室温磁制冷机研究进展及分析

童 潇，申利梅*，李 亮，李惠琳，许佳奇，陈焕新，吕以亮

（1.华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074；2.华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心，武汉 430074；3.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

0 引言

磁制冷是一种对环境无污染、高效节能的新型制冷技术。与传统蒸气压缩式制冷技术相比，磁制冷采用固体磁材料作为制冷工质，以水等流体作为换热介质，对环境友好；单位体积磁材料的磁熵密度比蒸气大，装置结构紧凑；运动部件少且运行频率低，振动和噪声小；效率可达卡诺循环的30%～60%（蒸气压缩制冷效率一般仅为卡诺循环的5%～10%），因此磁制冷技术有显著的节能潜力[1]。

40多年来，有许多学者从室温磁制冷的基本原理[2-3]、制冷循环[4]及应用情况[5-7]等角度对室温磁制冷技术进行了研究总结，为开展室温磁制冷研究以及了解磁制冷动态提供了帮助。随着磁热材料的发展，为了进一步推进室温磁制冷机的应用，本文综述了当前室温磁制冷机的结构、性能及发展方向。首先，对磁制冷原理进行了简要介绍，然后简述了当前室温磁制冷机的研究进展，并结合典型样机，总结了已有的往复式与旋转式室温磁制冷机的结构特点及性能，最后，预测了室温磁制冷机的发展趋势。

1 磁制冷理论基础

1.1 磁热效应

磁制冷的基本原理是磁性材料的磁热效应（magnetocaloric effect，MCE），即外磁场（H）的变化引起磁性材料内部磁熵改变并伴随着吸热和放热的一种现象，是磁性材料的固有特性[8]，通常用绝热温变和等温磁熵变表征[9-10]。图1简要说明了磁热效应的原理[11]：电子有自旋磁矩和轨道磁矩，使得材料的原子带有磁矩。（a）不加磁场时，磁性材料内部磁矩的取向是杂乱无序的，此时材料的磁熵较大；（b）施加磁场后，磁性材料被磁化，磁矩沿磁场方向排列，由无序变为有序，材料的磁熵减小，向外界放热；（c）移除磁场时，磁性材料退磁，其磁矩又趋于无序，磁熵增大，从外界吸热，从而达到制冷目的。

图1 磁热效应示意图Fig.1 Schematic diagram ofmagnetocaloric effect

1.2 磁制冷循环

磁性材料磁热效应产生的热量需要通过热力循环来实现热交换。常见的磁制冷循环有磁卡诺循环（Carnot）、磁斯特林循环（Stirling）、磁埃里克森循环（Ericsson）和磁布雷顿循环（Brayton），四种循环的比较如表1所列[12]。

表1 四种磁制冷循环的比较Tab.1 Com parison of fourm agneticre frigeration cycles

根据循环的适用温区和实现的难易程度，磁布雷顿循环是目前室温磁制冷最常用的循环。与其他三种循环相比，磁布雷顿循环适用温区大，外磁场操作简单，绝热过程可通过磁场或磁性材料的快速移动实现。以磁布雷顿循环为例，对磁制冷循环的实现过程进行简要介绍，如图2所示。

（a）绝热磁化：在绝热条件下施加磁场，磁热效应导致磁性材料的温度升高，对应图2（b）的1～2过程。

（b）等磁场换热：磁场保持最大值，水泵或活塞驱动流体流经磁性材料并与之换热，流体被加热而磁性材料被冷却，之后流体进入热端换热器将热量传递给环境，对应图2（b）的2～3过程。

（c）绝热退磁：在绝热条件下移除磁场，磁热效应导致磁性材料的温度降低，对应图2（b）的3～4过程。

（d）等磁场换热：水泵或活塞驱动流体反向流经磁性材料并与之换热，流体被冷却而磁性材料被加热，之后流体进入冷端换热器吸收热源热量，实现制冷目的，对应图2（b）的4～1过程，至此完成整个循环。

图2 磁制冷循环原理图Fig.2 Schematic diagram ofmagnetic refrigeration cycle

2 室温磁制冷机研究进展

1976年，美国NASA的Brown[18]搭建了世界上第一台室温磁制冷机。随后40多年，新型室温磁制冷机不断被研制出来，磁制冷机的制冷性能也不断提高。目前，文献可查的室温磁制冷机已有60余台。如图3（a）所示。2000年以前，室温磁制冷机的发展较为缓慢，主要集中在磁热材料开发[19-21]与磁场性能研究[22]等方面。

图3 1976以来室温磁制冷机的研究进展Fig.3 Advances in room temperaturemagnetic refrigerator since 1976

2000年以后，受能源和环境危机的影响，室温磁制冷机进入快速发展阶段。室温磁制冷机的核心部件包括磁场系统和回热器系统，根据部件运转形式的不同，可分为往复式磁制冷机和旋转式磁制冷机。如图3（b）所示，往复式磁制冷机与旋转式磁制冷机发展较为平衡，近10年后者的发展速度稍快。图3（c）列举了一些典型的室温磁制冷机，从首台室温磁制冷机的提出到商用室温磁制冷酒柜问世，室温磁制冷机在结构和性能方面都有了很大的改善。

3 往复式室温磁制冷机

3.1 结构特点

室温磁制冷机主要由主动磁回热器（AMR）、磁场系统、换热系统及驱动控制系统组成。往复式磁制冷机的AMR大多是圆柱或长方体结构，分别填充颗粒状或片状的磁制冷工质，置于磁场间隙内。磁场源主要有超导磁体、电磁体以及永磁体。往复式磁制冷机中磁场一般固定，AMR做往复运动。这是因为超导磁体与电磁体的结构复杂且有较多的外部连接设备，因此不适合做往复运动。永磁体的体积与质量都偏大，如Tagliafico等[23]研制的磁制冷机的磁场装置重达35 kg，如果采取磁场运动的方式，在往复运动中会因磁体惯性过大而难以有效制动。

换热系统由冷热端换热器、换热流体及其附属部件（管道、阀门等）组成。驱动控制系统用于驱动AMR及换热流体往复运动，并控制各部件的启停，以实现磁制冷循环。AMR的驱动一般采用电动直线传动（如步进电机搭配滚珠丝杆、线性导轨、电动滑台等）及链条-齿轮传动等方式。链条-齿轮机构的稳定性低、精度差、噪音大，且没有方向制动能力。因此，现有往复式磁制冷机普遍采用电机与导轨搭配的电动直线传动方式。换热流体的驱动有两种方式，分别是采用流体泵泵送流体的直接驱动以及利用气缸驱动气体、气体驱动流体的间接驱动方式。采用直接驱动方式时一般为储液器储存流体、换热流体与泵体接触，泵体的热量被带入循环系统，使得制冷机效率降低。间接驱动方式可以避免以上问题，但驱动系统复杂，且有气体泄露等隐患。

往复式磁制冷机具有结构简单、组装拆卸方便、易于控制、实验测试便利等优点，一直是众多科研工作者研究室温磁制冷的首选。从1976年Brown[18]发明的第一台往复式室温磁制冷机开始，文献可查的往复式室温磁制冷机约有29台。根据AMR的数量，往复式磁制冷机可分为单AMR型与双AMR型。

3.2 磁制冷机分类及性能对比

3.2.1 单AMR型往复式室温磁制冷机

单AMR型往复式磁制冷机是只采用一个AMR和磁场源的磁制冷机，其典型结构如图4所示[24]。其中，AMR为圆柱结构，磁场静止而AMR做往复运动。单AMR磁制冷机一般采用单流路结构，由驱动系统控制流动方向。1976年至今，单AMR型磁制冷机约有17台，表2总结了这些磁制冷机的材料种类、运行参数以及系统性能。

图4 典型单AMR型往复式室温磁制冷机结构图Fig.4 Typicalsingle AMR reciprocating room temperature magnetic refrigerator

早期的往复式磁制冷机采用超导磁体作为磁场源。1976年Brown[18]与1990年Green等[25]分别研制了两台往复式室温磁制冷机，两台磁制冷机都采用了磁场强度高达7 T的超导磁体，但制冷性能并不理想。Brown的磁制冷机由于没有使用AMR，运行时磁制冷工质在蓄冷液体中往复运动，蓄冷液体温度场受到扰动，导致蓄冷器温度梯度变小，制冷机的制冷性能未达到预期值。虽然后期Brown的磁制冷机温差可达80 K，但其制冷量仍非常小。Green等的磁制冷机采用氮气作为换热流体，由于氮气热容较小，无法完全带走磁工质热量；此外，超导磁体需要液氦冷却造成系统复杂、成本较高，且励磁和退磁分别需要30 s，使磁制冷机运行频率过低，进一步限制了磁制冷机性能的提高，因此后期的磁制冷机大多采用永磁体和电磁体。

2005年高强等[26-27]与2008年Nakamura等[24]分别利用电磁体（2.18 T）和永磁体（2 T）研制了两台单AMR型磁制冷机，两台磁制冷机的磁场强度相差不大，但性能差距较大，制冷温差分别为3 K和20 K。高强等的磁制冷机采用了双流路结构，4个电磁阀控制流体流向，水泵直接驱动换热流体。电磁阀与水泵运行时的发热量，降低了磁制冷机性能。Nakamura等的磁制冷机流路较为简单，通过活塞往复运动驱动流体流动，避免了电磁阀和水泵的使用，因此制冷温差较大。由此可见，磁制冷机的流路对其性能影响较大。Tušek等[28]在典型单AMR磁制冷机结构上，对磁制冷机的流路进行了优化。如图5所示，Tušek等将AMR工质床与冷热端换热器集成在一起，使换热流体经过的流路最短，大幅降低了死体积和压降，减少了热量损失，最终制冷机获得了20 K（磁场强度：1.15 T）的制冷温差。单AMR型往复式磁制冷机的制冷量与制冷温差普遍较低，基于上述分析及表2结果发现原因可能有：（1）磁场强度较低，大多低于2 T；（2）磁制冷机运行频率较低，低于1 Hz；（3）冷热流体混合及死体积问题严重；（4）部分以气体为换热流体的样机流体的热容流率过小，换热不充分。

图5 采用新颖结构的单AMR磁制冷机Fig.5 Room temperaturemagnetic refrigeratingmachinew ith novel structure

表2 单AMR型往复式室温磁制冷机汇总Tab.2 Summary of single AMR typemagnetic refrigerator

3.2.2 双AMR型往复式磁制冷机

单AMR型往复式磁制冷机结构简单、成本低，但是运行频率普遍较低。单个AMR在一个机械周期里只经历一次制冷循环过程，大幅限制了样机的运行频率，而样机运行频率在一定程度上决定了制冷性能的好坏，频率高则相同时间内可以产生更大的制冷量。

双AMR型往复式磁制冷机采用了两个AMR，能利用更多的磁热材料，提升了制冷能力，其典型结构如图6所示。当一个AMR励磁时，另一个AMR退磁，在一个机械周期内实际经历了两个制冷循环，样机运行频率得以提高。此外，双AMR的结构可以大幅减小样机所受磁力，降低磁制冷机功耗。Hirano等[41]测量发现，4 T磁场下单AMR结构受到约8 000 N的磁力，双AMR结构所受磁力减少至1 600 N。1976年至今，双AMR型往复式磁制冷机约有12台，如表3所列。

表3 双AMR型往复式室温磁制冷机汇总Tab.3 Summary of dualAMR type magnetic refrigerator

与单AMR型往复式磁制冷机类似，早期双AMR型往复式磁制冷机采用超导磁体作为磁场源[41，53]。如Zimm等[42]利用超导磁体研制了首台双AMR型往复式磁制冷机，其结构如图6（a）所示，样机连续运行了5 000 h以上，获得了38 K的最大温差和600 W的最大制冷量。虽然该磁制冷机的制冷温差和制冷量大等优点突出，但也存在不足：受永磁体技术限制，制冷机使用了超导磁体，以致结构复杂、成本高，应用受到限制。

与Zimm等采用超导磁体不同，栗鹏等[45]、Yao等[46]利用永磁体研制了一台双AMR型往复式磁制冷机，如图6（b）所示，样机采用双磁场结构，两个AMR交替进出磁场实现制冷循环，最终获得最低制冷温度270.36 K，最大温差42.3 K，最大制冷量51.3 W。该制冷机温差较大，但制冷量仍有待提高。由于使用氦气作为换热流体，而氦气的热容量受充气压力限制无法提高，导致制冷机性能不高。因此，后续研究者多采用水等液体作为换热流体[47-49，51-52]。

双AMR型往复式磁制冷机可连续制冷，提高了制冷量，但对换热与运行控制的要求更高。2017年张顺[51]设计了一台双AMR型往复式磁制冷机，结构与栗鹏等[45]的类似，如图6（c）所示。作者对磁制冷机各个子系统的设计进行了详细的介绍，并证明了浓度为2%的氢氧化钠水溶液对工质Gd的缓蚀效果最好，为后续磁制冷机的设计提供了参考。测试磁制冷机性能时发现，当AMR进入磁场时热端换热流体仍向冷端流动，冷热流体混合，最终仅获得约4 K的制冷温差。此外，由于采用了塑料接头，系统气密性较差，水泵启动时可能将空气吸入管路中，换热管路中存在气泡，降低了磁制冷机的制冷性能。解决上述问题后，获得约7 K的制冷温差，然而磁制冷机的性能仍须进一步优化。

图6 典型双AMR型往复式室温磁制冷机Fig.6 TypicaldualAMR reciprocating room temperaturemagnetic refrigerator

相对于单AMR型往复式磁制冷机，双AMR型磁制冷机可以实现连续制冷，制冷性能有了一定的提升，但其流路和运行控制更为复杂，同时也存在运行频率较低的问题。

4 旋转式磁制冷机

4.1 结构特点

旋转式磁制冷机通过磁场和AMR的相对旋转运动实现AMR的励磁和退磁。与双AMR型往复式磁制冷机一样，旋转式磁制冷机也能够实现连续制冷，区别在于，前者为了实现连续制冷，换热流体必须配合两个AMR的运行状态实时改变流向，因此，流体不是单向流动，易出现死体积与冷热流体混合等问题。而旋转式磁制冷机中换热流体一般为单向流动，避免了死体积与流体混合问题。

往复式磁制冷机运行时有很大的惯性力，限制了其运行频率的提高，导致磁制冷机制冷性能无法提升。旋转式磁制冷机由于采用旋转运动，惯性力影响较小，因此可以实现更高的工作频率。此外，旋转运动需要的空间较往复运动小，因而系统紧凑；驱动磁场和AMR相对运动的功耗更小，制冷机效率更高。高频率运行也对磁制冷机设计提出了更高的要求，磁制冷机流路与散热器都要更加精细地设计，确保在较短的时间内实现良好的换热效果，同时要确保运行时的平稳与低噪声。

从1978年Steyert[54]设计出世界上第一台旋转式室温磁制冷样机至今，文献可查的旋转式磁制冷样机约有33台，按磁场结构可分为非嵌套磁场型和嵌套磁场型旋转式磁制冷机。

4.2 磁制冷机分类及性能对比

4.2.1 非嵌套磁场型旋转式磁制冷机

1978年Steyert[54]设计了世界上第一台非嵌套磁场型旋转式室温磁制冷机。此类磁制冷机的典型结构如图7所示，磁场大多为半圆环形状，AMR为圆盘状。

图7 典型非嵌套磁场型旋转式磁制冷机Fig.7 Typicalnon-nestedmagnetic field rotarymagnetic refrigerator

AMR或磁场在电机带动下做旋转运动，使得磁制冷工质周期性励磁和退磁，从而实现制冷循环。自1978年至今文献可查的非嵌套型磁制冷机约有18台，如表4所列。

表4 非嵌套磁场型旋转式室温磁制冷机汇总Tab.4 Summ ary of non-nested m agnetic field rotarym agnetic refrigerator

国内外研究人员提出了多种非嵌套磁场型旋转式室温磁制冷机结构并进行了优化。1985年日本青木亮三[56]研制了一台非嵌套磁场型旋转式磁制冷机，其结构如图8（a）所示。利用机械接触式热开关与串级的原理，将多个AMR纵向串联起来，在串联链的两端形成较大的温差。由于磁场强度只有0.6 T、缺少优质热开关、块状工质传热能力不足，最终6级串级（150 g Gd）的总温差只有0.46 K。利用串级方法获取大制冷温差的思路是值得借鉴的。四川大学唐永柏[58]研制了一台结构类似的旋转式磁制冷机，并做了相应的改进，如图8（b）所示。采用流体传热替代了机械式热开关传热，采用片状工质代替块状工质；改进了磁场结构，优化后磁场强度为0.65 T；采用辅一级预冷，利用上一级的冷量预冷下一级；使用了2级串级（36 g Gd片），最终得到4.09 K的制冷温差，提升效果显著。

图8 串级旋转式室温磁制冷机Fig.8 Cascade rotary room temperaturemagnetic refrigerator

东京工业大学Okamura[60]首次将分层床技术应用于非嵌套磁场型旋转式磁制冷机，其结构如图9（a）所示。四种不同居里温度的钆基合金材料分别填充于AMR床层内，因此AMR内各层材料均在其居里温度附近工作，可以充分利用各材料的磁热效应，获得更高的制冷性能。然而，由于磁制冷机旋转不连续，励磁与退磁过程后有一段静止的换热时间，使得磁制冷机运行频率降低。此外，由于磁制冷机结构不合理导致涡流损耗较大，最终仅获得60 W的最大制冷量和8 K的最大制冷温差。随后，Okamura等[63]对磁制冷机结构进行了优化，如图9（b）所示。将铁轭分为20个环，环之间设绝缘体，减小了焦耳热以及由磁铁旋转引起的轭内温升，大幅降低了涡流损耗。然后将磁制冷机尺寸扩大，采用更多的磁热材料；改变AMR内流道形状，减小流动压损；最后，优化了磁体结构，磁场强度由0.77 T提高到1.1 T；最终最大制冷量提高了约8.3倍，但是由于磁制冷机旋转不连续导致的运行频率低的问题仍未解决。

图9 几种非嵌套磁场型旋转式磁制冷机Fig.9 Typicalnon-nestedmagnetic field rotarymagnetic refrigerator

为解决运行频率低的问题，Zimm等[59，72]于2006年研制了一台工质旋转型磁制冷机，其结构如图9（c）所示。采用一种特殊的旋转阀，使磁制冷机能连续旋转，运行频率大幅提高，最高可达4 Hz；测试了Gd、GdEr和LaFeSiH合金的制冷能力，发现LaFeSiH是一种很有潜力的磁制冷材料，但由于受AMR多孔床层高压降的限制，未能测试其在更高流量下的制冷性能。此外，由于AMR不断旋转，给测量AMR床层的温度带来了困难。随后，针对该磁制冷机的不足，研制团队重新设计了一台磁场旋转型磁制冷机，如图9（d）所示[64]。首先，采用两块Halbach磁铁，合理布置它们使得磁制冷机内部受力平衡。其次，AMR床层静止，流体流经AMR和换热器的时间比上一代磁制冷机少，运行频率更高。但是，磁制冷机实际运行时压力损耗较大，性能没有达到预期值，实际制冷量约为理论值的75%。结合上两次的设计经验，2014年该团队[67]研制了一台大型旋转磁制冷机，如图9（e）所示。该磁制冷机沿用了上一代磁制冷机的磁场结构与旋转阀，设计目标是在高于室温的工作温度下，在12 K的制冷温差下提供2 kW的制冷量。为此，Zimm等在12个环状排列的AMR单元内填充了六层不同居里温度的LaFeSiH系列合金，满足所需温区的要求，这是一级相变材料在室温磁制冷机中非常成功的一次尝试。该机在零温差下获得3 042 W制冷量，在11 K温差下获得2 502 W的制冷量，试验结果达到预期目标，这是目前永磁室温磁制冷机所获得的最大制冷量。

2012年丹麦科技大学的Engelbrecht等[66]研制了一台可以连续旋转的千瓦级室温磁制冷机，如图9（f）所示。该机采用Halbach磁铁，拥有4个磁极，这意味着一个旋转周期内可以实现4次制冷循环，大幅提高了工作频率。由于磁制冷机运行时流动阻力较低的AMR单元可获得较高的流体份额，为了减少相邻AMR单元的流动阻力差异，对床层进行了优化布置，使AMR单元之间的窜流降至最低；设计了一套阀门系统，通过旋转阀控制流体流动方向；每个AMR单元有4个流体进出专用通道，流体只能单向流动，避免了死体积问题，互相分隔的流道还避免了冷热流体混合造成的损失。该机获得了1 010 W的最大制冷量以及13.8 K的最大制冷温差，其热力学第二定律效率为11.3%，是目前报道的最高效率。

综上所述，目前的非嵌套磁场型旋转式室温磁制冷机较往复式室温磁制冷机制冷性能有较大的提升，原因有：（1）运行频率提高，使制冷性能改善；（2）换热流体多为单向流动，避免了冷热流体混合及死体积造成的能量损失问题；（3）采用了分层床技术，利用居里温度不同的多种磁制冷工质提高制冷能力。然而非嵌套磁场型旋转式室温磁制冷机存在流路复杂、管道连接处多、流体泄漏等问题，其流路系统还须进一步优化。

4.2.2 嵌套磁场型旋转式磁制冷机

为了解决非嵌套磁场型旋转式磁制冷机流路复杂、管道连接处多等问题，2005年Shir等[73]提出嵌套磁场型旋转式磁制冷机。这种磁制冷机的磁场由内外同心圆筒形永磁体组成的嵌套磁场提供，内外圆筒磁体按照Halbach阵列排布，是工程上理想结构的近似，可以用最少量的磁体产生最强的磁场。外圆筒一般静止，电机带动内圆筒旋转，当内外圆筒磁场矢量相反时，内外磁场相互抵消，此时磁场强度最低，如图10（a）所示；当内外圆筒磁场矢量同向时，磁场强度最高，如图10（b）所示[74]。AMR一般为圆柱结构，静止安装在嵌套磁场的中心圆孔内，可以像往复式磁制冷机一样实现工质床与流路的紧密连接，避免由于旋转运动引起的一系列问题。磁制冷机基本结构与往复式磁制冷机相似，既可采用单AMR也可以采用双AMR，因此，也有人称这类磁制冷机为往复-旋转复合式室温磁制冷机。2005年至今，文献可查的嵌套磁场型旋转式磁制冷机约有15台，如表5所列。

表5 嵌套磁场型旋转式室温磁制冷机汇总Tab.5 Summary ofnestedmagnetic field type rotarymagnetic refrigerator

图10 嵌套磁场结构与运行示意图Fig.10 Diagram of nestedmagnetic field structure and operation

维多利亚大学Tura等[75]先后研制了三代嵌套磁场型旋转式磁制冷机，图11（a）所示为其研制的第一代磁制冷机。该机采用两组嵌套Halbach磁场与AMR实现连续制冷，各部件易于拆卸、更换。但是磁制冷机性能较差，最大温差仅为13.2 K，原因是嵌套磁场中心孔径较小，能容纳的制冷工质较少，制冷能力有限；此外，由于磁场内外圆筒磁体尺寸不同，最低磁场强度不为零，导致AMR退磁时磁场变化量减小，磁热效应减小。另一方面，由于采用碎片Gd作为制冷工质，流阻较大，流体黏性损耗较大，造成磁制冷机性能下降，高频率运行时更为显著。

图11 嵌套磁场型旋转式磁制冷机Fig.11 Nestedmagnetic field rotarymagnetic refrigerator

基于此，该团队对磁制冷机进行了优化[74-76]，首先，采用Gd球代替Gd碎片，将工质质量从86 g增加到110 g；其次，通过优化流路降低压降，并采用换热面积大、换热效果好、阻力小的铝制板式换热器。优化后的磁制冷机获得了29 K的最大制冷温差和50 W的最大制冷量。然而，嵌套磁场存在的问题仍未解决，获得的制冷量仍不满足实际应用。为了改进其性能，该团队开发了第三代嵌套磁场型旋转式磁制冷机，如图11（b）所示[78]。第三代磁制冷机的磁场、AMR尺寸以及流路都进行了改进。内外两层圆筒Halbach磁体阵列被改为内、中、外三层同心圆筒磁体，增加了磁场均匀性和强度。磁场优化使得AMR尺寸更大，且内磁体静止使得AMR和磁体间隙可以更小，能更好地利用磁场。在流路方面，采用多个止回阀，并且将流道分开，减少了死体积与冷热流体混合问题。最终磁制冷机获得最大制冷温差33 K和最大制冷量96 W，较上一代磁制冷机分别提高了13.8%和92%。

为了进一步提升磁制冷机的性能，张弘团队创新地将磁制冷与斯特林气体制冷相耦合，研制了嵌套磁场型耦合式室温磁制冷机[77，82，88-89]。2011年，该团队研制了第一台嵌套磁场型耦合斯特林制冷室温磁制冷机，其结构如图12（a）所示[77]。磁制冷的AMR系统和斯特林气体回热制冷的气缸活塞系统结合在一起，既实现了气体工质的压缩与膨胀，还为换热流体提供了驱动力。磁制冷机冷端温度最低至265.45 K，最大制冷温差达39.4 K，10 K温差下最大制冷量达50.5 W。然而，由于电机散热困难且流体压损较大，磁制冷机制冷量损失较大。为了解决上述问题，该团队对磁制冷机进行了改进[88-89]，将驱动电机由内置改为外置，避免了电机散热困难导致的冷量损失；其次，将钆屑换成规整钆条，使得换热流体在AMR内的流动阻力变小，压损变小，且运行频率可进一步提高，从而获得了更好的制冷性能；最后，在冷端换热器和膨胀腔之间增设缓冲管，减小了由于热流体流向膨胀腔造成的损失[89]。改进后的结构如图12（b）所示。磁制冷机冷端最低至256.65 K，最大制冷温差47.5 K，12.5 K温差下最大制冷量58 W，较改进前分别提升了114%、20.5%和14.3%。与纯斯特林制冷机相比，制冷性能提升了24%。

图12 嵌套磁场型耦合磁制冷机Fig.12 Nestedmagnetic field coupledmagnetic refrigerator

嵌套磁场型旋转式磁制冷机结合了旋转式磁制冷机和往复式磁制冷机的优势，结构简单紧凑，运行易于控制，符合小型化、紧凑型发展趋势；可根据需求增加AMR的数量，提高制冷量；静止的AMR避免了流路复杂、流体泄漏等问题；此外，可与其他制冷方式耦合提升制冷机的性能。然而，由于嵌套磁场中心孔径较小，能容纳的制冷工质较少，磁体的利用率不高，制冷能力有限；此外，由于磁场内外圆筒形磁体尺寸不同，最低磁场强度不为零，导致AMR退磁时磁场变化量较小，磁制冷工质磁热效应减小，进而导致制冷性能下降，因此仍需要对磁场进行优化。

5 室温磁制冷机未来发展趋势

往复式室温磁制冷机结构简单、各部件更换方便、易于监测和控制，但运行频率难以提高，制冷性能提升受限。此外，往复运动需要一定的推拉空间，不利于磁制冷机的小型化和紧凑化，限制了往复式室温磁制冷机的应用。旋转式室温磁制冷机运行时不需要推拉空间，结构紧凑，运行频率较容易提高，且AMR数量较多，符合磁制冷机高频化、小型化、大制冷量发展趋势，应用前景广阔。然而旋转式磁制冷机结构复杂，存在连接处多、管路复杂等问题，尤其须要充分考虑流路结构以防止流体泄漏等问题。此外，较高的运行频率对AMR及冷热端换热器的换热要求更高，如何在较短的时间内实现充分换热是今后须要解决的问题。为了提高室温磁制冷机的制冷性能，未来可以从以下几个方面进行突破：

（1）优化系统结构，提高磁制冷机运行频率。

（2）采用具有高强度、高频率的脉冲磁场，充分开发磁热材料的磁热效应，提高磁制冷机制冷能力；利用静止的励磁和退磁方式，提高磁制冷机运行频率和效率。

（3）优化AMR的结构，减小死体积效应和流体流动阻力，强化AMR以及冷热端换热器的换热能力。

（4）基于分层床技术，采用多种居里温度不同的高性能磁热材料作为磁制冷工质，充分利用工质在居里温度附近的大磁热效应提高磁制冷机制冷能力。

6 结语

本文对室温磁制冷机的研究进展进行了整理与回顾，分析了往复式和旋转式室温磁制冷机的工作特点及各磁制冷机的优缺点，为磁制冷机研究提供了参考意见。磁制冷作为一种具有巨大潜力的制冷技术，具有环保节能、低振动、低噪音的特点，近年来发展迅速，许多企业如美国GE、德国BASF、法国Cooltect、韩国三星和中国海尔等纷纷加入到磁制冷研发队伍中，加快了磁制冷技术的商用进程。尽管室温磁制冷机的研究取得了一些突破，但要真正实现商用，还有许多问题必须解决，如大温差下制冷量和制冷效率较低、材料制备工艺复杂等。