×
25.08.2017
217.015.d045

Рабочее тело на основе магнитоактивных и пьезоактивных материалов для магнитных твердотельных тепловых насосов

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области холодильной и криогенной техники. Рабочее тело с применением магнитокалорического эффекта в твердотельных тепловых насосах содержит хладагент, выполненный из материала с гигантским магнитокалорическим эффектом, и, по меньшей мере, один пьезоэлектрический преобразователь для приложения внешних механических напряжений. Хладагент выполнен в виде теплообменника, состоящего из набора плоскопараллельных пластин или стержней. Пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде, по меньшей мере, одного актуатора, хладагент и пьезоэлектрический актуатор зажаты в стальной раме. Технический результат заключается в возможности настройки температуры Кюри магнитокалорического материала, завершении фазового перехода, наблюдаемого при данной температуре и уменьшении или исчезновении температурного и полевого гистерезиса в материалах с первым родом фазового перехода. 2 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области применения магнитокалорического эффекта в твердотельных тепловых насосах - устройствах для перекачивания тепла с использованием магнитных характеристик рабочего тела.

В течение последнего десятилетия большое количество экспериментальных и теоретических исследований были посвящены поиску новых материалов со значительным магнитокалорическим эффектом (МКЭ) при комнатной температуре, которые смогут стать экономически выгодной и энергетически эффективной заменой широко используемого металла гадолиния. На данный момент известны несколько серий интерметаллических соединений, в которых наблюдается фазовый переход первого рода, и которые имеют достаточно высокие значения МКЭ. Тем не менее все эти соединения характеризуются несколькими недостатками: узкий диапазон рабочих температур и наличие температурного и полевого гистерезисов.

Известны изобретения патент US 4332135 А, патент US 2136533 С, патент ЕР 0642648 В1, которые служат для решения задачи ограниченного рабочего интервала температур, характеризующиеся использованием циклов, основанных на активном магнитном регенераторе (AMP). Рабочее тело данных прототипов состоит из серии образцов с различной температурой Кюри (при данной температуре наблюдается максимум МКЭ), следовательно, это приводит к расширению его диапазона рабочих температур. Тем не менее следует отметить, что одним из основных недостатков AMP цикла является низкая мощность охлаждения, по сравнению с классическими циклами (Карно, Брайтона и Эриксона). Это объясняется работой лишь части рабочего тела при определенной температуре, в то время как остальная часть магнитного материала необходима для предохлаждения первой. В противном случае, последняя является паразитной тепловой нагрузкой, что, в свою очередь, дополнительно снижает эффективность магнитного холодильника. Решением данной проблемы является использование материала с настраиваемой температурой фазового перехода. Это позволит использовать весь магнитокалорический материал, помещенный в межполюсный зазор теплового насоса в наиболее оптимальных для него условиях.

Известны различные способы и устройства для управления термомагнитными свойствами материалов при помощи внешних напряжений и электрических полей (см. статья N.A. de Oliveira Entropy change upon magnetic field and pressure variations // Applied Physics Letters 90, 052501 (2007); статья Yuan-Yuan Gong, Dun-Hui Wang, Qing-Qi Cao, En-Ke Liu, Jian Liu and You-Wei Du, Electric Field Control of the Magnetocaloric Effect // Adv. Mater. 2014; статья Yang Liul, Lee C. Phillips, Richard Mattana, Manuel Bibes, Agne's Bartherlermy & Brahim Dkhil, Large reversible caloric effect in FeRh thin films via a dual-stimulus multicaloric cycle // Nature Communications, 7, 11614). Они характеризуются возможностью избавиться от необратимости магнитокалорического эффекта и температурного гистерезиса магнитных свойств. Эти устройства применяют планарные гетероструктуры, в которых деформации, создаваемые в пьезоэлектрических слоях, передаются при помощи механической связи в магнитокалорический материал, вызывая при этом смещение температуры фазового перехода. Основным недостатком указанных изобретений является паразитная тепловая нагрузка, создаваемая пьезокерамическими слоями в гетероструктурах, так как магнито- и пьезоактивные материалы являются механически и термическим связанными. Это приводит к снижению значений магнитокалорического эффекта, что вызывает уменьшение холодильной мощности устройств на основе данных материалов.

Известен способ управления магнитными свойствами материалов, в котором при помощи внешних механических напряжений в пьезоактивном слое происходит изменение температуры магнитокалорического материала благодаря барокалорическому эффекту (см. патент US 20140007592 А1). Достоинствами данного изобретения является отсутствие источника магнитного поля. Однако величина температурного эффекта по сравнению с эффектами, наблюдаемыми в магнитном поле, незначительна, что в свою очередь затрудняет применение данного способа на практике.

Известно изобретение, патент CN 104167488 А, которое взято в качестве прототипа. Данное изобретение основано на следующем принципе: в качестве рабочего тела магнитного рефрижератора предлагается использовать мультислойные композитные материалы на основе ферромагнитных сплавов системы Ni-Mn с эффектом памяти формы, а также пьезоэлектрической керамики Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) или 0.7Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3 (PMN-PZT).

Достоинствами изобретения являются:

1) при помощи приложения электрического напряжения к пьезоэлектрическому слою возможно регулировать температуру фазового перехода, в то время как максимум магнитокалорического эффекта наблюдается при температуре Кюри магнитоактивных слоев,

2) применение различных напряжений в области процесса намагничивания образца позволяет уменьшить или даже устранить температурный и полевой гистерезисы.

Основным недостатком указанного изобретения, как в перечисленных выше, является паразитная тепловая нагрузка, создаваемая пьезокерамическими слоями в гетероструктурах. Причем отношение толщин магнитоактивного и пьезоактивного слоев равно 2:1.

К существенным недостаткам прототипа стоит отнести изменяющийся коэффициент механической связи между слоями магнито- и пьезоактивных материалов. В процессе эксплуатации данная связь ослабевает, что приводит к уменьшению эффекта. Исследования мультиферроиков показали, что данный подход создания многослойных структур характеризуется невозобновляемостью результатов, что затрудняет практическое применение данных устройств.

Также к недостаткам данного устройства следует отнести то, что оно предназначается для использования в циклах с активным магнитным регенератором, который обладает значительно меньшей холодильной мощностью по сравнению с классическими циклами охлаждения.

Стоит отметить, что в большинстве разработанных прототипах магнитных рефрижераторов в качестве источников магнитного поля используются системы на постоянных магнитах, стоимость которых, в свою очередь, составляет 60% от общей стоимости устройств. Поэтому дополнительным недостатком вышеуказанных изобретений является неэффективное использование межполюсного зазора в магнитной системе, что обуславливается помещением пьезоактивного материала в рабочее пространство.

Целью настоящего изобретения является разработка рабочего тела с увеличенными магнитотепловыми свойствами для магнитного твердотельного теплового насоса.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в возможности настройки температуры Кюри магнитокалорического материала, а также в увеличении теплообмена между хладагентом и теплопередающей жидкостью.

Первый технический результат достигается путем приложения внешних механических напряжений, источниками которых являются механически-связанные с хладагентом пьезоэлектрические преобразователи, особенностями которых является выполнение их в виде актуаторов. Приложение внешних механических напряжений также позволяет завершить фазовый переход в магнитном материале в ограниченном диапазоне магнитных полей не более 1 Тесла, что приводит к увеличению холодильной мощности рабочего тела. Увеличение теплообмена между рабочим телом и теплопередающей жидкостью обуславливается выполнением хладагента в виде теплообменника, состоящего из набора плоскопараллельных пластин или стержней, использование которого приводит к увеличению рабочей частоты магнитного теплового насоса и тем самым дополнительно увеличивает его холодильную мощность.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид рабочего тела для твердотельного магнитного теплового насоса. Устройство содержит набор плоскопараллельных пластин 1, выполненных из материала с гигантским магнитокалорическим эффектом, а также двух пьезоэлектрических актуаторов Р-885.11 (Physik Instrumente GmbH & Co. KG) 2, которые могут производить усилия 800 Н, что соответствует давлению 160 МПа для стека из 5 пластин толщиной 0,3 мм каждая. Установлено, что предел прочности на разрыв для данных пластин составляет 250 МПа. Механический контакт между магнито- и пьезоактивными компонентами структуры осуществляется путем зажатия данного рабочего тела в стальной раме 3.

При приложении внешнего электрического напряжения к пьезоактивному материалу в зависимости от знака он увеличивает или уменьшает свои размеры, в результате чего, он будет либо сжимать, либо освобождать от напряжений магнитокалорический материал, что приводит к сдвигу температуры Кюри последнего.

Предложенное изобретение было изготовлено сотрудниками ООО «КРИОТЭЛ» и опробовано на опытной установке в лаборатории по магнитным измерениям на кафедре физики конденсированного состояния Тверского государственного университета. На фиг. 2 представлены температурные зависимости адиабатического изменения температуры ΔТад(Т) для пластин La(Fe,Co)13-xSix, полученные методом вакуумного литья. При приложении внешних механических напряжений, вызванных изменениями внешних размеров пьезоэлектрических актуаторов, наблюдается смещение температуры Кюри магнитного сплава на 5 K (внешнее электрическое поле равно 100 В). Стоит отметить, что к обкладкам пьезоэлектрического актуатора прикладывалось напряжение 20 В для предотвращения деполяризации керамики при зажатии магнитокалорического теплообменника в стальной раме.

Применение разработанных рабочих тел позволяет избавиться от использования магнитных материалов с различными температурами Кюри. В конечном итоге, это позволит повысить холодильную мощность теплового насоса за счет эффективного использования межполюсного зазора в магнитной системе, а также увеличения массы рабочего тела.

Стоит отметить, что в большинстве разрабатываемых прототипах магнитных тепловых насосов используемая система на постоянных магнитах позволяет достигать напряженность магнитного поля в рабочем зазоре <1 Тесла. В свою очередь, для того, чтобы завершить переход первого рода из парамагнитного состояния в ферромагнитное необходимо поле около 2,5 Тесла. Использование внешних напряжений позволяет завершить переход, что приведет к дополнительному увеличению МКЭ.

В-третьих, одновременное использование воздействий от механических напряжений и магнитных полей позволяет полностью избавить от необратимости фазового перехода в магнитоактивном материале.

В заключение разработанные рабочие тела характеризуются использованием хладагента в виде теплообменника, состоящего из набора плоскопараллельных пластин или стрежней, что увеличивает теплообмена между рабочим телом и теплопередающей жидкостью.

Рабочее тело для магнитных твердотельных тепловых насосов, характеризующееся тем, что оно содержит хладагент, выполненный из материала с гигантским магнитокалорическим эффектом, и по меньшей мере один пьезоэлектрический преобразователь, отличающееся тем, что пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде по меньшей мере одного актуатора, хладагент и пьезоэлектрический актуатор зажаты в стальной раме и хладагент выполнен в виде теплообменника, состоящего из набора плоскопараллельных пластин или стержней.
Рабочее тело на основе магнитоактивных и пьезоактивных материалов для магнитных твердотельных тепловых насосов
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 325 items.
20.04.2013
№216.012.37a9

Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика

Изобретение относится к области применения магнитокалорического эффекта в режиме перекачивания тепла с использованием магнитных характеристик рабочего тела магнитной тепловой машины и может быть использовано для получения тепла и холода. Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479802
Дата охранного документа: 20.04.2013
27.08.2013
№216.012.65bf

Многослойная керамическая гетероструктура с магнитоэлектрическим эффектом и способ ее получения

Изобретение относится к электронной технике, а именно: к области создания магнитоэлектрических преобразователей, применяемых в качестве основы для датчиков магнитных полей, устройств СВЧ-электроники, основы для технологии магнитоэлектрической записи информации и для накопителей электромагнитной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491684
Дата охранного документа: 27.08.2013
10.01.2015
№216.013.1d1e

Установка для получения аморфных и нанокристаллических металлических лент высокоскоростной закалкой расплава

Изобретение относится к металлургии. Установка содержит формообразующий инструмент в виде двух валков 2, питатель 1 для подачи расплава металла, привод вращения валков, включающий двигатель 5, ременную передачу и систему шестеренок 6, средство приема отделяемых от поверхности валков готовых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002538882
Дата охранного документа: 10.01.2015
20.06.2016
№217.015.03df

Оправка прошивного стана

Изобретение относится к области обработки металлов давлением на станах винтовой прокатки. Оправка имеет переменный профиль. Возможность удаления дефектов непрерывнолитой заготовки, уменьшение разностенности получаемых гильз обеспечивается за счет того, что в оправке с переднего торца,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587702
Дата охранного документа: 20.06.2016
10.04.2016
№216.015.2b53

Способ изготовления струеформирующих сопел

Изобретение относится к области производства струеформирующих сопел, которые могут быть использованы для очистки поверхностей, удаления покрытий, создания шероховатости на поверхности, для резки и разделения материалов. Способ включает формирование рабочего отверстия в композиционном алмазном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579598
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2b79

Усиливающий сверхпроводящий метаматериал

Использование: для сверхмалошумящего усиления слабых радиотехнических сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что усиливающий сверхпроводящий метаматериал состоит из гальванически связанных элементарных ячеек, смещенных постоянным током и проявляющих эффект квантовой интерференции с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579813
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2c52

Способ акустического каротажа

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения координат трещиноватых зон, пересекающих измерительную скважину, пробуренную в кровле выработки. Способ основан на экспериментально установленной закономерности влияния трещиноватой зоны на корреляционные характеристики...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579820
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2cca

Способ извлечения золота из руд

Изобретение относится к области цветной металлургии. Способ извлечения золота включает цианирование руды при измельчении. В мельницу последовательно подают при соотношении твердой фазы к жидкой фазе от 3:2 до 2:1 предварительно дробленную до крупности фракций от 2 мм до 4 мм руду, добавку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579858
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2cd6

Способ защиты поверхности сляба из низколегированной стали перед его нагревом в методической печи под прокатку

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при подготовке слябов из низколегированных сталей перед нагревом под прокатку. Способ защиты поверхности сляба из низколегированной стали при прокатке включает напыление алюминиевого газотермического покрытия на широкие грани...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579866
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2d7d

Способ получения деформированных полуфабрикатов из сплава на основе алюминия

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия системы Al-Fe-Si в виде тонколистового проката, фольги, листов, плит, прессованных профилей, проволоки и др. Из деформированных полуфабрикатов могут быть получены изделия, предназначенные для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579861
Дата охранного документа: 10.04.2016
Showing 1-10 of 181 items.
20.04.2013
№216.012.37a9

Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного магнетика

Изобретение относится к области применения магнитокалорического эффекта в режиме перекачивания тепла с использованием магнитных характеристик рабочего тела магнитной тепловой машины и может быть использовано для получения тепла и холода. Рабочее тело магнитной тепловой машины из анизотропного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479802
Дата охранного документа: 20.04.2013
27.08.2013
№216.012.65bf

Многослойная керамическая гетероструктура с магнитоэлектрическим эффектом и способ ее получения

Изобретение относится к электронной технике, а именно: к области создания магнитоэлектрических преобразователей, применяемых в качестве основы для датчиков магнитных полей, устройств СВЧ-электроники, основы для технологии магнитоэлектрической записи информации и для накопителей электромагнитной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491684
Дата охранного документа: 27.08.2013
10.01.2015
№216.013.1d1e

Установка для получения аморфных и нанокристаллических металлических лент высокоскоростной закалкой расплава

Изобретение относится к металлургии. Установка содержит формообразующий инструмент в виде двух валков 2, питатель 1 для подачи расплава металла, привод вращения валков, включающий двигатель 5, ременную передачу и систему шестеренок 6, средство приема отделяемых от поверхности валков готовых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002538882
Дата охранного документа: 10.01.2015
20.06.2016
№217.015.03df

Оправка прошивного стана

Изобретение относится к области обработки металлов давлением на станах винтовой прокатки. Оправка имеет переменный профиль. Возможность удаления дефектов непрерывнолитой заготовки, уменьшение разностенности получаемых гильз обеспечивается за счет того, что в оправке с переднего торца,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587702
Дата охранного документа: 20.06.2016
10.04.2016
№216.015.2b53

Способ изготовления струеформирующих сопел

Изобретение относится к области производства струеформирующих сопел, которые могут быть использованы для очистки поверхностей, удаления покрытий, создания шероховатости на поверхности, для резки и разделения материалов. Способ включает формирование рабочего отверстия в композиционном алмазном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579598
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2b79

Усиливающий сверхпроводящий метаматериал

Использование: для сверхмалошумящего усиления слабых радиотехнических сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что усиливающий сверхпроводящий метаматериал состоит из гальванически связанных элементарных ячеек, смещенных постоянным током и проявляющих эффект квантовой интерференции с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579813
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2c52

Способ акустического каротажа

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения координат трещиноватых зон, пересекающих измерительную скважину, пробуренную в кровле выработки. Способ основан на экспериментально установленной закономерности влияния трещиноватой зоны на корреляционные характеристики...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579820
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2cca

Способ извлечения золота из руд

Изобретение относится к области цветной металлургии. Способ извлечения золота включает цианирование руды при измельчении. В мельницу последовательно подают при соотношении твердой фазы к жидкой фазе от 3:2 до 2:1 предварительно дробленную до крупности фракций от 2 мм до 4 мм руду, добавку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579858
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2cd6

Способ защиты поверхности сляба из низколегированной стали перед его нагревом в методической печи под прокатку

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при подготовке слябов из низколегированных сталей перед нагревом под прокатку. Способ защиты поверхности сляба из низколегированной стали при прокатке включает напыление алюминиевого газотермического покрытия на широкие грани...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579866
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2d7d

Способ получения деформированных полуфабрикатов из сплава на основе алюминия

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия системы Al-Fe-Si в виде тонколистового проката, фольги, листов, плит, прессованных профилей, проволоки и др. Из деформированных полуфабрикатов могут быть получены изделия, предназначенные для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579861
Дата охранного документа: 10.04.2016
+ добавить свой РИД