室溫磁制冷設(shè)備綜述

王鐵 曹慶霖 于彤娟

摘 要：目前使用超導(dǎo)磁場的高效室溫磁制冷機的開發(fā)是一個實際的科學(xué)和工程問題。本文針對相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)文獻以及現(xiàn)有專利等材料進行了分析。確立了進一步研究的主要領(lǐng)域，及對其效率進行了比較評估，并討論了具有超導(dǎo)磁系統(tǒng)的磁制冷機的不同概念。

關(guān)鍵詞：磁制冷機;效率;超導(dǎo)

Abstract：At present， the development of high-efficiency room temperature magnetic refrigerators using superconducting magnetic fields is a practical scientific and engineering problem. This article analyzes the scientific and technical literature and existing patents in related fields. The main areas for further research are established. A comparative evaluation of its efficiency was carried out. And discussed the different concepts of magnetic refrigerator with superconducting magnetic system.

Keywords： magnetic refrigerator;efficiency;superconductivity

0.前言

蒸汽壓縮式制冷在日常生活和商業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，蒸汽壓縮式制冷較吸收式制冷、熱電制冷以及空氣循環(huán)制冷更為高效節(jié)能，但是蒸氣壓縮式制冷的發(fā)展已經(jīng)達到了上限，很難再進一步提高其效率。磁制冷機可以有效解決目前使用的蒸氣壓縮制冷機的效率問題，且磁制冷機可以在使用蒸氣壓縮制冷機的同一領(lǐng)域使用。

磁制冷機是一種基于磁熱效應(yīng)（MCE）實現(xiàn)制冷的冷卻裝置，所謂磁熱效應(yīng)是指外加磁場發(fā)生變化時磁性材料的磁矩有序排列發(fā)生變化，即磁熵改變，導(dǎo)致材料自身發(fā)生吸、放熱的現(xiàn)象。在勵磁的過程中，磁性材料的磁矩沿磁場方向由無序到有序，磁熵減小，由熱力學(xué)知識可知此時磁工質(zhì)向外放熱;在去磁的過程中，磁性材料的磁矩沿磁場方向由有序到無序，磁熵增大，此時磁工質(zhì)從外部吸熱。這樣就可以用磁性材料的勵磁-去磁循環(huán)代替使用蒸發(fā)-冷凝和壓縮-膨脹的蒸氣壓縮循環(huán)。理論估計和初步研究的結(jié)果表明，磁制冷循環(huán)比蒸氣壓縮制冷循環(huán)更有效。

磁制冷機具有無環(huán)境污染、高效節(jié)能（磁制冷效率可達到卡諾循環(huán)的30%～60%，而氣體壓縮制冷一般僅為5%～10%）易于小型化、穩(wěn)定可靠[1]等優(yōu)點;但同時也有成本較高（昂貴的磁場源及部分磁性材料）、所需磁場源可能會限制磁制冷機應(yīng)用的缺點。從磁制冷機的優(yōu)點中可以看出，磁制冷機能夠解決蒸氣壓縮制冷機的存在的問題，隨著時間的推移可取代蒸氣壓縮制冷技術(shù)。目前，大多數(shù)發(fā)達國家的研究中心都在進行磁制冷機設(shè)計和研發(fā)。

1? 磁制冷機原理介紹

磁制冷是一種以磁性材料為工質(zhì)的制冷技術(shù)。其基本原理是借助磁制冷材料的可逆磁熱效應(yīng)，又稱磁卡效應(yīng)，即磁制冷材料等溫磁化時，向外界放出熱量，而絕熱退磁時因溫度降低，從外界吸取熱量，達到制冷目的。眾所周知，物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子又由電子和原子核構(gòu)成，電子有自旋磁矩和軌道磁矩，這使得有些物質(zhì)的原子或離子帶有磁矩。順磁性材料的離子或原子磁矩在無外磁場時是雜亂無章的，加外磁場后，原子的磁矩沿外磁場取向排列，使磁矩有序化，從而減少材料的磁熵，因而會向外排出熱量，而一旦去掉外磁場，材料系統(tǒng)的磁有序化減少，磁熵增大，因而會從外界吸取熱量。把這樣兩個絕熱去磁引起的吸熱和絕熱磁化引起的放熱過程，用一個循環(huán)連接起來，就可使磁性材料不斷從一端吸熱而在另一端放熱，從而達到制冷的目的。這就是順磁性材料絕熱去磁在低溫區(qū)獲得磁制冷的原理。在高溫區(qū)，磁制冷是利用鐵磁材料在居里溫度附近等溫去，以獲得大的磁熵變進行制冷的。

1.1 磁制冷機的磁場

已有專利中磁制冷機設(shè)計方案如下：使用永磁體的磁制冷機和使用超導(dǎo)體的磁制冷機。然而，使用永磁體的磁制冷機僅在約1至2cm寬的工作間隙中才能提供高強度磁場[2]。這導(dǎo)致無法將足夠數(shù)量的磁工質(zhì)放置在磁場的工作間隙中，從而降低了整個設(shè)備的制冷能力。

使用LTSC超導(dǎo)體的磁場可以產(chǎn)生超過10T的高強度磁場，超導(dǎo)磁系統(tǒng)已經(jīng)使用了半個多世紀。但是，與兩級低溫制冷機消耗的功率比較，超導(dǎo)磁制冷機沒有優(yōu)勢。如今，世界上正在積極開發(fā)的使用HTSC的超導(dǎo)磁制冷機很有前途。目前，在全球市場上還沒有使用HTSC磁場的磁制冷機的原型。

1.2 主動磁回?zé)崞?/p>

現(xiàn)有的室溫磁制冷機遵循主動磁回?zé)崞鞯难h(huán)，主動磁回?zé)崞鳎ˋMR）是一個裝有磁性材料且允許換熱流體通過的容器。圖1展示了幾種回?zé)崞鞯念愋??；責(zé)崞鞑灰欢ㄈ鐖D1所示那樣為圓筒形，通常選擇橫截面均勻的形狀規(guī)則的容器即可，AMR中通常使用圓柱形和矩形回?zé)崞鳌?/p>

1.3 AMR磁工質(zhì)

現(xiàn)有室溫磁制冷樣機磁工質(zhì)主要使用Gd與鋱、鏑、鉺、釔的合金組合。鑭鐵硅基復(fù)合材料（La（Fe13-x Six））在室溫磁制冷機中的應(yīng)用也是非常有前景的。但是，這些材料具有一級磁相變，磁滯現(xiàn)象會降低磁制冷機的性能，因此，一級磁相變材料不適合用作磁制冷機的磁工質(zhì)。需要注意的是，目前是通過部分元素替代來獲得這種復(fù)合材料，這種方式導(dǎo)致機構(gòu)轉(zhuǎn)變，降低了磁滯值。

1.4 傳熱流體傳輸系統(tǒng)

在室溫AMR磁制冷機中，液體和氣體均被用作傳熱流體。最常見的是，水以及水基混合物。如果設(shè)備在0°C以下的溫度運行，則使用添加劑降低水的凍結(jié)溫度，并且向水中添加防腐添加劑，以防止磁工質(zhì)氧化。

液體與回?zé)崞髦写判圆牧媳砻嫣峁┝撕芎玫膫鳠?，因此，傳熱流體與磁性材料之間的高傳熱系數(shù)是回?zé)崞骱痛胖评錂C整體有效運行所必需的。液態(tài)金屬對系統(tǒng)具有最大的傳熱系數(shù)。因此，建議將它們用作AMR磁制冷機的傳熱流體。目前在納米液體的開發(fā)領(lǐng)域進行了深入的研究。與用作傳熱流體的傳統(tǒng)液體相比，納米液體具有更高的導(dǎo)熱率和傳熱系數(shù)。特別是，據(jù)報道，在原始液體中添加0.4%的納米顆粒可將其導(dǎo)熱系數(shù)提高40%。因此，可以認識到在AMR磁制冷機中使用納米液體作為傳熱流體是有前途的。

2 勵磁-去磁

磁制冷機根據(jù)磁工質(zhì)的勵磁和去磁方法可分為兩類。第一種是通過打開或關(guān)閉磁場繞組中的電流來實現(xiàn)勵磁去磁的設(shè)備。第二種是通過將磁工質(zhì)放置在磁場的工作間隙中來實現(xiàn)磁工質(zhì)的勵磁和去磁的設(shè)備。這種方式可以通過移動磁場（靜止磁工質(zhì)）或?qū)⒋殴べ|(zhì)（靜止磁場）移出磁場來實現(xiàn)。

2.1 超導(dǎo)磁場的切換操作模式

通過在靜止磁工質(zhì)上切換磁場繞組中的電流來提供勵磁-去磁的方法，被應(yīng)用于運行溫度低于20K的卡諾磁循環(huán)磁制冷設(shè)備中–這種設(shè)備稱為絕熱去磁制冷機（AD制冷機）。圖2描繪了AD制冷機的總體框圖。該設(shè)備由一個轉(zhuǎn)換磁場和兩個熱力閥組成，轉(zhuǎn)換磁場是由低溫超導(dǎo)體（LTSC）制成的超導(dǎo)螺線管形成的，兩個熱力閥在帶有冷卻熱負荷和散熱器的卡諾循環(huán)的等溫段提供熱傳遞，并將磁工質(zhì)隔離在絕熱勵磁和去磁對應(yīng)的階段上。

圖2所示磁制冷設(shè)備具有靜止磁工質(zhì)和基于卡諾磁循環(huán)運行的轉(zhuǎn)換磁場（AD制冷機）。表1給出了帶有固定開關(guān)超導(dǎo)磁場源的AMR的參數(shù)。

2.2 磁工質(zhì)的磁場變化：磁工質(zhì)或磁場的運動

第二種磁制冷機包括通過將磁工質(zhì)（回?zé)崞鳎┓胖玫酱艌龌驈拇艌鲋腥〕鰜韺崿F(xiàn)勵磁/去磁的設(shè)備。這種設(shè)備可以通過兩種方法來實現(xiàn)：

1）磁工質(zhì)靜止，磁場相對于磁工質(zhì)移動（圖3a和3c）;

2）磁場靜止，磁工質(zhì)相對于磁場移動（圖3b和3d）。

2.3 磁工質(zhì)和靜止磁場的線性運動

圖4所示磁制冷機包括一個基于LTSC靜止磁場，氣動線性驅(qū)動器，傳熱流體流向轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，泵，冷熱熱交換器包括回?zé)崞鱎1和R2，以及連接所有機器部件并形成回路的管道。

該磁制冷機中使用了一個復(fù)合回?zé)崞?，它包括兩個相同的回?zé)崞?，這些回?zé)崞餍枰来畏湃氪艌龅墓ぷ鏖g隙中。這種方法可以部分補償將回?zé)崞饕瞥龃艌鏊璧牧?。尤其是，從磁場的工作間隙中向上部移出R1回?zé)崞鲿r，顯露的R2回?zé)崞鲗⒃谥亓ψ饔孟卤晃肫渲校瑫r會阻礙R1回?zé)崞骰氐酱艌龅墓ぷ鏖g隙中。因此，作用在R1和R2上的驅(qū)動力將得到部分補償，從而減小了驅(qū)動器在設(shè)備操作過程中必須提供的力，并減少了驅(qū)動器消耗的功率。

3 結(jié)論

勵磁-去磁的最佳方法如下：切換磁場繞組中的工作電流，以及使回?zé)崞髋c磁工質(zhì)相對于磁場的工作間隙進行機械運動。 在后一種情況下，機械運動可分為線性運動和旋轉(zhuǎn)運動。

水基溶液和添加了添加劑的懸浮液可以降低水的腐蝕性，改善水的熱交換特性，可用作傳熱流體。

稀土金屬釓與鋱、鏑、鉺、釔的合金組合可用作磁工質(zhì)。這些金屬具有良好的機械性能，可以生產(chǎn)不同形式的磁工質(zhì)-粉末、球形顆粒和薄板，且尺寸范圍廣，這對于優(yōu)化主動磁回?zé)崞鞯倪\行參數(shù)是必要的。此外，在回?zé)崞髦惺褂冕徍辖鸷推渌叵⊥两饘賹⒂锌赡芴峁┳钣行У拇艧嵝?yīng)。

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通訊作者簡介：

于彤娟（1978年11月-），女，漢族，內(nèi)蒙古赤峰市人，本科學(xué)歷，研究方向：制冷設(shè)備研發(fā)。