磁制冷回热器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了磁制冷回热器及其制备方法，涉及磁制冷和3D打印的技术领域，包括磁热效应的原理、磁制冷样机的工作特点和3D打印的技术优势。解决了现有回热器工作温度范围窄的技术问题，同时为提高回热器制冷性能提供了一个新的思考方向。的思考方向。的思考方向。

【技术实现步骤摘要】
磁制冷回热器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及磁制冷
，尤其是涉及一种磁制冷回热器及其制备方法。

技术介绍

[0002]磁制冷技术凭借其效率高(卡诺循环效率可达40％～50％)；结构紧凑(制冷工质为固体)；环境友好(固
‑
液换热不产生有害气体)；噪声小(运行频率低)等优势，成为制冷领域备受关注的一种技术。这项技术利用磁制冷材料磁化时放热、退磁时吸热的物理特性来实现制冷。而回热器是磁制冷设备中放置磁制冷材料的部件，其结构或者磁制冷材料的结构和成分都直接影响设备的制冷能力。
[0003]回热器的常规做法是，先将材料挤压成片状，然后根据材料相变温度依次堆积，利用粘合剂制成回热器。这其中存在着制备工艺繁琐、不能精确控制回热器成分的问题。此外，也有将不同相变温度的磁制冷材料制成颗粒状或碎屑状的工艺，这类工艺相比挤压成片状更简单，但是这种松散的结构在实际应用中增大了区分不同工作温度材料和固定其位置的难度。
[0004]相比之下，3D打印技术就非常适合生产具有复杂结构的零件，凭借其增材制造和计算机控制打印的特性，有着材料利用率高、生产灵活、生产交付周期短等优势。因此，3D打印技术在回热器领域的应用被局限在了制造传热性能更好的复杂结构方面。但是，回热器的制冷能力不仅仅和传热性能相关，更取决于磁制冷材料本身的特性。因此，利用3D打印技术制造多层材料回热器，相比制造单层材料复杂结构回热器，在降低制造成本和提高制冷能力方面，具有更高的性价比。
[0005]目前，围绕提高材料与换热流体接触面积、降低摩擦系数这两个目标，许多特别的结构被提出，比如仿鱼鳍的梭形结构、仿金枪鱼血管的双波纹通道结构、截面为正六边形的螺旋波浪结构等。相比传统成型技术，3D打印技术在制造这些复杂结构更具有优势，但也存在一些问题。
[0006]结构对制冷能力的影响是复杂的。比如，增大结构的表面积，即：增大磁制冷材料与换热流体的换热面积，一方面，能够直接提高材料的努塞尔系数从而提高传热能力；但是，另一方面，接触面积的增到通常也意味着增加了材料对流体流动的阻碍，提高了压降，降低了制冷能效系数。所以，制备出的复杂结构的单层回热器，与一般结构的单层回热器，制冷能力提高并不显著。并且，单层回热器的共同缺点，只能在特定温度区域工作，工作温度范围窄。
[0007]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种采用多材3D打印技术制造多层稀土磁制冷回热器，在继承全部3D打印技术优势的基础上，拓宽了材料的工作温度范围。
[0009]为了解决上述技术问题，实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供磁制冷回热器，所述磁制冷回热器沿某一特定方向具有连续变化的相变温度。
[0011]在可选的实施方式中，所述相变温度的范围为20K～300K。
[0012]优选地，所述相变温度的范围为264K～295K。
[0013]优选地，所述相变温度的范围为20K～77K。
[0014]优选地，所述相变温度的范围为276K～300K。
[0015]第二方面，本专利技术提供前述实施方式所述磁制冷回热器的制备方法，所述制备方法包括以下(a)或(b)：
[0016](a)选用具有不同相变温度的打印材料进行3D打印，得到在特定方向上具有连续相变温度的磁制冷回热器；
[0017](b)使用3D打印方法制备磁制冷回热器，并在3D打印过程中连续调整打印材料组成，得到在特定方向上具有连续相变温度的磁制冷回热器。
[0018]在可选的实施方式中，所述打印材料包括合金，所述合金的元素组成包括钆、钬、铒、钴、镍、铝、铁、镧、硅或碳中至少两种。
[0019]在可选的实施方式中，所述合金为钆钬合金，所述钆和钬的摩尔比为1：0～0.25。
[0020]在可选的实施方式中，钆粉和钬粉混匀后进行3D打印，设置打印参数为：打印速度5～15mm/s、挤出速度5～15mm/s、打印线间距0.1～1.0mm、打印高度0.2～1.0mm；3D打印过程中，逐渐提高钬粉用量，钬与钆摩尔比的提高速率为每分钟7.78
×
10
‑5。
[0021]在可选的实施方式中，打印速度10mm/s、挤出速度10mm/s、打印线间距0.5mm、打印高度0.4mm。
[0022]在可选的实施方式中，所述合金的元素组成包括铒、钴、镍、铝、铁或钬中的3或4种，合金原子组成通式为Er
a
Co
b
Ni
c
Al
d
Fe
e
Ho
f
，其中a为0或1，1.87≤b≤2.06，0.16≤c≤0.3，0≤d≤0.13，e为0或0.14，f为0或1。
[0023]在可选的实施方式中，制备ErCo
1.9
Ni
0.18
Al
0.04
、ErCo
1.95
Ni
0.21
Fe
0.14
、ErCo
2.0
Ni
0.16
Fe
0.14
、ErCo
2.06
Fe
0.14
、HoCo
1.87
Ni
0.3
Al
0.13
、HoCo
1.9
Ni
0.25
Al
0.15
和HoCo
2.0
Ni
0.16
Fe
0.14
七种合金，按照冷端到热端的方向依次使用上述七种合金进行3D打印，设置打印参数为：ErCo
1.9
Ni
0.18
Al
0.04
和HoCo
2.0
Ni
0.16
Fe
0.14
的厚度为12.5cm，ErCo
1.95
Ni
0.21
Fe
0.14
、ErCo
2.0
Ni
0.16
Fe
0.14
、ErCo
2.06
Fe
0.14
、HoCo
1.87
Ni
0.3
Al
0.13
、HoCo
1.9
Ni
0.25
Al
0.15
的厚度为10cm。
[0024]在可选的实施方式中，所述合金的元素组成包括摩尔比为1：0～11：0～0.60：1.40：0.15的镧、铁、钴、硅和碳。
[0025]在可选的实施方式中，设置镧粉、硅粉、碳粉的出料速度满足La、Si和C的摩尔比为1：1.40：0.15，另外设置两个打印喷口，分别装有Fe粉和Co粉，装有Fe粉的喷口的最大出料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.磁制冷回热器，其特征在于，所述磁制冷回热器沿某一特定方向具有连续变化的相变温度。2.根据权利要求1所述的磁制冷回热器，其特征在于，所述相变温度的范围为20K～300K；优选地，所述相变温度的范围为264K～295K；优选地，所述相变温度的范围为20K～77K；优选地，所述相变温度的范围为276K～300K。3.权利要求1或2所述磁制冷回热器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下(a)或(b)：(a)选用具有不同相变温度的打印材料进行3D打印，得到在特定方向上具有连续相变温度的磁制冷回热器；(b)使用3D打印方法制备磁制冷回热器，并在3D打印过程中连续调整打印材料组成，得到在特定方向上具有连续相变温度的磁制冷回热器。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述打印材料包括合金，所述合金的元素组成包括钆、钬、铒、钴、镍、铝、铁、镧、硅或碳中至少两种。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述合金为钆钬合金，回热器整体为圆柱体，沿圆柱体轴向，所述钆和钬的摩尔比在1：0～0.25范围内连续变化。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，钆粉和钬粉混匀后进行3D打印，设置打印参数为：打印速度5～15mm/s、挤出速度5～15mm/s、打印线间距0.1～1.0mm、打印高度0.2～1.0mm；3D打印过程中，逐渐提高钬粉用量，钬与钆摩尔比的提高速率为每分钟7.78
×
10
‑5；优选地，打印速度为10mm/s、挤出速度为10mm/s、打印线间距为0.5mm、打印高度为0.4mm。7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述合金的元素组成包括铒、钴、镍、铝、铁或钬中的3或4种，合金原子组成通式为Er
a
Co
b
Ni
c
Al
d
Fe
e
Ho
f
，其中a为0或1，1.87≤b≤2.06，0.16≤c≤0.3，0≤d≤0.13，e为0或0.14，f为0或1。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，制备ErCo
1.9
Ni
0.18
Al
0.04
、ErCo
1.95
Ni
0.21
Fe
0.14
、ErCo
2.0
Ni
0.1...

【专利技术属性】
技术研发人员：高新强，周益帆，沈俊，莫兆军，李振兴，许博，
申请(专利权)人：中国科学院赣江创新研究院，
类型：发明
国别省市：