磁制冷装置、磁制冷系统和磁制冷控制方法与流程

本申请涉及磁制冷技术领域，具体涉及一种磁制冷装置、磁制冷系统和磁制冷控制方法。

背景技术：

磁制冷装置是一种利用磁热材料的物理特性进行制冷的设备，该装置的技术基础是磁热材料的磁热效应，即：在对磁热材料施加变化磁场时，会导致磁热材料温度的升高或者降低，磁场强度增加时材料磁熵减小、放热、温度升高，磁场强度降低时材料磁熵增加、吸热、温度降低。

在磁制冷样机中，一般利用泵驱动流体流过加磁的蓄冷器吸收磁工质释放的热量后流过热端散热器，回归常温的流体再流过去磁的蓄冷器吸收磁工质产生的冷量，在流过冷端散热器将冷量释放，从而构成一个磁制冷循环。

由于磁工质的特性，不同种类的磁工质对应于不同的最佳工作温区，当温度不在最佳工作温区时，磁工质的制冷效率将降低。在实际工作中，由于南北方不同纬度区域的气候差异，以及冬夏温差，设备自身运转热集中等因素，使得制冷设备需要适应较大的温跨；为了在大温跨磁工质平台下，更加有效的利用好磁工质，需要设备对不同温区的磁工质分开处理，而常规的磁工质堆叠在永磁体蓄冷器内，流阻较大，同时不在温区的磁工质工作效率低，还会增加流阻。

技术实现要素：

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种磁制冷装置、磁制冷系统和磁制冷控制方法，能够在环境温度偏离现有磁热材料工作温区时，选择与该环境温度匹配的磁热材料，降低流阻，提高磁热材料工作效率。

为了解决上述问题，本申请提供一种磁制冷装置，包括第一磁制冷组件和第二磁制冷组件，第一磁制冷组件和磁制冷组件相互独立，第一磁制冷组件包括第一电磁铁磁场发生器和第一磁热单元，第一磁热单元设置在第一电磁铁磁场发生器的工作区域内，第二磁制冷组件包括永磁体磁场发生器和第二磁热单元，第二磁热单元设置在永磁体磁场发生器的工作区域内，第一磁热单元和第二磁热单元内的磁热材料的居里温度不同。

优选地，磁制冷装置还包括第三磁制冷组件，第三磁制冷组件和第一磁制冷组件、第二磁制冷组件相互独立，第三磁制冷组件包括第二电磁铁磁场发生器和第三磁热单元，第三磁热单元设置在第二电磁铁磁场发生器的工作区域内，第三磁热单元、第一磁热单元、第二磁热单元三者内的磁热材料的居里温度不同。

优选地，第一磁制冷组件、第二磁制冷组件和第三磁制冷组件依次设置。

优选地，第一磁制冷组件还包括第一外筒，第一电磁铁磁场发生器安装在第一外筒内，第二磁制冷组件包括第二外筒，永磁体磁场发生器包括永磁体定子和永磁体转子，永磁体定子设置在第二外筒内，永磁体转子能够转动地套设在永磁体定子内，并与永磁体定子之间形成工作区域，第一外筒和第二外筒固定连接。

优选地，第一外筒的直径小于第二外筒的直径，第一外筒和第二外筒之间通过第一锥筒连接。

优选地，第一磁制冷组件还包括第一外筒，第一电磁铁磁场发生器安装在第一外筒内，第二磁制冷组件包括第二外筒，永磁体磁场发生器包括永磁体定子和永磁体转子，永磁体定子设置在第二外筒内，永磁体转子能够转动地套设在永磁体定子内，并与永磁体定子之间形成工作区域，第三磁制冷组件还包括第三外筒，第二电磁铁磁场发生器安装在第三外筒内，第一外筒和第二外筒固定连接，第三外筒和第二外筒固定连接。

优选地，第一外筒的直径小于第二外筒的直径，第三外筒小于第二外筒的直径，第一外筒和第二外筒之间通过第一锥筒连接，第三外筒和第二外筒之间通过第二锥筒连接。

优选地，永磁体磁场发生器包括永磁体定子和永磁体转子，永磁体转子能够转动地套设在永磁体定子内，并与永磁体定子之间形成工作区域，永磁体定子采用多块磁体拼接成圆环形，和/或永磁体转子采用多块磁体拼接而成。

优选地，永磁体转子包括第一转子磁体和第二转子磁体，第一转子磁体和第二转子磁体沿周向交替排布，第一转子磁体的磁场强度大于第二转子磁体的磁场强度。

优选地，永磁体定子的多块磁体形成海尔贝克阵列，永磁体转子的多块磁体形成海尔贝克阵列。

优选地，永磁体定子和永磁体转子的磁体采用拓扑优化算法基于磁场等势线分布进行分割形成。

优选地，第一磁热单元内填充低温段磁热材料，第二磁热单元内填充常温段磁热材料，第三磁热单元内填充高温段磁热材料，低温段磁热材料、常温段磁热材料和高温段磁热材料的居里温度递增。

优选地，低温段磁热材料的工作温区为a～b，常温段磁热材料的工作温区为b～c，高温段磁热材料的工作温区为c～d，其中a＜b＜c＜d。

优选地，第一磁制冷组件和第三磁制冷组件均采用单床结构。

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。

优选地，磁制冷系统还包括驱动泵、第一换热器和第二换热器，第二换热器设置在驱动泵的进口端，磁制冷装置设置在驱动泵的出口端，第一换热器设置在磁制冷装置的出口与第二换热器之间，磁制冷装置的出口与第二换热器之间还设置有与第一换热器并联的旁通管路，换热流体能够选择地经旁通管路或经第一换热器流动至第二换热器。

优选地，磁制冷装置与驱动泵之间还设置有控制阀，控制阀能够控制换热流体在磁制冷装置内的流动路径。

根据本申请的另一方面，提供了一种上述的磁制冷系统的磁制冷控制方法，包括：

获取驱动泵的流体流出温度t0；

获取调温空间温度t1；

获取调温空间设定温度t2；

根据t0、t1和t2对磁制冷装置的各磁制冷组件进行控制。

优选地，根据t0、t1和t2对磁制冷装置的各磁制冷组件进行控制的步骤包括：

当|t1-t2|≥tk时，根据流体流出温度t0对各个磁制冷组件进行控制；

若a≤t0＜b，则控制磁制冷系统的流体管路与第一磁热单元连通，同时控制第一电磁铁磁场发生器以频率f1运行；

若b≤t0＜c，则控制磁制冷系统的流体管路与第二磁热单元连通，同时控制永磁体磁场发生器以频率f3运行；

若c≤t0≤d，则控制磁制冷系统的流体管路与第三磁热单元连通，同时控制第二电磁铁磁场发生器以频率f5运行。

优选地，根据t0、t1和t2对磁制冷装置的各磁制冷组件进行控制的步骤包括：

当|t1-t2|＜tk时，根据流体流出温度t0对各个磁制冷组件进行控制；

若a≤t0＜b，则控制磁制冷系统的流体管路与第一磁热单元连通，同时控制第一电磁铁磁场发生器以频率f2运行；

若b≤t0＜c，则控制磁制冷系统的流体管路与第二磁热单元连通，同时控制永磁体磁场发生器以频率f4运行；

若c≤t0≤d，则控制磁制冷系统的流体管路与第三磁热单元连通，同时控制第二电磁铁磁场发生器以频率f6运行。

优选地，磁制冷控制方法还包括：

每隔△t时间检测并更新一次t0、t1和t2；

根据更新后的t0、t1和t2进行负反馈调节。

本申请提供的磁制冷装置，包括第一磁制冷组件和第二磁制冷组件，第一磁制冷组件和磁制冷组件相互独立，第一磁制冷组件包括第一电磁铁磁场发生器和第一磁热单元，第一磁热单元设置在第一电磁铁磁场发生器的工作区域内，第二磁制冷组件包括永磁体磁场发生器和第二磁热单元，第二磁热单元设置在永磁体磁场发生器的工作区域内，第一磁热单元和第二磁热单元内的磁热材料的居里温度不同。本申请的磁制冷装置，将多个相互独立的磁制冷组件进行组合，每个磁制冷组件均具有独立的磁场发生器和磁热单元，因此能够实现对各个磁热单元的独立控制，各个独立的磁制冷组件能够可选择地与流体管路进行连通，因此在温度偏离现有处于工作状态的磁热材料的工作温区时，可以将流体管路匹配连接至与当前温度相适配的磁热单元，从而避免磁热材料工作在不匹配的温区，有效保证磁热材料的工作效率，更加节能有效。本申请的部分磁制冷组件采用电磁铁磁场发生器进行加磁和去磁控制，部分磁制冷组件采用永磁体磁场发生器进行加磁和去磁控制，由于电磁场与永磁场相互独立，因此可以在不同磁场区放置不同温区的磁热材料，且不同温区的磁热材料所具有的流路也相互独立，能够独立工作，且可以在该温区的磁热材料工作时，将其他温区的磁热材料剔除出流路，因此能够避免其他温区的磁热材料对流体流动形成阻碍，降低流阻，提高磁热材料工作效率。

附图说明

图1为本申请一个实施例的磁制冷装置的分解结构图；

图2为本申请一个实施例的磁制冷装置的结构图；

图3为本申请一个实施例的磁制冷装置的第二磁热单元的结构图；

图4为本申请一个实施例的磁制冷装置的永磁体磁场发生器的结构图；

图5为本申请一个实施例的磁制冷装置的永磁体磁场发生器的侧视图；

图6为本申请一个实施例的磁制冷系统的控制原理图；

图7为本申请一个实施例的磁制冷系统的方法原理图；

图8为本申请一个实施例的磁制冷系统的控制流程图。

附图标记表示为：

1、第一磁制冷组件；2、第二磁制冷组件；3、第一电磁铁磁场发生器；4、第一磁热单元；5、永磁体磁场发生器；6、第二磁热单元；7、第三磁制冷组件；8、第二电磁铁磁场发生器；9、第三磁热单元；10、第一外筒；11、第二外筒；12、永磁体定子；13、永磁体转子；131、第一转子磁体；132、第二转子磁体；14、第三外筒；15、驱动泵；16、第一换热器；17、第二换热器；18、控制阀；19、三通阀；20、第一锥筒；21、第二锥筒。

具体实施方式

结合参见图1至图6所示，根据本申请的实施例，磁制冷装置包括第一磁制冷组件1和第二磁制冷组件2，第一磁制冷组件1和磁制冷组件相互独立，第一磁制冷组件1包括第一电磁铁磁场发生器3和第一磁热单元4，第一磁热单元4设置在第一电磁铁磁场发生器3的工作区域内，第二磁制冷组件2包括永磁体磁场发生器5和第二磁热单元6，第二磁热单元6设置在永磁体磁场发生器5的工作区域内，第一磁热单元4和第二磁热单元6内的磁热材料的居里温度不同。

本申请的磁制冷装置，将多个相互独立的磁制冷组件进行组合，每个磁制冷组件均具有独立的磁场发生器和磁热单元，因此能够实现对各个磁热单元的独立控制，各个独立的磁制冷组件能够可选择地与流体管路进行连通，因此在温度偏离现有处于工作状态的磁热材料的工作温区时，可以将流体管路匹配连接至与当前温度相适配的磁热单元，从而避免磁热材料工作在不匹配的温区，有效保证磁热材料的工作效率，更加节能有效。本申请的部分磁制冷组件采用电磁铁磁场发生器进行加磁和去磁控制，部分磁制冷组件采用永磁体磁场发生器进行加磁和去磁控制，由于电磁场与永磁场相互独立，因此可以在不同磁场区放置不同温区的磁热材料，且不同温区的磁热材料所具有的流路也相互独立，能够独立工作，且可以在该温区的磁热材料工作时，将其他温区的磁热材料剔除出流路，因此能够避免其他温区的磁热材料对流体流动形成阻碍，降低流阻，提高磁热材料工作效率。

磁制冷装置还包括第三磁制冷组件7，第三磁制冷组件7和第一磁制冷组件1、第二磁制冷组件2相互独立，第三磁制冷组件7包括第二电磁铁磁场发生器8和第三磁热单元9，第三磁热单元9设置在第二电磁铁磁场发生器8的工作区域内，第三磁热单元9、第一磁热单元4、第二磁热单元6三者内的磁热材料的居里温度不同。

本申请通过增加第三磁制冷组件7，并使得第三磁制冷组件7中第三磁热单元9的磁热材料的居里温度与第一磁热单元4以及第二磁热单元6的磁热材料的居里温度均不相同，因此可以形成三个工作温区，有效加大了磁制冷装置的温跨，提高了磁制冷装置的适应性。

第一磁制冷组件1、第二磁制冷组件2和第三磁制冷组件7依次设置。

在本实施例中，第一磁制冷组件1、第二磁制冷组件2和第三磁制冷组件7均为筒状结构，结构简单，加工方便。

在一个实施例中，第一磁制冷组件1还包括第一外筒10，第一电磁铁磁场发生器3安装在第一外筒10内，第二磁制冷组件2包括第二外筒11，永磁体磁场发生器5包括永磁体定子12和永磁体转子13，永磁体定子12设置在第二外筒11内，永磁体转子13能够转动地套设在永磁体定子12内，并与永磁体定子12之间形成工作区域，第一外筒10和第二外筒11固定连接。

由于第二磁制冷组件2采用了永磁体磁场发生器5，因此使得永磁体定子12和永磁体转子13的外周均为圆形，第二外筒11也为圆筒结构，可以与永磁体定子12的形状匹配，便于实现永磁体定子12在第二外筒11内的安装固定。由于第二磁制冷组件2整体为筒状结构，因此，为了保证外观结构的一致性，第一磁制冷组件1也采用筒状结构。

第一外筒10的直径小于第二外筒11的直径，第一外筒10和第二外筒11之间通过第一锥筒20连接，第一锥筒20在这里起到过渡连接的作用，可以使得第一电磁铁磁场发生器3的结构大小仅需要满足第一磁热单元4的要求，不会受到第二磁制冷组件2的结构影响，结构能够比较紧凑，结构设计更加合理。

在一个实施例中，第一磁制冷组件1还包括第一外筒10，第一电磁铁磁场发生器3安装在第一外筒10内，第二磁制冷组件2包括第二外筒11，永磁体磁场发生器5包括永磁体定子12和永磁体转子13，永磁体定子12设置在第二外筒11内，永磁体转子13能够转动地套设在永磁体定子12内，并与永磁体定子12之间形成工作区域，第三磁制冷组件7还包括第三外筒14，第二电磁铁磁场发生器8安装在第三外筒14内，第一外筒10和第二外筒11固定连接，第三外筒14和第二外筒11固定连接。

第一外筒10的直径小于第二外筒11的直径，第三外筒14小于第二外筒11的直径，第一外筒10和第二外筒11之间通过第一锥筒20连接，第三外筒14和第二外筒11之间通过第二锥筒21连接。

第一锥筒20和第二锥筒21在这里起到过渡连接的作用，可以使得第一电磁铁磁场发生器3的结构大小仅需要满足第一磁热单元4的要求，第二电磁铁磁场发生器8的大小仅需要满足第三磁热单元9的要求，不会受到第二磁制冷组件2的结构影响，使得磁制冷装置的整体结构能够比较紧凑，结构设计更加合理。

永磁体磁场发生器5包括永磁体定子12和永磁体转子13，永磁体转子13能够转动地套设在永磁体定子12内，并与永磁体定子12之间形成工作区域，永磁体定子12采用多块磁体拼接成圆环形，和/或永磁体转子13采用多块磁体拼接而成。

在一个实施例中，永磁体转子13包括第一转子磁体131和第二转子磁体132，第一转子磁体131和第二转子磁体132沿周向交替排布，第一转子磁体131的磁场强度大于第二转子磁体132的磁场强度。

本实施例中的永磁体磁场发生器5包括5种形状的磁体，其中永磁体定子12的每个磁极包括四个磁体，其中两个磁体是对称结构，结构相同，充磁方向不同，永磁体转子13的每个磁极包括两个磁体，两个磁体的结构不同，充磁方向不同，组成永磁体磁场发生器5的各个磁体的充磁方向均与其所在位置处的磁力线走线方向一致。

本实施例中的永磁体定子12形成外环永磁体，永磁体转子13形成内环永磁体，在外环永磁体和内环永磁体之间形成环形气隙，环形气隙内产生六个高场磁场区，六个低场磁场区，永磁体转子13通过轴与电机驱动连接，由电机驱动转动，从而使得高低磁场区域交替变化，产生变化磁场。

永磁体定子12的多块磁体形成海尔贝克阵列，永磁体转子13的多块磁体形成海尔贝克阵列。

永磁体定子12和永磁体转子13的磁体采用拓扑优化算法基于磁场等势线分布进行分割形成。通过计算可知，利用本申请的上述方式所获取的永磁体磁场发生器5，高场强度为1.06t，低场强度为0.20t。

上述的电磁铁磁场发生器均包括线圈和外磁轭，线圈缠绕在外磁轭上，线圈的电流可控，两个外磁轭相对设置，可以在气隙位置产生0～3t的交变磁场，来满足磁热材料的加磁和去磁要求。

在一个实施例中，第一磁热单元4内填充低温段磁热材料，第二磁热单元6内填充常温段磁热材料，第三磁热单元9内填充高温段磁热材料，低温段磁热材料、常温段磁热材料和高温段磁热材料的居里温度递增。

上述的不同温段的磁热材料可以采用不同形貌，例如颗粒状、片状或者微通道形貌等。

低温段磁热材料的工作温区为a～b，常温段磁热材料的工作温区为b～c，高温段磁热材料的工作温区为c～d，其中a＜b＜c＜d。

上述的温区划分可以根据磁制冷装置的应用区域和场合由认为进行划分，也可以由磁制冷系统通过工作过程中的自学习能力自行设定。

在一个实施例中，第一磁制冷组件1和第三磁制冷组件7均采用单床结构。

结合参见图1至图6所示，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。

磁制冷系统还包括驱动泵15、第一换热器16和第二换热器17，第二换热器17设置在驱动泵15的进口端，磁制冷装置设置在驱动泵15的出口端，第一换热器16设置在磁制冷装置的出口与第二换热器17之间，磁制冷装置的出口与第二换热器17之间还设置有与第一换热器16并联的旁通管路，换热流体能够选择地经旁通管路或经第一换热器16流动至第二换热器17。具体而言，本实施例中的旁通管路、第一换热器16和磁制冷装置之间通过三通阀19连接，实现流路控制。

磁制冷装置与驱动泵15之间还设置有控制阀18，控制阀18能够控制换热流体在磁制冷装置内的流动路径。当本实施例的磁制冷装置包括三个磁制冷组件时，该控制阀18例如为四通控制阀。

本申请的磁制冷系统，磁制冷装置采用单床结构，且通过合理设计磁制冷系统的管路结构，仅需要一个磁制冷装置，就能够满足磁制冷系统工作过程中的加磁和去磁切换控制，结构更加简单，成本更低。

在磁制冷系统工作时，驱动泵15驱动流体流动，温度传感器检测流体流出温度为t0，环温传感器检测调温空间温度为t1；当t0处于a～b时，第一电磁铁磁场发生器3开启；第一电磁铁磁场发生器3去磁时，流体流动，在通过四通控制阀控制流体流向第一磁热单元4；经过冷却的流体通过三通阀19流向第一换热器16，经过第一换热器16换热后的流体流向第二换热器17，再回到驱动泵15；在电磁铁加磁时，流体流动，在四通电磁阀的控制下流向第一磁热单元4，之后通过三通阀19流向第二换热器17，从第二换热器17处进行放热，然后回到驱动泵15，此时的第一换热器16不参与换热；第一电磁铁磁场发生器3不断的加去磁，从而不断的循环制冷，产生温度梯度。

当t0处于c～d时，第二电磁铁磁场发生器8开启；第二电磁铁磁场发生器8去磁时，流体流动，在通过四通控制阀控制流体流向第三磁热单元9；经过冷却的流体通过三通阀19流向第一换热器16，经过第一换热器16换热后的流体流向第二换热器17，再回到驱动泵15；在电磁铁加磁时，流体流动，在四通电磁阀的控制下流向第三磁热单元9，之后通过三通阀19流向第二换热器17，从第二换热器17处进行放热，然后回到驱动泵15，此时的第一换热器16不参与换热；第二电磁铁磁场发生器8不断的加去磁，从而不断的循环制冷，产生温度梯度。

当检测温度t0处于温区b～c时，第一电磁铁磁场发生器3和第二电磁铁磁场发生器8关闭，电机带动永磁体转子13运动；去磁时，从驱动泵15中流出的流体通过四通控制阀，流向去磁的第二磁热单元6，再通过三通阀19流向第一换热器16，换热后的流体流向第二换热器17，最终回到驱动泵15，从而制冷；加磁时，从驱动泵15中流出的流体通过四通控制阀，流向加磁的第二磁热单元6，换热后的流体通过三通阀19和旁通管路流向第二换热器17，最终回到驱动泵15，从而构成一个完整的回路，此时的第一换热器16不参与换热。

结合参见图7和图8所示，根据本申请的实施例，上述的磁制冷系统的磁制冷控制方法包括：获取驱动泵15的流体流出温度t0；获取调温空间温度t1；获取调温空间设定温度t2；根据t0、t1和t2对磁制冷装置的各磁制冷组件进行控制。

根据t0、t1和t2对磁制冷装置的各磁制冷组件进行控制的步骤包括：当|t1-t2|≥tk时，根据流体流出温度t0对各个磁制冷组件进行控制；若a≤t0＜b，则控制磁制冷系统的流体管路与第一磁热单元4连通，同时控制第一电磁铁磁场发生器3以频率f1运行；若b≤t0＜c，则控制磁制冷系统的流体管路与第二磁热单元6连通，同时控制永磁体磁场发生器5以频率f3运行；若c≤t0≤d，则控制磁制冷系统的流体管路与第三磁热单元9连通，同时控制第二电磁铁磁场发生器8以频率f5运行。

根据t0、t1和t2对磁制冷装置的各磁制冷组件进行控制的步骤包括：当|t1-t2|＜tk时，根据流体流出温度t0对各个磁制冷组件进行控制；若a≤t0＜b，则控制磁制冷系统的流体管路与第一磁热单元4连通，同时控制第一电磁铁磁场发生器3以频率f2运行；若b≤t0＜c，则控制磁制冷系统的流体管路与第二磁热单元6连通，同时控制永磁体磁场发生器5以频率f4运行；若c≤t0≤d，则控制磁制冷系统的流体管路与第三磁热单元9连通，同时控制第二电磁铁磁场发生器8以频率f6运行。

磁制冷控制方法还包括：每隔△t时间检测并更新一次t0、t1和t2；根据更新后的t0、t1和t2进行负反馈调节，直至关机结束工作。

上述的f1＞f2，f3＞f4，f5＞f6，上述的各个磁场发生器的运行频率可以由磁制冷系统根据检测到的参数进行自动调控，也可以利用经验公式等进行调节。

本申请的上述控制方法，能够使得磁制冷系统的各个磁热单元始终工作在最佳的工作温区，同时可以根据调温空间温度和调温空间设定温度的差值调节流体流量与磁场发生器的工作频率，从而有效提高磁制冷系统的工作性能和工作效率。

上述的调温空间为需要进行温度调节的空间。例如当磁制冷系统用于房间温度调节时，此时的调温空间为室内，外部环境为室外，当磁制冷系统用于冰箱或者冰柜时，此时的调温空间为箱内或柜内空间，外部环境为箱外或柜外该空间。因此，此处的调温空间和外部空间为相对空间，并非特指，而是由调整温度所要实现的目的而定。

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。

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。