[科普中國]-磁制冷

相比傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷技術， 室溫磁制冷技術是一種基于材料物性（磁熱效應）的固態(tài)制冷方式， 采用水等環(huán)保介質(zhì)作為傳熱流體， 具有零 GWP（global warming potential）、零 ODP（ozone depletion potential）、內(nèi)稟高效、低噪音與低振動等特點， 有望成為具有重要應用前景的制冷技術之一。

簡介近年來， 人類社會的可持續(xù)發(fā)展對傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷技術在環(huán)保、能效等方面提出了更高要求， 發(fā)展環(huán)境友好、節(jié)能高效的新型制冷技術成為有效的解決手段之一。磁熱效應 （magnetocaloric effect， MCE） 是一種變化磁場下磁性材料磁矩有序度發(fā)生變化而導致的熱現(xiàn)象。 在磁性材料被磁化時， 磁矩有序度增加， 磁熵減小， 溫度上升， 向外界放出熱量； 退磁時， 磁性材料磁矩有序度減少， 磁熵增加， 溫度下降， 自外界吸收熱量。 1881 年， Warburg在金屬鐵中首次發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象， 隨后 Giauque進行了絕熱去磁的應用研究， 并于1927年獲得小于1 K的低溫。 1976 年室溫磁制冷技術出現(xiàn)了突破性進展，美國NASA的Brown采用稀土金屬釓（Gd）搭建了第一臺室溫磁制冷樣機， 并引入回熱概念， 在7T超導磁場下獲得47K無負荷制冷溫跨。 基于回熱器式室溫系統(tǒng)的實踐經(jīng)驗， 1982年Barclay與Steyert進一步提出了主動磁回熱器原理（activemagnetic regenerator， AMR）， 并構(gòu)建出主動磁制冷循環(huán)， 為目前絕大多數(shù)室溫磁制冷機采用。 當前室溫磁制冷技術已在磁熱材料研發(fā)、流程設計回熱器制備工藝、磁路設計等方面獲得了不小的進步。1997年Gschneidner 和 Gschneidner發(fā)現(xiàn)了GdSiGe基材料的巨磁熱效應， 隨后胡鳳霞等發(fā)現(xiàn)了比 Gd 絕熱溫變更大且價格更便宜的LaFeSi基材料； 當單層 AMR 技術滿足不了制冷性能的需求時， 通過元素調(diào)節(jié)和摻雜可以調(diào)節(jié)材料的居里溫度點， 為多層 AMR 的應用奠定了材料學基礎。 這些材料方面的進展帶動了近期室溫磁制冷的研究熱潮， 據(jù) 2015 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 自1976年以來已公布的室溫整機系統(tǒng)達到48臺， 其中近五年的樣機數(shù)量占據(jù)總數(shù)的 43%，這也標志著室溫磁制冷技術進入了快速發(fā)展的階段。近年來， 在磁制冷循環(huán)、數(shù)值模擬與樣機等方面， 室溫磁制冷技術已出現(xiàn)了不錯的進展: 許多學者通過熱力學分析對磁制冷循環(huán)進行理論研究， 提出了復合式磁制冷循環(huán)和耦合回熱式制冷的主動磁制冷循環(huán)等概念； 由于磁制冷系統(tǒng)的數(shù)值模型涉及磁、熱、流體等多個物理場的耦合， 數(shù)值仿真模型比較復雜， 也已逐步構(gòu)建出不同維度的仿真模型； 隨著對運行機理理解的深入， 室溫磁制冷樣機的形式也在不斷演化， 例如旋轉(zhuǎn)回熱器/磁體系統(tǒng)等。1

磁制冷原理磁制冷是一種利用磁性材料的磁熱效應來實現(xiàn)制冷的新技術，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。在無外加磁場時，磁性材料內(nèi)磁矩的方向是雜亂無章的，表現(xiàn)為材料的磁熵較大；有外加磁場時，材料內(nèi)磁矩 的取向逐 漸趨于一致，表現(xiàn)為材料的磁熵較小。磁制冷基本原理如圖所示，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(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。其次在絕熱條件下，磁工質(zhì)與外界沒有發(fā)生熱量交換，在勵磁和去磁的過程中，磁場對材料做功，使材料的內(nèi)能改變，從而使材料本身的溫度發(fā)生變化。2

磁制冷技術研究進展磁制冷熱力學循環(huán)通過熱力學分析對磁制冷循環(huán)進行理論研究，有利于探索磁制冷循環(huán)作用機理及指導優(yōu)化系統(tǒng)流程， 其中磁制冷基本循環(huán)包含磁 Carnot循環(huán)、磁Stirling 循環(huán)、磁Brayton循環(huán)、磁Ericsson循環(huán)等。 基于磁制冷基本循環(huán)發(fā)展出的復合式磁制冷循環(huán)， 可綜合多種磁制冷基本循環(huán)的優(yōu)點， 成為關注的熱點之一， 例如磁 Brayton-Ericsson 循環(huán)。 主動磁制冷循環(huán)基于主動磁回熱原理形成的， 是目前室溫樣機系統(tǒng)中最主流的循環(huán)形式， 如主動磁 Brayton 循環(huán)、主動磁 Ericsson 循環(huán)等， 深入研究其運行機理一直是磁制冷技術的研究重點之一。 除此之外， 還出現(xiàn)了一種耦合回熱式制冷的主動磁制冷循環(huán)， 該循環(huán)將回熱式氣體制冷與磁制冷進行耦合， 以期獲得更好的制冷效應。1

基本循環(huán)磁制冷循環(huán)中的四種基本循環(huán)如圖 1 所示。磁 Carnot 循環(huán)由兩個絕熱過程與兩個等溫過程構(gòu)成， 如圖 1 （a） 所示。 與磁 Carnot 循環(huán)不同的磁Stirling循環(huán)， 是將等熵過程替換成等磁矩過程。 在磁 Carnot 循環(huán)和磁 Stirling 循環(huán)中勵磁過程與去磁過程各由兩個子過程構(gòu)成， 磁場強度H一直處于變化的狀態(tài)， 而磁 Brayton 循環(huán)與磁 Ericsson 循環(huán)的勵磁/去磁過程由單一過程構(gòu)成。 對比而言， 由單一過程構(gòu)成勵磁/去磁過程的制冷循環(huán)有利于簡化對外磁場的控制要求， 同時也有利于增強系統(tǒng)對最強磁場與最弱磁場的利用程度。 從圖 1 分析可得（假設四種基本循環(huán)中a點與c點溫度值固定），磁 Brayton 循環(huán)中高溫端與低溫端之間的溫度跨度是基本循環(huán)中最大的， 但其與外界熱量交換過程為變溫熱交換過程， 存在溫差換熱的不可逆因素； 磁 Ericsson 循環(huán)的高溫端、低溫端與外界的熱交換過程， 不存在溫差換熱等不可逆因素， 其制冷量大于磁 Carnot 與磁 Stirling 循環(huán)的制冷量， 但其勵磁/去磁過程的實現(xiàn)較磁Brayton循環(huán)困難。

復合式磁制冷循環(huán)是由若干磁制冷基本循環(huán)有機結(jié)合而成的， 這種循環(huán)可綜合單一循環(huán)的特點，更易獲得優(yōu)良的綜合性能， 例如復合式磁 Brayton-Ericsson 循環(huán)。 復合式磁 Brayton-Ericsson循環(huán)的制冷量來自于d1-d-a過程， 理想制冷量為d1-d-e-e1四邊形與d-a-f-e四邊形的面積之和， 放熱量來自于b1-b-c過程， 理想放熱量為b1-b-c-e1-f構(gòu)成的多邊形的面積。 相比于磁 Brayton 循環(huán)制冷過程， 復合式磁 Brayton-Ericsson 循環(huán)中d1-d等溫過程的制冷量優(yōu)于相對應等磁場過程中的制冷量。

與此同時， 制冷端換熱的平均換熱溫度相比等磁場過程中平均換熱溫度有一定的增加， 高溫端的平均換熱溫度也出現(xiàn)下降。 因此， 復合式磁Brayton-Ericsson 循環(huán)在適度減小制冷溫跨的情況下， 綜合了磁 Ericsson 循環(huán)等溫換熱易獲得較大制冷量的特性。 在復合式磁制冷循環(huán)的實際應用中，對于不同的工況還需要進一步考察如何合理分配兩種或者多種過程順序、時間比例等因素。1

主動磁制冷循環(huán)主動磁制冷循環(huán)是由磁制冷基本循環(huán)與主動磁回熱器原理相結(jié)合而發(fā)展出的循環(huán)。 通常， 氣體回熱式制冷機中固體填料起回熱作用， 氣體的熱力學循環(huán)是冷量產(chǎn)生的原因； 主動磁制冷循環(huán)中， 回熱器中固體磁熱介質(zhì)的熱力學循環(huán)是冷量產(chǎn)生的原因， 傳熱流體發(fā)揮了回熱作用。 主動磁制冷循環(huán)通過磁熱效應與回熱過程的結(jié)合， 顯著增加了循環(huán)溫跨。 常見的主動磁制冷循環(huán)包括主動磁 Brayton循環(huán)、主動磁Ericsson循環(huán)等。

以主動磁 Brayton 循環(huán)為例， 沿回熱器軸向方向不同位置的磁熱工質(zhì)經(jīng)歷各自溫區(qū)的磁Brayton循環(huán)， 如靠近冷端換熱器工質(zhì)所經(jīng)歷的制冷循環(huán)a1-b1-c1-d1， 同時工質(zhì)與換熱流體進行熱交換實現(xiàn)溫度降低 （退磁過程后）/升高 （勵磁過程后）。磁場變化與換熱流體流動在時序匹配后， 在主動磁Brayton制冷循環(huán)的回熱器中靠近冷端換熱器的工質(zhì)溫度持續(xù)降低， 靠近熱端換熱器的工質(zhì)溫度持續(xù)升高， 沿回熱器軸向方向建立起溫度梯度， 最終回熱器兩端的溫度跨度遠大于磁熱材料本身在同樣磁場強度變化下的絕熱溫變?Tad。 不同軸向位置的工質(zhì)經(jīng)歷各自溫區(qū)的磁制冷循環(huán)， 類似于不同溫區(qū)的微小型制冷機的串聯(lián)運行， 從而形成如圖所示的整個回熱器的制冷循環(huán)包絡線a3-b3-c1-d1。

在循環(huán)包絡線中，d1-a3過程為磁熱工質(zhì)的吸熱過程，其中吸熱量中一部分為有效冷量， 另一部分用于構(gòu)成回熱。 與此對應，b3-c1過程中的放熱量也包含兩部分放熱效應。

在主動磁制冷循環(huán)中， 處于回熱器不同軸向位置的磁制冷工質(zhì)的工作溫區(qū)有一定重疊， 如何從熱力學角度量化循環(huán)的制冷量、放熱量與性能系數(shù)等仍需進一步探討。1

耦合回熱式制冷的主動磁制冷循環(huán)近年來， 還出現(xiàn)了一類耦合氣體回熱式制冷技術的主動磁制冷循環(huán)， 由于氣體回熱式制冷循環(huán)與主動磁制冷循環(huán)在換熱結(jié)構(gòu)與流路驅(qū)動等方面具有相似之處， 為兩種制冷循環(huán)的耦合提供了基本條件。 具體而言， 兩者都具有與流體進行熱交換的回熱器以及驅(qū)動流體往復流動的裝置。 兩類循環(huán)復合后， 形成基于氣體回熱式制冷的主動磁制冷循環(huán)， 其制冷效應包含兩種不同原理的制冷過程: 一種為利用氣體膨脹效應獲取冷量的過程， 另一種為利用磁熱效應獲取冷量的過程。 通過選取不同居里溫度的磁熱工質(zhì)， 可構(gòu)成不同制冷溫區(qū)的耦合回熱式制冷的主動磁制冷循環(huán)， 譬如耦合 G-M（Gifford-Mcmahon） 制冷的低溫磁制冷循環(huán)（4K溫區(qū)）、耦合脈管制冷的中低溫磁制冷循環(huán)（20—77K溫區(qū)） 以及耦合Stirling 制冷的室溫磁制冷循環(huán)。

以耦合Stirling制冷的室溫主動磁制冷循環(huán)為例， 如圖所示。

完整的一個循環(huán)過程如下:

1） 壓縮過程a， 膨脹活塞2靜止， 壓縮活塞1左移， 氦氣被等溫壓縮， 內(nèi)部壓力升高， 其產(chǎn)生的熱量QH被冷卻器帶走；

2） 放熱與退磁過程b， 高壓氣體由壓縮腔（左側(cè)腔體）向膨脹腔（右側(cè)腔體）移動， 將熱量釋放至回熱器填料中； 同時， 回熱器外部的磁場強度由大變小， 磁熱材料退磁， 磁矩有序度減小，工質(zhì)磁熵增加、吸收熱量；

3） 膨脹過程c， 壓縮活塞1靜止， 膨脹活塞2繼續(xù)運動， 氣體等溫膨脹， 借助冷端換熱器從低溫環(huán)境吸取熱量QC；

4） 吸熱與勵磁過程d， 低壓氦氣由膨脹腔向壓縮腔移動， 吸收回熱器填料中熱量； 同時， 磁場強度增加， 回熱器中的磁熱工質(zhì)勵磁， 磁矩有序度增加， 工質(zhì)磁熵減小并釋放熱量；

5） 壓縮過程a， 進入下一個制冷循環(huán)的壓縮過程。

由上述可知， 氣體膨脹效應與磁熱效應的耦合存在一定的相位匹配問題。 當兩種制冷效應正面疊加時， 耦合 Stirling 制冷的室溫主動磁制冷循環(huán)將產(chǎn)生更強的制冷性能， 反之削弱。 因此， 構(gòu)建耦合回熱式制冷的主動磁制冷系統(tǒng)時， 不僅需要克服AMR 磁制冷循環(huán)中的多物理場耦合的難題， 還需要探索兩種循環(huán)在時序上的最佳匹配。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學