[科普中國(guó)]-磁制冷

相比傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷技術(shù)， 室溫磁制冷技術(shù)是一種基于材料物性（磁熱效應(yīng)）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(dòng)等特點(diǎn)， 有望成為具有重要應(yīng)用前景的制冷技術(shù)之一。

簡(jiǎn)介近年來(lái)， 人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷技術(shù)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(shù)成為有效的解決手段之一。磁熱效應(yīng) （magnetocaloric effect， MCE） 是一種變化磁場(chǎng)下磁性材料磁矩有序度發(fā)生變化而導(dǎo)致的熱現(xiàn)象。 在磁性材料被磁化時(shí)， 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(shí)， 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(jìn)行了絕熱去磁的應(yīng)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(shù)出現(xiàn)了突破性進(jìn)展，美國(guó)NASA的Brown采用稀土金屬釓（Gd）搭建了第一臺(tái)室溫磁制冷樣機(jī)， 并引入回?zé)岣拍睿?在7T超導(dǎo)磁場(chǎng)下獲得47K無(wú)負(fù)荷制冷溫跨。 基于回?zé)崞魇绞覝叵到y(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 1982年Barclay與Steyert進(jìn)一步提出了主動(dòng)磁回?zé)崞髟恚╝ctivemagnetic regenerator， AMR）， 并構(gòu)建出主動(dòng)磁制冷循環(huán)， 為目前絕大多數(shù)室溫磁制冷機(jī)采用。 當(dāng)前室溫磁制冷技術(shù)已在磁熱材料研發(fā)、流程設(shè)計(jì)回?zé)崞髦苽涔に?、磁路設(shè)計(jì)等方面獲得了不小的進(jìn)步。1997年Gschneidner 和 Gschneidner發(fā)現(xiàn)了GdSiGe基材料的巨磁熱效應(yīng)， 隨后胡鳳霞等發(fā)現(xiàn)了比 Gd 絕熱溫變更大且價(jià)格更便宜的LaFeSi基材料； 當(dāng)單層 AMR 技術(shù)滿足不了制冷性能的需求時(shí)， 通過(guò)元素調(diào)節(jié)和摻雜可以調(diào)節(jié)材料的居里溫度點(diǎn)， 為多層 AMR 的應(yīng)用奠定了材料學(xué)基礎(chǔ)。 這些材料方面的進(jìn)展帶動(dòng)了近期室溫磁制冷的研究熱潮， 據(jù) 2015 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 自1976年以來(lái)已公布的室溫整機(jī)系統(tǒng)達(dá)到48臺(tái)， 其中近五年的樣機(jī)數(shù)量占據(jù)總數(shù)的 43%，這也標(biāo)志著室溫磁制冷技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。近年來(lái)， 在磁制冷循環(huán)、數(shù)值模擬與樣機(jī)等方面， 室溫磁制冷技術(shù)已出現(xiàn)了不錯(cuò)的進(jìn)展: 許多學(xué)者通過(guò)熱力學(xué)分析對(duì)磁制冷循環(huán)進(jìn)行理論研究， 提出了復(fù)合式磁制冷循環(huán)和耦合回?zé)崾街评涞闹鲃?dòng)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(gè)物理場(chǎng)的耦合， 數(shù)值仿真模型比較復(fù)雜， 也已逐步構(gòu)建出不同維度的仿真模型； 隨著對(duì)運(yùn)行機(jī)理理解的深入， 室溫磁制冷樣機(jī)的形式也在不斷演化， 例如旋轉(zhuǎn)回?zé)崞?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(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷的新技術(shù)，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。在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，磁性材料內(nèi)磁矩的方向是雜亂無(wú)章的，表現(xiàn)為材料的磁熵較大；有外加磁場(chǎng)時(shí)，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(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。其次在絕熱條件下，磁工質(zhì)與外界沒(méi)有發(fā)生熱量交換，在勵(lì)磁和去磁的過(guò)程中，磁場(chǎng)對(duì)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(shù)研究進(jìn)展磁制冷熱力學(xué)循環(huán)通過(guò)熱力學(xué)分析對(duì)磁制冷循環(huán)進(jìn)行理論研究，有利于探索磁制冷循環(huán)作用機(jī)理及指導(dǎo)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(fù)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(diǎn)， 成為關(guān)注的熱點(diǎn)之一， 例如磁 Brayton-Ericsson 循環(huán)。 主動(dòng)磁制冷循環(huán)基于主動(dòng)磁回?zé)嵩硇纬傻模?是目前室溫樣機(jī)系統(tǒng)中最主流的循環(huán)形式， 如主動(dòng)磁 Brayton 循環(huán)、主動(dòng)磁 Ericsson 循環(huán)等， 深入研究其運(yùn)行機(jī)理一直是磁制冷技術(shù)的研究重點(diǎn)之一。 除此之外， 還出現(xiàn)了一種耦合回?zé)崾街评涞闹鲃?dòng)磁制冷循環(huán)， 該循環(huán)將回?zé)崾綒怏w制冷與磁制冷進(jìn)行耦合， 以期獲得更好的制冷效應(yīng)。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(gè)絕熱過(guò)程與兩個(gè)等溫過(guò)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(guò)程替換成等磁矩過(guò)程。 在磁 Carnot 循環(huán)和磁 Stirling 循環(huán)中勵(lì)磁過(guò)程與去磁過(guò)程各由兩個(gè)子過(guò)程構(gòu)成， 磁場(chǎng)強(qiáng)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(lì)磁/去磁過(guò)程由單一過(guò)程構(gòu)成。 對(duì)比而言， 由單一過(guò)程構(gòu)成勵(lì)磁/去磁過(guò)程的制冷循環(huán)有利于簡(jiǎn)化對(duì)外磁場(chǎng)的控制要求， 同時(shí)也有利于增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)最強(qiáng)磁場(chǎng)與最弱磁場(chǎng)的利用程度。 從圖 1 分析可得（假設(shè)四種基本循環(huán)中a點(diǎn)與c點(diǎn)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(guò)程為變溫?zé)峤粨Q過(guò)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(guò)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(lì)磁/去磁過(guò)程的實(shí)現(xiàn)較磁Brayton循環(huán)困難。

復(fù)合式磁制冷循環(huán)是由若干磁制冷基本循環(huán)有機(jī)結(jié)合而成的， 這種循環(huán)可綜合單一循環(huán)的特點(diǎn)，更易獲得優(yōu)良的綜合性能， 例如復(fù)合式磁 Brayton-Ericsson 循環(huán)。 復(fù)合式磁 Brayton-Ericsson循環(huán)的制冷量來(lái)自于d1-d-a過(guò)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(lái)自于b1-b-c過(guò)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(guò)程， 復(fù)合式磁 Brayton-Ericsson 循環(huán)中d1-d等溫過(guò)程的制冷量?jī)?yōu)于相對(duì)應(yīng)等磁場(chǎng)過(guò)程中的制冷量。

與此同時(shí)， 制冷端換熱的平均換熱溫度相比等磁場(chǎng)過(guò)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(fù)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?fù)Q熱易獲得較大制冷量的特性。 在復(fù)合式磁制冷循環(huán)的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于不同的工況還需要進(jìn)一步考察如何合理分配兩種或者多種過(guò)程順序、時(shí)間比例等因素。1

主動(dòng)磁制冷循環(huán)主動(dòng)磁制冷循環(huán)是由磁制冷基本循環(huán)與主動(dòng)磁回?zé)崞髟硐嘟Y(jié)合而發(fā)展出的循環(huán)。 通常， 氣體回?zé)崾街评錂C(jī)中固體填料起回?zé)嶙饔茫?氣體的熱力學(xué)循環(huán)是冷量產(chǎn)生的原因； 主動(dòng)磁制冷循環(huán)中， 回?zé)崞髦泄腆w磁熱介質(zhì)的熱力學(xué)循環(huán)是冷量產(chǎn)生的原因， 傳熱流體發(fā)揮了回?zé)嶙饔谩?主動(dòng)磁制冷循環(huán)通過(guò)磁熱效應(yīng)與回?zé)徇^(guò)程的結(jié)合， 顯著增加了循環(huán)溫跨。 常見(jiàn)的主動(dòng)磁制冷循環(huán)包括主動(dòng)磁 Brayton循環(huán)、主動(dòng)磁Ericsson循環(huán)等。

以主動(dòng)磁 Brayton 循環(huán)為例， 沿回?zé)崞鬏S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(shí)工質(zhì)與換熱流體進(jìn)行熱交換實(shí)現(xiàn)溫度降低 （退磁過(guò)程后）/升高 （勵(lì)磁過(guò)程后）。磁場(chǎng)變化與換熱流體流動(dòng)在時(shí)序匹配后， 在主動(dòng)磁Brayton制冷循環(huán)的回?zé)崞髦锌拷涠藫Q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?zé)崞鬏S向方向建立起溫度梯度， 最終回?zé)崞鲀啥说臏囟瓤缍冗h(yuǎn)大于磁熱材料本身在同樣磁場(chǎng)強(qiáng)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(jī)的串聯(lián)運(yùn)行， 從而形成如圖所示的整個(gè)回?zé)崞鞯闹评溲h(huán)包絡(luò)線a3-b3-c1-d1。

在循環(huán)包絡(luò)線中，d1-a3過(guò)程為磁熱工質(zhì)的吸熱過(guò)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?zé)帷?與此對(duì)應(yīng)，b3-c1過(guò)程中的放熱量也包含兩部分放熱效應(yīng)。

在主動(dòng)磁制冷循環(huán)中， 處于回?zé)崞鞑煌S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(xué)角度量化循環(huán)的制冷量、放熱量與性能系數(shù)等仍需進(jìn)一步探討。1

耦合回?zé)崾街评涞闹鲃?dòng)磁制冷循環(huán)近年來(lái)， 還出現(xiàn)了一類耦合氣體回?zé)崾街评浼夹g(shù)的主動(dòng)磁制冷循環(huán)， 由于氣體回?zé)崾街评溲h(huán)與主動(dòng)磁制冷循環(huán)在換熱結(jié)構(gòu)與流路驅(qū)動(dòng)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(jìn)行熱交換的回?zé)崞饕约膀?qū)動(dòng)流體往復(fù)流動(dòng)的裝置。 兩類循環(huán)復(fù)合后， 形成基于氣體回?zé)崾街评涞闹鲃?dòng)磁制冷循環(huán)， 其制冷效應(yīng)包含兩種不同原理的制冷過(guò)程: 一種為利用氣體膨脹效應(yīng)獲取冷量的過(guò)程， 另一種為利用磁熱效應(yīng)獲取冷量的過(guò)程。 通過(guò)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?zé)崾街评涞闹鲃?dòng)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(dòng)磁制冷循環(huán)為例， 如圖所示。

完整的一個(gè)循環(huán)過(guò)程如下:

1） 壓縮過(guò)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(guò)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(dòng)， 將熱量釋放至回?zé)崞魈盍现校?同時(shí)， 回?zé)崞魍獠康拇艌?chǎng)強(qiáng)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(guò)程c， 壓縮活塞1靜止， 膨脹活塞2繼續(xù)運(yùn)動(dòng)， 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(lì)磁過(guò)程d， 低壓氦氣由膨脹腔向壓縮腔移動(dòng)， 吸收回?zé)崞魈盍现袩崃浚?同時(shí)， 磁場(chǎng)強(qiáng)度增加， 回?zé)崞髦械拇艧峁べ|(zhì)勵(lì)磁， 磁矩有序度增加， 工質(zhì)磁熵減小并釋放熱量；

5） 壓縮過(guò)程a， 進(jìn)入下一個(gè)制冷循環(huán)的壓縮過(guò)程。

由上述可知， 氣體膨脹效應(yīng)與磁熱效應(yīng)的耦合存在一定的相位匹配問(wèn)題。 當(dāng)兩種制冷效應(yīng)正面疊加時(shí)， 耦合 Stirling 制冷的室溫主動(dòng)磁制冷循環(huán)將產(chǎn)生更強(qiáng)的制冷性能， 反之削弱。 因此， 構(gòu)建耦合回?zé)崾街评涞闹鲃?dòng)磁制冷系統(tǒng)時(shí)， 不僅需要克服AMR 磁制冷循環(huán)中的多物理場(chǎng)耦合的難題， 還需要探索兩種循環(huán)在時(shí)序上的最佳匹配。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)