Магнитокалорический рефрижератор

 

Использование: в криогенной технике, что позволяет увеличить термодинамическую эффективность и удельную холодопроизводительность. Сущность изобретения: наложение магнитного поля на магнитокалорическое рабочее тело в роторе приводит к его нагреванию, а снятие - к охлаждению. Прокачку теплоносителя осуществляют побудителем расхода теплоносителя через каналы для передачи теплоты от теплообменника нагрузки к рабочему телу ротора и далее - к теплоотдатчику. Кольцо из сверхпроводящего материала выполняет функцию магнитного подвеса ротора. 1 ил.

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта.

Известны магнитокалорические рефрижераторы для получения низких температур, содержащие корпус, заполненный жидким или газообразным теплоносителем, магнитокалорические элементы, имеющие каналы для прохода теплоносителя, теплоотдатчик, теплообменник нагрузки, магнитную систему и два возвратно-поступательных механизма привода магнитокалорических элементов и магнита (см., например, патент США N 4392356, кл. 62-3, 1984).

Недостатки известного магнитокалорического рефрижератора - низкая эффективность из-за неизбежного перемешивания теплоносителя при движении магнитокалорических элементов, а также малый ресурс работы и большая масса, связанная с наличием двух возвратно-поступательных механизмов привода. Эти недостатки частично устранены в магнитокалорическом рефрижераторе (см. W.A. Steyert. Stirling-cycle rotation magnetic refrigerator and heat engines for use near room temperature. J.Appl. Phys. N 3, vol. 49, 1978, p.1216-1226, fig. 1, 13), который содержит корпус с размещенным в нем ротором и патрубками, теплообменник нагрузки, теплоотдатчик, побудитель расхода теплоносителя, магнитную систему и вращательный механизм привода. Эта конструкция наиболее близка к предлагаемому изобретению и поэтому принята за прототип.

Недостатками этого известного магнитокалорического рефрижератора являются малый ресурс работы, связанный с наличием вращательного механизма привода ротора, и малая удельная холодопроизводительность, обусловленная тем, что за один оборот ротора холод вырабатывается один раз.

Целью изобретения является создание магнитокалорического рефрижератора с высоким ресурсом работы, так как на ресурс работы рефрижератора большое влияние оказывают высоконагруженные узлы трения механизма привода, то выполнение привода магнитокалорического рефрижератора без узлов трения позволит значительно повысить ресурс его работы.

Для достижения цели магнитокалорический рефрижератор, содержащий корпус, внутри которого размещен ротор с каналами, систему прокачки теплоносителя, состоящую из побудителя расхода теплоносителя, теплообменника нагрузки, теплоотдатчика, подводящих и отводящих патрубков, магнитную систему, снабжен кольцом их сверхпроводящего материала, установленного на внешней поверхности ротора, магнитная система выполнена по крайней мере из трех секций, подводящие патрубки обращены к внутренней поверхности ротора и соединены между собой через один в два коллектора, а отводящие обращены к наружной поверхности ротора и соединены между собой в два коллектора, причем один из коллекторов подводящих патрубков подключен к выходу теплообменника нагрузки, а другой - к выходу теплоотдатчика, один из коллекторов отводящих патрубков подключен к входу теплообменника нагрузки, а другой - к побудителю расхода теплоносителя.

Обращение отводящих патрубков к наружной поверхности ротора, соединение их через один в коллекторы, соединение одного из них с нагнетателем, а другого - с теплообменником нагрузки: обращение подводящих патрубков к внутренней поверхности ротора, соединение их через один в коллекторы, один из которых соединен с теплообменником нагрузки, а другой - с теплоотдатчиком, обеспечивает при прокачивании теплоносителя вращение ротора. Таким образом, в предложенном магнитокалорическом рефрижераторе по сравнению с прототипом отсутствует механизм привода ротора, который является самым ненадежным и недолговечным узлом, а также большую массу. Использование кольца из сверхпроводящего материала позволяет исключить подшипник, которые также имеют ограниченный ресурс и большую массу. Все это позволяет увеличить ресурс работы магнитокалорического рефрижератора по сравнению с прототипом в 2-10 раз.

Использование секций магнитной системы позволяет увеличить удельную холодопроизводительность во столько раз, сколько секций имеет магнитная система, так как каждая частица рабочего тела намагничивается, размагничивается и вырабатывает холод при прохождении каждой секции.

На чертеже изображена конструкция предлагаемого магнитокалорического рефрижератора.

Магнитокалорический рефрижератор содержит корпус 1, ротор 2, выполненный из магнитокалорического материала, подводящие патрубки 3 и 4, соединенные в два коллектора, отводящие патрубки 5 и 6, соединенные в два коллектора, теплообменник нагрузки 7, теплоотдатчик 8, побудитель расхода теплоносителя 9, секции 10-12 магнитной системы. На торцовых поверхностях ротора 2 выполнены каналы 13, а на внешней поверхности размещено кольцо 14 из сверхпроводящего материала.

Работает магнитокалорический рефрижератор следующим образом. Теплоноситель (газ или жидкость) прокачивается побудителем расхода теплоносителя 9 через теплоотдатчик 8, где охлаждается до начальной температуры и поступает через соединенные в коллектор подводящие патрубки в каналы 13. В результате реактивной силы при движении теплоносителя по каналам 13 ротор 2 будет поворачиваться по часовой стрелке (по чертежу). При этом теплоноситель в каналах 13 будет охлаждаться, так как эти части магнитокалорического рабочего тела ротора 2 будут выходить из зон сильного магнитного поля, созданного секциями 10-12 магнитной системы, размагничиваться и охлаждаться в результате магнитокалорического эффекта. Охлажденный теплоноситель через соединенные в коллектор отводящие патрубки 6 поступает в теплообменник нагрузки 7, где реализуется холодопроизводительность. Далее теплоноситель через подводящие патрубки 3 поступает в каналы 13, в которых выполняет работу по вращению ротора 2, и при этом нагревается от намагничивающегося рабочего тела ротора 2, так как эти части ротора 2 входят в зоны сильного магнитного поля, созданные секциями 10-12 магнитной системы. Нагретый теплоноситель через отводящие патрубки 5 поступает в побудитель расхода 9 и теплоотдатчик 8, после чего цикл повторяется.

В результате в предложенной конструкции теплоноситель помимо функции теплопереноса выполняет работу по намагничиванию и размагничиванию рабочего тела путем вращения ротора 2. Кольцо 14 из сверхпроводящего материала выполняет функцию магнитного подвеса, так как силовые линии магнитного поля, создаваемого секциями 10-12 магнитной системы, выталкиваются из сверхпроводника (эффект Мейснера). В итоге кольцо 14, а значит, и ротор 2 занимает положение внутри секций 10-12 магнитной системы.

Для того, чтобы это положение было устойчивым при вращении ротора 2, количество секций должно быть не менее трех. Подвешивание ротора 2 при помощи сверхпроводящего кольца 14 позволяет исключить трение между ротором 2 и корпусом 1, а также подшипники и другие опоры ротора 2.

Формула изобретения

МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ РЕФРИЖЕРАТОР, содержащий корпус, внутри которого размещен ротор с каналами, систему теплоносителя, состоящую из побудителя расхода теплоносителя, теплообменника нагрузки, теплоотдатчика и подводящих и отводящих патрубков, и магнитную систему, отличающийся тем, что он снабжен кольцом из сверхпроводящего материала, установленного на внешней поверхности ротора, магнитная система выполнена по крайней мере из трех секций, подводящие патрубки обращены к внутренней поверхности ротора и соединены между собой через один в два коллектора, а отводящие патрубки обращены к наружной поверхности ротора и соединены между собой через один также в два коллектора, причем один из коллекторов подводящих патрубков подключен к выходу теплообменника нагрузки, а другой - к выходу теплоотдатчика, а один из коллекторов отводящих патрубков подключен к входу теплообменника нагрузки, а другой - к побудителю расхода теплоносителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1