Ротационная магнитная холодильная машина
Владельцы патента RU 2708002:
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)
Изобретение относится к холодильной технике, а именно к холодильным машинам, использующим магнитный материал в качестве рабочего тела и магнитокалорический эффект для охлаждения. Ротационная магнитная холодильная машина содержит корпус, внутри которого размещен ротор, систему теплоносителя, состоящую из подводящих и отводящих патрубков, и магнитную систему. В пазы ротора, вращающегося посредством сцепления зубчатой передачи с приводной шестерней, вставлены магнитнокалорические пластины, проходящие при вращении ротора через магнитное поле, образованное сверхпроводящими магнитами, расположенными вокруг корпуса и ротора. Ротор представляет собой кожух, в верхней части которого расположены отверстия для впуска теплоносителя, а нижняя закрыта кольцом отвода теплоносителя, во внутренней части которого расположены смачиваемый материал, канал движения теплоносителя, входное и выходное отверстия для прохода теплоносителя. В качестве теплоносителя используют воду. На магнитнокалорические пластины нанесено гидрофобное покрытие. Технический результат заключается в увеличении хладопроизводительности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
Изобретение относится к холодильной технике, а именно к холодильным машинам, использующим магнитный материал в качестве рабочего тела и магнитокалорический эффект для охлаждения.
Уровень техники
Из уровня техники известен магнитокалорический рефрижератор (патент на полезную модель РФ 67237), содержащий магнитную систему, ротор с крышкой, снабженный каналами для прохода теплоносителя, рабочее тело из материала с магнитокалорическим эффектом, привод ротора, систему теплоносителя с насосом, теплоприемником, размещенным в камере охлаждения, и теплоотдатчиком, отличающийся тем, что рабочее тело выполнено в виде сменных капсул с магнитокалорическим эффектом, смонтированных в омываемых теплоносителем и отделенных друг от друга ячейках в теле ротора, а ось ротора выполнена неподвижной и снабжена каналами для подвода и отвода теплоносителя и уплотнениями, исключающими перетекание теплоносителя по плоскости взаимодействия неподвижной оси и ротора, при этом ротор кинематически связан с приводом, а теплоотдатчик выполнен в виде герметично установленного на роторе обода с внешним и внутренним оребрением и полостью, контактирующую с теплоносителем.
Известно решение, описанное в статье («Development of a rotary magnetic refrigerator)), International journal of refrigeration Volume 33 (2010) pp.294-300), в котором описан магнитокалорический рефрижератор, вкотором магнитное поле создается постоянными магнитами в четырех воздушных зазорах, через которые движется ротор с магнитокалорическими ячейками.
Недостаток описанных выше решений состоит в малом полезном объеме магнитного поля, локализованном в зазоре между полюсами постоянного магнита, либо электромагнита.
Известно решение, описанное в статье (C.Zimm et al Advances in Cryogenic Engineering Vol. 43 p.1759), в котором описан рефрижератор, рабочее тело которого, совершая возвратно-поступательные движения, помещается в магнитное поле и выходит из него, вступая в теплообмен в крайних точках. Недостатком такой системы являются существенные переменные механические нагрузки, вызванные магнитным взаимодействием рабочего тела и магнитного поля.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является магнитокалорический рефрижератор (патент на изобретение РФ 2029203), 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 постоянных магнитов.
Из недостатков такой системы следует отметить тот факт, что часть теплоносителя остается в рабочем теле при перемагничивании и понижает эффективность устройства.
Технической проблемой, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение эффективности теплообмена за счет упрощения конструкции машины.
Раскрытие изобретения
Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении хладопроизводительности ротационной холодильной машины.
Для достижения технического результата предложена ротационная магнитная холодильная машина, содержащая корпус, внутри которого размещен ротор, систему теплоносителя, состоящую из подводящих и отводящих патрубков, и магнитную систему, при этом, в пазы ротора, вращающегося посредством сцепления зубчатой передачи с приводной шестерней вставлены магнитнокалорические пластины, проходящие при вращении ротора через магнитное поле, образованное сверхпроводящими магнитами, расположенными вокруг корпуса и ротора, при этом ротор представляет собой кожух, в верхней части которого расположены отверстия для впуска теплоносителя, а нижняя закрыта кольцом отвода теплоносителя, во внутренней части которого расположены смачиваемый материал, канал движения теплоносителя, входное и выходное отверстия для прохода теплоносителя.
Кроме того, в качестве теплоносителя используют воду.
Кроме того, на магнитнокалорические пластины нанесено гидрофобное покрытие.
Предложенная конструкция ротационной магнитной холодильной машины совмещает в себе достоинства устройств возвратно-поступательного типа (большой рабочий объем магнитного поля) и ротационного типа (постоянное движение магнитнокалорических пластин через магнитное поле). При этом магнитное поле создается двумя парами сверхпроводящих магнитов, что обеспечивает его необходимую величину, а также реализуется двухступенчатый цикл охлаждения, что увеличивает максимальную разность температур охлаждаемого объема и теплообменника.
Осуществление изобретения
Ротационная магнитная холодильная машина состоит из корпуса 21, изготовленного из нержавеющей стали, внутри которого находится ротор 1, перемещающийся по направляющим роликам (на фиг. 1 не показаны), магнитной системы и системы циркуляции теплоносителя.
Ротор 1 состоит из кожуха 12 изготовленного из немагнитного материала с низкой теплопроводностью, например, полипропилена. Кожух 12 изготавливается разборным на четыре сектора по 90 градусов и со съемным верхом. В нижней его части с внутренней стороны имеется зубчатая передача 14, посредством которой он приводится во вращение с помощью приводной шестерни 20, подсоединенной к мотору (на фиг. 1 не показан). Ось вращения ротора направлена вертикально. В пазы ротора 1 вставлены магнитокалорические пластины 11, которые выполнены из вещества, обладающего магнитокалорическим эффектом. От выбора вещества зависит диапазон рабочих температур. Толщина и периодичность расположения магнитокалорических пластин 11 на роторе 1, а также их количество зависят от геометрических размеров машины, которые определяются требуемой хладопроизводительностью. При вращении ротора 1 каждая магнитокалорическая пластина 11 проходит через сверхпроводящие магниты 2.
Магнитная система состоит из двух пар сверхпроводящих магнитов 2, работающих в режиме захваченного магнитного потока. Каждый магнит помещен в криостат (на фиг. 1 не показан) и охлаждается жидким азотом.
В верхней части кожуха 12 располагаются отверстия для впуска теплоносителя 13. Нижняя наружная часть кожуха 12 закрывается неподвижным кольцом отвода теплоносителя 15, выполненным из того же материала, что и кожух 12 ротора 1. Во внутренней части кольца 15 расположен канал движения теплоносителя 17, по которому тот стекает к выходному отверстию 18 и выходит в патрубок. Теплоноситель в канал 17 попадает через входное отверстие 16, в котором располагается смачиваемый теплоносителем материал 19 (марля), обеспечивающий стекание его в канал.
Над каналом теплоносителя 17 расположена брызгоулавливающая полость, имеющая глухую стенку сразу за входным отверстием 16. Расположение в кольце 15 входного 16 и выходного 18 отверстий и стенки за ними определяет линию движения теплоносителя.
К выходным отверстиям 18 кольца отвода теплоносителя 15 подсоединены выходные патрубки 3, 5, 8, 10.
Входные патрубки 4, 6, 7, 9 расположены напротив отверстий для впуска теплоносителя 13 ротора 1.
Входной патрубок 9 соединен с выходным патрубком 8, а входной патрубок 6 соединен с выходным патрубком 3 шлангами (на фиг. 1 не показаны) и образуют промежуточные контуры нагрева и охлаждения.
Входной 7 и выходной 5 патрубки соединены шлангами (на фиг. 1 не показаны) с термостатом (на фиг. 1 не показан) и образуют горячий контур.
Входной 4 и выходной 10 патрубки соединены шлангами (на фиг. 1 не показаны) с теплообменником охлаждаемого объема (на фиг. 1 не показан) и образуют холодный контур.
Циркуляцию теплоносителя в контурах обеспечивают включенные в каждый контур насосы (на фиг. 1 не показаны).
Рассмотрим работу одной из магнитнокалорических пластин 11.
Теплоноситель горячего контура поступает к ротору 1 через входной патрубок горячего контура 7 и, проходя через отверстие 13, заполняет пространство между магнитнокалорическими пластинами 11, нагревая их до температуры Тг. В процессе вращения, магнитнокалорическая пластина 11 оказывается внутри одного из сверхпроводящих магнитов 2. Магнитокалорическая пластина 11 в магнитном поле нагревается за счет магнитокалорического эффекта и отдает тепло теплоносителю. После этого горячий теплоноситель удаляется из ротора 1 через входное отверстие 16, канал теплоносителя 17, выходное отверстие 18 и далее через выходной патрубок горячего контура 5 в термостат (на фиг. 1 не показан). Материал 19 (марля), обеспечивает стекание теплоносителя в канал, а также не допускает разбрызгивание его по стенкам. На его место, через отверстия для впуска теплоносителя 13 поступает теплоноситель промежуточного контура с температурой Тп, который охлаждает магнитокалорическую пластину 11 до своей температуры, забирая лишнее тепло. Теплоноситель промежуточного контура через входное отверстие канала теплоносителя 16 стекает в канал теплоносителя 17, находясь внутри второго сверхпроводящего магнита 2, и выходит через выходное отверстие 18 и выходной патрубок промежуточного контура 3 в систему промежуточного контура. На его место в магнитнокалорическую пластину 11 через входной патрубок холодного контура 4 и отверстие для впуска теплоносителя 13 поступает теплоноситель холодного контура, охлаждая магнитнокалорическую пластину 11 до температуры Тх. Вращаясь, магнитнокалорическая пластина 11 выходит из магнитного поля сверхпроводящего магнита, тем самым размагничивается и вследствие магнитокалорического эффекта забирает тепло у холодного теплоносителя, причем больше, чем отдало ему в предыдущей фазе цикла. Холодный теплоноситель через канал теплоносителя 17, выходное отверстие 18 и выходной патрубок холодного теплоносителя 10 выходит во внешнюю систему охлаждения (на фиг. 1 не показана), а в магнитнокалорическую пластину 11 через отверстие для впуска теплоносителя 13 и через входной патрубок промежуточного контура 9 снова поступает теплоноситель промежуточного контура. Он вновь нагревает магнитнокалорическую пластину 11 до температуры Тп и выходит, пройдя через входное отверстие канала теплоносителя 16, канал теплоносителя 17 и выходное отверстие теплоносителя 18 через выходной патрубок промежуточного контура 8 в систему промежуточного контура. На его место из термостата (на фиг. 1 не показан) через входной патрубок горячего контура 7, отверстие для впуска теплоносителя 13 в магнитнокалорическую пластину 11 поступает теплоноситель горячего контура, который нагревает магнитнокалорическую пластину И до температуры Тг, отдавая ей тепло меньшее, чем потом получит при намагничивании магнитнокалорической пластины 11. Цикл повторяется.
Вторая пара сверхпроводящих магнитов 2 находится на противоположной стороне машины и конструктивно полностью дублирует первую, тем самым удваивая хладопроизводительность машины.
Хладопроизводительные свойства зависят от выбора вещества, толщины, количества и периодичности расположения магнитокалорических пластин 11 на роторе 1, а также величины магнитного поля, создаваемого сверхпроводящими магнитами 2.
При габаритных размерах машины радиусе ротора 1-30 см, радиусе сечения ротора 1-3 см, толщине магнитокалорических пластин 11, изготовленных из гадолиния 0,25 мм, периодичности пластин 11-2 мм (общее количество пластин - 1000 шт. ), магнитном поле 1,5 Тл -максимальная хладопроизводительность составит более 200 Вт. При этом максимальная разность температур составит около 6 К, а максимальные усилия будут не выше 10 Н.
При радиусе ротора 1 - 1 м, радиусе сечения ротора 1-10 см, толщине пластин 11 - 0,25 мм, периодичности пластин 11-1 мм (всего 8500 шт. ) - максимальная хладопроизводительность составит уже 10 кВт.
Таким образом, заявленное изобретение решает указанный технический результат - увеличение хладопроизводительности за счет отсутствия при в работе машины фазы «простоя» магнитного поля.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана схема ротационной магнитной холодильной машины (вид сверху), где:
1 - ротор;
2 - сверхпроводящие магниты;
3 - выходной патрубок нагрева промежуточного контура;
4 - входной патрубок холодного контура;
5 - выходной патрубок горячего контура;
6 - входной патрубок нагрева промежуточного контура;
7 - входной патрубок горячего контура;
8 - выходной патрубок охлаждения промежуточного контура;
9 - входной патрубок охлаждения промежуточного контура;
10 - выходной патрубок холодного контура;
11 - магнитокалорические пластины;
20 - приводная шестерня;
21 - корпус.
Стрелкой показано направление движения ротора. На фиг.2 показано поперечное сечение ротора, где:
12 - разборный кожух;
13 - отверстие для впуска теплоносителя;
14 - зубчатая передача;
15 - кольцо отвода теплоносителя;
16 - входное отверстие канала теплоносителя;
17 - канал теплоносителя;
18 - выходное отверстие канала теплоносителя;
19 - смачиваемый теплоносителем материал.
1. Ротационная магнитная холодильная машина, содержащая корпус, внутри которого размещен ротор, систему теплоносителя, состоящую из подводящих и отводящих патрубков, и магнитную систему, отличающаяся тем, что в пазы ротора, вращающегося посредством сцепления зубчатой передачи с приводной шестерней, вставлены магнитнокалорические пластины, проходящие при вращении ротора через магнитное поле, образованное сверхпроводящими магнитами, расположенными вокруг корпуса и ротора, при этом ротор представляет собой кожух, в верхней части которого расположены отверстия для впуска теплоносителя, а нижняя закрыта кольцом отвода теплоносителя, во внутренней части которого расположены смачиваемый материал, канал движения теплоносителя, входное и выходное отверстия для прохода теплоносителя.
2. Ротационная магнитная холодильная машина по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве теплоносителя используют воду.
3. Ротационная магнитная холодильная машина по п. 1, отличающаяся тем, что на магнитнокалорические пластины нанесено гидрофобное покрытие.
