CN112728805A - 磁蓄冷器及其制作方法、磁工质床和磁制冷装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种磁蓄冷器及其制作方法、磁工质床和磁制冷装置。该磁蓄冷器包括片状磁工质(1)和颗粒磁工质(2)，多个片状磁工质(1)间隔设置，相邻的片状磁工质(1)之间形成填充空间，颗粒磁工质(2)填充在填充空间内。根据本申请的磁蓄冷器，能够减小流动阻力，提高换热面积，提高传热性能。
Description
技术领域
本申请涉及磁制冷技术领域，具体涉及一种磁蓄冷器及其制作方法、磁工质床和磁制冷装置。
背景技术
磁制冷技术是一种基于磁热效应的固态制冷方式，采用水等环保介质作为传热流体，具有零GWP、零ODP、内禀高效、低噪音与低振动等特点，相比低温压缩制冷，在室温范围内，磁制冷有更广阔的应用前景，比如家用冰箱、空调、医疗卫生事业等领域的应用。因此近十几年来，室温磁制冷技术研发受到世界各国的普遍重视，并取得一些举世瞩目的成就。
磁制冷是利用磁热效应进行制冷，大多数磁热材料在中等磁场(高达1.5T)下的磁热效应被限制在5K的最大绝热温变，然而实际的使用需要30K左右，目前磁制冷样机普遍使用主动式蓄冷的方式进行温跨的累积，因此磁制冷机的性能很大程度上取决于磁蓄冷器的性能。磁蓄冷器在磁制冷机中作为一个主要部件，是提供一个换热流体与磁热材料(磁工质)换热的场所，一般具有封闭的绝热外壳，内部填充或者布置具有换热流道的磁热材料。
磁制冷机大部分的能耗由两部分构成，一部分是驱动蓄冷器与磁体相对运动的耗功，另一部分是驱动换热流体与磁蓄冷器进行热交换的耗功。关于后者，耗功主要取决于磁蓄冷器中磁工质床层的形貌，要克服床层结构的流动阻力，同时蓄冷器中磁工质床层需要较大的比表面积以增强换热效果。然而，这是相对矛盾的，比表面积大往往意味着流体阻力大，因此需要折中设计，既要比表面积大还要流体阻力小。
磁蓄冷器(回热器)作为磁制冷机的核心部件，内置有多孔介质(磁工质)用于换热流体流过，目前存在如下问题：迄今常见的磁蓄冷器几何形状仅限于简单的粉末、晶粒或球体结构和平行板结构的填充床的解决方案。第一类磁蓄冷器具有较高粘度损失，而第二类具有相对较低的传热性能。利用目前可用的磁热材料和常规加工技术难以制造具有更好的换热性能的几何形状(例如微通道，蜂窝结构，不同的泡沫多孔形状等)，因此找出一种方便加工又能具有较好的传热和流动性能的磁工质床结构非常重要。
在公开号为CN102466364A的中国发明专利申请文件中，提到各种形状的片状磁工质进行叠加，本质上和平行板结构类似，该方案中的片状磁工质流阻虽低，但具有换热面积小、传热性能低的问题。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种磁蓄冷器及其制作方法、磁工质床和磁制冷装置，能够减小流动阻力，提高换热面积，提高传热性能。
为了解决上述问题，本申请提供一种磁蓄冷器，包括片状磁工质和颗粒磁工质，多个片状磁工质间隔设置，相邻的片状磁工质之间形成填充空间，颗粒磁工质填充在填充空间内。
优选地，至少部分颗粒磁工质的形状和/或大小不同；或，颗粒磁工质的形状和大小相同。
优选地，颗粒磁工质为球形、椭球型、圆锥体或多面体。
优选地，片状磁工质为平直板状结构。
优选地，片状磁工质为弧形板状结构。
优选地，片状磁工质的横截面为锯齿形，片状磁工质沿直线方向延伸；或，片状磁工质的横截面为波浪形，片状磁工质沿直线方向延伸。
优选地，片状磁工质的横截面为锯齿形或波浪形，片状磁工质的纵截面呈三角波形或正弦波形。
优选地，至少部分片状磁工质上开设有沿片状磁工质的厚度方向贯穿的通孔。
优选地，位于片状磁工质边缘的颗粒磁工质与片状磁工质之间固定连接，位于边缘颗粒磁工质内侧的颗粒磁工质能够相对于片状磁工质活动；或，颗粒磁工质与片状磁工质之间固定连接。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁工质床，包括磁蓄冷器，该磁蓄冷器为上述的磁蓄冷器。
优选地，磁蓄冷器为多个，沿着换热流体的流动方向，多个磁蓄冷器按照磁工质材料的居里温度由高到低的顺序依次设置，相邻的磁蓄冷器内的换热流道连通。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁制冷装置，包括上述的磁蓄冷器或上述的磁工质床。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁蓄冷器的制作方法，包括：
制备磁工质粉末；
成型片状磁工质；
成型颗粒磁工质；
固定片状磁工质，并使得相邻的片状磁工质之间形成填充空间；
将颗粒磁工质灌注到填充空间内；
在片状磁工质的周侧将颗粒磁工质与片状磁工质固定连接在一起。
优选地，颗粒磁工质均匀填满填充空间后进行压实。
优选地，位于片状磁工质周侧边缘的颗粒磁工质与片状磁工质之间通过焊接或者粘接方式进行固定。
优选地，在片状磁工质的周侧边缘焊接或者固定边框。
优选地，成型片状磁工质的步骤包括：
制备50～300μm的磁工质LaFeSiH粉末；
在LaFeSiH粉末中兑入粘结剂；
将混合物放入片状磁工质模具中，进行成型加压预设时间；
脱模固化；
对片状磁工质进行表面处理。
优选地，片状磁工质的厚度为0.3mm～2mm，颗粒磁工质的最大尺寸为0.5～2mm，填充空间的厚度为0.5mm～2mm。
优选地，粘结剂为5％环氧树脂。
本申请提供的磁蓄冷器，包括片状磁工质和颗粒磁工质，多个片状磁工质间隔设置，相邻的片状磁工质之间形成填充空间，颗粒磁工质填充在填充空间内。该磁蓄冷器结合颗粒磁工质换热面积大和片状磁工质粘性损失小的各自优势，将两者组合在一起，使得磁蓄冷器的填料规整，同时具有尽量大的传热比表面积和尽量小的循环传热流体流过磁蓄冷器的流动阻力，使得所形成的磁蓄冷器黏度损失低、流动阻力小、传热性能高、结构相对简单、易加工，从而能够有效提高磁制冷装置的换热效率。
附图说明
图1为本申请一个实施例的磁蓄冷器的结构示意图；
图2为本申请一个实施例的磁蓄冷器的结构示意图；
图3为本申请一个实施例的磁蓄冷器的结构示意图；
图4为本申请一个实施例的磁蓄冷器的结构示意图；
图5为本申请一个实施例的磁蓄冷器的片状磁工质的结构示意图；
图6为本申请一个实施例的磁蓄冷器的结构示意图；
图7为本申请一个实施例的磁蓄冷器的片状磁工质的结构示意图；
图8为本申请一个实施例的磁蓄冷器的片状磁工质的结构示意图；
图9为本申请一个实施例的磁蓄冷器的制作方法流程图。
附图标记表示为：
1、片状磁工质；2、颗粒磁工质；3、通孔。
具体实施方式
结合参见图1至图8所示，根据本申请的实施例，磁蓄冷器包括片状磁工质1和颗粒磁工质2，多个片状磁工质1间隔设置，相邻的片状磁工质1之间形成填充空间，颗粒磁工质2填充在填充空间内。
该磁蓄冷器结合颗粒磁工质换热面积大和片状磁工质粘性损失小的各自优势，将两者组合在一起，使得磁蓄冷器的填料规整，同时具有尽量大的传热比表面积和尽量小的循环传热流体流过磁蓄冷器的流动阻力，使得所形成的磁蓄冷器黏度损失低、流动阻力小、传热性能高、结构相对简单、易加工，从而能够有效提高磁制冷装置的换热效率。
在一个实施例中，至少部分颗粒磁工质2的形状和/或大小不同。颗粒磁工质2可以采用相同形状不同大小的结构，也可以采用不同形状大小相同的结构，还可以采用不同形状不同大小的结构，需要根据实际情况进行选择，尽量提高换热面积，减小流动阻力。由于颗粒磁工质2可以采用不同形态，因此可以使得片状磁工质1之间的填料更加灵活，使得填料形态更加符合换热流体的流动特性，能够获得更加良好的流动性能和换热效率。
在一个实施例中，颗粒磁工质2的形状和大小相同。在本实施例中，由于颗粒磁工质2的形态相同，因此在成型时的方法更加简单，且能够使得颗粒磁工质2与片状磁工质1配合所形成的换热流道形状更加规整，可以进一步减小换热流体在换热流道内流动时的流动阻力，提高流动效率。
颗粒磁工质2为球形、椭球型、圆锥体或多面体。在本实施例中，颗粒磁工质2采用球形结构，颗粒磁工质2也可以采用其它形状的结构。
在一个实施例中，片状磁工质1为平直板状结构，结构简单，加工方便易于成型，成本较低。本实施例中的平直板状结构由截面为一字型的片状磁工质1沿着直线方向延伸形成。
在一个实施例中，片状磁工质1为弧形板状结构。本实施例中，片状磁工质1为整体弧形片状结构，多个角度一样半径不同的弧形片同心设置，并沿径向间隔形成填充空间，从而可以形成弧形的磁蓄冷器。当多个磁蓄冷器沿周向连接在一起时，能够形成环形的磁工质床。
在一个实施例中，片状磁工质1的横截面为锯齿形，片状磁工质1沿直线方向延伸。
在一个实施例中，片状磁工质1的横截面为波浪形，片状磁工质1沿直线方向延伸。
在本实施例中，片状磁工质1采用锯齿形或者波浪形结构，能够使得磁蓄冷器具有更大的容纳空间，可以容纳更多的颗粒磁工质2，形成更大的换热面积，能够有效提高磁蓄冷器的换热效率。
在一个实施例中，片状磁工质1的横截面为锯齿形或波浪形，片状磁工质1的纵截面呈三角波形或正弦波形。在本实施例中，三角波形和正弦波形均为周期性波形，可以从两个方向上同时形成更大的容纳空间，容纳更多的颗粒磁工质2，因此能够形成更大的换热面积，可以进一步有效提高磁蓄冷器的换热效率。
在一个实施例中，至少部分片状磁工质1上开设有沿片状磁工质1的厚度方向贯穿的通孔3，从而形成多孔的片状磁工质1，能够方便换热流体通过通孔3穿过片状磁工质1进入相邻区域，可以加大换热面积，提高换热效率。
在一个实施例中，位于片状磁工质1边缘的颗粒磁工质2与片状磁工质1之间固定连接，位于边缘颗粒磁工质2内侧的颗粒磁工质2能够相对于片状磁工质1活动。位于边缘的颗粒磁工质2与片状磁工质1之间通过焊接或者粘接的方式固定在一起，能够在片状磁工质1的边缘开口处形成封装结构，从而避免内部的颗粒磁工质2从填充空间内溢出，提高磁蓄冷器的整体结构的稳定性和可靠性。位于内侧的颗粒磁工质2能够相对于片状磁工质1活动，因此可以在换热流体流动过程中发生翻转等动作，可以与换热流体进行更加充分的换热，进一步提高换热效率。
在一个实施例中，颗粒磁工质2与片状磁工质1之间固定连接，可以通过焊接或者粘接的方式进行固定，或者是通过加热挤压等方式进行固定，能够保证磁蓄冷器的整体结构的稳定性。
上述的片状磁工质1和颗粒磁工质2的磁工质材料例如为Gd、Gd合金、LaFeCoSi系列、LaFeSiH系列、MnFeP系列等。
能够起到粘接作用的材料例如为酚醛树脂、环氧树脂或其他高分子材料等。
根据本申请的实施例，磁工质床包括磁蓄冷器，该磁蓄冷器为上述的磁蓄冷器。
磁蓄冷器为多个，沿着换热流体的流动方向，多个磁蓄冷器按照磁工质材料的居里温度由高到低的顺序依次设置，相邻的磁蓄冷器内的换热流道连通。多层磁蓄冷器单元按照磁工质材料的居里温度由高至低顺序排列，形成沿着换热流体流动通道方向延伸的柱状或环状体，每个磁蓄冷器单元由颗粒磁工质2和片状磁工质1组成高比表面积和低流动阻力的流动通道。
根据本申请的实施例，磁制冷装置包括上述的磁蓄冷器或上述的磁工质床。
结合参见图9所示，根据本申请的实施例，磁蓄冷器的制作方法包括：制备磁工质粉末；成型片状磁工质1；成型颗粒磁工质2；固定片状磁工质1，并使得相邻的片状磁工质1之间形成填充空间；将颗粒磁工质2灌注到填充空间内；在片状磁工质1的周侧将颗粒磁工质2与片状磁工质1固定连接在一起。
通过上述方法，能够结合颗粒磁工质换热面积大和片状磁工质粘性损失小的各自优势，将两者组合在一起，使得磁蓄冷器的填料规整，同时具有尽量大的传热比表面积和尽量小的循环传热流体流过磁蓄冷器的流动阻力，使得所形成的磁蓄冷器黏度损失低、流动阻力小、传热性能高、结构相对简单、易加工，从而能够有效提高磁制冷装置的换热效率。
颗粒磁工质2均匀填满填充空间后进行压实，可以使得填充空间得到更加充分的利用，填充尽可能多的颗粒磁工质2，从而提高磁蓄冷器的换热面积，提高磁蓄冷器的换热性能。
位于片状磁工质1周侧边缘的颗粒磁工质2与片状磁工质1之间通过焊接或者粘接方式进行固定。
在片状磁工质1的周侧边缘焊接或者固定边框，能够进一步加强磁蓄冷器的整体结构强度，提高磁蓄冷器的结构稳定性。
成型片状磁工质1的步骤包括：制备50μm～300μm的磁工质LaFeSiH粉末；在LaFeSiH粉末中兑入粘结剂；将混合物放入片状磁工质1模具中，进行成型加压预设时间；脱模固化；对片状磁工质1进行表面处理。
在本实施例中，片状磁工质1的厚度为0.3mm～2mm，颗粒磁工质2的最大尺寸为0.5～2mm，填充空间的厚度为0.5mm～2mm。
粘结剂例如为5％环氧树脂。
磁蓄冷器的制备过程如下：先制备磁工质粉末，然后兑入起粘结作用的固体、胶体或者液态材料，将混合物放入片状形状腔体的模具，进行加压成型，以及必要的表面后处理。将做好的多片片状磁工质固定在固定台，之间预留颗粒状磁工质层的间隙，将制备好的颗粒状磁工质灌注到间隙空隙，均匀填满压实，并在磁工质单元四周与颗粒进行焊接或粘接等方式进行固定，然后对整个磁工质床层单元做焊接或者粘接边框等固定处理。
具体而言，以平直板状片状磁工质所形成的磁蓄冷器为例，磁工质粉末采用LaFeSiH粉末，磁蓄冷器制备方法如下：在LaFeSiH粉末中兑入起粘结作用的5％环氧树脂，将混合物放入平直片状形状腔体的聚四氟乙烯模具，进行加压成型24小时，脱膜固化，然后进行表面后处理。将做好的多片片厚为0.3mm～2mm的片状磁工质1固定在固定台上，相邻的片状磁工质1之间预留用于填充颗粒磁工质2的填充间隙，填充间隙为0.5～2mm，具体由颗粒磁工质2的尺寸决定，然后将制备好的颗粒磁工质2灌注到间隙空隙，均匀填满压实，并在磁蓄冷器四周将片状磁工质1与颗粒磁工质2通过焊接或粘接等方式进行固定，然后对整个蓄冷器做焊接或者粘接边框等固定处理。
对于磁工质床而言，由于需要组合多种采用不同居里温度磁工质材料的磁蓄冷器，因此需要先制备好三种居里温度的50μm～300μm的磁工质LaFeSiH粉末和直径0.5mm～2mm的LaFeSiH颗粒；并以上述的磁蓄冷器的制备方法依次制备三种居里温度的磁蓄冷器，然后将三个居里温度的磁蓄冷器按照居里温度的大小沿着换热流体流动方向依次在磁工质床中进行布置，并且使得相邻的磁蓄冷器的换热流道连通，最终形成所需的磁工质床。
上面是以三种居里温度的磁工质材料为例成形的磁工质床，其它结构的磁工质床的成形方式与此类似，此处不再详述。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
Claims (19)
1.一种磁蓄冷器，其特征在于，包括片状磁工质(1)和颗粒磁工质(2)，多个所述片状磁工质(1)间隔设置，相邻的所述片状磁工质(1)之间形成填充空间，所述颗粒磁工质(2)填充在所述填充空间内。
2.根据权利要求1所述的磁蓄冷器，其特征在于，至少部分所述颗粒磁工质(2)的形状和/或大小不同；或，所述颗粒磁工质(2)的形状和大小相同。
3.根据权利要求1所述的磁蓄冷器，其特征在于，所述颗粒磁工质(2)为球形、椭球型、圆锥体或多面体。
4.根据权利要求1所述的磁蓄冷器，其特征在于，所述片状磁工质(1)为平直板状结构。
5.根据权利要求1所述的磁蓄冷器，其特征在于，所述片状磁工质(1)为弧形板状结构。
6.根据权利要求1所述的磁蓄冷器，其特征在于，所述片状磁工质(1)的横截面为锯齿形，所述片状磁工质(1)沿直线方向延伸；或，所述片状磁工质(1)的横截面为波浪形，所述片状磁工质(1)沿直线方向延伸。
7.根据权利要求1所述的磁蓄冷器，其特征在于，所述片状磁工质(1)的横截面为锯齿形或波浪形，所述片状磁工质(1)的纵截面呈三角波形或正弦波形。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的磁蓄冷器，其特征在于，至少部分所述片状磁工质(1)上开设有沿所述片状磁工质(1)的厚度方向贯穿的通孔(3)。
9.根据权利要求1所述的磁蓄冷器，其特征在于，位于所述片状磁工质(1)边缘的所述颗粒磁工质(2)与所述片状磁工质(1)之间固定连接，位于边缘颗粒磁工质(2)内侧的所述颗粒磁工质(2)能够相对于所述片状磁工质(1)活动；或，所述颗粒磁工质(2)与所述片状磁工质(1)之间固定连接。
10.一种磁工质床，包括磁蓄冷器，其特征在于，所述磁蓄冷器为权利要求1至9中任一项所述的磁蓄冷器。
11.根据权利要求10所述的磁工质床，其特征在于，所述磁蓄冷器为多个，沿着换热流体的流动方向，多个所述磁蓄冷器按照磁工质材料的居里温度由高到低的顺序依次设置，相邻的所述磁蓄冷器内的换热流道连通。
12.一种磁制冷装置，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的磁蓄冷器或权利要求10至11中任一项所述的磁工质床。
13.一种磁蓄冷器的制作方法，其特征在于，包括：
制备磁工质粉末；
成型片状磁工质(1)；
成型颗粒磁工质(2)；
固定片状磁工质(1)，并使得相邻的片状磁工质(1)之间形成填充空间；
将颗粒磁工质(2)灌注到填充空间内；
在片状磁工质(1)的周侧将颗粒磁工质(2)与片状磁工质(1)固定连接在一起。
14.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，颗粒磁工质(2)均匀填满填充空间后进行压实。
15.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，位于片状磁工质(1)周侧边缘的颗粒磁工质(2)与片状磁工质(1)之间通过焊接或者粘接方式进行固定。
16.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，在片状磁工质(1)的周侧边缘焊接或者固定边框。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的制作方法，其特征在于，成型片状磁工质(1)的步骤包括：
制备50～300μm的磁工质LaFeSiH粉末；
在LaFeSiH粉末中兑入粘结剂；
将混合物放入片状磁工质(1)模具中，进行成型加压预设时间；
脱模固化；
对片状磁工质(1)进行表面处理。
18.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，片状磁工质(1)的厚度为0.3mm～2mm，颗粒磁工质(2)的最大尺寸为0.5～2mm，填充空间的厚度为0.5mm～2mm。
19.根据权利要求17所述的制作方法，其特征在于，粘结剂为5％环氧树脂。
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