王鐵 曹慶霖 于彤娟

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

關鍵詞：磁制冷機;效率;超導

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域使用。

磁制冷機是一種基于磁熱效應（MCE）實現(xiàn)制冷的冷卻裝置，所謂磁熱效應是指外加磁場發(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，由熱力學知識可知此時磁工質向外放熱;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。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的制冷技術。其基本原理是借助磁制冷材料的可逆磁熱效應，又稱磁卡效應，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，物質由原子構成，原子又由電子和原子核構成，電子有自旋磁矩和軌道磁矩，這使得有些物質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計方案如下：使用永磁體的磁制冷機和使用超導體的磁制冷機。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]。這導致無法將足夠數(shù)量的磁工質放置在磁場的工作間隙中，從而降低了整個設備的制冷能力。

使用LTSC超導體的磁場可以產生超過10T的高強度磁場，超導磁系統(tǒng)已經使用了半個多世紀。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 主動磁回熱器

現(xiàn)有的室溫磁制冷機遵循主動磁回熱器的循環(huán)，主動磁回熱器（AMR）是一個裝有磁性材料且允許換熱流體通過的容器。圖1展示了幾種回熱器的類型?；責崞鞑灰欢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熱器。

1.3 AMR磁工質

現(xiàn)有室溫磁制冷樣機磁工質主要使用Gd與鋱、鏑、鉺、釔的合金組合。鑭鐵硅基復合材料（La（Fe13-x Six））在室溫磁制冷機中的應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。需要注意的是，目前是通過部分元素替代來獲得這種復合材料，這種方式導致機構轉變，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。如果設備在0°C以下的溫度運行，則使用添加劑降低水的凍結溫度，并且向水中添加防腐添加劑，以防止磁工質氧化。

液體與回熱器中磁性材料表面提供了很好的傳熱，因此，傳熱流體與磁性材料之間的高傳熱系數(shù)是回熱器和磁制冷機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?？蓪⑵鋵嵯禂?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)磁工質的勵磁和去磁方法可分為兩類。第一種是通過打開或關閉磁場繞組中的電流來實現(xiàn)勵磁去磁的設備。第二種是通過將磁工質放置在磁場的工作間隙中來實現(xiàn)磁工質的勵磁和去磁的設備。這種方式可以通過移動磁場（靜止磁工質）或將磁工質（靜止磁場）移出磁場來實現(xiàn)。

2.1 超導磁場的切換操作模式

通過在靜止磁工質上切換磁場繞組中的電流來提供勵磁-去磁的方法，被應用于運行溫度低于20K的卡諾磁循環(huán)磁制冷設備中–這種設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。該設備由一個轉換磁場和兩個熱力閥組成，轉換磁場是由低溫超導體（LTSC）制成的超導螺線管形成的，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，并將磁工質隔離在絕熱勵磁和去磁對應的階段上。

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

2.2 磁工質的磁場變化：磁工質或磁場的運動

第二種磁制冷機包括通過將磁工質（回熱器）放置到磁場或從磁場中取出來實現(xiàn)勵磁/去磁的設備。這種設備可以通過兩種方法來實現(xiàn)：

1）磁工質靜止，磁場相對于磁工質移動（圖3a和3c）;

2）磁場靜止，磁工質相對于磁場移動（圖3b和3d）。

2.3 磁工質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，氣動線性驅動器，傳熱流體流向轉換系統(tǒng)，泵，冷熱熱交換器包括回熱器R1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合回熱器，它包括兩個相同的回熱器，這些回熱器需依次放入磁場的工作間隙中。這種方法可以部分補償將回熱器移出磁場所需的力。尤其是，從磁場的工作間隙中向上部移出R1回熱器時，顯露的R2回熱器將在重力作用下被吸入其中，同時會阻礙R1回熱器回到磁場的工作間隙中。因此，作用在R1和R2上的驅動力將得到部分補償，從而減小了驅動器在設備操作過程中必須提供的力，并減少了驅動器消耗的功率。

3 結論

勵磁-去磁的最佳方法如下：切換磁場繞組中的工作電流，以及使回熱器與磁工質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。這些金屬具有良好的機械性能，可以生產不同形式的磁工質-粉末、球形顆粒和薄板，且尺寸范圍廣，這對于優(yōu)化主動磁回熱器的運行參數(shù)是必要的。此外，在回熱器中使用釓合金和其他重稀土金屬將有可能提供最有效的磁熱效應。

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通訊作者簡介：

于彤娟（1978年11月-），女，漢族，內蒙古赤峰市人，本科學歷，研究方向：制冷設備研發(fā)。