室温磁制冷技术的研究进展

　　0 引 言

　　制冷技术为人们的日常生活提供了许多便利,电冰箱可以为人们提供新鲜的食物;炎热的夏天空调可以为人们送来凉爽。然而,随着对节能环保的日益重视,人们开始意识到传统的压缩制冷技术存在着环境污染和效率低等致命的缺点。

　　磁制冷技术可以克服传统的压缩制冷技术的缺点,是一种热效率高、对环境无污染、绿色环保的制冷技术。首先,磁制冷技术与传统的压缩制冷技术的制冷原理不同:磁制冷技术是依靠磁性材料的磁热效应,通过磁化和去磁过程的反复循环而达到制冷目的的。而传统的压缩制冷技术是通过气体压缩和膨胀而实现制冷目的的。这一过程是一个高能耗过程,每年大约会消耗109 kW的电能。第二,磁制冷技术与传统的压缩制冷技术的制冷工质不同:磁制冷技术的制冷工质是固体,这就从根本上避免了使用有毒的、消耗臭氧层以及能产生温室效应的气体的排出。

　　所以说,磁制冷技术是非常少有的一种绝对清洁的制冷技术。磁制冷技术热效率高,对环境无污染,绿色环保,是一种极具开发潜力的制冷技术。

　　1 磁制冷理论基础

　　1.1 磁热效应

　　磁制冷技术的基本原理是借助磁制冷材料的可逆磁热效应(magnetocaloric efect, MCE),所谓磁热效应是指外加磁场发生变化时磁矩有序排列发生变化,即磁熵改变,导致材料自身发生吸热或放热的现象。磁热效应是Wartzurg在1881年发现的[1]。

　　图1简要说明了磁热效应的原理:物质由原子构成,原子由原子核和电子构成,电子有自旋磁矩和轨道磁矩,这使得有些物质的原子或离子带有磁矩。a)在无外磁场时,顺磁性材料的离子或原子磁矩是杂乱无章的。b)当给磁性材料加外磁场后,原子的磁矩沿外磁场取向整齐排列,使磁矩有序化,系统的磁有序度加强,从而减少材料的磁熵,因而会向外界放出热量。c)当掉去外磁场时,磁矩的方向变得杂乱,材料内部的磁有序度减小,磁熵增大,因而磁性材料会从外界吸收热量,通过热交换使得周围环境的温度降低,从而达到制冷的目的。

　　图2表示了在磁有序化温度(居里温度Tc)附近磁性材料的磁热效应(由$Tad或$SM表示)。常压下磁体的熵S(T,H)是磁场强度H和绝对温T的函数,它由三部分组成,即熵可以表示为:

　　其中SM代表磁熵,SE晶格子系统的熵,SL代表传导电子的熵。SM是T和H的函数,SL和SE都仅是T的函数,因此只有磁熵SM可以通过改变外磁场来加以控制。退磁过程中,材料熵的总和不改变,而磁场对传导电子熵的影响有限。所以,施加磁场(磁化)时,磁熵SM减小,使得SL增大,从而使材料温度升高。退去磁场时,磁熵SM增大,使得SL减小,从而使材料温度降低[4]。