RU2029203C1

RU2029203C1 - Magnetocalorific refrigerator

Info

Publication number: RU2029203C1
Application number: SU925059796A
Authority: RU
Inventors: В.И. Ляпин; В.И. Карагусов
Original assignee: Омское научно-производственное объединение "Сибкриотехника"
Priority date: 1992-05-20
Filing date: 1992-05-20
Publication date: 1995-02-20

Abstract

FIELD: cryogenic engineering. SUBSTANCE: application of magnetic field to magnetocalorific working medium in rotor causes its warming up, and removal of field, provides its cooling. Pumping of heat carrier is provided by heat carrier rate exciter through channels for transfer of heat from load heat exchanger to rotor working medium and further on, to heat takeoff device. Ring made of superconductive material serves as magnetic hanger of rotor. EFFECT: increased thermodynamic efficiency and specific refrigerating capacity. 1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта. The invention relates to cryogenic technology, in particular to refrigerators operating on the basis of the magnetocaloric effect.

Известны магнитокалорические рефрижераторы для получения низких температур, содержащие корпус, заполненный жидким или газообразным теплоносителем, магнитокалорические элементы, имеющие каналы для прохода теплоносителя, теплоотдатчик, теплообменник нагрузки, магнитную систему и два возвратно-поступательных механизма привода магнитокалорических элементов и магнита (см., например, патент США N 4392356, кл. 62-3, 1984). Magnetocaloric refrigerators for producing low temperatures are known, comprising a housing filled with a liquid or gaseous heat carrier, magnetocaloric elements having channels for passage of a heat carrier, a heat transmitter, a load heat exchanger, a magnetic system and two reciprocating mechanisms for driving magnetocaloric elements and a magnet (see, for example, U.S. Patent No. 4,392,356, CL 62-3, 1984).

Недостатки известного магнитокалорического рефрижератора - низкая эффективность из-за неизбежного перемешивания теплоносителя при движении магнитокалорических элементов, а также малый ресурс работы и большая масса, связанная с наличием двух возвратно-поступательных механизмов привода. Эти недостатки частично устранены в магнитокалорическом рефрижераторе (см. W.A. Steyert. Stirling-cycle rotation magnetic refrigerator and heat engines for use near room temperature. J.Appl. Phys. N 3, vol. 49, 1978, p.1216-1226, fig. 1, 13), который содержит корпус с размещенным в нем ротором и патрубками, теплообменник нагрузки, теплоотдатчик, побудитель расхода теплоносителя, магнитную систему и вращательный механизм привода. Эта конструкция наиболее близка к предлагаемому изобретению и поэтому принята за прототип. The disadvantages of the known magnetocaloric refrigerator are low efficiency due to the inevitable mixing of the coolant during the movement of the magnetocaloric elements, as well as a small service life and a large mass associated with the presence of two reciprocating drive mechanisms. These deficiencies have been partially eliminated in the magnetocaloric refrigerator (see WA Steyert. Stirling-cycle rotation magnetic refrigerator and heat engines for use near room temperature. J. Appl. Phys. N 3, vol. 49, 1978, p. 1216-1226, fig . 1, 13), which contains a housing with a rotor and nozzles placed in it, a load heat exchanger, a heat transfer device, a coolant flow rate inducer, a magnetic system and a rotary drive mechanism. This design is closest to the proposed invention and therefore adopted as a prototype.

Недостатками этого известного магнитокалорического рефрижератора являются малый ресурс работы, связанный с наличием вращательного механизма привода ротора, и малая удельная холодопроизводительность, обусловленная тем, что за один оборот ротора холод вырабатывается один раз. The disadvantages of this well-known magnetocaloric refrigerator are a small service life associated with the presence of a rotational mechanism of the rotor drive, and a low specific cooling capacity due to the fact that cold is generated once per rotor revolution.

Целью изобретения является создание магнитокалорического рефрижератора с высоким ресурсом работы, так как на ресурс работы рефрижератора большое влияние оказывают высоконагруженные узлы трения механизма привода, то выполнение привода магнитокалорического рефрижератора без узлов трения позволит значительно повысить ресурс его работы. The aim of the invention is the creation of a magnetocaloric refrigerator with a high service life, since the load resource of the refrigerator is greatly influenced by the highly loaded friction units of the drive mechanism, then the drive of the magnetocaloric refrigerator without friction units will significantly increase its service life.

Для достижения цели магнитокалорический рефрижератор, содержащий корпус, внутри которого размещен ротор с каналами, систему прокачки теплоносителя, состоящую из побудителя расхода теплоносителя, теплообменника нагрузки, теплоотдатчика, подводящих и отводящих патрубков, магнитную систему, снабжен кольцом их сверхпроводящего материала, установленного на внешней поверхности ротора, магнитная система выполнена по крайней мере из трех секций, подводящие патрубки обращены к внутренней поверхности ротора и соединены между собой через один в два коллектора, а отводящие обращены к наружной поверхности ротора и соединены между собой в два коллектора, причем один из коллекторов подводящих патрубков подключен к выходу теплообменника нагрузки, а другой - к выходу теплоотдатчика, один из коллекторов отводящих патрубков подключен к входу теплообменника нагрузки, а другой - к побудителю расхода теплоносителя. To achieve the goal, a magnetocaloric refrigerator containing a housing inside which a rotor with channels is placed, a coolant pumping system consisting of a coolant flow inducer, a load heat exchanger, a heat transmitter, inlet and outlet pipes, and a magnetic system is provided with a ring of their superconducting material mounted on the outer surface of the rotor , the magnetic system is made of at least three sections, the inlet pipes face the inner surface of the rotor and are interconnected through one in two collectors, and the outlet ones are facing the outer surface of the rotor and connected to each other in two collectors, one of the collectors of the supply pipes connected to the output of the heat exchanger, and the other to the output of the heat transfer device, one of the collectors of the discharge pipes connected to the input of the load heat exchanger, and the other is to a heat transfer agent.

Обращение отводящих патрубков к наружной поверхности ротора, соединение их через один в коллекторы, соединение одного из них с нагнетателем, а другого - с теплообменником нагрузки: обращение подводящих патрубков к внутренней поверхности ротора, соединение их через один в коллекторы, один из которых соединен с теплообменником нагрузки, а другой - с теплоотдатчиком, обеспечивает при прокачивании теплоносителя вращение ротора. Таким образом, в предложенном магнитокалорическом рефрижераторе по сравнению с прототипом отсутствует механизм привода ротора, который является самым ненадежным и недолговечным узлом, а также большую массу. Использование кольца из сверхпроводящего материала позволяет исключить подшипник, которые также имеют ограниченный ресурс и большую массу. Все это позволяет увеличить ресурс работы магнитокалорического рефрижератора по сравнению с прототипом в 2-10 раз. The circulation of the outlet pipes to the outer surface of the rotor, their connection through one to the collectors, the connection of one of them to the supercharger and the other to the load heat exchanger: the circulation of the supply pipes to the inner surface of the rotor, their connection through one to the collectors, one of which is connected to the heat exchanger load, and the other with a heat transmitter, provides rotation of the rotor when pumping the coolant. Thus, in the proposed magnetocaloric refrigerator, in comparison with the prototype, there is no rotor drive mechanism, which is the most unreliable and short-lived unit, as well as a large mass. The use of a ring of superconducting material eliminates the bearing, which also have a limited life and a large mass. All this allows to increase the service life of the magnetocaloric refrigerator in comparison with the prototype 2-10 times.

Использование секций магнитной системы позволяет увеличить удельную холодопроизводительность во столько раз, сколько секций имеет магнитная система, так как каждая частица рабочего тела намагничивается, размагничивается и вырабатывает холод при прохождении каждой секции. The use of sections of the magnetic system allows to increase the specific cooling capacity as many times as many sections the magnetic system has, since each particle of the working fluid is magnetized, demagnetized and produces cold when passing each section.

На чертеже изображена конструкция предлагаемого магнитокалорического рефрижератора. The drawing shows the design of the proposed magnetocaloric refrigerator.

Магнитокалорический рефрижератор содержит корпус 1, ротор 2, выполненный из магнитокалорического материала, подводящие патрубки 3 и 4, соединенные в два коллектора, отводящие патрубки 5 и 6, соединенные в два коллектора, теплообменник нагрузки 7, теплоотдатчик 8, побудитель расхода теплоносителя 9, секции 10-12 магнитной системы. На торцовых поверхностях ротора 2 выполнены каналы 13, а на внешней поверхности размещено кольцо 14 из сверхпроводящего материала. The magnetocaloric refrigerator comprises a housing 1, a rotor 2 made of magnetocaloric material, inlet pipes 3 and 4 connected in two collectors, outlet pipes 5 and 6 connected in two collectors, a load heat exchanger 7, heat transfer device 8, a flow rate inducer 9, section 10 -12 magnetic system. On the end surfaces of the rotor 2, channels 13 are made, and on the outer surface there is a ring 14 of superconducting material.

Работает магнитокалорический рефрижератор следующим образом. Теплоноситель (газ или жидкость) прокачивается побудителем расхода теплоносителя 9 через теплоотдатчик 8, где охлаждается до начальной температуры и поступает через соединенные в коллектор подводящие патрубки в каналы 13. В результате реактивной силы при движении теплоносителя по каналам 13 ротор 2 будет поворачиваться по часовой стрелке (по чертежу). При этом теплоноситель в каналах 13 будет охлаждаться, так как эти части магнитокалорического рабочего тела ротора 2 будут выходить из зон сильного магнитного поля, созданного секциями 10-12 магнитной системы, размагничиваться и охлаждаться в результате магнитокалорического эффекта. Охлажденный теплоноситель через соединенные в коллектор отводящие патрубки 6 поступает в теплообменник нагрузки 7, где реализуется холодопроизводительность. Далее теплоноситель через подводящие патрубки 3 поступает в каналы 13, в которых выполняет работу по вращению ротора 2, и при этом нагревается от намагничивающегося рабочего тела ротора 2, так как эти части ротора 2 входят в зоны сильного магнитного поля, созданные секциями 10-12 магнитной системы. Нагретый теплоноситель через отводящие патрубки 5 поступает в побудитель расхода 9 и теплоотдатчик 8, после чего цикл повторяется. Magnetocaloric refrigerator works as follows. The coolant (gas or liquid) is pumped by the coolant flow inducer 9 through the heat sink 8, where it is cooled to the initial temperature and enters through the supply pipes connected to the collector into the channels 13. As a result of the reactive force, when the coolant moves through the channels 13, the rotor 2 will rotate clockwise ( according to the drawing). In this case, the coolant in the channels 13 will be cooled, since these parts of the magnetocaloric working fluid of the rotor 2 will leave the zones of a strong magnetic field created by sections 10-12 of the magnetic system, demagnetize and cool as a result of the magnetocaloric effect. The cooled heat carrier through the outlet pipes 6 connected to the collector enters the load heat exchanger 7, where cooling capacity is realized. Next, the coolant through the inlet pipes 3 enters the channels 13, in which it performs the work of rotating the rotor 2, and is heated from the magnetizing working fluid of the rotor 2, since these parts of the rotor 2 enter the zones of a strong magnetic field created by sections 10-12 of the magnetic system. The heated coolant through the outlet pipes 5 enters the flow rate driver 9 and heat transfer agent 8, after which the cycle repeats.

В результате в предложенной конструкции теплоноситель помимо функции теплопереноса выполняет работу по намагничиванию и размагничиванию рабочего тела путем вращения ротора 2. Кольцо 14 из сверхпроводящего материала выполняет функцию магнитного подвеса, так как силовые линии магнитного поля, создаваемого секциями 10-12 магнитной системы, выталкиваются из сверхпроводника (эффект Мейснера). В итоге кольцо 14, а значит, и ротор 2 занимает положение внутри секций 10-12 магнитной системы. As a result, in the proposed design, the coolant, in addition to the heat transfer function, performs the magnetization and demagnetization of the working fluid by rotating the rotor 2. Ring 14 made of superconducting material performs the function of magnetic suspension, since the magnetic field lines generated by sections 10-12 of the magnetic system are pushed out of the superconductor (Meissner effect). As a result, ring 14, and hence rotor 2, occupies a position inside sections 10-12 of the magnetic system.

Для того, чтобы это положение было устойчивым при вращении ротора 2, количество секций должно быть не менее трех. Подвешивание ротора 2 при помощи сверхпроводящего кольца 14 позволяет исключить трение между ротором 2 и корпусом 1, а также подшипники и другие опоры ротора 2. In order for this position to be stable during rotation of the rotor 2, the number of sections must be at least three. Suspension of the rotor 2 by means of a superconducting ring 14 eliminates friction between the rotor 2 and the housing 1, as well as bearings and other bearings of the rotor 2.

Claims

MAGNETIC CALORIZED REFRIGERATOR, comprising a housing inside which a rotor with channels is placed, a heat transfer system consisting of a heat transfer agent, a load heat exchanger, a heat transfer and inlet and outlet pipes, and a magnetic system, characterized in that it is equipped with a ring of superconducting material mounted on an external the rotor surface, the magnetic system is made of at least three sections, the inlet pipes face the inner surface of the rotor and are interconnected through one two collectors, and the outlet pipes facing the outer surface of the rotor and are interconnected through one also into two collectors, one of the collectors of the supply pipes connected to the output of the heat exchanger, and the other to the output of the heat transfer device, and one of the collectors of the discharge pipes connected to the input heat exchanger load, and the other - to the stimulator of the flow of coolant.