高效环保的磁制冷技术

高效环保的磁制冷技术
－《节能与环保》论文
教师:刘艳玲04热能（3）潘智豪0432322
高效环保的磁制冷技术
04热能（3）潘智豪0432322
前言：
制冷技术的基本原理是在外界提供能源的条件下，制冷机从低温区吸取热量并向高温区释放热量。

目前流行的制冷设备大多采用气体（如氟里昂）做工质，利用压缩—循环方法，借助正焦耳—汤姆逊效应（气体节流膨胀时温度降低）来获得低温。

但是，用氟制冷剂不仅会造成大气污染，引起“室温效应”，而且会破坏用以过滤紫外线，保护地面生物的高空臭氧层。

出于对环境保护的考虑，联合国环境规划署已组织80个国家签署了一项协议，规定2000年为使用氟制冷剂的最终年限。

但是，用这种方法获取低温，实际上有一个最低的年度，因为气体的蒸发速度随着温度的下降而变慢，最后将慢到只能带走漏进仪器内部的热量，这时便不能再继续进行冷却了。

而采用磁性材料做工质，通过绝热退方法获取低温的磁制冷设备，可以不受这一限制，获得足够的低温。

室温磁制冷是一种利用铁磁性制冷工质进出磁场引起温度变化而在室温范围进行制冷的新方法。

与传统的蒸汽压缩式制冷相比，它没有压缩机，不用氟里昂，循环效率高，低噪音，对大气没有污染，环境保护和节能优势十分明显。

美国在2001年12月7日首先发布了他们的永磁体室温磁制冷冰箱样机研制成功的消息，这是人类经过几十年的努力而将磁制冷扩展到室温温区。

与此同时，南京大学也在2001年12月研制出室温磁制冷实验样机。

该样机使用的是平均1.5特斯拉的磁场，往复式气驱动，主动式磁蓄冷循环，以钆为磁制冷工质，获得了可以跟钆相比的结果，预计使用新近研究出的铁锰磷砷合金材料获得更好的效果！
钆( Gd ) ：
1880年，瑞士的马里格纳克（G.de Marignac）将"钐"分离成两个元素，其中一个由索里特证实是钐元素，另一个元素得到波依斯包德莱的研究确认，1886年，马里格纳克为了纪念钇元素的发现者研究稀土的先驱荷兰化学家加多林（Gado Linium），将这个新元素命名为钆。

作用。

钆(Gd)：
稀土元素原子序数：64 相对原子质量：157.25
用途：室温中具有很强的磁性，将其置于磁场中会产生高温，退磁后会冷却吸热。

正文：
磁制冷技术的特点：
磁制冷技术是一种把磁性材料的磁热效应应用于制冷领域的技术，磁热效应是磁性材料自身磁熵变改变，同时伴随材料吸热放热过程。

例如对于铁磁性材料来说，磁热效应在它的居里温度附近最为显著，当作用有外磁场时，该材料的磁熵值降低并放出热量;反之，当去除外磁场时,材料的磁熵值升高并吸收热量，这和气体的压缩－膨胀过程中所引起的放热－吸热现象相似。

衡量材料热效应的参数为温磁熵变和绝热温度。

磁制冷是一项绿色环保的制冷技术。

与传统的依靠气体压缩与膨胀的制冷技术相比，
磁制冷是采用磁性物质为制冷工质，对大气臭氧层无破坏作用，无温室效应，而且磁性工质的磁熵密度比气体大，因此制冷装置可以做得更紧凑。

磁制冷只要用电磁体或超导体以及永磁体提供所需得磁场，无需压缩机，没有运动部件的磨损问题，因此机械震动及噪音较小，
可靠性高，寿命长。

在热效率方面，磁制冷可以达到卡诺循环的30％－60％，而依靠气体的压缩的制冷循环一般只能达到5%-10%，因此，磁制冷技术具有良好的应用前景。

磁制冷的原理：
我们知道，熵S是系统无序性的量度。

当系统经历的过程绝热时，系统的熵变为0。

容易理解对磁介质来说，影响其熵变的主要因素有两个：
（1）磁介质本身的温度T；
（2）施于磁介质的外磁场B。

因此，我们可以将磁介质的熵S看成是由两部分组成：
一部分受温度的影响，成为热熵，用ST表示；
另一部分受磁场B的影响，成为磁化熵，用SB表示；
于是系统的熵S=sT+SB.
当介质绝热磁化时，介质的磁场由0绝热增达到某一数值，介质内的分子磁矩的排列将由混乱无序到趋于与磁场B同向平行排列，即系统的磁化熵（无序性）减少了，△sB <0。

又因绝热变化时，系统的熵变为0，即s=△sT+△sB=0.故必有△sT>0。

这表明磁介质分子的热运动的剧烈程度增加，介质的温度升高。

可见，绝热磁化会使磁介质的温度升高。

当绝热去磁时，即在绝热条件下，使介质的磁场迅速下降为0时，介质中的分子磁矩平行于外磁场的方向的排列状态便不能维持，而又将逐步恢复到磁化前的混乱状
态，即无序性增加，sB变大（△sB）0）。

由于△s =0，故`△sT<0。

即受热运动影响的无序性减少，介质的温度降低。

可见，绝热去磁可以使磁介质的温度降低。

根据这种原理来获得低温的方法称为绝热去磁制冷法，通常又简称磁制冷。

磁制冷材料是用于磁制冷系统的具有磁热效应的物质。

磁制冷材料是磁制冷机的核心部分，即一般称谓的制冷剂或制冷工质。

根据磁性材料的性质和各种磁制冷机对材料的要求的不同，磁性材料在制冷工业中的应用主要有三个方面，即用于20K以下温区的顺磁性工质和用于20K以上温区的铁磁性物质，以及用作15K以下代替铅的蓄新冷饮料。

目前，磁制冷材料的研究主要集中于近室温附近。

磁制冷所用的制冷材料基本都是以稀土金属为主要组元的合金或化合物，尤其是室温磁制冷几乎全是采用稀土金属Gd或Gd基合金。

低温磁致冷所使用的磁致冷材料主要是稀土石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和Dy3Al5O12(DAG)单晶。

使用GGG或DAG等材料做成的低温磁致冷机属于卡诺磁致冷循环型，起始致冷温度分别为16K和20K。

1976年布朗首先采用金属Gd为磁制冷工质，在7T磁场下实现了室温磁制冷的试验，由于采用超导磁场，无法进行商品化。

20世纪80年代以来人们对磁制冷工质开展了广泛的研究工作，但磁熵变均低于Gd。

1996年在RmnO3钙钛矿化合物中获得磁精变大于Gd的突破，1997年报道Gd5(Si2Ge2)化合物的磁熵变可高于金属Gd-倍，高温磁制冷正一步步走向实用化。

据报道1997年美国已研制成以Gd为磁制冷工质的磁致冷机。

如将磁致冷工质纳米化，可能用来展宽制冷的温区.
磁制冷发展的趋势是由低温向高温发展，20世纪30年代利用顺磁盐作为磁制冷工质，采用绝热去磁方式成功地获得mk量级的低温，20世纪80年代采用Gd3Ga5012(GGG)型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1.5~15K的磁致冷，20世纪90年代用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子，由于Fe离子与Cd离子间存在超交换作用，使局域磁矩有序化，构成磁性的纳米团簇，当温度大于15K时其磁梢变高于GGG，从而成为15~30K温区最佳的磁致冷工质。

目前，磁制冷材料、技术和装置的研究开发，美国和日本居领先水平，这些发达国家都把磁致冷技术研究开发列为本世纪初的重点攻关项目，投入了大量资金、人力和物力，竞争极为激烈，都想抢先占领这一高新技术领域。

磁制冷技术的应用——磁制冷冰箱
它的结构原理示意图如下18－1。

在圆环A内充满加工成珠状的磁性材料，当环A绕轴旋转时，磁性材料便周期性地从磁极为N、S的强磁场高温区B运动到无磁场低温区D。

在高温区B时，磁性材料被等温磁化，释放出来的热量由该区E吸收（通常可用低压蒸发的液氦吸收热量）。

当磁化了的磁性材料绝热地离开高温磁场区B时，由于绝热退磁，温度下降，并在到达低温无磁场区D时，与该区进行热交换，吸收该区F中的热量，使低温区温度降低。

A环不断旋转磁材料便不断地从低温区吸收热量并向高温区释放热量，使低温区温度进一步下降，达到制冷的目的。

磁制冷的优点、形状与前景：
与压缩循环制冷相比，磁制冷有许多优点。

首先，磁制冷的效率高，可获得足够的低温。

法国制成的原型机，热动力循环效力达60%，为普通电冰箱的1.5倍。

估计在特定条件下，可达2~4倍。

由于磁致冷不受低温时气体蒸发减慢的限制，可获得足够的低温。

对磁性材料进行退磁已获得0.001K的低温1956年利用核的绝热退磁达到 K的极地温。

其次，磁制冷机由于不需要在高温下进行的压缩机，又用固体材料做工质，因而具有结构简单、体积小、重量轻、无噪音、便于维修和无污染等优点。

由于磁制冷有许多优点，很快就受到人们的重视，在低温磁致冷研究方面取得较显著的成果。

至于高温磁制冷，由于电子自旋热骚动很大，必须用强磁场，受到一定限制。

1976年布朗（Brown）用钆（Gd）做制冷剂，在室温附近做致冷实验，实验表明，制成室温磁致冷机是可能的据报道，法、美、英、日已设计制造了磁冰箱的原型机，1982年美国已制成室温附近（248K~328K）温差⊿T=80K的磁致冷机。

法国、日本东芝和日立公司都制成了磁致冷洋机，可望磁冰箱投放市场为期不远了！
总结:
磁制冷技术是一门发展中的技术，有很多发面还停留在试验室阶段，但其优势却是不言而喻的。

它不会引起大气污染，不会破坏臭氧层；无需压缩机，机械震动和噪音较小，可靠性高，寿命长。

其热效率是卡诺循环的30%-60%,所以说这一门造福人类的技术！
参考文献：
《磁制冷技术》鲍雨梅张康达著
中国空调制冷网
图片提供：网易制冷。