УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ МАГНИТНЫХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА РЕГЕНЕРАТОР

Область техники
Полезная модель относится к холодильным (тепловым) машинам, в которых используется схема линейного перемещения регенератора.
Уровень техники
Известны магнитные холодильные машины, в которых используется схема с линейным возвратно-поступательным движением рабочего тела (магнитного регенератора) (патенты США US 4332135, US 4507928), в которых цилиндрический контейнер, содержащий рабочее тело (регенератор), вводится в цилиндрическое рабочее отверстие источника поля и выводится из него с помощью механического привода, совершая при этом поступательные движения вдоль оси рабочего отверстия. При перемещении регенератора с рабочим телом в рабочем зазоре сверхпроводящего соленоида на регенератор действуют значительные продольные магнитные силы, связанные со взаимодействием рабочего материала с магнитным полем, градиент которого на фланцах источника поля достигает значительных величин. Преодоление этих сил требует совершения значительной работы, на что устройство потребляет энергию, а это приводит к снижению его общей эффективности. Кроме того, магнитные силы, возникающие при перемещении регенератора в процессе работы устройства, вызывают соответствующие реакции, действующие и на конструктивные элементы источника магнитного поля. Для сверхпроводящих источников это означает необходимость усиления конструкции крепления соленоида, что противоречит требованию минимизации притока тепла к соленоиду и ухудшает рабочие характеристики источника.
Известно решение (US 5934078), в котором для минимизации сил, возникающих при перемещении регенератора, в холодильных (тепловых) машинах, выполненных по возвратно-поступательной схеме, регенератор разделяется на два идентичных контейнера, расположенных на его противоположных концах симметрично относительно центра.
Недостатком этого технического решения является то, что значение полной силы, действующей на составной регенератор с двумя контейнерами, по-прежнему остается значительным, что связано с неполной компенсацией магнитных сил, действующих на контейнеры, а также с конечностью линейных геометрических размеров регенератора, и является недостатком данного способа их компенсации.
Технической проблемой, на решение которой направлена данная полезная модель является повышение эффективности магнитной холодильной (тепловой) машины, работающей по линейной, возвратно-поступательной схеме.
Раскрытие полезной модели
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в уменьшении магнитных сил, возникающих между обмоткой электромагнита и регенератором.
Для достижения технического результата предложено устройство для компенсации магнитных сил, действующих на регенератор включающее корпус регенератора, в котором находятся два рабочих и компенсационный контейнеры, заполненные магнитным материалом и разделенные между собой поперек регенератора перегородкой, в которой выполнены глухие каналы или глухие отверстия или углубления различных форм, заполненные магнитным материалом и расположенные в чередующемся порядке со стороны рабочего и компенсационного контейнеров.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлено изображение поперечного сечения перегородки регенератора магнитной тепловой машины с перекрывающимися каналами, устанавливаемой между рабочим и компенсационным контейнерами регенератора, где:
1 - корпус;
2 - рабочий контейнер;
3 - компенсационный контейнер;
4 - перегородка;
5 - каналы рабочего контейнера;
6 - каналы компенсационного контейнера.
На фиг. 2 показан пример схемы расположения каналов круглого сечения, относящихся к рабочему (Р) и компенсационному (К) контейнерам в перегородке, где:
7 - отверстия для прохода трубок;
Р - каналы рабочего контейнера;
К - каналы компенсационного контейнера.
На фиг. 3 показаны результаты численного расчета магнитной индукции поля рассеяния вдоль поверхности регенератора и в непосредственной близости от этой поверхности на участке, включающем в себя перегородку между рабочим и компенсационным контейнерами (положение перегородки показано вертикальными пунктирными линиями) для случая сплошной (без перекрывающихся каналов) перегородки - кривая А, и перегородки с перекрывающимися каналами круглого сечения кривая Б.
Осуществление полезной модели
Составной регенератор (фиг. 1), в состав которого входит заявляемая полезная модель, состоит из корпуса 1, выполненного из пластмассы, разделенного перегородками 4 из того же материала на несколько отсеков. В отсеках расположены рабочие контейнеры 2, заполненные магнитокалорическим материалом (например, металлическим гадолинием), и компенсационные контейнеры 3, заполненные ферромагнитным материалом (например, тем же гадолинием или железом). Причем рабочих контейнеров два, а компенсационных контейнеров один либо три.
Дополнительные компенсационные контейнеры 3, через которые не производится продувка теплоносителя и которые не участвуют в процессе теплообмена служат для увеличения однородности магнитных свойств вдоль регенератора, причем в перегородке 4 между компенсационными 3 и рабочим 2 контейнерами выполнены глухие каналы 5 (Р на фиг. 2), заполненные материалом рабочего контейнера, и 6 (К на фиг. 2), заполненные материалом компенсационного контейнера. Также в перегородке 4 выполнены отверстия для прохода трубок 7, посредством которых осуществляется прокачка теплоносителя через рабочие контейнеры 2.
Глухие каналы рабочего 5 и компенсационного 6 контейнеров расположены в чередующемся порядке со стороны рабочих 2 и компенсационных 3 контейнеров так, что обеспечивается перекрытие магнитного материала этих контейнеров.
Таким способом достигается максимально возможная непрерывность магнитных свойств регенератора по длине перегородки 4, что минимизирует поле рассеяния в местах переходов рабочий контейнер 2 - компенсационный контейнер 3 и уменьшает усилия, возникающие при перемещении регенератора в рабочем зазоре источника поля. Каналы рабочего 5 и компенсационного 6 контейнеров могут представлять собой отдельные глухие отверстия или углубления различных форм.
Устройство может быть использовано для регенераторов магнитных холодильных (тепловых) машин, содержащих компенсационные контейнеры и работающих по линейной, возвратно-поступательной схеме.
Пример возможного расположения каналов рабочего 5 и компенсационного 6 контейнеров показан на фиг. 2.
Плотность магнитной силы, действующей в однородном магнитном поле на неоднородно намагниченное вещество пропорциональна напряженности магнитного поля и градиенту намагниченности.
2
При использовании сплошной перегородки между рабочим 2 и компенсационным 3 контейнерами возникает большой градиент намагниченности в области перегородки, где ферромагнитный материал (гадолиний) сменяется немагнитной пластмассой. При смене пластмассы ферромагнитным материалом по другую сторону перегородки возникает градиент обратного знака. Таким образом, при заходе и выходе сплошной перегородки в магнитное поле возникают существенные магнитные силы. При площади поперечного сечения границы рабочего контейнера с гадолинием 30 см в поле 5 Тл значение полной силы будет около 500 Н.
Наличие в перегородке 4 каналов рабочего 5 и компенсационного 6 контейнеров уменьшает перепад средней намагниченности между областями контейнера и перегородки, что приводит к уменьшению градиента намагниченности, а, следовательно, к уменьшению магнитной силы, действующей на регенератор.
Оценить масштабы неоднородности намагничивания позволяет измерение поля рассеяния в области перегородки 4 либо его моделирование.
На фиг. 3 представлены результаты численного расчета магнитной индукции поля рассеяния вдоль поверхности регенератора и в непосредственной близости от этой поверхности на участке, включающем в себя перегородку 4 между рабочим 2 и компенсационным 3 контейнерами (положение перегородки показано вертикальными пунктирными линиями) для случая сплошной (без перекрывающихся каналов) перегородки - кривая А, и перегородки с перекрывающимися каналами круглого сечения кривая Б. Расчет проведен для гадолиния при температуре 290 К и во внешнем поле с магнитной индукцией 5 Т в качестве магнитного материала, находящегося в рабочем 2 и компенсационном 3 контейнерах. Как можно видеть, применение перекрывающихся каналов рабочего 5 и компенсационного 6 контейнеров уменьшает магнитную индукцию поля рассеяния в 2,5 раза, что свидетельствует о существенном улучшении магнитной однородности вдоль оси регенератора при использовании перегородки 4 с перекрывающимися каналами.
Таким образом, наличие в перегородке 4 каналов рабочего 5 и компенсационного 6 контейнеров, снижает средний градиент намагниченности, что позволяет уменьшить эту силу в 2-3 раза с 500 Н до 200 Н.