Магнитокалорический рефрижератор

Полезная модель относится к холодильной технике, в частности к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта (МКЭ).

Магнитокалорический рефрижератор содержит камеру охлаждения, магнитную систему, ротор со съемной крышкой. В теле ротора выполнены углубления в виде отделенных друг от друга ячеек, в которых установлены сменные капсулы с материалом, обладающим магнитокалорическим эффектом (МКЭ). Рефрижератор снабжен системой теплоносителя с насосом, теплоприемником, размещенном в камере охлаждения, теплоотдатчиком, компенсационным бачком, подводящими и отводящими теплоноситель трубопроводами. Ротор и крышка выполнены из магнитопроницаемого материала, например органического стекла. Ячейки в теле ротора отделены друг от друга и снабжены радиальными каналами для прохода теплоносителя. Сменные капсулы имеют форму сегментов, цилиндров, многогранных брусков и т.п. и устанавливаются в ячейках с зазором для прохода теплоносителя, который омывает каждую капсулу. Сменные капсулы с материалом, обладающим МКЭ, могут быть выполнены в виде пакетов, установленных с зазором, горизонтальных или вертикальных пластин, оребренных монолитов, монолитов со сквозными каналами для прохода теплоносителя, монолитов из пористого, проницаемого теплоносителем материала, или сетчатых корпусов, внутри которых размещены шарики или гранулы. Теплоотдатчик выполнен в виде герметично установленного на ротор обода с внешним и внутренним оребрением. Обод изготовлен из материала, обладающего

высокой теплопроводностью, например меди или алюминиевого сплава. Внутри обода образована контактирующая с теплоносителем полость. Внешнее оребрение обода представляет собой цилиндр с ребрами. Кинематически связанный с приводом ротор устанавливается на неподвижной оси, выполненной из материала с низким коэффициентом трения, например фторопласта и снабженной подводящими и отводящими теплоноситель каналами и уплотнениями, исключающими перетекание теплоносителя по плоскости взаимодейсвия неподвижной оси и ротора. Для одновременного прохода теплоносителя через несколько отверстий в неподвижной оси могут быть выполнены пазы, расположенные между двумя поясами уплотнений.

Такая конструкция полезной модели позволяет использовать широкий спектр рабочих тел из материалов с магнитокалорическим эффектом, в том числе вновь созданных, без значительной переделки рефрижератора, а за счет применения (вместо одной детали) нескольких сменных капсул различной конфигурации и оребренной конструкции обода с хорошо развитой поверхностью для теплообмена с окружающей средой, повысить эффективность работы рефрижератора и его эксплуатационные характеристики.

11 з.п. ф-лы., 11 илл.

Полезная модель относится к холодильной технике, в частности к рефрижераторам, работающим на основе магнитокалорического эффекта (МКЭ).

Известен магнитный рефрижератор [1], содержащий корпус с вращающимся колесом, которое жестко насажено на вал и выполнено из рабочего вещества, обладающего магнитокалорическим эффектом (МКЭ), в виде насаженных друг на друга коаксиальных колец с радиальными каналами для прохода теплого и холодного потоков теплоносителя и разделенных на сегменты непроницаемыми теплоизолирующими перегородками, магнит, охватывающий часть колеса, газораспределительное устройство для подвода и отвода теплоносителя, размещенное в центральной части корпуса, и теплообменник нагрузки, выполненный в виде корпуса рефрижератора, жестко связанного с размещенным в нем колесом с возможностью вращения совместно с последним, при этом между корпусом и наружной поверхностью колеса выполнен зазор для прохода холодного потока теплоносителя.

Несмотря на хорошие эксплуатационные характеристики указанная конструкция разработана применительно к использованию пористых рабочих веществ с МКЭ, что не позволяет без существенной переделки конструкции рефрижератора применять другие рабочие вещества с МКЭ, выполненные, например в форме монолита.

Известен магнитокалорический рефрижератор, работающий на основе магнитокалорического эффекта [2], содержащий корпус, заполненный жидким или газообразным теплоносителем, магнитокалорические элементы, имеющие каналы для прохода теплоносителя, теплоотдатчик,

теплообменник нагрузки, магнитную систему и два возвратно-поступательных механизма привода магнитокалорических элементов и магнита. Недостатки указанного устройства:

- низкая эффективность;

- относительно небольшой ресурс работы;

- большие габариты и масса, являющиеся следствием применения двух возвратно-поступательных приводных механизмов.

Известен также магнитокалорический рефрижератор [3] для получения низких температур, содержащий корпус, внутри которого размещен ротор с каналами, систему теплоносителя, состоящую из побудителя расхода теплоносителя, теплообменника нагрузки, подводящих и отводящих патрубков, магнитную систему, включающую, по крайней мере, три секции, а на внешней поверхности ротора установлено кольцо из сверхпроводящего материала, а ротор выполнен из материала с МКЭ. Несмотря на очевидные преимущества по сравнению с известными конструкциями описанное выше техническое решение обладает существенным недостатком: рефрижератор для его устойчивой работы должен содержать не менее трех секций магнитной системы, что усложняет конструкцию, а выход из строя одной из секций приводит к неустойчивой работе рефрижератора в целом.

Несмотря на указанные недостатки, конструкция, приведенная в патенте RU 2029203 [3], может быть принята за прототип.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является устранение приведенных выше недостатков и создание конструкции, позволяющей упростить эксплуатацию, повысить эффективность работы за счет увеличения поверхности теплообмена рабочего тела из материалов с магнитокалорическим эффектом, в том числе вновь созданных, и использовать их без существенной переделки конструкции рефрижератора.

Этот технический результат достигается тем, что рабочее тело выполнено в виде комплекта сменных капсул с материалом, обладающим МКЭ, установленных в контактируемых с теплоносителем и отделенных друг от друга ячейках, выполненных в теле ротора, при этом внешние обводы сменных капсул выполнены подобными форме ячеек в теле ротора и могут быть выполнены в виде сегментов, цилиндров, брусков и т.п, изготовленных в виде оребренных монолитов, монолитов с отверстиями для прохода теплоносителя через рабочее тело или набора охлаждаемых теплоносителем пластин, гранул, шариков, выполненных из материала с МКЭ.

Предлагаемое техническое решение позволяет использовать в конструкции рефрижератора различные материалы, обладающие магнитокалорическим эффектом, в т.ч. вновь созданные, без доработки существующей конструкции, упрощает конструкцию, повышает эффективность работы рефрижератора.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где

на Фиг.1 показан общий вид устройства;

на Фиг.2 изображен разрез А-А на Фиг.1 - поперечный разрез ротора;

на Фиг.3 представлен вид В на Фиг.2 - внешнее оребрение обода ротора;

на Фиг.4 показан разрез А-А на Фиг.1 - вариант выполнения неподвижной оси ротора с двумя пазами для прохода теплоносителя одновременно через несколько смежных ячеек ротора;

на Фиг.5 изображен вид Б на Фиг.4 - вид на паз в неподвижной оси для прохода теплоносителя, выполненный между двух поясов уплотнений;

на Фиг.6 показана сменная капсула, выполненная в виде пакета горизонтальных пластин из материала с МКЭ, установленных с зазором для прохода теплоносителя;

на Фиг.7 представлена сменная капсула в виде пакета установленных вертикально пластин из материала с МКЭ.

на Фиг.8 показана сменная капсула в виде оребренного монолита из материала с МКЭ;

на Фиг.9 изображена сменная капсула из материала с МКЭ в виде монолита со сквозными каналами для прохода теплоносителя;

на Фиг.10 представлена сменная капсула, изготовленная из пористого материала с МКЭ;

на Фиг.11 показана сменная капсула, выполненная в виде сетчатого корпуса с размещенными в нем шариками или гранулами из материала с МКЭ;

Магнитокалорический рефрижератор (Фиг.1) содержит камеру охлаждения 1, магнитную систему 2, ротор 3 со съемной крышкой 4. В теле ротора 3 выполнены углубления в виде отделенных друг от друга ячеек 5, в которых установлены сменные капсулы 6 (Фиг.2, Фиг.4) с материалом 7, обладающим магнитокалорическим эффектом (Фиг.6-Фиг.11). Рефрижератор снабжен системой теплоносителя 8 с насосом 9, теплоприемником 10, теплоотдатчиком 11, компенсационным бачком 12 с крышкой 13, подводящими и отводящими теплоноситель трубопроводами 14 и 15 соответственно. Ротор 3 и крышка 4 выполнены из магнитопроницаемого материала, например органического стекла. Ячейки 5 в теле ротора 3 (Фиг.2 и Фиг.4) отделены друг от друга и снабжены радиальными каналами 16 и 17 для прохода теплоносителя. Сменные капсулы 6 (на Фиг.1, 2, 4 показаны не все) имеют форму сегментов, цилиндров, многогранных брусков и т.п. и устанавливаются в ячейках с зазором для прохода теплоносителя, который омывает каждую капсулу 6. Сменные капсулы 6 могут быть выполнены в виде пакетов, установленных с зазором, горизонтальных (Фиг.6) или вертикальных (Фиг.7) пластин 18 и 19 соответственно из материала с МКЭ, оребренных монолитов (Фиг.8), монолитов со сквозными каналами 20 для прохода

теплоносителя (Фиг.9), монолитов из пористого, проницаемого теплоносителем, материала с МКЭ (Фиг.10) или сетчатых корпусов, внутри которых размещены шарики или гранулы из материала с МКЭ (Фиг.11). Теплоотдатчик 11 (Фиг.1) выполнен в виде герметично установленного на ротор 3 обода 21 с внешним и внутренним оребрением 22 и 23 соответственно. Обод 21 выполнен из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например меди или алюминиевого сплава. Внутри обода 21 образована контактирующая с теплоносителем полость 24. Внешнее оребрение 22 обода 21 представляет собой цилиндр с ребрами 25 (Фиг.3). Кинематически связанный с приводом (на чертеже не показан) ротор 3 устанавливается на неподвижной оси 26 (Фиг.1, 2, 4, 5), выполненной из материала с низким коэффициентом трения, например фторопласта, и снабженной подводящими и отводящими каналами 27 и 28 соответственно и уплотнениями 29 и 30 (Фиг.1, Фиг.5), исключающими перетекание теплоносителя по плоскости взаимодействия 31 неподвижной оси 26 и ротора 3. Для одновременного прохода теплоносителя через несколько отверстий 17 (в роторе 3) в неподвижной оси 26 (Фиг.4 и Фиг.5) выполнены пазы 32 и 33, расположенные между двумя поясами уплотнений 29 и 30.

Магнитокалорический рефрижератор работает следующим образом (Фиг.1). В ячейки 5 (при снятой крышке 4) устанавливают сменные капсулы 6 с выбранным вариантом материала 7, обладающего магнитокалорическим эффектом (Фиг.6, 7, 8, 9, 10, 11). Съемную крышку 4 герметично закрепляют на роторе 3. Компенсационный бачок 12 заполняют теплоносителем и задействуют приводы ротора 3 и насоса 9 (приводы на чертеже не показаны). Насос 9 прокачивает теплоноситель через компенсационный бачок 12, подводящий трубопровод 14, подводящий канал 27, канал 17 (каналы 17 в роторе 3 в зависимости от их положения относительно магнитной системы 2 являются для теплоносителя входными либо выходными), ячейку 5. Омывая сменную

капсулу 6, теплоноситель через канал 16 поступает в полость 24 оребренного обода 21 теплоотдатчика 11. Нагретые сменные капсулы 6 в зоне сильного магнитного поля, созданного магнитной системой 2, отдают свое тепло посредством теплоносителя ободу 21, снабженному внешним и внутренним оребрением 22 и 23. Затем теплоноситель движется во внутренней полости 24 обода 21, отдавая тепло во внешнюю среду (см. показанные на Фиг.2 и Фиг.4 стрелки), и поступает через каналы 16 (их функции аналогично каналам 17 также зависят от положения ротора 3) в ячейки 5, где происходит его охлаждение, т.к. сменные капсулы 6 с веществом 7, вышедшие из зоны сильного магнитного поля, размагничиваются и охлаждаются в результате магнитокалорического эффекта. Охлажденный теплоноситель через каналы 17, 28 и отводящий трубопровод 15 поступает в камеру охлаждения 1, где реализуется холодопроизводительность. Далее цикл многократно повторяется.

Такая конструкция полезной модели позволяет использовать широкий спектр рабочих тел из материалов с магнитокалорическим эффектом, в том числе вновь созданных, без значительной переделки рефрижератора, а за счет применения (вместо одной детали) нескольких сменных капсул различной конфигурации и оребренной конструкции обода с хорошо развитой поверхностью для теплообмена с окружающей средой - повысить эффективность работы рефрижератора и его эксплуатационные характеристики.

Источники информации.

.1. А.с.1668829, кл. F25В 2100. Роторный магнитный рефрижератор.

2. Патент US 4392356, кл. 62-3. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1984 опубл.1991.

3. Патент России RU 2029203, кл. F25В 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1995.

4. Патент России RU 2252375, кл. F25В 21/00. Магнитная тепловая машина, опубл. 2005.

5. Патент России RU 2079802, кл. F25В 21/00. Рефрижератор, опубл. 1997.

6. Патент России RU 2040740, кл. F25В 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1995.

7. А.с. 1726930, кл. F25В 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1992.

8. А.с. 1719815, кл. F25В 21/00. Система криостатирования, опубл. 1992.

9. А.с. 1629706, кл. F25В 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1991.

10. А.с. 1590881, кл. F25В 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл.1990.

11. А.с. 1451490, кл. F25В 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1989.

12. Патент US 6668560, кл. F25В 21/00. Ротационный магнитокалорический рефрижератор, опубл. 2003.

13. Патент US 6446441, кл. F25В 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 2002.

14. Патент US 4727721, кл. F25В 21/02. Устройство магнитокалорического рефрижератора, опубл. 1988.

15. Патент US 4532770, кл. F25В 21/02. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1985.

16. Патент US 4107935, кл. F25В 21/02. Высокотемпературный рефрижератор, опубл. 1978.

17. Патент Японии 60-259870, кл. F25В 21/00. Магнитокалорический рефрижератор, опубл. 1985.

1. Магнитокалорический рефрижератор, содержащий магнитную систему, ротор с крышкой, снабженный каналами для прохода теплоносителя, рабочее тело из материала с магнитокалорическим эффектом, привод ротора, систему теплоносителя с насосом, теплоприемником, размещенным в камере охлаждения, и теплоотдатчиком, отличающийся тем, что рабочее тело выполнено в виде сменных капсул с магнитокалорическим эффектом, смонтированных в омываемых теплоносителем и отделенных друг от друга ячейках в теле ротора, а ось ротора выполнена неподвижной и снабжена каналами для подвода и отвода теплоносителя и уплотнениями, исключающими перетекание теплоносителя по плоскости взаимодействия неподвижной оси и ротора, при этом ротор кинематически связан с приводом, а теплоотдатчик выполнен в виде герметично установленного на роторе обода с внешним и внутренним оребрением и полостью, контактирующую с теплоносителем.

2. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что ротор и крышка выполнены из магнитопроницаемого материала, например органического стекла.

3. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что установленный на роторе обод выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например меди или алюминиевого сплава.

4. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что неподвижная ось ротора выполнена из материала с низким коэффициентом трения, например фторопласта.

5. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что сменные капсулы выполнены в виде пакета установленных с зазором горизонтальных или вертикальных пластин из материала с магнитокалорическим эффектом.

6. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что сменные капсулы выполнены из материала с магнитокалорическим эффектом в виде оребренного монолита.

7. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что сменные капсулы выполнены из материала с магнитокалорическим эффектом в виде монолита со сквозными каналами для прохода теплоносителя.

8. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что сменные капсулы выполнены из пористого, проницаемого для теплоносителя, материала с магнитокалорическим эффектом.

9. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что сменные капсулы выполнены из материала с магнитокалорическим эффектом в виде шариков или гранул, помещенных в сетчатый корпус.

10. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что форма ячейки в теле ротора для монтажа сменных капсул выполнена подобной внешним обводам сменных капсул.

11. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что в системе теплоносителя установлен компенсационный бачок.

12. Магнитокалорический рефрижератор по п.1, отличающийся тем, что неподвижная ось ротора снабжена двумя пазами, расположенными между двумя поясами уплотнений.