Результат интеллектуальной деятельности: Рабочее тело на основе магнитоактивных и пьезоактивных материалов для магнитных твердотельных тепловых насосов

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(Mn_1/3Nb_2/3)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 ΔТ_ад(Т) для пластин La(Fe,Co)_13-xSi_x, 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.