁的回热器个数为m/2个。
所述复叠式室温磁制冷系统包括切换阀v11；v12；v13；v14；v21；v22；v23；v24﹒﹒﹒，所述磁回热器层中每一个回热器具有双流路通道，每条流路通道上设有一个切换阀,利用切换阀的开关，控制通过回热器的换热流体的流动方向。所述通过每个磁回热器的一条流路通道一端并入本级磁回热器层的第一入口，另一端并入本级磁回热器层的第一出口；所述通过每个磁回热器的第二条流路通道一端并入本级磁回热器层的第二入口，另一端并入本级磁回热器层的第二出口。具体流程如下：磁回热器层中的部分回热器经历励磁过程，磁热工质温度升高；所述两端并入本级磁回热器层第二入口和第二出口的流路通道上的切换阀开启，所述两端并入本级磁回热器层第一入口和第一出口的流路通道上的切换阀关闭。磁回热器层的其他部分回热器经历去磁过程，磁工质温度降低；所述两端并入本级磁回热器层第二入口和第二出口的流路通道上的切换阀关闭，所述两端并入本级磁回热器层第一入口和第一出口的流路通道上的切换阀开启。上述切换阀开启时，换热流体可以流通，切换阀关闭时，换热流体无法流通。
所述复叠式室温磁制冷系统包括磁体组层m1，由两个磁体组m11；m12和非导磁材料m13构成，位于高温级和低温级的磁回热器层之间。如复叠式室温磁制冷系统具有多级低温磁制冷系统时，磁体组层为多个，位于相邻两级的磁回热器层之间。所述非导磁材料为圆盘形。所述磁体组m11；m12由钕铁硼材料粘接制成，为扇环体形状，也可以采用类似变形形式的磁体组，每个磁体组内弧面对称连接在圆盘形非导磁材料两侧，形成以圆盘形非导磁材料的中心点为中心的对称形状。磁体层剩余部分均由非导磁材料m13构成，同一磁体组层的两个磁体组的磁极相反设置。整个复叠式室温磁制冷系统通过各级磁体层的磁极方向的设置以及各级磁回热器层的回热器基板材料的选用，能够形成一个有序的可控变磁场。
所述复叠式室温磁制冷系统包括主轴a1，所述主轴a1可转动，并贯穿各级磁回热器层r1；r2中空部和磁体组层m1中心位置，所述主轴a1穿过圆盘形非导磁材料中点，并与圆盘形非导磁材料固定连接，以保证磁体层与主轴同步运动；所述主轴a1能够旋转带动磁体组层m1相应旋转，磁体组圆周运动并依次磁化回热器，为磁回热器层中的回热器励磁和去磁提供可控变磁场。各级磁回热器层在可控变磁场的作用下，使回热器内磁热工质温度升高和降低，进而产生热量和冷量，并与换热流体进行热量和冷量交换。
所述复叠式室温磁制冷系统包括凸轮t1，所述凸轮t1具有曲线轮廓，数量与磁回热器层的数量相同；所述凸轮t1与主轴a1连接，位于相应磁回热器层的中空腔内；所述凸轮t1的工作面为凸台和凹槽结构，凸台和凹槽的数量都与凸轮对应磁回热器层中的磁回热器数量相同。所述主轴旋转带动凸轮转动，进而驱动凸轮的凸台和凹槽转动，利用凸轮的凸轮和凹槽结构控制相应磁回热器层中每个磁回热器配置的两个切换阀的开关，进而控制换热流体的流动方向。
以复叠式双层磁回热器层室温磁制冷系统为例，即该系统包括高温级磁制冷系统1和一级低温级磁制冷系统2，结合附图1进行说明。主轴a1旋转带动磁体组层m1相应旋转，形成可控变磁场。磁回热器层r1；r2中部分回热器经历励磁过程，磁热工质温度升高；磁回热器层中其余回热器经历去磁过程温度降低。换热流体在流体泵p1；p2的驱动下在流路通道内流动。在高温级磁制冷系统1中，换热流体流经励磁回热器，与励磁回热器的磁热工质进行热量交换，换热流体吸收热量，并在流入到高温换热器时，将热量释放到外界，随后换热流体流入去磁回热器，与去磁回热器的磁热工质进行冷量交换，吸收去磁回热器中磁热工质的冷量，将冷量释放到中间换热器，随后换热流体流入励磁回热器，进行下一次换热循环。
在低温级磁制冷系统2中，换热流体流经励磁回热器，与励磁回热器的磁热工质进行热量交换，换热流体吸收热量，随后流入到中间换热器时，将热量与高温级磁回热器释放的冷量进行换热，随后换热流体流入去磁回热器，与去磁回热器的磁热工质进行冷量交换，吸收去磁回热器中磁热工质的冷量，将冷量释放到低温换热器，随后换热流体流入励磁回热器，进行下一次换热循环。在复叠式双层磁回热器层室温磁制冷系统的例子中，通过中间换热器可将高温级磁制冷系统1中的冷量传递至低温级磁制冷系统2中，获得低温；同理，如果复叠式室温磁制冷系统为多级复叠，通过中间换热器完成冷量传递，实现宽温区运行，能够获得更低的制冷温度。
结合附图5复叠式双层磁回热器层室温磁制冷系统换热流体流路图为例，对磁回热器层的每个回热器的工作流程进行说明。
在高温级磁制冷系统1中，部分磁回热器经历励磁过程，经历励磁的磁回热器r11与回热器层中的第二入口和第二出口连接的流路通道上的切换阀v11开启，换热流体在该流路通道流通，经历励磁的磁回热器与回热器层中的第一入口和第一出口连接的流路通道上的切换阀v12关闭，然后换热流体经高温换热器释放热量；其他磁回热器经历去磁过程，经历去磁的磁回热器r12与回热器层中的第一入口和第一出口连接的流路通道上的切换阀v14开启，换热流体在该流路通道流通，经历去磁的磁回热器与回热器层中的第二入口和第二出口连接的流路通道上的切换阀v13关闭，换热流体在高温换热器释放热量后，与去磁回热器进行冷量交换，随后将冷量传递至中间换热器，随后继续进行下一次换热循环。
在低温级磁制冷系统2中，部分磁回热器经历励磁过程，经历励磁的磁回热器r21与回热器层中的第二入口和第二出口连接的流路通道上的切换阀v21开启，换热流体在该流路通道流通，经历励磁的磁回热器r21与回热器层中的第一入口和第一出口连接的流路通道上的切换阀v22关闭，然后换热流体经中间换热器i1与高温级磁制冷系统1释放的冷量进行换热；其他磁回热器经历去磁过程，经历去磁的磁回热器r22与回热器层中的第一入口和第一出口连接的流路通道上的切换阀v24开启，换热流体在该流路通道流通，经历去磁的磁回热器r22与回热器层中的第二入口和第二出口连接的流路通道上的切换阀v23关闭，换热流体流入去磁回热器，与去磁回热器进行冷量交换，随后将冷量传递至低温换热器c1，随后继续进行下一次换热循环。
上面介绍的是换热流体按照附图5的实线通道流动，即磁回热器r11；r21为励磁状态，对应的磁回热器r12；r22为去磁状态。由于磁体组的转动，磁回热器层上的每个磁回热器都会反复经历励磁和去磁，当磁回热器r11；r21由励磁状态变为去磁状态，对应的磁回热器r12；r22会相应的由去磁状态变为励磁状态，换热流体按照附图5的虚线通道流动。当磁回热器r11去磁状态，切换阀v11关闭，切换阀v12开启，换热流体在设置有切换阀v12的通道内流动；与r11去磁状态对应的磁回热器r12为励磁状态，切换阀v13开启，切换阀v14关闭，换热流体在设置有切换阀v13的通道内流动。此时，磁回热器r21同为去磁状态，切换阀v21关闭，切换阀v22开启；换热流体在设置有切换阀v22的通道内流动；与r21去磁状态对应的磁回热器r22为励磁状态，切换阀v23开启，切换阀v24关闭，换热流体在设置有切换阀v23的通道内流动。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。