低温磁制冷技术的应用与发展

低温磁制冷技术的应用与发展

摘要：随着制冷与低温工程的发展，人们面临着环境的再次挑战，臭氧层的破坏和温室效应与一些制冷剂的使用和泄露有密切的联系，因此有必要找到一种更有效更环保的制冷方法，所以磁制冷以其自身的特点具有更广阔的应用前景。

引言

臭氧层是指距地球表面10至50公里的大气层中由臭氧构成的气层。臭氧是一种气体，其分子结构为三个氧原子，即O3。臭氧层的主要功能在于吸收来自宇宙的紫外线，使地球上的万物免受紫外线辐射的危害，所以，臭氧层被称之为地球的保护伞。但如今，臭氧层已被人类严重破坏，本世纪开始人类大量使用高度稳定的合成化合物，如空调器、冰箱工业、溶剂、航空航天用制冷剂、喷雾剂、清洗剂中含氯氟烃化合的挥发出来，通过复杂的物理化学过程与臭氧发生化学反应而将其摧毁。

为了防止生产和使用氟氯碳类化合物造成的大气臭氧层的破坏，到2000年全世界将限制和禁止使用氟里昂制冷剂，我国于1991年6月加入这个国际公约并做出规定，到2010年我国将禁止生产和使用氟里昂等氯氟烃和氢氯氟烃类化合物。

因此，需要加快研究开发无害的新型制冷剂或不使用氟里昂制冷剂的其它类型制冷技术。

本世纪二十年代末，科学家发现了磁性物质在磁场作用下温度升高的现象，即磁热效应。随后许多科学家和工程师对具有磁热效应的材料、磁制冷技术及装置进行了大量的研究开发工作。

磁制冷原理及特点[1]

⑴磁制冷就是利用磁热效应，又称磁卡效应(Magneto-Caloric Effect ,MCE)的制冷。磁热效应是指磁制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时温度降低，从外界吸收热量的现象。

例如对于铁磁性材料来说，磁热效应在它的居里温度(磁有序-无序转变的温度)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-吸热的现象相似。其原理图如图1-1所示

磁热效应热力学基础[2]

顺磁体的物质，磁化强度M是(H/T)的函数，当H/T≤6×105A/(m.K)时，其关系式为：

(1) 式中，Cc称为居里常数，

(m3.k/mol) (2) 有(1-1)得

(3)

这是顺磁态物质的物态方程式，与理想气体状态方程式相似，由热力学定律，对于单位体积磁介质H (4)

比较纯物质的热力学基本方程

(5)

可以看出，对于磁介质 H相当于纯物质的P，µ0M相当于纯物质的V。

常压下磁体的熵S(T,H)是磁场强度H和绝对温度T的函数，所以有：

(6) 以T,H为独立变量，并定义

则有

(7)

图 1-2 磁热效应的表征

对于可逆绝热过程有：dS = 0

由此可以导出：

(8)

在绝热状态下，磁场强度从H1变为H2，磁体的温度变化为：

(9) 在式(9)中T, Cc (T, H)均大于0，

一般来说恒为负值，如图1-2所示：当磁性材料磁化时，dH为正值，△Tad>0,所以系统温

度升高;同样，当磁性材料去磁时，dH<0, △Tad>0,所以系统的温度降低。

⑵磁制冷是一项绿色环保的制冷技术。与传统制冷相比，磁制冷是采用磁性物质作

为制冷工质，对大气臭氧层无破坏作用，无室温效应，单位制冷率高，能耗、运动部件少，

因此机械振动及噪声小，工作频率低，可靠性高。在热效率方面，磁制冷可以达到卡诺循环

的30%～60%，而依靠气体压缩-膨胀的制冷循环一般只能达到5%～10%。磁制冷应用范围广

泛，从μK、mK及到室温以上均适用。在低温领域，磁制冷技术在制取液氮、液氦、尤其是

绿色能源液氢方面有较好的应用前景;在高温特别是近室温领域，磁制冷在冰箱、空调及超

市食品冷冻系统方面有广阔的应用前景。

磁制冷的应用

目前，磁制冷主要应用在极地温和液化氦等小规模的装置中。虽然诸多原因的限制使

磁制冷基础理论尚未成熟，但磁制冷终将因其高效、无污染等特点成为未来颇具潜力的一

种新的制冷方式，而对磁制冷循环理论的拓深必能大力推进磁制冷技术在太空开发和民用技

术中的应用，为磁制冷开辟更加广阔的前景。

表一磁制冷潜在市场[3]

此外，磁制冷冰箱已研制成功，如图1-3所示

1—压缩机

2—冷凝器

3—干燥过滤器

4—蒸发器

5—保温层

根据实验得知，电冰箱和空调装置使用的制冷剂——氟利昂会污染环境，而用磁制冷原理制作的冰箱这不仅不会破坏环境，而且效率要比用氟利昂制冷高40%，其成本低25%。

另外，磁制冷在空间和核技术等国防领域也有广泛的应用前景:在这个领域里要求冷源设备的重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和冷量范围广。磁制冷机完全符合这些条件，例如冷冻激光打靶的氘丸，核聚变的氘和氚丸，红外元件的冷却，磁窗系统的冷却，扫雷艇超导磁体的冷却等。

磁制冷的历史与发展

早在1881年，E.Warburg 就在铁中发现了磁热效应。后来，1907年ngevin也注意到了恒磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。1926年Debye和Giauque都预言了可以用磁热效应制冷。随后Giauque和MacDougall于1933年用Gd2(SO4)3.8H2O作为介质进行了绝热退磁的首次试验，达到了0.53～0.1K超低温。从此，在超低温范围内，磁制冷发挥了很大的作用，一直到现在这种超低温磁制冷技术已经很成熟。

随着磁制冷技术的迅速发展，其研究工作也逐步从低温向高温发展。1976年，美国NASA Lewis和G.V.Brown首先采用金属Gd为磁制冷介质，采用Stiring循环，在7T磁场下进行了室温磁制冷试验，开创了室温磁制冷的新纪元。美国Los Alamos实验室的

W.A.Steyert等[4]设计了一个回转式的磁制冷装置，采用Brayton循环，当高低磁场差为1.2T、冷热端温差为7K 时获得了500 W的制冷功率。1996年12月宇航公司的工程师Carl Zimm[5]研制的室温磁制冷样机取得了突破性进展。他们采用3 kg稀上金属作为磁工质，以水(加防冻剂)作为传热介质，以NbTi超导磁体产生磁化场，建立了一套室温的磁制冷样机(原理机)系统。该机设计较为完美，在磁制冷循环过程中能量损失很小，制冷效率很高(实际效率可达卡诺循环的30% )。

但是由于磁制冷技术尚处在不断完善的过程中，还有很多问题需要解决，主要有：

⑴每次磁制冷循环所产生的温差还不够大，目前还只有1～3K，这主要是由于磁场不够强，也就是说磁性材料的磁熵还不够大。

⑵磁制冷过程中的热交换速度不够快，从而使磁制冷周期延长，也使整个循环的热效率下降。

⑶在室温条件下，若不利用超导技术，仍利用电磁铁或稀土永磁材料产生磁场，则在两磁极面总存在空气隙，因此进入磁场的磁制冷材料有限，这就应有绝热效果好的隔热层，这也是一个技术难题。

所以在今后磁制冷技术发展中应在以下几个方面有所突破和创新：

⑴磁场分析，磁体结构的设计应更完善和合理;

⑵针对相应的温区选择换热介质，设计出最佳的热开关或换热回路，提高换热效率;

⑶磁制冷材料的研制，通过改进工艺和材料重组制备性能更优越的材料。

可以预见在不久的将来，磁制冷技术会以其自身的许多优势迅速发展起来，被广泛应用于各个行业。

参考文献

鲍雨梅，张康达编著.磁制冷技术.北京：化学工业出版社，2004年

姜自莲.发展中的磁制冷技术.成都电子机械高等专科学校校报.2001年12月

陈远富，陈云贵等.磁制冷发展现状及趋势.低温工程.2001年第2期58～61

Steyert WA,Barolay J A.Stiring cycle rotating magnetic referigerators and heat engines for use near room temperature.J Appl Phys,1978,(49):1216- 1226