專利名稱：動態(tài)熱循環(huán)和發(fā)電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用接近其鐵磁或鐵電相變點的材料、電熱效應(yīng)和磁熱效應(yīng)或鐵磁流體、鐵電流體或非卡諾和卡諾有限動態(tài)熱循環(huán)的液晶將熱能轉(zhuǎn)換為電能并制冷的方法與裝置。
需要用小移動部件將熱直接轉(zhuǎn)換為電，并且電可能是原動力最通用的表現(xiàn)形式。有多種通過熱電偶、塞貝克和珀爾帖設(shè)備將熱直接轉(zhuǎn)換為電的方案和裝置。這種使用磁熱效應(yīng)的設(shè)備的例子在美國專利US 5714829中公開。
所有這些方案在兩個儲存器源與冷源之間運作，并且同樣它們是卡諾有限循環(huán)。當(dāng)應(yīng)付諸如海洋熱的低熱焓儲存器時，在這些設(shè)備中出現(xiàn)低效率的問題。
本發(fā)明的一個目的是尋找提供減輕上述難題的動態(tài)熱循環(huán)和方法。
因此，本發(fā)明的一方面提供一種用于執(zhí)行動態(tài)熱循環(huán)的設(shè)備，包括具有鐵磁相變溫度的樣品；在樣品的鐵磁相變溫度以上磁化樣品的裝置；和把樣品冷卻到其鐵磁相變溫度以下的裝置，其中在樣品處于其鐵磁相變溫度以下時，樣品的退磁引起產(chǎn)生獨立的磁通。
有利地，與樣品的磁化相關(guān)的磁熱效應(yīng)在其磁化期間加熱樣品。
優(yōu)選地，在其磁化之前，樣品處于初始環(huán)境溫度。
簡單地說，把樣品冷卻到其鐵磁相變溫度以下的溫度的手段包括在樣品與其周邊環(huán)境之間至少局部熱交換。
有利地，在其退磁期間將樣品加熱到環(huán)境溫度。
優(yōu)選地，把樣品冷卻到鐵磁相變溫度以下的溫度的手段包括至少局部地與樣品的至少部分退磁相關(guān)的反向磁熱效應(yīng)。
簡單地說，磁化樣品的手段包括電流的流動。
或者，磁化樣品的裝置包括至少一個旋轉(zhuǎn)永磁體。
或者，磁化樣品的裝置包括與樣品相鄰提供的伴隨材料，在對該伴隨材料執(zhí)行預(yù)定作用時其呈現(xiàn)出相變，并且還包括對伴隨材料執(zhí)行作用的裝置。
有利地，執(zhí)行預(yù)定作用的裝置包括將靜電磁場施加于伴隨材料的裝置。
或者，執(zhí)行預(yù)定作用的裝置包括張緊伴隨材料的裝置。
有利地，伴隨材料表現(xiàn)出的相變是二級相變。
本發(fā)明的另一方面提供一種用于執(zhí)行動態(tài)熱循環(huán)的設(shè)備，包括呈現(xiàn)出暫時的剩磁的樣品；在小于循環(huán)期間的十分之一的時間周期內(nèi)磁化樣品的裝置，該循環(huán)期間小于萬分之一秒，其中樣品退磁引起獨立磁通產(chǎn)生。
簡單說，樣品在其退磁的第一部分期間冷卻。
有利地，樣品的溫度在其退磁的第二部分期間升高。
優(yōu)選地，設(shè)備還包括將至少一些獨立磁通轉(zhuǎn)換為電流的裝置。
簡單說，樣品具有第一導(dǎo)磁率，并且其中與樣品相鄰地提供一定數(shù)量的具有第二導(dǎo)磁率的材料，第一導(dǎo)磁率低于第二導(dǎo)磁率。
本發(fā)明的再一方面提供一種用于執(zhí)行動態(tài)熱循環(huán)的設(shè)備，包括具有鐵電相變溫度的樣品；在鐵電相變溫度以上的溫度下極化樣品中電偶極子的取向的裝置；和把樣品冷卻到其鐵電相變溫度以下的裝置，其中在樣品在其去極化期間處于其鐵磁相變溫度以下時樣品的去極化引起產(chǎn)生獨立的電通量。
有利地，與樣品的極化相關(guān)的電熱效應(yīng)在其極化期間加熱樣品。
優(yōu)選地，樣品在其極化之前處于其初始環(huán)境溫度。
簡單地說，把樣品冷卻到其鐵電相變溫度以下的溫度的裝置包括在樣品與其周邊環(huán)境之間至少局部熱交換。
有利地，在其去極化期間將樣品加熱到周圍溫度。
優(yōu)選地，把樣品冷卻到其鐵電相變溫度以下的溫度的手段包括至少局部地與樣品的部分去極化相關(guān)的反向電熱效應(yīng)。
本發(fā)明的又一方面提供一種用于執(zhí)行動態(tài)熱循環(huán)的設(shè)備，包括呈現(xiàn)出暫時的剩電的樣品；在小于循環(huán)期間的十分之一的時間周期內(nèi)極化樣品的裝置，該循環(huán)期間小于萬分之一秒，其中樣品去極化引起獨立電通量產(chǎn)生。
簡單說，樣品在其去極化的第一部分期間冷卻。
有利地，樣品的溫度在其去極化的第二部分期間升高。
優(yōu)選地，極化樣品的手段包括電流的流動。
或者，極化樣品的裝置包括至少一個旋轉(zhuǎn)永磁體。
簡單說，設(shè)備還包括將至少一些獨立電通量轉(zhuǎn)換為電流的裝置。
有利地，樣品具有第一介電常數(shù)，并且與樣品相鄰地提供一定數(shù)量的具有第二介電常數(shù)的材料，第一介電常數(shù)低于第二介電常數(shù)。
本發(fā)明的又一方面提供一種轉(zhuǎn)換能量的方法，包括步驟提供具有鐵磁轉(zhuǎn)換溫度的樣品；在樣品處于其鐵磁轉(zhuǎn)換溫度以上時磁化樣品；在樣品處于其鐵磁轉(zhuǎn)換溫度以下時允許樣品退磁，樣品的退磁引起獨立的磁通；以及將至少一些獨立磁通轉(zhuǎn)換為電流。
有利地，該方法還包括在樣品的高于其鐵磁轉(zhuǎn)換溫度的區(qū)域中維持周圍溫度的步驟。
優(yōu)選地，該方法還包括允許樣品跟隨其磁化冷卻到周圍溫度的步驟。
本發(fā)明的另一方面提供一種轉(zhuǎn)換能量的方法，包括步驟提供呈現(xiàn)出暫時的剩磁的樣品；磁化樣品，從而引起樣品在小于循環(huán)期間的十分之一的時間周期中被磁化，該循環(huán)期間小于萬分之一秒；允許樣品退磁，樣品的退磁引起獨立的磁通；以及將至少一些獨立磁通轉(zhuǎn)換為電流。
簡單說，提供樣品的步驟包括步驟提供鐵電流體。
有利地，提供樣品的步驟包括步驟提供具有第一導(dǎo)磁率的樣品，并且還與樣品相鄰地提供一定數(shù)量的具有第二導(dǎo)磁率的材料，第一導(dǎo)磁率高于第二導(dǎo)磁率。
優(yōu)選地，至少一個旋轉(zhuǎn)永磁體磁化樣品。
有利地，可操作來攜帶流動電流的載體磁化樣品。
簡單說，磁化樣品的步驟包括步驟提供與樣品相鄰的伴隨材料，在對該伴隨材料執(zhí)行預(yù)定作用時其呈現(xiàn)出進一步的相變，以及提供對伴隨材料執(zhí)行作用的裝置。
有利地，提供對伴隨材料執(zhí)行預(yù)定作用的裝置的步驟包括提供將靜電場施加于伴隨材料的裝置。
或者，提供對伴隨材料執(zhí)行預(yù)定作用的裝置的步驟包括提供對伴隨材料施加張緊力的裝置。
有利地，磁化步驟和轉(zhuǎn)換步驟通過可操作來磁化樣品并將至少一些獨立磁通轉(zhuǎn)換為電流的單一裝置執(zhí)行。
本發(fā)明的再一方面提供一種轉(zhuǎn)換能量的方法，包括步驟提供具有鐵電轉(zhuǎn)換溫度的樣品；在樣品處于鐵電轉(zhuǎn)換溫度以上時極化樣品中電偶極子的取向；在樣品在其去極化期間處于其鐵電轉(zhuǎn)換溫度以下時允許樣品去極化，樣品的去極化引起產(chǎn)生獨立的電通量；將至少一些獨立電通量轉(zhuǎn)換為電流。
優(yōu)選地，該方法還包括在樣品的高于其鐵電轉(zhuǎn)換溫度的區(qū)域中維持周圍溫度的步驟。
簡單說，該方法還包括允許樣品跟隨其極化冷卻到周圍溫度的步驟。
本發(fā)明的另一方面提供一種轉(zhuǎn)換能量的方法，包括步驟提供呈現(xiàn)出暫時的剩電的樣品；在小于循環(huán)期間的十分之一的時間周期中極化樣品中電偶極子的取向，該循環(huán)期間小于萬分之一秒；允許樣品去極化，樣品的退磁引起獨立的電通量；以及將至少一些獨立電通量轉(zhuǎn)換為電流。
有利說，提供樣品的步驟包括步驟提供鐵電流體。
優(yōu)選地，提供樣品的步驟包括步驟提供具有第一介電常數(shù)的樣品，并且還提供一定數(shù)量的與樣品相鄰的具有第二介電常數(shù)的材料，第一介電常數(shù)低于第二介電常數(shù)。
簡單說，至少一個旋轉(zhuǎn)永磁體極化樣品。
或者，可操作來攜帶流動電流的載體極化樣品。
有利地，極化步驟和轉(zhuǎn)換步驟通過可操作來極化樣品并將至少一些獨立電通量轉(zhuǎn)換為電流的單一裝置執(zhí)行優(yōu)選地，該方法還包括提供循環(huán)系統(tǒng)的步驟，該循環(huán)系統(tǒng)包括其熔點接近樣品的操作溫度范圍的包裹微囊材料。
本發(fā)明的再一方面提供一種根據(jù)上述方法之一的發(fā)電方法。
本發(fā)明的又一方面提供一種根據(jù)上述方法之一的方法，還包括使用該方法產(chǎn)生的熱的步驟。
本發(fā)明的另一方面提供一種制冷方法，其動力通過上述方法之一提供。
本發(fā)明的另一方面提供可操作來執(zhí)行上述方法之一的步驟的動態(tài)熱循環(huán)。
為更容易理解本發(fā)明，參考附圖舉例描述其實施例。


圖1表示實施本發(fā)明的第一循環(huán)的磁化強度對溫度的曲線；圖2表示實施本發(fā)明的第二循環(huán)的磁化強度對溫度的曲線；圖3表示實施本發(fā)明的設(shè)備的簡單布局；
圖4表示實施本發(fā)明的另一設(shè)備的簡單布局；圖5表示與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的第一場產(chǎn)生設(shè)備的簡單布局；圖6表示與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的第二場產(chǎn)生設(shè)備的簡單布局；圖7表示與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的第三場產(chǎn)生設(shè)備的簡單布局；圖8表示與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的第四場產(chǎn)生設(shè)備的簡單布局；圖9表示與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的第五場產(chǎn)生設(shè)備的簡單布局；圖10表示與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的第六場產(chǎn)生設(shè)備的簡單布局；圖11表示與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的場消除電路的簡單布局；圖12以與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的樣品表示高導(dǎo)磁率材料的第一布置；圖13以與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的樣品表示高導(dǎo)磁率材料的第二布置；圖14以與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的樣品表示高導(dǎo)磁率材料的第三布置；圖15以與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的樣品表示高導(dǎo)磁率材料的第四布置；圖16以與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的樣品表示高導(dǎo)磁率材料的第五布置；圖17以與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的樣品表示高導(dǎo)磁率材料的第六布置；圖18表示實施本發(fā)明的第三循環(huán)的磁化強度對溫度的曲線；圖19表示實施本發(fā)明的第四循環(huán)的極化對溫度的曲線；圖20表示實施本發(fā)明的第四循環(huán)的極化對溫度的曲線；圖21表示與實施本發(fā)明的設(shè)備一起使用的靜電場產(chǎn)生設(shè)備；圖22表示圖21的靜電場產(chǎn)生設(shè)備的變形；圖23表示扁長橢圓旋轉(zhuǎn)的形狀各向異性曲線；圖24分別表示在激勵線圈和實施本發(fā)明的樣品中的電流和電感的第一曲線；圖25分別表示在激勵線圈和實施本發(fā)明的樣品中的電流和電感的第二曲線；圖26表示實施本發(fā)明的樣品的維斯(Weiss)方程的曲線圖；圖27表示鎳和鐵的溫升對溫度的曲線圖。
首先轉(zhuǎn)向圖1，表示出實施本發(fā)明的第一循環(huán)的磁化強度對溫度的曲線。
第一循環(huán)使用具有磁熱性能的材料，該材料是靠近其鐵磁/永磁相變點的材料。
在第一循環(huán)開始之前，樣品最初處于環(huán)境溫度下，其在第一樣品的鐵磁相變點(即居里溫度)以上。
在第一循環(huán)的第一階段期間，突然向第一樣品施加磁場。這通過在第一樣品內(nèi)對齊磁疇引起第一樣品被磁化。此時，由于與磁化相關(guān)的磁熱效應(yīng)，第一樣品的溫度升高到環(huán)境溫度以上。由于第一樣品中磁疇的對齊或排序?qū)е碌撵鼐植肯陆刀l(fā)生磁熱效應(yīng)，這通過熱能增加來補償，并且這個效應(yīng)在附錄1中具體說明。
一旦第一樣品的磁化強度改變率下降到零，在第一循環(huán)的第一階段期間產(chǎn)生的熱能因第一樣品與周圍(其被維持在周圍溫度)的熱梯度而散發(fā)出去，這種冷卻包括第一循環(huán)的第二步驟。當(dāng)?shù)谝粯悠防鋮s時，跟隨圖中所示的曲線H＞0，磁化強度上升，該圖中表示出在存在施加于第一樣品的磁場的情況下由維斯方程μ＝Bs(h+αμ)表示的磁化強度與溫度之間的關(guān)系。
一旦樣品冷卻到周圍溫度，第一樣品停止冷卻并且系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。在這一點上，通過突然斷開施加的磁場開始第一循環(huán)的第三階段。這引起第一樣品的磁化強度降低。此時，第一樣品的溫度下降，這是由于上述在第一循環(huán)的第一步驟中描述的磁熱效應(yīng)的反向所導(dǎo)致的。當(dāng)?shù)谝粯悠穬?nèi)的磁疇開始彼此不對齊并且變得隨機取向時，第一樣品內(nèi)的有序度降低，第一樣品內(nèi)產(chǎn)生熵的增加。這個增加由第一樣品中出現(xiàn)的熱能來補償。
圖l所示的曲線H＝0描述了在不存在施加的磁場的情況下維斯方程(上面給出)表示的磁化強度與溫度之間的關(guān)系。曲線H＝0形式上類似于上述曲線h＞0，但是曲線H＝0相對圖曲線H＞0在圖1的溫度軸上向左移動。當(dāng)?shù)谝粯悠返拇呕瘡姸群蜏囟茸鴺讼档竭_曲線H＝0時，第一樣品的磁化強度和溫度坐標系將跟隨曲線H＝0，并且這標示出第一循環(huán)的第三階段的末端。在第三階段期間熱能的降低把第一樣品冷卻到低于第一樣品的居里溫度的溫度。當(dāng)?shù)谝粯悠方档偷狡渚永餃囟纫韵聲r，其被磁化。
第一循環(huán)的第四階段包括根據(jù)零場維斯定律對第一樣品退磁和加熱，并且在第四階段末尾，第一樣品具有與第一階段開始之前相同的磁化強度和溫度坐標系，即具有零磁化強度并且處于周圍溫度。在第四階段期間第一樣品的退磁產(chǎn)生獨立磁通。
獨立通量的必要條件是不需要持續(xù)外場。附錄l包含表明在循環(huán)中附屬通量總是導(dǎo)致零純電功的證據(jù)。附錄l還包含表明如果外場的轉(zhuǎn)換速率低則獨立通量可呈現(xiàn)為附屬的證據(jù)。
附錄2中的等式A2.7可再模型化來從等式A3.1增加附錄3中帶來的新的能量項.但是，必須考慮特定量，使得作為每一單位體積的偶極矩的偶極矩I可被重塑，該偶極矩等于螺線電流密度乘以橫截面面積。
這樣，從A3.3I＝BAε0c2和BA＝I/ε0c2表達式BA替代φ代入A3.2并且代入A3.1而導(dǎo)出ΔU=nϵ02c4kRIdI]]>然后將其代入等式A2.7而導(dǎo)出dU=TdS+HdI+nϵ02c4kRIdI]]>等式A2.7中如附錄2中所示例行處理得到(ΔT)s=-TcH+nϵ02c4kRT(∂I∂T)H2(∂I∂T)HΔH]]>這樣，由于在分母中額外的項與cH相加導(dǎo)致在第一循環(huán)的階段4上存在“虛擬熱容”，偶極子更難以在其周圍的螺線管場中隨機分布。考慮絕熱循環(huán)中的純電功 但是，在動態(tài)熱循環(huán)的第二積分中，喪失對稱性∫0IMHdI+∫IM0H′dI<0]]>對于與絕熱情況相同的ΔT，熱容因“虛擬熱容”而改變。這樣，ΔH不相同，因為熱容上升，其必須更高來維持均等。這在第二積分中用H′表示。盡管一共通過兩個半熱循環(huán)第一積分是在絕熱磁熱循環(huán)的第一半上輸入的能量，第二積分代表來自具有更高熱容的更高磁化強度的樣品的循環(huán)的第二半。這可推理為因為在第一循環(huán)的第四階段，磁熱效應(yīng)不必要“知道”或“記憶”在前面的階段它被許可等溫冷卻到周圍溫度。動態(tài)熱等式不保持它們經(jīng)歷的變化變“歷史”。重要的是在循環(huán)開始和結(jié)束處的準確的差分、熱動態(tài)恒等式A2.7的熱動態(tài)坐標系，即if dU(T，H)＝δQ+δW then if δW＜0 δQ＞0第一樣品返回其初始坐標系并且從而具有相同的內(nèi)能。但是，第一樣品做了功，必須吸收熱。
圖3表示樣品1、功率線圈2、場發(fā)生設(shè)備3、整流器4、循環(huán)系統(tǒng)和熱交換流體5、泵6以及熱交換器7的實際布置。樣品1不必局限在功率線圈下面并且在本發(fā)明的一些實施例中可與熱交換流體一起運動，但是在功率線圈2和場產(chǎn)生設(shè)備3下面轉(zhuǎn)換功率。
圖4表示用與樣品緊密接觸的熱導(dǎo)管8取代的循環(huán)系統(tǒng)。功率產(chǎn)生線圈2通過適當(dāng)電路可加倍，作為場產(chǎn)生設(shè)備3(或激勵線圈)。場產(chǎn)生設(shè)備通過旋轉(zhuǎn)磁體可不產(chǎn)生電場。
激勵/功率線圈2或包圍樣品1的場產(chǎn)生設(shè)備3以第一循環(huán)所示的方式控制，以在樣品1中形成獨立通量。第一循環(huán)每秒進行多次。一加熱，這個獨立通量喪失，并且功率傳送到功率線圈2、整流器4和負載。熱能繼續(xù)由循環(huán)系統(tǒng)5，6，7或8提供給樣品。從而設(shè)備冷卻其周圍。
第一循環(huán)的電耗和增益在這里被模型化并且表示出隨著循環(huán)的操作頻率增加。計算電阻損耗、不完全恢復(fù)激勵級(第一循環(huán)的階段1，2和3)的場能量導(dǎo)致的損耗以及循環(huán)產(chǎn)生的功率。
為簡單起見，假設(shè)電流恒定。無論如何，這將趨向于過高估計功率損耗。在激勵階段損失的功率 乘以D(方波的通斷周期的斷續(xù)循環(huán))，這與頻率無關(guān)。從而PI2R=-DI2Rcoil]]>BE是施加于磁芯的磁場。場的能量是1/2 BE2V，其中V是磁芯體積。如果在場喪失時恢復(fù)反電動勢，則一些能量可被恢復(fù)。ξ是浪費的能量的分數(shù)，如果循環(huán)每秒重復(fù)F次Pfield＝-ξε0c2BE2FV從附錄3，由循環(huán)傳遞到電阻R的功率由下式給出 R是Rcoil+Rload。通過考慮串聯(lián)2個電阻器并使用基本電路理論，在電阻器中散失的功率作為所散失功率的分數(shù)為Rx/(R1+R2)，其中Rx是電阻器1或2。BM是激勵器停止后來自磁芯的場。因此Ploss=-kn2V2BM2F2Rcoil(Rcoil+Rload)2]]>Pgain=+kn2V2BM2F2Rcoil(Rcoil+Rload)2]]>總功率是 的總和。如果為正，則有凈功率產(chǎn)生。注意到產(chǎn)生的最小功率相對線性場損耗是F的平方。使得Rcoil遠小于Rload僅僅是工程問題。
圖2表示實施本發(fā)明的第二循環(huán)的磁化強度與溫度的曲線。在第二循環(huán)的第一階段開始之前，第二樣品具有零凈磁化強度，并且處于環(huán)境溫度下。第二樣品由在對材料施加磁場并且隨后移去磁場后具有暫時維持剩磁性能的材料構(gòu)成，例如鐵磁流體。
第二循環(huán)的第一階段通過突然向第二樣品施加磁場開始，這引起第二樣品的磁化強度增加。與第一循環(huán)的第一階段相比，由于初始溫度遠離第二樣品的鐵磁相變點，因此因第二樣品被磁化，出現(xiàn)非常小的對應(yīng)的溫升。
通過突然從第二樣品移去施加磁場來結(jié)束第二循環(huán)的第一階段，這個事件是第二循環(huán)的第二階段。
第二循環(huán)的第三階段在從第二樣品移去施加磁場后立刻開始。在第三階段的第一部分期間，第二樣品的溫度開始下降，因為第二樣品內(nèi)的熱能花費在應(yīng)付其中的剩磁引起的磁場而在第二樣品中重新隨機布置磁疇的工作中。
在第三階段的第一部分開始期間，當(dāng)磁化強度最高時，第二樣品在其第三階段期間的溫度降低初始最大。溫度的下降伴隨第二樣品的磁化強度降低，因為其中的磁疇越來越彼此不對齊。
在一段短時間后，來自周圍的熱量加熱樣品，并且第三階段的第二部分開始。同時，第二樣品內(nèi)的磁疇變得隨機取向，并且這提供獨立的磁通，作為磁疇對齊的喪失引起的磁場。在第三階段末尾處，第二樣品的磁化強度和溫度坐標系與第二循環(huán)的第一階段開始前的相等。與磁化強度降低一起的溫升導(dǎo)致第二樣品的磁化曲線為環(huán)狀。對于第三階段的第二部分期間產(chǎn)生的可估計的磁通，第一階段最好發(fā)生在第二循環(huán)的1/10(或更小)的期間內(nèi)。
用于在第二循環(huán)的第一階段期間產(chǎn)生場并在第二循環(huán)的第三階段期間從獨立磁通恢復(fù)功率的組件與第一循環(huán)中用于相應(yīng)的任務(wù)的那些組件相同，并且對于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯然知道怎樣實際應(yīng)用第二循環(huán)。
下面列出的是在第一和第二循環(huán)中可能遇到的一些技術(shù)問題，并表示其解決方案
通過可全部集成到一個設(shè)備中的例子將問題分解為子系統(tǒng)● 場發(fā)生，激勵器/功率輸出子系統(tǒng)● 場消除電路● 熱交換/循環(huán)系統(tǒng)● 材料和用高導(dǎo)磁率材料增大的場● 鐵磁流體的粘度改變● 熱電池● 非磁場激勵模式● 鐵電和鐵電流體模式場發(fā)生，激勵器/功率輸出子系統(tǒng)轉(zhuǎn)向圖3，場產(chǎn)生設(shè)備3可以是電或機械的，可能的機械模式是在定子裝置(如圖5所示)中的旋轉(zhuǎn)磁體(最后由設(shè)備產(chǎn)生的功率供電)。磁體9與磁極10對齊時，將最大通量傳遞到樣品1。如附錄1所示，與周期相比，這個通量必須具有相對尖銳的上升和下降時間，這通過設(shè)計尖銳的磁極來實現(xiàn)。
圖6和圖7表示用調(diào)諧電路(如圖6所示)和電流源(如圖7所示)產(chǎn)生的電場的簡圖，場產(chǎn)生設(shè)備3(如圖3所示)與功率產(chǎn)生線圈2組合。
圖6所示的電路11產(chǎn)生大的正弦場并且向負載傳遞獨立磁通消耗的功率。為實現(xiàn)激勵場的尖銳的上升和下降時間，接近樣品1處使用高導(dǎo)磁率材料13。
電路12(圖6所示)是場消除電路，其確保暴露到工作物質(zhì)的場在零與正的凈通量之間變化。圖7所示電路通過用電流源14驅(qū)動本質(zhì)上高電感的設(shè)備來實現(xiàn)尖銳的上升和下降時間。為補償電流源中的散失損耗，應(yīng)將其連接于熱交換器7。
圖8表示建立激勵場的強力方法。子電路15由連接于低電阻電路中的功率/場發(fā)生線圈2，3的下部匝的非常大的電容構(gòu)成。電感低，允許電流并且從而允許場快速建立。更高的抽頭經(jīng)二極管將場能量和功率從獨立通量損耗返回到電容器和負載。
圖9表示使用低電流產(chǎn)生激勵場的更好的模式。纏繞更多匝，使得電感增加，但是把升壓變壓器用于把電感從初級側(cè)降低L/n2。確保在場損耗上通過經(jīng)用于場的附屬部件的轉(zhuǎn)換器A(B打開)并且然后使用用于獨立通量的轉(zhuǎn)換器B(A打開)，僅用幾匝分接激勵/功率發(fā)生線圈而實現(xiàn)低的時間常數(shù)。對此可使用分立的線圈，該線圈實際上是圍繞設(shè)備纏繞幾次的柱狀薄片，以得到良好的通量連接和感應(yīng)電壓。二極管是下跳開型，如肖特基二極管、反向二極管或帶有適當(dāng)?shù)那袚Q以確保整流作用的場效應(yīng)晶體管。
可作精心設(shè)計以大于99％的效率纏繞高頻升壓變壓器。更大的場能量補償設(shè)備，得到更緊湊的設(shè)備。在產(chǎn)生的功率上在理論部分中在Pfield項與最小功率表達式之間建立平衡。典型的工作頻率是10-500KHz。通過轉(zhuǎn)換電子元件來設(shè)置更高的界限，并且設(shè)備的一般的體積超出10升。設(shè)備的大電感(在亨利數(shù)量級)可通過多級變壓器來降低，以處于微亨的數(shù)量級，并且從而允許經(jīng)電壓源快速轉(zhuǎn)換。例如，以1∶10制造的三級1∶1000變壓器將阻抗降低106。以環(huán)形形式(高通量連接)使用鐵氧體磁芯、在磁芯中使用低通量密度、使用低導(dǎo)線損耗和分布式/巢狀低電容繞組從而繞組通過間隔物彼此隔離的精細設(shè)計能夠構(gòu)成該變壓器。
產(chǎn)生快速改變的激勵場的另一模式(圖10所示)是將在大電感17(在19的左邊)中已經(jīng)建立的電流切換器19(轉(zhuǎn)換器18打開)到更小電感的場線圈2，3(19的右側(cè))。對于變壓器來說，大電感應(yīng)具有良好的高頻性能和前面討論的方法。當(dāng)獨立通量喪失轉(zhuǎn)換器18閉合并且19到左邊時，場能量和獨立通量功傳送到電路的剩余部分。
如果未明確表示，向降低時間常數(shù)的場損失上低電感的激勵/功率發(fā)生線圈2，3的轉(zhuǎn)換被應(yīng)用于場發(fā)生電路的所有表現(xiàn)形式中。
場消除電路轉(zhuǎn)向圖11，這個過程可應(yīng)用于第一循環(huán)。如所理解的那樣，當(dāng)高導(dǎo)磁率材料用于增大來自工作物質(zhì)的場時，循環(huán)實際上響應(yīng)于第一循環(huán)上第四階段中磁化強度的改變，而不是響應(yīng)于絕對磁化強度。圖1表示在樣品1的居里溫度處或以上返回第一階段。為允許在居里溫度以下工作并且從而有更寬的溫度范圍，我們必須不允許這種“基本剩磁”飽和高導(dǎo)磁率材料。而且，設(shè)備以工作物質(zhì)處于不同磁化強度而從頭到尾在其兩端具有溫差。對此的解決方案是使用具有極高導(dǎo)熱性的熱導(dǎo)管8(圖4所示)降低該溫差。
與基本剩磁相反的微弱場對高導(dǎo)磁率材料提供“零電平”。有兩種方法來提供該場再利用場/功率線圈2，3以及向其增加偏置電流電路12，或者纏繞附加線圈。
有兩種對場消除裝置產(chǎn)生控制信號的方法用霍爾傳感器測量場或檢測功率輸出，并且當(dāng)其降低時增大相反場。兩個信號都被低通濾波。圖11表示一般方案，傳感器用場消除裝置被輸入到緊耦合的負反饋環(huán)路。圖11還表示經(jīng)設(shè)備纏繞在熱交換流體5的流動檢測中具有場強逐漸增大的消除線圈14的可能性。這許可設(shè)備兩端有溫差，其中與液流輸入側(cè)(較暖的一側(cè))相比，在液流輸出側(cè)(冷側(cè))有更高的基本磁化強度。
熱交換/循環(huán)系統(tǒng)圖3和4表示與樣品1緊密接觸的循環(huán)流體5浴或熱導(dǎo)管8。流體5是惰性的并且具有良好的熱容量和傳輸特性。這種流體的一個例子是DowCorning制造的低百分數(shù)的200/IcS聚二甲基二氧烷硅流體，工作物質(zhì)應(yīng)對水起反應(yīng)。如果樣品未局限在線圈下面，其可在流體中懸置。下面一部分覆蓋這一點(作為一個方法)并且鐵電流體是與流體5一起的工作物質(zhì)的一種表現(xiàn)形式。
為確?？焖偌訜崃黧w，必須使工作物質(zhì)具有大的表面積，這一點在下面說明。流體5有助于通過具有局部熱源將熱快速流動到樣品1。可在靠近工作物質(zhì)的工作點的其熔點處把材料包裹微囊，使得有局部的熱儲存器。通過普通方法可把脂肪和媒質(zhì)加權(quán)烷類包裹囊。
許可高熱量流動的另一方法是使用具有大于銅數(shù)千倍的導(dǎo)熱性的熱導(dǎo)管。與工作物質(zhì)緊密接觸的大表面積的細小熱導(dǎo)管可布置為高導(dǎo)磁率場增大材料的一部分，并且在下面一部分中將涉及到。高導(dǎo)磁率材料可鑄成細管，其內(nèi)部是熱導(dǎo)管，外表面與工作物質(zhì)接觸。如果設(shè)備的工作溫度被保持低于周圍溫度，則熱交換器設(shè)計很少需要。
材料和高導(dǎo)磁率材料增大的場帶有高磁熵和第一循環(huán)的適當(dāng)溫度范圍的適當(dāng)材料是Gd(居里點16℃)、Cu-Ni合金(20-50℃，分別是28-34％Cu，一般是1-2Fe％)或其居里點根據(jù)應(yīng)用的極端情況而更高或更低的材料。熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到很多適當(dāng)材料。這種材料通過將磁化易軸對齊(通過拉伸)而形成為具有高各向異性或高形狀各向異性。適合于第二循環(huán)的材料是Fe、Co或鐵氧體基鐵磁流體。粒子各向異性越高鐵磁流體維持的電感越大。因此Co和鐵氧體鐵磁流體產(chǎn)生高電感。改變鐵磁流體粒子的形狀來增大形狀各向異性也是有幫助的。
高導(dǎo)磁率材料實現(xiàn)兩個功能集中激勵磁場和增大工作物質(zhì)的磁化強度(尤其是第一循環(huán))。在前者的情況下，集中的更多的通量意味著更小的通量浪費在不靠近樣品的空間中。最終我們要恢復(fù)場能來具有緊湊設(shè)備，并且在不產(chǎn)生能量的非樣品材料周圍浪費激勵場也無關(guān)緊要。在后者的情況下，增大受到樣品的各向異性常數(shù)限制。高導(dǎo)磁率材料的場能不應(yīng)超出樣品的當(dāng)量“各向異性場能”，否則，它將分解磁疇而降低靜磁能。一般的各向異性場具有10kA/m的數(shù)量級，將高導(dǎo)磁率體積限制到工作物質(zhì)的體積的大約10倍。各向異性場可通過“樣品各向異性場”并通過使得工作物質(zhì)長且細來加強。但是這種長形材料的當(dāng)量偶極子表示具有遠離開的偶極子，從而很少使場從邊緣進入高導(dǎo)磁率材料，那么我們必須使用更高導(dǎo)磁率材料。相關(guān)的設(shè)計標準在下面表示典型的晶體(k1)各向異性/(kA/m)Gd 50，CuNi合金30，Co 60(鐵磁流體)形狀各向異性場Hc有下式給出Hc＝(Dz-Dx)Ms其中，Ms是飽和磁化強度，退磁因子如圖23所示。圖23表示扁平橢圓旋轉(zhuǎn)中形狀各向異性，作為軸比a/b的函數(shù)表示出兩個主要退磁因子之差Dz-Dx的變化。
在使用磁熱材料的第一循環(huán)中形狀各向異性被視為作用不大，因為磁化強度無論如何都很低，主要依賴k1各向異性。產(chǎn)生大磁化強度的鐵電流體不作考慮。
下面的偶極子方程中Br=μ04π2pmr3cosθ]]>Bθ=μ04πpmr3sinθ]]>pm＝ml表示出場的角向和徑向分量。磁偶極矩是極強度與其分開距離的乘積。
圖12-17以樣品1表示高導(dǎo)磁率材料13的各種布置。材料13具有小橫截面，以便具有低渦流損耗。適當(dāng)?shù)牟牧习‵e、Ni、Ni-Fe高導(dǎo)磁率合金、鐵氧體、vitrovac(西門子公司)。各種情況在下面說明。
圖12表示可兩次重疊作為熱導(dǎo)管的小管的布置?？墒褂脽o電極淀積來在尼龍導(dǎo)線上淀積鐵或鎳。導(dǎo)線可被加熱來脫掉尼龍，留下高導(dǎo)磁率管12。對于適合于第一循環(huán)使用的材料，通過后面跟著粘結(jié)處理的進一步無電極淀積、電鍍、蒸汽淀積、噴霧或靜電淀積來進行工作物質(zhì)1的再淀積。
圖13表示作為具有本體和支架的并可通過剛才描述的淀積方法淀積工作物質(zhì)(對于第一循環(huán)，鐵磁流體將流入其結(jié)構(gòu)中)的松散“羊毛”模型或織機高導(dǎo)磁率材料的布置。熱交換流體5(如圖3所示)容易通過該結(jié)構(gòu)。導(dǎo)線織機形式通過用工作物質(zhì)(如果是延展性的，則為Cu-Ni，Gd)包覆鐵或鎳棒，然后拉伸易于制備。
圖14表示作為松散螺旋的高導(dǎo)磁率材料的布置，這個結(jié)構(gòu)易于將工作物質(zhì)熱壓其上。
圖15表示另一三明治結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)磁率材料，其中有孔20，使得熱交換流體5流過或熱導(dǎo)管8通過(如圖3或4所示)。
圖16表示作為工作物質(zhì)1或13的1上的高導(dǎo)磁率材料13的細長實體21的布置。對于第二循環(huán)，剛好有材料13。這些實體在分散時隨著熱交換流體5的流動自行對齊，并且使得在預(yù)計的方向上產(chǎn)生最大場。激勵場的偶然的長脈沖串也有助于對齊實體。制造方法包括無電極淀積、電鍍、導(dǎo)線上蒸汽淀積、在導(dǎo)線上包覆并拉伸、噴霧或靜電淀積，生長然后化學(xué)處理(Cu-Ni合金包圍Ni導(dǎo)線)，以及通過熱處理或其他處理純凈相(例如Cu-Ni合金中的Ni)析出。
圖17表示在用圖15所示的循環(huán)孔20鉆出的實線框中對齊的圖16的細長實體21的布置。實體周圍生長非磁性非導(dǎo)電材料22，以防止通量閉合和渦流損耗。材料22通過這里討論的方法生長。大量實體可被壓實或燒結(jié)或進行化學(xué)粘結(jié)，以形成塊。
要被破壞的獨立通量的弛豫時間是第一循環(huán)的鐵磁流體(下面討論)的一個特性，材料尺寸由傅立葉熱擴散方程控制。將粒子返回到其周圍溫度的時間由簡單一維傅立葉定律模型化并且為得到近似尺寸，經(jīng)驗性得到剩余部分。這樣mcΔθ=kAdTdxtr]]>其中m是質(zhì)量；C是特定熱容量；Δθ是溫差；k是熱導(dǎo)率；A是熱交換面積；dt/dx是溫度的空間變化率；tr是處理占用的時間。
把粒子模型化為半徑r、長h的長圓柱。對于h＞＞r，則體積對面積的比率是r/2。設(shè)ρ為材料密度。則tr=ρrcΔθ2kdTdx]]>一般平均數(shù)字進行取代，將給出tr的“大約”數(shù)字。對于10μm數(shù)量級的尺寸達到大約10μs的數(shù)字。
鐵磁流體的粘度改變在第二循環(huán)中鐵磁流體用作樣品。如附錄1所解釋，如果設(shè)備有一凈能量增益，則來自樣品的電感必須是獨立的。電轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速率受限，用功率電子元件，則具有通常的1MHz的上限。因此鐵磁流體的剩磁弛豫時問必須是10μs或更多。為改變的鐵磁流體具有100微微秒或更快的數(shù)量級的弛豫時間。這通過下面的3個方法將響應(yīng)降低幾個數(shù)量級來實現(xiàn)增大磁芯尺寸、通過改變表面活性劑的大小來增大流體動半徑或添加粘性增強劑。然后執(zhí)行處理來去除弛豫時間的大部分傳播，并且保持在預(yù)計的弛豫時間的相對窄的窗口中。
熱電池參考圖3和4，將熱交換器與高熱容量和溫度的系統(tǒng)相接來形成熱電池。這個系統(tǒng)可以是存儲箱或提供混合操作從而燃燒燃料來發(fā)電的小爐子。從而，可制造“應(yīng)要求的單元”，其中用低速率的熱傳輸從源向設(shè)備作箱“涓流充電”允許更大熱流。
非磁性場激勵模式圖18表示作為第一循環(huán)的變形的第三循環(huán)，其中靜電場與當(dāng)以某方式施加應(yīng)力時進行二級相變的伴隨材料(是液晶或類似材料)聯(lián)合使用。另一例子是進行機械拉伸的長鏈聚合物材料。
第三循環(huán)中的熱循環(huán)方式是向伴隨材料施加應(yīng)力(場、拉伸等)，使得在第三循環(huán)的第一階段期間通過二級相變加熱。然后伴隨材料在有場存在的情況下冷卻到周圍溫度，這個冷卻包括第三循環(huán)的第二階段。然后在第三循環(huán)的第三階段斷開場，因反向處理使得伴隨材料降低到周圍溫度以下，通過該處理二級相變期間加熱。最終，在第三循環(huán)的第四階段期間，伴隨材料返回其原始溫度。以這種方式，伴隨材料循環(huán)第三樣品。
在第三循環(huán)的第四階段期間，產(chǎn)生獨立通量，該通量隨著溫度上升到周圍溫度而被破壞。應(yīng)用前面所有的布置材料(高表面積、通過高導(dǎo)磁率材料增大的場、熱傳輸和循環(huán)方法)的方法。
圖21表示一種布置，使得可循環(huán)靜電場產(chǎn)生設(shè)備(3)(其板之間帶有伴隨材料、工作物質(zhì)和熱交換流體(5)或熱導(dǎo)管8的電容器)。一閉合開關(guān)25(其他都打開)，大電容器23把場產(chǎn)生設(shè)備3的較小電容增大到相同電壓。激勵場經(jīng)開關(guān)26被放電到電容器網(wǎng)絡(luò)24中。然后電容器網(wǎng)絡(luò)24經(jīng)開關(guān)27被放電回到大電容器23來重新開始循環(huán)。通過這個方法，場能被補償。第三樣品的磁化強度改變通過圖3和4所示的功率線圈2檢測到。圖22表示電容器網(wǎng)絡(luò)24能夠?qū)⒋蟛糠蛛姾煞祷卮箅娙萜?3的布置和裝置。當(dāng)場產(chǎn)生設(shè)備3放電到24，所有開關(guān)27閉合，并且開關(guān)26被切換到底座，使得電容器25并聯(lián)。一放電回到大電容器23，開關(guān)27被打開并且開關(guān)26被切換，使得電容器25串聯(lián)。超出10KV/m的并且上述循環(huán)頻率的場足以極化伴隨材料并且確保設(shè)備操作。
圖19和20所示的第四和第五循環(huán)是第一和第二循環(huán)的靜電模擬。很快通過對第一和第二循環(huán)的磁化的模擬理解到極化如何隨著溫度和施加的場而改變。
在第四循環(huán)的第一階段期間，初始具有零凈極化并且處于周圍溫度(其在其鐵電轉(zhuǎn)變溫度以上)的第四樣品通過應(yīng)用外部電場而被改變。因為熱電效應(yīng)(類似于這里作了具體描述的磁熱效應(yīng))，第四樣品在第一階段期間加熱到周圍溫度以上的溫度。
一旦第四樣品的極化改變率降低到零，第四樣品因為與包圍其的周圍環(huán)境進行熱交換而冷卻到周圍溫度。這個冷卻包括第四循環(huán)的第二階段。第四樣品的極化隨著其冷卻而增大，遵從相對第一循環(huán)在上面說明的“有場”的維斯定律(以E＞0表示)的電平衡。
一旦第四樣品達到周圍溫度，電場被斷開，并且第四樣品開始去極化，其溫度因反向的電熱效應(yīng)而在去極化期間降低。該處理包括第四循環(huán)的第三階段，并且第三階段在第四樣品的極化和溫度坐標系達到以“零場”維斯定律(以E＝0表示)的電平衡代表的曲線時結(jié)束。在第三階段末尾處，第四樣品處于其鐵電轉(zhuǎn)變溫度之下。
然后第四樣品完全去極化，隨之，加熱到周圍溫度。這個完全去極化引起獨立電通量。
轉(zhuǎn)向第五循環(huán)，其類似于第二循環(huán)，呈現(xiàn)出暫時剩電的第五樣品在開始第五循環(huán)之前處于初始溫度。第五循環(huán)的第一階段通過突然向第五樣品施加外部電場開始。一旦第五樣品被極化，這該極化發(fā)生在第五循環(huán)的整個期間的十分之一內(nèi)，電場斷開，這個事件是第五循環(huán)的第二階段。
第五樣品在第五循環(huán)的第三階段期間去極化，其非常類似于上述第二循環(huán)的第三階段?？紤]第五樣品時思想上認識到的差別是正是第五樣品內(nèi)的電偶極子而不是磁疇被對齊并且隨后被隨機分布。
第四循環(huán)的第四階段和第五循環(huán)的第三階段的變化的電場引起磁場直角改變到電場。變化的磁場由與電場成直角設(shè)置的功率產(chǎn)生線圈檢測到，以把功率傳遞到負載。一種合適的材料是鈦酸鋇(BaTiO3)。應(yīng)用前面所有的材料布置方法(高表面積，熱傳輸和循環(huán)方法)。第四循環(huán)隨著剛好維持在第四循環(huán)中使用的樣品的鐵電相變點以上的周圍溫度產(chǎn)生，并且熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然理解第一和第二循環(huán)的操作可分別用于第四和第五循環(huán)，以加深對其理解。
在本說明書中，“包括”意味著“包括或由…構(gòu)成”，并且“包括…的”意味著“包括或由…構(gòu)成”。
前面的說明或下面的權(quán)利要求或附圖中公開的特征以其特定的形式或根據(jù)執(zhí)行公開的功能的裝置或達到公開的結(jié)果的方法或處理來表達，合適的話，可獨立地或組合這些特征來使用，以按各種形式實現(xiàn)本發(fā)明。
附錄1-附屬通量總是在循環(huán)中導(dǎo)致零純電功的證據(jù)考慮電感作為某電路元件，循環(huán)的凈能量由下式給出 RHS可以被分量積分∫0Ti(t)dφ(t)dtdt=[i(t)φ(t)-∫φ(t)di(t)dtdt]0T=i(T)φ(T)-i(0)φ(0)-F(φ(T),i(T))+F(φ(0),i(0))]]>等式A1.2由于i(0)＝i(T)并且φ(0)＝φ(T)，第一個兩項抵消，設(shè)i(t)＝g(φ(t))等式A1.3即附屬通量，則等式A2.2的第二積分在應(yīng)用鏈式法則(chain rule)后再次可通過分量積分 這樣，∫0Tφ(t)dg(φ(t))dφ(t)dφ(t)=[φ(t)g(φ(t))-∫g(φ(t))·l·dφ(t)]0T=G(φ(0))-G(φ(T))=0]]>等式A1.5RHS的第一項因通量與循環(huán)的開始和末尾處相同而抵消。RHS上的被積函數(shù)由于同樣原因抵消。
Q.E.D.
如果轉(zhuǎn)換率低，獨立通量如何變?yōu)楦綄偻靠紤]圖3和4所示的激勵電路。轉(zhuǎn)向圖24，在時間軸上表示為相同刻度的是激勵線圈的電流(I)，以及樣品的電感(B)。表示出無限轉(zhuǎn)換的電流，并且因此，向斷開點的右側(cè)衰減的電感是獨立的。但是，如果電子組件慢，圖25所示的情況占優(yōu)，其中B場部分不是獨立的并且因此在超出其輸入時不能做功。
附錄2磁熱效應(yīng)、鐵磁和順磁的背景鐵磁材料的特征在于幾個性能大于1個單位的相對導(dǎo)磁率，自發(fā)磁化，相對入射場描繪電感—從而磁疇時磁滯并且所謂的居里點溫度以上材料僅僅是順磁。正是這個向順磁狀態(tài)的相變用于將熱轉(zhuǎn)變?yōu)殡?。但是，首先，討論自發(fā)磁化如何隨溫度改變。在鐵磁材料的一個磁疇內(nèi)，通過維斯方程A2.1很好地將飽和磁化模型化。方程A2.2是布里淵函數(shù)。方程A2.3是方程A2.1預(yù)測的平均自旋對全部自旋的比率。H是施加的場，α是與樣品原子之間的交換作用相關(guān)的所謂的“分子場”。
μ＝Bs(h+αμ) 等式A2.1 μB是“玻爾磁控管” 其中g(shù)是“朗德”或“光譜分割”因子；e是電荷量；h是除以2π的普朗克常數(shù)；me是電子質(zhì)量；c是光速；kB是玻爾茲曼常數(shù)‘p是晶格中最鄰近的數(shù)目原子數(shù)；J是交換能量積分。
圖26表示帶有對它在零開氏度、開氏溫度和相對居里溫度Tc標準化的T得到的最大值標準化的μ的第一方程(h→0)的曲線。它表明自發(fā)磁化如何快速降低至接近居里點。
磁熱效應(yīng)如果鐵磁樣品絕熱暴露于磁場，其溫度將升高，當(dāng)去除場時，它將降回到原始溫度?？扇缦逻M行模型化dU＝TdS+HdI 等式A2.7其中H是磁場、I是磁化強度。如果S和H作為獨立變量，進行二次微分如下 通過定義，恒定場強下的熱容量為 與前面的等式組合cH=-T(∂H∂T)S(∂I∂T)H]]>或 如下面兩個曲線所示，磁化強度的變化在居里點附近最大。圖27中畫出的是鎳、鐵的溫升對樣品溫度(都是℃)的曲線。表示出的磁場(H)以奧斯特(Os)測量。
這些溫度改變很小，但顯然每秒鐘重復(fù)數(shù)千次循環(huán)并且很多熱量被轉(zhuǎn)換為電能。
附錄3-場喪失的能源以及產(chǎn)生的電能強度考慮線圈和電阻負載。經(jīng)過線圈的是改變并啟動流過負載R的電流i的獨立通量φ。這種布置可被模型化為通量是由電流i引起的磁場中的偶極子，該電流自身通過通量改變引起。磁芯能量的改變產(chǎn)生的通量為ΔUcore＝-μ·B 等式A3.1
這里，如果通量從平行于螺線管軸改變到與其垂直，磁芯損耗能量。改變的通量在螺線管中感應(yīng)電流，導(dǎo)致B的表達式 其中n是每單位長度的匝數(shù)；L是線圈長度；k是耦合系數(shù)1≥k≥0。
磁芯也可被模型化為螺線管，恰好重疊在橫截面面積A、體積V的另一螺線管上。從第一定律論據(jù)(argument)看，來自這個螺線管的磁場必須恰好等于B(上面)。
通過螺線管的電流密度為j＝Bε0c2等式A3.3因此磁矩為 因此在電阻器中散失的能量為 如果動態(tài)熱循環(huán)每秒鐘完成F次，則B的改變率必須至少是B除以周期，從而
權(quán)利要求
1.一種用于執(zhí)行動態(tài)熱循環(huán)的設(shè)備，包括具有鐵磁相變溫度的樣品；在樣品的鐵磁相變溫度以上磁化樣品的裝置；和把樣品冷卻到其鐵磁相變溫度以下的裝置，其中在樣品處于其鐵磁相變溫度以下時樣品的退磁引起產(chǎn)生獨立的磁通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中與樣品的磁化相關(guān)的磁熱效應(yīng)在其磁化期間加熱樣品。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中在其磁化之前，樣品處于初始環(huán)境溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中把樣品冷卻到其鐵磁相變溫度以下的溫度的裝置包括在樣品與其周邊環(huán)境之間至少局部熱交換。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的設(shè)備，其中在其退磁期間將樣品加熱到周圍溫度。
6.根據(jù)前面任何一項權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中把樣品冷卻到鐵磁相變溫度以下的溫度的裝置包括至少局部地與樣品的至少部分退磁相關(guān)的反向磁熱效應(yīng)。
7.根據(jù)前面任何一項權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中磁化樣品的裝置包括流動的電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的設(shè)備，其中磁化樣品的裝置包括至少一個旋轉(zhuǎn)永磁體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的設(shè)備，其中磁化樣品的裝置與樣品相鄰提供的伴隨材料，在對該伴隨材料執(zhí)行預(yù)定作用時其呈現(xiàn)出相變，并且還包括對伴隨材料執(zhí)行作用的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中執(zhí)行預(yù)定作用的裝置包括將靜電磁場施加于伴隨材料的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中執(zhí)行預(yù)定作用的裝置包括張緊伴隨材料的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一所述的設(shè)備，其中伴隨材料表現(xiàn)出的相變是二級相變。
13.一種用于執(zhí)行動態(tài)熱循環(huán)的設(shè)備，包括呈現(xiàn)出暫時的剩磁的樣品；在小于循環(huán)期間的十分之一的時間周期內(nèi)磁化樣品的裝置，該循環(huán)期間小于萬分之一秒，其中樣品退磁引起獨立磁通產(chǎn)生。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中樣品在其退磁的第一部分期間冷卻。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中樣品的溫度在其退磁的第二部分期間升高。
16.根據(jù)前面任何一項權(quán)利要求所述的設(shè)備，還包括將至少一些獨立磁通轉(zhuǎn)換為電流的裝置。
17.根據(jù)前面任何一項權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中樣品具有第一導(dǎo)磁率，并且其中與樣品相鄰地提供一定數(shù)量的具有第二導(dǎo)磁率的材料，第一導(dǎo)磁率低于第二導(dǎo)磁率。
18.一種用于執(zhí)行動態(tài)熱循環(huán)的設(shè)備，包括具有鐵電相變溫度的樣品；在鐵電相變溫度以上的溫度下極化樣品中電偶極子的取向的裝置；和把樣品冷卻到其鐵電相變溫度以下的裝置，其中在樣品在其去極化期間處于其鐵磁相變溫度以下時樣品的去極化引起產(chǎn)生獨立的電通量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中與樣品的極化相關(guān)的電熱效應(yīng)在其極化期間加熱樣品。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的設(shè)備，其中樣品在其極化之前處于其初始環(huán)境溫度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中把樣品冷卻到其鐵電相變溫度以下的溫度的裝置包括在樣品與其周邊環(huán)境之間至少局部熱交換。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的設(shè)備，其中在其去極化期間將樣品加熱到周圍溫度。
23.根據(jù)權(quán)利要求18-22之一所述的設(shè)備，其中把樣品冷卻到其鐵電相變溫度以下的溫度的裝置包括至少局部地與樣品的部分去極化相關(guān)的反向電熱效應(yīng)。
24.一種用于執(zhí)行動態(tài)熱循環(huán)的設(shè)備，包括呈現(xiàn)出暫時的剩電的樣品；在小于循環(huán)期間的十分之一的時間周期內(nèi)極化樣品的裝置，該循環(huán)期間小于萬分之一秒，其中樣品去極化引起獨立電通量產(chǎn)生。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中樣品在其去極化的第一部分期間冷卻。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中樣品的溫度在其去極化的第二部分期間升高。
27.根據(jù)權(quán)利要求18-26之一所述的設(shè)備，其中極化樣品的裝置包括流動電流。
28.根據(jù)權(quán)利要求18-26之一所述的設(shè)備，其中極化樣品的裝置包括至少一個旋轉(zhuǎn)永磁體。
29.根據(jù)權(quán)利要求18-28之一所述的設(shè)備，其中設(shè)備還包括將至少一些獨立電通量轉(zhuǎn)換為電流的裝置。
30.根據(jù)權(quán)利要求18-29之一所述的設(shè)備，其中樣品具有第一介電常數(shù)，并且與樣品相鄰地提供一定數(shù)量的具有第二介電磁率的材料，第一介電常數(shù)低于第二介電常數(shù)。
31.一種轉(zhuǎn)換能量的方法，包括步驟提供具有鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的樣品；在樣品處于其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度以上時磁化樣品；在樣品處于其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度以下時允許樣品退磁，樣品的退磁引起獨立的磁通；以及將至少一些獨立磁通轉(zhuǎn)換為電流。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，還包括在樣品的高于其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域中維持周圍溫度的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，還包括允許樣品跟隨其磁化冷卻到周圍溫度的步驟。
34.一種轉(zhuǎn)換能量的方法，包括步驟提供呈現(xiàn)出暫時的剩磁的樣品；磁化樣品，從而引起樣品在小于循環(huán)期間的十分之一的時間周期中被磁化，該循環(huán)期間小于萬分之一秒；允許樣品退磁，樣品的退磁引起獨立的磁通；以及將至少一些獨立磁通轉(zhuǎn)換為電流。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中提供樣品的步驟包括步驟提供鐵電流體。
36.根據(jù)權(quán)利要求31-35之一所述的方法，其中提供樣品的步驟包括步驟提供具有第一導(dǎo)磁率的樣品、并且還與樣品相鄰地提供一定數(shù)量的具有第二導(dǎo)磁率的材料，第一導(dǎo)磁率高于第二導(dǎo)磁率。
37.根據(jù)權(quán)利要求31-36之一所述的方法，其中至少一個旋轉(zhuǎn)永磁體磁化樣品。
38.根據(jù)權(quán)利要求31-36之一所述的方法，其中可操作來攜帶流動電流的載體磁化樣品。
39.根據(jù)權(quán)利要求31-36之一所述的方法，其中磁化樣品包括步驟與樣品相鄰提供的伴隨材料，在對該伴隨材料執(zhí)行預(yù)定作用時其再呈現(xiàn)出相變，并且提供對伴隨材料執(zhí)行作用的裝置。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中提供對伴隨材料執(zhí)行預(yù)定作用的裝置的步驟包括提供將靜電磁場施加于伴隨材料的裝置。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中提供對伴隨材料執(zhí)行預(yù)定作用的裝置的步驟包括提供對伴隨材料施加張緊力的裝置。
42.根據(jù)權(quán)利要求31-41之一所述的方法，其中磁化步驟和轉(zhuǎn)換步驟通過可操作來磁化樣品并將至少一些獨立磁通轉(zhuǎn)換為電流的單一裝置執(zhí)行。
43.一種用于轉(zhuǎn)換能量的方法，包括步驟提供具有鐵電轉(zhuǎn)變溫度的樣品；在樣品處于鐵電轉(zhuǎn)變溫度以上時極化樣品中電偶極子的取向；在樣品在其去極化期間處于其鐵電轉(zhuǎn)變溫度以下時允許樣品去極化，樣品的去極化引起產(chǎn)生獨立的電通量；將至少一些獨立電通量轉(zhuǎn)換為電流。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，還包括在樣品的高于其鐵電轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域中維持周圍溫度的步驟。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，還包括允許樣品跟隨其極化冷卻到周圍溫度的步驟。
46.一種轉(zhuǎn)換能量的方法，包括步驟提供呈現(xiàn)出暫時的剩電的樣品；在小于循環(huán)期間的十分之一的時間周期中極化樣品中電偶極子的取向，該循環(huán)期間小于萬分之一秒；允許樣品去極化，樣品的退磁引起獨立的電通量；以及將至少一些獨立電通量轉(zhuǎn)換為電流。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中提供樣品的步驟包括步驟提供鐵電流體。
48.根據(jù)權(quán)利要求43-47之一所述的方法，其中提供樣品的步驟包括步驟提供具有第一介電常數(shù)(permittivity)的樣品，并且還與樣品相鄰地提供一定數(shù)量的具有第二介電常數(shù)的材料，第一介電常數(shù)低于第二介電常數(shù)。
49.根據(jù)權(quán)利要求43-48之一所述的方法，其中至少一個旋轉(zhuǎn)永磁體極化樣品。
50.根據(jù)權(quán)利要求43-48之一所述的方法，其中可操作來攜帶流動電流的載體極化樣品。
51.根據(jù)權(quán)利要求43-50之一所述的方法，其中極化步驟和轉(zhuǎn)換步驟通過可操作來極化樣品并將至少一些獨立電通量轉(zhuǎn)換為電流的單一裝置執(zhí)行
52.根據(jù)權(quán)利要求31-51之一所述的方法，還包括提供循環(huán)系統(tǒng)的步驟，該循環(huán)系統(tǒng)包括其熔點接近樣品的操作溫度范圍的包裹微囊材料。
53.一種根據(jù)權(quán)利要求31-52之一發(fā)電的方法。
54.根據(jù)權(quán)利要求31-52之一的方法，還包括使用該方法產(chǎn)生的熱的步驟。
55.一種制冷方法，其動力通過權(quán)利要求53的方法提供。
56.一種可操作來執(zhí)行權(quán)利要求31-52之一的步驟的動態(tài)熱循環(huán)。
57.一種參考附圖的基本上如前面所述的設(shè)備。
58.一種參考附圖的基本上如前面所述的方法。
59.一種參考附圖的基本上如前面所述的循環(huán)。
60.如前面所述的特征的任何新穎特征或組合。
全文摘要
一種用于執(zhí)行動態(tài)熱循環(huán)的設(shè)備,包括:具有鐵磁相變溫度的樣品;在樣品的鐵磁相變溫度以上磁化樣品的裝置;和把樣品冷卻到其鐵磁相變溫度以下的裝置,其中在樣品處于其鐵磁相變溫度以下時樣品的退磁引起產(chǎn)生獨立的磁通。還公開一種轉(zhuǎn)換能量的方法,包括步驟:提供具有鐵磁相變溫度的樣品;在樣品處于其鐵磁相變溫度以上時磁化樣品;在樣品處于其鐵磁相變溫度以下時允許樣品退磁,樣品的退磁引起獨立的磁通;以及將至少一些獨立磁通轉(zhuǎn)換為電流。還提供類似的鐵電設(shè)備和類似的鐵電方法。
文檔編號H02N11/00GK1376328SQ0080642
公開日2002年10月23日 申請日期2000年4月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月19日
發(fā)明者雷米·奧瑟里·康沃爾 申請人:雷米·奧瑟里·康沃爾