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磁制冷 一、定义：磁制冷就是利用磁热效应，又称磁卡效应 (MagnetoCaloric Effect) 的制冷方式. 二、原理： HYPERLINK /view/132303.htm \t _blank 磁热效应是指融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。磁制冷技术中的制冷工质是固态的磁性材料.我们知道，物质由 HYPERLINK /view/21855.htm \t _blank 原子构成，原子由电子和 HYPERLINK /view/21897.htm \t _blank 原子核构成，电子有自旋磁矩还有轨道磁矩，这使得有些物质的原子或离子带有磁矩。磁性材料的离子或原子磁矩在无外磁场时是杂乱无章的，加外磁场后，原子的磁矩沿外磁场取向排列，使磁矩有序化，从而减少材料的磁惰，因而会向外放出热量；而一旦去掉外磁场，材料系统的磁有序减小，磁惰增大，因而会从外界吸收热量。磁惰是温度和磁场的函数，如果把这样两个绝热去磁引起的吸热过程和绝热磁化引起的放热过程用一个循环连接起来，通过外加磁场，有意识地控制磁惰，就可使得磁性材料不断地从一端吸热而在另一端放热，从而达到制冷的目的。 磁制冷原理示意图 三、两种环境下的磁制冷 1、低温磁制冷 在16K以下的极低温区，由于固体的晶格振动和传导电子的热运动可以忽略，故磁离子系统的磁熵变近似等于整个固体的总熵变这种情况下，磁制冷采用卡诺循环，磁材料用稀土顺磁盐。 磁制冷卡诺循环如图1和图2所示。它由四个过程组成： 1－2 为等温磁化（排放热量）：热开关TS1闭合，TS2断开，磁场施加于磁工质上使熵减小，通过高温热源与磁工质的热端连接，热量从磁工质传入高温热源。 2－3 为绝热退磁（温度降低）：热开关TS1断开，TS2仍然断开，逐渐移去磁场，磁工质内自旋系统逐渐无序，在退磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降到低温热源温度。 3－4 为等温退磁（吸收热量制冷）：TS2闭合，TS1仍然断开，磁场继续减弱，磁工质从热源hs吸热。 4－1 为绝热磁化（温度升高）：断开TS2，TS1仍然断开，施加一较小磁场，磁工质温度逐渐上升到高温热源温度。 HYPERLINK /picview/3073493/3073493/0/a08b87d6277f9e2f000038a81f30e924b899f35c.html \t _blank 图2 磁制冷卡诺循环 已开发出的磁材料有：钆镓石榴（Gd3Ga5O12）、镝铝石榴石（Dy3Al5O12）、钆镓铝石榴石（Gd3（Ga1-xAl2）5O12,x=(0.1—0.4)。其制冷温度范围：(4.2—20)K。 正在开发的磁材料有：Ral2和RNi2(R代表Gd,Dy,Ho,Er等重稀土)。其制冷温度范围：（15—77）K。 磁制冷装置 首先需要有超导强磁体，用于产生强度达(4—7)T的磁场。用旋转法实现循环：将钆镓石榴石（ HYPERLINK /view/132269.htm \t _blank 磁介质）做成小球状，充填入一个空心圆环中。使圆环绕中心轴旋转，转到冰箱外的半环受磁场作用， HYPERLINK /view/201619.htm \t _blank 磁化放热；转到冰箱内的半环退磁，吸热制冷。日本川崎公司研究的这类转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T；旋转速度为0.72r/min；制冷温度达(4.2~11.5)K；制冷量为0.12w。 2、高温磁制冷 温度20K以上，特别是近室温附近，磁性离子系统热运动大大加强，顺磁盐中磁有序态难以形成，它在受外磁场作用前后造成的磁系统熵变大大减小，磁热效应也大大减弱。所以，进入 HYPERLINK /view/20616.htm \t _blank 高温区制冷，低温磁制冷所采用的材料和循环适用。 图2 高温磁制冷循环的 图2示出金属钆（Gd）在(200~300)K条件下的图。如图若按 HYPERLINK /view/111772.htm \t _blank 卡诺循环制冷，则温降很小。故这时应采用艾里克森循环（Ericsson），如图中12341所示。它由四个过程组成：1－2为等温 HYPERLINK /view/201619.htm \t _blank 磁化；2－3为等磁场过程（温度降低）；3－4为等温退磁（吸热制冷）；4－1为等磁场过程（温度上升）。 HYPERLINK /picview/3073493/3073493/0/0d338744ebf81a4c6d0ac969d72a6059252da651.html \t _blank 图3 布朗的高温磁制冷实验 布朗用7T的磁场和金属钆，按上述循环成功地从室温制取到－30℃的低温。布朗的实验装置如图3所示。将金属钆板