МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ РЕФРИЖЕРАТОР

Полезная модель относится к холодильной технике, в частности к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта (МКЭ).
Известен магнитокалорический рефрижератор [1], работающий на основе магнитокалорического эффекта содержащий корпус, внутри которого размещен ротор с каналами, систему теплоносителя, состоящую из побудителя расхода теплоносителя, теплообменника нагрузки, теплоотдатчика и подводящих и отводящих патрубков, и магнитную систему, при этом он снабжен кольцом из сверхпроводящего материала, установленного на внешней поверхности ротора. Магнитная система рефрижератора выполнена, по крайней мере, из трех секций, подводящие патрубки обращены к внутренней поверхности ротора и соединены между собой через один в два коллектора, а отводящие патрубки обращены к наружной поверхности ротора и соединены между собой через один также в два коллектора, причем один из коллекторов подводящих патрубков подключен к выходу теплообменника нагрузки, а другой - к выходу теплоотдатчика, а один из коллекторов отводящих патрубков подключен к входу теплообменника нагрузки, а другой - к побудителю расхода теплоносителя.
Недостаток указанного рефрижератора - сложность конструкции.
Известна также магнитная тепловая машина (магнитный холодильник или тепловой насос) [2], содержащая в своем рабочем контуре магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники, насосы для создания потока теплоносителя, вентили, переключатели направления потока теплоносителя, а также магнит, перемещающийся относительно рабочего тела для его намагничивания/размагничивания, при этом изменение направления потока теплоносителя в рабочем теле обеспечивается переключателями направления потока, управляемыми механически или электрически с помощью датчиков положения магнита.
Несмотря на очевидные преимущества по сравнению с известными конструкциями, описанное выше техническое решение обладает существенным недостатком: для перемещения магнита требуется специальный привод.
Несмотря на указанные недостатки, конструкция, приведенная в патенте RU 2252375 [2], может быть принята за прототип.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является устранение приведенных выше недостатков и создание конструкции, позволяющей упростить конструкцию и повысить эффективность работы.
Этот технический результат достигается тем, что патентуемый магнитокалорический рефрижератор, содержит неподвижную (стационарно установленную) магнитную систему и две ступени, каждая из которых включает систему теплоносителя с насосом, теплоприемником, теплоотдатчиком, аккумулятором тепла, распределителем потока теплоносителя, омываемую ячейку с рабочим телом из материала с магнитокалорическим эффектом, узел ввода ячеек в рабочую зону магнитной системы, а узел ввода выполнен в виде кулисы, взаимодействующей через тягу и толкатель с программным механизмом, который кинематически связан с программным механизмом, управляющим работой распределителей потоков теплоносителя ступеней через толкатель и рычаг. При этом между ступенями установлен общий теплообменник, включающий теплоприемник первой ступени и теплоотдатчик второй ступени.
Все элементы рефрижератора, контактирующие с теплоносителем, кроме теплоотдатчика (радиатора) первой ступени, теплоизолированы.
Узел ввода может быть также выполнен в виде перемещающегося в направляющих ползуна, кинематически связанного с программным механизмом.
Предлагаемое техническое решение позволяет упростить конструкцию и повысить эффективность работы рефрижератора.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где:
на Фиг.1 показан общий вид устройства;
на Фиг.2 показан график перемещения омываемых теплоносителями ячеек ступеней рефрижератора теплоносителя за один оборот программного механизма;
на Фиг.3 показан график переключения распределителей потоков теплоносителя за один оборот программного механизма;
на Фиг.4 показана схема распределения потоков теплоносителей рефрижератора при нахождении омываемой ячейки первой ступени в рабочей зоне магнитной системы;
на Фиг.5 показана схема распределения потоков теплоносителей при нахождении омываемой ячейки второй ступени в рабочей зоне магнитной системы;
на Фиг.6 показан вариант устройства с узлом ввода омываемой ячейки, выполненным в виде ползуна.
Магнитокалорический рефрижератор (Фиг.1, 4-6) содержит неподвижную (стационарно установленную) магнитную систему 1 и две ступени 2 и 3.
Ступень 2 включает (Фиг.4 и 5) систему теплоносителя с насосом 4, теплоприемником 5, теплоотдатчиком 6, аккумулятором тепла 7, распределителем потока теплоносителя 8, трубопроводами подвода и отвода 9 и 10 теплоносителя, омываемую ячейку 11 с рабочим телом 12 из материала с магнитокалорическим эффектом.
Ступень 3 включает (Фиг.4 и 5) систему теплоносителя с насосом 13, теплоприемником 14, теплоотдатчиком 15, аккумулятором тепла 16, распределителем потока теплоносителя 17, трубопроводами подвода и отвода 18 и 19 теплоносителя, омываемую ячейку 20 с рабочим телом 21 из материала с магнитокалорическим эффектом. Распределители потоков теплоносителей. 8 и 17 конструктивно могут быть объедены в общий узел.
Теплоизоляция элементов, контактирующих с теплоносителями обеспечивается покрытиями с низким коэффициентом теплопроводности (на чертежах не показана).
Поочередное введение ячеек 11 и 20 в рабочую зону «А» (зона максимальной напряженности магнитного поля) магнитной системы 1 осуществляется узлом ввода 22 ячеек, выполненным в виде кулисы 23 (Фиг.1), взаимодействующей через тягу 24 и толкатель 25 с программным механизмом 26, который кинематически связан с программным механизмом 27, управляющим работой распределителей 8 и 17 потоков теплоносителей ступеней через толкатель 28 и рычаг 29. Программные механизмы 26 и 27 конструктивно могут быть выполнены, например, в виде копиров с заданным профилем. При этом первый копир обеспечивает поочередный ввод ячеек 11 и 20 в зону «А» магнитной системы 1, а второй - управляет работой распределителей 8 и 17, переключение которых происходит в зависимости от того, какая ячейка введена в зону «А» магнитной системы 1. Для синхронизации работы узла ввода 22 и распределителей 8 и 17 программные механизмы 26 и 27 кинематически связаны между собой, например, зубчатой передачей (на чертежах позицией не обозначены).
Взаимосвязь синхронной работы узла ввода и распределителей потока теплоносителя показана на Фиг.4 и 5.
Для теплопередачи между ступенями установлен общий теплообменник 30, в состав которого входят теплоприемник 5 первой ступени и теплоотдатчик 15 (Фиг.4 и 5) второй ступени.
Узел ввода 22 (Фиг.6) может быть выполнен также в виде перемещающегося в направляющих 31 ползуна 32, кинематически связанного через кулисный механизм 33 с программным механизмом 26, при этом в ползуне 32 установлены вводимые в зону «А» магнитной системы 1 ячейки 11 и 20 с рабочим телом из материала с магнитокалорическим эффектом.
Магнитокалорический рефрижератор работает следующим образом. В ячейках 11 и 20 размещают рабочие тела 12 и 21 соответственно, изготовленные из материала, обладающего магнитокалорическим эффектом. От электропривода запускают программные механизмы 26, 27, при этом ступени 2 и 3 рефрижератора заполняют теплоносителем и задействуют приводы насосов 4 и 13. В первом цикле при введении ячейки 11 (Фиг.4) в зону «А» магнитной системы 1 температура рабочего тела 12 повышается. Теплоноситель, перемещаемый в ступени 2 с помощью насоса 4, снимает с ячейки 11 некоторое количество тепла, проходит через распределитель 8 и отдает часть тепла во внешнюю среду посредством теплоотдатчика (радиатора) 6. Далее теплоноситель отдает некоторое количество тепла аккумулятору 7.
В тоже время, ячейка 20 второй ступени, выведенная из магнитного поля (Фиг.4), под действием магнитокалорического эффекта рабочего тела приобретает пониженную температуру. Теплоноситель, перемещаемый с помощью насоса 13, проходя через ячейку 20, с рабочим телом 21 охлаждается, проходя через распределитель 17 охлаждает среду в теплоприемнике (холодильнике) 14.
В аккумуляторе 16 теплоноситель снимает тепло и поступает на вход в насос, обеспечивая замкнутый цикл. Во втором, цикле после смены положения ячеек относительно магнитной системы 1, процессы теплопередачи происходят согласно Фиг.5. Теплоноситель, проходя через охлажденное вследствие магнитокалорического эффекта рабочее тело 12 ячейки 11, находящейся вне магнитного поля, охлаждается. Далее, проходя через теплоприемник 5 теплообменника 30, теплоноситель снимает посредством теплоотдатчика 15 теплообменника 30 тепло у нагретого рабочим телом 21 ячейки 20 вследствие магнитокалорического эффекта теплоносителя второй ступени 3. Снятое с теплоотдатчика 15 второй ступени теплоприемником 5 первой ступени тепло частично аккумулируется в аккумуляторе 7 и используется для подогрева теплоносителя первой ступени и рабочего тела 12 перед вводом ячейки 11 в магнитное поле для реализации первого цикла (Фиг.4).
Таким образом, в результате попеременного чередования двух циклов происходит передача теплоты от теплоприемника 14 второй ступени во внешнюю среду посредством теплоотдатчика (радиатора) 6 первой ступени.
Так в результате многократного повторения циклов реализуется холодопроизводительность.
Такая конструкция полезной модели позволяет повысить эффективность работы рефрижератора и его эксплуатационные характеристики, автоматически, посредством программных механизмов, поддерживать пониженную температуру теплоприемника 14 второй ступени относительно температуры окружающей среды и теплоотдатчика (радиатора) 6 первой ступени.
Источники информации.
1. Патент России RU 2029203, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор. Приоритет от 20.05.1992 г.
2. Патент России RU 2252375, кл. F25B 21/00. Магнитная тепловая машина. Приоритет от 26.09.2003 г.
3. Патент России RU 67237, кл. F25B 21/00. Магнитокалорический рефрижератор. Приоритет от 10.10.2007 г.
4. Патент России RU 2354898, кл. F25B 21/00. Способ отработки в лабораторных условиях параметров работы магнитокалорических рефрижераторов и устройство для его осуществления. Приоритет от 16.04.2007 г.