主动式磁回热制冷机的磁力及磁功分析.pdf

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号：061l53 主动式磁回热制冷机的磁力及磁功分析木 栗鹏”，余国瑶12，公茂琼1，姚冠辉12，吴剑峰1 1中国科学院理化技术研究所北京100080 2中国科学院研究生院北京100039 摘要： 在主动式磁同热制冷机中，由于温跨、磁场分布、磁回热器和永磁体气隙K度不一致、磁回 热器问相位等因素的影响，采用热力学方法来计算磁功耗会产生较人的误差。．本文依据分子场理论， 建立了通过计算磁力来估算磁功耗的方法，采用该方法可以对磁回热器和永磁体气隙长度比(6)，以 及磁回热器之问相位差进行分析和优化设计。分析结果表明，磁回热器温跨的增大会使磁力峰值和消 耗磁功率增大，当6在0到l的范围变化时，磁力峰值和磁功率均存在极大值；当右侧回热器相位超 前左侧同热器Ⅱ时，消耗的磁功率最小，且随着温跨的增加，对应最小磁功率的相位差增大． 关键词： 主动武磁同热制冷机永磁体磁力磁功率 1引言 磁制冷机的典型：I：作方式包括往复式、旋转式和脉冲场式等。一个完整的磁制冷循 环过程必须包括磁工质的励磁和去磁过程。主动式磁回热制冷机(AMRR)中，一般通 过同定螺线管磁体(或永磁体)，将磁工质装填在往复运动(或旋转运动)进出磁场的 主动式磁回热器(AIVIR)中来实现励磁和去磁。 当前的AIvIRR多采用单磁体双磁回热器【l叫或双磁体双磁回热器结构[41，系统中有 很人的非平衡磁力存在。这些非平衡磁力会对磁制冷机的机械支撑结构设计带来困难， 加人磁制冷机的磁功耗从而降低整机的热力效率。Zimm等【1】设计的采用一个5T超导 磁体和两个1．5蚝磁回热器的往复式磁制冷机中的净磁力峰值达到了2500N。因此，建 立AMRR中磁力和磁功的分析方法，分析各种参数如温跨、不同磁回热器间的相位、 磁回热器和永磁体K度不一致、磁场分布等对磁力和磁功的影响，并对磁回热器和永磁 体气隙长度比以及磁回热器间相位差这两个关键结构参数进行优化设计，对设计更加高 效的磁制冷机具有重要指导意义。 2模型和计算方法 2．1模玳 永磁体，分别提供磁化场；(2)两个AMP,，填充平均颗粒直径0．3mm的钆球；(3)一 个由电机驱动作往复运动的气缸一活塞系统，用来驱动传热流体流过回热器；(4)被动 式回热器系统：包括一个冷端换热器和两个热端换热器，用来输出去磁过程产生的冷量 和带走励磁过程中产生的热量。 一个完整的工作循环包括4个过程：(1)励磁：装有磁工质钆的回热器进入磁场空 间：(2)热吹期：传热流体在活塞驱动下，从冷端换热器流过回热器到热端换热器，并 12-2) ‘国家863项目(2002AA324010)及中国科学院重要方向性项目资助(IOCX2．SW-W 677 图l室温主动式磁回热制冷机的系统结构图 图2HCPMA结构示意图 放出热量；(3)去磁：装有磁工质钆的回热器退出磁场空间；(4)冷吹期：传热流体从 热端换热器流过回热器到冷端换热器，并从冷端换热器吸收热量。连续上述过程就可以 ‘ 实现制冷。 室温区AMRR的永磁体磁化场通常由凹圆柱永磁体阵列(HCPMA)提供。这里采 用16块长度为0．22m，内径0．02m，外径0．1m的NdFcB(剩磁BR=1．2D永磁体来构建 以∈[1，16】。采用ANSYS按所选几何尺寸进行建模，可获得不同截面处气隙内磁感应强 度的矢量分布，如图3所示。磁感应强度随轴向位置的变化由图4给出，图中的虚线表 示永磁体的物理边界，·磁体中心处最大磁感应强度为1．74T，大于NdFeB的剩磁。 轴向位置(m) 图3截面处气隙内磁感应强度的矢量分布 图4磁感应强度随轴向位置的变化 2．2磁力和磁功的计算方法 在AMRR中，通常