Магнитокалорический рефрижератор Советский патент 1992 года по МПК F25B21/00 

Изобретение относится к низкотемпературной технике, а именно к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта.

Известен магнитокалорический рефрижератор, содержащий контур с размещенными в нем теплоприемниками, магнитокалорическими элементами, теплообменником нагрузки, вентилями, нагнетателем, импульсными электромагнитами и системой управления.

Недостатки этого магнитокалорического рефрижератора - большое время выхода на режим вследствие необходимости охлаждения магнитокалорическим рефрижератором своих конструктивных элементов, в том числе охлаждения материалов в каждом сечении магнитокалорического элемента до соответствующей температуры Кюри в пусковой период, и низкая термодинамическая эффективность в результате потерь в импульсных электромагнитах, изготавливаемых из несверхпроводящих материалов.

Эти недостатки частично устранены в магнитокалорическом рефрижераторе, содержащем контур, заполненный теплоносителем, теплоприемники, магнитокало- рические элементы, теплообменник нагрузки, нагнетатель, импульсные электромагниты, изготовленные из сверхпроводящей керамики и имеющие тепловой контакт с теплообменником нагрузки, и газовую криогенную машину, через тепловой ключ соединенную с теплообменником нагрузки. Здесь в пусковой период включается газовая криогенная машина, за- холаживающая через тепловой ключ и тепловые мосты импульсные электромагниты до достижения ими температуры сверхпроводимости, а также захолаживающая через тепловой ключ и циркулирующий в контуре теплоноситель магнитокалорические элементы до достижения ими в каждом сечении соответствующей температуры Кюри, например, от 300 до 20 К. Эта конструкция наиболее близка к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту и поэтому принята за прототип.

Недостатками прототипа являются: низкая холодопроизводительность и эффективность магнитокалорического рефрижератора в пусковой период в результате потерь от недорекуперации как в магнито- калорических элементах, так и в газовой криогенной машине, в результате наличия градиента температуры по тепловому ключу, соединяющему газовую криогенную машину с теплообменником нагрузки. Другим недостатком является сложность конструкции и большие массы и габариты в результате наличия отдельной газовой криогенной машины.

Цель изобретения - повышение холодопроизводительности и снижение массогабаритных характеристик магнитокалорического рефрижератора.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитокалорическом рефрижера0 торе, содержащем последовательно включенные в замкнутый контур теплоносителя нагнетатель, теплоприемники, теплообменник нагрузки, размещенные в корпусах магнитокалорические элемен5 ты, находящиеся в тепловом контакте с теплообменником нагрузки, импульсные электромагниты и систему управления. Магнитокалорические элементы установлены с возможностью перемещения, нагнета0 тель с одной стороны снабжен запорным вентилем, а теплоприемники со стороны нагнетателя соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем. Для дополнительного повышения холодопроиз5 водительности и уменьшения времени выхода на режим магнитокалорического элемента снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетателя, электрически связанными с системой уп0 равления.

Выполнение магнитоэлектрических элементов подвижными, соединение теплообменников со стороны нагнетателя трубопроводом с запорным вентилем и

5 установка с одной стороны нагнетателя запорного вентиля позволяет магнитокалори- ческому рефрижератору в пусковой период выполнять функции газовой криогенной машины и охлаждать электромагниты и магни0 токалорические элементы. Это позволяет исключить потери от недорекуперации в регенераторе отдельно установленной газовой криогенной машины, от теплопритоков по элементам газовой криогенной машины

5 и от градиента температур на тепловом ключе, соединяющем газовую криогенную ма-; шину с теплообменником нагрузки. В результате увеличения холодопроизводи- тельности и эффективность магнитокалори0 ческого рефрижератора в пусковом периоде и снижаются масса и габариты рефрижератора.

Установка со стороны нагнетателя дополнительных линейных электроприво5 дов, электрически связанных с системой управления, позволяет при выходе на режим использовать изобретение и как магни- токалористический охладитель, и как газовую криогенную машину одновременно. Это дает дополнительное увеличение холодопроизводительности, эффективности рефрижератора и уменьшение времени выхода на режим.

На фиг.1 схематически изображен маг- нитокалорический рефрижератор, в котором магнитокалорические элементы приводятся в движение циркуляции по контуру теплоносителя; на фиг.2 - то же, с линейным электроприводом магнитокалорических элементов.

Рефрижератор содержит контур 1, заполненный теплоносителем, например газообразным гелием, теплоприемники 2 и 3, пористые магнитокалорические элементы (регенераторы) 4 и 5, импульсные электромагниты 6 и 7, теплообменник 8 нагрузки, нагнетатель 9, стопорные механизмы 10 и 11, состоящие, например, из стопора, пружины и электромагнитной катушки, тепловые мосты 12 и 13,систему 14 управления, запорные вентили 15 и 16,

В состав линейных электроприводов (см. фиг.2) входят постоянные магниты 17 и 18, электромагниты 19 и 20 и втулки 21 и 22.

Магнитокалорический рефрижератор (см. фиг.1) в пусковой период работает следующим образом.

В начале работы запорный вентиль 15 закрыт, а запорный вентиль 16 открыт. Подается напряжение на электромагнитные катушки стопорных механизмов 10 и 11 и освобождаются магнитокалорические элементы (вытеснители) 4 и 5. Приводится в движение нагнетатель 9 и создает в контуре 1 пульсирующее давление. Теплоноситель перемещается через магнитокалорические элементы 4 и 5 в теплообменник 8 нагрузки и обратно. При этом в результате гидравлического сопротивления на торцах магнито- калорических элементов 4 и 5 возникает перепад давлений и магнитокалорические элементы 4 и 5 приводятся в возвратно-поступательное движение. Таким образом в пусковой период магнитокалорический рефрижератор работает как газовая криогенная машина Стирлинга, причем нагнетатель 9 работает в качестве компрессора, а магнитокалорические элементы 4 и 5 - в качестве подвижного вытеснителя - регенератора, в результате чего теплообменник 8 нагрузки, импульсные электромагниты 6 и 7 и имагни- токалорические элементы 4 и 5 захолажива- ются через движущийся в контуре 1 теплоноситель и тепловые мосты 12 и 13.

После того, как все материалы магнитока- лорических элементов 4 и 5 охладятся до соот- ветствующей температуры Кюри, а импульсные электромагниты 6 и 7 -до температуры сверхпроводящего состояния на импульсные электромагниты 6 и 7 подается

ток, электромагнитные катушки стопорнь; механизмов 10 и11 обесточиваются л магнитокалорические элементы 4 и 5 стстор г ся в нижних мертвых точках, запорнувентиль 16 закрывается, запорный вен тиль 15 открывается.

Магнитокалорический рефрижератор с линейными электроприводами магнитока- лорических элементов 4 и 5 (см. фиг,2) в

пусковой период работает следующим образом.

Вначале запорный вентиль 16 открыт, запорный вентиль 15 закрыт. На электромагнитные катушки стопорных механизмов 10 и 11 подается напряжение и стопорные механизмы 10 и 11 освобождают магнитокалорические элементы 4 и 5. Нагнетатель 9 запускается, создает в кон

туре 1 пульсирующее давление и магнитокалорические элементы 4 и 5 приводятся в возвратно-поступательное движение.

После того, как импульсные электромагниты 6 и 7 захолодятся от температуры ок

ружающей среды до температуры перехода обмотки в сверхпроводящее состояние, на импульсные электромагниты 6 и 7 и злект- ромагниты 19 и 20 линейных приводов маг- нитокалорических элементов 4 и 5 подгется

напряжение. На импульсные электромагниты б и 7 напряжение подается тогда, когда теплоноситель движется из холодной полости (теплообменника 8 нагрузки в тепловую (нагнетатель 9), напряжение на импульсных

электромагнитах 6 и 7 уменьшается до нуля, когда теплоноситель движется из теплой полости в холодную и таким образом температура теплоносителя дополнительно понижается.

Напряжение на электромагниты 19 и 20 линейных электроприводов магнитокалори- ческих элементов 4 и 5 подается таким образом, чтобы не изменился закон движения магнитокалорических элементов 4 и 5 при

подаче и снятии напряжения на импульсных электромагнитах 6 и 7. Согласно циклу Стирлинга перемещение магнитокалорическмх элементов 4 и 5 должно опережать по фазе, например, на 60-120 градусов перемещение поршня нагнетателя.

После достижения во всех сечениях магнитокалорических элементов соответствующих температур Кюри отключаются импульсные электромагниты 19 и 20,

обесточиваются электромагнитные катушки стопорных механизмов 10 и 11, магнитокалорические элементы 4 и 5 застопориваются в нижних мертвых точках, запорный вентиль 15 открывается и запорный вентиль 16 за крывается.

Далее магнитокалорический рефрижератор работает в автономном режиме следующим образом.

При включении импульсного электромагнита 6 и выключении импульсного элек- тромагнита 7 от системы 14 управления магнитокалорический элемент 4 намагничивается и нагревается, а магнитокалорический элемент 5 размагничивается и охлаждается.

В это время нагреватель 9 прокачивает теплоноситель по часовой стрелке. В результате теплоноситель охлаждается на магнитокалорическом элементе 5, охлаждает теплообменник 8 нагрузки (реализуется холодопроизводительность), нагревается на магнитокалорическом элементе 4 и отдает теплоту теплоприемнику 2. Затем импульсный электромагнит 6 выключают, а импульсный электромагнит 7 включают. Магнитокалорический элемент 4 размагничивается и охлаждается, а магнитокалориче- ский элемент 5 намагничивается и нагревается. В это время нагнетатель 9 прокачивает теплоноситель против часовой стрелки. Теплоноситель охлаждается на магнитокалорическом элементе 4, охлаждает теплообменник 8 нагрузки (холодопроизводительность реализуется второй раз за цикл), нагревается на магнитокалорическом

элементе 5 и отдает теплоту теплоприемнику 3.

Далее цикл повторяется.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1.Магнитокалорический рефрижератор, содержащий последовательно включенные в замкнутый контур теплоносителя нагнетатель, теплоприемник, теплообменник нагрузки, размещенные в корпусах маг- нитокалорические элементы, находящиеся в тепловом контакте с теплообменником нагрузки, импульсные электромагниты и систему управления, отличающийся тем, что, с целью повышения холодопроизводи- тельности и снижения массогабаритных характеристик, магнитокалорические элементы установлены с возможностью перемещения, нагнетатель с одной стороны снабжен запорным вентилем, а теплопри- емники со стороны нагнетателя соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем.

2.Рефрижератор по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью уменьшения выхода на режим, магнитокалорические элементы дополнительно снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетания, электрически связанными с системой управления.

Фиг. 2

45

Изобретение относится к низкотемпературной технике. Цель изобретения - повышение холодопроизводительности, уменьшение времени выхода на режим, снижение массогабаритных характеристик и упрощение конструкции. Для этого в маг- нитокалорическом рефрижераторе, содержащем последовательно включенные в замкнутый контур теплоносителя нагнетатель 9, теплоприемники 2 и 3, теплообменник 8 нагрузки, размещенные в корпусах магнитокалорические элементы 4 и 5, находящиеся в тепловом контакте с теплообменником 8 нагрузки, импульсные электромагниты 6 и 7 и систему управления; магнитокалорические элементы 4 и 5 установлены с возможностью перемещения, нагреватель 9 с одной стороны снабжен запорным вентилем 15, а теплоприемники 2 и 3 со стороны нагнетателя 9 соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем 16. Магнитокалорические элементы дополнительно снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетателя, электрически связанными с системой управления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.