Охлаждающее устройство Советский патент 1983 года по МПК F25B9/02 

(54) ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к энергетике, в частности для получения и поддержания низких температур, и может быть использовано как в криогенной, так и в холодильной технике.

Известно охлаждакнцее устройство, содержащее золотниковый гаэораспределитель, подключенный к пульсационной трубе с холодильником .на конце Cl.

Недостатком этого охлаждающего устройства является невозможность достижения низкого уровня температуры охлаждения.

Известно также охлаждающее устройство, содержащее источник пульсаций газа, подключенный к последовательно соединенным регенератору, рефрижеjpaTopy, рабочему цилиндру и холодильнику. Это устройство обладает высокой эксплуатационной надежностью, обусловленной простотой конструкции и отсутствием подвижных элементов f2.

Недостатками данной охлаждающей установки являются Мсшая удельная холодопроизводительность и низкая эффективность, поскольку отвод энергии а ней осуществляется только в виде . тепла в холодильнике, количественно определяемого эффектом Джоуля.

Цель изобретения - повышение холрдопроизводительности.

Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит диэлектрические энерготрансфорлирующие элементы с системой электрического управления, размещенные в рабочем цилиндре, причем система управления сблокирована с источником пульсаций

10 газа.

Энерготрансформирующиё элементы могут быть выполнены составными из ма териалов с различн1л о1 значениями точки Юори, возрастакидими в направлении

15 от рефрижератора к холодильнику.

На фиг. 1 изображена схема данной установки; на фиг. 2 - распределение температур по длине установки.

Установка содержит источник 1

20 пульсаций газа, подключенный к последовательно соединенным регенератору 2, рефрижератору 3, рабочему цилиндру 4 и холодильнику 5.

Устройство также содержит диэлект25рические энерготрансформирующие элементы б с системой 7 электрического управления, размещенные в рабочем цилиндре 4. Система управления сблокирована с источником 1 пульсаций

30 газа. Работа установки возможна в двух вариантах: энерготрансформирующие элементы обеспечивают преобразование тепла в электроэнергию, которая выво дится из установки; энерготрансформи рующие элементы работают в рефрижера торном режиме за счет внешнего периодического наложения на них электрического поля. В соответствии с циклом (первый вариант) газ периодически в каждом с чении трубы меняет свою температуру в определенндм интервале. В результа те и энерготрансформирующие элементы 6 периодически нагреваются и охлаждаются. При нагреве энерготранс- формирующих элементов, выполненных,, например, из сегнетокерамики на противоположных плоскостях элементов б образуются электрические заряды, которые снимаются системой 7 управления на электрическую нагрузку (напри мер, реостат, индуктивная катушка и т.д.). При- охлаждении энерготрансформирующих элементов электрическая нагрузка отключена, а сами элементы по внутренней структуре возвращаются в исходное состояние. Газообразный теплоноситель поступает периодически в регенератор 2 из источника 1 пульсаций газа. Проходя через регенератор 2, теплоноситель охласкдается от температуры окружающей среды Тце до температуры рефрижератора 3. В результате впуска теплоносителя давление и температура газа, нахо дившегося в рабочем цилиндре 4, повышаются. Это повышение температуры газа в установке используется частич но на нагрев энерготрансформирующих элементов 6. Поэтому распределение температуры газа характеризуется на фиг. 2 не линией О , а линией которая проходит несколько ниже. Вследствие нагрева на противоположных плоскостях энерготрансформирующих элементов происходит наколление электрических зарядов и разряд их че рез электрическую нагрузку системы управления 7. Таким образом, часть внутренней энергии газа, находящегося в каждом сечении рабочего цилиндра, преобразуется в электроэнергию и выводится из системы. В следующую фазу цикла теплоноситель возвращают в источник 1. При этом давление и температура гаэа, оставшегося в цилиндре 4, снижаются Причем снижение температуры более существенно, чем в известном устройстве, так как от газа по всей длине цилиндра 4 в предыдущей фазе цикла была выведена часть внутренней энергии посредством энерготрансформируювдих элементов. Поэтому распределение температуры гаэа вдоль цилиндра 4 характеризуется теперь по фиг.2 не линией (У как в известной установке, а линией . В результате этого газ в рефрижераторе 3 также имеет более низкую температуру, а следовательно, становится возможным подвести больше тепла от охлаждаемого объекта, т.е. увеличить удельную холодопроизводительность установки и ее энергетическую эффективность. В течение этой фазы энерготрансформирующие элементы б отключены посгредством системы управления от нагрузки и охлаждаются до исходной температуры. Далее фазы повторяются. Работа энерготрансформирующих элементов 6 в рефрижераторном режиме (второй вариант) заключается в следующем. При наложейии на них внешнего электрического поля происходит упорядочение структуры материала элемента, в результате чего элемент нагревается. Это выделяющееся в процессе упорядочения структуры тепло отводят каким-либо теплоносителем ( как показано ниже7, в предлагаемой установке это осуществляется газом при впуске теплоносителя из источника 1 так, чтобы температура элементов осталась первоначальной. При последуюЫем снятии электрического поля происходит разупорядоченйе структуры материала элементов, на что затрачивается часть внутренней энергии материала, а следовательно, понижается его температура. Пропуская через- холодные элементы газ, можно понизить его температуру (газ охлаждается). Работа установки осуществляется следующим образом. Так же как и в первом случае при впуске теплоносителя из источника 1 давление и температура газа в рабочем цилиндре 4 увеличиваются.В эго же время система 7 управления подает напряжение на энерготрансформирующие элементы б. Выделяющееся в процессе упорядочения структуры тепло снимается газом, в результате чего его температура еще больше повышается. Характер изменения температуры газа по длине рабочего цилиндра 4 в этой фазе показан на фиг. 2 кривой д. Поскольку температура газа в зоне отвода тепла выше, чем в первом случае и у известной установки, то и количество тепла, отводимое в холодильнике, здесь больше. В следующей фазе (теплоноситель из рабочего объема удаляют в источник 1) напряжение с энерготрансформирующих элементов б снимают. Поэтому одновременно со снижением давления газа происходит разупорядоченйе структуры элементов и, следовательно,снижение их температуры. Таким образом.

газ в рабочем цилиндре 4 охлаждается как в результате снижения давления, так и вследствие теплообмена с холодными энерготрансформирующими элементами. Характер распределения температуры газа в рабочем цилиндре 4 показан на фиг. 2 линией 6 . Поскольку температура газа в рефрижераторе ниже, чем в первом случае, то и коли(чество тепла, подводимое от охлаждающего объекта, увеличивается, т.е. увеличивается удельная, холодопроизво;дительность.

Таким образом, при любом варианте предлагаемая установка обеспечивает /дополнительный вывод внутренней энергии газа, находящегося в ней, в окружающую среду, а следовательно, соответствующее увеличение удельной холодопроизводительности. Это увеличение холодопроизводйтельности приводит и к увеличению энергетической. эффективности установки, что очевидно для первого варианта. Во втором варианте одновременно с увеличением холодопроизводительности несколько растут и энергетические затраты,что вызвано подачей напряжения на энерготрансформирующие элементы. Однако, как показывают расчеты, энергетический КПД отдельных элементов может быть оче«ь высоким (/v 90%) , поэтому в целом на эффективность низкотемпературной установки в большей степени сказывается увеличение холодопроизводительности.

Для энерготрансформирующих элементов можно использовать большое число различных диэлектриков. Однако наибольший эффект получают при использовании сегнетоэлектрических ма териалов обладающих Б окрестности точки Кюри аномально высокими диэлектрическими свойствами. Известно около 600 различных сегнетоэлектриков, а их твердалх растворов - более тысячи, что позволяет по их точкам Кюри перекрыть практически весь; диапазон температур от 4 К до 1000 К.

10 Формула изобретения

1.Охлаждающее устройство, содержащее источник пульсаций газа, подключенный к последовательно соединен15 ным регенератору, 1 ефрижератору, рабочему цилинд)у и холодильнику, отличающееся тем, что, с целью повышения холодопроиэводительностн, оно дополнительно содер20 жит диэлектрические энерготрансформирующие элементы с системой электрического управления, размещенные в рабочем цилиндре, причем система управления сблокирована С источником

25 пульсаций газа.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что энерготрансформирующие элементы выполнены составными из материалов с различныJQ МИ значениями точки Кюри, возрастающими в направлении от рефрижератора к холодильнику.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Воронин г.и. Конструирование

35 машин и агрегатов систем кондиционирования. М., Машиностроение, 1978, с. 176-180.

2.Авторское свидетельство СССР W 623067, кл. F 25 В 9/02, 1977.