室温磁制冷工质的发展

磁制冷[利用磁热效应的固态制冷方式]发展沿革近年来，人类社会的可持续发展对传统蒸汽压缩式制冷技术在环保、能效等方面提出了更高要求，发展环境友好、节能高效的新型制冷技术成为有效的解决手段之一。

磁热效应（magnetocaloric effect，MCE）是一种变化磁场下磁性材料磁矩有序度发生变化而导致的热现象。

在磁性材料被磁化时，磁矩有序度增加，磁熵减小，温度上升，向外界放出热量；退磁时，磁性材料磁矩有序度减少，磁熵增加，温度下降，自外界吸收热量。

1881 年， Warburg在金属铁中首次发现了这种现象，随后Giauque进行了绝热去磁的应用研究，并于1927年获得小于1 K的低温。

1976 年室温磁制冷技术出现了突破性进展，美国NASA的Brown采用稀土金属钆（Gd）搭建了第一台室温磁制冷样机，并引入回热概念，在7T超导磁场下获得47K无负荷制冷温跨。

基于回热器式室温系统的实践经验，1982年Barclay与Steyert 进一步提出了主动磁回热器原理（activemagnetic regenerator，AMR），并构建出主动磁制冷循环，为目前绝大多数室温磁制冷机采用。

当前室温磁制冷技术已在磁热材料研发、流程设计回热器制备工艺、磁路设计等方面获得了不小的进步。

1997年Gschneidner 和Gschneidner发现了GdSiGe基材料的巨磁热效应，随后胡凤霞等发现了比 Gd 绝热温变更大且价格更便宜的LaFeSi基材料；当单层 AMR 技术满足不了制冷性能的需求时，通过元素调节和掺杂可以调节材料的居里温度点，为多层AMR 的应用奠定了材料学基础。

这些材料方面的进展带动了近期室温磁制冷的研究热潮，据2015 年统计数据，自1976年以来已公布的室温整机系统达到48台，其中近五年的样机数量占据总数的43%，这也标志着室温磁制冷技术进入了快速发展的阶段。

近年来，在磁制冷循环、数值模拟与样机等方面，室温磁制冷技术已出现了不错的进展: 许多学者通过热力学分析对磁制冷循环进行理论研究，提出了复合式磁制冷循环和耦合回热式制冷的主动磁制冷循环等概念；由于磁制冷系统的数值模型涉及磁、热、流体等多个物理场的耦合，数值仿真模型比较复杂，也已逐步构建出不同维度的仿真模型；随着对运行机理理解的深入，室温磁制冷样机的形式也在不断演化，例如旋转回热器/磁体系统等。

磁制冷技术的最新动态磁制冷技术的最新动态步骤一：引言磁制冷技术是一种新兴的、环保的制冷方式，其基本原理是通过改变磁场中材料的磁矩来实现制冷效果。

与传统的压缩机制冷相比，磁制冷具有更高的能效和更低的环境污染，因此备受关注。

本文将根据磁制冷技术的最新动态，为读者介绍该技术的发展现状和未来前景。

步骤二：回顾磁制冷技术的基本原理磁制冷技术的基本原理是通过对材料中的磁矩进行调控来实现制冷效果。

当一个磁场施加到材料上时，材料中的磁矩会发生变化，导致材料中的熵增加，从而使温度下降。

这种制冷方式与传统的压缩机制冷相比，不需要使用制冷剂，因此更环保。

步骤三：最新动态近年来，磁制冷技术在研究和应用领域取得了重要进展。

以下是磁制冷技术的最新动态：1. 新材料的发现：磁制冷技术需要具有特定磁性质的材料，以实现调控磁矩的目的。

最近，科学家们发现了一些新型材料，比如磁性金属合金和稀土材料，具有较大的磁矩变化范围和较低的磁场强度要求，这为磁制冷技术的应用提供了更多可能。

2. 提高制冷效率：为了进一步提高磁制冷技术的效率，研究人员正在探索新的材料结构和磁场调控方法。

例如，一些研究表明，在纳米尺度下调控材料的磁性质可以显著提高磁制冷的效果。

此外，研究人员还在探索将磁制冷技术与其他制冷方式结合的可能性，以进一步提高整体制冷效率。

3. 应用领域的拓展：磁制冷技术目前主要应用于小型制冷装置、低温悬浮系统等领域。

然而，随着技术的不断发展，磁制冷技术在更广泛的应用领域展现出巨大潜力。

例如，磁制冷技术可以应用于电子设备和电动车辆的制冷系统，提高其能效并减少对环境的影响。

步骤四：未来前景磁制冷技术作为一种新兴的、环保的制冷方式，具有广阔的发展前景。

随着新材料的不断发现和制备技术的进步，磁制冷技术的效率将不断提高，使其在更多领域得到应用。

此外，随着全球环保意识的提高，磁制冷技术有望成为替代传统制冷方式的主流技术。

综上所述，磁制冷技术作为一项新兴技术，在近年来取得了重要进展。

浅谈磁制冷技术的应用与发展作者：田兆清来源：《科学之友》2009年第27期摘要:本文主要从磁制冷的原理及特点、常用磁制冷循环、磁制冷的应用以及磁制冷技术的历史和发展进行阐述。

关键词:磁制冷;磁热效应;进展中图分类号:TB69 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2009)27-0015-02磁制冷方式是一种以磁性材料为工质的制冷技术,其基本原理是借助磁致冷材料的可逆磁热效应,又称磁卡效应 (Magnetoc~ofic Effect,MCE)即磁致冷材料等温磁化时温度升高向外界放出热量,而绝热退磁时温度降低从外界吸收热量,从而达到制冷目的。

目前,由于全球气候的日趋变暖和灾害性天气的频繁发生,过去的制冷技术因存在着制冷效率低,能耗大,对地球温室效应影响大的问题,已经不再适应社会的需求。

在这样的情况下,磁制冷作为一项节能环保的绿色制冷技术,开始备受瞩目。

为此,为了能让更多的人理解磁制冷技术,本文将谈谈磁制冷技术的应用及发展。

1磁制冷的原理及特点1.1磁制冷的原理磁制冷技术中的制冷工质是固态的磁性材料。

磁制冷就是利用磁性材料的磁热效应,又称磁卡效应(MCE)来实现制冷的。

而从热力学上说,磁热效应是通过外磁场使磁性材料的熵改变,从而形成一个温度变化,其变化为:dU=TdS+µ0HdM-PdV (1)在忽略了体积效应后得到:d(U-TS-µ0HM)=-SdT-µ0MdH(2)由全微分关系得:(∂S/∂H)T=µ0(∂M/ ∂T)H(3)因此,在等温情况下外磁场的变化引起的磁熵变为:△S=µ0∫Hf Hi(∂M/∂T)H dH对于绝大多数材料,系统的体积效应是可以忽略的。

同样,在绝热情况下的磁系统在外磁场发生变化时的温度变化为:△T=-µ0∫T/ CH(∂M/ ∂T)H dH从上式看出,当磁性材料磁化时,dH >0,所以系统温度升高;同样,当磁性材料去磁时,dH1.2磁制冷的特点磁制冷技术是一项节能环保的绿色制冷技术,与传统的气体压缩式制冷技术相比较,磁制冷的效率高,可获得足够的低温;热动力循环效力达60 %,为普通电冰箱的1.5倍,膨胀的制冷循环一般只能达到5 %～10 %。

磁制冷材料及其发展前景摘要：本文简要介绍了磁制冷的原理、历史,简述了磁热效应的表征,概述了近年来各室温磁制冷材料的研究进展及最新研究成果，展望了室温磁制冷材料的发展趋势。

关键词：磁致冷材料，磁热效应，稀土，发展前景Magnetic refrigeration Materials And It’sDevelopment prospectAbstract:The basic principle and history of magnetocaloric effect (MCE) have been introduced.The metods how to express the MCE have summerized.The development of room temperature magnetic refrigerants has been reviewed and the developmenttrend of magnetic refrigerant has been provided.Key words:Magnetic refrigerant,Magnetocaloric effect change,Rare earth，Development prospect引言磁制冷是指以磁性材料为工质的一种新型的制冷技术,其原理是利用磁制冷材料的磁热效应,即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量,绝热退磁时从外界吸收热量,从而达到制冷的目的。

磁制冷与传统制冷技术相比具有对臭氧层无破坏作用、无温室效应、噪音小、可靠性好、效率高(可达30%～60%)等优点,因而被誉为绿色制冷技术[1]。

1 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。

磁制冷的历史及进展现代社会的发展和生活质量的提高要求有舒适的环境，作为现代科学血液的制冷技术在近200年逐步发展和成熟，给人类的生活带来了舒适和享受，也给科学和技术提供了研究和使用平台。

因为人类能源有近三分之一消耗在制冷上，因此制冷技术的状况对人类的生存和可持续发展就显得极为重要。

从技术层面上说，制冷按照使用原理的不同主要有液体汽化制冷、气体膨胀制冷、吸收制冷、吸附制冷、热电制冷、涡流管制冷、热声制冷、脉冲管制冷以及磁制冷等多种形式，但目前的主流制冷方式是液体汽化制冷。

液体汽化制冷大量使用的氟里昂会对大气构成严重的污染：它不但破坏大气层上空的臭氧环境（R12，R22，R502等制冷性能优良的主流制冷剂），而且还具有大的温室效应（R134a和R152a等目前所谓的替代品氟里昂），此外新近在冰箱上尝试使用的异丁烷600a也存在燃爆性这样的安全问题。

因为制冷与我们的生活息息相关，它直接影响了能源的使用和环境的质量，因此研究和发展节能、安全、环保的新型制冷方式就非常迫切，而且意义重大磁制冷的研究可追溯到十九世纪。

磁性材料有磁热效应的第一个例子是铁，它在1888年首先由Warburg在实验中观察到。

而磁制冷作为一种制冷方式的可能性则在1926年由Debye 和Giauque阐明。

1933年，W.F.Giauque和D.P.Mac Dougall利用磁热效应进行绝热去磁冷却顺磁盐成功。

到今天，使用核去磁人类已经可以达到10-8K的极低温度，但那种制冷方式没有循环可言。

构成循环的磁制冷因为其过程的可逆性而在理论上具有最高的循环效率，而且没有压缩机，所以就成了物理学家梦寐以求的制冷方式。

但后来的研究仅仅在极低温领域（绝对零度附近）获得成功，并且早已生产出了氦的磁制冷液化设备。

在室温磁制冷部分则经历了太多的失败后长期停滞不前，一直没有什么大的进展。

和低温下的磁制冷不同，室温磁制冷因为热扰动的加剧和超高磁场获得的困难，所以在循环方式、磁制冷工质以及系统设计上都有特殊的要求，实现起来十分艰难，从而长期裹足不前。

磁制冷发展现状及趋势: 磁制冷技术陈远富1 陈云贵1 滕保华2 唐永柏1 付 浩1 唐定骧3 涂铭旌1(1四川大学金属材料工程系,2四川大学应用物理系 成都 610065)(3中科院长春应用化学研究所 长春 130022) 摘 要 简要介绍了磁制冷实现的原理,概括了磁制冷与气体压缩制冷的差异,比较了4种磁制冷循环的优缺点及适用场合,重点评述了室温温区磁制冷样机的研究进展,分析了磁制冷的关键技术,最后给出了磁制冷的潜在市场并展望了发展趋势。

主题词 磁制冷 磁制冷机 磁制冷循环0 引 言传统压缩制冷技术广泛应用于各行各业,形成了庞大的产业,但它存在两个明显的缺陷:制冷效率低且氟利昂工质的泄漏会破坏大气臭氧层。

根据蒙特利尔协议到2000年将全面禁止氟利昂的生产和使用,使制冷行业面临一场变革。

现在大力研究开发的无氟替代制冷剂,基本上可以克服破坏大气臭氧层的缺陷,但仍保留了制冷效率低、能耗大的缺陷,而且有的还会产生温室效应等,不是根本解决办法。

磁制冷作为一项高新绿色制冷技术,与传统压缩制冷相比具有如下竞争优势:无环境污染:由于工质本身为固体材料以及可用水来作为传热介质,消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷;高效节能:磁制冷的效率可达到卡诺循环的30%~60%,而气体压缩制冷一般仅为5%~10%,节能优势显著;易于小型化:由于磁工质是固体,其熵密度远远大于气体的熵密度,因而易于做到小型化;稳定可靠:由于无需压缩机,运动部件少且转速缓慢,可大幅降低振动与噪声,可靠性高,寿命长,便于维修。

磁制冷技术因具有上述优势以及其在液化氢、以及室温磁制冷方面具有巨大的市场前景而受到全球广泛的关注,美、日、法等发达国家投入了大量人力、物力进行研究开发。

1 磁制冷实现的原理及过程绝热去磁制冷的原理为:磁致冷材料(磁工质)等温磁化时,由于其磁矩取向趋于有序,使磁熵减小,磁工质向外界放热;当绝热去磁时,由于磁矩又趋于无序,磁熵增加,磁2001年第2期低 温 工 程No 2 2001总第120期CRYOGENICS Sum No 120 四川省计委重点科技攻关项目支持。