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1、2001年第2期低温工程No.22001总第120期CRYOGENICSSumNo.120①磁制冷发展现状及趋势:Ⅱ磁制冷技术1121131陈远富陈云贵滕保华唐永柏付浩唐定骧涂铭旌(1四川大学金属材料工程系,2四川大学应用物理系成都610065)(3中科院长春应用化学研究所长春130022)摘要简要介绍了磁制冷实现的原理,概括了磁制冷与气体压缩制冷的差异,比较了4种磁制冷循环的优缺点及适用场合,重点评述了室温温区磁制冷样机的研究进展,分析了磁制冷的关键技术,最后给出了磁制冷的潜在市场并展望了发展趋势。主题词磁制冷磁制冷机磁制冷循环0引言传统压缩制冷技术广泛应用于各
2、行各业,形成了庞大的产业,但它存在两个明显的缺陷:制冷效率低且氟利昂工质的泄漏会破坏大气臭氧层。根据蒙特利尔协议到2000年将全面禁止氟利昂的生产和使用,使制冷行业面临一场变革。现在大力研究开发的无氟替代制冷剂,基本上可以克服破坏大气臭氧层的缺陷,但仍保留了制冷效率低、能耗大的缺陷,而且有的还会产生温室效应等,不是根本解决办法。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如下竞争优势:无环境污染:由于工质本身为固体材料以及可用水来作为传热介质,消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷;高效节能
3、:磁制冷的效率可达到卡诺循环的30%～60%,而气体压缩制冷一般仅为5%～10%,节能优势显著;易于小型化:由于磁工质是固体,其熵密度远远大于气体的熵密度,因而易于做到小型化;稳定可靠:由于无需压缩机,运动部件少且转速缓慢,可大幅降低振动与噪声,可靠性高,寿命长,便于维修。磁制冷技术因具有上述优势以及其在液化氢、以及室温磁制冷方面具有巨大的市场前景而受到全球广泛的关注,美、日、法等发达国家投入了大量人力、物力进行研究开发。1磁制冷实现的原理及过程绝热去磁制冷的原理为:磁致冷材料(磁工质)等温磁化时,由于其磁矩取向趋于有序,使磁熵减小,磁工质向外界放热;当绝热去磁时
4、,由于磁矩又趋于无序,磁熵增加,磁①四川省计委重点科技攻关项目支持。陈远富,男,28岁,博士生。本文于2000年10月24日收到。58低温工程2001年[1]工质温度降低。下面以最简单的卡诺循环为例对绝热去磁制冷过程进行说明(见图1)。1)等温磁化过程,热开关TS1闭合,TS2断开,磁场施加于磁工质上,使熵减小,通过高温热源与磁工质的热端连接,热量从磁工质传入高温热源。2)绝热去磁过程,热开关TS1断开,TS2仍断开,逐渐移去磁场,磁工质内自旋系统逐渐无序,在退磁过程中消耗内能,使磁工质温度下降到低温热源温度。3)等温去磁过程,TS2闭合,TS1仍断开,磁场继续减
5、弱,磁工质从热源HS吸热。4)绝热磁化过程,断开TS2,TS1仍断开,施加一较小磁场,磁工质温度逐渐上升到高温热源温度。图1卡诺型磁制冷机工作流程2磁制冷与气体压缩制冷的比较磁制冷和气体压缩制冷是两种不同的制冷方式,具有较大差异。其一、实现原理不一样:磁制冷是通过励磁、退磁而实现的制冷;而传统气体压缩制冷则是通过气体压缩、膨胀而实现制冷。因此磁制冷不需能耗很大的压缩机,但需提供磁场。其二、制冷工质差异大:磁制冷的工质为固体,无毒、无温室效应、不破坏臭氧层,且[2]具有高熵密度(为获得2.3R的熵变化,气体压缩制冷在p1=0.1MPa,p2/p1=10时需要322.
6、4L的气体,而磁制冷如以磁工质GGG(Gd3Ga5Ga12)为例,仅需143cm体积便能获得与上述气体系统相同数值的熵变,浓缩程度约为气体的156倍。因此作为小型、大功率的制冷系统,磁制冷是很有希望的。但另一方面,磁工质高熵密度同时意味着,在等温吸热和放热过程中,迅速而又高效地进行自旋系统与外部热源之间的热交换将成为磁制冷中非常重要[3]的问题。表1给出了磁制冷、气体制冷概括性的比较。表1给出了磁制冷、气体制冷概括性的比较制冷工质操作制冷方式工质熵密度外力(外场)发生装置操作种类磁性物质永磁(超导)磁体或磁制冷高磁场励磁、去磁(固体)电磁铁及驱动机构气体制冷气体低
7、压力压缩机压缩、膨胀3磁制冷循环及适用场合[4]图2为4种常见磁制冷循环的热力学示意图。当制冷温度较低时(低于1K),晶格熵可以忽略不计,Carnot循环是适当的;当温度升高时(1～20)K,晶格熵逐渐增大到可与磁熵相比拟,状态变化的有效熵变小,需加很大外磁场才能有效制冷;当温度高于20K尤其第2期磁制冷发展现状及趋势:Ⅱ磁制冷技术59在近室温,晶格熵非常大,须考虑如何排出晶格熵的问题,卡诺循环已不适应了。原则上Carnot循环可用于制冷温度低于20K的磁制冷机;而Stirling,Brayton,Ericsson循环则为20K～300K温度的磁制冷机提供了可行的
8、热力学方式
