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[摘 要]磁制冷技术是一种绿色环保的制冷技术,与传统压缩制冷技术相比,其使用磁性物质作为制冷材料,对臭氧层无破坏作用,不产生温室效应.因此,此项技术被越来越多的行业所应用.本文就磁制冷技术的原理特点及发展应用做简单概述.

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[关 键 词]磁制冷循环过程应用

中图分类号：N941.8文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）44-0386-01

与新型冷技术相比,传统压缩制冷技术存在两个明显的缺陷：①制冷效率低.②氟利昂工质的泄漏会破坏大气臭氧层.近年来我国大力研究开发的无氟替代制冷剂,基本上弥补了破坏大气臭氧层的缺陷,但仍保留了制冷效率低、能耗大的缺点,且有的还会产生温室效应等,不是根本解决办法.而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：无环境污染；高效节能等特点.因此被作为一种新型制冷材料广受爱戴.磁制冷被认为是一种“绿色”的制冷方式,有望代替现在正在使用的耗能大且有害环境的气体压缩制冷方式.和现在最好的制冷系统相比,磁制冷可以少消耗20%至30%的能源且不破坏臭氧层和排放温室气体,而现在使用的冰箱和空调系统则正在成为全世界能源消耗的主体.在美国,夏季用在制冷方面的能源消耗大约接近这个国家总能耗的50%.

1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,且可获得足够的低温；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%.另外,磁致冷机由于不需要在高温下进行的压缩机,又用固体材料做工质,因而具有结构简单、体积小、重量轻、无噪音、便于维修和无污染等优点.

2常用磁制冷循环过程

磁制冷过程就是用循环把磁致冷材料的磁化放热和退磁吸热过程连接起来,从而在一端放热,在另一端吸热.目前常用的磁制冷循环方式主要卡诺循环、Stirling和Ericsson三种循环.

2.1卡诺循环（适于低温制冷）

卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环过程：等温磁化过程,在这个过程中系统从环境中吸收热量；绝热去磁过程,在这个过程系统对环境作功,使磁性工质的总熵保持不变,磁熵的改变使温度下降,下降的幅度与磁熵变成正比；等温去磁过程,在这个过程系统向环境中放出热量；绝热磁化过程,在这个过程系统对环境作负功,使磁性工质等熵变化,其温度上升.

2.2Stirling循环

Stirling循环是由两个等温过程和两个等容过程构成的热力学循环.理Stirling循环是热力学可逆的,它的制冷系数等于卡诺循环的制冷系数.实际的Stirling循环中,制冷量的输出及磁化热都需经过蓄冷器冷却或加热后被带走,必然存在传热损失、混合热损失等不可逆因素,因此,循环所得的制冷量与温度和整个循环系统的设计密切相关.

3磁制冷材料的分类

磁制冷的研究已进行了很长时间.早在1918年,科学家们就发现有些金属在磁化时会变热,而退磁后又会变冷.1926年和1927年,荷兰物理化学家德拜和加拿大化学家吉奥克首次提出了磁制冷的基本原理,从那以后,对于利用“磁热效应”制冷的研究和探索就从未停止过.但长期以来,磁制冷研究的进展非常缓慢,而缺少性能优异的高效磁制冷材料正是制约其发展的瓶颈.

1976年布朗（G.V.Brown）成功地进行了室温磁制冷实验,这激发了人们对以磁性物质为制冷工质的新制冷方式（即所谓磁制冷）的研究.特别是20世纪80年代超导技术的发展,使液氦制冷技术的高效率化成为低温工程的一个主要研究课题,这也促进了20K以下低温区域的卡诺循环磁制冷机的研究.另一方面,为了提高蓄冷式（回热式）制冷机的制冷效率,将在低温下（约10K）发生相变的重稀土磁性物质用作低温蓄冷材料的研究也开始出现,并取得了显著的成果.磁性物质在低温制冷机的应用前景是十分美好的.早在1920年,德拜（Debye）和吉奥克就在理论上提出利用磁热效应可以进行制冷.1933年用“绝热去磁冷却”法,从4.2K出发获得了0.8K的低温.随后,这种方法发展为“核去磁冷却”,对极低温,特别是μK级温度环境的生成发挥着巨大的作用,成为现代低温物理不可缺少的研究方法之一.根据用不同种类的过程连接上述两个等温过程,可以定义各磁卡诺循环是用绝热去磁和绝热磁化过程

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4磁制冷的应用

目前,磁制冷在空间和核技术等国防领域也有广泛的应用前景：在这个领域里要求冷源设备的重量轻、振动和噪音小、可靠性高、操作方便、工作周期长、冷量范围和工作温度广.磁制冷机完全符合这些条件,例如,冷冻激光打靶的氘丸,核聚变的氘和氚丸,红外元件的冷却,磁窗系统的冷却,扫雷艇超导磁体的冷却等.另外,磁制冷主要应用在极地温和液

化氦等小规模的装置中.虽然多方面因素限制了磁制冷技术的快速发展,但是,这一技术终将因其环保、高效等特点成为一种无可代替的新方式.与此同时,磁制冷技术的理论研究有待进一步扩大,为其实践应用打好基础、做好铺垫.

5磁制冷技术发展需要更多、更大的突破磁制冷技术作为一种具有很大潜力的制冷技术,现有的理论及实践基础尚不够完善,需要我们在以下方面作进一步研究：①针对相应的温区选择换热介质,设计出更佳的热开关或换热回路,提高换热效率.②加大对磁场的进一步分析,使磁体结构的设计更完善和合理.③不同的磁介质产生的附加磁场情况不同,例如附加磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体（如铋、氢等）,附加磁场与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体（如铁、锰）等.因此要不断加强对磁制冷材料的研制,通过改进工艺和材料重组制备性能更优越的材料.

参考文献

[1]鲍雨梅、张康达.磁制冷技术[J].化学工业出版社.2004.

[2]磁制冷技术.低温工程[M].2001,2.

作者简介

郭宪杰,男,1964年3月,河南省郑州市人,河南中烟工业有限责任公司郑州卷烟厂动能车间,制冷设备维修高级技师,中专学历.

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