作者：石頭
摘要：隨著制冷與低溫工程的發展，人們面臨著環境的再次挑戰，臭氧層的破壞和溫室效應與一些制冷劑的使用和泄露有密切的聯系，因此有必要找到一種更有效更環保的制冷方法，所以磁制冷以其自身的特點具有更廣闊的應用前景。
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成的氣層。臭氧是一種氣體，其分子結構為三個氧原子，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傘。但如今，臭氧層已被人類嚴重破壞，本世紀開始人類大量使用高度穩定的合 成化合物，如空調器、冰箱工業、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出來，通過復雜的物理化學過程與臭氧發生化學反應而將其摧 毀。
為了防止生產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定，到2010年我國將禁止生產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。
本世紀二十年代末，科學家發現了磁性物質在磁場作用下溫度升高的現象，即磁熱效應。隨后許多科學家和工程師對具有磁熱效應的材料、磁制冷技術及裝置進行了大量的研究開發工作。
磁制冷原理及特點[1]
⑴ 磁(ci)(ci)制(zhi)冷(leng)就(jiu)是(shi)利(li)用磁(ci)(ci)熱效應(ying)(ying)，又(you)稱磁(ci)(ci)卡效應(ying)(ying)（Magneto-Caloric Effect ,MCE）的(de)制(zhi)冷(leng)。磁(ci)(ci)熱效應(ying)(ying)是(shi)指磁(ci)(ci)制(zhi)冷(leng)工質在等(deng)溫磁(ci)(ci)化(hua)時(shi)向外界放出熱量，而絕熱去(qu)磁(ci)(ci)時(shi)溫度降低，從外界吸(xi)收熱量的(de)現象。
例如對于鐵磁性材料來說，磁熱效應在它的居里溫度（磁有序－無序轉變的溫度）附近最為顯著，當作用有外磁場時，該材料的磁熵值降低并放出熱量；反之，當去 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－吸熱的現象相似。其原理圖如圖1－1所示
磁熱效應熱力學基礎[2]
順磁體的物質，磁化強度M是（H/T）的函數，當H/T≤6×105A/（m.K）時，其關系式為： （1）
式中，Cc稱為居里常數， (m3.k/mol) (2)
有（1-1）得 （3）
這是順磁態物質的物態方程式，與理想氣體狀態方程式相似，由熱力學定律，對于單位體積磁介質H (4)
比較純物質的熱力學基本方程 （5）
可以看出，對于磁介質 H相當于純物質的P，µ0M相當于純物質的V。
常壓下磁體的熵S(T,H)是磁場強度H和絕對溫度T的函數，所以有：
 (6)
以T,H為獨立變量，并定義
則有 (7)
圖 1－2 磁熱效應的表征
對于可逆絕熱過程有：dS = 0
由此可以導出： (8)
在絕熱狀態下，磁場強度從H1變為H2，磁體的溫度變化為：
 (9)
在式(9)中T, Cc (T, H)均大于0， 一般來說恒為負值，如圖1－2所示：當磁性材料磁化時，dH為正值，△Tad>0,所以系統溫度升高；同樣，當磁性材料去磁時，dH<0, △Tad>0,所以系統的溫度降低。
⑵ 磁制(zhi)冷(leng)(leng)是(shi)一項綠色環保的制(zhi)冷(leng)(leng)技術(shu)。與傳統制(zhi)冷(leng)(leng)相比，磁制(zhi)冷(leng)(leng)是(shi)采用(yong)磁性(xing)物質作為制(zhi)冷(leng)(leng)工質，對大氣臭氧層無破壞作用(yong)，
無室溫(wen)(wen)效應，單位(wei)制(zhi)(zhi)冷率高，能耗、運動部 件少，因此機械(xie)振動及(ji)噪聲小，工作頻率低，可靠性高。在熱效率方(fang)面，磁(ci)制(zhi)(zhi)冷可以(yi)達到卡諾循環的30％～60%，而依靠氣體壓(ya)縮－膨脹的制(zhi)(zhi)冷循環一(yi)般只能達 到5％～10％。磁(ci)制(zhi)(zhi)冷應用范圍廣(guang)泛，從μK、mK及(ji)到室溫(wen)(wen)以(yi)上均適用。在低溫(wen)(wen)領域，磁(ci)制(zhi)(zhi)冷技術在制(zhi)(zhi)取(qu)液氮、液氦(hai)、尤其是綠色能源液氫方(fang)面有較好的應用前(qian) 景；在高溫(wen)(wen)特別是近室溫(wen)(wen)領域，磁(ci)制(zhi)(zhi)冷在冰箱(xiang)、空調及(ji)超市(shi)食品冷凍系統方(fang)面有廣(guang)闊的應用前(qian)景。
磁制冷的應用
目前，磁(ci)(ci)制(zhi)冷(leng)(leng)主(zhu)要應用(yong)(yong)在(zai)極地(di)溫和液化氦等小規模的(de)裝置中。雖然(ran)諸(zhu)多原因(yin)的(de)限制(zhi)使磁(ci)(ci)制(zhi)冷(leng)(leng)基(ji)礎理(li)論尚(shang)未(wei)成熟(shu)，但磁(ci)(ci)制(zhi)冷(leng)(leng)終將(jiang)因(yin)其高效、無污染等特(te)點成為(wei)未(wei)來(lai)頗具(ju) 潛力的(de)一種新的(de)制(zhi)冷(leng)(leng)方式，而對磁(ci)(ci)制(zhi)冷(leng)(leng)循環理(li)論的(de)拓深必能大力推進磁(ci)(ci)制(zhi)冷(leng)(leng)技(ji)術在(zai)太空開發和民用(yong)(yong)技(ji)術中的(de)應用(yong)(yong)，為(wei)磁(ci)(ci)制(zhi)冷(leng)(leng)開辟更加(jia)廣闊的(de)前景。
表一(yi) 磁(ci)制冷潛在市場[3]
應用場合 |
溫區/k |
應用場合 |
溫區/k |
|
液
化
氣
體 |
氫 |
15～77 |
近室溫制冷 |
超市制冷 |
265 |
|
天然氣 |
109 |
食品加工 |
|
丙酮 |
231 |
冷凍水果、肉類 |
275 |
|
丁烷 |
273 |
空調(diao)、熱(re)泵 |
288～300 |
|
氨氣 |
240 |
農業 |
化學分離、處理 |
70～295 |
此(ci)外，磁(ci)制冷冰箱已研(yan)制成功(gong)，如圖(tu)1-3所示
 1—壓縮機
2—冷凝器
3—干燥過濾器
4—蒸發器
5—保溫層
根據實(shi)驗得知(zhi)，電(dian)冰箱和(he)空調裝置(zhi)使用的制冷劑(ji)—&md
ash;氟利(li)昂會(hui)(hui)污染(ran)環境，而用(yong)(yong)磁制(zhi)冷原理制(zhi)作的冰箱這不(bu)僅不(bu)會(hui)(hui)破壞環境，而且效率要比用(yong)(yong)氟利(li)昂制(zhi)冷高(gao)40%，其成本低(di)25%。
另(ling)外，磁(ci)制(zhi)冷(leng)(leng)在空間和(he)核(he)技術等國防領域也有廣(guang)泛的(de)應用前景:在這(zhe)個領域里要求冷(leng)(leng)源(yuan)設備的(de)重量(liang)輕(qing)、振動和(he)噪(zao)音小(xiao)、操作(zuo)方便、可靠性高(gao)、工作(zuo)周期長、工作(zuo)溫度 和(he)冷(leng)(leng)量(liang)范(fan)圍廣(guang)。磁(ci)制(zhi)冷(leng)(leng)機完全符合(he)這(zhe)些(xie)條件(jian)，例如冷(leng)(leng)凍激光打靶的(de)氘丸，核(he)聚變的(de)氘和(he)氚丸，紅外元件(jian)的(de)冷(leng)(leng)卻，磁(ci)窗系統的(de)冷(leng)(leng)卻，掃雷艇超導磁(ci)體的(de)冷(leng)(leng)卻等。
磁制冷的歷史與發展
早(zao)在1881年，E.Warburg 就在鐵中發(fa)現了(le)(le)(le)磁熱效應。后來，1907年P.Langevin也注(zhu)意到(dao)了(le)(le)(le)恒(heng)磁體絕(jue)熱去(qu)磁過程(cheng)中，其(qi)溫(wen)(wen)度(du)會降低(di)。1926年Debye和Giauque都 預言了(le)(le)(le)可以(yi)用(yong)磁熱效應制冷(leng)。隨后Giauque和MacDougall于1933年用(yong)Gd2(SO4)3.8H2O作(zuo)為介質進(jin)行了(le)(le)(le)絕(jue)熱退磁的 首次試驗，達(da)到(dao)了(le)(le)(le)0.53～0.1K超(chao)低(di)溫(wen)(wen)。從此(ci)，在超(chao)低(di)溫(wen)(wen)范(fan)圍內，磁制冷(leng)發(fa)揮了(le)(le)(le)很大的作(zuo)用(yong)，一(yi)直到(dao)現在這種超(chao)低(di)溫(wen)(wen)磁制冷(leng)技(ji)術(shu)已經很成熟。
隨著(zhu)磁(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)技術(shu)的(de)迅(xun)速(su)發(fa)展，其研究工作(zuo)(zuo)也逐步從(cong)低(di)溫(wen)向高溫(wen)發(fa)展。1976年，美國(guo)(guo)NASA Lewis和G.V.Brown首先采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)金(jin)屬Gd為(wei)(wei)磁(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)介質，采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)Stiring循(xun)(xun)環，在(zai)(zai)7T磁(ci)場(chang)下進行了(le)(le)室溫(wen)磁(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)試驗，開(kai)創了(le)(le)室溫(wen)磁(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)的(de)新紀元。 美國(guo)(guo)Los Alamos實(shi)驗室的(de)W.A.Steyert等[4]設(she)(she)計了(le)(le)一個回(hui)轉式(shi)的(de)磁(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)裝(zhuang)置，采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)Brayton循(xun)(xun)環，當(dang)高低(di)磁(ci)場(chang)差為(wei)(wei)1.2T、冷(leng)(leng)(leng)熱(re)端(duan)溫(wen)差為(wei)(wei)7K 時獲得了(le)(le)500 W的(de)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)功率(lv)(lv)。1996年12月宇航公(gong)司(si)的(de)工程師(shi)Carl Zimm[5]研制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)室溫(wen)磁(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)樣(yang)機取(qu)得了(le)(le)突破(po)性進展。他們采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)3 kg稀上金(jin)屬作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)磁(ci)工質，以(yi)水(加防凍(dong)劑)作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)傳熱(re)介質，以(yi)NbTi超(chao)導磁(ci)體產生(sheng)磁(ci)化場(chang)，建立了(le)(le)一套室溫(wen)的(de)磁(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)樣(yang)機(原理機)系(xi)統。該機設(she)(she)計較為(wei)(wei)完美， 在(zai)(zai)磁(ci)制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)循(xun)(xun)環過程中能量損失很小，制(zhi)(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)(leng)效率(lv)(lv)很高(實(shi)際(ji)效率(lv)(lv)可達卡諾循(xun)(xun)環的(de)30% )。
但是由于磁制冷技術尚處在(zai)不斷完善的(de)過(guo)程中，還(huan)有很(hen)多問題需要(yao)解決，主要(yao)有：
⑴ 每(mei)次磁制(zhi)冷(leng)循環(huan)所產生的(de)溫差還(huan)(huan)不(bu)(bu)夠(gou)大，目前還(huan)(huan)只有1～3K，這(zhe)主要是由于磁場不(bu)(bu)夠(gou)強(qiang)，也就是說磁性材料的(de)磁熵還(huan)(huan)不(bu)(bu)夠(gou)大。
⑵ 磁制(zhi)冷過程中的熱交換(huan)速度不夠快，從而(er)使磁制(zhi)冷周(zhou)期延長，也使整個循環的熱效率下降。
⑶ 在(zai)室溫條件(jian)下，若不利用超導技術，仍利用電磁鐵或稀(xi)土永磁材料產生磁場(chang)(chang)，則在(zai)兩(liang)磁極面總存在(zai)空氣隙，因(yin)此進(jin)入磁場(chang)(chang)的磁制(zhi)冷材料有(you)(you)限，這就應有(you)(you)絕熱(re)效(xiao)果好的隔熱(re)層(ceng)，這也是一個技術難題。
所(suo)(suo)以在今后磁制(zhi)冷技術發展中應在以下幾個方面(mian)有所(suo)(suo)突破(po)和創新：
⑴ 磁場分(fen)析，磁體結構(gou)的設計應更完善和(he)合理；
⑵ 針(zhen)對(dui)相(xiang)應的(de)(de)溫區選擇換熱介質，設計出最(zui)佳的(de)(de)熱開關或(huo)換熱回路，提高換熱效率(lv)；
⑶ 磁制(zhi)(zhi)冷材料的研(yan)制(zhi)(zhi)，通過改進工藝和材料重(zhong)組制(zhi)(zhi)備性(xing)能更優越(yue)的材料。
可以預(yu)見在不(bu)久的將來，磁制冷技(ji)術會以其自(zi)身的許多優勢迅速發展起(qi)來，被廣泛應用于各(ge)個(ge)行(xing)業。
參考文獻
鮑雨梅，張康達編著.磁制冷技術.北京： 化學工業出版社，2004年
姜自蓮.發展中的磁制冷技術.成都電子機械高等專科學校校報.2001年12月
陳(chen)遠富，陳(chen)云(yun)貴(gui)等.磁(ci)制冷發展現狀及趨勢(shi).低溫工(gong)程.2001年第(di)2期58～61 |
（1）
(m3.k/mol) (2)
（3）
（5）
(6)
(7)
(8)
(9)
一般來說恒為負值，如圖1－2所示：當磁性材料磁化時，dH為正值，△Tad>0,所以系統溫度升高；同樣，當磁性材料去磁時，dH<0, △Tad>0,所以系統的溫度降低。
1—壓縮機 
