[发明专利]磁热级联和制造磁热级联的方法

说明书

本发明涉及一种磁热级联和一种制造磁热级联的方法。其进一步涉及一种磁热交流换热器、热泵和包括使用磁热级联的热泵送方法。

由于材料研究的进步，磁热效应(MCE)已经成为即使在室温下用于工业和商业应用的已知流体循环冷却方法(例如致冷器，用于在加工工业中冷冻生产的冷却体系，以及空调系统)的经济上可行的替代方案。磁热效应的另一应用领域是在热磁发电机中，即将热量转换成电能。

磁热效应在将外部磁场施加到合适的磁热材料下并在其居里温度附近的环境温度下发生。所施加的外部磁场引起磁热材料的随机取向的磁矩取向，并因此导致磁相变，这也可描述为高于环境温度的材料居里温度的诱导升高。这种磁相变意味着磁熵的损失，并且在绝热过程(与环境温度热隔离)中通过产生声子而导致磁热材料晶格的熵贡献增加。因此，施加外部磁场的结果是发生磁热材料的加热。

在工业冷却应用中，这种额外的热量通过热传递至呈传热介质形式的环境受热器而从材料中移除。水是用于将热量从磁热材料移除的传热介质的实例。随后的外部磁场的移除可描述为居里温度降回至低于环境温度，因此允许磁矩回复至随机排列。这导致磁熵增加和磁热材料本身的晶格的熵贡献降低，并且因此在绝热工艺条件下导致磁热材料冷却至低于环境温度。通常在设备应用中周期性地实施所述的包括磁化和去磁在内的过程循环。

所述的冷却效果可通过将磁热材料设计成一系列具有降低的居里温度的层而提高，或者换言之，包含两个或更多个居里温度降低的连续磁热材料层的磁热级联。在该磁热级联中，第一磁热材料将第二磁热材料冷却至第二磁热材料的居里温度附近的温度，对包含在级联中的任何其他磁热材料也是如此。这样，与使用单一磁热材料相比，可大大提高所获得的冷却效果。

US 2004/0093877A1公开了一种在室温或室温附近表现出磁热效应的磁热材料和使用该磁热材料的磁致冷器。磁热材料的不同组成得到了具有不同居里温度(即不同磁相变温度)的不同磁热材料。磁热材料设置在暴露于变化的磁场中的第一和第二交流换热器床中。交流换热器构成了磁致冷器的核心。类似地，WO 2004/068512A1和WO 2003/012801描述了通过改变各成分或各成分的相对量而从具有特定组成的材料体系中获得的具有不同居里温度的磁热材料。

US 2011/0094243描述了由具有不同居里温度的至少三种不同磁热材料的级联组成的换热器床，这些材料以居里温度增大或降低的方式连续排列，并且通过中间热和/或电绝缘体彼此隔绝，相邻磁热材料的居里温度之差为0.5-6K。

US 8,104,293B2公开了一种磁热冷却设备，其包括多个热耦合的磁热元件、一个或多个容纳流体介质的储存器和两个换热器。换热器与磁热元件和至少一个储存器热耦合，从而通过流体介质在磁热元件和环境之间传递热量。

US 2011/0173993A1公开了一种磁热元件，其包括按照居里温度增大的方式排列的至少两个相邻的磁热材料组。同一组中的磁热材料具有相同的居里温度。磁热元件进一步包括用于引发磁热元件的两个相对的热端和冷端之间的温度梯度的引发装置。

WO 2014/115057A1描述了一种包含具有不同居里温度的至少三种不同磁热材料的磁热级联，所述磁热材料以居里温度降低的方式连续排列，其中具有不同居里温度的不同磁热材料均不具有比居里温度最高的磁热材料更高的层性能Lp。具有不同居里温度的不同磁热材料中的至少一种具有比居里温度最高的磁热材料低的层性能Lp。特定磁热材料层的层性能Lp根据下式计算：Lp＝m*dT_ad,最大，其中dT_ad,最大：特定磁热材料在磁热循环期间从低磁场到高磁场磁化时经历的最高绝热温度变化，m：磁热级联中所含的特定磁热材料的质量。

根据本发明的第一方面，提供了一种磁热级联，其包含至少三个具有不同居里温度T_C的磁热材料层的序列，其中：

-磁热材料层包括冷侧外层、热侧外层以及介于冷侧外层与热侧外层之间的至少三个内层，且磁热级联的每个下一相邻磁热层对在其各自的居里温度之间具有各自的居里温度差量ΔT_C，其中

-热侧外层或冷侧外层或热侧外层与冷侧外层二者具有比任何内层更大的比值mΔS_最大/ΔT_C，其中m表示相应磁性材料层的质量，ΔS_最大表示相应磁性材料层的磁相变中可获得的等温磁熵变的最大量。