Магнитокалорический тепловой генератор
Настоящее изобретение относится к холодильной технике и может быть применено для отопления, охлаждения, кондиционирования в любых промышленных или бытовых установках. Магнитокалорический тепловой генератор имеет модульную конфигурацию. Тепловой генератор (1) содержит, по крайней мере, один тепловой модуль (10-13), образованный множеством термоэлементов (40-43), расположенных в стопке так, чтобы образовать между собой каналы (50) циркуляции теплоносителя, разделенные на каналы тепла, в которых циркулирует теплоноситель коллекторного контура тепла, и на каналы холода, в которых циркулирует теплоноситель коллекторного контура холода. Каналы тепла и холода чередуются между термоэлементами. Термоэлементы (40-43) оборудованы отверстиями для входа (51) и выхода (52) теплоносителя, которые сообщаются между собой, с тем, чтобы распределить теплоноситель, поступающий из каждого коллекторного контура тепла и холода, по соответствующим каналам (50) тепла и холода. Использование изобретения позволит повысить КПД. 29 з.п. ф-лы, 32 ил.
Область техники
Настоящее изобретение касается магнитокалорического теплового генератора, включающего термоэлементы из магнитокалорического материала, магнитные устройства, расположенные таким образом, чтобы создавать переменное магнитное поле в термоэлементах и вызывать изменение их температуры, по крайней мере, два отдельных коллекторных контура, коллекторный контур «тепла» и коллекторный контур «холода», причем в каждом из контуров циркулирует отдельный теплоноситель, предназначенный для сбора, соответственно, калорий и фригорий, выделяемых термоэлементами в рабочем цикле, и средства присоединения коллекторных контуров к внешним контурам, предназначенным для использования собранных калорий и фригорий.
Уровень техники
Новые тепловые генераторы, использующие магнитокалорический эффект некоторых материалов, представляют собой весьма интересную экологичную альтернативу классическим генераторам, которым в долгосрочной перспективе предстоит исчезнуть в связи с необходимостью сокращения парникового эффекта. Вместе с тем, для обеспечения экономической рентабельности и достаточного энергетического КПД первоочередное значение имеет концепция этих генераторов и их устройства для сбора калорий и фригорий, испускаемых этими материалами, учитывая весьма краткую продолжительность цикла, низкие температурные градиенты и ограниченную интенсивность магнитного поля. Количество получаемой энергии тесно связано с массой магнитокалорического материала, с силой магнитного поля и со временем обмена с теплоносителем. Известно, что коэффициент передачи теплообменника связан с отношением поверхности обмена к потоку теплоносителя, вступающего в контакт с этой поверхностью обмена. В связи с этим, чем больше поверхность обмена, тем больше коэффициент передачи.
В известных генераторах в качестве средств сбора используется единственный коллекторный контур, проходящий через термоэлементы, в котором циркулирует единственный теплоноситель, который поочередно питает контур холода и контур тепла. Следствием этого решения является высокая термическая инерция, заметно снижающая энергетический КПД генератора.
В заявке на выдачу патента Франции №05/08963, поданной заявителем по настоящей заявке, предлагается новая концепция генераторов, согласно которой через термоэлементы проходят два отдельных коллекторных контура, один коллекторный контур тепла и один коллекторный контур холода, в каждом из которых содержится отдельный теплоноситель. Каждый термоэлемент имеет вид вкладыша призматической формы, образованного стопкой ребристых пластин, выполненных из магнитокалорического материала, между которыми образованы проходы для циркуляции теплоносителя с тем, чтобы сформировать два отдельных коллекторных контура. Эти тепловые вкладыши смонтированы на пластине, снабженной соответствующими гнездами и трубками, связывающими соответствующие коллекторные контуры различных тепловых вкладышей. Преимуществом этого решения является устранение тепловой инерции теплоносителя, поскольку для контура тепла и для контура холода используются отдельные теплоносители, а также увеличение поверхности обмена, а следовательно, и теплового КПД генератора. Вместе с тем, недостатками этого варианта являются сложность промышленного использования, очень высокая стоимость и немодульная конфигурация.
Описание изобретения
Настоящее изобретение преследует цель устранить эти недостатки, предлагая компактный, многофункциональный магнитокалорический тепловой генератор с большим энергетическим КПД и максимальным коэффициентом передачи, который при этом легко и по разумной стоимости может быть использован в промышленности, а также имеет модульную конфигурацию, позволяющую широко применять его как в промышленных, так и в бытовых условиях.
В связи с этим, согласно изобретению тепловой генератор вышеуказанного типа отличается тем, что содержит, по крайней мере, один тепловой модуль, образованный множеством термоэлементов, расположенных в стопке так, чтобы образовать между собой каналы циркуляции теплоносителя, разделенные на каналы тепла, в которых циркулирует теплоноситель коллекторного контура тепла, и на каналы холода, в которых циркулирует теплоноситель коллекторного контура холода, при этом каналы тепла и холода чередуются между указанными термоэлементами, и тем, что указанные термоэлементы оборудованы отверстиями для входа и выхода теплоносителя, которые сообщаются между собой, с тем, чтобы распределить теплоноситель, поступающий из каждого коллекторного контура тепла и холода, по соответствующим каналам тепла и холода.
Такая ярусная конструкция позволяет формировать тепловые блоки или тепловые модули, снабженные параллельными каналами, при этом тепловые модули могут присоединяться друг к другу последовательно и/или параллельно. Такая конструкция позволяет варьировать количество термоэлементов, содержащихся в стопке каждого теплового модуля, в зависимости от требуемого потока носителя, а также количество расположенных рядом тепловых модулей в зависимости от необходимого диапазона температур, то есть обладает очень высокой степенью модульности.
Краткое описание иллюстративных материалов
Настоящее изобретение и его преимущества станут более понятными из нижеследующего описания различных вариантов выполнения, которые приводятся в качестве примера и не являются ограничивающими, со ссылками на приложенные иллюстративные материалы, на которых:
- на фиг.1 представлен вид в разборе теплового генератора в соответствии с изобретением,
- на фиг.2 и 3 представлены виды в перспективе двух вариантов выполнения генератора, изображенного на фиг.1,
- на фиг.4 представлен вид в перспективе теплового модуля, входящего в состав генератора, изображенного на фиг.1,
- на фиг.5 представлен детальный вид с частичным разрезом одного конца генератора, изображенного на фиг.1,
- на фиг.6А представлен вид спереди теплового модуля, изображенного на фиг.4, на фиг.6В представлен увеличенный вид в перспективе детали А, изображенной на фиг.4, а на фиг.6С представлен вид в плане в разрезе фиг.6В,
- на фиг.7А представлен частичный вид двух термоэлементов модуля, изображенного на фиг.4, с изображением двух тепловых секторов, а фиг.7В и 7С представляют собой виды в разрезе по линиям ВВ и СС термоэлемента, изображенного на фиг.6А,
- на фиг.8А представлен вид в осевом разрезе теплового сектора, а на фиг.8В представлен вид детали D,
- на фиг.9А представлен вид в осевом разрезе теплового сектора, снабженного вкладышем, а на фиг.9В представлен вид детали Е,
- на фиг.10А, 10В и 11А, 11В представлены виды спереди и сзади двух вариантов выполнения термоэлемента в соответствии с изобретением,
- на фиг.12 и 13 представлены варианты выполнения магнитокалорических элементов,
- на фиг.14 и 15 представлены варианты выполнения магнитокалорических пластинок,
- на фиг.16А представлен вид в перспективе теплового сектора в соответствии с другим вариантом выполнения, а на фиг.16В представлен вид детали F,
- на фиг.17А представлен вид в перспективе первого варианта выполнения теплового модуля в соответствии с изобретением, а на фиг.17В представлен вид детали G,
- на фиг.18А представлен вид в перспективе второго варианта выполнения теплового модуля в соответствии с изобретением, на фиг.18В представлен вид блока этого модуля, а на фиг.18С представлен вид детали Н, изображенной на фиг.18В,
- на фиг.19А представлен вид в перспективе третьего варианта выполнения теплового модуля в соответствии с изобретением, а на фиг.19В представлен вид детали I.
Примеры выполнения изобретения
Как показано на фиг.1, тепловой генератор 1 в соответствии с изобретением включает комплекс из шести тепловых модулей 10, собранных в стопку, соединенных разделительными дисками 20 и закрытых уплотнительными фланцами 30. Количество и конструкция этих тепловых модулей 10 могут варьироваться в зависимости от необходимой производительности. В представленном на чертеже уплотнительном фланце 30 выполнены четыре отверстия 31, 32, два из которых являются отверстиями для подачи 31, а два других - отверстиями для отвода 32, предназначенными для подключения к внешнему контуру тепла и к внешнему контуру холода (не показаны), посредством которых используют, соответственно, калории и фригории, производимые генератором 1. По необходимости подключение может быть выполнено с одной стороны или с двух сторон генератора 1. Разделительные диски 20 снабжены отверстиями 21 и распределительными желобками 22, позволяющими осуществить последовательное, параллельное или смешанное последовательно-параллельное подключение коллекторных контуров тепла и холода различных тепловых модулей 10 друг к другу и к внешним контурам тепла и холода. Эти разделительные диски 20 могут быть продублированы и подключены каждый к одному из коллекторных контуров, как изображено на фиг.1 и 4. Они также могут быть выполнены в виде простых двусторонних дисков (не показаны) с особым расположением отверстий 21 и распределительных желобков 22 для выполнения той же функции.
В варианте выполнения, показанном на фиг.1, тепловой генератор 1 оборудован валом 2, вращающимся и/или совершающим аксиальное поступательное движение, на котором установлены две магнитные сборки 3, расположенные диаметрально напротив друг друга, при этом вал приводится в движение приводом любого известного из уровня техники типа (не показан) и может двигаться непрерывно, прерывно, периодически или попеременно в разных направлениях. Количество, расположение и тип магнитных сборок 3 могут изменяться и определяются конструкцией тепловых модулей 10. Магнитные сборки 3 могут быть собраны из постоянных магнитов, электромагнитов, сверхпроводников или из магнитов любых других типов. Предпочтительно использование постоянных магнитов, обладающих преимуществом в размере, а также такими преимуществами, как простота использования и низкая стоимость. Постоянные магниты могут быть цельными, спеченными, склеенными или пластинчатыми, они могут быть скомпонованы с одним или с несколькими намагничивающимися материалами, концентрирующими и направляющими линии магнитного поля. Тепловые модули 10 могут располагаться между внутренней оболочкой 4 и внешней оболочкой 5 (фиг.5), обеспечивая дополнительную герметичность. В этом случае торцы оболочек 4 и 5 соединяются с уплотнительным фланцем 30 через пазы 33. Внутренняя оболочка 4 и/или внешняя оболочка 5 могут не понадобиться, если сама конструкция тепловых модулей 10 позволяет добиться достаточной герметичности.
Тепловые модули 10 могут быть вставлены в оправу 6, которая выполнена, предпочтительно, из ферромагнитного материала, основной функцией которого является замыкание магнитного потока, генерируемого магнитными сборками 3. В альтернативном варианте выполнения, который не показан, магнитный поток, генерируемый магнитными сборками 3, может быть замкнут дополнительными подвижными или статичными магнитными сборками, расположенными на внешней периферии. Тепловые модули 10 могут быть собраны с помощью любых монтажных средств, например тяг 34 (фиг.5), располагающихся между двумя уплотнительным фланцами 30, или хомутов (не показаны), установленных на валу 2 на подшипниках. Могут быть использованы и другие варианты выполнения сборки, поскольку главной задачей является обеспечение механического удержания тепловых модулей 10 вместе таким образом, чтобы обеспечить герметичность коллекторных контуров тепла и холода внутри генератора.
В различных показанных вариантах выполнения генератор 1 имеет кольцевую конфигурацию, то есть тепловые модули 10 имеют форму колец и расположены вокруг вала 2, на котором закреплены магнитные сборки 3. Изобретение также включает тепловой генератор прямолинейной конфигурации (не показан), в которой термоэлементы выполнены линейными и уложены в стопку в горизонтальном или вертикальном направлении, либо укладка является комбинацией горизонтальной и вертикальной, при этом магнитные устройства приводятся в движение возвратно-поступательно или поступательно в цикле.
Тепловые модули 10 могут быть любым известным способом смонтированы на основании 7, как показано на фиг.2. В этом варианте выполнения тепловой генератор 1 включает два набора по пять тепловых модулей 10, соединенных разделительными дисками 20 (не видны) и закрытых уплотнительными фланцами 30. На основании 7 находится привод 8, расположенный параллельно и соединенный с валом 2 генератора трансмиссией (не показана) любого известного типа. Привод 8 может быть расположен на одной линии с валом 2 и может быть подсоединен к нему напрямую. Тепловой генератор 1, показанный на фиг.3, состоит из четырех наборов по шесть тепловых модулей 10 в каждом, смонтированных валетом на основании 7. Единственный привод 8 соединен с валами 2 каждого набора механическими трансмиссиями любых известных типов (не показаны). Эти примеры дают представление о различных возможных конфигурациях. Благодаря своей модульной конструкции, тепловой генератор 1 в соответствии с изобретением может быть скомпонован в зависимости от требуемой тепловой мощности и от объема теплоносителя, необходимого для каждого конкретного применения. Привод 8 может представлять собой любую систему, генерирующую механический крутящий момент, например ветряной двигатель, гидравлическую турбину, тепловой двигатель, электродвигатель, двигатель, работающий на животной или мышечной силе, ротационный силовой цилиндр и др. При использовании электропривода энергия может поступать от фотоэлектрического преобразователя, от преобразователя солнечной энергии, от ветряного двигателя, от сети, от генератора и т.д.
Каждый тепловой модуль 10 включает N термоэлементов 40 одинаковой или комплементарной геометрической формы, позволяющей укладывать их в стопку. Один из вариантов выполнения теплового модуля 10 изображен на фиг.4 и включает семнадцать термоэлементов 40, выполненных в виде плоских колец, уложенных в стопку в аксиальном направлении. Термоэлементы 40 подробно изображены на фиг.6А-С и 7А-С и отличаются тем, что образуют между собой каналы 50 для циркуляции теплоносителя, а именно каналы тепла, в которых циркулирует теплоноситель коллекторного контура тепла, и каналы холода, в которых циркулирует теплоноситель коллекторного контура холода. Каналы тепла и холода 50 чередуются между термоэлементами 40 таким образом, что каждый термоэлемент 40 снабжен с одной стороны каналом 50 тепла, а с противоположной стороны каналом 50 холода. Каналы 50 имеют небольшую толщину, например от 0,01 до 10 мм, предпочтительно от 0,15 до 1,5 мм, с тем, чтобы формировать ламинарный или немного турбулентный поток с завихрением или без завихрения носителя таким образом, чтобы между двумя смежными термоэлементами 40 циркулировал слой теплоносителя тепла, а между двумя следующими - слой теплоносителя холода. Термоэлементы 40 снабжены входными отверстиями 51 и выходными отверстиями 52, обеспечивающими сообщение каналов 50 одного и того же коллекторного контура, причем конфигурация системы сообщения каналов является параллельной. Термоэлементы 40 также могут быть разделены на несколько отдельных тепловых секторов 53, одинаковых или нет, каждый из которых снабжен каналом 50, входным отверстием 51 и выходным отверстием 52, с тем, чтобы сформировать параллельные контуры в каждом слое носителя. Таким образом, поток теплоносителя каждого коллекторного контура делится первый раз на S/2 тепловых секторов 53, а затем второй раз на N/2 термоэлементов, уложенных в стопку. Такое ярусное распределение потока теплоносителя позволяет существенно уменьшить поток и скорость слоя носителя в каждом канале 50, тем самым увеличивая коэффициент передачи и одновременно снижая потери напора.
В альтернативном варианте выполнения, который не показан, для того чтобы разграничить каналы 50 и обеспечить герметичность, между термоэлементами 40 могут располагаться распорные пластины, например, пластины из Тефлона® или аналогичного материала.
В варианте выполнения, изображенном на фиг.4, 6А-С и 7А-С, термоэлементы 40 теплового модуля 10 разделены на восемь одинаковых тепловых секторов 53, расположенных под углом примерно 45°. На фиг.7А показано прохождение теплоносителя через тепловые сектора 53 двух смежных термоэлементов 40. Каждый тепловой сектор 53 снабжен четырьмя отверстиями, а именно одним сквозным входным отверстием 51 и одним сквозным выходным отверстием 52, которые сообщаются с каналом 50 этого теплового сектора, а также одним сквозным входным отверстием 51 и одним сквозным выходным отверстием 52, которые сообщаются с каналом 50 следующего термоэлемента 40. В зависимости от углового положения магнитных сборок 3 относительно теплового модуля 10 теплоноситель, циркулирующий в каналах 50 различных тепловых секторов 53, является активным или пассивным. В тепловых секторах 53, подвергаемых воздействию магнитного поля, теплоноситель коллекторного контура тепла является активным, а в других тепловых секторах 53, не подвергаемых воздействию магнитного поля, активным является теплоноситель коллекторного контура холода. Соответствующие теплоносители коллекторных контуров холода и тепла в тех же секторах являются пассивными.
В этом варианте выполнения каждый термоэлемент 40 включает множество теплопроводящих пластинок 60, установленных на опорной детали 70, причем занимаемая пластинками 60 площадь больше площади опорной детали 70. Пластинки 60 выполнены в виде кругового сектора и могут быть изготовлены, например, из пластины магнитокалорического материала путем ее разрезания, обработки или формовки. Под «магнитокалорическим материалом» понимается материал, полностью или частично изготовленный из магнитокалорического вещества, такого, как, например, гадолиний (Gd), сплав гадолиния, содержащий, например, кремний (Si), германий (Ge), сплав марганца, содержащий, например, железо (Fe), магний (Mg), фосфор (Р), сплав лантана, сплав никеля (Ni), или из любого другого эквивалентного намагничивающегося материала или сплава, или из комбинации различных магнитокалорических материалов, имеющий форму порошка, частиц, цельного или пористого блока, сборки уложенных друг на друга рифленых пластин, образующих мини- или микроканалы. Выбор между этими магнитокалорическими материалами осуществляют в зависимости от требуемых тепловых и охлаждающих мощностей и от необходимых температурных диапазонов.
Опорная деталь 70 может быть гибкой или жесткой и может быть выполнена из природных или синтетических материалов, с наполнителем или без, например, из термопластов, эластомеров, полимеров или из любого другого теплоизолирующего вещества. Она может быть получена механической обработкой, методом стереолитографической 3D-печати, гравировкой, формовкой, литьем или аналогичным способом. Предпочтительно ее отливают таким образом, чтобы ее форма была комплементарна форме пластинок 60, и таким образом, чтобы передняя и задняя стороны пластинок 60 оставались видимыми. Опорная деталь 70 предназначена для выполнения нескольких функций: она удерживает пластинки 60, выполняет функцию распорки между термоэлементами 40, уложенными в стопку, с тем, чтобы обеспечить требуемую толщину каналов 50, выполняет функцию уплотнительной прокладки между термоэлементами 40 при их укладке в стопку, а при необходимости - функцию маркировки и/или раструбного соединения для облегчения сборки и взаимного позиционирования термоэлементов 40. В альтернативном варианте выполнения, который не показан, опорная деталь 70 может быть выполнена наполненной частицами или волокнами магнитокалорического материала с тем, чтобы добавить к этому перечню тепловую функцию.
Термоэлемент 40 кольцеобразной формы подробно показан на фиг.7А и в разрезе на фиг.7В и 7С. Он представляет собой, по существу, прямоугольную секцию, при этом на передней стороне расположены полые зоны, образующие канал 50 для циркуляции первого теплоносителя, а на задней стороне расположена плоская зона, закрывающая канал 50 следующего термоэлемента 40 для обеспечения циркуляции второго теплоносителя. В этом случае канал 50 образован в основании передней стороной пластинок 60, а по бокам - краями опорной детали 70. Плоская задняя часть термоэлемента 40 ограничена задней стороной пластинок 60 и опорной деталью 70. Опорная деталь 70 может иметь на передней стороне одно или несколько прерывистых или сплошных центральных ребер 71, которые разделяют канал 50, по крайней мере, на две части для улучшения распределения теплоносителя по всей поверхности пластинок 60. В соответствии с альтернативным вариантом выполнения, который не показан, на опорной детали 70 могут быть расположены полые зоны, образующие каналы 50 для циркуляции теплоносителей тепла и холода на передней и задней сторонах. Передняя и задняя стороны опорной детали 70 образуют плоскости стыка, обеспечивающие герметичность каналов 50, когда термоэлементы 40 уложены в плотную стопку. Разумеется, может подойти и любая другая форма, обеспечивающая выполнение тех же функций. Также возможно варьирование толщины некоторых зон опорной детали 70 и/или толщины пластинок 60 с тем, чтобы воздействовать на толщину слоя теплоносителя, а следовательно, и на скорость его вытекания.
Термоэлементы 40 могут иметь другие конфигурации. На фиг.10А и 10В показаны, соответственно, вид спереди и вид сзади термоэлемента 40, состоящего из шести отдельных одинаковых тепловых секторов 53, занимающих область примерно 60°, каждый из которых состоит из пластинок 60. Термоэлемент 40, показанный на фиг.11А и 11В, состоит только из двух отдельных одинаковых тепловых секторов 53, занимающих область примерно 180°, каждый из которых состоит из пластинок 60. Пластинки 60 в форме кругового сектора могут иметь различную геометрическую форму или любую форму. Их также можно заменить полосами 61 аналогично альтернативному варианту выполнения, показанному на фиг.12, причем полосы 61 могут использоваться в термоэлементе 40 с двумя тепловыми секторами 53, который представлен на фиг.11. Пластинки 60 также можно заменить кольцом 62 с разрезами, выполненными таким образом, чтобы сформировать связанные между собой пластинки, или любой другой эквивалентной деталью. Аналогичным образом, эти различные детали 60, 61, 62, выполненные из магнитокалорического материала, могут иметь плоские поверхности, способствующие беспрепятственному вытеканию теплоносителя, как и пластинка 60, показанная на фиг.14, или, напротив, иметь на, по крайней мере, одной поверхности рельеф с ребрами 63, или аналогичный для увеличения поверхности обмена с теплоносителем, как и пластинка 60, показанная на фиг.15. В зависимости от формы и ориентации ребер 63 относительно направления вытекания теплоносителя возможно создание возмущений, что приводит к увеличению коэффициента передачи. Термоэлемент 40, показанный на фиг.16А, включает пластинки 60, снабженные по обеим сторонам наклонными ребрами 64, которые подробно показаны на фиг.16В. Наклонные ребра создают в слое теплоносителя вихри или завихрения.
В том же тепловом модуле 10 входные отверстия 51 и выходные отверстия 52 каналов 50 одного и того же коллекторного контура запитываются параллельно. Для упорядочения распределения теплоносителя между различными каналами 50, по крайней мере, входные отверстия 51 предпочтительно должны быть снабжены секцией, нисходящей в направлении вытекания теплоносителя. Такая конструкция, показанная на фиг.8А и 8В, позволяет обеспечить циркуляцию одного и того же количества теплоносителя при одной и той же скорости течения в каждом из каналов 50 с тем, чтобы получить одинаковый коэффициент передачи и, следовательно, сократить потери энергии. Вместе с тем, в такой конструкции термоэлементы 40 имеют различную форму. Другое решение заключается в использовании вкладыша 72, снабженного отверстиями 73, с нисходящей секцией, причем, в соответствии с альтернативным вариантом выполнения, показанным на фиг.9А и 9В, этот вкладыш 72 располагается внутри входных отверстий 51 этой секции термоэлементов 40. При использовании подобных конструкций это решение значительно упрощает промышленное использование изобретения. Кроме того, вкладыш 72 позволяет выровнять между собой термоэлементы 40 и исключить любое их вращение. Разумеется, эти решения могут распространяться и на выходные отверстия 52, которые в таком случае снабжены секцией, восходящей в направлении течения теплоносителя.
В альтернативном варианте выполнения, который не показан, термоэлементы 40 одного теплового модуля 10 могут быть смещены относительно друг друга на некоторый угол так, что входные 51 и выходные 52 отверстия выстраиваются не в аксиальном направлении, а по геликоидальной траектории, облегчая вход и выход теплоносителя из каналов 50.
Конструкции тепловых модулей 10 также могут быть и другими. Тепловой модуль 11, показанный на фиг.17А и 17В, включает N термоэлементов 41, выполненных в виде плоских колец, уложенных в стопку в аксиальном направлении. Каждый термоэлемент 41 включает круглые пластинки 60 из магнитокалорического материала, распределенные по шести тепловым секторам 53, при этом канал 50 зигзагом проходит через пластинки 60. На фиг.18А показана сборка трех тепловых модулей 12, каждый из которых состоит из трех одинаковых блоков, соединенных в аксиальном направлении. Один из блоков показан на фиг.18В, он включает три термоэлемента 42, выполненных в виде концентрических колец, уложенных в стопку в радиальном направлении, между которыми расположены каналы 50. Каждый термоэлемент 42 включает круглые пластинки 60, выполненные из магнитокалорического материала, которые распределены по шести тепловым секторам 53. Этот вариант выполнения позволяет проиллюстрировать сочетание радиальной укладки с аксиальной укладкой. На фиг.19А показана сборка шести одинаковых тепловых модулей 13, соединенных в аксиальном направлении. Каждый тепловой модуль 13 включает четырнадцать одинаковых блоков, выполненных в виде кругового сектора, расположенных бок о бок таким образом, чтобы сформировать цилиндрическую трубку. Один из блоков подробно показан на фиг.19В, он включает восемь термоэлементов 43, выполненных в виде уложенных друг на друга полос, между которыми расположены каналы 50, причем каждый термоэлемент 43 может быть полностью или частично выполнен из магнитокалорического материала.
Изобретение не ограничивается этими вариантами выполнения, которые приведены только с целью иллюстрации разнообразия возможных конструкций тепловых модулей 10-13, с помощью которых можно, в соответствии с изобретением, реализовать неограниченное количество разновидностей магнитокалорических тепловых генераторов.
Аналогичным образом химический состав теплоносителя адаптирован к требуемому температурному диапазону, выбранному для обеспечения максимального теплообмена. Он может быть жидким, газообразным или двухфазным. При выборе жидкого теплоносителя можно использовать, например чистую воду, для положительных температур и воду с добавками антифриза, например гликолей, для отрицательных температур. Таким образом, такой тепловой генератор позволяет избавиться от необходимости использования каких бы то ни было коррозионных или вредных для человека и/или окружающей среды теплоносителей.
Возможности промышленного использования
Все детали, образующие тепловой генератор 1 в соответствии с изобретением, могут выпускаться серийно, с использованием воспроизводимых производственных процессов. Модульная и компактная конструкция теплового генератора 1 позволяет изготавливать стандартные термоэлементы 40-43 и тепловые модули 10-13, которые можно комбинировать, собирать и соединять последовательно, параллельно или комбинированно, последовательно-параллельно, в зависимости от требуемых для конкретного применения температурного диапазона и объема теплоносителя. Такая концепция позволяет широко использовать изобретение в промышленности и в быту, удовлетворяет требованиям к конкурентоспособности цены, при этом оборудование имеет небольшие размеры и обеспечивает производительность, которую в настоящее время не может обеспечить ни один из генераторов этого типа.
Действительно, ярусная структура теплового генератора 1 позволяет несколько раз разделять поток теплоносителя каждого коллекторного контура. Такое ярусное распределение теплоносителя позволяет поровну разделить поток теплоносителя в каждом канале 50, снизить скорость течения теплоносителя, сократить потери энергии и увеличить коэффициент теплообмена. Коэффициент теплообмена увеличивается с увеличением поверхности теплообмена, образованной множеством каналов 50. Кроме того, такая конструкция термоэлементов 10-13 позволяет значительно уменьшить массу инертного материала опорной детали 70 относительно массы магнитокалорического материала, что позволяет дополнительно повысить тепловой КПД генератора 1 без увеличения его размеров.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения и включает все модификации и варианты, очевидные для специалистов, не выходя при этом за рамки правовой защиты, определяемые приложенной формулой изобретения.
1. Магнитокалорический тепловой генератор (1), включающий термоэлементы (40-43) из магнитокалорического материала, магнитные устройства (3), расположенные таким образом, чтобы создавать переменное магнитное поле в термоэлементах и вызывать изменение их температуры, по крайней мере, два отдельных коллекторных контура, коллекторный контур «тепла» и коллекторный контур «холода», причем в каждом из контуров циркулирует отдельный теплоноситель, предназначенный для сбора соответственно калорий и фригорий, выделяемых термоэлементами в рабочем цикле, и средства присоединения коллекторных контуров к внешним контурам, предназначенным для использования собранных калорий и фригорий, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, один тепловой модуль (10-13), образованный множеством термоэлементов (40-43), расположенных в стопке так, чтобы образовать между собой каналы (50) циркуляции теплоносителя, разделенные на каналы тепла, в которых циркулирует теплоноситель коллекторного контура тепла, и на каналы холода, в которых циркулирует теплоноситель коллекторного контура холода, при этом каналы тепла и холода чередуются между термоэлементами, и тем, что термоэлементы (40-43) оборудованы отверстиями для входа (51) и выхода (52) теплоносителя, которые сообщаются между собой, с тем, чтобы распределить теплоноситель, поступающий из каждого коллекторного контура тепла и холода, по соответствующим каналам (50) тепла и холода.
2. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что каналы циркуляции (50) имеют толщину от 0,01 до 10 мм.
3. Тепловой генератор по п.2, отличающийся тем, что каналы циркуляции (50) имеют толщину от 0,15 до 1,5 мм.
4. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что термоэлементы (40-43) выполнены с полыми зонами, которые образуют каналы (50).
5. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что тепловой модуль (10-13) снабжен распорными пластинами, расположенными между термоэлементами (40-43) для разграничения каналов (50).
6. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что входные отверстия (51) термоэлементов (40-43) снабжены секцией, нисходящей в направлении вытекания теплоносителя для обеспечения его однородного распределения в соответствующих каналах (50).
7. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что выходные отверстия (52) термоэлементов (40-43) снабжены секцией, восходящей в направлении вытекания теплоносителя для обеспечения объединения его потоков перед выпуском из теплового модуля.
8. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что входные (51) или выходные (52) отверстия снабжены вкладышами (72), расположенными поперек термоэлементов (40-43).
9. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что термоэлементы (40-43) смещены относительно друг друга таким образом, чтобы входные (51) и выходные (52) отверстия располагались по геликоидальной траектории.
10. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что тепловой модуль имеет прямолинейную конфигурацию, и тем, что термоэлементы выполнены линейными и уложены в стопку в горизонтальном или вертикальном направлении, или укладка является комбинацией горизонтальной и вертикальной.
11. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что тепловой модуль (10-14) имеет кольцевую конфигурацию, при этом термоэлементы (40-43) выполнены кольцеобразными и уложены в стопку в аксиальном или радиальном направлении, или укладка является комбинацией аксиальной и радиальной.
12. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что детали термоэлементов (43) выполнены из магнитокалорического материала.
13. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что термоэлементы (40-42) включают одну или несколько деталей (60-62), выполненных из магнитокалорического материала и расположенных на опорной детали (70).
14. Тепловой генератор по п.13, отличающийся тем, что опорная деталь (70) отлита таким образом, что ее форма комплементарна деталям (60-62), выполненным из магнитокалорического материала.
15. Тепловой генератор по п.13, отличающийся тем, что опорная деталь (70) выполнена из термоизоляционного материала.
16. Тепловой генератор по п.15, отличающийся тем, что термоизоляционный материал наполнен частицами теплопроводящего материала.
17. Тепловой генератор по п.13, отличающийся тем, что детали (60), выполненные из магнитокалорического материала, представляют собой пластинки в виде геометрического объекта или кругового сектора.
18. Тепловой генератор по п.12, отличающийся тем, что детали, выполненные из магнитокалорического материала, имеют гладкие поверхности.
19. Тепловой генератор по п.13, отличающийся тем, что детали (60-62), выполненные из магнитокалорического материала, имеют гладкие поверхности.
20. Тепловой генератор по п.12, отличающийся тем, что детали, выполненные из магнитокалорического материала, имеют рельеф на, по крайней мере, одной из сторон.
21. Тепловой генератор по п.13, отличающийся тем, что детали (60-62), выполненные из магнитокалорического материала, имеют рельеф на, по крайней мере, одной из сторон.
22. Тепловой генератор по п.21, отличающийся тем, что на, по крайней мере, одной из сторон выполнены ребра (63, 64), предназначенные для создания завихрений в теплоносителе.
23. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что термоэлементы (40-43) разделены на, по крайней мере, два различных тепловых сектора (53), каждый из которых снабжен каналом (50) с одним входным отверстием (51) и одним выходным отверстием (52).
24. Тепловой генератор по п.23, отличающийся тем, что входные (51) и выходные (52) отверстия тепловых секторов (53) одного и того же термоэлемента (40-43) присоединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно к соответствующему коллекторному контуру тепла или холода.
25. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что включает, по крайней мере, два тепловых модуля (10-13) и тем, что коллекторные контуры тепла и холода тепловых модулей соединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно разделительными дисками (20).
26. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что включает два уплотнительных фланца (30), приспособленных для того, чтобы закрывать каналы (50) термоэлементов (40-43) с торца и механически удерживать термоэлементы (40-43) вместе, при этом уплотнительные фланцы (30) снабжены отверстиями для подачи (31) и для отвода (32) для присоединения коллекторных контуров тепла и холода к внешним контурам.
27. Тепловой генератор по п.11, отличающийся тем, что включает внутреннюю оболочку (4) и/или внешнюю оболочку (5), приспособленные для герметизации тепловых модулей (10-13).
28. Тепловой генератор по п.11, отличающийся тем, что включает внутренние магнитные сборки (3), расположенные на валу (2), выполненном с возможностью вращения и/или поступательного движения, и внешнюю оправу (6), приспособленную для замыкания магнитного потока, генерируемого магнитными сборками (3).
29. Тепловой генератор по п.11, отличающийся тем, что включает внутренние и внешние магнитные сборки (3), при этом, по крайней мере, одна из магнитных сборок (3) расположена на валу (2), выполненном с возможностью вращения и/или поступательного движения.
30. Тепловой генератор по п.1, отличающийся тем, что теплоноситель является жидким, газообразным или двухфазным.
