[发明专利]用于主动再生磁热或电热热力发动机的多材料叶片

说明书

本发明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。

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。

技术领域

本发明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US 4,332,135)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US 4,069,028)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(T_cold与T_hot之间的差值)是具有低冷却功率的‘绝热’温度变化(ΔT_cold或ΔT_hot)。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·T_mean。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。