包頭稀土研究院磁制冷冷藏柜研發之路

時間：2023-08-14 14:14:39來源：admin01欄目：冷鏈新聞閱讀：

磁制冷是以磁性材料為工質的一種新型制冷技術，其原理是利用磁制冷材料的磁熱效應達到制冷的目的，與傳統的氣體壓縮制冷方式相比，“節能、環保”是磁制冷技術最顯著的優勢。早在1998年4月，美國宇航局的 Zimm 就在《Science》雜志上說過：“磁制冷技術可以媲美瓦特發明蒸汽機，它將引發一場制冷行業的革命。”進入 21 世紀，隨著環境和能源問題的日益突出，世界各國對節能和綠色環保越來越重視，而磁制冷技術恰好滿足了資源、能源和環境成本的要求，目前歐、美、日等發達國家均在磁制冷技術的研發方面投入了不少的人力、財力，據悉，磁制冷技術有望成為制冷領域一項新的殺手級應用。包頭稀土研究院磁制冷團隊成立于 2000 年，作為中國較早開展磁制冷研究的包頭稀土研究院，其磁制冷項目負責人黃焦宏教授早期已經跟蹤國外磁制冷項目多年，他在團隊成立之初就確立了“研究與開發并舉”的團隊目標，立足于稀土研究院自身材料制備優勢，從磁制冷材料、磁場系統、測量儀器到磁制冷機開展了全方面的研究與開發。有了“研究與開發并舉”這樣的目標，包頭稀土研究院磁制冷團隊時刻都在思考著創新成果向應用實踐轉化的問題。在磁制冷材料方面，團隊通過在金屬 Gd 中添加 Dy、Tb、Er 等元素調控 Gd 的居里溫度，使其從 -10℃～ 20℃任意可調，并研究了該類材料球形磁工質的制備工藝，采用等離子的方法可制備出不同尺寸的球形磁工質。研究了廉價稀土室溫磁制冷材料 La(FeCoSi)13 合金，發現在合金中添加適量的 B 元素，可以穩定相結構，減少退火時間，同時其居里溫度也略有提高。研究了 La(FeSi)13 材料的吸放氫工藝，以及添加 Mn 元素調節氫化物的居里溫度，使其居里溫度在室溫附近任意可調，并保持大磁熱效應。同時采用粉末粘結及熱壓的方法，研究了 La(FeSi)13 氫化物的成型工藝。目前能夠小批量（公斤級）制La(FeCoSi)13BX 系合金和LaCe(FeMnSi)13HX 系合金，滿足小批量需求，并能夠批量制備金屬 Gd 及 Gd 合金的球形顆粒磁工質，滿足國內外的大量需求。在磁場系統的研發方面，設計研制了圓筒型、Halbach 型等多種類型的磁場系統，最高磁場強度可以達到 2T，為美國、荷蘭、西班牙、巴西、德國、韓國等國家及國內客戶設計研制了多種類型的永磁磁場系統。為了獲得更好的研發數據，黃焦宏教授還帶領團隊自行設計測量儀器，在 2002 年到 2005 年間，僅僅三年時間便研制了國內首臺磁熱效應測量儀，能夠直接測量磁制冷材料的絕熱溫變，測量溫度范圍為 -15℃ ~ 50℃。近期還研制了磁熱效應低溫測量儀，測量范圍為 150K ~ 室溫，可用于 La(FeSi)13材料的測量，目前該測量儀基本研制完成，調試已接近尾聲。該磁熱效應測量儀的研制可為今后建立國際性的磁熱效應材料、磁制冷材料參數測量實驗室提供堅實的基礎。思考不停歇，創新的步伐也從未停歇，2001 年，團隊設計研制了國內首臺永磁磁液體磁制冷機，2002 年，又設計研制國內首臺往復永磁式磁制冷機，2002 年之后，團隊不斷突破自我，對磁制冷樣機進行多次改進設計，冷端最低溫度可降到 0℃左右，冷熱端最大溫差達到 20℃以上，技術水平進入世界前列。2006 年，美國科學雜志《SCIENCE》便對包頭稀土研究院磁制冷技術進行了相關報道，包頭稀土研究院磁制冷團隊受到世界各國的關注。2009 年，該團隊為蒙古國設計研制了干式永磁磁選機，并到現場安裝。2010 年，團隊成功研制出旋轉式永磁磁制冷機，2012 年又成功研制了復合式永磁磁制冷機，黃焦宏教授和他的團隊在創新的花園中辛勤地耕耘著，結出了累累的碩果。 2013 年，團隊開始與具有“家電大佬”之稱的海爾集團合作，繼續向著應用開發邁進，與海爾集團合作設計研制了室溫磁制冷機及多款酒柜、冷藏柜。2015 年開始設計研制第一代商業用復合式室溫磁制冷冷藏柜，制冷空間達到 117 升，最大制冷溫差為 26.0℃，可將罐裝啤酒從 25℃冷卻到 5℃。該冷藏柜基本滿足家用冷藏的需求，實現了磁制冷機的初步應用。并已成功設計開發了 2 款商業磁制冷冷藏柜樣機（如圖），該商業樣機采用 1.3T 的 NdFeB 永磁磁場，磁工質為φ0.4 ～ 0.6mm 的金屬 Gd 及合金，制冷空間為 110升，最大制冷溫差達到 22.7℃，最低溫度接近 0℃，冷藏室溫度能夠保持在 5℃～ 10℃，外加熱補償制冷功率 50W。目前正在優化改進該商業樣機。據報道，目前國內外開展實測室溫磁制冷研究與開發的團隊有上百家，僅國內就有幾十家，但是值得一提的是，能夠同時開展磁制冷材料、磁場系統、測量儀器到磁制冷機全方面研究的，非包頭稀土研究院磁制冷團隊莫屬，雖然團隊只有 12 名科研人員，卻設有 4 個子課題組，分別為磁制冷材料及磁工質課題組、磁熱效應測量與測量儀器課題組、磁路設計與磁場課題組和磁制冷機課題組，可同時開展各項研究，獲得“一種磁制冷部件和磁制冷機”“一種制備稀土鐵棚氫材料的方法”等專利20 多項，真正做到了“1+1>2”的團隊效應。十年磨一劍，截至 2019 年，包頭稀土研究院磁制冷團隊先后獲得內蒙古自治區科學技術進步一等獎、中國稀土科學技術一等獎等榮譽，并與美國、日本、瑞士、西班牙、德國、法國、韓國、加拿大等開展了實質性的合作。該團隊還多次被國內外邀請做學術報告，得到了行業的高度認可。 2010 年，由包頭稀土研究院承辦了國際制冷學會（IIR/IIF）的“第四屆國際室溫磁制冷會議”，此次會議匯集了全球頂尖的磁制冷專家學者近百名，當時他們到包頭稀土研究院磁制冷實驗室參觀，看到一個實驗室可以同時開展多項研究時，都紛紛地對他們豎起了大拇指。目前，雖然包頭稀土研究院磁制冷課題組各項技術均已走在世界前列，但課題組的創新步伐并未停歇，他們依然腳踏實地為建設批量制備稀土基磁制冷材料和磁工質、批量制備永磁磁場系統的生產線、建立完備的國際磁熱效應材料、磁制冷材料參數測量實驗室而奮斗。

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