纳米低温蓄冷材料及其制备方法与制备装置与流程

本发明涉及低温制冷，尤其涉及一种纳米低温蓄冷材料及其制备方法与制备装置。

背景技术：

1、随着微电子、微热交换器、生物工程、低温工程、航空航天、聚变能源等领域的发展，迫切需要开发一种具有优异低温蓄冷能力的新型固体材料，将其应用于超导磁体、保温蓄冷与机械制冷机等低温装置中，提高低温装置的制冷效率、温度稳定性和保温效果。比如：采用蓄冷器的回热式低温制冷机，如：g-m制冷机和脉管制冷机，在15k以下的低温区难以得到较高的制冷效率，其主要原因就是没有找到在低温下仍然十分有效的蓄冷固体材料。一般在液氮温度以上，主要用铜作为蓄冷材料；在液氮温度以下，主要用磁性合金作为蓄冷材料。选择这些材料的根据主要是它们在对应的工作温区具有高的比热容，单位体积可储存较大冷量。然而，受限于其固有特性，传统含磁性合金的蓄冷材料通常仅有一个磁相变温度，只在其磁相变温度附近很小的温区内具有较强的蓄冷能力，不适用于那些远离此温区范围的应用需求。另一方面，为实现惯性约束聚变点火，需要在低于20k的温度下制备出含聚变燃料的实验用靶，且要求其温度稳定性优于±1mk@18k～20k。实现如此高的温度稳定性要求现今在国内外还有相当大的难度。现行方法是通过高精度的测温控温设备精确控制与靶相接触的材料的温度(目前最佳的测控温精度约为10mk@18k～20k)和增加热沉的方法来获得高稳定的靶温度，未能从材料本身的结构设计来实现高的温度稳定性要求，其所谓的高温度稳定性仅仅是数表的显示值，不能反映靶点的真实温度稳定性和测控精度。因此，亟需一种温区大且稳定性高的低温蓄冷材料。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种纳米低温蓄冷材料，该纳米低温蓄冷材料可以提供较宽温区内高的温度稳定性。

2、本发明实施例提供一种纳米低温蓄冷材料，所述纳米低温蓄冷材料由不同原子配比的纳米磁性合金颗粒混合得到，不同原子配比的纳米磁性合金具有不同的磁相变温区。

3、本发明实施例还提供一种纳米低温蓄冷材料的制备方法，所述纳米低温蓄冷材料的制备方法包括以下步骤：

4、将磁性单质金属丝以及非磁性单质金属丝在同一电磁感应加热区进行电磁感应加热，熔化成金属液体熔球；

5、将金属液体熔球加热到预设温度，通过冷却介质掠过金属液体熔球表面，形成纳米磁性合金颗粒；

6、通过调节磁性单质金属丝以及非磁性单质金属丝的进料速度、电磁感应加热区的工作电压和频率、冷却介质的气压和流速中至少一项，调控纳米磁性合金颗粒的粒径和合金原子配比；

7、将不同粒径和原子配比的纳米磁性合金颗粒按一定比例混合，得到所述纳米低温蓄冷材料。

8、可选的，在所述将磁性单质金属丝以及非磁性单质金属丝在同一电磁感应加热区进行电磁感应加热，熔化成金属液体熔球的步骤包括：

9、将磁性单质金属丝以及非磁性单质金属丝分别以不同速度送入同一电磁感应加热区；

10、控制电磁感应加热区的电压和频率对磁性单质金属丝以及非磁性单质金属丝进行加热，以使磁性单质金属丝以及非磁性单质金属丝熔化成金属液体熔球。

11、可选的，所述将金属液体熔球加热到预设温度，通过冷却介质掠过金属液体熔球表面，形成纳米磁性合金颗粒的步骤包括：

12、使所述金属液体熔球悬浮在电磁感应加热区；

13、将悬浮在电磁感应加热区的金属液体熔球加热到预设温度；

14、通过冷却介质掠过金属液体熔球表面，以使金属液体熔球表面在冷却介质的作用下，金属原子碰撞、冷却、流动并凝聚成金属颗粒烟焰；

15、通过冷却介质将金属颗粒烟焰中的纳米磁性合金颗粒输运到收集容器中。

16、可选的，所述冷却介质为惰性气体。

17、可选的，所述冷却介质的温度低于所述金属液体熔球的温度。

18、可选的，所述磁性单质金属丝为镍丝。

19、可选的，所述非磁性单质金属丝为铒丝。

20、可选的，所述电磁感应加热区的工作电压在1kv-50kv之间调节，所述电磁感应加热区的工作频率在20khz-50khz之间调节。

21、本发明实施例还提供一种纳米低温蓄冷材料的制备装置，包括高频电源、进料单元、电磁感应加热区、收集容器、真空机组、气体循环单元等。

22、采用本发明的纳米低温蓄冷材料，因纳米磁性合金颗粒拥有高的比表面积而具有高的低温比热，磁性合金由于拥有低温磁相变特性而在相变点温度附近具有高的低温比热，不同原子配比的磁性合金，因其多个磁相变温区而在更宽温区均具有高的低温比热，不同原子配比的纳米磁性合金颗粒混合，可以获得在宽温区均具有优异低温蓄冷能力的低温蓄冷材料。同时，本发明的纳米低温蓄冷材料的制备方法易于工程化和应用推广，制备方法产率高，便于实施，可以实现规模化生产，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种纳米低温蓄冷材料，其特征在于，所述纳米低温蓄冷材料由不同原子配比的纳米磁性合金颗粒(10)混合得到，不同原子配比的纳米磁性合金具有不同的磁相变温区。

2.一种纳米低温蓄冷材料的制备方法，其特征在于，所述纳米低温蓄冷材料的制备方法包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的纳米低温蓄冷材料的制备方法，其特征在于，在所述将磁性单质金属丝(1)以及非磁性单质金属丝(2)在同一电磁感应加热区进行电磁感应加热，熔化成金属液体熔球(7)的步骤包括：

4.如权利要求3所述的纳米低温蓄冷材料的制备方法，其特征在于，所述将金属液体熔球(7)加热到预设温度，通过冷却介质(3)掠过金属液体熔球(7)表面，形成纳米磁性合金颗粒(10)的步骤包括：

5.如权利要求2所述的纳米低温蓄冷材料的制备方法，其特征在于，所述冷却介质(3)为惰性气体。

6.如权利要求2所述的纳米低温蓄冷材料的制备方法，其特征在于，所述冷却介质(3)的温度低于所述金属液体熔球(7)的温度。

7.如权利要求2至6中任一项所述的纳米低温蓄冷材料的制备方法，其特征在于，所述磁性单质金属丝(1)为镍丝。

8.如权利要求2至6中任一项所述的纳米低温蓄冷材料的制备方法，其特征在于，所述非磁性单质金属丝(2)为铒丝。

9.如权利要求2至6中任一项所述的纳米低温蓄冷材料的制备方法，其特征在于，所述电磁感应加热区的工作电压在1kv-50kv之间调节，所述电磁感应加热区的工作频率在20khz-50khz之间调节。

10.一种纳米低温蓄冷材料的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括高频电源、进料单元、电磁感应加热区、收集容器、真空机组、气体循环单元，所述纳米低温蓄冷材料的制备装置用于实施权利要求2至9中任一项所述的纳米低温蓄冷材料的制备方法。

技术总结
本发明提供一种纳米低温蓄冷材料及其制备方法与制备装置。纳米低温蓄冷材料由不同原子配比的纳米磁性合金颗粒组成，其功能利用纳米磁性合金颗粒的高比面积、低温磁相变和多个磁相变温区等特征来获得高的低温比热，进而达到在宽温区均具有优异低温蓄冷能力。其制备方法是一根高纯单质磁性金属丝和一根非磁性金属丝在电磁感应加热耦合惰性气体流动与冷却作用下被加热熔化、逸出金属原子；金属原子碰撞、冷却、流动、凝聚成纳米合金金属颗粒；纳米合金金属颗粒在惰性气流的定向输运下抵达收集容器，完成纳米磁性合金颗粒的分级与收集。采用本发明可以在宽温区获得具有优异低温蓄冷能力的低温蓄冷材料。

技术研发人员：雷海乐,黎军,代飞,林伟,罗江山
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院激光聚变研究中心
技术研发日：
技术公布日：2024/6/5