磁制冷技术的研究及应用
磁制冷技术的研究及应用
摘要：随着环境和能源问题日益突出，磁制冷作为一种绿色制冷技术越来越受到各国重视。本文阐述了磁制冷技术的工作原理和典型的磁制冷循环过程。文章重点介绍了磁制冷材料和磁制冷样机的研究进展，并指出了磁制冷技术的几个应用方向及目前存在的困难。
关键词：磁热效应；磁制冷循环；磁制冷材料；磁制冷样机
Research and Application of Magnetic Refrigeration Technology
Abstract:With the environment and energy problems have become increasingly prominent, magnetic refrigeration as a green refrigeration technology draws more and more attention all over the world.In this paper, the operating principle of magnetic refrigeration and typical magnetic refrigeration cycles were illustrated. The research progress of magnetic refrigeration materials and magnetic refrigeration prototypes were emphatically introduced. Finally, several main application directions of magnetic refrigeration technology and the existing problems were pointed out.
Keywords:magnetocaloric effect; magnetic refrigeration cycle; magnetocaloric materials; magnetic refrigeration prototypes
1前言
制冷就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程。所谓环境介质通常指自然界的空气和水，为了使某物体或某空间达到并维持所需的低温，就得不断地从它们中间取出热量并转移到环境介质中去，这个不断地从被冷却物体取出并转移热量的过程就是制冷过程。制冷方法主要有三种：(1)利用气体膨胀产生冷效应制冷。这是目前广泛采用的制冷方法。(2)利用物质相变(如融化、液化、升华、磁相变)的吸热效应实现制冷。(3)利用半导体的温差电效应实现制冷[1]。
目前，传统气体压缩制冷已经广泛应用于生产生活的各个方面，如家用电器、工业生产、地球物理探测、空间技术、超导体以及军事防卫等领域。但它存在两个明显的缺陷：制冷效率低且氟利昂工质的泄漏会破坏大气臭氧层。虽然采用无氟制冷剂基本上可以缓解对大气臭氧层的破坏，但仍保留了制冷效率低、能耗大的缺陷，而且有的还会产生温室效应等，不是根本解决办法。随着人们对效率和环保的要求越来越高，气体压缩制冷的低效率和危害环境这两个缺陷日益突出，国际社会也相应制定了相关协定来限制有害气体的排放。因此，研究开发新型制冷技术就显得尤为迫切且意
义重大。目前，新型制冷技术有吸收式制冷、半导体制冷、涡旋制冷、磁制冷。吸收式制冷利用废热及其它能源，但制冷效率及热效率太低，使用范围受到限制：半导体制冷国内虽己有50L的产品，但因其电耗太大、制冷温跨不大而销路不畅；涡旋制冷仍属容积式压缩机之一，电耗、噪音与活塞式压缩机相近，难以在制冷领域占据主导地位[2]。
相对于传统的气体压缩制冷方式，磁制冷具有许多优势：（1）高效节能，磁制冷的效率可达卡诺循环的30～60％，而气体压缩制冷一般仅为5～10％；（2）绿色环保，由于制冷工质为固体材料以及在循环回路中可用水（加防冻剂）来作为传热介质，这消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏大气臭氧层、易泄露、易燃及地球温室效应等环境问题；（3）装置结构紧凑、振动及噪声小，磁制冷采用磁性材料作为制冷工质，其磁熵密度比气体大，因此制冷装置变得更紧凑，而且无需压缩机，运动件少、转速慢，振动及噪声小，可靠性高；（4）磁制冷采用电磁体或超导体以及永磁体提供所需的磁场，运动部件少且运行频率低，具有较高的可靠性和较长的使用寿命（5）；采用固体-流体换热技术，接触面积大，热量转移快而高效；（6）根据制冷温度和制冷量大小要求，可选用不同的制冷工质来满足，制冷温度跨区大，从极低温到室温都可实现[3]。
磁制冷技术因具备上述明显的优势，具有广泛的应用前景，因而吸引了各国科研人员的广泛兴趣。在工业生产和科学研究中，人们通常把人工制冷分为低温和高温两个温区，把制取温度低于20 K称为低温制冷，高于20 K称为高温制冷。目前在超低温领域中，利用原子核去磁制冷原理制取液化氦、氮、氢已得到广泛应用。在室温制冷方面，磁制冷有望在空调、冰箱等方面获得商业应用，成为未来最有发展前景的一种新型制冷技术[4]。
2概念和机理
磁制冷是指以磁性材料为工质的一种新型的制冷技术，其原理是利用磁制冷材料的磁热效(Magnetocaloric effect, MCE)，即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，绝热退磁时从外界吸收热量，从而达到制冷的目的。
2.1磁热效应原理
磁热效应又称磁卡效应，是磁性材料的一种固有特性，它是由于外磁场的变化引起材料本身磁熵改变，同时伴随着材料热放热的过程[5]。磁性物质是由具有磁矩的原子或磁性离子组成的结晶体，而这些原子和离子的磁矩来源于于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。根据磁性物质磁化率的大小和符号可把磁性物质分为抗磁体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体、亚铁磁体。目前，在磁制冷中选用的磁致冷材料(磁工质)主要是顺磁工质和铁磁工质。下面分别从顺磁、铁磁工质简单介绍磁制冷的原理。
就顺磁性工质来说，由于物质内部的热运动或热振动，当无外加磁化场时，其内部磁矩的取向是无规则(随机)的，相应的磁嫡较大。当磁工质被磁化时，磁矩沿磁化方向择优取向(电子自旋系统
趋于有序化)，在等温条件下，该过程导致工质磁嫡下降，有序度增加，向外界等温排热；当外加磁场强度减弱时，由于磁性原子或离子的热运动，其磁矩又趋于无序，磁熵增加，在等温条件下，磁工质从外界吸热，从而达到制冷的目的，如图1所示。
向外界排热向外界吸热
a)无外场时H=0 b)磁化时H>0 c)退磁到H=0时
图1 顺磁物质磁热效应原理示意图[6]
对于铁磁性工质，主要是利用物质的磁嫡变在居里温度T c(居里点)附近显著增大这一特点。在居里温度以上，铁磁工质的铁磁性消失，变成顺磁物质。在居里温度以下，铁磁性物质内存在按磁畴分布的自发磁化，在磁畴内部磁矩取向一致，但不同磁畴之间自发磁化方向不一致。在无外磁场的情况下，铁磁物质在宏观上不表现出磁性。当在居里温度附近对铁磁工质磁化时，在外场作用下铁磁工质内磁畴壁发生位移和转动，磁畴消失，磁矩方向趋于一致，等温情况下，该过程使得铁磁工质的磁嫡减少，向外界等温排热；当外磁化场降低和消失时，磁畴出现，不同磁畴内磁矩排列又趋于无序，等温情况下，铁磁工质的磁嫡增加，向外界等温吸热，从而达到制冷的目的，如图2所
示。
(a) (b) (c) (d)
图2 铁磁物质磁热效应原理示意图[6]
(a)T>T c，铁磁材料处于顺磁状态；(b)T< T c，铁磁材料发生自发磁化，表现出铁磁性；(c)在T c附近磁化时，嫡
减小，等温排热；(d)退磁，嫡增加，等温吸热
2.2磁热效应的热力学基础[1,7,8,]
磁热效应是磁性材料的一种固有特性，从热力学上来说, 它是通过外加磁场的作用，使磁性材料的熵改变，从而获得一个温度的变化。当磁性材料在磁场为H，温度为T，压力为P(注：因磁性
材料为固体，若忽略体积膨胀，可不考虑压力P 的影响)的体系中，其热力学性质可用吉布斯自由能G(T ，H)来描述。
对体系的Gibbs 函数微分可得到
磁熵
(,)H
G S M T T ???=-????? (1) 磁化强度
(,)T
G M T H H ???
=-?????
(2) 熵的全微分
H T
S S dS dT dH T H ??????
=+
??????????
(3) 在恒磁场下，定义磁比热
H H
S C T T ???
=?????
(4) 由方程(1)、(2)可得
T H
S M H T ??????
=
??????????
(5) 将方程(4)、(5)代入(3)式得
H
H
C M dS dT dH T T ???
=+?????
(6) 考察方程(6)
Ⅰ）绝热条件下，dS=0，则
H
H T M dT dH C T -???
=?????
(7) Ⅱ）等温条件下，dT=0，则
H
M dS dH T ???
=?????
(8) 积分得
0(,)(,)(,0)H M M M H M S T H S T H S T H d H T ????=-==?????? (9)
Ⅲ）等磁场条件下，dH=0，则
H C dS dT T
= (10) 对于一般磁性材料，外加磁场一定时，温度越高，磁化强度越小，所以H
M T ????????恒为负值，因此在绝热条件下，当对材料磁化时dH>0，则dT>0，材料升温；反之退磁时dH<0，则dT<0，材料降温。在等温条件下，当对材料磁化时dH>0，则dS<0，材料的磁熵降低并放出热量；反之退磁时dH<0，则dS>0，材料的磁熵升高并吸收热量。
磁制冷材料的磁制冷能力由磁热效应(MCE)的大小所决定，衡量材料磁热效应的参数一般用等温磁熵变△S M 或绝热温变△T ad 来表示，在相同外加磁场变化下，若△S M 或△T ad 越大，则该材料的磁热效应就越大，磁制冷能力就越强。如能通过实验测得M(T ，H)及C H (H ，T)，根据方程(7)、(8)、
(9)可求解出△T ad 、△S M 。
3磁制冷循环过程
磁制冷基本过程就是用循环把磁致冷材料的磁化放热和退磁吸热过程连接起来，从而在一端放热，在另一端吸热。关于磁制冷实现的过程可通过图3进行简单的描述：(1)外磁化场作用在磁工质上，工质的磁熵减小，温度上升。(2)通过热交换介质把磁工质的热量带走。(3)移出外磁化场，磁工质内自旋系统又变得无序，在退磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降。(4)通过热交换介质磁工质从低温热源吸热，从而实现制冷的目的[9]。
图3 磁制冷的实现过程原理图[9]
目前常用的磁制冷循环方式主要有卡诺循环，斯特林循环，埃里克森循环和布雷顿循环四种。四种磁制冷循环的比较如表1所示。
表1 四种磁制冷循环的比较[10]
循环名称特点优点缺点适用场合
卡诺循环
由两个等温过程和两个
绝热过程组成
无蓄冷级、
结构简单、可靠性
高、效率高
温度跨度小，需较高外场，存在晶格
熵限制，外磁场操作比较复杂
顺磁磁工质，结构简
单，制冷温度在20 K
以下场合
斯特林循环由两个等温过程和两个
等磁矩过程成
需蓄冷器
可得到中等温跨
要求:B/T为常数,
外磁场操作复杂(需计算机控制)
制冷温区在20 K以上
埃里克森循环由两个等温过程与两个
等磁化场过程组成
需蓄冷器
可得到大温跨
外磁场操作简单
可使用各种外场
蓄冷器传热性能要求很高，结构相对
复杂，效率低于卡诺循环，需外部热
交换器，且与外部热交换间的热接触
要求高，操作复杂。
制冷温度在20 K以场
合，20 K以下场合有
使用的动向
布雷顿循环由两个等磁化场过程与
两个绝热过程组成
可得到最大温跨，
可使用不同大小
的场强
蓄冷器中传热性能要求高，
需外部热交换器
制冷温区在20 K以上
在4种辞磁制冷循环中，以磁卡诺循环和磁埃里克森循环研究得最为成熟和应用最多。当温度很低时，晶格熵可忽略，卡诺循环完全适用。图4是卡诺循环的原理图。
图4卡诺循环磁制冷机的原理图[11]
1)等温磁化过程，热开关Ⅰ闭合，Ⅱ断开，磁场施加于磁工质上，使熵减小，通过高温热源与磁工质的热端连接，热量从磁工质传入高温热源。
2)绝热去磁过程，热开关Ⅰ断开，Ⅱ仍断开，逐渐移去磁场，磁工质内自旋系统逐渐无序，在退磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降到低温热源温度。
3)等温去磁过程，热开关Ⅱ闭合, Ⅰ仍断开，磁场继续减弱，磁工质从热源HS吸热。
4)绝热磁化过程，热开关Ⅱ断开，Ⅰ仍断开，施加一较小磁场，磁工质温度逐渐上升到高温热源温度[12]。
在室温附近的高温磁制冷循环中，由于磁制冷工质的晶格熵变显著增大，导致晶格系统中的热容量显著增大，这时卡诺循环效应会被大的晶格热容所破坏，而埃里克森循环可以克服大的晶格热容的影响[13]。此外，卡诺循环的制冷温度幅度小，一般不到10 K，不适于高温制冷的要求，而埃里克森循环制冷温度幅度大，可达几十K。所以在高温区的磁制冷通常选用磁埃里克森循环来制冷[14]，且埃里克森循环被认为是工程应用中最有前途的室温磁制冷循环。埃里克森循环磁制冷机原理如图5所示：
1)等温磁化过程Ⅰ，将外磁场从B1增大到B2，这时磁性材料产生的热量向蓄冷器排出，上部的蓄冷流体温度上升。
2)等磁场过程Ⅱ，外加的磁场B2维持不变，磁性材料和电磁体一起向下移动，磁性材料在下移过程中不断地向蓄冷流体排放热量，温度从T1变化到T2。
3)等温去磁过程Ⅲ，保持磁性材料和电磁体静止不动，将磁场从B2减小到B1，磁性材料从下部的蓄冷流体吸收热童量。
4)等磁场过程Ⅳ，维持磁场B1不变，将磁性材料和电磁体一起向上移动，这时磁性材料从蓄冷流体吸收热量，温度升高到T1，到此完成整个循环[13]。
图5 埃里克森循环磁制冷机原理图[13]
4磁热效应的表征及测试方法
4.1磁热效应的表征
磁制冷材料的性能主要取决于以下几个参量[15]：
（1）磁有序化温度（如居里点T C、奈尔点T N等）：磁有序化温度是指从高温冷却时，发生诸如顺磁→铁磁、顺磁→亚铁磁等类型的磁有序(相变)的转变温度。
（2）不同外加磁场条件下磁有序温度附近的磁热效应：磁热效应一般用一定外加磁场变化下的磁有序度点的等温磁熵变△S M或在该温度下绝热磁化时材料自身的温度变化△T ad来表征。一般而言，对同一磁制冷材料，外加磁场强度变化越大，磁热效应就越大；不同磁制冷材料在相同的外加磁场强度变化下，在各自居里点处的∣△S M∣或△T ad越大，表明该磁制冷材料的磁热效应就越大。
4.2磁热效应的测量方法
磁热效应的测试方法可以归结为两种：直接测量法和间接测量法。
（1）直接测量法
当在绝热状态（即系统中的总熵在磁场变化时保持不变）下施加磁场由H0变化到H1时，可以观察到MCE现象，即绝热温度上升△T ad =T1-T0。图6中水平箭头表示相应的绝热温变△T ad。
测试方法可分为半静态法和动态法两种。半静态法采用对试样直接施加磁场或去掉磁场，或者是将试样在送入或取出一个匀强磁场中达到对试样直接加磁或去磁，测试试样移入或者移出磁场时的温度变化为△T ad；动态法采用的是脉冲磁场测试试样的绝热温度变化△T ad，根据传感器的特点可以分为传感器直接接触式和传感器非直接接触式。
图6 磁热效应S-T示意图
绝热磁化和绝热退磁均会导致磁制冷材料的温度发生变化，而且从原理上而言，这两种方法没有本质区别。但在实际操作中，如果绝热效果不够理想，两种测量结果会随测量温度区间不同导致
偏差。对于绝热磁化而言，在室温以上测量时，△T ad值偏大；室温以下测量时，△T ad偏小，偏差随偏离室温程度增加而增加，而通常以绝热退磁测量结果为准。
直接测量△T ad需要磁场变化迅速，其精度依赖于室温传感器的灵敏度、外磁场精度、绝热效果、温度传感器是否受外磁场变化影响、△T ad滞后等。因而测量的△T ad值小于实际上的磁热效应。考虑到综合因素的影响，直接测量△T ad误差大概为5-10%[16]。
（2）间接测量法：
间接测量法主要有两种方式，即由等温磁化M-H曲线计算△S M的磁化强度法和由材料的比热容C变化计算△SM的比热容法[13]。
磁化强度法即测试一系列不同温度下的等温磁化M-H曲线后，利用麦克斯韦关系计算求得的△S M。通过零磁场比热容及△S M可确定△T ad。比热容法即通过测定零磁场和外加磁场下，从0 K到Tc+100 K温度区间的磁比热-温度（C H-T）曲线，从计算得到的不同磁场下的熵-温曲线可得到△
T ad和△S M。
第一种方法需要带低温装置可控温、恒温的超导量子磁强计或振动样品磁强计来测试不同温度下的M-H曲线，然而其可靠性高、可重复性好、操作简便快捷而被广大研究者采纳。第二种方法对磁比热计的要求较高，并需提供不同磁场、不同温度的控制装置，到目前为止只有少数科学家进行过测试。
5磁制冷材料
1881年Warburg[17]首先在金属铁中观察到外加磁场下的热效应。1907年郎杰斐(Langevin)[18]第一次展示通过改变顺磁材料的磁化强度导致可逆温度变化。1918年Weiss和Piccard[19]从实验中发现Ni的磁热效应。随后，1926年Debye[20]和1927年Gauque[21]分别解释了磁热效应的本质，并提出在实际应用中利用绝热退磁过程获得超低温，极大地促进了磁制冷研究的发展。从此，在极低温(趋于0 K)、低温(T＜20 K)和中温(20 K~80 K)区域磁制冷材料的研究得到了蓬勃发展。到了1976年，Brown[22]首次实现了室温磁制冷，标志着磁制冷技术的研究开始由低温转向室温。自磁制冷技术面世以来，对巨磁热效应磁制冷材料的研究开发一直为国内外所关注，尤其是近年来对室温磁制冷材料研究所取得的突破性进展，为实现磁制冷技术的商业化应用开辟了新的道路。
5.1磁制冷材料的选择依据
作为磁制冷技术的心脏，磁制冷工质的性能直接影响到磁制冷的功率和效率等性能，因而如何选择性能优异的磁制冷材料就显得格外重要。磁制冷工质的选择应遵循以下几个基本准则[4,23,24]：（1）为了获得大的磁熵变，根据Maxwell方程，应选择朗德因子g J、全角动量J大的磁性材料;
（2）选用发生一级磁性转变(即磁性变化与晶体结构转变相耦合)的材料，相变前后两相的磁性差异较大，可以得到较大的磁熵变化;
（3）较高的德拜温度、高的电阻，以尽量减小晶格熵和电子熵的不利影响，减少涡流损耗；
（4）工作温度处在磁相变温度附近。铁磁体的磁化强度在居里温度附近变化较大，从而具有比较大的磁热效应；
（5）原材料来源广泛、性能稳定、价格便宜和制备工艺简单；
（6）选择低比热、高导热率材料，以保证可以快速地进行热交换将热量传递出去。
5.2磁制冷材料的分类
磁致冷材料根据应用温度范围可大体分为三个温区，即极低温温区(20 K以下)、低温温区(20~77 K)及高温温区(77 K以上)。随着纳米技术的发展，磁制冷材料纳米化在各国也取得了一定的进展，下面分别加以评述。
5.2.1低温区磁制冷材料
20K以下的低温磁制冷材料已经研究的较为成熟，且已有产品投入到实际应用当中。这个温区的磁制冷材料研究主要集中在顺磁盐类，包括三价铁铵基铝酸盐、三价铬铝酸盐等。这是因为顺磁材料只有在T→0时，磁热效应较大才可以测量，但顺磁盐的低导热率对绝缘退磁制冷应用是不利的，故研究集中在顺磁金属间化合物上，典型的是PrNi5和Cu一起用于超低温原子核退磁冷却，最低可达27μk。
近期研究主要集中在Gd3Ga5O12(GGG)，Dy3Al5O12(DAG)，Gd3Ga5-x FexO12(GGIG)等石榴石上，这种材料具有高热导率、低点阵热容和极低有序化温度等特点，在20K以下温区可获得较大的△S M 和△Tad。GGG的最大磁熵变发生在2K左右[25]，在10K以下，GGG的性能要优于GAG；而DAG 磁制冷材料的最大磁嫡变发生在4.2K-20K温度范围内，在10K以上特别是15K以上DAG明显优于GGG，且其磁嫡变是GGG的2倍，但是在20K以上，它们的冷冻效果都不好[14]。近年来，对Er 基磁制冷材料也进行了详细的研究，这些材料都具有较大的磁热效应，其中(Dy0.25Er0.75)A l2等还有较宽的温度区间。综合看来，该温区的磁制冷材料仍以GGG，DAG，GGIG占主导地位，尤其以GGG 研究得最为成熟，该材料制备成单晶体后，成功地运用于生产液氦及氦液化前级制冷[24]。
5.2.2中温磁制冷材料
中温磁制冷材料的温度范围在20K~77K, 该温区是液化氢、液化氮的重要温区，有较强的应用背景。该温区的研究主要集中在重稀土元素单晶、多晶材料，Pr、Nd、Er、Tm和RAl2(R=Er，Ho，Dy)、DyxEr1-x(0 制了(ErAl2.2)0.3055(HoAl2.2)0.1533(Ho0.5Dy0.5Al2.2)252[27]，居里点在(15~77)K区间；(Gd x Er1-x)NiAl系列单相材料也具有较宽的居里温度(相当于层状复合材料)，这一点很重要，使得使用单相材料(而不是复合材料)就可实现Ericsson循环的磁制冷。 5.2.3高温磁制冷材料 磁制冷总的研究趋势是从低温向高温发展，但目前为止该温区的磁制冷材料研究的仍处于初级阶段。在近室温区间，因温度高，晶格熵增大，顺磁工质已不适宜了，需要用铁磁工质。稀土元素，特别是中重稀土元素的4f电子层有较多的未成对电子，使原子自旋磁矩较大，可能具有较大的磁热效应。因此在该温区，仍然以稀土金属及其化合物为主要研究对象。目前研究的方向主要包括重稀土及合金、类钙钛矿化合物、过渡金属及合金等。以下分别按不同种类的磁制冷介质进行介绍，阐述它的性能及使用范围。 5.2.3.1重稀土及其合金 重稀土元素及其合金具有较大的磁热效应，其中用于室温的最理想金属是Gd，居里温度为293K，恰在室温区间，且具有较大磁热效应，是室温磁制冷材料的典型代表。Gd的磁卡效应被广泛地研究，已作为磁制冷工质磁卡效应研究的一个对比标准。Gd的MCE与温度有关，MCE的峰值在居里温度附近。在居里温度293 K，当外磁场从2 T降到0，Gd的磁熵变为5.3 J/Kg.K，磁温变为6.8 K。当外磁场从5 T降到0，Gd的磁熵变为10.8 J/Kg.K，磁温变为12.2 K。1997年，Ames实验室的Pecharscky和Gschneidner发现了具有巨磁热效应的Gd5(Si x Ge1-x)4系列合金[28]，合金的居里点可以在30～300K之间通过改变Si/Ge比而连续调节(Ge越多，Tc越低)，当x = 0.5时，即Gd5Si2Ge2的磁热效应在276K有一极值(一级相变)，磁场在0-5特斯拉(T)变化下，磁熵变的峰值达到18J/(kg·K)，是金属钆的两倍左右。然而，金属Gd价格昂贵、易被氧化、抗腐蚀性差等缺点限制了其在巨磁热效应材料的广泛应用。 5.2.3.2类钙钛矿化合物 钙钦矿锰氧化物丰富的结构信息和物理机理，制备简单，价格便宜，结构稳定，可调的室温附近居里温度处发生一级磁相变而产生MCE效应等优点，这种化合物的磁热性能的研究引起了人们极大的兴趣。钙钦矿氧化物是通过双交换作用藕合而呈现铁磁性，其铁磁性并不强，但此类化合物中磁性与晶格存在强藕合，外磁场可以导致结构相变，而结构相变引起居里温度附近磁化强度变化加强，从而产生显著的磁热效应[12]。 南京大学在自1995年以来对钙钛矿型氧化物展开了很多研究，并取得了较大进展。发现了几种类钙钛矿型化合物，其磁热效应（磁熵变）约为同磁场变化下稀土金属Gd的磁熵变的1.5～2倍[29]，不足之处在于其居里温度稍偏低于室温。虽然可以通过改变元素比例来提高居里温度，但其相应的 磁熵变也会发生剧烈下降。该系化合物如能较好解决将居里点调高到室温时磁熵变不大幅下降的问题，即如能使之在室温附近保持大的磁熵变，则有很好的应用前景。 5.2.3.3过渡金属及其化合物 最有代表性的过渡金属Fe，Co，Ni都有较高的MCE。但由于居里温度太高不能实用。过渡族金属磁制冷材料中最突出的是MnFeP1-x As x材料。我国的特古斯教授在荷兰阿姆斯特丹大学范德瓦尔斯-塞曼研究所攻读博士学位期间，成功地合成了室温区磁制冷材料MnFeP0.45As0.55，其最大磁熵变在2T和5T下分别为-14.5J/(kg·K)和-18 J/(kg·K)。该研究成果开辟了3d-过渡族金属制冷材料研究的新领域，进一步推动了磁制冷技术的发展[30]。之后，许多科研工作者对该系列化合物做了大量深入研究。 MnFeP1-x As x系化合物最大的优点在于磁热效应较大，原材料来源广泛，价格低廉，居里温度随不同元素比例可调，是较理想的室温磁制冷材料，具有极大的应用前景。但是MnFeP1-x As x系列化合物含有剧毒元素As，有悖于绿色环保的理念，因此许多学者在研究寻找一种新的无毒无害物质来替代部分或完全代替As。目前正在研究中的有采用Si和Ge等物质来作为As的替代物。通过研究MnFePAsSi、MnFePSi或MnFePAsGe等系列的化合物，希望能得到具有大的磁热效应的室温磁制冷材料。 此外，Fe51Rh49合金也是很理想的磁制冷工质，具有很显著的MCE(图7)。Fe51Rh49的居里温度为308 K，且从图中可以看出Fe51Rh49在较宽的温区都保持较高的磁熵变，这在已研究的材料中是唯一的。它所需的工作磁场是中等磁场(1~2 T)，其它材料要达到同样的MCE需大磁场(5~7 T)。这使Fe51Rh49成为最理想的磁制冷工质。Fe51Rh49之所以具有显著的MCE，是因为它在居里温度附近发生一级相变和场致相变。具有一级相变的材料一般都有大的MCE，而场致相变可拓宽材料的工作温区[31]。但遗憾的是该磁热效应为不可逆，经过循环，效应下降，从而难以实用化。 图7Fe49Rh51磁温变和温度关系曲线 5.2.4纳米磁制冷材料 以上讨论的磁制冷工质材料都是块材，当今世界纳米材料的研究正方兴未艾，用纳米化合物作为磁制冷工质比其它常用的颗粒状、层状或混和不同材料形成的制冷工质有更多的优点。利用纳米材料制作磁工质会出现一些新的特点[24]：1)纳米材料相比块材而言，由于晶界增加，饱和磁化强度减小，从而磁熵变减小；2)纳米材料与块材比，磁熵变峰值降低，但曲线更平坦化，使其高磁熵变温区宽化，更适于埃里克森循环；3)纳米材料的热容量增加。 纳米材料的独特性能既不同于单个原子，又不同于普通固体(块材)，这就使得纳米技术在对传统磁制冷材料改良的基础上能够生产出新的磁工质。采用各种方法制备纳米磁工质并研究其磁制冷特性，正成为磁制冷领域的一个研究热点，相关报道也日渐增多。 1992年-1993年，美国的NIST的科学家McMichael[32,33,34]等计算了随着温度、磁场和晶粒尺寸变化的顺磁材料的磁热效应，发现了含纳米颗粒的磁制冷材料在10K以上温度和几个T以下磁场时，量子效应很小。与GGG等块状顺磁材料相比，纳米磁制冷工质可增强磁热效应，扩展磁制冷的温度范围。这是低磁场纳米磁制冷材料的研究中最先取得的突破性进展。 1996年，中山大学邵元智、熊正烨等[35]采用急冷快淬、高能球磨及粉末包套轧制的方法制备出带状的纳米固体复合磁制冷材料，不仅解决了材料的易氧化问题，而且使该复合材料具有铜带的优良力学性能，同时还通过实验测量不同团簇尺寸下的纳米Gd材料的磁热熵效应，得到最佳纳米尺寸，为磁制冷工质的实用化开辟了新领域。 1998-2001年南京大学的陈伟、钟伟[36,37]等采用溶胶-凝胶法通过柠檬酸的络合，制备了钙钛型多晶纳米材料，在室温附近、低磁场下，这些多晶纳米颗粒具有较大的磁热效应，电阻率高、性能稳定，是较为理想的室温磁制冷工质。溶胶一凝胶法不仅降低了反应温度，而且不需要任何球磨过程，同时可以使样品组分精确，颗粒均匀、细小，是比较好的纳米磁制冷工质的制备方法。 由于纳米微粒的尺寸效应使得磁制冷材料呈现出常规材料不具备的优良特性，在充分研究产生磁热效应尤其是巨磁热效应机理的基础上，一定会研制出适用于低磁场的、性能更好的纳米磁性材料。 5.3磁制冷材料的制备方法 目前，磁制冷材料的制备方法主要有以下几种[15]： （1）真空熔炼法在按理想成分配好料后，通常采用电弧真空熔炼，第一遍完成后，将样品翻转，重新熔炼，如此三到四遍，以确保成分均匀，减少偏析。然后进行真空高温均匀化退火，冰水淬。 （2）溶胶-凝胶法该法是将金属氧化物或氢氧化物在饱和条件下经水解、缩聚等化学反应生成溶胶，以有机溶剂取代其中的水，进而生成非晶态网状结构的凝胶，再将凝胶干燥后进行煅烧得到氧化物。溶胶-凝胶法适于制备高纯氧化物及多组分复合氧化物纳米粒子。 （3）纳米复合法此法是把电弧熔炼的铸锭经后续高温均匀化处理后急冷快淬，然后采用机械方法粉碎，经氧化处理后加入95%丙酮进行球磨，得到糊状混合物，用纯度95%的乙醇将其分离冲洗多次，烘干后得到10~20nm左右的工质材料，将这些纳米工质装入退火紫铜管中封口，然后用压轧机将其轧成所需复合工质薄带。 （4）粒子排列烧结法（系列工质复合法）粒子排列烧结法，首先是采用真空熔炼制备系列磁制冷合金，并分别制成不同成分的金属粉末，按不同混合比压成型，最后烧结而成。粒子排列烧结法的关键技术是在具体制备过程中如何有效控制各组分的混合比，以使压制烧结后所得层状复合化合物的磁熵变在宽温区基本上保持不变。 （5）快淬法将合金用高频感应加热熔化，然后用惰性气体加压将熔融金属喷射到热容量大、高速旋转的水冷轮上快速凝固、冷却，生成亚稳态的合金。 （6）机械合金化法机械合金化法是在机械球磨的基础上发展起来的一种高能球磨技术。机械合金化时粉料颗粒必须小于一定的粒度，球磨时不加液体介质，可以合成各种亚稳态材料。具有成本低、产量高、工艺简单易行等特点，其缺点是纯度不易提高，容易掺入钢球、球磨罐的成分。机械合金化法与通常熔炼技术相比，其显著的特点是可以合成热力学平衡态时不相互固溶的合金，使之成为亚稳态的合金。 （7）粉末冶金法该法是把电弧熔炼的铸锭放在保护介质中球磨到尺寸为数微米的粉末，将球磨粉压成型，然后在保护气氛下高温烧结。 需要指出的是，上述各种制备方法中有的在材料合成方面具有优势，有的则在制备实用化工质（一般为块体材料）方面取得了较好效果。如机械合金化易于成相，但所制备的为粉末材料，不利于使用；而粉末冶金法在制备块体材料方面有明显优势。 6磁制冷样机 磁制冷技术要真正实用化，达到令人满意的制冷效果，设计完善的室温磁制冷装置尤为重要。在低温温区( <15K)，由于磁制冷材料的晶格熵可忽略不计，这方面的研究到20世纪80年代末已经非常成熟。由于中温温区是液氢的重要温区，而绿色能源液氢具有极大的应用前景，所以在该温区范围内的磁制冷样机的研究现已受到了广泛重视。对于高温温区，研究的重点在室温温区。由于室温范围内磁制冷材料的晶格熵很大，如果不采取措施取出晶格熵，有效熵变将非常小，另外室温范 围内强磁场的设计以及换热性能的加强都是很关键的[9]。总之，室温磁制冷的研究水平还远远低于低温范围的研究。 根据磁体的运动及磁场的变化方式(工作方式)可将磁制冷机分为三类: 1)静止型磁制冷机，磁铁和磁工质都静止，通过外部电路产生交变(脉冲)磁场；2)往复型磁制冷机，磁体相对于恒定磁场发生上下往复运动；3)旋转型磁制冷机，磁体相对于恒定磁发生旋转运动；往复型、旋转型磁制冷机又统称为驱动型磁制冷机。根据有无蓄冷装置又分为蓄冷型、非蓄冷型和活性蓄冷型三类。根据制冷温区不同还可分为极低温(趋于绝对0 K)、低温(15 K以下，液氦重要温区)、中温(15~77 K，液氢重要温区)、高温磁制冷(77 K以上，含室温及以上温区)磁制冷机[38]。 低温(<15K)和中温(15K~77K)范围是液氦、液氢的重要温区，目前该区域的磁制冷研究较成熟,并成为其主要的制冷方式。但对室温磁制冷样机的研究直到1976年由Brown建立了第一套室温磁制冷系统后，各国才开始重视并相继开发出具有指导意义的样机系统。 6.1 Brown磁制冷机 1976年美国NASA的Lewis研究中心的G.V.Brown[39]研制的磁制冷实验装置首次在实验室实现了室温磁制冷(图8)。该装置工作方式为往复式，采用斯特林循环，磁场由水冷电磁体提供，最大磁场可达7T，磁工质为金属Gd片，蓄冷液采用80%水+20%乙醇混合液体，经过50次循环后，冷端温度272K，热端温度319K，温差达47K，随后Brown进行了改进，在温差达到80K时，获得了6 W 的制冷功率。该样机的意义在于首次实现了室温磁制冷，说明室温磁制冷具有实现的可能性，然而从使用意义上讲，由于使用了复杂的超导磁体系统，且存在蓄冷流体高、低温端易混合以及循环周期过长、输出功率太小等问题，难以实用化。 图8 1976年G.V. Brown设计的第一台室温磁制冷样机 6.2 Steyert磁制冷机 1978年美国Los Alamos实验室的Steyert[40]设计出世界上第一台旋转式室温磁制冷样机，结构如图9所示。该样机采用Brayton循环，213 kg Gd制成直径约为150 mm的多孔转盘，采用与转盘 转向相反方向流动的强制水流进行热交换。当高低磁场差为112 T，冷热端温差为7 K时，获得了500 W的制冷量。该系统效率高，但是所能获得的最大温度跨度仅为9 K，且该系统结构非常复杂，机械加工也十分不方便。 图9 1978年Styert的旋转式磁制冷机 6.3Zimm磁制冷机 1996年美国宇航公司的Carl Zimm等人[41]采用Brayton循环研制的往复式结构磁制冷机(图10)，使室温磁制冷技术取得了突破性进展。磁场由NbTi超导体提供，最大磁场强度可达5T。以3 kg的Ga为制冷工质，水(加防冻剂)为传热介质。励磁和退磁过程时间各1s，每个方向上蓄冷液流动时间为2s，总循环时间为6s。实验结果表明：在5 T的磁场强度下，COP最大可达15，效率接近卡诺循环的60%，最大制冷量可达600 W。要获得最大38K的温度跨度，制冷量会下降到100W左右；磁场强度为1.5T时仍可获得200W的制冷量。该机稳定可靠，安全运行了一年多未发生故障。该装置成功之处在于较好地移植了小型气体制冷机设计的成熟经验(如采用可快速、充分进行换热的流体换热等)。不足之处在于：使用高磁场，使向实用化迈进有不少的困难；同时由于使用流体换热，造成系统复杂化。 图10 Zimm磁制冷机 在2003年3月召开的美国物理学会(APS)年会上，Zimm博士介绍了他们研制的第二代旋转式磁制冷装置，如图11所示。该旋转磁制冷装置布置成一个环21的磁再生器床22，该环绕一个中心轴转动，使得每个床依次进出磁铁29产生的磁场。利用一个分配阀24使传热流体进出再生器床，分配阀通过管道连接到床的热端和冷端，并随床22的环21一起转动。该系统的优点是：流过各个管道的流体只沿一个方向流动，或是保持不动，从而使管道中的死区体积达到最小；成环的多个床相邻床的热端彼此相邻，相邻床的冷端彼此相邻，从而减少相邻床之间的温差，使得其间的漏热最小。 图11 旋转式磁制冷装置 6.4Ames磁制冷机 2001年9月美国宇航公司联合Ames实验室开发成功了首台采用永磁体提供磁场的回转式磁制冷机，磁场由定制的永磁体提供，磁场大小是常规永磁体磁场强度的近2倍，金属钆粉末被填充入与CD尺寸相当的环形蓄冷器内，蓄冷器作回转运动，经历励磁、退磁过程，放出(吸收)的热量被水带走(来)。该装置的结构示意图如图12[42]所示。 图12 Ames磁制冷机示意图 6.4我国磁制冷机研究进展 美国、日本及法国在磁制冷方面的研究居于世界领先地位。由于磁制冷技术具有广阔的前景，国内多家科研院所先后加大投资力度，在磁制冷材料与样机方面取得了可喜的成果。 南京大学的卢定伟[43]等人采用活性蓄冷器循环方式，利用永磁体提供高达1.7 T的磁场，磁制冷工质选用金属Gd，质量为112 g，工作间隙为9mm×18mm×12mm，拥有高温、低温两个热源，每个热源容积大约为30ml，混有软物质的水作为传热介质，气动装置驱动工质往复式进出磁场，每次循环的载冷剂量约为10 ml，运行周期为5 S。该样机实现了最大8 K的制冷温跨，但是输出功率不足10 W，样机如图13所示。 图13 南京大学的磁制冷机实物图[43] 四川大学设计出了永磁旋转式室温磁制冷机[44]，如图14所示。工质轮被分为36个部分，各部分之间填充满金属Gd颗粒，粒径约为0.5 mm，总质量1 kg；工质轮的旋转频率在0.1-0.7 Hz之间连续可调；基于Halbach原理装配的磁铁，空隙高度为20 mm，磁通密度为1.5 T，用水作为传热介质。该制冷机可达到的最大温差为11.5K。当频率为0.15 Hz时最大温差为6.7K，获得的最大制冷功率40 W。 图14 四川大学的旋转式磁制冷机 6.5磁制冷样机存在的问题 目前研制的磁制冷样机主要存在以下问题[45]： (1)制冷效率和性能系数与温度跨度有关，随着温度跨度的增加，制冷功率和性能系数都呈直线下。当磁场变化范围为0~5T时，为了得到23K温度跨度，制冷功率由600W降至100W，而性能系数也显著降低。这一方面说明磁致冷材料Gd的△S -T曲线MCE峰值不够宽，另一方面也说明其MCE不够大。 (2)磁制冷床往复运动的频率或热交换液体的流速显著影响制冷功率。据估计，当运动频率增加到10HZ时，制冷功率连续增加，但往复式运动的磁制冷机不能够把频率提得很高。 (3)制冷功率、性能系数、温度跨度都明显依赖于磁场的大小。当磁场的变化范围由超导磁体提供的0~5T降到永磁体能提供的0~115T时，制冷功率由600W迅速降到150W左右，这使其商业化很困难。 (4)磁制冷样机不能像气体或液体工作物质那样，使热交换实现管道化。为增加热交换面积，一般磁制冷床中的磁致冷材料多制成多孔块状、片状、网状和粒状，使磁致冷材料制备和热交换系统复杂化。 7磁制冷技术的应用前景 在低温领域，磁制冷技术的成熟使得它得到了相当广泛的应用。利用低温磁制冷系统制备液氢，可以经济地输运和储存氢，液氢(LH2)有望成为最清洁环保的能源。在超低温太空天文探测中，绝热退磁制冷机ADR具有寿命长、结构简单、成本低等优点，不受引力的影响，适于在太空中运行。低温生物医学领域，中国科学院低温技术实验中心研制的磁制冷低温冻存生物材料法降温均匀，无损伤，简单易行，响应连续性好，可以通过控制磁场强度的变化来达到改变生物材料内外冻存温度均匀，保证良好的冻存质量。另外，在低温物理、磁共振成像仪、离子加速器、远红外探测及微波接收等领域，磁制冷也发挥着越来越重要的作用。 磁制冷在空间和核技术等国防领域也有广泛的应用前景：在这个领域里要求冷源设备的重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和冷量范围广。磁制冷机完全符合这些条件，例如冷冻激光打靶的氘丸，核聚变的氘和氚丸，红外元件的冷却，磁窗系统的冷却，扫雷艇超导磁体的冷却等[38]。 室温区，由于材料、磁场和设备等诸多原因的限制，该技术目前还处于理论研究、材料制备和样机调试阶段，尚未投入到商业化应用。目前，Ames实验小组正在研制超市用大型中心空调机和汽车空调器。他们表明，将尽快使磁制冷技术进入民用领域，将其用于自动售货冷饮机、空调及存储药品和器官的冰箱上，而汽车空调则很可能是磁制冷技术进驻商业化市场的突破点。Karl GschneidnerJr认为磁制冷技术在交流发电机、汽车空调上的使用，可以减少电车的负荷，使得汽车更加高效，从而使得空调系统向轻型、便宜和高效化发展[46]。 据专家估计，在未来的10~20年内磁制冷有望在生活和生产中开始投入使用，尤其以大规模制冷的中央空调、高档汽车、家用空调将首先得到应用。另一方面，与磁制冷相对应的磁热泵技术也随之逐渐发展起来。 8磁制冷技术发展需要解决的问题 磁制冷技术作为一种具有巨大潜力的制冷技术，取代传统的气体压缩式制冷还有许多问题需要解决[1]。 （1）磁制冷材料的磁热效应不够大 目前可以应用的磁性材料主要是钆、钆硅锗合金及类钙钛矿物质。它们的磁热效应大小虽然相比其它物质来说要大，但其应用的温度区域很窄(当温度偏离居里温度时，其MCE 急剧减小)，峰值的绝对大小还难以达到应用要求，而且只有在很高的磁场强度（5~7T）下才能产生明显的制冷效果。从目前来看钆、钆硅锗合金价格昂贵，还存在氧化等问题，要广泛应用还有很大的困难。 采用复合材料可以使得磁性工质在较宽的温度区域内保持较大的MCE，这方面日本的室温磁制冷材料研究取得一定的成果，但是还没有在磁制冷中世纪应用过，这有待于材料制造工艺水平的提高。 （2）磁体和磁场结构的设计 磁场的产生可由超导磁体、电磁体和永磁体提供。永磁体结构简单，来源广泛，但只能提供1.5T 左右的磁场；超导磁体及电磁体可提供5~7T左右的磁场，但目前的超导磁体还必需采用低温超导装置，结构复杂且价格昂贵；而电磁体提供磁场，需要很大的电功率，且装置笨重，维护困难。另外，研究发现磁体极内表面的平整度对磁场的影响很大，所以磁体的加工制造工艺也是很重要的。 （3）蓄冷及换热技术的改进 在室温磁制冷技术中，磁性材料的晶格熵的取出必须依靠蓄冷器。同时，磁制冷实际效率的高低主要取决于蓄冷器及换热器的性能，要使得磁性工质产生的热（冷）量尽可能快地带走，就要提高蓄冷器的效率和外部换热器的换热。 （4）磁制冷装置的设计 室温磁制冷技术要真正实用化，设计完善的磁制冷装置尤为重要。目前国外已试制的多种室温磁制冷样机，都难以达到令人满意的制冷效果，其设计的主要困难在于系统设计、流道设计和加工、床体运动和流体流动的控制等。 9结语 磁制冷技术由于节能、效率高、无环境污染等一系列优点，被认为是最有前途的绿色制冷技术，已经引起了国内外的高度重视。磁制冷技术应用前景广泛，可以替代目前的家用、商用、工业以及 冷凝器的现状研究性报告 冷凝器(Condenser) 制冷系统的机件，能把气体或蒸气转变成液体，将管子中的热量，以很快的方式，传到管子附近的空气中。大部分汽车上的冷凝器安装在水箱前面。发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸气得到冷凝；在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的致冷蒸气。石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸气冷凝。在蒸馏过程中，把蒸气转变成液态的装置称为冷凝器。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转的。 气体通过一根长长的管子（通常盘成螺线管），让热量散失到四周的空气中，铜之类的金属导入性能强，常用于输送蒸气。为提高冷凝器的效率经常在管道上附加热传导性能优异的散热片，加大散热面积，以加速散热。并通过风机加快空气对流的方式把热带走。 一般制冷机的制冷原理压缩机的作用是把工质由低温低压气体压缩成高温高压气体，再经过冷凝器，在冷凝器中冷凝成低温高压的液体，经节流阀节流后，则成为低温低压的液体。低温低压的液态工质送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为高温低压的蒸汽，从而完成制冷循环。 单级蒸汽压缩制冷系统，是由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀四个基本部件组成。它们之间用管道依次连接，形成一个密闭的系统，制冷剂在系统中不断地循环流动，发生状态变化，与外界进行热量交换。 全球泠凝器行业发展阶段的概况 起源阶段20世纪20年代至70年代 换热器最早起源于欧洲，早期产品（如蛇管式换热器）结构简单，传热面积小，体积大而笨重。随着制造工艺的发展，20世纪20年代出现了板式换热器，30年代瑞典制成螺旋板换热器。英国制成翘板式换热器。60年代中国和瑞典各自独立制成伞板换热器。70年代中期研制出热管式换热器。 成形阶段20世纪70年代末至90年代初 70年代末至90年代，我国已开始自行生产冰箱及空调，国内换热器行业开始发展。换热器生产工艺渐趋成熟与完善。产品结构形式与功能呈现多样化趋势。冰箱用换热器主要形式有丝管式、吹胀式、短片式及板管式等。空调用换 数据中心制冷技术的应用及发展 摘要：本文简要回顾了数据中心制冷技术的发展历程，列举并分析了数据中心发展各个时期主流的制冷技术，例如：风冷直膨式系统、水冷系统、水侧自然冷却系统及风侧自然冷却系统等。同时，分析了国内外数据中心制冷技术的应用差别及未来数据中心制冷技术的发展趋势。 关键词：数据中心；制冷；能效；机房；服务器 Abstract This paper briefly reviews the development of data center cooling technology, enumerates and analyzes the cooling technologies in data center development period. The enumerated technologies includes direct expansion air-conditioning system, water side cooling system, water side free cooling system and air side free cooling system, etc. At the same time, the paper analyzes the difference of data center cooling technology application between the domestic and overseas as well as the tendency of data center cooling technology in the future. Key words data center; cooling; efficiency; computer room; server 1前言 随着云计算为核心的第四次信息技术革命的迅猛发展，信息资源已成为与能源和材料并列的人类三大要素之一。作为信息资源集散的数据中心正在发展成为一个具有战略意义的新兴产业，成为新一代信息产业的重要组成部分和未来3-5 年全球角逐的焦点。数据中心不仅是抢占云计算时代话语权的保证，同时也是保障信息安全可控和可管的关键所在，数据中心发展政策和布局已上升到国家战略层面。 数据中心是一整套复杂的设施。它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含配电系统、制冷系统、消防系统、监控系统等多种基础设施系统。其中，制冷系统在数据中心是耗电大户，约占整个数据中心能耗的30~45%。降低制冷系统的能耗是提高数据中心能源利用效率的最直接和最有效措施。制冷系统也随着数据中心的需求变化和能效要求而不断发展。下文简要回顾和分析了数据中心发展各个时期的制冷技术应用，并展望了未来数据中心的发展方向。 2风冷直膨式系统及主要送风方式 1994年4月，NCFC（中关村教育与科研示范网络）率先与美国NSFNET直接互联，实现了中国与Internet全功能网络连接，标志着我国最早的国际互联网络的诞生。 第一章概论 1.1制冷技术及其应用 1.1.1.制冷的基本概念 制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。制冷是指用人工的方法在一定的时间和空间内从低于环境温度的空间或物体中吸取热量，并将其转移给环境介质，制造和获得低于环境温度的技术。能实现制冷过程的机械和设备的总和称为制冷机。 制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。制冷剂在制冷机中循环流动并与外界发生能量交换，实现从低温热源吸取热量，向高温热源释放热量的制冷循环。由于热量只能自动地从高温物体传给低温物体，因此制冷的实现必须消耗能量，所消耗能量的形式可以是机械能、电能、热能、太阳能、化学能或其它可能的形式。 制冷几乎包括了从室温至0K附近的整个热力学温标。在科学研究和工业生产中，常把制冷分为普通制冷和低温制冷两个体系。根据国际制冷学会第13届制冷大会（1971年）的建议，将120K 定义为普冷与低温的分界线。在120K和室温之间的温度范围属于“普冷”，简称为制冷；在低于120K 温度下所发生的现象和过程或使用的技术和设备常称为低温制冷或低温技术，但是，制冷与低温的温度界线不是绝对的。 1.1. 2.制冷技术的应用 制冷技术几乎与国民经济的所有部门紧密联系，利用制冷技术制造舒适环境以保障人身健康和工作效率；利用制冷技术生产和贮存食品；利用制冷技术来保证生产的进行和产品质量的要求。制冷技术的应用几乎渗透到人类生活、生产技术、医疗生物和科学研究等各领域，并在改善人类的生活质量方面发挥巨大的作用。 1.1. 2.1.商业及人民生活 食品冷冻冷藏和空气调节是制冷技术最重要的应用之一。 商业制冷主要用于对各类食品冷加工、冷藏贮存和冷藏运输，使之保质保鲜，满足各个季节市场销售的合理分配，并减少生产和分配过程中的食品损耗。典型的食品“冷链”由下列环节组成：现代化的食品生产、冷藏贮运和销售，最后存放在消费者的家用冷藏冷冻装置内。 舒适性空气调节为人们创造适宜的生活和工作环境。如大中型建筑物和公共设施的空调，各种交通运输工具的空调装置，家用空调等。近年来，家用空调器已成为我国居民消费的热点家电产品之一。2003年我国家用空调器的年产量达3500万台，出口1000多万台，中国已成为世界空调产品的生产基地，产量约占世界总产量的40%。 工业空调不仅为在恶劣环境中工作的员工提供一定程度的舒适条件，而且也包括有利于生产和制造而作的空气调节。如：在冷天或炎热环境中，以维持工人可以接受的工作条件；纺织业、精密制造、电子元器件生产和生物医药等生产行业为了保证一定的产品质量和数量，需要空气调节系统提供合适的生产环境。 1.1. 2.2.工农业生产 磁制冷技术 摘要：传统压缩制冷技术广泛应用于各行各业，形成了庞大的产业，但它存在两个明显的缺陷：制冷效率低且氟利昂工质的泄漏会破坏大气臭氧层。根据蒙特利尔协议到 2000 年将全面禁止氟利昂的生产和使用，使制冷行业面临一场变革。现在大力研究开发的无氟替代制冷剂，基本上可以克服破坏大气臭氧层的缺陷，但仍保留了制冷效率低、能耗大的缺陷，而且有的还会产生温室效应等，不是根本解决办法。磁制冷因具有高效节能、无环境污染、运行可靠、尺寸小、重量轻等优点，且完全具有替换气体压缩制冷的可能，引起了广泛的关注。所谓磁制冷,即指借助磁制冷材料（磁工质）的磁热效应(MagnetocaIoric Effect，MCE），在等温磁化时向外界排放热量，退磁时从外界吸取热量，从而达到制冷目的。 关键词：磁制冷、无污染、高效节能 引言：磁制冷技术是一种极具发展潜力的制冷技术。其具有节能、环保的特点。作为磁制冷技术的心脏，磁制冷材料的性能直接影响到磁制冷的功率和效率等性能。根据蒙特利尔协议，到2000年将逐步禁止氟利昂的生产和使用，使氟利昂压缩制冷面临困境。磁制冷作为一项高新绿色制冷技术，与传统压缩制冷相比具有如下竞争优势：无环境污染：由于工质本身为固体材料以及可用水来作为传热介质，消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷；高效节能：磁制冷的效率可达到卡诺循环的30% ~ 60%，而气体压缩制冷一般仅为5 % ~ l0%，节能优势显著；易于小型化：由于磁工质是固体，其熵密度远远大于气体的熵密度，因而易于做到小型化；稳定可靠；由于无需压缩机，运动部件少且转速缓慢可大幅降低振动与噪音，可靠性高，寿命长，便于维修。 1976年美国国家航空航天局的G.V.Brown[2]首次将磁制冷技术应用于室温范围，采用金属Gd作为磁制冷工质，在7T的超导磁场和无热负荷的条件下获得了47K 的温度差。此后室温下磁制冷材料的开发进入高速发展的阶段。国内外一系列的研究发现给室温磁制冷技术商业化、产业化带来了希望。目前不少国家的科研人员在开发室温磁制冷材料方面进行了广泛的研究，并取得了很多有益的成果，可以预期在不久的将来，磁制冷空调、磁制冷冰箱等新型节能环保的制冷设备将在人们的生活中广泛应用。因此，磁制冷技术和新型室温磁制冷材料的研发成为各国竞相开展的热点领域。 @@学院 2011-2012学年第 二 学期 《 制冷技术与应用》期末考试试卷 年级 10级 专业 供暖通风 层次：普通高职 普通本科 （本试卷考试时间120分钟 满分100分） 一、选择题（每空2分,共30分）： 1、用于食品冷却的房间称为冷却间，冷却间的温度通常为（ ）左右。 A 、—23~—30℃ B 、—15℃ C 、0℃ D 、—35℃ 2、( )是决定物体间是否存在热平衡的物理量。 A 、温度 B 、比体积 C 、压力 D 、热量 3、蒸气定压发生的过程中，不包括（ ）区域。 A 、未饱和液体 B 、过热蒸气 C 、湿饱和蒸气 D 、饱和蒸气 4、当几根毛细管并联使用时，为使流量均匀，最好使用（ ）。安装时 要垂直向上。 A 、分液器 B 、电子膨胀阀 C 、热力膨胀阀 D 、感温包 5、水果采后生理活动不包括（ ）。 A 、呼吸作用 B 、蒸发作用 C 、光合作用 D 、激素作用 6、冷库的集中式制冷系统中，双级压缩还需增加一个（ ）。 A 、蒸发回路 B 、冲霜回路 C 、供热回路 D 、冷却回路 7、气调库在结构上区别于冷藏库的一个最主要的特征是（ ）。 A 、安全性 B 、观察性 C 、气密性 D 、调压性 8、610F80G —75G 中，610是指（ ）。 A 、开启式6缸V 型，缸径为100mm B 、开启式6缸Y 型，缸径为100mm C 、开启式6缸S 型，缸径为100mm D 、开启式6缸W 型，缸径为100mm 9、制冷量大、效率高、易损件少、无往复运动、制冷量可实现无极调控等优点 属于（ ）压缩机。 A 、离心式 B 、螺杆式 C 、涡旋式 D 、滚动转子式 10、冷库容量不包括（ ）。 制冷技术发展的历史 在史前时代，人类已经发现在食物缺少的季节里，如果把猎物保存在冰冷的地窖里或埋在雪里，就能保存更长的时间。在中国，早在先秦时代已经懂得了采冰，储冰技术。 希伯来人，古希腊人和古罗马人把大量的雪埋在储藏室下面的坑中，然后用木板和稻草来隔热，古埃及人在土制的罐子里装满开水，并把这些罐子放在他们上面，这样使罐子抵挡夜里的冷空气。在古印度，蒸发制冷技术也得到了应用。当一种流体快速蒸发时，它迅速膨胀，升起的蒸汽分子的动能迅速增加，而增加的能量来自周围的环境中，周围环境的温度因此而降低。 在中世纪时期，冷却食物是通过在水中加入某种化学物质像硝酸钠或硝酸钾，而使温度降低，1550年记载冷却酒就是通过这种方法。这就是制冷工艺的起源。 在法国冷饮是在1660年开始流行的。人们用装有溶解的硝石的长颈瓶在水里旋转来使水冷却。这个方法可以产生非常低的温度并且可以制冰。在17世纪末，带冰的酒和结冻的果汁在法国社会已非常流行。 第一次记载的人工制冷是在1784年，威廉库伦在格拉斯各大学作了证明。库伦让乙基醚蒸汽进入一个部分真空的容器，但是他没有把这种结果用于任何实际的目的。 在1799年冰第一次被用作商业目的，从纽约市的街道运河运往卡洛林南部的查尔斯顿市，但遗憾的是当时没有足够的冰来装运。英格兰人Frederick Tuder和Nathaniel Wyeth看到了制冰行业的巨大商机，并且在18世纪上半叶，通过自己的努力革新了这个行业。Tudor主要从事热带地区运冰，他尝试着安装隔热材料和修建冰房，从而使冰的融化量从66%减少到8%，Wyeth发明了一种切出相同冰块的方法，即快速又便捷，从而使制冰业发生了革命性变化，同时也减少了仓储业，运输业和销售业由于管理技术所造成的损失。 在1805年，一名美国发明者Oliver Evans设计了第一个用蒸汽代替液体的制冷系统，但Evans从来没有制造出这种机器。不过美国的一位内科医生John. Gorrie制造了一个相似的制冷机器。 磁制冷 一、定义：磁制冷就是利用磁热效应，又称磁卡效应 (MagnetoCaloric Effect) 的制冷方式. 二、原理：磁热效应是指融制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时温度降低，从外界吸收热量的现象。磁制冷技术中的制冷工质是固态的磁性材料.我们知道，物质由原子构成，原子由电子和原子核构成，电子有自旋磁矩还有轨道磁矩，这使得有些物质的原子或离子带有磁矩。磁性材料的离子或原子磁矩在无外磁场时是杂乱无章的，加外磁场后，原子的磁矩沿外磁场取向排列，使磁矩有序化，从而减少材料的磁惰，因而会向外放出热量；而一旦去掉外磁场，材料系统的磁有序减小，磁惰增大，因而会从外界吸收热量。磁惰是温度和磁场的函数，如果把这样两个绝热去磁引起的吸热过程和绝热磁化引起的放热过程用一个循环连接起来，通过外加磁场，有意识地控制磁惰，就可使得磁性材料不断地从一端吸热而在另一端放热，从而达到制冷的目的。 磁制冷原理示意图 三、两种环境下的磁制冷 1、低温磁制冷 在16K以下的极低温区，由于固体的晶格振动和传导电子的热运动可以忽略，故磁离子系统的磁熵变近似等于整个固体的总熵变这种情况下，磁制冷采用卡诺循环，磁材料用稀土顺磁盐。 磁制冷卡诺循环如图1和图2所示。它由四个过程组成： 1－2 为等温磁化（排放热量）：热开关TS1闭合，TS2断开，磁场施加于磁工质上使熵减小，通过高温热源与磁工质的热端连接，热量从磁工质传入高温热源。2－3 为绝热退磁（温度降低）：热开关TS1断开，TS2仍然断开，逐渐移去磁场，磁工质内自旋系统逐渐无序，在退磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降到低温热源温度。 3－4 为等温退磁（吸收热量制冷）：TS2闭合，TS1仍然断开，磁场继续减弱，磁工质从热源hs吸热。 4－1 为绝热磁化（温度升高）：断开TS2，TS1仍然断开，施加一较小磁场，磁工质温度逐渐上升到高温热源温度。 图2 磁制冷卡诺循环 已开发出的磁材料有：钆镓石榴（Gd3Ga5O12）、镝铝石榴石（Dy3Al5O12）、钆镓铝石榴石（Gd3（Ga1-xAl2）5O12,x=(0.1—0.4)。其制冷温度范围：(4.2—20)K。正在开发的磁材料有：Ral2和RNi2(R代表Gd,Dy,Ho,Er等重稀土)。其制冷温度范围：（15—77）K。 磁制冷装置首先需要有超导强磁体，用于产生强度达(4—7)T的磁场。用旋转法实现循环：将钆镓石榴石（磁介质）做成小球状，充填入一个空心圆环中。使圆环绕中心轴旋转，转到冰箱外的半环受磁场作用，磁化放热；转到冰箱内的半环退磁，吸热制冷。日本川崎公司研究的这类转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T；旋转速度为0.72r/min；制冷温度达(4.2~11.5)K；制冷量为0.12w。 2、高温磁制冷 温度20K以上，特别是近室温附近，磁性离子系统热运动大大加强，顺磁盐中磁有序态难以形成，它在受外磁场作用前后造成的磁系统熵变大大减小，磁热效应也大大减弱。所以，进入高温区制冷，低温磁制冷所采用的材料和循环适用。 半导体制冷技术 实物图 半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。 1834年，法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，他惊奇的发现一个接头变热，另一个接头变冷；这个现象后来就被称为"帕尔帖效应"。"帕尔帖效应"的物理原理为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）。 所以，"半导体制冷"的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差，即热电势差。纯金属的导电导热性能好，但制冷效率极低（不到1%）。半导体材料具有极高的热电势，可以成功的用来做小型的热电制冷器。但当时由于使用的金属材料的热电性能较差，能量转换的效率很低，热电效应没有得到实质应用。直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于1945年前发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体致冷材料的优值系数，达到相当水平，才得到大规模的应用。80年代以后，半导体的热电制冷的性能得到大幅度的提高，进一步开发热电制冷的应用领域。 二、半导体制冷片制冷原理 原理图 磁制冷的历史及进展 现代社会的发展和生活质量的提高要求有舒适的环境，作为现代科学血液的制冷技术在近200年逐步发展和成熟，给人类的生活带来了舒适和享受，也给科学和技术提供了研究和使用平台。因为人类能源有近三分之一消耗在制冷上，因此制冷技术的状况对人类的生存和可持续发展就显得极为重要。从技术层面上说，制冷按照使用原理的不同主要有液体汽化制冷、气体膨胀制冷、吸收制冷、吸附制冷、热电制冷、涡流管制冷、热声制冷、脉冲管制冷以及磁制冷等多种形式，但目前的主流制冷方式是液体汽化制冷。液体汽化制冷大量使用的氟里昂会对大气构成严重的污染：它不但破坏大气层上空的臭氧环境（R12，R22，R502等制冷性能优良的主流制冷剂），而且还具有大的温室效应（R134a和R152a等目前所谓的替代品氟里昂），此外新近在冰箱上尝试使用的异丁烷600a也存在燃爆性这样的安全问题。因为制冷与我们的生活息息相关，它直接影响了能源的使用和环境的质量，因此研究和发展节能、安全、环保的新型制冷方式就非常迫切，而且意义重大 磁制冷的研究可追溯到十九世纪。磁性材料有磁热效应的第一个例子是铁，它在1888年首先由Warburg在实验中观察到。而磁制冷作为一种制冷方式的可能性则在1926年由Debye 和Giauque阐明。1933年，W.F.Giauque和D.P.Mac Dougall利用磁热效应进行绝热去磁冷却顺磁盐成功。到今天，使用核去磁人类已经可以达到10-8K的极低温度，但那种制冷方式没有循环可言。构成循环的磁制冷因为其过程的可逆性而在理论上具有最高的循环效率，而且没有压缩机，所以就成了物理学家梦寐以求的制冷方式。但后来的研究仅仅在极低温领域（绝对零度附近）获得成功，并且早已生产出了氦的磁制冷液化设备。在室温磁制冷部分则经历了太多的失败后长期停滞不前，一直没有什么大的进展。和低温下的磁制冷不同，室温磁制冷因为热扰动的加剧和超高磁场获得的困难，所以在循环方式、磁制冷工质以及系统设计上都有特殊的要求，实现起来十分艰难，从而长期裹足不前。 在76年以前的磁制冷研究还可以说得稍微详细些：1881年Warburg首先观察到金属铁在外加磁场中的热效应。20世纪初,Langevin第一次展示通过改变顺磁材料的磁化强度导致可逆温度变化。1918年Weiss和Piccard从实验中发现Ni的磁热效应。1926年Debye、1927年Giauque两位科学家分别从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷的结论后,极大地促进了磁制冷的发展。1933年Giauque等人以顺磁盐Gd2(SO4)3·8H2O为工质成功获得了1K以下的超低温,此后磁制冷的研究得到了蓬勃发展。最初,人们在极低温温区针对液氦、超氦的冷却对顺磁盐磁致冷材料进行了较详细的研究,随后,人们又在低温温区针对液氢等进行了研究。自1976年Brown首次实现了室温磁制冷后,人们才真正开始取得室温磁制冷研究的进展。 空调制冷技术发展分析 发表时间：2019-08-27T11:13:58.503Z 来源：《基层建设》2019年第16期作者：高捷 [导读] 摘要：伴随着科技的进步，节能、环保、健康、智能控制已经成为空调发展的大趋势。 河南省郑州市河南中烟工业有限责任公司黄金叶生产制造中心河南郑州 450000 摘要：伴随着科技的进步，节能、环保、健康、智能控制已经成为空调发展的大趋势。为了保障制冷设备正常运行，并达到所要求的指标，需要把控制温度、压力、流量、湿度等许多热工参数的一些控制电器和调节元件、各种仪表、传感器及附属设备组合起来，形成一个控制系统，这个系统就是制冷与空调自动控制系统。 关键词：空调制冷技术；发展分析 1 空调制冷技术的应用发展 1.1 冰蓄冷技术应用及发展 现代化空调设备已成为人们生活、生产离不开的一项必备工具，其走进千家万户、各行各业成为一项生活必需品，同时其能耗显著问题也得到了人们的广泛关注。据相关数据统计，我国空调系统用电量已上升至建筑总消耗电能量的百分之六十以上，由此可见，在电力紧张、能源紧缺的今天，空调行业受到了耗能量庞大的显著影响，为有效降低空调制冷系统能耗，冰蓄冷技术应运而生并成为专家们主力研究的技术领域，采用冰蓄冷技术研发的空调系统主体利用电能非峰值保持制冷剂始终处于最佳化节能状态稳定运行，并将空调系统服务运行所需的潜热与显热形式全部或部分释放冷量用来满足空调系统运行冷负荷，即采用融冰冷量释放达到空调系统运行冷负荷的需求标准，蓄冷设备则成为储存冰的相应容器。该冰蓄冷空调制冷技术可有效发挥填谷移峰作用，并全面提升空调系统运行服务稳定性，创设了显著经济效益，令系统能耗得到了有效控制。 1.2 城市制冷供热中空气源热泵技术应用 空气源热泵构建于循环逆卡若原理之上，是一种制热环保、节能的有效技术方式，应用该技术构建的空调制冷系统可利用自然能，诸如蓄热空气有效获得低温热源，通过系统的集热高效整合后形成高温热源，进而实现供应热水或供暖取暖目标，基于该技术构建的整体系统具有较高的集热效率。应用空气源热泵技术的范畴广泛，其产品适用服务温度范围在零下十度至零上四十度之间，同时不受到环境气候的限制，可实现全天候四季皆可的服务使用，即使是雨天、阴天、下雪等恶劣气候条件或寒冷的冬季傍晚也不会受到任何影响，均能够正常应用。同时该技术系统具有较高热效率，其产品全年平均热效率均超过百分之三百，且其热泵产品不会排放任何种类燃烧污染物，系统中采用的制冷剂可有目的选择环保型R417A种类，进而不会对大气臭氧层造成任何污染，是一种具有优质环保性能的空调制冷技术，较适用于北方冬冷夏热气候的城市制冷与供暖事业，会产生较好的使用效果并创设丰富经济效益。 1.3 太阳能空调制冷技术发展应用 太阳能是取之不尽用之不竭的一种清洁型可再生能源，其蕴含的庞大能量及长效特征令其备受科学家关注并在深入研究中实现了迅猛发展。利用太阳能进程中制冷太阳能空调系统具有广阔的发展前景与良好的发展趋势，是当前研究制冷技术的亮点与热点。太阳能空调制冷技术具备显著的节能优势，据相关数据统计，世界各国消耗于民用空调系统中的电能总量占到民用耗电总量的一半以上，倘若采用太阳能则会令该类显著空调系统能耗大大降低。同时太阳能还具有环保特性，倘若采用CFC工质压缩制冷机则会对自然界大气臭氧层产生强力破坏作用，因此该类工质已被暂停使用。目前世界各国均在致力于研究替代CFC类工质的相关技术。一般情况下，太阳能空调制冷技术采用制冷剂物质为非氟氯氰，其包含的温室效应与破坏臭氧层系数均为零，因此充分满足现行环保要求，并可有效降低石化能源燃烧发电产生的不良环境污染。再者太阳能空调制冷技术还有一类显著优势为供给热量与冷量需求在数量与季节中处于高度匹配性，即辐射太阳能越强，大气的温度便会越高，因此需求的冷量便会越大。利用该性能我们可将太阳能空调制冷系统设计为多能源类型，科学利用废气、余热及天然气等他类能源构建优质空调制冷系统。 当前较为常用的制冷太阳能空调技术有吸收式制冷太阳能空调，该制冷系统主体利用变化的溶液浓度获取冷量，也就是说在一定压力下制冷剂发生吸热蒸发，同时再利用吸收剂进行蒸汽吸收。该原理相当于利用发生器与吸收器替代压缩机，可利用的热能包括太阳能、热水、低压蒸汽以及燃气等丰富形式。当前该空调制冷系统实现了较为广泛的应用，其采用常规吸收式氨水或溴化铎空调机有机结合于太阳能热水体系进而发挥冬季供热、夏季制冷功能。还有一类常用的太阳能空调为喷射式系统，该系统中制冷剂位于换热器实现太阳能吸收并发生增压、气化变化，生成饱和蒸汽，令其进入至喷射器通过喷嘴实现高速的膨胀、喷出，并于喷嘴周围形成真空。同时喷射器再次吸入蒸发器内低压蒸汽，通过喷射器产出的混合气体则逐步进入冷凝器中实现凝结与放热，而后一部分冷凝液经过节流阀流入蒸发器在吸收了部分热量后便产生汽化，完成的该部分工质便是制冷循环过程。另一部分冷凝液则会经过循环泵完成升压后流入换热器并再次履行新一轮吸热汽化的过程。太阳能光电式空调制冷系统也是其应用发展模式之一，实际上该类制冷系统是应用太阳能进行发电的过程，通过光伏转换设备令太阳能合理转化为部分电能，通过工频或高频后令压缩制冷器实现驱动，通常来讲该技术构建的制冷系统完全与压缩制冷系统相同。金属氰化物制冷空调系统主体应用不同温度下金属氢化物吸氢及放氢过程中放热吸热原理实现制冷工作，即使在低温环境下也可正常运行。金属氢化物一旦降低了成本其放氢与吸氢寿命及性能将会有所提升，由此可见该太阳能空调制冷技术系统具有广泛的应用前景，并逐步成为国内外行业专家开发研究的热点项目之一。 2 空调制冷技术发展前景趋势 由总体层面来讲，环保、节能、智能化与健康化是空调制冷系统技术未来的科学发展趋势，行业近期主要针对其显著热点技术进行深入研究，包括直流变频、自动清洁、静音、节能、彩板、加湿、新冷媒、网络远程控制及铝替铜技术。同时较多国家逐步开始了严格控制家电产品能耗指标的研究，我国对于制冷空调节能控制技术也施以充分重视，目前，我国制冷空调在高效换热器、压缩机等层面占据着世界领先地位，例如PAM高效节能技术已领先应用于海尔空调中。再者相关环保技术也逐步实现了广泛应用，人们越发重视空气环境对健康生活的影响，因此空调系统便顺理成章的担负起了健康营造舒适环境的重任。当前健康的空调技术包括发生负离子、离子集尘、健康除湿、保湿双向换新风、多元光触媒、三重防御、立体环绕自然风、静音及抗菌技术等。 结语 总之，环保、节能、高效、健康是空调制冷技术研究发展的终极目标，我们只有本着以人为本、立足长远的原则科学研究节能环保型空调智能技术，探寻新型环保能源、总结空调制冷领域取得的成绩、经验，用于指导后续的科学研究发展，才能真正以低成本获取高回 浅谈几种新型制冷技术 专业：过程装备与控制工程 姓名：叶祥东 学号：10012322 浅谈几种新型制冷技术 引言： 20世纪初,人们谈论的话题只是能源,而21世纪初,人们谈论的话题则是能源危机。这说明在当今这个高速发展的社会,能源已经成为支撑国家经济发展的基础和核心问题。2010年,我国一次能源消费总量超过32亿吨标准煤,能源消费总量已经占世界总量的20%,能源消费总量已经超过美国,但经济总量仅为美国的三分之一左右。其中,我国的石油对外依存度已经超过55%,天然气也已经超过16%是进口,昨日的煤炭大国在2010年也已经是变成了净进口国。近年来，由于传统的制冷空调设备对氟利昂类制冷剂的大量使用，以及对电能的大量消耗成为导致当前环境与能源问题的重要因素。随着我国能源结构的调整，太阳能、地热能、生物质能等可再生能源的应用比例不断提高。因此，研制和发展对臭氧层无损耗、无温室效应而且可以利用低品位能源作为动力的节能环保型的制冷技术是制冷领域研究的重要课题。 一、太阳能制冷 1、背景： 人类进入21世纪以来，电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采时间不超过95年。在2050年到来之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭。其后在2250到2500年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。 同时化石燃料燃烧后造成的排放污染问题日益凸显，能源问题日益成为制约国际社会发展的瓶颈。太阳能既是一次能源，有是可再生能源，可免费使用，又无需运输，对环境也没有污染，具有无可避免的自然优势。同时，我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源，有2/3以上的地区日照大于2000小时，太阳能资源的理论储量大每年7000亿吨标准煤[1]。 2、原理： 主要有吸收式、吸附式、冷管式、除湿式、喷射式和光伏等制冷类型[2-3] (1) 太阳能吸收式制冷：用太阳能集热器收集太阳能来驱动吸收式制冷系统，利用储存液态冷剂的相变潜热来储存能量，利用其在低压低温下气化而制冷,目前为止示范应用最多的太阳能空调方式。多为溴化锂—水系统，也有的采用氨—水系统。 (2) 太阳能吸附式制冷：将收式制冷相结合的一种蒸发制冷，以太阳能为热源，采用的工质对通常为活性碳—甲醇、分子筛—水、硅胶—水及氯化钙一氨等，可利用太阳能集热器将吸附床加热后用于脱附制冷剂，通过加热脱附——冷凝——吸附——蒸发等几个环节实现制冷。 (3) 太阳能除湿空调系统：是一种开放循环的吸附式制冷系统。基本特征是干燥剂除湿和蒸发冷却，也是一种适合于利用太阳能的空调系统。 (4) 太阳能喷射式制冷：通过太阳能集热器加热使低沸点工质变为高压蒸汽，通过喷管时因流出速度高、压力低，在吸入室周围吸引蒸发器内生成的低压蒸汽进入混合室，同时制冷剂任蒸发器中汽化而达到制冷效果。 （5）太阳能冷管制冷：这是一种间歇式制冷，主要结构是由太阳能冷管、集热箱、制冷箱、蓄冷器和冷却水回路等组成，是一种特殊的吸附式制冷系统 （6）太阳能半导体制冷：该系统由太阳能光电转换器(太阳能电池)、数控匹配器、储能设备(蓄电池)和半导体制冷装置四部分组成。太阳能光电转换器输出直流电,一部分直接供给半导体制冷装置进行制冷运行,另一部分则进入储能设备储存,以供阴天或晚上使用,保证系统可以全天候正常运行。[2-3] 3、优点： 制冷技术的基本原理是在外界提供能源的条件下，制冷机从低温区吸取热量并向高温区释放热量。目前流行的电冰箱大多采用气体（如氟里昂）做工质，利用压缩—循环方法，借助正焦耳—汤姆逊效应（气体节流膨胀时温度降低）来获得低温。但是，用氟制冷剂不仅会造成大气污染，引起“室温效应”，而且会破坏用以过滤紫外线，保护地面生物的高空臭氧层。出于对环境保护的考虑，联合国环境规划署已组织80个国家签署了一项协议，规定2000年为使用氟制冷剂的最终年限。但的，用这种方法获取低温，实际上有一个最低的年度，因为气体的蒸发速度随着温度的下降而变慢，最后将慢到只能带走漏进仪器（如冰箱）内部的热量，这时便不能再继续进行冷却了。而采用磁性材料做工质，通过绝热退方法获取低温的磁冰箱，可以不受这一限制，获得足够的低温。早在1918年魏斯（Weiss）发现铁磁体绝热磁化会伴随着可逆的温度改变，称为磁热长罗利效应(Magneto ColoricEffect)。利用这种效应可以获得低温。1926年德拜（Debye）等人提出利用绝热退磁降温方法获取低温。1933年焦克(Giangue)等人，采用磁性材料做为工质，用等温磁化和绝热退磁方法获得1K以下的低温。 —. 磁致冷的物理原理 磁致冷的基本原理是借助磁性材料的磁热效应，等温磁化时向外界放出热量，绝热退磁时温度（冷却），并从外界吸取热量。下面说明这一原理。 在磁场作用下的磁性材料，实际上是一个热力学系统，一个无限小状态变化的可逆过程，满足热力学二定律，即 (1) 其中，是系统内能的变化，是系统吸收的热量（是系统 内能的变化） 是外力对系统做的功， 右边第一项是使系统磁化的功；第二项是机械功。忽略故态磁性材料体积的微小变化（1）式写成 (2) 考虑到内能U是绝对温度T和磁化强度M的函数，则有 (3) 对顺磁介质内能U只是温度T的函数即（）T=0，（3）式成 (4) 其中称为磁化热容量，是正数。上式是顺磁质磁化效应的热力 * 半导体制冷技术的发展与应用 湖南大学土木工程学院暖通空调 谢 玲* 汤广发 摘 要 不同于传统的制冷，半导体制冷可以打破常规，强行将被制冷物体的温度降到比环境温度还低。其实现的原理即强行打破热平衡，实现温差效果。只要充分处理好制冷片热端的散热，即可达到理想的制冷效果。关键词 半导体制冷；传统方式；温差效应 The Development and Application of Semiconductor Refrigeration By Xie Ling and Tang Guangfa Abstract Different from traditional refrigeration, Makes the temperature of the specified Object lower than that of the environmentle. The principle is to break the thermal balance and effect the temperature difference is used. So an ideal refrigerating effect can be obtained as far as a good method for cooling is used. Keywords semiconductor refrigeration; traditional type; effect of temperature difference ＊ HV AC in Civil Engeneering of Hunan University, Changsha, China 谢玲，女，1983年生，硕士 410082 长沙市湖南大学南校区15幢22室E-mail: Xieling523@https://www.wendangku.net/doc/634693812.html, 收稿日期：2007-6-29 ０ 前言 热电制冷又称温差电制冷，由于目前热电制冷采用的材料都是半导体材料，因此热电制冷也被称为半导体制冷。它是塞贝克效应的逆效应帕尔帖效应在制冷技术方面的应用，是一种新型的制冷方式。 １ 半导体制冷的基本原理 如图１所示，其原理是通过半导体材料的温差效应，使直流电通过由两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶对的两端将吸收或放出热量。如果在放热端安装散热装置，吸热端就能通过热量输 送制成简单方便的新型制冷器；当改变直流电方向 时，又能达到制热的效果。 ２ 半导体制冷技术的历史与现状 半导体制冷本是一项古老的技术，早在上世纪50年代就曾掀起过一股热潮。因为它一通电即能变冷，十分简易方便，大受家电厂家的青睐。但是由于当时元件性能较差而未能实用化。近年来，随着科学技术的迅猛发展，半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破，使半导体制冷的优势重新显现出来。逐渐应用于许多小型家电、设备。 ３ 热电制冷的优缺点 机械压缩式制冷系统包括压缩机、蒸发器、冷 凝器、节流阀、制冷剂等，而热电制冷系统仅包括冷端、热端、电源、电路等，即它不需要制冷剂。其次其工质是在固体中传导的电子，无工质泄漏，且无机械运动，无噪声，体积小，可靠性强。半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。第三，其冷量调节范围宽，冷热转换快。因此，在某些地方，有着压缩式制冷机无法替代的作用。第四，半导体制冷 . 68 . 洁净与空调技术CC&AC 2008年 图1 半导体致冷原理示意图 浅谈空调制冷技术的发展现状及前景趋势 发表时间：2018-09-17T10:20:57.110Z 来源：《基层建设》2018年第23期作者：游秀武 [导读] 摘要：社会需求的旺盛促进空调制冷技术的发展，在现有经济水平条件和技术条件下，空调制冷技术仍然存在着技术上的瓶颈，所以空调制冷技术的发展及前景受到社会各界的关注。 武汉新世界制冷工业有限公司湖北省武汉市 430023 摘要：社会需求的旺盛促进空调制冷技术的发展，在现有经济水平条件和技术条件下，空调制冷技术仍然存在着技术上的瓶颈，所以空调制冷技术的发展及前景受到社会各界的关注。本文在对空调制冷技术进行阐述的基础上，分析了目前阶段我国的，和包括世界范围在内的空调制冷技术的发展现状，最后对空调制冷技术的发展前景进行了阐述，其中包括空调制冷技术会向着更加节能环保、健康舒适和智能化的方向发展。 关键词：空调制冷技术；发展现状；前景趋势 引言：空调作为一种必备的家用电器，有人称其为最伟大的家用电器发明之一，近些年，随着全球变暖，人们对空调的诉求也越来越旺盛，空调制冷技术的发展逐渐受到重视，特别是在科学技术快速发展的当今时代，空调制冷技术必将在其他相关技术发展的推动下，向着更加智能和更加舒适的方向发展。在这样的背景下，对空调制冷技术的发展现状和发展前景进行研究具有十分重要的理论和现实意义。尤其是针对空调制冷技术发展存在的高污染、高耗能，必须通过优化创新技术来解决这些问题，这样才能在实现技术绿色发展和节能减排的基础上，实现空调制冷技术的可持续发展。 一、空调制冷技术概述 目前，冷暖空调分为热泵型空调器和电辅热泵型空调器两种，这两种空调制冷技术都离不开空气源热泵作为基础的支撑，而考虑到空气源热泵的原理是循环逆卡诺原理，这就需要空调制冷技术的研究人员首先对循环逆卡诺原理具有充分的了解。具体来讲，空气源热泵技术在空调制冷的工作过程中，将低温热源集中起来，然后进行整合，进而形成高温热源；此外，如果空气源热泵技术收集热量的效率较高，还可以用来实现供热和供水的目标。热泵型空调器的工作原理是夏季制冷，即空调在夏季工作时，室内是制冷而室外是散热；而在秋冬季工作时，室内是制热而室外是制冷；这种空调具有功效高的优点，但它的温度范围较小，在零下五度左右工作就会停止。电辅热泵型空调器是在热泵型空调器的基础上进行了改进，增加了电热元件，在空调工作的过程中，利用少量的电源进行加热，以此来弥补热泵在制热时产热较少的不足，在达到使用温度范围的同时，可以有效地降低单纯利用电加热消耗的功率，获得较好的效果。 二、空调制冷技术的发展现状 空调作为一种家用电器，20世纪初发展于美国，与其他国家相比，我国的空调制冷技术相对来说比较落后，再加上起步时间比较晚，所以也就导致目前阶段，我国的空调制冷技术出现了高污染和高浪费的问题，这是因为我国的空调制冷技术大多来源于国外，特别是一些国外已经淘汰的制冷技术，由于技术引进成本比较低，所以在我国得到了大范围的应用，最重要的是，我国的自主研发水平有限，这不仅体现在空调制冷技术的研究上，而且体现在我国大部分技术研发中，这样的状况长期存在，不仅影响到我国的经济发展，最重要的是，这种技术水平的长期落后导致了未来的无论是经济上，还是技术上的发展都面临着非常大的困难。具体来讲，我国的空调制冷技术包括三方面，分别是空气源热泵技术、冰蓄冷技术和太阳能制冷技术，由于这三种技术所处的发展阶段有所不同，各个技术的特点和功能也不一样，所以未来的发展前景也会有所不同。就目前阶段的我国的空调制冷技术发展状况来说，主要的空调制冷技术就是制冷剂，这是因为从短期效益上来看，使用制冷剂来进行空调的制冷能够节约大量的技术引进成本，但是制冷剂的缺点就是会造成严重的环境污染，也就是说，从长远的眼光来看，使用制冷剂进行空调制冷工作，需要在后期投入更多的人力和资金成本来治理环境污染问题，特别是对于制冷剂造成的全球气候变暖的问题，需要投入大量的成本解决。所以从总体上来看，我国的空调制冷技术还存在着瓶颈，但以乐观的角度来看，也可以说，我国的空调机制冷技术还有很大的发展空间。 三、空调制冷技术的发展前景趋势 1、节能环保 现阶段，地球的生态环境可以说是到了一个高度污染的阶段，无论是全球的气候条件还是生态条件，都进一步恶化，而且这种恶化是持续的，这就需要各项科学技术的研发人员加大自己的研究力度，不仅需要国家加大科研成本投入，而且还要引进高素质的科技人才，这样才能帮助技术向着更加节能环保的方向发展。其中，空调制冷技术近些年已经初现成效，针对空调制冷机高污染的问题，正在促进太阳能制冷技术的发展，太阳能在空调制冷技术中的应用主要太阳能半导体制冷。太阳能半导体制冷技术的主要原理就是利用太阳能电池组件吸收太阳能热量产生直流电来驱动制冷设备制冷。太阳能作为可再生能源，既不会耗尽也不会产生污染，对于节能减排将是一大助力。由此可见，如果能加大对太阳能空调制冷技术研究将会给我国空调制冷技术带来不可估量的发展前景。所以说，通过开发太阳能制冷技术，能够推动空调制冷技术向着更加节能环保的方向发展。 此外，蓄冷技术由于能够在夜晚的用电低谷期制冰，因为这个时间的电力负荷相对白天来说比较小，这样可以改变目前阶段冰箱耗能过大的问题；再在用电高峰期，通过融冰为水的方式来吸收热量，不仅可以节约大量的电力成本，而且可以帮助电力企业有效平衡电力供应，是一种非常节能环保的空调制冷技术。 2、健康舒适 经济的发展带动了人们对生活舒适度的需求，根据马斯洛需求层次理论，在不同的社会发展阶段，人会有不同的需求，实际上，随着人类的进化和医疗条件的进步，人们对于健康舒适的生活方式的诉求越来越大，表现在对家用电器的使用上就是对空调的需求量的提升，透雨空调本身就是作为提升人类生活质量的家用电器而存在的，所以在未来，空调制冷技术也会向着更加健康舒适的方向发展。目前阶段，我国的空调行业出现了健康除湿技术、抵抗细菌技术和离子化集尘技术等，这些技术的发展虽然提升了空调的造价成本，但是长期来看，这些能够全面地提升用户的使用舒适度的技术能够实现较好的市场反应，进而满足客户对于舒适健康生活的需要。 3、智能化 在智能音箱已经得到良好的市场响应的今天，包括小米和天猫都开发了自己的智能音箱，而且取得了非常惊人的销售业绩。也就是说，在未来，智能家用电器的发展成为必然，这是因为一方面，人类生活压力加大，对于智能家电的需求也越来越明显，另一方面，就是技术一定是会向着更加便利人们生活的方向，空调的智能化也必然实现。这种空调技术的智能化依托的是大数据和互联网技术，从严格意制冷技术设备的现状及其发展
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