Магнитокалорический рефрижератор

 

Изобретение относится к низкотемпературной технике. Цель изобретения - повышение холодопроизводительности, уменьшение времени выхода на режим, снижение массогабаритных характеристик и упрощение конструкции. Для этого в магнитокалорическом рефрижераторе, содержащем последовательно включенные в замкнутый контур теплоносителя нагнетатель 9, теплоприемники 2 и 3, теплообменник 8 нагрузки, размещенные в корпусах магнитокалорические элементы 4 и 5, находящиеся в тепловом контакте с теплообменником 8 нагрузки, импульсные электромагниты 6 и 7 и систему управления; магнитокалорические элементы 4 и 5 установлены с возможностью перемещения, нагреватель 9 с одной стороны снабжен запорным вентилем 15, а теплоприемники 2 и 3 со стороны нагнетателя 9 соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем 16. Магнитокалорические элементы дополнительно снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетателя, электрически связанными с системой управления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

(! 9) (I I) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 25 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4804130/06 (22) 20.03.90 (46) 15.04.92. Бюл. М 14 (71) Омское научно-производственное объединение микрокриогенной техники (72) В,А.Афанасьев, В.И.Карагусов и П.Б.поляков (53) 521.674(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 840621, кл, F 25 В 21/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

М 1528058, кл. F 25 В 21/00, 1988. (54) МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ РЕФРИЖЕ PATOP (57) Изобретение относится к низкотемпературной технике. Цель изобретения — повышение холодопроизводительности, уменьшение времени выхода на режим, снижение массогабаритных характеристик и упрощение конструкции. Для этого в магнитокалорическом рефрижераторе, содержащем последовательно включенные в замкнутый контур теплоносителя нагнетатель 9, теплоприемники 2 и 3, теплообменник 8 нагрузки, размещенные в корпусах магнитокалорические элементы 4 и 5, находящиеся в тепловом контакте с теплообменником 8 нагрузки, импульсные электромагниты 6 и 7 и систему управления магнитокалорические элементы 4 и 5 установлены с возможностью перемещения, нагреватель 9 с одной стороны снабжен запорным вентилем 15, а теплоприемники 2 и 3 со стороны нагнетателя

9 соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем 16. Магнитокалорические элементы дополнительно снабжены линейными электроприводами со стороны . нагнетателя, электрически связанными с системой управления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

14. !

1 4

1726931

15

55

Изобретение относится 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, вентилями, нагнетателем, импульсными электромагнитами и системой управления.

Недостатки этого магнитокалорического рефрижератора — большое время выхода на режим вследствие необходимости охлаждения магнитокалорическим рефрижератором своих конструктивных элементов, в том числе охлаждения материалов в каждом сечении магнитокалорического элемента до соответствующей температуры Кюри в пусковой период, и низкая термодинамическая эффективность в результате потерь в импульсных электромагнитах, изготавливаемых из несверхпроводящих материалов.

Эти недостатки частично устранены в магнитокалорическом рефрижераторе, содержащем контур, заполненный теплоносителем, теплоприемники, магнитокалорические элементы, теплообменник нагрузки, нагнетатель, импульсные электромагниты, изготовленные из сверхпроводящей керамики и имеющие тепловой контакт с теплообменником нагрузки, и газовую криогенную машину, через тепловой ключ соединенную с теплообменником нагрузки. Здесь в пусковой период включается газовая криогенная машина, захолаживающая через тепловой ключ и тепловые мосты импульсные электромагниты до достижения ими температуры сверхпроводимости, а также захолаживающая через тепловой ключ и циркулирующий в контуре теплоноситель магнитокалорические элементы до достижения ими в каждом сечении соответствующей температуры Кюри, например, от 300 до 20 К. Эта конструкция наиболее близка к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту и поэтому принята за прототип.

Недостатками прототипа являются: низкая холодопроизводительность и эффективность магнитокалорического рефрижератора в пусковой период в результате потерь от недорекуперации как в магнитокалорических элементах, так и в газовой криогенной машине, в результате наличия градиента температуры по тепловому ключу, соединяющему газовую криогенную машину с теплообменником нагрузки. Другим недостатком является сложность конструкции и большие массы и габариты в результате наличия отдельной газовой криогенной машины.

Цель изобретения — повышение холодопроизводительности и снижение массогабаритных характеристик магнитокалорического рефрижератора.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитокалорическом рефрижераторе, содержащем последовательно включенные в замкнутый контур теплоносителя нагнетатель, теплоприемники, теплообменник нагрузки, размещенные в корпусах магнитокалорические элементы, находящиеся в тепловом контакте с теплообменником нагрузки, импульсные электромагниты и систему управления.

Магнитокалорические элементы установлены с воэможностью перемещения, нагнетатель с одной стороны снабжен запорным вентилем, а теплоприемники со стороны нагнетателя соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем. Для дополнительного повышения холодопроизводительности и уменьшения времени выхода на режим магнитокалорического элемента снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетателя, электрически связанными с системой управления.

Выполнение магнитоэлектрических элементов подвижными, соединение теплообменников со стороны нагнетателя трубопроводом с запорным вентилем и установка с одной стороны нагнетателя запорного вентиля позволяет магнитокалорическому рефрижератору в пусковой период выполнять функции газовой криогенной машины и охлаждать электромагниты и магнитокалорические элементы. Это позволяет исключить потери от недорекуперации в регенераторе отдельно установленной газовой криогенной машины, от теплопритоков по элементам газовой криогенной машины и от градиента температур на тепловом ключе, соединяющем газовую криогенную машину с теплообменником нагрузки. В результате увеличения холодопроизводительности и эффективность магнитокалорического рефрижератора в пусковом периоде и снижаются масса и габариты рефрижератора.

Установка со стороны нагнетателя дополнительных линейных электроприводов, электрически связанных с системой управления, позволяет при выходе на режим использовать изобретение и как магнитокалористический охладитель, и как газовую криогенную машину одновременно. Это дает дополнительное увеличение хо1726931 лодоп роизводител ьности, эффективности рефрижератора и уменьшение времени выхода на режим.

На фиг.1 схематически изображен магнитокалорический рефрижератор, в кото- 5 ром магнитокалорические элементы приводятся в движение циркуляции по контуру-теплоносителя; на фиг.2 — то же, с линейным электроприводом магнитокалорических элементов. 10

Рефрижератор содержит контур 1, заполненный теплоносителем, например газообразным гелием, теплоприемники 2 и 3, пористые магнитокалорические элементы (регенераторы) 4 и 5, импульсные электро- 15 магниты 6 и 7, теплообменник 8 нагрузки, нагнетатель 9, стопорные механизмы 10.и

11, состоящие, например, из стопора, пружины и электромагнитной катушки, тепло.вые мосты 12 и 13, систему 14 управления, 20 запорные вентили 15 и 16, В состав линейных электроприводов (см, фиг.2) входят постоянные магниты 17 и

18, электромагниты 19 и 20 и втулки 21 и 22.

Магнитокалорический рефрижератор 25 (см. фиг.1) в пусковой период работает следующим образом.

В начале работы запорный вентиль 15 закрыт, а запорный вентиль 16 открыт. Подается напряжение на электромагнитные 30 катушки стопорных механизмов 10 и 11 и освобождаются магнитокалорические элементы (вытеснители) 4 и 5, Приводится в движение нагнетатель 9 и создает в контуре

1 пульсирующее давление, Теплоноситель 35 перемещается через магнитокалорические элементы 4 и 5 в теплообменник 8 нагрузки и обратно. При этом в результате гидравлического сопротивления на торцах магнитокалорических элементов 4 и 5 возникает 40 перепад давлений и магнитокалорические элементы 4 и 5 приводятся в возвратно-поступательное движение, Таким образом в пусковой период магнитокалорический рефрижератор работает как газовая криоген- 45 ная машина Стирлинга, причем нагнетатель

9 работает в качестве компрессора, а магнитокалорические элементы 4 и 5 — в качестве подвижного вытеснителя — регенератора, в результате чего теплообменник 8 нагрузки, 50 импульсные электромагниты 6 и 7 и имагнитокалорические элементы 4 и 5 захолаживаются через движущийся в контуре 1 теплоноситель и тепловые мосты 12 и 13.

После того, как все материалы магнитока- 55 лорических элементов 4 и 5 охладятся до соответствующей температуры Кюри, а импульсные электромагниты 6 и 7 — до температуры сверхпроводящего состояния на импульсные электромагниты 6 и 7 подается ток, электромагнитные катушки стопорны: механизмов 10 и11 обесточиваются v. магнитокалорические элементы 4 и 5 сто.-ор ся в нижних мертвых точках, запорны вентиль 16 закрывается, запорный вен тиль 15 открывается.

Магнитокалорический рефрижератор линейными электроприводами магнитокалорических 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 подается напряжение и стопорные механизмы 10 и 11 освобождают магнитокалорические элементы 4 и 5, Нагнетатель 9 запускается, создает в контуре 1 пульсирующее давление и магнитокалорические элементы 4 и 5 приводятся а возвратно-поступательное движение, После того, как импульсные электроманиты 6 и 7 захолодятся от температуры окружающей среды до температуры перехода обмотки в сверхпроводящее состояние, на импульсные электромагниты 6 и 7 и электромагниты 19 и 20 линейных приводсч» магнитокалорических элементов 4 и 5 подлете напряжение. На импульсные электромагниты 6 и 7 напряжение подается тогда, когда теплоноситель движется из холодной полости (теплообменника 8 нагрузки в тепловую (нагнетатель 9), напряжение на импульсных электромагнитах 6 и 7 уменьшается до нуля, когда теплоноситель движется из теплой полости в холодную и таким образом температура теплоносителя дополнительно понижается, Напряжение на электромагниты 19 и 20 линейных электроприводов магнитокалорических элементов 4 и 5 подается таким образом, чтобы не изменился закон движения магнитокалорических элементов 4 и 5 при подаче и снятии напряжения на импульсных электромагнитах 6 и 7. Согласно циклу Стирлинга перемещение магнитокалорических элементов 4 и 5 должно опережать по фазе. например, на 60-120 градусов перемещение поршня нагнетателя.

После достижения во всех сечения" магнитокалорических элементов соответствующих температур Кюри отключаются импульсные электромагниты 19 и 20, обесточиваются электромагнитные катушки стопорных механизмов 10 и 11, магнитокалорические элементы 4 и 5 застопорива ются в нижних мертвых точках, запорный вентиль

15 открывается и запорный вентиль 16 закрывается.

1726931

45

55

Далее магнитокалорический рефрижератор работает в автономном режиме следующим образом.

При включении импульсного электромагнита 6 и выключении импульсного электромагнита 7 от системы 14 управления магнитокалорический элемент 4 намагничивается и нагревается, а магнитокалорический элемент 5 размагничивается и охлаждается.

В это время нагреватель 9 прокачивает теплоноситель по часовой стрелке. В результате теплоноситель охлаждается на магнитокалорическом элементе 5, охлаждает теплообменник 8 нагрузки (реализуется холодопроизводительность), нагревается на магнитокалорическом элементе 4 и отдает теплоту теплоприемнику 2. Затем импульсный электромагнит 6 выключают, а импульсный электромагнит 7 включают.

Магнитокалорический элемент 4 размагничивается и охлаждается, а магнитокалорический элемент 5 намагничивается и нагревается. В это время нагнетатель 9 прокачивает теплоноситель против часовой стрелки. Теплоноситель охлаждается на магнитокалорическом элементе 4, охлаждает теплообменник 8 нагрузки (холодопроизводительность реализуется второй раз за цикл), нагревается на магнитокалорическом элементе 5 и отдает теплоту теплоприемнику 3.

Далее цикл повторяется, 5 Формула изобретения

1. Магнитокалорический рефрижератор, содержащий последовательно включенные в замкнутый контур теплоносителя нагнетатель, теплоп риемник, теплообмен10 ник нагрузки, размещенные в корпусах магнитокалорические элементы, находящиеся в тепловом контакте с теплообменником нагрузки, импульсные электромагниты и систему управления, отличающийся тем, 15 что, с целью повышения холодопроизводительности и снижения массогабаритных характеристик, магнитокалорические элементы установлены с возможностью перемещения, нагнетатель с одной стороны

20 снабжен запорным вентилем, а теплоприемники со стороны нагнетателя соединены между собой трубопроводом с запорным вентилем.

2, Рефрижератор по п.1, о т л и ч а ю25 шийся тем, что, с целью уменьшения выхода на режим, магнитокалорические элементы дополнительно снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетания, электрически связанными с системой

30 управления.

1726931

50

Составитель Н.,Олейник

Техред М. Моргентал Корректор С .Черни

Редактор С,Лисина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1269 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5