通过环氧树脂在结构上稳定化的高孔隙率颗粒床制造技术

本发明专利技术提供了一种多孔回热器设备和制造多孔回热器的方法，所述多孔回热器包括：通过粘合剂(例如环氧树脂)在多孔三维网络中保持在一起的金属或金属间颗粒。该设备的一个方面是，多孔回热器的孔隙率大于构成多孔回热器的颗粒的振实孔隙率；此外，该高孔隙率设备是耐久的，即，其在暴露于强时变性磁力，同时浸入水性流体中时保持完好。该高孔隙率在与高强度和水性传热流体稳定性结合时，产生改进的多孔回热器，同时产生具有改善的性能的磁制冷器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】关于联邦政府资助的研究或开发的声明本专利技术是在政府支持下在由美国能源部授予的DE-AR0000128下做出的。政府在本专利技术中具有某些权利。相关申请的交叉引用本申请要求2013年9月11日提交的美国临时申请序列号61/876,297的优先权，其全部内容通过引用并入本文。专利技术背景本专利技术涉及制造多孔回热器的设备和方法，所述多孔回热器包括通过粘合剂连接的金属或金属间颗粒。通过本方法制造的多孔回热器具有高的孔隙率，同时在水性溶液中保持高的强度和稳定性。通过本方法制造的多孔回热器在用作主动式磁回热器(activemagneticregenerators,AMRs)时特别有用，所述主动式磁回热器经历水性传热流体的往复流动和由磁场循环产生的大的磁力。磁制冷是基于磁热效应的冷却技术。磁热效应是磁性材料在其磁有序温度(例如铁磁体的居里温度Tc)附近的固有特性。在铁磁体(例如钆)的情况中，是因原子磁矩在施加磁场时定向排列所致的熵减少以及在磁矩一经移除该场就变为随机取向时的熵增加在绝热条件下分别导致了材料温度的升高或降低(绝热温度变化ΔTad)。钆(典型的磁热材料(MCM))在居里温度下在1特斯拉的场中具有2.5℃的最大ΔTad。居里温度可以通过调整磁热材料的组成而移动，并且因此峰值ΔTad的温度可以通过调整磁热材料的组成而移动。例如，钆铒固溶体的居里温度可以通过改变钆/铒比来改变。现代室温磁制冷(MR)系统可以采用主动式磁回热器(AMR)循环来进行冷却。AMR循环的早期实施可以在美国专利第4,332,135中找到，其全部公开内容通过引用并入本文。如图1a至1d中示意地示出，AMR循环具有四个阶段。图1a至1d中的MR系统包括磁热材料(MCM)的多孔床190和传热流体，所述传热流体在其流动穿过MCM床190时与MCM交换热。在图1a至1d中，床的左侧为冷侧，而热侧在右边。在另一实施方案中，热侧和冷侧可以反转。流体流动的时机和方向(热至冷或冷至热)可以与磁场的施加和移除相协调。磁场可以通过永磁体、电磁体、或超导磁体提供。在AMR循环的说明性实施例，循环的第一阶段(图1a)中，发生“磁化”。将磁场192在MCM床190中的流体停滞的同时施加至MCM床190，引起MCM床190变热。在图1a中示出的磁化阶段中，所示的四个阀全部关闭，防止流体流动穿过MCM床190。四个阀包括冷进口阀182、冷出口阀184、热出口阀186、以及热进口阀188。在循环的第二阶段(图1b)中，发生“冷至热流动”。保持在整个MCM床190中的磁场192，并且将在温度TCi(冷进口温度)下的流体从冷侧泵送穿过MCM床190至热侧。冷进口阀182和热出口阀186在该阶段期间打开以促进流体移动穿过MCM床190。冷出口阀184和热进口阀188在该阶段期间关闭。流体从MCM床190的各个部分移除热，冷却MCM床190，并且使流体在其传到MCM床190的下一部分时升温，该过程在所述MCM床190的下一部分处在更高的温度下继续。流体最终达到温度THo(热出口温度)，所述流体在该温度下穿过热出口阀186离开MCM床190。通常，该流体穿过热侧换热器(HHEX)194循环，所述流体在所述热侧换热器194处将其热排至周围环境。在第三阶段(图1c)中，发生“退磁”。流体流动在冷进口阀182和热出口阀186关闭并且磁场192被移除时终止。冷出口阀184和热进口阀188在该阶段期间也是关闭的。这引起MCM床190进一步冷却。在循环的最后阶段(图1d)中，发生“热至冷流动”。此处，将在温度THi(热进口温度)下的流体在磁场192的持续不存在下从热侧泵送穿过MCM床190至冷侧。在该阶段中，冷出口阀184和热进口阀188打开，同时冷进口阀182和热出口阀186关闭。该流体向MCM床190的各个部分添加热，使MCM床190升温，并且使流体在其传到MCM床190的下一部分时冷却，该过程在所述MCM床190的下一部分处在更低的温度下继续。流体最终达到温度TCo(冷出口温度)，所述TCo是流体在循环中达到的最低温度。通常，该较冷的流体穿过冷侧换热器(CHEX)196循环，所述流体在所述冷侧换热器196处从制冷系统中获得热，允许该系统保持其低温。如图2示意地示出，MCM床190安装在如制冷系统200中所示的MR系统中。如本
所理解的，制冷系统200包括与用于使传热流体循环的泵204通信的流体罐202。传热流体流动穿过MCM床190的多孔体，并且在流体与低温MCM床190接触时变冷，所述低温MCM床在图1c中所示的“退磁”阶段期间产生。变冷的流体离开床190，并且使冷侧换热器(CHEX)196冷却，所述流体在所述冷侧换热器196处从制冷系统200中吸收热。被加热的传热流体再次流动穿过MCM床190的多孔体，并且在所述流体与高温MCM床190接触时变热，所述高温MCM床190在图1a所示的“磁化”阶段期间产生。高温床190通过由永磁体206产生的磁场192磁化。来自MCM床190的被流体吸收的热最终通过热侧换热器(HHEX)194排放到周围环境中。然后流体返回流体罐202和泵204以进行再循环。AMR循环的主要优点在K.L.Engelbrecht、G.FNellis、S.AKlein和C.B.Zimm的RecentDevelopmentsinRoomTemperatureActiveMagneticRegenerativeRefrigeration,HVAC&RResearch,13(2007)第525-542页(下文中称为“Engelbrecht等”)中指出，其全部公开内容通过引用并入本文。所述优点是跨度(排出热时的温度减去吸收热时的温度)可以远大于磁热材料在施加磁场时的温度变化的绝对值(绝热温度变化ΔTad)。如之前所讨论的，在使用AMR的磁制冷系统中，传热发生在呈多孔体形式的固体磁热材料与流动穿过多孔体的传热流体之间。传热流体还从待冷却的环境中吸收热，并且将该热传递至更热的环境。为了有效地进行传热，磁热材料必须具有大的与用于传热的流体接触的表面积，并且多孔体中的流体通道必须具有低的对流体流动的阻碍。许多磁热材料涉及可以通过快速固化、固态反应、或者粉末加工来实现的相或组成。这些方法通常产生颗粒材料。这些颗粒可以具有规则形状，例如球形、椭圆形、或短圆柱形。颗粒也可以具有不规则形状，例如非球形、不规本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种回热器设备，包括：基本上为球形的磁热颗粒的一个或更多个层，所述磁热颗粒通过粘合剂以固体聚集体的形式被保持在一起，提供穿过所述磁热颗粒的流动通道，其中所述回热器设备的平均孔隙率与未结合的构成所述回热器设备的颗粒的振实孔隙率之比为至少1.05，并且所述回热器的平均孔隙率为至少40％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.11 US 61/876,2971.一种回热器设备，包括：
基本上为球形的磁热颗粒的一个或更多个层，所述磁热颗粒通过粘合
剂以固体聚集体的形式被保持在一起，提供穿过所述磁热颗粒的流动通
道，其中所述回热器设备的平均孔隙率与未结合的构成所述回热器设备的
颗粒的振实孔隙率之比为至少1.05，并且所述回热器的平均孔隙率为至少
40％。
2.根据权利要求1所述的回热器设备，其中所述基本上为球形的磁热
颗粒的平均直径在5微米至100微米之间。
3.根据权利要求1所述的回热器设备，其中所述固体聚集体具有流
体能够流过的第一表面和相对的第二表面，其中表面孔隙率从所述第一表
面至所述第二表面增加。
4.根据权利要求1所述的回热器设备，其中所述固体聚集体具有流
体能够流过的第一表面和相对的第二表面，其中所述层的厚度从所述第一
表面至所述第二表面增加。
5.根据权利要求1所述的回热器设备，其中所述基本上为球形的磁
热颗粒包含至少两种不同的磁热材料。
6.根据权利要求1所述的回热器设备，其中所述粘合剂为环氧树脂。
7.一种回热器设备，包括：
磁热颗粒的一个或更多个层，所述磁热颗粒通过粘合剂以固体聚集体
的形式被保持在一起，提供穿过所述磁热颗粒的流动通道，其中所述回热
器设备的平均孔隙率与未结合的构成所述回热器设备的颗粒的振实孔隙
率之比为至少1.05，并且所述回热器的平均孔隙率为至少45％。
8.根据权利要求7所述的回热器设备，其中所述固体聚集体具有流
体能够流过的第一表面和相对的第二表面，其中表面孔隙率从所述第一表
面至所述第二表面增加。
9.根据权利要求7所述的回热器设备，其中所述固体聚集体具有流
体能够流过的第一表面和相对的第二表面，其中所述层的厚度从所述第一
表面至所述第二表面增加。
10.根据权利要求7所述的回热器设备，其中使用至少两种不同的磁

\t热材料。
11.根据权利要求7所述的回热器设备，其中所述粘合剂为环氧树脂。
12.一种制造具有一个或更多个层的回热器的方法，所述方法包括下
述步骤：
(a)将多个磁热颗粒与粘合剂混合以形成可模制多孔块体；
(b)将预定重量的所述可模制多孔块体转移至模具；
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：莱昂纳德·约瑟夫·科莫罗夫斯基，约翰·保罗·莱昂纳德，史蒂文·李·鲁塞克，史蒂文·艾伦·雅各布斯，卡尔·布鲁诺·齐姆，
申请(专利权)人：美国宇航公司，
类型：发明
国别省市：美国;US