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旋转式磁制冷机的技术研究进展

时间:2022-01-04   访问量:8

旋转式磁制冷机的技术研究进展

 

1、结构特点

旋转式磁制冷机通过磁场和 AMR 的相对旋转运动实现AMR的励磁和退磁。与双AMR型往复式磁制冷机一样,旋转式磁制冷机也能够实现连续制冷,区别在于,前者为了实现连续制冷,换热流体必须配合两个 AMR 的运行状态实时改变流向,因此,流体不是单向流动,易出现死体积与冷热流体混合等问题。而旋转式磁制冷机中换热流体一般为单向流动,避免了死体积与流体混合问题。

往复式磁制冷机运行时有很大的惯性力,限制了其运行频率的提高,导致磁制冷机制冷性能无法提升。旋转式磁制冷机由于采用旋转运动,惯性力影响较小,因此可以实现更高的工作频率。

此外,旋转运动需要的空间较往复运动小,因而系统紧凑;驱动磁场和 AMR 相对运动的功耗更小,制冷机效率更高。高频率运行也对磁制冷机设计提出了更高的要求,磁制冷机流路与散热器都要更加精细地设计,确保在较短的时间内实现良好的换热效果,同时要确保运行时的平稳与低噪声。


2、磁制冷机分类及性能对比

2.1 非嵌套磁场型旋转式磁制冷机

1978年Steyert设计了世界上首台非嵌套磁场型旋转式室温磁制冷机。此类磁制冷机,磁场大多为半圆环形状,AMR为圆盘状。

AMR或磁场在电机带动下做旋转运动,使得磁制冷工质周期性励磁和退磁,从而实现制冷循环。目前的非嵌套磁场型旋转式室温磁制冷机较往复式室温磁制冷机制冷性能有较大的提升,原因有:

(1)运行频率提高,使制冷性能改善;

(2)换热流体多为单向流动,避免了冷热流体混合及死体积造成的能量损失问题;

(3)采用了分层床技术,利用居里温度不同的多种磁制冷工质提高制冷能力。

然而非嵌套磁场型旋转式室温磁制冷机存在流路复杂、管道连接处多、流体泄漏等问题,其流路系统还须进一步优化。

2.2 嵌套磁场型旋转式磁制冷机

嵌套磁场型旋转式磁制冷机结合了旋转式磁制冷机和往复式磁制冷机的优势,结构简单紧凑,运行易于控制,符合小型化、紧凑型发展趋势;可根据需求增加AMR的数量,提高制冷量;静止的 AMR避免了流路复杂、流体泄漏等问题;此外,可与其他制冷方式耦合提升制冷机的性能。然而,由于嵌套磁场中心孔径较小,能容纳的制冷工质较少,磁体的利用率不高,制冷能力有限;此外,由于磁场内外圆筒形磁体尺寸不同,Z低磁场强度不为零,导致AMR退磁时磁场变化量较小,磁制冷工质磁热效应减小,进而导致制冷性能下降,因此仍需要对磁场进行优化。

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