磁冷卻法概論

1、僅15孕隴HONQME UNlVEHfilTY磁冷卻法概論院-系：理學(xué)院物理系專 業(yè)：物理學(xué)專業(yè)年 級(jí)：2008級(jí)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)： 2008020501導(dǎo)師及職稱：閔琦磁冷卻法概論摘要：磁冷卻法又稱絕熱去磁，磁熱效應(yīng)。絕熱去磁是產(chǎn)生1K以下低溫的 一個(gè)有效方法，即磁冷卻法。磁制冷技術(shù)是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ闹评浼夹g(shù)， 其具有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。介紹了磁制冷的工作原理、磁性材料的選擇與 研究進(jìn)展情況，磁制冷循環(huán)及磁制冷機(jī)的研究進(jìn)展，并指出磁制冷技術(shù)發(fā) 展需要解決的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：磁制冷；磁熱效應(yīng)；磁性材料；進(jìn)展一、引言將順磁體放在裝有低壓氦氣的容器內(nèi)，通過(guò)低壓氦氣與液氦的接觸而保持在 1K左右的低溫，

2、加上磁場(chǎng)（量級(jí)為106A/m）使順磁體磁化，磁化過(guò)程時(shí)放出的 熱量由液氦吸收，從而保證磁化過(guò)程是等溫的。順磁體磁化后，抽出低壓氦氣而 使順磁體絕熱，然后準(zhǔn)靜態(tài)地使磁場(chǎng)減小到很小的值（一般為零）。利用固體中的順磁離子的絕熱去磁效應(yīng)可以產(chǎn)生1K以下至mK量級(jí)的低溫。 例如從0.5K出發(fā)，使硝酸鈰鎂絕熱去磁可降溫到2mK。當(dāng)溫度降到mK量級(jí)時(shí)， 順磁離子磁矩間的相互作用便不能忽略。磁矩間的相互作用相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)等效 的磁場(chǎng)（大小約104-103A/m），使磁矩的分布有序化，這方法便不再有效。核磁 矩的大小約為原子磁矩的1/2000。因此核磁矩間的相互作用較順磁離子間的相 互作用要弱的多，利用核絕熱去

3、磁可以獲得更低的溫度。二、磁冷卻展概況及基本工作原理1、磁冷卻的發(fā)展概況1881年Warburg首先發(fā)現(xiàn)了金屬鐵在外加磁場(chǎng)的磁熱效應(yīng)（MCE）。隨 后。1926年Debye和1927Gauque分別解釋了磁熱效應(yīng)的本質(zhì)，并提出在際 應(yīng)用中利用絕熱退磁過(guò)程獲得超低溫。此后，制冷開(kāi)始應(yīng)用于低溫領(lǐng)域。 到了 1976年，美國(guó)NASA的Lewis研究中心的G.V.Brown 首次實(shí)現(xiàn)了室 溫磁制冷，標(biāo)志著磁制冷技術(shù)開(kāi)始由低溫轉(zhuǎn)向室溫 的研究。20世紀(jì)末，Ames 實(shí)驗(yàn)室的Gschneider等人在Gd5（SixGe1-x）4系合金磁制冷材料中發(fā)現(xiàn)了巨磁熱效應(yīng)(GMCE ),使磁制冷技術(shù)得到突破性的發(fā)

4、展。目前低溫(420K ) 磁制冷機(jī)已達(dá)到實(shí)用化的程度，室溫磁制冷系 統(tǒng)的研究也有較大發(fā)展1。2、基本工作原理磁熱效應(yīng)(MCE)是指順磁體或軟鐵磁體在外磁場(chǎng)的作用下 等溫磁化會(huì) 放出熱量，同時(shí)磁熵減少；在磁場(chǎng)減弱時(shí)會(huì)吸 收熱量同時(shí)磁熵增大。磁熱 效應(yīng)是所有磁性材料的固有本質(zhì)，圖1表示了鐵磁物質(zhì)在磁有序化溫度(由 Tad或 SM表示)。無(wú)論在室圖1 磁熱技應(yīng)S-T示意圖(居里溫度Tc)附近的磁熱效應(yīng)MCE溫區(qū)還是在低溫區(qū)，磁性材料磁熱效 應(yīng)的大小是決定其制冷能力的關(guān)鍵。常壓下磁體的熵S(T,H)是磁場(chǎng)強(qiáng)度H和絕對(duì)溫度T的函數(shù)，它由磁熵 sm(t,h)、品格熵sl(t)和電子熵se(t) 三部分組

5、成，艮即S (T, H) = SM (T, H ) + S L (T) + S E (T)其中，SM是T和H的函數(shù)，SL和SE 都僅是T的函數(shù)，因此只有磁熵S M可以通過(guò)改變 外磁場(chǎng)來(lái)加以控制。三、磁制冷循環(huán)及磁制冷機(jī)的研究進(jìn)展1、 磁制冷循環(huán)Stifling 循環(huán)，Ericsson 循環(huán)和圖 2a Ericsson 循環(huán)常見(jiàn)的磁制冷循環(huán)有Carnot循環(huán)， Brayton 循環(huán)。其中Carnot 循環(huán) 應(yīng)用于極低溫 區(qū)，在室溫條件下一 般采用Ericsson循環(huán)和Brayton 循環(huán)。Ericsson 循環(huán)和 Brayton 循環(huán)T-S圖見(jiàn)圖2。Ericsson循 環(huán)磁制冷機(jī)見(jiàn)圖3。Eric

6、sson循環(huán)由兩個(gè)等溫過(guò)程以及兩個(gè)等 磁場(chǎng)過(guò)程組成(見(jiàn)圖2a)。它包含等溫磁化過(guò)程(圖2a中A一B過(guò)程）、等磁場(chǎng)冷卻過(guò)程（圖2a中B 一 C過(guò)程）、等溫 去磁過(guò)程（圖2a中C一D過(guò)程） 及等磁場(chǎng)加熱過(guò)程（圖2a中 D A過(guò)程）。Brayton循環(huán)由兩個(gè)絕熱 過(guò)程和兩個(gè)等磁場(chǎng)過(guò)程組成 （見(jiàn)圖2b）。循環(huán)工作在磁場(chǎng)圖3 Ericsson循菸磁制冷機(jī)原理密強(qiáng)度H0和H1之間， 系統(tǒng)熱源溫度為T(mén)H，冷 源溫度為T(mén)C。等磁場(chǎng)過(guò) 程A一 B放出圖2b中 AB14面積大小的熱量， 等磁場(chǎng)過(guò)程C一D吸收 DC14面積的熱量。絕熱勵(lì)磁過(guò)程DA和絕熱退 磁過(guò)程B C過(guò)程無(wú)熱量交換。2、磁制冷機(jī)研究進(jìn)展在低溫（15

7、K）和中溫（15K77K ）范圍是液氦、液氨 的重要溫區(qū)。目 前該區(qū)域的磁制冷研究成熟，并成為其主要的制冷方式。而在室溫區(qū)，由 于磁制冷材料的品格熵很大， 且磁制冷循環(huán)過(guò)程中熱交換 較困難等因素造 成室溫磁制冷的研究進(jìn)展較慢。對(duì)室溫磁制冷機(jī)的研究主要有以下幾個(gè)階 段性的成果。（1）1976 年美國(guó)NASA 的Lewis研究中心 的G.V.Brown 首次在實(shí) 驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了室溫磁制冷。該實(shí)驗(yàn)裝置為往復(fù)式結(jié)構(gòu)，采用近似Ericsson循 環(huán)，實(shí)現(xiàn)了冷 源溫度（272K ）、熱源溫度（319K ）的47K溫差。（2）1978年Los Alamos 實(shí)驗(yàn)室的W.A.Steyert設(shè)計(jì)了 一個(gè)回轉(zhuǎn)式 的磁

8、制冷裝置，采用Brayton循環(huán)磁制冷工質(zhì)為Gd，在磁場(chǎng)差為12T， 冷熱端溫差為7K時(shí)，獲得了 500W的制冷功率。（3）1996年美國(guó)人Carl Zimm等采用Brayton循環(huán)研制的往復(fù)式結(jié) 構(gòu)磁制冷機(jī)，以Ga為工質(zhì)，在5T的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，最大可獲得600W的 制冷功率，循環(huán)的COP達(dá)到15，要獲得最大38K的溫度跨度，制冷量會(huì) 下降到100W。（4） 2001年美國(guó)宇航公司聯(lián)合Ames實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)成功了采用永磁體 提供磁場(chǎng)的回轉(zhuǎn)式磁制冷機(jī)，在磁場(chǎng)強(qiáng)度變化范圍在 05T時(shí)，獲得600W 的制冷功率，循環(huán)性能系數(shù)COP達(dá)到16,冷熱端最大溫差為38K，機(jī)組運(yùn) 行時(shí)間超過(guò)1500小時(shí)無(wú)需維修。四

9、、應(yīng)用基于“磁熱效應(yīng)”（MCE）的磁制冷是傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)制冷技術(shù)的一種有希 望的替代方法。在有這種效應(yīng)的材料中，施加和除去一個(gè)外加磁場(chǎng)時(shí)磁動(dòng)量的排 列和隨機(jī)化引起材料中溫度的變化，這種變化可傳遞給環(huán)境空氣中。Gd5Ge2Si2 是其中一種所謂的巨型MCE材料，當(dāng)在上個(gè)世紀(jì)90年代后期被發(fā)現(xiàn)時(shí)曾引起人 們很大興趣。該化合物作為制冷物質(zhì)有一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)在該材料表現(xiàn)出大的磁熱效 應(yīng)的溫度范圍內(nèi)循環(huán)其磁化時(shí)，它會(huì)因磁滯現(xiàn)象而損失大量能量。但是現(xiàn)在，研 究人員找到了克服這一問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法。只是通過(guò)添加少量鐵，就可將磁滯 現(xiàn)象減少90%，所獲得的合金成為一種性能得到很大改善的制冷物質(zhì)，可在接近 室溫的環(huán)

10、境下應(yīng)用。五、制冷技術(shù)發(fā)展需要解決的問(wèn)題磁制冷技術(shù)作為一種具有很大潛力的制冷技術(shù)，取代傳統(tǒng)的蒸氣壓縮 式制冷還有許多問(wèn)題需要解決。（1）開(kāi)發(fā)高性能的磁性材料 目前可以應(yīng)用的磁性材料主要 是釓、釓 硅鍺合金及類鈣鈦礦物質(zhì)。 它們的磁熱效應(yīng)大小雖然相比 其它物質(zhì)來(lái)說(shuō)要 大，但其應(yīng)用的溫度區(qū)域很窄（當(dāng)溫度偏離居里溫度時(shí)，其MCE急劇減 小），峰值的絕對(duì)大小還難以達(dá)到應(yīng)用要求，而且只有在很高的磁場(chǎng)強(qiáng) 度（5-7k）才能產(chǎn)生明顯的制冷效果。從目前來(lái)看釓、釓硅鍺合金價(jià)格昂 貴，還存在氧化等問(wèn)題，要廣泛應(yīng)用還有很大 的困難。采用復(fù)合材料可以使得磁性工質(zhì)在較寬的溫度區(qū)域內(nèi)保持較大的 MCE，這方面日本的室溫磁

11、制冷材料研究取得一定的成果， 但是還沒(méi)有在 磁制冷中世紀(jì)應(yīng)用過(guò)， 這有待于材料制造工 藝水平的提高。（2）磁體和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)磁場(chǎng)的產(chǎn)生可由超導(dǎo)磁體、 電磁體和永磁體提供。永磁體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 來(lái)源廣泛，但只能提供1.5T左右的磁場(chǎng)；超導(dǎo)磁體及電磁 體可提供57T 左右的磁場(chǎng)，但目前的超導(dǎo)磁體還 必需采用低溫超導(dǎo)裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià) 格昂貴；而電磁體提 供磁場(chǎng)，需要很大的電功率，且裝置笨重，維護(hù)困難 。 另外，研究發(fā)現(xiàn)磁體極內(nèi)表面的平整度對(duì)磁場(chǎng)的影響很大，所以磁體的加 工制造工藝也 是很重要的。（3）蓄冷及換熱技術(shù)的改進(jìn)在室溫磁制冷技術(shù)中，磁性材料的品格熵的取出必須依靠蓄冷器。同 時(shí)，磁制冷實(shí)際效率

12、的高低主要取決于蓄冷器及換熱器的性能，要使得磁 性工質(zhì)產(chǎn)生的熱（冷）量盡可能快地帶走，就要提高蓄冷器的效率和外部 換熱器的換熱。（4）磁制冷裝置的設(shè)計(jì)室溫磁制冷技術(shù)要真正實(shí)用化，設(shè)計(jì)完善的磁制冷裝置尤為重要。目 前國(guó)外已試制的多種室溫磁制冷樣機(jī)，都難以達(dá)到令人滿意的制冷效果， 其設(shè)計(jì)的主要困難在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、流道設(shè)計(jì)和加工、床體運(yùn)動(dòng)和流體流動(dòng) 的控制等。磁制冷技術(shù)作為一種新型環(huán)保節(jié)能制冷技術(shù)，必然有著廣闊的 發(fā)展前景。目前國(guó)內(nèi)已有十多家的科研院所從事這方面的研究，主要集 中在磁性材料的研究上。國(guó)內(nèi)在磁制冷樣機(jī)上與國(guó)外相比 較還有很大的差 距，需要迎頭 趕上4。五、結(jié)語(yǔ)磁制冷技術(shù)無(wú)論是從環(huán)境保護(hù)還是從節(jié)約能源的角度來(lái)看都是一項(xiàng)應(yīng) 用前景極其廣闊的新技術(shù)，可以替代目前的家用、商用、工業(yè)以及其它特 殊用途的制冷裝置。磁制冷在美國(guó)和日本已經(jīng)取得了 一定的進(jìn)展。我國(guó)盡 管在磁性材料 方面已經(jīng)開(kāi)展了不少工作，但磁 制冷研究還處于起步階段。磁制冷由于其高效和環(huán)保的特性會(huì)成為一項(xiàng)極具潛力的新的制冷方 式，但是要真正得以廣泛應(yīng)用，還有待于在材料科學(xué)和制冷技術(shù)領(lǐng)域上取 得新突破。伴隨著材料科學(xué)的進(jìn)步和生產(chǎn)加工技術(shù)的提高，磁制冷機(jī)的成 本將會(huì)越