The Innovation | 绿色高效磁制冷新模式：混合式回热
The Innovation | 绿色高效磁制冷新模式：混合式回热
传统的气体压缩制冷大量使用高全球变暖潜值的制冷剂，排放大量温室气体，对生态环境造成了不可逆转的影响。磁制冷环境友好，能效比高，具有绿色高效、低碳排放的优势，是理想的新一代制冷技术。但是，现有的使用被动或主动磁回热模式的磁制冷器件/样机的制冷效率、制冷功率和工作频率无法达到预期，亟待提出具有高频优异性能的磁制冷器件。
背景
自上世纪以来，蒸汽压缩制冷技术在家庭、商业和工业领域得到了广泛应用。然而，蒸汽压缩制冷普遍能效比低，消耗全社会大量电能，同时大量高全球变暖潜值制冷工质的直接排放对生态环境造成了不可逆转的影响。随着全球能源资源的日益紧张和环境污染的加剧，具有环境友好、能效比高以及低碳排放等优势的磁制冷技术成为制冷技术发展的重要方向。为解决传统被动式、主动式磁制冷技术低频低效的缺点，本文提出了基于全固态混合式回热的磁制冷器件，具有实现高频高效高功率制冷的巨大潜力。
图1 图文摘要
磁制冷技术原理
蒸汽压缩制冷技术占据制冷市场的主流，但是较低的能耗比以及大量高全球变暖潜值制冷工质的使用对生态环境造成了极大的负担。磁制冷技术环境友好，能效比高，具有绿色环保高效低碳排放的优势，被视为蒸汽压缩制冷技术的有力替代者。磁制冷技术的核心是磁卡效应和磁卡材料。磁卡效应是指磁性材料在施加磁场磁化的过程中释放热量，而在去磁的过程中吸收热量，磁卡材料便是具有磁卡效应的材料。简单来说，磁场驱动磁有序变化伴随熵的改变是磁卡效应的来源。
磁制冷器件的发展
磁制冷器件通常由两部分构成：用于制冷的磁卡材料（MCM）和用于传输热量的流体（图2）。通常磁卡材料在商业化永磁体磁场驱动下的绝热温变为3-5 K，而实际制冷需要的冷热端温跨通常为10-20 K。如何利用磁卡材料有限的绝热温变来实现较大的冷热端温跨呢？这就要用到回热的方法。通俗来讲，回热就是在整个器件中建立一个稳定的温度梯度，源源不断地将热量从冷端传递到热端，从而实现较大的冷热端温跨。将稳定的温度梯度建立在用于传输热量的换热流体上，就是被动式回热（图2A），建立在磁卡材料上，就是主动式回热（图2B）。
然而，采用被动式和主动式回热的磁制冷器件的制冷性能一直无法满足预期。主要原因有两个：一是稳定的温度梯度只是建立在器件的某一部分上，这限制了回热效率，从而限制了制冷能力；二是传统的设计中通常使用流体进行换热，而流体本身运动速度慢限制了工作频率，同时内部对流等造成了额外热量损耗，进一步阻碍了制冷能力提升。
为了解决上述缺点，我们提出了混合式回热和基于混合式回热的全固态磁制冷器件模型。混合式回热是指将稳定的温度梯度同时建立在磁卡材料和用于传输热量的物质上，两者均参与回热过程，从而提高回热效率（图2C）。另一方面，我们用高热导率固体（HTCM）替代流体进行回热，打破了流体对工作频率的限制，减少热量损耗，提高制冷性能。我们所提出的基于混合式回热的全固态磁制冷器件由制冷层和回热层构成，制冷层由磁卡材料构成，回热层则是由高热导率材料构成，在运行过程中，稳定的温度梯度同时建立在制冷层和回热层上，形成混合式回热。
图2 被动式(PMR)、主动式(AMR)和混合式(HMR)回热模式示意图
制冷性能
有限元模拟结果显示，由Gd-Cu组成的新型混合回热磁制冷器件，在有效工作频率10 Hz时，最大制冷功率可达到10 kW/kg的量级，理想的最大卡诺效率可超过50%（图3）。作为比较，传统的用液体进行回热的被动式/主动式磁制冷机，绝大多数有效工作频率小于1 Hz、最大制冷功率低于1 kW/kg、卡诺效率低于30%。相比之下，采用混合式回热的全固态磁制冷机具有实现高频高效高功率的巨大潜力。
图3 基于混合回热的Gd-Cu新型磁制冷器件的制冷性能
总结与展望
具有绿色环保高效低碳排放等优势的磁制冷技术被视为能够替代蒸汽压缩制冷技术的理想制冷技术之一。然而，传统的用流体进行回热的被动式/主动式磁制冷机的制冷性能一直未能达到要求。本文提出了整个器件都参与回热过程的混合式回热模式以及用高热导率固体进行换热提升工作频率的理念，并设计了基于混合式回热的全固态磁制冷器件。该新型磁制冷器件具有实现高频高效高功率制冷的巨大潜力，为实现低碳排放绿色高效制冷提供了一条新思路。
本文原文来自《The Innovation》