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【稀土人语】十年磨一剑 砺得梅花香

   ——包头稀土研究院磁制冷冷藏柜研发之路
作者:刘小芳 黄焦宏 日期:2019-10-14 加入收藏

 
  磁制冷是以磁性材料为工质的一种新型制冷技术,其原理是利用磁制冷材料的磁热效应达到制冷的目的,与传统的气体压缩制冷方式相比,“节能、 环保”是磁制冷技术最显著的优势。早在1998年4月,美国宇航局的 Zimm 就在《Science》杂志上说过:“磁制冷技术可以媲美瓦特发明蒸汽机,它将引发一场制冷行业的革命。”进入 21 世纪,随着环境和能源问题的日益突出,世界各国对节能和绿色环保越来越重视,而磁制冷技术恰好满足了资源、能源和环境成本的要求,目前欧、美、日等发达国家均在磁制冷技术的研发方面投入了不少的人力、财力 , 据悉 ,磁制冷技术有望成为制冷领域一项新的杀手级应用。 

  包头稀土研究院磁制冷团队成立于 2000 年,作为中国较早开展磁制冷研究的包头稀土研究院,其磁制冷项目负责人黄焦宏教授早期已经跟踪国外磁制冷项目多年,他在团队成立之初就确立了“研究与开发并举”的团队目标,立足于稀土研究院自身材料制备优势,从磁制冷材料、磁场系统、测量仪器到磁制冷机开展了全方面的研究与开发。有了“研究与开发并举”这样的目标,包头稀土研究院磁制冷团队时刻都在思考着创新成果向应用实践转化的问题。 

  在磁制冷材料方面,团队通过在金属 Gd 中添加 Dy、Tb、Er 等元素调控 Gd 的居里温度,使其从 -10℃~ 20℃任意可调,并研究了该类材料球形磁工质的制备工艺,采用等离子的方法可制备出不同尺寸的球形磁工质。研究了廉价稀土室温磁制冷材料 La(FeCoSi)13 合金,发现在合金中添加适量的 B 元素,可以稳定相结构,减少退火时间,同时其居里温度也略有提高。研究了 La(FeSi)13 材料的吸放氢工艺,以及添加 Mn 元素调节氢化物的居里温度,使其居里温度在室温附近任意可调,并保持大磁热效应。同时采用粉末粘结及热压的方法,研究了 La(FeSi)13 氢化物的成型工艺。目前能够小批量 (公斤级)制La(FeCoSi)13BX 系合金和LaCe(FeMnSi)13HX 系合金,满足小批量 需求,并能够批量制备金属 Gd 及 Gd 合金的球形颗粒磁工质,满足国内外的大量需求。 

  在磁场系统的研发方面,设计研制了圆筒型、Halbach 型等多种类型的磁场系统,最高磁场强度可以达到 2T,为美国、荷兰、西班牙、巴西、德国、韩国等国家及国内客户设计研制了多种类型的永磁磁场系统。 

  为了获得更好的研发数据,黄焦宏教授还带领团队自行设计测量仪器,在 2002 年到 2005 年间,仅仅三年时间便研制了国内首台磁热效应测量仪,能够直接测量磁制冷材料的绝热温变,测量温度范围为 -15℃ ~ 50℃。近期还研制了磁热效应低温测量仪,测量范围为 150K ~ 室温,可用于 La(FeSi)13材料的测量,目前该测量仪基本研制完成,调试已接近尾声。该磁热效应测量仪的研制可为今后建立国际性的磁热效应材料、 磁制冷材料参数测量实验室提供坚实的基础。 

  思考不停歇,创新的步伐也从未停歇,2001 年 ,团队设计研制了国内首台永磁磁液体磁制冷机,2002 年,又设计研制国内首台往复永磁式磁制冷机 ,2002 年之后,团队不断突破自我,对磁制冷样机进行多次改进设计,冷端最低温度可降到 0℃左右,冷热端最大温差达到 20℃以上,技术水平进入世界前列。2006 年,美国科学杂志《SCIENCE》便对包头稀土研究院磁制冷技术进行了相关报道,包头稀土研究院磁制冷团队受到世界各国的关注。2009 年,该团队为蒙古国设计研制了干式永磁磁选机,并到现场安装。2010 年,团队成功研制出旋转式永磁磁制冷机 ,2012 年又成功研制了复合式永磁磁制冷机 ,黄焦宏教授和他的团队在创新的花园中辛勤地耕耘着,结出了累累的硕果。 

  2013 年,团队开始与具有“家电大佬”之称的海尔集团合作,继续向着应用开发迈进,与海尔集团合作设计研制了室温磁制冷机及多款酒柜、冷藏柜 。2015 年开始设计研制第一代商业用复合式室温磁制冷冷藏柜,制冷空间达到 117 升,最大制冷温差为 26.0℃, 可将罐装啤酒从 25℃冷却到 5℃。该冷藏柜基本满足家用冷藏的需求,实现了磁制冷机的初步应用。并已成功设计开发了 2 款商业磁制冷冷藏柜样机(如图),该商业样机采用 1.3T 的 NdFeB 永磁磁场,磁工质为φ0.4 ~ 0.6mm 的金属 Gd 及合金,制冷空间为 110升,最大制冷温差达到 22.7℃,最低温度接近 0℃,冷藏室温度能够保持在 5℃~ 10℃,外加热补偿制冷功率 50W。目前正在优化改进该商业样机。 

  据报道,目前国内外开展实测室温磁制冷研究与开发的团队有上百家,仅国内就有几十家 , 但是值得一提的是 , 能够同时开展磁制冷材料、磁场系统、测量仪器到磁制冷机全方面研究的,非包头稀土研究院磁制冷团队莫属 ,虽然团队只有 12 名科研人员 ,却设有 4 个子课题组,分别为磁制冷材料及磁工质课题组、磁热效应测量与测量仪器课题组、磁路设计与磁场课题组和磁制冷机课题组,可同时开展各项研究 , 获得“一种磁制冷部件和磁制冷机”“一种制备稀土铁棚氢材料的方法”等专利20 多项 , 真正做到了“1+1>2”的团队效应。 

  十年磨一剑,截至 2019 年,包头稀土研究院磁制冷团队先后获得内蒙古自治区科学技术进步一等奖、中国稀土科学技术一等奖等荣誉,并与美国、日本、瑞士、西班牙、德国、法国、韩国、加拿大等开展了实质性的合作。该团队还多次被国内外邀请做学术报告,得到了行业的高度认可。 2010 年 , 由包头稀土研究院承办了国际制冷学会(IIR/IIF) 的“第四届国际室温磁制冷会议”,此次会议汇集了全球顶尖的磁制冷专家学者近百名 , 当时他们到包头稀土研究院磁制冷实验室参观 , 看到一个实验室可以同时开展多项研究时 , 都纷纷地对他们竖起了大拇指。 

  目前 , 虽然包头稀土研究院磁制冷课题组各项技术均已走在世界前列 , 但课题组的创新步伐并未停歇 , 他们依然脚踏实地为建设批量制备稀土基磁制冷材料和磁工质、批量制备永磁磁场系统的生产线、建立完备的国际磁热效应材料、 磁制冷材料参数测量实验室而奋斗。
 

综合信息 总记录数为 16613 2019年11月14日 更新数为 2
市场行情 总记录数为 62406 2019年11月14日 更新数为 1
稀土企业 总记录数为 712 2016年04月14日 更新数为 1
稀土专利 总记录数为 7609 2010年05月27日 更新数为 27
稀土标准 总记录数为 430 2017年08月08日 更新数为 2

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