新型磁致冷剂材料的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明总体上涉及一种磁致冷剂材料，也称为磁致热材料。
【背景技术】
[0002] 传统致冷技术通常使用依赖于压缩和膨胀流体致冷剂的热泵来以循环方式接收 和排出热量，从而提供所需的温度变化，或者也就是说，将热能从一个位置迀移到另一个位 置。例如，此循环可用于从冷藏室接收热量并且将此热量排放到环境或者此冷藏室外部的 某个位置中。其他应用包括住宅或商业结构的空气调节。所属领域中已开发出可与热泵一 起用于该类系统中的各种不同的流体致冷剂。
[0003] 尽管已对该类依赖于压缩流体致冷剂的热泵系统做出各种改进，但是这样最多也 只能以最大理论卡诺循环效率的约45%或以下工作。此外，已由于环境问题而停止使用一 些流体致冷剂。对于某些地点而言，可能无法达到适于特定基于致冷剂的系统工作的环境 温度范围。使用流体致冷剂的热泵也存在其他问题。
[0004] 磁致热材料（MCM)-即，提供磁致热效应的材料-为热泵应用提供了流体致冷剂的 一种潜在替代方案。通常，磁致热效应是指一种熵变化过程，该过程致使MCM的磁矩在施加 外加磁场时改变并且致使MCM在绝热条件下受热或冷却。例如，对于一些MCM而言，MCM的 磁矩将在不断增大的外加磁场下变得更为有序，从而致使MCM生热。相反，减小外加磁场可 使MCM的磁矩变得更加无序，从而致使MCM吸热。一些MCM呈现相反特性，S卩，磁场移除时 生热（有时称为呈现"逆磁致热效应"），但是在本说明书中，除非另作规定，否则这两种类 型的特性统一称为磁致热材料或MCM。基于MCM的致冷循环的理论卡诺循环效率可以显著 高于基于流体致冷剂的可比致冷循环。因此，可有效使用MCM的热泵系统较为实用。
[0005] 但是问题在于如何实际、具备成本竞争力地使用MCM。例如，热泵所需的环境条件 可能显著不同。对于置于车库或位于非空调空间中的致冷设备而言，环境温度可能在从冰 点以下到90°F以上的范围内。一些MCM只能在相对于该类环境条件所需温度范围而言 更窄的温度范围内发生磁致热效应（因此吸收热量和生热）。另一些MCM只能在不适于致 冷、空气调节和/或需要加热和/或冷却的其他应用的温度下发生磁致热效应。
[0006] 此外，对于每种MCM而言，单位材料质量的MCM由于与磁场相互作用而发生的熵变 化量（决定产生或吸收的热量）不同。由于MCM的材料成本可能十分高昂，因此应当尽可 能提高单位材料质量由于磁场变化而发生的熵变化量，从而最大限度地减少必须用于指定 热泵系统中的MCM的量。
[0007] 因此，可用作热泵系统中的磁致冷剂的MCM较为有优势。具体来说，对于需要加 热、冷却或者这两者的致冷系统、空气调节系统和/或其他应用而言，可用作其中的回热器 中的磁致冷剂的MCM较为有优势。此外，改善MCM以改变此材料呈现磁致热效应的温度（在 本说明书中称为"磁结构相变温度"或"MPTT"）的工艺也较为有优势。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种新型磁致热材料（MCM)，例如，其可用于热泵的回热器、设备、空 气调节系统和其他加热和/或冷却装置中。MCM是一种霍斯勒合金，具有晶体结构原 型，并且可在施加或移除足够磁场时在低温、低磁化马氏体相与高温、高磁化奥氏体相之间 进行可逆相变，以呈现逆向磁致热效应。可使用合金退火来调节发生此相变以及由此引起 的逆向磁致热效应的温度。由于这种可调性可使相同合金适用于更广温度范围的冷却和加 热应用中，因此也增加了通用性。本发明包括经过此退火处理的合金以及退火处理所述合 金以调节、改变或调整马氏体与奥氏体之间相变发生的温度的方法，对于此合金而言，所述 温度也对应于磁结构相变发生的温度或MPTT。以下说明将部分阐明本发明的其他方面和优 势，或者，这些方面和优势在说明书中可能是显而易见的，或者可通过实践本发明习得。
[0009] 在一个示例性实施例中，本发明提供了一种磁致冷剂，所述磁致冷剂包括成分符 合下式的磁致热合金材料： _〇]AwBxCyDz
[0011] 其中：
[0012] A是Ni、Co、Cr或其组合，并且40%彡w彡56%，
[0013] B是Mn并且 15%彡X彡 45%，
[0014] (：是111、63、511、513、(：11或其组合，并且9%彡7彡30%，
[0015] D是Si、Ge、As或其组合，并且0%彡z彡5% ;并且
[0016] w+x+y+z= 100% (均为原子百分数）。
[0017] 在另一个示例性实施例中，本发明提供了一种致冷设备，其包括食品储藏室；第一 热交换器，用于排出所述储藏室的热量；第二热交换器，用于将通过所述第一热交换器排出 的热量传递到所述储藏室外部的位置；以及回热器，所述回热器与所述第一热交换器和第 二热交换器热连通，并且配置成在所述第一热交换器和第二热交换器之间传热。所述回热 器具有磁致冷剂，所述磁致冷剂包括成分符合下式的磁致热合金材料：
[0018] AwBxCyDz
[0019] 其中：
[0020] A是Ni、Co、Cr或其组合，并且40%彡w彡56%，
[0021] B是Mn并且 15%彡X彡 45%，
[0022] (：是111、6&、511、513、(：11或其组合，并且9%彡7彡30%，
[0023] D是Si、Ge、As或其组合，并且0%彡z彡5% ;并且
[0024] w+x+y+z= 100%。
[0025] 在另一个示例性实施例中，本发明提供了一种磁致冷剂，所述磁致冷剂具有通过 相关工艺制备的磁致热合金材料，所述工艺包括制备成分符合下式的合金材料的步骤：
[0026] AwBxCyDz
[0027] 其中：
[0028] A是Ni、Co、Cr或其组合，并且40%彡w彡56%，
[0029] B是Mn并且 15%彡X彡 45%，
[0030] (：是111、6&、511、513、(：11或其组合，并且9%彡7彡30%，
[0031] D是Si、Ge、As或其组合，并且0%彡z彡5% ;并且
[0032] w+x+y+z= 100% ；
[0033] 在第一退火步骤中在约800°C到约1000°C范围内的温度下将所述合金退火第一 预定时间段；在第一淬火步骤中对所述合金进行淬火；在第二退火步骤中在约500°C到约 700°C的温度下将所述合金退火第二预定时间段；以及在第二淬火步骤中对所述合金进行 淬火。
[0034] 在另一个示例性实施例中，本发明提供了一种制备磁致热合金材料的方法，所述 方法包括制备成分符合下式的合金材料的步骤：
[0035] AwBxCyDz
[0036]其中：
[0037] A是Ni、Co、Cr或其组合，并且40%彡w彡56%，
[0038] B是Mn并且15%彡X彡45%，
[0039] (：是111、6&、511、513、(：11或其组合，并且9%彡7彡30%，
[0040] D是Si、Ge、As或其组合，并且0%彡z彡5%;并且
[0041] w+x+y+z = 100%；
[0042] 在第一退火步骤中在约800°C到约1000°C范围内的温度下将所述合金退火第一 预定时间段；在第一淬火步骤中对所述合金进行淬火；在第二退火步骤中在约500°C到约 700°C的温度下将所述合金退火第二预定时间段；以及在第二淬火步骤中对所述合金进行 淬火。
[0043] 参考以下说明和附图可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。附 图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，展示了本发明的各个实施例，并与具体实施 方式一起用于解释本发明的原理。
【附图说明】
[0044] 本说明书参考附图，针对所属领域的一般技术人员，完整且可实现地公开了本发 明，包括其最佳模式，其中：
[0045] 图1示出了本发明的致冷设备的示例性实施例。
[0046] 图2是本发明的示例性热泵系统的示意图，所述热泵安置在具有机械室和冷藏室 的示例性致冷器中。
[0047] 图3是用于可存在于图2中所示的热泵的回热器中的多个步骤的示意图。
[0048] 图4、5和6是马氏体转变温度，即MPTT随退火过程变化的曲线图，如下文进一步 详述。
【具体实施方式】
[0049] 现在将详细参考本发明的各个实施例，附图中图示了这些实施例的一个或多个实 例。每个实例均以解释本发明，而非限制本发明的方式提供。事实上，所属领域的技术人员 可以轻易地了解到，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出各种修改 和改变。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可用于其他实施例中，从而得到 另一个实施例。因此，本发明应涵盖随附权利要求书及其等效物的范围内的该等修改和改 变。
[0050] 现在参见图1，其中图示了适用于本发明的合金的致冷设备10的示例性实施例。 直立式致冷器10具有界定多个内部储藏室或冷冻室的机柜或外壳12。具体来说，致冷设备 10包括具有门16的上层新鲜食品储藏室14以及具有上抽屉20和下抽屉22的下层冷冻室 18。抽屉20、22是"抽出"型抽屉，因为它们可以借助适当的滑动机构手动地移出或移进冷 冻室18中。
[0051] 致冷器10仅以示例的方式提供。其他致冷设备构造也可以用于本发明中，包括仅 具有冷藏室的设备、仅具有冷冻室的设备或者它们不同于图1中所示设备的其