室温磁制冷技术研究新方向——磁流体制冷

　　自1976年美国Lewis研究中心的G.V.Brown首次在室温条件下实现了磁制冷以来,磁制冷的温度范围开始提高到室温附近。经过20多年的发展，取得了可喜的成绩。目前，在室温制冷研究领域，国内的许多研究机构大都致力于高磁热应固体磁性材料的研究和磁制冷机的研制，不过固体磁制冷工质磁热效应不够大、换热速度不够快，制约了磁制冷技术的应用。若将纳米磁性液体作为磁制冷工质，不仅可以放大磁制冷效应，而且可以强化制冷工质与换热流体之间的热交换，对于提高磁制冷效率有着十分重要的作用。因而可以预见以磁流体为制冷工质室温磁流体制冷将有着广阔的发展前景。

　　一、磁流体制冷的基本原理

　　纳米磁性液体又称磁流体，是一种对磁场敏感，可流动的液体磁性材料。它由3个部分组成：磁性微粒、基液(也称载液)、表面活性剂。与真的溶液不同，它是把纳米数量级(10纳米左右)的磁性微粒包裹一层长链的表面活性剂，均匀分散在基液中形成的一种稳定的胶体溶液,即使在重力、离心力、磁力作用下也不发生分离。图1为磁流体组成示意图。

　　无外加磁场时,顺磁性物质的磁离子的排列是杂乱无章的。然而，顺磁性物质消耗功被磁化后，磁离子按一定的顺序与磁场平行地规则排列，使磁矩有序化，磁熵减小，温度上升，并向周围介质放热。如果接着在绝热条件下去除外界作用，则使得磁有序减小，磁熵增大，温度降低，并向周围介质吸收热量。这种磁性微粒系统在磁场的施加与去除过程中所呈现的热现象称为可逆磁热效应，又称磁热效应。把这两个吸热和放热过程，用一个循环连接起来，就可使磁性材料不断从一端吸热而在另一端放热，从而达到制冷的目的。这就是顺磁性材料绝热去磁在低温区获得磁制冷的原理。在高温区，是利用铁磁材料在居里温度附近等温去磁，以获得大的磁熵变进行制冷的。磁流体作为一种具有流体特性的磁性材料，便是通过这个原理来实现制冷。

　　二、室温磁流体制冷循环

　　常见的磁制冷循环有Carnot循环、Stirling循环、Brayton循环以及Ericsson循环。然而，当温度高于20K甚至接近室温时，磁性材料的晶格熵无法忽视，因而室温磁流体制冷一般采用Er-icsson 循环和Brayton 循环。

　　1. Ericsson 循环。Ericsson 循环用两个等磁场过程连接等温排热和等温吸热过程，因而也常被称为等磁场循环。以图2的循环制冷机实现Ericsson 循环的4个过程如下：

　　(1)等温磁化过程Ⅰ 将外加磁场由H1 增大到H2，这时磁性工质产生的热量向蓄冷流体排出，上部的蓄冷流体温度上升。