6-1 磁制冷技术
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高温区磁制冷还处于实验研究开发阶段，特别是
80K～室温磁制冷的研究是当前磁制冷研究的热 点
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磁制冷工质的研究
镓
Tianjin University of Commerce
镝
20K以下温区：磁卡诺循环氦液化
Gd3Ga5O12（GGG）、Dy3Al5O12（DAG） 占主导地位 钆
重稀土及其合金：Ga，Tb，Dy，Ho，Er 稀土－过渡金属化合物：Gd，Si，Ge 钙钛矿氧化物
铽
锗
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20
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磁制冷机的研究
Tianjin University of Commerce
静止型磁制冷机：磁铁和磁工质都静止，通过外
部电路产生交变（脉冲）磁场 往复型磁制冷机：磁体相对于恒定磁场发生上下 往复运动 旋转型磁制冷机，磁体相对于恒定磁场发生旋转 运动 令人遗憾的是，室温磁致冷机的研究目前未取得 很大的突破 用永磁取代超导磁体以简化结构降低成本已经引 起广泛重视
1933： Gianque成功制取1K低温
Gianque、MacDougall获得了诺贝尔奖
09:20 4
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2、磁制冷技术的发展历程
1963：出现稀释制冷机
Tianjin University of Commerce
1933～1963: T<1K－－绝热去磁制冷
1976：Brown首次实现室温磁制冷，人们开
GGG适于1.5K以下，特别是10K以下优于DAG 在10K以上特别是在15K以上DAG明显优于
GGG
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磁制冷工质的研究
氮
Tianjin University of Commerce
20K～80K温区：磁埃里克森循环液化氢、
RAl2，RNi2型材料及一些重稀土元素单晶多晶
布雷顿（Brayton）循环
Tianjin University of Commerce
两个等磁过程
两个绝热过程
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9
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埃里克森（Ericsson）循环
Tianjin University of Commerce
两个等温过程
两个等磁过程
09:20
10
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四种磁制冷循环的比较
09:20 3
BACK
2、磁制冷技术的发展历程
1881：Warburg首先发现磁热效应
Tianjin University of Commerce
1905：Lengeriz首次展示通过改变顺磁材料
的磁化强度导致可逆温度变化
1926、1927：Debye、Gianque从理论上推
导出可以利用绝热去磁制冷
>20K
Blayton
可得到最大温度跨度， 蓄冷器、外部换热器要求 >20K 可用不同外场 高
11
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卡诺（Carnot）循环制冷机
（ 1 ）顺 磁 盐 被充入容器 中的气体氦冷却，这 时液氦浴中的氦蒸发， 氦蒸气被真空泵抽走， 从而使其温度保持在 1K左右；
Tianjin University of Commerce
用磁场变化取代压力变化，结构简单，振
动、噪声小，无污染
液、固换热效率高 环保制冷剂
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5、磁制冷技术的研究现状及发展
磁制冷工质的研究 磁制冷机的研究
Tianjin University of Commerce
低温区（<20K）磁制冷技术的研究已很成熟，成
为低温制冷的一个重要方法
Tianjin University of Commerce
A→B：等温磁化
B→C：绝热去磁 C→D：等温去磁 D→A：绝热磁化
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斯特林（Stirling）循环
Tianjin University of Commerce
两个等温过程
两个非绝热去磁过程
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磁制冷机中所采用的均是顺磁性物质。
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1、绝热去磁制冷原理
无外磁场作用时：
磁矩方向杂乱无章
Tianjin University of Commerce
在外磁场作用下：
磁矩顺序规则排列
去除外界磁场
磁矩恢复无序
吸收 热量 去除磁场
外加磁场 放出 热量
在绝热条件下：T↓
Tianjin University of Commerce
第6章、低温技术研究进展
§6-1 磁制冷技术 §6-2 气体节流（膨胀）低温制冷机 §6-3 回热式低温制冷机
§6-1 磁制冷技术
1、绝热去磁制冷原理
Tianjin University of Commerce
顺磁性物质：磁性物质 在磁 场 中 产生的附加磁场 与原磁场的方向相同 抗磁性物质：磁性物质在磁场中产生的附加磁场 与原磁场的方向相反
材料 （R＝Er，Ho，Dy） 铒 钬
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磁制冷工质的研究
Tianjin University of Commerce
80K～室温区：当前人类致力的目标
1976：Brown采用金属钆首先实现了室温磁制
冷，制冷温差达80K，但未能实用化：需超导 磁场，稀土金属钆居里温度单一、价格昂贵等
始转向高性能室温磁制冷材料的研究
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3、磁制冷的热力循环
卡诺（Carnot）循环
斯特林（Stirling）循环 布雷顿（Brayton）循环 埃里克森（Ericsson）循环
Tianjin University of Commerce
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卡诺（Carnot）循环
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Tianjin University of Commerce
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卡诺（Carnot）循环制冷机
（4）去掉磁 场，顺磁 盐被去磁， 温度下降。
Tianjin University of Commerce
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4、磁制冷的特点
使用固态制冷剂，体积小
Tianjin University of Commerce
名 称 优 点 缺 点
Tianjin University of Commerce
应 用
Carnot
结构简单，可靠性高， 温度跨度小，外磁场强度 效率高 高，操作复杂 可得到中等温度跨度 要求H/T=const.，外磁场 操作复杂，需要蓄冷器
<20K
Stirling
>20K
Ericsson
可得到大温度跨度,外磁 蓄冷器、外部换热器要求 场操作简单 高，效率较低
阀门
LHe
GHe
顺磁盐
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卡诺（Carnot）循环制冷机
（ 2 ） 在温度保持不 变的情况下，顺 磁盐被磁化，磁 化过程中产生的 热量由容器中的 氦气传给液氦
Tianjin University of Commerce
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱBACK
卡诺（Carnot）循环制冷机
（3）将氦气从 容器 4 中抽出， 以形成绝热 环境
80K～室温磁制冷的研究是当前磁制冷研究的热 点
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磁制冷工质的研究
镓
Tianjin University of Commerce
镝
20K以下温区：磁卡诺循环氦液化
Gd3Ga5O12（GGG）、Dy3Al5O12（DAG） 占主导地位 钆
重稀土及其合金：Ga，Tb，Dy，Ho，Er 稀土－过渡金属化合物：Gd，Si，Ge 钙钛矿氧化物
铽
锗
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磁制冷机的研究
Tianjin University of Commerce
静止型磁制冷机：磁铁和磁工质都静止，通过外
部电路产生交变（脉冲）磁场 往复型磁制冷机：磁体相对于恒定磁场发生上下 往复运动 旋转型磁制冷机，磁体相对于恒定磁场发生旋转 运动 令人遗憾的是，室温磁致冷机的研究目前未取得 很大的突破 用永磁取代超导磁体以简化结构降低成本已经引 起广泛重视
1933： Gianque成功制取1K低温
Gianque、MacDougall获得了诺贝尔奖
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2、磁制冷技术的发展历程
1963：出现稀释制冷机
Tianjin University of Commerce
1933～1963: T<1K－－绝热去磁制冷
1976：Brown首次实现室温磁制冷，人们开
GGG适于1.5K以下，特别是10K以下优于DAG 在10K以上特别是在15K以上DAG明显优于
GGG
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磁制冷工质的研究
氮
Tianjin University of Commerce
20K～80K温区：磁埃里克森循环液化氢、
RAl2，RNi2型材料及一些重稀土元素单晶多晶
布雷顿（Brayton）循环
Tianjin University of Commerce
两个等磁过程
两个绝热过程
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埃里克森（Ericsson）循环
Tianjin University of Commerce
两个等温过程
两个等磁过程
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四种磁制冷循环的比较
09:20 3
BACK
2、磁制冷技术的发展历程
1881：Warburg首先发现磁热效应
Tianjin University of Commerce
1905：Lengeriz首次展示通过改变顺磁材料
的磁化强度导致可逆温度变化
1926、1927：Debye、Gianque从理论上推
导出可以利用绝热去磁制冷
>20K
Blayton
可得到最大温度跨度， 蓄冷器、外部换热器要求 >20K 可用不同外场 高
11
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BACK
卡诺（Carnot）循环制冷机
（ 1 ）顺 磁 盐 被充入容器 中的气体氦冷却，这 时液氦浴中的氦蒸发， 氦蒸气被真空泵抽走， 从而使其温度保持在 1K左右；
Tianjin University of Commerce
用磁场变化取代压力变化，结构简单，振
动、噪声小，无污染
液、固换热效率高 环保制冷剂
09:20
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5、磁制冷技术的研究现状及发展
磁制冷工质的研究 磁制冷机的研究
Tianjin University of Commerce
低温区（<20K）磁制冷技术的研究已很成熟，成
为低温制冷的一个重要方法
Tianjin University of Commerce
A→B：等温磁化
B→C：绝热去磁 C→D：等温去磁 D→A：绝热磁化
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斯特林（Stirling）循环
Tianjin University of Commerce
两个等温过程
两个非绝热去磁过程
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磁制冷机中所采用的均是顺磁性物质。
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1、绝热去磁制冷原理
无外磁场作用时：
磁矩方向杂乱无章
Tianjin University of Commerce
在外磁场作用下：
磁矩顺序规则排列
去除外界磁场
磁矩恢复无序
吸收 热量 去除磁场
外加磁场 放出 热量
在绝热条件下：T↓
Tianjin University of Commerce
第6章、低温技术研究进展
§6-1 磁制冷技术 §6-2 气体节流（膨胀）低温制冷机 §6-3 回热式低温制冷机
§6-1 磁制冷技术
1、绝热去磁制冷原理
Tianjin University of Commerce
顺磁性物质：磁性物质 在磁 场 中 产生的附加磁场 与原磁场的方向相同 抗磁性物质：磁性物质在磁场中产生的附加磁场 与原磁场的方向相反
材料 （R＝Er，Ho，Dy） 铒 钬
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磁制冷工质的研究
Tianjin University of Commerce
80K～室温区：当前人类致力的目标
1976：Brown采用金属钆首先实现了室温磁制
冷，制冷温差达80K，但未能实用化：需超导 磁场，稀土金属钆居里温度单一、价格昂贵等
始转向高性能室温磁制冷材料的研究
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3、磁制冷的热力循环
卡诺（Carnot）循环
斯特林（Stirling）循环 布雷顿（Brayton）循环 埃里克森（Ericsson）循环
Tianjin University of Commerce
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6
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卡诺（Carnot）循环
09:20 21
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卡诺（Carnot）循环制冷机
（4）去掉磁 场，顺磁 盐被去磁， 温度下降。
Tianjin University of Commerce
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4、磁制冷的特点
使用固态制冷剂，体积小
Tianjin University of Commerce
名 称 优 点 缺 点
Tianjin University of Commerce
应 用
Carnot
结构简单，可靠性高， 温度跨度小，外磁场强度 效率高 高，操作复杂 可得到中等温度跨度 要求H/T=const.，外磁场 操作复杂，需要蓄冷器
<20K
Stirling
>20K
Ericsson
可得到大温度跨度,外磁 蓄冷器、外部换热器要求 场操作简单 高，效率较低
阀门
LHe
GHe
顺磁盐
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卡诺（Carnot）循环制冷机
（ 2 ） 在温度保持不 变的情况下，顺 磁盐被磁化，磁 化过程中产生的 热量由容器中的 氦气传给液氦
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卡诺（Carnot）循环制冷机
（3）将氦气从 容器 4 中抽出， 以形成绝热 环境