專利名稱：室溫磁制冷材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一類制冷工質(zhì)及其制法，特別是用于室溫磁制冷的超順磁性制冷材料和鐵磁性材料的裝片成型及其制法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高要求有舒適的環(huán)境，作為現(xiàn)代科學(xué)的血液的制冷技術(shù)在近200年逐步發(fā)展和成熟，給人類的生活帶來了舒適和享受，也給科學(xué)和技術(shù)提供了研究和使用平臺(tái)。因?yàn)槿祟惸茉从腥种幌脑谥评渖?，因此制冷技術(shù)的狀況對(duì)人類的生存極為重要。制冷技術(shù)主要有液體汽化制冷、氣體膨脹制冷、吸附制冷、熱電制冷、渦流管制冷、熱聲制冷、脈沖管制冷以及磁制冷等多種形式，但最流行的是液體汽化制冷。液體汽化制冷需要使用氟里昂，它不但破壞大氣層上空的臭氧環(huán)境，而且還具有溫室效應(yīng)，因此制冷直接影響了能源的使用和環(huán)境的質(zhì)量，研究和發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新型制冷方式就非常迫切和意義重大。
磁制冷作為一種制冷方式在1926年就在科學(xué)上得以確認(rèn)，它理論上具有最高的循環(huán)效率，而且沒有壓縮機(jī)，所以就成了物理學(xué)家夢寐以求的制冷方式。但后來的研究僅僅在極低溫領(lǐng)域(絕對(duì)零度附近)獲得成功，并且早已生產(chǎn)出了氦的磁制冷液化設(shè)備。在室溫磁制冷部分則經(jīng)歷了太多的失敗后長期停滯不前，一直沒有什么進(jìn)展。和低溫下的磁制冷不同，室溫磁制冷在循環(huán)方式、磁制冷工質(zhì)以及磁場上都有特殊的要求，因此實(shí)現(xiàn)起來十分艱難。
1976年，美國宇航局(NASA)的Brown使用釓板加混有水的酒精作蓄冷劑在超導(dǎo)磁場環(huán)境下下首先實(shí)現(xiàn)了38度的溫差，向人類顯示了室溫磁制冷的可能性。
1982年，美國的Barclay和Clayart提出了主動(dòng)式磁蓄冷器(AMR)的新概念，為實(shí)用化的室溫磁制冷做了理論上的準(zhǔn)備。
1990年，美國能源部資助NASA和衣阿華大學(xué)Ames實(shí)驗(yàn)室開展基于AMR的室溫磁制冷樣機(jī)研究。在室溫磁制冷材料研究上，他們于1997年發(fā)現(xiàn)釓硅鍺合金具有超過釓的所謂巨磁熱效應(yīng)，給主動(dòng)式磁蓄冷器找到了用武之地。在室溫磁制冷機(jī)的研究上，經(jīng)過近8年的艱苦摸索，1997年人類第一臺(tái)能長期高效運(yùn)轉(zhuǎn)的往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)宣告問世。其使用的制冷工質(zhì)是金屬釓球，直徑在0.1mm~0.3mm之間，重量為3公斤，使用的超導(dǎo)磁場為1.5~5特斯拉，循環(huán)周期為6秒，運(yùn)轉(zhuǎn)了1500小時(shí)。在5特斯拉磁場下工作時(shí)熱力學(xué)完善度達(dá)到60％，在1.5特斯拉磁場下工作時(shí)則大約為20％。這項(xiàng)工作預(yù)示著室溫磁制冷技術(shù)走向?qū)嵱脮r(shí)代的來臨。
室溫磁制冷是制冷的必然發(fā)展之路，它必將在不遠(yuǎn)的將來取代現(xiàn)行的制冷方式。一切與傳統(tǒng)制冷方式相聯(lián)系的空調(diào)、冰箱和其他制冷機(jī)將完成革命性的轉(zhuǎn)變。但是，室溫磁制冷要走向市場首先需要解決效率問題、可靠性問題和經(jīng)濟(jì)性問題。隨著室溫磁制冷技術(shù)的逐步成熟，全世界的制冷產(chǎn)業(yè)將徹底改變現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其市場不可估量。制冷自1997年以來，室溫磁制冷就開始了實(shí)用化研究。由于室溫磁制冷要求的競爭對(duì)象和參照標(biāo)準(zhǔn)是傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷，因此不但要求室溫磁制冷具有價(jià)格的優(yōu)勢，而且也要求有小的體積和高的工作效率。對(duì)于這樣的問題，我們認(rèn)為可以通過提高運(yùn)行速度、尋找具有大磁熱效應(yīng)的室溫磁制冷材料和增加磁場強(qiáng)度等方式來解決。因?yàn)槭覝卮胖评溥€使用流體與室溫磁制冷材料交換熱量，這就對(duì)室溫磁制冷材料的成型提出了要求。
發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種室溫磁制冷材料及其制造方法，以達(dá)到增加室溫磁制冷的制冷量，改善換熱效果，減緩工質(zhì)的氧化速度提高其使用壽命等目的。
2、技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的一種室溫磁制冷材料，其特征在于它是由材料片單元疊壓而成，材料片單元與材料片單元之間設(shè)有凸點(diǎn)，使材料片單元與材料片單元之間形成流體流動(dòng)的通道。
所述的材料片單元包括上下兩層金屬皮，在金屬皮之間填充有液態(tài)導(dǎo)熱劑，該導(dǎo)熱劑中混合有超順磁性或鐵磁性室溫磁制冷工質(zhì)粉末，上下兩層金屬皮分塊壓死，使金屬皮中間形成一個(gè)一個(gè)相互不通的小區(qū)間。
所述的超順磁性或鐵磁性室溫制冷工質(zhì)粉末的粒徑尺寸小于0.01毫米。
所述的金屬皮的厚度小于0.05毫米，材料片單元的厚度小于0.1毫米。
所述的凸點(diǎn)為厚度不大于材料片單元厚度的金屬片或在材料片單元之間墊上直徑為0.01-0.1毫米的球形金屬粉。
所述的金屬皮為銅皮。
所述的材料片單元相互疊壓后的片蔟厚度為0.1-100毫米。
所述的室溫磁制冷材料的制造方法，其特征在于將超順磁性或鐵磁性室溫磁制冷工質(zhì)通過粉碎、球磨、等離子噴涂或機(jī)床加工成粒徑小于0.01毫米的粉末；準(zhǔn)備好厚度小于0.05毫米的金屬皮；將制冷工質(zhì)粉末加入到液態(tài)導(dǎo)熱劑中，再將含有制冷工質(zhì)的液態(tài)導(dǎo)熱劑密封在兩金屬皮之間，壓緊使之形成厚度小于0.1毫米的材料片單元；將材料片單元中的兩金屬皮分塊壓死，使金屬皮間形成一個(gè)一個(gè)互不相通的小區(qū)間；將材料片單元疊壓成片蔟，在材料片單元之間設(shè)有凸點(diǎn)，使材料片單元之間形成有流體流動(dòng)的通道。所述的金屬皮采用銅皮。所述的材料片單元之間設(shè)置的凸點(diǎn)為厚度不大于材料片單元厚度的金屬片或在材料片單元之間墊上粒徑為0.01-0.1毫米的球形金屬粉。材料片單元疊壓形成的片蔟厚度為0.1-100毫米。
室溫磁制冷的基本工作原理是利用磁性材料進(jìn)出磁場時(shí)具有的溫度效應(yīng)。因?yàn)橐淮蝺舻臏囟刃?yīng)較小，需要將這樣的溫度效應(yīng)通過有效的技術(shù)手段放大并且積累，所以需要采用所謂的主動(dòng)式磁蓄冷器來達(dá)到目的。在主動(dòng)式磁蓄冷器中，磁工質(zhì)在制冷的同時(shí)還充當(dāng)蓄冷器的角色，需要與外界的流體傳熱來調(diào)節(jié)工質(zhì)的溫度變化，所以換熱效率和防氧化等問題在選用室溫磁制冷工質(zhì)時(shí)也就顯得非常突出，需要特別加以注意。
3、有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是1)、解決了如何將室溫磁制冷材料用于室溫磁制冷的問題，特別是易氧化和易粉化的室溫磁制冷材料和尺寸細(xì)小的超順磁性材料在室溫磁制冷上的應(yīng)用。2)、完成了室溫磁制冷材料與換熱流體的隔絕，防止了工質(zhì)的氧化。3)、用室溫磁制冷材料與液體強(qiáng)化了室溫磁制冷材料與換熱流體的傳熱四
圖1是本發(fā)明所述的材料片單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明所述的片蔟結(jié)構(gòu)示意圖。
五具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本發(fā)明制作的室溫磁制冷材料由厚度為0.1毫米的材料片單元疊壓而成，所形成的片蔟的厚度為5毫米，在每層材料片單元與材料片單元之間每隔5毫米設(shè)有直徑為1毫米、高度為0.05毫米的小圓臺(tái)，使材料片單元之間形成有液體流動(dòng)的通道。材料片單元由上下兩層厚度為0.01毫米的銅皮構(gòu)成，在兩層銅皮之間充滿有液態(tài)的防氧化導(dǎo)熱劑鎵，液態(tài)的防氧化導(dǎo)熱劑鎵中填充有室溫磁制冷材料釓作為制冷工質(zhì)，制冷工質(zhì)的粒徑為0.005毫米，每隔3毫米上下銅皮之間有壓痕，使銅皮中間形成一個(gè)個(gè)方形的互不相通的小區(qū)間。其具體的制作工藝如下1、將室溫磁制冷工質(zhì)釓?fù)ㄟ^機(jī)床加工成小片、加水粉碎、和球磨或等離子噴涂或者機(jī)床直接加工等多種方式加工成合適大小的釓球，其尺寸為0.005毫米。
2、準(zhǔn)備好厚度小于0.01毫米的銅皮。
3、在兩銅皮之間緊密封入室溫磁制冷工質(zhì)釓球和防氧化導(dǎo)熱劑鎵，釓球應(yīng)該盡可能緊密。將這些材料壓成厚度為0.1毫米的片。在所壓片表面，每隔5毫米是一個(gè)直徑為1毫米高度為0.05毫米的小圓臺(tái)。每隔3毫米距離，將該銅片壓死，使得在銅皮中間出現(xiàn)一個(gè)一個(gè)方形的相互不通的小區(qū)間。
4、將該材料片壘起成為片簇加壓固定，以保證必要的機(jī)械強(qiáng)度。不要加壓過大，為的是保證在片之間有流體可以流動(dòng)的通道。片簇的厚度在為5毫米。
5、這樣成型的室溫磁制冷材料作適當(dāng)剪裁，就可以用于室溫磁制冷機(jī)器了。具體的結(jié)構(gòu)情況參見附圖1和附圖2。
實(shí)施例2室溫制冷材料其結(jié)構(gòu)和制造方法基本同于實(shí)施例1，所不同的是制冷工質(zhì)選用超順磁性室溫制冷工質(zhì)，其粒徑為0.001毫米，材料片單元的厚度為0.05毫米，在材料片單元之間撒上粒徑為0.05毫米的球形金屬粉，材料片單元疊壓后形成的片蔟厚度為90毫米。
權(quán)利要求
1.一種室溫磁制冷材料，其特征在于它是由材料片單元疊壓而成，材料片單元與材料片單元之間設(shè)有凸點(diǎn)，使材料片單元與材料片單元之間形成流體流動(dòng)的通道，所述的材料片單元包括上下兩層金屬皮，在金屬皮之間填充有液態(tài)導(dǎo)熱劑，該導(dǎo)熱劑中混合有超順磁性或鐵磁性室溫磁制冷工質(zhì)粉末，上下兩層金屬皮被分塊壓死，使金屬皮中間形成一個(gè)一個(gè)相互不通的小區(qū)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室溫磁制冷材料，其特征在于所述的超順磁性或鐵磁性室溫制冷工質(zhì)粉末的粒徑尺寸小于0.01毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室溫磁制冷材料，其特征在于所述的金屬皮的厚度小于0.05毫米，材料片單元的厚度小于0.1毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室溫磁制冷材料，其特征在于所述的凸點(diǎn)為厚度不大于材料片單元厚度的金屬片或在材料片單元之間墊上直徑為0.01-0.1毫米的球形金屬粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的室溫磁制冷材料，其特征在于所述的金屬皮為銅皮。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室溫磁制冷材料，其特征在于所述的材料片單元相互疊壓后的片蔟厚度為0.1-100毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的室溫磁制冷材料的制造方法，其特征在于1)將超順磁性或鐵磁性室溫磁制冷工質(zhì)通過粉碎、球磨、等離子噴涂或機(jī)床加工成粒徑小于0.01毫米的粉末；2)準(zhǔn)備好厚度小于0.05毫米的金屬皮；3)將制冷工質(zhì)粉末加入到液態(tài)導(dǎo)熱劑中，再將含有制冷工質(zhì)的液態(tài)導(dǎo)熱劑密封在兩金屬皮之間，壓緊使之形成厚度小于0.1毫米的材料片單元；4)將材料片單元中的兩金屬皮分塊壓死，使金屬皮間形成一個(gè)一個(gè)互不相通的小區(qū)間；5)將材料片單元疊壓成片蔟，在材料片單元之間設(shè)有凸點(diǎn)，使材料片單元之間形成有流體流動(dòng)的通道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的室溫磁制冷材料的制造方法，其特征在于所述的金屬皮采用銅皮。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的室溫磁制冷材料的制造方法，其特征在于所述的材料片單元之間設(shè)置的凸點(diǎn)為厚度不大于材料片單元厚度的金屬片或在材料片單元之間墊上粒徑為0.01-0.1毫米的球形金屬粉。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的室溫磁制冷材料的制造方法，其特征在于材料片單元疊壓形成的片蔟厚度為0.1-100毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種室溫磁制冷材料及其制造方法，材料是由材料片單元疊壓而成，材料片單元與材料片單元之間設(shè)有凸點(diǎn)，材料片單元包括上下兩層金屬皮，在金屬皮之間填充有液態(tài)導(dǎo)熱劑，該導(dǎo)熱劑中混合有超順磁性或鐵磁性室溫磁制冷工質(zhì)粉末，上下兩層金屬皮被分塊壓死。材料的制造方法是將制冷工質(zhì)加工成的粉末；將制冷工質(zhì)粉末加入到液態(tài)導(dǎo)熱劑中，再將態(tài)導(dǎo)熱劑密封在兩金屬皮之間；將材料片單元中的兩金屬皮分塊壓死；將材料片單元疊壓成片簇。本發(fā)明解決了如何將室溫磁制冷材料用于室溫磁制冷的問題；完成了室溫磁制冷材料與換熱流體的隔絕，防止了工質(zhì)的氧化；用室溫磁制冷材料與液體強(qiáng)化了室溫磁制冷材料與換熱流體的傳熱。
文檔編號(hào)C09K5/00GK1396231SQ0213787
公開日2003年2月12日 申請(qǐng)日期2002年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月1日
發(fā)明者盧定偉 申請(qǐng)人:南京大學(xué)