磁制冷技術(shù)

制冷技術(shù)的基本原理是在外界提供能源的條件下,，制冷機(jī)從低溫區(qū)吸取熱量并向高溫區(qū)釋放熱量。目前流行的電冰箱大多采用氣體（如氟里昂）做工質(zhì),，利用壓縮—循環(huán)方法,，借助正焦耳—湯姆遜效應(yīng)（氣體節(jié)流膨脹時(shí)溫度降低）來(lái)獲得低溫。但是,，用氟制冷劑不僅會(huì)造成大氣污染,，引起“室溫效應(yīng)”，而且會(huì)破壞用以過(guò)濾紫外線,，保護(hù)地面生物的高空臭氧層,。出于對(duì)環(huán)境保護(hù)的考慮，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署已組織80個(gè)國(guó)家簽署了一項(xiàng)協(xié)議,，規(guī)定2000年為使用氟制冷劑的最終年限,。但的，用這種方法獲取低溫,，實(shí)際上有一個(gè)最低的年度,，因?yàn)闅怏w的蒸發(fā)速度隨著溫度的下降而變慢，最后將慢到只能帶走漏進(jìn)儀器（如冰箱）內(nèi)部的熱量,，這時(shí)便不能再繼續(xù)進(jìn)行冷卻了,。而采用磁性材料做工質(zhì)，通過(guò)絕熱退方法獲取低溫的磁冰箱,，可以不受這一限制,，獲得足夠的低溫,。 早在1918年魏斯（Weiss）發(fā)現(xiàn)鐵磁體絕熱磁化會(huì)伴隨著可逆的溫度改變，稱(chēng)為磁熱長(zhǎng)羅利效應(yīng)(Magneto ColoricEffect),。利用這種效應(yīng)可以獲得低溫,。1926年德拜（Debye）等人提出利用絕熱退磁降溫方法獲取低溫。1933年焦克(Giangue)等人,，采用磁性材料做為工質(zhì),，用等溫磁化和絕熱退磁方法獲得1K以下的低溫。

—. 磁致冷的物理原理

磁致冷的基本原理是借助磁性材料的磁熱效應(yīng),，等溫磁化時(shí)向外界放出熱量,，絕熱退磁時(shí)溫度（冷卻），并從外界吸取熱量,。下面說(shuō)明這一原理,。
在磁場(chǎng)作用下的磁性材料，實(shí)際上是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng),，一個(gè)無(wú)限小狀態(tài)變化的可逆過(guò)程,，滿足熱力學(xué)二 定律，即
(1)
其中,， 是系統(tǒng)內(nèi)能的變化,， 是系統(tǒng)吸收的熱量（ 是系統(tǒng)內(nèi)能的變化）
是外力對(duì)系統(tǒng)做的功，
右邊第一項(xiàng)是使系統(tǒng)磁化的功,；第二項(xiàng)是機(jī)械功,。忽略故態(tài)磁性材料體積的微小變化（1）式寫(xiě)成
(2)
考慮到內(nèi)能U是絕對(duì)溫度T和磁化強(qiáng)度M的函數(shù)，則有
(3)
對(duì)順磁介質(zhì)內(nèi)能U只是溫度T的函數(shù)即（ ）T=0,，（3）式成
(4)
其中 稱(chēng)為磁化 熱容量,，是正數(shù)。上式是順磁質(zhì)磁化效應(yīng)的熱力學(xué)方程,。
等溫磁化過(guò)程,， ,(4)式變成 因?yàn)?/span> ,所以 ,系統(tǒng)放出熱量,。
絕熱退磁過(guò)程 ,(4)式變成 因?yàn)?/span> ,, 所以 系統(tǒng)降溫變冷,。
對(duì)磁性材料反復(fù)進(jìn)行等溫磁化和絕熱退磁就可以獲得低溫，實(shí)現(xiàn)磁致冷,。
實(shí)際上,，等溫磁化時(shí)，磁性離子在外磁場(chǎng)作用下,，磁矩規(guī)則排列,，無(wú)序度減小，這意味著有熱量從磁性材料流出,；而絕熱退磁時(shí),，磁性離子的磁短雜亂取向,，無(wú)序度增大，但整個(gè)系統(tǒng)的熵保持不變,，故點(diǎn)陣振動(dòng)的熵必然減小,，即必有熱量從點(diǎn)陣振動(dòng)流出，結(jié)果磁性材料被冷卻,。

二. 磁冰箱的結(jié)構(gòu),、工作原理

根據(jù)上述物理原理，人們制造出磁冰箱的原型機(jī),，圖18—1



是它的結(jié)構(gòu)原理示意圖,。在圓環(huán)A內(nèi)充滿加工成珠狀的磁性材料，當(dāng)環(huán)A繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí),，磁性材料便周期性地從磁極為N,、S的強(qiáng)磁場(chǎng)高溫區(qū)B運(yùn)動(dòng)到無(wú)磁場(chǎng)低溫區(qū)D。在高溫區(qū)B時(shí),，磁性材料被等溫磁化,，釋放出來(lái)的熱量由該區(qū)E吸收（通常可用低壓蒸發(fā)的液氦吸收熱量）,。當(dāng)磁化了的磁性材料絕熱地離開(kāi)高溫磁場(chǎng)區(qū)B時(shí),，由于絕熱退磁，溫度下降,，并在到達(dá)低溫?zé)o磁場(chǎng)區(qū)D時(shí),，與該區(qū)進(jìn)行熱交換，吸收該區(qū)F中的熱量,，使低溫區(qū)溫度降低,。A環(huán)不斷旋轉(zhuǎn)磁材料便不斷地從低溫區(qū)吸收熱量并向高溫區(qū)釋放熱量，使低溫區(qū)溫度進(jìn)一步下降,，達(dá)到制冷的目的,。

三. 磁致冷的優(yōu)點(diǎn)、形狀與前景

與壓縮循環(huán)制冷相比,，磁致冷有許多優(yōu)點(diǎn),。首先，磁致冷的效率高,，可獲得足夠的低溫,。法國(guó)制成的原型機(jī)，熱動(dòng)力循環(huán)效力達(dá)60%,，為普通電冰箱的1.5倍,。估計(jì)在特定條件下，可達(dá)2~4倍。由于磁致冷不受低溫時(shí)氣體蒸發(fā)減慢的限制,，可獲得足夠的低溫,。對(duì)磁性材料進(jìn)行退磁已獲得0.001K的低溫1956年利用核的絕熱退磁達(dá)到 K的極地溫。其次,，磁致冷機(jī)由于不需要在高溫下進(jìn)行的壓縮機(jī),，又用固體材料做工質(zhì)，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、體積小,、重量輕、無(wú)噪音,、便于維修和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),。
由于磁致冷有許多優(yōu)點(diǎn)，很快就受到人們的重視,，在低溫磁致冷研究方面取得較顯著的成果,。至于高溫磁致冷，由于電子自旋熱騷動(dòng)很大,，必須用強(qiáng)磁場(chǎng),，受到一定限制。1976年布朗（Brown）用 釓（Gd）做制冷劑,，在室溫附近做致冷實(shí)驗(yàn),，實(shí)驗(yàn)表明，制成室溫磁致冷機(jī)是可能的據(jù)報(bào)道,，法,、美、英,、日已設(shè)計(jì)制造了磁冰箱的原型機(jī),，1982年美國(guó)已制成室溫附近（248K~328K）溫差⊿T=80K的磁致冷機(jī)。法國(guó)Grenotle?中心,、日本東芝和日立公司都制成了磁致冷洋機(jī),，可望磁冰箱投放市場(chǎng)為期不遠(yuǎn)了。