磁冷却法概论.docx

仅15孕陇HONQME UNlVEHfilTY磁冷却法概论院-系： 理学院物理系专 业： 物理学专业年 级：2008级学生姓名： 学 号： 2008020501导师及职称： 闵琦磁冷却法概论摘要：磁冷却法又称绝热去磁，磁热效应绝热去磁是产生1K以下低温的 一个有效方法，即磁冷却法磁制冷技术是一种极具发展潜力的制冷技术， 其具有节能、环保的特点介绍了磁制冷的工作原理、磁性材料的选择与 研究进展情况，磁制冷循环及磁制冷机的研究进展，并指出磁制冷技术发 展需要解决的问题关键词：磁制冷；磁热效应；磁性材料；进展一、 引言将顺磁体放在装有低压氦气的容器内，通过低压氦气与液氦的接触而保持在 1K左右的低温，加上磁场（量级为106A/m）使顺磁体磁化，磁化过程时放出的 热量由液氦吸收，从而保证磁化过程是等温的顺磁体磁化后，抽出低压氦气而 使顺磁体绝热，然后准静态地使磁场减小到很小的值（一般为零）利用固体中的顺磁离子的绝热去磁效应可以产生1K以下至mK量级的低温 例如从0.5K出发，使硝酸铈镁绝热去磁可降温到2mK当温度降到mK量级时， 顺磁离子磁矩间的相互作用便不能忽略磁矩间的相互作用相当于产生一个等效 的磁场（大小约104-103A/m），使磁矩的分布有序化，这方法便不再有效。

核磁 矩的大小约为原子磁矩的1/2000因此核磁矩间的相互作用较顺磁离子间的相 互作用要弱的多，利用核绝热去磁可以获得更低的温度二、 磁冷却展概况及基本工作原理1、 磁冷却的发展概况1881年Warburg首先发现了金属铁在外加磁场的磁热效应（MCE）1926年Debye和1927Gauque分别解释了磁热效应的本质，并提出在际 应用中利用绝热退磁过程获得超低温此后，制冷开始应用于低温领域 到了 1976年，美国NASA的Lewis研究中心的G.V.Brown 首次实现了室 温磁制冷，标志着磁制冷技术开始由低温转向室温 的研究20世纪末，Ames 实验室的Gschneider等人在Gd5（SixGe1-x）4系合金磁制冷材料中发现了巨磁热效应(GMCE ),使磁制冷技术得到突破性的发 展目前低温(4~20K ) 磁制冷机已达到实用化的程度，室温磁制冷系 统的研究也有较大发展［1］2、基本工作原理磁热效应(MCE)是指顺磁体或软铁磁体在外磁场的作用下 等温磁化会 放出热量，同时磁熵减少；在磁场减弱时会吸 收热量同时磁熵增大磁热 效应是所有磁性材料的固有本质，图1表示了铁磁物质在磁有序化温度(由△ Tad或△ SM表示)。

无论在室图1 磁热技应S-T示意图(居里温度Tc)附近的磁热效应MCE温区还是在低温区，磁性材料磁热效 应的大小是决定其制冷能力的关键常压下磁体的熵S(T,H)是磁场强度H和绝对温度T的函数，它由磁熵 sm(t,h)、品格熵sl(t)和电子熵se(t) 三部分组成，艮即S (T, H) = SM (T, H ) + S L (T) + S E (T)其中，SM是T和H的函数，SL和SE 都仅是T的函数，因此只有磁熵S M可以通过改变 外磁场来加以控制⑵三、磁制冷循环及磁制冷机的研究进展1、 磁制冷循环Stifling 循环，Ericsson 循环和图 2a Ericsson 循环常见的磁制冷循环有Carnot循环， Brayton 循环其中Carnot 循环 应用于极低温 区，在室温条件下一 般采用Ericsson循环和Brayton 循环Ericsson 循环和 Brayton 循环T-S图见图2Ericsson循 环磁制冷机见图3Ericsson循环由两个等温过程以及两个等 磁场过程组成(见图2a)它包含等温磁化过程(图2a中A一B过程）、等磁场冷却过程（图2a中B 一 C过程）、等温 去磁过程（图2a中C一D过程） 及等磁场加热过程（图2a中 D — A过程）。

Brayton循环由两个绝热 过程和两个等磁场过程组成 （见图2b）循环工作在磁场图3 Ericsson循菸磁制冷机原理密强度H0和H1之间， 系统热源温度为TH，冷 源温度为TC等磁场过 程A一 B放出图2b中 AB14面积大小的热量， 等磁场过程C一D吸收 DC14面积的热量绝热励磁过程D—A和绝热退 磁过程B— C过程无热量交换⑶2、磁制冷机研究进展在低温（＜15K）和中温（15K~77K ）范围是液氦、液氨 的重要温区目 前该区域的磁制冷研究成熟，并成为其主要的制冷方式而在室温区，由 于磁制冷材料的品格熵很大， 且磁制冷循环过程中热交换 较困难等因素造 成室温磁制冷的研究进展较慢对室温磁制冷机的研究主要有以下几个阶 段性的成果1） 1976 年美国NASA 的Lewis研究中心 的G.V.Brown 首次在实 验室实现了室温磁制冷该实验装置为往复式结构，采用近似Ericsson循 环，实现了冷 源温度（272K ）、热源温度（319K ）的47K温差2） 1978年Los Alamos 实验室的W.A.Steyert设计了 一个回转式 的磁制冷装置，采用Brayton循环磁制冷工质为Gd，在磁场差为1~2T， 冷热端温差为7K时，获得了 500W的制冷功率。

3） 1996年美国人Carl Zimm等采用Brayton循环研制的往复式结 构磁制冷机，以Ga为工质，在5T的磁场强度下，最大可获得600W的 制冷功率，循环的COP达到15，要获得最大38K的温度跨度，制冷量会 下降到100W4） 2001年美国宇航公司联合Ames实验室开发成功了采用永磁体 提供磁场的回转式磁制冷机，在磁场强度变化范围在 0〜5T时，获得600W 的制冷功率，循环性能系数COP达到16,冷热端最大温差为38K，机组运 行时间超过1500小时无需维修四、 应用基于“磁热效应”（MCE）的磁制冷是传统的蒸汽循环制冷技术的一种有希 望的替代方法在有这种效应的材料中，施加和除去一个外加磁场时磁动量的排 列和随机化引起材料中温度的变化，这种变化可传递给环境空气中Gd5Ge2Si2 是其中一种所谓的巨型MCE材料，当在上个世纪90年代后期被发现时曾引起人 们很大兴趣该化合物作为制冷物质有一个缺点：当在该材料表现出大的磁热效 应的温度范围内循环其磁化时，它会因磁滞现象而损失大量能量但是现在，研 究人员找到了克服这一问题的一个简单方法只是通过添加少量铁，就可将磁滞 现象减少90%，所获得的合金成为一种性能得到很大改善的制冷物质，可在接近 室温的环境下应用。

五、 制冷技术发展需要解决的问题磁制冷技术作为一种具有很大潜力的制冷技术，取代传统的蒸气压缩 式制冷还有许多问题需要解决1）开发高性能的磁性材料 目前可以应用的磁性材料主要 是钆、钆 硅锗合金及类钙钛矿物质 它们的磁热效应大小虽然相比 其它物质来说要 大，但其应用的温度区域很窄（当温度偏离居里温度时，其MCE急剧减 小），峰值的绝对大小还难以达到应用要求，而且只有在很高的磁场强 度（5-7k）才能产生明显的制冷效果从目前来看钆、钆硅锗合金价格昂 贵，还存在氧化等问题，要广泛应用还有很大 的困难采用复合材料可以使得磁性工质在较宽的温度区域内保持较大的 MCE，这方面日本的室温磁制冷材料研究取得一定的成果， 但是还没有在 磁制冷中世纪应用过， 这有待于材料制造工 艺水平的提高2） 磁体和磁场结构的设计磁场的产生可由超导磁体、 电磁体和永磁体提供永磁体结构简单， 来源广泛，但只能提供1.5T左右的磁场；超导磁体及电磁 体可提供5〜7T 左右的磁场，但目前的超导磁体还 必需采用低温超导装置，结构复杂且价 格昂贵；而电磁体提 供磁场，需要很大的电功率，且装置笨重，维护困难 另外，研究发现磁体极内表面的平整度对磁场的影响很大，所以磁体的加 工制造工艺也 是很重要的。

3） 蓄冷及换热技术的改进在室温磁制冷技术中，磁性材料的品格熵的取出必须依靠蓄冷器同 时，磁制冷实际效率的高低主要取决于蓄冷器及换热器的性能，要使得磁 性工质产生的热（冷）量尽可能快地带走，就要提高蓄冷器的效率和外部 换热器的换热4） 磁制冷装置的设计室温磁制冷技术要真正实用化，设计完善的磁制冷装置尤为重要目 前国外已试制的多种室温磁制冷样机，都难以达到令人满意的制冷效果， 其设计的主要困难在于系统设计、流道设计和加工、床体运动和流体流动 的控制等磁制冷技术作为一种新型环保节能制冷技术，必然有着广阔的 发展前景目前国内已有十多家的科研院所从事这方面的研究，主要集 中在磁性材料的研究上国内在磁制冷样机上与国外相比 较还有很大的差 距，需要迎头 赶上［4］五、结语磁制冷技术无论是从环境保护还是从节约能源的角度来看都是一项应 用前景极其广阔的新技术，可以替代目前的家用、商用、工业以及其它特 殊用途的制冷装置磁制冷在美国和日本已经取得了 一定的进展我国尽 管在磁性材料 方面已经开展了不少工作，但磁 制冷研究还处于起步阶段磁制冷由于其高效和环保的特性会成为一项极具潜力的新的制冷方 式，但是要真正得以广泛应用，还有待于在材料科学和制冷技术领域上取 得新突破。

伴随着材料科学的进步和生产加工技术的提高，磁制冷机的成 本将会越来越低，产业化也将会成为可能参考文献：[1] 杨玲.磁制冷材料的发展及研究现状[J].材料导报,2000(9)35-38.[2] 陈国邦，桥本巍洲，郭方中等.最新低温制冷技术[M].北京：机械工业出版 社，1994.[3] 沈亚涛，郭载兵，都有为.钙钛矿La0.75Ca0.25-xSrxMnO3的磁卡效应与复 合材料[J].物理学报，1999,48(11);[4] 周水洪.一种极具发展潜力的制冷技术-磁制冷[J].低温工程.2004 (4),。