Магнитокалорический рефрижератор

(57) Изобретениературной технике.вышение холодоуменьшение времснижение массога ИЧЕСКИЙ РЕФР тносится к низкотемпеЦель изобретения - пои роизводительности, ени выхода на режим, баритных характеристик ОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРМ 840621, кл, Р 25 В 21/00, 1979.Авторское свидетельство СССРМ 1528058, кл. Р 25 В 21/00, 1988. 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.14Изобретение относится к низко- температурной 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 конструк 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ции 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 холодоп роизводительности, эффективностирефрижератора и уменьшение времени выхода на режим,На фиг.1 схематически изображен магнитокалорический рефрижератор, в котором магнитокалорические элементыприводятся в движение циркуляции поконтуру теплоносителя; на фиг.2 - то же, слинейным электроприводом магнитокалорических элементов. 10Рефрижератор 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.и11, состоящие, например, из стопора, пружины и электромагнитной катушки, тепло.вые мосты 12 и 13, систему 14 управления, 20запорные вентили 15 и 16,В состав линейных электроприводовсм, фиг,2) входят постоянные магниты 17 и18, 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 15закрыт, а запорный вентиль 16 открыт, Подается напряжение на электромагнитные 30катушки стопорных механизмов 10 и 11 иосвобождаются магнитокалорические элементы (вытеснители) 4 и 5, Приводится вдвижение нагнетатель 9 и создает в контуре1 пульсирующее давление, Теплоноситель 35перемещается через магнитокалорическиеэлементы 4 и 5 в теплообменник 8 нагрузкии обратно. При этом в результате гидравлического сопротивления на торцах магнитокалорических элементов 4 и 5 возникает 40перепад давлений и магнитокалорическиеэлементы 4 и 5 приводятся в возвратно-поступательное движение, Таким образом впусковой период магнитокалорический рефрижератор работает как газовая криогенная машина Стирлинга, причем нагнетатель9 работает в качестве компрессора, а магнитокалорические элементы 4 и 5 - в качествеподвижного вытеснителя - регенератора, врезультате чего теплообменник 8 нагрузки, 50импульсные электромагниты б и 7 и имагнитокалорические элементы 4 и 5 захолаживаются через движущийся в контуре 1теплоноситель и тепловые мосты 12 и 13.После того, как все материалы магнитокалорических элементов 4 и 5 охладятся до соответствующей температуры Кюри, аимпульсные электромагниты б и 7 - до температуры сверхпроводящего состояния наимпульсные электромагниты 6 и 7 подается ток, электромагнитные катушки стопорны: механизмов 10 и 11 обесточиваются и магнитокалорические элементы 4 и 5 сто-.орся в нижних мертвых точках, запорны вентиль 16 закрывается, запорный вен тиль 15 открывается.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 подается напряжение и стопорные механизмы 10 и 11 освобождают магнитокалорические элементы 4 и 5, Нагнетатель 9 запускается, создает в кон. туре 1 пульсирующее давление и магнитокалорические элементы 4 и 5 приводятся а возвратно-поступательное движение,После того, как импульсные электромагниты б 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 приводов магнитокалорических элементов 4 и 5 подаетс напряжение. На импульсные электромагниты б 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 сечениях магнитокалорических элементов соответствующих температур Кюри отключаются импульсные электромагниты 19 и 20, обесточиваются электромагнитные катушки стопорных механизмов 10 и 11, магнитокалорические элементы 4 и 5 застопориваются в нижних мертвых точках, запорный вентиль 15 открывается и запорный вентиль 16 закрывается,1726931 40 50 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 изобретения1. Магнитокалорический рефрижератор, содержащий последовательно включенные в замкнутый контур теплоносителя нагнетатель, теплоприемник, теплообмен ник нагрузки, размещенные в корпусах магнитокалорические элементы, находящиеся в тепловом контакте с теплообменником нагрузки, импульсные электромагниты и систему управления, о т л и ч а ю щ и й с я 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 ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшениявыхода на режим, магнитокалорические элементы дополнительно снабжены линейными электроприводами со стороны нагнетания, электрически связанными с системой 30 управления.1726931 5 дакт исина при ГКНТ СССР оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,аз 1269 ВНИИПИ Го оставит ехред М Тираж ственного комитет 113035, Москва, Н.,Олейникргентал Корректор С,Черн Подписноео изобретениям и открыти35, Раушская наб., 4/5