数控往复式室温磁制冷机的研制

　　当前我国面临巨大的温室气体减排压力，国家因此加大经济结构转型的步伐和力度。传统制冷业在国民经济中占据重要位置，关系到国计民生。传统制冷业转型出路在何方是国家和行业面临的急切问题。室温磁制冷技术是一项绿色环保技术，是近十几年兴起并逐渐受到各国普遍重视的制冷技术，被认为是有望取代传统制冷技术的新型制冷技术。随着科技进步，近十几年室温磁制冷技术获得突破性的进展。在磁制冷材料[1～5]、高性能磁性材料及热交换方式方面均获得较大进展。随着存在的问题逐步得到解决，许多国家加大力度进行室温磁制冷机的研制，纷纷推出各具特色的磁制冷机，并不断改进[6～9]。室温磁制冷机实用化的步伐日益临近。

　　包头稀土研究院已研发出数台实验室样机，达到较高的性能指标，受到国内外同行的普遍认可和认同。由于现用的往复式磁制冷机存在操控性差、运行不稳定、噪声大、测试数据人工记录易引入人为误差等缺点。针对存在的这些问题进行改进，利用滚珠丝杠、直线轴承再配上伺服电机可以大幅降低噪声并能使机器精确操控，同时配上PLC 和触摸屏可以实现测试数据自动采集，参数设定和操作很方便。

　　1 往复式室温磁制冷机的组成与功能

　　往复式室温磁制冷机由永磁磁场系统及驱动机构、磁制冷材料回热器、冷热端换热器、换热流体及驱动机构、运动控制部件及数据采集部件和机器操控界面等组成。图1是往复磁制冷机的结构示意图，它由以下几部分组成。

　　1. 1 磁场系统

　　磁场系统的结构见图2。采用Halbach 型永磁体组合，由十三块楔形 NdFeB 永磁体组合而成，中心为28mm×150mm 的圆柱形工作空间，其中心磁感应强度约为1.5T 。外径为146 mm。预留狭缝是为了磁场系统运动时避开回热器与冷端换热器接口而设置。工作空间用于放置回热器。磁场系统驱动采用伺服电机带动滚珠丝杠往复驱动。两端有限位传感器限位。当磁场系统在两个回热器之间往复运动时，回热器中的磁制冷材料产生升温或降温，产生制冷。

　　1. 2 回热器系统

　　回热器系统结构示意图见图3。它由左右两个腔体构成，腔体中放置颗粒状磁制冷工质。热交换流体穿行其中，将磁制冷工质产生的热和冷带走。两个腔体由PPR 管制成，外径25 mm，内经19 mm，长度190 mm。

　　1. 3 冷热端换热器

　　冷热端换热器均由铜管制成。冷端换热器为一个，与回热器中部连接，联通回热器左右腔体。表面贴上温度传感器后由发泡材料封装而成，减少与外界的热交换。热端换热器为两个，分别与回热器两侧相连，将回热器产生的热量散掉。贴上温度传感器，暴露在空气中，以便热交换流体流过时将热量充分散失掉。