低溫磁制冷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

　　摘要：隨著制冷與低溫工程的發(fā)展，人們面臨著環(huán)境的再次挑戰(zhàn)，臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)與一些制冷劑的使用和泄露有密切的聯(lián)系，因此有必要找到一種更有效更環(huán)保的制冷方法，所以磁制冷以其自身的特點(diǎn)具有更廣闊的應(yīng)用前景。

　　引言

　　臭氧層是指距地球表面10至50公里的大氣層中由臭氧構(gòu)成的氣層。臭氧是一種氣體，其分子結(jié)構(gòu)為三個氧原子，即O3。臭氧層的主要功能在于吸收來自宇宙的 紫外線，使地球上的萬物免受紫外線輻射的危害，所以，臭氧層被稱之為地球的保護(hù)傘。但如今，臭氧層已被人類嚴(yán)重破壞，本世紀(jì)開始人類大量使用高度穩(wěn)定的合 成化合物，如空調(diào)器、冰箱工業(yè)、溶劑、航空航天用制冷劑、噴霧劑、清洗劑中含氯氟烴化合的揮發(fā)出來，通過復(fù)雜的物理化學(xué)過程與臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而將其摧 毀。

　　為了防止生產(chǎn)和使用氟氯碳類化合物造成的大氣臭氧層的破壞，到2000年全世界將限制和禁止使用氟里昂制冷劑，我國于1991年6月加入這個國際公約并做出規(guī)定，到2010年我國將禁止生產(chǎn)和使用氟里昂等氯氟烴和氫氯氟烴類化合物。

　　因此，需要加快研究開發(fā)無害的新型制冷劑或不使用氟里昂制冷劑的其它類型制冷技術(shù)。

　　本世紀(jì)二十年代末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了磁性物質(zhì)在磁場作用下溫度升高的現(xiàn)象，即磁熱效應(yīng)。隨后許多科學(xué)家和工程師對具有磁熱效應(yīng)的材料、磁制冷技術(shù)及裝置進(jìn)行了大量的研究開發(fā)工作。

　　磁制冷原理及特點(diǎn)[1]

　?、?磁制冷就是利用磁熱效應(yīng)，又稱磁卡效應(yīng)(Magneto-Caloric Effect ,MCE)的制冷。磁熱效應(yīng)是指磁制冷工質(zhì)在等溫磁化時向外界放出熱量，而絕熱去磁時溫度降低，從外界吸收熱量的現(xiàn)象。

　　例如對于鐵磁性材料來說，磁熱效應(yīng)在它的居里溫度(磁有序-無序轉(zhuǎn)變的溫度)附近z*為顯著，當(dāng)作用有外磁場時，該材料的磁熵值降低并放出熱量;反之，當(dāng)去 除外磁場時，材料的磁熵值升高并吸收熱量，這和氣體的壓縮-膨脹過程中所引起的放熱-吸熱的現(xiàn)象相似。其原理圖如圖1-1所示

　　磁熱效應(yīng)熱力學(xué)基礎(chǔ)[2]

　　這是順磁態(tài)物質(zhì)的物態(tài)方程式，與理想氣體狀態(tài)方程式相似，由熱力學(xué)定律，對于單位體積磁介質(zhì)H (4)

　　可以看出，對于磁介質(zhì) H相當(dāng)于純物質(zhì)的P，µ0M相當(dāng)于純物質(zhì)的V。

　　常壓下磁體的熵S(T,H)是磁場強(qiáng)度H和絕對溫度T的函數(shù)，所以有：

　　圖 1-2 磁熱效應(yīng)的表征

　　對于可逆絕熱過程有：dS = 0

　　在絕熱狀態(tài)下，磁場強(qiáng)度從H1變?yōu)镠2，磁體的溫度變化為：

　　⑵ 磁制冷是一項(xiàng)綠色環(huán)保的制冷技術(shù)。與傳統(tǒng)制冷相比，磁制冷是采用磁性物質(zhì)作為制冷工質(zhì)，對大氣臭氧層無破壞作用，無室溫效應(yīng)，單位制冷率高，能耗、運(yùn)動部 件少，因此機(jī)械振動及噪聲小，工作頻率低，可靠性高。在熱效率方面，磁制冷可以達(dá)到卡諾循環(huán)的30%～60%，而依靠氣體壓縮-膨脹的制冷循環(huán)一般只能達(dá) 到5%～10%。磁制冷應(yīng)用范圍廣泛，從μK、mK及到室溫以上均適用。在低溫領(lǐng)域，磁制冷技術(shù)在制取液氮、液氦、尤其是綠色能源液氫方面有較好的應(yīng)用前 景;在高溫特別是近室溫領(lǐng)域，磁制冷在冰箱、空調(diào)及超市食品冷凍系統(tǒng)方面有廣闊的應(yīng)用前景。

　　磁制冷的應(yīng)用

　　目前，磁制冷主要應(yīng)用在極地溫和液化氦等小規(guī)模的裝置中。雖然諸多原因的限制使磁制冷基礎(chǔ)理論尚未成熟，但磁制冷終將因其高效、無污染等特點(diǎn)成為未來頗具 潛力的一種新的制冷方式，而對磁制冷循環(huán)理論的拓深必能大力推進(jìn)磁制冷技術(shù)在太空開發(fā)和民用技術(shù)中的應(yīng)用，為磁制冷開辟更加廣闊的前景。

　　表一 磁制冷潛在市場[3]

　　此外，磁制冷冰箱已研制成功，如圖1-3所示

　　2—冷凝器

　　3—干燥過濾器

　　4—蒸發(fā)器

　　5—保溫層

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，電冰箱和空調(diào)裝置使用的制冷劑——氟利昂會污染環(huán)境，而用磁制冷原理制作的冰箱這不僅不會破壞環(huán)境，而且效率要比用氟利昂制冷高40%，其成本低25%。

　　另外，磁制冷在空間和核技術(shù)等國防領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景:在這個領(lǐng)域里要求冷源設(shè)備的重量輕、振動和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期長、工作溫度 和冷量范圍廣。磁制冷機(jī)完全符合這些條件，例如冷凍激光打靶的氘丸，核聚變的氘和氚丸，紅外元件的冷卻，磁窗系統(tǒng)的冷卻，掃雷艇超導(dǎo)磁體的冷卻等。

　　磁制冷的歷史與發(fā)展

　　早在1881年，E.Warburg 就在鐵中發(fā)現(xiàn)了磁熱效應(yīng)。后來，1907年P(guān).Langevin也注意到了恒磁體絕熱去磁過程中，其溫度會降低。1926年Debye和Giauque都 預(yù)言了可以用磁熱效應(yīng)制冷。隨后Giauque和MacDougall于1933年用Gd2(SO4)3.8H2O作為介質(zhì)進(jìn)行了絕熱退磁的 s*次試驗(yàn)，達(dá)到了0.53～0.1K超低溫。從此，在超低溫范圍內(nèi)，磁制冷發(fā)揮了很大的作用，一直到現(xiàn)在這種超低溫磁制冷技術(shù)已經(jīng)很成熟。

　　隨著磁制冷技術(shù)的迅速發(fā)展，其研究工作也逐步從低溫向高溫發(fā)展。1976年，美國NASA Lewis和G.V.Browns*先采用金屬Gd為磁制冷介質(zhì)，采用Stiring循環(huán)，在7T磁場下進(jìn)行了室溫磁制冷試驗(yàn)，開創(chuàng)了室溫磁制冷的新紀(jì)元。 美國Los Alamos實(shí)驗(yàn)室的W.A.Steyert等[4]設(shè)計(jì)了一個回轉(zhuǎn)式的磁制冷裝置，采用Brayton循環(huán)，當(dāng)高低磁場差為1.2T、冷熱端溫差為7K 時獲得了500 W的制冷功率。1996年12月宇航公司的工程師Carl Zimm[5]研制的室溫磁制冷樣機(jī)取得了突破性進(jìn)展。他們采用3 kg稀上金屬作為磁工質(zhì)，以水(加防凍劑)作為傳熱介質(zhì)，以NbTi超導(dǎo)磁體產(chǎn)生磁化場，建立了一套室溫的磁制冷樣機(jī)(原理機(jī))系統(tǒng)。該機(jī)設(shè)計(jì)較為完美， 在磁制冷循環(huán)過程中能量損失很小，制冷效率很高(實(shí)際效率可達(dá)卡諾循環(huán)的30% )。

　　但是由于磁制冷技術(shù)尚處在不斷完善的過程中，還有很多問題需要解決，主要有：

　?、?每次磁制冷循環(huán)所產(chǎn)生的溫差還不夠大，目前還只有1～3K，這主要是由于磁場不夠強(qiáng)，也就是說磁性材料的磁熵還不夠大。

　?、?磁制冷過程中的熱交換速度不夠快，從而使磁制冷周期延長，也使整個循環(huán)的熱效率下降。

　?、? 在室溫條件下，若不利用超導(dǎo)技術(shù)，仍利用電磁鐵或稀土永磁材料產(chǎn)生磁場，則在兩磁極面總存在空氣隙，因此進(jìn)入磁場的磁制冷材料有限，這就應(yīng)有絕熱效果好的隔熱層，這也是一個技術(shù)難題。

　　所以在今后磁制冷技術(shù)發(fā)展中應(yīng)在以下幾個方面有所突破和創(chuàng)新：

　?、?磁場分析，磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)更完善和合理;

　?、?針對相應(yīng)的溫區(qū)選擇換熱介質(zhì)，設(shè)計(jì)出z*佳的熱開關(guān)或換熱回路，提高換熱效率;

　?、?磁制冷材料的研制，通過改進(jìn)工藝和材料重組制備性能更優(yōu)越的材料。

　　可以預(yù)見在不久的將來，磁制冷技術(shù)會以其自身的許多優(yōu)勢迅速發(fā)展起來，被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。

　　參考文獻(xiàn)

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　　姜自蓮.發(fā)展中的磁制冷技術(shù).成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校校報(bào).2001年12月

　　陳遠(yuǎn)富，陳云貴等.磁制冷發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢.低溫工程.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

　　Zimm B,et al.Description and performance of a near～room temperatnre magnetic refrigerator.Adv Cry Eng, 1998,43):1759