CN103703326A

CN103703326A - 用于主动再生磁热或电热热力发动机的多材料叶片

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Publication number: CN103703326A
Application number: CN201280032779.4A
Authority: CN
Inventors: 西贝尔·奥兹坎; 保罗·伯德特; 尼尔·威尔逊
Original assignee: Camfridge Ltd
Current assignee: Camfridge Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: EP3358275A1; KR101730051B1; JP6384969B2; ES2574083T3; CN108332444B; US20140216057A1; CN105444458B; EP2541167A2; EP2726799A2; JP6567029B2; WO2013001061A2; WO2013001061A3; US10222099B2; CN103703326B; CN105444458A; JP2014518371A; JP2018077042A; RU2014103011A; GB201111235D0; EP2541167B1

Abstract

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。

Description

用于主动再生磁热或电热热力发动机的多材料叶片

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US4,332,135）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US4,069,028）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。

当磁制冷剂通过施加磁场变热时，流经制冷剂材料的开放式多孔装置的换热流体将“热”转移到一端。当制冷剂材料通过移除磁场冷却时，相同的换热流体反向流动并将“冷”转移到另一端。当换热流体在AMR的两端之间循环流动，并且以相同的周期施加和移除磁场时，在AMR的冷端侧与热端侧之间建立起温度梯度。在图1b中示出了该概念性构思。结果是，横跨制冷剂可产生30K（或更大）的显著温度梯度。

在理想的AMR的任一点处，局部制冷剂材料、施加的场以及局部温度将确定实际局部TS（ABCD）类型循环。但是，每个点都经由换热流体连接，所以总体上，整个床可被认为经受与图2b的“A”“B”“C”“D”“A”循环对应的串联连接的换热流体。

背景技术

Barclay的AMR设计由具有开放式多孔结构的磁热材料组成，并且换热流体穿过磁热材料并与磁热材料交换热。简单的开放式多孔结构是粉末填充床，已经对这种填充床再生器（US4,332,135，US6,526,759）还有固体填充床再生器（US2010/0107654A1）进行了大量工作。已实现了热侧与冷侧之间的令人印象深刻的温度梯度。

但是，粉末床具有一些缺点。主要的缺点是其低操作速度，典型地仅有0.1Hz至1Hz。操作速度是换热流体和磁场可以循环的频率。低频率转化为每瓦特冷却的相对大、重并昂贵的溶液。当在更高频率下使用液态换热流体时，由于横跨多孔填充床AMR的高压降，导致频率限制升高。压降导致大的粘性，从而导致泵送损失。虽然利用气态的换热介质可减小压降和粘滞损失，但由于气体的低热容限制了可用的冷却功率。

粉末床的另一缺点是，可实现的最高填充密度是74%（在六方紧密堆积（HCP）和面心立方（FCC）中），并且在实践中实际可获得的填充密度甚至更低。在最好的情况下，26%的磁场量不被磁热材料占用。但是，关键的是磁场利用率的最大化，以实现满足成本和尺寸要求并利用紧凑磁体的商业解决方案。

此外，上述“绝热温度变化”AB实际上是达不到绝热的，因为存在与磁热材料直接接触的换热流体，热传递到换热流体。因此，图2所示的循环ABCD更像也在图2所示的循环AFCE。不是全部的ΔT温度变化，磁热材料的变化仅是ΔT-δT。因此，ΔS（与冷却功率有关）不再是D与A之间的熵差，而是E与A之间的更小的熵差。为了更接近理想循环，需要使换热流体与磁热材料之间的热容比最小化。这可通过增加磁热材料的填充密度、通过减小换热流体的相对量，或者通过相对于磁热材料的热容降低换热流体的热容来实现。

因为AMR的填充密度原理上可设置为0%（无磁热材料）至100%（无通道）之间的任意值时，因此基于通道的几何形状避免了填充床的限制。增加材料的填充密度允许在保持有限大小和规则（并因此是低压力）的通道的同时，使再生循环最优化，即，使AF如所希望的接近AB（或CD接近CE），同时使磁场利用率最大化。

同时，规则通道减小了低压降、以及因此的粘滞损失。

已讨论了许多基于通道的几何形状（Tishin，“The magnetocaloric effect and itsapplications（磁热效应及其应用）”，IOP（英国物理学会）2003年出版，以及其中的参考文献）。

但是，商用制冷装置的挑战是，在使用合理尺寸的磁体和紧凑的AMR的同时，实现AMR的冷端与热端之间的高温度梯度。

磁热（和电热）材料在它们的居里温度Tc附近呈现出最高的ΔT和ΔS（图2示出了磁热材料在～293K的峰值ΔS），虽然取决于过渡的性质，但最大值可以是尖的或平的和宽的。为了设计最佳的AMR（或AER），必需具有沿AMR（或AER）整个长度具有高ΔT和ΔS的材料。因此，将使用具有对它们操作的温度范围而言最佳的ΔS和ΔT的多种材料。为了达到有效设计，合适磁热材料的选择和AMR（或AER）结构的详细模型对于实现高效设计而言，是非常重要的。

同时，AMR（或AER）的总冷却功率取决于AMR（或AER）可经受的每秒循环（ABCD或AFCE）数量，以及同时还有换热流体与冷、热交换器的热交换。因此，对于小并紧凑的解决方案，重要的是高操作频率，即，绕上述循环ABCD（或AFCE）快速运动。

实际冷却功率（cooling power）（单位输入功率）取决于损失，是个测量结果，即制冷剂的多少冷却量（cooling capacity）可从AMR（或AER）的磁热材料释放到换热流体，并因此可在AMR（或AER）的冷端处实施通过从热到冷的吹送（blow）进入冷交换器（或在AMR（或AER）的热端通过从冷到热的流动进入用于热泵应用的热交换器）的测量结果。

理想的情况是，实际冷却功率和冷却量（单位输入功）应相同。但是，实际冷却功率与冷却量（单位输入功）之间的差值被称为“总损失”，其由许多不同的影响因素组成。在此，与换热流体中的热传递相关的损失称为“HE损失”，该损失与换热流体内部的温度梯度有关。与从热到冷通过AMR的热回流有关的损失称为“回流损失”。与在制冷剂材料内部的局部热流动有关的损失称为“局部损失”。与滞后现象有关的损失称为“滞后损失”。与流体的泵送有关，并与流体内的粘性耗散有关的损失称为“粘性损失”。最佳AMR的设计需要使所有损失最小化。

在磁热发动机中，大的物理组件是磁体。因此，将制冷剂每单位体积的磁场利用率最大化（例如，通过高填充密度）对于紧凑的解决方案是必要的。

总的来说，本发明的目标问题是克服现有技术中的上述缺点，并提供一种提高主动再生磁热或电热发动机的性能的AMR（或AER）。最终目标是使相应发动机在商业上可用。

具体地，本发明旨在

1.为高性能多材料AMR或AER装置阐明材料选择标准；

2.为最佳的基于通道的再生器阐明最佳结构；

3.为基于通道的再生器阐明最佳几何形状，以使损失（HE损失、局部损失、回流损失、粘性损失）最小化，性能最大化，并使应用的场利用率最大化；

4.阐明对结构和几何形状的增强方面，以使损失最小，并有助于制造；

5.阐明用于制造最佳结构和增强方面的方法。

AMR或AER还应容易组装、具有足够的机械强度、可靠的结构，并应包括容易加工的材料。

本发明的目标还在于，减小AMR（或AER）以及主动再生发动机的尺寸和成本，并且目标还在于以自动化的高速和低误差制造工艺制造AMR（或AER）。

发明内容

因此，本发明涉及一种用在用于冷却、热泵送、以及能量回收应用中的主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片。

所述叶片包括叶片本体，所述叶片本体由多个元件制成，所述多个元件由不同的磁热或电热材料制成，其中，所述叶片本体沿其长度分成所述多个元件。所述叶片还包括多个专用通道，所述多个专用通道穿过所述叶片本体并沿所述叶片的长度延伸。

材料的选择

优选地，所述多个元件中的每个元件都由磁热材料制成，所述磁热材料优选地选自LaFeSi、LaFeSiCo、LaFeSiH、MnPFeAs、MnPFeSi、FeRh、MnAsSb、MnPFeGe、Gd、GdDy、CoMnSi、CoMnGe以及GdSiGe组成的群组，这些磁热材料可额外地设置有一种或多种掺杂物（其通常将用于材料族的Tc向上移或者向下移），并且可具有指定元素的不同比率，其中，每种磁热材料具有不同的居里温度，并且每种磁热材料具有相对于其体积而言20%或更小的孔隙率。

适合的电热材料包括P(VDF-TrFE-氯氟乙烯)、PLZT(8/65/35)、Pb(Mg1/2Nb2/3)O3–35PbTiO3(PMN-35PT))、BaTiO3或(NH4)2SO4。

在理想的系统（忽视损失）中，在平均冷侧温度T_cold下，可从制冷剂获得的循环冷却能量由用于给定应用场B的T_cold·ΔS’_cold（其中ΔS’_cold由图2b中的点D’与A’（或实践中是E’与A’）之间的绝对熵差给出）给出。

在再生冷却循环中，跨越平均T_cold至平均热侧温度T_hot，对冷却起作用的再生器的长度部分是～ΔT_cold·Length/Span，其中，Span定义为温度梯度T_hot-T_cold（AMR或AER的热端与冷端之间），并且Length是AMR（或AER）的长度。这可在假设进入再生器的换热流体具有适当的温度曲线情况下，由本领域普通技术人员使用简单的几何变量，来简单地展示理想的系统。多层AMR（或AER）的总（循环）再生器冷却能力（J）的一阶估算与“理想的”多层结构中的ΔT_cold·ΔS_cold·T_cold·Length·Area·Density·Packing-Density/Span成比例，其中，Length是再生器的长度，Area是再生器的横截面面积，Density是材料的密度，以及Packing-density是具有主动制冷剂即磁热或电热的材料的体积%。冷却能力与以上公式之间的比例系数可在0与1之间变化（在某些特定情况下，其甚至可以大于1）。对于沿整个再生器的线性温度曲线，比例系数是0.5。

该讨论不限于冷却应用，并且适于用于热泵送和能量回收应用的热发动机。

从以上公式获得材料性能（并忽视密度），得到了磁热（或电热）材料的品质因数，其是简单的ΔTΔS。在实际的装置中，所应用的场的大小是有关联的，尤其从经济角度出发，进一步细化将使该值相对于所应用的场而标准化。为简化起见，取材料的ΔS和ΔT的峰值，可用品质因数来比较不同的材料。磁热材料的一些关键改进总结于下表中。

总的来说，虽然如磁热（或电热）效应的磁滞、速度或寿命、或形状特性等考虑因素可导致选择具有较低品质因数的材料，但是较大的品质因数优于较小的品质因数。

最大熵差ΔS和最大ΔT在居里温度处（或附近）发生。当具有增加的或降低的居里温度的多种材料以正确的方式级联时，它们可依循由叶片的热端与冷端之间的温度梯度所限定的温度。当这些合适的材料沿叶片的长度用在多个温度点处时，当磁（或电）场循环地施加并且换热流体经过叶片循环地泵送时，总的温度梯度可显著地增加。

此外，单单考虑居里温度是不够的。多个元件的再生器冷却能力需要沿再生器的长度最大化。除了多个元件必须具有缓慢增大的再生器冷却能力，上升的速率与AMR（或AER）的跨度成比例，并与驱动冷却循环所需的输入功成比例。

依据局部参数表达前述再生器公式，再生器的多个元件中的给定元件的冷却能力定义为ΔT_cold,EL·ΔS_cold,EL·T_cold,EL·Length_EL·Area_EL·Density_LOC·Packing-Density_EL/Span_EL，对于该元件，其中，T_cold,EL、ΔS_cold,EL和ΔT_cold,EL是元件中的局部材料的局部冷却温度、熵和“绝热”温度变化，LengthEL是元件的长度，AreaEL是元件的截面面积，density是元件中的局部材料的密度，Packing-densityEL是局部元件填充密度（主动制冷剂的体积相对于总体积的%）并且SpanEL是跨越元件的跨度。跨越每个元件的跨度的总和是跨越再生器的总跨度。再生器的每个元件的冷却能力以与沿着该特定元件建立的局部温度梯度成比例的速率上升。如果温度梯度沿整个再生器恒定，那么每个元件的局部温度梯度相等。在任何情况下，整个再生器的跨度是多个元件的跨度的总和。

注意到，对于冷却能力计算，在所有情况下使用ΔS和ΔT的绝对值。这可理解为在整篇该文件中都是这样。

注意到，在实践中，面积、密度和填充密度跨越多个元件通常是相同的或相似的；但是，在元件之间，长度可极大地不同，因此长度是可用于调整元件冷却能力的有用参数。

在元件之间的边界处，并且在相邻元件由具有不同居里温度，并由此具有不同ΔS和ΔT性能的不同材料制成的情况下，在理想情况下需要冷却能力之间的平滑过渡。这可通过调整各个元件的长度、或选择适当的材料或居里温度来实现。

然而，具有不同Tc的元件之间的变化是不连续的，仅可实现准连续的冷却能力，以使在紧相邻元件之间的变化不大于30%（对于升降场变化而言）。这意味着，沿叶片本体的两个元件之间的边界处的冷却能力在30%内相匹配。在元件边界处从一个元件到另一元件的冷却能力的变化因此低于30%。一个元件内的冷却能力的最小值位于元件的两个端部中的任一处。

突变的ΔS和ΔT曲线（如一阶类型材料中发现的，例如图2c）将需要使用许多不同的材料，并且将要求用于每个元件的更短长度等级（length scale），以确保准连续的冷却能力。

如果跨越多个元件中的每个元件的温度梯度尽可能紧密地匹配，那么在元件之间不产生局部温度梯度，以使再生器内的局部损失最小化。但是，还可希望在再生器的端部处具有平坦温度梯度的区域。

另外，在具有不同Tc以及因此不同ΔT曲线的两种材料之间的界面处可出现局部温度梯度（或者在场上升时或者在场下降时）。这可引起增强的局部回流，或热逆着主温度梯度局部向前流动。为了避免这种产生破坏任何主动再生磁热发动机性能的熵的局部温度梯度，ΔT曲线应在界面处尽可能紧密地匹配。但是，如图2c所示，在给定温度下用于上升和下降场的ΔT曲线可非常不同，因此，虽然希望，但这种匹配是不完全可能的。因此，可在不同材料之间使用低热导率的隔离件。这些隔离件几乎不影响总回流损失与冷却功率的比（当冷却功率随着总间隔件长度线性下降时，回流也同样），但降低“局部损失”熵产生。

本发明涉及多材料叶片中的多个元件的材料选择标准，以便利用具有高品质因数（大于钆）的材料，并使冷却能力沿AMR（或AER）的长度最大化。另外，冷却能力在紧相邻元件之间应准恒定（在30%之内，并优选更低），沿着再生器的长度以与跨度和再生器的输入功成比例的速率上升，其中任何元件内的最低冷却能力位于两个端部之一处。

此外，按优先级，从冷到热沿AMR（或AER）的长度的居里温度（Tc）应增加，冷却能力应在材料界面处（对于上升和下降的场变化）匹配（通过正确选择材料Tc、填充密度、密度和元件长度），并且在材料界面处（对于上升和下降的场变化）ΔT曲线之间的差应最小化。上述材料选择标准应用于所有通道结构（在下面更详细地描述），包括但不限于，平行板（图4）、平行板的堆叠、具有旋转90°的平行板的堆叠（图3）、穿孔板（图9）、穿孔板的堆叠（图8）以及其渐开线的（图16）和增强的变型（在此描述的）。

此外，本发明涉及间隔件，间隔件的存在在此使不同材料的元件之间的局部损失最小化，并减小AMR（或AER）设计中的局部损失，间隔件的尺寸形成为使局部回流最小化。局部温度梯度，而不是总温度梯度（跨度/长度）考虑因素，被用来确定它们的尺寸（具有在50um至1000um范围内的优选厚度）。这种间隔件应由低热导率材料（优选0.01至2W/mK）制成，并允许换热流体经过开放式的多孔结构在相邻元件之间流动、或者换热流体在成形为不完全堵塞通道的相邻元件之间流动。磁热材料的以上设置对根据本发明的所有基于通道的结构都有效。

优选地，所述多个元件中的每个元件都具有在0.1W/mK至30W/mk、优选0.1W/mK至10W/mk、更优选0.1W/mK至5W/mk或更优选0.1W/mK至2W/mk范围内的热导率。多个元件的低热导率使AMR（或AER）中的所谓的回流损失最小化。回流损失是当用在磁热或电热发动机中时，从叶片的热端到叶片的冷端自然流动的热。为了实现低热导率，必须使用适合的材料。另外，当多个元件例如各自由不同磁热材料的挤压粘结粉末制成时，优选使用低热导率的粘结剂。粘结剂优选具有比磁热材料的热导率低或最多相等的热导率。

上述材料（以及它们的变体）可被选择为呈现出大的磁热（或电热）效应以及高的品质因数，具有低热导率，并可在适当的长度等级上制造。这些材料具有在希望的温度范围内的居里温度Tc。这些材料适于提供沿叶片长度具有不同居里温度的元件，以增加在再生循环中建立的总温度梯度。此外，这些材料的冷却能力可匹配为提供最佳解决方案。

结构和几何形状

具有穿过叶片本体的专用通道的结构有助于避免发生在填充床AMR中的高压力损失。先进的AMR（或AER）设计的目的是提供最大冷却而使损失最小化。根据上述标准选择材料，使AMR（或AER）的冷却潜力最大化。但是，最小化损失还需进一步检查。

AMR（或AER）系统中的损失，增加了实现冷却量所需的输入功的量，从而降低了AMR装置的效率。为了使损失最小化，需要正确地确定AMR（或AER）的结构尺寸。

已经提出了，与AMR（或AER）有关的一些原理上的损失是HE损失、回流损失、粘性损失、局部损失和滞后损失。可通过使用低热导率制冷剂使回流损失最小化，可在多材料叶片中使用间隔件以使局部损失最小化，并且使用低磁滞材料使滞后损失最小化。通道结构一般减小粘性损失。但是，在通道AMR（或AER）系统中的主要损失是HE损失，HE损失与在将热从制冷剂传递到换热流体从而到热交换器时流体中的温度梯度有关。

例如，在负绝热温度变化之后，热流体遇到冷制冷剂，并发生快速的热交换（图2a中的步骤CE）。然后，流体从热吹送到冷，并且较热的流体被推向较冷的材料，从而将热从流体传递到材料，因而加热冷却材料（图2a中的步骤EA）。热传递的速率决定了完成（或希望的）冷却剂热交换所用的时间（这通常限制了系统的最大操作频率）。靠近壁的流体处于与制冷剂的热平衡，但是在通道中央的流体较温暖。因此，除了在冷吹开始时之外，离开AMR冷端的流体的平均温度比AMR的冷端高。因为较温暖的流体的存在将削弱换热流体的冷却能力时，因此流体通道内的温度梯度决定了在冷交换器中实际上可获得冷却剂的多少冷却能力。冷却能力的这种降低称为HE损失。类似的效果发生在热吹中。

以固定的稳定的平均跨度在AMR内跨越一定长度的通道固定压降(或粘滞损失)，从制冷剂到液体（或从液体到制冷剂）的热传递速率与通道直径成比例（即，当通道直径减小时，热传递下降）。当通道直径减小时，HE损失也降低，但以比热传递速率快的速率（到更高等级功率）降低。通过减小通道直径，HE损失可按比例减小到任意小的量。但是，热传递的速率也降低，从而限制了操作频率的上限。热传递速率是从流体传递到制冷剂（或从制冷剂传递到流体）的每秒的热量。为了补偿减小的热传递速率，可通过降低制冷剂的量（例如，使用更薄的板）来减小要移动的热量。

但是，减小制冷剂的量也减小了液体到AMR（或AER）中的制冷剂的填充率，导致CE从CD偏离，并减小总填充密度。同时，小的制冷剂长度等级更难以制造。

因此，AMR的尺寸应被确定为，对于目标操作频率（在1Hz-20Hz的范围内），使粘性损失（由AMR长度、换热流体物理性能和流动速度、以及通道直径确定）、回流损失（由长度、跨度、制冷剂和流体的热导率、液体和制冷剂的体积确定）、以及HE损失（由通道宽度、换热流体的性能、流动速度、制冷剂的ΔS和ΔT、液体和制冷剂的体积以及AMR的长度和跨度确定）的总和最小化。优选的解决方案是三种损失具有类似的大小（在彼此的10倍内）。

对于元件（包括渐开线）内的平行板通道，最佳的板厚度应在50um至1500um、或更优选60um至700um、或更优选70μm至700μm、或更优选70um至350um的范围内。通道间隔应在5um至100um、或更优选10um至75um、或甚至更优选15um至60um的范围内。

对于穿孔板，孔眼之间的最佳距离应在60um至2000um、或更优选80um至1000um、或更优选100um至650um的范围内。孔眼直径应在10um至150um、或更优选15um至110um、或甚至更优选20um至85um的范围内。

给定的值实现了粘性损失、回流损失与HE损失之间的平衡。

给定的长度等级在某种程度上取决于所使用的磁热材料。

在多材料叶片的第一示例中，多个元件中的每个元件都由多个板形成，所述多个板堆叠在彼此的顶部上。此外，所述叶片本体中的多个元件中的每个元件都相对于其相邻元件旋转，优选地旋转90°。这样的设置支持换热流体的混合，即增加了跨越专用通道的热均匀性，并当用在主动再生磁热发动机中时减小HE损失。此外，这样的设置提高了整个组件制造的可靠性，因为不需要沿叶片长度的连续平行通道。精确的平行组件所需要的长度被减小至单个元件的长度，而不是整个叶片的长度。

优选地，这些板通过至少一个间隔件彼此间隔开，所述间隔件优选地以熟知的喷墨印刷技术、模板或丝网印刷、光刻法、或通过打点或喷射系统直接涂覆印刷，其中，多个板之间的间隔形成多个专用通道。

通过使用熟知的技术，并通过因此减少的制造成本，商业解决方案变得可行。制造也变得更简单、更快以及更加可重复。这种现成的商用设备（COTS）可用在制造工艺中，并且许多制造步骤可自动化。

本发明还涉及一种用在主动再生磁热发动机中的多材料叶片。所述叶片包括叶片本体，所述叶片本体由多个元件制成，所述多个元件由不同的磁热材料制成，其中，所述叶片本体沿其长度分成所述多个元件。所述叶片还包括多个专用通道，所述多个专用通道穿过所述叶片本体并沿所述叶片的长度延伸。所述叶片的多个元件中的每个元件都具有弯曲的形状，以使所述多个元件可形成渐开线形的叶片本体。

在制冷装置中，根据本发明的叶片可传递单位数量的冷却功率。通过组合多个叶片，在不降低装置的效率的情况下，冷却功率可增加。叶片的组合可例如实现为旋转磁体系统，其中，叶片设置成圆形，并通过磁场旋转。如以上所解释的，磁场利用率是重要的。当多个长方体叶片在一起包装成圆形时，填充密度和对应的磁场利用率将不理想。但是，叶片本体或组成叶片本体的多个元件的渐开线设计，提供了以具有恒定通道宽度的完美径向几何形状将多个叶片包装在一起成旋转磁体系统的可能性。这意味着多个叶片可组装成完整的圆，其中，可保持不同叶片以及位于叶片的元件内的板之间的恒定间隔。这样的设置导致30%更好的场利用率。因此，可使用更小更便宜的磁体。

由于流体可流经的专用通道，故可使用具有较低孔隙率的磁热材料。材料的孔隙率典型地由分布的孔产生，并且是材料的特性。孔隙率可理解为，磁热材料中的空隙（孔）体积相对于其总体积之比。与其相比，可在磁热材料中主动产生的专用通道不认为是孔隙率。

本发明还涉及一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片。所述叶片包括叶片本体，所述叶片本体由多个元件制成，所述多个元件由不同的磁热材料制成，其中，所述叶片本体沿其长度分成所述多个元件。所述叶片还包括多个专用通道，所述多个专用通道穿过所述叶片本体并沿所述叶片的长度延伸。所述叶片本体垂直于所述专用通道的横截面沿预定方向具有多个设有不同孔隙率的区域，其中，在相邻区域的界面处，所述孔隙率突变至少10%。

较高孔隙率的区域例如可作用为多个专用通道，如果它是开放式的孔结构（并且这些区域也可用作间隔件），其中，较低孔隙率的区域由较密集的磁热材料制成。但是，除了较高孔隙率材料，也可设置专用通道。较高孔隙率区域还可作用为用于换热流体的混合结构。当叶片用在主动再生磁热发动机中时，多孔区域的混合功能减小了HE损失。较高孔隙率的区域可形成为挠性的海绵状结构，其可适配并改变自己的形状。以此方式，它们可补偿元件制造中产生的任何不均匀。具有较高孔隙率和较低孔隙率的区域，可对于多个元件中的每个元件都一样地设置，或可对于每个元件都不同地设置。

若干种已知的方法可用于测量材料的孔隙率，例如，光学方法（即，确定材料的面积和显微镜下可见的孔的面积的比）、润湿方法（即，在真空下将多孔样品浸入优先浸湿孔的流体中）、水饱和度方法（即，孔体积等于浸透后留下的水的总体积）、或水蒸发法（即，考虑水的密度，孔体积等于饱和样本的重量减去干样品的重量）。

磁热材料中的任何孔将不像专用通道一样经过整个叶片本体延伸，而通常是相当短的。自然孔典型地是0.01μm至10μm数量级这么长，且直径还相当小，即，0.01μm至50μm数量级。与专用通道相比，孔随机分布在磁热材料中。

磁热材料的孔隙率越低，可制成多个元件中的每个元件的越高的填充密度。填充密度定义为，磁热材料与多个元件之一的总体积的比，所述多个元件之一的总体积即包括专用通道的体积的体积。

希望最大量的换热流体流动通过非磁热材料的专用通道。那么对于磁热材料的多个元件，可实现更高的密度。在专用通道中，还存在更低的压力和粘性损失。

优选地，位于元件之间的多孔间隔件是具有相对于其体积而言大于25%孔隙率的多孔材料，所述多孔材料优选地是胶原蛋白-粘多糖、胶原蛋白泡沫、聚四氟乙烯泡沫、斯邦特克斯粘胶海绵和羟磷灰石陶瓷中的至少一种。在此情况下，间隔件可额外地用作用于换热流体的混合结构，并且有助于减小HE损失。间隔件还可适应板的不均匀性，从而降低板的平坦度要求。

在多材料叶片的另一示例中，多个元件中的每个元件都由穿孔板形成，其中，穿孔板中的多个孔眼形成多个专用通道。

该示例允许使用较厚的板以克服前面提到的制造限制，虽然转移成制成足够精细的孔眼的问题。在此情况下，一个元件可看做是具有相同居里温度Tc的一个（或多个）穿孔板。

在平行的板几何形状中，最优选的板厚度是在90um至400um的范围内。这些尺寸在某些材料中可难于精确或可靠地制造。使用穿孔板，板厚度可以更大(一个数量级)，并且上限是由与先前概述的使冷却能力最大化所要求的“长度”有关的材料选择标准确定的。

优选地，所述多个孔眼是多个圆的和/或有角的孔，所述多个孔中的每个孔的直径或宽度在10μm至150μm、优选15μm至110μm、或更优选20um至85um的范围内。相邻孔之间的距离在60μm至2000um、优选80μm至1000μm、或更优选80μm至600μm、或可选的100um至650um的范围内。给定的长度等级再次在某种程度上取决于所使用的磁热材料。但是，这些优选值实现了主动再生磁热发动机中的最低HE损失、以及从板到换热流体的最好热传递。

增强

HE损失的最小化需要在间隔件、板或孔眼方面，制造相对小的长度等级。对于某些制冷材料，制造成这样小的长度等级可能是有问题的。

当本发明的多材料叶片用在主动再生磁热发动机中时，在专用通道中使用专门设计的混合结构以混合换热流体，减小了HE损失。换热流体的混合必须实施为，使压力损失的增加不快于HE损失的减小。HE损失可显著地减小，因为附加的混合结构增加了跨越专用通道的热均匀性，并且最重要的是在流动最快的通道中央处的热均匀性。此外，使通道中央处的温度均匀化需要壁处的更高的温度梯度，从而进一步增加热传递速率并允许提高操作频率。

当换热流体被驱动经过通道时，将疏水性涂层加到专用通道（有或没有混合结构）可使换热流体与磁热材料之间存在滑移边界条件。因此，每单位体积的换热流体、HE损失可减小10-20%（或甚至更多）。薄玻璃或塑料或类似的层还可加在疏水性涂层下面，以增加疏水性涂层的平滑性。平滑性支持滑移边界条件的存在。

总的来说，减小叶片HE损失的主要结果是，专用通道尺寸、孔眼尺寸、或间隔件尺寸按绝对值计算可增加，这简化了制造过程。增加这些尺寸对于固定的HE损失水平而言，还可降低压力和泵送损失。

替代地，组成叶片本体的每个元件内的多个元件的长度等级（板厚度或孔眼之间的间隔）也可增加，以有助于制造，同时将HE损失保持在恒定水平。

最后，在不增加HE损失的情况下甚至可增加操作频率。

可以许多方式实现这样的HE损失减小。

优选地，将表面纹理作为流体混合结构设置在至少多个板中的每个板的顶部上，和/或将疏水性涂层设置到多个板中的每个板上，其中，优选玻璃或塑料层设置在每个疏水性涂层之下。当叶片用在主动再生磁热发动机中时，附加的表面纹理增加了跨越专用通道的热均匀性，并减小了HE损失。疏水性涂层通过在其表面与换热流体之间产生滑移边界条件来减小HE损失。在施加涂层之前，玻璃或塑料层可增加板的平滑性。涂层也可更平滑，从而更有效。

优选地，表面纹理通过喷墨印刷技术印刷来印刷，或由粘合到多个板的沙子或等效的沙状粗糙材料形成。两个解决方案都是容易实现的，并且是具有必要的机械稳定性的低成本解决方案。

优选地，对称断流器作为流体混合结构插入多个孔或通道中的每个中，和/或多个孔中的每个孔的内壁具有用作流体混合结构的粗糙表面，和/或多个孔中的每个孔的内壁设置有疏水性涂层，所述疏水性涂层优选地在玻璃或塑料层之上。

混合结构是用于在主动再生磁热发动机中混合换热流体，并增加专用通道中的换热流体的热均匀性。因此，HE损失减小。同样，疏水性涂层有助于减小HE损失，因为在通道表面与换热流体之间产生了滑移条件。

替代地，这些对称断流器、粗糙表面或疏水性滑移层可在不增加HE损失的情况相爱，允许更大的孔，所述更大的孔可根据磁热材料更容易地制造。

在所有示例中，优选地，隔离件设置在多个元件中的相邻元件之间，以在主动再生磁热发动机中补偿多个元件的界面处的局部温度梯度。

本发明的多材料叶片还可应用到电热材料。对AMR提出的最佳设计原理等效地应用于用于电热发动机的AER（虽然一些产生的几何形状将不同）。

用在热力发动机中的本发明的多材料叶片可应用到用于热泵送、从废热回收能量、以及制冷和冷却的应用（使用所述热力发动机）。

制造

本发明还涉及一种用于制造用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片的方法。所述方法包括以下步骤：用由不同的磁热或电热材料制成的多个元件形成叶片本体，其中，所述多个元件沿所述叶片本体的长度设置。所述方法还包括以下步骤：形成多个专用通道，所述专用通道穿过叶片本体并沿叶片本体的长度延伸；以及使多个专用通道中的每个专用通道都设置有流体混合结构或疏水性涂层。

所述方法实现了制造可用作主动再生磁热发动机中的AMR的多材料叶片，并在减小系统中的HE损失方面有特别的改进。

本发明还涉及一种用于制造用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片的方法。所述方法包括以下步骤：用由不同的磁热或电热材料制成的多个元件形成叶片本体，其中，所述多个元件沿所述叶片本体的长度设置。所述方法还包括以下步骤：形成多个专用通道，所述多个专用通道穿过叶片本体并沿叶片本体的长度延伸，其中，多个元件中的每个元件都通过将多个板互相堆叠并将多个板夹紧和/或粘合在一起形成，其中多个板由通过喷墨印刷技术（或模板/丝网印刷、光刻法或通过打点或喷射系统直接涂覆）印刷的至少一个间隔件间隔开，其中，多个板中的每个板都通过将由磁热或电热材料制成的子板在框架中对齐、将条和/或点施加到子板上来形成，然后烘烤对齐的子板和框架以形成多个板。所述方法兼容自动化的、低成本的制造工艺。有成本竞争力、商业上可行的再生发动机成为可能。

所述方法还可包括制造步骤，特别是形成或实现在本文中描述的多材料叶片的任何有利结构和性能的步骤。多材料叶片的不同示例和结构还可组合，以实现有利特征的组合。例如，所有上述多材料叶片可形成有弯曲的形状，以实现渐开线叶片的设计。

在下文，将参考附图更详细地描述本发明。

图1a示出如何在简化的磁热发动机中利用磁热效应。

图1b示出再生磁热发动机如何操作。

图2a示出磁制冷剂的温度与熵循环的关系。

图2b示出AMR在理想的情况下遵循的温度与熵循环的关系。

图2c示出磁制冷剂的示例性ΔS和ΔT性能。

图3示出根据本发明第一示例的多材料叶片。

图4示出根据第一示例的多材料叶片的多个元件中的一个元件。

图5示出根据第一示例的多材料叶片的混合结构。

图6示出根据第一示例的多材料叶片的混合结构。

图7示出根据第一实施例的多材料叶片的多个元件中的一个元件。

图8示出根据本发明第二示例的多材料叶片。

图9示出根据第二示例的多材料叶片的多个元件中的一个元件。

图10示出根据第二示例的多材料叶片。

图11示出根据第二示例的多材料叶片的混合结构。

图12示出根据第二示例的多材料叶片的混合结构。

图13示出根据第二示例的多材料叶片。

图14示出根据本发明第三示例的多材料叶片的电热元件。

图15示出根据第三示例的多材料叶片的多个元件中的一个元件。

图16示出根据本发明第四示例的多材料叶片的渐开线设计。

图17示出根据本发明第一示例的多材料叶片的制造步骤。

具体实施方式

如上所述，根据本发明的多材料叶片包括由多个元件2制成的叶片本体1，所述多个元件2由不同的磁热或电热材料制成。叶片本体沿其长度分成多个元件2。穿过叶片本体1存在多个专用通道3，专用通道3沿叶片的整个长度延伸。多个专用通道3穿透叶片本体1，以便在主动再生磁热或电热发动机中，换热流体可通过专用通道3从叶片的一端泵送到另一端。在下文中，本发明将呈现用于多材料叶片的若干个示例和设计。有可能的话，这些示例可以组合，以实现可组合的有利结构。一些原理对于所有示例都是有效的，但不再以相同的细节反复地重复。

图3示出了意图用在主动再生磁热发动机中的根据本发明的多材料叶片的第一示例。在图3中，多个元件2中的每个元件都通过堆叠技术制造，其中，这些元件2都相邻地对齐，并夹紧和/或粘结在一起，以形成叶片本体1。如图4所示，多个元件2中的每个元件又由多个板4组成，所述多个板4互相堆叠，并由间隔件5间隔开。间隔件5明显地限定相邻板4之间的间隙，并形成穿过每个元件2并穿过整个本体1的专用通道3。

每个板4都由磁热材料制成，其中，一个元件2的板优选地由相同的材料制成。但是，用于一个元件2的板4的材料也可以变化。优选的材料组是LaFeSi、LaFeSiCo、LaFeSiH、MnPFeAs、MnPFeSi、MnAsSb、MnPFeGe、Gd、GdDy、CoMnSi、CoMnGe和GdSiGe，这些材料可包含所述元素的不同掺杂物或比率。多个元件2中的每个元件都包括与其他元件相比至少一种不同的磁热材料，或包括在居里温度Tc处不同的至少一种材料。居里温度上的差异例如可通过相同材料的不同掺杂来实现。

每个板4都具有大约50μm至1500μm，优选70μm至700μm，更优选90μm至400μm的厚度。这些值略依赖于所使用的磁热材料。如图4所示，每个元件2的板4都可具有相同的尺寸和形状，但是例如为了实现叶片的曲率，也可以彼此不同。为了形成渐开线形的叶片本体，所有曲率都相同。

如图4所示，板4具有矩形形状，但这不受限制，可想象到其他形状，像正方形、三角形或圆形。还示出板4是平坦的，但如将在后面关于图16所描述的，板4还可呈现它们两个表面的其中之一的曲率。曲率可以是凸的或凹的。

板4可通过挤压技术制成，其中，磁热粉末由某种粘合剂粘合在一起，以形成固体板4。自然的，板4也可以由单一磁热材料或磁热材料合金的固体块制成。

在任何情况下，板4意图具有介于尽可能低的范围内的热导率，介于在0.1W/mK至10W/mk，优选0.1W/mK至5W/mk，更优选0.1W/mK至2W/mk范围内的。那么，多个元件2中的每个元件也将具有低的热导率。在板4由混合有粘合剂的挤压粉末制造的情况下，粘合剂应具有低于或等于磁热材料的热导率。因此，对于粘合剂，如塑料的材料优于金属。板4和多个元件2的低热导率分别使主动再生磁热发动机中由通过多材料叶片的热回流引起的损失最小。注意到，多个元件2中的相邻元件之间的隔离件将不降低总冷却功率a%的回流。但是，多个元件2中的相邻元件之间的隔离件可用于组装目的，以降低相邻材料之间的局部温度梯度。

限定穿过叶片本体1的专用通道3的间隔件5具有5至100μm，优选10μm至75μm，更优选15至60μm的厚度。这些值也取决于板4的磁热材料，还取决于在主动再生发动机中流动穿过专用通道3的换热流体。在理想的情况下，间隔件5尽可能的小，因为通道3越窄，损失的HE越少。但是，必须考虑HE损失与粘性和压力损失之间的折中。优选地，间隔件由低热导率的材料制成，所述低热导率的材料在以上给出的磁热材料的范围内或更低。

在图3中，多个元件2可沿叶片本体1的长度对齐为使多个元件2中的每个元件都相对于其相邻的元件2旋转90°。当然可以选择任何其他角度。换热流体的流动将以换热流体混合的方式进行，以进一步减小HE损失。

在主动再生磁热发动机中，叶片本体1的一端是冷端，另一端是热端。当磁场在适当的时候施加到多材料叶片或从多材料叶片移除时，换热流体将穿过专用通道3从热端流通到冷端从冷端流通到热端。在换热流体经历若干次泵送循环之后，从叶片本体1的冷端到其热端之间建立起温度梯度。总的温度梯度取决于叶片的设计，特别是磁热材料的选择和设置。

因此，形成叶片本体1的多个元件2由这种磁热材料制成，和/或以这种方式掺杂，以使它们可以以每个元件2中的磁热材料的居里温度依循跨越叶片本体1的整个长度所建立的温度梯度的方式，沿叶片本体设置。优选地，温度梯度是线性的，这需要多个元件中的每个元件的居里温度、长度和温度区间的匹配。多个元件2中的每个元件还应被设置在使它尽可能接近其居里温度工作的位置中。多个元件2可沿专用通道3的方向具有不同的长度，或可具有相同的长度。优选地，跨越多个元件2中的每个元件的居里温度、长度和温度变化ΔT应选择为，冷却量接近一致，其中，一致可理解为在沿叶片本体1的长度紧邻地定位的元件之间，即在两个元件的边界处，具有±30%，优选±20%，更优选±10%的偏差。

局部温度梯度可在叶片本体1中在多个元件之间建立，并产生破坏任何主动再生磁热发动机性能的熵。那么，热不能最佳地从多个元件传递到换热流体。为了抵消这种影响，在多个元件2中的一些或所有元件之间的间隔件或隔离件可为了组装原因而使用，并且用来降低可在两种材料之间的边界处存在差值△T的子叶片之间引起的局部温度梯度。磁热材料（以及电热材料）的以上设置对根据本发明的多材料叶片的所有示例都有效。

图5示出所述多个板4中的一个，两个间隔件5印刷在所述板上。间隔件5可通过喷墨印刷技术来印刷，其能降低成本和自动制造。间隔件当然可以通过其他技术印刷或粘结。间隔件5的数量不要求是两个，但应存在至少一个间隔件5。另外，表面纹理6可例如通过喷墨印刷技术印刷到，或以其他方式施加到一些或所有板4的一个或两个表面上。当换热流体在主动再生磁热或电热发动机中泵送经过通道13时，表面纹理6的添加增加了跨越各个专用通道3的热均匀性。换热流体的混合减小了HE损失，从而提高了发动机的整体性能。表面纹理6的形状和尺寸可与图5所示的形状和尺寸不同。

替代表面纹理6，或除了具有表面纹理6之外，疏水涂层可印刷或以其他方式施加到一些或每个板4上。疏水涂层可在板4的两个或一个表面上。疏水涂层和表面纹理6可例如在板4的相反表面上。可选择地，薄玻璃或塑料层可设置在每个疏水涂层之下。当叶片用在主动再生磁热发动机中时，疏水涂层可增加板4的表面即专用通道3的表面与换热流体之间的滑移边界条件。滑移边界条件用来减小HE损失。

图6示出了可与堆叠的板4组件一起应用的另一混合结构。代替以例如喷墨印刷技术印刷间隔件和/或表面纹理6，沙粉被筛出正确的长度尺度，并且尖锐边缘的沙结构形成并粘合到板4。尖锐边缘的沙结构既作为间隔件5又作为混合结构6。这些结构用来限定专用通道3的宽度，并用来减小HE损失。优选地，低热导率材料（即，低于磁热材料的热导率）应该用于粉末或沙子，以因为上述理由而保持多个元件2中的每个元件的热导率尽可能小。

图7示出本发明另一第二示例的多个元件2中的一个元件。该示例与第一示例类似并兼容，因为板4可再次堆叠以形成多个元件2。第二实施例的叶片本体1呈现出沿一个方向、在图7中沿竖直方向，具有不同孔隙率的区域的横截面。不同孔隙率的区域彼此间隔开，并由孔隙率的突然增加来限定，孔隙率的突然增加为至少10%，但优选至少20%，更优选至少30%。在图7中，代表低孔隙率（孔隙率甚至可以是零，但也可以是有限值）区域的板4交替地堆叠起来，且交替的板4之间具有多孔层19。多孔层19形成专用通道3以及间隔件5。换热流体将优选地流动穿过具有较高孔隙率的区域（开放式结构），在图7的情况下为在板4之间的层19。但是，一些量的换热流体还可能流动穿过较低孔隙率的区域。磁热材料优选地具有小于10%的孔隙率，这也适用于在所有其他实施例中使用的磁热材料。

在叶片本体1中，不同孔隙率区域的多种设计是可能的。叶片本体1可呈现沿其竖直或其水平方向的至少两个不同孔隙率的区域，但也可以设有多个具有不同孔隙率的区域，甚至每个区域都可以具有不同孔隙率。叶片本体的多个元件2中的每个元件的横截面不一定必须是相同的。元件2与元件2之间，较高和/或较低孔隙率区域的数量也可以不同。

不同孔隙率的区域可设计为，它们用作混合结构6，混合结构减小冷却系统中的HE损失。另外，不同孔隙率可用来控制多材料叶片中的压力，从而控制并减小粘性损失。根据孔隙率，图7所示的多孔层19具有15至80μm，最大125μm的优选竖直宽度。多孔层19的材料可以是，例如，胶原蛋白粘多糖支架或斯邦特克斯粘胶海绵。此外，可以使用胶原蛋白泡沫、聚四氟乙烯或羟磷灰石陶瓷。孔隙率优选地在25至95%的范围内。孔的尺寸优选地在1μm至100μm的范围内。羟磷灰石陶瓷呈现出微孔。微孔的尺寸优选地是0.1至10μm。至少一个高孔隙率区域可以制成挠性的，例如像海绵一样的可以调整其尺寸和形状的结构。因此，对于组装叶片本体1的多个堆叠元件，可以降低板4的平坦度要求。

图8示出根据本发明的多材料叶片的另一第三示例。再次，叶片本体1由多个元件2和专用通道3组成。图9示出形成图8的多个元件2中的一个元件的穿孔板7。多个穿孔板7沿叶片本体1的长度排列，并且专用通道3延伸穿过所有板7。为此目的，如图8所示，每个多孔叶片7都包括孔眼9。穿孔板7可通过钻孔、挤压或压制过程或通过其他粉末加工技术制造。孔可以是有角的、矩形或圆形，或可具有任何其他形状。每个孔的直径都可最优化，并且理想地为10至150μm，优选15至110μm，或更优选20μm至85μm。两个相邻孔之间的距离优选地在60μm至2mm，更优选80至1000μm，更优选100μm至650μm的范围内。长度范围取决于制成每个穿孔板7的磁热材料，但相当于第一示例中所描述的专用通道3的长度范围要求。穿孔板7被示为是矩形或正方形的形状，但也可具有其他形状。穿孔板7被再次示为平板7，但如将在后面描述的，穿孔板7也可呈现出弯曲或弯折角。

当穿孔板7堆叠在一起时，如图8所示，在理想的情况下，仅为了试图使回流损失最小而不使用间隔件。但是，必要时可使用间隔件，以允许更均匀的堆叠，以及局部温度梯度的降低。优选地，每个穿孔板7都具有对齐槽口，以使叶片本体1的组装简单可靠。每个穿孔板7又由不同的磁热材料制成，所述磁热材料可选自第一示例所描述的相同材料组。选择多个元件2中的每个元件的居里温度的要求与以上所提到的相同。

如果制造穿孔板7的生产技术，例如挤压或压制，仅用于比在多材料叶片中优选使用的孔大的孔，那么可额外地施加管插入件，以使经过专用通道3的换热流体的流动最佳化。由此，可使HE损失最小。图10示出管插入件10，管插入件10插入多个孔9中的每个孔，以减小它们的直径，并因此减小HE损失。管插入件10甚至可具有不同直径，以便不是所有的专用通道3都具有相同的直径。管10优选地由具有低热容量以及低热导率的材料（例如，玻璃）制成。多个元件2中的每个元件的热导率，即，每个穿孔板7的热导率，应在0.1W/mK至10W/mk，优选0.1W/mK至5W/mk，更优选0.1W/mK至2W/mk的范围内。理由已经在上面描述。

对称的断流器13可插入每个管10中或插入每个孔9中。如在图11中可见，这些对称断流器13用作混合结构，并例如可以是延伸穿过专用通道3的纵向延伸的螺旋。当换热流体被泵送通过专用通道3时，对称断流器13支持换热流体的混合，从而有助于减小HE损失。对称断流器优选地由以下材料制成：诸如塑料的较低热容量的材料，以便当磁热材料改变温度时使热主要传递到换热流体，以及低热导率材料，即不大于磁热材料热导率的材料。这保持了多孔板2的总热导率尽可能得低。

提供减小HE损失的混合结构的另一可能是分别在孔9或管插入件10中的一些或每个的内侧上的粗糙壁11。图12示出壁11内侧的粗糙度。粗糙度优选地被调整为使压力损失和HE损失同时最小。由于粗糙壁，可使用较大直径的孔9或更薄壁的管10，而不增加HE损失。粗糙度可通过凹槽、突起、尖刺或其他粗糙模式产生。

图13示出减小HE损失的另一选择。孔9或管插入件10的内侧设置有滑移。例如，疏水层可应用到内侧壁。也可将玻璃管10插入孔9。涂层可以是标准的玻璃疏水性涂层。如上所述，滑移在换热流体与专用通道3的表面之间产生滑移边界条件，并显著地减小HE损失。有可能的是，一些孔设置有疏水性涂层，而一些其它孔设置有对称断流器13或粗糙壁。对称断流器13甚至可与涂层在一个孔9中兼容。

对HE损失减小技术的使用，也可驱动更有效的系统。替代地，对于给定的损失，允许可更容易制造的较大通道或孔。

本发明的多材料叶片也可具有由至少一个电热元件15制成的多个元件2，其代表本发明的第四示例。图14示出电热元件15。电热元件15包括电热材料13，电热材料13被两个电极14夹在中间，电压可施加在两个电极14上。因此，电热元件15的结构基本上是形成在电热材料13上的电容器结构。除了材料经历由电场而不是磁场驱动的温度变化ΔT之外，电热材料类似于磁热材料。当电压施加到两个电极上时，跨越电热材料产生电场，并且材料13的温度变化。

图15示出了多层电容器结构16。通过利用由多个电极14间隔开的单个电热材料13形成的多个层，多层电容器结构16不同于图14所示的实施例。该实施例具有的优点是，允许电热材料形成的薄得多的层，从而可使用更小的电压，或可产生更大的电场，由此增加ΔS和ΔT并提高冷却能力。

可以图4中的板4的方式使用电热元件15或多层电容器结构16，以使多层结构具有专用通道3和间隔件5。

但是，电热元件15或多层电容器结构16也可具有孔眼或孔，并各自形成如图8中的沿叶片本体建立专用通道的多个元件2中的一个元件。

电极14可以是金属电极，并优选地是电热元件15厚度的5%或更小。

电热多材料叶片具有与上述磁热多材料叶片相同的材料选择要求。在其附近发生熵变化的过渡温度，应遵循由主动再生电热发动机中沿叶片的温度梯度所限定的温度。原理上，电热材料中的ΔT和ΔS原理上比磁热材料中的ΔT和ΔS大得多。这是由于可施加比磁场更大的电场的事实，尤其在多层电容器结构中。大的ΔT和ΔS也存在于更广泛的温度范围上，这意味着沿AER的长度需要更少的材料。然而，基本原理仍与AMR相同。

如在稍上已描述，多材料叶片的形状已被描述为是平坦的。但是，当使用具有旋转系统的叶片时，即当多个叶片必须被包装并组装成一个圆时，弯曲的形状是有利的。图16示出具有弯曲形状的元件2，因为元件2的多个板4由弯曲形状组成。因此元件2具有渐开线的设计，其提供了完美地包装成一个完整的圆且每个元件内具有恒定的板间隔的可能性，如图16所示。因为元件之间的间隔保持恒定，因此与将长方体元件包装成圆形的几何形状相比，小30%的场容积是必需的，因为磁场的利用率要高得多。因此，可在相应主动再生发动机中使用更小更便宜的磁体。磁场的利用率可高达100%。每个元件可仍由许多单个的板制成，像图4的堆叠的板4或图9的穿孔板7。弯曲的板可通过弯曲挤压来制造。对于图16的渐开线的设计，粗糙壁或表面纹理也可应用到每个专用通道3，也可使用滑移。

多个元件2可竖直地（或径向地）组合，以产生多材料叶片结构1。

总的来说，所有示例都可使用其他示例的有利特征和增强特征。这些示例还可互相组合。

图17示出根据本发明、特别是第一实施例的多材料叶片可如何制造的示例。总的来说，叶片本体1由多个元件2形成，其中，多个元件2中的每个元件都由不同的磁热或电热材料制成。多个元件2沿叶片本体1的长度设置，并且穿过叶片本体1产生专用通道3。最后，混合结构和/或疏水性涂层可设置在每个专用通道3上。

在图17中，多个元件2中的每个元件都通过将多个板4堆叠起来形成。多个板4中的每个板都通过将子板16在框架17中对齐，将条和点施加在子板上来形成，然后将对齐的子板16和框架17一起烘烤以形成板4。然后，板4以板4之间设有间隔件5的方式互相堆叠起来，夹紧或粘合在一起，例如在两侧，并可选择地封装。最后，多个元件2放置在一起以形成叶片本体1，其中，优选地，每个堆叠都相对于其相邻的板堆叠旋转优选的90°。

总之，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。多材料叶片是通过低成本的喷墨（或等效的）技术获得的。多材料叶片还可具有弯曲的形状，以形成渐开线的叶片本体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。

Claims

1.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括：

叶片本体（1），所述叶片本体（1）由多个元件（2）制成，所述多个元件（2）由不同的磁热或电热材料制成，其中，所述叶片本体（1）沿其长度分成所述多个元件（2）；

多个专用通道（3），所述多个专用通道（3）穿过所述叶片本体（1）并沿所述叶片的长度延伸，

其中，所述多个专用通道（3）中的每个专用通道（3）都设置有流体混合结构（6,11,13）和/或所述多个专用通道（3）中的每个专用通道（3）都设置有疏水性涂层（12）。

2.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括：

其中，所述叶片本体（1）垂直于所述专用通道（3）的横截面沿预定方向具有多个设有不同孔隙率的区域，其中，在相邻区域的界面处，所述孔隙率突变至少10%。

3.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括：

其中，所述多个元件（2）中的每个元件（2）都能通过使用喷墨印刷技术、模板或丝网印刷、光刻法、或通过打点或喷射系统直接涂覆而获得。

4.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括：

其中，所述多个元件（2）中的每个元件（2）都具有弯曲的形状，以使所述多个元件（2）形成渐开线形的叶片本体（1）。

5.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括：

其中，所述叶片本体（1）中的多个元件（2）中的每个元件（2）都相对于其相邻元件（2）旋转，优选地旋转90°。

6.一种用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片，所述叶片包括：

其中，所述磁热或电热材料具有大于钆的品质因数的品质因数，

其中，冷却能力沿所述叶片本体（1）的长度最大化，并且

其中，沿所述叶片本体（1）的两个元件（2）之间边界处的冷却能力匹配在30%内，并且在元件（2）中最低的冷却能力位于所述元件的一端处，并且每个元件（2）的冷却能力以与在主动再生磁热或电热发动机中沿所述叶片本体（1）的特定元件（2）建立的温度梯度成比例的速率上升。

7.如权利要求1至6中一项所述的多材料叶片，其中

所述多个元件（2）中的每个元件（2）由优选自LaFeSi、LaFeSiCo、LaFeSiH、MnPFeAs、MnPFeSi、MnAsSb、MnPFeGe、Gd、GdDy、CoMnSi、CoMnGe以及GdSiGe的组中的磁热材料，或电热材料P(VDF-TrFE-氯氟乙烯)、PLZT(8/65/35)、Pb(Mg1/2Nb2/3)O3–35PbTiO3(PMN-35PT))、BaTiO3或(NH4)2SO4制成，所述材料可附加地设置有一种或多种掺杂物，其中，每种材料都具有不同的居里温度，并且每种材料都具有相对于其体积而言20%或更低的孔隙率。

8.如权利要求1至7中一项所述的多材料叶片，其中

所述多个元件（2）中的每个元件（2）都具有在0.1W/mK至30W/mk、优选0.1W/mK至10W/mk、更优选0.1W/mK至5W/mk、最优选0.1W/mK至2W/mk范围内的热导率。

9.如权利要求7至8中一项所述的多材料叶片，其中

所述多个元件（2）被设计并设置为，使得所述材料的居里温度依循在主动再生磁热发动机中沿所述本体（1）建立的温度梯度。

10.如权利要求1至9中一项所述的多材料叶片，其中

所述多个元件（2）中的每个元件（2）都由多个板（4）形成，并且

所述多个板（4）互相堆叠起来并通过至少一个间隔件（5）彼此间隔开，优选地以喷墨印刷技术、模板或丝网印刷、光刻法或通过打点或喷射系统直接涂敷来印刷，其中，所述多个板（4）之间的间隔形成所述多个专用通道（3）。

11.如权利要求10所述的多材料叶片，其中

所述间隔件（5）是具有相对于其体积大于25%孔隙率的多孔材料，所述多孔材料优选地是胶原蛋白-粘多糖、胶原蛋白泡沫、聚四氟乙烯、斯邦特克斯粘胶海绵和羟磷灰石陶瓷中的至少一种。

12.如权利要求10或11中一项所述的多材料叶片，其中

所述多个板（4）中的每个板（4）都具有在50μm至1500μm、优选60μm至700μm、更优选70μm至350μm范围内的厚度；以及

所述至少一个间隔件（5）具有在5μm至100μm、优选10μm至75μm、更优选15μm至60μm范围内的厚度。

13.如权利要求10至12中一项所述的多材料叶片，其中

表面纹理（6）作为流体混合结构（6）至少设置在所述多个板（4）中的每个板（4）的顶部上，和/或

疏水性涂层设置于所述多个板（4）中的每个板（4），其中，优选地玻璃层设置在每个疏水性涂层之下。

14.如权利要求13所述的多材料叶片，其中

所述表面纹理（6）通过喷墨印刷技术印刷，或由粘合到所述多个板（4）的沙子或沙状材料形成。

15.如权利要求1至9中一项所述的多材料叶片，其中

所述多个元件（2）中的每个元件（2）都由穿孔板（7）形成，其中

所述穿孔板（7）中的多个孔眼（9）形成所述多个专用通道（3）。

16.如权利要求15所述的多材料叶片，其中

所述多个孔眼是多个圆的和/或有角度的孔（9），其中

所述多个孔（9）中的每个孔（9）的直径或宽度都在10μm至150μm、优选20μm至85μm的范围内，并且

所述多个孔（9）中的相邻孔（9）之间的距离在60μm至2mm、优选80μm至600μm的范围内。

17.如权利要求15至16中一项所述的多材料叶片，其中

对称断流器（13）作为流体混合结构插入所述多个孔（9）中的每个孔（9）中，和/或

所述多个孔（9）中的每个孔（9）的内壁具有用作流体混合结构的粗糙表面（11），和/或

所述多个孔（9）中的每个孔（9）的内壁都设置有疏水性涂层（12），所述疏水性涂层（12）优选地是玻璃疏水性涂层。

18.如权利要求10至17中一项所述的多材料叶片，其中

隔离件设置在所述多个元件中的相邻元件之间，以补偿主动再生磁热发动机中在所述多个元件的界面处的局部温度梯度，其中，所述隔离件具有比所述磁热或电热材料的热导率低的热导率，并具有优选在50um至1000um范围内的厚度。

19.一种用于制造用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片的方法，所述方法包括以下步骤：

用由不同的磁热或电热材料制成的多个元件（2）形成叶片本体（1），其中，所述多个元件（2）沿所述叶片本体（1）的长度设置；

形成多个专用通道（3），所述多个专用通道（3）穿过所述叶片本体（1）并沿所述叶片本体（1）的长度延伸；

使所述多个专用通道（3）中的每个专用通道（3）都设置有流体混合结构（6,11,13）和/或疏水性涂层（12）。

20.一种用于制造用在主动再生磁热或电热发动机中的多材料叶片的方法，所述方法包括以下步骤：

其中，所述多个元件（2）中的每个元件（2）都通过将多个板（4）互相堆叠起来，并将所述多个板（4）夹紧和/或粘合在一起而形成，其中，所述多个板（4）被至少一个用喷墨印刷技术印刷的间隔件（5）彼此间隔开，

其中，所述多个板（4）中的每个板（4）都通过将由磁热或电热材料制成的子板（16）在框架（17）中对齐，将条和/或点（18）施加到所述子板（16）来形成，然后烘烤所述对齐的子板（16）和所述框架（17）以形成所述多个板（4）。