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
【专利说明】
[0001] 本专利申请是2012年6月29日申请的申请号为201280032779.4的名称为"用于主 动再生磁热或电热热力发动机的多材料叶片"的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设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。
[0003] 运种热力发动机可用在冷却、热累和能量回收应用中。
[0004] 主动磁再生发动机和主动磁再生器首先由Barclay(例如，参见US 4,332,135)确 定为能够利用铁磁材料的磁热效应，W在相对宽的溫度范围内实现制冷和冷却。较早的称 为布朗磁热装置(参见US 4,069,028)的装置，虽然不是主动磁再生循环，但也利用再生循 环。
[0005] 材料
[0006] 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溫度发生变化(典 型地在绝热条件下测量）。在等溫条件下，磁场的施加或移除驱动MCE材料的赌变化。
[0007] 电热材料呈现出电热效应巧CE)，电热效应是施加或移除电场时溫度发生变化(典 型地在绝热条件下测量）。在等溫条件下，电场的施加或移除驱动ECE材料的赌变化。
[000引场(根据材料或者是电场或者是磁场)的存在促使赌从一种状态过渡到另一状态。 赌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。与赌变化相关 的过渡发生时的特征溫度已知为居里溫度(Tc)。
[0009] 呈现出运些特性的材料包括但无意限制为，GcK铁磁顺磁过渡）、化化(变磁性的反 铁磁性到铁磁性过渡）、BaTi03(铁电到顺电过渡）W及例如P(VDF-TrFE-氯氣乙締）（显示弛 豫铁电行为）。
[0010] 基本磁制冷循环
[OOW 图1曰示出基本的（非再生的）磁制冷循环，表示当暴露于磁场(例如，顺磁到铁磁） 过渡时显示正溫度变化的磁热材料。
[001^ 当执行阶段语4时，磁热材料在理想的情况下遵循循环ABCD，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"溫度变化，并分别对应图Ia的阶段1和3dBC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Ia的阶段巧日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。磁热材料的绝热溫度变化被标记为A T (热和冷）。
[0013] 该循环的最大跨度(TcDid与化。t之间的差值)是具有低冷却功率的'绝热'溫度变化 (A Tcold或A Thot)。最大冷却功率是在低跨度(在此由图2a中的CA给出A S)处的A S ? Tmeano 对于电热材料可产生类似的冷却循环。
[0014] 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A S(T) 和A T(T)的图来表征。运在图2c中示出。实际上，A S和A T曲线是图2a所示的低场与高场曲 线之间差值(或者溫度或者赌）与溫度之间的关系曲线。运些A S和A T曲线W及对应的T-S 图用于设计最佳的冷却循环。
[0015] 主动再生循环
[0016] 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溫度跨度的显著 延伸。
[0017] 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W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溫度梯度。在图Ib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)的显著溫度梯度。
[0018] 在理想的AMR的任一点处，局部制冷剂材料、施加的场W及局部溫度将确定实际局 部TS(ABCD)类型循环。但是，每个点都经由换热流体连接，所W总体上，整个床可被认为经 受与图化的"A" "B""护"护"A"循环对应的串联连接的换热流体。
【背景技术】
[0019] 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，已经对运种填充床再 生器化S 4,332,135，US 6,526,759)还有固体填充床再生器化S 2010/0107654 Al)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溫度梯度。
[0020] 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0.1 Hz至 IHz。操作速度是换热流体和磁场可W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，从而导致累送损失。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。
[0021] 粉末床的另一缺点是，可实现的最高填充密度是74% (在六方紧密堆积化CP)和面 屯、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，W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。
[0022] 此外，上述"绝热溫度变化"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A T溫度变化，磁热材料的变化仅是A T-ST。因此，A S(与冷却功率有关） 不再是D与A之间的赌差，而是E与A之间的更小的赌差。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。运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。
[0023] 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CD接近CE)，同时使磁场利用率最大化。
[0024] 同时，规则通道减小了低压降、W及因此的粘滞损失。
[00巧]已讨论了许多基于通道的几何形状（Tishin，"The ma即etocaloric effect and its applications(磁热效应及其应用r，I0P(英国物理学会)2003年出版，W及其中的参 考文献）。
[0026] 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溫度梯度。
[0027] 磁热（和电热）材料在它们的居里溫度Tc附近呈现出最高的A T和A S(图2示出了 磁热材料在~293K的峰值A S)，虽然取决于过渡的性质，但最大值可W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A T和A S的材料。 因此，将使用具有对它们操作的溫度范围而言最佳的A S和A T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。
[002引同时，AMR(或AER)的总冷却功率取决于AMR(或AER)可经受的每秒循环（ABCD或 AFCE)数量，W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ABCD(或AFCE)快速运动。
[0029] 实际冷却功率(cooling powerK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(COO1 ing 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累应用的热交换器)的测量结果。
[0030] 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巧E损失"，该损失与换热流体内部的溫度梯度有 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"。与流体的累 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 具体地，本发明旨在
[0034] 1.为高性能多材料AMR或AER装置阐明材料选择标准；
[0035] 2.为最佳的基于通道的再生器阐明最佳结构；
[0036] 3.为基于通道的再生器阐明最佳几何形状，W使损失化E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；
[0037] 4.阐明对结构和几何形状的增强方面，W使损失最小，并有助于制造；
[0038] 5.阐明用于制造最佳结构和增强方面的方法。
[0039 ] AMR或A邸还应容易组装、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。
[0040]本发明的目标还在于，减小AMR(或AER) W及主动再生发动机的尺寸和成本，并且 目标还在于W自动化的高速和低误差制造工艺制造 AMR(或AER)。
【发明内容】
[0041] 因此，本发明设及一种用在用于冷却、热累送、W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。
[0042] 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。
[00创材料的选择
[0044] 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 LaF'eSi、LaFeSiCo ,LaI^Si^MnPFeAs, MnPFeSi JeI^uMnAsSb、MnPFeGe、Gd、G邮 y、CoMnSi、 CoMnGeW及GdSiGe组成的群组，运些磁热材料可额外地设置有一种或多种渗杂物(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溫度，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。
[0045] 适合的电热材料包括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] 在理想的系统（忽视损失）中，在平均冷侧溫度Tcoid下，可从制冷剂获得的循环冷 却能量由用于给定应用场B的Tc。ld?AS'c。ld(其中AS'c。ld由图化中的点D'与A'（或实践中 是E '与A '）之间的绝对赌差给出）给出。
[0047] 在再生冷却循环中，跨越平均Tcoid至平均热侧溫度化。t，对冷却起作用的再生器的 长度部分是~A Tcoid ? Leng化/Span,其中，Span定义为溫度梯度Tho广TcoidUMR或A邸