室温磁制冷工质研究进展

    1 引言

    磁制冷技术是一种绿色环保的制冷技术,其使用磁性物质作为制冷工质,对臭氧层无破坏作用,不产生温室效应。由于磁性工质的熵密度比空气大,磁制冷机的结构较之蒸气压缩制冷机更为紧凑;由于不需要压缩机,运动部件少且运动速度慢,机械振动及噪声很小,可靠性高,寿命长。最好的蒸气压缩制冷机的效率大概为理想卡诺循环的40%,而磁制冷机的效率可以达到60%[1],可以更有效的利用能量。

    磁制冷的出现始于120年前磁热效应的发现,并于1976年开始应用于室温范围。室温磁制冷技术的发展,有赖于不断的发现更优良的磁性工质。这方面已经有大量的研究,并获得了很大的进展。室温磁制冷作为一种崭新的制冷技术,具有非常广阔的发展前景。

    2 磁性工质的磁热效应

    磁制冷技术的实现基于磁性工质的磁热效应(Magnetocaloric effect, MCE)。磁热效应是指顺磁性体或软铁磁性体在外磁场的作用下等温磁化会放出热量,同时磁熵减小;磁场减弱时会吸收热量,同时磁熵增大。

    具体的讲,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,它是磁熵SM,晶格熵SL和电子熵SE的和,即:

  S(T,H) = S_M(T,H)+S_L(T)+S_E(T) (1)

    S_L、S_E仅是绝对温度T的函数,只有磁熵S_M同时是T和H的函数,可以通过改变外磁场而控制(励磁时,原子磁矩趋向一致,磁熵减小;反之磁熵增大)。当控制磁场使SM发生变化时,磁性体内自旋体系的温度从T1变为T2,靠体系间传热,晶格体系、传导电子体系的温度也作同样变化,达到热平衡。

    3 室温磁制冷工质

    3.1 室温磁制冷工质主要的性能指标和选择依据

    磁制冷工质的性能主要取决于以下几个参量:磁有序化温度(磁相变点,如居里点T_C等)、一定外加磁场下磁有序温度附近的磁热效应(MCE)等。

    磁有序化温度是指从高温冷却时,所发生的诸如顺磁→铁磁、顺磁→亚铁磁等类型的磁有序(相变)的转变温度。

    磁热效应(MCE)一般用一定外加磁场变化下的磁有序温度点的等温熵变ΔSM或在该温度下绝热磁化时工质自身的温度变化ΔTad表征。以目前最常用的磁制冷工质Gd为例进行编程计算所得,ΔSM在居里温度附近区域达到最大值[2]。因此,为了得到较大的制冷量应该尽量使制冷温度接近磁工质的居里温度。

    由理论计算知,顺磁工质ΔSM的与总角量子数J和朗德因子数g的平方成正比;铁磁工质的ΔSM与总角量子数J和朗德因子数g的2/3成正比[2]。其近似关系式(式中µB为波尔磁子数)如下:

    顺磁质: