Ротационная магнитная холодильная машина

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области водоснабжения, а именно к способам добывания или сбора питьевой или водопроводной воды, а также к области противопожарных средств, и может быть применено для пожаротушения в засушливых регионах, при дефиците водоисточников.

Изобретение относится к магнитокалорическим тепловым машинам. Теплообменник, способ его изготовления и тепловой насос, содержащий теплообменник, включающий узел, образованный связыванием проволок, и покрывающий слой.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к охлаждению электрических машин. Технический результат – улучшение охлаждения.

Изобретение относится к области холодильной и криогенной техники. Рабочее тело с применением магнитокалорического эффекта в твердотельных тепловых насосах содержит хладагент, выполненный из материала с гигантским магнитокалорическим эффектом, и, по меньшей мере, один пьезоэлектрический преобразователь для приложения внешних механических напряжений.

Представленное изобретение относится к тепловому генератору (100) с, по крайней мере, одним тепловым модулем (110), включающим, по крайней мере, два магнитокалорических элемента (111, 112).

Изобретение касается теплового генератора (1). Тепловой генератор содержит как минимум один термический модуль (10), который содержит N смежных магнитокалорических элементов (2), расположенных вокруг центральной оси (А) и подчиненных колебаниям магнитного поля, вызванным магнитными устройствами (3), таким образом, приводящим к разнице их температур.
Изобретение относится к холодильному и/или морозильному устройству. .

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам нагрева-охлаждения циркулирующих потоков жидкости или газа и может найти применение в энергетической, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области применения магнитокалорического эффекта в режиме перекачивания тепла с использованием магнитных характеристик рабочего тела магнитной тепловой машины и может быть использовано для получения тепла и холода.

Изобретение относится к тепловым двигателям и, в частности, к тепловому двигателю, который преобразует тепловую энергию в механическую. Устройство включает в себя тепловой детандер, компрессор для сжатия рабочей среды после расширения, блок преобразования силы, соединяющий тепловой детандер с компрессором.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям с внешним подводом тепла. Техническим результатом является повышение эффективности теплопередачи.

Изобретение относится к энергетике малых мощностей. Устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды состоит из поршневого двигателя, трубопровода с регенератором, рабочего тела, генератора электрического тока, бака с трубчатым водораспределителем, капельно-пленочного оросителя, шаровых вентилей, литий-ионного аккумулятора, электронного блока управления и стартера.

Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания. Теплообменная часть двигателя Стирлинга представляет два цилиндра: горячий и холодный.

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель внешнего нагрева содержит систему управления с блоком управления, систему нагрева и охлаждения, цилиндр с торцовой и боковой стенками.

Изобретение относится к системам для производства электроэнергии и тепла. .

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внешнего сгорания. .

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано при создании двигателей Стирлинга. .

Изобретение относится к энергетике, а конкретнее к ДС (двигателям Стирлинга). .

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.

Наверх