Магнитокалорический рифрижератор Советский патент 1993 года по МПК F25B21/00 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для производства холода при криогенных температурах.

Цель изобретения - упрощение конструкции МР и снижение трудоемкости ее изготовления.

Указанная цель достигается тем, что на верхней поверхности рабочего тела размещен слой частиц толщиной 1-5 мм и диаметром 0,05-2 мм, причем материал частиц имеет плотность выше, чем плотность жидкой среды-теплоприемника, а над слоем частиц с зазором установлена сетка с размером отверстий меньше диаметра частиц. Для уменьшения теплопритока от частиц к рабочему телу, частицы выполнены из теплоизолирующего материала с минимальными теплопроводностью и теплоемкостью. Для облегчения удаления частиц от поверхности рабочего тела в процессе отвода теплоты намагничивания при кипении жидкой среды теплоприемника, частицы выполнены из пара-, ферро- или ферримагнетика, при этом в процессе намагничивания рабочего тела напряженность магнитного поля возрастает по высоте слоя и достигает максимального значения в 1,01-1,10 от номинального на расстоянии не менее двух толщин слоя от поверхности рабочего тела. С этой же целью частицы выполнены из ди- амагнетика, при этом в процессе намагничивания рабочего тела напряженность магнитного поля убывает по высоте слоя и достигает минимального значения в 0,9- 0,99 от номинального на расстоянии не менее двух толщин слоя от поверхности рабочего тела. Частицы могут быть выполнены из материала, обладающего магнитока- лорическим эффектом, например, из материала рабочего тела. В этом случае за счет дополнительного холода, производимого этими частицами при размагничивании, понижается температура слоя жидкости, прилегающего к рабочему телу и вследствие этого уменьшается паразитный теплоприток к рабочему телу.

На фиг,1 изображена схема предложенной конструкции МР; на фиг.2 - схема организации требуемого профиля магнитного поля по высоте рабочего тела МР и слоя частиц.

МР содержит рабочее тело 1 (см.фиг. 1), жестко и герметично укрепленное в верхней части криостата 2, жидкую среду-теплопри- емник 3, контактирующую с верхней повер- хностьюрабочего тела, среду-теплоотдатчик 4, контактирующую с нижней поверхностью рабочего тела, источник переменного магнитного поля 5. На верхней поверхности рабочего тела в среде- теплоприемнике размещен слой частиц 6, над слоем частиц с зазором установлена сетка 7 с размером отверстий меньше диаметра частиц.

МР работает следующим образом: источник переменного магнитного поля 5 создает в зоне размещения рабочего тела 1 магнитное поле, изменяющееся по величи0 не во времени. При увеличении магнитного поля рабочее тело намагничивается, его температура повышается и когда она превысит температуру среды-теплоприемника 3, она начинает кипеть на поверхности рабо5 чего тела. При этом пузыри пара, образующиеся при кипении жидкой среды-теплоприемника, поднимаясь вверх, захватывают с собой частицы б, освобождая поверхность рабочего тела для новых пор0 ций жидкой среды-теплоприемника. Таким образом в процессе кипения частицы не препятствуют отводу теплоты намагничивания от поверхности рабочего тела. Для того, чтобы частицы 6 не уносились с паром, на

5 некотором расстоянии от .поверхности рабочего тела (2-5 толщин слоя) установлена сетка 7, с размерами ячеек меньше диаметра частиц. Сетка частицы задерживает, а пар пропускает. После достижения макси0 мального значения магнитное поле в зоне размещения рабочего тела начинает уменьшаться, в результате чего температура рабочего тела понижается, кипение среды-теплоприемника на верхней поверх5 ности рабочего тела прекращается, уменьшается конвекция в жидкой среде-теплоотдатчике и частицы под действием силы тяжести опускаются на рабочее тело, закрывая его верхнюю поверхность от

0 контакта с жидкой средой теплоприемника, образуя теплоизолирующий слой. Так, если пористость (или свободный объем) в слое частиц П 0,4, то с жидкой средой-тепло- приемником контактирует в 2,4 раза мень5 Ше поверхности рабочего тела, чем при отсутствии слоя частиц. В результате того, что при размагничивании рабочего тела с жидкой средой-теплоприемником контактирует только часть его верхней поверхности,

0

теплоприток от среды-теплоприемника к рабочему телу будет меньше, чем при отсутствии слоя частиц. Когда температура рабочего тела понизится ниже температуры среды-теплоотдатчика 4, осуществляется 5 отбор теплоты от среды-теплоотдатчика к рабочему телу, т.е. производство холода. По достижении минимального значения маг нитного поля в зоне размещения рабочего тела заканчивается один цикл работы МР. Затем циклы повторяются. Для того, чтоВы

теплоприток к рабочему телу от частиц был минимален, они выполнены из теплоизоли- рующего материала с минимальной тепло- а к к у м у л урующей способностью ( Vc р -Я - mIn), где А-коэффициент теплопроводности, с - удельная теплоемкость, р - плотность материала), например, фторопласта, текстолита и др. Для того, чтобы облегчить удаление частиц от поверхности рабочего тела при кипении жидкой среды-теплоприемника, частицы могут быть выполнены из материала с магнитной проницаемостью больше единицы (пара-, ферро- или ферримагнетика), при этом в процессе намагничивания рабочего тела со- здается положительный градиент магнитного поля по высоте слоя частиц и максимум магнитного поля в 1,01-1,10от номинального значения создается на расстоянии не менее двух толщин слоя от поверхности рабочего тела (см.фиг.2а). Материалом частиц может быть, например, железо, сталь Ст.З, сплав Армко и др. В этом случае частицы втягиваются в область более сильного поля, т.е. на частицы действуют магнитные силы, способствующие их удалению от поверхности рабочего тела, при намагничивании. Градиент магнитного поля можно создать, например используя соленоид с секционированными обмотками или элект- ромагнит с дополнительным сердечником. Частицы можно выполнить из диамагнети- ка, например, из сверхпроводника NbTf, NbaSn, итрий-бариевой керамики. В этом случае в процессе намагничивания рабоче- го тела создается отрицательный градиент магнитного поля по высоте слоя и минимум магнитного поля в 0,9-0,99 от номинального значения расположен на расстоянии не менее двух толщин слоя от поверхности рабо- чего тела. Диамагнитные частицы под действием градиента поля выталкиваются

из зоны сильно о поля в область слабого поля. То есть и в этом случае возникает сила, способствующая удалению частиц от поверхности при намагничивании. Если частицы выполнены из материала, обладающего магнитокалорическим эффектом, например, из материала рабочего тела, то при размагничивании температура частиц понижается. В результате теплообмена между частицами и средой-теплоприемником в порах слоя ее температура также понижается и теплопри- ток от среды-теплоприемника к рабочему телу будет ниже, чем если бы материал частиц не обладал бы магнитокалорическим эффектом.

Экономическая целесообразность данного изобретения следует из упрощения конструкции МР и снижения трудоемкости ее изготовления.

Формула изобретения 1. Магнитокало рический рефрижератор, содержащий корпус, в котором размещены магнитокалорический обьект, над объектом-жидкий теплоприемник, под объектом - жидкий теплоотдатчик, теплоизоли- рующий элемент, расположенный над верхней поверхностью объекта, а также источник переменного магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и упрощения конструкции, он снабжен сеткой, установленной над тепло- изолирующим элементом, выполненным из слоя частиц размером 0,05-2,00 мм толщиной 1-5 мм, причем плотность материала частиц выше плотности жидкого теплопри- емника, а размер отверстий сетки меньше размера частиц.

.2. Рефрижератор по п.1. о т л и ч а ю -. щ и и с я тем, что частицы выполнены из пара-, ферро-, ферри-, диамагнетика или из материала, обладающего магнитокалорическим эффектом.

Использование: в криогенной технике. Сущность изобретения: магнитокалорический рефрижератор содержит источник 5 переменного магнитного поля, корпус 2, в котором размещены магнитокалорический объект 1, над объектом 1 помещен жидкий теплоприемник 3, под объектом 1 - жидкий теплоотдатчик 4, сетка 7, установленная над теплоизолирующим элементом, покрывающим магнитокалорический объект 1 сверху и образованным из слоя частиц 6 размером 0,05-2,00 мм толщиной 1-5 мм. Частицы 6 могут быть выполнены из пара-, ферро-, ферри-, диамагнетика или из материала, обладающего магнитокалорическим эффектом. Плотность материала частиц 6 вы.ше плотности жидкого теплоприемника 3, а их размер больше размера отверстий сетки 7. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. J