用于主动再生磁热或电热热力发动机的多材料叶片制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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。
本专利技术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。这种热力发动机可用在冷却、热泵和能量回收应用中。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。材料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。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。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)。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)、BaTiO3(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)。基本磁制冷循环图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。当执行阶段1至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”温度变化，并分别对应图1a的阶段1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ΔT(热和冷)。该循环的最大跨度(Tcold与Thot之间的差值)是具有低冷却功率的‘绝热’温度变化(ΔTcold或ΔThot)。最大冷却功率是在低跨度(在此由图2a中的CA给出ΔS)处的ΔS·Tmean。对于电热材料可产生类似的冷却循环。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ΔS(T)和ΔT(T)的图来表征。这在图2c中示出。实际上，ΔS和ΔT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ΔS和ΔT曲线以及对应的T-S图用于设计最佳的冷却循环。主动再生循环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。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。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(ABCD)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。
技术介绍
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。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1Hz。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。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。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ΔT温度变化，磁热材料的变化仅是ΔT-δT。因此，ΔS(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。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。同时，规则通道减小了低压降、以及因此的粘滞损失。已讨论了许多基于通道的几何形状(Tishin，“Themagnetocaloriceffectanditsapplications(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)。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。磁热(和电热)材料在它们的居里温度Tc附近呈现出最高的ΔT和ΔS(图2示出了磁热材料在～293K的峰值ΔS)，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)，必需具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
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％。

【技术特征摘要】
2011.08.26 EP 11178955.8;2011.06.30 GB 1111235.61.一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％。
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。
3.一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)。
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(...

【专利技术属性】
技术研发人员：西贝尔·奥兹坎，保罗·伯德特，尼尔·威尔逊，
申请(专利权)人：坎布里奇有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB