新型制冷技术——磁制冷原理与使用

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2018-10-20 21:40

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1、背景：磁制冷技术可以克服传统的压缩制冷技术的缺点,是一种热效率高、对环境无污染、绿色环保的制冷技术。首先,磁制冷技术与传统的压缩制冷技术的制冷原理不同: 磁制冷技术是依靠磁性材料的磁热效应,通过磁化和 ...

1、背景：

磁制冷技术可以克服传统的压缩制冷技术的缺点,是一种热效率高、对环境无污染、绿色环保的制冷技术。

首先,磁制冷技术与传统的压缩制冷技术的制冷原理不同:

磁制冷技术是依靠磁性材料的磁热效应,通过磁化和去磁过程的反复循环而达到制冷目的的。

而传统的压缩制冷技术是通过气体压缩和膨胀而实现制冷目的的。

第二,磁制冷技术与传统的压缩制冷技术的制冷工质不同:磁制冷技术的制冷工质是固体,这就从根本上避免了使用有毒的、消耗臭氧层以及能产生温室效应的气体的排出。

2、基本原理

磁制冷（又称磁卡效应，Magneto-CaloricEffect）即利用磁热效应制冷。磁制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时从外界吸收热量。对与铁磁性材料，磁热效应在其居里温度（磁有序 - 无序转变的温度）附近最为显著制冷特点：当作用有外磁场时，该材料的磁熵值降低并放热；反之当去除外磁场时，材料的磁熵值升高并吸热。

3、制冷特点：

采用磁性物质作为制冷工质，也不导致温室效应。其运动部件少，减小了机械振动和噪声，可靠性高，效率高（能达到卡诺循环的 30％～60%）。

其应用范围广，从μK、m K 直到室温以上均适用；在低温（制取液氮、液氦、液氢）领域和高温（特别是近室温）领域都有广泛应用前景

4、研究现状

2001年美国宇航公司(Astronautics Cooperation of America)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,成为第一台室温磁制冷的制冷机。当前，低温区（20 K 以下）磁制冷的研究已比较成熟并实用化。高温区磁制冷还处于试验研究开发阶段，目前 80 K 至室温的磁制冷技术是研究的热点。

研究出低成本且具有巨磁卡效应的材料以及利用NdFeB 等永磁体产生外场（不用结构复杂而昂贵的超导磁体）是室温磁制冷关键。

面临的主要困难：

①每次磁制冷循环所产生的温差还不够大，只有 1～3 K，磁性材料磁熵太小；②热交换速度不够快，使制冷周期延长，整个循环效率下降；

③室温条件下，不利用超导技术，仍利用电磁铁或稀土永磁材料产生磁场，则两磁极面总存在空气隙，进入磁场的磁制冷材料有限，这要求有绝热效果好的隔热层。

5、应用前景

磁制冷技术由于其节能环保的特点成为一项极具开发潜力的高新制冷技术,有着十分广阔应用前景,有望取代传统的压缩制冷方式,用于家用、商业、工业生产、汽车空调、超级市场、医疗卫生事业及其他用途的制冷装置,因而磁制冷技术有着广泛的经济效益及社会效益。

磁制冷技术要真正得以广泛应用,还需要在高性能磁性材料的开发、磁体和磁场结构的设计、蓄冷及换热技术的改进、磁制冷装置的设计等方面取得新的突破。

在极低温和液化氦等小型装置中，其高效、无污染、无噪声等众多特点使其在未来的太空开发和民用需要方面让人充满期待；在要求制冷源设备重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和冷量范围广的国防领域也有很好前景。