SU1726931A1 - Магнитокалорический рефрижератор - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к низкотемпературной технике. Цель изобретени  - повышение холодопроизводительности, уменьшение времени выхода на режим, снижение массогабаритных характеристик и упрощение конструкции. Дл  этого в маг- нитокалорическом рефрижераторе, содержащем последовательно включенные в замкнутый контур теплоносител  нагнетатель 9, теплоприемники 2 и 3, теплообменник 8 нагрузки, размещенные в корпусах магнитокалорические элементы 4 и 5, наход щиес  в тепловом контакте с теплообменником 8 нагрузки, импульсные электромагниты 6 и 7 и систему управлени ; магнитокалорические элементы 4 и 5 установлены с возможностью перемещени , нагреватель 9 с одной стороны снабжен запорным вентилем 15, а теплоприемники 2 и 3 со стороны нагнетател  9 соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем 16. Магнитокалорические элементы дополнительно снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетател , электрически св занными с системой управлени . 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к низкотемпературной технике, а именно к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта.

Известен магнитокалорический рефрижератор , содержащий контур с размещенными в нем теплоприемниками, магнитокалорическими элементами, теплообменником нагрузки, вентил ми, нагнетателем , импульсными электромагнитами и системой управлени .

Недостатки этого магнитокалорического рефрижератора - большое врем  выхода на режим вследствие необходимости охлаждени  магнитокалорическим рефрижератором своих конструктивных элементов, в том числе охлаждени  материалов в каждом сечении магнитокалорического элемента до соответствующей температуры Кюри в пусковой период, и низка  термодинамическа  эффективность в результате потерь в импульсных электромагнитах, изготавливаемых из несверхпровод щих материалов.

Эти недостатки частично устранены в магнитокалорическом рефрижераторе, содержащем контур, заполненный теплоносителем , теплоприемники, магнитокало- рические элементы, теплообменник нагрузки, нагнетатель, импульсные электромагниты , изготовленные из сверхпровод щей керамики и имеющие тепловой контакт с теплообменником нагрузки, и газовую криогенную машину, через тепловой ключ соединенную с теплообменником нагрузки. Здесь в пусковой период включаетс  газова  криогенна  машина, за- холаживающа  через тепловой ключ и тепловые мосты импульсные электромагниты до достижени  ими температуры сверхпроводимости , а также захолаживающа  через тепловой ключ и циркулирующий в контуре теплоноситель магнитокалорические элементы до достижени  ими в каждом сечении соответствующей температуры Кюри, например , от 300 до 20 К. Эта конструкци  наиболее близка к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту и поэтому прин та за прототип.

Недостатками прототипа  вл ютс : низка  холодопроизводительность и эффективность магнитокалорического рефрижератора в пусковой период в результате потерь от недорекуперации как в магнито- калорических элементах, так и в газовой криогенной машине, в результате наличи  градиента температуры по тепловому ключу , соедин ющему газовую криогенную машину с теплообменником нагрузки. Другим недостатком  вл етс  сложность конструкции и большие массы и габариты в результате наличи  отдельной газовой криогенной машины.

Цель изобретени  - повышение холодопроизводительности и снижение массогабаритных характеристик магнитокалорического рефрижератора.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в магнитокалорическом рефрижера0 торе, содержащем последовательно включенные в замкнутый контур теплоносител  нагнетатель, теплоприемники, теплообменник нагрузки, размещенные в корпусах магнитокалорические элемен5 ты, наход щиес  в тепловом контакте с теплообменником нагрузки, импульсные электромагниты и систему управлени . Магнитокалорические элементы установлены с возможностью перемещени , нагнета0 тель с одной стороны снабжен запорным вентилем, а теплоприемники со стороны нагнетател  соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем. Дл  дополнительного повышени  холодопроиз5 водительности и уменьшени  времени выхода на режим магнитокалорического элемента снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетател , электрически св занными с системой уп0 равлени .

Выполнение магнитоэлектрических элементов подвижными, соединение теплообменников со стороны нагнетател  трубопроводом с запорным вентилем и

5 установка с одной стороны нагнетател  запорного вентил  позвол ет магнитокалори- ческому рефрижератору в пусковой период выполн ть функции газовой криогенной машины и охлаждать электромагниты и магни0 токалорические элементы. Это позвол ет исключить потери от недорекуперации в регенераторе отдельно установленной газовой криогенной машины, от теплопритоков по элементам газовой криогенной машины

5 и от градиента температур на тепловом ключе , соедин ющем газовую криогенную ма-; шину с теплообменником нагрузки. В результате увеличени  холодопроизводи- тельности и эффективность магнитокалори0 ческого рефрижератора в пусковом периоде и снижаютс  масса и габариты рефрижератора .

Установка со стороны нагнетател  дополнительных линейных электроприво5 дов, электрически св занных с системой управлени , позвол ет при выходе на режим использовать изобретение и как магни- токалористический охладитель, и как газовую криогенную машину одновременно . Это дает дополнительное увеличение холодопроизводительности , эффективности рефрижератора и уменьшение времени выхода на режим.

На фиг.1 схематически изображен маг- нитокалорический рефрижератор, в котором магнитокалорические элементы привод тс  в движение циркул ции по контуру теплоносител ; на фиг.2 - то же, с линейным электроприводом магнитокалорических элементов.

Рефрижератор содержит контур 1, заполненный теплоносителем, например газообразным гелием, теплоприемники 2 и 3, пористые магнитокалорические элементы (регенераторы) 4 и 5, импульсные электромагниты 6 и 7, теплообменник 8 нагрузки, нагнетатель 9, стопорные механизмы 10 и 11, состо щие, например, из стопора, пружины и электромагнитной катушки, тепловые мосты 12 и 13,систему 14 управлени , запорные вентили 15 и 16,

В состав линейных электроприводов (см. фиг.2) вход т посто нные магниты 17 и 18, электромагниты 19 и 20 и втулки 21 и 22.

Магнитокалорический рефрижератор (см. фиг.1) в пусковой период работает следующим образом.

В начале работы запорный вентиль 15 закрыт, а запорный вентиль 16 открыт. Подаетс  напр жение на электромагнитные катушки стопорных механизмов 10 и 11 и освобождаютс  магнитокалорические элементы (вытеснители) 4 и 5. Приводитс  в движение нагнетатель 9 и создает в контуре 1 пульсирующее давление. Теплоноситель перемещаетс  через магнитокалорические элементы 4 и 5 в теплообменник 8 нагрузки и обратно. При этом в результате гидравлического сопротивлени  на торцах магнито- калорических элементов 4 и 5 возникает перепад давлений и магнитокалорические элементы 4 и 5 привод тс  в возвратно-поступательное движение. Таким образом в пусковой период магнитокалорический рефрижератор работает как газова  криогенна  машина Стирлинга, причем нагнетатель 9 работает в качестве компрессора, а магнитокалорические элементы 4 и 5 - в качестве подвижного вытеснител  - регенератора, в результате чего теплообменник 8 нагрузки, импульсные электромагниты 6 и 7 и имагни- токалорические элементы 4 и 5 захолажива- ютс  через движущийс  в контуре 1 теплоноситель и тепловые мосты 12 и 13.

После того, как все материалы магнитока- лорических элементов 4 и 5 охлад тс  до соот- ветствующей температуры Кюри, а импульсные электромагниты 6 и 7 -до температуры сверхпровод щего состо ни  на импульсные электромагниты 6 и 7 подаетс 

ток, электромагнитные катушки стопорнь; механизмов 10 и11 обесточиваютс  л магнитокалорические элементы 4 и 5 стстор г с  в нижних мертвых точках, запорнувентиль 16 закрываетс , запорный вен тиль 15 открываетс .

Магнитокалорический рефрижератор с линейными электроприводами магнитока- лорических элементов 4 и 5 (см. фиг,2) в

пусковой период работает следующим образом .

Вначале запорный вентиль 16 открыт, запорный вентиль 15 закрыт. На электромагнитные катушки стопорных механизмов 10 и 11 подаетс  напр жение и стопорные механизмы 10 и 11 освобождают магнитокалорические элементы 4 и 5. Нагнетатель 9 запускаетс , создает в кон

туре 1 пульсирующее давление и магнитокалорические элементы 4 и 5 привод тс  в возвратно-поступательное движение.

После того, как импульсные электромагниты 6 и 7 захолод тс  от температуры ок

ружающей среды до температуры перехода обмотки в сверхпровод щее состо ние, на импульсные электромагниты 6 и 7 и злект- ромагниты 19 и 20 линейных приводов маг- нитокалорических элементов 4 и 5 подгетс 

напр жение. На импульсные электромагниты б и 7 напр жение подаетс  тогда, когда теплоноситель движетс  из холодной полости (теплообменника 8 нагрузки в тепловую (нагнетатель 9), напр жение на импульсных

электромагнитах 6 и 7 уменьшаетс  до нул , когда теплоноситель движетс  из теплой полости в холодную и таким образом температура теплоносител  дополнительно понижаетс .

Напр жение на электромагниты 19 и 20 линейных электроприводов магнитокалори- ческих элементов 4 и 5 подаетс  таким образом , чтобы не изменилс  закон движени  магнитокалорических элементов 4 и 5 при

подаче и сн тии напр жени  на импульсных электромагнитах 6 и 7. Согласно циклу Стирлинга перемещение магнитокалорическмх элементов 4 и 5 должно опережать по фазе, например, на 60-120 градусов перемещение поршн  нагнетател .

После достижени  во всех сечени х магнитокалорических элементов соответствующих температур Кюри отключаютс  импульсные электромагниты 19 и 20,

обесточиваютс  электромагнитные катушки стопорных механизмов 10 и 11, магнитокалорические элементы 4 и 5 застопориваютс  в нижних мертвых точках, запорный вентиль 15 открываетс  и запорный вентиль 16 за крываетс .

Далее магнитокалорический рефрижератор работает в автономном режиме следующим образом.

При включении импульсного электромагнита 6 и выключении импульсного элек- тромагнита 7 от системы 14 управлени  магнитокалорический элемент 4 намагничиваетс  и нагреваетс , а магнитокалорический элемент 5 размагничиваетс  и охлаждаетс .

В это врем  нагреватель 9 прокачивает теплоноситель по часовой стрелке. В результате теплоноситель охлаждаетс  на магнитокалорическом элементе 5, охлаждает теплообменник 8 нагрузки (реализуетс  холодопроизводительность), нагреваетс  на магнитокалорическом элементе 4 и отдает теплоту теплоприемнику 2. Затем импульсный электромагнит 6 выключают, а импульсный электромагнит 7 включают. Магнитокалорический элемент 4 размагничиваетс  и охлаждаетс , а магнитокалориче- ский элемент 5 намагничиваетс  и нагреваетс . В это врем  нагнетатель 9 прокачивает теплоноситель против часовой стрелки. Теплоноситель охлаждаетс  на магнитокалорическом элементе 4, охлаждает теплообменник 8 нагрузки (холодопроизводительность реализуетс  второй раз за цикл), нагреваетс  на магнитокалорическом

элементе 5 и отдает теплоту теплоприемнику 3.

Далее цикл повтор етс .

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и  

Claims (2)

1.Магнитокалорический рефрижератор , содержащий последовательно включенные в замкнутый контур теплоносител  нагнетатель, теплоприемник, теплообменник нагрузки, размещенные в корпусах маг- нитокалорические элементы, наход щиес  в тепловом контакте с теплообменником нагрузки , импульсные электромагниты и систему управлени , отличающийс  тем, что, с целью повышени  холодопроизводи- тельности и снижени  массогабаритных характеристик, магнитокалорические элементы установлены с возможностью перемещени , нагнетатель с одной стороны снабжен запорным вентилем, а теплопри- емники со стороны нагнетател  соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем.

2.Рефрижератор по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью уменьшени  выхода на режим, магнитокалорические элементы дополнительно снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетани , электрически св занными с системой управлени .

Фиг. 2

45