磁制冷工作原理及制冷特點

 磁制冷工作原理及制冷特點

磁制冷作為一種新型制冷技術研制和發(fā)展對臭氧層無損耗、無溫室效應而且可以利用低品位能源作為動力的節(jié)能環(huán)保型的制冷技術是制冷領域研究的重要課題。
　　1、背景：
　　磁制冷技術可以克服傳統(tǒng)的壓縮制冷技術的缺點,是一種熱效率高、對環(huán)境無污染、綠色環(huán)保的制冷技術。首先,磁制冷技術與傳統(tǒng)的壓縮制冷技術的制冷原理不同:磁制冷技術是依靠磁性材料的磁熱效應,通過磁化和去磁過程的反復循環(huán)而達到制冷目的的。而傳統(tǒng)的壓縮制冷技術是通過氣體壓縮和膨脹而實現(xiàn)制冷目的的。第二,磁制冷技術與傳統(tǒng)的壓縮制冷技術的制冷工質不同:磁制冷技術的制冷工質是固體,這就從根本上避免了使用有毒的、消耗臭氧層以及能產生溫室效應的氣體的排出。
　　2、基本原理：
　　磁制冷 （又稱磁卡效應，M agneto-CaloricEffect）即利用磁熱效應制冷。磁制冷工質在等溫磁化時向外界放出熱量，而絕熱去磁時從外界吸收熱量。對與鐵磁性材料，磁熱效應在其居里溫度（磁有序 - 無序轉變的溫度）附近最為顯制冷特點：著，當作用有外磁場時，該材料的磁熵值降低并放熱；反之當去除外磁場時，材料的磁熵值升高并吸熱［7-8］
　　3、制冷特點：
　　采用磁性物質作為制冷工質，也不導致溫室效應。其運動部件少，減小了機械振動和噪聲，可靠性高，效率高（能達到卡諾循環(huán)的 30％～60%）。其應用范圍廣，從μK、m K 直到室溫以上均適用；在低溫（制取液氮、液氦、液氫）領域和高溫（特別是近室溫）領域都有廣泛應用前景［9]
　　4、研究現(xiàn)狀 ：
　　2001年美國宇航公司(Astronautics Cooperation of America)聯(lián)合Ames實驗室開發(fā)成功了采用永磁體提供磁場的回轉式磁制冷機,成為第一臺室溫磁制冷的制冷機。當前，低溫區(qū)（20 K 以下）磁制冷的研究已比較成熟并實用化。高溫區(qū)磁制冷還處于試驗研究開發(fā)階段，目前 80 K 至室溫的磁制冷技術是研究的熱點。研究出低成本且具有巨磁卡效應的材料以及利用 NdFeB 等永磁體產生外場（不用結構復雜而昂貴的超導磁體）是室溫磁制冷關鍵。面臨的主要困難：①每次磁制冷循環(huán)所產生的溫差還不夠大，只有 1～3 K，磁性材料磁熵太小；②熱交換速度不夠快，使制冷周期延長，整個循環(huán)效率下降；③室溫條件下，不利用超導技術，仍利用電磁鐵或稀土永磁材料產生磁場，則兩磁極面總存在空氣隙，進入磁場的磁制冷材料有限，這要求有絕熱效果好的隔熱層。
　　5、應用前景：
　　磁制冷技術由于其節(jié)能環(huán)保的特點成為一項極具開發(fā)潛力的高新制冷技術,有著十分廣闊應用前景,有望取代傳統(tǒng)的壓縮制冷方式,用于家用、商業(yè)、工業(yè)生產、汽車空調、超級市場、醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)及其他用途的制冷裝置,因而磁制冷技術有著廣泛的經(jīng)濟效益及社會效益。磁制冷技術要真正得以廣泛應用,還需要在高性能磁性材料的開發(fā)、磁體和磁場結構的設計、蓄冷及換熱技術的改進、磁制冷裝置的設計等方面取得新的突破。在極低溫和液化氦等小型裝置中，其高效、無污染、無噪聲等眾多特點使其在未來的太空開發(fā)和民用需要方面讓人充滿期待；在要求制冷源設備重量輕、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的國防領域也有很好前景