РАБОЧИЙ ЭЛЕМЕНТ МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКОГО РЕФРИЖЕРАТОРА Советский патент 1994 года по МПК F25B9/12 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в магнитокалорических рефрижераторах для получения температур ниже 20 К.

Хладопроизводительность магнитокалорического рефрижератора определяется интенсивностью отвода тепла от рабочего элемента к среде-теплоприемнику в режиме намагничивания и интенсивностью отвода тепла от среды-теплоотдатчика к рабочему элементу в режиме размагничивания. Последняя в значительной степени зависит от величины "паразитных" тепловых потоков от среды-теплоприемника и с боковой поверхностью к рабочему элементу.

Известна конструкция рабочего элемента магнитокалорического рефрижератора, где в цилиндрическом теле из монокристаллического гадолиний-галлиевого граната для повышения хладопроизводительности магнитокалорического рефрижератора за счет увеличения поверхности теплообменника выполнены несквозные каналы со стороны по крайней мере одного из торцов.

Описанная конструкция рабочего элемента магнитокалорического рефрижератора обеспечивает интенсивный отвод тепла от рабочего элемента к среде-теплоприемнику в режиме намагничивания, однако в режиме размагничивания к рабочему элементу подводится значителььный "паразитный" тепловой поток со стороны среды-теплоприемника и с боковой поверхностью, который быстро распространяется по всему объему рабочего элемента из-за его теплопроводности и уменьшает тепловой поток от среды-теплоотдатчика к рабочему элементу. В результате хладопроизводительность магнитокалорического рефрижератора недостаточно высокая, кроме того, высокая твердость и хрупкость монокристаллов гадолиний-галлиевого граната затрудняют изготовление рабочего элемента такой конструкции.

Наиболее близким техническим решением (прототип) является рабочий элемент магнитокалорического рефрижератора, имеющий форму цилиндра, выполненного из парамагнетика на основе материала гранатовой структуры (например, гадолиний-галлиевый гранат, гадолиний-алюминиевый гранат). Верхний торец, обращенный в среде-теплоприемнику, содержит антиконвективное покрытие из стеклянного волокна, обеспечивающее уменьшение теплопритока к рабочему элементу от среды-теплоприемника в режиме размагничивания.

Недостатком устройства является значительное снижение эффективности отвода тепла от рабочего элемента к среде-теплоприемнику в режиме намагничивания за счет низкой теплопроводности стеклянного волокна, а также "паразитные" тепловые потоки с боковой поверхности к рабочему элементу в режиме размагничивания. Хладопроизводительность магнитокалорического рефрижератора с таким рабочим элементом недостаточно высока.

Воспроизведение конструкции рабочего элемента магнитокалорического рефрижератора в виде цилиндра из гадолиний-галлиевого граната диаметром 40 мм, высотой 60 мм, имеющего покрытие из стеклоткани толщиной 20 мкм со стороны среды-теплоприемника, показало, что охлаждение до температуры 1,6 К осуществляется за 95 циклов намагничивания-размагничивания.

Цель изобретения - повышение эффективности работы магнитокалорического рефрижератора.

Поставленная цель достигается тем, что в рабочем элементе магнитокалорического рефрижератора, имеющем форму цилиндра, выполненного из парамагнетика на основе материала гранатовой структуры, согласно изобретению, боковая поверхность снабжена покрытием, выполненным в виде пластин шириной a= (0.1-0.15), где D - диаметр цилиндра, и толщиной b = (0,1-0,3)а, причем на одном из торцов цилиндра упомянутые пластины расположены перпендикулярно его поверхности с шагом L = (20-30)b. Пластины выполнены из монокристаллического кремния.

На фиг. 1 представлен предлагаемый рабочий элемент; на фиг. 2 - покрытие; на фиг. 3 - узел I на фиг. 2.

Рабочий элемент магнитокалорического рефрижератора имеет форму цилиндра 1, диаметром D, выполненного из парамагнетика на основе материала гранатовой структуры. Боковая поверхность цилиндра 1 и один из торцов снабжены покрытием 2 из монокристаллического кремния, выполненным в виде пластин. Ширина пластин a= (0.1-0.15), толщина d = (0,1-0,3)а. На торце пластины расположены перпендикулярно его поверхности с шагом L = (20-30)b.

Рабочий элемент работает следующим образом.

В период повышения напряженности внешнего магнитного поля, в котором расположен рабочий элемент магнитокалорического рефрижератора (режим намагничивания), происходит упорядочение магнитной структуры парамагнетика, температура рабочего элемента увеличивается. При достижении положительной разности температур рабочего элемента и среды-теплоприемника происходит теплоотдача от рабочего элемента к среде-теплоприемнику. Теплопроводность покрытия из монокристаллического кремния при температурах режима намагничивания находится на уровне теплопроводности парамагнетика, из которого выполнено тело рабочего элемента, поэтому не ухудшает теплоотвода от рабочего элемента к среде-теплоприемнику. В период уменьшения напряженности внешнего магнитного поля до нуля (режим размагничивания= происходит разупорядочение магнитной структуры парамагнетика. Процесс протекает с поглощением энергии, температура рабочего элемента понижается. При достижении положительной разности температур среды-теплооотдатчика и рабочего элемента происходит теплоотдача к рабочему элементу и среда-теплоотдатчик конденсируется на поверхности нижнего торца рабочего элемента. Теплопроводность покрытия из монокристаллического кремния в режиме размагничивания в≈100 раз ниже теплопроводности цилиндра из парамагнетика, что препятствует поглощению рабочим элементом тепла со стороны его боковой поверхности и тоpца, обращенного к среде-теплоприемнику ("паразитные" тепловые потоки) и, следовательно, интенсифицирует отток тепла от среды-теплоотдатчика.

Таким образом, наличие покрытия из монокристаллического кремния обеспечивает поверхности, на которой оно выполнено, свойства теплового диода, который не препятствует отводу тепла от рабочего элемента к среде-теплоприемнику в режиме намагничивания рабочего элемента, а также обеспечивает практически полную ликвидацию обратного потока тепла (уменьшает в ≈100 раз) от среды-теплоприемника и со стороны боковой поверхности к рабочему элементу ("паразитные" тепловые потоки) в режиме размагничивания рабочего элемента.

Ширина пластин кремниевого покрытия a= (0.1-0.15) обеспечивает плотное прилегание пластин к боковой поверхности цилиндра из парамагнетика. Увеличение ширины пластин до величины более 0,15 ухудшает контакт между пластиной и боковой поверхностью цилиндра из парамагнетика, что приводит к увеличению "паразитных" тепловых потоков со стороны боковой поверхности к рабочему элементу в режиме размагничивания. Уменьшение ширины пластин до величины менее 0.1 затрудняет сборку рабочего элемента.

Толщина пластин d = (0,1-0,3)а, установка пластин на торце цилиндра, обращенном к среде-теплоприемнику, перпендикулярно его поверхности с шагом L= (20-30)d в режиме намагничивания обеспечивают необходимую поверхность теплоотдачи, предотвращают перегрев среды-теплоприемника за счет естественной конвекции, т. е. обеспечиваю режим пузырькового кипения среды-теплоприемника на поверхности рабочего элемента. Отклонение указанных соотношений в ту и другую сторону не обеспечивает режима пузырькового кипения.

П р и м е р 1. Рабочий элемент магнитокалорического рефрижератора имеет форму цилиндра, выполненного из монокристаллического гадолиний-галлиевого граната, диаметр которого 40 мм, высота 60 мм. С помощью клея БФ-6 пластины монокристаллического кремния марки КЭФ-4,5 шириной 800 мкм и толщиной 160 мкм крепили на боковой поверхности цилиндра плотно друг к другу, а со стороны одного из торцов в виде гребенки с шагом 4000 мкм.

При помещении рабочего элемента в периодически изменяющееся магнитное поле напряженностью до 3 Тл снижение от температуры 16 К до температуры 1,6 К получено за 70 циклов намагничивания-размагничивания.

П р и м е р ы 2-13. Рабочий элемент выполняли аналогично примеру 1, меняя значения заявленных параметров. Результаты приведены в таблице.

Таким обpазом, по сравнению с прототипом изобретение позволяет повысить эффективность работы магнитокалорического рефрижератора в 1,2-1,3 раза. (56) Jacaze A. F. , Claudet G. , Jacaze A. A. , Seyfert P. Proceeding of the 10-th intern. cryogenic inginering conf. Helsinki, Finland, 1984, р. 23-31.

Авторское свидетельство СССР N 1455176, кл. F 25 B 21/00, 1987.

Патент Франции N 2525748, кл. F 25 B 21/00, 1983.

Использование: в магнитокалорическом рефрижераторе, работающем по обратному циклу Карно, для получения температур ниже 20 К. Сущность изобретения: рабочий элемент рефрижератора имеет форму цилиндра. Боковая поверхность цилиндра снабжена покрытием, выполненным в виде пластин шириной a = (0,1 - 0,15) , где D - диаметр цилиндра, и толщиной b = (0,1 - 0,3) a. На другом торце цилиндра пластины расположены перпендикулярно поверхности с шагом L = (20 - 30) b. Пластины выполнены из монокристаллического кремния. 1 з. п. ф-лы, 3 ил. , 1 табл.

1. РАБОЧИЙ ЭЛЕМЕНТ МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКОГО РЕФРИЖЕРАТОРА, имеющий форму цилиндра, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, боковая поверхность цилиндра снабжена покрытием, выполненным в виде пластин шириной a= (0.1-0.15) , где D - диаметр цилиндра, и толщиной b = (0,1 - 0,3)a, причем на одном из торцов цилиндра упомянутые пластины расположены перпендикулярно его поверхности с шагом L = (20 - 30)b. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что пластины выполнены из монокристаллического кремния.