液氦溫區(qū)復(fù)合GM磁制冷相位角試驗研究

鄭文帥 ，高新強(qiáng) ，李 珂 ，，李振興 ，，莫兆軍 ，戴 巍 ，沈 俊 ，

（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院，江西 贛州 341000）

0 引言

目前，液氦溫區(qū)的低溫制冷技術(shù)主要以大型透平膨脹機(jī)和小型吉福特-麥克馬洪（Gifford-McMahon，GM）制冷機(jī)為代表[1-3]。其中，GM制冷機(jī)因為結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和穩(wěn)定可靠等被廣泛用于日常生活與科學(xué)研究中，如醫(yī)療領(lǐng)域中的核磁共振成像，科學(xué)研究中用到的超導(dǎo)磁體冷卻和凝聚態(tài)物理研究中需要的低溫環(huán)境等[4-5]。GM制冷機(jī)基于氣體膨脹循環(huán)制冷，包括四個過程：絕熱壓縮、等壓進(jìn)氣、絕熱膨脹和等壓排氣。雖然對于GM制冷機(jī)的研究較早，應(yīng)用較為廣泛，但其制冷效率一直較低，目前液氦溫區(qū)GM制冷機(jī)的熱力學(xué)第二效率僅為1%左右[6]。

磁制冷是基于磁熱效應(yīng)（Magnetocaloric Effect，MCE）的一種制冷技術(shù)。磁熱效應(yīng)由Warburg[7]在1881年發(fā)現(xiàn)，是指磁熱材料自身的溫度隨周圍磁場強(qiáng)度變化而變化的物理現(xiàn)象[8-10]。受磁熱材料磁熱效應(yīng)的限制，早先的磁制冷技術(shù)采用逆卡諾循環(huán)來獲得比液氦更低的溫度[11]。1982年，Barclay等[12]提出主動式磁回?zé)崞鳎ˋctive Magnetic Regenerator，AMR）之后，磁制冷技術(shù)在室溫溫區(qū)成為研究熱點，并獲得了比磁熱材料絕熱溫變更大的溫跨。

由于GM制冷循環(huán)和磁制冷循環(huán)具有一定的相似性，1994年，Jeong等[13]提出將兩種制冷方式結(jié)合，用磁熱材料作為GM制冷機(jī)的回?zé)崽盍希⒃贕M制冷機(jī)外部施加變化的磁場，使磁熱材料的磁熱效應(yīng)發(fā)揮作用，形成復(fù)合GM磁制冷技術(shù)，通過磁制冷與GM制冷的耦合使制冷機(jī)的制冷性能提高。1998年，Nellis等[14]采用液氦預(yù)冷，考察了液氦溫區(qū)氣體膨脹制冷與磁制冷效應(yīng)的耦合，在熱端溫度為10.9 K條件下獲得無負(fù)荷溫度4.5 K，證實了兩種制冷方式復(fù)合的可行性。2000年，Yayama等[15]建立了復(fù)合GM磁制冷模型，用ErNi作為磁回?zé)崞魈盍希?dāng)外部磁場為0.22～0.42 T時，復(fù)合GM磁制冷的制冷量比純GM制冷高26%，證明磁制冷和GM制冷的結(jié)合能提高制冷機(jī)的制冷量。Kim等[16]2013年搭建了一臺液氮預(yù)冷的復(fù)合磁制冷樣機(jī)，將GM型脈管制冷與磁制冷耦合，回?zé)崞髦蟹謩e填充了GdNi2、Dy0.85Er0.15Al2、Dy0.5Er0.5Al2與Gd0.1Dy0.9Ni2等四種磁熱材料，在4 T超導(dǎo)磁場下，樣機(jī)的最低溫度為24 K，溫跨為56 K。同年，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的He等[17]報道了一臺室溫復(fù)合磁制冷樣機(jī)，樣機(jī)將斯特林制冷與磁制冷耦合，采用最大磁場1.5 T的永磁體，在溫跨為7.9 K時獲得了10 W的制冷量，比單獨斯特林制冷的制冷量提升了24%。在液氦溫區(qū)，為了獲得更好的制冷效果，GM制冷機(jī)的回?zé)崽盍蠎?yīng)盡可能選擇低溫下比熱容較大的材料，而磁熱材料如Er3Ni與ErNi由于在居里溫度點附近的比熱容較大，常常被用作回?zé)崽盍蟻慝@得低于4.2 K的溫度[18-20]。2019年，Shen等[21]考慮到磁熱材料ErNi在較低溫度下磁熵變的限制，復(fù)合GM磁制冷難以獲得較好的制冷效果的問題，采用5 K溫度下，比熱容與磁熵變均高于ErNi的磁熱材料TmCuAl作為復(fù)合GM磁制冷機(jī)的低溫段回?zé)崽盍希晒Λ@得了3.5 K的最低制冷溫度。本文在前人的工作基礎(chǔ)上，以高性能磁熱材料EuTi0.875Al0.125O3作為復(fù)合GM磁制冷機(jī)的低溫段填料，研究以Pb、ErNi與EuTi0.875Al0.125O3分層填充的復(fù)合GM磁制冷樣機(jī)的制冷性能，探究1 Hz系統(tǒng)頻率下復(fù)合GM磁制冷樣機(jī)相位角的影響。

1 試驗系統(tǒng)

復(fù)合GM磁制冷機(jī)主要包括GM制冷機(jī)、磁體系統(tǒng)、真空系統(tǒng)與相位采集系統(tǒng)等。其結(jié)構(gòu)示意圖與實物圖如圖1所示。GM制冷機(jī)含有兩級回?zé)崞?，其中，二級回?zé)崞髦饕蒔b、ErNi與EuTi0.875Al0.125O3依次排列填充。溫度傳感器采用LakeShore Cernox-1050-AA溫度計，布置在GM制冷機(jī)二級冷頭的底部，能夠?qū)崟r測量復(fù)合GM磁制冷樣機(jī)的制冷溫度。整個GM機(jī)冷頭部分處于真空室中，以保證真空絕熱環(huán)境。分別用位移傳感器與激光編碼傳感器測量GM制冷機(jī)的相位與磁體轉(zhuǎn)動的相位。

1.1 GM制冷機(jī)

GM制冷機(jī)是復(fù)合GM磁制冷樣機(jī)的關(guān)鍵組成部分，試驗采用改進(jìn)后的KDE410型兩級GM型制冷機(jī)。有研究者考慮到原KDE410型GM制冷機(jī)的回?zé)崞魈盍螲oCu2幾乎沒有磁熱效應(yīng)，無法較好地比較GM制冷和磁制冷兩種制冷效應(yīng)的耦合效果，故將HoCu2更換為常見的具有較大磁熱效應(yīng)的磁性回?zé)崽盍螮rNi[21]。本文將GM制冷機(jī)中部分ErNi材料更換為EuTi0.875Al0.125O3，具體填充結(jié)構(gòu)和比例見1.4。

1.2 磁體系統(tǒng)

采用同軸Halbach圓筒形永磁體組為復(fù)合GM磁制冷機(jī)提供變化的磁場，如圖1中所示。Halbach永磁體組分為內(nèi)磁體與外磁體，磁體材料為NdFeB。當(dāng)復(fù)合GM磁制冷樣機(jī)正常工作時，磁體系統(tǒng)的內(nèi)磁體固定不動，磁體驅(qū)動電機(jī)帶動外磁體作勻速旋轉(zhuǎn)運動，從而在GM制冷機(jī)的回?zé)崞髦車a(chǎn)生0.05～1.1 T的正弦變化磁場，使回?zé)崞髦械拇判曰責(zé)崽盍袭a(chǎn)生磁熱效應(yīng)，并與GM制冷機(jī)的進(jìn)、排氣過程相互配合，提升制冷性能。

圖1 復(fù)合GM磁制冷機(jī)Fig.1 Schematic diagram and physical diagram of hybrid refrigerator combining GM gas refrigeration effect with magnetic refrigeration effect

1.3 相位采集系統(tǒng)

復(fù)合GM磁制冷機(jī)的相位采集系統(tǒng)主要包括GM制冷與磁制冷的相位采集組件。通過安裝在GM制冷機(jī)上部的位移傳感器（Waycon SM50-HYD GM）采集GM制冷的相位，如圖2（a）所示。當(dāng)GM機(jī)正常工作時，GM機(jī)內(nèi)的活塞/回?zé)崞髯魃舷峦鶑?fù)運動，推動位移傳感器的探頭運動，產(chǎn)生GM機(jī)相位信號并傳遞至PC端。采用自制的格雷碼盤和9組激光編碼傳感器采集磁制冷相位，如圖2（b）所示。格雷碼盤包括9個二進(jìn)制碼道，與外磁體通過螺栓連接固定，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)帶動外磁體轉(zhuǎn)動時，格雷碼盤跟隨外磁體作旋轉(zhuǎn)運動，并通過9組激光編碼傳感器將磁體旋轉(zhuǎn)的相位以9組二進(jìn)制編碼的方式傳遞至PC端。最后由PC端的Labview程序分析處理GM制冷和磁制冷的相位信號，得到兩者的相位差。為了更好地分析復(fù)合GM磁制冷機(jī)的性能，將旋轉(zhuǎn)磁體旋轉(zhuǎn)至最大磁場時的相位與GM制冷機(jī)回?zé)崞魈幱谧畹臀恢脮r的相位差定義為復(fù)合GM磁制冷機(jī)的相位角。試驗使用的測量儀器、測量范圍及測量不確定度如表1所列。

表1 試驗測量參數(shù)范圍及不確定度Tab.1 Parameter range and uncertainty of experimental measurement

圖2 復(fù)合磁制冷機(jī)的相位采集組件Fig.2 Waycon SM50-HYD GM displacement sensor and magnetic refrigeration phase acquisition component for hybrid refrigerator

1.4 回?zé)崞魈畛浣Y(jié)構(gòu)

在液氦溫區(qū)，GM制冷機(jī)的制冷工質(zhì)氦氣具有遠(yuǎn)大于回?zé)崽盍系捏w積比熱，這也是限制GM制冷機(jī)在低溫溫區(qū)制冷性能的主要因素。因此，選用具有較高比熱的回?zé)崞魈盍虾秃侠砝么判曰責(zé)崽盍系拇艧嵝?yīng)成為提高GM制冷機(jī)性能的有效措施。天津理工大學(xué)的研究[22-23]發(fā)現(xiàn)，在液氦溫度附近，磁熱材料EuTi0.875Al0.125O3具有比常見回?zé)崽盍螮rNi更高的體積比熱和磁熱效應(yīng)，圖3是EuTi0.875Al0.125O3與ErNi在1 T磁場下磁熵變Δs隨溫度的變化關(guān)系?？梢钥闯?，EuTi0.875Al0.125O3的相變溫度在4 K左右，最大磁熵變?yōu)?3.8 J/（kg·K），遠(yuǎn)高于ErNi的磁熱性能。因此，本文用EuTi0.875Al0.125O3部分替換原復(fù)合GM磁制冷機(jī)中的回?zé)崽盍螮rNi[24]，并將Eu-Ti0.875Al0.125O3置于二級回?zé)崞髦械淖畹蜏囟螀^(qū)域，使二級回?zé)崞髦械奶盍暇幵诟髯赃m宜的溫度區(qū)間，盡可能地發(fā)揮各自的回?zé)嶙饔煤痛艧嵝?yīng)。

圖3 1 T磁場下兩種填充材料的磁熵變隨溫度的變化曲線Fig.3 The magnetic entropy change curve of EuTi0.875Al0.125O3 and ErNi with temperature under 1 T magnetic field

圖4是復(fù)合GM磁制冷機(jī)中二級回?zé)崞鞯奶畛涫疽鈭D。在圖4（b）中，本文的二級回?zé)崞鲝母邷囟蔚降蜏囟我来翁畛溆?Pb（296.4 g）、ErNi（130 g）和EuTi0.875Al0.125O3（77 g）等三種回?zé)岵牧希N材料均為直徑0.2～0.5 mm的球形顆粒，表2是對應(yīng)的二級回?zé)崞骷疤畛洳牧系某叽鐓?shù)。

圖4 復(fù)合GM磁制冷機(jī)中二級回?zé)崞魈畛涫疽鈭DFig.4 Filling of the second stage regenerator in hybrid refrigerator

表2 二級回?zé)崞骷疤畛洳牧铣叽鐓?shù)Tab.2 The parameters of the second stage regenerator and filling material

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 GM制冷與復(fù)合GM磁制冷性能對比

復(fù)合GM磁制冷是GM制冷和磁制冷兩種制冷方式的耦合，當(dāng)耦合的相位合適時，理論上其制冷效果優(yōu)于單獨的GM制冷和磁制冷。試驗中，磁體驅(qū)動電機(jī)帶動外磁體作勻速旋轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生正弦變化的磁場，GM制冷機(jī)的回?zé)崞髟跉飧字凶錾舷峦鶑?fù)運動，產(chǎn)生正弦位移，如圖5所示。由圖可知，磁場變化曲線μ0H（t）與回?zé)崞魑灰谱兓€Δy0（t）的相位差就是復(fù)合GM磁制冷機(jī)的相位角α，計算表達(dá)式如式（1）。其中，τ是磁場變化曲線峰值與回?zé)崞魑灰谱兓€峰值對應(yīng)的時間差，T、f分別是復(fù)合GM磁制冷機(jī)的運行周期和頻率。

圖5 復(fù)合磁制冷的磁場變化曲線μ0H（t）與回?zé)崞魑灰谱兓€Δy0（t）Fig.5 The magnetic field change curve μ0H（t）of hybrid refrigerator and the displacement curve Δy0（t）of regenerator

以制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度為性能評價參數(shù)，研究了1 Hz頻率工況下，GM制冷與復(fù)合GM磁制冷的制冷性能，試驗結(jié)果如表3所列。由表可知，在1 Hz頻率下，當(dāng)磁體靜止不動時，裝填三種回?zé)岵牧系腉M制冷能達(dá)到的無負(fù)荷最低制冷溫度為4.61 K。

表3 1 Hz頻率下GM制冷與復(fù)合GM磁制冷的無負(fù)荷溫度Tab.3 No load temperature of GM refrigeration and hybrid refrigeration at 1 Hz frequency

當(dāng)磁體作勻速旋轉(zhuǎn)運動時，復(fù)合GM磁制冷機(jī)的相位角α分別為30°和90°時，無負(fù)荷溫度分別為3.74 K與3.76 K，比純GM的最低制冷溫度低。這是因為在復(fù)合GM磁制冷機(jī)的制冷循環(huán)中，當(dāng)相位角α為30°和90°時，GM制冷的排氣過程與磁制冷中的勵磁過程耦合，進(jìn)氣過程與磁制冷中的退磁過程耦合，兩種制冷方式以各自的制冷工質(zhì)作為對方的回?zé)峤橘|(zhì)，表現(xiàn)出較好的正疊加效果，即復(fù)合制冷循環(huán)的耦合效果較佳，制冷性能優(yōu)于GM制冷。

當(dāng)相位角α為200°時，復(fù)合GM磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度為6.50 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GM的最低制冷溫度。這是因為復(fù)合制冷循環(huán)中磁制冷與GM制冷兩種制冷方式未合理匹配，磁制冷勵磁放出的熱量被GM制冷的進(jìn)氣過程帶入制冷機(jī)的冷腔中，GM制冷排氣過程放出的部分熱量恰好被磁制冷的退磁過程吸收，兩種制冷方式出現(xiàn)負(fù)耦合效果，導(dǎo)致復(fù)合GM磁制冷機(jī)的制冷性能下降。因此，只有合理匹配磁制冷與GM制冷兩種制冷方式，復(fù)合GM磁制冷的制冷性能才能優(yōu)于GM制冷。

2.2 復(fù)合GM磁制冷相位角影響

復(fù)合GM磁制冷機(jī)中的磁制冷與GM制冷能否獲得正耦合效果，關(guān)鍵在于磁場變化與GM制冷機(jī)回?zé)崞鬟\動的時序配合關(guān)系，可以通過最佳的時序配合使磁制冷與GM制冷合理匹配，從而使復(fù)合GM磁制冷的制冷效果得以提升。因此，有必要對復(fù)合GM磁制冷機(jī)中磁制冷與GM制冷的時序進(jìn)行研究，探究相位角對復(fù)合GM磁制冷性能的影響。

圖6是1 Hz工況下GM制冷機(jī)與不同相位角下復(fù)合GM磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度變化曲線，可以知道，當(dāng)頻率為1 Hz時，GM制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度為4.61 K；當(dāng)處于不同相位角時，復(fù)合制冷循環(huán)中GM制冷與磁制冷的匹配時序不同，復(fù)合GM磁制冷機(jī)能達(dá)到的最低制冷溫度也不同。

圖6 1 Hz下GM制冷機(jī)和不同相位角下復(fù)合GM磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度變化Fig.6 No-load temperature change of GM refrigerator and hybrid refrigerator at different phase angles of 1 Hz

圖7是1 Hz頻率下不同相位角下復(fù)合GM磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度與文獻(xiàn)[21]的對比圖，可以看出，填充Pb、ErNi與EuTi0.875Al0.125O3的復(fù)合GM磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度隨相位角不同呈現(xiàn)正弦趨勢的變化，與文獻(xiàn)[21]給出的用Pb與ErNi兩層填充的復(fù)合GM磁制冷機(jī)變化規(guī)律相似，且整體制冷性能更優(yōu)。在復(fù)合制冷循環(huán)中，GM制冷與磁制冷存在最佳和最差的匹配時序，分別對應(yīng)了不同相位角下復(fù)合GM磁制冷機(jī)的最低無負(fù)荷溫度和最高無負(fù)荷溫度。當(dāng)處于最佳匹配時序時，磁制冷勵磁放出的熱量恰好被GM制冷的排氣過程全部帶出，退磁過程中，磁熱材料溫度的降低恰好能最大程度地增強(qiáng)與GM制冷工質(zhì)氦氣的換熱，使復(fù)合制冷性能最大程度提升。

由圖6和圖7可以知道，當(dāng)相位角α在0°～90°時，復(fù)合GM磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度均低于GM制冷機(jī)，這說明復(fù)合磁制冷機(jī)中的磁制冷與GM制冷兩種制冷效應(yīng)正耦合，磁制冷勵磁過程放出的部分熱量能被GM制冷的排氣過程帶出，退磁過程可以在一定程度上促進(jìn)GM制冷工質(zhì)在進(jìn)氣過程中與回?zé)崽盍系膿Q熱，從而使復(fù)合GM磁制冷機(jī)的制冷性能優(yōu)于GM制冷機(jī)。當(dāng)相位角α在150°～330°時，復(fù)合磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度均高于GM制冷機(jī)，這說明磁制冷和GM制冷兩種制冷效應(yīng)負(fù)耦合，磁制冷勵磁過程放出的部分熱量被GM制冷的進(jìn)氣過程帶入了冷腔，從而使復(fù)合GM磁制冷機(jī)的制冷性能下降。

圖7 1 Hz和不同相位角下不同的復(fù)合GM磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度的對比Fig.7 Comparison of no-load temperature of different hybrid refrigerator at different phase angles of 1 Hz

由圖7可以知道，當(dāng)相位角α為60°時，復(fù)合GM磁制冷機(jī)獲得的最低無負(fù)荷溫度為3.66 K，比同頻率下GM制冷機(jī)降低了0.95 K，此時磁制冷和GM制冷兩種制冷方式的疊加制冷效果最優(yōu)。在60°相位角下，GM制冷和磁制冷這兩種制冷效應(yīng)完全正耦合，磁制冷勵磁放出的熱量大多被GM制冷的排氣過程帶出，退磁過程磁熱材料溫度的降低恰好能最大程度地促進(jìn)GM制冷工質(zhì)在進(jìn)氣過程中與回?zé)崽盍系膿Q熱，使復(fù)合GM磁制冷的制冷性能最佳。當(dāng)相位角為270°時，復(fù)合GM磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度為7.24 K，遠(yuǎn)高于純GM制冷溫度4.61 K。這是因為在270°相位角下，磁制冷與GM制冷兩種制冷方式匹配不合理，磁制冷勵磁放出的大部分熱量被GM制冷的進(jìn)氣過程帶入制冷機(jī)的冷腔中，兩種制冷效應(yīng)負(fù)耦合，導(dǎo)致復(fù)合GM磁制冷機(jī)的制冷性能下降，低于GM制冷機(jī)。

3 結(jié)論

本文基于搭建的液氦溫區(qū)復(fù)合GM磁制冷機(jī)，研究了以Pb、ErNi和EuTi0.875Al0.125O3作為回?zé)崽盍戏謱犹畛涞膹?fù)合GM磁制冷樣機(jī)的性能，探究了系統(tǒng)頻率1 Hz下復(fù)合GM磁制冷樣機(jī)相位角的影響。在液氦溫區(qū)復(fù)合GM磁制冷機(jī)中，磁制冷效應(yīng)與GM制冷效應(yīng)存在一定的相位配合關(guān)系，復(fù)合GM磁制冷機(jī)的無負(fù)荷溫度隨著相位角呈現(xiàn)正弦趨勢的變化。當(dāng)相位角在0°～90°時，磁制冷與GM制冷兩種制冷效應(yīng)正疊加，復(fù)合GM磁制冷機(jī)性能優(yōu)于GM制冷機(jī)。在相位角為60°時，兩種制冷效應(yīng)獲得最大程度的正疊加制冷效果，最低無負(fù)荷溫度達(dá)到3.66 K，比GM制冷機(jī)最低制冷溫度降低了20.6%。研究對于液氦溫區(qū)GM制冷機(jī)的性能改進(jìn)具有一定的參考價值。