磁制冷装置和磁制冷系统的制作方法

[0001]
本申请涉及磁制冷技术领域，具体涉及一种磁制冷装置和磁制冷系统。


背景技术：

[0002]
磁制冷技术是一种基于磁热效应的固态制冷方式,采用水等环保介质作为传热流体,具有零gwp、零odp、内禀高效、低噪音与低振动等特点,相比低温制领域，在室温范围内，磁制冷有更广阔的应用前景，比如家用冰箱、空调、医疗卫生事业等领域的应用。因此近十几年室温磁制冷技术研发受到世界各国的普遍重视，并取得一些举世嘱目的成就。
[0003]
磁制冷机主要包括五大部分：产生变化磁场的磁场系统、主动式磁工质床(用于放置磁热材料)、冷热端换热器、换热流体循环通路以及配套的动力驱动装置。其中磁场系统根据工作原理分为：电磁体、永磁体和超导磁体。为了使室温磁制冷实用化、商业化,行业内往往采用永磁体。其中永磁体磁制冷机根据运动方式分为旋转式和往复式，相比往复式磁制冷机，为了提高磁制冷机的效率选择旋转式。旋转式磁制冷机又分为旋转磁体式和旋转工质床式。
[0004]
在磁制冷的实际运转当中，不可避免的需要磁工质床与磁体的工作气隙相对运动，然而为了增强磁场气隙的磁场强度，气隙厚度方向往往狭窄；同时为了增加磁工质床在气隙空间的利用率，磁工质床与磁体之间间隙较小，导致磁制冷机运行的过程，受磁力影响，相对运动的磁工质床与磁体气隙处容易产生摩擦和碰撞。


技术实现要素：

[0005]
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种磁制冷装置和磁制冷系统，能够避免磁工质床与磁体之间发生摩擦和碰撞，提高磁制冷装置运行时的稳定性。
[0006]
为了解决上述问题，本申请提供一种磁制冷装置，包括第一磁体组件、第二磁体组件和磁工质床组件，第一磁体组件和第二磁体组件之间形成磁工作区域，磁工作区域包括沿周向交替排布的加磁区域和去磁区域，磁工质床组件包括至少两个沿周向依次排布的磁蓄冷器，磁工质床组件能够相对于磁工作区域沿周向运动，第一磁体组件和第二磁体组件至少其中之一与磁工质床组件之间形成有活动间隙，活动间隙内设置有滚动组件。
[0007]
优选地，第一磁体组件包括第一筒体，第二磁体组件包括第二筒体，磁工质床组件包括由磁蓄冷器组合而成的第三筒体，第一筒体套设在第二筒体外，第一筒体和第二筒体之间形成环形的磁工作区域，第三筒体设置在磁工作区域内。
[0008]
优选地，第一筒体与第三筒体之间形成活动间隙；和/或第三筒体与第二筒体之间形成活动间隙。
[0009]
优选地，滚动组件包括滚珠和保持架，保持架位于活动间隙内，滚珠安装在保持架内。
[0010]
优选地，滚动组件设置在第一筒体与第三筒体之间时，
[0011]
第一筒体与滚珠接触的位置设置有环形沟槽；和/或，第三筒体与滚珠接触的位置
设置有环形沟槽。
[0012]
优选地，滚动组件设置在第二筒体与第三筒体之间时，
[0013]
第二筒体与滚珠接触的位置设置有环形沟槽；和/或，第三筒体与滚珠接触的位置设置有环形沟槽。
[0014]
优选地，滚动组件包括滚子和保持架，保持架位于活动间隙内，滚子安装在保持架内。
[0015]
优选地，第一筒体的两端分别固定连接有第一端盖，第二筒体的两端分别固定连接有第二端盖，第三筒体的两端分别固定连接有第三端盖，第一端盖包括第一轴伸端，第二端盖包括第二轴伸端，第三端盖包括第三轴伸端，第一轴伸端套设在第三轴伸端外，第三轴伸端套设在第二轴伸端外，第一轴伸端和第三轴伸端之间形成活动间隙；和/或第二轴伸端与第三轴伸端之间形成活动间隙。
[0016]
优选地，第三筒体包括多个磁蓄冷器，各磁蓄冷器内分别设置有换热通道，第三端盖上设置有相互隔离的多个流体通道，流体通道与换热通道连通，形成多个并联的换热流道。
[0017]
优选地，换热通道与流体通道一对一地连通。
[0018]
优选地，活动间隙处设置有滚动组件，滚动组件包括滚珠和保持架，滚珠安装在保持架内；或，活动间隙处设置有滚动组件，滚动组件包括滚子和保持架，滚子安装在保持架内。
[0019]
优选地，第一磁体组件和第二磁体组件沿轴向间隔设置，并在轴向间隔处形成磁工作区域，磁工质床组件设置在磁工作区域内。
[0020]
优选地，磁工质床组件包括由多个磁蓄冷器拼接而成的圆盘，第一磁体组件位于圆盘的第一端，并与圆盘的第一端端面配合，第二磁体组件位于圆盘的第二端，并与圆盘的第二端端面配合。
[0021]
优选地，圆盘具有中心孔，第一磁体组件和第二磁体组件通过连接臂固定连接，连接臂位于中心孔内。
[0022]
优选地，第一磁体组件包括多个沿周向间隔排布的第一磁体单元，第二磁体组件包括多个沿周向间隔排布的第二磁体单元，第一磁体单元和第二磁体单元之间通过连接臂一对一连接，形成c形结构。
[0023]
优选地，第一磁体组件远离磁工质床组件的一端端部设置有磁体组件托盘，各第一磁体单元固定安装在磁体组件托盘上。
[0024]
优选地，相邻的第一磁体单元之间的磁体组件托盘上开设有减重槽。
[0025]
优选地，第二磁体组件远离磁工质床组件的一端端部设置有连接器，各第二磁体单元通过连接器连接在一起。
[0026]
优选地，第一磁体单元包括第一端板，第一端板朝向磁工质床组件的一端设置有第一永磁体，第二磁体单元包括第二端板，第二端板朝向磁工质床组件的一端设置有第二永磁体，磁工质床组件位于第一永磁体和第二永磁体之间。
[0027]
优选地，第一磁体单元包括第一极靴和位于第一极靴周侧的多个第一永磁体，第二磁体单元包括第二极靴和位于第二极靴周侧的多个第二永磁体，各第一永磁体的充磁方向朝向第一极靴，各第二永磁体的充磁方向的相反方向朝向第二极靴，第一永磁体外设置
有第一磁轭，第二永磁体外设置有第二磁轭。
[0028]
根据本申请的另一方面，提供了一种磁制冷系统，包括磁制冷装置，该磁制冷装置为上述的磁制冷装置。
[0029]
本申请提供的磁制冷装置，包括第一磁体组件、第二磁体组件和磁工质床组件，第一磁体组件和第二磁体组件之间形成磁工作区域，磁工作区域包括沿周向交替排布的加磁区域和去磁区域，磁工质床组件包括至少两个沿周向依次排布的磁蓄冷器，磁工质床组件能够相对于磁工作区域沿周向运动，第一磁体组件和第二磁体组件至少其中之一与磁工质床组件之间形成有活动间隙，活动间隙内设置有滚动组件。本申请通过磁工质床与磁体的相对旋转运动的方式，实现磁工质床的周期性加磁和去磁，在磁体和磁工质床相对运动的间隙处增加滚动元件，消除了碰撞的可能性，提高了运行的平稳性，减少了因为运动而预留的间隙，进而也提高了磁体气隙的利用率。
附图说明
[0030]
图1为本申请一个实施例的磁制冷装置的立体结构图；
[0031]
图2为本申请一个实施例的磁制冷装置的立体结构图；
[0032]
图3为本申请一个实施例的磁制冷装置的局部剖视图；
[0033]
图4为本申请一个实施例的磁制冷装置的局部剖视图；
[0034]
图5为本申请一个实施例的磁制冷装置的立体结构图；
[0035]
图6为本申请一个实施例的磁制冷装置的俯视结构图；
[0036]
图7为本申请一个实施例的磁制冷装置的剖视结构图；
[0037]
图8为图7的a处的放大结构图。
[0038]
附图标记表示为：
[0039]
1、磁蓄冷器；2、滚动组件；3、第一筒体；4、第二筒体；5、第三筒体；6、滚珠；7、滚子；8、第一端盖；9、第二端盖；10、第三端盖；11、流体通道；12、圆盘；13、中心孔；14、第一磁体单元；15、第二磁体单元；16、连接臂；17、磁体组件托盘；18、连接器；19、第一端板；20、第二端板；21、第一极靴；22、第二极靴；23、减重槽；24、第一永磁体；25、第二永磁体；26、第一磁轭；27、第二磁轭；28、磁工质填充腔。
具体实施方式
[0040]
结合参见图1至图8所示，根据本申请的实施例，磁制冷装置包括第一磁体组件、第二磁体组件和磁工质床组件，第一磁体组件和第二磁体组件之间形成磁工作区域，磁工作区域包括沿周向交替排布的加磁区域和去磁区域，磁工质床组件包括至少两个沿周向依次排布的磁蓄冷器1，磁工质床组件能够相对于磁工作区域沿周向运动，第一磁体组件和第二磁体组件至少其中之一与磁工质床组件之间形成有活动间隙，活动间隙内设置有滚动组件2。
[0041]
在磁制冷装置的实际运转当中，不可避免的需要磁工质床与磁体组件之间发生相对运动，然而为了增强磁场气隙的磁场强度，气隙厚度方向往往狭窄；同时为了增加磁工质床在气隙空间的利用率，磁工质床与磁体之间间隙较小，导致磁制冷机运行的过程，受磁力影响，相对运动的磁工质床与磁体气隙处容易产生摩擦和碰撞。
[0042]
本申请通过磁工质床与磁体组件相对旋转运动的方式，实现磁工质床的周期性加磁和去磁，在磁体和磁工质床相对运动的间隙处增加滚动元件，消除了碰撞的可能性，提高了运行的平稳性，减少了因为运动而预留的间隙，进而也提高了磁体气隙的利用率。
[0043]
第一磁体组件包括第一筒体3，第二磁体组件包括第二筒体4，磁工质床组件包括由磁蓄冷器1组合而成的第三筒体5，第一筒体3套设在第二筒体4外，第一筒体3和第二筒体4之间形成环形的磁工作区域，第三筒体5设置在磁工作区域内。
[0044]
结合参见图1所示，在本申请的第一个实施例中，第一磁体组件为第一筒体3，第二磁体组件为第二筒体4，磁工质床组件为由磁蓄冷器1组合而成的第三筒体5，第一筒体3套设在第二筒体4外，第一筒体3和第二筒体4之间形成环形的磁工作区域，第三筒体5设置在磁工作区域内。
[0045]
本实施例中，公开的是磁制冷装置在筒形磁体形式下，滚动组件的布置方式。该实施方式的磁制冷装置包括但不限于磁体组件、磁工质床组件和滚动组件。
[0046]
本实施例中，第一磁体组件和第二磁体组件均为圆筒形，第一磁体组件位于第二磁体组件的半径方向的外侧，两个磁体组件同轴布置；第一磁体组件和第二磁体组件之间有活动间隙，活动间隙为磁体气隙。
[0047]
磁工质床组件优选的也为圆筒形，相对于第一磁体组件和第二磁体组件同轴布置于磁体气隙当中；磁工质床组件的圆筒形结构中包括若干个磁工质填充腔28，磁工质填充腔28用于填充磁工质材料；磁工质材料为磁热材料，材料内部具有流体通过的通道，一般为多孔材料，多孔材料优选地沿轴向具有分层布置。磁工质床组件的圆筒形结构和第一磁体组件的圆筒形结构之间具有滚动组件2；磁工质床组件的圆筒形结构和第二磁体组件的圆筒形结构之间具有滚动组件2。
[0048]
磁工质床组件包括内环挡板和外环挡板，内环挡板和外环挡板之间形成磁工质填充腔28，相邻的磁工质填充腔28之间通过隔板间隔开，相邻两个隔板将内环挡板和外环挡板所形成的磁工质填充腔28分割成多个磁蓄冷器1，每个磁蓄冷器1的磁工质填充腔28内均填充有磁热材料。
[0049]
滚动组件2包括滚珠6和保持架，保持架位于活动间隙内，滚珠6安装在保持架内。滚珠保持架的作用是保证滚珠在圆周方向运行时之间的间距固定。滚珠保持架根据滚珠的大小、分布数量、排数以及圆周方向的分布直径决定。
[0050]
第一筒体3与第三筒体5之间形成活动间隙。
[0051]
第三筒体5与第二筒体4之间形成活动间隙。
[0052]
实际上，在第一筒体3与第三筒体5之间，以及第三筒体5与第二筒体4之间均设置有活动间隙。然而，对于圆筒形或者圆环形的磁体组件和磁工质床组件的配合结构而言，由于第一磁体组件的圆筒形结构和第二磁体组件的圆筒形结构是同轴且相对固定的，因此只需要限制磁工质床组件的一侧，就能够实现同轴径向约束的作用。
[0053]
此外，对于第一筒体3转动，第二筒体4和第三筒体5固定的结构，或者是第一筒体3和第三筒体5固定，第二筒体4转动的结构，均只需要在第三筒体5与相对转动的筒体之间设置滚动组件2即可。
[0054]
对于第一筒体3和第二筒体4转动，第三筒体5固定的结构，或者是第一筒体3和第二筒体4固定，第三筒体5转动的结构而言，可以仅在第三筒体5一侧的活动间隙内设置滚动
组件2，也可以在第三筒体5两侧的活动间隙内均设置滚动组件2。
[0055]
在一个实施例中，在磁工质床组件位于轴向方向的两端分别设置有滚动组件，优选地，滚动组件在磁工质床组件的两端对称分布于磁场气隙中。
[0056]
在其他的实施例中，滚动组件2也可以具有两排以上的滚珠，设置在磁工质床组件与磁体组件之间，并对称分布在磁工质床组件的两端。
[0057]
滚动组件2设置在第一筒体3与第三筒体5之间时，第一筒体3与滚珠6接触的位置设置有环形沟槽。
[0058]
第三筒体5与滚珠6接触的位置设置有环形沟槽。
[0059]
滚动组件2设置在第二筒体4与第三筒体5之间时，第二筒体4与滚珠6接触的位置设置有环形沟槽。
[0060]
第三筒体5与滚珠6接触的位置设置有环形沟槽。
[0061]
环形沟槽的作用是限定滚动组件在轴向方向的滑动。环形沟槽的深度根据滚珠的大小、分布数量、排数以及圆周方向的分布直径决定。
[0062]
结合参见图2所示，在本申请的第二个实施例中，其与第一个实施例基本相同，不同之处在于，在本实施例中，滚动组件2包括滚子7和保持架，保持架位于活动间隙内，滚子7安装在保持架内。
[0063]
滚子7可以为圆柱体、圆锥体或者圆台等，优选地，滚子7为圆柱体。
[0064]
结合参见图3所示，在本申请的第三个实施例中，其与第一实施例基本相同，不同之处在于，在本实施例中，第一筒体3的两端分别固定连接有第一端盖8，第二筒体4的两端分别固定连接有第二端盖9，第三筒体5的两端分别固定连接有第三端盖10，第一端盖8包括第一轴伸端，第二端盖9包括第二轴伸端，第三端盖10包括第三轴伸端，第一轴伸端套设在第三轴伸端外，第三轴伸端套设在第二轴伸端外，第一轴伸端和第三轴伸端之间形成活动间隙；和/或第二轴伸端与第三轴伸端之间形成活动间隙。
[0065]
第三筒体5包括多个磁蓄冷器1，各磁蓄冷器1内分别设置有换热通道，第三端盖10上设置有相互隔离的多个流体通道11，流体通道11与换热通道连通，形成多个并联的换热流道。
[0066]
第三端盖10中具有与磁工质床组件中的磁工质填充腔28相对应的流体通道11；流体通道11与磁工质填充腔28相连通，每个磁工质填充腔28的轴向两端分别至少具有一个流体通道11。当磁工质填充腔28内填充磁热材料时，在磁热材料中形成有供换热流体流动的换热通道，在一个实施例中，换热通道与流体通道11一对一地连通。
[0067]
优选地，每一个磁工质填充腔28的轴向两端分别与两个流体通道11相连通，从而能够增加流体通道11输送至磁工质填充腔28的换热流体流量。
[0068]
在第三端盖10中具有若干个流体通道11，第三端盖10上具有与每个流体通道11对应的管路连接口。
[0069]
在一个实施例中，活动间隙处设置有滚动组件2，滚动组件2包括滚珠6和保持架，滚珠6安装在保持架内，保持架位于活动间隙内。保持架的作用是保证滚珠在圆周方向运行时之间的间距固定。保持架根据滚珠的大小、分布数量、排数以及圆周方向的分布直径决定。
[0070]
相比第一个实施例，本实施例中为了减小滚动组件的轴向尺寸，将滚动组件布置
于第一端盖8的第一轴伸端、第二端盖9的第二轴伸端和第三端盖10的第三轴伸端之间；第三端盖10的第三轴伸端和第一端盖8的第一轴伸端之间具有滚动组件2；第三端盖10的第三轴伸端和第二端盖9的第二轴伸端之间具有滚动组件2。
[0071]
在一个实施例中，在磁工质床组件位于轴向方向的两端分别设置有滚动组件，优选地，滚动组件在磁工质床组件的两端对称分布于磁场气隙中。
[0072]
在其他的实施例中，滚动组件2也可以具有两排以上的滚珠，设置在磁工质床组件与磁体组件之间，并对称分布在磁工质床组件的两端。
[0073]
结合参见图4所示，在本申请的第四个实施例中，其与第三个实施例基本相同，不同之处在于，在本实施例中，活动间隙处设置有滚动组件2，滚动组件2包括滚子7和保持架，滚子7安装在保持架内。
[0074]
滚子7可以为圆柱体、圆锥体或者圆台等，优选地，滚子7为圆柱体。
[0075]
结合参见图5至图8所示，在本申请的第五实施例中，第一磁体组件和第二磁体组件沿轴向间隔设置，并在轴向间隔处形成磁工作区域，磁工质床组件设置在磁工作区域内。
[0076]
在本实施例中，与前述几个实施例不同的是，本实施例的第一磁体组件与磁工质床组件之间是端面配合，第二磁体组件与磁工质床组件之间也是端面配合，磁工质床组件设置在第一磁体组件和第二磁体组件的轴向间隙内。
[0077]
在本实施例中，磁工质床组件包括由多个磁蓄冷器1拼接而成的圆盘12，第一磁体组件位于圆盘12的第一端，并与圆盘12的第一端端面配合，第二磁体组件位于圆盘12的第二端，并与圆盘12的第二端端面配合。本实施例中的各个磁蓄冷器1为扇环形性结构，因此所拼接出来的圆盘12也为环形结构，可以方便磁工质床组件与两端的磁体组件进行配合。为了避免与磁蓄冷器1相连的换热管路对磁体组件相对于磁工质床组件的转动发生干涉，本实施例中，换热流体管路均连接在磁蓄冷器1的外周面上，在磁蓄冷器1的周向两端分别设置有一个接口，用于实现与换热流体管路的连接。
[0078]
圆盘12具有中心孔13，第一磁体组件和第二磁体组件通过连接臂16固定连接，连接臂16位于中心孔13内。通过在圆盘12的中心设置中心孔13，能够方便连接臂16从第一磁体组件所在侧延伸到第二磁体组件所在侧，实现第一磁体组件和第二磁体组件的连接，从而能够实现第一磁体组件和第二磁体组件的同步转动。
[0079]
第一磁体组件包括多个沿周向间隔排布的第一磁体单元14，第二磁体组件包括多个沿周向间隔排布的第二磁体单元15，第一磁体单元14和第二磁体单元15之间通过连接臂16一对一连接，形成c形结构。在本实施例中，通过采用沿周向间隔排布的第一磁体单元14和沿周向间隔排布的第二磁体单元15相对应设置的方式，能够利用第一磁体单元14和第二磁体单元15形成沿周向交替排布的加磁区域和去磁区域，方便实现对磁工质床组件的加磁和去磁操作。
[0080]
第一磁体组件远离磁工质床组件的一端端部设置有磁体组件托盘17，各第一磁体单元14固定安装在磁体组件托盘17上。
[0081]
相邻的第一磁体单元14之间的磁体组件托盘17上开设有减重槽23，能够减轻磁体组件托盘17的重量，在需要驱动磁体组件转动时，可以降低驱动功率。
[0082]
第二磁体组件远离磁工质床组件的一端端部设置有连接器18，各第二磁体单元15通过连接器18连接在一起，能够将分散的第二磁体单元15固定连接在一起，从而方便实现
对于第一磁体单元14和第二磁体单元15之间的同步转动控制。
[0083]
第一磁体单元14和第二磁体单元15均采用扇形结构，多个第一磁体单元14沿着周向均匀间隔分布，多个第二磁体单元15与第一磁体单元14之间一一对应设置。
[0084]
滚动组件2分别布置在第一磁体单元14与圆盘12之间的活动间隙处，以及第二磁体单元15与圆盘12之间的活动间隙处，可以同时对圆盘12的上表面和下表面进行约束，从而更加有效地避免在磁制冷装置工作过程中，磁体组件与圆盘12之间发生碰撞或者摩擦。
[0085]
在一个实施例中，第一磁体单元14包括第一端板19，第一端板19朝向磁工质床组件的一端设置有第一永磁体24，第二磁体单元15包括第二端板20，第二端板20朝向磁工质床组件的一端设置有第二永磁体25，磁工质床组件位于第一永磁体24和第二永磁体25之间。在第一永磁体24与第二永磁体25相对的位置处，可以产生磁场，从而形成加磁区域，在未设置第一永磁体24和第二永磁体25的区域，由于未产生磁场，或者磁场较弱，可以形成去磁区域，因此，当磁工质床组件在第一永磁体24和第二永磁体25之间的间隙处旋转时，能够不断地进行加磁和去磁，实现热量或者冷量的释放。
[0086]
第一磁体单元14包括第一极靴21和位于第一极靴21周侧的多个第一永磁体24，第二磁体单元15包括第二极靴22和位于第二极靴22周侧的多个第二永磁体25，各第一永磁体24的充磁方向朝向第一极靴21，各第二永磁体25的充磁方向的相反方向朝向第二极靴22，第一永磁体24外设置有第一磁轭26，第二永磁体25外设置有第二磁轭27。本实施例中的第一极靴21和第二极靴22起到聚磁作用，能够更好的把磁力线聚拢到工作气隙区域，使得产生的磁场更加集中，产生更加有效的加磁或者去磁效果，提高磁场利用率，提高磁制冷效率。第一极靴21和第二极靴22采用软磁材料制成。
[0087]
位于永磁体外周侧的磁轭，分布在永磁体的外围，能够有效减少漏磁，提高永磁体的利用率，提高磁制冷装置的工作效率。
[0088]
在本实施例中，各磁体单元包括若干个软磁体和若干相同或不同充磁方向的永磁体块，其中第一永磁体24和第二永磁体25相配合，可以形成c形的磁体结构，能够在c形磁体结构的口内部形成高磁场，磁场强度更强。各个第一永磁体24和第二永磁体25的充磁方向可以按照海尔贝克原理进行布置，使得c形磁体的气隙处产生更高的磁场强度。
[0089]
滚动组件2包括滚珠6和保持架，滚珠6安装在保持架内，保持架位于活动间隙内。保持架的作用是保证滚珠在圆周方向运行时之间的间距固定。保持架根据滚珠的大小、分布数量、排数以及圆周方向的分布直径决定。
[0090]
保持架可以设置在第一极靴21和第二极靴22上，也可以设置在其他的磁轭结构上。
[0091]
在一个实施例中，位于磁工质床组件第一端的滚动组件2和位于磁工质床组件第二端的滚动组件2的设置位置相对应。
[0092]
上述的连接臂16也可以采用软磁材料支撑，从而能够更好地包围永磁体。
[0093]
根据本申请的实施例，磁制冷系统包括磁制冷装置，该磁制冷装置为上述的磁制冷装置。
[0094]
在磁工质床组件的与滚珠接触的位置可以设置环状沟槽，能够使得磁工质床组件与磁体组件之间的运行更加平稳可靠。环形沟槽的结构根据滚珠的大小、分布数量、排数以及圆周方向的分布直径决定。
[0095]
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
[0096]
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。