ТЕПЛОВОЙ ГЕНЕРАТОР С МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИМ МАТЕРИАЛОМ
HEAT GENERATOR WITH MAGNETOCALORIC MATERIAL

Область техники
Изобретение относится к тепловому генератору, содержащему магнитокалорические элементы, магнитные устройства, расположенные таким образом, чтобы поочередно подвергать магнитокалорические элементы колебаниям изменяющегося (переменного) магнитного поля и поочередно создавать циклы нагрева и охлаждения в каждом магнитокалорическом элементе, причем генератор содержит, как минимум, один теплоноситель, предназначенный для сбора калорий и/или фригорий, производимых указанными магнитокалорическими элементами при осуществлении циклов нагрева и охлаждения, как минимум, в одной камере теплообмена и одной камере хладообмена, расположенных соответственно на горячем и холодном концах указанного генератора, и средства для циркуляции жидкого теплоносителя между указанными магнитокалорическими элементами и указанными камерами обмена, при этом указанный генератор содержти, как минимум, один термический модуль, имеющий, как минимум один комплект N магнитокалорических элементов.
Известный уровень техники
Технология магнитного охлаждения была известна более двадцати лет назад, и преимущества, представленные в ней, с точки зрения экологии и устойчивого развития, являются общепризнанными. Ее ограничения с точки зрения ее полезной теплотворности и ее эффективности также хорошо известны. Таким образом, все исследования, предпринятые в этой области, служат увеличению возможностей такого рода генераторов, при оптимизации различных параметров, таких как сила намагничивания, производительность магнитокалорического элемента, поверхность теплообмена между теплоносителем и магнитокалорическими элементами, производительность теплообменников и пр.
Публикация US 4829770 рассматривает, в частности, сочетание магнитокалорических элементов и описывает тепловой генератор, который использует такие элементы, и функционирование которых основано на принципе двигателя Стирлинга. Газообразный теплоноситель, в частности азот, проходит через эти неподвижные магнитокалорические элементы, в то время как все устройство содержится в резервуаре, совершающем возвратно-поступательное движение, синхронизированное с колебаниями магнитного поля. Гелиевые теплообменники подсоединены к холодному и теплому концам резервуара с целью передачи калорий и фригорий, собранных при теплопередаче посредством газа на внешние контуры. Магнитокалорические элементы выполнены в виде пористых дисков, штабелированных в резервуаре, отделенных друг от друга для определения границ различных камер, или соединенных друг с другом для разграничения только двух камер, согласно избранному варианту воплощения. Каждое движение резервуара соответствует холодному циклу или горячему циклу и вызывает циркуляцию газового теплоносителя только в одном направлении. Циклы получения калорий и фригорий являются, таким образом, чередующимися и не одновременными. Кроме того, теплопроводность газа заметно менее эффективна, чем теплопроводность жидкости. Поверхность теплообмена между газовым теплоносителем и магнитокалорическими элементами также очень ограничена. Упомянутые очень низкие температуры рабочего процесса, приблизительно -200°C, делают применение такого рода теплового генератора ограниченным лабораторными применениями. В заключение, теплотворная способность такого теплового генератора слишком низка для его промышленного и домашнего применения.
Публикация WO 2005/093343 описывает принцип магнитокалорического теплового генератора, который использует нагретый или охлажденный воздух автомобиля в качестве теплоносителя. Это решение построено таким образом, что на начальной фазе система охлаждения функционирует в замкнутом цикле посредством воздуха, циркулирующего согласно возвратно-поступательному движению через магнитокалорический элемент, между горячим резервуаром и холодным резервуаром, при использовании системы поршней и балансиров, до достижения желаемого градиента температуры. Как и в предыдущем примере, каждое движение поршня соответствует холодному или горячему циклу и вызывает циркуляцию воздуха только в одном направлении. Циклы производства калорий и фригорий являются, таким образом, альтернативными и не одновременными. Кроме того, теплообменная поверхность между воздухом и магнитокалорическим элементом очень ограничена и не позволяет достигать значимого уровня теплотворной способности для промышленного и домашнего применения, если теплоносителем является газ, а не жидкость.
Публикация заявки WO 2007/026062, которая принадлежит заявителю, описывает магнитокалорический генератор, содержащий два различных коллекторных контура, а именно, горячий коллекторный контур и холодный коллекторный контур, гидравлически связанных друг с другом и соединенных с теплообменником, служащим средством для вывода калорий и фригорий. Жидкий теплоноситель циркулирует в замкнутом цикле внутри коллекторных контуров, которые содержат дну часть, находящуюся вне генератора, и требуют, как минимум, один насос, средства коммутации, синхронизированные с колебаниями магнитного поля, в каналах и соединениях.
Описание изобретения
Настоящее изобретение нацелено на решение проблемы создания промышленного решения, базирующегося на тепловом генераторе с магнитокалорическим материалом, экономически целесообразного и модульного, таким образом, он может быть создан, согласно указанному описанию, как часть промышленного и домашнего применения. Оно также имеет целью облегчение рационализации пути циркуляции жидкого теплоносителя посредством исключения применения одной или более гидравлических систем.
В связи с этим, изобретение относится к тепловому генератору типа, указанного в преамбуле, характеризующегося указанными средствами циркуляции синхронизированных с колебаниями магнитного поля, и приспособленных к попеременной циркуляции указанного жидкого теплоносителя внутри указанного термального модуля в двух противоположных направлениях одновременно, между камерами тепло- и хладообмена через указанные магнитокалорические элементы, возвратно-поступательным движением, так что первая фракция теплоносителя циркулирует по направлению к камере теплообмена через указанные магнитокалорические элементы, подчиненные циклу нагрева, а вторая фракция теплоносителя циркулирует по направлению к камере хладообмена через указанные магнитокалорические элементы, подчиненные циклу охлаждения, и наоборот, и где средства циркуляции содержат, как минимум, один набор N поршней, расположенных напротив указанных магнитокалорических элементов, и подчиненных возвратно-поступательному движению посредством приводного устройства, содержащего, как минимум, один приводной кулачок, управляемый приводом.
Таким образом, получают некоторое количество N тепловых минигенераторов, действующих одновременно и параллельно, и таким образом, умножается на коэффициент N теплообменная поверхность с жидким теплоносителем, и, следовательно, теплотворная способность такого генератора. Кроме того, каждый магнитный цикл, оптимально применимый с момента циркуляции жидкого теплоносителя в обоих направлениях, позволяет производить одновременный сбор калорий, производимых магнитокалорическими элементами, предназначенными для увеличения в магнитном поле (цикл нагрева), и фригорий, производимых магнитокалорическими элементами, предназначенными для сокращения в магнитном поле (цикл охлаждения).
Камеры тепло- и хладообмена образуют камеру извлечения тепловой энергии, производимой генератором, и позволяют достигать смешения жидкого теплоносителя, полученного из цикла нагрева для камеры теплообмена, с одной стороны, и из цикла охлаждения для камеры хладообмена, с другой.
Предпочтительно, магнитокалорические элементы содержат новые протоки для выхода жидкости, которые имеют форму отверстий, каналов, бороздок или комбинаций данных элементов.
В предпочтительном воплощении средства циркуляции содержат два набора N поршней, расположенных на каждой стороне указанных магнитокалорических элементов для прокачки теплоносителя в обоих направлениях.
Приводной кулачок иметь содержать профиль с нечеткой синусоидальной формой, амплитуда которого определяет ход указанных поршней, и синусоидальная фаза которого, в целом, соответствует циклам нагрева и охлаждения указанных магнитокалорических элементов.
Вблизи магнитокалорических элементов магнитные устройства могут содержать, как минимум, одну магнитную конструкцию, сформированную чередующимися намагниченными зонами и ненамагниченными зонами, причем указанная магнитная конструкция соединена с приводом таким образом, чтобы она была подвижной по отношению к указанным магнитокалорическим элементам.
Данные магнитные устройства, предпочтительно, содержат устройство, замыкающее поле, размещенное напротив указанной магнитной конструкции для закрытия магнитного потока, вырабатываемого указанными намагниченными зонами посредством указанных магнитокалорических элементов.
Каждая пара, создаваемая намагниченной зоной и ненамагниченной зоной указанной магнитной конструкции, преимущественно, распространяется на расстояние, которое, в целом, соответствует синусоидальной кривой указанного профиля кулачка.
В предпочтительном воплощении каждая намагниченная зона содержит, как минимум, два постоянных магнита с противоположной полярностью, собранные на стержне, с большой магнитной проницаемостью с тем, чтобы концентрировать магнитный поток указанных магнитов по направлению к магнитокалорическим элементам.
Термический модуль может преимущественно обладать кольцевой структурой, в которой магнитокалорические элементы расположены по кругу вокруг центральной оси, а приводной кулачок, как и магнитная конструкция, являются концентрическими с данной центральной осью и приводятся во вращение вокруг указанной оси.
В качестве альтернативного воплощения термический модуль может обладать также линейной структурой, в которой магнитокалорические элементы выровнены, а приводной кулачок вместе с магнитной конструкцией приводятся в возвратно-поступательное движение вдоль указанных элементов.
Тепловой генератор может, преимущественно, содержать Х количество термических модулей, состыкованных для создания генератора с Х термическими стадиями, и указанные термические модули могут быть объединены в пары посредством промежуточных камер. В этом случае, поршни двух последовательных термических модулей, преимущественно, разделены.
Следовательно, при штабелировании термических модулей, нагрев и охлаждение теплоносителя, которые были достигнуты поэтапным способом, делает возможным, таким образом, - увеличение температурного градиента между холодным и горячим концами указанного генератора, по желанию.
Промежуточные камеры могут сообщаться с указанными поршнями и формировать камеры смешения жидкого теплоносителя между двумя последовательными термическими модулями.
Промежуточные камеры могут также не сообщаться с указанными поршнями, в виду того, что жидкий теплоноситель проходит от одного термического модуля к другому через указанные магнитокалорические элементы.
Камеры теплообмена и хладообмена могут быть присоединены к внешнему контуру, подогнанному к устройству, осуществляющему теплообмен только по достижению предопределенной температуры внутри указанной исследуемой обменной камеры.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение и его преимущества будут лучше раскрыты посредством следующего описания его двух воплощений, указанных только как не ограничивающий притязания пример, со ссылкой на чертежи в приложении, на которых:
- фигура 1 представляет собой перспективное изображение по частям первого варианта воплощения теплового генератора согласно изобретению,
- фигура 2 представляет собой перспективное изображение по частям генератора из фигуры 1,
- фигура 3 - горизонтальная проекция генератора из фигуры 1,
- фигура 4 представляет осевое сечение генератора из фигуры 3,
- фигуры 5-8 представляют собой радиальные сечения генератора из фигуры 3, согласно плоскостям сечения V-V, VI-VI, VII-VII и VIII-VIII соответственно,
- фигура 9 представляет собой перспективное изображение по частям второго варианта воплощения теплового генератора согласно изобретению,
- фигура 10 - увеличенный вид детали Х из фигуры 9, и
- фигура 11 - осевое сечение генератора из фигуры 9.
Ссылаясь на фигуры 1-8 и, более детально, на фигуру 4, тепловой генератор 1, согласно изобретению, содержит термический модуль 10, который включает N магнитокалорических элементов 2, расположенных рядом вокруг центральной оси А, образуя кольцевую цилиндрическую структуру. Данное воплощение является лишь примером, указанным для того, чтобы подтвердить, что тепловой генератор 1 может обладать также и линейной структурой.
Данный тепловой генератор 1 содержит магнитные устройства 3, способные поочередно воздействовать на магнитокалорические элементы 2 колебаниями магнитного поля, с тем, чтобы изменить их температуру согласно циклу Карно, и с тем, чтобы поочередно создавать цикл нагрева и охлаждения в каждом магнитокалорическом элементе 2. Данный генератор содержит жидкий теплоноситель, предназначенный для движения внутри термического модуля 10 посредством средств циркуляции 4 в порядке сбора калорий и фригорий, производимых магнитокалорическими элементами 2 в течение последовательных циклов нагрева и охлаждения, и соответствующего их накопления в камере теплообмена 5 и камере хладообмена 6, расположенных на горячем и холодном концах данного генератора. Каждая камера обмена 5,6 выполнена для обмена с внешней цепью посредством теплообменника (не представлен) в порядке применения калорий и фригорий, производимых указанным генератором. Средства циркуляции 4 синхронизированы с колебаниями в магнитном поле для одновременной циркуляции жидкого теплоносителя в двух противоположных направлениях, таким образом, чтобы первая фракция теплоносителя циркулировала по направлению к камере теплообмена 5 через магнитокалорические элементы 2, подчиненные циклу нагрева, а чтобы вторая фракция жидкого теплоносителя циркулировала по направлению к камере хладообмена через магнитокалорические элементы 2, подчиненные циклу охлаждения, и наоборот.
В представленном примере магнитокалорические элементы 2 состоят из частично цилиндрических секций, которые вырезаны, обточены или отформованы из магнитокалорического материала, расположены на неподвижной опоре 20, оборудованной дополняющими формованными отверстиями 21. Форма магнитокалорических элементов 2 не является ограничительным признаком и может быть преобразована в любую трехмерную форму. Магнитокалорический материал представляет собой материал, который частично или полностью сделан из магнитокалорического вещества, такого как гадолиний (Gd), сплав гадолиния, содержащий, например, кремний (Si), германий (Ge), марганцевый сплав, содержащий, например, железо (Fe), магний (Mg), фосфор (Р), сплав лантана, сплав никеля (Ni), иной эквивалентный материал или намагничиваемый сплав, или получен из сочетания различных магнитокалорических материалов в виде порошка, гранул, полнотелых блоков, агломерированных или пористых. Выбор между данными магнитокалорическими материалами сделан согласно желаемым способностям нагрева и охлаждения и необходимых диапазонов температур. Данные магнитокалорические элементы 2 обладают пропускной способностью по отношению к теплоносителю и, таким образом, содержат новые гидравлические каналы, которые могут быть сформированы посредством пор в пористом материале, мини или микроканалы, выработанные из полнотелых блоков или полученные путем сборки совмещенных рифленых панелей, или других аналогичных элементов.
Средства циркуляции 4 теплоносителя содержат, как минимум, один или, предпочтительно, два набора поршней 40, предназначенных для совершения возвратно-поступательного движения, параллельных центральной оси А, посредством приводного устройства 7, в котором каждый поршень 40, расположен напротив другого и вдоль оси магнитокалорического элемента 2, с тем, чтобы осуществить циркуляцию жидкого теплоносителя, содержащегося в указанном модуле, через указанный элемент по направлению, зависящему от того, подчинен ли указанный элемент циклу нагрева или охлаждения. Каждый магнитокалорический элемент 2 соединен, таким образом, с двумя поршнями 40, выровненными по его оси и расположенными напротив каждого конца и, движущимся в противоположных направлениях. Для циркуляции каждого жидкого теплоносителя из обменной камеры 5,6 в другую обменную камеру 6,5, кожух 42 содержит отверстия 43, которые соединяют внутренний объем термического модуля 10 с отверстием 41 поршней 40. Относительно кольцевой структуры теплового генератора 1, как показано на рисунке, поршни 40 расположены рядом, по кругу вокруг центральной оси А и образуют кольцевую структуру. В случае с линейным тепловым генератором, поршни должны быть расположены на одной оси. Данные поршни 40 содержат цилиндрические части, направленные в дополнительно приспособленные отверстия 41, находящиеся в кожухе 42. Подходит также другая форма поршня, которая определяется для уменьшения потерь гидравлического давления. Кожух 42 является неподвижной деталью, установленной на опору 20 магнитокалорических элементов 2, использующую любые подходящие средства компоновки. Опора 20 и кожух 42 могут быть также изготовлены из единой детали. Данные детали, предпочтительно, изготовлены из теплоизоляционных материалов, таких как синтетические материалы или подобные.
На представленном примере приводное устройство 7 содержит, как минимум, один или, предпочтительно, два приводных кулачка 70, связанных с поршнями 40, управляемых посредством привода (не представлен). Каждый приводной кулачок 70 может иметь профиль 71 с нечеткой синусоидальной или схожей формой (см. фиг.2 и 3), амплитуда которых определяет ход поршней 40, и синусоидальная фаза которых, в целом, соответствует циклу нагрева и охлаждения магнитокалорических элементов 2. Профиль кулачка 71 формирует рельефное ребро, расположенное внутри желоба каждого поршня 40, таким образом, обеспечивает механическое сцепление данных деталей. Касательно кольцевой структуры теплового генератора 1, как показано на рисунке, приводные кулачки 70 являются кольцевыми и вовлечены в непрерывное или прерывистое вращение вокруг центральной оси А посредством электрического двигателя или схожего привода. В случае с линейным тепловым генератором приводные кулачки являются прямолинейными и подчинены возвратно-поступательному движению.
Рассматривая более подробно фигуру 8, можно отметить, что магнитные устройства 3 содержат магнитную конструкцию 30, созданную из чередующихся намагниченных зон ZA и не намагниченных зон ZN вблизи магнитокалорических элементов 2. Каждое соединение намагниченных ZA и не намагниченных ZN зон распространяется на большее расстояние, чем то, которое, в целом, соответствует синусоиде профиля кулачка 71 с намагниченной зоной ZA, производящей цикл нагрева, и не намагниченной зоной ZN, производящей цикл охлаждения. На представленном примере намагниченная зона ZA содержит, как минимум, два постоянных магнита 32 с противоположными полярностями, установленных на стержне 33 с высокой магнитной проницаемостью для того, чтобы концентрировать магнитный поток по направлению к магнитокалорическим элементам 2. Очевидно, возможна любая другая конструкция или устройство. На представленном примере и в отношении кольцевой структуры генератора магнитная конструкция 30 является цилиндрической, устанавливается внутри генератора 1 и вовлекается в непрерывное или прерывистое вращение вокруг центральной оси А посредством электрического мотора или сходного привода. На данном примере, магнитная конструкция 30 содержит четыре пары намагниченных ZA и не намагниченных ZN зон, каждая из которых покрывает угловой сектор 90°. Соответственно, профиль 71 кулачков привода содержит четыре синусоиды, каждая из которых распространяется на тот же угловой сектор. Профиль кулачка 71, показанный на фигурах, демонстрирует только две синусоиды для упрощения графического представления. Магнитные устройства 3 также содержат устройство, замыкающее поле 31, расположенное напротив магнитной конструкции 30, и на данном примере - вне генератора 1 для закрытия магнитного потока, производимого намагниченными зонами ZA посредством магнитокалорических элементов 2. В случае с линейным тепловым генератором магнитные устройства 3 являются прямолинейными и подчинены возвратно-поступательному движению.
На данном примере движущиеся детали теплового генератора 1 являются концентрическими с центральной осью А и могут приводиться в движение тем же внутренним и центральным приводом или любым аналогичным механизмом. В случае теплового генератора с малым диаметром существует возможность изменить конфигурацию путем приведения в движение подвижных деталей снаружи посредством приводных кулачков 700 и магнитной конструкции 30, расположенной снаружи магнитокалорических элементов 2. Также существует возможность изменения угла движения поршней 40 в зависимости от движения магнитной конструкции 30 для учета тепловой и гидравлической инерции.
Работа теплового генератора 1 состоит в контроле одновременного и синхронного движения магнитной конструкции 30 и приводных кулачков 70 для создания поочередного движения жидкого теплоносителя внутри термического модуля 10 между камерами теплообмена 5 и хладообмена 6 через магнитокалорические элементы 2 в двух противоположных направлениях одновременно, в зависимости от того, подчинены ли указанные элементы магнитному полю или нет. Поочередное движение жидкого теплоносителя внутри того же термического модуля 10 делает возможным повышение градиента температуры между камерами теплообмена 5 и хладообмена 6, расположенными на концах указанного генератора. Данные камеры обмена 5,6 сконструированы таким образом, чтобы калории и фригории, производимые генератором, подлежали бы перемещению во внешние контуры (нагрев, кондиционирование воздуха, увлажнение и пр.), либо путем теплопроводности или посредством теплообменника (не представлен). В альтернативном воплощении (не представлено) камеры теплообмена и хладообмена соединены с внешним контуром, который может быть снабжен устройством, позволяющим осуществить теплообмен только при достижении предопределенной температуры внутри указанной камеры обмена. Устройство может быть теплочувствительным или являться клапаном регулируемого останова. Такое устройство позволяет генератору функционировать быстрее, так как теплообмен возможен только при достижении генератором заранее предопределенного установившегося режима.
Используемым жидким теплоносителем является, предпочтительно, жидкость. Жидкий теплоноситель будет обладать химическим составом, приспособленным для желаемого температурного предела для достижения оптимального теплообмена. Данная текучая среда может быть, таким образом, жидкостью, газом или двухфазной. Если текучая среда - жидкость, то используется, например, чистая вода для положительных температур и вода с антифризом, например, продукт, основанный на гликоле, или с солевым раствором, для отрицательных температур.
Лучшее воплощение изобретения
Фигуры 9-11 иллюстрируют тепловой генератор 100, содержащий различные термические модули 10, 11, 12, 13, подобные описанным ранее, которые установлены с целью создания различных термических стадий и могут быть идентичными или разными. Термические модули 10, 11, 12, 13 собраны парами и используют промежуточные камеры 8. В данной ступенчатой конфигурации поршни двух смежных термических модулей 10-13 могут быть совмещены, как показано на фигурах, упомянутых выше, что позволяет упростить, сократить стоимость такого генератора и уменьшить его габаритный размер. Следовательно, приводные кулачки 70 также совмещены и расположены внутри промежуточных камер 8. Данные промежуточные камеры 8 могут быть соединены, как показано на фигурах, или связаны. Если они соединены, данные промежуточные камеры 8 позволяют осуществить смешивание жидкого теплоносителя в перерыве между двумя последующими термическими стадиями, так как текучая среда проходит из одного термического модуля в другой через отверстия 43 в кожухе 42 поршней 40. Данное тепловое смешение помогает увеличивать градиент температуры от одной стадии к другой и, следовательно, градиент температуры между камерами теплообмена 5 и хладообмена 6, расположенными на концах указанного генератора.
В другом, не представленном варианте воплощения данные промежуточные камеры 8 могут быть связаны. В данном случае теплоноситель переходит от одной термической стадии к другой только через магнитокалорические элементы 2.
Ступенчатая конфигурация, как было представлено, может, конечно, распространяться на термические модули 10-13 с линейной структурой. Количество термических модулей 10-13 не ограничено и определяется в соответствии с рассматриваемой заявкой.
Возможности промышленного применения
Все части теплового генератора 1, 100 согласно изобретению могут быть запущены в массовое производство путем повторяемых производственных процессов. Все эти части, за исключением магнитокалорических элементов 2 и магнитных устройств 3, могут быть изготовлены из теплоизоляционных материалов, спрессованных, отлитых или подобных им. Известно, что термические модули 10-13 и обменные камеры 5,6 могут быть собраны с использованием подходящих средств герметизации и любых предназначенных для этого средств соединения. Производство тепловых генераторов 1, 100 с применением компактных и штабелируемых термических модулей 10-13, которые могут быть стандартизованы, делает возможным использовать большой диапазон применений, промышленных или домашних, с оптимальными затратами, с ограниченными требованиями к площади, и с уровнем качества продукции, которое не имеет себе равных с точки зрения теплотворной способности для данного типа генератора.
Данное изобретение не ограничено описанными примерами воплощения, но распространяется на очевидное исполнение и изменение квалифицированным специалистом без отступления от объема правовой охраны, как определено в изложенных пунктах формулы изобретения.