一种全固态磁制冷器件及其使用方法和应用与流程

1.本发明属于磁制冷技术领域，具体涉及一种无需回热器辅助的全固态磁制冷器件及其使用方法和应用。


背景技术：

2.磁制冷技术是一种利用磁相变材料在磁化以及退磁过程中由于磁有序的改变产生温度变化来实现制冷的技术。利用磁相变材料的磁制冷技术具有高效节能的特点，同时避免了温室气体氟利昂的使用，是一种绿色环保技术，成为传统气体压缩制冷的理想替代技术之一。
3.主动式回热循环(amr)被认为是现阶段具有最高能量利用效率的磁制冷循环，已经被广泛的应用于磁制冷样机中。然而，基于流体换热的传统amr循环由于换热流体热导率低导致的对流传热的限制，工作频率通常在1hz左右，最高仅到10hz，提高工作频率将会降低系统效率。此外，由于传热流体和磁制冷工质之间温差大导致制冷系统在回热过程中产生大的不可逆热损失，极大地降低了制冷效率。换热流体对磁体和制冷工质的腐蚀问题也为磁制冷器件的设计带来困难，从而提高了制冷器件的成本并且降低了效率。
4.针对换热流体传热效率低产生的一系列问题，基于高热导率固态换热介质设计的全固态磁制冷模型引起人们的高度关注。目前报道的全固态制冷模型系统有两类，即基于热二极管(电控热二极管和磁控热二极管)的全固态磁制冷模型和基于高热导率材料元件的全固态磁制冷模型。其中，以peltier元件(电控热二极管)作为固态传热介质的全固态磁制冷模型，为了实现更快的从磁制冷工质中提取热量，降低回热损失，peltier元件工作需要输入较大的电流，从而增加了整个系统的输入电功率损耗，导致整个制冷系统的cop减小。虽然减小电流可以提高系统的cop，但是peltier元件传热速率将会减小，导致制冷量降低。因此，基于peltier元件的全固态磁制冷系统，虽然提升了工作频率和比制冷功率，但存在不可避免的焦耳热的负面问题，降低了整个制冷系统的效率。虽然基于磁控热二极管的全固态制冷模型比功密度、cop和制冷温跨均能够得到大的提升，但是满足实际应用的磁控电热二极管材料难以获得，极大地限制了这一全固态磁制冷模型的研究、应用和发展。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是设计一种结构简单的全固态磁制冷模型器件，实现高频工作下同时具有低回热损耗和高能量利用效率。
6.本发明的发明人通过深入研究发现，高热导率的材料如铜、银、金、铝、铂、铁、石墨烯或碳纳米管等能够在极短的时间内将热量吸收或释放，是一类理想的回热介质；绝热材料如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板等能够有效的阻止磁制冷工质热量与外界的交换。因此，可以将高热导率的材料作为回热介质与磁制冷材料、绝热材料结合起来，通过合理的器件设计实现全固态磁制冷。并且由于磁制冷工质和回热介质均为固态，便于加工成不同的形状和尺寸。因此，全固态磁制冷器件能够实现不同尺度(亚微米-米)的器
件制冷。
7.本发明的目的是通过如下技术方案实现的。
8.一方面，本发明提供了一种全固态磁制冷器件，所述全固态磁制冷器件包括交替层叠设置的一个或多个环形制冷层和一个或多个环形回热层，其中所述环形制冷层包括交替排列的多个磁制冷扇区和多个第一绝热扇区，所述环形回热层包括交替排列的多个传热扇区和多个第二绝热扇区，其中所述环形制冷层和环形回热层能够沿相反方向同轴转动。
9.根据本发明提供的全固态磁制冷器件，其中，可以根据实际制冷需求设置所述环形制冷层和所述环形回热层的尺寸，本发明对此没有特别限定，例如，所述环形制冷层和所述环形回热层的外圆半径可以为0.5～2000mm，优选为2～1000mm，内圆半径可以为0.05～100mm，内圆半径与外圆半径之比可以为1:2～200。优选地，所述环形制冷层与所述环形回热层具有相同的内圆半径和相同的外圆半径。另外，所述环形制冷层与所述环形回热层的厚度可以相同或不同，并且各自独立地为10μm～10cm。
10.根据本发明提供的全固态磁制冷器件，其中，所述环形制冷层和所述环形回热层的总层数可以根据实际制冷需求设置，例如，可以为2～200层，优选为4～20层。为了实现交替层叠设置，所述环形制冷层的数量在所述环形回热层数
±
1的范围内，优选地，所述环形制冷层的数量等于所述环形回热层的数量。
11.根据本发明提供的全固态磁制冷器件，其中，相邻设置的所述环形制冷层和所述环形回热层之间可以相互接触，或者可以通过石墨粉体连接，以减小摩擦力。其中，所述石墨粉体为高导热材料。优选地，相邻设置的所述环形制冷层和所述环形回热层之间的距离可以为0～10mm。
12.在本发明的一些实施方案中，所述磁制冷扇区与所述第二绝热扇区具有相同的尺寸，所述传热扇区与所述第一绝热扇区具有相同的尺寸。在一种优选的实施方案中，所述磁制冷扇区、所述第一绝热扇区、所述传热扇区和所述第二绝热扇区具有相同的尺寸。
13.根据本发明提供的全固态磁制冷器件，其中，每个所述环形制冷层包括的磁制冷扇区数量等于每个所述环形回热层包括的传热扇区的数量，并且优选地为4～200之间的任意偶数。
14.根据本发明提供的全固态磁制冷器件，其中，所述磁制冷扇区作为磁制冷工质，可以由任意一种或多种磁热材料构成，例如可以选自gd、ferh、lafesi、gdsige、mnas、mnpsige和nimnx等中的一种或多种，优选为gd、fe
x
rh
1-x
(x＝0.48-0.52)、gd5(si,ge)4、mnas、la(fe,si)
13
、mnfepsi、mncoge、nimnin和nimnsn等中的一种或多种。
15.根据本发明提供的全固态磁制冷器件，其中，所述传热扇区为固态传热介质，可以由任意一种高导热材料构成，例如铜、银、金、铝、铂、铁、石墨烯和碳纳米管等。
16.在本发明的优选实施方案中，其中，所述第一绝热扇区和所述第二绝热扇区由绝热材料构成，所述绝热材料可以选自玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡和真空板中的一种或多种。其中，多个所述第一绝热扇区的材料可以相同也可以不同，多个所述第二绝热扇区的材料可以相同也可以不同；所述第一绝热扇区与所述第二绝热扇区的材料可以相同也可以不同。
17.根据本发明提供的全固态磁制冷器件，其中，交替排列的多个磁制冷扇区和多个第一绝热扇区之间可以通过任何方式结合在一起形成所述环形制冷层，如使用环氧树脂胶
粘合；交替排列的多个传热扇区和多个第二绝热扇区之间可以通过任何方式结合在一起形成所述回热层，如使用环氧树脂胶粘合。可以采用任何已知方法将一个或多个环形制冷层和一个或多个环形回热层组装在一起，只要所述环形制冷层和环形回热层能够沿相反方向同轴转动即可，例如可以采用齿轮连接组装方法。
18.另一方面，本发明还提供了上述全固态磁制冷器件的使用方法，所述使用方法包括将所述全固态磁制冷器件的至少一部分置于磁场中，并且使所述环形制冷层和环形回热层沿相反方向同轴转动。
19.根据本发明提供的使用方法，优选地，所述使用方法包括将所述全固态磁制冷器件的投影面积的30％～70％区域置于磁场中，更优选为将所述全固态磁制冷器件的投影面积的45％～55％区域置于磁场中。在一种最优选的实施方案中，所述使用方法包括将所述全固态磁制冷器件的投影面积的一半(即50％)区域置于磁场中。其中，所述全固态磁制冷器件的投影面积是指交替层叠设置的环形制冷层和环形回热层的环形表面的投影面积。
20.根据本发明提供的使用方法，其中，所述使用方法还包括：在进入磁场的磁制冷扇区处通过传热介质连接热端或冷端；在离开磁场的磁制冷扇区处通过传热介质连接冷端或热端。
21.根据本发明提供的使用方法，其中，所述磁场为均匀磁场。磁场的强度可以为0.1～60t，优选为0.6～1.8t。
22.根据本发明提供的使用方法，其中，所述制冷层的转动的频率可以为0.01～1000hz，优选为10～100hz，所述回热层的转动频率可以为0.01～1000hz，优选为10～100hz。所述制冷层和所述回热层的转动频率可以相同或不同。在本发明的一种优选实施方案中，所述制冷层和所述回热层的转动频率相同。
23.再一方面，本发明还提供了上述全固态磁制冷器件在冰箱、空调、液化气体以及微电子器件制冷中的应用。
24.为了简便，以具有一层制冷层和一层回热层的全固态磁制冷器件为例，对本发明的全固态磁制冷器件的工作方式进行说明：
25.1)全固态磁制冷器件运转之前，制冷层的每一块磁制冷扇区与相邻回热层的传热扇区均不接触，而是与相邻回热层的绝热扇区接触。假设制冷层沿顺时针方向旋转，则回热层沿逆时针方向旋转，转动速度相同；
26.2)通过普通永磁体或电磁体施加磁场，对于环形制冷层而言，有一半的投影面积处于磁场中，另一半处于无磁场状态；
27.3)由于制冷层的各个磁制冷扇区和回热层的各个传热扇区之间均通过绝热扇区间隔开，因此，每层内各扇区之间无热量传递；
28.4)冷源、热源分立于磁场分界线的两端：在制冷层转动过程中，磁制冷扇区(或“制冷模块”)从磁场区域转动到无磁场区域时，由于磁热效应，温度降低，该侧为冷端；与该制冷模块径向相对的制冷模块此时由无磁场区域转动进入磁场区域，由于磁热效应，温度升高，该侧为热端；
29.5)热端与冷端通过在磁制冷材料的上方连接传热介质与外界接触换热，从冷源吸热(即：给冷端制冷)以及将热端热量释放到周围环境中；
30.6)在回热层逆向转动过程中，冷端的热量通过高热导率传热扇区(或“回热模块”)
传递到热端，同时热端的热量通过传热扇区传递到冷端，在无负载情况下，由于每层各个扇区之间相互绝热，通过分立的制冷模块和回热模块逆向转动使得整个制冷系统的温跨拓宽；
31.7)利用回热层高热导率特点，实现了快速回热且提高了换热效率，从而实现了高频工作状态下高效全固态磁制冷。
32.具体地，本发明全固态磁制冷器件的工作原理如下：
33.随着环形制冷层的转动，每一块磁制冷扇区(或“制冷模块”)从无磁场区域转动至磁场区域的过程中，由于磁热效应，该扇区磁制冷工质的温度升高，通过热端上方连接的传热介质与外界环境进行热交换，把热端热量释放到周围环境中；
34.当磁制冷扇区(制冷模块)从磁场中转动至无磁场区域时，由于磁热效应，该扇区磁制冷工质的温度降低，冷端通过冷端上方连接的传热介质从周围环境吸收热量，达到制冷的目的。
35.虽然回热层在磁场变化时自身不产生热效应，但是由于其转动方向与制冷层相反，回热层的回热模块与冷端制冷模块接触后，温度降低；在转动过程中，回热模块与无磁场区域的制冷模块接触时温度逐步升高；当回热模块与热源接触以后，将吸收热源的热量，温度升高，达到最高温度；继续转动过程中，回热模块再与磁场中的制冷模块接触，温度逐步降低，当与冷源接触时温度达到最低，完成一个循环。
36.通过多模块的引入，实现了冷源与热源温跨的拓宽，即：制冷温跨的拓宽。虽然磁制冷材料的绝热温变可以达到20k，但是通常需要较高的磁场，为磁制冷器件的设计和成本带来极大困难。本发明设计的器件能够使磁制冷工质在有限的绝热温变下提供更大制冷温跨，因而具有重要意义。同时回热层的引入避免了回热器的应用，简化了器件设计，并且由于回热层的高热导率，加快了回热速率，降低了回热损失，满足了在高频工作下的需求。
37.与现有技术相比，本发明的优势在于：发明人首次提出了一种无外部回热器、由磁制冷工质和高热导率材料相结合的方式构成的全固态磁制冷器件，其核心部件由两类功能层组成：由磁制冷工质和绝热材料交替排列构成的制冷层，以及由高热导材料和绝热材料交替排列构成的回热层。制冷层与回热层从上到下交替排列构成全固态制冷模型，且制冷层与回热层转动方向相反。其回热过程是通过相邻两个制冷层和回热层中制冷模块与回热模块的直接换热来实现的。由于没有外部回热模块，消除了不可逆的回热损失，从而为该装置提供了高的冷却功率密度。同时，利用高热导率材料的热导率高的优势，热量能够快速从制冷层和回热层之间交换，实现了制冷器件能够在高工作频率下同时具有优异的冷却功率密度。同时，该器件独特的回热过程使其制冷温跨与mce引起的绝热温度变化之比非常大(单层模块数ns＝24时，回热系数r＝6)，为利用现有mce材料开发高性能mce制冷机提供了可行手段。通过调整环形制冷层和回热层的直径以及交替排列的层数可实现不同尺度的器件制冷，即本发明所设计的全固态磁制冷器件既能应用于大尺度如冰箱空调类的制冷，也能应用于微纳尺度的器件制冷，解决芯片等微纳器件工作时的散热问题。本发明提供的全固态磁制冷器件是一种全新的以高热导材料作为回热介质的全固态制冷器件。由于兼具宽温跨和高制冷效率，该模型器件在冰箱、空调、液化气体以及微电子器件等制冷方面都有潜在应用价值。
附图说明
38.以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
39.图1为实施例1～20中使用的全固态磁制冷器件的示意图；
40.图2为实施例1～20中有限元模拟仿真全固态磁制冷器件网格划分模型示意图；
41.图3实施例1中的全固态磁制冷器件有限元模拟过程中初始时刻处于t1位置的磁制冷模块在制冷循环运转过程中温度随时间的变化曲线；
42.图4为实施例1～8中的全固态磁制冷器件有限元模拟得到的无负载情况下磁制冷最大温跨随绝热温变和模块数的变化规律曲线；
43.图5为实施例1～8中的全固态磁制冷器件有限元模拟得到的单位质量制冷量随频率和厚度变化关系曲线；
44.图6为实施例1～8中的全固态磁制冷器件有限元模拟得到的制冷系数随频率和厚度的变化关系曲线。
具体实施方式
45.下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
46.图1为实施例1～20中使用的全固态磁制冷器件的示意图，该全固态磁制冷器件包括交替层叠设置的一个或多个环形制冷层1和一个或多个环形回热层2，其中所述环形制冷层1包括交替排列的多个磁制冷扇区3和多个第一绝热扇区4，所述环形回热层2包括交替排列的多个传热扇区5和多个第二绝热扇区6，其中所述环形制冷层1和环形回热层2能够沿相反方向同轴转动。其中，该全固态磁制冷器件的投影面积的一半区域置于磁场7中。
47.实施例中使用有限元模拟来计算本发明中设计的全固态磁制冷器件运行过程中的制冷温跨和制冷效率，具体参数说明如下：
48.1)制冷层和回热层均为半径相同的圆形，半径为2mm～2m，每一层的厚度根据实际需求分别选择，可以选择为10μm～10cm，每一块制冷模块、回热模块和绝热扇区均为相同尺寸的扇形。
49.2)制冷层和回热层从上到下交替排列，其层数可以根据实际制冷需求选择为2～400。
50.3)每一层制冷层和回热层中制冷模块和回热模块均为4～200块。
51.4)绝热模块，在模型中用绝热边界代替。
52.5)制冷工质进入磁场和移出磁场时产生的绝热温变选择为0.1～20k。
53.6)有限元模拟所使用软件为comsol multiphysics 5.3.a中的固体传热模块。
54.7)根据实际制冷需求的不同，在制冷层和回热层的初始温度设置为0.1k～1000k。
55.以下，代表性地给出一种情况来说明本发明“全固态磁制冷器件”的模拟方法：
56.1)本模型中设定扇形制冷模块和回热模块每层数量为24块，其几何模型如图2所示。所有制冷层和回热层的初始温度均设定为323k，冷源、热源位于磁场分界线的两端，其中，制冷模块到达热端时温度均回到323k，制冷模块到达冷端时温度均会相比在前一制冷模块时降低4k。随着制冷层和回热层的逆向转动，制冷模块与回热模块的传热材料相接触进行热交换，从而导致每个制冷模块和回热模块的温度不断变化，随着循环的进行，温度最
终达到稳定。达到稳态时热端与冷端的温差即为无负载情况下，该全固态磁制冷模型器件的最大温跨。
57.2)本模型中仅仅制冷层与回热层接触时上下表面边界能够进行热交换，其余边界为绝热边界。为了描述上层磁制冷介质和下层传热介质的转动，模型中定义了动网格边界条件，设定了上层磁制冷介质和下层传热介质以0.1s为一周期(频率为10hz)进行转动，共循环了14次，总共计算时间域为1.4s。
58.3)本模型采用四面体单元进行自由网格划分，网格模型如图2所示。
59.4)本模型采用瞬态求解，计算时间域以0.1s为一个循环周期，时间步长为0.1/100，总共时间为1.4s，采用直接强耦合求解器求解，结合非线性牛顿迭代方法，收敛因子为0.01。
60.5)基于上述建立的有限元仿真模型，通过进行初始参数的设定计算，随着不断的循环，制冷工质的温度分布逐渐趋于稳定。为了更加清楚的看出该全固态磁制冷器件的温度随时间的变化，热端模块的温度随时间的变化曲线展示在图3中，从中可以看出，当历时1.3s(第13个周期)和1.4s(第14个周期)时，温度场分布已经基本上一致，达到稳定。循环稳定以后，各个制冷模块达到冷端前的稳定温度值为299k，与热端温度323k的温差δt
span
＝323-299＝24k，这就是对应模型参数(n
s
＝24，δt
mce
＝4k)下无负载时该全固态磁制冷器件制冷温跨。
61.6)基于上述建立的有限元仿真模型，计算了不同的模块数分别为n
s
＝8、16、24、32和40以及不同磁场强度作用下产生的绝热温度变化δt
mce
分别为6k、5k、4k、3k和2k对最大制冷温跨的影响。有限元模拟得到不同参数下的影响关系曲线，如图4所示。从结果可知，n
s
＝40，δt
mce
＝6k时，温跨达到了60k，从而证明了本文所设计全固态磁制冷器件能够使磁制冷工质在有限的绝热温变下提供更大制冷温跨。随着模块数n
s
的增加，冷端和热端的温跨逐渐增大；随着磁场作用的增强，
△
t
mce
逐渐增加，最大温跨也逐渐增大，且基本呈线性增加的趋势。从图中还可以计算出r＝δt
span
/δt
mce
，实际上，r是一个衡量制冷器件回热性能的重要参数。对于n
s
＝24时，r＝6，远大于文献报道的2～2.4。
62.7)为了研究本文所设计全固态磁制冷模型器件制冷效率，基于上述建立的制冷模块数n
s
＝24时的有限元仿真模型，通过改变边界条件，即在冷端和热端上方分别设置了无限大冷源和热源，在制冷器件运行过程中，热量可以通过冷端与热端上方的换热器与外界进行热交换。制冷层在热端的上表面温度固定在323k，冷端上表面固定在308k，即磁制冷工质冷端和热端的温跨15k，在此模型参数基础上，计算了磁制冷工质循环稳定以后，不同磁制冷工质厚度以及不同工作频率下，磁制冷工质循环一圈的单位质量的制冷量。如图5所示给出了磁制冷工质在不同厚度下，磁制冷工质的单位质量的制冷量scp随器件工作频率的变化。从图5可以看出，scp对于磁制冷模块厚度在95μm及以下的是敏感的，scp随频率增加几乎呈线性增长，当工作频率达到200hz时，scp达到一个极高的值，约为141w/g。此外，我们还对该制冷器件的cop与carnot效率η
carnot
＝t
c
/(t
h-t
c
)＝20.5也进行了比较，对于磁制冷模块厚度在95μm及以下时，该制冷器件在低频工作下cop约为18(<10hz)，随着工作频率的增加而减小，但在200hz时仍高于10，约为卡诺效率的50％，如图6所示。对于该磁制冷器件，磁制冷模块厚度增加到95μm以上scp和cop将会降低。当磁制冷模块的厚度大于95μm时，scp随着工作频率的增加将会先增加后降低，同时，随着厚度的增加，随工作频率变化scp的峰
将会向低频率方向移动。这一现象出现的原因是由于当制冷工质的厚度大于热扩散长度时，热量不能充分交换从而导致较低的scp。因此，由于磁制冷工质具有较高导热系数，同时回热介质也使用的是导热系数较大的材料，能够大幅增加器件的工作频率，同时保持优异的冷却功率密度，对于较厚的制冷元件在一定的工作频率下可以保持较高的性能，从而简化器件设计。从本文中的有限元模拟结果可以看出，磁制冷工质厚度为95μm时，在保持最优的单位质量制冷量141w/g时，其工作频率可达200hz。由此说明本全固态磁制冷器件模型能够在高频下工作的同时具有优异的冷却功率密度scp；在磁制冷工质的厚度小于临界厚度时，磁制冷工质的制冷量随工作频率的提高而增加，当超过临界厚度时，磁制冷工质的制冷量随工作频率的提高而降低。因此，本全固态磁制冷器件模型研究了磁制冷工质材料、传热材料、厚度以及工作频率对制冷量的影响，为全固态磁制冷的应用提供了理论指导。
63.以下具体说明各实施例中采用的制冷工质和传热介质的组成、工作频率以及制得的全固态制冷器件模型的大小。
64.实施例1
65.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：cu
66.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
67.运行频率为：1hz
68.制冷工质和传热介质模块数：24
69.进入磁场过程中产生的绝热温变：4k
70.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/cu(0.1mm)
71.实施例2
72.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：cu
73.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
74.运行频率为：10hz
75.制冷工质和传热介质模块数：24
76.进入磁场过程中产生的绝热温变：2k
77.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/cu(0.1mm)
78.实施例3
79.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：cu
80.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
81.运行频率为：100hz
82.制冷工质和传热介质模块数：24
83.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
84.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/cu(0.1mm)
85.实施例4
86.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：cu
87.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
88.运行频率为：200hz
89.制冷工质和传热介质模块数：16
90.进入磁场过程中产生的绝热温变：2k
91.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/cu(0.1mm)
92.实施例5
93.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：cu
94.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
95.运行频率为：10hz
96.制冷工质和传热介质模块数：200
97.进入磁场过程中产生的绝热温变：4k
98.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/cu(0.1mm)
99.实施例6
100.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：cu
101.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径2000mm
102.运行频率为：10hz
103.制冷工质和传热介质模块数：16
104.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
105.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/cu(0.1mm)
106.实施例7
107.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：cu
108.全固态制冷器件模型尺寸：内径0.2mm，外径2mm
109.运行频率为：10hz
110.制冷工质和传热介质模块数：8
111.进入磁场过程中产生的绝热温变：2k
112.全固态制冷器件模型的组成为：gd(1mm)/cu(0.5mm)
113.实施例8
114.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：cu
115.全固态制冷器件模型尺寸：内径100mm，外径1000mm
116.运行频率为：10hz
117.制冷工质和传热介质模块数：8
118.进入磁场过程中产生的绝热温变：4k
119.全固态制冷器件模型的组成为：gd(1mm)/cu(0.5mm)
120.实施例9
121.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：ag
122.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
123.运行频率为：10hz
124.制冷工质和传热介质模块数：8
125.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
126.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/ag(0.1mm)
127.实施例10
128.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：au
129.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
130.运行频率为：10hz
131.制冷工质和传热介质模块数：32
132.进入磁场过程中产生的绝热温变：2k
133.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/au(0.1mm)
134.实施例11
135.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：pt
136.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
137.运行频率为：10hz
138.制冷工质和传热介质模块数：32
139.进入磁场过程中产生的绝热温变：4k
140.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/pt(0.1mm)
141.实施例12
142.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：fe
143.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
144.运行频率为：10hz
145.制冷工质和传热介质模块数：32
146.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
147.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/fe(0.1mm)
148.实施例13
149.制冷工质的组成为：lafesi，传热介质为：cu
150.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
151.运行频率为：10hz
152.制冷工质和传热介质模块数：40
153.进入磁场过程中产生的绝热温变：2k
154.全固态制冷器件模型的组成为：lafesi(0.184mm)/cu(0.1mm)
155.实施例14
156.制冷工质的组成为：ferh，传热介质为：cu
157.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
158.运行频率为：10hz
159.制冷工质和传热介质模块数：40
160.进入磁场过程中产生的绝热温变：4k
161.全固态制冷器件模型的组成为：ferh(0.184mm)/cu(0.1mm)
162.实施例15
163.制冷工质的组成为：gdsige，传热介质为：cu
164.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
165.运行频率为：10hz
166.制冷工质和传热介质模块数：40
167.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
168.全固态制冷器件模型的组成为：gdsige(0.184mm)/cu(0.1mm)
169.实施例16
170.制冷工质的组成为：nimnin，传热介质为：cu
171.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
172.运行频率为：10hz
173.制冷工质和传热介质模块数：40
174.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
175.全固态制冷器件模型的组成为：nimnin(0.184mm)/cu(0.1mm)
176.实施例17
177.制冷工质的组成为：mnpsige，传热介质为：cu
178.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
179.运行频率为：10hz
180.制冷工质和传热介质模块数：40
181.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
182.全固态制冷器件模型的组成为：mnpsige(0.184mm)/cu(0.1mm)
183.实施例18
184.制冷工质的组成为：mnas，传热介质为：cu
185.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
186.运行频率为：10hz
187.制冷工质和传热介质模块数：40
188.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
189.全固态制冷器件模型的组成为：mnas(0.184mm)/cu(0.1mm)
190.实施例19
191.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：石墨烯
192.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
193.运行频率为：10hz
194.制冷工质和传热介质模块数：40
195.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
196.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/石墨烯(0.1mm)
197.实施例20
198.制冷工质的组成为：gd，传热介质为：碳纳米管
199.全固态制冷器件模型尺寸：内径2mm，外径20mm
200.运行频率为：10hz
201.制冷工质和传热介质模块数：40
202.进入磁场过程中产生的绝热温变：6k
203.全固态制冷器件模型的组成为：gd(0.184mm)/碳纳米管(0.1mm)
204.制冷性能模拟结果
205.1)无负载制冷温跨
206.本模型采用四面体单元进行自由网格划分，网格模型如图2所示。仅仅制冷层下表面与回热层上表面能够热传导，其余边界为绝热边界。为了描述制冷层和回热层的转动，模
型中定义了动网格边界条件，设定了制冷层和回热层以0.1s为一周期(频率为10hz)进行转动，共循环了14次，总共计算时间域为1.4s。采用瞬态求解，计算时间域为0.1s一个循环周期，时间步长为0.1/100，总共时间为1.4s，采用直接强耦合求解器求解，结合非线性牛顿迭代方法，收敛因子为0.01。对于无负载情况下该器件制冷温跨的求解，本模型中设定扇形制冷模块和回热模块每层数量均为24块，其几何模型如图2所示。所有制冷层和回热层的初始温度均设定为323k，冷端和热端分立于磁场分界线的两端，其中，制冷模块到达热端时温度均回到323k，制冷模块到达冷端时温度均会相比在前一制冷模块时降低4k。随着制冷层和回热层的逆向转动，制冷模块与回热模块的传热材料相接触进行热交换，从而导致每个制冷模块和回热模块的温度不断变化，随着循环的进行，温度最终达到稳定。达到稳态时热端与冷端的温差即为无负载情况下，该全固态磁制冷模型器件的最大温跨。基于上述建立的有限元仿真模型，通过进行初始参数的设定计算，随着不断的循环，制冷工质的温度分布逐渐趋于稳定。为了更加清楚的看出该全固态磁制冷器件的温度随时间的变化，热端模块的温度随时间的变化曲线展示在图3中，从中可以看出，当历时1.3s(第13个周期)和1.4s(第14个周期)时，温度场分布已经基本上一致，达到稳定。循环稳定以后，各个制冷模块达到冷端前的稳定温度值为299k，与热端温度323k的温差δt
span
＝323-299＝24k，这就是对应模型参数(n
s
＝24，δt
mce
＝4k)下无负载时该全固态磁制冷器件制冷温跨，从而证明了本文所设计全固态磁制冷模型器件能够使磁制冷工质在有限的绝热温变下提供更大制冷温跨。
207.为了研究制冷工质绝热温变和模块数对无负载情况下整个制冷系统制冷温跨的影响，基于上述建立的有限元仿真模型，分别计算了模块数为ns＝8、16、24、32和40以及绝热温度变化
△
t
mce
为6k、5k、4k、3k和2k的制冷温跨的情况，并把仿真所得到不同模块数下最大制冷温跨随绝热温变变化曲线示于图4。从图4可知，n
s
＝40，δt
mce
＝6k时，温跨达到了60k，从而证明了本文所设计全固态磁制冷模型器件能够使磁制冷工质在有限的绝热温变下提供更大制冷温跨。此外，从图4中可知，随着模块数n
s
的增加，冷端和热端的温跨逐渐增大；随着磁场作用的增强，
△
t
mce
逐渐增加，最大温跨也逐渐增大，且基本呈线性增加的趋势。从图中还可以计算出r＝δt
span
/δt
mce
，实际上，r是一个衡量制冷器件回热性能的重要参数。对于n
s
＝24时，r＝6，远大于文献报道的2～2.4。该器件r的显著改进对开发实用的磁制冷器件具有重要意义。这是因为，虽然过去几十年研究中的文献报道磁制冷材料的绝热温变可以达到20k，但是通常需要较高的磁场，为磁制冷器件的设计和成本带来极大困难。因此，设计一种能够在有限的δt
mce
下提供更大δt
span
的设备配置具有重要意义，这是特别有吸引力的。
208.2)磁制冷效率随厚度以及频率的关系
209.为了研究本文所设计全固态磁制冷模型器件制冷效率，基于上述建立的制冷模块数n
s
＝24(非常容易制造)，δt
mce
＝4k(通过永磁体容易获得)时的有限元仿真模型，通过改变边界条件，即在冷端和热端上方分别设置了无限大冷源和热源，在制冷器件运行过程中，热量可以通过冷端与热端上方的换热器与外界进行热交换。制冷层在热端的上表面温度固定在323k，冷端上表面固定在308k，即磁制冷工质冷端和热端的温跨15k，在此模型参数基础上，计算了磁制冷工质循环稳定以后循环一圈，不同磁制冷工质厚度以及不同工作频率下，磁制冷工质的单位质量的制冷量。如图5所示给出了磁制冷工质在不同厚度下，磁制冷工质的单位质量的制冷量scp随器件工作频率的变化。从图5可以看出，scp对于磁制冷模块
厚度在95μm及以下的是敏感的，scp随频率增加几乎呈线性增长，当工作频率达到200hz时，scp达到一个极高的值，约为141w/g。此外，我们还对该制冷器件的cop与carnot效率η
carnot
＝t
c
/(t
h-t
c
)＝20.5也进行了比较，对于磁制冷模块厚度在95μm及以下时，该制冷器件在低频工作下cop约为18(<10hz)，随着工作频率的增加而减小，但在200hz时仍高于10，约为卡诺效率的50％，如图6所示。对于该磁制冷器件，磁制冷模块厚度增加到95μm以上scp和cop将会降低。当磁制冷模块的厚度大于95μm时，scp随着工作频率的增加将会先增加后降低，同时，随着厚度的增加，随工作频率变化scp的峰将会向低频率方向移动。这一现象出现的原因是由于当制冷工质的厚度大于热扩散长度时，热量不能充分交换从而导致较低的scp。因此，由于磁制冷工质具有较高导热系数，同时回热介质也使用的是导热系数较大的材料，能够大幅增加器件的工作频率，同时保持优异的冷却功率密度，对于较厚的制冷元件在一定的工作频率下可以保持较高的性能，从而简化器件设计。从本文中的有限元模拟结果可以看出，磁制冷工质厚度为95μm时，在保持最优的单位质量制冷量141w/g时，其工作频率可达200hz。由此说明本全固态磁制冷器件模型能够在高频下工作的同时具有优异的冷却功率密度scp；在磁制冷工质的厚度小于临界厚度时，磁制冷工质的制冷量随工作频率的提高而增加，当超过临界厚度时，磁制冷工质的制冷量随工作频率的提高而降低。因此，本全固态磁制冷器件模型研究了磁制冷工质材料、传热材料、厚度以及工作频率对制冷量的影响，为全固态磁制冷的应用提供了有用指导。
210.本发明提出了一种无外部回热器由磁制冷工质和高热导率材料相结合的方式构成的全固态磁制冷器件，其核心部件为磁制冷工质和绝热材料交替排列构成的制冷层与高热导材料和绝热材料交替排列构成的回热层从上到下交替排列，且制冷层与回热层转动方向相反。其回热过程是通过相邻两个制冷层和回热层中制冷模块与回热模块的直接换热来实现的。由于没有外部回热模块，消除了不可逆的热损失，从而为该装置提供了高的冷却功率密度。同时，利用高热导率材料的热导率高的优势，热量能够快速从制冷层和回热层之间交换，实现了制冷器件能够在高工作频率下同时具有优异的冷却功率密度。此外，该装置独特的回热过程使其制冷温跨与mce引起的绝热温度变化之比非常大(单层模块数n
s
＝24时，回热系数r＝6)，为利用现有mce材料开发高性能mce制冷机提供了可行有效的新途径。