Магнитная тепловая машина

Полезная модель относится к холодильной или тепловой технике, а именно к магнитным тепловым машинам (холодильным машинам или тепловым насосам), использующим в качестве рабочего тела твердотельный магнитный материал с магнитокалорическим эффектом.
Магнитокалорический эффект (МКЭ) проявляется в обратимом поглощении или выделении тепла в магнитном материале при приложении/снятии внешнего магнитного поля. Циклы намагничивания/размагничивания магнитного материала сходны с циклами расширения/сжатия газа и могут быть использованы в магнитных тепловых машинах и в магнитных рефрижераторах [Белов К.П. Магнитотепловые явления в редкоземельных магнетиках М.: Наука, 1990, 96 с.].
Для осуществления термодинамических циклов передачи тепла от рабочего тела к горячим и холодным теплообменникам устройств можно использовать потоки жидкости или газа (теплоносителя) после тепловой регенерации ими рабочего тела при приложении/снятии внешнего магнитного поля.
Различные способы и устройства реализации подобных магнитных тепловых машин на основе технических термодинамических циклов типа Стирлинга, Брайтона и других активных магнитных регенерационных циклов, достаточно подробно описаны в [K.A. Gschneidner, Jr., V.K. Pecharsky. Thirty years of near room temperature magnetic cooling: Where we are today and future prospects. International Journal of Refrigeration 31 (2008) 945-961].
Конструкции этих устройств обычно включают замкнутые холодный и горячий контуры с реверсивным нагнетателем или насосами для перемещения теплоносителя.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому решению является магнитная тепловая машина [Патент России №2252375, МПК F25B 21/00, опубликован 20.05.2005], содержащая в своем рабочем контуре магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники, насосы для создания потока теплоносителя, переключатели направления потока теплоносителя, а также магнит, перемещающийся относительно рабочего тела для его намагничивания/размагничивания, в которой изменение направления потока теплоносителя в рабочем теле обеспечивается переключателями направления потока, управляемыми электрически с помощью датчиков положения магнита, а для определения положения магнита относительно рабочего тела в машине использованы концевые переключатели.
Конструкция прототипа [Патент России №105009, МПК F25B 21/00, опубликован 13.01.2011] содержит два независимых замкнутых контура с двумя насосами для перемещения теплоносителей, большое количество электроуправляемых переключателей направления потока жидкости, что усложняет конструкцию машины и уменьшает ее надежность.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции магнитной тепловой машины.
Поставленная задача решается за счет того, что в магнитной тепловой машине, содержащей магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники и магнит, устройства перемещения и изменения направления потока теплоносителя выполнены с одним насосом и с одним трехходовым электромагнитным клапаном.
Использование одного электромагнитного клапана и одного насоса позволяет упростить схему трубопроводов и уменьшить материалоемкость конструкции.
Предложенная полезная модель схематически изображена на рисунке. Магнитная тепловая машина состоит из радиатора 1, холодильной камеры 2, магнитной системы (МС) 3, ячейки с рабочим телом 4, электромагнитного трехходового клапана 5, насоса 6, линейного привода 7, холодного контура 8, горячего контура 9, контроллера 10.
Змеевик холодильной камеры 2 и радиатор 1 выполнены из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например из меди или алюминиевого сплава. Рабочее тело, обладающее магнитокалорическим эффектом, помещено в контейнер 4, выполненный из немагнитного материала, с низкой теплопроводностью, например из капролона.
Рабочий контур заполнен теплоносителем, в качестве которого могут использоваться, в зависимости от рабочего интервала температур, жидкости или газы. Теплоемкость теплоносителя значительно меньше теплоемкости рабочего тела.
Материал рабочего тела может быть использован в форме, обеспечивающей прохождение потока теплоносителя, например набор пластин или шариков, дисперсный порошок, массивный материал с каналами и отверстиями и другие типы.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно использование одного электромагнитного трехходового клапана вместо большого количества электроуправляемых переключателей направления потока теплоносителя и одного насоса вместо двух позволяет упростить схему трубопроводов и уменьшить материалоемкость конструкции.
Магнитная тепловая машина работает следующим образом.
Контроллер 10 сравнивает температуры окружающей среды, холодильной камеры 2 и ячейки с рабочим телом 4 и управляет работой привода ячейки 7. При введении ячейки 4 в МС 3 происходит нагрев рабочего тела на ΔT, теплоноситель, двигаясь по горячему контуру 9, поступает на радиатор 1, где рассеивает это тепло, при совпадении температур окружающей среды и горячего контура 9 клапан 5 переключается на холодный контур 8, по нему теплоноситель движется до выравнивания температур в холодильной камере 2 и рабочей ячейке 4. При выравнивании этих температур рабочая ячейка 4 выводится из МС 3 приводом 7, при этом температура рабочего тела понижается на ΔT. Теплоноситель продолжает течь по холодному контуру 8 до выравнивания температур в холодильной камере 2 и ячейке 4. При совпадении температур клапан 5 переключается на горячий контур 9, и ячейка 4 приводом 7 вводится в МС 3, цикл начинается снова.
Предложенная модель магнитной тепловой машины с одним горячим теплообменником вместо двух, насосом и одним трехходовым клапаном вместо четырех неуправляемых обратных клапанов позволила существенно упростить конструкцию магнитной тепловой машины.