磁制冷技术的研究及应用

磁制冷技术的研究及应用

摘要：随着环境和能源问题日益突出，磁制冷作为一种绿色制冷技术越来越受到各国重视。本文阐述了磁制冷技术的工作原理和典型的磁制冷循环过程。文章重点介绍了磁制冷材料和磁制冷样机的研究进展，并指出了磁制冷技术的几个应用方向及目前存在的困难。

关键词：磁热效应；磁制冷循环；磁制冷材料；磁制冷样机

Research and Application of Magnetic Refrigeration Technology

Abstract:With the environment and energy problems have become increasingly prominent, magnetic refrigeration as a green refrigeration technology draws more and more attention all over the world.In this paper, the operating principle of magnetic refrigeration and typical magnetic refrigeration cycles were illustrated. The research progress of magnetic refrigeration materials and magnetic refrigeration prototypes were emphatically introduced. Finally, several main application directions of magnetic refrigeration technology and the existing problems were pointed out.

Keywords:magnetocaloric effect; magnetic refrigeration cycle; magnetocaloric materials; magnetic refrigeration prototypes

1前言

制冷就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程。所谓环境介质通常指自然界的空气和水，为了使某物体或某空间达到并维持所需的低温，就得不断地从它们中间取出热量并转移到环境介质中去，这个不断地从被冷却物体取出并转移热量的过程就是制冷过程。制冷方法主要有三种：(1)利用气体膨胀产生冷效应制冷。这是目前广泛采用的制冷方法。(2)利用物质相变(如融化、液化、升华、磁相变)的吸热效应实现制冷。(3)利用半导体的温差电效应实现制冷[1]。

目前，传统气体压缩制冷已经广泛应用于生产生活的各个方面，如家用电器、工业生产、地球物理探测、空间技术、超导体以及军事防卫等领域。但它存在两个明显的缺陷：制冷效率低且氟利昂工质的泄漏会破坏大气臭氧层。虽然采用无氟制冷剂基本上可以缓解对大气臭氧层的破坏，但仍保留了制冷效率低、能耗大的缺陷，而且有的还会产生温室效应等，不是根本解决办法。随着人们对效率和环保的要求越来越高，气体压缩制冷的低效率和危害环境这两个缺陷日益突出，国际社会也相应制定了相关协定来限制有害气体的排放。因此，研究开发新型制冷技术就显得尤为迫切且意

义重大。目前，新型制冷技术有吸收式制冷、半导体制冷、涡旋制冷、磁制冷。吸收式制冷利用废热及其它能源，但制冷效率及热效率太低，使用范围受到限制：半导体制冷国内虽己有50L的产品，但因其电耗太大、制冷温跨不大而销路不畅；涡旋制冷仍属容积式压缩机之一，电耗、噪音与活塞式压缩机相近，难以在制冷领域占据主导地位[2]。

相对于传统的气体压缩制冷方式，磁制冷具有许多优势：（1）高效节能，磁制冷的效率可达卡诺循环的30～60％，而气体压缩制冷一般仅为5～10％；（2）绿色环保，由于制冷工质为固体材料以及在循环回路中可用水（加防冻剂）来作为传热介质，这消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏大气臭氧层、易泄露、易燃及地球温室效应等环境问题；（3）装置结构紧凑、振动及噪声小，磁制冷采用磁性材料作为制冷工质，其磁熵密度比气体大，因此制冷装置变得更紧凑，而且无需压缩机，运动件少、转速慢，振动及噪声小，可靠性高；（4）磁制冷采用电磁体或超导体以及永磁体提供所需的磁场，运动部件少且运行频率低，具有较高的可靠性和较长的使用寿命（5）；采用固体-流体换热技术，接触面积大，热量转移快而高效；（6）根据制冷温度和制冷量大小要求，可选用不同的制冷工质来满足，制冷温度跨区大，从极低温到室温都可实现[3]。

磁制冷技术因具备上述明显的优势，具有广泛的应用前景，因而吸引了各国科研人员的广泛兴趣。在工业生产和科学研究中，人们通常把人工制冷分为低温和高温两个温区，把制取温度低于20 K称为低温制冷，高于20 K称为高温制冷。目前在超低温领域中，利用原子核去磁制冷原理制取液化氦、氮、氢已得到广泛应用。在室温制冷方面，磁制冷有望在空调、冰箱等方面获得商业应用，成为未来最有发展前景的一种新型制冷技术[4]。

2概念和机理

磁制冷是指以磁性材料为工质的一种新型的制冷技术，其原理是利用磁制冷材料的磁热效(Magnetocaloric effect, MCE)，即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，绝热退磁时从外界吸收热量，从而达到制冷的目的。

2.1磁热效应原理

磁热效应又称磁卡效应，是磁性材料的一种固有特性，它是由于外磁场的变化引起材料本身磁熵改变，同时伴随着材料热放热的过程[5]。磁性物质是由具有磁矩的原子或磁性离子组成的结晶体，而这些原子和离子的磁矩来源于于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。根据磁性物质磁化率的大小和符号可把磁性物质分为抗磁体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体、亚铁磁体。目前，在磁制冷中选用的磁致冷材料(磁工质)主要是顺磁工质和铁磁工质。下面分别从顺磁、铁磁工质简单介绍磁制冷的原理。

就顺磁性工质来说，由于物质内部的热运动或热振动，当无外加磁化场时，其内部磁矩的取向是无规则(随机)的，相应的磁嫡较大。当磁工质被磁化时，磁矩沿磁化方向择优取向(电子自旋系统