磁制冷技术的研究与发展现状

磁制冷技术的研究与发展现状

摘要：磁制冷技术是一种环保型的制冷技术。在目前能源危机，国家提倡节能减排的大环境下，磁制冷技术是目前的主要研究对象之一。主要介绍了磁制冷技术的原理以及影响因素。

关键词：磁制冷原理影响因素

1.前言

制冷技术一直是工业上一个不可或缺的环节，如何提高制冷效率是整个民族乃至世界所面临的挑战。目前，市场上的制冷方法用的最多的还是通过压缩机对气体工质（氟利昂，CO2等）进行压缩，依次经过冷凝器，膨胀机，进入蒸发器而实现热量的转移。尽管所使用的压缩设备精益求精，或者采用多么完美的制冷工质，制冷效率还是局限于大型压缩设备的性能，局限于制冷工质的物理性质。氟利昂的本身特性势必会被更加环保型材料所取代。所以亟需寻找一种更加环保，效率更高的制冷手段。

磁制冷技术不需要采用任何液态制冷剂，对环境是没有任何影响；另一方面，相对于传统的压缩蒸汽制冷循环，磁制冷循环的效率可达到理想气体卡诺循环30%--60%，而传统压缩蒸汽制冷循环的效率一般只能达到5%--10%[1]，再次，由于磁工质是固体状态，其熵密度远远大于气体的熵密度，易于做到小型化；最后，由于整个过程不需要压缩机，所使用的运动部件相对少而且运行速度慢，可大幅度降低震动与噪声，可靠性高，并紧扣环保主题。

2.磁热（卡）效应和磁制冷循环原理

磁热效应（magnetocaloric effect）就是绝热过程中铁磁体或顺磁体的温度随磁场强度的改变而变化的现象。1881年Warburg[2]在实验中发现到金属铁在磁场磁化的环境下能够产生热量。1895年ngeriz总结出了专有名词“磁热效应”。1926年Debye[3]和Gianque[4]推导出了绝热去磁后磁体冷却的理论模型。绝热地减小磁场时，物质的温度将降低，这种现象叫做磁致冷效应。这是由于物质是由原子构成的，而原子由电子和原子核两部分组成，电子自带有自旋磁矩和轨道磁矩，这就使得有些物质的原子或离子带有磁矩。因此在没有磁场时，磁工质的熵由两部分组成，一部分是由于各个磁活动性离子的角动量取向是混乱的而产生的熵，另一部分是由于点阵振动所引起的部分。若将磁工质在温度保持一定的情况下放入强磁场中，磁场将使所有离子的角动量朝着能量较小的方向，因而减小了系统的熵，这时有热量ΔQ=ΔS ×T流出磁工质。若再绝热地慢慢减小磁场，直至消失，使磁工质内部分子恢复原状，而系统的总熵保持不变，但过程中各离子角动量取向引起的熵增加到原来的值，所以与点阵振动相联系的那部分熵必然减小，结果物质被冷却，这就形成了一个可逆过程。通过加入磁场和减弱磁场来得到热量的传递过程。不断的探索后，目前科学家利用顺磁盐绝热绝热去磁温度可以达到0.1mK。根据ΔQ=ΔS ×T公式可见，当对磁工质进行等温磁化，使磁矩取向趋于有序，减弱其磁熵，ΔQ减小，磁工质向外放热。当对磁工质进行绝热去磁，磁矩取向恢复无序状态，其熵增加，温度降低。为了解释这一循环，我们通过套用气体的卡诺循环模式，来对磁制冷卡诺循环进行阐述。

磁制冷的卡诺循环流程图

如图，首先，使磁工质只与高温热源接触，对磁工质进行等温磁化，使磁矩取向趋于有序状态，可见其熵减小，温度不变，向高温热源放出热量；其次，使

磁工质与外界不接触，对磁工质进行绝热去磁，逐渐移去磁场，磁矩取向趋于无序状态，其熵增加，温度减小到低温热源温度附近；再次，使磁工质只与低温热源接触，对磁工质进行等温去磁，使磁矩取向趋于无序状态，可见其熵增加，温度不变，从低温热源吸收热量；最后，使磁工质后与外界不接触，对磁工质进行绝热磁化过程，使磁矩取向区域有序状态，可见其熵减小，温度升高到高温热源温度附近，进行下一次磁制冷循环。这样，就完成了热量从低温热源到高温热源的转移。

3.制约磁制冷发展的影响因素

磁制冷的适用环境具有相当大的局限性。卡诺循环只能用于制冷温度低于20K的磁制冷机，制冷温度范围小，优点在于无蓄冷级，结构相对简单，可靠性高且效率也高；而斯特林，布雷顿和埃里克森循环可以用在20-30K温度的磁制冷机，斯特林循环需要蓄冷器，可得到中等温跨，埃里克森循环和布雷顿虚循环也能达到较大的温跨，而埃里克森循环和布雷顿循环对于蓄冷器传热性能要求较高，结构复杂而且效率低，操作复杂。可见，研发用于室温的磁制冷机面临着严峻的挑战。

磁工质的研究主要被分成三类：1）20K以下温区；2）20至80K温区；3）80K以上温区。目前，低温区（特别是20K一下）磁制冷的研究比较成熟，已经实用化，成为低温制冷的一个重要方法。高温区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。研究出低成本且具有巨磁卡效应的磁制冷材料以便能利用NdFeB等永磁体产生场是室温磁制冷的关键。之前的GdSiGe系合金中的Gd和Ge价格昂贵，化学稳定性差。现在问题是如何进一步降低成本与提高磁卡效应，以及开发其他更为廉价的低磁场下具有巨磁卡效应的材料，尤其需重点研究磁质结构相变所导致的巨磁熵变材料[5]，这是限制磁制冷发展的最大影响因素。磁场分析、磁体结构设计，磁制冷循环的选择以及换热技术，都是制约磁制冷技术的发展。

4.总结

磁制冷是一种十分环保的制冷方式，是一种极具潜力的高新技术，有望取代传统的压缩式制冷循环，对未来的工业发展具有巨大的研发价值。目前磁制冷已经在冰箱领域有很大的广泛应用，2002年中有一期《环球时报》刊登了一条消息称，美国能源部在艾奥瓦州立大学埃姆斯实验室的科研人员最近研制出了世界上第一台能在室温下工作的磁冰箱[6]。这是第一台可在室温工作的磁冰箱。而后，英、法、日等各国也陆续研制出磁冰箱，法国甚至决定，停止生产普通电冰箱，只生产磁冰箱。在环保的、高效率的磁冰箱面前，传统的压缩空气式冰箱已被抛弃。我们相信，在不久的未来，磁冰箱将取代传统冰箱，为千家万户服务。

参考文献：

[1]陈远富，腾保华，陈云贵等磁制冷发展现状及趋势：II磁制冷技术低温工程2001年第2期

[2]WarbugE.Ann.Phys.，1881，13：141-154

[3]DebueP.Ann.Phys.，1926，81：1154-1163

[4]Gianque.J.Amer.Chem.SOC.，1927，49：1864-1869

[5]陈鹏，王敦辉，都有为磁制冷工质材料的研究发展物理学进展990402 199年第19卷

[6]《环球时报》（2002年01月24日第十三版）