室温磁制冷机用筒式换向阀及其制冷方法与流程

本发明涉及一种新型筒式换向阀，具体说，涉及一种室温磁制冷机用筒式换向阀及其制冷方法。

背景技术：

制冷技术广泛地应用在人们的日常生活及工业、农业等各个领域。制冷业耗能巨大，目前使用的气体压缩制冷技术存在一些诸如耗能大、效率低、排放气体破坏大气臭氧层、引起温室效应等缺点。制冷业是耗能、污染大户，是需要节能减排的项目之一。因此，研发一种新型的耗能低、无污染的制冷技术是当今制冷界迫切需要解决的问题。

磁制冷与传统的气体压缩制冷技术相比具有效率高、耗能低、环境友好等优点而倍受人们关注，磁制冷的循环效率可以高达50％，而且所用的原料、循环介质没有污染，是一种比较理想的制冷技术。近年来，世界各国都在重视节能减排，而磁制冷正是节能减排项目，因而引起了世界各国、特别是欧美日等国的高度重视，有20多个国家已在开展这方面的研发工作。

瑞士西瑞士应用科技大学热能工程研究所Sari等人提出一种改进的AMR(Active Magnetic Regeneration)循环可以实现冷热端的大温差。美国宇航公司设计研制出COP(Coefficient of Performance)不低于2的大功率室温磁制冷机。日本中部电力运用多级磁工质达到了千瓦级的制冷能力，COP达到6甚至更高，最大制冷功率1.4kW，最大温度变化21K。目前世界各国都在加大室温磁制冷技术的研发投入，加大冷热端温差以及磁制冷工质的形状多样化均有了不错的进展，提高制冷功率和COP也一直是世界各国学者一致追求的目标。对磁制冷的广泛关注有利于这项技术尽快地向实用化迈进，促使磁制冷技术率先在某些领域得到应用。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是提供一种室温磁制冷机用筒式换向阀及其制冷方法，在满足制冷机蓄冷器内部换热流体的换向、换热区与非换热区分离等要求的基础上有效减少系统额外功耗，提高制冷机效率。

技术方案如下：

一种室温磁制冷机用筒式换向阀，包括静止套筒、旋转内芯、齿轮、卡簧以及阀门；旋转内芯套装在静止套筒内，用于开启或者关闭阀门，旋转内芯的两端伸出静止套筒，齿轮和卡簧分别设置在旋转内芯的两端，并位于静止套筒的外侧；阀门设置在静止套筒的外壁上，设置有开关机构，开关机构用于周期性开闭阀门。

进一步：旋转内芯在端部设置有卡槽，卡簧安装在卡槽内。

进一步：齿轮在轴孔内设置有第一键槽，旋转内芯在端部设置有挡板，挡板内侧旋转内芯的外壁上开有第二键槽，齿轮套装在挡板内侧的旋转内芯上，键固定在第一键槽和第二键槽内。

进一步：旋转内芯设置有凸起，凸起的位置与阀门的位置相对应，凸起用于顶起或者落下开关机构，实现阀门的开启或者关闭功能，凸起的顶起角度由制冷机换热区与非换热区角度确定。

进一步：凸起包括第一凸起、第二凸起、第三凸起、第四凸起、第五凸起，第一凸起位于端部位置，第二凸起、第三凸起、第四凸起、第五凸起位于第一凸起和挡板之间。

进一步：第一凸起的形状为开有对称开口的圆形，第二凸起、第三凸起、第四凸起、第五凸起的结构包括杆体和端头。

进一步：开关机构包括上阀体、下阀体、弹簧、阀套；阀套的一端开口，另一端连接上阀体，上阀体设置有出水口；下阀体、弹簧安装在阀套内，弹簧一端连接在下阀体上，另一端伸出阀套外部；下阀体设置有入水口。

一种室温磁制冷机用筒式换向阀的制冷方法，包括：

制冷机运行过程中，当旋转内芯处于第一换热区时，换热流体通过换向阀流经低磁场中蓄冷器进行降温，之后流经冷端的换热器从冷端吸收热量，通过高磁场中蓄冷器进一步升温，之后通过换向阀排入热端的换热器，热端的换热器出口与泵相连；

换向阀由第一换热区转动至第一非换热区时，此时换热流体通过泵由换向阀直接排入水槽或热端换热器，不经过蓄冷器；

旋转内芯继续转动至第二换热区时，换热流体通过泵经由换向阀以与第一换热区换热流体流向相反的方向经过蓄冷器、冷端的换热器、高磁场中蓄冷器，最终通过换向阀排入热端的换热器，至此，在一个循环周期有效的在蓄冷器中形成AMR，达到制冷目的。

优选的：换向阀由第二换热区转动至第二非换热区时，通过泵由换向阀直接排入水槽或热端的换热器，不经过蓄冷器。

优选的：换热流体为水、酒精、乙二醇或氢氧化钠溶液。

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

本发明在满足制冷机蓄冷器内部换热流体的换向、换热区与非换热区分离等要求的基础上有效减少系统额外功耗，提高制冷机效率。

本发明能够实现制冷机系统中换热流体的换向，在蓄冷器中形成AMR(Anisotropy of magnetoresistance，磁阻)以完成制冷，同时减少阀体本身额外功耗以及占用空间；可实现制冷机蓄冷器中换热流体的换向、换热区与非换热区的分离；能够减小制冷机管路系统所占空间，使整机结构更加紧凑、美观、噪音更低。

本发明在满足相应技术要求的基础上，能够有效解决换向阀高能耗、体积大以及开闭噪音等问题，使制冷机结构更加紧凑、美观、效率更高。

附图说明

图1是本发明中室温磁制冷机用筒式换向阀的结构示意图；

图2是本发明中开关机构的结构示意图；

图3是本发明中旋转内芯的结构示意图；

图4是本发明中室温磁制冷机用筒式换向阀在复合式室温磁制冷机系统的使用状态图；

图5是本发明中制冷机磁场系统内磁体旋转时形成的换热区和非换热区角度图；

图6是本发明中旋转内芯旋转至第一换热区时的示意图；

图7是本发明中旋转内芯旋转至第一非换热区时的示意图；

图8是本发明中旋转内芯旋转至第二换热区时的示意图；

图9是本发明中旋转内芯旋转至第二非换热区时的示意图。

具体实施方式

下面参考示例实施方式对本发明技术方案作详细说明。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

如图1所示，是本发明中室温磁制冷机用筒式换向阀的结构示意图。

室温磁制冷机用筒式换向阀(简称换向阀)，包括：静止套筒1、旋转内芯2、齿轮3、卡簧4以及阀门5。旋转内芯2套装在静止套筒1内，用于开启或者关闭阀门5，旋转内芯2的两端伸出静止套筒1，齿轮3和卡簧4分别设置在旋转内芯2的两端，并位于静止套筒1的外侧；阀门5设置在静止套筒1的外壁上，呈直线排列，阀门5设置有开关机构，开关机构在旋转内芯2带动下周期性开启/关闭，阀门5连接橡胶管，供换热流体进出。

旋转内芯2在端部设置有卡槽，卡簧4安装在卡槽内。齿轮3在轴孔内设置有第一键槽，旋转内芯2在端部设置有挡板21，挡板21内侧的旋转内芯2外壁上开有第二键槽，齿轮3套装在挡板21内侧的旋转内芯2上，键固定在第一键槽和第二键槽内。

换向阀采用合适的材料精密加工制成，例如不锈钢、铜、工程塑料、陶瓷等，这些材料可以在保证阀体强度的同时实现较好的密封效果。

如图2所示，是本发明中开关机构的结构示意图。

开关机构的结构包括：上阀体51、下阀体52、弹簧53、阀套54。阀套54的一端开口，另一端连接上阀体51，上阀体设置有出水口55；下阀体52、弹簧53安装在阀套54内，弹簧53一端连接在下阀体52上，另一端伸出阀套54外部；下阀体52设置有入水口，入水口和出水口55错开，不在同一直线上。

旋转内芯2在齿轮3的带动下旋转运动，弹簧53的下端抵在凸起上，凸起做周期性旋转运动，带动下阀体52上下往复移动，使得出水口55周期性开闭。旋转内芯2上共有5组阀门5和开关机构，排布相差某一相位，在齿轮3的带动下，开关机构按设定相位周期性打开或关闭阀门5。

如图3所示，是本发明中旋转内芯2的结构示意图。

旋转内芯2设置有多个凸起，多个凸起的位置分别对应于多个阀门5，凸起用于打开或者闭合阀门5。

本优选实施例中，设置有5个阀门5和5个凸起(包括第一凸起22、第二凸起23、第三凸起24、第四凸起25、第五凸起26)，5个阀门5对应5个凸起，凸起可顶起以及落下阀门5的开关机构，达到阀门5的开闭功能。

第一凸起22位于端部位置，第二凸起23、第三凸起34、第四凸起25、第五凸起26位于第一凸起22和挡板21之间。第一凸起22的形状为开有对称开口的圆形，第二凸起23、第三凸起34、第四凸起25、第五凸起26的结构包括杆体和端头。第一凸起22位于端部位置，第二凸起23、第三凸起34、第四凸起25、第五凸起26的顶起角度可以不同，在不同时间开启不同阀门5，顶起角度由制冷机换热区与非换热区角度确定。

齿轮3通过电机传递动力，带动旋转内芯2转动，有效减少制冷机额外功耗，提高制冷机效率，旋转内芯2的旋转角度与速度和内磁体的转动保持同步，由现有控制系统统一控制。卡簧4可防止旋转内芯2与静止套筒1间发生轴向相对移动，保证旋转内芯2与其他部件相对转动时的整体性。

如图4所示，是本发明中室温磁制冷机用筒式换向阀在复合式室温磁制冷机系统的使用状态图。

阀门5通过接橡胶管供换热流体进出，5个阀门5分别连通或者断开如下部件：蓄冷器6和散热器7，蓄冷器6和散热器7，蓄冷器6和泵8，蓄冷器6和泵8，水槽9和泵8。

如图5所示，是本发明中制冷机磁场系统内磁体旋转时形成的换热区和非换热区角度图。

内磁体旋转360度即一个完整循环，包括两个换热区和两个非换热区，换热区处于最大或者最小磁场附近，各自的角度通过实验研究获得，通过角度以及转速的调整可提升制冷机的性能参数。

旋转内芯2对应各个阀门5的位置有不同角度的凸起，可顶起以及落下阀门5的开关机构，达到阀门5的开闭功能，凸起的角度大小由制冷机换热区与非换热区角度确定。为了保证换热流体每一时刻流过系统内部的路径唯一，考虑到阀门5开关机构的影响，需要对凸起角度进行相应的微调，同时通过换向阀的冷热流体分离，有效实现换热。

如图6所示，是本发明中旋转内芯2旋转至第一换热区时的示意图；如图7所示，是本发明中旋转内芯2旋转至第一非换热区时的示意图；如图8所示，是本发明中旋转内芯2旋转至第二换热区时的示意图；如图9所示，是本发明中旋转内芯2旋转至第二非换热区时的示意图。

换热流体为水、酒精、乙二醇或氢氧化钠溶液。

制冷机运行过程中，当旋转内芯2处于第一换热区时，换热流体通过换向阀流经低磁场中蓄冷器6进行降温，之后流经冷端的换热器7从冷端吸收热量，通过高磁场中蓄冷器6进一步升温，之后通过换向阀排入热端的换热器7，热端的换热器7出口与泵8相连。

换向阀由第一换热区转动至第一非换热区时，此时换热流体通过泵8由换向阀直接排入水槽9或热端换热器，不经过蓄冷器6。

旋转内芯2继续转动至第二换热区时，换热流体通过泵8经由换向阀以与第一换热区换热流体流向相反的方向经过蓄冷器6、冷端的换热器7、高磁场中蓄冷器6，最终通过换向阀排入热端的换热器7，至此，在一个循环周期有效的在蓄冷器中形成AMR(Active Magnetic Regeneration)，达到制冷目的。

换向阀由第二换热区转动至第二非换热区时，此时换热流体流动形式与第一非换热区类似，通过泵8由换向阀直接排入水槽9或热端的换热器7，不经过蓄冷器6。

由于复合式室温磁制冷机制冷床采用AMR蓄冷技术，使得制冷系统在第一、第二换热区要实现换热流体的流向转换。不断重复上述过程在实现制冷机两个换热区换热流体的换向以及换热区与非换热区分离的同时达到制冷目的。

本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。