Магнитная тепловая машина

Изобретение относится к холодильной или тепловой технике, а именно к холодильным машинам или тепловым насосам, использующим магнитный материал в качестве рабочего тела и магнитокалорический эффект для охлаждения или нагрева. Машина содержит в своем рабочем контуре магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники, насосы для создания потока теплоносителя, вентили, переключатели направления потока теплоносителя, а также магнит, перемещающийся относительно рабочего тела для его намагничивания/размагничивания. Необходимое для работы устройства изменение направления потока теплоносителя в рабочем теле обеспечивается переключателями направления потока, управляемыми механически или электрически с помощью датчиков положения магнита. Использование изобретения позволяет упростить конструкцию, а также увеличить эффективность и производительность магнитной тепловой машины. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к холодильной или тепловой технике, а именно к холодильным машинам или тепловым насосам, использующим магнитный материал в качестве рабочего тела и магнитокалорический эффект для охлаждения или нагрева.

Известны холодильные машины, работающие по активному магнитному регенеративному (АМР) холодильному циклу [патенты США 3413814, 4107935, 4408463, 4507928, 4332135, 5934078, 6526759]. Согласно результатам теоретических и экспериментальных исследований, холодильные машины с АМР циклом являются наиболее эффективными среди магнитных холодильников, работающих в области температур выше 20 К [Tishin A.M., Spichkin Y.I. Magnetocaloric effect and its applications, 2003, IoP Publishing, Bristol & Philadelphia, 475 pp.]. Особенностью АМР холодильных машин является то, что рабочее тело (магнитный материал) в таких устройствах используется не только для охлаждения в результате адиабатического размагничивания, но также в качестве регенератора. Такая схема позволяет повысить эффективность устройства и расширить диапазон его рабочих температур.

Помимо рабочего тела-регенератора замкнутый рабочий контур АМР холодильника включает в себя холодный и горячий теплообменники, а также устройство, обеспечивающее перемещение теплоносителя по контуру (реверсивный нагнетатель или насос). На фиг.1 представлена типовая схема рабочего контура АМР холодильника [патент США 3413814]. Здесь 1 - магнит, 2 - активный магнитный регенератор, 3 - холодный теплообменник, 4 - горячий теплообменник, 5 - реверсивный нагнетатель. АМР цикл состоит из двух адиабатических стадий (намагничивание/размагничивание) и двух стадий, осуществляемых при постоянном магнитном поле (во время этих стадий происходит продувка теплоносителя через контур). Режим работы устройства во многом зависит от соотношения эффективной теплоемкости теплоносителя и регенератора. Если теплоемкость регенератора намного больше теплоемкости теплоносителя, то температурный профиль внутри регенератора не изменяется и за время пока происходит продувка теплоносителя. На первой стадии цикла поршень нагнетателя находится в крайнем правом положении (теплоноситель находится в холодном теплообменнике), а магнитный материал в регенераторе адиабатически намагничивается, что вызывает повышение его температуры на величину магнитокалорического эффекта. На второй стадии цикла (горячая продувка) с помощью нагнетателя происходит перемещение теплоносителя от холодного теплообменника к горячему, при этом тепло, выделившееся при намагничивании в магнитном регенераторе, передается теплоносителю и выделяется в окружающую среду в горячем теплообменнике. На третьей стадии цикла, когда поршень нагнетателя находится в крайней левой позиции и движения теплоносителя в контуре не происходит, магнитный материал в регенераторе адиабатически размагничивается, что вызывает его охлаждение на величину магнитокалорического эффекта. На четвертой завершающей стадии цикла (холодная продувка) теплоноситель под действием поршня нагнетателя перемещается в обратном направлении (от горячего теплообменника к холодному), охлаждается в регенераторе и поступает в холодный теплообменник, где охлаждает нагрузку. Потоки теплоносителя во время холодной и горячей продувок должны иметь противоположные направления. Таким образом, повторение цикла вызывает охлаждение холодного теплообменника, т.к. тепло отбирается от нагрузки и отдается в окружающую среду в горячем теплообменнике. Описанное устройство может также использоваться для перекачки тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой, т.е. в качестве теплового насоса. В качестве теплоносителя в рассмотренной тепловой машине может использоваться жидкость или газ, а рабочее тело может представлять собой массивный материал с проделанными в нем отверстиями, набор пластин с соответствующим зазором, порошкообразный материал и другие конфигурации, обеспечивающие прохождение потока теплоносителя.

Описанное выше создание реверсивного тока теплоносителя с помощью нагнетателя было предусмотрено в ряде конструкций АМР холодильника, в частности в патентах США 4332135 (сильфонный нагнетатель), 4507928; в патенте Франции FR 2580385; в патентах СССР SU 1629706 A1, SU 1638493 A1, SU 1651055 A1, SU 1726930 A1, SU 1726931 A1; в патенте России RU 2040740 C1. Недостатком этого способа является наличие трения между стенками цилиндра и поршнем нагнетателя, приводящее к износу устройства и дополнительным энергетическим потерям. Кроме того, при таком реверсивном движении теплоносителя возникает так называемый “мертвый объем”, когда определенное количество теплоносителя не покидает регенератора (рабочего тела) и, таким образом, не участвует в процессе теплопереноса, что существенно снижает общую эффективность устройства. Недостатка, связанного с мертвым объемом, лишены конструкции с током теплоносителя в одном направлении, который обычно создается при помощи насоса. Такие конструкции были предложены в патентах США 4107935, 4408463, 5249424, 5934078, 6526759.

Магнитное поле, необходимое для намагничивания/размагничивания рабочего тела, может создаваться электромагнитом, либо постоянным магнитом. Использование электромагнита недостаточно эффективно, т.к. в магнитных холодильных устройствах необходимы существенные магнитные поля, для достижения которых в электромагнитах требуется значительное время. В связи с этим в конструкциях магнитных холодильных машин предлагаются постоянные магниты или сверхпроводящие магниты, работающие в автономном режиме (без подпитки от внешнего источника электроэнергии). Для намагничивания/размагничивания рабочего тела при этом может перемещаться либо магнит относительно рабочего тела, либо само рабочее тело относительно магнита (патенты США 3393525, 4107935, 4332135, 4408463; патент Франции FR 2580385; патенты СССР SU 1629706 A1, SU 1638493 A1, SU 1651055 A1). Перемещающийся магнит может совершать возвратно-поступательное (патент США 3393525; патент Франции FR 2580385), вращательное (патент США 3393525; патенты СССР SU 1629706 A1, SU 1651055 А1; патент России RU 2040740 С1) и реверсивное вращательное движение (патент СССР SU 1638493 A1). В конструкциях с перемещающимся рабочим телом используются две основные схемы: возвратно-поступательное движение рабочего тела (патенты США 4332135, 4507928, 5934078) и колесная схема, в которой происходит вращение контейнера, содержащего рабочее тело, изготовленного в виде колеса (патенты США 4107935, 4408463, 6526759). Основным недостатком конструкций с перемещающимся рабочим телом является трудность обеспечения уплотнения в месте контакта между трубопроводом с теплоносителем и рабочим телом. Необходимость создания герметичного контакта приводит к возникновению в системе существенного дополнительного трения, росту связанных с этим потерь и снижению общей эффективности устройства. Кроме того, данное требование приводит к значительному усложнению конструкции магнитной холодильной машины, а в случае криогенного рабочего диапазона к невозможности использования схем с перемещающимся рабочим телом.

Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности и производительности магнитной тепловой машины (магнитного холодильника или теплового насоса), работающей в широком интервале температур.

Поставленная техническая задача достигается тем, что магнитная тепловая машина (магнитный холодильник или тепловой насос) содержит в своем рабочем контуре магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники, насосы для создания потока теплоносителя, вентили, переключатели направления потока теплоносителя, а также содержит магнит, перемещающийся относительно рабочего тела для его намагничивания/размагничивания; а изменение направления потока теплоносителя в рабочем теле обеспечивается переключателями направления потока, управляемыми механически или электрически с помощью датчиков положения магнита.

Магнитная тепловая машина содержит в своем рабочем контуре магнитное рабочее тело, насосы для создания потока теплоносителя, горячий и холодный теплообменники, вентили и переключающие клапаны для изменения направления потока теплоносителя (переключатели направления потока теплоносителя) в рабочем теле. Намагничивание/размагничивание рабочего тела вызывает его нагрев или охлаждение за счет магнитокалорического эффекта. Принцип работы машины аналогичен принципу работы магнитного холодильника рассмотренного выше (см. фиг.1 и связанный с ним текст), однако поток теплоносителя в контуре создается в данном случае насосом, а необходимое изменение направления потока на стадиях намагничивания и размагничивания задается клапанами, переключаемыми в зависимости от положения магнита относительно рабочего тела. Клапаны могут быть механическими или электрическими и переключаться, соответственно, с помощью механических и электрических схем. Для определения положения магнита относительно рабочего тела могут быть использованы концевые переключатели, оптические, магнитные (датчики Холла, магниторезистивные датчики), пьезоэлектрические, магнито-пьезоэлектрические и другие датчики.

В зависимости от соотношения эффективной теплоемкости теплоносителя С_тн (определяемой скоростью потока теплоносителя в контуре) и теплоемкости рабочего тела С_рт магнитная тепловая машина может работать в трех режимах:

1. С_рт намного больше С_тн (АМР режим, регенератором служит рабочее тело);

2. С_рт≈С_тн (смешанный режим);

3. С_рт намного меньше С_тн (регенератором служит теплоноситель).

То, какой режим осуществляется в магнитной тепловой машине, определяется выбором теплоносителя и материала рабочего тела, а также скорости потока теплоносителя и рабочей частоты машины. Это позволяет выбрать режим работы, наиболее эффективный для получения оптимальных параметров машины при заданных условиях эксплуатации (эффективность, величина охлаждения (нагрева), потребляемая мощность и т.д.).

В качестве рабочего тела могут быть использованы ферро-, ферри-, парамагнитные материалы и материалы со сложной магнитной структурой, такие как 3d металлы Fe, Co, Ni, Mn, и др., редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Pr, Nd, Sm, их сплавы, оксиды, силициды, германиды, арсениды и другие соединения. Рабочее тело может представлять собой порошок, набор пластин и других элементов, массивный материал с каналами и отверстиями и другие типы материалов, обеспечивающие прохождение потока теплоносителя. Рабочее тело может размещаться в корпусах, имеющих форму колеса, разделенного на внутренние сектора, цилиндров, параллелепипедов и т.д. В качестве теплоносителя могут использоваться, в зависимости от рабочего интервала температур, жидкости или газы. В частности, в области комнатных температур может применяться вода, водный раствор спирта и т.д., а в области температур около 20 К - газообразный гелий.

Намагничивание/размагничивание рабочего тела осуществляется за счет механического перемещения магнита относительно рабочего тела с помощью гидравлического или электромагнитного приводов, привода на основе электродвигателя, кривошипного, редукторного и других механизмов. Магнит может совершать возвратно-поступательное, вращательное или реверсивное вращательное движение. В качестве магнита может быть использован постоянный магнит, электромагнит, сверхпроводящий магнит, работающий в автономном режиме (без подпитки от внешнего источника электроэнергии).

Представленные ниже примеры иллюстрируют, но не ограничивают существо предлагаемого изобретения.

Пример 1. Магнитная холодильная машина (тепловой насос) с двумя рабочими контурами.

На фиг.2 представлена схема магнитной тепловой машины с двумя рабочими контурами. Здесь 1 и 12 - это холодный и горячий теплообменники, соответственно; 2, 4, 14 и 15 - вентили; 3 и 13 - насосы; 5, 7, 8, 11 - переключатели направления потока теплоносителя; 6 и 9 - рабочее тело; 10 - магнит. Направление потока теплоносителя на фиг.2 показано стрелками. Переключатели направления потока теплоносителя состоят из вентилей (см. фиг.3, где положению “I” на фиг.2 соответствует открытый левый вентиль и закрытый правый, а положению “II” - открытый правый вентиль и закрытый левый) и управляются электрической или механической схемой (на рисунке не показана), открывающей и закрывающей вентили в зависимости от положения магнита, определяемого при помощи датчиков (концевые выключатели, оптические, пьезоэлектрические или магнитные датчики (датчики Холла, магниторезистивные датчики) и т.д.). Магнит при помощи кривошипного механизма совершает возвратно-поступательное движение относительно рабочего тела, заключенного в цилиндрический контейнер, показанный на фиг.4 (здесь 1 и 2 - секции рабочего тела, 3 - магнит). Может быть также использован контейнер в виде колеса, показанный на фиг.5. В этом случае магнит совершает вращательное движение и приводится в действие с помощью электродвигателя с редуктором. Колесо разделено на две части (секции), каждая из которых имеет два патрубка (холодный (С) и горячий (Н)), обеспечивающие ток теплоносителя через рабочее тело, причем холодные и горячие патрубки соответствующих частей колеса находятся с одной стороны (см. фиг.5).

Работа устройства в режиме АМР холодильника происходит следующим образом. В исходной точке цикла вентили 2 и 14 открыты, а вентили 4 и 15 закрыты и циркуляции теплоносителя в контурах не происходит. При этом рабочее тело 9 находится в магните (намагничено), рабочее тело 6 размагничено, а переключатели направления потока теплоносителя 5, 7, 8, 11 находятся в положении “I” (фиг.2а). Затем вентили 2 и 14 закрываются, вентили 4 и 15 открываются, и теплоноситель продувается через рабочее тело 9, отбирая выделившееся тепло и сбрасывая его в горячем теплообменнике 12, а также - через рабочее тело 6, охлаждаясь и охлаждая холодный теплообменник 1. После того, как теплоноситель совершит полный оборот в левом и правом рабочих контурах, вентили 2 и 14 опять открываются, а вентили 4 и 15 закрываются и движение теплоносителя в рабочих контурах машины прекращается. Магнит перемещается с рабочего тела 9 на рабочее тело 6, и происходит переключение переключателей 5, 7, 8, 11 в положение “II” (фиг.2б). Вентили 2 и 14 закрываются, а вентили 4 и 15 открываются, и начинается циркуляция теплоносителя в рабочих телах 6 и 9 в противоположном направлении. Теплоноситель забирает тепло от рабочего тела 6, отдавая его в горячем теплообменнике 12 в окружающую среду, и охлаждается в рабочем теле 9, охлаждая холодный теплообменник 1. Затем цикл повторяется. В результате циклической работы устройства холодный теплообменник охлаждается. Данное устройство может быть использовано также в качестве теплового насоса, работа его при этом аналогична, а тепло отбирается от окружающей среды в холодном теплообменнике и перекачивается в горячий теплообменник, где нагревает полезную нагрузку.

Пример 2. Магнитная холодильная машина (тепловой насос) с одним рабочим контуром и одним холодным теплообменником.

На фиг.6 представлена схема магнитной тепловой машины с одним рабочим контуром и одним холодным теплообменником. Здесь 1 и 9 - рабочее тело; 2 и 8 - переключатели направления потока теплоносителя; 4 - насос; 3 и 7 - холодный и горячий теплообменники, соответственно; 5 и 6 - вентили; 10 - магнит. Направление потока теплоносителя на фиг.6 показано стрелками. Переключатели направления потока теплоносителя 2 и 8 устроены аналогично примеру 1 (фиг.3). Переключатели могут управляться электрической или механической схемой (на рисунке не показана), открывающей и закрывающей вентили в зависимости от положения магнита, определяемого при помощи датчиков (концевые выключатели, оптические, пьезоэлектрические или магнитные датчики (датчики Холла, магниторезистивные датчики) и т.д.). Магнит совершает вращательное движение с помощью электродвигателя с редуктором, обеспечивая намагничивание и размагничивание рабочего тела, заключенного в контейнер в виде колеса (см. фиг.5). Может также быть использовано рабочее тело, заключенное в цилиндрический контейнер (фиг.4) с магнитом, совершающим с помощью кривошипного механизма возвратно-поступательное движение относительно рабочего тела.

Работа устройства в режиме АМР холодильника происходит следующим образом. В исходном положении вентиль 5 открыт, вентиль 6 закрыт, и циркуляции теплоносителя в контуре устройства не происходит. При этом рабочее тело 1 находится в магните (намагничено), рабочее тело 9 размагничено, а переключатели направления потока теплоносителя 2 и 8 находятся в положении “I” (фиг.6а). Затем вентиль 5 закрывается, вентиль 6 открывается, и теплоноситель продувается через рабочее тело 1, отбирая выделившееся тепло и сбрасывая его в горячем теплообменнике 7. После того, как теплоноситель совершит полный оборот в контуре, вентиль 6 опять закрывается, вентиль 5 открывается и движение теплоносителя в контуре машины прекращается. Магнит перемещается с рабочего тела 1 на рабочее тело 9 и происходит переключение переключателей 2 и 8 в положение “II” (фиг.6б). Вентиль 5 закрывается, вентиль 6 закрывается и начинается циркуляция теплоносителя в рабочем теле в противоположном направлении. Теплоноситель забирает тепло от рабочего тела 9, отдавая его в горячем теплообменнике 7 в окружающую среду, и охлаждается в рабочем теле 1, охлаждая холодный теплообменник 3. Затем цикл повторяется. В результате циклической работы устройства холодный теплообменник охлаждается. Данное устройство может быть использовано также в качестве теплового насоса, работа его при этом аналогична, а тепло отбирается от окружающей среды в холодном теплообменнике и перекачивается в горячий теплообменник, где нагревает полезную нагрузку.

Помимо двухсекционной конфигурации рабочего контейнера (фиг.5), может быть использована многосекционная конфигурация (фиг.7), в которой соответствующие секции включены параллельно, как это показано на фиг.8. Холодные и горячие патрубки секций для подвода теплоносителя в контейнере расположены таким образом, как это показано на фиг.7.

Пример 3. Магнитная холодильная машина (тепловой насос) с одним рабочим контуром и разделенным холодным теплообменником.

На фиг.9 представлена схема магнитной тепловой машины с одним рабочим контуром и разделенными холодным теплообменником. Здесь 1 - магнит, 2, 3, 11 и 12 - рабочее тело (секции контейнера); 4 и 13 - переключатели направления потока теплоносителя; 5 и 6 - холодные теплообменники; 7 - насос; 8 и 9 - вентили; 10 - горячий теплообменник. Направление потока теплоносителя на фиг.9 показано стрелками. Переключатели направления потока теплоносителя 4 и 13 устроены аналогично примеру 1 (фиг.3). Переключатели могут управляться электрической или механической схемой (на рисунке не показана), открывающей и закрывающей вентили в зависимости от положения магнита, определяемого при помощи датчиков (концевые выключатели, оптические, пьезоэлектрические или магнитные датчики (датчики Холла, магниторезистивные датчики) и т.д.). Магнит совершает вращательное движение с помощью электродвигателя с редуктором, обеспечивая намагничивание и размагничивание рабочего тела, заключенного в контейнер в виде многосекционного колеса (см. фиг.7).

Работа устройства в режиме АМР холодильника происходит следующим образом. В исходном положении вентиль 8 открыт, а вентиль 9 закрыт и циркуляции теплоносителя в контуре устройства не происходит. При этом секции рабочего тела 2 и 3 находятся в магните (намагничены), секции рабочего тела 11 и 12 размагничены, а переключатели направления потока теплоносителя 4 и 13 находятся в положении “I” (фиг.9а). Затем вентиль 8 закрывается, вентиль 9 открывается и теплоноситель продувается через секции рабочего тела 2 и 3, отбирая выделившееся тепло и сбрасывая его в горячем теплообменнике 10. После того, как теплоноситель совершит полный оборот в контуре, вентиль 8 опять открывается, вентиль 9 закрывается и движение теплоносителя в рабочем контуре машины прекращается. Магнит перемещается с секций рабочего тела 2 и 3 на секции рабочего тела 11 и 12, и происходит переключение переключателей 4 и 13 в положение “II” (фиг.9б). Вентиль 8 закрывается, вентиль 9 открывается, и начинается циркуляция теплоносителя секциях рабочего тела в противоположном направлении. Теплоноситель забирает тепло от секций рабочего тела 11 и 12, отдавая его в горячем теплообменнике 10 в окружающую среду, и охлаждается в секциях рабочего тела 2 и 3, охлаждая холодные теплообменники 5 и 6. Затем цикл повторяется. В результате циклической работы устройства холодные теплообменники охлаждаются. Данное устройство может быть использовано также в качестве теплового насоса, работа его при этом аналогична, а тепло отбирается от окружающей среды в холодных теплообменниках и перекачивается в горячий теплообменник, где нагревает полезную нагрузку.

Количество секций рабочего тела и холодных теплообменников в данной схеме может быть увеличено путем увеличения количества цепочек рабочее тело - теплообменник (2-5-11 и 3-6-12), а также с помощью параллельного включения дополнительных секций рабочего тела внутри цепочки.

1. Магнитная тепловая машина (магнитный холодильник или тепловой насос), содержащая в своем рабочем контуре магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники, насосы для создания потока теплоносителя, вентили, переключатели направления потока теплоносителя, а также магнит, перемещающийся относительно рабочего тела для его намагничивания/размагничивания, отличающаяся тем, что изменение направления потока теплоносителя в рабочем теле обеспечивается переключателями направления потока, управляемыми механически или электрически с помощью датчиков положения магнита.

2. Магнитная тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что в качестве переключателей направления потока теплоносителя используются электромагнитные или механические вентили.

3. Магнитная тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что магнит, обеспечивающий намагничивание/размагничивание рабочего тела, перемещается относительно рабочего тела с помощью гидравлического, электромагнитного или механического привода (электромотор, кривошипный, редукторный механизмы) и совершает возвратно-поступательное, вращательное или реверсивное вращательное движение.

4. Магнитная тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела в ней используются ферро-, ферри-, парамагнитные материалы и материалы со сложной магнитной структурой, такие, как 3d металлы Fe, Co, Ni, Mn, и др., редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Pr, Nd, Sm, их сплавы, силициды, германиды, арсениды и оксиды.

5. Магнитная тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что рабочее тело в ней заключено в контейнер, содержащий одну или несколько секций и имеющий форму колеса, цилиндра или параллелепипеда.

6. Магнитная тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что в зависимости от выбора материала рабочего тела и теплоносителя, скорости теплоносителя и рабочей частоты машины она может работать в режиме активного магнитного регенератора, в режиме использования теплоносителя в качестве регенератора или в смешанном режиме.

7. Магнитная тепловая машина по п.1, отличающаяся тем, что датчики положения магнита являются механическими, оптическими, электрическими (концевые выключатели, пьезоэлектрические датчики), магнитными (датчиками Холла, магниторезистивными датчиками), магнитопьезоэлектрическими датчиками.