【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于磁制冷，涉及一種無(wú)需回?zé)崞鬏o助利用單磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的高效回?zé)岬耐鶑?fù)式全固態(tài)磁制冷器件及其應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、磁制冷技術(shù)是一種通過(guò)在加磁場(chǎng)和退磁場(chǎng)過(guò)程中磁制冷材料相變引起的熵變及溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷的技術(shù)。在傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷的過(guò)程中，需要使用大量的破壞臭氧層導(dǎo)致溫室效應(yīng)的制冷劑氟利昂；而利用磁制冷技術(shù)的制冷機(jī)則不會(huì)產(chǎn)生和使用破壞環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)，所以磁制冷技術(shù)是一種綠色環(huán)保的技術(shù)。
2、另一方面，相對(duì)于氣體壓縮制冷，磁制冷更加高效節(jié)能，可以小型化，且沒有噪音污染。這些優(yōu)點(diǎn)使得磁制冷技術(shù)成為傳統(tǒng)氣體壓縮制冷的理想替代技術(shù)之一。
3、用于室溫磁制冷機(jī)中的回?zé)崞骺煞譃槿N形式：外部回?zé)崞鳌?nèi)部回?zé)崞骱椭鲃?dòng)式回?zé)崞鳌Ｖ鲃?dòng)式回?zé)嵫h(huán)(amr)中的磁性材料既是磁制冷工質(zhì)又是回?zé)岵牧希鋺{借減少回?zé)徇^(guò)程中的熱損耗成為現(xiàn)階段公認(rèn)的具有最高能量利用效率的磁制冷循環(huán)方式，已經(jīng)先后被運(yùn)用到了許多制冷機(jī)循環(huán)中。最初的傳統(tǒng)amr循環(huán)是通過(guò)流體換熱完成的，然而換熱流體為了滿足不導(dǎo)電或無(wú)磁等特性往往犧牲了其高導(dǎo)熱性能，限制了熱交換速度，將實(shí)際的制冷器件的工作頻率限制在了1hz以下，因而限制了其制冷功率密度。如果一味追求工作頻率的提高將會(huì)引起熱傳導(dǎo)不充分，從而降低系統(tǒng)的制冷功率密度和制冷效率。另一方面，由傳熱流體與器壁之間的溫差引起的不可逆熱損失，以及流體比較粗糙的機(jī)械控制裝置都對(duì)器件的制冷效率產(chǎn)生了不可忽略的影響。此外，換熱流體對(duì)磁體和制冷工質(zhì)的腐蝕問(wèn)題也給磁制冷器件的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，從而提高了制冷器件的制作成本。
5、本申請(qǐng)人在目前尚未公開的另一件在先申請(qǐng)cn202210515054.6中提出了一種全固態(tài)磁制冷裝置，其核心制冷單元包括多個(gè)磁制冷片和一個(gè)導(dǎo)熱片，導(dǎo)熱片依次與多個(gè)磁制冷片中的每一個(gè)進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，通過(guò)建立有限元仿真模型計(jì)算得到該器件的最大回?zé)嵋蜃蛹s為3。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、因此，本專利技術(shù)的目的是設(shè)計(jì)開發(fā)一種在單磁場(chǎng)下運(yùn)行的高效回?zé)岬娜虘B(tài)磁制冷器件，在使用單磁體產(chǎn)生簡(jiǎn)單連續(xù)磁場(chǎng)的情況下，利用高熱導(dǎo)率材料導(dǎo)熱快的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在高頻工作的同時(shí)具有簡(jiǎn)單的器件設(shè)計(jì)、較低的加工生產(chǎn)成本，并且回?zé)嵋蜃觾?yōu)于專利技術(shù)人在先設(shè)計(jì)的cn202210515054.6中提出的器件。
2、其中，回?zé)嵋蜃拥亩x為器件達(dá)到平衡時(shí)冷熱端的溫跨(平衡溫跨)與磁制冷工質(zhì)進(jìn)出磁場(chǎng)時(shí)溫度變化(絕熱溫變)的比值。
3、本專利技術(shù)中所述的“高效回?zé)帷笔侵副緦＠夹g(shù)器件的回?zé)嵝矢哂趯＠夹g(shù)人在先設(shè)計(jì)的cn202210515054.6中提出的器件。
4、本專利技術(shù)的專利技術(shù)人通過(guò)長(zhǎng)期文獻(xiàn)積累和深入研究發(fā)現(xiàn)，具有高熱導(dǎo)率的材料如銅、銀、金、鋁、鉑、鐵、石墨烯、金剛石鋁合金或碳納米管等能夠在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)將熱量吸收或釋放，是一類理想的回?zé)峁べ|(zhì)；另一方面如玻璃纖維、石棉、巖棉、硅酸鹽、氣凝膠氈、真空板等絕熱材料能夠有效地阻止磁制冷工質(zhì)、高熱導(dǎo)率材料與外界進(jìn)行無(wú)關(guān)的熱量交換，從而減少熱量的損失。所以，專利技術(shù)人將高熱導(dǎo)率材料作為回?zé)峁べ|(zhì)與磁制冷材料和絕熱材料結(jié)合起來(lái)，通過(guò)合理的器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效回?zé)岬娜虘B(tài)磁制冷。此外，由于磁制冷工質(zhì)、回?zé)峁べ|(zhì)、絕熱材料均是固態(tài)，便于設(shè)計(jì)和加工成不同的形狀和尺寸，也便于機(jī)械裝置的精準(zhǔn)控制，因此，基于高熱導(dǎo)材料的全固態(tài)制冷器件可以實(shí)現(xiàn)不同尺度(亞微米-米)的器件制冷。
5、本專利技術(shù)的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
6、本專利技術(shù)提供了一種單磁場(chǎng)運(yùn)行的高效回?zé)崛虘B(tài)磁制冷器件，所述磁制冷器件包括至少一個(gè)制冷單元，所述制冷單元包括平行設(shè)置的制冷層和回?zé)釋樱渲校?/p>
7、-所述制冷層包括間隔嵌入在第一絕熱材料中的多個(gè)磁制冷工質(zhì)片(在本專利技術(shù)中又稱作“制冷工質(zhì)片”或“制冷片”)；
8、-所述回?zé)釋影ㄇ度朐诘诙^熱材料中的多個(gè)回?zé)峁べ|(zhì)片(在本專利技術(shù)中又稱作“回?zé)崞?，
9、其中，磁制冷工質(zhì)片的數(shù)量＝回?zé)峁べ|(zhì)片的數(shù)量+1，所述制冷單元的設(shè)置使得所述制冷層和所述回?zé)釋釉诠ぷ鲿r(shí)分別做往復(fù)式平移運(yùn)動(dòng)，并且所述磁制冷工質(zhì)片與所述回?zé)峁べ|(zhì)片之間具有熱傳導(dǎo)。
10、在本專利技術(shù)的實(shí)施方案中，所述制冷單元的設(shè)置使得所述制冷片中的每一個(gè)在所述往復(fù)式平移運(yùn)動(dòng)中僅與其相對(duì)位置的相鄰的兩個(gè)回?zé)崞l(fā)生熱傳導(dǎo)；同樣的，所述回?zé)崞械拿恳粋€(gè)在所述往復(fù)式平移運(yùn)動(dòng)中僅與其相對(duì)位置的相鄰的兩個(gè)制冷片發(fā)生熱傳導(dǎo)。
11、在本專利技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施方案中，所述制冷層與所述回?zé)釋拥某叽缦嗟龋徊⑶宜龃胖评涔べ|(zhì)片與所述回?zé)峁べ|(zhì)片的尺寸相等。
12、在實(shí)際使用中，本專利技術(shù)提供的磁制冷器件的兩端分別與需要制冷的冷端和進(jìn)行散熱的熱端配合。冷端和熱端分別位于該器件往復(fù)式平移運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)終端，并且在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)終端時(shí)分別與所述多個(gè)磁制冷工質(zhì)片中最外側(cè)的兩個(gè)進(jìn)行換熱。
13、為了便于說(shuō)明本專利技術(shù)的磁制冷器件的制冷能力，冷熱端設(shè)定為位于兩個(gè)運(yùn)動(dòng)終端的保持不動(dòng)的高熱導(dǎo)率材料片。
14、根據(jù)本專利技術(shù)提供的磁制冷器件，在運(yùn)行過(guò)程中，將所述磁制冷器件往復(fù)運(yùn)動(dòng)所橫跨面積的一部分置于簡(jiǎn)單連續(xù)磁場(chǎng)中，優(yōu)選將所述磁制冷器件往復(fù)運(yùn)動(dòng)所橫跨面積的40％～70％區(qū)域置于磁場(chǎng)中，更優(yōu)選為將所述磁制冷器件往復(fù)運(yùn)動(dòng)所橫跨面積的45％～55％區(qū)域置于磁場(chǎng)中；在一種最優(yōu)選的實(shí)施方案中，將所述磁制冷器件往復(fù)運(yùn)動(dòng)所橫跨面積的一半(即50％)區(qū)域置于磁場(chǎng)中。
15、其中，所述磁場(chǎng)可以為常見的連續(xù)磁場(chǎng)。在最優(yōu)選的情況下，磁場(chǎng)的設(shè)置使得在所述制冷層的往復(fù)式平移運(yùn)動(dòng)的一個(gè)終端狀態(tài)下所述多個(gè)制冷片都在磁場(chǎng)之中，而在另一個(gè)終端狀態(tài)下所述多個(gè)制冷片都在磁場(chǎng)之外。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種單磁場(chǎng)運(yùn)行的高效回?zé)崛虘B(tài)磁制冷器件，其包括至少一個(gè)制冷單元，所述制冷單元包括平行設(shè)置的制冷層和回?zé)釋樱渲校?/p>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁制冷器件，其中，所述制冷單元的設(shè)置使得所述磁制冷工質(zhì)片中的每一個(gè)在所述往復(fù)式平移運(yùn)動(dòng)中僅與其相對(duì)位置的相鄰的兩個(gè)回?zé)峁べ|(zhì)片進(jìn)行熱交換；所述回?zé)峁べ|(zhì)片中的每一個(gè)在所述往復(fù)式平移運(yùn)動(dòng)中僅與其相對(duì)位置的相鄰的兩個(gè)磁制冷工質(zhì)片進(jìn)行熱交換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁制冷器件，其中，所述制冷層與所述回?zé)釋拥某叽缦嗟龋凰龃胖评涔べ|(zhì)片與所述回?zé)峁べ|(zhì)片的尺寸相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的磁制冷器件，其中，所述磁制冷工質(zhì)片的材料為Gd、FeRh、LaFeSi、GdSiGe、MnAs、MnPSiGe和NiMnX中的一種或多種，優(yōu)選為Gd、Gd5(Si,Ge)4、La(Fe,Si)13、MnCoGe和NiMnSn中的一種或多種；
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的磁制冷器件，其中，所述制冷層和所述回?zé)釋又g的距離為0～10nm；優(yōu)選地，在所述制冷層和所述回?zé)釋又g設(shè)置有石墨粉體。
<...【技術(shù)特征摘要】
1.一種單磁場(chǎng)運(yùn)行的高效回?zé)崛虘B(tài)磁制冷器件，其包括至少一個(gè)制冷單元，所述制冷單元包括平行設(shè)置的制冷層和回?zé)釋樱渲校?/p>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁制冷器件，其中，所述制冷單元的設(shè)置使得所述磁制冷工質(zhì)片中的每一個(gè)在所述往復(fù)式平移運(yùn)動(dòng)中僅與其相對(duì)位置的相鄰的兩個(gè)回?zé)峁べ|(zhì)片進(jìn)行熱交換；所述回?zé)峁べ|(zhì)片中的每一個(gè)在所述往復(fù)式平移運(yùn)動(dòng)中僅與其相對(duì)位置的相鄰的兩個(gè)磁制冷工質(zhì)片進(jìn)行熱交換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁制冷器件，其中，所述制冷層與所述回?zé)釋拥某叽缦嗟龋凰龃胖评涔べ|(zhì)片與所述回?zé)峁べ|(zhì)片的尺寸相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的磁制冷器件，其中，所述磁制冷工質(zhì)片的材料為gd、ferh、lafesi、gdsige、mnas、mnpsige和nimnx中的一種或多種，優(yōu)選為gd、gd5(si,ge)4、la(fe,si)13、mncoge和nimnsn中的一種或多種；
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的磁制冷器件，其中，所述制冷層和所述回?zé)釋又g的距離為0～10nm；優(yōu)選地，在所述制冷...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：林源，賈征楠，王晶，胡鳳霞，陳允忠，趙同云，孫繼榮，沈保根，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院物理研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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