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包头稀土研究院:磁制冷项目获科学技术进步一等奖

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近期,包头稀土研究院“复合式永磁室温磁制冷机的研制”项目荣获内蒙古自治区科学技术进步一等奖。磁制冷项目组成立于1999年,主要从事室温磁制冷机、磁制冷机用磁场系统及稀土基室温磁制冷材料的研究开发工作。目前磁制冷项目组共有12名科研人员,其中博士2名,硕士7名,具有较强的研发实力。

 包头稀土研究院室温磁制冷机已历经了四代的研发,即磁液体制冷机,往复式永磁磁制冷机,旋转式永磁磁制冷机,复合式永磁室温磁制冷机的研发。第四代复合式永磁室温磁制冷机是在往复式磁制冷机和旋转式磁制冷机的基础上开发的。往复式室温磁制冷机因其循环频率受原理限制,无法达到更高的制冷效率。而旋转式室温磁制冷机虽然能够达到很高的频率,但是其热交换系统复杂,故障率高。为了避免这些缺点,第四代复合式制冷机利用双旋转永磁磁场系统来代替上述两类室温磁制冷机中常用的固定永磁磁场系统,而热交换仍采用往复式,这样既可以保证室温磁制冷机的热交换系统简单可靠,又能够使频率大幅度提高。

 在复合式磁制冷机的研发初期,研发目标是冷却4L的制冷空间,但制冷空间的温差和功率很小。项目组研发人员考虑是热交换不完全造成的,经过不断的探索实验终于找到合适类型的泵,提高了循环压力,使热交换更加充分。经过多次试验后,制冷温差及制冷功率均有了大幅提高,于是项目组研发人员信心倍增,发现磁制冷大有潜力,需要我们去挖掘和开发。解决了热交换系统的问题后,又面临如何更准确的定位磁场,更精准的实现磁场变化与换热流体的配合,以提高制冷效率。经过多种方案比较后选择数控方案来实现,经过无数次试验和失败之后,研发出以PLC为核心的数控系统满足了各种试验参数可调的要求。经过几年努力,数控系统历经三代研发,从大型控制柜到小控制柜再到控制盒,其体积大幅下降,使得复合式磁制冷机的一体化成为可能。为了最大程度提高复合式制冷机的效率,提高制冷机的能效系数COP,磁制冷项目组研发人员做了大量实验优化制冷床结构,但都收效甚微。在这种情况下,研发人员提出了用有限元分析的方法进行理论计算,经过大量反复的计算,确定了最终的制冷床结构,提高了制冷量。同时,进行三维模拟设计及仿真,优化了电控及机械系统,使得输入功率大幅降低,提高了系统的COP。

 目前,复合式室温磁制冷机已实现一体化,可以搭载大于100L的制冷空间,最大制冷温差26℃,冷端最低温度可达-6.5℃,磁制冷机制冷功率的计算值为1000W,可将罐装啤酒从25℃冷却到5℃,可以满足冷藏要求,初步具备实用性,该成果已达到国际先进水平。基于该复合式磁制冷机的研究成果,稀土研究院正在进行商业化磁制冷冷藏柜的小批量开发。同时稀土研究院也非常注重知识产权的保护,目前已获得制冷机专利授权6项。磁制冷机未来的研发方向是向小型化、轻量化发展,以降低成本,使其更具优势,满足市场化要求。

 磁制冷机的研发离不开磁制冷材料及磁场系统的研发,磁制冷材料是磁制冷研发的关键部分,而磁场系统则决定了磁制冷机的形式及尺寸。稀土院研发了Gd系及La(FeCoSi)13、LaCe(FeSi)13系磁制冷材料及球形颗粒、片状、槽型等各类型磁工质,已能够小批量生产,并为国内外提供了产品。同时,设计研制了各类型磁制冷机用磁场系统,磁场强度最大可达2.0T,为美国、荷兰、西班牙、巴西、德国、韩国等国家及国内提供了产品。磁制冷项目的研发对扩大NdFeB应用领域、Le、Ce、Gd等稀土资源的综合利用、推动稀土产业的平衡和可持续发展具有重要的意义。


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