ТЕПЛООБМЕННИК, МАГНИТНЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 2018 года по МПК F25B21/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к теплообменнику, который должен использоваться в магнитном тепловом насосе, использующем магнитокалорический эффект, магнитному тепловому насосу, включающему в себя этот теплообменник, и способу изготовления теплообменника.

Для стран, в которых допускается включать содержание документов путем ссылки на них, содержание японской заявки на патент № 2015-123628, поданной в Японии 19 июня 2015 г., и содержание японской заявки на патент № 2015-200867, поданной в Японии 9 октября 2015 г., включены сюда путем ссылки на эти документы и рассматриваются как часть этого описания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Известен теплообменник, который включает в себя: сборочный узел (далее - узел), полученный наложением множества столбчатых магнитных тел в направлении, пересекающимся с их продольной ориентацией; и цилиндрический корпус, содержащий вставленный в него этот узел (например, см. Патентный документ 1).

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

Патентные документы

[0003] Патентный документ 1: JP 2013-64588 A

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблема, которая должна быть решена изобретением

[0004] В описанном выше теплообменнике зазор образуется между магнитными телами, расположенными на самой отдаленной периферии узла, и внутренней периферийной поверхностью корпуса. По этой причине, поскольку большое количество жидкой среды течет в зазор, а количество жидкой среды, проходящей через проход, образованный между магнитными телами, мало, возникает проблема в том, что эффективность теплообмена невысока.

[0005] Проблемы, которые должны быть решены настоящим изобретением, включают в себя обеспечение теплообменника, способного повысить эффективность теплообмена, теплового насоса, включающего в себя такой теплообменник, и способа изготовления такого теплообменника.

СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

[0006] [1] Теплообменник согласно изобретению является теплообменником, предназначенным для использования в магнитном тепловом насосе, и этот теплообменник содержит: узел, образованный связыванием проволок; и покрывающий слой, который покрывает этот узел, при этом каждая из проволок состоит из магнитокалорического материала, обладающего магнитокалорическим эффектом, а покрывающий слой включает в себя: трубчатый участок, окружающий периферию узла; и заполняющий участок, заполняющий зазор между внешней периферией узла и трубчатым участком.

[0007] [2] В описанном выше изобретении трубчатый участок и заполняющий участок могут быть выполнены как одно целое.

[0008] [3] В описанном выше изобретении покрывающий слой может состоять из поливинилхлорида, полиэтилена, перекрестно сшитого полиэтилена, кремнийорганического каучука или фтор-каучука.

[0009] [4] В описанном выше изобретении покрывающий слой может включать в себя первое отверстие, расположенное на одном конце; и второе отверстие, расположенное на другом конце, и направление от первого отверстия ко второму отверстию может по существу согласовываться с направлением протяженности узла.

[0010] [5] В описанном выше изобретении узел может быть образован скручиванием проволок.

[0011] [6] В описанном выше изобретении проволоки могут быть скручены концентрическим скручиванием, совместным скручиванием или составным скручиванием.

[0012] [7] В описанном выше изобретении могут удовлетворяться нижеследующие уравнения (1) и (2).

[0013] 1,4 ⋅ 10≤A≤2,25 ⋅ 10⁴ … (1)

A=P/R … (2)

[0014] В приведенном выше уравнении (2) P является шагом скручивания проволок, а R - диаметром проволоки.

[0015] [8] Магнитный тепловой насос согласно изобретению является магнитным тепловым насосом, который содержит: по меньшей мере один из описанных выше теплообменников; устройство изменения магнитного поля, выполненное с возможностью подачи магнитного поля на магнитокалорический материал и изменения величины магнитного поля; первый и второй внешние теплообменники, соответственно подсоединенные к теплообменнику через трубу; и устройство подачи текучей среды, выполненное с возможностью подачи текучей среды от теплообменника к первому или второму внешнему теплообменнику синхронно с работой устройства изменения магнитного поля.

[0016] [9] Способ изготовления теплообменника согласно изобретению является способом изготовления теплообменника, предназначенного для использования в магнитном тепловом насосе, и этот способ изготовления содержит: первый этап формирования узла связыванием проволок; и второй этап формирования покрывающего слоя для покрывания узла, причем каждая из проволок состоит из магнитокалорического материала, обладающего магнитокалорическим эффектом, а покрывающий слой включает в себя: трубчатый участок, окружающий периферию узла; и заполняющий участок, заполняющий зазор между внешней периферией узла и трубчатым участком.

[0017] [10] В описанном выше изобретении второй этап может включать в себя формирование покрывающего участка экструзией полимерного материала на внешнюю периферию узла при одновременном перемещением узла.

[0018] [11] В описанном выше изобретении первый этап может включать в себя формирование узла скручиванием проволок.

[0019] [12] В описанном выше изобретении способ изготовления может содержать третий этап отрезания узла, покрытого покрывающим слоем, до заданной длины.

ПОЛЕЗНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Согласно изобретению, поскольку зазор между узлом и трубчатым участком блокирован заполняющим участком покрывающего слоя, большое количество жидкой среды может проходить через проход, образованный между проволоками узла, и, таким образом, может быть повышена эффективность теплообмена.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0021] ФИГ. 1 - графическое представление общей конфигурации магнитного теплового насоса в варианте осуществления изобретения, и графическое представление состояния, в котором поршень располагается в первом положении;

ФИГ. 2 - графическое представление общей конфигурации магнитного теплового насоса в варианте осуществления изобретения, и графическое представление состояния, в котором поршень располагается во втором положении;

ФИГ. 3 - вид в разрезе MCM теплообменника в варианте осуществления изобретения и вид в разрезе вдоль направления течения жидкой среды;

ФИГ. 4 - вид сечения по линии IV-IV на фиг. 3;

ФИГ. 5 - изображение в перспективе в разобранном виде, представляющее другую конфигурацию MCM теплообменника в варианте осуществления изобретения.

ФИГ. 6 - вид сечения по линии VI-VI на фиг. 5;

ФИГ. 7(a) - вид сбоку узла, используемого в MCM теплообменнике, показанном на фиг. 5, и ФИГ. 7(b) -вид сбоку одной из проволок, образующих узел, показанный на фиг. 7(a);

ФИГ. 8 - блок-схема последовательности операций, представляющая способ изготовления MCM теплообменника в варианте осуществления изобретения;

ФИГ. 9 - вид в разрезе устройства для нанесения полимерного экструзионного покрытия, используемого на этапе S20 на фиг. 5; и

ФИГ. 10 - вид в разрезе скручивающего устройства и устройства для нанесения полимерного экструзионного покрытия, используемых во время изготовления MCM теплообменника, показанного на фиг. 5.

РЕЖИМ(Ы) ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Далее будет описан вариант осуществлениям изобретения со ссылками на чертежи.

[0023] На фиг. 1 и 2 графически представлена общая конфигурация магнитного теплового насоса в этом варианте осуществления, а на фиг. 3 и 4 графически представлен MCM теплообменник в этом варианте осуществления.

[0024] Магнитный тепловой насос 1 в этом варианте осуществления является тепловым насосом, использующим магнитокалорический эффект, и включает в себя, как показано на фиг. 1 и 2, первый и второй MCM теплообменники 10 и 20, поршень 30, постоянный магнит 40, низкотемпературный боковой теплообменник 50, высокотемпературный боковой теплообменник 60, насос 70, трубы с 81 по 84 и переключающий клапан 90.

[0025] Первый и второй MCM теплообменники 10 и 20 в этом варианте осуществления соответствуют примеру теплообменника согласно изобретению, поршень 30 и постоянный магнит 40 в этом варианте осуществления соответствуют примеру устройства изменения магнитного поля согласно изобретению, низкотемпературный боковой теплообменник 50 и высокотемпературный боковой теплообменник 60 соответствуют примеру первого и второго внешних теплообменников согласно изобретению, трубы с 81 по 84 в этом варианте осуществления соответствуют примеру трубы согласно изобретению, и насос 70 и переключающий клапан 90 в этом варианте осуществления соответствуют примеру устройства подачи текучей среды согласно изобретению.

[0026] Первый MCM теплообменник 10 включает в себя, как показано на фиг. 3 и 4, узел (агрегат) 11, включающий в себя множество проволок 12, покрывающий слой 13, который покрывает узел 11, и адаптеры 16 и 17, подсоединенные к обоим концам покрывающего слоя 13. Поскольку первый MCM теплообменник 10 и второй MCM теплообменник 20 имеют одну и ту же структуру, ниже будет описана конфигурация только первого MCM теплообменника 10, а конфигурация второго MCM теплообменника 20 будет опущена.

[0027] Проволока 12 состоит из магнитокалорического материала (MCM), обладающего магнитокалорическим эффектом. Когда магнитное поле подается на проволоку 12, состоящую из MCM, электронные спины выравниваются. В соответствии с этим магнитная энтропия уменьшается, и проволока 12 генерирует тепло, так что ее температура возрастает. Между тем, когда магнитное поле удаляется из проволоки 12, электронные спины оказываются в беспорядке. В соответствии с этим энтропия возрастает, и проволока 12 поглощает тепло, по мере того как ее температура падает.

[0028] MCM, из которого состоит проволока 12, особым образом не ограничивается при условии, что MCM является магнитным телом. Однако предпочтительно, например, магнитное тело, имеющее температуру Кюри (точку Кюри) в нормальном диапазоне температур от около 10°С до 30°С и проявляющее высокий магнитокалорический эффект в нормальном диапазоне температур. Конкретные примеры таких MCM включают в себя гадолиний (Gd), гадолиний сплавы, соединения на основе лантан-железа-кремния (La-Fe-Si), и т.п.

[0029] Проволока 12 в этом варианте осуществления имеет сечение круглой формы. При условии, что она способна образовывать проход 111 (будет описан ниже) между проволоками 12 во время скручивания проволок 12, проволока 12 может иметь форму сечения, отличающуюся от круглой формы сечения.

[0030] Узел 11 образован связыванием множества проволок 12. Множество проволок 12 связываются (накладываются друг на друга) в направлении, перекрещивающемся с продольным направлением проволоки 12. Другими словами, множество проволок 12 прилегают друг к другу таким образом, что боковые поверхности проволок 12 соприкасаются друг с другом. В результате образуется проход 111 между боковыми поверхностями проволок 12. Для облегчения понимания узел 11 включает в себя семь проволок 12 в примере, показанном на фиг. 4, но на самом деле узел 11 образован связыванием проволок 12 числом от тысяч до десятков тысяч.

[0031] Узел 11, показанный на фиг. 3 и 4, образован простым связыванием множества проволок 12, но конфигурация узла не ограничивается конкретно этим. Например, вместо узла 11 может быть образован узел 11B скручиванием множества проводов 12B, как в MCM теплообменнике 10B, показанном на фиг. 5 и 6.

[0032] На фиг. 5 показано изображение в перспективе в разобранном виде, представляющее другую конфигурацию MCM теплообменника в этом варианте осуществления, на фиг. 6 показан вид сечения по линии VI-VI на фиг. 5, на фиг. 7(a) показан вид сбоку узла, используемого в MCM теплообменнике, изображенном на фиг.5, и на фиг. 7(b) показан вид сбоку одной из проволок, образующих узел, изображенный на фиг.7(a).

[0033] Точнее говоря, узел 11B, показанный на фиг. 5 и 6, образован связыванием множества проволок 12B в направлении, пересекающемся с продольным направлением, и скручиванием (свиванием) их вместе. Так как боковые поверхности соседних скрученных проволок 12B соприкасаются друг с другом, образуется проход 111B между ними. Для облегчения понимания узел 11B включает в себя девятнадцать проволок 12B в примере, показанном на фиг. 5 и 6, но на самом деле узел 11B образуется связыванием от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч проволок 12B. Внешний диаметр D (см. фиг. 7(a)) узла 11B конкретно не ограничен, но желателен, например, 30 мм или менее с точки зрения обеспечения плотности магнитного потока.

[0034] В узле 11B, показанном на фиг. 5 и 6, множество проволок 12B скручены совместным скручиванием. Способ скручивания множества проволок 12B узла 11B конкретно не ограничен, и может быть использовано концентрическое скручивание или составное скручивание. Совместное скручивание является способом скручивания, в котором множество проволок 12B связываются вместе и скручиваются в одном и том же направлении вокруг оси узла 11B. Концентрическое скручивание является способом скручивания, в котором множество проволок 12B концентрически скручиваются вокруг проволоки-сердечника, соответствующей центру. Составное скручивание является способом скручивания, в котором множество дочерних скрученных проволок, каждая из которых получена скручиванием множества проволок 12B с использованием концентрического скручивания или совместного скручивания, дополнительно скручиваются концентрическим скручиванием или совместным скручиванием. Проволока-сердечник при концентрическом скручивании может быть образована как одна проволока 12B или может быть образована скручиванием множества проволок 12B. Кроме того, направление скручивания множества проволок 12B может быть правым направлением или левым направлением.

[0035] Диаметр R проволоки 12B (см. фиг. 7(b)) конкретно не ограничивается, но желателен, например, от 0,01 до 1 мм и более желателен от 0,02 до 0,5 мм. При этом множество проволок 12B, составляющих узел 11B, могут иметь по существу одни и тот же диаметры проволоки ил могут иметь разные диаметры проволоки. Кроме того, когда диаметр проволоки 12B устанавливается в пределах указанного выше диапазона, шаг P скручивания (см. фиг. 7(b)) для скручивания проволок 12B предпочтительно составляет от 14 до 450 мм. Когда шаг P меньше нижнего предельного значения, существует опасение, что проход может быть разрушен, поскольку проволоки сжимаются и деформируются. Между тем, когда шаг P больше верхнего предельного значения, существует опасение, что провода не смогут удерживаться прижатыми друг к другу, так как скручивание нарушается. В настоящем описании ʺшаг скручиванияʺ является длиной провода 12B в продольном направлении, когда одна проволока 12B совершает один оборот вокруг узла 11B.

[0036] Дополнительно в этом варианте осуществления соотношение между шагом P скручивания и диаметром R проволоки 12B предпочтительно устанавливается соответствующим уравнениям (3) и (4), приведенным ниже:

1,4 ⋅ 10≤A≤2,25 ⋅ 10⁴ … (3)

A=P/R … (4)

[0037] Возвращаясь к фиг. 3 и 4, узел 11 проволок 12 покрывается (обволакивается) покрывающим слоем 13. Покрывающий слой 13 включает в себя трубчатый участок 14 и заполняющий участок 15. Трубчатый участок 14 окружает периферию узла 11 в цилиндрической форме. В то же время заполняющий участок 15 служит для заполнения зазора между внешней периферией узла 11 и внутренней периферией трубчатого участка 14. То есть в этом варианте осуществления заполняющий участок 14 обеспечивает заполнение между проволоками 12a, расположенными на самой отдаленной периферии узла 11, и трубчатым участком 14, с тем чтобы блокировать зазор между самыми отдаленными проволоками 12a и трубчатым участком 14. Покрывающий слой 13 состоит, например, из полимерного материала, такого как поливинил, полиэтилен, перекрестно сшитый полиэтилен, кремнийорганический каучук и фтор-каучук, а трубчатый участок 14 и заполняющий участок 15 выполнены как одно целое. ʺВыполнение в виде одного целогоʺ в этом варианте осуществления означает, что элементы не разделены, но выполнены в виде единой структуры из одного и того же полимерного материала. Даже когда узел 11B, образованный скручиванием множества проволок 12B, используется вместо узла 11, узел 11B покрывается покрывающим слоем, включающим в себя трубчатый участок 14 и заполняющий участок 15, и заполняющий участок 15 обеспечивает заполнение между внешней периферией узла 11B и трубчатым участком 14 (см. фиг. 6).

[0038] Дополнительно, как показано на фиг. 3 и 4, покрывающий слой 13 включает в себя первое отверстие 131, расположенное на одном конце, и второе отверстие 132, расположенное на другом конце. Направление CL от первого отверстия 131 ко второму отверстию 132 по существу согласовывается с направлением протяженности узла 11. Дополнительно первый адаптер 16 подсоединен к одному концу покрывающего слоя 13. Подобным образом второй адаптер 17 также подсоединен к другому концу покрывающего слоя 13.

[0039] В качестве конкретных примеров первого и второго адаптеров 16 и 17 может быть приведена термоусаживаемая трубка или ей подобная. Первый и второй адаптеры 16 и 17 могут быть выполнены как полимерные изделия или же первый и второй адаптеры 16 и 17 могут состоять из металлического материала.

[0040] Первый адаптер 16 включает в себя соединительный порт 161, который меньше первого отверстия 131. Как показано на фиг. 1, первый соединительный порт 161 соединяется с низкотемпературным боковым теплообменником 50 через первую низкотемпературную боковую трубу 81. Второй адаптер 17 также включает в себя второй соединительный порт 171, который меньше второго отверстия 132. Второй соединительный порт 171 соединяется с высокотемпературным боковым теплообменником 60 через первую высокотемпературную боковую трубу 83. Центры первого и второго соединительных портов 161 и 171 расположены коаксиально по отношению к центру узла 11.

[0041] Подобным образом, покрывающий слой 23 второго MCM теплообменника 20 также покрывает узел 21, включающий в себя множество проволок 22, и первый и второй адаптеры подсоединяются к обоим концам покрывающего слоя 23. Как показано на фиг. 2, первый соединительный порт 261 первого адаптера соединяется с низкотемпературным боковым теплообменником 50 через вторую низкотемпературную боковую трубу 82. В то же время второй соединительный порт 271 второго адаптера соединяется с высокотемпературным боковым теплообменником 60 через вторую высокотемпературную боковую трубу 84.

[0042] Проволока 22 второго MCM теплообменника 20 имеет ту же самую конфигурацию, что и проволока 12 первого MCM теплообменника 10. Кроме того, покрывающий слой 23 второго MCM теплообменника 20 также имеет такую же конфигурацию, что и покрывающий слой 13 первого MCM теплообменника 10. Кроме того, адаптеры второго MCM теплообменника 20 также имеют такую же конфигурацию, что и адаптеры 16 и 17 первого MCM теплообменника 10.

[0043] Например, в случае, когда кондиционер воздуха, использующий магнитный тепловой насос 1 этого варианта осуществления, работает в режиме охлаждения, пространство внутри помещения охлаждается за счет теплообмена между низкотемпературным боковым теплообменником 50 и внутренним воздухом, и тепло излучается во внешнее пространство за счет теплообмена между высокотемпературным боковым теплообменником 60 и наружным воздухом.

[0044] В отличие от этого, в случае, когда кондиционер воздуха работает в режиме нагревания, пространство внутри помещения нагревается за счет теплообмена между высокотемпературным боковым теплообменником 60 и внутренним воздухом, и тепло поглощается от наружного пространства за счет теплообмена между низкотемпературным боковым теплообменником 50 и наружным воздухом.

[0045] Как было сказано выше, трасса циркуляции, включающая в себя четыре теплообменника 10, 20, 50 и 60, образована двумя низкотемпературными боковыми трубами 81 и 82 и двумя высокотемпературными боковыми трубами 83 и 84, и жидкая среда подается под напором в трассу циркуляции насосом 70. В качестве конкретного примера жидкой среды можно привести жидкость, такую как вода, раствор антифриза и раствор этанола или их смесь. Жидкая среда в этом варианте осуществления соответствует примеру текучей среды согласно изобретению.

[0046] Два MCM теплообменника 10 и 20 расположены внутри поршня 30. Поршень 30 может перемещаться возвратно-поступательно между парой постоянных магнитов 40 приводным механизмом 35. Говоря точнее, поршень 30 может совершать возвратно-поступательное движение между ʺпервым положениемʺ, показанным на фиг. 1, и ʺвторым положениемʺ, показанным на фиг. 2. В качестве примера приводного механизма 35 можно привести пневматический цилиндр или ему подобный.

[0047] Здесь ʺпервое положениеʺ является положением поршня 30, когда первый MCM теплообменник 10 не располагается между постоянными магнитами 40, а второй MCM теплообменник 20 располагается между постоянными магнитами 40. В отличие от этого, ʺвторое положениеʺ является положением поршня 30, когда первый MCM теплообменник 10 располагается между постоянными магнитами 40, а второй MCM теплообменник 20 не располагается между постоянными магнитами 40.

[0048] Вместо первого и второго MCM теплообменников 10 и 20 постоянные магниты 40 могут перемещаться возвратно-поступательно приводным механизмом 35. Альтернативно электромагнит, имеющий обмотку, может быть использован вместо постоянного магнита 40. В этом случае механизм перемещения MCM теплообменников 10 и 20 или магнита не требуется. Кроме того, когда используется электромагнит, имеющий обмотку, может изменяться величина магнитного поля, подаваемого на проволоки 12 и 22, вместо подачи/удаления магнитного поля по отношению к проволокам 12 и 22 MCM теплообменников 10 и 20.

[0049] Переключающий клапан 90 обеспечен в первой высокотемпературной боковой трубе 83 и во второй высокотемпературной боковой трубе 84. Синхронно с работой поршня 30 переключающий клапан 90 может переключать пункт назначения подачи жидкой среды от насоса 70 в первый MCM теплообменник 10 или во второй MCM теплообменник 20, и переключать пункт назначения соединения высокотемпературного бокового теплообменника 60 со вторым MCM теплообменником 20 или с первым MCM теплообменником 10.

[0050] Далее будет описана работа магнитного теплового насоса 1 согласно варианту осуществления со ссылкой на фиг. 1 и 2.

[0051] Во-первых, когда поршень 30 перемещается в ʺпервое положениеʺ, показанное на фиг. 1, проволока 12 первого MCM теплообменника 10 размагничивается, так что температура падает, а проволока 22 второго MCM теплообменника 20 намагничивается, так что температура возрастает.

[0052] В то же самое время первая трасса (насос 70 → первая высокотемпературная боковая труба 83 → первый MCM теплообменник 10 → первая низкотемпературная боковая труба 81 → низкотемпературный боковой теплообменник 50 → вторая низкотемпературная боковая труба 82 → второй MCM теплообменник 20 → вторая высокотемпературная боковая труба 84 → высокотемпературный боковой теплообменник 60 → насос 70) образуется переключающим клапаном 90.

[0053] По этой причине жидкая среда охлаждается проволокой 12 первого MCM теплообменника 10, температура которой понижается вследствие размагничивания, и жидкая среда подается в низкотемпературный боковой теплообменник 50, так что низкотемпературный боковой теплообменник 50 охлаждается.

[0054] В это время, поскольку жидкая среда проходит через проход 111, образованный между боковыми поверхностями проволок 12 внутри первого MCM теплообменника 10, соприкасаясь с проволоками 12, жидкая среда охлаждается проволоками 12. Кроме того, поскольку зазор между внешней периферией узла 11 и трубчатым участком 14 заблокирован заполняющим участком 15 покрывающего слоя 13, количество жидкой среды, текущей через проход 111 между проволоками 12, не уменьшается.

[0055] Дополнительно в том случае, когда узел 11B образуется скручиванием множества проволок 12B (см. фиг. 5 и 6), множество проволок 12B удерживаются друг другом. По этой причине возможно подавить проблему, согласно которой проволока 12B перемещается внешней надавливающей силой или силой трения, вызываемой жидкой средой.

[0056] Между тем жидкая среда нагревается проволокой 22 второго MCM теплообменника 20, температура которой возрастает вследствие намагничивания, и жидкая среда подается в высокотемпературный боковой теплообменник 60, так что высокотемпературный боковой теплообменник 60 нагревается.

[0057] В это время, поскольку жидкая среда проходит через проход, образованный между боковыми поверхностями проволок 22 внутри второго MCM теплообменника 20, соприкасаясь с проволоками 22, жидкая среда нагревается проволоками 22. Кроме того, поскольку зазор между внешней периферией узла 21 и трубчатым участком покрывающего слоя 23 заблокирован заполняющим участком покрывающего слоя 23, количество жидкой среды, текущей через проход, образованный между проволоками 22, не уменьшается.

[0058] Дополнительно в том случае, когда узел второго MCM теплообменника образуется скручиванием множества проволок, это множество проволок удерживается друг другом. По этой причине возможно подавить проблему, согласно которой проволока 12B перемещается внешней надавливающей силой или силой трения, вызываемой жидкой средой.

[0059] Затем, когда поршень 30 перемещается во ʺвторое положениеʺ, показанное на фиг.2, проволока 12 первого MCM теплообменника 10 намагничивается, так что ее температура возрастает, а проволока 22 второго MCM теплообменника 22 размагничивается, так что ее температура падает.

[0060] В то же самое время вторая трасса (насос 70 → вторая высокотемпературная боковая труба 84 → второй MCM теплообменник 20 → вторая низкотемпературная боковая труба 82 → низкотемпературный боковой теплообменник 50 → первая низкотемпературная боковая труба 81 → первый MCM теплообменник 10 → первая высокотемпературная боковая труба 83 → высокотемпературный боковой теплообменник 60 → насос 70) образуется переключающим клапаном 90.

[0061] По этой причине жидкая среда охлаждается проволокой 22 второго MCM теплообменника 20, температура которой падает вследствие размагничивания, и жидкая среда подается в низкотемпературный боковой теплообменник 50, так что низкотемпературный боковой теплообменник 50 охлаждается.

[0062] В это время, поскольку жидкая среда проходит через проход, образованный между боковыми поверхностями проволок 22 внутри второго MCM теплообменника 20, соприкасаясь с проволоками 22, жидкая среда охлаждается проволоками 22. Кроме того, поскольку зазор между внешней периферией узла 21 и трубчатым участком покрывающего слоя 23 заблокирован заполняющим участком покрывающего слоя 23, количество жидкой среды, текущей через проход между проволоками 22, не уменьшается.

[0063] Дополнительно в том случае, когда узел второго MCM теплообменника образуется скручиванием множества проволок, это множество проволок удерживаются друг другом. По этой причине возможно подавить проблему, согласно которой проволока перемещается внешней надавливающей силой или силой трения, вызываемой жидкой средой.

[0064] Между тем жидкая среда нагревается проволокой 12 первого MCM теплообменника 10, температура которой возрастает вследствие намагничивания, и жидкая среда подается в высокотемпературный боковой теплообменник 60, так что высокотемпературный боковой теплообменник 60 нагревается.

[0065] В это время, поскольку жидкая среда проходит через проход 111, образованный между боковыми поверхностями проволок 12 внутри первого MCM теплообменника 10, соприкасаясь с проволоками 12, жидкая среда нагревается проволоками 12. Кроме того, поскольку зазор между внешней периферией узла 11 и трубчатым участком 14 заблокирован заполняющим участком 15 покрывающего слоя 13, количество жидкой среды, текущей через проход 111, образованный между проволоками 12, не уменьшается.

[0066] Дополнительно в том случае, когда узел 11B образуется скручиванием множества проволок 12B (см. фиг. 5 и 6), это множество проволок 12B удерживаются друг другом. По этой причине возможно подавить проблему, согласно которой проволока 12B перемещается внешней надавливающей силой или силой трения, вызываемой жидкой средой.

[0067] Затем, когда подача или удаление магнитного поля по отношению к проволокам 12 и 22 внутри, соответственно, первого и второго MCM теплообменников 10 и 20 повторяется повторением возвратно-поступательного перемещения поршня 30 между ʺпервым положениемʺ и ʺвторым положениемʺ, охлаждение низкотемпературного бокового теплообменника 50 и нагревание высокотемпературного бокового теплообменника 60 продолжается.

[0068] Как было сказано выше, в этом варианте осуществления зазор между внешней периферией узла 11 и трубчатым участком 14 заблокирован заполняющим участком 15 покрывающего слоя 13. В соответствии с этим, поскольку большое количество жидкой среды может проходить через проход 111, образованный между проволоками 12, эффективность теплообмена может быть повышена.

[0069] Подобным образом зазор между внешней периферией узла 21 и трубчатым участком во втором MCM теплообменнике 20 заблокирован заполняющим участком покрывающего слоя. В соответствии с этим, поскольку большое количество жидкой среды может проходить через проход, образованный между проволоками 22, возможно повысить эффективность теплообмена.

[0070] Дополнительно в этом варианте осуществления, поскольку покрывающий слой 13 включает в себя первое и второе отверстия 131 и 132, и направление от первого отверстия 131 ко второму отверстию 132 по существу согласуется с направлением протяженности узла 11, возможно ослабить увеличение потери давления жидкой среды, текущей внутри MCM теплообменника 10.

[0071] Кроме того, как показано на фиг. 5 и 6, в случае, когда узел 11B образуется скручиванием множества проволок 12B, достигается нижеследующее. А именно, поскольку множество проволок 12B удерживаются друг другом, возможно сдержать проволоки 12B от перемещения давлением текучей среды, оказываемого жидкой средой, и, таким образом, ослабить ухудшение эффективности теплообмена для MCM теплообменника.

[0072] То есть, когда положение проволоки, расположенной в MCM теплообменнике, отклоняется от положения постоянного магнита, проволока 12B не может легко излучать и поглощать тепло. В результате возникает опасение, что эффективность теплообмена между проволокой и жидкой средой может быть ухудшена. В отличие от этого в настоящем варианте осуществления возможно подавить ухудшение эффективности обмена тепловой энергией в MCM теплообменнике.

[0073] Конкретно, когда узел 11B, образованный скручиванием множества проволок 12B, покрывается покрывающим слоем 13, проволоки 12B, расположенные на самой отдаленной периферии, прочно прикрепляются к заполняющему участку 15 покрывающего слоя 13. По этой причине, поскольку одна наружная проволока среди соседних проволок 12B последовательно поддерживает другую внутреннюю проволоку, весь узел 11B в конечном итоге удерживается покрывающим слоем 13. В соответствии с этим возможно сдержать проволоку 12B от дальнейшего перемещения давлением текучей среды, создаваемым жидкой средой, и дополнительно подавить ухудшение эффективности теплообмена в теплообменнике.

[0074] Кроме того, поскольку множество проволок 12B скручиваются концентрическим скручиванием, совместным скручиванием или составным скручиванием, возможно скручивать проволоки, избегая при этом разрушения прохода 111B.

[0075] Кроме того, поскольку уравнения (3) и (4) удовлетворяются, возможно скручивать проволоки 12B, при этом еще и предотвращая разрушение прохода 111B.

[0076] Далее будет описан способ изготовления теплообменника по этому варианту осуществления со ссылками на фиг. 8 и 9.

[0077] На фиг. 8 показана блок-схема последовательности операций, представляющая способ изготовления MCM теплообменника согласно этому варианту осуществления, а на фиг. 9 показан вид в разрезе, представляющий устройство для нанесения полимерного экструзионного покрытия, используемое на этапе S20 на фиг. 8.

[0078] Поскольку первый MCM теплообменник 10 и второй MCM теплообменник 20 имеют одинаковую структуру, будет описан только способ изготовления первого MCM теплообменника 10, а способ изготовления второго MCM теплообменника 20 будет опущен.

[0079] Во-первых, на этапе S10 на фиг. 8 формируется узел 11 связыванием множества проволок 12.

[0080] Конкретно, проволока 12 формуется таким образом, что порошкообразный MCM вводится в пресс-форму и спекается, чтобы быть сформованным в цилиндрический элемент, и этот цилиндрический элемент линейно вытягивается. Способ формования проволоки 12 конкретно не ограничивается описанным выше способом. Например, провод 12 может быть сформован таким образом, что литой материал может быть сформован в цилиндрический элемент, и этот цилиндрический элемент линейно вытягивается.

[0081] Затем формируется узел 11 связыванием множества проволок 12. В это время множество проволок 12 связываются в направлении, перекрещивающемся с направлением протяженности проволоки 12. Множество проволок 12, составляющих узел 11, просто связываются и не прикрепляются друг к другу клеящим веществом или ему подобным.

[0082] Затем, на этапе S20 на фиг. 8, узел 11 покрывается покрывающим слоем 13 с помощью устройства 100 для нанесения полимерного экструзионного покрытия, показанного на фиг. 9.

[0083] Пресс-форма 130, включающая в себя конусообразный вкладыш 140 и матрицу 150, прикрепляется к зкструзионной головке 120 устройства 100 для нанесения полимерного экструзионного покрытия. Конусообразный вкладыш 140 включает в себя проходное отверстие 141, через которое проходит узел 11. Дополнительно конусообразный вкладыш 140 располагается внутри вводного отверстия 151 матрицы 150, и проход 152, через которое проходит расплавленный полимер MR, образуется между конусообразным вкладышем 140 и матрицей 150.

[0084] Расплавленный полимер MR, который нагревается и замешивается экструдером 110, подается в экструзионную головку 120. Затем узел 11 подается через проходное отверстие 141 конусообразного вкладыша 140, и расплавленный полимер MR проходит через проход 152, так что расплавленный полимер экструдируется, с тем чтобы покрыть внешнюю периферию узла 11. После этого расплавленный полимер MR охлаждается сразу же после экструзии, так что образуется покрывающий слой 13. Может быть использовано воздушное охлаждение или водяное охлаждение в качестве способа охлаждения расплавленного полимера MR.

[0085] Так как расплавленный полимер MR окружает внешнюю периферию узла 11, когда полимер экструдируется, образуется трубчатый участок 14 покрывающего слоя 13. В то же время, поскольку расплавленный полимер MR прилипает к проволокам 12, расположенным на самой отдаленной периферии узла 11, образуется заполняющий участок 15 покрывающего слоя 13.

[0086] Затем, на этапе S30 на фиг. 8, узел 11, покрытый покрывающим слоем 13, отрезается до заданной длины. После этого один конец покрывающего слоя 13 подсоединяется к первой низкотемпературной боковой трубе 81 первым адаптером 16, а второй конец покрывающего слоя 13 подсоединяется к первой высокотемпературной боковой трубе 83 вторым адаптером 17. Соответственно первый MCM теплообменник готов. В случае, когда проволоки 12 имеют заранее заданную длину, процесс отрезания на этапе S30 не требуется.

[0087] Как было описано выше в этом варианте осуществления, покрывающий слой 13 образуется экструзионным формованием полимерного материала на внешней периферии узла 11 таким же образом, как при покрытии проволоки, имеющей скрученную проволоку и покрывающий слой. По этой причине зазор между самой отдаленной проволокой 12a и трубчатым участком 14 покрывающего слоя 13 может быть легко заполнен заполняющим участком 15.

[0088] На этапе S10 на фиг. 8 узел 11B, показанный на фиг. 5 и 6, может быть образован скручиванием множества проволок 12B, как сказано ниже. На фиг. 10 показано в разрезе скручивающее устройство, используемое во время изготовления MCM теплообменника, изображенного на фиг. 5.

[0089] Конкретно, множество подготовленных проволок 12b связываются в направлении, перекрещивающимся с направлением протяженности проволоки 12B. Затем множество связанных проволок 122B скручиваются. Хотя существуют различные способы скручивания, которые описаны выше, известный способ скручивания может быть использован во время скручивания множества проволок 12B.

[0090] Например, может быть использовано скручивающее устройство 160, которое скручивает проволоки 12B, поступающие с множества подающих бобин 170, имеющих намотанные на них проволоки 12B. Скручивающее устройство располагается спереди устройства 100 для нанесения полимерного экструзионного покрытия. Скручивающее устройство 160 включает в себя распределительную пластину для скручивания (не показана), имеющую множество вводных отверстий (не показаны), и может формировать узел 11B, в котором множество проволок 12B скручиваются вращением распределительной пластины в заданном направлении скручивания, при этом проволоки 12B, поступающие с подающих бобин 170, пропускаются через множество вводных отверстий.

[0091] Варианты осуществления, поясненные выше, описаны для облегчения понимания настоящего изобретения и не направлены на ограничение настоящего изобретения. Поэтому предполагается, что элементы, описанные в приведенных выше вариантах осуществления, включают в себя все проектные изменения и эквиваленты, укладывающиеся в технический объем настоящего изобретения.

[0092] Конфигурация описанного выше магнитного теплового насоса приводится в качестве примера, и теплообменник согласно изобретению может быть применен к другому магнитному тепловому насосу AMR (Active Magnetic Refrigeration - охлаждение размагничиванием) типа.

[0093] Например, магнитный тепловой насос может включать в себя один MCM теплообменник, устройство изменения магнитного поля, выполненное с возможностью подачи магнитного поля в MCM и изменения величины магнитного поля, первый и второй внешние теплообменники, которые соответственно подсоединены к MCM теплообменнику через трубу, и устройство подачи текучей среды, выполненное с возможностью подачи текучей среды от MCM теплообменника в первый или второй внешние теплообменники синхронно с работой устройства изменения магнитного поля.

[0094] Кроме того, в описанном выше варианте осуществления был приведен пример, в котором магнитный тепловой насос применен к кондиционеру воздуха для дома или автомобиля, но изобретение не ограничивается конкретно этим. Например, когда выбирается MCM, имеющий соответствующую температуру Кюри согласно применению, магнитный тепловой насос, соответствующий изобретению, может быть использован для применения в диапазоне экстремально низких температур, например, в холодильном устройстве, или, в какой-то степени, в диапазоне высоких температур.

[0095] Кроме того, в этом варианте осуществления первый и второй MCM теплообменники 10 и 20 имеют одну и ту же конфигурацию, но изобретение не ограничивается конкретно этим. Здесь теплообменники могут иметь разные конфигурации. Например, первый и второй MCM теплообменники 10 и 20 могут использовать проволоки, имеющие разные диаметры проволоки. Кроме того, способы скручивания, направления скручивания или шаги скручивания множества проволок могут отличаться друг от друга.

[0096] Кроме того, в этом варианте осуществления MCM теплообменник включает в себя единственный узел, но изобретение не ограничивается конкретно этим. Например, множество узлов может быть расположено последовательно вдоль направления протяженности MCM теплообменника. В этом случае множество узлов могут иметь одну и ту же конфигурацию или разные конфигурации.

[0097] Когда магнитный тепловой насос используется непрерывно, MCM теплообменник имеет температурный градиент, при котором температура высока на стороне подсоединения к высокотемпературной боковой трубе и температура низка на стороне подсоединения к низкотемпературной боковой трубе. По этой причине в описанном выше примере проволоки, составляющие узел, находящийся у высокотемпературной стороны среди множества расположенных последовательно узлов, предпочтительно состоят из материала, имеющего относительно высокую точку Кюри (температуру Кюри), а проволоки, составляющие узел, находящийся у низкотемпературной стороны, предпочтительно состоят из материала, имеющего относительно низкую точку Кюри. При этом, когда проволоки, состоящие из материалов, имеющих разные точки Кюри, используются в соответствии с атмосферной температурой в MCM теплообменнике, магнитокалорический эффект может быть выражен с более высокой эффективностью.

ПОЯСНЕНИЕ БУКВЕННЫХ И ЦИФРОВЫХ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

[0098]

1: магнитный тепловой насос

10, 10B: первый MCM теплообменник

11, 11B: узел

111, 111B: проход

12, 12B: проволока

12a: наиболее отдаленная проволока

13: покрывающий слой

131, 132: отверстие

14: трубчатый участок

15: заполняющий участок

16: первый адаптер

161: первый соединительный порт

17: второй адаптер

171: второй соединительный порт

20: второй MCM теплообменник

21: узел

22: проволока

23: покрывающий слой

26: первый адаптер

261: первый соединительный порт

27: второй адаптер

271: второй соединительный порт

30: поршень

35: приводной механизм

40: постоянный магнит

50: низкотемпературный боковой теплообменник

60: высокотемпературный боковой теплообменник

70: насос

81-82: первая и вторая низкотемпературные боковые трубы

83-84: первая и вторая высокотемпературные боковые трубы

90: переключающий клапан

100: устройство для нанесения полимерного экструзионного покрытия

110: экструдер

120: экструзионная головка

130: пресс-форма

140: конусообразный вкладыш

141: проходное отверстие

150: матрица

151: вводное отверстие

152: проход

160: скручивающее устройство

170: подающая бобина

MR: расплавленный полимер

Изобретение относится к магнитокалорическим тепловым машинам. Теплообменник, способ его изготовления и тепловой насос, содержащий теплообменник, включающий узел, образованный связыванием проволок, и покрывающий слой. Каждая из проволок состоит из магнитокалорического материала, обладающего магнитокалорическим эффектом. Покрывающий слой включает трубчатый участок, окружающий периферию узла и заполняющий участок, заполняющий зазор между внешней периферией узла и трубчатым участком. Тепловой насос включает устройство изменения магнитного поля, первый и второй внешние теплообменники, подсоединенные к теплообменнику через трубу, и устройство подачи текучей среды. Устройство подачи выполнено с возможностью подачи текучей среды от теплообменника в первый или второй внешний теплообменник синхронно с работой устройства изменения магнитного поля. Обеспечивается теплообменник, способный повысить эффективность теплообмена. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Теплообменник, предназначенный для использования в магнитном тепловом насосе, содержащий:

узел, образованный связыванием проволок;

покрывающий слой, который покрывает узел, в котором

каждая из проволок состоит из магнитокалорического материала, обладающего магнитокалорическим эффектом, и

покрывающий слой включает в себя:

трубчатый участок, окружающий периферию узла; и

заполняющий участок, заполняющий зазор между внешней периферией узла и трубчатым участком.

2. Теплообменник по п. 1, в котором

трубчатый участок и заполняющий участок выполнены как одно целое.

3. Теплообменник по п. 1, в котором

покрывающий слой состоит из поливинилхлорида, полиэтилена, перекрестно сшитого полиэтилена, кремнийорганического каучука или фторкаучука.

4. Теплообменник по п. 1, в котором

покрывающий слой включает в себя:

первое отверстие, расположенное на одном конце; и

второе отверстие, расположенное на другом конце; и

направление от первого отверстия ко второму отверстию по существу согласуется с направлением протяженности узла.

5. Теплообменник по п. 1, в котором

узел образован скручиванием проволок.

6. Теплообменник по п. 5, в котором

проволоки скручиваются концентрическим скручиванием, совместным скручиванием или составным скручиванием.

7. Теплообменник по п. 5, в котором

удовлетворяются уравнения (1) и (2):

1,4⋅10≤A≤2,25⋅10⁴ … (1)

A=P/R … (2),

где в уравнении (2) P является шагом скручивания при скручивании проволок, а R - диаметром проволоки.

8. Магнитный тепловой насос, содержащий:

по меньшей мере один теплообменник согласно любому из пп. 1-7;

устройство изменения магнитного поля, выполненное с возможностью подачи магнитного поля на магнитокалорический материал и изменения величины магнитного поля;

первый и второй внешние теплообменники, соответственно подсоединенные к теплообменнику через трубу; и

устройство подачи текучей среды, выполненное с возможностью подачи текучей среды от теплообменника в первый или второй внешний теплообменник синхронно с работой устройства изменения магнитного поля.

9. Способ изготовления теплообменника, предназначенного для использования в магнитном тепловом насосе, содержащий:

первый этап формирования узла связыванием проволок;

второй этап формирования покрывающего слоя для покрытия узла, причем

каждая из проволок состоит из магнитокалорического материала, обладающего магнитокалорическим эффектом, и

покрывающий слой включает в себя:

трубчатый участок, окружающий периферию узла, и

заполняющий участок, заполняющий зазор между внешней периферией узла и трубчатым участком.

10. Способ изготовления по п. 9, в котором

второй этап включает в себя формирование покрывающего слоя экструзией полимерного материала на внешнюю периферию узла при одновременном перемещении узла.

11. Способ изготовления по п. 9 или 10, в котором

первый этап включает в себя формирование узла скручиванием проволок.

12. Способ изготовления по п.9 или 10, причем этот способ изготовления содержит третий этап отрезания узла, покрытого покрывающим слоем, до заданной длины.