磁制冷工作原理及制冷特點

 磁制冷工作原理及制冷特點

磁制冷作為一種新型制冷技術(shù)研制和發(fā)展對臭氧層無損耗、無溫室效應(yīng)而且可以利用低品位能源作為動力的節(jié)能環(huán)保型的制冷技術(shù)是制冷領(lǐng)域研究的重要課題。
　　1、背景：
　　磁制冷技術(shù)可以克服傳統(tǒng)的壓縮制冷技術(shù)的缺點,是一種熱效率高、對環(huán)境無污染、綠色環(huán)保的制冷技術(shù)。首先,磁制冷技術(shù)與傳統(tǒng)的壓縮制冷技術(shù)的制冷原理不同:磁制冷技術(shù)是依靠磁性材料的磁熱效應(yīng),通過磁化和去磁過程的反復(fù)循環(huán)而達到制冷目的的。而傳統(tǒng)的壓縮制冷技術(shù)是通過氣體壓縮和膨脹而實現(xiàn)制冷目的的。第二,磁制冷技術(shù)與傳統(tǒng)的壓縮制冷技術(shù)的制冷工質(zhì)不同:磁制冷技術(shù)的制冷工質(zhì)是固體,這就從根本上避免了使用有毒的、消耗臭氧層以及能產(chǎn)生溫室效應(yīng)的氣體的排出。
　　2、基本原理：
　　磁制冷 （又稱磁卡效應(yīng)，M agneto-CaloricEffect）即利用磁熱效應(yīng)制冷。磁制冷工質(zhì)在等溫磁化時向外界放出熱量，而絕熱去磁時從外界吸收熱量。對與鐵磁性材料，磁熱效應(yīng)在其居里溫度（磁有序 - 無序轉(zhuǎn)變的溫度）附近最為顯制冷特點：著，當(dāng)作用有外磁場時，該材料的磁熵值降低并放熱；反之當(dāng)去除外磁場時，材料的磁熵值升高并吸熱［7-8］
　　3、制冷特點：
　　采用磁性物質(zhì)作為制冷工質(zhì)，也不導(dǎo)致溫室效應(yīng)。其運動部件少，減小了機械振動和噪聲，可靠性高，效率高（能達到卡諾循環(huán)的 30％～60%）。其應(yīng)用范圍廣，從μK、m K 直到室溫以上均適用；在低溫（制取液氮、液氦、液氫）領(lǐng)域和高溫（特別是近室溫）領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用前景［9]
　　4、研究現(xiàn)狀 ：
　　2001年美國宇航公司(Astronautics Cooperation of America)聯(lián)合Ames實驗室開發(fā)成功了采用永磁體提供磁場的回轉(zhuǎn)式磁制冷機,成為第一臺室溫磁制冷的制冷機。當(dāng)前，低溫區(qū)（20 K 以下）磁制冷的研究已比較成熟并實用化。高溫區(qū)磁制冷還處于試驗研究開發(fā)階段，目前 80 K 至室溫的磁制冷技術(shù)是研究的熱點。研究出低成本且具有巨磁卡效應(yīng)的材料以及利用 NdFeB 等永磁體產(chǎn)生外場（不用結(jié)構(gòu)復(fù)雜而昂貴的超導(dǎo)磁體）是室溫磁制冷關(guān)鍵。面臨的主要困難：①每次磁制冷循環(huán)所產(chǎn)生的溫差還不夠大，只有 1～3 K，磁性材料磁熵太?。虎跓峤粨Q速度不夠快，使制冷周期延長，整個循環(huán)效率下降；③室溫條件下，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，則兩磁極面總存在空氣隙，進入磁場的磁制冷材料有限，這要求有絕熱效果好的隔熱層。
　　5、應(yīng)用前景：
　　磁制冷技術(shù)由于其節(jié)能環(huán)保的特點成為一項極具開發(fā)潛力的高新制冷技術(shù),有著十分廣闊應(yīng)用前景,有望取代傳統(tǒng)的壓縮制冷方式,用于家用、商業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、汽車空調(diào)、超級市場、醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)及其他用途的制冷裝置,因而磁制冷技術(shù)有著廣泛的經(jīng)濟效益及社會效益。磁制冷技術(shù)要真正得以廣泛應(yīng)用,還需要在高性能磁性材料的開發(fā)、磁體和磁場結(jié)構(gòu)的設(shè)計、蓄冷及換熱技術(shù)的改進、磁制冷裝置的設(shè)計等方面取得新的突破。在極低溫和液化氦等小型裝置中，其高效、無污染、無噪聲等眾多特點使其在未來的太空開發(fā)和民用需要方面讓人充滿期待；在要求制冷源設(shè)備重量輕、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的國防領(lǐng)域也有很好前景