一种往复式全固态磁制冷器件及其应用

1.本发明属于磁制冷技术领域，涉及一种无需回热器辅助的往复式全固态磁制冷器件及其应用。


背景技术：

2.磁制冷技术是一种通过在加磁场和退磁场过程中磁制冷材料相变引起的熵变及温度变化来实现制冷的技术。在传统的气体压缩制冷的过程中，需要使用大量的破坏臭氧层导致温室效应的制冷剂氟利昂；而利用磁制冷技术的制冷机则不会产生和利用破坏环境的化学物质，所以磁制冷技术是一种绿色环保的技术。
3.另一方面，相对于气体压缩制冷，磁制冷更加高效节能，没有噪音污染，并且可以小型化。这些优点使得磁制冷技术成为传统气体压缩制冷的理想替代技术之一。
4.用于室温磁制冷机中的回热器可分为三种形式：外部回热器、内部回热器和主动式回热器。主动式回热循环(amr)中的磁性材料既是磁性工质又是回热材料，其凭借减少回热过程中的热损耗成为现阶段公认的具有最高能量利用效率的磁制冷循环方式，已经先后被运用到了许多制冷机循环中。最初的传统amr循环是通过流体换热完成的，然而换热流体为了满足不导电或无磁等特性往往牺牲了其高导热性能，限制了热交换速度，将器件的工作频率限制在了1hz左右。如果一味追求工作频率的提高将会引起热传导不充分，从而降低系统的制冷能力和制冷效率。另一方面，由传热流体与器壁之间的温差引起的不可逆热损失，以及流体比较粗糙的机械控制装置都对器件的制冷效率产生了不可忽略的影响。此外，换热流体对磁体和制冷工质的腐蚀问题也对磁制冷器件的设计带来了困难，从而提高了制冷器件的制作成本。
5.为了解决基于流体换热的传统amr带来的一系列问题，通过高热导率的固体换热介质进行回热的新型全固态磁制冷模型得到了人们的高度关注。目前报道的全固态制冷模型主要有两类，一类是基于热二极管(电控热二极管和磁控热二极管)的全固态磁制冷模型，另一类是基于高热导率材料的全固态制冷模型。其中，基于热二极管的以peltier元件(电控热二极管)作为固态导热介质的全固态磁制冷模型，为了更快地完成热传导，需要在peltier元件中输入较大的工作电流，从而增加了整个系统的电功率损耗(也就是外部做功)，导致整个制冷系统cop(制冷系数)减少，制冷效率降低。如果选择降低工作电流，确实可以降低电功率损耗，但同时也降低了热传导速度，减少了制冷量，降低了工作频率，违背了引入热二极管的初衷。因此，引入peltier元件可以提高全固态磁制冷系统的工作频率和制冷功率，但同时不可避免的引入了电功率损耗，对制冷效率产生了负面影响。另一方面，虽然基于磁控热二极管的全固态制冷模型比功率密度、cop和制冷温跨均能够得到大的提升，但是满足实际应用条件的磁控热二极管材料难以获得。因此，换热介质的制约极大地阻碍了全固态磁制冷模型的研究、应用和发展。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的是开发一种全固态磁制冷器件，使其突破传统换热介质的制约，采用新型的回热和制冷方式，实现在高频工作下同时具有低回热损耗和高能量作用效率。
7.本发明的发明人通过长期文献积累和深入研究发现，具有高热导率的材料如铜、银、金、铝、铂、铁、石墨烯、金刚石铝合金或碳纳米管等能够在相对短的时间内将热量吸收或释放，是一类理想的导热介质；另一方面如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板等绝热材料能够有效地阻止磁制冷工质、导热介质与外界进行无关的热量交换，从而减少热量的损失。所以，发明人将高热导率材料作为导热介质与磁制冷材料和绝热材料结合起来，通过合理的器件设计实现了制冷效率很高的全固态磁制冷。此外，由于磁制冷工质、导热介质、绝热材料均是固态，便于设计和加工成不同的形状和尺寸，也便于机械装置进行比较精准的控制，因此，基于高热导材料的全固态制冷器件可以实现不同尺度(亚微米-米)的器件制冷。
8.本发明的目的是通过如下技术方案实现的。
9.本发明提供了一种往复式全固态磁制冷器件，该磁制冷器件包括至少一个制冷单元，所述制冷单元包括平行设置的制冷层和导热层，其中所述制冷层包括间隔地嵌入在第一绝热材料中的多个磁制冷工质片(在本发明中又称作“制冷片”)，所述导热层包括间隔地嵌入在第二绝热材料中的多个导热工质片(在本发明中又称作“导热片”)，其中，所述制冷单元的设置使得所述制冷层和所述导热层能够做逆向往复式平移运动，并且所述磁制冷工质片与所述导热工质片之间具有热传导。
10.其中所述“逆向”是指所述制冷层和所述导热层的运动方向相反。
11.在本发明优选的实施方案中，所述制冷单元的设置使得所述多个磁制冷工质片中的至少一个在所述往复式平移运动中依次与所述多个导热工质片中的至少两个导热工质片发生热传导。
12.在本发明更优选的实施方案中，所述制冷单元的设置使得所述多个磁制冷工质片中的每一个磁制冷工质片在所述往复式平移运动中依次与所述多个导热工质片中的两个相邻的导热工质片发生热传导。
13.根据本发明提供的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述导热层包括分别靠近导热层的两个运动终端(沿移动方向的两端)的冷端导热工质片和热端导热工质片。
14.根据本发明提供的往复式全固态磁制冷器件，在运行过程中，将所述磁制冷器件的一部分置于磁场中，优选将所述磁制冷器件的投影面积的40％～70％区域置于磁场中，更优选为将所述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，将所述磁制冷器件的投影面积的一半(即50％)区域置于磁场中。
15.其中，所述磁场为非连续的分段磁场，使得在所述制冷层的往复式平移运动的一个终端状态下所述多个磁制冷工质片都在磁场之中，而在另一个终端状态下所述多个磁制冷工质片都在磁场之外。通过往复式平移运动，所述制冷层的多个磁制冷工质片中的每一个都往复处于磁场区域和非磁场区域，并且每一个磁制冷工质片往复与导热层的多个导热工质片中的相邻两个导热工质片发生热传导，从而在导热层的两端形成冷端导热工质片和热端导热工质片。
16.其中，所述磁场优选为均匀磁场，磁场的强度可以为0.1～60t，优选为0.5t～2t。所述制冷层的往复运动的频率可以为0.01～1000hz，优选为1～20hz，所述导热层的往复运动频率可以为0.01～1000hz，优选为1～20hz。所述制冷层和所述导热层的往复运动频率相同。
17.根据本发明提供的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述磁制冷工质片可以由任意磁热材料构成，例如可以选自gd、ferh、lafesi、gdsige、mnas、mnpsige和nimnx中的一种或多种，优选为gd、gd5(si,ge)4、la(fe,si)
13
、mncoge和nimnsn中的一种或多种。
18.根据本发明提供的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述导热工质片可以由任意的导热材料构成，例如铜、银、金、铝、铂、铁、石墨烯、金刚石铝合金和碳纳米管等，优选为铜、石墨烯等便宜易得的材料。
19.根据本发明提供的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述第一绝热材料和所述第二绝热材料可以相同或不同，并且可以各自独立地选自玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡和真空板中的一种或多种。
20.根据本发明提供的往复式全固态磁制冷器件，其中，可以采用任何已知的方法将所述磁制冷工质片嵌入在所述制冷层的第一绝热材料中或者将所述导热工质片嵌入在所述导热层的第二绝热材料中，例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制冷层与一个或多个导热层组装在一起，只要所述制冷层和导热层可以独立地沿相反方向平移即可，例如可以将每一个导热层或每一个制冷层都单独由一个直线步进电动机控制。
21.在本发明优选的实施方案中，为了使所述制冷层和导热层之间具有最佳热传导并减少摩擦力做功带来的额外损耗，在所述制冷层和导热层之间设置有石墨粉体或者其它热导材料粉体。优选地，所述制冷层和所述导热层之间的距离可以为0～10nm。
22.在本发明的一些优选实施方案中，所述磁制冷工质片、所述导热工质片与位于相邻两个磁制冷工质片之间的所述第一绝热材料和位于相邻两个导热工质片之间的所述第二绝热材料的尺寸具有相同的量级。
23.根据本发明提供的往复式全固态磁制冷器件，其中，所述制冷单元的数量可以根据实际制冷需求选择为1～100个，优选为2～25个。
24.本发明对所述制冷层、导热层、磁制冷工质片和导热工质片的形状没有特别的限制。在优选的实施方案中，为了便于制造和便于控制传热效果，所述制冷层、导热层、磁制冷工质片和导热工质片均为矩形。优选地，所述多个磁制冷工质片等间距地嵌入在所述制冷层的第一绝热材料中，所述多个导热工质片等间距地嵌入在所述导热层的第二绝热材料中。其中，所述制冷层优选地包括2～100个磁制冷工质片，更优选为4～25个；，所述导热层优选地包括2～100个导热工质片，更优选为4～25个。在本发明的优选实施方案中，所述制冷层中包括的磁制冷工质片比所述导热层中包括的导热工质片的数量少一个。
25.另一方面，本发明还提供了上述往复式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。
26.所述应用包括将所述往复式全固态磁制冷器件置于非连续的分段磁场，使得在所述制冷层在往复式平移运动的一个终端状态下所述多个磁制冷工质片都在磁场之中，而在另一个终端状态下所述多个磁制冷工质片都在磁场之外。优选地，所述磁场的强度为0.1～
60t，更优选为0.5t～2t。其中，所述制冷层和所述导热层的往复式平移运动的频率相同，优选为0.01～1000hz，更优选为1～20hz。
27.为了简便，以具有一层制冷层和一层导热层的往复式全固态磁制冷器件为例，结合图1和图2对本发明器件的优选工作方式进行说明。
28.1)全固态磁制冷器件运转之前，制冷层和导热层分别停留在方向相反的运动终端。在每个运动终端，制冷层的每一个制冷片分别与导热层中与其相对应的两个导热片直接或者间接接触(保证最佳热传导)，而多个制冷片之间以及多个导热片之间由绝热材料间隔而保持绝热。运行过程中，制冷层和导热层将做逆向往复式平移运动。
29.2)通过普通永磁体或电磁体施加磁场，磁场区域恒定不动，并且分段设置，每两段之间距离优选地为制冷片长度的两倍。在一个终端状态下，多个制冷片都在磁场之中，而在另一个终端状态下制冷片都在磁场之外。
30.3)由于制冷层的多个制冷片和导热层的多个导热片之间均通过绝热材料间隔开，因此所述多个制冷片和所述多个导热片之间没有热传递，热传递仅存在于制冷层和导热层之间。
31.4)冷端和热端分别设置在导热层的两个运动终端。图1所示为冷端设置在左边而热端设置在右边。由于制冷层和导热层是逆向运动，所以当制冷层达到左端的时候，导热层达到右端，反之亦然。这样可以保证每个一个制冷片在一个循环的过程中将与两个导热片接触。在制冷片到达左端时，制冷片出磁场，温度降低，此时导热层移动到右端，左边的导热片与制冷片接触，热量从左边的导热片传导到制冷片。下一时刻制冷层右移到右端进入磁场，温度升高，导热层左移到左端，此时右边的导热片与制冷片接触，热量从制冷片传导到右边的导热片。同时在导热层移动到左端的时候，最左端的导热片与冷端接触，热量从冷端传导到最左端的导热片；同理在导热层移动到右端的时候，最右边的导热片与热端接触，热量从最右边的导热片传导到热端。从而将热量从冷端搬运到热端，实现制冷。
32.5)热端与冷端通过在高热导材料的下方连接导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。
33.6)在导热层逆向往复运动过程中，冷端的热量通过导热片传递到热端，在无负载情况下，由于单层的多个制冷片之间以及多个导热片之间相互绝热，通过分立的级联制冷片和导热片可以实现温跨的拓宽。
34.7)利用导热层高热导率的特点，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。
35.具体地，本发明全固态磁制冷器件的工作原理如下：
36.器件工作过程中，制冷层和导热层逆向往复运动，运动过程中有两个终端。在每个终端，每一个制冷层都有一个导热层与之相应地接触。冷端和热端分置于导热层两个运动终端的位置，只有在运动到终端附近才与导热层接触。因为是逆向运动，所以当制冷层运动到左端时，导热层运动到右端；当制冷层运动到右端时，导热层运动到左端：这样可以保证每一个制冷片在整个运动过程中与两个导热片接触，也就是在两个终端的时候分别与两个不同的导热片接触。
37.当制冷层运动到右端的时候，制冷层进入磁场区域，温度升高，此时导热片运动到左端，制冷片与右侧导热片接触，热量从制冷片传导到右侧导热片。同时最左端导热片与冷
端接触，热量从冷端传导到最左端导热片；
38.当制冷层运动到左端的时候，制冷层走出磁场区域，温度降低，此时导热片运动到右端，制冷片与左侧导热片接触，热量从左侧导热片传导到制冷片，同时最右端导热片与热端接触，热量从最右端导热片传导到热端。
39.虽然导热片本身不产生任何的热效应，但通过导热层与制冷层的反向运动，将热量不断地从左端导热片传导到右端导热片，从而在整个器件中热量不断地从冷端搬运到热端，实现制冷。由于同层多个制冷片之间以及同层多个导热片之间没有热量交换的级联设计，尽管每一个制冷片的绝热温变很有限，但却可以实现一个非常可观的温跨。
40.通过级联模块设计的引入，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。同时导热层的引入避免了回热器的使用，简化了器件设计，并且由于导热层的高热导率，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。
41.与现有技术相比，本发明的优势在于：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简单复合构成的全固态往复式运动的磁制冷器件，其核心部件由两类功能层组成：由磁制冷工质和绝热材料构成的制冷层，以及由高热导材料和绝热材料构成的导热层。制冷层与导热层从上到下交替排列构成全固态制冷模型，制冷层与导热层逆向平行运动实现回热和制冷。其回热过程是通过相邻两个制冷层和导热层直接换热来实现的。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，热量快速从制冷层和导热层之间交换，实现了制冷器件能够在高频率下工作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制冷温跨远大于单质磁制冷材料的绝热温度变化(单层制冷片数ns＝4时，回热系数r＝4)，为利用现有磁热材料开发高性能磁制冷机器件提供了可行手段。通过调整矩形制冷层和导热层的长度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导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
42.以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
43.图1为本发明的往复式全固态磁制冷器件的工作方式示意图；
44.图2为本发明的往复式全固态磁制冷器件的两个运动终端的示意图；
45.图3为实施例中有限元模拟仿真使用矩形制冷片和导热片的全固态磁制冷器件网格划分模型示意图；
46.图4为实施例中各制冷模块和冷热端模块达到平衡时的温度示意图；
47.图5为cu厚度对平衡温跨以及达到平衡的弛豫时间影响的数据图；
48.图6为绝热温变对平衡温跨的影响的数据图；
49.图7为制冷片数对于平衡温跨影响的数据图；
50.图8为频率对于平衡温跨和达到平衡弛豫时间影响的数据图；
51.图9为实施例中的往复式全固态磁制冷器件的制冷能力数据图。
具体实施方式
52.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。
53.图1为实施例中采用的本发明的往复式全固态磁制冷器件的工作方式示意图。图2为实施例中采用的本发明往复式全固态磁制冷器件的两个运动终端的示意图。
54.该全固态磁制冷器件包括交替层叠设置的一个或多个矩形制冷层和一个或多个矩形导热层，其中所述的矩形制冷层包括多个矩形制冷片以及将它们连接在一起的绝热材料，所述矩形导热层包括多个矩形导热片以及将它们连接在一起的绝热热材料。所述矩形制冷层和矩形导热层能够沿相反方向平移移动。该全固态磁制冷器件的投影面积的一半区域置于磁场中。如果是其他不规则的平面形状，则将矩形更改成相应的形状即可。
55.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：
56.1)制冷层和导热层均为矩形，器件总长度为0.5mm～10000mm，优选的为5～200mm，其中的制冷片和导热片长一样、宽一样，为0.1mm～100mm，优选地为1mm～10mm，每一层的厚度根据实际需求分别选择，可以选择为0.01mm～50mm，优选为0.1～5mm。
57.2)制冷层和导热层从上到下交替排列，每一个制冷单元由两层(一层制冷层和一层导热层)构成，制冷单元上下堆叠的个数可以根据实际制冷需求选择为1～100个，也就是2～200层。优选的制冷单元上下堆叠个数为2～25个，也就是4～50层。为了实现交替层叠的设置，所述矩形制冷层的数量在所述矩形导热层
±
1的范围内，优选地，所述矩形制冷层的数量等于所述矩形导热层的数量。
58.3)每一层制冷层和导热层中制冷模块比回热模块少一块，优选为4～20块，按实际需求块数可以达到100。
59.4)绝热模块，在模拟中用绝热边界代替。
60.5)制冷工质进入磁场和移出磁场时产生的绝热温变为0.1～20k。
61.6)有限元模拟所使用软件为comsol multiphysics 5.3.a中的固体传热模块。
62.7)根据实际制冷需求的不同，在制冷层和导热层的初始温度设置为0.1k～1000k。
63.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：
64.1)模型中一个制冷单元由一层制冷工质和一层高热导材料简单复合构成，设定矩形制冷片模块每层为4块，矩形导热片模块每层为5块，其几何模型如图1，两个运动终端(冷热端热源)和磁场如图2所示。所有制冷层和导热层的初始温度均设定为295k，冷源、热源位于导热层两个运动终端，其中，制冷模块运动到右端也就是状态2的时候进入磁场，温度会升高3k；同样的，制冷模块运动到左端也就是状态1的时候移出磁场，温度会降低3k。随着制冷层和导热层的逆向运动，每个制冷片在运动到右端(状态2)的时候与右边的导热片接触，将热量给右边的导热片；每个制冷片在运动到左端(状态1)的时候与左边的导热片接触，热量从左边的导热片传到右边，热量不断从左边的冷端传到右边的热端。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。
65.2)其中，只有制冷片与导热片接触时能够进行热交换以及导热片与冷热端接触时能够进行热交换，其余边界为绝热边界。为了描述上层磁制冷介质和下层导热介质的平移往复运动，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导热介质以0.1s为一周期(频率为10hz)进行往复运动，共循环了90次，总共计算时间域为9s。
66.3)本模型采用四面体单元进行自适应的自由网格划分，网格模型如图3所示。
67.4)本模型采用瞬态求解，计算时间域以0.1s为一个循环周期，时间步长不超过0.0003s，总共时间为9s，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。
68.5)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，制冷工质的温差分布逐渐趋于稳定。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，冷热端以及各个制冷片稳定后的温度随时间的变化曲线展示在图4中，其中最上面和最下面的水平线分别是热端和冷端，中间四条波动的曲线自上而下分别对应从右到左4块制冷片。从中可以看出，热端温度稳定在大约301.5k，冷端温度稳定在大约289.5k，形成的12k温跨对应的就是4片制冷片，制冷片绝热温变为3k时器件的无负载最大温跨。
69.6)基于上述建立的有限元仿真模型，计算了在不同的高热导材料cu厚度0.04-0.2mm下，该器件的最大温跨以及到达到平衡时的弛豫时间如图5所示。可以看出，cu的厚度变化基本不会影响平衡时的最大温跨，但会影响到达平衡时的弛豫时间。在铜的厚度很薄时，cu的热量承载能力很低，这就导致了平衡温跨形成需要耗费更长的时间；同样的，在铜比较厚时，由于较高的运动频率使得回热过程进行得不完全而导致平衡温跨的形成需要耗费更长的时间。所以有一个最佳的厚度，这里是0.08mm，使得形成平衡温跨的弛豫时间最短。
70.7)基于上述建立的有限元仿真模型，计算了不同磁场下产生的绝热温度变化δtmce分别为6k、5k、4k、3k和2k对最大制冷温跨的影响如图6所示，以及不同的制冷片数分别为ns＝2、3、4、5和6时对最大制冷温跨的影响，如图7所示。从上面两个图可以总结出一个很简单也很直观的规律，平衡时也就是最大的制冷温跨等于制冷片数乘以绝热温变。
71.8)基于上述建立的有限元仿真模型，计算了不同的工作频率下该器件的平衡温跨和弛豫时间，如图8所示。可以看出，在50hz以下的频率对器件的平衡温跨是没有影响的，但弛豫时间随着频率的上升而下降。当频率高于50hz，达到1000hz甚至10000hz的时候，可能由于热交换时间过短对于器件的平衡温跨产生一定的影响，这里并没有完整地计算。
72.9)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ns＝4时的有限元仿真模型，通过改变边界条件，即给冷端一个加热功率，而使热端为固定在295k的无限大热源，计算得到了如图9所示的数据。可以看出，一个制冷功率对应一个平衡温跨，而该器件的最大功率可以达到4mw，为了增加功率一方面可以提高工作频率，另一方面可以增大制冷块的面积，或者堆叠多层的制冷单元。
73.以下具体说明各实施例中采用的制冷工质和导热介质的组成、工作频率以及制得的全固态制冷器件模型的大小。
74.实施例1
75.制冷片：gd，导热片：cu
76.每个制冷层中矩形制冷片数：4；每个传热层中矩形导热片数：5。制冷片和导热片长宽相同为：1mm；厚度为gd(0.2mm)/cu(0.1mm)
77.一个制冷单元模型总长度：15mm
78.运行频率为：10hz
79.gd片进入磁场过程中产生的绝热温变：3k
80.实施例2
81.制冷片：gd，导热片：cu
82.每个制冷层中矩形制冷片数：4；每个传热层中矩形导热片数：5。制冷片和导热片长宽相同为：1mm；厚度为gd(0.2mm)/cu(0.1mm)
83.运行频率为：1hz
84.进入磁场过程中产生的绝热温变：5k
85.一个制冷单元模型总长度：15mm
86.实施例3
87.制冷片：gd，导热片：cu
88.每个制冷层中矩形制冷片数：4；每个传热层中矩形导热片数：5。制冷片和导热片长宽相同为：5mm；厚度为gd(0.2mm)/cu(0.1mm)
89.运行频率：100hz
90.进入磁场过程中的绝热温变：6k
91.一个制冷单元模型总长度为：75mm
92.实施例4
93.制冷片：gd5(si,ge)4，导热片：ag
94.每个制冷层中矩形制冷片数：10；每个传热层中矩形导热片数：11。制冷工质片和导热工质片长宽相同为：2mm；厚度为gd5(si,ge)4(2mm)/ag(1mm)
95.运行频率：0.1hz
96.进入磁场过程中的绝热温变：5k
97.一个制冷单元模型总长度为：85mm
98.实施例5
99.制冷片：la(fe,si)
13
，导热片：au
100.每个制冷层中矩形制冷片数：7；每个传热层中矩形导热片数：8。制冷片和导热片长宽相同为：3mm；厚度为la(fe,si)
13
(5mm)/au(2mm)
101.运行频率：0.1hz
102.进入磁场过程中的绝热温变：5k
103.一个制冷单元模型总长度为：90mm
104.实施例6
105.制冷片：mncoge，导热片：al
106.每个制冷层中矩形制冷片数：18；每个传热层中矩形导热片数：19。制冷片和导热片长宽相同为：1mm；厚度为mncoge(3mm)/al(0.5mm)
107.运行频率：20hz
108.进入磁场过程中的绝热温变：5k
109.一个制冷单元模型总长度为：75mm
110.实施例7
111.制冷片：nimnsn，导热片：pt
112.每个制冷层中矩形制冷片数：15；每个传热层中矩形导热片数：16。制冷片和导热片长宽相同为：0.1mm；厚度为mncoge(0.1mm)/al(0.1mm)
113.运行频率：50hz
114.进入磁场过程中的绝热温变：3k
115.一个制冷单元模型总长度为：6.5mm
116.实施例8
117.制冷片：nimnsn，导热片：pt
118.每个制冷层中矩形制冷片数：15；每个传热层中矩形导热片数：16。制冷片和导热片长宽相同为：0.1mm；厚度为mncoge(0.1mm)/pt(0.1mm)
119.运行频率：50hz
120.进入磁场过程中的绝热温变：3k
121.一个制冷单元模型总长度为：6.5mm
122.实施例9
123.制冷片为：nimnsn，导热片：fe
124.每个制冷层中矩形制冷片数：4；每个传热层中矩形导热片数：5。制冷片和导热片长宽相同为：10mm；厚度为mncoge(5mm)/fe(0.5mm)
125.运行频率：50hz
126.进入磁场过程中的绝热温变：3k
127.一个制冷单元模型总长度为：170mm
128.实施例10
129.制冷片：nimnsn，导热片：碳纳米管
130.每个制冷层中矩形制冷片数：8；每个传热层中矩形导热片数：9。制冷片和导热片长宽相同为：3mm；厚度为mncoge(5mm)/碳纳米管(0.5mm)
131.运行频率：3hz
132.进入磁场过程中的绝热温变：4k
133.一个制冷单元模型总长度为：100mm
134.实施例11
135.制冷片：gd，导热片：石墨烯
136.每个制冷层中矩形制冷片数：8；每个传热层中矩形导热片数：9。制冷片和导热片长宽相同为：3mm；厚度为gd(1mm)/石墨烯(3mm)
137.运行频率：15hz
138.进入磁场过程中的绝热温变：8k
139.一个制冷单元模型总长度为：100mm
140.实施例12
141.制冷片：gd，导热片：石墨烯
142.每个制冷层中矩形制冷片数：8；每个传热层中矩形导热片数：9。制冷片和导热片长宽相同为：3mm；厚度为gd(1mm)/石墨烯(3mm)
143.运行频率：15hz
144.进入磁场过程中的绝热温变：8k
145.一个制冷单元模型总长度为：100mm
146.实施例13
147.制冷片：gd，导热片：石墨烯
148.每个制冷层中矩形制冷片数：8；每个传热层中矩形导热片数：9。制冷片和导热片长相同为：3mm；制冷片和导热片宽相同为：5mm；厚度为gd(1mm)/石墨烯(3mm)
149.运行频率：15hz
150.进入磁场过程中的绝热温变：8k
151.一个制冷单元模型总长度为：100mm
152.实施例14
153.制冷片：mncoge，导热片：al
154.每个制冷层中矩形制冷片数：18；每个传热层中矩形导热片数：19。制冷片和导热片长相同为：1mm；制冷片和导热片宽相同为：3mm；厚度为mncoge(3mm)/al(0.5mm)
155.运行频率：20hz
156.进入磁场过程中的绝热温变：5k
157.一个制冷单元模型总长度为：75mm
158.实施例15
159.制冷片：gd，导热片：cu
160.每个制冷层中矩形制冷片数：4；每个传热层中矩形导热片数：5。制冷片和导热片长相同为：3mm；制冷片和导热片宽相同为：1mm；厚度为gd(0.2mm)/cu(0.1mm)
161.运行频率为：7hz
162.进入磁场过程中产生的绝热温变：5k
163.一个制冷单元模型总长度：47mm
164.实施例16
165.制冷片：gd，导热片：cu
166.每个制冷层中矩形制冷片数：4；每个传热层中矩形导热片数：5。制冷片和导热片长相同为：3mm；制冷片和导热片宽相同为：1mm；厚度为gd(1.5mm)/cu(0.1mm)
167.运行频率为：13hz
168.进入磁场过程中产生的绝热温变：5k
169.一个制冷单元模型总长度：47mm
170.实施例17
171.制冷片：gd，导热片：金刚石铝合金
172.每个制冷层中矩形制冷片数：8；每个传热层中矩形导热片数：9。制冷片和导热片长相同为：3mm；制冷片和导热片宽相同为：5mm；厚度为gd(1mm)/金刚石铝合金(3mm)
173.运行频率：15hz
174.进入磁场过程中的绝热温变：3k
175.一个制冷单元模型总长度为：100mm
176.制冷性能模拟结果
177.实施例1-17均表现出良好制冷效果。以下，示例性地给出实施例1的模拟效果。
178.1)无负载制冷温跨
179.实施例1的模型采用四面体单元进行自适应的自由网格划分，网格模型如图3所示。仅仅制冷层下表面与导热层上表面能够热传导，其余边界为绝热边界。为了描述制冷层和导热层的逆向往复运动，模型中定义了动网格边界条件，设定了制冷层和导热层以0.1s为一周期(频率为10hz)进行往复运动，共循环了90次，总共计算时间域为9s。采用瞬态求解，计算时间域为0.1s一个循环周期，时间步长最大为0.0003s，总共时间为9s，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。
180.实施例1的中设定矩形制冷模块和回热模块数量分别为4、5块，其几何模型如图1所示。所有制冷层和导热层的初始温度均设定为295k，冷端和热端分立于导热层的两个运动终端，其中，制冷模块进入磁场区域时温度会提升3k，制冷模块离开磁场区域时温度会降低3k。随着制冷层和导热层的逆向往复运动，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稳定时冷热端以及各制冷模块的温度变化，稳定时温度随时间的变化曲线展示在图4中，其中最上面和最下面的水平线分别是热端和冷端，中间四条波动的曲线自上而下分别对应从右到左4块制冷片，从中可以看出，热端温度稳定在大约301.5k，冷端温度稳定在大约289.5k，形成的12k温跨对应的就是4块制冷片，制冷片绝热温变为3k时器件的无负载最大温跨，从而证明了本文所设计全固态磁制冷模型器件能够在有限的绝热温变的情况下形成很大的制冷温跨。
181.2)导热层厚度对温跨和弛豫时间的影响
182.为了研究导热层厚度对于温跨和弛豫时间的影响，基于上述建立的有限元仿真模型，计算了在不同的传热层cu厚度0.04～0.2mm下，该器件的最大温跨以及到达平衡时的弛豫时间如图5所示。可以看出，cu的厚度变化基本不会影响平衡时的最大温跨，但会影响到达平衡时的弛豫时间。在铜的厚度很薄的时候，cu的热量承载能力很低，这就导致了平衡温跨的形成需要耗费更长的时间；同样的，在铜比较厚的时候，由于较高的运动频率使得回热过程进行得不完全而导致平衡温跨的形成需要耗费更长的时间。所以在gd层厚度为0.2mm时，我们获得cu层的最佳厚度是0.08mm，此时形成平衡温跨的弛豫时间最短。
183.3)绝热温变和制冷模块数对温跨的影响
184.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，计算了不同磁场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如图6所示，以及不同的制冷片数分别为ns＝2、3、4、5和6时对最大制冷温跨的影响，如图7所示。从上面两个图可以总结出一个很简单也很直观的规律，平衡时也就是最大的制冷温跨等于制冷片数乘以绝热温变。从图中还可以计
算出回热因子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ns＝4时，r＝4，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。
185.4)工作频率对温跨和弛豫时间的影响
186.为了研究本发明设计的全固态制冷模型器件频率对于温跨和弛豫时间的影响，基于上述建立的有限元仿真模型，计算了不同的工作频率下该器件的平衡温跨和弛豫时间，如图8所示。可以看出，在50hz以下的频率对器件的平衡温跨是没有影响的，但弛豫时间随着频率的上升而下降。当频率高于50hz，达到1000hz甚至10000hz的时候，可能会由于热交换时间过短对于器件的平衡温跨产生一定的影响，这里并没有完整地计算。
187.5)制冷能力
188.为了研究本文所设计全固态磁制冷模型器件制冷能力，基于上述建立的制冷模块数ns＝4(非常容易制造)，δt
mce
＝3k(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，即给冷端一个加热功率，而使热端为固定在295k的无限大热源，计算得到了如图9所示的数据。可以看出，一个制冷功率对应一个平衡温跨，而该器件的最大功率可以达到4mw，为了增加功率一方面可以提高工作频率，另一方面可以增大制冷块的面积，或者堆叠多层的制冷单元。
189.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，其核心部件为由绝热材料连接的磁制冷工质组成的制冷层与由绝热材料连接的高热导率材料组成的导热层，两层复合而成。从上到下交替排列，制冷层与导热层运动逆向往复平行运动实现回热和制冷。其回热过程是通过相邻两个制冷层和导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导热层之间交换，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远大于单质磁制冷材料的绝热温度变化(单层模磁热块数ns＝4时，回热系数r＝4)，为利用现有磁制冷材料开发高性能磁制冷机提供了可行有效的新途径。