一种往复式全固态磁制冷器件及其应用制造技术

本发明专利技术提供一种往复式全固态磁制冷器件，包括至少一个制冷单元，所述制冷单元包括平行设置的制冷层和导热层，其中所述制冷层包括间隔地嵌入在第一绝热材料中的多个磁制冷工质片，所述导热层包括间隔地嵌入在第二绝热材料中的多个导热工质片，所述磁制冷工质片与所述导热工质片之间具有热传导，并且所述制冷层和所述导热层能够做逆向往复式平移运动。该磁制冷器件的回热过程通过相邻两个制冷层和导热层直接换热实现，由于没有外部回热模块，消除了不可逆的回热损失，从而提高了冷却功率密度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种往复式全固态磁制冷器件及其应用


[0001]本专利技术属于磁制冷
，涉及一种无需回热器辅助的往复式全固态磁制冷器件及其应用。

技术介绍

[0002]磁制冷技术是一种通过在加磁场和退磁场过程中磁制冷材料相变引起的熵变及温度变化来实现制冷的技术。在传统的气体压缩制冷的过程中，需要使用大量的破坏臭氧层导致温室效应的制冷剂氟利昂；而利用磁制冷技术的制冷机则不会产生和利用破坏环境的化学物质，所以磁制冷技术是一种绿色环保的技术。
[0003]另一方面，相对于气体压缩制冷，磁制冷更加高效节能，没有噪音污染，并且可以小型化。这些优点使得磁制冷技术成为传统气体压缩制冷的理想替代技术之一。
[0004]用于室温磁制冷机中的回热器可分为三种形式：外部回热器、内部回热器和主动式回热器。主动式回热循环(AMR)中的磁性材料既是磁性工质又是回热材料，其凭借减少回热过程中的热损耗成为现阶段公认的具有最高能量利用效率的磁制冷循环方式，已经先后被运用到了许多制冷机循环中。最初的传统AMR循环是通过流体换热完成的，然而换热流体为了满足不导电或无磁等特性往往牺牲了其高导热性能，限制了热交换速度，将器件的工作频率限制在了1Hz左右。如果一味追求工作频率的提高将会引起热传导不充分，从而降低系统的制冷能力和制冷效率。另一方面，由传热流体与器壁之间的温差引起的不可逆热损失，以及流体比较粗糙的机械控制装置都对器件的制冷效率产生了不可忽略的影响。此外，换热流体对磁体和制冷工质的腐蚀问题也对磁制冷器件的设计带来了困难，从而提高了制冷器件的制作成本。
[0005]为了解决基于流体换热的传统AMR带来的一系列问题，通过高热导率的固体换热介质进行回热的新型全固态磁制冷模型得到了人们的高度关注。目前报道的全固态制冷模型主要有两类，一类是基于热二极管(电控热二极管和磁控热二极管)的全固态磁制冷模型，另一类是基于高热导率材料的全固态制冷模型。其中，基于热二极管的以Peltier元件(电控热二极管)作为固态导热介质的全固态磁制冷模型，为了更快地完成热传导，需要在Peltier元件中输入较大的工作电流，从而增加了整个系统的电功率损耗(也就是外部做功)，导致整个制冷系统COP(制冷系数)减少，制冷效率降低。如果选择降低工作电流，确实可以降低电功率损耗，但同时也降低了热传导速度，减少了制冷量，降低了工作频率，违背了引入热二极管的初衷。因此，引入Peltier元件可以提高全固态磁制冷系统的工作频率和制冷功率，但同时不可避免的引入了电功率损耗，对制冷效率产生了负面影响。另一方面，虽然基于磁控热二极管的全固态制冷模型比功率密度、COP和制冷温跨均能够得到大的提升，但是满足实际应用条件的磁控热二极管材料难以获得。因此，换热介质的制约极大地阻碍了全固态磁制冷模型的研究、应用和发展。

技术实现思路

[0006]因此，本专利技术的目的是开发一种全固态磁制冷器件，使其突破传统换热介质的制约，采用新型的回热和制冷方式，实现在高频工作下同时具有低回热损耗和高能量作用效率。
[0007]本专利技术的专利技术人通过长期文献积累和深入研究发现，具有高热导率的材料如铜、银、金、铝、铂、铁、石墨烯、金刚石铝合金或碳纳米管等能够在相对短的时间内将热量吸收或释放，是一类理想的导热介质；另一方面如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板等绝热材料能够有效地阻止磁制冷工质、导热介质与外界进行无关的热量交换，从而减少热量的损失。所以，专利技术人将高热导率材料作为导热介质与磁制冷材料和绝热材料结合起来，通过合理的器件设计实现了制冷效率很高的全固态磁制冷。此外，由于磁制冷工质、导热介质、绝热材料均是固态，便于设计和加工成不同的形状和尺寸，也便于机械装置进行比较精准的控制，因此，基于高热导材料的全固态制冷器件可以实现不同尺度(亚微米
‑
米)的器件制冷。
[0008]本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的。
[0009]本专利技术提供了一种往复式全固态磁制冷器件，该磁制冷器件包括至少一个制冷单元，所述制冷单元包括平行设置的制冷层和导热层，其中所述制冷层包括间隔地嵌入在第一绝热材料中的多个磁制冷工质片(在本专利技术中又称作“制冷片”)，所述导热层包括间隔地嵌入在第二绝热材料中的多个导热工质片(在本专利技术中又称作“导热片”)，其中，所述制冷单元的设置使得所述制冷层和所述导热层能够做逆向往复式平移运动，并且所述磁制冷工质片与所述导热工质片之间具有热传导。
[0010]其中所述“逆向”是指所述制冷层和所述导热层的运动方向相反。
[0011]在本专利技术优选的实施方案中，所述制冷单元的设置使得所述多个磁制冷工质片中的至少一个在所述往复式平移运动中依次与所述多个导热工质片中的至少两个导热工质片发生热传导。
[0012]在本专利技术更优选的实施方案中，所述制冷单元的设置使得所述多个磁制冷工质片中的每一个磁制冷工质片在所述往复式平移运动中依次与所述多个导热工质片中的两个相邻的导热工质片发生热传导。
[0013]根据本专利技术提供的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述导热层包括分别靠近导热层的两个运动终端(沿移动方向的两端)的冷端导热工质片和热端导热工质片。
[0014]根据本专利技术提供的往复式全固态磁制冷器件，在运行过程中，将所述磁制冷器件的一部分置于磁场中，优选将所述磁制冷器件的投影面积的40％～70％区域置于磁场中，更优选为将所述磁制冷器件的投影面积的45％～55％区域置于磁场中；在一种最优选的实施方案中，将所述磁制冷器件的投影面积的一半(即50％)区域置于磁场中。
[0015]其中，所述磁场为非连续的分段磁场，使得在所述制冷层的往复式平移运动的一个终端状态下所述多个磁制冷工质片都在磁场之中，而在另一个终端状态下所述多个磁制冷工质片都在磁场之外。通过往复式平移运动，所述制冷层的多个磁制冷工质片中的每一个都往复处于磁场区域和非磁场区域，并且每一个磁制冷工质片往复与导热层的多个导热工质片中的相邻两个导热工质片发生热传导，从而在导热层的两端形成冷端导热工质片和热端导热工质片。
[0016]其中，所述磁场优选为均匀磁场，磁场的强度可以为0.1～60T，优选为0.5T～2T。所述制冷层的往复运动的频率可以为0.01～1000Hz，优选为1～20Hz，所述导热层的往复运动频率可以为0.01～1000Hz，优选为1～20Hz。所述制冷层和所述导热层的往复运动频率相同。
[0017]根据本专利技术提供的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述磁制冷工质片可以由任意磁热材料构成，例如可以选自Gd、FeRh、LaFeSi、GdSiGe、MnAs、MnPSiGe和NiMnX中的一种或多种，优选为Gd、Gd5(Si,Ge)4、La(Fe,Si)
13
、MnCoGe和NiMnSn中的一种或多种。
[0018]根据本专利技术提供的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述导热工质片可以由任意的导热材料构成，例如铜、银、金、铝、铂、铁、石墨烯、金刚石铝合金和碳纳米管等，优选为铜、石墨烯等便宜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种往复式全固态磁制冷器件，该磁制冷器件包括至少一个制冷单元，所述制冷单元包括平行设置的制冷层和导热层，其中所述制冷层包括间隔地嵌入在第一绝热材料中的多个磁制冷工质片，所述导热层包括间隔地嵌入在第二绝热材料中的多个导热工质片，其中，所述制冷单元的设置使得所述制冷层和所述导热层能够做逆向往复式平移运动，并且所述磁制冷工质片与所述导热工质片之间具有热传导。2.根据权利要求1所述的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述制冷单元的设置使得所述多个磁制冷工质片中的每一个磁制冷工质片在所述往复式平移运动中依次与所述多个导热工质片中的两个相邻的导热工质片发生热传导。3.根据权利要求1所述的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述导热层包括分别靠近导热层的两个运动终端的冷端导热工质片和热端导热工质片。4.根据权利要求1至3中任一项所述的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述磁制冷工质片的材料为Gd、FeRh、LaFeSi、GdSiGe、MnAs、MnPSiGe和NiMnX中的一种或多种，优选为Gd、Gd5(Si,Ge)4、La(Fe,Si)
13
、MnCoGe和NiMnSn中的一种或多种；所述导热工质片的材料为铜、银、金、铝、铂、铁、石墨烯、碳纳米管和金刚石铝合金中的一种或多种，优选为铜或石墨烯；所述第一绝热材料和所述第二绝热材料相同或不同，并且各自独立地选自玻璃纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：林源，王晶，胡凤霞，乔凯明，孙继荣，沈保根，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：