通过共轭场的施加的铁性响应的制作方法

背景技术：

以下描述涉及实现铁性响应的改进，并且更特别地涉及通过共轭场的施加来实现铁性响应的改进。

存在用于冷却应用的各种技术。这些包括但不限于利用蒸发冷却的技术、利用对流冷却的技术和利用固态冷却的技术（例如，热电冷却技术）。了解到这些，用于住宅和商业制冷和空气调节的最普遍的技术之一是蒸汽压缩制冷剂热传递回路。这些回路典型地使具有适当热力学性质的制冷剂循环通过回路，所述回路包括压缩机、热排出热交换器（即，热交换器冷凝器）、膨胀设备和热吸收热交换器（即，热交换器蒸发器）。蒸汽压缩制冷剂回路在各种设置中有效地提供冷却和制冷，并且在一些情况下可以反向运行作为热泵。

在蒸汽压缩制冷剂回路中使用的许多制冷剂可能呈现环境危害，诸如臭氧消耗潜能值（odp）或全球变暖潜能值（gwp），或者可能是有毒的或易燃的。附加地，在缺乏足以驱动压缩机的准备好的功率源的环境中，蒸汽压缩制冷剂回路可能是不实际的或不利的。例如，在电动车辆中，空气调节压缩机的功率需求可导致显著缩短的车辆电池寿命或驾驶范围。类似地，压缩机的重量和功率要求在各种便携式冷却应用中可能是成问题的。

因此，已经存在对于开发冷却技术作为蒸汽压缩制冷剂回路的替代物的兴趣。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，提供了一种实现铁性响应的方法。方法包括：以非单逐阶(non-singular-stepwise)方式将第一共轭场施加到铁性材料；以及以非单逐阶方式将第二共轭场施加到铁性材料。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料至少包括磁热材料，并且第一和第二共轭场至少包括磁场。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料至少包括电热材料，并且第一和第二共轭场至少包括电场。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料至少包括弹性热材料，并且第一和第二共轭场至少包括应力场。

根据附加的或替代的实施例，非单逐阶方式包括以下中的一个或多个：使第一和第二共轭场非线性或线性地坡斜、以正弦波或平坦化的正弦波图案的第一和第二共轭场的施加、以多个阶的第一和第二共轭场的施加以及以交替图案的第一和第二共轭场的施加。

根据附加的或替代的实施例，第一共轭场的施加包括以非单逐阶方式施加多个第一共轭场，以及第二共轭场的施加包括以非单逐阶方式施加多个第二共轭场。

根据本公开的另一方面，提供一种实现铁性响应的方法。方法包括以非单逐阶方式将第一共轭场施加到铁性材料；以非单逐阶方式将第二共轭场施加到铁性材料；以非单逐阶方式将第三共轭场施加到铁性材料；以及以非单逐阶方式将第四共轭场施加到铁性材料。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料至少包括磁热材料，并且第一、第二、第三和第四共轭场至少包括磁场。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料至少包括电热材料，并且第一、第二、第三和第四共轭场至少包括电场。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料至少包括弹性热材料，并且第一、第二、第三和第四共轭场至少包括应力场。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料包括多铁性材料作为组合物、复合物、分层结构或合金，并且第一、第二、第三和第四共轭场中的一个或多个与多铁性材料的组分相关。

根据附加的或替代的实施例，第一、第二、第三和第四共轭场的施加包括以下中的一个或多个：使第一、第二、第三和第四共轭场非线性或线性地坡斜、以正弦波或平坦化的正弦波图案的第一、第二、第三和第四共轭场的施加、以多个阶的第一、第二、第三和第四共轭场的施加以及以交替图案的第一、第二、第三和第四共轭场的施加。

根据附加的或替代的实施例，第一和第三共轭场的施加包括以非单逐阶方式施加多个第一和多个第三共轭场，以及第二和第四共轭场的施加包括以非单逐阶方式施加多个第二和多个第四共轭场。

根据本公开的又一方面，提供了一种铁性响应系统。铁性响应系统包括铁性响应元件和控制器。铁性响应元件热介入在热源和散热器之间并且包括铁性材料和设备，所述设备被设置为将第一、第二、第三和第四共轭场施加到铁性材料。控制器被配置为控制设备来以非单逐阶方式将第一或第三共轭场施加到铁性材料以使铁性响应元件与散热器之间能热传递，或者配置为控制设备来以非单逐阶方式将第二或第四共轭场施加到铁性材料以使铁性响应元件与热源之间能热传递。

根据附加的或替代的实施例，铁性响应系统还包括：散热器；热源；第一阀，其被热介入在铁性响应元件和散热器之间，并且其可由控制器控制以使铁性响应元件和散热器之间能热传递；以及第二阀，其被热介入在铁性响应元件和热源之间，并且其可由控制器控制以使铁性响应元件与热源之间能热传递。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料至少包括磁热材料，并且第一或第三和第二或第四共轭场至少包括磁场。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料至少包括电热材料，并且第一或第三和第二或第四共轭场至少包括电场。

根据附加的或替代的实施例，铁性材料至少包括弹性热材料，并且第一或第三和第二或第四共轭场至少包括应力场。

根据附加的或替代的实施例，控制器控制设备以沿着非线性或线性坡斜、正弦波或平坦化的正弦波图案、多个阶安排和交替图案中的一个或多个来施加第一或第三和第二或第四共轭场。

根据附加的或替代的实施例，设备被设置为施加多个第一或多个第三共轭场，以及多个第二或多个第四共轭场。

根据附加的或替代的实施例，控制器被配置为：控制设备来以非单逐阶方式将第一共轭场施加到铁性材料以使铁性响应元件与散热器之间能热传递，控制设备来以非单逐阶方式将第二共轭场施加到铁性材料以使铁性响应元件与热源之间能热传递，控制设备来以非单逐阶方式将第三场施加到铁性材料以使铁性响应元件与散热器之间能热传递，以及控制设备来以非单逐阶方式将第四共轭场施加到铁性材料以使铁性响应元件与热源之间能热传递。

根据以下结合附图进行的描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。

附图说明

被认为是本公开的主题在说明书的结论处的权利要求中被特别指出并清楚地要求保护。根据以下结合附图的详细描述，本公开的前述和其它特征和优点是显而易见的，在所述附图中：

图1是从高于居里温度的铁性材料转变的铁性材料的温度响应的图形描绘，其中一阶相转变是突然的，并且到全铁性行为的弛豫性或二阶转变是随降低的温度分布的；

图2a是电热蓄热冷却的图形描绘；

图2b是电热蓄热冷却的图形描绘；

图2c是电热蓄热冷却的图形描绘；

图2d是电热蓄热冷却的图形描绘；

图3是根据实施例的实现铁性响应的方法的图形描绘；

图4a是根据另外的实施例的应用共轭场以实现铁性响应的方法的图形描绘；

图4b是根据另外的实施例的应用共轭场以实现铁性响应的方法的图形描绘；

图4c是根据另外的实施例的应用共轭场以实现铁性响应的方法的图形描绘；

图4d是根据另外的实施例的应用共轭场以实现铁性响应的方法的图形描绘；

图4e是根据另外的实施例的应用共轭场以实现铁性响应的方法的图形描绘；

图4f是根据另外的实施例的应用共轭场以实现铁性响应的方法的图形描绘；

图5是根据实施例的实现铁性响应的方法的图形描绘；以及

图6是根据实施例的铁性响应系统的示意图。

根据以下结合附图进行的描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。

具体实施方式

参考图1，铁性材料（例如，磁热体、弹性热体、电热体和混合铁性体）在居里点tc周围经历其阶参数（例如，对于磁热体的磁通量b、对于弹性热体的应变ɛ和对于电热体的电位移d）的一阶或二阶相转变。二阶转变可以由局部材料不均匀性引起，诸如由化学变化、温度梯度或应力场或者甚至共轭场的非均匀施加引起的那些。如图1中所示，当温度显著高于tc时，材料处于非铁性状态（t1），但可通过共轭场（例如，以上实例中的h、σ或e场）的施加而被转换成铁性材料。在准铁性状态中，存在铁性状态的部分转换，因为阶参数通过温度的降低被热力学地驱动到该状态（t2）。最终，显著低于居里温度，发生到全铁性状态（t3）的转换。

继续参考图1以及另外参考图2a、2b、2c和2d以及参考图3，对于基于铁性的冷却应用，人们通常寻求材料和温度，其在稍微高于居里温度t1的范围内使用，并且典型地以蓄热方式操作这种材料。不幸的是，通常难以调整系统操作温度和材料成分两者以在t1附近操作。实际上，频繁地发生的是材料成分失调以及操作点发生在t2或t3处。在t3处操作蓄热器是次优的，因为如图3中所示，铁性材料产生了滞后回线，并且导致了阶参数（也称为响应函数）在零共轭场处的非零值。因此，未完全实现最大熵改变和热传递，并且降低了蓄热器的整体效率。

另外，看到的是，单向共轭场的施加可展现与基于铁性的冷却系统有关的附加的不利影响。这些包括以下事实：单向场可由于在一个方向上的重复循环而导致逐渐地更极化的铁性，使得随着时间，铁性“锁定”不能被释放以提供冷却的熵，并且因此冷却模块的性能劣化。看到的另一个不利影响是，单向场的施加经常驱动点、线和其它微结构缺陷朝向积聚点的积聚，在所述积聚点处它们聚结并且最终导致局部材料击穿，并且有时导致完全的材料和模块的破坏。单向电场还可以驱动电离的杂质原子（游离na+离子是尤其出名的）朝向高电势电极的积聚，在所述高电势电极处它们引起介电击穿。

在所有热系统中已经注意到这种性能降低。因此，如以下将描述的，提供基于铁性的冷却方法和系统，其采用负或稍微负（或正或稍微正）的共轭场的施加以在给定温度下使铁性材料的熵最大化，并且在一些情况下，使局部缺陷遍及铁性材料的主体地分散开以由此提供除了改进的性能之外的较长寿命的模块。

参考图1和图3，提供了在例如基于铁性的冷却系统中实现铁性响应的方法。如图3中所示，方法包括将正（或负）的共轭场施加到具有温度t2或t3的铁性材料以便获得铁性材料的最小化或基本上最小化的熵（位置301），并且随后将稍微负（或稍微正）的共轭场施加到铁性材料以便获得铁性材料的最大化或基本上最大化的熵（位置302）。方法还可包括重复向铁性材料施加正（或负）和稍微负（或稍微正）的共轭场达预定时间段或预定迭代数量。类似的方法可以在温度t1处对材料执行，其具有尚未完全转变到非铁性状态的残余铁性状态。

如本文中所使用，铁性材料的基本上最小化的熵可表现为铁性材料的最小化的熵的大约80-99%或99-99.99%（即，会与非归零场相关联的最小化的熵的程度）。类似地，铁性材料的基本上最大化的熵可表现为铁性材料的最大化的熵的大约80-99%或99-99.99%（即，会与非归零场相关联的最大化的熵的程度）。然而，为了清楚和简洁的目的，以下描述将仅提及最小化和最大化的熵，但是要理解的是，这种参考还包括获得基本上最小化或基本上最大化的熵的可能性。

也就是说，对于例如电热材料，施加正或负共轭场以驱动电热材料的电位移朝向最小化的熵，以由此最小化电热材料的熵并且以生成可被放出到周围环境的热。同时，施加非零的负或正共轭场以驱动电热材料的电位移到零，以由此最大化电热材料的熵并且以从周围环境吸收热。

共轭场的施加可以以各种方式实现，所述方式包括但不限于：子系统部件而不是固定场部件的应用。可替代地，在电介质介电常数强烈地耦合到电场（即，其中ɛ=ɛ（e）的情况下，滞后回线的形状和斜率可以随着所施加的共轭场而变化。

这里，注意的是，图3仅图示了正的和稍微负的共轭场被施加到保持在温度t2或t3处的铁性材料或在t1处具有残余铁性状态的材料。然而，要理解的是，负的和稍微正的共轭场可以被施加至类似影响，在这种情况下，“小回线（minorloop）”会在沿与示出的方向相反的方向上行进。然而，为了清楚和简洁的目的，以下描述将仅涉及图3中图示的实施例。

图3的图示也适用于在居里点以下操作的铁性体，在居里点以下材料变为非铁性。在这些情况下，铁性体本质被诱发并且小的负共轭场的施加将残余铁性驱动到其非铁性状态。因此，图形描绘变得较复杂并且较好地实现为极化状态的时间顺序。

根据实施例，当正和稍微负的共轭场可包括磁场时，铁性材料（正和稍微负的共轭场被施加到其）可包括磁热材料；当正和稍微负的共轭场可包括电场时，铁性材料可包括电热材料以及当正和稍微负共轭场包括应力场时，铁性材料可包括弹性热材料。另外，也可以通过此分析来呈现除了所提及的这些铁性转变状态以外的任何其它铁性转变状态，以及组合各种铁性元件的多铁性体。根据另外的实施例，并且参考图4a、4b、4c、4d、4e和4f，施加正和稍微负的共轭场可以以非单逐阶方式进行，并且可以包括以下中的一个或多个：使共轭场非线性地坡斜（参见图4a）、使共轭场线性地坡斜（参见图4b）、以正弦波图案施加共轭场（参见图4c）、以平坦化正弦波图案施加共轭场（参见图，4d）、以任何类型的多个阶施加共轭场（参见图4e）、以任何类型的交替图案施加共轭场（参见图4f）或任何单调递增函数的共轭场。也就是说，在其中铁性材料是电热的并且共轭场是电场的示例性情况下，以非单逐阶方式施加正共轭场可以包括如图4a中所示的电场的电压的非线性坡升、如图4b中所示的电压的线性坡升、如图4c中所示的以正弦波图案的电压的施加、如图4d中所示的以平坦化正弦波图案的电压的施加、如图4e中所示在以多个分立的阶的增加电压的施加以及如图4f中所示在以坡升和坡降的交替图案的电压的施加。

图4a和4b的共轭场的非线性和线性坡斜、图4c和4d的以正弦波或平坦化正弦波的共轭场的施加、图4e的以多个阶的共轭场的施加以及图4f的以交替图案的共轭场的施加提供了所讨论的铁性材料的通常较慢的响应时间，但是实际上提供了对铁性材料的较小冲击。因此，虽然可改变铁性材料的响应时间，但对铁性材料的减小的冲击将倾向于在许多循环内增加其寿命。

虽然图4a、4b、4c、4d、4e和4f提供了共轭场施加选项的示例，但是要理解的是，除了本文中所公开的之外或超出本文中所公开的，还存在其它选项。例如，本文中公开的施加选项中的一个或多个可以包括恒定的或不变的场施加时段，在其中所施加的共轭场被维持在预定的水平。作为另一示例，各种共轭场施加选项可以与混合情况下的其它共轭场施加选项中的至少一个或多个组合。作为又一示例，可以基于当前条件和材料响应信息的一些组合在共轭场的施加期间彻底地修改或改变共轭场施加选项。

作为一般情况，如本文中所使用的短语“非单逐阶方式”是指不是从“开始电势”到“结束电势”的单个瞬时阶(singleinstantaneousstep)的共轭场的任何施加。

根据又一实施例，在铁性材料响应于多种类型的共轭场施加而展现铁性行为的情况下，施加正共轭场可包括将多个正共轭场施加到铁性材料以获得铁性材料的最小化多维熵，以及施加稍微负的共轭场可包括将多个稍微负的共轭场施加到铁性材料以获得铁性材料的最大化多维熵。也就是说，在铁性材料是磁热体和电热体的情况下，多个正和多个稍微负的共轭场可以包括磁场以及电场。

参考图5，提供了在例如基于铁性的冷却系统中实现铁性响应的另一方法。如图5中所示，方法包括将正共轭场施加到铁性材料以获得铁性材料的最小化第一熵（位置501），将稍微负的共轭场施加到铁性材料以获得铁性材料的最大化熵（位置502），将负共轭场施加到铁性材料以获得铁性材料的最小化的第二熵（位置503），其与最小化的第一熵相反，以及将稍微正的共轭场施加到铁性材料以获得铁性材料的最大化熵（位置504）。方法还可包括向铁性材料重复施加正、稍微负、负和稍微正的共轭场达预定时间段或预定的迭代数量。

因此，要理解的是，图5的方法是图3的方法的一般化，并且提供双向施加的共轭场。此双向施加的共轭场倾向于使缺陷遍及铁性材料的主体分布，并且因此导致较长的操作寿命和较大的熵转换。

参考图6，提供了热传递系统610。热传递系统610包括在其相对侧上具有共轭场施加设备614和616的铁性材料膜612（在一些情况下，多个铁性材料膜612可彼此平行地或以堆叠提供）。铁性材料膜612和共轭场施加设备614和616一起形成铁性元件611。根据实施例，铁性元件611可以是磁热元件，在这种情况下，铁性材料膜612是磁热材料，并且共轭场施加设备614和616可以被配置为例如电磁线圈，所述电磁线圈可以生成可以施加到磁热材料的磁场。可替代地，铁性元件611可以是电热元件，在这种情况下，铁性材料膜612是电热材料，并且共轭场施加设备614和616可以被配置为例如可以生成可以施加到电热材料的电场的电极。在其它情况下，铁性元件611可以是弹性热元件，在这种情况下，铁性材料膜612是弹性热材料，并且共轭场施加设备614和616可以被配置为例如压电致动器，其可以局部地调整和生成可以施加到弹性热材料的应力场。根据另外的实施例，铁性元件611可以展现如上所述的磁热、电热和弹性热材料中的两种或更多种的性质。

铁性元件611设置成通过第一热流动路径618与散热器617热连通，以及通过第二热流动路径622与热源620热连通。第一和第二热流动路径618和620提供通过阀626和628的流体的热传递，并且还准许通过传递流体（例如，空气、油、电介质）、可设置成与电热元件和散热器617或热源620热传导地接触的固态或热机械开关组进行传导热传递。控制器624用作电功率源并且被配置为控制功率以选择性地激活共轭场施加设备614和616。控制器324还配置为打开和关闭阀626和628以选择性地沿着第一流动路径618和第二流动路径622引导热传递。

在操作中，在其中铁性元件611为电热元件的示例性情况下，热传递系统610可如下操作：通过控制器624初始地控制共轭场施加设备614和616以施加电场作为跨铁性材料膜612（即，电热膜）的电压差，以由此引起熵的减小或者以获得铁性元件611中的熵的最小化以及以因此获得由铁性元件611的热能的对应释放。此时，控制器624打开阀626以沿着第一流动路径618将释放的热能的至少一部分传递到散热器617。此热传递可在铁性元件611的温度已经上升到阈值温度之后发生。在一些实施例中，铁性元件611的温度一增加到大约等于散热器617的温度，就开始到散热器617的热传递。在任一情况下，在施加电场达一定时间以诱发从铁性元件611到散热器617的热能的期望释放和传递之后，可以通过控制器624去除电场。此去除引起铁性元件611中的熵的增加或熵的最大化以及铁性元件611的热能的对应降低。热能的这种降低表现为铁性元件611的温度降低到低于热源320的温度的温度。控制器624因此关闭阀626以终止沿着第一流动路径618的流动，并且打开阀628以将热能从热源620传递到较冷的铁性元件611，以便为铁性元件611蓄热以用于另一循环。

此时，控制器624可将原始施加的电场重新施加到铁性元件611，使得铁性元件611遵循图3的滞后曲线的“小回线”，或将新的电场施加为相比于原始电压差相反地引导的电压差。在后一种情况下，铁性元件611遵循图5的滞后曲线。

在一些实施例中，例如在利用热传递系统来维持调节的空间中的温度或热目标的情况下，可以将电场施加到铁性元件611以将其温度增加到第一阈值。在达到此第一阈值之后，控制器624打开阀626以将热从铁性元件611传递到散热器617，直到达到第二阈值为止。电场可以在达到第一阈值和第二阈值之间的时间段的全部或一部分期间继续被施加，并且然后可以被去除以降低铁性元件611的温度，直到达到第三阈值。控制器624然后可以关闭阀626以终止沿着第一流动路径618的热传递并且打开阀628以将热从热源320传递到铁性元件611。可以可选地重复这些操作，直到达到调节的空间的目标温度或热目标（其可以是热源或散热器的）。

虽然仅结合有限数量的实施例详细地提供了本公开，但是应当容易理解的是，本公开不限于这种公开的实施例。相反，本公开可被修改以并入此前未描述但与本公开的精神和范围相称的任何数量的变型、更改、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本公开的各种实施例，但是要理解的是，（一个或多个）示例性实施例可以仅包括所描述的示例性方面中的一些。因此，本公开不应被视为受前述描述限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。