RU2252375C1

RU2252375C1 - Magnetic heat machine

Info

Publication number: RU2252375C1
Application number: RU2003128672/06A
Authority: RU
Inventors: А.М. Тишин (RU); А.М. Тишин; Ю.И. Спичкин (RU); Ю.И. Спичкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Перспективные магнитные технологии и консультации"
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-05-20
Also published as: RU2003128672A

Abstract

FIELD: heat engineering.

SUBSTANCE: device has magnetic working body, hot and cold heat exchange means, pumps for forming a flow of heat carrier, and also a magnet, moving relatively to working body for its magnetization/demagnetization. Change of direction of heat carrier flow necessary for device operation, in working body is provided for by switches of flow direction, controlled mechanically or electrically by magnet position sensors.

EFFECT: higher efficiency.

7 cl, 9 dwg

Description

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.The invention relates to refrigeration or heat engineering, in particular to refrigerators or heat pumps using magnetic material as a working fluid and a magnetocaloric effect for cooling or heating.

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.Known refrigerators operating on an active magnetic regenerative (AMP) refrigeration cycle [US patents 3413814, 4107935, 4408463, 4507928, 4332135, 5934078, 6526759]. According to the results of theoretical and experimental studies, AMR-cycle chillers are the most effective among magnetic refrigerators operating in the temperature range above 20 K [Tishin A.M., Spichkin Y.I. Magnetocaloric effect and its applications, 2003, IoP Publishing, Bristol & Philadelphia, 475 pp.]. A feature of the AMR of refrigeration machines is that the working fluid (magnetic material) in such devices is used not only for cooling as a result of adiabatic demagnetization, but also as a regenerator. Such a scheme allows to increase the efficiency of the device and expand the range of its operating temperatures.

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.In addition to the working fluid-regenerator, the AMR closed loop operating the refrigerator includes cold and hot heat exchangers, as well as a device for moving the coolant along the circuit (reversible supercharger or pump). Figure 1 presents a typical diagram of the working circuit AMP refrigerator [US patent 3413814]. Here 1 is a magnet, 2 is an active magnetic regenerator, 3 is a cold heat exchanger, 4 is a hot heat exchanger, 5 is a reversible supercharger. The AMR cycle consists of two adiabatic stages (magnetization / demagnetization) and two stages carried out in a constant magnetic field (during these stages, the coolant is purged through the circuit). The operating mode of the device largely depends on the ratio of the effective heat capacity of the coolant and the regenerator. If the heat capacity of the regenerator is much greater than the heat capacity of the coolant, then the temperature profile inside the regenerator does not change and while the coolant is purging. At the first stage of the cycle, the supercharger piston is in the extreme right position (the coolant is in the cold heat exchanger), and the magnetic material in the regenerator is adiabatically magnetized, which causes its temperature to increase by the magnitude of the magnetocaloric effect. At the second stage of the cycle (hot purge), the coolant moves from the cold heat exchanger to the hot one using the supercharger, while the heat released during magnetization in the magnetic regenerator is transferred to the heat carrier and is released into the environment in the hot heat exchanger. At the third stage of the cycle, when the supercharger piston is in the extreme left position and the coolant does not move in the circuit, the magnetic material in the regenerator is adiabatically demagnetized, which causes it to cool by the magnitude of the magnetocaloric effect. At the fourth final stage of the cycle (cold blowing), the coolant moves under the action of the supercharger piston in the opposite direction (from the hot heat exchanger to the cold one), is cooled in the regenerator and enters the cold heat exchanger, where it cools the load. The coolant flows during cold and hot purge must have opposite directions. Thus, repeating the cycle causes cooling of the cold heat exchanger, as heat is removed from the load and transferred to the environment in a hot heat exchanger. The described device can also be used to transfer heat from a body with a lower temperature to a body with a higher temperature, i.e. as a heat pump. Liquid or gas can be used as the heat carrier in the considered heat engine, and the working fluid can be a massive material with holes made in it, a set of plates with an appropriate gap, powder material and other configurations that allow the heat carrier to pass through.

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.The creation of a reversible heat carrier current using a supercharger described above has been provided for in a number of AMP designs of the refrigerator, in particular in US Pat. Nos. 4,332,135 (bellows supercharger), 4507928; in French patent FR 2580385; in USSR patents SU 1629706 A1, SU 1638493 A1, SU 1651055 A1, SU 1726930 A1, SU 1726931 A1; in the patent of Russia RU 2040740 C1. The disadvantage of this method is the presence of friction between the walls of the cylinder and the piston of the supercharger, leading to wear of the device and additional energy losses. In addition, with such a reverse movement of the coolant, the so-called “dead volume” occurs when a certain amount of coolant does not leave the regenerator (working fluid) and, thus, does not participate in the heat transfer process, which significantly reduces the overall efficiency of the device. The disadvantage associated with dead volume is deprived of a design with a coolant flow in one direction, which is usually created using a pump. Such designs have been proposed in US patents 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.The magnetic field necessary for magnetization / demagnetization of the working fluid can be created by an electromagnet or a permanent magnet. The use of an electromagnet is not effective enough, because In magnetic refrigeration devices, significant magnetic fields are needed, which takes considerable time to reach in electromagnets. In this regard, the designs of magnetic chillers offer permanent magnets or superconducting magnets that work in stand-alone mode (without recharge from an external source of electricity). For magnetization / demagnetization of the working fluid, either a magnet relative to the working fluid or the working fluid relative to the magnet can be moved (US patents 3393525, 4107935, 4332135, 4408463; French patent FR 2580385; USSR patents SU 1629706 A1, SU 1638493 A1, SU 1651055 A1). A moving magnet can reciprocate (US patent 3393525; French patent FR 2580385), rotate (US patent 3393525; USSR patents SU 1629706 A1, SU 1651055 A1; Russian patent RU 2040740 C1) and reverse rotational motion (USSR patent SU 1638493 A1 ) In the designs with a moving working fluid, two main schemes are used: the reciprocating movement of the working fluid (US Pat. Nos. 4,332,135, 4,507,928, 5,943,078) and a wheeled circuit in which a container containing a working fluid made in the form of a wheel rotates (US 4107935, 4408463 6526759). The main disadvantage of designs with a moving working fluid is the difficulty of providing a seal at the point of contact between the pipeline with the coolant and the working fluid. The need to create a tight contact leads to the appearance of a significant additional friction in the system, an increase in the losses associated with this, and a decrease in the overall efficiency of the device. In addition, this requirement leads to a significant complication of the design of the magnetic refrigeration machine, and in the case of a cryogenic operating range to the inability to use circuits with a moving working fluid.

Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности и производительности магнитной тепловой машины (магнитного холодильника или теплового насоса), работающей в широком интервале температур.The technical task of this invention is to simplify the design, increase the efficiency and productivity of a magnetic heat engine (magnetic refrigerator or heat pump) operating in a wide temperature range.

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.The stated technical problem is achieved by the fact that the magnetic heat engine (magnetic refrigerator or heat pump) contains in its working circuit a magnetic working fluid, hot and cold heat exchangers, pumps for creating a coolant flow, valves, switches for flow direction, and also contains a magnet moving relative to the working fluid for its magnetization / demagnetization; and a change in the flow direction of the coolant in the working fluid is provided by flow direction switches controlled mechanically or electrically by means of magnet position sensors.

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.The magnetic heat engine contains in its working circuit a magnetic working fluid, pumps for creating a heat-transfer medium, hot and cold heat exchangers, valves and switching valves for changing the direction of the heat-transfer medium (switches for the direction of heat-transfer medium) in the working medium. Magnetization / demagnetization of the working fluid causes it to heat or cool due to the magnetocaloric effect. The principle of operation of the machine is similar to the principle of operation of the magnetic refrigerator discussed above (see Fig. 1 and the text associated with it), however, the coolant flow in the circuit is created in this case by the pump, and the necessary change in the direction of flow at the stages of magnetization and demagnetization is set by valves switched depending from the position of the magnet relative to the working fluid. The valves can be mechanical or electrical and switch, respectively, using mechanical and electrical circuits. Limit switches, optical, magnetic (Hall sensors, magnetoresistive sensors), piezoelectric, magneto-piezoelectric and other sensors can be used to determine the position of the magnet relative to the working fluid.

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:Depending on the ratio of the effective heat capacity of the coolant C _tn (determined by the flow rate of the coolant in the circuit) and the heat capacity of the working fluid C _{RT, the} magnetic heat engine can operate in three modes:

1. С_рт намного больше С_тн (АМР режим, регенератором служит рабочее тело);1. With _rt much more C _tn (AMR mode, the working fluid serves as a regenerator);

2. С_рт≈ С_тн (смешанный режим);2. C _RT ≈ C _tn (mixed mode);

3. С_рт намного меньше С_тн (регенератором служит теплоноситель).3. C _{RT is} much less than C _tn (the coolant is the regenerator).

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.).What mode is carried out in a magnetic heat engine is determined by the choice of coolant and material of the working fluid, as well as the flow rate of the coolant and the working frequency of the machine. This allows you to select the operation mode that is most effective for obtaining optimal machine parameters under specified operating conditions (efficiency, amount of cooling (heating), power consumption, etc.).

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.As a working fluid, ferro-, ferri-, paramagnetic materials and materials with a complex magnetic structure, such as 3d metals Fe, Co, Ni, Mn, etc., rare-earth metals Gd, Tb, Dy, But, Er, can be used. Tm, Pr, Nd, Sm, their alloys, oxides, silicides, germanides, arsenides and other compounds. The working fluid can be a powder, a set of plates and other elements, a massive material with channels and holes and other types of materials that ensure the flow of the coolant. The working fluid can be placed in housings having the shape of a wheel, divided into internal sectors, cylinders, parallelepipeds, etc. As a coolant can be used, depending on the operating temperature range, liquids or gases. In particular, water, an aqueous solution of alcohol, etc. can be used in the region of room temperatures, and gaseous helium in the temperature range of about 20 K.

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).Magnetization / demagnetization of the working fluid is carried out due to the mechanical movement of the magnet relative to the working fluid using hydraulic or electromagnetic drives, a drive based on an electric motor, crank, gear and other mechanisms. The magnet can make a reciprocating, rotational or reverse rotational motion. As a magnet, a permanent magnet, an electromagnet, a superconducting magnet working in an autonomous mode (without recharge from an external source of electricity) can be used.

Представленные ниже примеры иллюстрируют, но не ограничивают существо предлагаемого изобретения.The following examples illustrate but do not limit the essence of the invention.

Пример 1. Магнитная холодильная машина (тепловой насос) с двумя рабочими контурами.Example 1. Magnetic chiller (heat pump) with two working circuits.

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).Figure 2 presents a diagram of a magnetic heat engine with two working circuits. Here 1 and 12 are cold and hot heat exchangers, respectively; 2, 4, 14 and 15 - valves; 3 and 13 - pumps; 5, 7, 8, 11 - switches the direction of flow of the coolant; 6 and 9 - working fluid; 10 - magnet. The flow direction of the coolant in figure 2 is shown by arrows. The coolant flow direction switches consist of valves (see FIG. 3, where the “I” position in FIG. 2 corresponds to the open left valve and the closed right valve, and to the “II” position - the open right valve and the closed left valve) and are controlled by an electrical or mechanical circuit (not shown in the figure), opening and closing gates depending on the position of the magnet, determined using sensors (limit switches, optical, piezoelectric or magnetic sensors (Hall sensors, magnetoresistive sensors), etc.). The magnet using a crank mechanism makes a reciprocating motion relative to the working fluid enclosed in a cylindrical container, shown in figure 4 (here 1 and 2 are sections of the working fluid, 3 is a magnet). The wheel-shaped container shown in FIG. 5 may also be used. In this case, the magnet rotates and is driven by an electric motor with a gearbox. The wheel is divided into two parts (sections), each of which has two nozzles (cold (C) and hot (H)) that provide coolant flow through the working fluid, with cold and hot nozzles of the corresponding parts of the wheel located on one side (see Fig. .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.The operation of the device in the AMP mode of the refrigerator is as follows. At the starting point of the cycle, valves 2 and 14 are open, and valves 4 and 15 are closed and the coolant does not circulate in the circuits. In this case, the working fluid 9 is in the magnet (magnetized), the working fluid 6 is demagnetized, and the flow direction switches of the heat carrier 5, 7, 8, 11 are in the “I” position (Fig. 2a). Then, valves 2 and 14 are closed, valves 4 and 15 are opened, and the coolant is blown through the working fluid 9, taking out the released heat and dumping it in the hot heat exchanger 12, and also through the working fluid 6, cooling and cooling the cold heat exchanger 1. After that, As the coolant completes a full revolution in the left and right working circuits, valves 2 and 14 open again, and valves 4 and 15 close and the coolant moves in the working circuits of the machine. The magnet moves from the working fluid 9 to the working fluid 6, and the switches 5, 7, 8, 11 switch to the “II” position (FIG. 2b). Valves 2 and 14 are closed, and valves 4 and 15 open, and the circulation of the coolant in the working fluid 6 and 9 begins in the opposite direction. The heat carrier takes the heat from the working fluid 6, transferring it in the hot heat exchanger 12 to the environment, and is cooled in the working fluid 9, cooling the cold heat exchanger 1. Then the cycle is repeated. As a result of the cyclic operation of the device, the cold heat exchanger cools. This device can also be used as a heat pump, its operation is similar, and heat is taken from the environment in a cold heat exchanger and pumped to a hot heat exchanger, where it heats the payload.

Пример 2. Магнитная холодильная машина (тепловой насос) с одним рабочим контуром и одним холодным теплообменником.Example 2. Magnetic refrigeration machine (heat pump) with one working circuit and one cold heat exchanger.

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.Figure 6 presents a diagram of a magnetic heat engine with one working circuit and one cold heat exchanger. Here 1 and 9 are the working fluid; 2 and 8 - switches the direction of flow of the coolant; 4 - pump; 3 and 7 - cold and hot heat exchangers, respectively; 5 and 6 - valves; 10 - magnet. The flow direction of the coolant in Fig.6 is shown by arrows. The switches of the flow direction of the coolant 2 and 8 are arranged analogously to example 1 (figure 3). The switches can be controlled by an electrical or mechanical circuit (not shown in the figure) that opens and closes the valves depending on the position of the magnet determined by sensors (limit switches, optical, piezoelectric or magnetic sensors (Hall sensors, magnetoresistive sensors), etc. ) The magnet rotates with an electric motor with a reducer, providing magnetization and demagnetization of the working fluid enclosed in a container in the form of a wheel (see figure 5). Can also be used a working fluid enclosed in a cylindrical container (figure 4) with a magnet, making using the crank mechanism reciprocating motion relative to the working fluid.

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.The operation of the device in the AMP mode of the refrigerator is as follows. In the initial position, valve 5 is open, valve 6 is closed, and the coolant does not circulate in the device circuit. In this case, the working fluid 1 is in a magnet (magnetized), the working fluid 9 is demagnetized, and the flow direction switches of the coolant 2 and 8 are in position “I” (Fig. 6a). Then, valve 5 closes, valve 6 opens, and the coolant is blown through the working fluid 1, taking out the released heat and dumping it in the hot heat exchanger 7. After the coolant completes a complete revolution in the circuit, valve 6 closes again, valve 5 opens and the coolant moves in the machine circuit is terminated. The magnet moves from the working fluid 1 to the working fluid 9 and the switches 2 and 8 are switched to the “II” position (FIG. 6b). The valve 5 closes, the valve 6 closes and the circulation of the coolant in the working fluid in the opposite direction begins. The heat carrier takes the heat from the working fluid 9, giving it in the hot heat exchanger 7 to the environment, and is cooled in the working fluid 1, cooling the cold heat exchanger 3. Then the cycle repeats. As a result of the cyclic operation of the device, the cold heat exchanger cools. This device can also be used as a heat pump, its operation is similar, and heat is taken from the environment in a cold heat exchanger and pumped to a hot heat exchanger, where it heats the payload.

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.In addition to the two-sectional configuration of the working container (Fig. 5), a multisectional configuration (Fig. 7) can be used, in which the corresponding sections are connected in parallel, as shown in Fig. 8. Cold and hot branch pipes of the sections for supplying coolant in the container are located in such a way as shown in Fig.7.

Пример 3. Магнитная холодильная машина (тепловой насос) с одним рабочим контуром и разделенным холодным теплообменником.Example 3. Magnetic refrigeration machine (heat pump) with one working circuit and a divided cold heat exchanger.

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).Figure 9 presents a diagram of a magnetic heat engine with one working circuit and separated by a cold heat exchanger. Here 1 is a magnet, 2, 3, 11 and 12 are the working fluid (container sections); 4 and 13 - switches the direction of flow of the coolant; 5 and 6 - cold heat exchangers; 7 - pump; 8 and 9 - valves; 10 - hot heat exchanger. The flow direction of the coolant in Fig.9 is shown by arrows. The switches of the flow direction of the coolant 4 and 13 are arranged analogously to example 1 (figure 3). The switches can be controlled by an electrical or mechanical circuit (not shown in the figure) that opens and closes the valves depending on the position of the magnet determined by sensors (limit switches, optical, piezoelectric or magnetic sensors (Hall sensors, magnetoresistive sensors), etc. ) The magnet rotates with an electric motor with a reducer, providing magnetization and demagnetization of the working fluid enclosed in a container in the form of a multi-section wheel (see Fig. 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.The operation of the device in the AMP mode of the refrigerator is as follows. In the initial position, the valve 8 is open, and the valve 9 is closed and the circulation of the coolant in the device circuit does not occur. In this case, the sections of the working fluid 2 and 3 are in the magnet (magnetized), the sections of the working fluid 11 and 12 are demagnetized, and the flow direction switches of the coolant 4 and 13 are in position “I” (figa). Then valve 8 closes, valve 9 opens and the coolant is blown through sections of the working fluid 2 and 3, taking out the released heat and dumping it in the hot heat exchanger 10. After the coolant completes a full revolution in the circuit, valve 8 opens again, valve 9 closes and coolant movement in the working circuit of the machine stops. The magnet moves from the sections of the working fluid 2 and 3 to the sections of the working fluid 11 and 12, and the switches 4 and 13 switch to the “II” position (Fig. 9b). The valve 8 closes, the valve 9 opens, and the circulation of the coolant sections of the working fluid begins in the opposite direction. The heat carrier takes the heat from the sections of the working fluid 11 and 12, giving it in the hot heat exchanger 10 to the environment, and is cooled in the working fluid sections 2 and 3, cooling the cold heat exchangers 5 and 6. Then the cycle is repeated. As a result of the cyclic operation of the device, cold heat exchangers are cooled. This device can also be used as a heat pump, its operation is similar, and heat is taken from the environment in cold heat exchangers and pumped to a hot heat exchanger, where it heats the payload.

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.The number of sections of the working fluid and cold heat exchangers in this scheme can be increased by increasing the number of chains of the working fluid - heat exchanger (2-5-11 and 3-6-12), as well as by using the parallel connection of additional sections of the working fluid inside the chain.

Claims

1. Magnetic heat engine (magnetic refrigerator or heat pump), containing in its working circuit a magnetic working fluid, hot and cold heat exchangers, pumps for creating a coolant flow, valves, switches for flow direction, as well as a magnet moving relative to the working fluid for it magnetization / demagnetization, characterized in that the change in the direction of flow of the coolant in the working fluid is provided by switches of the flow direction, controlled mechanically or electrically using magnet position sensors.

2. The magnetic heat engine according to claim 1, characterized in that electromagnetic or mechanical valves are used as switches for the flow direction of the coolant.

3. The magnetic heat engine according to claim 1, characterized in that the magnet providing magnetization / demagnetization of the working fluid is moved relative to the working fluid using a hydraulic, electromagnetic or mechanical drive (electric motor, crank, gear mechanisms) and performs a reciprocating, rotational or reverse rotational motion.

4. The magnetic heat engine according to claim 1, characterized in that it uses ferro-, ferri-, paramagnetic materials and materials with a complex magnetic structure, such as 3d metals Fe, Co, Ni, Mn, and others, rare-earth metals Gd, Tb, Dy, But, Er, Tm, Pr, Nd, Sm, their alloys, silicides, germanides, arsenides and oxides.

5. The magnetic heat engine according to claim 1, characterized in that the working fluid in it is enclosed in a container containing one or more sections and having the shape of a wheel, cylinder or parallelepiped.

6. The magnetic heat engine according to claim 1, characterized in that, depending on the choice of material of the working fluid and coolant, the speed of the coolant and the working frequency of the machine, it can operate in the active magnetic regenerator mode, in the mode of using the coolant as a regenerator or in mixed mode .

7. The magnetic heat engine according to claim 1, characterized in that the magnet position sensors are mechanical, optical, electrical (limit switches, piezoelectric sensors), magnetic (Hall sensors, magnetoresistive sensors), magneto-piezoelectric sensors.