磁制冷技術的案例
成功案例丨設計賦能高效制冷：Magnoric 借助尖端仿真技術優化磁制冷系統
—— Magnoric 首席運營官
Rémi Dubois
”
關于客戶
Magnoric 是總部位于法國的磁制冷技術先行者，其創新系統基于主動磁熱回熱器（AMRs）構建，為傳統氣體壓縮制冷提供了可持續的固態替代方案。該公司利用磁熱材料與傳熱流體，研發出高效節能且環境友好的制冷解決方案，旨在革新從食品保鮮到氣候控制等多個行業領域。憑借對精密工程與創新技術的堅定追求，Magnoric 持續提升其尖端制冷技術的性能與耐久性。
面臨的挑戰
Magnoric 的 AMR 系統內置精密冷卻通道，通道內裝有多層磁熱板，板片之間由間隔層分隔。間隔層雖能防止板片發生機械卡滯，但也會干擾流體流動，且顯著增加壓降 —— 這不僅會提高泵送功率需求，還會降低系統整體效率。為優化設計，團隊需重點考量間隔層的規格參數：較薄的間隔層可最大限度減少壓降，但機械強度不足，易產生碎屑堵塞流道；較厚的間隔層強度更高，卻會增加死體積，對傳熱性能造成負面影響。
間隔層的優化工作引出了兩個關鍵工程問題：
實際 AMR 系統中的壓力損失，與理想化通道模型預測的結果存在多大差異？
何種間隔層厚度能在結構耐久性與液壓效率之間實現最佳平衡？
為找到答案，Magnoric 需要一套先進的仿真與測量解決方案，能夠精準捕捉復雜 AMR 幾何結構中的流動特性、壓降及熱傳遞過程。
Altair解決方案
Magnoric 采用了 Altair? SimLab? 先進的熱仿真、計算流體動力學（CFD）及電磁（EM）仿真解決方案，該方案專為處理多物理場建模與復雜幾何結構設計。
展開 文獻速覽欄目——磁制冷 | 導熱散熱展 | 熱管理展
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2023.101982
研究團隊利用低Gennes factors的Er和Tm原子來調控HoCuAl磁體的磁相變和磁制冷性能。相較于母體材料，10%的Er或Tm替代，0-5T變化下的磁熵變峰值分別增加了25%和10%，相應的制冷能力分別提高了40%和20%。利用中子衍射等實驗手段證實了微量Er或Tm替代顯著增強的磁熱效應是由于磁有序溫度的降低和磁各向異性的減弱。
?"第二屆熱管理材料技術博覽會”（iTherMEXPO2024）將于2024年11月6-8日在深圳國際會展中心7號館舉辦，將高效呈現熱管理產業鏈的一站式價值對接平臺，以滿足和促進熱管理行業各單位交流、合作和共贏發展。創新型的材料、儀器、設備、設計與仿真、解決方案、應用場景、專利技術等薈聚鏈接和呈現將是博覽會的重要組成部分；熱管理領域科學、材料、技術和工程等相關專題論壇、圓桌/閉門、專家問診、創新創業項目展示、新品發布、需求對接等活動也將精彩同期呈現，特別是科研單位創新性的技術和成果也將獲得從實驗室對接轉移到市場的機會。
2024第二屆熱管理材料技術博覽會線上預登記渠道全面開啟，專業觀眾提前在線完成掃描預登記，領觀展專屬多重福利。
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展開 北科《Scripta Mater》：磁、電場耦合作用增強材料可逆制冷能力！
(MCE)的固態制冷技術因其環保節能等優點，正在迅速發展成為傳統氣體壓縮制冷的潛在替代品。
彈熱制冷冰箱：零碳排放制冷新技術
導 讀
制冷行業的碳排放占全球總量的7.8%，降低碳排放需要將氟代烴制冷劑的溫室效應降低到現有水平的10%以內。彈熱制冷是最具潛力的下一代制冷技術，其利用了應力驅動記憶合金產生晶格相變時的制冷效應，具有零溫室效應的核心特征，兼具高效、低振動等核心優勢。近日，西安交通大學錢蘇昕團隊與中科院寧波材料所劉劍團隊合作，成功研制了全球首臺彈熱制冷冰箱，相比現有水平，緊湊性提升了26%，實現了9.2℃的制冷溫差和3.1 W的最大制冷功率。成果發表于The Innovation期刊。
圖1 圖文摘要
彈熱制冷技術的發展
彈熱效應是在固體相變材料中由軸向應力驅動溫度變化的現象。對形狀記憶合金施加軸向應力時，奧氏體變為馬氏體，相變過程釋放潛熱，合金溫度上升；卸載應力時，馬氏體變回奧氏體，逆向相變過程吸收潛熱，合金溫度降低。鎳鈦二元合金在卸載應力時溫度可降低20℃以上，即此時的制冷能量密度可達100 J cm-3，超越了部分氟代烴制冷劑的單位體積制冷能力。除此之外，鎳鈦合金具有零排放、高能效、可回收再生、低成本、低振動運行優勢，已有規模化的產業鏈和行業技術標準。因此，美國能源部的研究報告指出，彈熱制冷是最具發展潛力的非蒸氣壓縮制冷技術。
自2014年首臺彈熱制冷機成功研發以來，彈熱制冷機的制冷性能得到了快速發展，發展了單級、復疊、主動回熱等多種循環方式，構建出了水冷、固-固接觸等換熱形式。盡管彈熱制冷機的性能不斷取得新的突破，緊湊性一直是制約彈熱制冷機推廣的瓶頸（圖2）。
展開 
西安交大唐敬達副教授等研發水凝膠磁熱驅動變形及磁熱療技術
相關進展
哈佛大學鎖志剛院士與西安交大唐敬達副教授《Matter》：抗疲勞復合水凝膠，模擬生物心臟瓣膜
哈佛大學鎖志剛教授與西安交大軟機器實驗室合作《JMPS》：抗疲勞橡膠彈性體
西安交通大學軟機器實驗室研發出磁凝膠形狀控制技術
西安交通大學王鐵軍教授課題組在磁性水凝膠方面取得系列進展
哈佛大學鎖志剛教授課題組與西安交大軟機器實驗室合作研發水凝膠的可降解強韌粘接技術
哈佛大學鎖志剛教授課題組報道可拉伸密封層：同時實現可拉伸，低韌性和低可透性
哈佛鎖志剛教授課題組與西安交大軟機器實驗室合作《Adv. Funct. Mater.》：研發軟結構復合3D打印中的強韌粘接技術
美國哈佛大學鎖志剛教授課題組首次報道韌性水凝膠疲勞斷裂
西安交大王鐵軍教授課題組在水凝膠3D打印方面取得新進展
高分子科技原創文章。
展開 【廢水處理新技術】磁分離技術
就目前而言，作為廢水處理的一個研究熱點——強磁分離法來處理廢水是很有效。那么，什么是磁分離法？它的原理是怎樣的？它能夠凈化廢水到何種程度？
所謂的磁分離就是根據不同物質具有不同的磁性性質（物質的磁性可分為三種：鐵磁性、順磁性和反磁性，其中鐵磁性物質可以作為磁種添加到弱磁性的廢水中進行磁分離），當廢水中的磁性物質或者非磁性物質（需要添加磁種）處于磁場中時，物質必然會受到來自磁場的作用力，當然，廢水中的懸浮不僅受磁場力，還受到重力、流體黏滯力、流體慣性力以及分子間的吸引力，只要我們所施加的磁場足夠大，就可以使得廢水中的懸浮顆粒進行磁分離。
而磁分離的方法又可以采用永磁分離和電磁分離（包含超導磁分離）。磁力大小的公式為Fu=γVH(dH/dx)，其中，γ為顆粒本身磁化率，V為顆粒體積，H為磁場強度，dH/dx為磁場強度梯度。從實際應用中來考慮，如果我們單純的用永磁體增加磁場強度，的確可以增加磁場力的大小，但是這樣所制造的磁鐵太耗成本。因此大多采用磁梯度分離法，即只需要增加磁場強度的梯度，就可以達到增強磁場力的效果。值得一提的是，要想產生高強度的磁場，用一般的永磁鐵，很難實現，可以采用超導體來實現，理論上處于臨界溫度以下的超導體所產生的磁場強度可以達到10T以上，可以在無需添加磁種的情況下就能輕松實現磁分離。一般的梯度磁分離可分離微細顆粒（線度1um）和弱磁性微粒（磁化率低到10-6），那么，超導梯度磁分離的范圍和精度將比此更廣，更精確。
無疑，磁分離技術在廢水處理中不僅高效環保，而且造價和維護成本低，作為一般的磁分離的加強版——超導磁分離技術將大大提升常導磁分離的性能。我們有理由相信，隨著科學家對磁體、污染物的分離程度的機制等方面的不斷研究，磁分離技術將被應用到尋常百姓家中。
展開 制冷人必懂的中央空調技術知識
四、冷熱水系統工作原理
它屬于二次換熱設備，在冷水機組內的工作原理與家用空調類似，只是在制冷劑蒸發側不同。家用空調是直接將冷量交換給了需要處理的空氣，而冷水機組是將冷量交換給循環水。循環水泵將被冷卻了的水送到需要進行空氣調節的房間內的風機盤管，通過風機盤管將冷量傳送給空氣。
冷凍水系統主要由循環水泵、補水閥、水箱、排氣閥、平衡閥、循環水管、風機盤管等部件組成，水系統布置靈活，獨立調節性好，能滿足復雜房型分散使用、各個房間獨立運行的需要。但是水系統易漏易蝕，家庭裝潢多為石膏類固定天花板，若滴水就會帶來很大 麻煩。
冷熱水機的適用范圍：
別墅；
醫院；
賓館；
酒店；
辦公；
寫字樓；
機場；
娛樂場所。
五、VRV系統的工作原理
VRV系統就是常說的多聯機，它輸送能量的介質是氟里昂，可以用細小的銅管代替粗大的風管，噪音也大大降低。多聯機就是用一個超大功率的室外主機帶動多個室內機，由于采取的是并聯方式，所以可方便地進行分區控制。
VRV冷媒分流技術和電氣控制技術有較高的水準，并且零部件的專用性強，因此的價格昂貴。VRV制冷劑系統的適用范圍：大面積多居室的單元房、復式住宅、庭院別墅、高檔商住樓、單元式辦公寫字樓等。
六、基本術語
名義制冷量：
是指空調器銘牌上標稱的制冷量；其工況按國家標準GB/T 7725--2004規定。
展開 晶格素化推動了高效的SnSe晶體熱電制冷技術
來源 | Science，北航新聞網
01
背景介紹
熱電技術已廣泛應用于廢熱回收和固態制冷等關鍵領域。其中，熱電制冷是利用帕爾帖效應直接將電能轉換為熱能的綠色制冷技術，僅通過調節工作電壓和電流就可以實現對制冷量和溫度的連續高精度控制。熱電制冷技術由于其控溫精準、尺寸靈活、結構多樣和局部冷卻等眾多優勢，在精確制導、傳感器和5G光模塊等關鍵領域具有比傳統的機械壓縮式制冷技術更強的競爭優勢。因此，研發高性能制冷材料，提升制冷器件的制冷效率，對于諸多科技自立自強等關鍵領域的精確溫控具有重要意義。
器件的制冷效率主要由材料的無量綱熱電性能優值（ZT值）決定。由ZT值的定義ZT = (S2σ/κ) T 可知，在給定溫度T下，高性能材料應具有大的溫差電動勢S（產生大的電壓），高的電導率σ（減小焦耳熱損耗）和低的熱導率κ（產生大的溫差）。然而各個物理參數之間的復雜聯系形成了緊密的聲子-電子耦合關系，使得熱電材料的性能優化極其具有挑戰性，調控這些強烈耦合的復雜熱電參數是提高材料ZT值和制冷效率的關鍵。
目前，碲化鉍（Bi2Te3）基材料仍為唯一的可應用的熱電制冷材料，然而Te元素的地殼稀缺程度等同于白金（且光伏材料CdTe占據一半市場份額），再且 Bi2Te3及熱電制冷器件存在可加工性能差、制冷性能不足和運行功耗過高等問題，探索和開發新型熱電制冷材料及器件至關重要。
展開 制冷壓縮機振動噪聲控制技術
隨著社會的發展，生活水平的提高，人們對空調、冷藏和冷凍等制冷設備的振動噪聲提出了更高的要求，制冷壓縮機作為制冷系統的主要振動噪聲源，其振動噪聲控制技術愈發重要。制冷壓縮機經過升級換代后，產品能效得到了顯著提升，但還需要在振動噪聲方面付出更多的努力才能取得突破性的進展。制冷壓縮機噪聲主要包括機械性振動噪聲、流致性振動噪聲和電磁性振動噪聲，其振動噪聲源錯綜復雜，相互干擾，增加了聲源辨識的難度。振動噪聲控制技術涉及流場、應力場、溫度場和電磁場等多門學科，知識面廣，研究難度大，成為制冷壓縮機技術發展面臨的新挑戰。
制冷壓縮機在軸系運動部件擾動和流道內壓力波動等載荷激勵下產生振動和輻射噪聲，影響產品體驗和使用的舒適度。此外，壓縮機振動噪聲是一種能量傳遞和消耗的表征方式，不僅增大壓縮機功耗，甚至影響壓縮機可靠性。
因此，筆者基于雙螺桿和離心式制冷壓縮機的結構特點，分析振動噪聲特性及其產生原因，開展制冷壓縮機振動噪聲控制技術研究，展示振動噪聲控制技術在制冷壓縮機中的實際應用案例，對振動小噪聲低壓縮機產品的正向設計具有重要的指導與借鑒意義。
1 雙螺桿式制冷壓縮機振動噪聲控制技術
圖1所示為雙螺桿式制冷壓縮機的典型結構，它主要由壓縮機殼體以及殼體內一對平行配置的陰陽轉子、電動機、支承軸承、吸排氣孔口和吸排氣殼體等部件組成。
展開 4大微型制冷系統技術發展趨勢
金聽祥等將半導體制冷運用到家用空調系統的過冷器中，以增加系統的過冷度，在最小制冷、額定制冷和最大制冷 3 種工況下進行了實驗研究，結果顯示系統的制冷量分別提升了3. 6%、3. 2%和 4. 0%，系統的性能指數分別提升了 3. 7%、3. 1%和 4. 2%。
王振雨等提出了熱管型半導體制冷器，半導體制冷片和冷端散熱器、熱端散熱器并排布置，通過熱管相 連。與常規半導體制冷器相比，改進后的熱管半導體制冷器厚度減小了29. 2%，制冷量提高了2. 7%，COP提高了3. 45%，如圖13 所示。
4 其他新型微型制冷系統
近年來，一些新型的制冷方式被應用到微型制冷系統中，如磁制冷、激光制冷、熱聲制冷等，越來越多的新型制冷機被設計和制造出來，制冷系統不斷走向多元化。
4．1 磁制冷
是指利用具有磁化放熱、退磁吸熱的磁制冷材料獲取冷量的制冷方式，因為系統小、無運動部件、運行可靠、無環境污染等特點，磁制冷在微型制冷系統中的應用不斷擴展。磁制冷材料是磁制冷系統的核心，Gd系材料，GdSiGe 系材料，Mn 基化合物，LaFeSi 系材料等是目前磁制冷材料的研究重點。
4．2 激光制冷
基于反Stokes 熒光制冷原理，相較于蒸 氣壓縮制冷和熱電制冷具有結構經湊、制冷溫度更低等優點，在微型制冷系統中有很大的應用潛力。與磁制冷類似，固體激光制冷材料是其主要研究方向，常見的材料有: 摻雜濃度為 1 mol% 的塊狀 Tm3+ : ZBLANP 玻璃; 雜濃度為 2 mol% 的圓柱 狀Yb3+ : ZBLANP玻璃; 摻雜濃度為 5 mol%的塊狀Yb3+ : YLiF4玻璃等。
展開 半導體制冷技術數值模型建立及仿真 ￥2000
<p><a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%83%AD%E7%94%B5%E5%88%B6%E5%86%B7" rel="noopener noreferrer" target="_blank">熱電制冷</a>又稱作<a href="https://baike.baidu.com/item/%E6%B8%A9%E5%B7%AE%E7%94%B5%E5%88%B6%E5%86%B7" rel="noopener noreferrer" target="_blank">溫差電制冷</a>，或半導體制冷，它是利用熱電效應（<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%B8%95%E5%B0%94" rel="noopener noreferrer" target="_blank">帕爾</a>帖效應）的一種制冷方法。本案例建立了一模型，模型由上下兩層組成，上層是由T1-T24組成，下層是由B1-B24組成，由于上層偶數為絕熱材料，因此，建立模型中可以去掉，用絕熱邊界簡化代替，同樣地，由于下層奇數為絕熱材料，所以下層奇數材料也可以簡化去掉。因此模型可建立為如圖所示。
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具有耐候性的超薄輻射制冷技術
來源 | Journal of Energy Chemistry
01
背景介紹
隨著溫室效應的加劇，全球平均溫度逐年上升，使得人們對制冷的需求不斷增加。傳統的基于壓縮式的制冷方式（如：空調）往往是將熱量從室內轉移到室外，并且需要消耗大量的能源，加劇了全球氣候變暖。因此，在當今“雙碳”政策的背景下，如何有效降低生產生活中制冷所需的能耗已成為當下的熱門研究方向，而輻射制冷技術作為一種零能耗、綠色環保的新型制冷技術，可以實現節約能源以及保護環境的作用。然而在一些輻射制冷技術應用的場景中，如：將輻射制冷涂料涂在建筑物、通信基站等外表面實現日間被動式制冷，這實現了很好的節能效果，但較厚的涂層，不僅會增加材料成本，而且會增加傳熱熱阻，對散熱產生影響；此外，由于涂層長期暴露在室外，需要考慮其使用壽命，對戶外不同氣象參數下（如：下雨、灰塵等）具有較好的耐候性，從而保證其性能。對于日間輻射制冷涂層，其關鍵在于如何在有限厚度下實現較高的太陽光反射和中紅外發射率，并具有良好的耐候性。
02
成果掠影
近期，中南大學能源科學與工程學院陳梅潔副教授、閆紅杰教授團隊設計了一種超薄、可擴展的耐候日間輻射制冷涂層。在該研究中，所設計的輻射制冷涂層在紫外線照射模擬、泥土污染模擬以及灰塵污染模擬實驗中表現出了優異的耐候性，在150 μm厚度下，涂層能夠實現0.963的太陽光波段平均反射率和0.927的中紅外波段平均發射率，表現出優異的制冷性能；最后通過拓展到3D結構上，耦合對流換熱過程，極大提升了涂層散熱性能，表明所設計的輻射制冷涂層在實際制冷與散熱應用中的可行性。
展開 天空輻射制冷技術發展現狀與展望
來源 | 制冷學報
作者 | 郭晨玥，潘浩丹，徐琪皓等
摘要：天空輻射制冷技術是指地球表面物體通過“大氣窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙發射紅外輻射以實現自身降溫的過程。作為一種無需能量輸入的制冷技術，天空輻射制冷可為應對能源危機及全球變暖提供一種新的思路。從發展歷程看，傳統的輻射制冷技術應用僅限于夜間。近年來，隨著納米光子學及超材料領域的發展，日間輻射制冷技術的優勢已經得到驗證。
本文對天空輻射制冷技術的發展現狀進行了回顧，涉及基本原理、材料與結構，分析了其潛在應用前景，并重點討論了該技術當前研究與應用中面臨的挑戰。在能源形勢與環境問題日益嚴峻的今天，探索天空輻射制冷技術在不同場景的應用，如建筑節能、減輕城市熱島效應、緩解水資源短缺、提高光伏發電效率等，有望助力我國的碳達峰、碳中和事業發展。
關鍵詞：輻射制冷;光譜選擇性;大氣輻射;紅外輻射
能源危機與全球變暖是當今世界面臨的重大挑戰。目前，制冷能耗約占全球建筑總用電量的 20%，占全球總用電量的 10%。提高現有制冷系統效率和探索新型制冷技術成為目前亟待開展的工作。天空輻射制冷技術是指地球表面物體通過“大氣窗口”波段(主要在 8～13 μm)向宇宙發射紅外輻射以實現自身降溫的過程。由于宇宙背景近乎一個溫度為2.7 K 的理想黑體光譜，而地球表面平均溫度約為290 K，因此地球向宇宙的紅外輻射可用于冷卻地球表面物體。
傳統的輻射制冷材料及其應用僅限于夜間，這是由于材料在白天對太陽輻射的吸收抵消了其紅外輻射的制冷量。近幾年，隨著納米光子學和超材料領域的發展，新型光譜選擇性輻射制冷材料得到迅速發展，這些新型輻射制冷材料在太陽輻射波段具有高反射率，同時在“大氣窗口”波段具有高發射率，可實現全天輻射制冷。
展開 技術探討：帶有閃蒸器的單螺桿壓縮機制冷系統
研究分析可知，壓縮機排氣溫度的升高是受到了制冷劑溫度的影響，因為中間補氣壓力的升高導致制冷劑溫度也升高，從而直接導致壓縮機排氣溫度再次升高。
3.2 補氣壓力對壓縮機功率的影響
結合圖5和圖6可以看出，隨著補氣壓力的增加，壓縮機功率和系統的補氣比均呈現降低的 趨勢。分析圖5和圖6可知，壓縮機耗功量與系統的相對補氣量呈現正相關性，即壓縮機功耗隨著相對補氣量的增加而增加，由于補氣增焓的過程是一個增加制冷劑流量的過程，即補氣增焓會使得壓縮機中流過更多的制冷劑，制冷劑流量的增大會直接導致壓縮機做功增加，相應的，壓縮機在制冷系統中的耗功也會增加。
補氣壓力和相對 補氣量二者的關系是負相關，即補氣壓力升高，相對補氣量降低，導致壓縮機功耗也降低。在制冷系統中，一級壓縮過程中制冷劑的流量是一個定值，如果補氣壓力增大，就只能降低中間的補氣量，二者的關系如圖6所示。
3.3 補氣壓力對制冷量和制熱量的影響
由圖7可知，隨著中間補氣壓力的增加，系統的制冷量和制熱量均在減小。一級壓比非常小的 時候，也就是補氣壓力較小的時候，壓縮機的排氣溫度及制冷劑的質量流量都相對較高，這兩者的綜合作用導致制冷系統的制熱量和制冷量較大。
當中間補氣壓力增加時，最直接影響的就是制冷劑的質量流量，補氣壓力的升高導致流過膨脹閥的制冷劑流量逐漸降低，間接導致制冷劑進入蒸發器和冷凝器的流量減少，從而導致制冷系統的制冷量降低、制熱量也降低。
展開 中國研發磁懸浮列車新技術，提升高鐵運輸效率
磁懸浮列車載重能力大幅提升后，可以實現高速下的輕載客車和重載貨車的高速混跑，一條線路的運量是目前高鐵運量的4倍，讓我國高鐵線路的運輸效率大幅提升。
制約磁懸浮高鐵普及的明顯問題是成本居高不下，這種新型大載重量磁浮高鐵軌道結構比德國磁懸浮技術更簡單，可將磁懸浮高鐵成本下降到與目前高鐵線路成本更加接近，這項新技術為磁懸浮高鐵的普及奠定了基礎，為我國高鐵實現高速大運量客運貨運混跑，實現物流高效運輸提供有力的技術支撐，為我國經濟的高速發展提供了基礎建設保障。
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