磁冷却法概论

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

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）。随后。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

1

磁冷却法概论

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（居里温度 Tc）附近的磁热效应 MCE（由ΔTad 或ΔSM表示）。无论在室温区还是在低温区，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)、晶格熵 SL(T)和电子熵 SE(T)三部分组成，即：

S(T,H)?SM(T,H)?SL(T)?SE(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 SM可以通过改变外磁场来加以控制。

[2]

三、 磁制冷循环及磁制冷机的研究进展

1、 磁制冷循环

常见的磁制冷循环有Carnot循环，Stifling循环，Ericsson 循环和 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 2。Ericsson 循环磁制冷机见图 3。

Ericsson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

2

磁冷却法概论

A→B过程）、等磁场冷却过程（图 2a中 B→C过程）、等温去磁过程（图 2a中 C→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→B 放出图2b 中AB14 面积大小的热量，等磁场过程C→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[3]。

2、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，由于磁制冷材料的晶格熵很大， 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

磁冷却法概论

（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 100W。

（4）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。

4

磁冷却法概论

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， 磁性材料的晶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。

5

磁冷却法概论

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),

6

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xlog.html