作者：石頭
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(wěn)定的合 成化合物，如空調器、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，通過復雜的物理化學過程與臭氧發(fā)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(guī)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(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。
本世紀二十年代末，科學家發(fā)現(xiàn)了磁性物質在磁場作用下溫度升高的現(xiàn)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(fā)工作。
磁制冷原理及特點[1]
⑴ 磁制冷就是利用磁熱效應，又稱磁卡效應（Magneto-Caloric Effect ,MCE）的制冷。磁熱效應是指磁制冷工質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(xiàn)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(shù)，當H/T≤6×105A/（m.K）時，其關系式為： （1）
式中，Cc稱為居里常數(shù)， (m3.k/mol) (2)
有（1-1）得 （3）
這是順磁態(tài)物質的物態(tài)方程式，與理想氣體狀態(tài)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(shù)，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(tài)下，磁場強度從H1變?yōu)镠2，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(tǒng)溫度升高；同樣，當磁性材料去磁時，dH<0, △Tad>0,所以系統(tǒng)的溫度降低。
⑵ 磁制冷是一項綠色環(huán)保的制冷技術。與傳統(tǒng)制冷相比，磁制冷是采用磁性物質作為制冷工質，對大氣臭氧層無破壞作用，
無室溫效應，單位制冷率高，能耗、運動部 件少，因此機械振動及噪聲小，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 到5％～10％。磁制冷應用范圍廣泛，從μK、mK及到室溫以上均適用。在低溫領域，磁制冷技術在制取液氮、液氦、尤其是綠色能源液氫方面有較好的應用前 景；在高溫特別是近室溫領域，磁制冷在冰箱、空調及超市食品冷凍系統(tǒng)方面有廣闊的應用前景。
磁制冷的應用
目前，磁制冷主要應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理論尚未成熟，但磁制冷終將因其高效、無污染等特點成為未來頗具 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磁制冷技術在太空開發(fā)和民用技術中的應用，為磁制冷開辟更加廣闊的前景。
表一 磁制冷潛在市場[3]
應用場合 |
溫區(qū)/k |
應用場合 |
溫區(qū)/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、熱泵 |
288～300 |
|
氨氣 |
240 |
農業(yè) |
化學分離、處理 |
70～295 |
此外，磁制冷冰箱已研制成功，如圖1-3所示
 1—壓縮機
2—冷凝器
3—干燥過濾器
4—蒸發(fā)器
5—保溫層
根據(jù)實驗得知，電冰箱和空調裝置使用的制冷劑—&md
ash;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等國防領域也有廣泛的應用前景:在這個領域里要求冷源設備的重量輕、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。后來，1907年P.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 預言了可以用磁熱效應制冷。隨后Giauque和MacDougall于1933年用Gd2(SO4)3.8H2O作為介質進行了絕熱退磁的 首次試驗，達到了0.53～0.1K超低溫。從此，在超低溫范圍內，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已經(jīng)很成熟。
隨著磁制冷技術的迅速發(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.Brown首先采用金屬Gd為磁制冷介質，采用Stiring循環(huán)，在7T磁場下進行了室溫磁制冷試驗，開創(chuàng)了室溫磁制冷的新紀元。 美國Los Alamos實驗室的W.A.Steyert等[4]設計了一個回轉式的磁制冷裝置，采用Brayton循環(huán)，當高低磁場差為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取得了突破性進展。他們采用3 kg稀上金屬作為磁工質，以水(加防凍劑)作為傳熱介質，以NbTi超導磁體產生磁化場，建立了一套室溫的磁制冷樣機(原理機)系統(tǒng)。該機設計較為完美， 在磁制冷循環(huán)過程中能量損失很小，制冷效率很高(實際效率可達卡諾循環(huán)的30% )。
但是由于磁制冷技術尚處在不斷完善的過程中，還有很多問題需要解決，主要有：
⑴ 每次磁制冷循環(huán)所產生的溫差還不夠大，目前還只有1～3K，這主要是由于磁場不夠強，也就是說磁性材料的磁熵還不夠大。
⑵ 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。
⑶ 在室溫條件下，若不利用超導技術，仍利用電磁鐵或稀土永磁材料產生磁場，則在兩磁極面總存在空氣隙，因此進入磁場的磁制冷材料有限，這就應有絕熱效果好的隔熱層，這也是一個技術難題。
所以在今后磁制冷技術發(fā)展中應在以下幾個方面有所突破和創(chuàng)新：
⑴ 磁場分析，磁體結構的設計應更完善和合理；
⑵ 針對相應的溫區(qū)選擇換熱介質，設計出最佳的熱開關或換熱回路，提高換熱效率；
⑶ 磁制冷材料的研制，通過改進工藝和材料重組制備性能更優(yōu)越的材料。
可以預見在不久的將來，磁制冷技術會以其自身的許多優(yōu)勢迅速發(fā)展起來，被廣泛應用于各個行業(yè)。
參考文獻
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