專利名稱：磁蓄冷器、制造磁蓄冷器的方法、制造活性磁制冷機的方法和活性磁制冷機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁蓄冷器、 一種制造磁蓄冷器的方法、 一種制造活性磁 制冷才幾的方法和一種活性磁制冷才幾。
背景技術(shù)：
在活性^磁制冷機中，活性部件是指磁舍冷器并且由磁致熱材料形成，即， 當將其置于施加^f茲場的地方就升溫的材料。這種材料早已公知，現(xiàn)在已經(jīng)認 可它們可以用于冷卻的目的。具體而言，活性^f茲制冷才幾包括^沒置在熱側(cè)熱交 換器和冷側(cè)熱交換器之間的磁蓄冷器。還要提供磁場源。傳熱流體被設(shè)置來 從冷側(cè)熱交換器到熱側(cè)熱交換器穿過磁蓄冷器以循環(huán)方式前后流動。磁場反 復(fù)地施加到磁蓄冷器或從磁蓄冷器移開，從而使之加熱或冷卻。
活性磁蓄冷器循環(huán)有四個階段。第一，施加磁場通過磁致熱效應(yīng)加熱磁 蓄冷器，使得制冷器中的傳熱流體升溫。第二，傳熱流體沿著從冷側(cè)熱交換 器到熱側(cè)熱交換器的方向流動。熱從傳熱流體釋放到熱側(cè)熱交換器。第三， 將磁蓄冷器去^茲，冷卻磁致熱材料和磁床中的傳熱流體。最后，傳熱流體穿 過冷卻的》茲床沿著從熱側(cè)熱交換器到冷側(cè)熱交換器的方向流動。流體從冷側(cè) 熱交換器帶走了熱。冷側(cè)熱交換器就能夠被用來給其他床體或系統(tǒng)提供冷卻。
由于某些金屬材料展現(xiàn)出磁致熱效應(yīng)已經(jīng)很公知，所以常規(guī)的是使用金 屬材料如禮作為磁蓄冷器。通常，磁蓄冷器包括小金屬球的多孔床。使用時， 在冷側(cè)熱交換器和熱側(cè)熱交換器之間建立溫度梯度。磁蓄冷器和傳熱流體一 起使得熱被從冷側(cè)熱交換器"吸入"到熱側(cè)熱交換器。
現(xiàn)在已經(jīng)認識到的是為了提高活性磁蓄冷器的性能，》茲蓄冷器的活性溫 度范圍，即在沿著傳熱流體通過磁蓄冷器的流動路徑上的某一位置處材料呈 現(xiàn)出磁致熱效應(yīng)的溫度，應(yīng)當與在那個位置處的制冷器的溫度相一致，即是 與在沿著流體路徑上》茲蓄冷器中的實際位置處的溫度梯度上的溫度相一致。 GB - A - 661738公開了 一種磁制冷機的方法和裝置。提供了 一種具有磁 蓄冷器的活性磁制冷機，該磁蓄冷器用板形成，該板限定出了傳熱流體的流 動路徑。磁蓄冷器的居里溫度在傳熱流體的流動方向上變化。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了 一種制造用于活性磁制冷機的磁蓄冷 器的方法，該方法包括用含有磁致熱材料的漿料或糊劑形成磁蓄冷器，該 》茲蓄冷器被形成為具有多個用于傳熱流體流經(jīng)的路徑；改變磁致熱材料和/或 漿料或糊劑的組分，從而使得磁蓄冷器的磁轉(zhuǎn)化溫度沿著路徑變化。
優(yōu)選的是，該方法包括用磁致熱材料粉末和輔助組分比如粘合劑和燒 結(jié)助劑來形成磁蓄冷器，該磁蓄冷器被形成為具有多個用于傳熱流體流經(jīng)的 路徑；改變材料的組分，從而使得磁蓄冷器的磁轉(zhuǎn)化溫度(例如，用鐵磁材 料時的居里溫度)沿著路徑變化，而且有可能是沿著與流動方向垂直的方向 變化。
磁致熱材料可以由金屬、金屬氧化物或陶瓷組成，或由這些材料混合而 成。優(yōu)選的是，該材料是非銹蝕的，例如，陶瓷材料。
在某些實施例中，本發(fā)明提供了一種制造^f茲蓄冷器的方法，該方法使用 了將漿料或糊劑中的粉末材料成形的方法，然后將其烘干并燒結(jié)；燒結(jié)可以 在受控制的時間、溫度和大氣狀態(tài)下進行，例如，在壓縮或者氧化的大氣中。 燒結(jié)形成了具有所需高密度的固體物，其具有機械穩(wěn)定性并且易于處理。這 種方法使得組分以及隨之而產(chǎn)生的材料的磁致熱屬性易于不斷改變。更進一 步地，它使得磁蓄冷器能夠以這樣一種方式制造，即磁蓄冷器在某一點上的 活性溫度范圍與在該點上傳熱流體的溫度一致。
在優(yōu)選實施例中，"未加工的"(未燒結(jié)的)磁致熱組分的表面可以圖案 化或波紋化從而提高有效表面積，這樣將熱充分地傳遞給液體。而且，在使 用陶資、非銹蝕組分的情況下，組分的燒結(jié)確保了機械穩(wěn)定性。而且，在優(yōu) 選實施例中使用陶瓷、非銹蝕材料保證使得制造磁蓄冷器的成本比使用傳統(tǒng) 金屬磁致熱材料制造磁蓄冷器的成本低。此外，使用這種材料避免了與易于 被傳熱流體腐蝕的磁致熱金屬材料相關(guān)的腐蝕問題。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種制造活性磁制冷機的方法，該方
法包括提供根據(jù)本發(fā)明的第一個方面的方法制造的磁蓄冷器；提供磁鐵以 有選擇地給磁蓄冷器施加磁場或去除磁場；提供傳熱流體驅(qū)動器，用于驅(qū)動 傳熱流體以與施加磁場和去除磁場同步的方式前后穿過磁蓄冷器。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供一種磁制冷機，包括由磁致熱材料做 成的、具有多個通道的磁蓄冷器，使用時傳熱流體前后流動穿過該通道，其 中磁致熱材料的磁轉(zhuǎn)化溫度在傳熱流體流動的方向上變化。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，提供一種由磁致熱材料做成的、具有多個路 徑的磁蓄冷器，使用時傳熱流體前后流動穿過該路徑，其中磁制冷器的磁轉(zhuǎn) 化溫度沿著該路徑變化。


現(xiàn)在參考附圖詳細描述本發(fā)明的示例，其中 圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁制冷機的示例的示意圖； 圖2圖示了制造》茲蓄冷器的方法的示例的示意圖； 圖3圖示了制造^茲蓄冷器的方法的另一示例； 圖4A和4B圖示了制造磁蓄冷器的方法的另一示例；和， 圖5圖示了制造》茲蓄冷器的方法的另一示例。
具體實施例方式
圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁制冷機的示例的示意圖。制冷機包 括設(shè)置為與每個冷側(cè)熱交換器6和熱側(cè)熱交換器8熱連通的磁致熱單元4。 傳熱流體10因受力而前后穿過磁致熱單元4。在所示的該示例中，活塞12 和14給傳熱流體10施力使之穿過磁致熱單元4。
也提供磁鐵(未圖示)來有選擇地給磁致熱單元4施加磁場或去除磁場。 該磁鐵可以是7、久磁鐵或這種磁鐵的陣列、電磁鐵或電磁線圏。為了低溫應(yīng)
用，該電》茲線圏可以用超導(dǎo)材料形成，而且可以用低溫冷卻液比如液態(tài)氮來冷卻。
在所示的該具體示例中，圖示了磁致熱單元的垂直剖面。磁致熱單元4 包括板16,板之間形成了傳熱流體沿著流動的通道或路徑18。
圖1中還圖示了磁致熱單元在x方向上從冷側(cè)熱交換器到熱側(cè)熱交換器 的溫度變化的圖表。在冷側(cè)熱交換器6和熱側(cè)熱交換器8之間建立溫度梯度。 在任一位置x的溫度T (x )在溫度T冷和T *之間變化?？紤]到已經(jīng)認識到材 料的磁致熱效應(yīng)隨著溫度而變化并且在或靠近該材料的磁轉(zhuǎn)化溫度時是最大 值的事實，該板被如此形成，即磁致熱單元4內(nèi)的板16的磁轉(zhuǎn)化溫度在冷側(cè) 熱交換器6和熱側(cè)熱交換器8之間的方向上變化。為了最優(yōu)化該制冷機的性能，用于形成磁致熱單元4的材料是有選擇的， 這樣在位置Xo,單元4具有在溫度T。的最大磁致熱效應(yīng)。這確保了該設(shè)備獲 得最大可能的磁致熱效應(yīng)。如下面將要解釋的，這可以通過控制和/或改變用 于形成單元4的材料或^:分末的組分來獲得。圖1所示示例中的用于形成磁致熱單元4的凈反16的一種或多種材料可以 是非銹蝕材料，即它們是暴露于液體比如傳熱流體中也不腐蝕的材料。最好 是使用陶瓷材料，因為這可以避免在磁蓄冷器中使用的傳統(tǒng)的金屬材料比如 釓而帶來的腐蝕問題。尤其是用金屬形成磁致熱單元4時，由于傳熱流體的 流動，》茲致熱單元的腐蝕可能就是一個問題。相應(yīng)地，圖l所示的示例中， 就可以避免這個問題。在一個示例中，可以并排設(shè)置如圖l所示的兩個或多個系統(tǒng)。提供可移 動的永久磁鐵，使得該磁鐵可以被持續(xù)利用。當一個制冷器被去磁時，可以 用磁鐵來磁化其它磁鐵中的 一個。使用中，剛開始時，磁致熱單元4被去磁。 一旦施加磁場，由于磁蓄冷 器的》茲熵的P爭低和相應(yīng)的熱熵的升高，磁致熱單元4的溫度就上升。磁致熱 單元中的傳熱流體隨著^f茲致熱單元4而升高溫度。然后活塞12和14被驅(qū)動 向右移動，從而迫使傳熱流體IO朝著熱側(cè)交換器8向磁致熱單元的左側(cè)移動 進入板16和傳熱流體之間的空間內(nèi)，該傳熱流體在磁致熱單元中且由于磁致 熱單元的溫度升高而被加熱。換句話i兌，初始時在》茲蓄冷器中的、由于施加》茲場而被加熱的傳熱流體 被迫朝著熱側(cè)熱交換器移動，此處，該傳熱流體放出由于施加磁場所獲得的 一些熱。然后例如通過關(guān)閉用來產(chǎn)生磁場的電磁鐵或電磁線圏的電源去除磁場。 這導(dǎo)致了磁熵的升高和相應(yīng)的熱熵的降低。磁致熱單元4的溫度因此而降低。 由于磁致熱單元4的溫度下降，磁致熱單元4中的傳熱流體在這個階段經(jīng)過 了類似的溫度下降。當活塞向左(圖l)移動時，這種冷卻的傳熱流體就由活塞12和14迫^吏朝著》茲制冷才幾(其真實的配置如圖1所示)的左手邊和能 夠例如從被冷卻的物體接收熱的冷側(cè)熱交換器6移動。然后可以重復(fù)該循環(huán)。圖2圖示了制造^f茲蓄冷器的方法的示例的示意圖。該示例圖示了一種包 括傳送帶18和多個漿料或糊劑容器20的流延成型系統(tǒng)(tape casting system )。 每個漿料容器容納了具有特定的預(yù)定^ 茲轉(zhuǎn)化溫度的陶瓷材料的組分。漿料的 磁轉(zhuǎn)化溫度在漿料容器20內(nèi)從左到右單值增加。換句話說，在第一容器中的 漿料具有特定的磁轉(zhuǎn)化溫度Tp并且每個容器中的漿料具有它單獨的磁轉(zhuǎn)化 溫度T2-T1(),從T!到Tu)單值增加。這樣用于形成;茲蓄冷器的磁致熱材料和 /或漿料或糊劑的組分也是不同的?？商鎿Q地，可以使用在其中適當放置隔板來將其分割的單個漿料容器。 漿料或糊劑被形成為適于按照需求對混合物處理從而形成》茲致熱單元。例如， 因此而確定漿料或糊劑的粘度。將磁帶流延成型為具有大約O.lmm至大約5mm (最好是大約lmm)的 厚度。然后將磁帶切成隨后能夠被巻成圓柱體的板或者帶。在帶被巻成圓柱 體時，該帶子以這樣的方式切割，即使得磁轉(zhuǎn)化溫度沿著圓柱體的縱軸變化。 圓柱體最好是這樣形成，即磁轉(zhuǎn)化溫度沿著圓柱體單值變化。由于是在傳送帶18上進行澆鑄，所以用刮刀22來控制磁帶的高度。使 用多個漿料容器使得最終產(chǎn)品的磁轉(zhuǎn)化溫度的變化可以得到精確控制。然后在可以是氧化的或壓縮的受控環(huán)境中、溫度在從大約100至大約 1500攝氏度下將磁帶(或板、圓柱體等)燒結(jié)(至所需密度和形狀穩(wěn)定性) 2-24小時。燒結(jié)使磁帶具有致密性，并使得它們具有機械穩(wěn)定性并易于處 理。用于形成漿料的實際材料依賴于制冷機所需的溫度范圍。當需要具有從 40攝氏度到零攝氏度的溫度范圍時，可以使用下面的組分(例如，每份漿料 或糊劑一份)La0.67Cao. 18Sr0.15Mn03; La0.67Ca0.194Sr0.136Mn03;La0.67Ca0.208Sr0.!08MnO3; La0.67Ca0.222Sr0.108MnO3;La0.67Ca0.236Sro.o94Mn03; 組分La0.67Ca0.249!Sr0.081MnO3; Lao.67Ca0.263Sr0.067Mn03; La0.67Ca0.277Sr0.053MnO3;La0.67Ca0,291Sr0.039MnO3; La0.67Ca0.305Sr0.025MnO3。當需要具有從40攝氏度到-20攝氏度的溫度范圍時，可以使用下面的La0.67Ca0.!8Sr0.15Mn03; Lao.67Ca0.!97Sr0.!33Mn03; Lao.67Cao.213Sr0.117Mn03; La^Cao^SrcuMnOs;、.La0.67Cao.247Sr0.083Mn03;Lao.67Cao.263Sr0.067Mn03; Lao.67Cao.28Sr0.05Mn03;Lao.67Cao.297Sro.o33Mn03;La0.67Ca0.313Sr0.017MnO3; Lao.67Cao.33Mn03 。此外，也可以使用下面的材料形成磁蓄冷器。(R,R,，R")Lx(A，A，,A";yV[O，其中0.15^x^0.5和并且R， R，， R"(可以是同樣的)從La, Pr， Y， Nd的組中選擇A，A，，A"(可以是同樣的)從Ca,Sr，Ba，Na,K的組中選擇M是從Mn, Cr, Co的組中選擇圖3圖示了制造^茲蓄冷器的方法的另一示例。在圖3所示的示例中，提 供了擠壓機24。擠壓機包括具有設(shè)置在其中的驅(qū)動器28的腔26。提供開口 30，在該方法的操作過程中，擠壓成形產(chǎn)品32穿過該開口而出來。制備多個具有不同組分的糊劑來保證它們具有相應(yīng)的不同的磁轉(zhuǎn)化溫 度。不同的糊劑被堆疊在給料器34中。糊劑的磁轉(zhuǎn)化溫度隨著疊層向下而單 值升高。材料在疊層中的次序可以是周期性地重復(fù)，以有利于持續(xù)擠壓管32。 如在上述參考附圖2的示例中所描述的那樣，在受控的條件下將燒結(jié)擠壓管 32幾個小時。在管34被用在圖1所示的磁致熱單元4中的情況下，管可以放置在密閉 結(jié)構(gòu)中來提供用于傳熱流體在熱側(cè)熱交換器和冷側(cè)熱交換器之間的路徑。 圖4A和4B圖示了制造磁蓄冷器的方法的另一示例。在這個示例中，同l劑以使得它們具有相應(yīng)的不同的磁轉(zhuǎn)化溫度。糊劑 36被如此堆疊，即沿著疊層向下而使疊層的磁轉(zhuǎn)化溫度單值升高。提供具有 突叉40的打孔器38。使用打孔器38為疊層36打孔，留下具有形成于其中 的通道44的材料塊42(圖4B)。通道44由具有沿著通道44的縱軸方向變化 的磁轉(zhuǎn)化溫度的壁形成。并且，如上面所描述的示例，然后在受控制的條件 下將塊42燒結(jié)幾個小時。圖5圖示了制造^茲蓄冷器的方法的另一示例。在這個示例中，同樣制備 具有不同組分的糊劑以使得它們具有相應(yīng)的不同的磁轉(zhuǎn)化溫度。該糊劑被形 成為圓柱體46并一個挨一個地排列以形成坯48，從而使得坯48的i茲轉(zhuǎn)化溫 度沿著坯向下單值升高。坯48穿過壓延機的對轉(zhuǎn)輥50,這樣就形成了具有 不同磁轉(zhuǎn)化溫度的薄板52。而且，如上面所描述的示例那樣，然后在受控制 的條件下將薄板52燒結(jié)幾個小時。在圖2-5所描述的每個示例中，都可以制造磁致熱單元的替代配置。在 每種情況下，都要形成用于傳熱流體的多個通道。只要提供用于傳熱流體的 多個通道，就可以使用磁致熱單元的任意配置。示例中包括以0.1-5mm的間 隔堆疊在一起的薄板(厚度0.1-5mm)、混凝土管和具有在環(huán)形橫截面中堆疊 的圓的或其它橫截面(例如六角形)的小管。這些管可以是直的或環(huán)形的。已經(jīng)結(jié)合特定的參考示例詳細描述了本發(fā)明的實施例。但是，可以知道 在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對所描述的示例做變形和修改。
權(quán)利要求
1.一種制造用于活性磁制冷機的磁蓄冷器的方法，該方法包括用含有磁致熱材料的漿料或糊劑形成磁蓄冷器，該磁蓄冷器被形成為具有用于傳熱流體流經(jīng)的多個路徑；和改變磁致熱材料和/或漿料或糊劑的組分，從而使得磁蓄冷器的磁轉(zhuǎn)化溫度沿著所述路徑變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述磁致熱材料選自金屬、金屬氧 化物或陶資中一種或多種、或者其組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述磁致熱材料是陶瓷，該方法包括形成具有所需》茲致熱性能的陶瓷組分的混合物； 處理所述混合物以生成f茲蓄冷器的組成部分；和 排列該組成部分以形成磁蓄冷器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，包括改變陶瓷材料的組分以獲得磁蓄冷器的磁轉(zhuǎn)化溫度沿著所述路徑的所需 變化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其中形成具有所需磁性能的陶瓷材 料的混合物，包括制備具有不同材料比例的粉末的漿料或糊劑，其中所使用的材料比例是這 樣選擇的，即混合物的磁性能是所需的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3-5中的任一項所述的方法，其中處理混合物以生成》茲 蓄冷器的組成部分的步驟包括流延成型該混合物以得到具有所需磁性能的材料層；和 燒結(jié)該層至所需密度和形狀穩(wěn)定性，從而得到具有沿著板的長度變化的磁 轉(zhuǎn)化溫度的薄板。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3-5中的任一項所述的方法，其中處理混合物以生成磁 蓄冷器的組成部分的步驟包括流延成型該混合物以得到具有所需磁性能的材料層；將該流延成型材料形成帶；將該帶巻成管，從而該管的磁轉(zhuǎn)化溫度沿著該管的縱軸方向變化；和 燒結(jié)該管至所需密度和形狀穩(wěn)定性。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3-5中的任一項所述的方法，其中處理混合物以生成磁 蓄冷器的組成部分的步驟包括擠壓該混合物以生成基本管狀的部件，該管狀部件具有沿著該管狀部件的 縱軸變化的磁轉(zhuǎn)化溫度；和燒結(jié)該管狀部件至所需密度和形狀穩(wěn)定性。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3-5中的任一項所述的方法，其中處理混合物以生成磁 蓄冷器的組成部分的步驟包括生成由層形成的材料塊，每層具有不同的磁轉(zhuǎn)化溫度； 使多個縱向突起穿過該塊，從而在該材料中形成多個通道，其中磁轉(zhuǎn)化溫 度沿著每個通道變化；和燒結(jié)該塊至所需密度和形狀穩(wěn)定性。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3-5中的任一項所述的方法，其中處理混合物以生成 磁蓄冷器的組成部分的步驟包括生成由帶形成的材料坯，每條帶具有不同的^f茲轉(zhuǎn)化溫度； 使該坯穿過壓延機，從而形成薄板；和 燒結(jié)該板至所需高密度和形狀穩(wěn)定性。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3-10中的任一項所述的方法，其中在燒結(jié)之前將》茲蓄 冷器的組成部分波紋化或圖案化以增大它們的表面積。
12. 根據(jù)權(quán)利要求3-11中的任一項所述的方法，其中混合物被形成為包 括如下組分La。.67Caa33.xSrxMn03，其中，x在0和0.33之間變化，混合物的 磁轉(zhuǎn)化溫度對于0和0.33之間的每個x值是不同的。
13. 根據(jù)權(quán)利要求3-11中的任一項所述的方法，其中混合物被形成為包 括如下組分(R,R，，R")卜x(A,A,，A")xMCW其中0.15^x^0.5且0SS^0.5;R, R，， R"(可以是相同的)選自于La, Pr, Y和Nd;A, A，， A,，(可以是相同的)選自于Ca, Sr, Ba, Na和K;并且 M選自于Mn, Cr和Co。
14. 一種制造活性磁制冷機的方法，該方法包括 提供根據(jù)權(quán)利要求1 - 13中的任一項的方法制造的磁蓄冷器； 提供磁鐵，用于有選擇地給磁蓄冷器施加磁場和去除磁場；和 提供傳熱流體驅(qū)動器，用于驅(qū)動傳熱流體以與施加磁場和去除磁場同步的方式來回流經(jīng)該》茲蓄冷器。
15. —種磁制冷才幾，包括由陶瓷材料^L成的、具有多個通道的^ 茲蓄冷器，使用中，使傳熱流體來回 流經(jīng)該通道，其中磁蓄冷器的磁轉(zhuǎn)化溫度在傳熱流體流動的方向上變化。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的磁制冷機，包括磁鐵，在傳熱流體來回流經(jīng)磁蓄冷器時，用于給磁蓄冷器施加磁場和去除 磁場。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的磁制冷機，包括熱側(cè)熱交換器，用于當傳熱流體流經(jīng)磁化的磁蓄冷器時從傳熱流體中去除 熱量；和冷側(cè)熱交換器，用于當傳熱流體流經(jīng)去磁的磁蓄冷器時給傳熱流體提供熱
18. —種磁蓄冷器，包括多個路徑，由陶瓷材料做成的，使用時，使傳熱 流體來回流經(jīng)該路徑，其中磁蓄冷器的磁轉(zhuǎn)化溫度沿著該路徑變化。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制造用于活性磁制冷機的磁蓄冷器(4)的方法，該方法包括用含有磁致熱材料的漿料(20)或糊劑(20)形成磁蓄冷器，該磁蓄冷器(4)形成為具有用于傳熱流體流經(jīng)的多個路徑(44)；并且改變磁致熱材料的組分，從而使得磁蓄冷器的磁轉(zhuǎn)化溫度沿著路徑(44)變化。
文檔編號F25B21/00GK101115962SQ200580046418
公開日2008年1月30日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月12日
發(fā)明者安諾斯·斯米特, 安諾斯·雷韋斯·迪內(nèi)森, 尼尼·普呂斯, 瑟倫·林德羅特 申請人:丹麥理工大學(xué)