專利名稱：一種新型的磁制冷機(jī)工質(zhì)輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁制冷機(jī)用的工質(zhì)輪結(jié)構(gòu)及材料，特別是用于旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)。
技術(shù)背景磁制冷是基于材料的磁熱效應(yīng)來制冷的，即對磁熱材料施加磁場，則磁熱材料磁熵降低， 放出熱量，如果用流體冷卻，取出磁化熱，則當(dāng)撤消磁場時，材料則降低溫度，這就是磁熱 效應(yīng)。在磁制冷機(jī)中，磁工質(zhì)在磁化、退磁等循環(huán)過程中，都有換熱問題。為使換熱效率及整 個制冷系統(tǒng)效率更高，磁工質(zhì)往往要作成顆粒狀(一般為())O. 3-0. 8mm)、薄片狀(厚度為0. l隱 或更小)，以增加換熱面積(如以(()0.5mm的釓球?yàn)槔?，其單位體積的表面積約為8400m7m3)。將工質(zhì)作成粒狀、薄片狀可使傳熱效率及系統(tǒng)效率提高；但同時也產(chǎn)生另一問題，即工 質(zhì)進(jìn)入磁場空間后，所受的磁場力問題。磁工質(zhì)的類別大致可分為三類純金屬、合金和化 合物。但不管是哪一類，其力學(xué)性能都不太好，粒狀或薄片狀的工質(zhì)，本身都無法抵抗強(qiáng)大 的磁場與其相互作用力。為此一般把粒狀工質(zhì)裝在一個小盒(工質(zhì)盒)中，對于旋轉(zhuǎn)式樣機(jī)， 該工質(zhì)盒是一個環(huán)形體；對于往復(fù)式樣機(jī)，則往往是柱形室。工質(zhì)盒與裝在其中的工質(zhì)和輪 轂共同組成一組件，即工質(zhì)輪，用整個工質(zhì)輪的強(qiáng)度和剛度來平衡磁場與工質(zhì)的相互作用力。 在旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)中，工質(zhì)輪是主要的組件之一，也正是靠工質(zhì)輪連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，使工質(zhì) 交替進(jìn)出磁場，反復(fù)不斷地磁化、退磁及與蓄冷液的換熱，達(dá)到制冷的目的。工質(zhì)輪的結(jié)構(gòu)與材料是非常關(guān)鍵的，要抵抗強(qiáng)大的磁力作用，要求它有高的強(qiáng)度和剛度， 而同時工質(zhì)盒中裝填的工質(zhì)與工質(zhì)盒壁緊密接觸，當(dāng)工質(zhì)退磁降溫制冷時，如果工質(zhì)盒的材 料不是具有磁熱性能的材料，則磁工質(zhì)產(chǎn)生的制冷量，必然有一部分消耗在工質(zhì)盒壁上，因 此制造工質(zhì)盒的材料最好是用具有磁熱效應(yīng)的材料。但是，現(xiàn)在幾乎所有的磁制冷機(jī)所用工質(zhì)盒的材料都是普通的結(jié)構(gòu)材料，如不銹鋼、工 程塑料等。在磁制冷循環(huán)中，磁工質(zhì)產(chǎn)生的制冷量有相當(dāng)大的一部分要消耗在工質(zhì)盒的盒壁 上。例如J.A. Barclay是把(j)0.5隱的GGG工質(zhì)裝在不銹鋼環(huán)室中構(gòu)成工質(zhì)輪(Adv. Cryog. Eng. 31:743， 1986.); L. D. Kirol是把0. 076mm厚的釓片膠接成釓片組，上、下各用2. 5mm厚的 不銹鋼片壓緊構(gòu)成工質(zhì)輪(Adv. Cryog. Eng., 33 : 757 765， 1987.);日本的Okamura是 把小O. 6mm的禮球及Gd-Dy合金裝在圓筒內(nèi)構(gòu)成工質(zhì)輪(First IIF-IIR International Conference on Magnetic Refrigeration at Room Temperature, 319 324， 2005)，該工質(zhì) 盒雖然沒直接說明所用的材料，但他做冷損試驗(yàn)的方法表明工質(zhì)盒是由"非磁性"材料做成
(冷損試驗(yàn)的方法為將樣機(jī)內(nèi)所有磁工質(zhì)取出，然后通循環(huán)水，馬達(dá)未啟動前測出循環(huán)水 平衡溫度為2(TC;啟動馬達(dá)并運(yùn)行一段時間后，測出循環(huán)水平衡溫度為28"C，即水溫升高8 'C，他認(rèn)為是冷損—由摩擦及環(huán)境漏熱等引起的冷量損失，與磁性材料無關(guān)。這也就是說，工質(zhì)盒是非磁性材料做成的)。Zi咖的磁制冷機(jī)的工質(zhì)盒(Ring-shape regenerator bed) 是由塑料或環(huán)氧玻璃鋼做成(U.S. Patent 5934078， 1999; U.S. Patent 6526759 B2， 2003)。 用非磁熱材料做工質(zhì)盒將導(dǎo)致制冷量的損失及退磁溫降的減少。其原因是當(dāng)磁工質(zhì)離 開磁場，退磁降溫時，也必定要使非磁熱材料降溫，從而把冷量的一部分消耗在非磁熱材料 上。假設(shè)磁工質(zhì)Gd的質(zhì)量為MM，比熱為Cpw，絕熱溫變?yōu)锳T吣理想的制冷量為AQi，非磁性 材料的質(zhì)量為Mn，比熱為Cpn，并設(shè)實(shí)際溫度變化為Ai;，有效制冷量為ML，則可給出下列熱 量平衡式Aft = ArGd x C~ x MGd = A7; (C,Gd + C戸M") (1)則△re = Ar"——^——^^ < Arrd (2)A" = ArCTC-MGrf - A7;C戸M" < Ag,. ( 3 )也可以設(shè)一個具體的數(shù)字來計(jì)算，假設(shè)用lkg釓裝在不銹鋼工質(zhì)盒中，盒質(zhì)量為0.3kg， 并假定某一磁場可使釓的絕熱溫變?yōu)锳7^二3K，不銹鋼的比熱為0.477J/g.K，釓的比熱為0. 24J/g. K。在這種情況下，根據(jù)公式(2)算得A7; ^1. 88K，每循環(huán)理想制冷量為=720J，每循環(huán)實(shí)際制冷量A込^451J，則A込/AQ^62.6X，即37%的制冷量損失掉了 。也可用另一種方法近似估算非磁熱材料引起制冷量的損失。假定磁熱效應(yīng)產(chǎn)生的絕熱溫 變?nèi)詾?K，有l(wèi)g塑料(比熱為1.4J/g.K)與磁工質(zhì)接觸，磁制冷機(jī)的轉(zhuǎn)速為l轉(zhuǎn)/秒，即質(zhì) 量轉(zhuǎn)速為lg/秒，這種情況下，lg塑料導(dǎo)致制冷功率的損失為"rxC^ xA = 3xl.4xl = 41即在以上工況下，lg塑料就可引起4.2W的功率損失，該數(shù)字是相當(dāng)驚人的。如果采用具有磁熱效應(yīng)的釓或釓基合金做工質(zhì)盒，以上式(1)為例來計(jì)算，此時工質(zhì)盒是磁熱材料，因而不但不會損失冷量，反而多產(chǎn)生制冷量，因此其有效制冷量為△g/ = ArGd(CpGrfMGrf + C戸Af )(注Cpn、 Mn己是磁工質(zhì)釓的參數(shù)) (4) 如果考慮實(shí)際情況，工質(zhì)盒所用的釓由于單位體積的表面積不大，傳熱效率偏低，假設(shè)此部
分制冷量只利用20%，則此時每循環(huán)的有效制冷量為A込=763. 2J，即采用具有磁熱效應(yīng)的材料作工質(zhì)盒后，有效制冷量為原來的1. 69倍。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決已有的工質(zhì)輪所存在的問題，采用具有磁熱效應(yīng)的材料作工質(zhì)盒(包 括盒蓋)，使得具有磁熱效應(yīng)的磁工質(zhì)的量大大增加，可有效地增加制冷機(jī)的制冷功率和溫跨。本發(fā)明所提供的工質(zhì)輪由工質(zhì)盒(包括盒蓋)和輪轂構(gòu)成，工質(zhì)輪在電機(jī)的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動， 裝有磁工質(zhì)的工質(zhì)盒反復(fù)進(jìn)、出磁場。工質(zhì)盒用具有磁熱效應(yīng)的材料來作，輪轂始終在磁場 外，用不銹鋼來作，以保證輪的強(qiáng)度和剛度。工質(zhì)盒與不銹鋼輪轂間的連接采用搭接，接縫 用環(huán)氧樹脂粘結(jié)，并在周圍用紫銅鉚釘加強(qiáng)。環(huán)氧樹脂粘接工藝采用室溫固化工藝，環(huán)氧樹 脂與固化劑聚酰胺的比例約為l:l，在粘涂環(huán)氧樹脂前，先將膠接面用砂紙打毛，用丙酮清 洗，充分去油、去污，然后往膠接面上涂膠，再用鉚釘加固，最后室溫靜置24小時，既可應(yīng) 用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為采用在工作溫區(qū)具有較好磁熱效應(yīng)的材料作工質(zhì)盒及盒蓋，可大大增 加制冷功率及溫跨，工質(zhì)盒與輪轂組成復(fù)合工質(zhì)輪，保證其強(qiáng)度和剛度。


圖1為工質(zhì)輪的結(jié)構(gòu)2為工質(zhì)盒的結(jié)構(gòu)主視3為圖2的局部結(jié)構(gòu)放大示意4為盒蓋的平面結(jié)構(gòu)5為圖4中A-A剖面圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖給出實(shí)施例并對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。但需指出的是該實(shí)施例不能理解為 對本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，其它對本發(fā)明所作出的非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù) 范圍。如圖1所示，本發(fā)明是由工質(zhì)盒l(wèi)、盒蓋3、輪轂5組成。輪轂5用不銹鋼來作，以保證輪的強(qiáng)度和剛度。工質(zhì)盒l(wèi) (釓)與不銹鋼輪轂5間的連 接采用搭接，接縫用環(huán)氧樹脂粘結(jié)，并在周圍用8個(()2mm的紫銅鉚釘14加強(qiáng)。環(huán)氧樹脂粘 接工藝采用室溫固化工藝，環(huán)氧樹脂與固化劑聚酰胺的比例約為1:1，在粘涂環(huán)氧樹脂前， 先將膠接面用砂紙打毛，用丙酮清洗2-3次，充分去油、去污，然后往膠接面上涂膠，再用 鉚釘加固，最后室溫靜置24小時，既可應(yīng)用。應(yīng)用時，工質(zhì)盒1處在不銹鋼的外殼中(4為
外殼上部分)，工質(zhì)輪在電機(jī)驅(qū)動下使得工質(zhì)盒l(wèi)反復(fù)進(jìn)出磁場，磁場由磁體13提供。圖2是本發(fā)明的工質(zhì)盒1的具體結(jié)構(gòu)，工質(zhì)盒1是由金屬釓作成的環(huán)形體，并由徑向隔 條6將環(huán)形體分成數(shù)個扇形小室(如可分成36個)，隔條6及扇形小室的內(nèi)壁7、外壁8和 底9的厚度均為lmm，并且在內(nèi)壁7和外壁8上各鉆有+lmm的孔13 (至少8個)，以讓冷卻 流體通過。鉆孔后的內(nèi)壁7、外壁8上粘上200目的不銹鋼絲網(wǎng)10 (用環(huán)氧樹脂粘接)，以防 顆粒狀的磁工質(zhì)2漏出小室。在隔條6與內(nèi)壁7、外壁8的交匯處為R3的圓弧形，以保證能 在此處加工M2的螺釘孔11 (如圖3所示)，另外，弧形對流體流動也有利。盒蓋3也用金屬 釓作成，厚2mm，并與工質(zhì)盒相配，在內(nèi)、外邊緣處各鉆18個沉頭螺釘用的螺釘孔，如圖4 所示。圖5是圖4的A-A剖面圖，并給出了開螺釘孔的要求。
權(quán)利要求
1、工質(zhì)輪由工質(zhì)盒1、盒蓋3和輪轂5等組成，其特征在于工質(zhì)盒1和盒蓋3均用具有磁熱效應(yīng)的材料作成。
全文摘要
本發(fā)明描述一種新型的磁制冷機(jī)工質(zhì)輪。工質(zhì)輪由工質(zhì)盒、盒蓋和輪轂組成；工質(zhì)盒中裝填磁制冷工質(zhì)，工質(zhì)盒本身用具有磁熱性能的結(jié)構(gòu)材料作成，并通過輪轂進(jìn)一步加強(qiáng)，在保證工質(zhì)盒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度的同時，可使磁制冷機(jī)的制冷功率大大提高。
文檔編號F25B21/00GK101118103SQ20071005008
公開日2008年2月6日 申請日期2007年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者唐永柏, 涂銘旌, 王保木, 薛勤秀, 陳云貴 申請人:四川大學(xué)