СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ МАГНИТНЫХ СИЛ В МАГНИТНЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ (ТЕПЛОВЫХ) МАШИНАХ С ЛИНЕЙНЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ РЕГЕНЕРАТОРА
METHOD FOR COMPENSATION OF MAGNETIC FORCES IN MAGNETIC REFRIGERATION (THERMAL) MACHINES WITH LINEAR MOVEMENT OF REGENERATOR

Область техники
Изобретение относится к холодильной или тепловой технике, а именно к холодильным машинам или тепловым насосам, использующим магнитный материал в качестве рабочего тела и магнитокалорический эффект для охлаждения или нагрева.
Уровень техники
Известны магнитные холодильные или тепловые машины, работающие по активному магнитному регенеративному циклу (AMP). Особенностью данных устройств является то, что рабочее тело, каковым является магнитный материал, выполняет две функции - активного вещества, нагревающегося/охлаждающегося при намагничивании/размагничивании, а также регенератора, что позволяет существенно расширить рабочий диапазон устройства и повысить его эффективность.
Основными компонентами AMP холодильной или тепловой машины являются:
- регенератор, содержащий рабочее тело;
- источник магнитного поля;
- рабочий контур с теплоносителем, содержащий холодный и горячий теплообменники, а также систему, обеспечивающую требуемое для работы машины перемещение теплоносителя по рабочему контуру и через регенератор;
- система, реализующая намагничивание/размагничивание регенератора в источнике магнитного поля.
Магнитное поле, необходимое для намагничивания/размагничивания рабочего тела, обычно создается сверхпроводящим источником поля или источником поля на постоянных магнитах. При этом намагничивание/размагничивание рабочего тела выполняется путем перемещения либо магнита относительно рабочего тела, либо рабочего тела относительно магнита (патенты США US 3393526 (A), US 4107935 (А), US 4332135 (A), US 4408463 (А); патент Франции FR 2580385 (А1); авторские свидетельства СССР SU 1629706 (A1), SU 1638493 (A1), SU 1651055 (А1)).
Известны схемы с линейным возвратно-поступательным (патент США US 3393526; патент Франции FR 2580385) движением магнита.
Для машин с перемещающимся регенератором известна схема с линейным возвратно-поступательным движением рабочего тела (патенты США US 4332135, US 4507928, US 5934078).
Применение перемещения рабочего тела относительно источника поля или источника поля относительно рабочего тела для реализации намагничивания/размагничивания рабочего тела позволяет получить достаточно высокие скорости намагничивания/перемагничивания что важно для достижения высоких рабочих частот устройства, необходимых для реализации его высокой холодопроизводительности. Получить высокие скорости намагничивания/перемагничивания для источников, использующих электромагниты, путем коммутации тока в их обмотках практически невозможно из-за низких скоростей изменения поля при коммутации, связанной с существенной индуктивностью обмоток, а для источников поля на постоянных магнитах перемещение объекта в зазоре источника вообще является единственным способом обеспечить его намагничивание/размагничивание.
Основной схемой магнитной холодильной или тепловой машины с перемещающимся регенератором является устройство с линейным возвратно-поступательным движением рабочего тела (патенты США US 4332135, US 4507928, US 5934078), в котором цилиндрический контейнер, содержащий рабочее тело (регенератор), помещается в цилиндрическое рабочее отверстие источника поля и извлекается из него с помощью механического привода, совершая линейное возвратно-поступательное движение вдоль оси рабочего отверстия.
При перемещении регенератора с рабочим телом в рабочем зазоре сверхпроводящего соленоида на регенератор действуют значительные продольные силы, связанные со взаимодействием рабочего материала с магнитным полем (магнитные силы), на преодоление которых затрачивается значительная работа. На совершение данной работы устройство потребляет энергию, что снижает его общую эффективность. Кроме того, магнитные силы, возникающие при перемещении регенератора в процессе работы устройства, передаются и на конструктивные элементы источника магнитного поля.
Для минимизации сил, возникающих при перемещении регенератора, в холодильных или тепловых машинах, выполненных по линейной возвратно-поступательной схеме, регенератор разделяют на два идентичных контейнера, расположенные друг за другом вдоль оси регенератора.
Такое конструктивное решение регенератора позволяет существенно (до двух раз) уменьшить полную силу, действующую на контейнер.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому устройству является техническое решение, реализованное в магнитной холодильной машине, предложенной в патенте США US 5934078 A1.
Холодильное устройство с активным магнитным регенератором (патент США US 5934078 A1) включает один или несколько возвратно-поступательных слоев регенератора и распределительный клапан теплоносителя, который активируется при перемещении слоя между положением, в котором оно находится в магнитном поле магнита, в положение, в котором оно находится снаружи магнитное поле магнита. Распределительный клапан имеет первый клапанный элемент и движущийся второй клапанный элемент, скользящим образом зацепленный друг с другом, каждый из которых имеет отверстия, через которые теплопередающая текучая среда может подаваться и приниматься от клапанного элемента. Слой крепится к движущемуся второму элементу клапана, так что теплоноситель подается в клапан и через него в одном направлении в слой регенератора. Материал слоя проявляет магнитокалорический эффект, и температура слоя повышается, когда он входит в магнитное поле магнита, и понижается, когда он выходит из магнитного поля, обеспечивая цикл охлаждения. Направление потока жидкости к распределительному клапану, от него и через него остается одинаковым в обоих положениях слоя или слоев, причем распределительный клапан служит для переключения направления потока жидкости через слой в не намагниченных и намагниченных положениях слоя, так что практически нет мертвого объема теплоносителя.
Основным существенным недостатком 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. Так, в магнитной холодильной машине, предложенной в патенте США US 5934078 A максимальное значение полной силы для регенератора, состоящего из двух контейнеров, каждый из которых заполнен 1,5 кг гадолиния, используемого в качестве рабочего тела, перемещающегося в сверхпроводящем соленоиде с максимальным значением индукции магнитного поля 5 Т, составляет 2500 Н.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является повышение эффективности AMP магнитной холодильной или тепловой машины, работающей в широком интервале температур по линейной возвратно-поступательной схеме.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является минимизация магнитных сил, действующих на регенератор.
Для достижения технического результата предложено устройство компенсации магнитных сил в магнитных холодильных или тепловых машинах с линейным возвратно-поступательным перемещением регенератора, содержащее рабочие контейнеры с магнитным материалом, через которые осуществляется продувка теплоносителя в процессе работы машины, при этом, между рабочими контейнерами располагают компенсационные контейнеры, заполненные магнитным материалом, не участвующие в процессе теплообмена в рабочем контуре машины и служащие для компенсации усилий, возникающих при перемещении регенератора в источнике магнитного поля.
Краткое описание чертежей
z
На фиг. 1 показано распределение компоненты напряженности магнитного поля H(z) вдоль оси цилиндрического рабочего отверстия в соленоиде (зависимость H(z), где z - координата вдоль оси соленоида, начало координат соответствует центру соленоида).
На фиг. 2 показана схема регенератора, в холодильных или тепловых машинах, выполненных по линейной возвратно-поступательной схеме, разделенного на два идентичных контейнера, расположенных друг за другом вдоль оси регенератора.
На фиг. 3 показана зависимость полной силы от координаты центра регенератора относительно центра соленоида.
На фиг. 4 представлена схема регенератора с одним дополнительным компенсирующим контейнером (трехконтейнерного регенератора).
На фиг. 5 представлены результаты численного расчета силы (половина зависимости при полном ходе регенератора, вторая половина имеет аналогичный вид, но противоположна по знаку), действующей на регенератор при его перемещении в соленоиде (z - координата центра регенератора относительно центра соленоида) с максимальной индукцией магнитного поля 5Т, для регенератора, состоящего из двух рабочих контейнеров (двухконтенерный регенератор - см. фиг. 2) - кривая 1, и для трехконтейнерного регенератора (фиг. 4) - кривая 2.
На фиг. 6 представлена схема регенератора с тремя дополнительными компенсирующими контейнерами (пятиконтейнерного регенератора).
На фиг. 7 представлены результаты численного расчета, выполненного с помощью метода конечных элементов, силы, действующей на пятиконтейнерный регенератор при его перемещении в соленоиде с максимальной индукцией магнитного поля 5Т, где:
кривая 1 - трехконтейнерный регенератор (фиг. 4);
кривая 2 - пятиконтейнерный регенератор (фиг. 6).
Осуществление изобретения
Для максимальной компенсации суммарных магнитных сил требуется сделать регенератор максимально длинным и непрерывным, сохранив, тем не менее, необходимые для работы машины разрывы в магнитном материале регенератора и конечность продольного размера регенератора Это достигается введением в регенератор магнитной холодильной или тепловой машины, работающей по линейной возвратно-поступательной схеме, и содержащий основные (рабочие) контейнеры с рабочим телом, через которые осуществляется продувка теплоносителя при работе магнитной холодильной или тепловой машины, дополнительных компенсационных контейнеров, не подключенных к контуру обращения теплоносителя машины, заполненных магнитным материалом, наиболее близким по магнитным свойствам рабочему телу.
z
На фиг. 1 показано распределение компоненты напряженности магнитного поля H(z) вдоль оси цилиндрического рабочего отверстия в соленоиде (зависимость H(z), где z - координата вдоль оси соленоида, начало координат соответствует центру соленоида).
Как можно видеть, кривая имеет колоколообразный характер, при этом максимальной величины напряженность поля достигает в центре соленоида, а на его фланцах имеют место значительные градиенты магнитного поля.
Для минимизации сил, возникающих при перемещении регенератора, в холодильных или тепловых машинах, выполненных по линейной возвратно-поступательной схеме, регенератор разделяют на два идентичных контейнера, расположенные друг за другом вдоль оси регенератора - см. фиг 2.
z
Поскольку на левом скате зависимости H(z) градиент поля положителен, а на правом - отрицателен (см. фиг. 1), то магнитные силы, действующие на контейнеры, противоположны по знаку и полная сила F, действующая на регенератор, представляет собой разность абсолютных величин данных сил:
1
2
F=|F|-|F|
1
2
где F - сила, действующая на контейнер 1, a F - сила, действующая на контейнер 2 со стороны магнитного поля.
1
2
Такое конструктивное решение регенератора позволяет существенно (до двух раз) уменьшить полную силу, действующую на контейнер, т.к. в силу симметричности распределения H(z) и идентичности контейнеров 1 и 2, на значительной части участка перемещения силы F и F примерно равны друг другу по абсолютной величине.
Зависимость полной силы от координаты центра регенератора относительно центра соленоида симметрична и обнаруживает два максимума по абсолютной величине, расположенные в области фланцев соленоида в соответствии с зависимостью градиента магнитного поля от координаты (см. фиг. 3).
Магнитный материал в компенсационных контейнерах имеет форму, аналогичную форме рабочего тела в рабочих контейнерах (порошок, набор пластин и других элементов) и обеспечивает максимальную однородность магнитных свойств вдоль регенератора.
В качестве магнитного материала в компенсационных контейнерах могут быть использованы ферро-, ферри-, парамагнитные материалы и материалы с неколлинеарной спиновой структурой, такие как 3d металлы Fe, Со, Ni, Mn и др., редкоземельные металлы Cd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Pr, Nd, Sm, их сплавы, оксиды и другие соединения. Материал в компенсационных контейнерах может представлять собой как чисто магнитный материал, так и смесь магнитного и немагнитного материалов.
Компенсационные контейнеры располагаются между рабочими контейнерами и на концах регенератора и имеют размеры, позволяющие обеспечивать удаление размагничивающегося рабочего контейнера из рабочего зазора источника поля при одновременном введении намагничивающегося рабочего контейнера в рабочий зазор источника магнитного поля.
Указанное устройство компенсации магнитных сил может быть использовано для регенераторов магнитных холодильных или тепловых машин, работающих по линейной возвратно-поступательной схеме, имеющих любое количество рабочих контейнеров. Количество компенсационных контейнеров при этом на единицу превосходит количество рабочих контейнеров регенератора.
Представленные ниже примеры иллюстрируют, но не ограничивают существо предлагаемого изобретения.
Пример 1. На фиг. 4 представлена схема регенератора с одним дополнительным компенсирующим контейнером (трехконтейнерного регенератора). Регенератор состоит из двух основных (рабочих) контейнеров, содержащих рабочее тело магнитной холодильной или тепловой машины, через которые выполняется продувка теплоносителя при работе машины. Дополнительный компенсационный контейнер (центральный компенсационный контейнер), содержащий магнитный материал, по характеристикам идентичный материалу в рабочих контейнерах, располагается между рабочими контейнерами, так что его геометрический центр совпадает с геометрическим центром всего регенератора.
На фиг. 5 представлены результаты численного расчета силы (половина зависимости при полном ходе регенератора, вторая половина имеет аналогичный вид, но противоположна по знаку), действующей на регенератор при его перемещении в соленоиде (z - координата центра регенератора относительно центра соленоида) с максимальной индукцией магнитного поля 5Т, для регенератора, состоящего из двух рабочих контейнеров (двухконтенерный регенератор - см. фиг. 2) - кривая 1, и для трехконтейнерного регенератора (фиг. 4) - кривая 2.
Размер рабочих контейнеров в трехконтейнерном регенераторе идентичен размеру рабочих контейнеров двухконтейнерного регенератора, а размер компенсационного регенератора составляет 34% от рабочего регенератора, масса магнитного материала в рабочем регенераторе - 0,97 кг, в качестве рабочего и компенсационного материала использован редкоземельный металл гадолиний. Расчет выполнен с помощью метода конечных элементов. Как можно видеть, применение компенсационного контейнера снижает максимальное значение силы, действующей в соленоиде на регенератор, в 2,8 раза.
Пример 2. На фиг. 6 представлена схема регенератора с тремя дополнительными компенсирующими контейнерами (пятиконтейнерного регенератора). Регенератор состоит из двух рабочих контейнеров и трех компенсационных контейнеров, один из которых, как и в трехконтейнерном регенераторе, располагается между рабочими контейнерами (центральный компенсационный контейнер), а два других (боковые компенсационные контейнеры) - слева и справа от рабочих контейнеров, как показано на фиг. 6.
Как и в Примере 1, компенсационные контейнеры заполнены магнитным материалом, по характеристикам идентичным материалу рабочих контейнеров. Рабочие, центральный и боковые компенсационные контейнеры имеют такие же размеры, как и в Примере 1, в качестве магнитного материала во всех контейнерах используется редкоземельный металл гадолиний.
На фиг. 7 представлены результаты численного расчета, выполненного с помощью метода конечных элементов, силы, действующей на пятиконтейнерный регенератор при его перемещении в соленоиде с максимальной индукцией магнитного поля 5Т: кривая 1 - трехконтейнерный регенератор из примера 1 (фиг. 4), кривая 2 - пятиконтейнерный регенератор (фиг. 6).
Как можно видеть, применение схемы с тремя компенсационными контейнерами приводит к дальнейшему снижению максимального значения силы на 25% по сравнению со схемой с одним компенсационным контейнером (Пример 1).
Таким образом, введение в регенератор магнитной холодильной или тепловой машины, работающей но линейной возвратно-поступательной схеме дополнительных компенсационных контейнеров, позволяет минимизировать силы, действующие на регенератор.