用于主动再生磁热或电热热力发动机的多材料叶片的制作方法
【专利摘要】本发明描述了在主动再生磁热或电热发动机中用作主动再生性再生器的多材料叶片的设计和制造。叶片由多个元件（2）组成，多个元件（2）将叶片本体沿其长度分开。每个元件（2）都由适当选择的不同的磁热或电热材料制成，并且多个专用通道（3）穿过叶片本体（1）并沿叶片的长度延伸。专用通道（3）可设置有流体混合结构、多孔层或疏水性涂层，以减小主动再生发动机中的HE损失。多材料叶片是能通过喷墨印刷技术获得的，以降低成本。多材料叶片还可具有弯曲的形状，以形成渐开线形的叶片本体（1）。所有措施都可提高主动再生磁热或电热发动机的性能，并为商业解决方案奠定基础。
【专利说明】用于主动再生磁热或电热热力发动机的多材料叶片
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用在主动再生磁热或电热热力发动机中的多材料叶片。具体地，多材料叶片在相应发动机中用作主动磁再生器(AMR)或主动电热再生器(AER)，并设计为显著地改进其性能。
[0002]这种热力发动机可用在冷却、热泵和能量回收应用中。
[0003]主动磁再生发动机和主动磁再生器首先由Barclay(例如，参见US4，332，135)确定为能够利用铁磁材料的磁热效应，以在相对宽的温度范围内实现制冷和冷却。较早的称为布朗磁热装置(参见US4，069，028)的装置，虽然不是主动磁再生循环，但也利用再生循环。
[0004]材料
[0005]磁热材料呈现出磁热效应(MCE)，磁热效应是施加或移除磁场时温度发生变化(典型地在绝热条件下测量)。在等温条件下，磁场的施加或移除驱动MCE材料的熵变化。
[0006]电热材料呈现出电热效应(ECE)，电热效应是施加或移除电场时温度发生变化(典型地在绝热条件下测量)。在等温条件下，电场的施加或移除驱动ECE材料的熵变化。
[0007]场(根据材料或者是电场或者是磁场)的存在促使熵从一种状态过渡到另一状态。熵变化的大小取决于施加的场的大小，并且变化的符号取决于过渡的性质。与熵变化相关的过渡发生时的特征温度已 知为居里温度(Tc)。
[0008]呈现出这些特性的材料包括但无意限制为，Gd (铁磁顺磁过渡)、RhFe (变磁性的反铁磁性到铁磁性过渡)、BaTi03 (铁电到顺电过渡)以及例如P(VDF-TrFE-氯氟乙烯)(显示弛豫铁电行为)。
[0009]基本磁制冷循环
[0010]图1a示出基本的(非再生的)磁制冷循环,表示当暴露于磁场(例如,顺磁到铁磁)过渡时显示正温度变化的磁热材料。
[0011]当执行阶段I至4时，磁热材料在理想的情况下遵循循环AB⑶，如图2a所示。AB和CD是由于分别增加或减少磁场而引起的“绝热”温度变化，并分别对应图1a的阶段I和
3。BC和DA是通过磁热材料与换热流体之间的热交换完成的，并分别对应图1a的阶段2和
4。换热流体可经由热交换器从外界吸收热或向外界排放热。磁热材料的绝热温度变化被标记为ΛΤ (热和冷)。
[0012]该循环的最大跨度(!'。-与Thrt之间的差值)是具有低冷却功率的‘绝热’温度变化(八凡咖或ATh()t)。最大冷却功率是在低跨度(在此由图2a中的CA给出AS)处的AS*Tmean。对于电热材料可产生类似的冷却循环。
[0013]磁热(或电热)材料的有用特性可通过绘制用于升高和降低磁场或电场的AS (T)和AT (T)的图来表征。这在图2c中示出。实际上，AS和AT曲线是图2a所示的低场与高场曲线之间差值(或者温度或者熵)与温度之间的关系曲线。这些AS和AT曲线以及对应的T-S图用于设计最佳的冷却循环。
[0014]主动再生循环
[0015]Barclay的主动磁再生循环表现了在前文所述的基本磁循环上的温度跨度的显著延伸。
[0016]当磁制冷剂通过施加磁场变热时，流经制冷剂材料的开放式多孔装置的换热流体将“热”转移到一端。当制冷剂材料通过移除磁场冷却时，相同的换热流体反向流动并将“冷”转移到另一端。当换热流体在AMR的两端之间循环流动，并且以相同的周期施加和移除磁场时，在AMR的冷端侧与热端侧之间建立起温度梯度。在图1b中示出了该概念性构思。结果是，横跨制冷剂可产生30K (或更大)的显著温度梯度。
[0017]在理想的AMR的任一点处，局部制冷剂材料、施加的场以及局部温度将确定实际局部TS (AB⑶)类型循环。但是，每个点都经由换热流体连接，所以总体上，整个床可被认为经受与图2b的“A” “B” “C” “D” “A”循环对应的串联连接的换热流体。
【背景技术】
[0018]Barclay的AMR设计由具有开放式多孔结构的磁热材料组成，并且换热流体穿过磁热材料并与磁热材料交换热。简单的开放式多孔结构是粉末填充床，已经对这种填充床再生器(US4，332，135，US6, 526，759)还有固体填充床再生器(US2010/0107654A1)进行了大量工作。已实现了热侧与冷侧之间的令人印象深刻的温度梯度。
[0019]但是，粉末床具有一些缺点。主要的缺点是其低操作速度，典型地仅有0.1Hz至IHz0操作速度是换热流体和磁场可以循环的频率。低频率转化为每瓦特冷却的相对大、重并昂贵的溶液。当在更高频率下使用液态换热流体时，由于横跨多孔填充床AMR的高压降，导致频率限制升高。压降导致大的粘性，从而导致泵送损失。虽然利用气态的换热介质可减小压降和粘滞损失，但由于气体的低热容限制了可用的冷却功率。
[0020]粉末床的另一缺点是，可实现的最高填充密度是74% (在六方紧密堆积(HCP)和面心立方(FCC)中)，并且在实践中实际可获得的填充密度甚至更低。在最好的情况下，26%的磁场量不被磁热材料占用。但是，关键的是磁场利用率的最大化，以实现满足成本和尺寸要求并利用紧凑磁体的商业解决方案。
[0021]此外，上述“绝热温度变化”AB实际上是达不到绝热的，因为存在与磁热材料直接接触的换热流体，热传递到换热流体。因此，图2所示的循环ABCD更像也在图2所示的循环AFCE。不是全部的Λ T温度变化，磁热材料的变化仅是ΛΤ-δΤ。因此，AS (与冷却功率有关)不再是D与A之间的熵差，而是E与A之间的更小的熵差。为了更接近理想循环，需要使换热流体与磁热材料之间的热容比最小化。这可通过增加磁热材料的填充密度、通过减小换热流体的相对量，或者通过相对于磁热材料的热容降低换热流体的热容来实现。
[0022]因为AMR的填充密度原理上可设置为0% (无磁热材料)至100% (无通道)之间的任意值时，因此基于通道的几何形状避免了填充床的限制。增加材料的填充密度允许在保持有限大小和规则(并因此是低压力)的通道的同时，使再生循环最优化，即，使AF如所希望的接近AB (或⑶接近CE)，同时使磁场利用率最大化。
[0023]同时，规则通道减小了低压降、以及因此的粘滞损失。
[0024]已讨论了许多基于通道的几何形状(Tishin, “The magnetocaloric effect andits applications (磁热效应及其应用)”，IOP (英国物理学会)2003年出版，以及其中的参考文献)。
[0025]但是，商用制冷装置的挑战是，在使用合理尺寸的磁体和紧凑的AMR的同时，实现AMR的冷端与热端之间的高温度梯度。
[0026]磁热(和电热)材料在它们的居里温度Tc附近呈现出最高的AT和AS (图2示出了磁热材料在?293K的峰值AS)，虽然取决于过渡的性质，但最大值可以是尖的或平的和宽的。为了设计最佳的AMR (或AER)，必需具有沿AMR (或AER)整个长度具有高AT和AS的材料。因此，将使用具有对它们操作的温度范围而言最佳的AS和AT的多种材料。为了达到有效设计，合适磁热材料的选择和AMR (或AER)结构的详细模型对于实现高效设计而言，是非常重要的。
[0027]同时，AMR (或AER)的总冷却功率取决于AMR (或AER)可经受的每秒循环(AB⑶或AFCE)数量，以及同时还有换热流体与冷、热交换器的热交换。因此，对于小并紧凑的解决方案，重要的是高操作频率，即，绕上述循环AB⑶(或AFCE)快速运动。
[0028]实际冷却功率(cooling power)(单位输入功率)取决于损失,是个测量结果，即制冷剂的多少冷却量(cooling capacity)可从AMR (或AER)的磁热材料释放到换热流体,并因此可在AMR (或AER)的冷端处实施通过从热到冷的吹送(blow)进入冷交换器(或在AMR(或AER)的热端通过从冷到热的流动进入用于热泵应用的热交换器)的测量结果。
[0029]理想的情况是，实际冷却功率和冷却量(单位输入功)应相同。但是，实际冷却功率与冷却量(单位输入功)之间的差值被称为“总损失”，其由许多不同的影响因素组成。在此，与换热流体中的热传递相关的损失称为“HE损失”，该损失与换热流体内部的温度梯度有关。与从热到冷通过AMR的热回流有关的损失称为“回流损失”。与在制冷剂材料内部的局部热流动有关的损失称为“局部损失”。与滞后现象有关的损失称为“滞后损失”。与流体的泵送有关，并与流体内的粘性耗散有关的损失称为“粘性损失”。最佳AMR的设计需要使所有损失最小化。
[0030]在磁热发动机中，大的物理组件是磁体。因此，将制冷剂每单位体积的磁场利用率最大化(例如，通过高填充密度)对于紧凑的解决方案是必要的。
[0031]总的来说，本发明的目标问题是克服现有技术中的上述缺点，并提供一种提高主动再生磁热或电热发动机的性能的AMR(或AER)。最终目标是使相应发动机在商业上可用。
[0032]具体地，本发明旨在
[0033]1.为高性能多材料AMR或AER装置阐明材料选择标准；
[0034]2.为最佳的基于通道的再生器阐明最佳结构；
[0035]3.为基于通道的再生器阐明最佳几何形状，以使损失(HE损失、局部损失、回流损失、粘性损失)最小化，性能最大化，并使应用的场利用率最大化；
[0036]4.阐明对结构和几何形状的增强方面，以使损失最小，并有助于制造；
[0037]5.阐明用于制造最佳结构和增强方面的方法。
[0038]AMR或AER还应容易组装、具有足够的机械强度、可靠的结构，并应包括容易加工的材料。
[0039]本发明的目标还在于，减小AMR (或AER)以及主动再生发动机的尺寸和成本，并且目标还在于以自动化的高速和低误差制造工艺制造AMR (或AER)。
【发明内容】
[0040]因此，本发明涉及一种用在用于冷却、热泵送、以及能量回收应用中的主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片。
[0041]所述叶片包括叶片本体，所述叶片本体由多个元件制成，所述多个元件由不同的磁热或电热材料制成，其中，所述叶片本体沿其长度分成所述多个元件。所述叶片还包括多个专用通道，所述多个专用通道穿过所述叶片本体并沿所述叶片的长度延伸。
[0042]材料的诜择
[0043]优选地，所述多个元件中的每个元件都由磁热材料制成，所述磁热材料优选地选自 LaFeS1、LaFeSiCo、LaFeSiH、MnPFeAs、MnPFeS1、FeRh、MnAsSb、MnPFeGe、Gd、GdDy、CoMnS1、CoMnGe以及GdSiGe组成的群组，这些磁热材料可额外地设置有一种或多种掺杂物(其通常将用于材料族的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，每种磁热材料具有不同的居里温度，并且每种磁热材料具有相对于其体积而言20%或更小的孔隙率。
[0044]适合的电热材料包括P (VDF-TrFE-氯氟乙烯)、PLZT (8/65/35)、Pb (Mgl/2Nb2/3)03 - 35PbTi03(PMN-35PT))、BaTi03 或(NH4)2S04。
[0045]在理想的系统(忽视损失)中，在平均冷侧温度Tcold下，可从制冷剂获得的循环冷却能量由用于给定应用场(其中八3’。。1(1由图213中的点0’与4’(或实践中是E’与A’)之间的绝对熵差给出)给出。
[0046]在再生冷却循环中，跨越平均Trald至平均热侧温度Th()t，对冷却起作用的再生器的长度部分是?ATetjld.Length/Span,其中，Span定义为温度梯度Ttot-Trald (AMR或AER的热端与冷端之间)，并且Length是AMR (或AER)的长度。这可在假设进入再生器的换热流体具有适当的温度曲线情况下，由本领域普通技术人员使用简单的几何变量，来简单地展示理想的系统。多层AMR (或AER)的总(循环)再生器冷却能力(J)的一阶估算与“理想的”多层结构中的 Δ Tcold.Δ Scold.Tcold.Length.Area.Density.Packing-Density/Span 成比例，其中，Length是再生器的长度,Area是再生器的横截面面积,Density是材料的密度，以及Packing-density是具有主动制冷剂即磁热或电热的材料的体积％。冷却能力与以上公式之间的比例系数可在O与I之间变化(在某些特定情况下，其甚至可以大于I)。对于沿整个再生器的线性温度曲线，比例系数是0.5。
[0047]该讨论不限于冷却应用，并且适于用于热泵送和能量回收应用的热发动机。
[0048]从以上公式获得材料性能(并忽视密度)，得到了磁热(或电热)材料的品质因数，其是简单的ATAS。在实际的装置中，所应用的场的大小是有关联的，尤其从经济角度出发，进一步细化将使该值相对于所应用的场而标准化。为简化起见，取材料的AS和AT的峰值，可用品质因数来比较不同的材料。磁热材料的一些关键改进总结于下表中。
【权利要求】
1.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括: 叶片本体(1)，所述叶片本体(1)由多个元件(2)制成，所述多个元件(2)由不同的磁热或电热材料制成，其中，所述叶片本体(1)沿其长度分成所述多个元件(2 ); 多个专用通道(3 )，所述多个专用通道(3 )穿过所述叶片本体(1)并沿所述叶片的长度延伸， 其中，所述多个专用通道(3)中的每个专用通道(3)都设置有流体混合结构(6，11，13)和/或所述多个专用通道(3 )中的每个专用通道(3 )都设置有疏水性涂层(12 )。
2.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括: 叶片本体(1)，所述叶片本体(1)由多个元件(2)制成，所述多个元件(2)由不同的磁热或电热材料制成，其中，所述叶片本体(1)沿其长度分成所述多个元件(2 ); 多个专用通道(3 )，所述多个专用通道(3 )穿过所述叶片本体(1)并沿所述叶片的长度延伸， 其中，所述叶片本体(1)垂直于所述专用通道(3)的横截面沿预定方向具有多个设有不同孔隙率的区域，其中，在相邻区域的界面处，所述孔隙率突变至少10%。
3.—种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括: 叶片本体(1)，所述叶片本体(1)由多个元件(2)制成，所述多个元件(2)由不同的磁热或电热材料制成，其中，所述叶片本体(1)沿其长度分成所述多个元件(2 ); 多个专用通道(3 )，所述多个专用通道(3 )穿过所述叶片本体(1)并沿所述叶片的长度延伸， 其中，所述多个元件(2)中的每个元件(2)都能通过使用喷墨印刷技术、模板或丝网印刷、光刻法、或通过打点或喷射系统直接涂覆而获得。
4.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括: 叶片本体(1)，所述叶片本体(1)由多个元件(2)制成，所述多个元件(2)由不同的磁热或电热材料制成，其中，所述叶片本体(1)沿其长度分成所述多个元件(2 ); 多个专用通道(3 )，所述多个专用通道(3 )穿过所述叶片本体(1)并沿所述叶片的长度延伸， 其中，所述多个元件(2)中的每个元件(2)都具有弯曲的形状，以使所述多个元件(2)形成渐开线形的叶片本体(1)。
5.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括: 叶片本体(1)，所述叶片本体(1)由多个元件(2)制成，所述多个元件(2)由不同的磁热或电热材料制成，其中，所述叶片本体(1)沿其长度分成所述多个元件(2); 多个专用通道(3 )，所述多个专用通道(3 )穿过所述叶片本体(1)并沿所述叶片的长度延伸， 其中，所述叶片本体(1)中的多个元件(2)中的每个元件(2)都相对于其相邻元件(2)旋转，优选地旋转90°。
6.—种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括: 叶片本体(1)，所述叶片本体(1)由多个元件(2)制成，所述多个元件(2)由不同的磁热或电热材料制成，其中，所述叶片本体(1)沿其长度分成所述多个元件(2 ); 多个专用通道(3 )，所述多个专用通道(3 )穿过所述叶片本体(1)并沿所述叶片的长度延伸， 其中，所述磁热或电热材料具有大于钆的品质因数的品质因数， 其中，冷却能力沿所述叶片本体(1)的长度最大化，并且 其中，沿所述叶片本体(1)的两个元件(2)之间边界处的冷却能力匹配在30%内，并且在元件(2)中最低的冷却能力位于所述元件的一端处，并且每个元件(2)的冷却能力以与在主动再生磁热或电热发动机中沿所述叶片本体(1)的特定元件(2)建立的温度梯度成比例的速率上升。
7.如权利要求1至6中一项所述的多材料叶片，其中 所述多个元件(2)中的每个元件(2)由优选自LaFeS1、LaFeSiCo, LaFeSiH,MnPFeAs, MnPFeS1、MnAsSb, MnPFeGe、Gd、GdDy、CoMnS1、CoMnGe 以及 GdSiGe 的组中的磁热材料，或电热材料 P (VDF-TrFE-氯氟乙烯)、PLZT (8/65/35)、Pb (Mgl/2Nb2/3) 03 -35PbTi03 (PMN-35PT))、BaTi03或(NH4) 2S04制成，所述材料可附加地设置有一种或多种掺杂物，其中，每种材料都具有不同的居里温度，并且每种材料都具有相对于其体积而言20%或更低的孔隙率。
8.如权利要求1至7中一项所述的多材料叶片，其中 所述多个元件(2)中的每个元件(2)都具有在0.lW/mK至30W/mk、优选0.lW/mK至IOW/mk、更优选0.1ff/mK至5W/mk、最优选0.1ff/mK至2W/mk范围内的热导率。
9.如权利要求7至8中一项所述的多材料叶片，其中 所述多个元件(2)被设计并设置为，使得所述材料的居里温度依循在主动再生磁热发动机中沿所述本体(1)建立的温度梯度。
10.如权利要求1至9中一项所述的多材料叶片，其中 所述多个元件(2)中的每个元件(2)都由多个板(4)形成，并且 所述多个板(4)互相堆叠起来并通过至少一个间隔件(5)彼此间隔开，优选地以喷墨印刷技术、模板或丝网印刷、光刻法或通过打点或喷射系统直接涂敷来印刷，其中，所述多个板(4)之间的间隔形成所述多个专用通道(3)。
11.如权利要求10所述的多材料叶片，其中 所述间隔件(5)是具有相对于其体积大于25%孔隙率的多孔材料，所述多孔材料优选地是胶原蛋白-粘多糖、胶原蛋白泡沫、聚四氟乙烯、斯邦特克斯粘胶海绵和羟磷灰石陶瓷中的至少一种。
12.如权利要求10或11中一项所述的多材料叶片，其中 所述多个板(4)中的每个板(4)都具有在50 μ m至1500 μ m、优选60 μ m至700 μ m、更优选70μπι至350μπι范围内的厚度；以及 所述至少一个间隔件(5)具有在5 μ m至100 μ m、优选10 μ m至75 μ m、更优选15 μ m至60 μ m范围内的厚度。
13.如权利要求10至12中一项所述的多材料叶片，其中 表面纹理(6)作为流体混合结构(6)至少设置在所述多个板(4)中的每个板(4)的顶部上，和/或 疏水性涂层设置于所述多个板(4)中的每个板(4)，其中，优选地玻璃层设置在每个疏水性涂层之下。
14.如权利要求13所述的多材料叶片，其中 所述表面纹理(6)通过喷墨印刷技术印刷，或由粘合到所述多个板(4)的沙子或沙状材料形成。
15.如权利要求1至9中一项所述的多材料叶片，其中 所述多个元件(2)中的每个元件(2)都由穿孔板(7)形成，其中 所述穿孔板(7)中的多个孔眼(9)形成所述多个专用通道(3)。
16.如权利要求15所述的多材料叶片，其中 所述多个孔眼是多个圆的和/或有角度的孔(9)，其中 所述多个孔(9)中的每个孔(9)的直径或宽度都在ΙΟμπι至150μπκ优选20 μ m至85 μ m的范围内，并且 所述多个孔(9)中的相邻孔(9)之间的距离在60 μ m至2mm、优选80 μ m至600 μ m的范围内。
17.如权利要求15至16中一项所述的多材料叶片，其中 对称断流器(13)作为流 体混合结构插入所述多个孔(9)中的每个孔(9)中，和/或 所述多个孔(9)中的每个孔(9)的内壁具有用作流体混合结构的粗糙表面(11)，和/或 所述多个孔(9)中的每个孔(9)的内壁都设置有疏水性涂层(12)，所述疏水性涂层(12)优选地是玻璃疏水性涂层。
18.如权利要求10至17中一项所述的多材料叶片，其中 隔离件设置在所述多个元件中的相邻元件之间，以补偿主动再生磁热发动机中在所述多个元件的界面处的局部温度梯度，其中，所述隔离件具有比所述磁热或电热材料的热导率低的热导率，并具有优选在50um至1000um范围内的厚度。
19.一种用于制造用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片的方法，所述方法包括以下步骤: 用由不同的磁热或电热材料制成的多个元件(2)形成叶片本体(1)，其中，所述多个元件(2)沿所述叶片本体(1)的长度设置； 形成多个专用通道(3 )，所述多个专用通道(3 )穿过所述叶片本体(1)并沿所述叶片本体(1)的长度延伸； 使所述多个专用通道(3)中的每个专用通道(3)都设置有流体混合结构(6，11，13)和/或疏水性涂层(12)。
20.一种用于制造用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片的方法，所述方法包括以下步骤: 用由不同的磁热或电热材料制成的多个元件(2)形成叶片本体(1)，其中，所述多个元件(2)沿所述叶片本体(1)的长度设置； 形成多个专用通道(3 )，所述多个专用通道(3 )穿过所述叶片本体(1)并沿所述叶片本体(1)的长度延伸； 其中，所述多个元件(2)中的每个元件(2)都通过将多个板(4)互相堆叠起来，并将所述多个板(4)夹紧和/或粘合在一起而形成，其中，所述多个板(4)被至少一个用喷墨印刷技术印刷的间隔件(5)彼此间隔开， 其中，所述多个板(4)中的每个板(4)都通过将由磁热或电热材料制成的子板(16)在框架(17)中对齐，将条和/或点(18)施加到所述子板(16)来形成，然后烘烤所述对齐的子板(16)和所述框架(17 )以形成所述多个板(4)。
【文档编号】E04D13/08GK103703326SQ201280032779
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】西贝尔·奥兹坎, 保罗·伯德特, 尼尔·威尔逊 申请人:坎布里奇有限公司