室温磁制冷研究现状与发展

    1 前言

    目前，传统蒸气压缩式制冷已经广泛应用于各种场合，其技术已经相当成熟。但是随着人们对效率和环保的日益关注，蒸气压缩式制冷低效率和危害环境这两个缺点变得日益明显：

    (1)传统的气体压缩制冷效率低，只能达到卡诺循环的 5％～10％，且能效比小；

    (2)氟利昂工质易泄漏，破坏臭氧层，造成环境污染。

    因此在进一步发掘蒸气压缩式制冷潜力的同时，工程研究人员也开始把目光转向新的制冷技术，如热电制冷、热声制冷、吸收（附）制冷以及磁制冷等技术。

    磁制冷是一项绿色环保的制冷技术。磁制冷和气体压缩制冷是两种不同的制冷方式，具有较大差异。

    其一，实现原理不一样：磁制冷是通过励磁、退磁而实现的制冷；而传统气体压缩制冷则是通过气体压缩、膨胀而实现制冷。因此磁制冷不需能耗很大的压缩机，但需提供磁场。

    其二，制冷工质差异大：磁制冷的工质为固体，无毒、无温室效应、不破坏臭氧层，且具有高熵密度。为获得 2.3R 的熵变化，气体压缩制冷在 P₁=1MPa，P₂/P₁=10 时需要 22.4 L 的气体，而磁制冷如以磁工质 Gd₃Ga₅O₁₂（简称 GGG）为例，仅需 143 cm³体 积便能获得与上述气体系统相同数值的熵变，浓缩程度约为气体的 156 倍。因此作为小型、大功率的制冷系统，磁制冷是很有希望的。但另一方面，磁工质高熵密度同时意味着在等温吸热和放热过程中，迅速而又高效地进行自旋系统与 外部热源之间的热交换将成为磁制冷中非常重要的问题。表 1给出了磁制冷、气体压缩制冷的简单比较。

    2 磁制冷原理

    磁热效应（MCE）是指顺磁体或软铁磁体在外磁场的作用下等温磁化会放出热量，同时磁熵减少；在磁场减弱时会吸收热量同时磁熵增大。磁热物质在磁有序化温 度（居里温度 Tc）附近的磁热效应 MCE（由ΔTad或ΔSM表示）。无论在室温区还是在低温区，磁性材料磁热效应的大小是决定其制冷能力的关键。

    常压下磁体的熵S(T,H)是磁场强度H和绝对温度 T 的函数，它由磁熵 S_M(T,H)、晶格熵 S_L(T)和电子熵 S_E(T)三部分组成，即：

    其中，S_M是 T 和 H 的函数，S_L和 S_E都仅是 T 的函数，因此只有磁熵 S_M可以通过改变外磁场来加以控制。

    3 研究现状和进展