Генератор тепла, содержащий магнитокалорический материал
Изобретение относится к генератору тепла, содержащему магнитокалорический материал. Материал включает жесткую опору, на которой расположены, по крайней мере, два термоэлемента из магнитокалорического материала, магнитные средства, выполненные подвижными по отношению к указанным термоэлементам таким образом, чтобы обеспечить возможность воздействия на термоэлементы переменным магнитным полем с целью изменения их температуры, и средства сбора калорий и фригорий, производимых термоэлементами. Средства сбора содержат, по крайней мере, два отдельных контура, в каждом из которых циркулирует теплоноситель, при этом один из контуров является контуром тепла и один из контуров является контуром холода, причем каждый из контуров соединен, по крайней мере, с одним теплообменником, предназначенным для сбора калорий или фригорий, и со средствами коммутации, выполненными с возможностью поочередного помещения в контур соответствующего термоэлемента. Каждый термоэлемент содержит каналы теплоносителя, образующие, по крайней мере, два отдельных коллекторных контура. Теплоносители приводятся в движение поочередно в одном и в другом коллекторном контуре в зависимости от того, подвергается ли термоэлемент воздействию магнитного поля и испускает ли термоэлемент калории или фригории. Использование изобретения позволит повысить энергетическую отдачу генератора и снизить потребление энергии. 19 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники:
Настоящее изобретение относится к генератору тепла, содержащему магнитокалорический материал, включающему, по крайней мере, одну жесткую опору, содержащую, по крайней мере, два термоэлемента из магнитокалорического материала, магнитные устройства, выполненные подвижными относительно указанных термоэлементов и позволяющие подвергать их действию переменного магнитного поля с целью изменения их температуры, а также средства сбора калорий и фригорий, выделяемых термоэлементами, включающие, по крайней мере, два контура жидкого или газообразного теплоносителя, причем один из контуров является «контуром тепла», а другой «контуром холода», и каждый из них подсоединен, по крайней мере, к одному теплообменнику и снабжен средствами коммутации для того, чтобы помещать соответствующий термоэлемент в контур.
Уровень техники:
Генераторы тепла, содержащие магнитокалорический материал, используют магнитокалорические свойства некоторых материалов таких, как гадолиний или некоторые сплавы, особенностью которых является способность нагреваться под воздействием магнитного поля и охлаждаться до температуры ниже их изначальной температуры, после исчезновения магнитного поля или вследствие уменьшения магнитного поля. Магнитокалорический эффект наблюдается вблизи точки Кюри материала. Преимуществом этого нового поколения генераторов тепла является экологическая чистота, поскольку выбросы отсутствуют. Вместе с тем, для обеспечения экономической рентабельности и хорошей энергетической отдачи первоочередной задачей становится разработка концепции таких генераторов и средств сбора калорий и фригорий, производимых данными материалами.
В WO-A-03/050456 приводится первый пример, в котором генератор тепла, содержащий магнитокалорический материал, содержит моноблочный кольцевой кожух, разделенный перегородками на двенадцать отделов, в каждый из которых помещен пористый гадолиний. Каждый отдел снабжен четырьмя отверстиями, причем одно входное и одно выходное отверстие соединены с контуром тепла, а одно входное и одно выходное отверстие - с контуром холода. Два постоянных магнита находятся в непрерывном вращении, воздействуя на различные отделы и последовательно подвергая их воздействию переменного магнитного поля. Калории и фригории, производимые гадолинием, находящимся в различных отделах, направляются к теплообменникам по контурам тепла и холода, в которых циркулирует теплоноситель и к которым они попеременно подсоединяются посредством шарнирных соединений, вращение которых синхронизировано с вращением магнитов. Требования, связанные с обеспечением подобного синхронного вращения, делают данное устройство технически сложным и дорогим для реализации. Кроме того, сам принцип работы прибора сильно ограничивает перспективы его технического развития. Помимо этого, его конструкция является сложной и дорогостоящей, учитывая различные каналы, соединения и вентили, необходимые для выполнения контуров тепла и холода. Вместе с тем, энергетическая отдача такого генератора остается недостаточной, что значительно сокращает возможности его применения. В самом деле, циркулирующий сквозь поры магнитокалорического материала теплоноситель остается одним и тем же как для контура тепла, так и для контура холода, меняется только направление его движения, что создает весьма значительную тепловую инерцию.
В FR-A-2861454 приведен еще один пример, в котором через термоэлементы проходит канал, расположенный вблизи магнитокалорического материала и сообщающийся с контуром теплоносителя через пластину, на которой смонтированы термоэлементы. На данной пластине расположены каналы, формирующие контуры тепла и холода, в которых циркулирует теплоноситель и к которым напрямую подсоединен канал термоэлементов, без использования промежуточных труб и соединений. Преимуществами подобной конструкции является заметное снижение стоимости производства генератора и большой выбор возможных конструктивных выполнений. Вместе с тем, сохраняются недостатки, связанные с использованием единственного теплоносителя как для контура холода, так и для контура тепла. Таким образом, тепловая производительность такого генератора оказывается недостаточной.
Описание изобретения:
Настоящее изобретение преследует цель устранить эти недостатки, предложив генератор тепла, не загрязняющий окружающую среду, имеющий очень хорошую энергетическую отдачу, отличающийся простым и экономичным устройством, потребляющий мало энергии и являющийся при этом способным к техническому развитию, гибким, модульным и пригодным для использования как в крупных промышленных установках, так и в домашних условиях.
Эти цели достигаются при использовании генератора тепла указанного во введении типа, который согласно изобретению характеризуется тем, что каждый термоэлемент содержит каналы для теплоносителя (35), образующие, по крайней мере, два отдельных коллекторных контура, причем в одном коллекторном контуре, являющимся «контуром тепла», циркулирует теплоноситель из контура тепла, собирающий калории, производимые термоэлементом, а в другом коллекторном контуре, являющимся «контуром холода», циркулирует теплоноситель из контура холода, собирающий фригории, производимые термоэлементом, который не подвергается воздействию магнитного поля, причем теплоносители перемещаются поочередно то в один, то в другой коллекторный контур, в зависимости от того, подвергается или не подвергается соответствующий термоэлемент воздействию магнитного поля и производит ли он калории или фригории.
Термоэлементы, по крайней мере, частично выполнены из магнитокалорического материала, по крайней мере, в одной из форм, выбранных из группы, включающей цельный блок, штабель цельных блоков или цельных пластин, набор частиц, пористый блок, штабель пористых блоков или пористых пластин, комбинацию этих форм.
Предпочтительно, чтобы каждый из коллекторных контуров был образован множеством каналов теплоносителя, распределенных внутри термоэлементов для обеспечения большой площади теплообмена. Эти каналы теплоносителя имеют небольшой размер, предпочтительно между 0,01 мм и 5 мм и более предпочтительно равняющийся 0,15 мм, позволяющий обеспечить практически ламинарное протекание теплоносителя через термоэлементы. Каналы теплоносителя двух коллекторных контуров каждого термоэлемента могут располагаться параллельно друг другу или иным образом, например, перпендикулярно. Они выполнены, по крайней мере, в одной форме, выбранной из группы, включающей перфорации, желобки, щели, зазоры, комбинацию этих форм. Сами формы изготавливаются посредством металлообработки, химической, ионной или механической гравировки, формовки, установки прокладок между блоками, оставления пространства между частицами.
В предпочтительной форме реализации изобретения жесткая опора имеет, по крайней мере, одну пластину, снабженную, по крайней мере, двумя отверстиями, образующими полости, в которых располагаются термоэлементы, и, по крайней мере, два ряда каналов, образующих части контуров теплого и холодного теплоносителя и соединенных с каждой полостью через входное отверстие и выходное отверстия, способных сообщаться с каналами соответствующего теплоносителя термоэлементов, либо через два входных отверстия и два выходных отверстия в каждой полости.
Каналы могут быть образованы желобками, распределенными на одной или другой, или на обеих сторонах пластины, причем сторона или стороны имеют вставной фланец, оборудованный для закрывания и герметизации этих каналов.
Термоэлементы и полости в предпочтительном варианте дополнительно снабжены крепежными элементами, которые могут иметь форму параллелепипеда, причем каждая сторона полости содержит одно входное отверстие или одно выходное отверстие одного из контуров теплого и холодного теплоносителя, а на каждой стороне термоэлемента располагается одно входное или одно выходное отверстие одного из его коллекторных контуров.
В предпочтительном варианте выполнения с каждой стороны между полостью и термоэлементом оставляется зазор от 0,05 мм до 15 мм, предпочтительно составляющий 1 мм, образующий распределительную камеру теплоносителя, располагающуюся внутри термоэлемента, причем в каждом углу полости находится герметизирующее уплотнение.
В предпочтительном варианте генератор тепла оборудован четным числом термоэлементов, расположенных почти по кругу вокруг центральной оси пластины, и магнитные средства, которые предпочтительно соединены со средствами привода, вращающимися вокруг центральной оси.
Эти магнитные средства могут содержать определенное число магнитов, соответствующее числу термоэлементов, причем магниты объединены попарно и расположены с одной и с другой стороны термоэлементов, чтобы подвергать воздействию магнитного поля один термоэлемент из двух. В предпочтительном варианте реализации термоэлементы прилегают друг к другу, чтобы пары магнитов могли переходить от одного ряда термоэлементов к другому без разрыва магнитного поля.
Средства сбора калорий и фригорий могут содержать средства принудительной циркуляции теплоносителя, предусмотренные на одном или на обоих контурах теплоносителя. В первом случае два контура теплого и холодного теплоносителя объединены в замкнутую систему, причем контур теплого теплоносителя соединяет выходное отверстие холодного теплообменника со входным отверстием теплого теплообменника, а контур холодного теплоносителя соединяет выходное отверстие теплого теплообменника со входным отверстием холодного теплообменника. Во втором случае оба контура теплого и холодного теплоносителя являются независимыми и каждый образует замкнутую систему. Предпочтительно, чтобы теплоносители теплого и холодного контуров циркулировали в противоположных направлениях.
Средства коммутации могут содержать, по крайней мере, один вентиль, установленный на каждом контуре теплого и холодного теплоносителя и оборудованный для включения последовательно одного или другого коллекторного контура термоэлементов, в зависимости от того, подвергаются ли они воздействию магнитного поля или нет, и производят ли калории или фригории.
Описание чертежей:
Настоящее изобретение и его преимущества станут лучше понятны из нижеследующего описания способов выполнения, которые приводятся в качестве примера и ограничивающими не являются. Описание приводится со ссылками на находящиеся в приложении чертежи, где:
Фиг.1 представляет собой упрощенный вид в перспективе генератора тепла в соответствии с изобретением,
Фиг.2 представляет вид в разборе генератора, показанного на фиг.1,
Фиг.3 представляет вид в перспективе пластины генератора, показанного на фиг.1, без термоэлементов,
Фиг.4 представляет вид в перспективе термоэлемента, предназначенного для монтажа на пластине с фиг.3, фиг.4А представляет собой увеличенное изображение детали А, представленной на фиг.4.
На фиг.5А и 5В приводятся схемы, иллюстрирующие контуры теплоносителя в двух циклах функционирования.
Описание изобретения и предпочтительный вариант его выполнения
В соответствии с фиг.1 и 2, генератор тепла 1, содержащий магнитокалорический материал, в соответствии с изобретением состоит из жесткой опоры, выполненной в форме пластины 2, выполненной с возможностью размещения, по крайней мере, двух, а в представленном примере - восьми термоэлементов 3 из магнитокалорического материала. Он также включает магнитные средства 4, выполненные подвижными относительно термоэлементов 3 и позволяющие подвергать их действию переменного магнитного поля для того, чтобы изменять их температуру, и средства сбора калорий и фригорий 5, производимых термоэлементами 3. Эти средства сбора 5 включают, в том числе, два отдельных, то есть гидравлически изолированных друг от друга, контура теплоносителя 51, 52, причем один контур тепла 51 собирает калории, а другой контур холода собирает фригории. Каждый из контуров 51, 52 соединен, по крайней мере, с одним теплообменником, предназначенным для использования этих калорий и фригорий как в промышленных, так и в бытовых целях, то есть для отопления, смягчения климата, охлаждения, кондиционирования и т.д.
В представленном примере термоэлементы 3 расположены в полостях 20 пластины 2 и распределены практически по кругу вокруг центральной оси (В). Магнитные средства 4 включают восемь постоянных магнитов 40, распределенных попарно, с одной и с другой стороны пластины 2, чтобы подвергать воздействию магнитного поля один термоэлемент 3 из двух. Эти постоянные магниты 40 установлены на двух роторах 41, находящихся с каждой стороны пластины 2 и приводящихся во вращение с помощью приводного вала (не представлен), соединенного с приводом любого типа таким, как мотор, редукторный двигатель, шаговый двигатель, сервомотор, вращающийся домкрат и т.д. Соединение вала с приводом производится напрямую или с помощью любого типа подходящей механической трансмиссии.
Расположение термоэлементов 3 вокруг оси В позволяет использовать простой способ приведения в движение магнитных средств 4, посредством постоянного вращения в одном и том же направлении. Разумеется, пригоден и любой иной способ расположения. Например, если термоэлементы 3 расположены в ряд, для приведения в движение магнитных средств 4 можно использовать поочередное поступательное движение.
Постоянные магниты могут быть цельными, спеченными или пластинчатыми, в сочетании с одним или несколькими намагничивающимися материалами, концентрирующими и направляющими их магнитное поле к термоэлементам 3. Могут использоваться магниты любого иного типа, например, электромагниты или сверхпроводники. Тем не менее, постоянный магнит имеет неоспоримые преимущества из-за своих размеров, простоты использования и невысокой стоимости. Предпочтительно постоянные магниты 40 способны генерировать магнитное поле не меньше 1 Тесла.
Кроме того, термоэлементы 3 примыкают друг к другу, чтобы пары магнитов 40 переходили от одной серии термоэлементов 3 к другой без разрыва магнитного потока. Преимуществом такого подхода является значительное снижение движущей силы, необходимой для приведения в движение магнитных средств 4, поскольку не требуется преодоления силы притяжения.
Пластина 2 предпочтительно изготавливается из теплоизолирующего и немагнитного материала. На ней расположены отверстия, образующие полости 20, снабженные дополнительными крепежными элементами для соединения с термоэлементами 3, имеющими почти одинаковую толщину для того, чтобы термоэлементы 3 выходили на уровень сторон пластины 2. Возможны и другие формы исполнения. Существенно, чтобы каждый термоэлемент 3 мог подвергаться действию магнитного поля постоянных магнитов 40.
Обратившись непосредственно к фиг.3, можно заметить, что пластина 2 содержит два ряда каналов 21, 22, образующих нижнюю часть контуров тепла 51 и холода 52. Каналы 21, 22 каждого ряда, предназначенные для теплоносителя, соединены одним концом с полостями 20 посредством входных и выходных отверстий, расположенных таким образом, чтобы каналы сообщались с термоэлементами 3, то есть через два входных и два выходных отверстия полости 20, а другим концом соединены с внешней частью пластины 2 через входное и выходное отверстия, расположенные с возможностью подключения к внешней части контуров тепла 51 и холода 52, включающих, в том числе, теплообменники.
В представленном примере данные каналы 21, 22 выполнены по обеим сторонам пластины 20 и представляют собой желобки, изготовленные, например, посредством металлообработки, гравировки, литья или любой иной подходящей методики. В этом варианте исполнения пластина 2 соединена с герметичными уплотнителями 6, содержащими два неметаллических фланца 60, расположенных таким образом, чтобы каждый из них прижимался к поверхности пластины 2 посредством прокладок 61, выполненных в форме мембраны, тем самым, обеспечивая закрытие и герметизацию каналов 21, 22. В представленном примере фланцы 60 и прокладки 61 содержат разрезы 62, 63, расположенные в соответствии с расположением термоэлементов 3. Фланцы и прокладки крепятся на пластину 2, например, винтами, либо любым иным эквивалентным способом. Фланцы 60 и прокладки 61 могут также быть выполнены без разрезов, сплошными. Разумеется, каналы 21, 22 могут быть расположены на одной стороне пластины 2. Пластина 2 также может быть изготовлена иным способом, например, из двух отлитых и собранных деталей, с расположением каналов 21, 22 внутри. Прокладки 61 также могут быть заменены слоем подходящего клея или чем-либо подобным.
Термоэлементы 3, по крайней мере, частично, а предпочтительно - полностью состоят из магнитокалорического материала, например, гадолиния (Gd), сплава гадолиния, содержащего, например, кремний (Si), германий (Ge), сплава марганца, содержащего, например, железо (Fe), магний (Mg), фосфор (Р) или любой иной материал, либо эквивалентный намагничивающийся сплав. Выбор между этими магнитокалорическими материалами осуществляется в зависимости от требуемой тепловой и охлаждающей мощности и необходимых температурных диапазонов. Магнитокалорическому материалу может быть придана форма цельного блока, штабеля цельных блоков или цельных пластин, набора частиц в форме порошка или отдельных частиц, пористого блока, штабеля пористых блоков или пористых пластин, а также любая иная подходящая форма или комбинация форм. Аналогичным образом, термоэлементы 3 могут быть образованы объединением различных магнитокалорических материалов. Они также могут быть выполнены из теплопроводящего вещества, содержащего одно или несколько магнитокалорических веществ.
Особенностью термоэлементов 3 является наличие, по крайней мере, двух отдельных, то есть гидравлически отделенных друг от друга, коллекторных контуров 31, 32, а именно: один коллекторный контур тепла 31, связанный с элементами 21, 51, и один коллекторный контур холода, связанный с элементами 22, 52. Теплоноситель каждого из контуров приводится в движение поочередно в одном из коллекторных контуров 31, 32, в зависимости от того, подвергается ли термоэлемент воздействию магнитного поля или нет, и производит ли он калории или фригории.
В примере, подробно представленном на фиг.4 и 4А, термоэлементы 3 образованы штабелем цельных пластин, выполненных из гадолиния. Они имеют квадратную форму и содержат каждый по три выступа: центральный выступ 33 и два крайних выступа 34, предназначенных для отделения одной пластины от другой, когда пластины 30 находятся друг над другом, термоэлементы 3 также содержат два узких параллельных желобка, образующих каналы теплоносителя 35. Пластины 30 ориентированы поочередно в двух перпендикулярных направлениях, чтобы образовать два ряда каналов теплоносителя 35, образующих два отдельных коллекторных контура 31, 32. Таким образом, коллекторные контуры 31, 32 образованы множеством каналов теплоносителя 35, расположенных внутри термоэлементов 3 с целью обеспечения большой поверхности теплообмена. Поскольку пластины 30 имеют толщину порядка миллиметра, каналы теплоносителя 35, составляющие порядка одной десятой миллиметра, способны обеспечить ламинарное протекание теплоносителя через термоэлементы 3, способствующее достижению дополнительного усиления теплообмена при минимальном количестве теплоносителя. Таким образом, термоэлементы 3 образуют активные мини- или микротеплообменники, производящие и обменивающиеся калориями и фригориями с проходящими через них теплоносителями в зависимости от чередования намагничивания/размагничивания. Каналы теплоносителя 35 также могут быть ориентированы в параллельных направлениях.
Когда термоэлементы 3 смонтированы с пластиной 2, каждый коллекторный контур 31, 32 соединен с двумя противоположными сторонами термоэлементов 3 через входное и выходное отверстия теплоносителя, которые сообщаются с входным и выходным отверстиями контуров тепла 21 и холода 22, расположенными, соответственно, в каждой полости 20. С этой целью между соответствующими сторонами пластины 2 и термоэлемента 3 оставляется зазор от 0,05 мм до 15 мм, предпочтительно равняющийся 1 мм, чтобы разграничить распределительные камеры теплоносителя, располагающиеся внутри термоэлемента 3. Герметичность коллекторных контуров 31, 32 с одной стороны, между распределительными камерами, обеспечивается посредством прокладок (на чертеже не представлены), предусмотренных, например, в четырех углах полостей 20, а с другой стороны, на оборотной и лицевой стороне пластины 2, посредством фланцев 60 и прокладок 61.
Разумеется, коллекторные контуры 31, 32 могут быть выполнены иным образом, в соответствии с формой магнитокалорического материала. В приведенном варианте выполнения пластины 30 и их выступы 33, 34 могут быть получены посредством металлообработки, блюминга, штамповки, электроэрозионной обработки или аналогичным способом. В другом варианте выполнения пластины 30 могут располагаться на плоскости, а между ними устанавливается прослойка или распорка, ограничивающая каналы теплоносителя. Каналы теплоносителя 35 также могут быть выполнены в виде перфораций, желобков различной формы, щелей, зазоров, комбинаций этих форм, а сами каналы теплоносителя могут быть получены посредством металлообработки, химической, ионной или механической гравировки, формовки, или при оставлении пространства между частицами. Каналы теплоносителя 35 могут иметь размер от 0,01 мм до 5 мм, предпочтительно 0,15 мм, поскольку такой небольшой размер способствует обеспечению ламинарного потока.
В соответствии с фиг.5А и 5В, по крайней мере, один из контуров тепла 51 или холода 52 оборудован средствами принудительной циркуляции теплоносителя такими, как, например, насос 53, термосифон или любое иное эквивалентное средство. Циркуляция теплоносителя также может быть свободной и естественной и обеспечиваться только за счет разницы температур теплоносителя.
Химический состав теплоносителя адаптирован к необходимому температурному диапазону, выбранному для получения максимального теплообмена. Например, для положительных температур используется просто вода, а для отрицательных - вода с добавками антифриза, например гликоля. Таким образом, генератор тепла позволяет отказаться от использования любых вредных для человека и окружающей среды теплоносителей и теплоносителей, вызывающих коррозию.
Каждый из контуров тепла 51 или холода 52 оборудован средствами сбора калорий и фригорий, собранных, соответственно, для обогрева или охлаждения. Такими средствами могут являться, например, теплый теплообменник 55 и холодный теплообменник 56 или любое иное эквивалентное средство. Каждый из контуров тепла 51 или холода 52 также оборудован средствами коммутации для помещения в соответствующий контур тепла 51 или холода 52 соответствующих термоэлементов 3, такими, как, например, двусторонний электровентиль 57, 58 или аналогичными средствами коммутации. Разумеется, управление электровентилями 57, 58 синхронизировано с вращением магнитов 40, как объясняется далее. Эти средства коммутации также могут быть интегрированы в пластину 2 посредством металлообработки и/или литья и сбора компонентов. Коммутация обеспечивается магнитным притяжением поршня, шарика и т.д., передвигающегося между двумя сторонами, образующими вентили.
Функционирование генератора тепла 1 в соответствии с изобретением описано со ссылкой на фиг.5А и 5В, схематически иллюстрирующие два цикла функционирования генератора тепла 1, в котором для простоты имеются четыре термоэлемента 3 и две пары магнитов 40. В этом примере средства сбора представлены лишь одним насосом 53, установленным на контур тепла 51, а два контура тепла 51 и холода 52 соединены в замкнутую систему: контур тепла 51 соединяет выходное отверстие Sf холодного теплообменника 56 с входным отверстием Ec теплого теплообменника 55, а контур холода 52 соединяет выходное отверстие Sc теплого теплообменника 55 с входным отверстием Ef холодного теплообменника 56. Можно также предусмотреть два полностью независимых контура 51, 52, каждый из которых образует замкнутый контур. В этом случае каждый контур 51, 52 оборудован собственным насосом 53. Во всех вариантах направление циркуляции теплоносителя в этих двух контурах 51, 52 предпочтительно осуществляется в обратном направлении. Для простоты контуры тепла и холода обозначены цифрами 51, 52, хотя части этих контуров тепла и холода, обозначенные номерами 21, 22, располагаются внутри генератора тепла 1 и интегрированы в пластину 2.
В первом цикле функционирования, показанном на фиг.5А, магниты 40 располагаются напротив двух термоэлементов 3(1), 3(3), которые нагреваются под действием магнитного поля, тогда как два других термоэлемента 3(2), 3(4) охлаждаются, поскольку действию магнитного поля не подвергаются. Электровентили 57, 58 переключаются в первое положение, которое позволяет последовательно включить в контур тепла 51 термоэлементы 3(1), 3(3), которые нагреваются, и последовательно включить в контур холода 52 термоэлементы 3(2), 3(4), которые охлаждаются. Контуры, в которых происходит перемещение теплоносителя, обозначены сплошной чертой. Выходное отверстие Sf холодного теплообменника 56 подсоединено через электровентиль 58 к входному отверстию Ec (1) термоэлемента 3(1), его выходное отверстие Sc(1) подсоединено к входному отверстию Ec (3) термоэлемента 3(3), а его выходное отверстие Sc (3) - к входному отверстию Ее теплого теплообменника 55. Контур тепла 51 обеспечивает движение теплоносителя в коллекторных контурах тепла 31 термоэлементов 3(1), 3(3), при этом остальные пребывают в бездействии. Аналогичным образом, выходное отверстие Sc теплого теплообменника 55 через электровентиль 57 подсоединено к входному отверстию Ef(4) термоэлемента 3(4), его выходное отверстие Sf (4) подсоединено к входному отверстию Ef (2) термоэлемента 3(2), а его выходное отверстие Sf (2) - к входному отверстию Ef холодного теплообменника. Контур холода 52 обеспечивает движение теплоносителя в коллекторных контурах холода 32 термоэлементов 3(2), 3(4), при этом остальные пребывают в бездействии. Этот быстрый цикл продолжается от нескольких тысячных долей секунды до 20 секунд и предпочтительно составляет 1 секунду, что соответствует времени прохода магнитов 40 перед термоэлементами 3(1) и 3(3). Когда они удаляются от них, чтобы оказаться перед термоэлементами 3(2) и 3(4), электровентили 57, 58 переключаются во второе положение, показанное на фиг.5В, соответствующее второму циклу функционирования, во время которого магниты 40 располагаются напротив двух других термоэлементов 3(2), 3(4), которые нагреваются под воздействием магнитного поля, тогда как два первых термоэлемента 3(1), 3(3) охлаждаются, поскольку магнитное поле на них более не действует. Переключившись во вторую позицию, электровентили 57, 58 включают в контур тепла 51 термоэлементы 3(2), 3(4), которые нагреваются, а в контур холода 52 термоэлементы 3(1), 3(3), которые остывают. Контуры, в которых происходит перемещение теплоносителя, обозначены сплошной чертой. Выходное отверстие Sf холодного теплообменника 56 через электровентиль 58 соединено с входным отверстием Ес(2) термоэлемента 3(2), его выходное отверстие Sc(2) соединено с входным отверстием Ес(4) термоэлемента 3(4), а его выходное отверстие Sc(4) - с входным отверстием Ec теплого теплообменника 55. Контур тепла 51 обеспечивает движение теплоносителя в коллекторных контурах тепла 31 термоэлементов 3(2), 3(4), при этом остальные пребывают в бездействии. Аналогичным образом, выходное отверстие Sc теплого теплообменника 55 через электровентиль 57 соединено с входным отверстием Ef (3) термоэлемента 3(3), его выходное отверстие Sf (3) соединено с входным отверстием Ef (1) термоэлемента 3(1), а его выходное отверстие Sf(1) - с входным отверстием Ef холодного теплообменника 56. Контур холода 52 обеспечивает движение теплоносителя в коллекторных контурах холода 32 термоэлементов 3(1), 3(3), при этом остальные пребывают в бездействии. Этот быстрый цикл соответствует времени прохода магнитов 40 перед термоэлементами 3(2) и 3(4). Когда магниты 40 удаляются от термоэлементов 3(2) и 3(4), чтобы снова расположиться перед термоэлементами 3(1) и 3(3), электровентили 57, 58 переключаются в первое положение, показанное на фиг.5А, и первый цикл функционирования начинается заново.
Факт использования в качестве теплоносителя жидкости, а не газа, позволяет отказаться от применения обратного клапана. Пример виден на фиг.5А и 5В, где на входных отверстиях Ее и Ef теплого и холодного теплообменников 55 и 56 встречаются, соответственно, двойные контуры тепла 51 и холода 52. Поскольку жидкий теплоноситель не подвержен сжатию, он естественным образом направляется в закрытый, а не в открытый контур.
Из приведенного описания ясно видно, что два контура тепла 51 и холода 52 остаются активными и динамичными в обоих циклах функционирования и что используются все термоэлементы 3. Кроме того, теплоноситель, предназначенный для сбора калорий, выполняет только эту функцию, равно как и теплоноситель, предназначенный для сбора фригорий. Учитывая, что, в отличие от предлагавшихся ранее технических решений, не происходит никакого смешивания теплоносителей, имеющих разную температуру, поскольку два контура тепла 51 и холода 52 изолированы друг от друга, в частности, на уровне коллекторных контуров 31, 32 в термоэлементах 3, между контурами не происходит никакого теплового обмена или смешивания. Таким образом, эта новая технология позволяет значительно сократить тепловые потери, ускорить циклы функционирования, увеличить мощность генератора тепла 1 и добиться очень хорошей тепловой отдачи при весьма небольших энергетических затратах, поскольку для обеспечения вращения магнитов 40 требуется небольшая мощность.
Помимо этого, данная техника отдельных контуров тепла 21, 31, 51 и холода 22, 32, 52 позволяет воплотить на практике так называемый цикл «AMR», то есть на каждом новом цикле функционирования генератора тепла 1 разница температур в начале и окончании цикла в контуре тепла 51 и в контуре холода 52, соответственно, увеличивается, что позволяет достичь уровней температур нагрева и охлаждения, превосходящих уровни, обеспечиваемые известными в настоящее время генераторами подобного типа. Кроме того, генератор тепла 1 в соответствии с изобретением совершенно безопасен для людей и окружающей среды. Действительно, при возникновении недостатка теплоносителя в контурах тепла 51 и холода 52 не будет происходить никакого теплообмена, что исключает риск теплового разноса.
Области промышленного применения:
Генератор тепла 1, выполненный согласно изобретению, предназначен для применения в любых технических областях при необходимости нагрева, смягчения, охлаждения, кондиционирования, например в электробытовых приборах, в том числе, в холодильниках и морозильниках, в кондиционерах и нагревательных установках промышленного и бытового назначения и даже в автомобилях, в сельскохозяйственной и пищевой сфере для охлаждаемых витрин и прилавков, в винных погребах с кондиционерами и в рефрижераторных установках любого типа.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения, но распространяется на все очевидные для специалистов модификации и варианты, при этом оставаясь в рамках защиты, очерченной в формуле изобретения. В частности, могут отличаться показанные на чертежах формы, количество термоэлементов 3 и магнитов 40, а также способ создания коллекторных контуров 31, 32 и интеграции контуров тепла 21 и холода 22 в пластину 2.
1. Генератор тепла (1), содержащий магнитокалорический материал, включающий, по крайней мере, одну жесткую опору, на которой расположены, по крайней мере, два термоэлемента (3) из магнитокалорического материала, магнитные средства (4), выполненные подвижными по отношению к указанным термоэлементам (3), таким образом, чтобы обеспечить возможность воздействия на термоэлементы (3) переменным магнитным полем с целью изменения их температуры, и средства сбора (5) калорий и фригорий, производимых термоэлементами (3), содержащие, по крайней мере, два отдельных контура, в каждом из которых циркулирует теплоноситель, при этом один из контуров является контуром тепла (51) и один из контуров является контуром холода (52), причем каждый из контуров соединен, по крайней мере, с одним теплообменником (55, 56), предназначенным для сбора калорий или фригорий, и со средствами коммутации (57, 58), выполненными с возможностью поочередного помещения в контур (51, 52) соответствующего термоэлемента (3), отличающийся тем, что каждый термоэлемент (3) содержит каналы теплоносителя (35), образующие, по крайней мере, два отдельных коллекторных контура (31, 32), причем один из коллекторных контуров является коллекторным контуром тепла (31), и в нем циркулирует теплоноситель контура тепла (51), предназначенный для сбора калорий, производимых термоэлементом (3), подвергаемым воздействию магнитного поля, а другой коллекторный контур является коллекторным контуром холода (32), и в нем циркулирует теплоноситель контура холода (52), предназначенный для сбора фригорий, производимых термоэлементом (3), не испытывающим воздействия магнитного поля, при этом теплоносители приводятся в движение поочередно в одном и в другом коллекторном контуре (31, 32), в зависимости от того, подвергается ли термоэлемент (3) воздействию магнитного поля и испускает ли термоэлемент (3) калории или фригории.
2. Генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что термоэлементы (3), по крайней мере, частично выполнены из магнитокалорического материала, по крайней мере, в одной из форм, выбранных из группы, включающей цельный блок, штабель цельных блоков или пластин (30), набор частиц, пористый блок, штабель пористых блоков или пористых пластин, комбинацию этих форм.
3. Генератор тепла по п.2, отличающийся тем, что каждый из коллекторных контуров (31, 32) образован множеством каналов теплоносителя (35), распределенных внутри термоэлементов (3) для создания большой поверхности теплообмена.
4. Генератор тепла по п.3, отличающийся тем, что каналы теплоносителя (35) имеют размер в диапазоне от 0,01 до 5 мм, предпочтительно равный 0,15 мм, для обеспечения возможности протекания теплоносителя через термоэлементы (3), при этом протекание является практически ламинарным.
5. Генератор тепла по п.3, отличающийся тем, что каналы теплоносителя (35) двух коллекторных контуров (31, 32) каждого термоэлемента (3) ориентированы в различных направлениях.
6. Генератор тепла по п.3, отличающийся тем, что каналы теплоносителя (35) двух коллекторных контуров (31, 32) каждого термоэлемента (3) ориентированы почти параллельно.
7. Генератор тепла по п.3, отличающийся тем, что каналы теплоносителя (35) выполнены, по крайней мере, в одной из форм, выбранных из группы, включающей перфорации, желобки, щели, зазоры, комбинацию этих форм, при этом каналы теплоносителя (35) изготавливаются посредством металлообработки, химической, ионной или механической гравировки, формовки, установки прокладок между блоками или пластинами, оставления пространства между частицами.
8. Генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что жесткая опора содержит, по крайней мере, одну пластину (2), содержащую, по крайней мере, два отверстия, ограничивающих полости (20), в которые помещены термоэлементы (3), и, по крайней мере, два ряда каналов (21, 22), образующих часть контуров тепла (51) и холода (52) и выходящих в каждую полость (20) через входное и выходное отверстия каждого из контуров тепла (51) и холода (52), то есть через два входных и два выходных отверстия на каждую полость (20), при этом каналы (21, 22) сообщаются с каналами теплоносителя (35) соответствующих термоэлементов (3).
9. Генератор тепла по п.8, отличающийся тем, что каналы (21, 22) образованы желобками, расположенными, по крайней мере, на одной из сторон пластины (2) и тем, что генератор тепла (1) содержит, по крайней мере, один фланец (60), расположенный на этой же стороне пластины (2) для закрывания и герметизации каналов (21, 22).
10. Генератор тепла по п.4, отличающийся тем, что термоэлементы (3) и полости (20) содержат дополнительные крепежные элементы.
11. Генератор тепла по п.10, отличающийся тем, что дополнительные крепежные элементы выполнены в форме параллелепипедов и тем, что с каждой стороны полости (20) располагается входное или выходное отверстие контуров тепла (51) и холода (52), при этом с каждой стороны термоэлемента (3) находится входное или выходное отверстие одного из коллекторных контуров (31, 32).
12. Генератор тепла по п.11, отличающийся тем, что между полостью (20) и термоэлементом (3) выполнен зазор от 0,05 до 15 мм, предпочтительно равный 1 мм, который образует распределительную камеру теплоносителя, располагающуюся внутри термоэлемента (3), при этом во всех углах полости (20) выполнены герметизирующие уплотнения.
13. Генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что содержит четное число термоэлементов (3), расположенных почти по кругу вокруг центральной оси (В) пластины (2), и тем, что магнитные средства (4) соединены со средствами привода, вращающимися вокруг центральной оси (В).
14. Генератор тепла по п.13, отличающийся тем, что магнитные средства (4) содержат магниты (40), при этом число магнитов (40) соответствует числу термоэлементов (3), и магниты (40) скреплены попарно и расположены по обе стороны от термоэлементов (3) так, чтобы подвергать воздействию магнитного поля один термоэлемент (3) из двух.
15. Генератор тепла по п.14, отличающийся тем, что термоэлементы (3) примыкают друг к другу таким образом, чтобы пары магнитов (40) переходили от одного ряда термоэлементов (3) к другому без разрыва магнитного поля.
16. Генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что теплоноситель в контурах тепла (51) и холода (52) циркулирует в противоположных направлениях.
17. Генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что средства сбора (5) калорий и фригорий содержат средства принудительной циркуляции (53) теплоносителя, расположенные, по крайней мере, в одном из контуров тепла (51) или холода (52).
18. Генератор тепла по п.17, отличающийся тем, что контуры тепла (51) и холода (52) образуют замкнутую систему, при этом контур тепла (51) соединяет выходное отверстие (Sf) холодного теплообменника (56) с входным отверстием (Еc) теплого теплообменника (55), а контур холода (52) соединяет выходное отверстие (Sc) теплого теплообменника (55) с входным отверстием (Ef) холодного теплообменника (56).
19. Генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что средства сбора (5) калорий и фригорий содержат средства принудительной циркуляции (53) теплоносителя, расположенные в каждом из контуров тепла (51) и холода (52), при этом контуры тепла (51) и холода (52) являются независимыми и образуют каждый замкнутую систему.
20. Генератор тепла по п.1, отличающийся тем, что средства коммутации (57, 58) содержат, по крайней мере, один вентиль, выполненный в каждом из контуров тепла (51) и холода (52) и предназначенный для последовательного подключения того или иного коллекторного контура (31, 32) термоэлементов (3), в зависимости от того, подвергаются ли соответствующие термоэлементы (3) воздействию магнитного поля или нет, и производят ли соответствующие термоэлементы (3) калории или фригории.
