RU170750U1 - Magnetic heat engine - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к холодильной или тепловой технике, а именно к холодильным машинам или тепловым насосам, использующим в качестве рабочего тела твердотельный магнитный материал с магнитокалорическим эффектом.Магнитная тепловая машина содержит горячий и холодный контуры с соответствующими теплообменниками, насос для перемещения теплоносителя и трехходовой электромагнитный клапан для переключения контуров теплоносителя, магнитную систему, контроллер и магнитное рабочее тело с возможностью перемещения относительно магнитной системы для его намагничивания/размагничивания.Использование полезной модели позволяет упростить конструкцию магнитной тепловой машины. 1 ил.The utility model relates to refrigeration or heat engineering, namely to refrigerators or heat pumps using solid-state magnetic material with magnetocaloric effect as a working medium. The magnetic heat engine contains hot and cold circuits with corresponding heat exchangers, a pump for moving the heat carrier, and a three-way solenoid valve for switching coolant circuits, a magnetic system, a controller and a magnetic working fluid with the ability to move relative to magnetic oh system for its magnetization / demagnetization. Using a utility model allows to simplify the design of the magnetic heat engine. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к холодильной или тепловой технике, а именно к магнитным тепловым машинам (холодильным машинам или тепловым насосам), использующим в качестве рабочего тела твердотельный магнитный материал с магнитокалорическим эффектом.The utility model relates to refrigeration or thermal technology, namely to magnetic heat engines (refrigerators or heat pumps) using solid-state magnetic material with magnetocaloric effect as a working medium.

Магнитокалорический эффект (МКЭ) проявляется в обратимом поглощении или выделении тепла в магнитном материале при приложении/снятии внешнего магнитного поля. Циклы намагничивания/размагничивания магнитного материала сходны с циклами расширения/сжатия газа и могут быть использованы в магнитных тепловых машинах и в магнитных рефрижераторах [Белов К.П. Магнитотепловые явления в редкоземельных магнетиках М.: Наука, 1990, 96 с.].The magnetocaloric effect (FEM) is manifested in the reversible absorption or release of heat in a magnetic material upon application / removal of an external magnetic field. Magnetization / demagnetization cycles of magnetic material are similar to gas expansion / compression cycles and can be used in magnetic heat engines and in magnetic refrigerators [Belov KP Magnetothermal phenomena in rare-earth magnets M .: Nauka, 1990, 96 pp.].

Для осуществления термодинамических циклов передачи тепла от рабочего тела к горячим и холодным теплообменникам устройств можно использовать потоки жидкости или газа (теплоносителя) после тепловой регенерации ими рабочего тела при приложении/снятии внешнего магнитного поля.To implement thermodynamic cycles of heat transfer from the working fluid to the hot and cold heat exchangers of the devices, it is possible to use flows of liquid or gas (heat carrier) after thermal regeneration of the working fluid by them when an external magnetic field is applied / removed.

Различные способы и устройства реализации подобных магнитных тепловых машин на основе технических термодинамических циклов типа Стирлинга, Брайтона и других активных магнитных регенерационных циклов, достаточно подробно описаны в [K.A. Gschneidner, Jr., V.K. Pecharsky. Thirty years of near room temperature magnetic cooling: Where we are today and future prospects. International Journal of Refrigeration 31 (2008) 945-961].Various methods and devices for the implementation of such magnetic heat engines based on technical thermodynamic cycles such as Stirling, Brighton and other active magnetic regeneration cycles are described in detail in [K.A. Gschneidner, Jr., V.K. Pecharsky. Thirty years of near room temperature magnetic cooling: Where we are today and future prospects. International Journal of Refrigeration 31 (2008) 945-961].

Конструкции этих устройств обычно включают замкнутые холодный и горячий контуры с реверсивным нагнетателем или насосами для перемещения теплоносителя.The designs of these devices typically include closed cold and hot circuits with a reversible supercharger or pumps to move the coolant.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому решению является магнитная тепловая машина [Патент России №2252375, МПК F25B 21/00, опубликован 20.05.2005], содержащая в своем рабочем контуре магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники, насосы для создания потока теплоносителя, переключатели направления потока теплоносителя, а также магнит, перемещающийся относительно рабочего тела для его намагничивания/размагничивания, в которой изменение направления потока теплоносителя в рабочем теле обеспечивается переключателями направления потока, управляемыми электрически с помощью датчиков положения магнита, а для определения положения магнита относительно рабочего тела в машине использованы концевые переключатели.The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed solution is a magnetic heat engine [Russian Patent No. 22252375, IPC F25B 21/00, published 05/20/2005], containing in its working circuit a magnetic working fluid, hot and cold heat exchangers, pumps for creating the flow of the coolant, switches the direction of flow of the coolant, as well as a magnet moving relative to the working fluid to magnetize / demagnetize, in which a change in the direction of flow of the coolant in the working fluid is provided I have flow direction switches controlled electrically using magnet position sensors, and limit switches are used to determine the position of the magnet relative to the working fluid in the machine.

Конструкция прототипа [Патент России №105009, МПК F25B 21/00, опубликован 13.01.2011] содержит два независимых замкнутых контура с двумя насосами для перемещения теплоносителей, большое количество электроуправляемых переключателей направления потока жидкости, что усложняет конструкцию машины и уменьшает ее надежность.The prototype design [Russian Patent No. 105009, IPC F25B 21/00, published January 13, 2011] contains two independent closed circuits with two pumps for moving coolants, a large number of electrically controlled switches for the direction of fluid flow, which complicates the design of the machine and reduces its reliability.

Задачей полезной модели является упрощение конструкции магнитной тепловой машины.The objective of the utility model is to simplify the design of the magnetic heat engine.

Поставленная задача решается за счет того, что в магнитной тепловой машине, содержащей магнитное рабочее тело, горячий и холодный теплообменники и магнит, устройства перемещения и изменения направления потока теплоносителя выполнены с одним насосом и с одним трехходовым электромагнитным клапаном.The problem is solved due to the fact that in a magnetic heat engine containing a magnetic working fluid, hot and cold heat exchangers and a magnet, devices for moving and changing the direction of flow of the coolant are made with one pump and with one three-way electromagnetic valve.

Использование одного электромагнитного клапана и одного насоса позволяет упростить схему трубопроводов и уменьшить материалоемкость конструкции.Using one solenoid valve and one pump allows you to simplify the piping scheme and reduce the material consumption of the structure.

Предложенная полезная модель схематически изображена на рисунке. Магнитная тепловая машина состоит из радиатора 1, холодильной камеры 2, магнитной системы (МС) 3, ячейки с рабочим телом 4, электромагнитного трехходового клапана 5, насоса 6, линейного привода 7, холодного контура 8, горячего контура 9, контроллера 10.The proposed utility model is shown schematically in the figure. The magnetic heat engine consists of a radiator 1, a cooling chamber 2, a magnetic system (MS) 3, a cell with a working fluid 4, an electromagnetic three-way valve 5, a pump 6, a linear actuator 7, a cold circuit 8, a hot circuit 9, a controller 10.

Змеевик холодильной камеры 2 и радиатор 1 выполнены из материала, обладающего высокой теплопроводностью, например из меди или алюминиевого сплава. Рабочее тело, обладающее магнитокалорическим эффектом, помещено в контейнер 4, выполненный из немагнитного материала, с низкой теплопроводностью, например из капролона.The coil of the refrigerating chamber 2 and the radiator 1 are made of a material having high thermal conductivity, for example, copper or aluminum alloy. A working fluid with a magnetocaloric effect is placed in a container 4 made of non-magnetic material with low thermal conductivity, for example, from caprolon.

Рабочий контур заполнен теплоносителем, в качестве которого могут использоваться, в зависимости от рабочего интервала температур, жидкости или газы. Теплоемкость теплоносителя значительно меньше теплоемкости рабочего тела.The working circuit is filled with coolant, which can be used, depending on the operating temperature range, liquids or gases. The heat capacity of the coolant is much less than the heat capacity of the working fluid.

Материал рабочего тела может быть использован в форме, обеспечивающей прохождение потока теплоносителя, например набор пластин или шариков, дисперсный порошок, массивный материал с каналами и отверстиями и другие типы.The material of the working fluid can be used in a form that allows the flow of heat carrier, for example, a set of plates or balls, dispersed powder, bulk material with channels and holes and other types.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно использование одного электромагнитного трехходового клапана вместо большого количества электроуправляемых переключателей направления потока теплоносителя и одного насоса вместо двух позволяет упростить схему трубопроводов и уменьшить материалоемкость конструкции.There is a causal relationship between the set of essential features of the claimed object and the achieved technical result, namely the use of one electromagnetic three-way valve instead of a large number of electrically controlled switches of the flow direction of the coolant and one pump instead of two allows us to simplify the piping scheme and reduce the material consumption of the structure.

Магнитная тепловая машина работает следующим образом.Magnetic heat engine operates as follows.

Контроллер 10 сравнивает температуры окружающей среды, холодильной камеры 2 и ячейки с рабочим телом 4 и управляет работой привода ячейки 7. При введении ячейки 4 в МС 3 происходит нагрев рабочего тела на ΔT, теплоноситель, двигаясь по горячему контуру 9, поступает на радиатор 1, где рассеивает это тепло, при совпадении температур окружающей среды и горячего контура 9 клапан 5 переключается на холодный контур 8, по нему теплоноситель движется до выравнивания температур в холодильной камере 2 и рабочей ячейке 4. При выравнивании этих температур рабочая ячейка 4 выводится из МС 3 приводом 7, при этом температура рабочего тела понижается на ΔT. Теплоноситель продолжает течь по холодному контуру 8 до выравнивания температур в холодильной камере 2 и ячейке 4. При совпадении температур клапан 5 переключается на горячий контур 9, и ячейка 4 приводом 7 вводится в МС 3, цикл начинается снова.The controller 10 compares the temperatures of the environment, the refrigerating chamber 2 and the cell with the working fluid 4 and controls the operation of the cell 7 drive. When the cell 4 is inserted into the MC 3, the working fluid is heated to ΔT, the coolant moving along the hot circuit 9 enters the radiator 1, where this heat dissipates, when the ambient temperatures coincide with the hot circuit 9, the valve 5 switches to the cold circuit 8, along which the coolant moves until the temperatures in the refrigeration chamber 2 and the working cell are equalized. When these temperatures are equalized, tea cell 4 is output from the IPU 3, drive 7, wherein the temperature of the working fluid is reduced by ΔT. The coolant continues to flow along the cold circuit 8 until the temperatures in the refrigerating chamber 2 and cell 4 are equalized. When the temperatures coincide, the valve 5 switches to the hot circuit 9, and the cell 4 is inserted into the MS 3 by the actuator 7, the cycle starts again.

Предложенная модель магнитной тепловой машины с одним горячим теплообменником вместо двух, насосом и одним трехходовым клапаном вместо четырех неуправляемых обратных клапанов позволила существенно упростить конструкцию магнитной тепловой машины.The proposed model of a magnetic heat engine with one hot heat exchanger instead of two, a pump and one three-way valve instead of four uncontrolled check valves made it possible to significantly simplify the design of the magnetic heat engine.

Claims (1)

Магнитная тепловая машина, содержащая горячий и холодный контуры с соответствующими теплообменниками, устройства, обеспечивающие перемещение теплоносителя и переключение контуров, магнитную систему, контроллер и магнитное рабочее тело с возможностью перемещения относительно магнитной системы для его намагничивания/размагничивания, отличающаяся тем, что она содержит один электромагнитный трехходовой клапан и один насос.A magnetic heat engine containing hot and cold circuits with corresponding heat exchangers, devices for moving the coolant and switching circuits, a magnetic system, a controller and a magnetic working fluid with the ability to move relative to the magnetic system for magnetizing / demagnetizing, characterized in that it contains one electromagnetic three-way valve and one pump.

Images