自上世紀(jì)以來(lái),蒸汽壓縮制冷技術(shù)在家庭、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,蒸汽壓縮制冷普遍能效比低,同時(shí)大量排放高全球變暖潛值的制冷劑對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響。隨著全球能源緊張和環(huán)境問(wèn)題的日益加劇,具有環(huán)境友好、高能效比的磁制冷技術(shù)成為重要發(fā)展方向。然而,傳統(tǒng)磁制冷器件主要采用被動(dòng)式或主動(dòng)式回?zé)?,制冷性能無(wú)法滿足預(yù)期。原因包括:(1)對(duì)于被動(dòng)式/主動(dòng)式回?zé)崮J?,穩(wěn)定的溫度梯度僅建立在用于傳輸熱量的物質(zhì)或磁熱材料上(圖1A,B),回?zé)嵝实?,限制了制冷能力?2)傳統(tǒng)磁制冷器件通常使用流體進(jìn)行回?zé)?,流體對(duì)流等因素限制了工作頻率,導(dǎo)致制冷能力進(jìn)一步受限。目前報(bào)道的基于主動(dòng)式和被動(dòng)式回?zé)岬拇胖评淦骷?,絕大多數(shù)工作頻率低于1Hz,比制冷功率小于1kW/kg。
最近,中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M03組博士生林源在王晶副研究員、胡鳳霞研究員和沈保根院士共同指導(dǎo)下,提出混合式回?zé)嵝略砗屠酶邿釋?dǎo)固體代替流體進(jìn)行回?zé)岬睦砟睿⒊晒υO(shè)計(jì)出一種基于混合式回?zé)岬娜虘B(tài)磁制冷器件。相比于傳統(tǒng)磁制冷器件,(1)該器件運(yùn)行過(guò)程中,穩(wěn)定的溫度梯度同時(shí)建立在磁熱材料和用于傳輸熱量的物質(zhì)上,有效提高了回?zé)嵝剩▓D1C);(2)利用高熱導(dǎo)固體(HTCM)取代流體構(gòu)建回?zé)嵫h(huán),打破了流體對(duì)工作頻率的限制。
基于混合式回?zé)嵩O(shè)計(jì)的全固態(tài)磁制冷器件核心制冷單元由磁熱材料構(gòu)成的制冷層和高熱導(dǎo)固體構(gòu)成的回?zé)釋咏M成(圖2A,B),運(yùn)行過(guò)程中,制冷層和回?zé)釋幽嫦蛐D(zhuǎn)同時(shí)形成穩(wěn)定的溫度梯度,通過(guò)相互間的熱交換將熱量從冷端運(yùn)輸?shù)綗岫?,?shí)現(xiàn)制冷(圖2C,D)。本工作選取巨磁熱材料(Gd、La(Fe0.92Co0.08)11.7Si1.3)構(gòu)成制冷層和高熱導(dǎo)金屬(Cu、Ag、AlC)構(gòu)成回?zé)釋?,每個(gè)核心制冷單元尺寸為~?20mm?0.3mm。有限元模擬結(jié)果顯示,在制冷層和回?zé)釋泳哂凶罴押穸缺葧r(shí),器件的回?zé)嵝屎椭评錅乜缱畲?,且最佳厚度比不隨頻率發(fā)生變化(圖3A)。此外,器件的最大制冷溫跨決定于制冷層/回?zé)釋悠瑪?shù)(圖3B)。制冷性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)間的簡(jiǎn)單關(guān)系有助于器件的集成和應(yīng)用:(1)具有最佳厚度比的核心制冷單元在任何頻率下都可高效工作;(2)調(diào)整制冷片和回?zé)崞臄?shù)量即可調(diào)整制冷溫跨;(3)制冷性能只決定于制冷層和回?zé)釋又g的縱向熱傳導(dǎo),因此調(diào)整器件的直徑或者縱向集成可為不同尺寸的目標(biāo)提供制冷,同時(shí)提高制冷功率。
更重要地,該器件具有優(yōu)異的制冷性能:核心制冷單元尺寸為20mmX0.3mm的Gd-Cu(La(Fe0.92Co0.08)11.7Si1.3-Cu)器件在10 Hz工作頻率下最大比制冷功率為 8.3 kW/kg(9.8 kW/kg), 最大卡諾效率為54.2 %(53.3 %)(圖3E,F)。與絕大多數(shù)工作頻率低于1Hz,比制冷功率小于1kW/kg,用流體構(gòu)建回?zé)嵫h(huán)的基于主動(dòng)式/被動(dòng)式回?zé)岬拇胖评淦骷啾?,制冷性能顯著提升。并發(fā)現(xiàn),在相同工況下磁熱材料La(Fe0.92Co0.08)11.7Si1.3與傳統(tǒng)Gd相比制冷溫跨雖小但具有高的比制冷功率。
這項(xiàng)工作證明了用高熱導(dǎo)固體代替流體進(jìn)行回?zé)岬目尚行?,并表明采用混合式回?zé)嵝略淼娜虘B(tài)磁制冷器件具有實(shí)現(xiàn)高頻高效高功率制冷的巨大潛力,為設(shè)計(jì)構(gòu)造高性能磁制冷器件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綠色高效制冷提供了新思路。
相關(guān)研究成果以“A full solid-state conceptual magnetocaloric refrigerator based on hybrid regeneration”為題于7月1日在線發(fā)表在the Innovation?[2024, 5, 100645]上。上述研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)和懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置(SECUF)支持。
文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100645

圖1. 被動(dòng)式(PMR)、主動(dòng)式(AMR)和混合式(HMR)回?zé)崮J绞疽鈭D

圖2. 采用混合式回?zé)岬娜虘B(tài)磁制冷器件的結(jié)構(gòu)和制冷原理

圖3. 采用混合式回?zé)岬腉d-Cu新型磁制冷器件的制冷性能