1. 研究目的与意义（文献综述）

随着科学技术与社会经济的进步，低温与制冷技术对人类社会的发展产生的影响愈发重要，已被广泛应用到各个行业中，如国家军事防御中红外制导系统中的冷却系统，新型能源中天然气的液化装置，空间探索中降低探测器热燥的低温装置，日常家电中为人们提供舒适环境的空调，产品运输过程中的冷冻车，医疗中保存组织与器官的冷冻箱等。作为室温区传统制冷技术中的主流技术，蒸气压缩式制冷技术是利用氟氯烃等制冷剂在冷端环境蒸发吸热并将热量释放至热端环境从而获取冷量的过程，但也正是氟氯烃等化学制品的大量使用，地球环境遭到严重破坏，所以为了防止氟氯烃泄露对地球空气的进一步污染和对臭氧层的破坏，在1987年通过《蒙特利尔议定书》规定，到1998年为止，保证使氯氟烃的年生产量和消费量减少到1986年的50%。但是3年之后，科学家发现臭氧层仍然在进一步的减少，因此全球再次聚会一致同意到2000年完全取消对氯氟烃的生产和使用，并使用新型制冷剂进行替代，同时探索新型绿色环保制冷技术，以满足低全球变暖潜能值(globalwarmingpotential，gwp)、低臭氧消耗潜能值(ozonedepletionpotential，odp)、低可燃性、无毒、工作压力合适、化学性质稳定以及较高安全性等要求。而这之中，作为新兴、环保性好、内禀高效、低噪音振动、稳定可靠的固态制冷技术，磁制冷在诸多领域中具有独特的优势。与传统的依靠制冷剂蒸发、冷凝获取冷量的制冷技术相比，磁制冷具有以下竞争优势：无环境污染，由于工质本身为固体材料以及可用水等流体来作为传热介质，消除了因使用氟氯烃制冷剂所带来的破坏臭氧层等损害环境的缺陷；无温室效应；在效率方面，依靠气体的压缩-膨胀的制冷循环一般只能达到卡诺循环的5%-10%，而磁制冷的效率可达到卡诺循环的30%-60%，高效节能；易于小型化，因为磁性工质的磁熵密度远远大于气体，因而容易做到小型化；稳定可靠，由于无需压缩机，无运动部件的磨损，振动与噪声小，可靠性高。

在历史上，自120年前磁热效应(magnetocaloric effect，mce)被发现,随后磁制冷出现,并于20世纪30年代开始应用于深低温区。70年代以后,研究磁制冷的温区已扩展至室温附近。并在随后的30年里得到了快速的发展。1976 年，美国国家航空航天局（national aeronautics and space administration，nasa）的 brown 采用稀土金属钆（gd）搭建了第一台室温磁制冷样机，并将回热概念引入样机，在 7t超导磁场下获得47 k无负荷制冷温跨，这标志着室温磁制冷技术的开始。1990年1月green等采用gd作填料的主动式磁制冷机在室温区获得了50k的温跨。1996年美国宇航公司的zimm等研制的室温磁制冷样机也取得了突破性进展，样机采用主动式磁回热器(active magnetic regenerator,amr，又称活性蓄冷器),在室温区获得了500～600w的制冷量,安全运行了一年多未发生故障。此后,越来越多的研究人员认识到amr在室温区磁制冷方面的巨大优越性,纷纷采用amr循环作为室温区磁制冷机的工作方式。2009年，法国cooltechapplications的bour研制了一台往复式室温磁制冷机。样机使用ndfeb永磁体，采用主动式磁制冷回热器，以水作为换热流体，最终获得了最大16.1k温跨。2015年，韩国江陵原州国立大学的jongsuklee在amr双回热床方面也做了相关实验，该实验以水作为换热流体，同时监测amr回热床多个方位的温度，最终得到了最大冷量5w的与最大温跨为9.1k。丹麦技术大学的d.eriksen在2015年也设计了一架磁制冷机，分别采用了ndfeb永磁体和微米级的gd与gd100-xyx的1.7kg球状的磁热材料，并采用主动式磁制冷回热器，最终在温跨为10.2k，制冷量为103w时，得到了3.1的性能系数。

近年，我国在室温磁制冷方面也开展了许多的研究工作。2003年，南京大学卢定伟等采用主动式磁回热器建立了一台室温磁制冷实验装置，并获得了最大温跨25k，最大制冷量40w的实验结果。2005年，西安交通大学也进行了室温磁制冷主动回热器的实验研究，实验研究了几种典型的温度区间下室温磁制冷主动回热器的热力学性能，并在3k的温差下获得了18.7w的制冷量。中科院理化技术研究所在十几年前就开展了amr的相关理论分析工作，并对amr已有较深入的理解和研究。此外，厦门大学、四川大学和包头稀土研究院等也对磁制冷材料、磁制冷循环、永磁体及主动式回热器等方面有了一定的研究与成果。

2. 研究的基本内容与方案

1）研究基本内容、目标

了解室温磁制冷技术的研究现状，概括主动式磁回热器的热力学理论研究，并初步开展不同磁场-流场时序对系统性能影响的仿真与实验工作。基于comsol多物理场耦合软件，完成主动磁制冷回热器模型的建立，研究主动式磁回热器循环中换热流体流速、通流时间、磁体运转时间、运行频率等参量的影响，优化出最佳时序，为后期开展实验研究积累经验；结合小型室温磁制冷平台，实验验证相关仿真结果。

2）拟采用的技术方案及措施

3. 研究计划与安排

第1—3 周：进行英文翻译，完成开题报告和文献综述；

第4周：基于comsol多物理场耦合软件，建立主动磁回热器数值模型；

第5-8周：改变模型中磁场-流场时序，对比不同时序下主动磁回热器的性能特性；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 李振兴, 李珂, 沈俊，等，室温磁制冷技术的研究进展，物理学报，66, 110701 (2017).

[2] 李振兴，李珂，沈俊，等，小型室温磁制冷系统的研制，低温工程，1（2017）13-16

[3] 鲍雨梅，张康达，磁制冷技术，化学工业出版社，北京，2000.