磁制冷设计研究现状.doc

专业资料分享 完美DOC格式整理 磁制冷材料研究进展 姓名：王永莉 学号： 单位：有色院 磁制冷材料研究进展 摘要：本文介绍了磁制冷的历史，原理，研究现状，概述了几种室温磁制冷材料的研究进展及研究成果，分析了磁制冷技术面临的问题及今后的发展趋势。 关键词：磁制冷；室温磁制冷材料；发展趋势 1 引言 随着全球温室效应的加剧，全球变暖越来越引起人们的关注，人们也越来越重视环境保护。从1989年起，蒙特利尔协议的生效，以氟利昂为主的传统制冷剂因会破坏臭氧层，导致温室效应而逐渐被禁用。具有环境友好，高效率的新型制冷技术迅猛发展，如：半导体制冷，磁制冷，电制冷等[1]。磁制冷技术是以磁性材料为工质,借助材料本身的磁热效应来制冷的一种绿色技术,制冷效率高达传统气体制冷的5～10 倍,可以显著节省能源;而且固态磁制冷材料的熵密度远大于气体,制冷机体积较小,不需要大幅度的气体压缩运动,运行平稳可靠;更为重要的是该技术无氟利昂、氨等制冷剂,无环境污染。目前在超低温领域中,利用原子核去磁制冷原理制取液化氦、氮、氢已得到广泛应用。在室温制冷方面,磁制冷有望在空调、冰箱等方面获得商业应用,成为未来最有发展前景的一种新型制冷技术[2]。 2 磁制冷的历史 1881年Warburg首先观察到金属铁在外加磁场中的热效应。1907年，Langevin第一次展示通过改变顺磁材料的磁化强度导致可逆温度变化。1926年Debye，1927年Giuque两位科学家分别从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷的结论后，极大地促进了磁制冷的发展。1933年Giauque等人以顺磁盐Gd2(SO4)3·8H2O为工质成功获得了1K以下的超低温，从此，在超低温范围内，磁制冷发挥了很大的作用，一直到现在这种超低温磁制冷技术已经很成熟。随着磁制冷技术的迅速发展，其研究工作也逐步从低温向高温发展。1976年，美国NASA Lewis和G.V.Brown首先采用金属Gd为磁制冷介质，采用Stiring循环，在7T磁场下进行了室温磁制冷试验，开创了室温磁制冷的新纪元，人们开始转向寻找高性能的室温磁致冷材料的研究[3]。 3 磁制冷原理 3.1 磁熵理论 磁致冷是利用磁性材料的磁熵变化过程中吸热和放出热的制冷方式。从热力学观点看，磁致冷物质由自旋体系、晶格体系和传导电子体系组成，它们除了各自具有的热运动以外，各体系间还存在着种种相互作用，并且进行着热交换。当磁性工质达到热平衡状态时，各体系的温度都等于磁性工质的温度。磁性工质的熵为磁熵、晶格熵和电子熵的总和。在不考虑压力影响的情况下，磁性材料的其热力学性质可用吉布斯函数G(M，T)来描述(磁场为H，温度为T，压力为P)[4]。 体系的吉布斯函数进行微分可得到熵： S(H,T)= -(?G/?T)H (1) 磁化强度： M(H,T) = -(?G/?H)T (2) 熵的全微分： dS = (?S/?T)HdT + (?S/?H)TdH (3) 在恒磁场下定义磁比热CH： CH = T(?S/?T)H (4) 由方程（1）（2）可得： (?S/?H)T = (?M/?T)H (5) 将（4）（5）带入（3）得： dS =（CH/T)dT + (?M/?T)HdH (6) 对方程（6）： (i)绝热条件下，dS = 0 dT = -(T/CH) (?M/?T)HdH (7) (ii)等温条件下，dT = 0 dS = (?M/?T)HdH (8) (iii)等磁场条件下，dH = 0 dS =（CH/T)dT (9) 如能通过实验测得M(T,H)和CH(H,T)，则根据方程可确定ΔT及ΔSM。 3.2 磁制冷循环的原理 磁致冷循环的制冷循环如图1所示。磁致冷材料的磁矩在无外加磁场情况下处于无序状态，磁熵较大；当磁致冷材料绝热磁化时，磁矩在磁场作用下与外磁场平行，磁有序度增加，磁熵值降低，向外界放出热量(类似于气体压缩放热的情形)；相反，当磁致冷材料绝热去磁时，材料的磁矩由于原子或离子的热运动又回复到随机排列的状态，磁有序度降低，磁熵增加，材料从外界吸收热量，使外界温度降低(类似