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(chǎng)的高效室溫磁制冷機(jī)的開(kāi)發(fā)是一個(gè)實(shí)際的科學(xué)和工程問(wèn)題。本文針對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)以及現(xiàn)有專利等材料進(jìn)行了分析。確立了進(jìn)一步研究的主要領(lǐng)域，及對(duì)其效率進(jìn)行了比較評(píng)估，并討論了具有超導(dǎo)磁系統(tǒng)的磁制冷機(jī)的不同概念。

關(guān)鍵詞：磁制冷機(jī);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(dá)到了上限，很難再進(jìn)一步提高其效率。磁制冷機(jī)可以有效解決目前使用的蒸氣壓縮制冷機(jī)的效率問(wèn)題，且磁制冷機(jī)可以在使用蒸氣壓縮制冷機(jī)的同一領(lǐng)域使用。

磁制冷機(jī)是一種基于磁熱效應(yīng)（MCE）實(shí)現(xiàn)制冷的冷卻裝置，所謂磁熱效應(yīng)是指外加磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)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(lì)磁的過(guò)程中，磁性材料的磁矩沿磁場(chǎng)方向由無(wú)序到有序，磁熵減小，由熱力學(xué)知識(shí)可知此時(shí)磁工質(zhì)向外放熱;在去磁的過(guò)程中，磁性材料的磁矩沿磁場(chǎng)方向由有序到無(wú)序，磁熵增大，此時(shí)磁工質(zhì)從外部吸熱。這樣就可以用磁性材料的勵(lì)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(jì)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(jī)具有無(wú)環(huán)境污染、高效節(jié)能（磁制冷效率可達(dá)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(diǎn);但同時(shí)也有成本較高（昂貴的磁場(chǎng)源及部分磁性材料）、所需磁場(chǎng)源可能會(huì)限制磁制冷機(jī)應(yīng)用的缺點(diǎn)。從磁制冷機(jī)的優(yōu)點(diǎn)中可以看出，磁制冷機(jī)能夠解決蒸氣壓縮制冷機(jī)的存在的問(wèn)題，隨著時(shí)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(dá)國(guó)家的研究中心都在進(jìn)行磁制冷機(jī)設(shè)計(jì)和研發(fā)。

1? 磁制冷機(jī)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(shí)，向外界放出熱量，而絕熱退磁時(shí)因溫度降低，從外界吸取熱量，達(dá)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(wú)外磁場(chǎng)時(shí)是雜亂無(wú)章的，加外磁場(chǎng)后，原子的磁矩沿外磁場(chǎng)取向排列，使磁矩有序化，從而減少材料的磁熵，因而會(huì)向外排出熱量，而一旦去掉外磁場(chǎng)，材料系統(tǒng)的磁有序化減少，磁熵增大，因而會(huì)從外界吸取熱量。把這樣兩個(gè)絕熱去磁引起的吸熱和絕熱磁化引起的放熱過(guò)程，用一個(gè)循環(huán)連接起來(lái)，就可使磁性材料不斷從一端吸熱而在另一端放熱，從而達(dá)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(jìn)行制冷的。

1.1 磁制冷機(jī)的磁場(chǎng)

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

使用LTSC超導(dǎo)體的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生超過(guò)10T的高強(qiáng)度磁場(chǎng)，超導(dǎo)磁系統(tǒng)已經(jīng)使用了半個(gè)多世紀(jì)。但是，與兩級(jí)低溫制冷機(jī)消耗的功率比較，超導(dǎo)磁制冷機(jī)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。如今，世界上正在積極開(kāi)發(fā)的使用HTSC的超導(dǎo)磁制冷機(jī)很有前途。目前，在全球市場(chǎng)上還沒(méi)有使用HTSC磁場(chǎng)的磁制冷機(jī)的原型。

1.2 主動(dòng)磁回?zé)崞?/p>

現(xiàn)有的室溫磁制冷機(jī)遵循主動(dòng)磁回?zé)崞鞯难h(huán)，主動(dòng)磁回?zé)崞鳎ˋMR）是一個(gè)裝有磁性材料且允許換熱流體通過(guò)的容器。圖1展示了幾種回?zé)崞鞯念?lèi)型。回?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(jī)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(jī)中的應(yīng)用也是非常有前景的。但是，這些材料具有一級(jí)磁相變，磁滯現(xiàn)象會(huì)降低磁制冷機(jī)的性能，因此，一級(jí)磁相變材料不適合用作磁制冷機(jī)的磁工質(zhì)。需要注意的是，目前是通過(guò)部分元素替代來(lái)獲得這種復(fù)合材料，這種方式導(dǎo)致機(jī)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(jī)中，液體和氣體均被用作傳熱流體。最常見(jiàn)的是，水以及水基混合物。如果設(shè)備在0°C以下的溫度運(yùn)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┝撕芎玫膫鳠幔虼耍瑐鳠崃黧w與磁性材料之間的高傳熱系數(shù)是回?zé)崞骱痛胖评錂C(jī)整體有效運(yùn)行所必需的。液態(tài)金屬對(duì)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(jī)的傳熱流體。目前在納米液體的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域進(jìn)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(bào)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(rèn)識(shí)到在AMR磁制冷機(jī)中使用納米液體作為傳熱流體是有前途的。

2 勵(lì)磁-去磁

磁制冷機(jī)根據(jù)磁工質(zhì)的勵(lì)磁和去磁方法可分為兩類(lèi)。第一種是通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉磁場(chǎng)繞組中的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁去磁的設(shè)備。第二種是通過(guò)將磁工質(zhì)放置在磁場(chǎng)的工作間隙中來(lái)實(shí)現(xiàn)磁工質(zhì)的勵(lì)磁和去磁的設(shè)備。這種方式可以通過(guò)移動(dòng)磁場(chǎng)（靜止磁工質(zhì)）或?qū)⒋殴べ|(zhì)（靜止磁場(chǎng)）移出磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 超導(dǎo)磁場(chǎng)的切換操作模式

通過(guò)在靜止磁工質(zhì)上切換磁場(chǎng)繞組中的電流來(lái)提供勵(lì)磁-去磁的方法，被應(yīng)用于運(yùn)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(jī)（AD制冷機(jī)）。圖2描繪了AD制冷機(jī)的總體框圖。該設(shè)備由一個(gè)轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)和兩個(gè)熱力閥組成，轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)是由低溫超導(dǎo)體（LTSC）制成的超導(dǎo)螺線管形成的，兩個(gè)熱力閥在帶有冷卻熱負(fù)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(lì)磁和去磁對(duì)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(yùn)行的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)（AD制冷機(jī)）。表1給出了帶有固定開(kāi)關(guān)超導(dǎo)磁場(chǎng)源的AMR的參數(shù)。

2.2 磁工質(zhì)的磁場(chǎng)變化：磁工質(zhì)或磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)

第二種磁制冷機(jī)包括通過(guò)將磁工質(zhì)（回?zé)崞鳎┓胖玫酱艌?chǎng)或從磁場(chǎng)中取出來(lái)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁/去磁的設(shè)備。這種設(shè)備可以通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：

1）磁工質(zhì)靜止，磁場(chǎng)相對(duì)于磁工質(zhì)移動(dòng)（圖3a和3c）;

2）磁場(chǎng)靜止，磁工質(zhì)相對(duì)于磁場(chǎng)移動(dòng)（圖3b和3d）。

2.3 磁工質(zhì)和靜止磁場(chǎng)的線性運(yùn)動(dòng)

圖4所示磁制冷機(jī)包括一個(gè)基于LTSC靜止磁場(chǎng)，氣動(dòng)線性驅(qū)動(dòng)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(jī)器部件并形成回路的管道。

該磁制冷機(jī)中使用了一個(gè)復(fù)合回?zé)崞鳎▋蓚€(gè)相同的回?zé)崞鳎@些回?zé)崞餍枰来畏湃氪艌?chǎng)的工作間隙中。這種方法可以部分補(bǔ)償將回?zé)崞饕瞥龃艌?chǎng)所需的力。尤其是，從磁場(chǎng)的工作間隙中向上部移出R1回?zé)崞鲿r(shí)，顯露的R2回?zé)崞鲗⒃谥亓ψ饔孟卤晃肫渲校瑫r(shí)會(huì)阻礙R1回?zé)崞骰氐酱艌?chǎng)的工作間隙中。因此，作用在R1和R2上的驅(qū)動(dòng)力將得到部分補(bǔ)償，從而減小了驅(qū)動(dòng)器在設(shè)備操作過(guò)程中必須提供的力，并減少了驅(qū)動(dòng)器消耗的功率。

3 結(jié)論

勵(lì)磁-去磁的最佳方法如下：切換磁場(chǎng)繞組中的工作電流，以及使回?zé)崞髋c磁工質(zhì)相對(duì)于磁場(chǎng)的工作間隙進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 在后一種情況下，機(jī)械運(yùn)動(dòng)可分為線性運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

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(jī)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(duì)于優(yōu)化主動(dòng)磁回?zé)崞鞯倪\(yùn)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(jiǎn)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)。