Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика



Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика
Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика
Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика
Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика

 


Владельцы патента RU 2479802:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный университет" (RU)

Изобретение относится к области применения магнитокалорического эффекта в режиме перекачивания тепла с использованием магнитных характеристик рабочего тела магнитной тепловой машины и может быть использовано для получения тепла и холода. Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика, намагничивание и размагничивание которого осуществляется путем вращения его в магнитном поле, выполнено из интерметаллических соединений редкоземельных и переходных элементов со спин-переориентационными переходами в области рабочих температур магнитной тепловой машины. Использование изобретения повысит эффективность магнитной тепловой машины и снизит стоимость ее рабочего тела. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области применения магнитокалорического эффекта в режиме перекачивания тепла с использованием магнитных характеристик рабочего тела магнитной тепловой машины и может быть использовано для получения тепла и холода.

Известно изобретение, в котором магнитокалорический эффект применяется при конструировании магнитной тепловой машины (Патент США №4969028, кл. 62-3, 1978, аналог).

В качестве рабочего тела магнитной тепловой машины используется поликристаллический гадолиний и его интерметаллические соединения.

Особенности известного изобретения:

- в качестве рабочего тела используется изотропный ферромагнетик;

- величина магнитокалорического эффекта недостаточна для эффективного охлаждения, так как наклон изоэнтропы (Т/Н) мал и, следовательно, низка эффективность охлаждения.

Наиболее близким к заявляемому является изобретение, в котором в качестве рабочего тела магнитной тепловой машины используется сплав тербий-гадолиний (Авт. свид. СССР №1021889, кл. F25В 21/00, Бюл. №21, 1983, прототип).

Особенности известного изобретения:

- в качестве рабочего тела используется интерметаллический монокристалл тербий-гадолиний, характеризующийся магнитной анизотропией;

- использование монокристаллов тербий-гадолиний является проблематичным в связи с технологическими трудностями их производства и высокой стоимостью получения монокристаллов, имеющих размер, достаточный для их применения в качестве рабочего тела магнитной тепловой машины;

- монокристаллы тербий-гадолиний обладают недостаточно высоким магнитокалорическим эффектом при их использовании в качестве рабочего тела в перспективных магнитных тепловых машинах, принцип действия которых основан на вращении монокристалла в магнитном поле.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности работы магнитной тепловой машины и снижении стоимости ее рабочего тела.

Технический результат достигается тем, что в качестве рабочего тела магнитной тепловой машины применяется магнитный материал со спин-переориетационными переходами в области рабочих температур магнитной тепловой машины.

Изобретение поясняется графическими материалами (Фиг.1÷4).

Фиг.1. Схема магнитного рефрижератора.

Фиг.2. Угловая зависимость магнитокалорического эффекта монокристалла Tb0,39Gd0,61 (УФН, т.158, вып.4, с.553-579 (1989)).

Фиг.3. Зависимость магнитокалорического эффекта от направления приложенного магнитного поля 1,3 Т в плоскости (b,с) в монокристалле NdCo5.

Фиг.4. Зависимость магнитокалорического эффекта от направления приложенного магнитного поля 1,85 Т в плоскости (b,с) в порошковом текстурованном магните Nd-Fe-B с наведенной магнитной анизотропией.

Магнитокалорическим эффектом называется адиабатическое изменение температуры магнетика в результате воздействия на него внешнего магнитного поля. Впервые научное обоснование явлению магнитокалорического эффекта дали Вейс и Пикард в 1918 году. Спустя всего 6 лет с момента его открытия в 1924 г. Джиок предложил метод получения температур ниже 1 К, который основывался на адиабатическом размагничивании, т.е. магнитокалорическом эффекте. В 1933 г., используя сульфат гадолиния, Джиок и Макдугол достигли температуры, равной 0,25 К.

В основе технологии магнитного охлаждения лежит явление магнитокалорического эффекта. Цикл магнитного охлаждения реализуется следующим образом. В результате воздействия внешнего магнитного поля на магнитный материал происходит упорядочение магнитных моментов, что в свою очередь приводит к изменению магнитной части энтропии. При этом магнитный материал нагревается. Для удаления теплоты, выделяемой при намагничивании магнетика магнитным полем, совершается теплообмен с окружающей средой. Далее магнитное поле выключается магнетик размагничивается и охлаждается. Тем самым реализуется цикл магнитного охлаждения.

До середины 70 годов прошлого века магнитное охлаждение применялось только для получения сверхнизких температур. В 1976 году Браун предложил использовать магнитное охлаждение в области комнатных температур. В качестве магнитной тепловой машины выступал пористый цилиндр из гадолиния, который совершал возвратно-поступательные движения в область магнитного поля, создаваемого сверхпроводящим соленоидом.

В большинстве магнитных тепловых машин используются материалы, дающие высокие значения магнитокалорического эффекта в области парапроцесса (парапроцесс - увеличение абсолютной величины магнитного момента тела благодаря ориентирующему действию сильного магнитного поля на магнитные моменты отдельных микрочастиц, разориетированных тепловым движением).

Принцип работы таких магнитных тепловых машин основывается на постоянном изменении величины внешнего магнитного поля, которое приводит к изменению температуры хладагента. Изменение величины внешнего магнитного поля может реализовываться несколькими способами: периодическим включением-выключением магнитного поля, периодическим введением рабочего тела в магнитное поле и удалением из него. В 1983 г. был предложен принципиально новый способ изменения температуры рабочего тела магнитной тепловой машины (Авт. свид. СССР №1021889, кл. F25В 21/00 - прототип - и авт. свид. СССР №1021890, кл. F25D 21/00), основанный на использовании в качестве рабочего тела анизотропного магнетика (Фиг.1, 2). Работа такой тепловой машины заключается в следующем. При вращении в магнитном поле рабочего тела, выполненного в виде монокристалла, например при вращении монокристалла от оси трудного намагничивания (ОТН) к оси легкого намагничивания (ОЛН), рабочее тело намагничивается и, в результате, нагревается. Далее при повороте от ОЛН к ОТН происходит частичное либо полное размагничивание рабочего тела, и оно охлаждается. Тем самым реализуется цикл магнитного нагревания-охлаждения. Использование этого способа не требует затрат энергии на создание периодических магнитных полей, а также затрат, связанных с введением рабочего тела в область магнитного поля либо выведением рабочего тела из магнитного поля.

Однако для создания таких машин необходим магнитный материал, обладающий достаточно высокими значениями величины анизотропии магнитокалорического эффекта. Кроме того, такой материал должен обладать приемлемой стоимостью, чтобы его применение было выгодно с экономической точки зрения. В качестве такого рабочего тела в прототипе (Авт. свид. СССР №1021889, кл. F25В 21/00) было предложено использовать анизотропные ферромагнитные монокристаллы соединения Tb-Gd, которые обладают высокими значениями анизотропии магнитокалорического эффекта (анизотропия магнитокалорического эффекта соответствует изменению температуры рабочего тела при его вращении в магнитном поле). Максимальное значение анизотропии магнитокалорического эффекта для рабочего тела Tb-Gd составляет 0,2 К в поле 0,82 Т (Фиг.2), или 0,24 К/Т. Для эффективной работы магнитной тепловой машины это недостаточно высокий показатель.

Использование монокристаллов Tb-Gd является труднореализуемым в связи с технологическими трудностями и высокой стоимостью производства монокристаллов размера, достаточного для создания тепловых машин.

В заявляемом изобретении в качестве рабочего тела магнитной тепловой машины используются анизотропные магнетики, обладающие спин-переориентационными переходами в области рабочих температур магнитной тепловой машины. Кроме того, рабочее тело может быть выполнено не только из монокристалла, но также из магнитного материала, обладающего магнитной текстурой. При изготовлении рабочего тела с магнитной текстурой из поликристаллического материала его стоимость резко снижается.

Нами установлено, что в монокристаллах интерметаллических соединений RCo5, где R - Nd, Pr, Tb, Dy, Но, обладающих спин-переориентационными переходами, в области температуры спин-переориентационных переходов наблюдаются гигантские значения величины анизотропии магнитокалорического эффекта (анизотропия соответствует изменению температуры рабочего тела при его вращении в магнитном поле). Как видно из графика (Фиг.3), максимальная величина анизотропии магнитокалорического эффекта в области спин-переориентационных переходов для соединений NdCo5 составляет 1,6 К в магнитном поле 1,3 Т (или 1,23 К/Т), что превышает значение анизотропии магнитокалорического эффекта для сплава Tb-Gd (прототип) в 6 раз.

Таким образом, применение соединений со спин-переориентационными переходами позволит повысить градиент изменения температуры магнитной тепловой машины, тем самым увеличит ее эффективность.

В качестве рабочего тела в прототипе (Авт. свид. СССР №1021889) предлагается использовать монокристаллы интерметаллических соединений редкоземельных элементов. Известно, что производство монокристаллов интерметаллических соединений, имеющих размеры, достаточные для создания магнитных тепловых машин, представляет большие проблемы как в технологическом, так и в экономическом плане. Поэтому в заявляемом изобретении в качестве рабочего тела используются также поликристаллические материалы с наведенной магнитной анизотропией за счет магнитной текстуры, такие как, например, порошковые магнитные материалы, магнитные пленки и прочие материалы, обладающие магнитной анизотропией. Такие материалы также характеризуются анизотропией магнитокалорического эффекта. На Фиг.4 показано изменение угловой зависимости магнитокалорического эффекта порошкового магнита Nd-Fe-B. Из графика видно, что порошковый магнит, имеющий магнитную текстуру, также обладает анизотропией магнитокалорического эффекта (анизотропии магнитокалорического эффекта соответствует изменение температуры рабочего тела при вращении его в магнитном поле).

Исследованием свойств совокупности признаков известного рабочего тела магнитной тепловой машины и заявляемого установлено, что:

- известное рабочее тело магнитной тепловой машины выполнено из анизотропного магнетика, представляющего собой интерметаллическое соединение редкоземельных элементов Tb-Gd, а заявляемое выполнено из анизотропного магнитного материала со спин-переориетационными переходами в области рабочих температур магнитной тепловой машины, в частности интерметаллического соединения редкоземельных и переходных элементов;

- известное рабочее тело магнитной тепловой машины представляет собой монокристалл, а заявляемое может быть как моно -, так и поликристаллическим, с магнитной текстурой;

- максимальная величина анизотропии магнитокалорического эффекта для заявляемого рабочего тела магнитной тепловой машины в 6 раз выше, чем для известного рабочего тела;

- в отличие от известного изобретения, использующего рабочее тело магнитной тепловой машины, производство которого является дорогостоящим, заявляемый способ предполагает применение в качестве рабочего тела магнитных материалов существенно более низкой стоимости.

Заявляемое рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика может быть использовано как преобразователь тепла в широком смысле этого слова: оно может быть применено в холодильных установках: отвод тепла - и как тепловой насос.

1. Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика, намагничивание и размагничивание которого осуществляется путем вращения его в магнитном поле, отличающееся тем, что оно выполнено из интерметаллических соединений редкоземельных и переходных элементов со спин-переориентационными переходами в области рабочих температур.

2. Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено из монокристалла.

3. Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено из текстурованного материала с наведенной магнитной анизотропией за счет магнитной текстуры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицинской технике для создания аппаратов, реализующих оптимальную программу реверсивных тепловых воздействий на участке тела человека. .

Изобретение относится к области медицинской техники, а конкретно к диагностическим приборам, основывающимся на определении температурной чувствительности кожи человека.

Изобретение относится к устройствам, работа которых основана на эффектах Ранка-Хилше, Пельтье, Зеебека, и может быть использовано в нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности для нагрева/охлаждения газа или жидкости, а также получения электроэнергии для питания слаботочной аппаратуры.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано на станциях переливания крови, в хирургических и реанимационных отделениях больниц и клиник, а также в научно-исследовательских медицинских учреждениях.

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для локального температурного и магнитного воздействия на рефлекторные зоны нижних конечностей человека, а также может быть использовано в целях лечебного массажа.

Изобретение относится к устройствам тепла или холода и предназначено для оценки температурных изменений параметров микромеханических модулей. .

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта. .

Изобретение относится к электротехнике, к системам хранения энергии. .

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам охлаждения и термостатирования и может быть использовано в различных конструкциях холодильной и термостабилизирующей техники.

Изобретение относится к термоэлектрическим системам климат-контроля ограниченного объема воздуха

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам нагрева-охлаждения циркулирующих потоков жидкости или газа и может найти применение в энергетической, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности

Изобретение относится к области термоэлектричества и предназначено для использования в термоэлектрических охлаждающих устройствах и (или) термоэлектрических генераторах
Изобретение относится к холодильному и/или морозильному устройству

Изобретение касается теплового генератора (1). Тепловой генератор содержит как минимум один термический модуль (10), который содержит N смежных магнитокалорических элементов (2), расположенных вокруг центральной оси (А) и подчиненных колебаниям магнитного поля, вызванным магнитными устройствами (3), таким образом, приводящим к разнице их температур. Данные магнитокалорические элементы (2) связаны с N поршнями (40), подчиненными возвратно-поступательному движению посредством приводного кулачка (70), с целью циркуляции жидкого теплоносителя, содержащегося в термическом модуле (10), в двух противоположных направлениях одновременно, для того чтобы первая фракция жидкого теплоносителя циркулировала по направлению к камере теплообмена (5) через магнитокалорические элементы (2), подчиненные циклу нагрева, а вторая фракция жидкого теплоносителя циркулировала по направлению к камере хладообмена (6) через магнитокалорические элементы (2), подчиненные циклу охлаждения, и наоборот. Камеры обмена (5, 6) связаны с внешними контурами, которые применяют калории и фригории для операций, таких как отопление, кондиционирование воздуха, системы увлажнения. Использование изобретения обеспечит облегчение рационализации пути циркуляции жидкого теплоносителя. 14 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к системам отопления с использованием внешнего низкопотенциального источника тепла. Устройство содержит используемую в качестве теплового насоса термоэлектрическую батарею, подключенную к сети переменного тока через выпрямитель и терморегулятор и состоящую из термоэлектрических модулей, пластины которых термически соединены с теплообменниками соответственно для подвода низкопотенциального тепла и отвода тепла в обогреваемое помещение. Термоэлектрическая батарея выполнена из одной или нескольких параллельно соединенных электрических цепей, каждая из которых образована последовательно соединенными термоэлектрическими модулями, количество которых в цепи определено соотношением n=KUo/Umax, где Uo - напряжение питания термоэлектрической батареи на выходе выпрямителя, Umax - максимально допустимое напряжение питания одного модуля цепи, К=2÷5 - коэффициент снижения электрической нагрузки одного модуля. Техническим результатом изобретения является повышение отношения вырабатываемой тепловой мощности к потребляемой электроэнергии. 1 ил.

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и предназначено для температурного воздействия при лечении гнойно-воспалительных и послетравматических заболеваний пальцев кисти. Устройство содержит корпус с выточенными по бокам отверстиями для прохождения потоков воздуха. В корпусе предусмотрены емкость для лечебного раствора, подставка под кисть пациента в форме «грибка», установленная с возможностью регулирования высоты ножки, и вентилятор. Также предусмотрено пять металлических стаканов, расположенных симметрично относительно оси симметрии корпуса. При этом стакан для большого пальца расположен на оси симметрии напротив остальных. К внешней поверхности каждого из металлических стаканов присоединены с возможностью обеспечения теплового контакта термоэлектрические модули. Емкость для лечебного раствора соединена трубками со всеми стаканами. Подставка под кисть представляет собой малогабаритный массажер, на наружной поверхности которого имеются массажные выступы, расположенные по сфере «грибка» с обеспечением теплового контакта с рабочими спаями термоэлектрических модулей массажера, опорные спаи которых находятся в тепловом контакте с воздушным радиатором массажера. Радиатор отводит тепло от термоэлектрических модулей массажера. Вентилятор выполнен таким образом, чтобы обеспечить обдув потоками воздуха воздушных радиаторов и вывод потока воздуха наружу через боковые отверстия корпуса. Использование изобретения позволит повысить эффективность воздействия на срединное ладонное пространство за счет комбинированного механического и термоконтрастного воздействий. 2 ил.

Термоэлектрический блок охлаждения применяется в холодильной технике. Термоэлектрический блок охлаждения содержит два или более термоэлектрических модуля (2), размещенных в герметичной камере (4), предварительно вакуумированной и заполненной осушенным газом. Горячие спаи термомодулей связаны с жидкостным радиатором (6) герметичной камеры, а холодные спаи связаны с конденсаторами (7). В каждый конденсатор встроены три независимых термосифона (8) с внутренними паропроводами (10), причем зона испарения (9) термосифонов находится в корпусе воздушного радиатора (3), отделенного теплоизолирующей вставкой (5) от жидкостного радиатора герметичной камеры, что обеспечивает однонаправленность передачи тепла в случае отключения питания термоэлектрических модулей. Теплоизолированный корпус (1) образует внутренний и внешний тепловые контуры. Вентилятор (11) и электрический нагреватель (12) установлены на корпусе воздушного радиатора. Использование изобретения обеспечивает снижение затрат электроэнергии. 1 ил.

Система управления температурой жидкости содержит два комплекта элементов управления температурой, расположенных противоположно друг другу и образующих между ними зону управления температурой. Трубопроводная система в зоне управления температурой образует единый путь потока жидкости, который может иметь чередующиеся первый и второй участки жидкости. Один или несколько первых участков расположены вблизи первого комплекта и имеют теплопроводную связь с ним, а один или несколько вторых участков расположены вблизи второго комплекта и имеют теплопроводную связь с ним. Система управления температурой может быть использована в качестве модуля охлаждения или нагревания жидкости в устройстве или системе выдачи холодной жидкости, например питьевой воды, или устройстве выдачи другого напитка. Использование данной группы изобретений позволяет повысить эффективность охлаждения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение относится к области холодильной или морозильной техники и представляет собой быстрозамораживатель, содержащий холодильное устройство с гидравлической магистралью, которая подсоединена к насосу через параллельно подключенные к этой магистрали теплообменники, которые контактируют с одной поверхностью термоэлектрических модулей, вторая поверхность которых контактирует с теплопроводящими пластинами. Теплопроводящие пластины контактируют в свою очередь с размещенным между ними охлаждаемым пакетом. Термоэлектрические модули снабжены блоком питания, который изолирован от теплопроводящих пластин с размещаемыми между ними охлаждаемыми пакетами теплоизолирующей стенкой, через которую проходят кабели питания термоэлектрических модулей. Полость, образованная теплопроводящими пластинами, заполнена жидкостью, в которой размещены охлаждаемые макеты, температура замерзания жидкости ниже температуры холодных спаев термоэлектрических модулей, размещенных на внешней стороне герметичной полости. Технический результат заключается в повышении скорости замораживания продуктов и растворов, в частности плазмы крови. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх