Магнитная тепловая машина.

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.
Известны      холодильные      машины,      работающие      по      активному      магнитному регенеративному (AMP) холодильному циклу [патенты США 3413814, 4107935, 4408463, 4507928,    4332135,    5934078,     6526759].    Согласно    результатам    теоретических    и экспериментальных  исследований,  холодильные  машины  с AMP  циклом  являются наиболее   эффективными   среди   магнитных   холодильников,   работающих   в   области температур   выше   20   К   [Tishin   A.M.,   Spichkin   Y.I.    Magnetocaloric   effect   and   its applications,  2003,  loP  Publishing,  Bristol &  Philadelphia,  475  pp.].  Особенностью AMP холодильных машин является то, что рабочее тело (магнитный материал) в таких устройствах используется не только для охлаждения в результате адиабатического размагничивания, но также в качестве регенератора. Такая схема позволяет повысить эффективность устройства и расширить диапазон его рабочих температур.
Помимо рабочего тела-регенератора замкнутый рабочий  контур AMP холодильника включает   в   себя   холодный    и   горячий   теплообменники,   а   также   устройство, обеспечивающее перемещение теплоносителя по контуру (реверсивный нагнетатель или насос). На фиг.1 представлена типовая схема рабочего контура AMP холодильника [патент США 3413814]. Здесь 1  - магнит, 2 - активный магнитный регенератор, 3 - холодный теплообменник, 4 - горячий теплообменник, 5 - реверсивный нагнетатель. AMP цикл состоит из двух адиабатических стадий (намагничивание/размагничивание) и двух стадий, осуществляемых при постоянном магнитном поле (во время этих стадий происходит продувка теплоносителя через контур). Режим работы устройства во многом зависит от соотношения    эффективной    теплоемкости    теплоносителя    и    регенератора.    Если теплоемкость    регенератора    намного    больше    теплоемкости    теплоносителя,    то температурный профиль внутри регенератора не изменяется и за время пока происходит продувка теплоносителя. На первой стадии цикла поршень нагнетателя находится в крайнем правом положении (теплоноситель находится в холодном теплообменнике), а магнитный   материал   в   регенераторе  адиабатически   намагничивается,   что   вызывает повышение его температуры  на  величину магнитокалорического эффекта.  На  второй стадии цикла (горячая  продувка) с помощью нагнетателя происходит перемещение теплоносителя от холодного теплообменника к горячему, при этом тепло, выделившееся при намагничивании в магнитном регенераторе, передается теплоносителю и выделяется в окружающую среду в горячем теплообменнике. На третьей стадии цикла, когда поршень нагнетателя находится в крайней левой позиции и движения теплоносителя в контуре не происходит, магнитный материал в регенераторе адиабатически размагничивается, что вызывает его охлаждение на  величину магнитокалорического эффекта.  На четвертой завершающей стадии цикла (холодная продувка) теплоноситель под действием поршня нагнетателя перемещается в обратном направлении (от горячего теплообменника к холодному), охлаждается в регенераторе и поступает в холодный теплообменник, где охлаждает нагрузку. Потоки теплоносителя во время холодной и горячей продувок должны иметь   противоположные   направления.   Таким   образом,   повторение   цикла   вызывает охлаждение холодного теплообменника, т.к. тепло отбирается от нагрузки и отдается в окружающую  среду  в  горячем  теплообменнике.  Описанное устройство  может также использоваться лля перекачки тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой,   т.е.    в   качестве   теплового   насоса.   В   качестве   теплоносителя   в рассмотренной тепловой машине может использоваться жидкость или газ, а рабочее тело может представлять собой массивный материал с проделанными в нем отверстиями, набор пластин с соответствующим зазором, порошкообразный материал и другие конфигурации, обеспечивающие прохождение потока теплоносителя.

Описанное выше создание реверсивного тока теплоносителя с помощью нагнетателя было предусмотрено в ряде конструкций AMP холодильника, в частности в патентах США 4332135 (сильфонный нагнетатель), 4507928; в патенте Франции FR 2580385; в патентах СССР SU 1629706 A1, SU 1638493 A1, SU 1651055 A1, SU 1726930 A1, SU 1726931 A1; в патенте России RU 2040740 C1. Недостатком этого способа является наличие трения между стенками цилиндра и поршнем нагнетателя, приводящее к износу устройства и дополнительным энергетическим потерям. Кроме того, при таком реверсивном движении теплоносителя   возникает   так   называемый   "мертвый   объем",   когда   определенное количество теплоносителя не покидает регенератора (рабочего тела) и, таким образом, не участвует в процессе теплопереноса, что существенно снижает общую эффективность устройства. Недостатка, связанного с мертвым объемом, лишены конструкции с током теплоносителя в одном направлении, который обычно создается при помощи насоса. Такие
ю конструкции были предложены в патентах США 4107935, 4408463, 5249424, 5934078, 6526759.
Магнитное поле, необходимое для намагничивания/размагничивания рабочего тела, может   создаваться   электромагнитом,   либо   постоянным   магнитом.   Использование электромагнита  недостаточно эффективно,  т.к.  в  магнитных холодильных устройствах необходимы существенные магнитные поля, для достижения которых в электромагнитах требуется значительное время. В связи с этим в конструкциях магнитных холодильных машин предлагаются постоянные магниты или сверхпроводящие магниты, работающие в автономном   режиме   (без   подпитки   от   внешнего   источника   электроэнергии).   Для намагничивания/размагничивания рабочего тела при этом может перемещаться либо магнит относительно рабочего тела, либо само рабочее тело относительно магнита (патенты США 3393525, 4107935, 4332135, 4408463; патент Франции FR 2580385; патенты СССР SU 1629706 А1, SU 1638493 А1, SU 1651055 А1). Перемещающийся магнит может совершать возвратно-поступательное (патент США 3393525; патент Франции FR 2580385), вращательное (патент США 3393525; патенты СССР SU  1629706 А1, SU  1651055 А1; патент России RU 2040740 С1) и реверсивное вращательное движение (патент СССР SU 1638493 А1). В конструкциях с перемещающимся рабочим телом используются две основные   схемы:   возвратно-поступательное   движение   рабочего   тела   (патенты   США 4332135, 4507928, 5934078) и колесная схема, в которой происходит вращение контейнера, содержащего рабочее тело, изготовленного в виде колеса (патенты США 4107935, 4408463, 6526759).   Основным   недостатком   конструкций   с   перемещающимся   рабочим   телом является трудность обеспечения уплотнения в месте контакта между трубопроводом с теплоносителем   и   рабочим   телом.   Необходимость   создания   герметичного   контакта приводит  к возникновению  в  системе  существенного дополнительного трения,   росту связанных с этим потерь и снижению общей эффективности устройства. Кроме того, данное требование приводит к значительному усложнению конструкции магнитной холодильной машины, а в случае криогенного рабочего диапазона к невозможности использования схем с перемещающимся рабочим телом.
Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности    и    производительности    магнитной    тепловой    машины    (магнитного холодильника или теплового насоса), работающей в широком интервале температур.
Поставленная техническая задача достигается тем, что магнитная тепловая машина (магнитный холодильник или тепловой насос) содержит в своем рабочем контуре магнитное рабочее  тело,  горячий  и  холодный  теплообменники,   насосы для  создания  потока теплоносителя, вентили, переключатели направления потока теплоносителя, а также содержит    магнит,     перемещающийся    относительно    рабочего    тела    для    его намагничивания/размагничивания; а изменение направления потока теплоносителя в рабочем теле обеспечивается переключателями направления потока, управляемыми механически или электрически с помощью датчиков положения магнита.
Магнитная тепловая машина содержит в своем рабочем контуре магнитное рабочее тело, насосы для создания потока теплоносителя, горячий и холодный теплообменники, вентили и переключающие клапаны для изменения направления потока теплоносителя (переключатели      направления      потока     теплоносителя)      в     рабочем     теле. Намагничивание/размагничивание рабочего тела вызывает его нагрев или охлаждение за счет  магнитокалорического  эффекта.   Принцип   работы   машины   аналогичен   принципу работы магнитного холодильника рассмотренного выше (см. фиг.1  и связанный с ним текст), однако поток теплоносителя в контуре создается в данном случае насосом, а необходимое    изменение    направления    потока   на   стадиях   намагничивания    и размагничивания задается клапанами, переключаемыми в зависимости от положения магнита    относительно    рабочего   тела.    Клапаны    могут   быть    механическими    или электрическими    и    переключаться,    соответственно,    с   помощью    механических   и электрических схем. Для определения положения магнита относительно рабочего тела могут быть использованы концевые переключатели, оптические, магнитные (датчики Холла, магниторезистивные датчики), пьезоэлектрические, магнито-пьезоэлектрические и другие датчики.

В    зависимости    от    соотношения    эффективной    теплоемкости    теплоносителя С тн (определяемой скоростью потока теплоносителя в контуре) и теплоемкости рабочего тела Срт магнитная тепловая машина может работать в трех режимах:
1. Срт намного больше Стн (AMP режим, регенератором служит рабочее тело);
2. Срт« Стн (смешанный режим);
3. Срт намного меньше Стн (регенератором служит теплоноситель).
То, какой режим осуществляется в магнитной тепловой машине, определяется выбором теплоносителя и материала рабочего тела, а также скорости потока теплоносителя и рабочей частоты машины. Это позволяет выбрать режим работы, наиболее эффективный для получения оптимальных параметров машины при заданных условиях эксплуатации (эффективность, величина охлаждения (нагрева), потребляемая мощность и т.д.).
В качестве рабочего тела могут быть использованы ферро-, ферри-, парамагнитные материалы и материалы со сложной магнитной структурой, такие как 3d металлы Fe, Co, Ni, Мп, и др., редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Pr, Nd, Sm, их сплавы, оксиды, силициды,  германиды, арсениды  и другие соединения.  Рабочее тело может представлять собой порошок, набор пластин и других элементов, массивный материал с каналами и отверстиями и другие типы материалов, обеспечивающие прохождение потока теплоносителя. Рабочее тело может размещаться в корпусах, имеющих форму колеса, разделенного на внутренние сектора, цилиндров, параллелепипедов и т.д. В качестве теплоносителя могут использоваться, в зависимости от рабочего интервала температур, жидкости или газы. В частности, в области комнатных температур может применяться вода, водный раствор спирта и т.д., а в области температур около 20 К - газообразный гелий. Намагничивание/размагничивание рабочего тела осуществляется за счет механического перемещения  магнита относительно  рабочего тела с  помощью  гидравлического или электромагнитного   приводов,   привода   на   основе   электродвигателя,   кривошипного, редукторного и других механизмов. Магнит может совершать возвратно-поступательное, вращательное или реверсивное вращательное движение. В качестве магнита может быть использован постоянный магнит, электромагнит, сверхпроводящий магнит, работающий в автономном режиме (без подпитки от внешнего источника электроэнергии).