筒式磁制冷机的研制

收稿日期：作者简介：金培育（1965-），男，河北泊头人，硕士研究生，教授级高级工程师，主要研究方向：稀土功能材料。筒式永磁室温磁制冷机的研制金培育1，2,黄焦宏1，2，闫宏伟1，2，杨占峰1，2，张英德1，2，李兆杰1，2、（1、包头稀土研究院，内蒙古包头014030；2、稀土冶金及功能材料国家工程研究中心，内蒙古包头014030）摘要:包头稀土研究院已经研制出新型双筒式室温磁制冷机。每个筒均由两个内外同心嵌套的具有Halbach结构的NdFeB磁场系统组成，最大磁感应强度1.5T。两内套磁体通过齿轮啮合同步联动运转，实现两工作空间磁场周期变化，并保持相位相反。以稀土金属Gd颗粒作为蓄冷器的制冷工质，零负载条件下达到近18℃的冷热端温差。关键字：室温磁制冷机；磁制冷机；Gd中图分类号：文献标识码：A文章编号：室温磁制冷技术的开发应用是近十几年发展起来的，由于其环保、高效受到各国普遍重视，并获得较显著的进展。由于目前处于磁制冷应用开发初期，尚未形成固定形式的开发模式，目前各国开发的磁制冷机各具特色，并取得较大进展[1~4]。最近，室温磁制冷技术又有新进展。美国宇航公司最新设计研制了一台大功率磁制冷机，设计提供2kW的制冷功率，COP不低于2[5]。丹麦技术大学能源转化与储存系的Bahl等人也研制了一台千瓦级的室温磁制冷机[6]。拓宽冷热端温差技术[7]及复杂形状磁制冷工质成形技术[8]等。这些进步将使室温磁制冷技术率先在某些领域得到应用，有利于促进室温磁制冷技术向实用化迈进。包头稀土研究院在磁制冷技术开发方面已走过十几年的历程，不断进步。在室温磁制冷机研发方面取得较大进展，已研发出十几台实验室样机，性能逐步提升，结构不断改进，受到国内外同行的普遍认可和认同。由于现用的往复式磁制冷机存在噪声大、运行频率低等缺点。对磁场系统进行较大改进，采用内外环形嵌套磁场系统，这种结构不仅可以提高制冷机运行频率而且可以使整机结构紧凑，有利于减少磁制冷机体积。同时将流体驱动机构进行较大改进，改用双向驱动泵，降低噪音。整机由双蓄冷器配合双筒式磁场系统，由齿轮啮合传动，保证两磁场系统同步运行并保持磁场方向反向。由程序控制，伺服电机驱动，实现机器精确运行。1室温磁制冷机的组成与功能通常室温磁制冷机主要由磁场系统、蓄冷器（含磁制冷工质）、冷热端换热器、热交换液、驱动机构及控制器等组成。图1是磁制冷机的结构示意图。图1磁制冷机结构示意图Fig.1Schematicdiagramofmagneticrefrigerator1.1磁场系统该机磁场系统是由两套内外嵌套的环形筒式磁体构成，每套磁体外磁体固定，内磁体可以旋转，内磁体中心形成圆柱形工作空间。两套磁体的内磁体通过齿轮啮合保持同步联动，并保证两套磁体产生的磁场相位错开半周，即当驱动内磁体旋转时，两工作空间的磁场产生周期性强弱变化并且相位相差180度。这样的设计有利于提高磁制冷机的运行频率。每套磁场系统的结构见图2,图3是磁体取向示意图，内外筒均采用Halbach型永磁体组合。当处于图中所示位置时，其工作空间中心磁感应强度达到最大，约为1.5T。当内磁体旋转180度时，其工作空间中心磁感应强度达到最小，约为0T。中心工作空间用于放置含有磁制冷工质的蓄冷器。当内磁体旋转时产生的周期性磁场变化作用于磁制冷工质时会产生磁热效应，按照AMR(ActiveMagneticRegeneration)循环会产生较大的制冷温差，实现制冷。图2磁制冷机磁场系统CAD图Fig.2CADdiagramofthecylindricalmagneticsystemofNdFeBpermanentmagnets图3磁制冷机嵌套筒式磁体磁场分布CAD图Fig.3Halbacharraysofthemagnets1.2蓄冷器该机为双蓄冷器结构。蓄冷器是在外磁场作用下产生磁热效应的部件，蓄冷器系统结构示意图见图4。它的腔体中填充颗粒状磁制冷工质。随着磁制冷工质的升温和降温，热交换流体定向往复穿行其中，将磁制冷工质产生的热和冷带走。图4蓄冷器系统结构示意图Fig.4Structuralschematicdiagramofmagneticrefrigerationregeneratorsystem1.3冷热端换热器冷热端换热器均由铜管制成。冷端换热器为一个，与蓄冷器低温侧连接。冷端换热器中流过较冷的流体，将负载的热量带走。热端换热器为两个，一端分别与蓄冷器高温侧相连，另一端分别与双向驱动泵相连。它们将蓄冷器产生的热量散掉。换热器表面贴上温度传感器。1.4热交换流体及其驱动系统热交换流体通常为水。由双向驱动泵驱动。流体流向、流速、流量由伺服电机的方向和转速决定。1.5制冷机电控部分及工作程序机器的电控部分的硬件主要由触摸屏、PLC、两台伺服驱动器和两台伺服电机等构成，两台伺服电机分别用于驱动磁体旋转和双向驱动泵驱动换热流体。机器的工作程序由控制软件实现，控制参数及控制功能可以由触摸屏设定。参见图5，图中实线箭头代表磁体磁场方向，虚线箭头代表换热流体流动方向。大致工作流程如下：机器上电后自动定位，即寻找上侧磁场系统（以下简称A磁场系统，下侧磁场系统简称B磁场系统）的零磁场位置。按触摸屏上的启动钮后，机器按照设定的程序连续工作。当A磁场系统运转到高磁场区域时，同时B磁场系统处于低磁场区域，见图5的上图，此时双向驱动泵驱动流体由冷端经磁化的蓄冷器流向热端，同时驱动流体由热端经退磁的蓄冷器流向冷端，这样使热的流体进入热端换热器散热，同时使冷的流体进入冷端换热器吸热，当磁体转出高低磁场区域时，驱动泵停止。当运行到下一个AMR循环时，即当A磁场系统处于低磁场、B磁场系统处于高磁场时，见图5下图，驱动泵反向驱动。如此周期运行下去，完成磁制冷循环。图5磁制冷机主机工作过程示意图Fig.5Schematicdiagramofworkingprocedureofmagneticrefrigerator2磁制冷机的初步试验结果将1.4Kg粒径为0.3~0.6mm稀土金属Gd球粒作为磁制冷工质填充到两个蓄冷器腔体内，以弱碱性水作为换热流体，运行频率0.16Hz,进行无负载制冷试验，初步结果见图6。图6磁制冷机冷热端温度随运行时间曲线Fig.6Coldandhotendtemperaturesversustime图6为磁制冷机冷热端温度随运行时间曲线，上方为热端曲线，下方为冷端曲线。由于热端换热器暴露在环境中，与环境空气交换热量，其易受环境温度影响，所以开始其温度略有上升，之后受环境温度影响略有下降。冷端包裹在绝热材料中，不易受环境温度影响，而且没有负载，其温度变化曲线呈现出速降、缓降和保持三个阶段。由于冷端没有负载，其变化曲线基本能反映蓄冷器中的温度梯度建立过程。在磁热效应和AMR循环作用下，在蓄冷器中逐步建立起温度梯度，由于冷端没有负载，起初温度梯度的建立比较快，在温度变化曲线上表现出迅速降温。当蓄冷器冷热端温差达到一定程度，进一步加大温差的速度会减缓，在曲线上表现为缓慢降温阶段。最后当蓄冷器冷热端温差达到一定程度，由于蓄冷器的轴向热传导以及横向热散失等使温差不再增加，在曲线上表现为维持阶段。最终冷热端温差接近18℃。综上所述，该磁制冷机采用双筒式磁场系统以及改进的流体驱动方式实现磁制冷机低噪声、高精控、运行可靠、结构紧凑等特点，利用稀土金属Gd颗粒作为磁制冷工质得到较好的初步结果。3.结论用双筒嵌套永磁磁场系统和改进的流体驱动系统研制的室温磁制冷机具有结构紧凑、噪音低、运行可靠等的特点。以稀土金属Gd颗粒作为磁制冷工质，在零负载条件下实现冷热端温差近18℃的初步结果。本工作得到“863”（2011AA03A404）、国际科技合作与交流专项（2011DFA53230）、国家自然科学基金（51261001）等的资助。参考文献：[1]BingfengYu,MinLiu,PeterW.Egolf,etal.Areviewofmagneticrefrigeratorandheatpumpprototypesbuiltbeforethe2010[J].Int.J.Refrigeration.2010,33:1029-1060.[2]曾智，侯雪玲，汪学真，等.我国室温磁制冷样机的研究进展[]J.上海金属.2011,33(2):55-62.[3]PYJin,JHHuang,HWYan,etal.DESIGNOFANIMPROVEDRECIPROCALROOM-TEMPERATUREMAGNETICREFRIGERATOR[A].FifthInternationalConferenceonMagneticRefrigerationatRoomTemperature[C].2012,325-331.[4]金培育，黄焦宏，闫宏伟，等.数控往复式室温磁制冷机的研制.稀土.2010,33(6):90-93.[5]JacobsS,AuringerJ,BoederA,etal.Theperformanceofalarge-scalerotarymagneticrefrigerator[A].FifthInternationalConferenceonMagneticRefrigerationatRoomTemperature[C].2012,421-428.[6]BahlCRH,EngelbrechtK,EriksenD,etal.Developmentandexperimentalresultsfroma1kWprototypeAMR[A].FifthInternationalConferenceonMagneticRefrigerationatRoomTemperature[C].2012,53-60.[7]SariO,BalliM.Fromconventionaltomagneticrefrigeratortechnology[A].FifthInternationalConferenceonMagneticRefrigerationatRoomTemperature[C].2012,27-37.[8]MoorJD,KlemmD,LindackersD,etal.SelectivelasermeltingofLa(Fe,Co,Si)13geometriesformagneticrefrigeration[J].J.Appl.Phys.2013,114:043907-1-043907-8.DesignofaDoubleCylinderStyleRoom-temperatureMagneticRefrigeratorJINPei-yu1,2,HUANGJiao-hong1,2,YANHong-wei1,2,YANGZhan-feng1,2,LIUCui-lan1,2,ZHANGYing-de1,2(1.BaotouResearchInstituteofRareEarths,Baotou014030,China;2.StateEngineeringCenterofRareEarthMetallurgyandFunctionalMaterials,Baotou014030,China)Abstract:BaotouResearchInstituteofRareEarthhasbuiltadoublecylinderstyleroom-temperaturemagneticrefrigerator.EachmagneticsystemconsistsoftwonestedNdFeBmagnetscylinderswithHalbacharrays.Themaximummagneticfieldofthecylindricalvolumeofthemagneticsystemis1.5T.Thetwoinnercylindricalmagnetsoftwomagneticsystemareingear.Thealternativemagneticfieldchangecanbepro