我国室温磁制冷样机的研究进展

　　磁制冷是以具有( 巨) 磁热效应的材料作为制冷工质，通过外加磁场的变化而使磁工质的磁矩发生有序或无序的转变( 相变) ，进而引起磁工质对环境吸热或放热而进行制冷的方法。与传统的气体压缩制冷相比，磁制冷具有熵密高、体积小、结构简单、噪音小、效率高及功耗低等优点。

　　自从 20 世纪 70 年代 Brown 制作了世界上第一台室温磁制冷样机[1]，在过去的 30 多年里，室温磁制冷技术在世界范围内获得了快速发展[2-3]。磁制冷技术高效环保，可作为传统蒸气压缩制冷技术的一种潜在的替代方式。由于当前磁制冷机磁场大多数由价格昂贵、结构复杂的超导磁体或电磁铁提供，这在很大程度上限制了磁制冷技术的商业化。永磁铁虽然只能提供低磁场，但因其低成本、易制造，越来越受到研究人员的关注。

　　磁制冷机是依赖于磁性材料的磁热效应( MCE) 来实现制冷的。在室温区，由于磁性材料的晶格热容相对较大，在绝热励磁或去磁时产生的绝热温变 ΔTad就比较小。钆在 1. 5 T 磁场下产生的绝热温变仅为 4 K。采用主动式磁回热循环( AMR Cycle) 不仅可以克服这一限制，在磁性材料的两端产生高出 ΔTad数倍的温跨，同时还使得换热更加高效，磁制冷机的结构更加紧凑。Zimm 等[4]设计了第一台采用 AMR 循环工作的磁制冷机，在 10 K 的温跨下获得了约 600 W 的制冷量。

　　最近十几年，各国都投入了较多的人力和物力研究这种具有广阔市场前景的室温磁制冷方法，尤其是用永磁体取代超导磁体以简化结构、降低成本已经引起广泛重视。本文主要论述我国室温磁制冷机的研究情况及在室温磁制冷研究过程中面临的问题。

        1 我国室温磁制冷样机的研究进展.

　　1. 1 南京大学的室温磁制冷样机

　　2003 年南京大学的卢定伟等人[5]使用主动式磁蓄冷器的循环方式，通过永磁体来添加 1. 7T 的外加磁场，以 0. 112 kg 的金属 Gd ( 线度 为0. 15 m / n) 作为磁制冷工质，工作间隙为 9 mm ×18 mm × 120 mm，每个热源的容积大约为 30 ml，用水做导热物质，每次来回循环的载冷剂量约10 ml，周期为 5 s。该装置达到了最大温跨 8 K，但输出功率不足 10 W。样机见图 1。

　　1. 2 四川大学的室温磁制冷样机

　　2004 年，四川大学的旋转室温磁制冷样机[6]采用永磁体提供 1. 5 T 外加磁场，纯度为 99% 的Gd作为磁制冷工质，磁工质轮的转速为6 ～ 40 r / min，获得了最大温跨 11. 5 K，最大制冷功率在 70 W 以上。

　　2007 年，四川大学设计、制作和测试了由永磁体提供旋转磁场的冰箱[7]( 见图 2) 。工作轮( 外径 232 mm、内径 168 mm 和高 16 mm) 被分成36 部分且各部分中间塞满了多孔的磁工质材料Gd 微粒( 尺寸约 0. 5 mm，总质量 1 kg) 。工作轮的旋转频率为0. 1 ～ 0. 7Hz。基于Halbach数采用 NdFeB、FeCoV 两种软磁材料来装配磁铁，空隙高度为20 mm，磁通密度1. 5 T，用水作为热传导工质，这个装置达到的最大温差为11. 5 K。当频率为 0. 15 Hz，最大温差为 6. 7 K 时，获得了最大制冷功率 40 W。