磁工質種類對磁制冷運行特性的影響

董麗瑋 李陸偉

摘要：為分析磁工質種類對磁制冷運行特性的影響，采用Gd和LaFeCoSi基化合物兩種磁工質，選取不同的對流換熱時間，測量Gd對應的蓄冷器的冷端溫度變化情況；選取不同的運行周期（工作頻率），分析LaFeCoSi基化合物的冷端溫度隨時間的變化；最后選取相同的運行周期（工作頻率）和對流換熱時間進行試驗，分析兩種材料各自的性能，總結它們的優缺點，并為今后尋找更佳的磁工質材料提供研究方向。

Abstract： In order to analyze the influence of magnetic refrigerant species on magnetic refrigeration operation characteristics， two kinds of magnetic materials of Gd and LaFeCoSi-based compounds were used to select different convective heat exchange times， and the temperature change of the cold end of the regenerator corresponding to Gd was measured. Different operating cycles （operating frequencies） were selected to analyze the change of the cold junction temperature of LaFeCoSi-based compounds with time. Finally， the same operating cycle （operating frequency） and convective heat transfer time were selected to test the performance of the two materials， their advantages and disadvantages are summarized to provide research directions for finding better magnetic materials in the future.

關鍵詞：磁制冷；磁工質；制冷性能實驗；Gd；LaFeCoSi基化合物

Key words： magnetic refrigeration；magnetic refrigerant；refrigeration performance experiment；Gd；LaFeCoSi-based compound

中圖分類號：TB61 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）31-0157-03

0 引言

磁制冷技術[1]是一種新型的環保制冷技術，與傳統的制冷技術相比較具有以下優點：幾乎無環境污染；高效節能；裝置結構緊湊，噪聲小。因此，磁制冷技術將來可以取代傳統的制冷技術，是一種極具開發潛力的綠色環保制冷技術。1976年，G.V.Brown首次實現了室溫磁制冷，標志著磁制冷技術的研究開始從低溫轉向室溫[2]。2005年中科院以Gd粉末為工質，氮氣為載冷劑，在磁場強度1.5-1.7T之間，獲得了冷熱端10.7K的最大溫差[3]。丹麥科技大學的可持續能源國家實驗室進行了旋轉式磁制冷機的設計與性能研究[4]，采用Gd和La（FeCoSi）13作為磁工質，試驗過程中制冷溫跨達到了25.4K。為對比Gd和LaFeCoSi基化合物兩種磁工質對磁制冷運行特性的影響，筆者選取一定的對流換熱時間和工作頻率對兩種磁工質進行對比分析實驗，旨為今后尋找更佳的磁工質材料提供研究方向。

1 實驗裝置

1.1 基本原理

磁制冷低溫的產生是基于磁工質的磁熱效應。當磁性工質所包圍的磁場強度增加時，磁性工質內部磁矩由混亂變為有序，工質的熵減小，加磁過程放出熱量；反之，當磁場強度減小至初始狀態時，磁性工質內部磁矩由有序變為混亂，工質的熵增加，去磁過程吸收熱量，原理圖如圖1所示。

1.2 實驗裝置

為研究兩種磁工質在不同運行工況下加磁、退磁過程的制冷效果，搭建了一套往復式室溫磁制冷實驗臺。系統原理圖如圖2所示，系統由冷凝器、水泵、電磁閥、永磁鐵（1.5T）、磁床、熱端1、熱端2、冷端。永磁鐵在磁床的左右兩端進行往復運動，交替進行加磁、退磁過程。當永磁體對右端的磁床進行加磁時，右端磁工質熵減放熱，放出的熱量傳遞給換熱流體水，然后磁體停止運動，水泵開始運行，水流從磁床冷端流向熱端，將熱量帶走傳遞到熱端2；同理，對左端磁床進行加磁時，水流反向，由冷端流向熱端1，將熱量傳遞給熱端。在一個循環中，給一端加磁的同時，另一端退磁，冷端溫度逐漸降低，而熱端溫度逐漸升高。

1.3 實驗方法

為對比兩種磁工質在不同對流換熱時間和工作頻率下的性能，對Gd提供一定的磁場移動速度，改變對流換熱時間；對LaFeCoSi基化合物提供一定的對流換熱時間，改變磁場移動速度；對兩種材料同時提供相同的磁場移動速度周期（工作頻率）和對流換熱時間，測得蓄冷器冷端溫度的變化。制冷性能試驗共分三組進行：

①保持磁場移動速度為160mm/s不變的條件下，通過改變對流換熱時間時間為（400ms，500ms，600ms，700ms，800ms），測得顆粒Gd蓄冷器冷端溫度隨時間的分布；

②保持對流換熱時間為700ms不變的條件下，通過改變磁場移動速度，分別為100mm/s，130mm/s，160mm/s，測得顆粒LaFeCoSi基化合物蓄冷器冷、熱端溫度（制冷溫跨）隨時間的分布；

③選取相同的磁場移動速度周期（工作頻率）和對流換熱時間進行試驗，對比分析Gd和LaFeCoSi基化合物兩種磁性材料的制冷溫跨隨時間的變化。

1.4 溫度測點布置

測點布置如圖3所示，在磁制冷床的兩個熱端的水管上分別布置一個測點，在磁制冷床冷端的銅管上布置一個測點，然后用保溫材料包好，在空中懸掛一個測點，從而測量蓄冷器冷端溫度和熱端溫度及冷熱端溫差。

2 實驗結果及分析

2.1 不同對流換熱時間的溫度測試

圖4是室溫保持18℃不變，對流換熱時間分別為400ms，500ms，600ms，700ms，800ms時，Gd磁工質冷端溫度隨運行時間的變化關系。從圖中可以看出，冷端溫度的變化趨勢基本一致，均先急劇下降，然后變化幅度減小，逐漸趨于穩定。其中對流換熱時間為400ms時，大約在開機200s左右冷端溫度開始呈緩慢增加的趨勢；對流換熱時間為500ms，600ms，700ms，800ms時，約400s之后，冷端溫度幾乎不再發生變化，制冷溫跨基本維持恒定，表明低于居里溫度點時，系統的制冷量在有限的時間內保持不變。對流換熱時間過短時，水的熱量不能被完全吸收，穩定后冷端溫度較高；對流換熱時間過長，冷卻水循環流過冷端，而冷卻水溫度較高，使冷端溫度升高。對流換熱時間為500ms時，冷端溫度達到最低約9.5℃，制冷溫跨達到最大約8.5℃，系統性能最佳。

2.2 不同磁場移動速度（工作頻率）的溫度測試

圖5為磁工質LaFeCoSi在不同磁場移動速度下制冷溫跨隨對流時間的變化曲線圖。在其他條件相同的情況下，LaFeCoSi磁工質在移動速率為130mm/s時，溫跨變化幅度最大；磁場移動速度為100mm/s時，在400ms-500ms時間內溫跨大約保持3.2℃不變，在500ms-600ms和700ms-800ms溫跨上升，在600ms-700ms溫跨下降；磁場移動速度為160mm/s時，在400ms-500ms和700ms-800ms溫跨下降，在500ms-700ms溫跨上升；對比分析LaFeCoSi磁工質的制冷溫跨隨對流時間的變化，可以明顯地發現，對于LaFeCoSi磁工質，隨著磁場移動速度的增加，制冷溫跨隨之增加。

2.3 不同磁工質的溫度測試

圖6為兩種磁工質的制冷溫跨隨時間變化的曲線圖。在相同工作條件下，LaFeCoSi磁工質的溫跨變化相對平穩，在0-100s時間內溫跨大概保持16℃不變，在100s到200s處于降溫階段，200s以后制冷溫跨維持在14℃左右不變；Gd磁工質的制的溫跨在0-100s時間內迅速降低，而后逐漸趨于平穩，400s以后基本不再發生變化，最終溫跨維持在9.5℃左右。對比分析兩種磁工質的制冷溫跨隨時間的變化，可以明顯地發現，LaFeCoSi磁工質冷端溫度變化范圍要小于Gd磁工質的冷端溫度變化范圍，冷端溫度趨于平穩所需的時間也相對較短，且LaFeCoSi磁工質的平均制冷溫跨要高于Gd磁工質的平均制冷溫跨，LaFeCoSi磁工質在系統平穩運行下的冷端溫度更接近于室溫。Gd磁工質在系統穩定運行下的冷端溫度相對偏低，因此可以應用于食品的冷卻保鮮等方面。

3 結論

①對于Gd磁工質，控制磁場移動速度為160mm/s，對流換熱時間為500ms時，系統對應的冷端達到最低溫度，在開機大約400s時運行最為平穩，此時室溫磁制冷機系統性能最佳。

②對于LaFeCoSi磁工質，控制對流換熱時間為700ms，磁場移動速度為130mm/s 時，制冷溫跨最低，制冷效果最好。

③控制磁場移動速度和對流換熱時間相同的條件下，兩種磁工質都具有較好的熱磁效應，但磁工質Gd在室溫磁制冷方面更具開發和利用前景。

參考文獻：

[1]盧曉飛，劉永生，王玟藶，沈毓龍，司曉東，雷偉，杜文龍.磁制冷材料的研究進展[J].材料科學與工程學報，2017，35（05）：848-854.

[2]李振興，李珂，沈俊，戴巍，高新強，郭小惠，公茂瓊.室溫磁制冷技術的研究進展[J].物理學報，2017，66（11）：13-29.

[3]包立夫，武榮榮，張虎.室溫磁制冷材料的研究現狀及發展前景[J].材料導報，2016，30（05）：17-22.

[4]栗鵬，姚冠輝，公茂瓊，吳劍峰.采用永磁鐵的室溫磁制冷機實驗研究[J].稀有金屬，2005（04）：587-589.