用于主動再生磁熱或電熱熱力發(fā)動機的多材料葉片的制作方法
【專利說明】
[0001] 本專利申請是2012年6月29日申請的申請?zhí)枮?01280032779.4的名稱為"用于主 動再生磁熱或電熱熱力發(fā)動機的多材料葉片"的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及一種用在主動再生磁熱或電熱熱力發(fā)動機中的多材料葉片。具體地， 多材料葉片在相應(yīng)發(fā)動機中用作主動磁再生器(AMR)或主動電熱再生器(AER)，并設(shè)計為顯 著地改進其性能。
[0003] 運種熱力發(fā)動機可用在冷卻、熱累和能量回收應(yīng)用中。
[0004] 主動磁再生發(fā)動機和主動磁再生器首先由Barclay(例如，參見US 4,332,135)確 定為能夠利用鐵磁材料的磁熱效應(yīng)，W在相對寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)制冷和冷卻。較早的稱 為布朗磁熱裝置(參見US 4,069,028)的裝置，雖然不是主動磁再生循環(huán)，但也利用再生循 環(huán)。
[0005] 材料
[0006] 磁熱材料呈現(xiàn)出磁熱效應(yīng)(MCE )，磁熱效應(yīng)是施加或移除磁場時溫度發(fā)生變化(典 型地在絕熱條件下測量）。在等溫條件下，磁場的施加或移除驅(qū)動MCE材料的賭變化。
[0007] 電熱材料呈現(xiàn)出電熱效應(yīng)巧CE)，電熱效應(yīng)是施加或移除電場時溫度發(fā)生變化(典 型地在絕熱條件下測量）。在等溫條件下，電場的施加或移除驅(qū)動ECE材料的賭變化。
[000引場(根據(jù)材料或者是電場或者是磁場)的存在促使賭從一種狀態(tài)過渡到另一狀態(tài)。 賭變化的大小取決于施加的場的大小，并且變化的符號取決于過渡的性質(zhì)。與賭變化相關(guān) 的過渡發(fā)生時的特征溫度已知為居里溫度(Tc)。
[0009] 呈現(xiàn)出運些特性的材料包括但無意限制為，GcK鐵磁順磁過渡）、化化(變磁性的反 鐵磁性到鐵磁性過渡）、BaTi03(鐵電到順電過渡）W及例如P(VDF-TrFE-氯氣乙締）（顯示弛 豫鐵電行為）。
[0010] 基本磁制冷循環(huán)
[OOW 圖1曰示出基本的（非再生的）磁制冷循環(huán)，表示當暴露于磁場(例如，順磁到鐵磁） 過渡時顯示正溫度變化的磁熱材料。
[001^ 當執(zhí)行階段語4時，磁熱材料在理想的情況下遵循循環(huán)ABCD，如圖2a所示。AB和CD 是由于分別增加或減少磁場而引起的"絕熱"溫度變化，并分別對應(yīng)圖Ia的階段1和3dBC和 DA是通過磁熱材料與換熱流體之間的熱交換完成的，并分別對應(yīng)圖Ia的階段巧日4。換熱流 體可經(jīng)由熱交換器從外界吸收熱或向外界排放熱。磁熱材料的絕熱溫度變化被標記為A T (熱和冷）。
[0013] 該循環(huán)的最大跨度(TcDid與化。t之間的差值)是具有低冷卻功率的'絕熱'溫度變化 (A Tcold或A Thot)。最大冷卻功率是在低跨度(在此由圖2a中的CA給出A S)處的A S ? Tmeano 對于電熱材料可產(chǎn)生類似的冷卻循環(huán)。
[0014] 磁熱（或電熱)材料的有用特性可通過繪制用于升高和降低磁場或電場的A S(T) 和A T(T)的圖來表征。運在圖2c中示出。實際上，A S和A T曲線是圖2a所示的低場與高場曲 線之間差值(或者溫度或者賭）與溫度之間的關(guān)系曲線。運些A S和A T曲線W及對應(yīng)的T-S 圖用于設(shè)計最佳的冷卻循環(huán)。
[0015] 主動再生循環(huán)
[0016] Barclay的主動磁再生循環(huán)表現(xiàn)了在前文所述的基本磁循環(huán)上的溫度跨度的顯著 延伸。
[0017] 當磁制冷劑通過施加磁場變熱時，流經(jīng)制冷劑材料的開放式多孔裝置的換熱流體 將"熱"轉(zhuǎn)移到一端。當制冷劑材料通過移除磁場冷卻時，相同的換熱流體反向流動并將 "冷"轉(zhuǎn)移到另一端。當換熱流體在AMR的兩端之間循環(huán)流動，并且W相同的周期施加和移除 磁場時，在AMR的冷端側(cè)與熱端側(cè)之間建立起溫度梯度。在圖Ib中示出了該概念性構(gòu)思。結(jié) 果是，橫跨制冷劑可產(chǎn)生30K (或更大)的顯著溫度梯度。
[0018] 在理想的AMR的任一點處，局部制冷劑材料、施加的場W及局部溫度將確定實際局 部TS(ABCD)類型循環(huán)。但是，每個點都經(jīng)由換熱流體連接，所W總體上，整個床可被認為經(jīng) 受與圖化的"A" "B""護"護"A"循環(huán)對應(yīng)的串聯(lián)連接的換熱流體。
【背景技術(shù)】
[0019] Barclay的AMR設(shè)計由具有開放式多孔結(jié)構(gòu)的磁熱材料組成，并且換熱流體穿過磁 熱材料并與磁熱材料交換熱。簡單的開放式多孔結(jié)構(gòu)是粉末填充床，已經(jīng)對運種填充床再 生器化S 4,332,135，US 6,526,759)還有固體填充床再生器化S 2010/0107654 Al)進行了 大量工作。已實現(xiàn)了熱側(cè)與冷側(cè)之間的令人印象深刻的溫度梯度。
[0020] 但是，粉末床具有一些缺點。主要的缺點是其低操作速度，典型地僅有0.1 Hz至 IHz。操作速度是換熱流體和磁場可W循環(huán)的頻率。低頻率轉(zhuǎn)化為每瓦特冷卻的相對大、重 并昂貴的溶液。當在更高頻率下使用液態(tài)換熱流體時，由于橫跨多孔填充床AMR的高壓降， 導(dǎo)致頻率限制升高。壓降導(dǎo)致大的粘性，從而導(dǎo)致累送損失。雖然利用氣態(tài)的換熱介質(zhì)可減 小壓降和粘滯損失，但由于氣體的低熱容限制了可用的冷卻功率。
[0021] 粉末床的另一缺點是，可實現(xiàn)的最高填充密度是74% (在六方緊密堆積化CP)和面 屯、立方(FCC)中），并且在實踐中實際可獲得的填充密度甚至更低。在最好的情況下，26%的 磁場量不被磁熱材料占用。但是，關(guān)鍵的是磁場利用率的最大化，W實現(xiàn)滿足成本和尺寸要 求并利用緊湊磁體的商業(yè)解決方案。
[0022] 此外，上述"絕熱溫度變化"AB實際上是達不到絕熱的，因為存在與磁熱材料直接 接觸的換熱流體，熱傳遞到換熱流體。因此，圖2所示的循環(huán)ABCD更像也在圖2所示的循環(huán) AFCE。不是全部的A T溫度變化，磁熱材料的變化僅是A T-ST。因此，A S(與冷卻功率有關(guān)） 不再是D與A之間的賭差，而是E與A之間的更小的賭差。為了更接近理想循環(huán)，需要使換熱流 體與磁熱材料之間的熱容比最小化。運可通過增加磁熱材料的填充密度、通過減小換熱流 體的相對量，或者通過相對于磁熱材料的熱容降低換熱流體的熱容來實現(xiàn)。
[0023] 因為AMR的填充密度原理上可設(shè)置為0% (無磁熱材料)至100% (無通道)之間的任 意值時，因此基于通道的幾何形狀避免了填充床的限制。增加材料的填充密度允許在保持 有限大小和規(guī)則(并因此是低壓力）的通道的同時，使再生循環(huán)最優(yōu)化，即，使AF如所希望的 接近AB(或CD接近CE)，同時使磁場利用率最大化。
[0024] 同時，規(guī)則通道減小了低壓降、W及因此的粘滯損失。
[00巧]已討論了許多基于通道的幾何形狀（Tishin，"The ma即etocaloric effect and its applications(磁熱效應(yīng)及其應(yīng)用r，I0P(英國物理學(xué)會)2003年出版，W及其中的參 考文獻）。
[0026] 但是，商用制冷裝置的挑戰(zhàn)是，在使用合理尺寸的磁體和緊湊的AMR的同時，實現(xiàn) AMR的冷端與熱端之間的高溫度梯度。
[0027] 磁熱（和電熱）材料在它們的居里溫度Tc附近呈現(xiàn)出最高的A T和A S(圖2示出了 磁熱材料在~293K的峰值A(chǔ) S)，雖然取決于過渡的性質(zhì)，但最大值可W是尖的或平的和寬 的。為了設(shè)計最佳的AMR(或AER)，必需具有沿AMR(或AER)整個長度具有高A T和A S的材料。 因此，將使用具有對它們操作的溫度范圍而言最佳的A S和A T的多種材料。為了達到有效 設(shè)計，合適磁熱材料的選擇和AMR(或AER)結(jié)構(gòu)的詳細模型對于實現(xiàn)高效設(shè)計而言，是非常 重要的。
[002引同時，AMR(或AER)的總冷卻功率取決于AMR(或AER)可經(jīng)受的每秒循環(huán)（ABCD或 AFCE)數(shù)量，W及同時還有換熱流體與冷、熱交換器的熱交換。因此，對于小并緊湊的解決方 案，重要的是高操作頻率，即，繞上述循環(huán)ABCD(或AFCE)快速運動。
[0029] 實際冷卻功率(cooling powerK單位輸入功率)取決于損失，是個測量結(jié)果，即制 冷劑的多少冷卻量(COO1 ing capacity)可從AMR(或AER)的磁熱材料釋放到換熱流體，并因 此可在AMR(或AER)的冷端處實施通過從熱到冷的吹送(blow)進入冷交換器(或在AMR(或 AER)的熱端通過從冷到熱的流動進入用于熱累應(yīng)用的熱交換器)的測量結(jié)果。
[0030] 理想的情況是，實際冷卻功率和冷卻量(單位輸入功)應(yīng)相同。但是，實際冷卻功率 與冷卻量(單位輸入功)之間的差值被稱為"總損失"，其由許多不同的影響因素組成。在此， 與換熱流體中的熱傳遞相關(guān)的損失稱為巧E損失"，該損失與換熱流體內(nèi)部的溫度梯度有 關(guān)。與從熱到冷通過AMR的熱回流有關(guān)的損失稱為"回流損失"。與在制冷劑材料內(nèi)部的局部 熱流動有關(guān)的損失稱為"局部損失"。與滯后現(xiàn)象有關(guān)的損失稱為"滯后損失"。與流體的累 送有關(guān)，并與流體內(nèi)的粘性耗散有關(guān)的損失稱為"粘性損失"。最佳AMR的設(shè)計需要使所有損 失最小化。
[0031] 在磁熱發(fā)動機中，大的物理組件是磁體。因此，將制冷劑每單位體積的磁場利用率 最大化(例如，通過高填充密度)對于緊湊的解決方案是必要的。
[0032] 總的來說，本發(fā)明的目標問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點，并提供一種提高主 動再生磁熱或電熱發(fā)動機的性能的AMR(或AER)。最終目標是使相應(yīng)發(fā)動機在商業(yè)上可用。
[0033] 具體地，本發(fā)明旨在
[0034] 1.為高性能多材料AMR或AER裝置闡明材料選擇標準；
[0035] 2.為最佳的基于通道的再生器闡明最佳結(jié)構(gòu)；
[0036] 3.為基于通道的再生器闡明最佳幾何形狀，W使損失化E損失、局部損失、回流損 失、粘性損失)最小化，性能最大化，并使應(yīng)用的場利用率最大化；
[0037] 4.闡明對結(jié)構(gòu)和幾何形狀的增強方面，W使損失最小，并有助于制造；
[0038] 5.闡明用于制造最佳結(jié)構(gòu)和增強方面的方法。
[0039 ] AMR或A邸還應(yīng)容易組裝、具有足夠的機械強度、可靠的結(jié)構(gòu)，并應(yīng)包括容易加工的 材料。
[0040]本發(fā)明的目標還在于，減小AMR(或AER) W及主動再生發(fā)動機的尺寸和成本，并且 目標還在于W自動化的高速和低誤差制造工藝制造 AMR(或AER)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0041] 因此，本發(fā)明設(shè)及一種用在用于冷卻、熱累送、W及能量回收應(yīng)用中的主動再生磁 熱或電熱發(fā)動機中的多材料葉片。
[0042] 所述葉片包括葉片本體，所述葉片本體由多個元件制成，所述多個元件由不同的 磁熱或電熱材料制成，其中，所述葉片本體沿其長度分成所述多個元件。所述葉片還包括多 個專用通道，所述多個專用通道穿過所述葉片本體并沿所述葉片的長度延伸。
[00創(chuàng)材料的選擇
[0044] 優(yōu)選地，所述多個元件中的每個元件都由磁熱材料制成，所述磁熱材料優(yōu)選地選 自 LaF'eSi、LaFeSiCo ,LaI^Si^MnPFeAs, MnPFeSi JeI^uMnAsSb、MnPFeGe、Gd、G郵 y、CoMnSi、 CoMnGeW及GdSiGe組成的群組，運些磁熱材料可額外地設(shè)置有一種或多種滲雜物(其通常 將用于材料族的Tc向上移或者向下移），并且可具有指定元素的不同比率，其中，每種磁熱 材料具有不同的居里溫度，并且每種磁熱材料具有相對于其體積而言20%或更小的孔隙 率。
[0045] 適合的電熱材料包括P(VDF-TrFE-氯氣乙締）、化ZT(8/65/35)、Pb(Mgl/2Nb2/3) 03-35PbTi03(PMN-35PT))、BaTi03或（NH4)2S04。
[0046] 在理想的系統(tǒng)（忽視損失）中，在平均冷側(cè)溫度Tcoid下，可從制冷劑獲得的循環(huán)冷 卻能量由用于給定應(yīng)用場B的Tc。ld?AS'c。ld(其中AS'c。ld由圖化中的點D'與A'（或?qū)嵺`中 是E '與A '）之間的絕對賭差給出）給出。
[0047] 在再生冷卻循環(huán)中，跨越平均Tcoid至平均熱側(cè)溫度化。t，對冷卻起作用的再生器的 長度部分是~A Tcoid ? Leng化/Span,其中，Span定義為溫度梯度Tho廣TcoidUMR或A邸