低温磁制冷技术应用与发展.doc

低温磁制冷技术应用与发展 摘要：随着制冷与低温工程的发展，人们面临着环境的再次挑战，臭氧层的破坏和温室效应与一些制冷剂的使用和泄露有密切的联系， 因此有必要找到一种更有效更环保的制冷方法，所以磁制冷以其自身的特点具有更广阔的应用前景。 一、 引言 　　 　　臭氧层是指距地球表面10至50公里的大气层中由臭氧构成的气层。臭氧是一种气体，其分子结构为三个氧原子，即O3。臭氧层的主 要功能在于吸收来自宇宙的紫外线，使地球上的万物免受紫外线辐射的危害，所以，臭氧层被称之为地球的保护伞。但如今，臭氧层已被人类 严重破坏，本世纪开始人类大量使用高度稳定的合成化合物，如空调器、冰箱工业、溶剂、航空航天用制冷剂、喷雾剂、清洗剂中含氯氟烃化 合的挥发出来，通过复杂的物理化学过程与臭氧发生化学反应而将其摧毁。 　　 　　为了防止生产和使用氟氯碳类化合物造成的大气臭氧层的破坏，到2000年全世界将限制和禁止使用氟里昂制冷剂，我国于1991年6月 加入这个国际公约并做出规定，到2010年我国将禁止生产和使用氟里昂等氯氟烃和氢氯氟烃类化合物。 　　 　　因此，需要加快研究开发无害的新型制冷剂或不使用氟里昂制冷剂的其它类型制冷技术。 　　 　　本世纪二十年代末，科学家发现了磁性物质在磁场作用下温度升高的现象，即磁热效应。随后许多科学家和工程师对具有磁热效应 的材料、磁制冷技术及装置进行了大量的研究开发工作。 　　 　　二、 磁制冷原理及特点[1] 　　 　　⑴磁制冷就是利用磁热效应，又称磁卡效应（Magneto-CaloricEffect,MCE）的制冷。磁热效应是指磁制冷工质在等温磁化时向外界 放出热量，而绝热去磁时温度降低，从外界吸收热量的现象。 　　例如对于铁磁性材料来说，磁热效应在它的居里温度（磁有序－无序转变的温度）附近最为显著，当作用有外磁场时，该材料的磁 熵值降低并放出热量；反之，当去除外磁场时，材料的磁熵值升高并吸收热量，这和气体的压缩－膨胀过程中所引起的放热－吸热的现象相似 。其原理图如图1－1所示 　　磁热效应热力学基础[2] 　　所示：当磁性材料磁化时，dH为正值，△Tad0,所以系统温度升高；同样，当磁性材料去磁时，dH0,△Tad0,所以系统的温度降低 。 　　 　　⑵磁制冷是一项绿色环保的制冷技术。与传统制冷相比，磁制冷是采用磁性物质作为制冷工质，对大气臭氧层无破坏作用，无室温 效应，单位制冷率高，能耗、运动部件少，因此机械振动及噪声小，工作频率低，可靠性高。在热效率方面，磁制冷可以达到卡诺循环的30％ ～60%，而依靠气体压缩－膨胀的制冷循环一般只能达到5％～10％。磁制冷应用范围广泛，从μK、mK及到室温以上均适用。在低温领域，磁制 冷技术在制取液氮、液氦、尤其是绿色能源液氢方面有较好的应用前景；在高温特别是近室温领域，磁制冷在冰箱、空调及超市食品冷冻系统 方面有广阔的应用前景。 　　 　　三、 磁制冷的应用 　　 　　目前，磁制冷主要应用在极地温和液化氦等小规模的装置中。虽然诸多原因的限制使磁制冷基础理论尚未成熟，但磁制冷终将因其 高效、无污染等特点成为未来颇具潜力的一种新的制冷方式，而对磁制冷循环理论的拓深必能大力推进磁制冷技术在太空开发和民用技术中的 应用，为磁制冷开辟更加广阔的前景。 　　 此外，磁制冷冰箱已研制成功，如图1-3所示 　　根据实验得知，电冰箱和空调装置使用的制冷剂——氟利昂会污染环境，而用磁制冷原理制作的冰箱这不仅不会破坏环境，而且效 率要比用氟利昂制冷高40%，其成本低25%。 　　 　　另外，磁制冷在空间和核技术等国防领域也有广泛的应用前景:在这个领域里要求冷源设备的重量轻、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。磁制冷机完全符合这些条件，例如冷冻激光打靶的氘丸，核聚变的氘和氚丸，红外元件的冷却 ，磁窗系统的冷却，扫雷艇超导磁体的冷却等。 　　 　　四、 磁制冷的历史与发展 　　 　　早在1881年，E.Warburg就在铁中发现了磁热效应。后来，1907年P.Langevin也注意到了恒磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。 1926年Debye和Giauque都预言了可以用磁热效应制冷。随后Giauque和MacDougall于1933年用Gd2(SO4)3.8