一种磁制冷装置以及系统装置

1.本发明属于磁制冷技术领域，涉及一种磁制冷装置以及系统装置。


背景技术：

2.1921年德拜提出了采用绝热去磁制冷的获得低温的方式，该方法随后成为了一种标准的获得低温的方法。该方法采用磁场操控磁熵实现制冷效果的。具体结构由磁体、制冷工质、热开关、热连接，电连接等几个部分组成。
3.最为常见的商用磁致冷采用一个磁体和两种磁制冷工质。这两种工质采用上下布局。该设计利用了磁场的不均匀性和两种工质的不同制冷特性。其中主要的部分是上部磁致冷工质。这部分工质偏心的占据磁体内部较大的空间，它所处的磁场在磁体中心强磁场部分。典型工质如faa，这部分工质用于获取低温如100mk。另一个工质在磁体下部，磁场相对较弱。这部分工质(典型的ggg)用于获得相对高的温度如1k。这部分高温工质通过悬挂机构悬吊在高温热沉处，低温工质悬吊在1k工质法兰上。在这总布局条件下采用一个磁体在去磁的时候两个工质同时降温。1k工质降温阻断高温端的漏热使得100mk工质获得更长的制冷维持时间。
4.但是这种布局有如下致命的缺点：(1)1k工质和100mk工质受力不均衡，在充磁磁化的过程中1k工质和100mk工质受到强磁场作用，都向磁场中心移动。这就造成了100mk工质和1k工质之间悬挂机构非常大的相互作用力，造成可靠性隐患；(2)100mk工质通过形成很长的悬臂梁悬挂在1k工质上，受力及其不合理容易形成碰撞影响可靠性；(3)整体抗振动能力差，由于100mk工质在这种条件下共振频率地，不利于有振动的环境应用；(4)悬挂机构设计非常复杂。
5.因此如何提供一种磁制冷装置具有结构简单和受力平衡的特点，成为目前迫切需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种磁制冷装置以及系统装置，通过高温工质和低温工质位置关系配合，使装置的整体对外合力为0，便于装置布局，具有结构简单、适用性强和可靠性高等特点。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种磁制冷装置，所述磁制冷装置包括超导磁体，所述超导磁体的磁场空腔设置有工质模块，所述工质模块包括低温工质，沿所述磁场空腔的轴线方向，所述低温工质的两侧分别设置有高温工质。
9.本发明将高温工质分别设置于低温工质的两侧，采用工质采用对置布局，使得整体结构受力更加合理，抗振动能量更强。此外，由于对置布置，还可以使用户同时从两端获取极低温，用户使用更加方便；此外，本发明由于采用了两端支撑，整体布局可以呈任意角度。
10.本发明的工作原理主要包括：
11.本发明首先磁体充磁，高温工质和低温工质磁化，由于磁体建造的物理特性，中心区域的磁场强，两端磁场较弱。低温工质由于处于磁场中心位置，在磁化过程中不受磁场力作用。两块高温工质受到大小相同，方向相反磁场力作用，由于这两块高温工质通过结构件进行了连接，该力为内力，对外合力为0，因此悬挂机构不受额外的载荷。高温工质和低温工磁化放出热量，此时热开关导通。热量排除到高温热沉端。磁化完成后断开热开关，降低磁场，通过绝热去磁过程温度降低，提取制冷量。由于低温工质与高温工质始终外力为0，对悬挂机构不产生额外负载。
12.作为本发明的一个优选技术方案，所述低温工质设置于所述磁场空腔的磁场中心。
13.优选地，位于所述低温工质两侧的所述高温工质对称排布。
14.本发明将低温工质设置于磁场中心，在充磁和去磁的过程中，不受额外的力的作用。
15.作为本发明的一个优选技术方案，所述低温工质包括低温磁热材料。
16.优选地，所述低温磁热材料包括顺磁盐。
17.优选地，所述顺磁盐包括硫酸铁铵、硫酸铬钾、硝酸铈镁镧、铬铯矾、硫酸锰铵或硝酸铈镁中的一种或至少两种的组合。
18.需要说明的是本发明中低温工质包括但不限于以上材料。
19.优选地，所述高温工质包括高温磁热材料。
20.优选地，所述高温磁热材料包括gd3gao
12
、gdlif4、dy3ga5o
12
或mn(so4)2(nh4)2中的一种或至少两种的组合。
21.需要说明的是本发明中高温磁热材料包括但不限于以上材料。
22.作为本发明的一个优选技术方案，所述磁制冷装置包括支撑架，所述支撑架上设置有悬挂机构，所述悬挂机构用于固定工质模块。
23.优选地，所述高温工质设置有高温导热支撑结构。
24.需要说明的是，高温导热支撑结构可以设置于远离低温工质的一侧面，也可以是将整个高温工质包覆；进一步地，本发明对高温工质与高温导热支撑结构的固定方式不做具体要求和特殊限定，例如高温导热结构为导热法兰，高温工质通过粘接、钎焊、机械固定、冷缩或热缩等方式固定至导热法兰。
25.优选地，所述高温导热支撑结构通过悬挂机构固定于支撑架上。
26.需要说明的是，本发明中一实施例中支撑架采用低导热材料，支撑架可直接固定设置于磁体或热沉上，支撑架材料高导热材料，支撑架通过悬挂机构固定在磁体或热沉上，本领域技术人员可根据设计要求合理布置。本发明对悬挂机构的结构不做具体要求和特殊限定，示例性地提供一种悬挂机构，包括张紧结构、调节结构和对准结构，从而对磁制冷装置的位置和状态进行调整固定，进一步地，悬挂机构采用低导热材料制成，包括但不限于凯夫拉纤维、peek、聚酰亚胺、碳纤维、尼龙、hdpe和石英玻璃等。
27.作为本发明的一个优选技术方案，所述低温工质设置有位于低温工质两端的低温导热支撑结构。
28.优选地，所述低温工质通过导热连接杆连接低温导热支撑结构，所述导热连接杆
穿过所述高温工质与所述低温导热支撑结构连接。
29.优选地，所述低温导热支撑结构通过悬挂结构固定于支撑架上。
30.本发明使得高温工质和低温工质都处于两端支撑状态，受力较现有技术中采用长悬臂结构更加合理，低温工质在充磁和去磁过程中布置在磁场中心，不受额外的力的作用。
31.在现有技术中，由于高温工质和低温工质都是单端长悬臂梁设计，为了能够在6个自由度固定两个工质，固定端受力很大，因此需多个悬挂机构从多个自由度来固定制冷工质。本发明由于采用了对置布置和两端支撑，受力更加合理，常见的3线悬挂机构即可保证工质的可靠固定，本发明不限定具体的悬挂机构形式，可以是三线也可以采用星形布局等。
32.作为本发明的一个优选技术方案，所述工质模块包括固定套筒，所述固定套筒将位于低温工质两侧的高温工质套设固定。
33.本发明通过设置固定套筒将两个高温工质套设固定，形成机械连接，进一步提高装置的稳定性，对于固定套筒与装置结构的连接方式，可以与高温工质固定连接，也可以与高温导热支撑结构固定连接，具有很好的安装适配性。
34.需要说明的是，本发明中套筒的截面形状与高温工质的结构相关，故本领域技术人员可根据高温工质的形状合理选择，例如为方形、六角形。
35.优选地，所述固定套筒上设置有镂空结构。
36.本发明中，通过在固定套筒上设置镂空结构，从而降低重量，避免涡流损失。
37.作为本发明的一个优选技术方案，所述磁制冷装置包括热沉，所述低温工质和高温工质均与热沉热连接。
38.优选地，所述热沉固定设置于支撑架上。
39.优选地，所述低温工质和高温工质均通过热开关与热沉热连接。
40.需要说明的是，在本发明的一个实施例中，低温工质和高温工质分别通过低温导热支撑结构和高温导热支撑结构进行热量导出，低温导热支撑结构和高温导热支撑结构分别通过不同的热开关与热沉热连接；或，低温导热支撑结构通过热开关与高温导热支撑结构热连接，然后高温导热支撑结构再通过另一热开关与热沉热连接。
41.作为本发明的一个优选技术方案，所述磁制冷装置呈水平方向布置、竖直方向布置或倾斜角度布置。
42.需要说明的是，本发明中水平方向布置代表的是，超导磁体内磁体空腔的轴线方向与水平方向一致；竖直方向布置代表的是，超导磁体内磁体空腔的轴线方向与水平方向垂直。
43.本发明采用两端支撑和悬挂的方式，使高温工质和低温工质受力更加合理，根据磁场可以设计工质大小使其对外合力为0，提高了可靠性，而且两端支撑使得悬挂机构设计更加简单；振动特性提高，适合航天应用，可以从两端都输出制冷量，现有技术中超导磁体轴线只能采用上下方向设置，而本技术能够任意角度布置，便于装置布局。
44.优选地，所述低温导热支撑结构和高温导热支撑结构均外延至所述超导磁体的外周。
45.优选地，所述超导磁体设置有磁屏蔽结构。
46.本发明便于将导热结构设置于磁体的外周，便于磁屏蔽，例如将100mk法兰布置在磁体侧面，此处磁场较小，非常有利于对磁场敏感的应用。
47.作为本发明的一个优选技术方案，所述高温工质与高温导热支撑结构连接处设置有固定结构。
48.优选地，所述固定结构包括连通管，所述连通管贯穿所述高温工质和高温导热支撑结构，所述高温工质远离高温导热支撑结构的一侧设置有接头，所述接头与连通管的伸出端螺纹连接，所述接头与连通管旋紧固定所述高温工质和高温导热支撑结构，所述导热连接杆通过所述连通管穿过所述高温工质和高温导热支撑结构。
49.优选地，所述连通管伸出高温导热支撑结构的一侧设置有旋紧件和防松结构，所述旋紧件与连通管螺纹旋紧固定，所述防松结构设置于旋紧件与高温导热支撑结构之间。
50.本发明通过设置固定结构，通过设置一端具有螺纹结构的连通管，另一端固定在高温导热支撑结构上，连通管具有螺纹结构的一端穿过高温工质，采用接头旋入螺纹结构，利用旋紧结构将高温工质固定在高温导热支撑结构上，并具有防松结构，防止低温下松脱，具有紧固性高和可靠性强等特点。
51.需要说明的是，防松结构包括但不限于波形垫圈、弹性垫圈或蝶形垫圈等补偿温度变化的结构。
52.第二方面，本发明提供了一种磁制冷系统装置，所述磁制冷系统装置包括至少一个第一方面所述的磁制冷装置。
53.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
54.(1)高温工质和低温工质的受力状态更加合理：该设计条件下使得高温工质和低温工质都处于两端支撑状态，相比于现有技术中长悬臂结构，受力更加合理，低温工质在充磁和去磁过程中布置在磁场中心，不受额外的力的作用。
55.(2)简化了悬挂机构的设计：现有技术中由于高温工质和低温工质都是单端长悬臂梁设计，为了能够在6个自由度固定两个工质，固定端受力很大，因此需多个悬挂机构从多个自由度来固定制冷工质。本发明由于采用了对置布置和两端支撑，受力更加合理，常见的3线悬挂机构即可保证工质的可靠固定。
56.(3)本发明通过高温工质设置在低温工质的两端，能够在两端同时获得两种温度，比如100mk和1k的极低温。
57.(4)本发明通过将导热支撑结构外延至磁体侧面，减少磁场影响。
58.(5)本发明中对于支撑结构和悬挂结构无外力作用，便于整体安装。
附图说明
59.图1为本发明一个具体实施方式中提供的磁制冷装置的结构示意图；
60.图2为本发明一个具体实施方式中提供的磁制冷装置的一种热连接结构示意图；
61.图3为本发明一个具体实施方式中提供的磁制冷装置的又一种热连接结构示意图；
62.图4为本发明一个具体实施方式中提供的磁制冷装置一种水平布置的结构示意图；
63.图5为本发明一个具体实施方式中提供的磁制冷装置种水平布置的结构示意图；
64.图6为本发明一个具体实施方式中提供的固定结构的示意图。
65.其中，1-超导磁体；2-低温工质；3-第一高温工质；4-第二高温工质；5-高温导热支
撑结构；6-低温导热支撑结构；7-导热连接杆；8-悬挂机构；9-热沉；10-第一热开关；11-第二热开关；12-导热软连接；13-磁屏蔽结构；14-连通管；15-接头；16-旋紧件。
具体实施方式
66.需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
67.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
68.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
69.在一个具体实施方式中，本发明提供了一种磁制冷装置，如图1所示，所述磁制冷装置包括超导磁体1，所述超导磁体1的磁场空腔设置有工质模块，所述工质模块包括低温工质2，沿所述磁场空腔的轴线方向，所述低温工质2的两侧分别设置有高温工质，例如高温工质分别为第一高温工质3和第二高温工质4。
70.本发明将高温工质分别设置于低温工质的两侧，采用工质采用对置布局，使得整体结构受力更加合理，抗振动能量更强。此外，由于对置布置，还可以使用户同时从两端获取极低温，用户使用更加方便。其中，本发明首先磁体充磁，高温工质和低温工质2磁化，由于磁体建造的物理特性，中心区域的磁场强，两端磁场较弱。低温工质2由于处于磁场中心位置，在磁化过程中不受磁场力作用。两块高温工质受到大小相同，方向相反磁场力作用，由于这两块高温工质通过结构件进行了连接，该力为内力，对外合力为0，因此悬挂机构8不受额外的载荷。高温工质和低温工磁化放出热量，此时热开关导通。热量排除到高温热沉9端。磁化完成后断开热开关，降低磁场，通过绝热去磁过程温度降低，提取制冷量。由于低温工质2与高温工质始终外力为0，对固定低温工质和高温工质的悬挂机构8不产生额外负载。
71.具体地，所述低温工质2设置于所述磁场空腔的磁场中心。进一步地，位于所述低温工质2两侧的所述高温工质对称排布。本发明将低温工质2设置于磁场中心，在充磁和去磁的过程中，不受额外的力的作用。
72.具体地，所述低温工质2包括低温磁热材料，优选为顺磁盐，顺磁盐包括但不限于硫酸铁铵(faa)、硝酸铈镁镧(lcmn)、铬铯矾(cca)、硫酸锰铵(mas)、硫酸铬钾(cpa)或硝酸铈镁(cmn)中的一种或至少两种的组合。
73.具体地，所述高温工质包括高温磁热材料，高温磁热材料包括但不限于gd3gao
12
、gdlif4、dy3ga5o
12
或mn(so4)2(nh4)2中的一种或至少两种的组合。
74.具体地，所述磁制冷装置包括支撑架，所述支撑架用于固定支撑超导磁体1和工质模块。
75.具体地，如图2、图3所示，所述高温工质设置有高温导热支撑结构5，可选地，所述高温导热支撑结构5设置于远离低温工质2的一侧面；或，高温导热支撑结构5包覆整个高温工质，可选地，高温导热结构为导热法兰，高温工质通过粘接、钎焊、机械固定、冷缩或热缩等方式固定至导热法兰。进一步地，所述高温导热支撑结构5通过悬挂机构8固定于支撑架上。
76.可选地，本发明中支撑架采用低导热材料，支撑架可直接固定设置于磁体或热沉9上，支撑架材料高导热材料，支撑架通过悬挂机构8固定在磁体或热沉9上，本领域技术人员可根据设计要求合理布置。进一步地，悬挂机构8包括张紧结构、调节结构和对准结构，从而对磁制冷装置的位置和状态进行调整固定，进一步地，悬挂机构8采用低导热材料制成，包括但不限于凯夫拉纤维、peek、聚酰亚胺、碳纤维玻璃纤维、石英玻璃纤维或hdpe。
77.具体地，所述低温工质2设置有位于低温工质2两端的低温导热支撑结构6。进一步地，所述低温工质2通过导热连接杆7连接低温导热支撑结构6，所述导热连接杆7穿过所述高温工质与所述低温导热支撑结构6连接；更进一步地，所述低温导热支撑结构6通过悬挂结构8固定于支撑架上。
78.本发明使得高温工质和低温工质2都处于两端支撑状态，受力较现有技术中采用长悬臂结构更加合理，低温工质2在充磁和去磁过程中布置在磁场中心，不受额外的力的作用。
79.具体地，如图4所示，所述工质模块包括固定套筒，所述固定套筒将位于低温工质2两侧的高温工质套设固定；本发明通过设置固定套筒将两个高温工质套设固定，形成机械连接，进一步提高装置的稳定性，对于固定套筒与装置结构的连接方式，可以与高温工质固定连接，也可以与高温导热支撑结构5固定连接，具有很好的安装适配性。可选地，本发明中套筒的截面形状与高温工质的结构相关，故本领域技术人员可根据高温工质的形状合理选择，例如为方形、六角形。更进一步地，所述固定套筒上设置有镂空结构，通过在固定套筒上设置镂空结构，从而降低重量，避免涡流损失。
80.具体地，再如图2、图3、图4和图5所示，所述磁制冷装置包括设置于支撑架上的热沉9，所述低温工质2和高温工质均与热沉9热连接；进一步地，所述低温工质2和高温工质均通过热开关与热沉9热连接，例如热开关分别为第一热开关10和第二热开关11，分别与低温工质2和高温工质热连接，其中热连接通过导热软连接实现，例如，低温导热支撑结构6通过导热软连接12与第一热开关10实现热连接。
81.可选地，如图2中连接所示，低温工质2和高温工质分别通过低温导热支撑结构6和高温导热支撑结构5进行热量导出，低温导热支撑结构6和高温导热支撑结构5分别通过不同的热开关与热沉9热连接；或，如图3中连接所示，低温导热支撑结构6通过热开关与高温导热支撑结构5热连接，然后高温导热支撑结构5再通过另一热开关与热沉9热连接。
82.具体地，所述磁制冷装置呈水平方向布置、竖直方向或倾斜方向布置；如图2和图3所示，本发明中水平方向布置代表的是，超导磁体1内磁体空腔的轴线方向与水平方向一致；如图4和图5所示，竖直方向布置代表的是，超导磁体1内磁体空腔的轴线方向与水平方向垂直。
83.本发明采用两端支撑和悬挂的方式，使高温工质和低温工质2受力更加合理，根据磁场可以设计工质大小使其对外合力为0，提高了可靠性，而且两端支撑使得悬挂机构8设计更加简单；振动特性提高，适合航天应用，可以从两端都输出制冷量，现有技术中超导磁体1轴线只能采用上下方向设置，而本技术能够任意角度布置，便于装置布局。
84.具体地，如图5所示，所述低温导热支撑结构6和高温导热支撑结构5均外延至所述超导磁体1的外周；进一步地，所述超导磁体1设置有磁屏蔽结构13。
85.本发明便于将导热结构设置于磁体的外周，便于磁屏蔽，例如将100mk法兰布置在磁体侧面，此处磁场较小，非常有利于对磁场敏感的应用。
86.具体地，所述高温工质与高温导热支撑结构5连接处设置有固定结构；进一步地，如图6所示，以第一高温工质3连接为例，所述固定结构包括连通管14，所述连通管14贯穿第一高温工质3和高温导热支撑结构5，第一高温工质3远离高温导热支撑结构5的一侧设置有接头15，所述接头15与连通管14的伸出端螺纹连接，所述接头15与连通管14旋紧固定第一高温工质3和高温导热支撑结构5，所述导热连接杆7通过所述连通管14穿过第一高温工质3和高温导热支撑结构5。
87.进一步地，所述连通管14伸出高温导热支撑结构5的一侧设置有旋紧件16和防松结构，所述旋紧件16与连通管14螺纹旋紧固定，所述防松结构设置于旋紧件16与高温导热支撑结构5之间，可选地，防松结构包括但不限于波形垫圈、弹性垫圈或蝶形垫圈等补偿温度变化的结构。
88.本发明通过设置固定结构，通过设置一端具有螺纹结构的连通管14，另一端固定在高温导热支撑结构5上，连通管14具有螺纹结构的一端穿过高温工质，采用接头15旋入螺纹结构，利用旋紧结构将高温工质固定在高温导热支撑结构5上，并具有防松结构，防止低温下松脱，具有紧固性高和可靠性强等特点。
89.在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种磁制冷系统装置，所述磁制冷系统装置包括至少一个第一方面所述的磁制冷装置。
90.通过一个具体实施方式，本发明具有以下优点：
91.(1)高温工质和低温工质的受力状态更加合理：该设计条件下使得高温工质和低温工2都处于两端支撑状态，相比于现有技术中长悬臂结构，受力更加合理，低温工质在充磁和去磁过程中布置在磁场中心，不受额外的力的作用。
92.(2)简化了悬挂机构的设计：现有技术中由于高温工质和低温工质都是单端长悬臂梁设计，为了能够在六个自由度固定两个工质，固定端受力很大，因此需多个悬挂机构从多个自由度来固定制冷工质。本发明由于采用了对置布置和两端支撑，受力更加合理，常见的三线悬挂机构即可保证工质的可靠固定。
93.(3)本发明通过高温工质设置在低温工质的两端，能够在两端同时获得两种温度，比如100mk和1k的极低温。
94.(4)本发明通过将导热支撑结构外延至磁体侧面，减少磁场影响。
95.(5)本发明中对于支撑结构和悬挂结构无外力作用，便于整体安装。
96.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。