技术领域
[0001] 本发明涉及磁制冷技术领域，尤其涉及两相环路热虹吸管增频的复叠式室温磁制冷装置与方法。
相关背景技术
[0002] 室温磁制冷技术是一种基于磁工质磁热效应的新型固态制冷技术，具有绿色环保、节能高效等优点。
[0003] 自研究人员1982年提出主动磁回热器的概念以来，几乎所有的室温磁制冷机都基于AMR原理来构建。然而，基于AMR原理构建的室温磁制冷机在实施过程中存在工作频率低(大多不超过5Hz)的瓶颈问题。室温磁制冷机的低工作频率会造成其制冷功率密度的降低，导致室温磁制冷机低工作频率的主要原因在于磁工质和流体工质间对流传热的限制。
[0004] 从产生问题的原因出发，又有研究者提出了一种耦合重力热管的室温磁制冷装置及制冷方法。该耦合重力热管的室温磁制冷装置及制冷方法是将磁工质封装在重力热管内部，拟利用流体工质的蒸发‑冷凝传热来实现磁工质磁化/去磁后热量/冷量的快速转移，进而达到提高工作频率的目的。但是，该耦合重力热管的室温磁制冷装置内部换热板的存在会阻碍上部磁热重力热管区内的磁工质从冷端吸热，内部换热板处的传热依赖于磁工质颗粒和内部换热板的导热，无法充分发挥蒸发‑冷凝传热传热速率快的优势。同时，上升的蒸汽还会对回流的液体产生携带。
[0005] 因此，如何摒弃内部换热板的存在，同时将蒸汽和液体通道分离是当前有待要解决的关键技术问题。
具体实施方式
[0041] 下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0042] 如图1‑4所示。本发明公开了一种基于两相环路热虹吸管增频的复叠式室温磁制冷装置，包括热端换热器1、冷端换热器2、磁工质单元3、蒸汽上升管路4、液体下降管路5、单向阀组6、流体工质、永磁体组7、放热环路8和回热环路9；所述磁工质单元3包括第一磁工质单元301、第二磁工质单元302、第三磁工质单元303、第四磁工质单元304和第五磁工质单元305；
[0043] 所述热端换热器1、第一磁工质单元301、第二磁工质单元302、第三磁工质单元303、第四磁工质单元304、第五磁工质单元305和冷端换热器2在竖直方向上的相对位置为：
热端换热器1高于第一磁工质单元301，第一磁工质单元301高于第二磁工质单元302，第二磁工质单元302高于第三磁工质单元303，第三磁工质单元303高于第四磁工质单元304，第四磁工质单元304高于第五磁工质单元305，第五磁工质单元305高于冷端换热器2；
[0044] 所述热端换热器1、第一磁工质单元301、第二磁工质单元302、第三磁工质单元303、第四磁工质单元304、第五磁工质单元305和冷端换热器2在水平方向上呈左右两列布置为：第一磁工质单元301、第三磁工质单元303和第五磁工质单元305布置在左侧一列，所述热端换热器1、第二磁工质单元302、第四磁工质单元304和冷端换热器2布置在右侧一列；
[0045] 所述热端换热器1和第一磁工质单元301经第一蒸汽上升管路401和第一液体下降管路501连接构成放热环路8；
[0046] 所述回热环路9包括一级回热环路901、二级回热环路902、三级回热环路903和四级回热环路904；
[0047] 所述第一磁工质单元301和第二磁工质单元302经第二蒸汽上升管路402和第二液体下降管路502连接构成一级回热环路901；
[0048] 所述第二磁工质单元302和第三磁工质单元303经第三蒸汽上升管路403和第三液体下降管路503连接构成二级回热环路902；
[0049] 所述第三磁工质单元303和第四磁工质单元304经第四蒸汽上升管路404和第四液体下降管路504连接构成三级回热环路903；
[0050] 所述第四磁工质单元304和第五磁工质单元305经第五蒸汽上升管路405和第五液体下降管路505连接构成四级回热环路904；
[0051] 所述第五磁工质单元305和冷端换热器2经第六蒸汽上升管路406和第六液体下降管路506连接构成吸热环路10；
[0052] 所述永磁体组7用于选择性地给磁工质单元3提供磁场。
[0053] 所述单向阀组6中的第一单向阀601、第三单向阀603、第五单向阀605、第七单向阀607、第九单向阀609和第十一单向阀611的流动方向向上，并分别安装在第一蒸汽上升管路
401、第二蒸汽上升管路402、第三蒸汽上升管路403、第四蒸汽上升管路404、第五蒸汽上升管路405和第六蒸汽上升管路406的管路上；
[0054] 所述单向阀组6中的第二单向阀602、第四单向阀604、第六单向阀606、第八单向阀608、第十单向阀610和第十二单向阀612的流动方向向下，并分别安装在第一液体下降管路
501、第二液体下降管路502、第三液体下降管路503、第四液体下降管路504、第五液体下降管路505和第六液体下降管路506的管路上。
[0055] 所述永磁体组7包括左侧永磁体701和右侧永磁体702；
[0056] 当左侧永磁体701和右侧永磁体702同步向右移动时，左列的第一磁工质单元301、第三磁工质单元303和第五磁工质单元305进入左侧永磁体701的磁场磁化区域，与此同时右列的第二磁工质单元302、第四磁工质单元304离开右侧永磁体702的磁场磁化区域；
[0057] 当左侧永磁体701和右侧永磁体702同步向左移动时，左列的第一磁工质单元301、第三磁工质单元303和第五磁工质单元305离开左侧永磁体701的磁场磁化区域，与此同时右列的第二磁工质单元302、第四磁工质单元304进入右侧永磁体702的磁场磁化区域。
[0058] 所述磁工质单元3填充有居里温度由高至低的磁工质；居里温度由高至低顺序依次为：第一磁工质单元301、第二磁工质单元302、第三磁工质单元303、第四磁工质单元304和第五磁工质单元305。
[0059] 所述磁工质为颗粒状的Gd系金属或者La‑Fe‑Si系合金。
[0060] 所述流体工质为低沸点工质；流体工质充注在抽真空后的放热环路8、回热环路9和吸热环路10中。所述低沸点工质为甲醇、乙醇、丙酮、制冷剂和/或电子氟化液；所述左侧永磁体701和右侧永磁体702均为C型开口永磁体，C型开口彼此相对。永磁体的形状还可以是其他几何形状，如U型等。
[0061] 所述磁工质单元3的各单元数量可拓展至n个7
[0062] 本发明热端换热器(1)、冷端换热器(2)、磁工质单元(3)的壳体，以及蒸汽上升管路(4)和液体下降管路(5)的材质可以为铜、铝、不锈钢等。
[0063] 本发明热端换热器(1)与环境接触，冷端换热器(2)与负荷接触。
[0064] 本发明利用两相环路热虹吸管增频的复叠式室温磁制冷装置的制冷方法，可通过如下步骤实现：
[0065] 在磁工质单元3内填充磁工质，磁工质的居里温度由高至低顺序依次为：第一磁工质单元301、第二磁工质单元302、第三磁工质单元303、第四磁工质单元304和第五磁工质单元305；
[0066] 左侧永磁体701和右侧永磁体702同步向右移动，左列的第一磁工质单元301、第三磁工质单元303和第五磁工质单元305进入左侧永磁体701的磁场区域而被磁化升温，右列的第二磁工质单元302和第四磁工质单元304因离开右侧永磁体702的磁场区域而而被去磁降温，第三单向阀603、第四单向阀604、第七单向阀607、第八单向阀608、第十一单向阀611和第十二单向阀612关闭，一级回热环路901、三级回热环路903和吸热环路10停止工作，第一单向阀601、第二单向阀602、第五单向阀605、第六单向阀606、第九单向阀609和第十单向阀610开启，放热环路8、二级回热环路902和四级回热环路904工作，放热环路8中流体工质吸收高温第一磁工质单元301的热量后蒸发，产生的蒸汽沿第一蒸汽上升管路401上升至热端换热器1中，被环境冷凝成液体后，在重力作用下沿第一液体下降管路501回流至第一磁工质单元301；二级回热环路902中流体工质吸收第三磁工质单元303的热量后蒸发，产生的蒸汽沿第三蒸汽上升管路403上升至第二磁工质单元302中，被第二磁工质单元302冷凝成液体后，在重力作用下沿第三液体下降管路503回流至第三磁工质单元303；四级回热环路904中流体工质吸收第五磁工质单元305的热量后蒸发，产生的蒸汽沿第五蒸汽上升管路
405上升至第四磁工质单元304中，被第四磁工质单元304冷凝成液体后，在重力作用下沿第五液体下降管路505回流至第五磁工质单元305；依此循环，流体工质将第一磁工质单元
301、第三磁工质单元303和第五磁工质单元305的热量分别快速传递给热端换热器1、第二磁工质单元302和第四磁工质单元304，使得第一磁工质单元301、第三磁工质单元303和第五磁工质单元305的温度降低；
[0067] 接着，左侧永磁体701和右侧永磁体702同步向左移动，左列的第一磁工质单元301、第三磁工质单元303和第五磁工质单元305因离开左侧永磁体701磁场区域而被去磁，温度进一步降低，右列的第二磁工质单元302和第四磁工质单元304因进入右侧永磁体702的磁场区域而被磁化，温度升高，第一单向阀601、第二单向阀602、第五单向阀605、第六单向阀606、第九单向阀609和第10单向阀610关闭，放热环路8、二级回热环路902和四级回热环路904停止工作，第三单向阀603、第四单向阀604、第七单向阀607、第八单向阀608、第十一单向阀611和第十二单向阀612开启，一级回热环路901、三级回热环路903和吸热环路10运行工作，一级回热环路901中流体工质吸收第二磁工质单元302的热量后蒸发，产生的蒸汽沿第二蒸汽上升管路402上升至第一磁工质单元301中，被第一磁工质单元301冷凝成液体后，在重力作用下沿第二液体下降管路502回流至第二磁工质单元302；三级回热环路903中流体工质吸收第四磁工质单元304的热量后蒸发，产生的蒸汽沿第四蒸汽上升管路404上升至第三磁工质单元303中，被低温第三磁工质单元303冷凝成液体后，在重力作用下沿第四液体下降管路504回流至第四磁工质单元304；依此循环，流体工质将第二磁工质单元302和第四磁工质单元304的热量分别快速传递给第一磁工质单元301和第三磁工质单元303，使得第二磁工质单元302和第四磁工质单元304的温度降低；与此同时，吸热回路10中，冷端换热器2的流体工质吸收负荷热量后蒸发，产生的蒸汽沿第六蒸汽上升管路406上升至第五磁工质单元305，被第五磁工质单元305冷凝成液体后，在重力作用下沿第六液体下降管路
506回流至冷端换热器2；依此循环，不断向冷端换热器2输出冷量；
[0068] 上述过程重复运行，冷端换热器2的热量将被持续且单向地输送至热端换热器1，从而实现连续制冷。
[0069] 综上所述，本发明通过两相环路热虹吸管内流体工质相变，提高磁工质与流体工质间的换热效率，进而提高工作频率；采用多级结构，拓宽运行温跨；并在此基础上，无内部换热板，使流体工质与磁工质直接接触换热；各环路采用蒸汽上升管路和液体下降管路实现气液分离；仅需两个开口相对的C型永磁体即可满足磁化(去磁)的需求，降低室温磁制冷装置的复杂度和磁体运动控制的难度。
[0070] 本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围之内。
