室溫磁制冷機(jī)研究進(jìn)展及分析

童 瀟，申利梅*，李 亮，李惠琳，許佳奇，陳煥新，呂以亮

（1.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074；2.華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，武漢 430074；3.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引言

磁制冷是一種對(duì)環(huán)境無污染、高效節(jié)能的新型制冷技術(shù)。與傳統(tǒng)蒸氣壓縮式制冷技術(shù)相比，磁制冷采用固體磁材料作為制冷工質(zhì)，以水等流體作為換熱介質(zhì)，對(duì)環(huán)境友好；單位體積磁材料的磁熵密度比蒸氣大，裝置結(jié)構(gòu)緊湊；運(yùn)動(dòng)部件少且運(yùn)行頻率低，振動(dòng)和噪聲小；效率可達(dá)卡諾循環(huán)的30%～60%（蒸氣壓縮制冷效率一般僅為卡諾循環(huán)的5%～10%），因此磁制冷技術(shù)有顯著的節(jié)能潛力[1]。

40多年來，有許多學(xué)者從室溫磁制冷的基本原理[2-3]、制冷循環(huán)[4]及應(yīng)用情況[5-7]等角度對(duì)室溫磁制冷技術(shù)進(jìn)行了研究總結(jié)，為開展室溫磁制冷研究以及了解磁制冷動(dòng)態(tài)提供了幫助。隨著磁熱材料的發(fā)展，為了進(jìn)一步推進(jìn)室溫磁制冷機(jī)的應(yīng)用，本文綜述了當(dāng)前室溫磁制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能及發(fā)展方向。首先，對(duì)磁制冷原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，然后簡(jiǎn)述了當(dāng)前室溫磁制冷機(jī)的研究進(jìn)展，并結(jié)合典型樣機(jī)，總結(jié)了已有的往復(fù)式與旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能，最后，預(yù)測(cè)了室溫磁制冷機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 磁制冷理論基礎(chǔ)

1.1 磁熱效應(yīng)

磁制冷的基本原理是磁性材料的磁熱效應(yīng)（magnetocaloric effect，MCE），即外磁場(chǎng)（H）的變化引起磁性材料內(nèi)部磁熵改變并伴隨著吸熱和放熱的一種現(xiàn)象，是磁性材料的固有特性[8]，通常用絕熱溫變和等溫磁熵變表征[9-10]。圖1簡(jiǎn)要說明了磁熱效應(yīng)的原理[11]：電子有自旋磁矩和軌道磁矩，使得材料的原子帶有磁矩。（a）不加磁場(chǎng)時(shí)，磁性材料內(nèi)部磁矩的取向是雜亂無序的，此時(shí)材料的磁熵較大；（b）施加磁場(chǎng)后，磁性材料被磁化，磁矩沿磁場(chǎng)方向排列，由無序變?yōu)橛行?，材料的磁熵減小，向外界放熱；（c）移除磁場(chǎng)時(shí)，磁性材料退磁，其磁矩又趨于無序，磁熵增大，從外界吸熱，從而達(dá)到制冷目的。

圖1 磁熱效應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram ofmagnetocaloric effect

1.2 磁制冷循環(huán)

磁性材料磁熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量需要通過熱力循環(huán)來實(shí)現(xiàn)熱交換。常見的磁制冷循環(huán)有磁卡諾循環(huán)（Carnot）、磁斯特林循環(huán)（Stirling）、磁埃里克森循環(huán)（Ericsson）和磁布雷頓循環(huán)（Brayton），四種循環(huán)的比較如表1所列[12]。

表1 四種磁制冷循環(huán)的比較Tab.1 Com parison of fourm agneticre frigeration cycles

根據(jù)循環(huán)的適用溫區(qū)和實(shí)現(xiàn)的難易程度，磁布雷頓循環(huán)是目前室溫磁制冷最常用的循環(huán)。與其他三種循環(huán)相比，磁布雷頓循環(huán)適用溫區(qū)大，外磁場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，絕熱過程可通過磁場(chǎng)或磁性材料的快速移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。以磁布雷頓循環(huán)為例，對(duì)磁制冷循環(huán)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，如圖2所示。

（a）絕熱磁化：在絕熱條件下施加磁場(chǎng)，磁熱效應(yīng)導(dǎo)致磁性材料的溫度升高，對(duì)應(yīng)圖2（b）的1～2過程。

（b）等磁場(chǎng)換熱：磁場(chǎng)保持最大值，水泵或活塞驅(qū)動(dòng)流體流經(jīng)磁性材料并與之換熱，流體被加熱而磁性材料被冷卻，之后流體進(jìn)入熱端換熱器將熱量傳遞給環(huán)境，對(duì)應(yīng)圖2（b）的2～3過程。

（c）絕熱退磁：在絕熱條件下移除磁場(chǎng)，磁熱效應(yīng)導(dǎo)致磁性材料的溫度降低，對(duì)應(yīng)圖2（b）的3～4過程。

（d）等磁場(chǎng)換熱：水泵或活塞驅(qū)動(dòng)流體反向流經(jīng)磁性材料并與之換熱，流體被冷卻而磁性材料被加熱，之后流體進(jìn)入冷端換熱器吸收熱源熱量，實(shí)現(xiàn)制冷目的，對(duì)應(yīng)圖2（b）的4～1過程，至此完成整個(gè)循環(huán)。

圖2 磁制冷循環(huán)原理圖Fig.2 Schematic diagram ofmagnetic refrigeration cycle

2 室溫磁制冷機(jī)研究進(jìn)展

1976年，美國NASA的Brown[18]搭建了世界上第一臺(tái)室溫磁制冷機(jī)。隨后40多年，新型室溫磁制冷機(jī)不斷被研制出來，磁制冷機(jī)的制冷性能也不斷提高。目前，文獻(xiàn)可查的室溫磁制冷機(jī)已有60余臺(tái)。如圖3（a）所示。2000年以前，室溫磁制冷機(jī)的發(fā)展較為緩慢，主要集中在磁熱材料開發(fā)[19-21]與磁場(chǎng)性能研究[22]等方面。

圖3 1976以來室溫磁制冷機(jī)的研究進(jìn)展Fig.3 Advances in room temperaturemagnetic refrigerator since 1976

2000年以后，受能源和環(huán)境危機(jī)的影響，室溫磁制冷機(jī)進(jìn)入快速發(fā)展階段。室溫磁制冷機(jī)的核心部件包括磁場(chǎng)系統(tǒng)和回?zé)崞飨到y(tǒng)，根據(jù)部件運(yùn)轉(zhuǎn)形式的不同，可分為往復(fù)式磁制冷機(jī)和旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)。如圖3（b）所示，往復(fù)式磁制冷機(jī)與旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)發(fā)展較為平衡，近10年后者的發(fā)展速度稍快。圖3（c）列舉了一些典型的室溫磁制冷機(jī)，從首臺(tái)室溫磁制冷機(jī)的提出到商用室溫磁制冷酒柜問世，室溫磁制冷機(jī)在結(jié)構(gòu)和性能方面都有了很大的改善。

3 往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

室溫磁制冷機(jī)主要由主動(dòng)磁回?zé)崞鳎ˋMR）、磁場(chǎng)系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。往復(fù)式磁制冷機(jī)的AMR大多是圓柱或長方體結(jié)構(gòu)，分別填充顆粒狀或片狀的磁制冷工質(zhì)，置于磁場(chǎng)間隙內(nèi)。磁場(chǎng)源主要有超導(dǎo)磁體、電磁體以及永磁體。往復(fù)式磁制冷機(jī)中磁場(chǎng)一般固定，AMR做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)槌瑢?dǎo)磁體與電磁體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且有較多的外部連接設(shè)備，因此不適合做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。永磁體的體積與質(zhì)量都偏大，如Tagliafico等[23]研制的磁制冷機(jī)的磁場(chǎng)裝置重達(dá)35 kg，如果采取磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方式，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中會(huì)因磁體慣性過大而難以有效制動(dòng)。

換熱系統(tǒng)由冷熱端換熱器、換熱流體及其附屬部件（管道、閥門等）組成。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)AMR及換熱流體往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并控制各部件的啟停，以實(shí)現(xiàn)磁制冷循環(huán)。AMR的驅(qū)動(dòng)一般采用電動(dòng)直線傳動(dòng)（如步進(jìn)電機(jī)搭配滾珠絲桿、線性導(dǎo)軌、電動(dòng)滑臺(tái)等）及鏈條-齒輪傳動(dòng)等方式。鏈條-齒輪機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性低、精度差、噪音大，且沒有方向制動(dòng)能力。因此，現(xiàn)有往復(fù)式磁制冷機(jī)普遍采用電機(jī)與導(dǎo)軌搭配的電動(dòng)直線傳動(dòng)方式。換熱流體的驅(qū)動(dòng)有兩種方式，分別是采用流體泵泵送流體的直接驅(qū)動(dòng)以及利用氣缸驅(qū)動(dòng)氣體、氣體驅(qū)動(dòng)流體的間接驅(qū)動(dòng)方式。采用直接驅(qū)動(dòng)方式時(shí)一般為儲(chǔ)液器儲(chǔ)存流體、換熱流體與泵體接觸，泵體的熱量被帶入循環(huán)系統(tǒng)，使得制冷機(jī)效率降低。間接驅(qū)動(dòng)方式可以避免以上問題，但驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，且有氣體泄露等隱患。

往復(fù)式磁制冷機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝拆卸方便、易于控制、實(shí)驗(yàn)測(cè)試便利等優(yōu)點(diǎn)，一直是眾多科研工作者研究室溫磁制冷的首選。從1976年Brown[18]發(fā)明的第一臺(tái)往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)開始，文獻(xiàn)可查的往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)約有29臺(tái)。根據(jù)AMR的數(shù)量，往復(fù)式磁制冷機(jī)可分為單AMR型與雙AMR型。

3.2 磁制冷機(jī)分類及性能對(duì)比

3.2.1 單AMR型往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)

單AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)是只采用一個(gè)AMR和磁場(chǎng)源的磁制冷機(jī)，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示[24]。其中，AMR為圓柱結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)靜止而AMR做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。單AMR磁制冷機(jī)一般采用單流路結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制流動(dòng)方向。1976年至今，單AMR型磁制冷機(jī)約有17臺(tái)，表2總結(jié)了這些磁制冷機(jī)的材料種類、運(yùn)行參數(shù)以及系統(tǒng)性能。

圖4 典型單AMR型往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Typicalsingle AMR reciprocating room temperature magnetic refrigerator

早期的往復(fù)式磁制冷機(jī)采用超導(dǎo)磁體作為磁場(chǎng)源。1976年Brown[18]與1990年Green等[25]分別研制了兩臺(tái)往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)，兩臺(tái)磁制冷機(jī)都采用了磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)7 T的超導(dǎo)磁體，但制冷性能并不理想。Brown的磁制冷機(jī)由于沒有使用AMR，運(yùn)行時(shí)磁制冷工質(zhì)在蓄冷液體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，蓄冷液體溫度場(chǎng)受到擾動(dòng)，導(dǎo)致蓄冷器溫度梯度變小，制冷機(jī)的制冷性能未達(dá)到預(yù)期值。雖然后期Brown的磁制冷機(jī)溫差可達(dá)80 K，但其制冷量仍非常小。Green等的磁制冷機(jī)采用氮?dú)庾鳛閾Q熱流體，由于氮?dú)鉄崛葺^小，無法完全帶走磁工質(zhì)熱量；此外，超導(dǎo)磁體需要液氦冷卻造成系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高，且勵(lì)磁和退磁分別需要30 s，使磁制冷機(jī)運(yùn)行頻率過低，進(jìn)一步限制了磁制冷機(jī)性能的提高，因此后期的磁制冷機(jī)大多采用永磁體和電磁體。

2005年高強(qiáng)等[26-27]與2008年Nakamura等[24]分別利用電磁體（2.18 T）和永磁體（2 T）研制了兩臺(tái)單AMR型磁制冷機(jī)，兩臺(tái)磁制冷機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度相差不大，但性能差距較大，制冷溫差分別為3 K和20 K。高強(qiáng)等的磁制冷機(jī)采用了雙流路結(jié)構(gòu)，4個(gè)電磁閥控制流體流向，水泵直接驅(qū)動(dòng)換熱流體。電磁閥與水泵運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱量，降低了磁制冷機(jī)性能。Nakamura等的磁制冷機(jī)流路較為簡(jiǎn)單，通過活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，避免了電磁閥和水泵的使用，因此制冷溫差較大。由此可見，磁制冷機(jī)的流路對(duì)其性能影響較大。Tu?ek等[28]在典型單AMR磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)上，對(duì)磁制冷機(jī)的流路進(jìn)行了優(yōu)化。如圖5所示，Tu?ek等將AMR工質(zhì)床與冷熱端換熱器集成在一起，使換熱流體經(jīng)過的流路最短，大幅降低了死體積和壓降，減少了熱量損失，最終制冷機(jī)獲得了20 K（磁場(chǎng)強(qiáng)度：1.15 T）的制冷溫差。單AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)的制冷量與制冷溫差普遍較低，基于上述分析及表2結(jié)果發(fā)現(xiàn)原因可能有：（1）磁場(chǎng)強(qiáng)度較低，大多低于2 T；（2）磁制冷機(jī)運(yùn)行頻率較低，低于1 Hz；（3）冷熱流體混合及死體積問題嚴(yán)重；（4）部分以氣體為換熱流體的樣機(jī)流體的熱容流率過小，換熱不充分。

圖5 采用新穎結(jié)構(gòu)的單AMR磁制冷機(jī)Fig.5 Room temperaturemagnetic refrigeratingmachinew ith novel structure

表2 單AMR型往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)匯總Tab.2 Summary of single AMR typemagnetic refrigerator

3.2.2 雙AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)

單AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是運(yùn)行頻率普遍較低。單個(gè)AMR在一個(gè)機(jī)械周期里只經(jīng)歷一次制冷循環(huán)過程，大幅限制了樣機(jī)的運(yùn)行頻率，而樣機(jī)運(yùn)行頻率在一定程度上決定了制冷性能的好壞，頻率高則相同時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生更大的制冷量。

雙AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)采用了兩個(gè)AMR，能利用更多的磁熱材料，提升了制冷能力，其典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)一個(gè)AMR勵(lì)磁時(shí)，另一個(gè)AMR退磁，在一個(gè)機(jī)械周期內(nèi)實(shí)際經(jīng)歷了兩個(gè)制冷循環(huán)，樣機(jī)運(yùn)行頻率得以提高。此外，雙AMR的結(jié)構(gòu)可以大幅減小樣機(jī)所受磁力，降低磁制冷機(jī)功耗。Hirano等[41]測(cè)量發(fā)現(xiàn)，4 T磁場(chǎng)下單AMR結(jié)構(gòu)受到約8 000 N的磁力，雙AMR結(jié)構(gòu)所受磁力減少至1 600 N。1976年至今，雙AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)約有12臺(tái)，如表3所列。

表3 雙AMR型往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)匯總Tab.3 Summary of dualAMR type magnetic refrigerator

與單AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)類似，早期雙AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)采用超導(dǎo)磁體作為磁場(chǎng)源[41，53]。如Zimm等[42]利用超導(dǎo)磁體研制了首臺(tái)雙AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，樣機(jī)連續(xù)運(yùn)行了5 000 h以上，獲得了38 K的最大溫差和600 W的最大制冷量。雖然該磁制冷機(jī)的制冷溫差和制冷量大等優(yōu)點(diǎn)突出，但也存在不足：受永磁體技術(shù)限制，制冷機(jī)使用了超導(dǎo)磁體，以致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，應(yīng)用受到限制。

與Zimm等采用超導(dǎo)磁體不同，栗鵬等[45]、Yao等[46]利用永磁體研制了一臺(tái)雙AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)，如圖6（b）所示，樣機(jī)采用雙磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)AMR交替進(jìn)出磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)，最終獲得最低制冷溫度270.36 K，最大溫差42.3 K，最大制冷量51.3 W。該制冷機(jī)溫差較大，但制冷量仍有待提高。由于使用氦氣作為換熱流體，而氦氣的熱容量受充氣壓力限制無法提高，導(dǎo)致制冷機(jī)性能不高。因此，后續(xù)研究者多采用水等液體作為換熱流體[47-49，51-52]。

雙AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)可連續(xù)制冷，提高了制冷量，但對(duì)換熱與運(yùn)行控制的要求更高。2017年張順[51]設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)，結(jié)構(gòu)與栗鵬等[45]的類似，如圖6（c）所示。作者對(duì)磁制冷機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并證明了濃度為2%的氫氧化鈉水溶液對(duì)工質(zhì)Gd的緩蝕效果最好，為后續(xù)磁制冷機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。測(cè)試磁制冷機(jī)性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AMR進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)熱端換熱流體仍向冷端流動(dòng)，冷熱流體混合，最終僅獲得約4 K的制冷溫差。此外，由于采用了塑料接頭，系統(tǒng)氣密性較差，水泵啟動(dòng)時(shí)可能將空氣吸入管路中，換熱管路中存在氣泡，降低了磁制冷機(jī)的制冷性能。解決上述問題后，獲得約7 K的制冷溫差，然而磁制冷機(jī)的性能仍須進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 典型雙AMR型往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)Fig.6 TypicaldualAMR reciprocating room temperaturemagnetic refrigerator

相對(duì)于單AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)，雙AMR型磁制冷機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷，制冷性能有了一定的提升，但其流路和運(yùn)行控制更為復(fù)雜，同時(shí)也存在運(yùn)行頻率較低的問題。

4 旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)

4.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)通過磁場(chǎng)和AMR的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)AMR的勵(lì)磁和退磁。與雙AMR型往復(fù)式磁制冷機(jī)一樣，旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)也能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)制冷，區(qū)別在于，前者為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷，換熱流體必須配合兩個(gè)AMR的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)改變流向，因此，流體不是單向流動(dòng)，易出現(xiàn)死體積與冷熱流體混合等問題。而旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)中換熱流體一般為單向流動(dòng)，避免了死體積與流體混合問題。

往復(fù)式磁制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)有很大的慣性力，限制了其運(yùn)行頻率的提高，導(dǎo)致磁制冷機(jī)制冷性能無法提升。旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)由于采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，慣性力影響較小，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率。此外，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要的空間較往復(fù)運(yùn)動(dòng)小，因而系統(tǒng)緊湊；驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)和AMR相對(duì)運(yùn)動(dòng)的功耗更小，制冷機(jī)效率更高。高頻率運(yùn)行也對(duì)磁制冷機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，磁制冷機(jī)流路與散熱器都要更加精細(xì)地設(shè)計(jì)，確保在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的換熱效果，同時(shí)要確保運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)與低噪聲。

從1978年Steyert[54]設(shè)計(jì)出世界上第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷樣機(jī)至今，文獻(xiàn)可查的旋轉(zhuǎn)式磁制冷樣機(jī)約有33臺(tái)，按磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)可分為非嵌套磁場(chǎng)型和嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)。

4.2 磁制冷機(jī)分類及性能對(duì)比

4.2.1 非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)

1978年Steyert[54]設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)。此類磁制冷機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖7所示，磁場(chǎng)大多為半圓環(huán)形狀，AMR為圓盤狀。

圖7 典型非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)Fig.7 Typicalnon-nestedmagnetic field rotarymagnetic refrigerator

AMR或磁場(chǎng)在電機(jī)帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得磁制冷工質(zhì)周期性勵(lì)磁和退磁，從而實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。自1978年至今文獻(xiàn)可查的非嵌套型磁制冷機(jī)約有18臺(tái)，如表4所列。

表4 非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)匯總Tab.4 Summ ary of non-nested m agnetic field rotarym agnetic refrigerator

國內(nèi)外研究人員提出了多種非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了優(yōu)化。1985年日本青木亮三[56]研制了一臺(tái)非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示。利用機(jī)械接觸式熱開關(guān)與串級(jí)的原理，將多個(gè)AMR縱向串聯(lián)起來，在串聯(lián)鏈的兩端形成較大的溫差。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度只有0.6 T、缺少優(yōu)質(zhì)熱開關(guān)、塊狀工質(zhì)傳熱能力不足，最終6級(jí)串級(jí)（150 g Gd）的總溫差只有0.46 K。利用串級(jí)方法獲取大制冷溫差的思路是值得借鑒的。四川大學(xué)唐永柏[58]研制了一臺(tái)結(jié)構(gòu)類似的旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)，并做了相應(yīng)的改進(jìn)，如圖8（b）所示。采用流體傳熱替代了機(jī)械式熱開關(guān)傳熱，采用片狀工質(zhì)代替塊狀工質(zhì)；改進(jìn)了磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.65 T；采用輔一級(jí)預(yù)冷，利用上一級(jí)的冷量預(yù)冷下一級(jí)；使用了2級(jí)串級(jí)（36 g Gd片），最終得到4.09 K的制冷溫差，提升效果顯著。

圖8 串級(jí)旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)Fig.8 Cascade rotary room temperaturemagnetic refrigerator

東京工業(yè)大學(xué)Okamura[60]首次將分層床技術(shù)應(yīng)用于非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖9（a）所示。四種不同居里溫度的釓基合金材料分別填充于AMR床層內(nèi)，因此AMR內(nèi)各層材料均在其居里溫度附近工作，可以充分利用各材料的磁熱效應(yīng)，獲得更高的制冷性能。然而，由于磁制冷機(jī)旋轉(zhuǎn)不連續(xù)，勵(lì)磁與退磁過程后有一段靜止的換熱時(shí)間，使得磁制冷機(jī)運(yùn)行頻率降低。此外，由于磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致渦流損耗較大，最終僅獲得60 W的最大制冷量和8 K的最大制冷溫差。隨后，Okamura等[63]對(duì)磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖9（b）所示。將鐵軛分為20個(gè)環(huán)，環(huán)之間設(shè)絕緣體，減小了焦耳熱以及由磁鐵旋轉(zhuǎn)引起的軛內(nèi)溫升，大幅降低了渦流損耗。然后將磁制冷機(jī)尺寸擴(kuò)大，采用更多的磁熱材料；改變AMR內(nèi)流道形狀，減小流動(dòng)壓損；最后，優(yōu)化了磁體結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)強(qiáng)度由0.77 T提高到1.1 T；最終最大制冷量提高了約8.3倍，但是由于磁制冷機(jī)旋轉(zhuǎn)不連續(xù)導(dǎo)致的運(yùn)行頻率低的問題仍未解決。

圖9 幾種非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)Fig.9 Typicalnon-nestedmagnetic field rotarymagnetic refrigerator

為解決運(yùn)行頻率低的問題，Zimm等[59，72]于2006年研制了一臺(tái)工質(zhì)旋轉(zhuǎn)型磁制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖9（c）所示。采用一種特殊的旋轉(zhuǎn)閥，使磁制冷機(jī)能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行頻率大幅提高，最高可達(dá)4 Hz；測(cè)試了Gd、GdEr和LaFeSiH合金的制冷能力，發(fā)現(xiàn)LaFeSiH是一種很有潛力的磁制冷材料，但由于受AMR多孔床層高壓降的限制，未能測(cè)試其在更高流量下的制冷性能。此外，由于AMR不斷旋轉(zhuǎn)，給測(cè)量AMR床層的溫度帶來了困難。隨后，針對(duì)該磁制冷機(jī)的不足，研制團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了一臺(tái)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)型磁制冷機(jī)，如圖9（d）所示[64]。首先，采用兩塊Halbach磁鐵，合理布置它們使得磁制冷機(jī)內(nèi)部受力平衡。其次，AMR床層靜止，流體流經(jīng)AMR和換熱器的時(shí)間比上一代磁制冷機(jī)少，運(yùn)行頻率更高。但是，磁制冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)壓力損耗較大，性能沒有達(dá)到預(yù)期值，實(shí)際制冷量約為理論值的75%。結(jié)合上兩次的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，2014年該團(tuán)隊(duì)[67]研制了一臺(tái)大型旋轉(zhuǎn)磁制冷機(jī)，如圖9（e）所示。該磁制冷機(jī)沿用了上一代磁制冷機(jī)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)閥，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在高于室溫的工作溫度下，在12 K的制冷溫差下提供2 kW的制冷量。為此，Zimm等在12個(gè)環(huán)狀排列的AMR單元內(nèi)填充了六層不同居里溫度的LaFeSiH系列合金，滿足所需溫區(qū)的要求，這是一級(jí)相變材料在室溫磁制冷機(jī)中非常成功的一次嘗試。該機(jī)在零溫差下獲得3 042 W制冷量，在11 K溫差下獲得2 502 W的制冷量，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，這是目前永磁室溫磁制冷機(jī)所獲得的最大制冷量。

2012年丹麥科技大學(xué)的Engelbrecht等[66]研制了一臺(tái)可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的千瓦級(jí)室溫磁制冷機(jī)，如圖9（f）所示。該機(jī)采用Halbach磁鐵，擁有4個(gè)磁極，這意味著一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)4次制冷循環(huán)，大幅提高了工作頻率。由于磁制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)流動(dòng)阻力較低的AMR單元可獲得較高的流體份額，為了減少相鄰AMR單元的流動(dòng)阻力差異，對(duì)床層進(jìn)行了優(yōu)化布置，使AMR單元之間的竄流降至最低；設(shè)計(jì)了一套閥門系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)閥控制流體流動(dòng)方向；每個(gè)AMR單元有4個(gè)流體進(jìn)出專用通道，流體只能單向流動(dòng)，避免了死體積問題，互相分隔的流道還避免了冷熱流體混合造成的損失。該機(jī)獲得了1 010 W的最大制冷量以及13.8 K的最大制冷溫差，其熱力學(xué)第二定律效率為11.3%，是目前報(bào)道的最高效率。

綜上所述，目前的非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)較往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)制冷性能有較大的提升，原因有：（1）運(yùn)行頻率提高，使制冷性能改善；（2）換熱流體多為單向流動(dòng)，避免了冷熱流體混合及死體積造成的能量損失問題；（3）采用了分層床技術(shù)，利用居里溫度不同的多種磁制冷工質(zhì)提高制冷能力。然而非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)存在流路復(fù)雜、管道連接處多、流體泄漏等問題，其流路系統(tǒng)還須進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2.2 嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)

為了解決非嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)流路復(fù)雜、管道連接處多等問題，2005年Shir等[73]提出嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)。這種磁制冷機(jī)的磁場(chǎng)由內(nèi)外同心圓筒形永磁體組成的嵌套磁場(chǎng)提供，內(nèi)外圓筒磁體按照Halbach陣列排布，是工程上理想結(jié)構(gòu)的近似，可以用最少量的磁體產(chǎn)生最強(qiáng)的磁場(chǎng)。外圓筒一般靜止，電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)圓筒旋轉(zhuǎn)，當(dāng)內(nèi)外圓筒磁場(chǎng)矢量相反時(shí)，內(nèi)外磁場(chǎng)相互抵消，此時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度最低，如圖10（a）所示；當(dāng)內(nèi)外圓筒磁場(chǎng)矢量同向時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度最高，如圖10（b）所示[74]。AMR一般為圓柱結(jié)構(gòu)，靜止安裝在嵌套磁場(chǎng)的中心圓孔內(nèi)，可以像往復(fù)式磁制冷機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)工質(zhì)床與流路的緊密連接，避免由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的一系列問題。磁制冷機(jī)基本結(jié)構(gòu)與往復(fù)式磁制冷機(jī)相似，既可采用單AMR也可以采用雙AMR，因此，也有人稱這類磁制冷機(jī)為往復(fù)-旋轉(zhuǎn)復(fù)合式室溫磁制冷機(jī)。2005年至今，文獻(xiàn)可查的嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)約有15臺(tái)，如表5所列。

表5 嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)匯總Tab.5 Summary ofnestedmagnetic field type rotarymagnetic refrigerator

圖10 嵌套磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行示意圖Fig.10 Diagram of nestedmagnetic field structure and operation

維多利亞大學(xué)Tura等[75]先后研制了三代嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)，圖11（a）所示為其研制的第一代磁制冷機(jī)。該機(jī)采用兩組嵌套Halbach磁場(chǎng)與AMR實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷，各部件易于拆卸、更換。但是磁制冷機(jī)性能較差，最大溫差僅為13.2 K，原因是嵌套磁場(chǎng)中心孔徑較小，能容納的制冷工質(zhì)較少，制冷能力有限；此外，由于磁場(chǎng)內(nèi)外圓筒磁體尺寸不同，最低磁場(chǎng)強(qiáng)度不為零，導(dǎo)致AMR退磁時(shí)磁場(chǎng)變化量減小，磁熱效應(yīng)減小。另一方面，由于采用碎片Gd作為制冷工質(zhì)，流阻較大，流體黏性損耗較大，造成磁制冷機(jī)性能下降，高頻率運(yùn)行時(shí)更為顯著。

圖11 嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)Fig.11 Nestedmagnetic field rotarymagnetic refrigerator

基于此，該團(tuán)隊(duì)對(duì)磁制冷機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化[74-76]，首先，采用Gd球代替Gd碎片，將工質(zhì)質(zhì)量從86 g增加到110 g；其次，通過優(yōu)化流路降低壓降，并采用換熱面積大、換熱效果好、阻力小的鋁制板式換熱器。優(yōu)化后的磁制冷機(jī)獲得了29 K的最大制冷溫差和50 W的最大制冷量。然而，嵌套磁場(chǎng)存在的問題仍未解決，獲得的制冷量仍不滿足實(shí)際應(yīng)用。為了改進(jìn)其性能，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了第三代嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)，如圖11（b）所示[78]。第三代磁制冷機(jī)的磁場(chǎng)、AMR尺寸以及流路都進(jìn)行了改進(jìn)。內(nèi)外兩層圓筒Halbach磁體陣列被改為內(nèi)、中、外三層同心圓筒磁體，增加了磁場(chǎng)均勻性和強(qiáng)度。磁場(chǎng)優(yōu)化使得AMR尺寸更大，且內(nèi)磁體靜止使得AMR和磁體間隙可以更小，能更好地利用磁場(chǎng)。在流路方面，采用多個(gè)止回閥，并且將流道分開，減少了死體積與冷熱流體混合問題。最終磁制冷機(jī)獲得最大制冷溫差33 K和最大制冷量96 W，較上一代磁制冷機(jī)分別提高了13.8%和92%。

為了進(jìn)一步提升磁制冷機(jī)的性能，張弘團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地將磁制冷與斯特林氣體制冷相耦合，研制了嵌套磁場(chǎng)型耦合式室溫磁制冷機(jī)[77，82，88-89]。2011年，該團(tuán)隊(duì)研制了第一臺(tái)嵌套磁場(chǎng)型耦合斯特林制冷室溫磁制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖12（a）所示[77]。磁制冷的AMR系統(tǒng)和斯特林氣體回?zé)嶂评涞臍飧谆钊到y(tǒng)結(jié)合在一起，既實(shí)現(xiàn)了氣體工質(zhì)的壓縮與膨脹，還為換熱流體提供了驅(qū)動(dòng)力。磁制冷機(jī)冷端溫度最低至265.45 K，最大制冷溫差達(dá)39.4 K，10 K溫差下最大制冷量達(dá)50.5 W。然而，由于電機(jī)散熱困難且流體壓損較大，磁制冷機(jī)制冷量損失較大。為了解決上述問題，該團(tuán)隊(duì)對(duì)磁制冷機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)[88-89]，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)由內(nèi)置改為外置，避免了電機(jī)散熱困難導(dǎo)致的冷量損失；其次，將釓屑換成規(guī)整釓條，使得換熱流體在AMR內(nèi)的流動(dòng)阻力變小，壓損變小，且運(yùn)行頻率可進(jìn)一步提高，從而獲得了更好的制冷性能；最后，在冷端換熱器和膨脹腔之間增設(shè)緩沖管，減小了由于熱流體流向膨脹腔造成的損失[89]。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖12（b）所示。磁制冷機(jī)冷端最低至256.65 K，最大制冷溫差47.5 K，12.5 K溫差下最大制冷量58 W，較改進(jìn)前分別提升了114%、20.5%和14.3%。與純斯特林制冷機(jī)相比，制冷性能提升了24%。

圖12 嵌套磁場(chǎng)型耦合磁制冷機(jī)Fig.12 Nestedmagnetic field coupledmagnetic refrigerator

嵌套磁場(chǎng)型旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)結(jié)合了旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)和往復(fù)式磁制冷機(jī)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，運(yùn)行易于控制，符合小型化、緊湊型發(fā)展趨勢(shì)；可根據(jù)需求增加AMR的數(shù)量，提高制冷量；靜止的AMR避免了流路復(fù)雜、流體泄漏等問題；此外，可與其他制冷方式耦合提升制冷機(jī)的性能。然而，由于嵌套磁場(chǎng)中心孔徑較小，能容納的制冷工質(zhì)較少，磁體的利用率不高，制冷能力有限；此外，由于磁場(chǎng)內(nèi)外圓筒形磁體尺寸不同，最低磁場(chǎng)強(qiáng)度不為零，導(dǎo)致AMR退磁時(shí)磁場(chǎng)變化量較小，磁制冷工質(zhì)磁熱效應(yīng)減小，進(jìn)而導(dǎo)致制冷性能下降，因此仍需要對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

5 室溫磁制冷機(jī)未來發(fā)展趨勢(shì)

往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、各部件更換方便、易于監(jiān)測(cè)和控制，但運(yùn)行頻率難以提高，制冷性能提升受限。此外，往復(fù)運(yùn)動(dòng)需要一定的推拉空間，不利于磁制冷機(jī)的小型化和緊湊化，限制了往復(fù)式室溫磁制冷機(jī)的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)不需要推拉空間，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行頻率較容易提高，且AMR數(shù)量較多，符合磁制冷機(jī)高頻化、小型化、大制冷量發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。然而旋轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在連接處多、管路復(fù)雜等問題，尤其須要充分考慮流路結(jié)構(gòu)以防止流體泄漏等問題。此外，較高的運(yùn)行頻率對(duì)AMR及冷熱端換熱器的換熱要求更高，如何在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)充分換熱是今后須要解決的問題。為了提高室溫磁制冷機(jī)的制冷性能，未來可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破：

（1）優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高磁制冷機(jī)運(yùn)行頻率。

（2）采用具有高強(qiáng)度、高頻率的脈沖磁場(chǎng)，充分開發(fā)磁熱材料的磁熱效應(yīng)，提高磁制冷機(jī)制冷能力；利用靜止的勵(lì)磁和退磁方式，提高磁制冷機(jī)運(yùn)行頻率和效率。

（3）優(yōu)化AMR的結(jié)構(gòu)，減小死體積效應(yīng)和流體流動(dòng)阻力，強(qiáng)化AMR以及冷熱端換熱器的換熱能力。

（4）基于分層床技術(shù)，采用多種居里溫度不同的高性能磁熱材料作為磁制冷工質(zhì)，充分利用工質(zhì)在居里溫度附近的大磁熱效應(yīng)提高磁制冷機(jī)制冷能力。

6 結(jié)語

本文對(duì)室溫磁制冷機(jī)的研究進(jìn)展進(jìn)行了整理與回顧，分析了往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式室溫磁制冷機(jī)的工作特點(diǎn)及各磁制冷機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，為磁制冷機(jī)研究提供了參考意見。磁制冷作為一種具有巨大潛力的制冷技術(shù)，具有環(huán)保節(jié)能、低振動(dòng)、低噪音的特點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速，許多企業(yè)如美國GE、德國BASF、法國Cooltect、韓國三星和中國海爾等紛紛加入到磁制冷研發(fā)隊(duì)伍中，加快了磁制冷技術(shù)的商用進(jìn)程。盡管室溫磁制冷機(jī)的研究取得了一些突破，但要真正實(shí)現(xiàn)商用，還有許多問題必須解決，如大溫差下制冷量和制冷效率較低、材料制備工藝復(fù)雜等。